中石油钻井井控培训教材--技术部分

石油与天然气
钻井井控培训教材
前言
井控工作是石油与天然气勘探开发过程中的重要环节，是安全生产工作中的重中之重。

多年来，各级领导一直高度重视井控工作，始终把井控工作放在安全生产的突出位置。

井喷失控是油气田生产过程中的灾难性事故。

岗位员工的安全行为对充分做好井控工作，保证安全生产具有重要意义，要建立井控安全长效机制，实现井控本质安全，关键在于提高员工井控素质。

井控培训是提高岗位员工井控素质和井控安全意识的有效途径。

通过培训，将增强员工的井控意识，丰富井控知识，提高井控操作技能，有力地推动井控基础工作的进一步加强，为井控安全生产发挥重要作用。

为加强井控培训工作，推进井控培训工作的规范化、科学化，着眼于提高员工的井控综合素质和能力，培养高素质石油工程技术作业队伍，特编写该井控培训教材。

教材在理论上未做深入的探讨，侧重于阐述成熟的井控基本理论及工艺技术，强调现场实践环节，注重教材的实用性。

为了增强先进性，并考虑与国际接轨，教材内容参照了最新颁布的行业标准、集团公司的有关规定，和国外一些井控培训机构的教材。

同时，为使教材内容涵盖面更广，操作性更强，请各油田具有多年井控经验的钻井专家进行了审阅，并根据专家的意见进行了修改和补充。

另外，教材还增加了硫化氢的基础知识和防护的有关内容。

该教材是集团公司所属各井控培训中心进行井控培训的专用教材，同时也可作为各级领导、地质工程设计人员、工程技术人员、安全环保人员、岗位操作人员的自学用书。

该教材主要由郝立军、徐绍林、邵玉田、黄振富、陈斌、居曼·依买尔等同志共同编写完成。

其中第一、二、三章主要由郝立军、陈斌、居曼·依买尔完成；第四、九章主要由徐绍林、郝立军完成，其中有关小井眼和水平井的井控技术分别采用了刘硕琼和徐优富的文章；第五、六、七、八章主要由郝立军、徐绍林、邵玉田完成；设备部分主要由黄振富、郝立军、徐绍林、邵玉田完成，其中第十四章由王晓颖、李真完成；第二十、二十一、二十二章主要由邵玉田、黄振富、徐绍林完成；最后由郝立军负责全书的通稿和修改工作。

在教材编写过程中，得到新疆石油管理局、中油西部井控培训中心、大庆油田钻井井控培训中心、四川石油井控培训中心、大港油田井控培训中心、大庆油田井下作业井控培训中心、华北油田井控培训中心、北京石油机械厂的大力支持和帮助，在此一并表示感谢。

特别感谢以廖润康为组长的专家评审组对教材所做的精心修改。

由于水平有限，难免有错误和不足之处，恳请读者批评指正。

编者
二00七年十月
说明
该教材可作为集团公司所属各井控培训中心的专用教材。

按照《中国石油天然气集团公司石油与天然气钻井井控管理规定》的要求，各油气田井控培训中心应针对钻井队工人、技术人员和钻井监督；井控车间技术人员和现场服务人员；地质工程设计人员、现场地质技术人员、地质监督、测井监督及相关人员；油气田主管钻井生产的领导和钻井管理人员等进行不同内容的井控培训。

根据这一要求，对培训对象的划分及其应掌握和了解的内容在本教材中的章节分布，做如下说明，供参考。

培训对象的划分：
1、生产管理人员，包括
1）管理局及其它钻井单位各级机关钻井生产管理的领导，安全部门的领导（科级以上）；
2）油田公司涉及钻井生产或涉及钻井管理和监督的各级机关领导（科级以上）；
2、专业技术人员，包括
1）钻井设计人员，设计审核、审批人员；
2）钻井技术管理部门的领导及相关技术人员；
3）钻井队干部、欠平衡、固井、定向井、打捞等工程技术服务人员；
4）钻井工程监督、钻井安全监督、钻井公司安全管理人员；
5）钻井公司安全科人员。

3、现场操作人员，主要是指钻井队工人；
4、现场服务人员，主要是指井控车间的技术人员和设备维修、服务人员；
5、相关技术人员，包括
1）地质设计人员及地质设计审核、审批人员；
2）地质监督、测井监督；
3）录井专业人员、测井专业人员；
4）涉及钻井的地质、录井、测井的各级领导。

针对不同级别人员的培训要求及具体的教学内容，可参照集团公司井控培训教学大纲。

在本教材中，上述培训对象应掌握和了解的章节如下所述：
1、生产管理人员，要求掌握第一、六、七、八、九、二十一、二十二章内容和附录一，井控设备的内容要求了解。

2、专业技术人员，本书所涉及的内容均应学习掌握。

3、现场操作人员，要求掌握第一、二、五、六、十一、十二、十四、十六、十七、二十章内容，了解第七、八、十、十五、十八、十九章内容。

4、现场服务人员，要求掌握第十章～第十九章内容，了解第一、二、五、六章内容。

5、相关技术人员，要求掌握第一、二、三、四、五章内容，了解第六、八、十、十一、十二、十四章内容。

目录
第一章绪论 (1)
一、井控及相关概念 (1)
二、井喷失控的原因及危害 (3)
三、如何做好井控工作 (5)
第二章井下各种压力概念及相互关系 (8)
一、静液压力 (8)
二、当量钻井液密度 (8)
三、地层压力 (9)
四、上覆岩层压力 (10)
五、地层破裂压力 (10)
六、地层坍塌压力 (11)
七、地层漏失压力 (12)
八、循环压力损失与环空压耗 (12)
九、激动压力和抽汲压力 (12)
十、井底压力 (13)
十一、安全附加值 (14)
十二、压差 (14)
第三章地层压力检测 (16)
一、压力检测的目的及意义 (16)
二、异常地层压力的形成机理 (16)
三、检测地层压力的方法 (18)
四、地层强度试验 (23)
第四章井控设计 (27)
一、与井控设计有关的行业标准和规定 (27)
二、地质设计 (28)
三、工程设计 (30)
四、压力剖面 (33)
五、套管程序的确定 (34)
六、钻井液设计 (36)
七、井控设备选择 (36)
八、应急计划 (38)
九、满足井控安全的钻前工程及合理的井场布局 (39)
第五章溢流的原因、预防与显示 (42)
一、溢流原因分析及预防 (42)
二、溢流显示 (46)
三、溢流的及早发现与处理 (48)
第六章关井程序 (50)
一、关井方法 (50)
二、关井程序 (50)
三、关井立管压力的确定 (58)
五、关井套压的控制 (60)
六、关井时应注意的问题 (60)
第七章井内气体的膨胀和运移 (63)
一、天然气的特点及危害 (63)
二、天然气侵入井内的方式 (64)
三、天然气侵入井内对井内液柱压力影响 (64)
四、开井状态下气体的运移 (66)
五、关井状态下气体的运移 (68)
六、关井后天然气运移的处理方法 (70)
第八章压井工艺 (73)
一、压井原理 (73)
二、压井基本数据计算 (73)
三、压井方法的选择 (76)
四、常规压井方法 (77)
五、非常规压井方法 (82)
六、特殊情况下的压井作业 (84)
七、井控作业中易出现的错误做法 (86)
第九章特殊井井控技术 (89)
一、小井眼井控技术 (89)
二、水平井井控技术 (91)
三、欠平衡井控技术 (93)
第十章井控设备概述 (97)
一、井控设备的功能 (97)
二、井控设备的组成 (97)
三、钻井工艺对防喷器的要求 (99)
四、液压防喷器的最大工作压力与公称通径 (99)
五、液压防喷器的型号 (100)
六、井口防喷器的组合 (100)
第十一章环形防喷器 (103)
一、概述 (103)
二、锥形胶芯环形防喷器 (104)
三、球形胶芯环形防喷器 (104)
四、环形防喷器的技术规范 (106)
五、环形防喷器的正确使用与管理 (106)
第十二章闸板防喷器 (108)
一、闸板防喷器的功能 (108)
二、闸板防喷器的结构 (108)
三、闸板防喷器的工作原理 (110)
四、闸板防喷器的侧门 (112)
五、闸板防喷器的锁紧装置 (113)
六、闸板防喷器的关井操作步骤 (114)
七、活塞杆的二次密封装置 (115)
八、闸板防喷器的合理使用 (116)
第十三章旋转防喷器 (118)
一、旋转防喷器结构和作用原理 (118)
二、旋转防喷器的使用 (118)
三、注意事项 (119)
四、Shaffer公司的PCWD系统 (120)
第十四章液压防喷器控制装置 (122)
一、控制装置的功用、组成及类型 (122)
二、气控液型控制装置工作原理 (123)
三、FKQ640-7控制装置 (127)
四、控制装置主要部件 (130)
五、控制装置的辅助功能 (146)
六、控制装置正常工作时的工况 (147)
七、井控装置常见故障与排除 (148)
八、控制装置在井场安装后的调试 (150)
第十五章套管头 (152)
一、套管头的作用 (152)
二、套管头的结构与类型 (152)
三、套管头的安装 (155)
第十六章节流、压井管汇 (158)
一、节流管汇 (158)
二、压井管汇 (171)
三、节流管汇、压井管汇的正确使用 (171)
四、防喷管线、放喷管线 (172)
第十七章钻具内防喷工具 (174)
一、钻具止回阀 (174)
二、方钻杆旋塞阀 (176)
三、内防喷工具的管理与试压 (177)
第十八章井控相关设备 (179)
一、除气设备 (179)
二、自动灌注钻井液装置 (180)
三、钻井液罐液位监测报警仪 (182)
四、远程点火装置 (182)
第十九章井控装置现场安装、试压与维护 (184)
一、井控设备的安装 (184)
二、井控装置的试压 (187)
三、井控设备的维护与常规活动检查 (187)
第二十章硫化氢的危害、防护和监测 (189)
一、硫化氢的物理性质和对人体危害 (189)
二、预防硫化氢中毒及防护措施 (190)
三、硫化氢防护演习 (191)
四、硫化氢监测与防护 (192)
五、硫化氢对金属材料的腐蚀 (194)
六、钻井工程中硫化氢的防腐 (197)
第二十一章含硫油气井的井场及井控设备的安装 (202)
一、井场及井场设备布置 (202)
二、井控设备的安装和材质 (202)
第二十二章重大事故应急救援预案编制方法 (204)
一、应急预案编制方法 (204)
二、井控应急预案 (208)
附录一中国石油天然气集团公司石油与天然气钻井井控管理规定 (218)
附录二常用公英制单位换算 (253)
参考文献 (255)
第一章绪论
自二十世纪初开始，由于钻井技术的不断成熟，世界石油、天然气勘探开发活动日益活跃，勘探领域从陆上到海上，从浅部地层到深部地层，从老区到新区迅速延伸。

在这个钻井数量不断增加，勘探领域逐渐扩大的过程中，井喷失控日益成为威胁钻井安全的关键因素。

世界上第一例公开报道的井喷失控发生在1901年1月10日，美国德克萨斯州东南部的博蒙特，一口油井在起钻过程中发生井喷，巨大的压力把井内还未起出的700英尺钻具冲出井口，油气柱喷高达100英尺，最终喷出原油50万桶并引发着火。

我国解放后发生的比较严重的天然气井的井喷失控是在1957年2月2日，重庆巴9井，起钻未灌钻井液引发强烈井喷，井内216m钻具全部冲出，与井架撞击着火，火焰高达120余米，先后经过3次空中爆炸才将大火扑灭。

实践证明，单纯靠经验来处理井控问题已无法避免和减少因井喷和井喷失控造成的巨大损失。

因此，油气井的压力控制引起人们的极大关注，随着现代钻井工艺技术的不断发展，逐渐形成了较系统的井控理论和压力控制技术。

一、井控及相关概念
1、井控的概念
井控，就是采用一定的方法平衡地层孔隙压力，即油气井的压力控制。

在钻井过程中，通过维持足够的井筒内的压力以平衡或控制地层压力，防止地层流体进入井内，保证钻井作业安全顺利地实施。

井控作业要从钻井目的和一口井整个生产年限来考虑，既要完整地取得各种地质资料，又要有利于发现油气田，保护油气层，提高采收率，延长油气井的寿命。

因此，井控技术已从单纯的防止井喷发展成为保护油气层、防止资源破坏、防止环境污染的重要技术保障，已成为钻井技术的重要组成部分和实施近平衡（或欠平衡）压力钻井，提高钻井速度的重要保证。

根据所采取控制方法的不同，把井控作业分为：
1）一次井控
井内采用适当的钻井液密度来控制地层孔隙压力，使得没有地层流体进入井内，溢流量为零。

做好一次井控，关键在于钻前要准确地预测地层压力、地层破裂压力和坍塌压力，从而确定合理的井身结构和准确的钻井液密度。

在钻井过程中，要做好随钻地层压力监测工作，并根据地层压力的监测结果及时对钻井液密度进行调整，并结合地层的实际承压能力，进一步完善井身结构和工艺技术。

2）二次井控
井内使用的钻井液密度不能平衡地层压力，地层流体流入井内，地面出现溢流，这时要依靠地面设备和适当的井控技术来处理和排除地层流体的侵入，使井重新恢复压力平衡。

这是目前井控技术培训的重点内容。

施工现场的井控工作也主要是围绕二次井控开展的，其核心就是要做好溢流的
早期发现，及时准确地关井，正确地实施压井作业。

3）三次井控
二次井控失败，溢流量持续增大，发生了地面或地下井喷，且失去了控制。

这时要使用适当的技术和设备重新恢复对井的控制，达到一次井控状态。

通常情况下，力求一口井保持一次井控状态，同时做好一切应急准备，一旦发生井涌和井喷能迅速做出反应，及时加以处理，尽快恢复正常钻井作业。

2、与井控有关的概念
1）井侵
当地层孔隙压力大于井底压力时，地层孔隙或裂缝中的流体（油、气、水）将侵入井内，通常称之为井侵。

2）溢流
井口返出的钻井液量大于泵入量，或停泵后井口钻井液自动外溢，这种现象称之为溢流。

3）井涌
溢流进一步发展，钻井液涌出井口的现象称之为井涌。

4）井喷
地层流体（油、气、水）无控制地涌入井筒，喷出转盘面（井口）2米以上的现象称为井喷。

井喷流体自地层经井筒喷出地面称为地上井喷；地下井喷是指井下高压层的地层流体把井内某一薄弱层压破，流体由高压层大量流入被压破的地层的现象。

5）井喷失控
井喷发生后，无法用常规方法控制井口而出现敞喷的现象称为井喷失控。

井喷失控又可表现为环空失控、管柱内失控、地面失控和地下失控四种形态，无论哪种形态，均是钻井工程中性质严重、损失巨大的灾难性事故。

井侵、溢流、井涌、井喷、井喷失控反映了地层压力与井底压力失去平衡后，随着时间的推移，井口所出现的几种现象及事故发展变化的不同阶段和严重程度。

3、与溢流有关的概念
1）决定溢流严重程度的主要因素
（1）地层允许流体流动的条件
地层的渗透率、孔隙度以及裂缝的大小和连通情况是决定地层流体流动条件好坏的主要因素。

地层的渗透率说明地层流体的流动能力；地层的孔隙度及裂缝大小表明地层容纳流体的空间的量。

高渗透率和孔隙度或裂缝大，连通好的地层发生严重溢流的可能性比较大。

（2）钻井液液柱压力与地层压力的差值
若钻井液液柱压力比地层压力小得很多，就存在较大的负压差。

这种负压差，再遇到高渗透率、高孔隙度或裂缝大、连通好的地层，就可能发生严重溢流。

2）溢流的分类
（1）根据流入井筒的地层流体种类分，常见的溢流流体有：天然气、石油、盐水、硫化氢、二氧化碳。

若气体进入井内，就称为气体溢流，若是2m3气体进入井内，则称2m3气体溢流。

（2）根据井控技术要求，排除溢流所需的钻井液密度增量来分，如排除溢流所需的钻井液密度增量为0.1g/cm3，则称为0.1g/cm3的溢流。

二、井喷失控的原因及危害
据不完全统计，1949～1988年间，我国累计发生井喷失控230口，其中井喷失控后又着火的井78口，占井喷失控井的34%，因井喷失控着火和井喷后地层塌陷损坏钻机59台。

其中1978～1988年的11年间发生井喷失控井133口，因井喷失控导致死亡5人，伤41人。

1994年～2004年发生16次严重井喷失控事故，尤其是罗家16H井，因喷出大量硫化氢气体造成附近居民大量伤亡和转移，在社会上造成了严重影响。

综观各油气田发生井喷失控的实例，分析井喷失控的直接原因，大致可归纳为以下几个方面。

1、地质设计与工程设计缺陷
1）地质设计缺陷
（1）地质设计未提供三个压力剖面，特别是准确的地层压力资料。

（2）地质设计未提供施工井周边注水井的压力、注水量等资料。

（3）地质设计未提示施工井所在区块（地区）浅气层和过去所钻井发生井喷事故的资料。

（4）地质设计未提供施工井周边的情况，如居民、道路、河流等资料。

2）工程设计缺陷
（1）井身结构设计不合理。

表层套管下入深度不够，当钻遇异常压力地层关井时，在表层套管鞋处蹩漏，钻井液窜至地表，无法实施有效关井；有的井设计不下技套，长裸眼钻进，同一裸眼段同时存在漏、喷层，更增加了井控工作的难度。

（2）钻井液密度设计不合适。

（3）防喷装置设计不合适。

防喷装置的压力等级与地层压力不匹配；在深井、高压井、高含硫井等复杂井未配备环形防喷器、单闸板防喷器和双闸板防喷器，以及剪切闸板；储能器的控制能力与井口防喷器不匹配；内防喷工具、井控管汇、辅助井控装备的选择与安装不符合要求等。

（4）加重料储备及加重能力不能满足井控要求。

（5）井控技术措施针对性、可操作性差。

2、井控装置安装、使用及维护不符合要求。

1）井口不安装防喷器。

井口不安装防喷器主要是认识上的片面性：其一，认为地层压力系数低，不会发生井喷，用不着安装防喷器；其二，井控装备配套数量不足，现有的防喷器只能保证重点探井和特殊工艺井；其三，认为几百米的浅井几天就打完了，用不着安装防喷器；其四，由于前三种情况，加之实行口井大承包后，片面追求节省钻井成本，想尽量少地投入钻井设备，少占用设备折旧。

2）井控设备的安装及试压不符合《石油与天然气钻井井控技术规定》的要求。

比如：
(1)内控管线不使用专用管线并采用标准法兰连接，而部分采用现场焊接。

(2)连接管线的尺寸、壁厚、钢级不合要求；弯头不是专用的铸钢件，弯头小于120°。

(3)放喷管线不用基墩固定，或固定间隔太远。

(4)放喷管线没有接出井场，管线长度不够。

(5)防喷器、节流管汇及各部件、液控管线等没有按规定的标准进行试压，各部件的阀门出现问题最多，有的打不开，有的关不上，有的刺漏。

(6)防喷器不安装手动操纵杆；不安装专用钻井液灌注管线，而是把压井管线当作灌钻井液管线使用。

(7)井口安装不水平，关井时闸板关不严，造成刺漏。

(8)深井阶段，关井时先将吊卡座在转盘，后关井，使得钻具不能居中，闸板关不严，造成刺漏。

(9)防喷器橡胶件老化，不能承受额定压力；控制系统储能器至防喷器的液压油管线安装不规范、不试压，漏油等。

(10)控制系统摆放位置不符合要求或未按要求进行试压。

(11)不按要求安装除气器、液气分离器。

液气分离器排气管线内径不符合要求，不是法兰连接。

(12)钻井液回收管线现场焊接、固定不牢靠、弯角过多等。

3）井口套管接箍上面的双公短节丝扣不符合要求，不试压，包括套管头。

4）钻具内防喷工具未安装或失效。

⑴钻进过程中发生井喷，钻具内防喷工具不能有效关闭并实现密封，或由于钻井液的冲蚀引起密封失效，导致钻具内失控。

⑵起下钻过程中发生井喷，来不及安装旋塞阀等内防喷工具；或因井内流体从钻具水眼高速喷出，导致旋塞阀不能正常关闭。

当内防喷工具无法安装或无法关闭时，若防喷器组合中有剪切闸板，可以剪断钻具，全封井口。

但这样会显著增加地面控制井喷的难度，甚至失去地面控制的机会，即使成功的控制了井喷后，也需要花费很多的时间来处理落井钻具。

3、井控技术措施不完善、未落实。

1）对浅气层的危害性缺乏足够的认识，无针对性的技术措施或未落实。

例如，不做表层套管鞋处的地层破裂压力；不做低泵冲试验；钻完浅气层不求上窜速度；循环时无人观察井口返出量、油气显示情况；不及时调整钻井液密度；发现异常情况后不关井，反复检查判断溢流；节流放喷时井口压力过高，大于地层破裂压力；压井钻井液密度过高等。

2）未采取措施预防抽汲压力。

例如，原地大幅度反复活动钻具；开泵循环时未观察油气显示、返出量；未关井直接循环观察；钻头泥包未解除强行起钻。

3）起钻不灌钻井液或没有及时灌满。

4）空井时间过长，又无人观察井口。

空井时间过长一般都是由于起完钻后修理设备或是等技术措施。

由于长时间不循环钻井液，造成气体有足够的时间向上滑脱运移。

当气体运移到井口时迅速膨胀，引发井喷，往往造成井喷失控。

5）相邻注水井不停注或未减压。

在注水开发区，由于油田经过多年的开发注水，地层压力已不是原始的地层压力，尤其是遇到高压封闭区块，其压力往往大大高于原始的地层压力。

如果不按要求停掉相邻的注水井，或是停注但未泄压，很容易引发井侵、井涌，甚至井喷。

6）钻井液中混油过量或混油不均匀，造成井内液柱压力低于地层孔隙压力。

⑴这种情况多发生在深井、水平井，由于钻井工艺的需要，往往要在钻井液中混入一定比例的原油。

在混油过程中，混油不均匀，或是总量过多，都会造成井筒压力失去平衡。

⑵当卡钻发生后，由于需要泡原油、柴油、煤油解卡，从而破坏了井筒内的压力平衡，此时如果不注意二次井控，常常会造成井涌、井喷，酿成更重大的事故。

7）钻遇漏失层段发生井漏未能及时处理或处理措施不当。

发生井漏以后，要及时堵漏提高井眼承压能力，否则，会导致钻井液液柱压力降低，当液柱压力低于油气层孔隙压力时就会发生井侵、溢流乃至井喷。

4、未及时关井，关井后复杂情况处置失误。

1）未能及时准确地发现溢流。

2）未能及时关井。

未能及时关井的原因包括：
⑴发现溢流后想进一步观察溢流速度或溢流性质；
⑵担心发生卡钻，抢起钻具至套管鞋或安全井段；
⑶担心压井困难，抢下钻具；
⑷反复核实溢流的真伪；
⑸与相关方无事前明确规定，现场协商决断难，延误时间；
⑹分工不合理，操作不熟练；
⑺井控装置出现故障；
⑻错误认为可以边循环边加重等。

3）未及时组织压井，井口压力过高导致井口失控或地下井喷，或因硫化氢腐蚀引起钻具断裂导致井口失控。

4）压井方法选择不当，排除溢流措施不当。

5、思想麻痹，存在侥幸心理，作业过程中违章操作。

由于思想上不重视井控工作，未严格执行设计，或在一些大型施工前未制订详细的井控措施或措施不当，针对性不强，从而导致的井喷失控也占有一定的比例。

因此，要从严格管理、技术培训和规范岗位操作等方面入手，做好基础工作。

大量的实例告诉我们，井喷失控是钻井工程中性质严重、损失巨大的灾难性事故，其危害可概括为以下6个方面：
（1）打乱全面的正常工作秩序，影响全局生产；
（2）井喷失控极易造成环境污染，影响井场周围居民的生命安全，影响农田、渔场、牧场、林场环境；
（3）伤害油气层、破坏地下油气资源；
（4）造成机毁人亡和油气井报废，带来巨大的经济损失；
（5）涉及面广，在国际、国内造成不良的社会影响。

三、如何做好井控工作
井控不仅是井眼压力控制，还包括环境保护，次生事故的预防和职工群众的安全，因此，做好。