（油气井工程专业论文）含硫气井井控工艺研究.pdf

r e s e a r c ho nt h ew e l lc o n t r o l t e c h n o l o g yo fs u l f u rg a sw e l l s at h e s i ss u b m i t t e df o r t h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：h u a n gl i a n g s u p e r v i s o r ：p r o f l i ug a n g c o l l e g eo f p e t r o l e u me n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo f p e t r o l e u m ( e a s tc h i n a ) 强 j ： ， ，- t ， 0矗1，订1i 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：& 。乞： 日期：p ，7 年，月y 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借 阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩 印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：垄；i 匕： 指导教师签名：主q 马l 指导教师签名：型i 吐f 日期：加，年j - 月必e 1 日期：山t , 年- - r 月扩日 1 心 ?jl_日，jlj，-_ 。11i引卜“强峨 卜k：|lri 1 j ，l，； 。瓠o ， 摘要 随着天然气勘探力度的不断加大，油气钻井的难度不断增加，井控问题变得日益突 出。特别是高压、含硫气井，由于其地层压力高，安全钻井压力窗口窄，加上地层流体 中含有硫化氢气体，增大了含硫气井井控的复杂性。因此研究含硫气井井控工艺对提升 我国含硫气田井控安全技术水平具有极其重要的现实意义。 本文在分析总结国内外含硫气井井控设计的特点的基础上，分别对井身结构、井控 设备、钻井液密度以及钻井人员培训等方面提出相应安全设计、施工要求。 为了确保在含硫地层能够安全钻进，引入密闭循环带压钻井技术，并阐述了该钻井 技术应对含硫气井安全钻井的技术优势，对其装备配套要求进行了详细介绍。根据带压 钻井技术可以在井口施加回压的特点，以漂移流动理论为基础，建立了带回压正常钻进、 溢流、关井、带压排出溢流的气液两相流动方程组，并用数值方法对建立的带回压钻井 井筒气液两相流动模型进行求解，并编制了计算程序。利用带回压钻井井筒压力程序， 对不同井口回压抑制气体膨胀的规律进行了研究。在此基础上，得出了钻进过程中井口 合理的带回压值。 针对常规处理溢流做法速度比较慢的不足，提出一种带压排出溢流技术，并模拟了 带压排出溢流过程中气侵速率、溢流量、钻井排量等参数对井口压力以及泥浆池增量的 影响，重点对以上参数的变化规律进行了对比分析。结合模拟分析的结果，制定出一套 钻进过程中带套压排出溢流的程序，为现场应用给出了指导性建议。 最后针对当储层中硫化氢含量过高，采用压回法，研究了高含硫气井压回法施工流 程，并提出了在施工当中需要注意的问题。 关键词：含硫气井，井控设计，带回压钻井技术，带压排出溢流技术，压回法 髑，、0 r。“羞“ ，：lr一。，咋0 -， iii_，ri；，l淳5i lf ，jn_ j 餐 藿 r e s e a r c ho nt h ew e l lc o n t r o lt e c h n o l o g yo fs u l f u rg a sw e l l s h u a n gl i a n g ( o i l & g a sw e l le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rl i ug a n g a b s t r a c t w i t ht h e f r r t h e rd e v e l o p m e n to fn a t u r eg a se x p l o r a t i o n ，t h e d i f f i c u l t yo fo i la n dg a s d r i l l i n g i sm o r ea n d m o r e ，t h ew e l lc o n t r o l i s s u eh a sb e c o m e i n c r e a s i n g l y p r o m i n e n t p a r t i c u l a r l yt h ew e l lc o n t r o lo fh i g hp r e s s u r e ，s u l f u rg a sw e l l sh a sb e e nm a d em o r e c o m p l i c a t e d l yd u et oi t sh i 曲f o r m a t i o np r e s s u r e ，n a r r o wp r e s s u r ew i n d o w , c o u p l e dw i t h f o r m a t i o nf l u i dc o n t a i n i n gh y d r o g e ns u l f i d eg a s e s t h e r e f o r e ，r e s e a r c ho nt h ew e l lc o n t r o lo f s u l f u rg a sw e l li se x t r e m e l yi m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ef o re n h a n c i n gt h ew e l lc o n t r o l s a f e t yo fs o u rg a sw e l l b a s e do nt h ea n a l y s i sa n ds u m m a r yo fs o m ed o m e s t i ca n df o r e i g nt h ew e l lc o n t r o l d e s i g nc h a r a c t e r i s t i c sa b o u ts o u rg a sw e l l s ，t h i sp a p e rp r e s e n t ss a f e t yd e s i g na n dc o n s t r u c t i o n r e q u i r e m e n t s ，i n c l u d i n gc a s i n gp r o g r a m ，w e l l c o n t r o l e q u i p m e n t ，d r i l l i n g f l u i d d e n s i t y , t h e a p p r o p r i a t ep e r s o n n e lt r a i n i n g i no r d e rt oe n s u r es a f ed r i l l i n gi nt h ef o r m a t i o nc o n t a i n i n gs u l f u r , t h i sp a p e ri n t r o d u c e s t h ed r i l l i n gf l u i dc l o s e d - l o o pm a n a g e dp r e s s u r ed r i l l i n gt e c h n o l o g yt os o l v et h i sp r o b l e m a n d t h et e c h n i c a la d v a n t a g e st od e a lw i md r i l l i n gs a f e l yi nt h ef o r m a t i o nc o n t a i n i n gs u l f u rw e r e e x p o u n d e di ng r e a td e t a i ，i ta l s om a k e sad e t a i l e di n t r o d u c t i o ni nt h eu s eo fe q u i p m e n t c o n s i d e r e dt h e e f f e c to ft h ew e l l h e a db a c kp r e s s u r e ，t w o - p h a s ef l o wm o d e l sb a s e do nt h e t h e o r yo fg a s l i q u i df l o wi nt h ew e l l b o r ea r ee s t a b l i s h e du n d e rt h ec o n d i t i o no fd r i l l i n gw i t h b a c kp r e s s u r e ，k i c k , s h u ti n , k i l l i n gw i t hb a c kp r e s s u r e t h ed r i l l i n gw i t hb a c kp r e s s u r e c a l c u l a t i o nm o d e li ss o l v e db yn u m e r i c a lm e t h o d ，t h ew e l l b o r ep r e s s u r ep r o g r a mi sd e v e l o p e d t h el a w o fd i f f e r e n tb a c kp r e s s u r es u p p r e s s i n gg a se x p a n s i o nh a v eb e e nr e s e a r c h e dw i t ht h e w e l l b o r ep r e s s u r ep r o g r a m o nb a s i so ft h i s ，t h er e a s o n a b l ev a l u eo f b a c kp r e s s u r eu n d e rt h e c o n d i t i o no fd r i l l i n gw e r eo b t a i n e d i no r d e rt oo v e r c o m et h es h o r t a g eo ft h ec o n v e n t i o n a lw e l lk i l l i n gm e t h o dt od e a lw i t h o v e r f l o wi ns o u rg a sw e l l ，t h ew e l lk i l l i n gw i t hb a c kp r e s s u r et e c h n o l o g yw a sp r e s e n t e d t h e 、。：，一 w r a 饿t eo f 蚰g a 砌sk 如i c k d , o v 妇e r f l 崦o w , d 雠i s c h 啪a r g 。ec 砌a p 啦a c i t y 、椭a f f e c t e d k o n 阳w e s l 跚l h e e a db a c 谢kp 撕r e s s u r e 。f a n 雠dp i 曲tg 帆a i n 1 w e r e 鲥唧l u l a t e dd l l r i i l gt l l e 、e l l k i l l i n gw i t hb a c kp s s u r e t h ev 乏晡a t i o no fm ea b o v e1 p a r a m e t e r sw e r ec o m p a r e da n da n a l y z e d c o m b i n e dw i t ht h er e s u l t so fs i m u l a t i o n , as e to f1 o p e r a t i n gp r o c e d u r e sf o rk i l l i n gt h eo v e r f l o ww i t hb a c kp r e s s u r eu n d e rt h ec o n d i t i o no f d r i l l i n gw a sp u tf o r w a r d ，t h er e c o m m e n d a t i o n sf o rf i e l da p p l i c a t i o nw e r eg i v e n f i n e l y , w h e nt h eh y d r o g e ns u l f i d ec o n t e n ti st o oh i g h , b u l l h e a d i n gi st h eb e s tm e t h o d t h e 。i b u l l h e a d i n gc o n s t r u c t i o np r o c e s sf o rh i g hs u l f u rg a sw e l l sw a sr e s e r c h e d i ta l s op r o p o s e st h e 莲 n e e d e da t t e n t i o nd u r i n gt h ec o n s t r u c t i o np r o c e s s 1 k e y w o r d ：s u l f u rg a sw e l l s ，w e l lc o n t r o ld e s i g n , d r i l l i n gw i t hb a c kp r e s s u r e ，w e l lk i l l i n g w i t hb a c k p r e s s u r e ，b u l l h e a d i n g iiiililiiililii ， k 。 ，；j 1 一 蛩4 。1 目录 第一章绪论1 1 1 本文的研究目的和意义。1 1 2 国内外研究现状。2 1 2 1 国外研究现状2 1 2 2 国内研究现状。3 1 3 存在主要问题。3 1 4 论文的主要研究内容及技术路线4 1 4 1 主要研究内容4 1 4 2 技术路线- 5 1 5 论文的创新点5 第二章含硫气井井控设计6 2 1 钻含硫气田的钻井难点6 2 2 含硫气井井身结构设计要求8 2 2 。1 国内含硫气井井身结构现状一8 2 2 2 国外含硫气井井身结构现状。1 1 2 2 3 含硫气并井身结构设计要求。1 5 2 3 含硫气井井控设备配套要求_ l7 2 3 1 含硫气井防喷器配套要求。l7 2 3 2 含硫气井井控管汇配套要求。18 2 3 3 含硫气井气液分离器配备要求19 2 4 含硫气井钻井液密度设计要求。19 2 5 含硫气井钻井人员安全培训2 0 j 2 6 本章小结2 1 第三章含硫气井带回压钻井作业技术2 3 3 1 密闭循环带压钻井技术思路。2 4 3 2 含硫气井密闭循环带压钻井装备配备要求2 6 3 2 1 含硫气井带压钻井装备配套要求。2 6 3 2 2 含硫气井密闭循环式带压钻井井控装备地面流程3 0 3 3 井筒水动力学理论模型的建立3 2 3 3 1 井筒气液两相流控制方程组3 2 3 3 2 井筒气液两相流辅助方程3 3 j 3 3 3 模型初始条件和边界条件。3 7 ， ，lw0，=“r p ， = 3 3 4 数值模型的求解3 9 3 3 5 软件编制与功能介绍4 2 3 4 含硫气井井v 1 带压钻井技术一4 4 3 4 1 实例井基本参数4 4 3 4 2 井口回压对钻井安全的影响。4 5 3 5 本章小结51 第四章含硫气井井控方法研究5 3 4 1 带压排出溢流技术5 3 4 1 1 带压排出溢流技术。5 3 4 1 2 带压排出溢流技术敏感性参数分析5 6 4 1 3 带压排出溢流技术施工程序一6 8 4 2 高含硫井压回法压井工艺研究6 9 4 2 1 高含硫气井压回法适用的条件一7 0 4 2 2 高含硫气井压回法施工流程7 0 4 2 3 高含硫气并压回法注意的问题7 1 4 3 本章小结。7 3 结论7 4 参考文献7 5 致谢7 8 v i 焉 ，； 奠 翳 郁“ i 三； 。， w，p，-一 。i ；|r嚣卜囊 ，譬 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 本文的研究目的和意义 第一章绪论 近年来，随着国民经济的持续快速发展，我国对石油能源的需求日益增长，据预测 未来几十年制约国民经济持续快速的发展的一个最关键因素就是油气资源的供需矛盾。 为满足国内对石油能源的需求，实现可持续发展，需要加大对油气资源的勘探开发力度。 我国石油资源相对匮乏，但还存在部分天然气资源没有得到开发利用。如四川、西 北地区天然气资源蕴藏量丰富，是解决我国油气资源短缺的主要资源区。中国石化探明 的普光大型气田、毛坝、大湾等含气构造，累计探明储量超过5 0 0 0 x 1 0 8 m 3 。中石油也在 塔里木发现了迪那、大北等新的高产天然气区块。因此，近年来中石油和中石化两大石 油集团将能源勘探的重点由油田为主逐步移向油气并重和天然气资源的安全高效勘探 开发方面。 ， 但是上述这些地区普遍存在地质构造复杂、油气资源埋藏较深、地层压力高、产量 高、部分地区伴有高浓度h 2 s 等技术难题。如四川盆地是我国高含硫化氢气体分布最广 的盆地，2 3 气田含硫化氢；塔里木油田的塔中地区也钻出了日产百万方的含硫气井另 外气井中的天然气密度低、可压缩、燃点低，造成溢流、井喷速度比油井快、来势猛、 控制难度大、危险性高。特别是存在h 2 s 外泄风险，不仅要考虑气井的安全生产问题， 还要考虑周边的社会安全、环境安全问题。一旦发生含硫天然气井的恶性井喷失控，不 仅会对井场的设备、人员造成严重伤害，还可能危及到周边环境和社会安全。女f 1 2 0 0 3 年 1 2 月2 3 日发生的罗家1 6 h 井特大井喷失控事故，造成了2 4 3 人死亡的惨痛教训；近期出现 的墨西哥湾井喷事件，进一步说明加强井控技术研究、强化井控管理的长期性、复杂性 和必要性。而含硫气井井控和安全钻井问题已成为我国现阶段天然气勘探开发过程中的 一个比较突出的、亟待解决的关键问题。 “1 2 2 3 事故发生以后，含硫气井安全井控工艺问题得到充分重视，国家加大了对 含硫气井钻完井安全技术体系研究，含硫气井钻完井安全井控理论和方法的研究就显得 极为必要和迫切。因此，开展含硫气井井控工艺的研究，对提升我国含硫气田井控安全 技术水平和勘探开发含硫气田的能力，预防和杜绝含硫气田钻完井重特大事故的发生， 具有极其重要的现实意义，亦将产生巨大的社会效益和经济效益，应用前景十分广阔。 i，彬 第一章绪论 1 2 国内外研究现状 石油天然气钻探作为一项高技术高风险的活动k 存在着许多影响安全和环境的因 素，酸性气体( h 2 s c 0 9 是众多因素中极为重要的因素之一。在钻进含酸性气体( 以h 2 s 为主) 的地层时，一旦发生溢流、甚至井喷事故，不仅会影响钻井施工的正常进行，增 加钻井成本，更为重要的是井涌物中的硫化氢等有毒性气体会严重的威胁到井场工作人 员及其周围的居民的人身安全，造成严重的安全事故，并可能引发社会公共安全问题 5 1 。 1 2 1 国外研究现状 美国、加拿大、俄罗斯、伊朗和法国等都有一定比例的含硫气田，对于这些含硫气 田的开发的初期，国外也是伴随着惨痛的经验教训。以含硫气井较多的美国德克萨斯州 为例，近十年来共发生井喷事故2 1 8 起，其中含硫井喷就达2 8 起。法国的拉克气田在 开发初期钻井事故造成的损失严重，1 9 5 1 年1 2 月拉克3 号井在3 5 3 0 m 出井喷，井口失 控，钻具断在井中，爆炸起火，5 3 天后才控制井喷，花了近7 年的时间开展了大量的 研究工作，使油田投产；还有1 9 6 4 年伊朗马斯杰德伊一苏莱曼气田在钻3 0 6 号气井 时，套管断裂，侏罗系高含h 2 s 气体在汪层阿斯马里油层串通使上层压力升高，超过盖 层承受压力，只好将所有天然气放空烧掉，持续两年，最后打两口定向救援井封死该井 【6 】 o 但是随着含硫气田钻井经验的积累以及技术的进步，许多国家都在高含硫气田施工 方面已经进入了相对成熟期。例如加拿大、美国以及法国在含硫气田的安全开发制定了 相关的规定。 加拿大能源与公共设施委员会( 简称，e u b ) 为政府和企业界提供能源资源的信息服 务和咨询的一个独立机构，它对几乎所有的能源、资源勘探开发、建设、运营甚至废弃 的全过程实施监管。首先在开采含硫气田之前，它主要职责是评价和批准能源开发者和 使用者的资格以及新建或扩建的能源项目。之后对后续的开发、建设、运营甚至废弃的 全过程实施监管，确保整个开发含硫气田安全有效的进行。 美国a p i 在r p4 9 含硫化氢油气井钻井和服务作业的推荐作法中，规定了人员 培训、人员保护设备、应急预案和应急程序、井场安全、钻机运作、硫化氢监测设备的 评价和选择等管理内容。在r p5 5 涉及硫化氢的石油与天然气生产和天然气处理装置 操作的推荐作法和a p ir p6 8 含硫化氢油气井服务和修井作业的推荐作法中分别 提出了涉及含硫气井安全管理的推荐作法。 2 上 v j 1 p 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 法国的道达尔集团在高含硫气田开发方面有较丰富的经验，他们在5 0 年前就成功 开发了拉克气田，h 2 s 含量达1 5 3 。与我国的普光气田类似，平均深度为3 8 0 0 m 。后 来发现了梅永气田，h 2 s 含量为6 3 平均深度4 5 0 0 m 。 ： 1 2 2 国内研究现状 我国含硫气田的分布广泛，目前已经在渤海湾盆地华北地区的陆相地层、四川盆地 中普光、毛坝、元坝地区的海相地层以及塔里木盆地塔中、轮古地区的海相地层分别发 现了含h 2 s 的天然气田。 相比国外来说，我国对含硫气田的勘探和开发起步比较晚。自1 9 8 8 年我国制定和实 施石油与天然气钻井井控技术规程以来，油气田各级领导都十分重视井控工作，在 井控技术的规划、科研、培训、运用及投入等方面都做了大量的工作。尽管含硫气井的 钻井工艺基本都满足井控安全的要求，但是井控事故仍有发生。如上面所述的“1 2 2 3 ” 事故，因大量硫化氢气体喷涌，造成2 4 3 人死亡，4 0 0 0 多人中毒就医，l o 万人连夜疏散， 给社会和国际带来巨大的负面影响。 针对硫化氢对作业人员和生产方面的技术和管理措施，国家标准委员会和石油标准 委员会针对硫化氢对作业人员和生产方面的技术和管理方面制定了以下的标准： ( 1 ) 舛1 5 0 8 7 2 0 0 5 含硫化氢油气井安全钻井推荐作法； ( 2 ) s y t6 1 3 7 2 0 0 5 含硫化氢的油气生产和天然气处理装置作业的推荐作法j ( 3 ) s y t6 2 7 7 2 0 0 5 含硫油气田硫化氢监测与人身安全防护规程； ( 4 ) s y 厂r6 6 1 0 2 0 0 5 含硫化氢油气井井下作业推荐作法； ( 5 ) s y t6 6 1 6 2 0 0 5 含硫油气井钻井井控装置配套，安装和使用规范； ( 6 ) a q2 0 1 6 2 0 0 8 含硫化氢天然气井失控井口点火时间规定。 1 3 存在主要问题 虽然，国家标准委员会和石油标准委员对含硫油气田的安全钻井作业提出了推荐的 做法，但总起所来，在含硫气井的安全钻井方面还存在一些问题： ( 1 ) 目前含硫化氢条件下深井套管柱设计存在以下问题，一方面深井要求套管柱的 强度，而另一方面由于存在硫化氢限制了高强度套管的应用，造成套管在h 2 s 井条件下 安全余量小，使井身结构不能满足安全钻完井的要求阴。 ( 2 ) 含硫气井井控设备问题。尤其是超高压的地层压力可能远远高于井控设备额定 3 s、。 第一章绪论 的工作压力，有时地层压力达至l j l 2 0 - - 1 5 0 m p a ，国内井控装置的抗h 2 s 能力承诺1 0 、耐 压等级10 5 m p a 不能满足要求【8 】。 ( 3 ) 含硫气井钻井方式。由于现行的技术和装备不到位，采用常规钻井方式有时是 不经济的，甚至会带来h s e ( 健康、安全、环境) 方面的问题。而欠平衡钻井技术，我国 标准中明确规定h 2 s 含量大于7 5 m 酊时不能应用欠平衡钻井技术，加上由于含硫气田地 质情况复杂，需要一种新的钻井技术能够在含硫气田勘探过程中既能满足安全生产的需 要，有要在经济方面可以接受。 ( 4 ) 含硫气井井控方法。常规的压井方法在处理溢流的过程中钻井液循环分离系统 是敞开的，易于将井涌物中的有毒物质直接暴露于大气之中，危害现场的操作人员和周 围的居民的安全，而且用司钻法、工程师法等常规压井方法进行压井时，一个循环周往 往压不稳，可能需要在高含硫的环境中长期持续压井、工作，含硫气井的井控难度【9 】。 1 4 论文的主要研究内容及技术路线 1 4 1 主要研究内容 针对含硫气井井控中存在的问题，以“立足一次井控，确保二次井控，杜绝井喷 为指导方针，确定含硫气井安全井控工艺技术，是论文的主要研究内容。 ( 1 ) 含硫气井井控设计 在调研国外相关含硫气井安全井控设计资料的基础上，借鉴国内钻探含硫气田的井 控经验，从井身结构、井控设备、钻井液密度以及钻井人员培训等方面提出相应安全设 计、施工要求。 ( 2 ) 含硫气井带回压钻井作业技术 针对常规钻井技术钻探高压含硫气井，井控问题日益突出的难题，研究适合于含硫 气井钻井的控制压力钻井( m p d ) 技术，达到防硫、防溢的目的。 控压设备在含硫气井的配备要求 调研旋转控制装置，节流管汇，分离器等设备在含硫环境下的配备要求。 不同回压下气体的膨胀规律 利用带回压钻井井筒气液两相流动的计算程序，考虑不同回压下的，含硫溢流气体 沿井眼膨胀和泥浆池增量的变化规律，确定出合理的带压值。 ( 3 ) 含硫气井井控方法研究 ，带压排出溢流技术 4 q 门 枷、 冷 f 一 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 针对含硫气井的井涌物中含有硫化氢等有毒性气体，提出以保持井底压力不变，通 过一套封闭、承压的钻井液循环系统将气侵钻井液带压排出井筒。 利用带回压钻井井筒气液两相流动的计算程序，对带压排出溢流技术敏感性参数进 行分析，确定带压排出过程合理参数。 含硫气井压回法压井工艺研究 当硫化氢含量过高，地面不能有效处理的情况下，应采用压回法，研究含硫气井压 回法的适用条件以及施工中需要注意的问题。 1 4 2 技术路线 现场资料和文献调研 上 地质情况复杂、地层压力高、部分地区含有高浓度硫化氢 1r 1r1r 含硫气 含硫气 含硫气井带压排除溢流技术 井井控 井带压 设计钻井技 1r 术 高含硫气井压回法工艺 i l 土上 立足一次井控确保二次井控 ll 含硫气井安全井控工艺 1 5 论文的创新点 图1 - 1 技术路线图 f i 9 1 - 1t e c h n o l o g i c a lr o u t es h e e t ( 1 ) 研究了不同回压抑制对气体膨胀的规律，并推荐钻进过程中井口回压值为 2 5 m p a 。 ( 2 ) 在带压钻井过程中结合r c h 可以在井口快速施加回压特点，提出了带压排出 溢流技术。 5 第二章含硫气井井控设计 第二章含硫气井井控设计 钻井成功的基础是首先拥有符合钻井实际、施工安全、关井后井筒完整、技术可行、 且适当考虑经济性的工程设计，而井控设计是钻井工程设计的关键。它不仅关系到钻井 施工能否顺利，而且还关系到该井的钻井安全、关井安全、压井安全。对于高压、含硫 气井的井控设计，需要首先从系统可行性、可靠性的角度考虑，最大限度的避免“漏、 喷、塌、卡、硫化氢二氧化碳溢出”等可能诱发井喷的事故产生。 2 1 钻含硫气田的钻井难点 油气钻井是一个具有高风险、高投入的行业，而高压、含硫气井的勘探开发与其它 油气井的勘探开发相比有以下特点：地质情况复杂、储层埋藏深且富含天然气，且储层 中含有一定量的硫化氢。由于受钻井装备、井眼直径、套管供应以及经济性等因素的限 制，会出现同一裸眼段存在多压力系统，钻井过程中喷、漏同层，井眼卡钻和垮塌等井 下复杂情况，安全钻井工作难度高、风险大。主要表现在一下几个方面： ( 1 ) 含硫气井溢流上窜快，势头猛，关井压力耐3 1 。 天然气溢流比常规油井更容易失控，且来势更凶猛。主要是因为天然气密度低具有 可压缩易膨胀等特性。气体刚进入井筒的时候，由于受井底的温度和压力的影响其，对 井底压力影响甚微，可以忽略。但是随着气体不断运移，气体开始逐渐的膨胀，当气体 运移到一定的高度时，气体的膨胀力就会大于气柱上面的钻井液液柱压力。这时，膨胀 的气体就会推动其上面的钻井液自动外溢。发生钻井液自动外溢后，气体上面的钻井液 将会很快地全部顶空，使井底压力大幅减低，造成井喷。气侵后，如果在没有关闭井口 的情况下开泵循环钻井液，气柱上升膨胀得更快，更易造成井喷。 关井后，由于天然气密度低，不能靠自身的重量来平衡井底压力，所以造成关井后 井口压力很高，且随着天然气的运移，可能导致地层压漏或者井口压力超出井控设备的 极限，考虑到井控配备不具备在高含硫条件下长期工作的条件，这些因素的综合作用导 致了含硫气井井控作业难度大【1 0 1 。 ( 2 ) 地层流体富含h 2 s ，具有高毒性和腐蚀破坏，增加了作业难度。 首先，硫化氢是具有剧毒性气体，对人体健康产生巨大的危害。低浓度接触仅有呼 吸道及眼的局部刺激作用，高浓度时全身作用较明显，表现为中枢神经系统症状和窒息 症状。极高浓度很快引起嗅觉神经麻痹而不觉其味，所以高含量时难发觉，此时人很容 6 q - 一 一、 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 易中毒而导致死亡【1 。 其次，高含量h 2 s 对套管、井口、钻具、地面设备、密封件腐蚀性强，如 择，由于深井钻井需要使用高强度的套管，而套管在高强度作用下，其抗硫化 蚀开裂的能力很低，易使套管失效【1 2 1 。 除此之外，硫化氢气体还对钻井液体产生污染，易使钻井液流动性变差。 ( 3 ) 超临界态硫化氢的相态行为对井控安全具有很大的影响。 含硫气田受高温、高压的影响，气藏中的硫化氢极有可能处于超临界状态。所谓的 超临界状态是指当物质处于其临界温度和临界压力以上的一种状态，不同于我们所熟知 的气、液、固三态，它没有相界面，不分气液两态，但是其具有近似于粘度低、扩散性 好的气体的性质，但其密度却与液体密度很接近，具有很强的溶解能力【1 3 】。 当处于超临界状态的硫化氢侵入井筒后，由于侵入的流体具有上述的特性，因次具 有很大的活动能量。一开始以溶解的形式大量存在于钻井液中，但是随着沿井筒上升的 过程中，温度、压力发生变化，溶解在钻井液中的超临界状态硫化氢发生相态变化，大 量的气体从钻井液中溢出，使得在井口附近聚集大量的气体，膨胀的气体就会推动其上 面的钻井液自动外溢，严重时将发生井喷【1 4 】。 例如，某井井深5 0 0 0 m ，钻井液密度p 胂= 1 4 8 9 e m 3 ，水基泥浆。泵排量2 0 l s ，气 层厚度1 5 m ，钻头直径1 2 2 5 ”( 3 1 1 r a m ) ，钻进速度8 0 m h ，气层主要由甲烷、二氧化碳、 硫化氢组成。地表温度2 0 ，地温梯度0 ：0 2 c m ，模拟的超临界状态溢流计算结果如 下。 p 昌 v 匿 蛙 2 譬 ￥l 肇 簟5 o 、 、 、 1 h l 1蚺1 h “i ：_ h 胃 b嚣2 s o r 1 奄l o o2 0 0 锄稍锄6 0 07 0 08 0 0 蝴i o 。o 01 0 0 0 2 0 0 03 0 0 04 0 0 05 0 0 0 垂 势嚣1 t ( 匐摊嚣( 痨 图( a )图( b ) 图2 - 1c i l 4 、h 2 s 、c 0 2 沿井筒体积的膨胀 f i 9 2 - 1t h ev o l u m ee x p a n s i o no fc l - h ，h 2 s ，c 0 2a l o n gw e l l b o r e 7 第二章含硫气井井控设计 从图2 1 ( b ) 中可以看出，一般的烃类气体( c h 4 ) 在井筒上升过程中，相态基本不发 生变化，密度变化幅度也不大，因此溢流的发生会有一个相对较长的过程。但是对于超 临界状态的h 2 s 和c 0 2 来说，当它们在井底附近时没有发生相态变化，与普通烃类气 体对比，其体积膨胀体积小，且膨胀发生的更晚，气侵早期不易被监测到。但是当处于 超i 临界状态下的酸性气体运移到井口附近时，如图2 1 ( a ) 所示，随着井筒压力和温度不 断降低，处于超临界流体一旦发生相变，与普通烃类气体对比，其体积瞬间急剧膨胀， 且膨胀速率更快，从而更易造成井涌或井喷【1 5 】。 综上所述，由于天然气本身的特性和h 2 s 的剧毒性、腐蚀性，加上地质因素的综合 影响，增大了钻井中井控的复杂性。因此，含硫气井井控应从井身结构设计、井控装备、 钻井液密度设计、人员素质和培训、钻井方式、井控方法等方面入手，加强含硫气井的 井控工作。 2 2 含硫气井井身结构设计要求 井身结构设计是井控设计的重要组成部分，尤其对于超高压、高含硫天然气井钻探 来说，保持井筒的完整性变得更为重要。而传统的含硫气井井身结构虽然能基本满足超 高压、高含硫气井的安全性的要求，但是在钻井过程中时常还是会遇到硫化氢、二氧化 碳溢流、井漏、井塌以及卡阻等事故。因次需要针对硫化氢气体特殊的性质，在考虑地 层高压的前提下，对目前国内的含硫井身结构进行局部优化设计，从而不仅可以保证避 免钻井过程中事故和社会问题，而且可以满足含硫气井的长期安全生产的要求。 2 2 1 国内含硫气井井身结构现状 为了适应含超高压、高含硫井的安全钻井的需要，我国开始了对这些地区优化井身 结构的探索，经过长时间的实践经验积累，形成了以下含硫气井典型井身结构系列。 井身结构优化系列i ：， 表2 - 1 井身结构优化系列i t a b l e2 - 1c a s i n gp r o g r a mo fs e r i e si 开钻次序井眼直径枷吼套管直径m m水泥返深 导管 8 0 07 2 0 地面 一开5 5 8 84 5 7 2 地面 二开4 0 6 43 3 9 7地面 三开3 1 4 1 - - 3 1 6 5 2 7 3 1 ( 小接箍或无接箍) 地面 8 聿 ， 扣 内 亨 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 表2 - 1 井身结构系列i ( 续) t a b l e2 - 1c a s i n gp r o g r a mo fs e r i e si ( c o n 0 开钻次序井跟直径m m套管直径n u n水泥返深 四开2 4 1 31 9 3 7悬挂器地面 五开 1 6 5 1 1 4 6 1 ( 无接箍) 1 3 9 7 悬挂器 井身结构优化系列： 表2 - 2 井身结构系列 t a b l e2 - 2c a s i n gp r o g r a mo fs e r i e si i 开钻次序 井眼直径如匝套管直径m m水泥返深 导管 6 6 0 45 0 8 地面。 一开4 0 6 4 4 4 4 5 3 3 9 7 地面 二开 3 1 1 1 3 1 4 1 2 7 3 1 ( 小接箍或无接箍) 地面 三开 2 4 3 11 9 3 7 悬挂器地面 四开 1 6 5 11 4 6 0 悬挂器 井身结构优化系列i i h 表2 - 3 井身结构系列i l i t a b l e2 - 3c a s i n gp r o g r a mo fs e r i e s 开钻次序井眼直径m m套管直径n u n水泥返深 导管6 6 0 45 0 8地面 一开 4 0 6 43 3 9 7地面 二开3 1 1 1 3 1 4 1 2 7 3 1 ( 小接箍或无接箍) 地面 三开2 4 3 11 9 3 7悬挂器地面 四开1 6 5 1 1 4 6 1 ( 无接箍) 悬挂器 五开 1 1 8 裸眼 井身结构优化系列 表2 4 井身结构系列 t a b l e2 - 4c a s i n gp r o g r a mo fs e r i e si v 开钻次序井眼直径m m套管直径m m水泥返深 导管 6 6 0 45 0 8地面 一开 4 0 6 43 3 9 7 地面 二开 3 1 1 1 3 1 4 1 2 7 3 1 ( 小接箍或无接箍) ，地面 三开2 4 3 11 7 7 8 悬挂器地面 9 第二章含硫气井井控设计 井身结构优化系列v 表2 - 5 并身结构系列v t a b l e2 - 5c a s i n gp r o g r a mo fs e r i e sv 开钻次序井眼直径m m套管直径m m水泥返深 导管 6 6 0 45 0 8 地面 一开 4 0 6 43 3 9 7 地面 二开 3 1 1 52 4 4 5地面 三开 2 1 5 917 7 8 13 9 7 悬挂器地面 通过对上述井身结构分析发现，目前国内含硫气井井身结构主要以 矽2 0 l 矽1 3 3 s l 1 0 3 4 l 妒7 5 8 l 5 3 4 ，系列为主，其主要存在以下几个方面的问题 1 6 - 1 s ( 1 ) 地质构造复杂，邻井距离较远，即使在同井场布不同的井位，在相同的层段也 可能钻遇不同的压力体系，给井身结构中套管下深的确定造成困难。 ( 2 ) 由