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摘 要介绍天然气井的特点以及井控技术。
关键词天然气;特性;井控
中图分类号TE242文献标识码A文章编号1673-9671-(2010)062-0133-01
天然气具有发热量大、燃烧完全、运输方便、对空气污染少等优点,在世界能源消费结构中占有重要地位。据专家预测,21世纪上半叶,天然气将成为第一能源。但是,天然气具有密度低、可压缩、可膨胀、易燃烧、易爆炸等不同于石油的许多特殊性质,决定了其开采利用的复杂性、风险性和危险性,特别是更易导致恶性井喷、火灾爆炸、硫化氢中毒、管柱腐蚀等常见事故。
1天然气井的特点
1.1天然气侵入井筒的方式
天然气侵入井筒的方式主要有:随破碎的岩屑侵入——岩屑气;浓度扩散侵入——扩散气;重力置换侵入——置换气;压力差侵入——压差气。前三种情况在钻井施工中无法通过提高钻井液密度来阻止气体进入井内,但岩屑气和扩散气进入是一个缓慢而少量的过程,对井内的压力平衡影响较小,在地面加强除气就可以了;如钻遇大的裂缝、溶洞,发生置换,可能会进入大量的气体,但操作人员可以立即发现并采取措施关井循环除气;最关键的是第四种压差气,一旦井内平衡遭破坏而出现负压差,地层气体就会大量进入井内,不能及时发现则会酿成严重后果。
1.2气侵的特点及危害
1)侵入井内的气体由井底向井口运移时,体积逐渐膨胀,越接近地面,膨胀越快。因此,在地面看起来气侵很严重的钻井液,在井底只有少量气体侵入。2)一般情况下,气体侵入钻井液后呈分散状态,井底泥浆液柱压力的降低是非常有限的。只要及时有效地除气,就可有效避免井喷。3)当井底积聚相当体积的气体形成气柱时,随着气柱的上升(滑脱上升或循环上升),在井口未关闭的情况下,环境压力降低,体积膨胀变大,替代的钻井液量越来越多,使井底压力大大降低,更多的气体将以更快的速度侵入井内,最终导致井喷。4)气侵关井后,气体将滑脱上升,在井口积聚。但体积变化并不大。使气体几乎仍保持原来的井底压力。这个压力与泥浆柱压力叠加作用于整个井筒,容易导致井漏和地下井喷。
1.3气侵情况下的气液两相流的流动特点
气体进入井眼后,井内为气液两相流,由于二者密度不同,气体将会滑脱上升,在泡状流时,气体的滑脱速度不大,一般为150~300m/h;在段塞流时的滑脱速度约为1800~3000m/h。在井口开口的情况下,随着气体的不断上升,气体逐渐膨胀,在一定气侵量时,气体会由泡状流逐渐向段塞流和环状流发展。
1.4井内气体上升时的体积及压力变化
1)井口开启。气体从井底上升到一半高度时,由于气体压力减小一半,气体体积将会增大一倍。随着气体体积的不断增大,井底的液柱压力逐渐减小,导致更多的气体侵入井内,形成恶性循环,最终可能引起井喷。2)井口关闭。在井口关闭的情况下,气体在滑脱上升的过程中保持体积不变,因此其压力亦保持不变,此情况下,井口和井底的压力都会逐渐增加,当气体到达井口时,井口承受的压力为地层压力,井底的压力,为2倍于地层压力。此情况下可能压漏地层,发生井下井喷。因此,在井内的气体上升过程中,应逐渐有控制地进行放压,使套压小于允许套压。
2天然气井井控技术
天然气井井控技术的关键:认真搞好平衡压力钻井,立足一级井控,搞好二级井控,要有处理三级井控的预案和能力。
1)天然气井钻井液安全附加压力值的确定。钻井液安全附加压力值主要考虑到了起钻时的抽吸压力和起钻未灌钻井液间隙钻井液静压力的降低值。由于天然气在钻井液中滑脱快,上窜快,膨胀厉害,引起的液柱压力降低值远大于油井,行业标准规定,钻井液安全附加压力当量密度值,气井则应按0.07~0.15g/cm3(油井0.05~0.10g/cm3);或按井底安全附加压力3~5MPa(油井1.5~3.5MPa)计算钻井液应采用的密度值。钻井液安全附加压力当量密度值应取中到高限,若为含硫天然气井,应取二者的高限。进入气层后起钻前应进行静止和短起下观察一段时间后再下钻到储层循环观察,检测后效气侵程度和气窜速度,以确定是否具备安全起下钻条件,消除盲目性和不安全因素。
2)气层中钻进钻井操作。在气层中钻进,应配置专用计量罐,加强坐岗观察,密切注意溢流征兆,做到早发现、早关井、早处理是关键。如发现钻速变快应立即停钻观察,确认是否有压力异常,不一定非要等到1m3才报警。钻井班组成员熟练掌握“四、七”动作,开、关井操作要领,是防止井喷的有效措施。取芯井段往往是气显示好的井段,并且在出現井涌井喷时处理的难度大,应当特别重视气层井段取芯的井控工作。气层井段起钻要等迟到时间过后才能开始起钻,起钻时,尤其是在取芯起钻时,在气层井段上提速度要严格控制。气浸会使钻井液密度和粘度值发生相当大的变化,在积极采取措施除气的同时,及时弄清出入口钻井液的真实密度和溢流量是很重要的。测量气浸钻井液密度时,应排气后测量,如排气困难(粘、切太高时),应用加压密度计测量,以求得真实的钻井液密度。在含硫地区钻井,对含硫地层必须实行过平衡钻井,钻井液密度附加值取高限,不允许地层中含硫天然气进入井筒。在气层中处理复杂情况需泡油、注解卡剂等作业,总的液柱压力不能小于气层压力。钻井液中应加入除硫剂、缓蚀剂及钻具保护剂,pH值不低于10,避免使用高强度钻杆。在气层中钻进,应当特别重视和处理好井漏。因为漏层往往就是气层,许多井发生井喷往往是先井漏,处理不及时或欠妥当,液面降到一定程度后,井下压力失衡随即转化为溢流和井喷。对于气层井漏,应当给予比其它油水层、复杂层更多关注。一旦在气层中钻进发生漏失时,首先要设法采取措施保持平衡气层压力的液柱压力,也就是吊灌措施。在井下基本稳定的情况下,设法调整合适的钻井液密度,然后才着手考虑在安全的情况下采取堵漏等措施。要认真对待浅气层钻井的井控工作。由于浅气层钻进一般钻井液密度较低,天然气滑脱、上窜速度较快,膨胀迅速,距地面也较近,能在很短的时间内发生,甚至在液面上涨还不明显时就发生井涌、井喷。加之套管一般下得较浅,地层破裂压力较低,如关井很容易造成窜流、地下井喷,甚至发生套管外井喷。钻浅层气井或遇浅层气,重要的是做好一级井控工作,避免发生井涌,一旦发生,不要过多地指望用关井来控制它,尽量利用导流器放喷。
3)井身结构和井控装置。配备、安装、维护好井控装置,严格试压程序,确保装置可靠、好用是现场井控工作的基础(关键)之一,也是确保井控安全的重要条件之一。①要有一个好的钻井井控设计,设计的重点是:根据地层的孔隙压力、破裂压力、漏失压力剖面和流体性质,设计合理的井身结构。②根据分段地层孔隙压力和坍塌压力设计合理的钻井液密度,不能追求用降低密度来发现油气层。③根据裸眼段最高地层压力来设计防喷器的压力等级并配备剪切闸板。④放喷管线应采用抗硫管材,法兰连接;70Mpa以上级别建议采用多级节流系统,使每只节流阀上的压力降不超过40Mpa,确保节流阀的使用安全,也便于实现智能化控制。
参考文献
[1]马宗金,杨令瑞.油气井井喷着火灭火方法和作业程序.钻采工艺.2002,25(4):1-3.
[2]集团公司井控培训教材编写组.钻井井控工艺技术.东营:中国石油大学出版社.2008.
[3]程常修,曾时田.天然气井钻井应重点考虑的几个技术问题.天然气工业.2002,22(2):50-53.
关键词天然气;特性;井控
中图分类号TE242文献标识码A文章编号1673-9671-(2010)062-0133-01
天然气具有发热量大、燃烧完全、运输方便、对空气污染少等优点,在世界能源消费结构中占有重要地位。据专家预测,21世纪上半叶,天然气将成为第一能源。但是,天然气具有密度低、可压缩、可膨胀、易燃烧、易爆炸等不同于石油的许多特殊性质,决定了其开采利用的复杂性、风险性和危险性,特别是更易导致恶性井喷、火灾爆炸、硫化氢中毒、管柱腐蚀等常见事故。
1天然气井的特点
1.1天然气侵入井筒的方式
天然气侵入井筒的方式主要有:随破碎的岩屑侵入——岩屑气;浓度扩散侵入——扩散气;重力置换侵入——置换气;压力差侵入——压差气。前三种情况在钻井施工中无法通过提高钻井液密度来阻止气体进入井内,但岩屑气和扩散气进入是一个缓慢而少量的过程,对井内的压力平衡影响较小,在地面加强除气就可以了;如钻遇大的裂缝、溶洞,发生置换,可能会进入大量的气体,但操作人员可以立即发现并采取措施关井循环除气;最关键的是第四种压差气,一旦井内平衡遭破坏而出现负压差,地层气体就会大量进入井内,不能及时发现则会酿成严重后果。
1.2气侵的特点及危害
1)侵入井内的气体由井底向井口运移时,体积逐渐膨胀,越接近地面,膨胀越快。因此,在地面看起来气侵很严重的钻井液,在井底只有少量气体侵入。2)一般情况下,气体侵入钻井液后呈分散状态,井底泥浆液柱压力的降低是非常有限的。只要及时有效地除气,就可有效避免井喷。3)当井底积聚相当体积的气体形成气柱时,随着气柱的上升(滑脱上升或循环上升),在井口未关闭的情况下,环境压力降低,体积膨胀变大,替代的钻井液量越来越多,使井底压力大大降低,更多的气体将以更快的速度侵入井内,最终导致井喷。4)气侵关井后,气体将滑脱上升,在井口积聚。但体积变化并不大。使气体几乎仍保持原来的井底压力。这个压力与泥浆柱压力叠加作用于整个井筒,容易导致井漏和地下井喷。
1.3气侵情况下的气液两相流的流动特点
气体进入井眼后,井内为气液两相流,由于二者密度不同,气体将会滑脱上升,在泡状流时,气体的滑脱速度不大,一般为150~300m/h;在段塞流时的滑脱速度约为1800~3000m/h。在井口开口的情况下,随着气体的不断上升,气体逐渐膨胀,在一定气侵量时,气体会由泡状流逐渐向段塞流和环状流发展。
1.4井内气体上升时的体积及压力变化
1)井口开启。气体从井底上升到一半高度时,由于气体压力减小一半,气体体积将会增大一倍。随着气体体积的不断增大,井底的液柱压力逐渐减小,导致更多的气体侵入井内,形成恶性循环,最终可能引起井喷。2)井口关闭。在井口关闭的情况下,气体在滑脱上升的过程中保持体积不变,因此其压力亦保持不变,此情况下,井口和井底的压力都会逐渐增加,当气体到达井口时,井口承受的压力为地层压力,井底的压力,为2倍于地层压力。此情况下可能压漏地层,发生井下井喷。因此,在井内的气体上升过程中,应逐渐有控制地进行放压,使套压小于允许套压。
2天然气井井控技术
天然气井井控技术的关键:认真搞好平衡压力钻井,立足一级井控,搞好二级井控,要有处理三级井控的预案和能力。
1)天然气井钻井液安全附加压力值的确定。钻井液安全附加压力值主要考虑到了起钻时的抽吸压力和起钻未灌钻井液间隙钻井液静压力的降低值。由于天然气在钻井液中滑脱快,上窜快,膨胀厉害,引起的液柱压力降低值远大于油井,行业标准规定,钻井液安全附加压力当量密度值,气井则应按0.07~0.15g/cm3(油井0.05~0.10g/cm3);或按井底安全附加压力3~5MPa(油井1.5~3.5MPa)计算钻井液应采用的密度值。钻井液安全附加压力当量密度值应取中到高限,若为含硫天然气井,应取二者的高限。进入气层后起钻前应进行静止和短起下观察一段时间后再下钻到储层循环观察,检测后效气侵程度和气窜速度,以确定是否具备安全起下钻条件,消除盲目性和不安全因素。
2)气层中钻进钻井操作。在气层中钻进,应配置专用计量罐,加强坐岗观察,密切注意溢流征兆,做到早发现、早关井、早处理是关键。如发现钻速变快应立即停钻观察,确认是否有压力异常,不一定非要等到1m3才报警。钻井班组成员熟练掌握“四、七”动作,开、关井操作要领,是防止井喷的有效措施。取芯井段往往是气显示好的井段,并且在出現井涌井喷时处理的难度大,应当特别重视气层井段取芯的井控工作。气层井段起钻要等迟到时间过后才能开始起钻,起钻时,尤其是在取芯起钻时,在气层井段上提速度要严格控制。气浸会使钻井液密度和粘度值发生相当大的变化,在积极采取措施除气的同时,及时弄清出入口钻井液的真实密度和溢流量是很重要的。测量气浸钻井液密度时,应排气后测量,如排气困难(粘、切太高时),应用加压密度计测量,以求得真实的钻井液密度。在含硫地区钻井,对含硫地层必须实行过平衡钻井,钻井液密度附加值取高限,不允许地层中含硫天然气进入井筒。在气层中处理复杂情况需泡油、注解卡剂等作业,总的液柱压力不能小于气层压力。钻井液中应加入除硫剂、缓蚀剂及钻具保护剂,pH值不低于10,避免使用高强度钻杆。在气层中钻进,应当特别重视和处理好井漏。因为漏层往往就是气层,许多井发生井喷往往是先井漏,处理不及时或欠妥当,液面降到一定程度后,井下压力失衡随即转化为溢流和井喷。对于气层井漏,应当给予比其它油水层、复杂层更多关注。一旦在气层中钻进发生漏失时,首先要设法采取措施保持平衡气层压力的液柱压力,也就是吊灌措施。在井下基本稳定的情况下,设法调整合适的钻井液密度,然后才着手考虑在安全的情况下采取堵漏等措施。要认真对待浅气层钻井的井控工作。由于浅气层钻进一般钻井液密度较低,天然气滑脱、上窜速度较快,膨胀迅速,距地面也较近,能在很短的时间内发生,甚至在液面上涨还不明显时就发生井涌、井喷。加之套管一般下得较浅,地层破裂压力较低,如关井很容易造成窜流、地下井喷,甚至发生套管外井喷。钻浅层气井或遇浅层气,重要的是做好一级井控工作,避免发生井涌,一旦发生,不要过多地指望用关井来控制它,尽量利用导流器放喷。
3)井身结构和井控装置。配备、安装、维护好井控装置,严格试压程序,确保装置可靠、好用是现场井控工作的基础(关键)之一,也是确保井控安全的重要条件之一。①要有一个好的钻井井控设计,设计的重点是:根据地层的孔隙压力、破裂压力、漏失压力剖面和流体性质,设计合理的井身结构。②根据分段地层孔隙压力和坍塌压力设计合理的钻井液密度,不能追求用降低密度来发现油气层。③根据裸眼段最高地层压力来设计防喷器的压力等级并配备剪切闸板。④放喷管线应采用抗硫管材,法兰连接;70Mpa以上级别建议采用多级节流系统,使每只节流阀上的压力降不超过40Mpa,确保节流阀的使用安全,也便于实现智能化控制。
参考文献
[1]马宗金,杨令瑞.油气井井喷着火灭火方法和作业程序.钻采工艺.2002,25(4):1-3.
[2]集团公司井控培训教材编写组.钻井井控工艺技术.东营:中国石油大学出版社.2008.
[3]程常修,曾时田.天然气井钻井应重点考虑的几个技术问题.天然气工业.2002,22(2):50-53.