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浅析井控安全技术在钻井过程中的应用

作者: 发布时间:2020-01-19 11:17:51 阅读: 46 次

摘要:在油气勘探开发中,油气井压力控制技术(井控技术)不仅直接关系地下油气资源的科学发现、保护和开发,还直接影响着井壁稳定和钻井速度,与一口井的成败、人身设备安全休戚相关。各国钻井研究人员通过多年的时间和不断探索,在井控技术上取得了显著的研究进展。本文分析了几种主流的井控技术,并对未来井控技术的发展做出了展望。

关键词:井控技术;油气井;技术进展

 

引言

在石油天然气钻井过程中,地层流体常处于不稳定状态,一旦失控,便会发生井喷事故,不仅造成设备损坏、油气资源损失,又会污染自然环境甚至造成严重的人员伤亡,潜在的社会负面影响程度更是难以估量。因此,对于石油天然气钻井工程而言,井控技术显得格外重要。天然气钻井井控技术尤其要重点关注,这是因为天然气密度低、易燃易爆、可压缩性高,与油井相比更容易发生井喷和失火事故,且后期修复工作难度大。如何综合优化可控因素,保证钻井施工安全和施工进度,是每一个钻井工程师都要思考的问题。

 

1. 井控安全技术的探索与实践

笔者根据接触到的案例和相关资料,结合自己多年的工作经验,将井控技术的应用实践归纳为以下几点:

1.1提高井控装备的动态控制能力

1)优化节流阀结构设计,提高节流阀强度、精度及耐腐蚀能力。节流阀是压井作业中实现压力控制的重要元件,高压气井常会遇到压井节流施工作业。当前,压力控制存在的问题主要有:高压工作状态下阀芯易卡死;节流阀动态响应速度缓慢,截面变化较小,机械特性较硬,反应不灵敏。为改进节流阀性能,防止阀芯断落,应在设计伊始就充分考虑外界工况,完善控制系统的适应能力;可给节流阀配备硬质合金套,提高阀体强度和耐腐蚀能力。另外,在资金允许的情况下,可以尝试引进国外先进产品,其使用寿命和综合性能相比国内产品优势明显。

2)研制多级节流系统。高压气井一旦超压溢流,关井压力很高,尤其在压井后期,套压会出现明显的尖峰值,致使节流阀流速陡然增加,阀芯、阀柱短时间内收到巨大冲击。究其原因,很重要的一点便是单级节流阀的前后压差过大。为此,多级节流系统便应运而生。具体来讲,有以下几方面措施:一是引进高精度节流阀,提高控制精度,改善控制能力;二是优化压力分配,确保阀体处于更佳工作条件;三是多途径降压节流,防止单一路径失效影响全局;四是实行带负反馈的自动控制,提高精度,谨防人员误操作。

3)改进液气分离器结构,提高大密度钻井液的处理量和脱气效率。举例说明,06年以来,某油田在山前构造区的高压井施工作业中,淘汰了传统的液位机构分离器,选用了U形分离器,使得天然气处理量提升至600000m3/d,相比原来的液位机构分离器,效率提升近7倍。

4)推广气动加重装置。传统高密度钻井作业中,钻井液配备速度很慢,该装置可以大大提升工作效率,并降低井下工作人员在等待钻井液时潜在的事故隐患概率,同时缩短工期,减轻劳动强度。

5)使用固井机,改善地面管汇条件,改进泥浆泵抗压性能,这样不仅达到了固井要求,又满足了正反循环压井条件,现场试压、地破压力试验等试验条件也同时得到满足。

1.2.积极开展井控工艺研究

1)压回法或循环压井法

在钻井过程中,一旦发生技术套管破裂,将带来严重的安全隐患。尤其对山前井一类的长周期作业项目,套管磨损相对严重,为防止正循环压井给套管带来的损坏,从安全角度考虑,压回法、反循环压井法有更好的效果。03年,乌参2井在钻至6300米左右时发生溢流,地层压力达到了1200个大气压,相关人员成功实施了反循环压井。

2)积极结合信息技术

近年来,随着信息技术和专业软件的飞度进展,井控技术也迎来了新一轮技术革新。可以编制专门的辅助软件,对整个钻井过程进行实时监控。在作业前要做好风险评估,和预案制定;钻井结束后,在钻井液中添加封堵剂,保护气层;掌握油气上窜规律,杜绝下钻时发生急速溢流,确保起下钻过程的井控安全。这些过程可以转换为相关的机器代码写入编程,全程交由计算机控制,既提高了作业效率,又降低了出错率。

1.3做好硫化氢防护工作

根据API SPEC6A标准,硫化氢压力大于0.0003Mpa时,就要考虑硫化氢腐蚀问题。为此,可结合油田井下的工况,研制使用抗硫套管头和套管;积极探索钻杆的剪切力学技术研究;在硫化氢浓度较高的地区,需安装剪切闸板,既满足剪切要求,又可以于剪切后封闭井口;使用放喷管线,防止硫化氢外溢时,放喷管线断裂;在放喷管口设置自动点火装置,严禁人工点火;试油作业时,制定详细的防硫地面预案;管理层要制定硫化氢防护装备的配备标准,钻井队需根据要求将相关设施配备齐全。

 

2井控技术的发展方向

2.1完善井控理论,开发配套软件

近年来,各类传感器的研发如火如荼,计算机技术也发展迅速,人们更深入了解到了井下工况,这为井控理论的创新提供了实际数据参考,可帮助技术人员准确预估井内压力。新的井控理论要充分考虑不同压力下油气层的流态,结合井筒瞬态压力和温度场参数,运用气固两相流体力学的相关内容计算井筒截面压力,并根据试验数据加以修正。此外,以新型井控理论为基础的软件开发也迫在眉睫。此类软件在求解大型方程组、高次微分方程方面优势巨大,而且相关的仿真数据能够为压力钻井设计提供初始参考。另外,水平井的天然气侵入和气固两相流动场也是研究热点,这与钻井液的密度设定和安全作业时间的设置密切相关。

2.2研究负反馈闭环系统装置

在钻井速度、油气层保护、改善井下作业环境方面,负压钻井凸显出巨大优势。但这些技术在井筒压力控制方面很不稳定,这严重束缚了它的推广应用。为充分发挥负压钻井的优点,降低作业成本,需要对井筒压力实现实时控制,这要求建立全过程闭环压力控制系统,不断将压力参数返回控制室。在完善防喷器的基础上,要配备承压振动筛、除气器、钻杆浮动阀构成负反馈,结合相关的传感器和电子检测仪器,实现负压钻井时的稳压控制。

 

结语

21世纪,钻井技术将会迈向全面自动化的阶段,以寻求更高的技术经济性。在井控理论、设备研制、软件开发等领域面临新一轮挑战,以将各类先进压力控制钻井技术推广,变单一的井喷防治为油气层综合保护。随着井控安全技术的发展,势必将大大推动钻井技术进步,为我国的石油天然气开采事业添砖加瓦!

 

参考文献

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[3] 刘刚,金业权,李峰,喻海霞.层次分析法在井控风险可控诱因分析法中的应用[J].西南石油大学学报(自然科学版),2011,(2).

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