浅层气钻井讲义

浅层气钻井渤海石油实业公司一、浅层气危害与典型后果 (1)1. 浅层气定义 (1)2. 浅层气危害 (1)3. 浅层气井涌与井喷原因 (2)4. 浅层气井喷的典型后果 (2)二、国内外研究结论 (6)三、浅层气钻井 (7)1. 浅层气井涌/井喷常规处理技术及其评述 (7)2. 浅层气钻井中的几个问题 (9)3. 浅层气区安全钻进 (10)四、浅层气区安全钻井总结 (13)一、浅层气危害与典型后果1. 浅层气定义浅层气指在浅地层（即从早期钻穿的表层土至导管/表层套管的下入深度）遇到的气，该地层的破裂压力梯度低，不能用普通的关井技术来控制井涌。

另一种常见的浅层气井喷，出现在导管或表层套管下的裸眼部分，或在表层套管外面(原因是气窜通过水泥而引起)。

2. 浅层气危害浅层气属于典型的高压、小体积、位于浅层的气体储层。

存在快速沉积的地区，通常会钻遇浅层气。

因为浅海有的沉积层沉积速度很快，地层压力来不及释放。

这可以用于解释海湾地区及世界其它大陆架地区经常发生浅层气井喷的原因。

钻井权威和井控专家们宣称，在所有井控问题中处理浅层气井喷最为困难。

浅层气会造成非常危险的情况，因为：●这些小储气层是很局部的，且难于预测，经常是突然出现的。

●浅层气的压力能够很快释放，一旦井喷，即使流量小也可以使所有泥浆喷出。

●警报信号的反应时间短促，特别危险的是在起钻过程中向井眼内灌泥浆时。

●浅层存在着蹩裂地层和起火的危险。

浅层气存在的地层一般属于薄弱地层，压力稍大就可能造成井漏。

●防喷设备少。

通常为了防止蹩裂地层，钻井时只使用分流器。

分流器只能疏导井喷，而不能压住井喷。

1971~1991年，在美国大陆架共钻进21436口井，开发井占62.6%。

作业中共发生87次井喷事故。

11次井喷导致了灾难性事故，大部分归咎于浅层气井喷。

58口井是在钻至1500m前所发生的，这些都是由于浅层气的高压、未被检测出或控制不当所造成。

46次井喷是在探井中，可能归咎于地质信息和钻井数据的缺乏。

开发井钻井时井喷率较低，但大部分都是与浅层气有关。

尽管在开发井钻井阶段已经有更详细的地质数据，但是在37口开发井井喷事故中的25口井是由于浅层气所造成。

这一井喷率更进一步说明了浅层气井喷的危害。

到1987年11月为止，在挪威大陆架钻进的567口探井和评价井中有155口井中遇到了浅层气。

由于浅层气缘故，许多井发生了井涌，7口井发生了严重井喷。

1985年10月6日晚在挪威Haltenbanben的6407/6区块的一座半潜式钻井平台发生了浅层气井喷，井喷发生在12-1/4”领眼钻进过程中。

该井安装了海洋隔水管。

由于气体流量很大、固相很多导致分流器系统和隔水管失效，气体涌向钻井平台并着火。

结果爆炸与大火引起了巨大的灾难，平台很快损毁，死1人。

对该井喷的调研表明对分流器系统需要作很大的改进。

3. 浅层气井涌与井喷原因(1) 桥堵当井筒向裸眼内坍塌，或套管外环隙井喷时地层塌向套管，都称为桥堵。

形成桥堵有两种现象：●井喷使得地层压力降低，压力降低导致岩层不稳定，从而坍塌或形成桥堵。

●高速的流体把岩块带进井筒，在水平方向上冲蚀喷发层，直至上面的地层由于结构失稳而坍塌。

1988年一口井发生浅层气井喷，碎块被喷出井外，而使井深增加了4.5m。

据称井筒已经扩大为球形，水平方向的半径约等于增加的井深。

分流系统失效的原因：1)冲蚀：冲蚀程度主要依赖流体的速度、所含固体的磨蚀性，以及固体对系统部件的冲击角度。

降低上述因素中的一个或几个，都能缓和冲蚀的程度。

分流系统的直径只有10英寸或更小。

冲蚀破坏常由于管线过小和流动通道中的突起而引起紊流。

弯曲、通径的变化和流动通道的不连续性会产生大的冲击角度及局部增高流速。

2)堵塞：浅层气流中含有大量的碎屑。

碎屑在分流管线中或其它受阻处形成堵塞。

由于堵塞而出现的压力脉冲导致其它元件的失效。

3)回压过高：浅层气溢流时如果分流系统的回压过高，会使各组件失效。

对于已定流量，影响回压的关键是管子尺寸和流动阻力。

4)分流器的局限性：如果井眼内没有管柱，或插入式分流器的补心不在位且未予栓锁住，都不能把裸眼封闭。

这些局限性在一些案例中造成不少问题。

5)控制系统失效：一些较复杂的系统具有几种可以选择的操作形式，部分控制系统为了测试或维修而被断开，或未恢复到可操作状态。

一旦打算进行分流，该系统不是把井全部关闭，就是造成阀的操作顺序错误。

6)材料选择不当：当所用的材料不适合于浅层气溢流时的磨蚀和压力冲击，常出现材料失效。

连接分流管和薄壁放空管线的橡胶软管也是失效原因之一。

7)元件选择不良：有些场合下所装用的阀或其它关键元件不能适应于动态条件、压力冲击和含碎屑的流体。

8)支架损坏：分流器和管线支架曾有损坏的记录。

高流速引起振动。

9)滑套密封件泄漏：浮式钻井作业中。

(3) 套管外的窜流套管外窜流常导致严重的后果，如井的损害和钻井装置或平台的全损。

窜流原因：●固井期间隔离液漏失或水泥失重；●水泥存在裂缝；●地面处有通道存在，如套管头翼阀未关闭，或已经将防喷器组拆下；●窜流可以顺着断层面移动;●地层破裂 (上部地层充气或与地表连通)。

(4) 地表处碗形塌陷套管外的喷流携走大量的地表沉积层，形成地面井眼周围的碗形塌陷。

井喷的喷发力如此巨大，据记载有重达几百公斤的巨大圆石被抛入空中，落在距离井位大约50米远的地方。

碗形塌陷的范围可以很大，有口井的碗形塌陷的尺寸达400m ×80m×90m深。

但碗形塌陷的实际深度很难确定。

大型钻井装置和平台曾掉入碗形塌陷，而在地表看不到任何痕迹。

1987年至1988年的一次事故说明了形成碗形塌陷的力量有多大。

一口正在钻进的井下入了下述套管：30”导管下深146米；20”表层套管下深233米；13-3/8”技术套管下深683米。

在固井时，井从17-1/2 英寸和13-3/8英寸的套管的环隙开始溢流，随即造成井喷。

几个月后该井被完全控制，经证实，在泥线处碗形塌陷的直径为40米，深度至少200多米。

13-3/8”套管已无踪影，认为受井喷的冲蚀和切割作用，然后倒在碗形塌陷的一边。

20”套管在30”导管的底部处被切断。

30”导管及20”套管柱悬挂在平台之下，未受碗形塌陷的支撑。

同时在通过所钻井的那条大腿也呈悬空状态，平台该角下沉了7英寸。

(5) 由于无法解脱隔水管而带来的损失在使用隔水管的浮式钻井作业时，如果发生浅层气井喷，大多数的石油公司把隔水管解脱并把钻井装置移开。

但很多情况下却无法把隔水管连接器松开。

解脱隔水管失败之后，迫使作业商把钻井装置强行离位，机械地把隔水管分离。

绝大多数情况下，套管及井口装置会弯曲或破裂。

据记载，倾斜角可达2度至45度。

报道有超过45度的情况。

倾斜角较大时会严重地限制对该井的直接补救插入法。

上述弯曲通常出现在紧接着泥线之下。

当套管和井口装置向侧面移动时受到土壤压力的抵抗。

泥线下的第一个套管连接器被拉断也是常见的。

防喷器组（如果已经装了的）和井口装置具有较高的断面模数，比套管有较大的抗弯曲性能。

某些类型的液动连接器比其它类型的损坏率要高得多。

这些连接器下部的空心圆柱体与它配合的井口装置或防喷器组上部的空心圆柱体之间的插入间隙很小。

隔水管必须在井口装置之上几乎完全垂直地对正才能比较顺利地解脱。

连接器必须能垂直地上提几英寸，然后连接器才能有明显的角度差。

如果隔水管不能垂直地对正，在两个圆筒面之间会出现干扰。

但也有一些连接器在解脱时很容易松开。

(6) 浅层气井喷导致船只和平台损失浅层气井喷最大的风险是在钻井船甲板上的气柱起火，并可能很快导致设备、人员和最终钻井船的损失。

平台：一个平台的结构、设施、钻机和已有的生产井的投资很大。

当井喷规模大小相似时，对平台可能带来的损失要比一台移动式海上钻井装置大得多。

碗形塌陷严重时，平台可能倾斜，最严重时平台会彻底坍塌。

自升式和其它底部支撑式钻井装置：基础易于受损坏。

碗形塌陷可以导致其倾覆，大量的自升式装置由于井喷而造成全部损毁。

自升式钻机的支柱已深入海底，不能很快地从井位移开。

分流气体也存在很大风险，易于使钻机处于不安全状态。

有时候钻井装置可以移开井位，但由于有失火的危险，可能性不大。

半潜式钻井装置：遇到浅层气井喷时，半潜式钻井装置比其它钻井装置的处境要好一些。

半潜式在水深80米或更深处能够不使用隔水管钻井。

大多数半潜式遭到破坏是使用了隔水管，因为隔水管为气体准备了一条既直接又有大孔径的通道，使气体能够到达钻机。

如果未能把隔水管连接器解脱，钻井装置难于很快地驶离现场。

由于气体沸腾而减弱浮力记载没有造成什么问题，仍能够保持稳定和足够的吃水深度。

唯一潜在的问题是风平浪静，并且井喷的气量非常大。

钻井船和驳船：浅层气井喷会给系泊的钻井船和驳船在较浅水深中作业时带来问题。

气体很可能把钻井装置包围并把动力机关停，干舷变低，曾几次造成因为作业把船的舱口敞开而把船只淹没，或在井喷期间把船的壳体损坏。

因井喷而出现表面水流，作用在船壳上有把钻井装置推到沸腾区一边的趋势。

上述情况与系泊缆结合在起，对船施加了一个翻转力矩，致使船向一侧倾斜。

如果水深增大时，井喷和所喷出的气体效应会减弱。

动力定位的钻井船有一个优点，在紧急情况下能很容易地驶离现场。

没有关于动力定位钻井船遭到浅层气井喷重大损失的报道。

二、国内外研究结论1989年Louisiana州立大学的Bourgoyne在“海洋钻井作业中改进防喷系统的开发：浅层气危害”一文中认为:在某些海洋环境中，在可能具有浅层气的情况下钻进时可能会遇到异常压力的问题，常规的防喷方法和设备似乎作用不很大，并通常会导致严重的井控问题。

1990年Hydril公司的Roche在“新工具保证浅层气钻井更多的安全”一文中认为分流器系统在大部分情况下都太脆弱、太复杂、设计太差而不能很好地分流，1991年Glasgow公司的Mills在“浅层气安全井控的大型分流器”一文中认为大部分分流器系统使气/砂混合物接近临界速度，导致地表管线的极端冲蚀和短寿命。

计算表明只有一部分的分流器系统可以处理大量的浅层气而不会导致井口过大的回压。

挪威北海最近的钻机设计要求分流管线尺寸最小为16英寸。

1995年Black在“Unocal作业中控制浅层气井涌”一文中分析认为按照挪威Veritas的经验，33%的气体井喷起源于浅层气井涌，54%的浅层气井喷会导致严重的损害。

按统计表明分流器失效率达70%，因此应在计划阶段就考虑分流器失效后的应急处理问题。

1998年Chevron Overseas石油公司的Smith等人在“克服浅层气危害：Banzala 油田开发计划”中描述了位于安哥拉Cabinda海的Banzala油田开发情况。

三、浅层气钻井1. 浅层气井涌/井喷常规处理技术及其评述对浅层气井喷没有可靠的一次控制方法。