论文部分内容阅读
摘 要：天然气燃烧效率高、运输方便、对空气污染少，是我国重要的节能环保能源，具有十分重要的使用价值。但是，天然气又具有密度低、易燃易爆、可压缩与可膨胀等特性，造成开采困难，容易引发多种安全隐患，因此如何提高天然气井钻井和井控能力成为开采企业的重要课题。本文分析了天然气井钻井特点，并对天然气井的井控技术的优化措施进行了探讨。
关键词：天然气；钻井；井控；技术
随着经济的快速发展，国家对于新能源的需求不断增大，天然气勘探领域获得了巨大进步，勘探规模不断扩大，对天然气藏钻井技术提出了更高要求。近年来，高压、高产气田陆续被发现，传统的井控技术已经不能满足钻井新工艺的要求，逐渐向信息化、自动化、智能化的方向发展。现代井控技术的目标不仅仅是防止井喷，还包括减少资源浪费、防止环境污染、快速高效的完成钻井开采，需要相关单位在原有技术的基础上加强完善和创新。
一、天然气井钻井特点
（一）天然气的密度低，与钻井液有强烈的置换性。与地层水、钻井液、原油相比，天然气密度很低，大约是是清水密度的千分之一。在天然气钻井过程中，当发生溢流关井，整个井筒形成密闭空间，由于天然气密度较低，与钻井液发生强烈置换，混在钻井液中的天然气气泡不断向井口运移，导致井口压力过高，与井内溢流压力共同作用，容易造成地下井喷以及井口刺漏、管线、井口套管憋爆等问题。因此，需要对井涌、井喷后关井压力进行监测和控制，最大关井压力不得超过井控装备规定工作压力、套管抗内压强度的80%和地层破裂压力所允许压力三者中的最小值。一旦井口压力超过了以上压力值，在关井时就要适当泄压，但要补充所放出的钻井液量，在压井时要降低排量，控制井口施工压力。
（二）天然气的易燃易爆性。天然气最为直观、最易理解的特点就是易燃易爆性，容易造成天然气井钻井过程中井喷失控时的失火问题。但是天然气与空气的混合物在一定的浓度范围内遇到火源才能发生爆炸，这个火源才引发爆炸的浓度范围（体积比）称为爆炸浓度极限。天然气在空气中的混合浓度、爆炸范围在5%-15%之间，低于5%既不爆炸也不燃烧，高于15%，不会爆炸，但会燃烧。根据已有资料分析，天然气井井喷失控时失火现象发生几率较高，不是人为或地面设施所能控制的。而当井喷失控瞬间未着火，其后着火可能性较小。因此，钻井队伍应严密作好井场及周围消防工作，防止着火。
（三）天然气的压缩与膨胀性。地层天然气在地层孔隙中，其体积受地层孔隙压力控制，呈密集压缩状态。在钻进过程中，一旦地层天然气进入井筒，将随钻井液到达井口，在到达井口过程中，其体积会随上部液柱压力减少而增大，如果未对进入井筒的天然气进行控制，地层天然气将连续进入井筒，表现出井口溢流现象，发生井涌，随即井喷。在起钻过程中，由于抽吸作用会使钻井液柱作用于地层天然气的压力减少，再加上未按要求及时将井筒灌满，地层天然气也会进入井筒，其体积也会随上部液柱压力减少而迅速膨胀，造成起钻过程中井口的溢流。而下鉆过程中出现的井口溢流的原因则是起钻或起下钻时间太长。从实际发生井喷过程的观察，溢流到井涌之间时间较长，而井涌到井喷时间较短，一旦发现溢流，需要迅速按“四、七”动作控制井口。
二、天然气井钻井井控技术的优化措施
（一）完善井控理论，开发配套软件。随着井下传感器的开发和计算机技术的发展，人们对井筒内动态环境有了更深刻的认识和理解，给井控理论基础的更新创造了条件，以便准确计算井筒压力，提高钻井压力控制水平。新的井控理论应该考虑不同井底压力下油气层的流人和流出，结合井筒瞬态的压力和温度场，采用气液多相流理论计算井筒剖面压力，并利用井筒压力实测值修正计算压力。利用新的井控理论编制井筒压力计算软件，便于计算不同压井方法在井筒各关键点的井筒压力，并优选出合理的压井方法和压井施工参数，以指导压井施工作业。当然，这种软件不仅应用负压钻井的设计，而且为压力控制钻井提供压力计算的依据。此外还应研究水平井、多底井等特殊情况下天然气的侵入和气液两相流动规律，确定合理的钻井液附加密度和安全作业时间。
（二）增强井控装备配套水平。为适应高压、高产气田开发的需要，井控装备需要开展以下技术攻关研究工作：对105MPa压力等级井控设备进行配套，并研制适合于酸性气田的井控装备；对分离器进行优化和完善，提高脱气能力，例如选用“U”形管分离器；研制和开发智能井控系统，通过自动实时调节液动节流阀的开度来控制井口回压，使井内压力按照预定压力变化，完成井控施工作业。除此之外，还要提高节流阀和压井管汇的节流和抗冲蚀能力，其方法包括：一是改善节流阀的结构和材质，提高精确控制能力、抗冲蚀能力；二是研制多级节流系统，合理分配节流压降，改善节流阀件的工作条件，防止单一路径失效影响压井施工；三是完善压井管汇结构，降低高速流体对管汇的冲蚀作用，提高其完整性；四是实行智能控制，提高控制精度，防止误操作。钻井单位还需要研制和引进先进的探伤检测仪，对井控的防喷器等厚壁设备进行无损伤探测和评价，以保证井控设备的完整性。
（三）加强井控技术队伍建设。各天然气钻井公司应建立一支全面掌握现场钻井技术和井控操作技术，实践经验丰富、责任心强、组织能力高的人才队伍。首先，聘请具有井控工程师或井控高级工程师职称的专家，主要负责处理现场井控技术问题，并实时对井控作业进行监督，做好排除溢流压井的现场指挥工作；其次，提高钻井井控操作人员的基本素质，特别是加强钻井队骨干对因天然气特性所带来的井控技术特点的认识、理解，并通过认真反复实践，使其确实掌握天然气井钻井井控操作技术。此外，钻井队、钻井公司还应加强对操作人员现场技能培训，按井控技术规定、标准、操作规程进行日常职业化训练，从根本上解决低水平重复作业和反复犯低级错误的问题。
三、结束语
总而言之，天然气是一种重要的环保能源，但是其密度较低、易燃易爆、压缩性和膨胀性等特点，使得天然藏钻井工作面临多种困难。随着科技的发展，井控技术逐步向自动化方向迈进，通过完善井控理论、增强配套设备等措施，对井控技术进行研究与创新，同时钻井单位还要加强技术队伍的建设，从而提高开采的安全性、可靠性，为石油天然气勘探做出新的贡献。
参考文献：
[1]马宗金.总结经验教训提高天然气井钻井井控能力[J].钻采工艺，2004，04：7-11+1.
[2]吴志均，陈刚，郎淑敏，龙滨，王勇，李伟.天然气钻井井控技术的发展[J].石油钻采工艺，2010，05：56-60.
[3]梁成玉.天然气钻井井控技术的探析[J].化工管理，2015，25：150.
关键词：天然气；钻井；井控；技术
随着经济的快速发展，国家对于新能源的需求不断增大，天然气勘探领域获得了巨大进步，勘探规模不断扩大，对天然气藏钻井技术提出了更高要求。近年来，高压、高产气田陆续被发现，传统的井控技术已经不能满足钻井新工艺的要求，逐渐向信息化、自动化、智能化的方向发展。现代井控技术的目标不仅仅是防止井喷，还包括减少资源浪费、防止环境污染、快速高效的完成钻井开采，需要相关单位在原有技术的基础上加强完善和创新。
一、天然气井钻井特点
（一）天然气的密度低，与钻井液有强烈的置换性。与地层水、钻井液、原油相比，天然气密度很低，大约是是清水密度的千分之一。在天然气钻井过程中，当发生溢流关井，整个井筒形成密闭空间，由于天然气密度较低，与钻井液发生强烈置换，混在钻井液中的天然气气泡不断向井口运移，导致井口压力过高，与井内溢流压力共同作用，容易造成地下井喷以及井口刺漏、管线、井口套管憋爆等问题。因此，需要对井涌、井喷后关井压力进行监测和控制，最大关井压力不得超过井控装备规定工作压力、套管抗内压强度的80%和地层破裂压力所允许压力三者中的最小值。一旦井口压力超过了以上压力值，在关井时就要适当泄压，但要补充所放出的钻井液量，在压井时要降低排量，控制井口施工压力。
（二）天然气的易燃易爆性。天然气最为直观、最易理解的特点就是易燃易爆性，容易造成天然气井钻井过程中井喷失控时的失火问题。但是天然气与空气的混合物在一定的浓度范围内遇到火源才能发生爆炸，这个火源才引发爆炸的浓度范围（体积比）称为爆炸浓度极限。天然气在空气中的混合浓度、爆炸范围在5%-15%之间，低于5%既不爆炸也不燃烧，高于15%，不会爆炸，但会燃烧。根据已有资料分析，天然气井井喷失控时失火现象发生几率较高，不是人为或地面设施所能控制的。而当井喷失控瞬间未着火，其后着火可能性较小。因此，钻井队伍应严密作好井场及周围消防工作，防止着火。
（三）天然气的压缩与膨胀性。地层天然气在地层孔隙中，其体积受地层孔隙压力控制，呈密集压缩状态。在钻进过程中，一旦地层天然气进入井筒，将随钻井液到达井口，在到达井口过程中，其体积会随上部液柱压力减少而增大，如果未对进入井筒的天然气进行控制，地层天然气将连续进入井筒，表现出井口溢流现象，发生井涌，随即井喷。在起钻过程中，由于抽吸作用会使钻井液柱作用于地层天然气的压力减少，再加上未按要求及时将井筒灌满，地层天然气也会进入井筒，其体积也会随上部液柱压力减少而迅速膨胀，造成起钻过程中井口的溢流。而下鉆过程中出现的井口溢流的原因则是起钻或起下钻时间太长。从实际发生井喷过程的观察，溢流到井涌之间时间较长，而井涌到井喷时间较短，一旦发现溢流，需要迅速按“四、七”动作控制井口。
二、天然气井钻井井控技术的优化措施
（一）完善井控理论，开发配套软件。随着井下传感器的开发和计算机技术的发展，人们对井筒内动态环境有了更深刻的认识和理解，给井控理论基础的更新创造了条件，以便准确计算井筒压力，提高钻井压力控制水平。新的井控理论应该考虑不同井底压力下油气层的流人和流出，结合井筒瞬态的压力和温度场，采用气液多相流理论计算井筒剖面压力，并利用井筒压力实测值修正计算压力。利用新的井控理论编制井筒压力计算软件，便于计算不同压井方法在井筒各关键点的井筒压力，并优选出合理的压井方法和压井施工参数，以指导压井施工作业。当然，这种软件不仅应用负压钻井的设计，而且为压力控制钻井提供压力计算的依据。此外还应研究水平井、多底井等特殊情况下天然气的侵入和气液两相流动规律，确定合理的钻井液附加密度和安全作业时间。
（二）增强井控装备配套水平。为适应高压、高产气田开发的需要，井控装备需要开展以下技术攻关研究工作：对105MPa压力等级井控设备进行配套，并研制适合于酸性气田的井控装备；对分离器进行优化和完善，提高脱气能力，例如选用“U”形管分离器；研制和开发智能井控系统，通过自动实时调节液动节流阀的开度来控制井口回压，使井内压力按照预定压力变化，完成井控施工作业。除此之外，还要提高节流阀和压井管汇的节流和抗冲蚀能力，其方法包括：一是改善节流阀的结构和材质，提高精确控制能力、抗冲蚀能力；二是研制多级节流系统，合理分配节流压降，改善节流阀件的工作条件，防止单一路径失效影响压井施工；三是完善压井管汇结构，降低高速流体对管汇的冲蚀作用，提高其完整性；四是实行智能控制，提高控制精度，防止误操作。钻井单位还需要研制和引进先进的探伤检测仪，对井控的防喷器等厚壁设备进行无损伤探测和评价，以保证井控设备的完整性。
（三）加强井控技术队伍建设。各天然气钻井公司应建立一支全面掌握现场钻井技术和井控操作技术，实践经验丰富、责任心强、组织能力高的人才队伍。首先，聘请具有井控工程师或井控高级工程师职称的专家，主要负责处理现场井控技术问题，并实时对井控作业进行监督，做好排除溢流压井的现场指挥工作；其次，提高钻井井控操作人员的基本素质，特别是加强钻井队骨干对因天然气特性所带来的井控技术特点的认识、理解，并通过认真反复实践，使其确实掌握天然气井钻井井控操作技术。此外，钻井队、钻井公司还应加强对操作人员现场技能培训，按井控技术规定、标准、操作规程进行日常职业化训练，从根本上解决低水平重复作业和反复犯低级错误的问题。
三、结束语
总而言之，天然气是一种重要的环保能源，但是其密度较低、易燃易爆、压缩性和膨胀性等特点，使得天然藏钻井工作面临多种困难。随着科技的发展，井控技术逐步向自动化方向迈进，通过完善井控理论、增强配套设备等措施，对井控技术进行研究与创新，同时钻井单位还要加强技术队伍的建设，从而提高开采的安全性、可靠性，为石油天然气勘探做出新的贡献。
参考文献：
[1]马宗金.总结经验教训提高天然气井钻井井控能力[J].钻采工艺，2004，04：7-11+1.
[2]吴志均，陈刚，郎淑敏，龙滨，王勇，李伟.天然气钻井井控技术的发展[J].石油钻采工艺，2010，05：56-60.
[3]梁成玉.天然气钻井井控技术的探析[J].化工管理，2015，25：150.