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青海油田边远油田开发公司汪剑武2013 4 3 井控安全培训 每个人的生命只有一次 平安健康是最大的幸福 1 井喷就是事故 井喷失控就是性质严重 损失巨大的灾难性事故 前言 2 井控即对油气井压力实施控制 就是指采取一定的方法控制住地层孔隙压力 保持井内压力基本平衡 保证钻修作业安全顺利进行的同时最大限度的保护好油气层 不管油气水井压力高低 都存在井喷的可能性 如发生井喷失控甚至着火 将会造成极大的损失 井喷不仅造成设备毁坏 危及人身安全 浪费宝贵的油 气资源 还会破坏油气田 在井喷抢险中 不仅使人力 物力 财力等大量浪费 而且会造成严重的环境污染 前言 3 1985年至2007年 据不完全统计国内陆地发生井喷失控事故56起 造成直接经济损失23561万元 直接时间损失41854小时 死亡266人 受伤4047人 而影响最大损失最大的莫过于2003年 12 23 重庆开县罗家寨的16H井的特大井喷失控事故 导致243人被高浓度的硫化氢天然气夺去生命 4000多人受伤 6万多人被疏散 9 3万人受灾 造成直接经济损失达6432 31万元的严重后果 是自石油钻井以来之罕见 因此掌握井控知识 搞好井控工作是我们钻修井行业每一个人 遵法守纪 的 义务 前言 4 井控是安全环保工作的重中之重 必须做到绝无一失 井喷可以预防 失控可以避免 井喷和失控都是责任事故 井控工作重点在基层 关键在班组 要害在岗位 提高技能 预防为主 吃透设计 安装到位 及早发现 正确处置 绝无一失 发现溢流立即关井 疑似溢流关井检查 确认溢流立即上报 前言 5 井控工作不得不警钟长鸣 提高认识 强化意识 井控工作是安全 是发展 是稳定 是效益 必须常抓不懈 严格管理 井控工作目标 建立井控安全长效机制 杜绝井喷失控事故 实现井控本质安全 井控理念是 积极井控 活用井控技术 消除井控风险 井控工作方针是警钟长鸣 分级管理 明晰责任 强化监管 根治隐患 井控工作只有起点 没有终点 要认清形势 警钟长鸣 前言 6 第一部分井控的基本概念 油气井压力控制技术简称为井控 就是要采取一定的方法控制住地层孔隙压力 基本上保持井内压力平衡 保证钻修井的顺利进行 1 1井控技术 7 第一部分井控的基本概念 初级井控 一级井控 是依靠适当的钻井液密度来控制住地层孔隙压力使得没有地层流体侵入井内 井涌量为零 自然也无溢流产生 二级井控 是指井内正在使用中的钻井液密度不能控制住地层孔隙压力 因此井内压力失衡 地层流体侵入井内 出现井涌 地面出现溢流 这时要依靠地面设备和适当的井控技术排除气侵钻井液 处理掉井涌 恢复井内压力平衡 使之重新达到初级井控状态 这是目前培训钻井人员掌握井控技术的重点 即 发生溢流关井后建立起来的地面回压和井内液柱压力共同平衡地层压力的控制 三级井控 是指二级井控失败 井涌量大 失去控制 发生了井喷 地面或地下 这时使用适当的技术与设备重新恢复对井的控制 达到初级井控状态 这是平常说的井喷抢险 可能需要灭火 打救援井 1 2井控的分级 人们根据井涌的规模和采取的控制方法的不同 把井控作业分为三级 即初级井控 二级井控和三级井控 一般讲 要力求使一口井经常处于一级井控状态 同时做好一切应急准备 一旦发生井涌和井喷能迅速地做出反应 加以处理 恢复正常钻井作业 8 井侵 当地层孔隙压力大于井底压力时 地层孔隙中的流体 油 气 水 将侵入井内 通常称为井侵 溢流 当井侵发生后 井口返出的钻井液 或压井液 的量比泵入的量多 停泵后钻井液 或压井液 自动外溢 这种现象称之为溢流 第一部分井控的基本概念 1 3相关概念 9 井涌 溢流进一步发展 钻井液 或压井液 涌出井口的现象叫井涌 井喷 地层流体无控制地涌入井筒 喷出地面的现象称为井喷 井喷流体自地层经井筒喷出地面叫地上井喷 从井喷地层流入其它低压层叫地下井喷 第一部分井控的基本概念 10 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 总之 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所出现的各种现象及事故发展变化的不同严重程度 第一部分井控的基本概念 11 1 4井喷事故分级 一级井喷事故 级 发生井喷失控 造成超标有毒有害气体逸散 或窜入地下矿产采掘坑道 发生井喷并伴有油气爆炸 着火 严重危及现场作业人员和作业现场周边居民的生命财产安全 二级井喷事故 级 发生井喷失控 井内大量喷出流体对江河 湖泊 海洋和环境造成灾难性污染 三级井喷事故 级 油气井发生井喷 经过积极采取压井措施 在24小时内仍未建立井筒压力平衡 集团公司直属企业难以在短时间内完成事故处理的井喷事故 四级井喷事故 级 发生一般性井喷 集团公司直属企业能在24小时内建立井筒压力平衡的事故 第一部分井控的基本概念 12 压力 所谓压力是指物体单位面积上所受的垂直力 压力的单位是帕 符号是Pa 1Pa是1m2面积上受到1N 牛顿 的力时形成的压力 即1Pa 1N m2 根据需要 有时用千帕 kPa 或兆帕 MPa 1kPa 1 103Pa1Mpa 1 106Pa静液压力 静液压力由静止液体重力产生的压力 静液压力是液柱密度和垂直高度的函数 其大小取决于液柱密度和垂直高度 第一部分井控的基本概念 1 5井下各种压力概念及相互关系 压力是井控的最主要的基本概念之一 了解压力的概念及各种压力之间的关系对于掌握井控技术和防止井喷是非常重要的 13 第一部分井控的基本概念 压力梯度 为了讨论问题和应用的方便 油田上普遍使用压力梯度的概念 压力梯度指的是每增加单位垂直深度压力的变化量 即每米垂深压力的变化值 其计算公式为 G P H g 式中G 压力梯度 kPa MP 压力 kPa或MPaH 深度 m或kmg 重力加速度 9 81m s2 液体密度 g cm3地层压力 地层压力是地下岩石孔隙内流体的压力 也称孔隙压力 上覆岩层压力 上覆岩层压力是某深度以上的岩石和其中流体对该深度所形成的压力 破裂压力 地层破裂压力是指某一深度地层发生破碎和裂缝时所能承受的压力 14 第一部分井控的基本概念 井底压力 所有作用在井底的压力 地面和井内各种压力 总和 就是井底压力 1 静止状态 井底压力 环形空间静液压力 2 正常循环时 井底压力 环形空间静液压力 环形空间压力损失 3 用旋转防喷器循环钻井液时 井底压力 环形空间静液压力 环形空间压力损失 旋转防喷器的回压 4 循环出气涌时 井底压力 环形空间静液压力 环形空间压力损失 节流器压力 5 起钻时 井底压力 环空静液压力 抽吸压力 6 下钻时 井底压力 环空静液压力 激动压力 7 空井时 井底压力 环空静液压力 8 关井时 井底压力 环空静液压力 井口回压 气侵附加压力 15 第一部分井控的基本概念 压差 压差是井底压力和地层压力之间的差值 如果井底压力大于地层压力 其压差为正 反之其值为负 正值的压差通常称为超平衡 负值的压差称为欠平衡 压力损失 在压力的推动下循环液被泵入循环系统 经地面管汇 沿管柱向下 到达井底后沿环形空间上返 当液体返至地面进入回收罐时 处于大气压的情况下 表压为零 数十兆帕的压力损失到循环系统中 激动压力和抽吸压力 抽吸压力发生在井内起管柱时 管柱下端因上升而空出来的井眼空间 以及作业液因粘滞性附于管柱上 随管柱上行而空出来的空间将由其上面的作业液充填 引起作业液向下流动 这部份作业液在流动时受到流动阻力 其结果是降低有效的井底压力 钻头泥包和大直径管柱时 会产生很大的抽吸压力 激动压力产生于下管柱时 因为管具下行 挤出该处的作业液 作业液流动受到的阻力 便是激动压力 其结果是增大有效井底压力 泵压 泵压是克服井内循环系统中磨擦损失所需的压力 液压 液压用于驱动大多数的防喷设备 包括防喷器 不在井内 16 1 6井的分类 1 依据井的作用来分采油井 简称油井 为开采地下油层中的原油而钻的井 主要用于采油 由于采油方式不同 又分为自喷井和抽油井 采气井 气 指专为开采地下储气层中的天然气而钻的井 注水井 水井 在注水开发的油田上 为向油层注水补充能量而钻的井 注水井在油田开发中虽然不能直接采出原油 但对保持油层压力起着重要的作用 注气井 在注气开发的油田上 为向油层注气补充能量而钻的井 除特殊需要外 一般不专门打注气井 而是把注水井或采油井改为注气井 一向井内注氮气 氮气的性能稳定 相对价格较低 水源井 为给注水井 油田工业用水和民用水提供充足水源而钻的井 一般在位于油田边缘 储量丰富的浅水层钻井 观察井和实验井 指在油田开发过程中 为了解油层动态 油 气 水运动规律和变化情况而钻的井 这类井既是观察井 实验井又是生产井 调整井 指在油田开发过程中 为调整开发方案而钻的井 2 依据井的深度不同来分 一般分为浅井 中深井 深井和超深井四种 当前 世界上还没有一个按照井的深度分类的统一标准 我国有关修井作业专业会议及部门的一致看法是 井深500米 1000米为浅井 1000米 2500米为中深井 2500米 4000米为深井 4000以上的井为超深井 第一部分井控的基本概念 17 第二部分井喷的处理与预防 现场井控工作是预防为主 制喷为辅 即井控工作立足一级 做好二级 杜绝三级 一级井控是处理好井筒内的系统压力 防止井喷条件的形成 二级井控做为应急的措施 是防止事故发生和阻止事故扩大的重要工作 为此培训的重点内容在二级井控 二级井控的工作内容 及时发现溢流 果断迅速关井 采用正确方法压井 恢复井内压力平衡 18 1 井控意识不强 思想麻痹 违章操作 2 地层压力掌握不准 设计钻井 修井液密度偏低 3 起钻产生抽吸压力 造成诱喷 要求钻开油气层起钻前进行短起下钻校对溢流的产生 4 钻井液柱高度下降 要求每起三柱钻杆或一柱钻铤向井内灌满一次钻井液 5 钻井液密度下降 原因 油气侵入井内 处理事故向井内注原油或解卡剂 向井内混油降低磨阻 6 对浅气层的影响缺乏认识 井身结构不合理 第二部分井喷的处理与预防 2 1井喷失控的原因及危害 2 1 1 井喷失控的原因 19 7 井控设备的安装及试压不符合有关要求或在质量上有问题 在发生井喷后关不严 承受的压力不够造成井控装置失效 8 空井时间过长 无人观察井口 9 钻遇漏失层段发生井漏未能及时处理或处理措施不当 10 相邻注水井不停注或未减压 11 地质设计未能提供准确的地层孔隙压力资料 12 发现溢流后处理措施不当 比如 有的井发现溢流后不是及时正确地关井 而是继续循环观察 致使气侵段钻井液或气柱迅速上移 再想关井 为时已晚 第二部分井喷的处理与预防 20 井喷失控是钻井 井下作业 试油 测井施工中性质最严重的事故 具体有以下几方面危害 1 井喷失控极容易引起火灾 影响千家万户的生命安全 造成环境污染 影响农田水利 渔场 牧场 林场的建设 2 伤害油气层 严重破坏地下的油气资源 影响最终采收率 3 极易造成机械设备毁坏 人员伤亡和油气井报废 带来巨大的经济损失 4 使正在作业的井事故复杂化 5 打乱全面的正常工作秩序 影响全局正常生产 6 涉及面广 社会负面影响较大 井喷失控虽然列举了较直接的六个方面 但间接的影响很大 实在是百害而无一利 因此在井下作业施工中要严格按操作面积进行施工 重视井控工作 不可因小而失大 避免井喷现象的发生 第二部分井喷的处理与预防 2 2 2井喷失控的危害 21 1 提高井控意识 设备安装意识 设备调试与试压意识 油气资源保护意识 井控培训意识 责任意识 2 各级管理者必须高度重视井控工作 井控工作主要内容 井控设计 井控设备 钻开油气层前的准备工作 钻开油气层和井控工作 井喷失控的处理 防火 防硫化氢的安全措施 井控培训 3 认真对待浅气层钻修井井井控工作 既注意高压油气井防喷 又要注意中低压油气井防喷 4 搞好井控工作 必须全面系统地抓好五个环节 必须紧紧抓住思想重视 措施正确 严格管理 技术培训和装备配套五个环节 第二部分井喷的处理与预防 2 2井喷的预防 井喷的预防需要从人们的意识上和井控工作具体实施上进行落实 采取重点是以预防井喷为主 制喷为辅的工作思路搞好井控工作 22 5 井控工作要各部门密切配合 常抓不懈6 严格执行 石油天然气钻井井控技术规定 石油与天然气井下作业井控技术规定 7 编制科学合理的施工设计 着重做好井喷的具体防范工作 第二部分井喷的处理与预防 23 第二部分井喷的处理与预防 2 3溢流的原因 24 第二部分井喷的处理与预防 2 4溢流的预防 1 起下钻速度要合理 减小波动压力 2 井眼要畅通 防止抽吸 开泵要平稳 防止憋漏地层 3 起钻灌满钻井液 起完钻尽快下钻 不准空井检修保养 25 第二部分井喷的处理与预防 2 5溢流的发现 26 迅速控制住井口 使井控工作处于主动 制止地层流体继续侵入井内 保持井内有较多的原液 关井时井口压力较低 利于安全压井 可以较准确地计算地层压力与压井液密度 发生溢流要迅速关井的益处 关井时最关键的问题是 1 关井要及时果断 2 关井不能压裂地层 第二部分井喷的处理与预防 27 在钻修过程中 发现溢流或疑似溢流 应迅速果断作出关井决定 关井动作快慢及关井程序是否正确 是控井成败的关键 关井的方法有 1 硬关井 在节流管汇处于关闭状态下 就直接关闭环型或闸板防喷器的关井方式 3 1关井方法 关 第三部分关井 28 硬关井 优点 发现井涌后 只让少量的地层流体进入井内 井涌量越小压井作业越容易 缺点 水击效应大 过大压力加于薄弱地层上的风险 增加地层压裂的危险 容易引起井下井喷 第三部分关井 29 2 软关井 先开通节流管汇 再关环形 闸板防喷器的关井方式 第三部分关井 30 软关井 优点 关井过程中 防止水击效应作用于井口装置 可试关井 缺点 操作时间长 从发现气侵到关井 会有更多的地层流体进入井内 我国目前现场采用的关井方法为软关井 第三部分关井 31 3 2关井程序 一 钻进时发生溢流 发 停 抢 开 关 关 看 3 2 1钻井四 七动作关井程序 1 钻进时发生溢流2 起下钻杆时发生溢流3 起下钻铤时发生溢流4 空井时发生溢流 第三部分关井 32 33 34 35 36 37 38 39 二 起下钻杆时发生溢流 第三部分关井 40 41 42 43 44 45 46 47 三 起下钻铤时发生溢流 第三部分关井 48 49 50 51 52 53 54 55 四 空井时发生溢流 第三部分关井 56 57 58 59 60 61 62 63 一 起下管柱时发生溢流关井程序 发 停 抢 开 关 关 看 1 起下管柱时发生溢流关井程序2 井下施工作业时发生溢流3 空井时发生溢流 3 2 1井下三 七动作关井程序 第三部分关井 64 65 司机 二 三岗位 66 67 68 69 70 71 二 井下施工时发生溢流 第三部分关井 72 73 74 75 76 77 78 79 三 空井时发生溢流关井程序 第三部分关井 80 81 82 83 84 85 86 87 在起下管柱时发现溢流 要立即打开四通两侧的阀门 如果溢流量不大 在不妨碍安全操作的情况下要尽可能的抢下管柱 否则应立即抢接管柱防喷工具后采取适当措施控制井口 具体操作步骤为 发信号 停止起下管柱 抢接油管挂 开套管闸门 座油管挂 座采油树 均匀上紧井口螺栓 关套管闸门 试关井 看油 套压力 空井时发现溢流 当班负责人要立即组织人员打开四通两侧的阀门 抢装井口防喷器工具 具体操作步骤为 发信号 开套管闸门 座采油树 或装井口防喷工具 均匀上紧井口螺栓 关套管闸门 观察压力 3 2 3未安装防喷器的关井程序 第三部分关井 88 发信号要准确 关防喷器顺序要正确 取准关井套压 立压值 正确开关平板阀 正确调整节流阀 注意 89 六 关井后的几种情况及处理方法 第三部分关井 90 第四部分井内气体的运移 气体比钻井液 压井液的密度低得多 因此 气体总有一个向上运移的趋势 不管是否关井 气体运移总是可能发生的 4 1开井时的气体运移 起钻过程中 少量气侵不易被发现 随着钻具起出 气体不断运移 经过几个小时后 气体上升膨胀到一定程度 表现出极微弱的溢流 最终 气体膨胀将会降低静液柱压力 并且地层内的流体大量侵入井内 1 气体2 井底压力3 气体所受压力 气体侵入井内 从井底到井口气体体积 压力和井底压力的变化过程说明 1 气体在井内上升时体积一直在膨胀 但增加量较小 直到靠近地面时才迅速增加 这时压井液池液面才增加比较明显 2 气体膨胀上升对井底压力的影响很小 只是到靠近地面时 井底压力才能有明显降低 91 第四部分井内气体的运移 92 关闭防喷器 气体就不能膨胀 所以气体就保持压力不变而向上移动 结果是气体中的地层压力向地面移动 这个不变的压力上升 压井液就下降 下面的压井液静液柱压力使井底压力增加 上部静液压力减小使地面压力增大 实际上整个井中压力增加 如图所示 由于气体运移 使套管鞋处压力增加 地下井喷就要发生 见下图 4 2关井时的气体运移 第四部分井内气体的运移 93 关井后 已经发生的气侵可能还在运移 在地面的显示是 关井立管压力和套管压力等量增加 如不采取措施 套管压力上升到超过最大允许值 引起地层破裂 造成地下井喷 此时要释放钻井液 或压井液 允许气体膨胀 并降低套管压力 注 不能长时间关井不作处理 第四部分井内气体的运移 94 第五部分井底常压法压井 5 1压井方法 井底常压法压井主要有 司钻压井法 工程师压井法 循环压井法三种 5 1 1司钻法 又称二次循环法 压井过程中需要循环两周钻井液 第一循环周 用原浆将环空中的井侵流体顶替到地面 同时配制压井钻井液 第二循环周 用新压井液将原浆顶替到地面 5 1 2工程师法 又称一次循环法 压井过程中只需要循环一周钻井液 配制压井液 用压井液将环空中井侵流体顶替到地面 直到重钻井液返出地面 5 1 3循环压井法 将配好的压井液用泵泵入井内 进行循环 将井筒中的液体用压井液替出 靠压井液液柱的重量在井底产生回压 使油层中油气不能进入井筒 从而将井压住 95 1 正循环压井法 就是从钻杆或油管打入压井液 然后经过钻杆 或油管 与套管的环空返至地面 将井压住 2 反循环压井法 就是将压井液从套管和钻杆 或油管 环空打入 由油管返出将井压住 第五部分井底常压法压井 适合井喷和溢流量大时压井操作 96 5 2压井步骤 5 2 1司钻压井法压井步骤 1 计算压井所需的基本数据 计算压井液密度2 填写压井施工单压井3 配制压井钻井液 准备施工4 具体操作步骤 施工 第一循环周 如果套压小于关井套压则关小节流阀 如果套压大于关井套压 则开大节流阀 缓慢启动泵 同时打开节流阀 使套管压力保持不变 将泵排量调整到压井排量 当排量调整到压井排量时 立管压力表上呈现的压力便是初始循环立管压力 在第一循环周向井内注入原浆时 首先要保持压井排量不变 然后要调整节流阀使立管压力始终等于初始循环立管压力不变 环空受侵的钻井液排完后 应停泵 关节流阀 此时关井套压应等于关井立压 若关井套压大于关井立压 则继续循环排除新的受侵钻井液 同时配制压井重钻井液 第五部分井底常压法压井 97 第二循环周 缓慢启动泵 同时打开节流阀 保持第一循环周末的关井套压不变 将泵排量调整到压井排量 并保持压井排量不变 向井内不断注入重钻井液 并调整节流阀 使套压仍等于第一循环周末的关井套压不变 直到重钻井液到达钻头处 在重钻井液由环空上返的过程中 要保持压井排量不变 并调整节流阀 使立管压力等于终了循环立管压力不变 直至重钻井液从环空返出地面 套管压力和立管压力变化规律图 第五部分井底常压法压井 98 1 计算压井所需的基本数据2 填写压井施工单3 配制压井钻井液4 具体操作步骤 施工 5 2 2工程司压井法压井步骤 缓慢启动泵 同时打开节流阀 使套压等于关井时的套压值 当泵速或排量达到选定的压井泵速或压井排量时 保持泵速不变 调节节流阀的开启程度 使立管压力等于初始循环立管压力 压井液由地面到达钻头的这段时间内 通过调节节流阀控制立管压力 由初始立管循环压力逐渐降到终了循环立管压力 继续循环 压井液在环形空间上返 调节节流阀使立管压力保持终了立管压力不变 当压井液到达地面后 停泵 关节流阀 检查套管和立管压力是否为零 若为零说明压井成功 第五部分井底常压法压井 99 5 2 2循环法压井步骤 1 计算有关压井数据 1 计算压井液密度 2 计算钻柱内外容积及加重压井液量 3 计算注入压井液的时间 4 钻井液加重2 具体操作步骤 施工 1 正循环压井 这种压井方法有利于保护油层 适用于低压 气量较大的井 现场观察油套压的压力值 确定压井液的密度并测量压井液密度 用量达到设计要求 连接正循环压井管线 从套管一翼接好井口出口管线 靠井口装好针形阀 从油管一翼接好进口管线 靠井口装好单流阀 将水泥车与进口管线连接并将油壬上紧 倒好闸门 压井施工进口管线按设计工作压力1 2倍试压 观察5分钟不刺漏合格 第五部分井底常压法压井 100 以泵入排量不小于500L min的速度开始压井 在压井井过程中用针形阀控制进 出口排量平衡 循环压井一周后 待井口返出压井液后 测量压井液密度 当进口与出口压井液密度差小于2 后停泵 观察进 出口均无溢流 无喷显示时 完成正循环压井 2 反循环压井 这种压井方法适用于油层压力高 产量大的井及不具备正循环条件的井 压井施工时 接反循环压井管线即 1 从套管一翼接好井口进口地面管线 靠井口装好单流阀 2 从油管一翼接好地面管线 靠井口装好针形阀 施工操作步骤同正循环压井 第五部分井底常压法压井 101 出口管线用钢质硬管