含硫油、氣井安全鉆井技術(shù)

—含硫油、氣井安全鉆井技術(shù)一、引言海上鉆井是一項高投入、高風(fēng)險的特別作業(yè)，具有多學(xué)科性、冗雜性、隱藏性等特性。鉆進時遇到地層中含有H2S會造成工具、管材不同程度的腐蝕及氫脆，一旦H2S超標擴大會給鉆井平臺施工人員造成生命威逼，因此H2S的監(jiān)測與掌握給鉆井技術(shù)研討和實施作業(yè)提出了更高的要求。基于海上鉆井平臺受氣候、海域、運輸?shù)炔焕麠l件影響，具有不同于陸地鉆井的獨特風(fēng)險性，要求管理、設(shè)計、技術(shù)、施工等人員具有劇烈的責(zé)任心、做到細心設(shè)計、細心組織、細心施工，確保井下、裝備、人員的安全。二、含硫氣田的分布與開發(fā)1、行業(yè)標準國際上：自然氣中H2S≥5％（即77g/m3）為高含H2S氣藏，CO2含量2％～＜10％間為中含CO2氣藏（即39.6～＜197.8g/m3）我國：現(xiàn)行石油行業(yè)標準SY/T6168《氣藏分類》規(guī)定：自然氣中H2S≥2％（即≥30.8g/m3）為高含H2S氣藏。CO2含量2％～＜10%為中含CO2氣藏。2、分布高含硫氣田在世界上分布比擬廣泛，幾乎各產(chǎn)油大國都有含H2S氣田。目前已發(fā)現(xiàn)具有工業(yè)價值的高含硫氣田約400多個，其中許多分布在碳酸鹽巖地層中。H2S含量高于5％的自然氣氣藏：我國自然氣中H2S含量大于1％的氣田，約占全國自然氣儲量的1/4。主要分布在四川盆地、渤海灣盆地、鄂爾多斯盆地以及南海崖13－1氣田等。其中華北趙蘭莊氣田H2S含量高達92％。目前國內(nèi)仍以四川盆地含硫氣田分布最為廣泛。盆地內(nèi)80％以上氣田不同程度含H2S。其中川東臥龍河氣田臥63井嘉五1氣藏，H2S含量達31.95％，CO2含量達1.65％。特別是近十余年在川東北地區(qū)發(fā)現(xiàn)的渡口河、羅家寨和中石化普光等氣田，高含H2S和中含CO2很具代表性。3、開發(fā)現(xiàn)狀在勘探開發(fā)高含硫氣田中，法國、加拿大、、俄羅斯和伊朗等國，積累了豐富經(jīng)驗。（1）法國拉克氣田H2S含量為15.4％，CO2含量為9.5％，1957年投產(chǎn)，生產(chǎn)至今。已累積產(chǎn)氣2258X108m2，采出程度70％。（2）20世紀6020XX年X月中期，殼牌公司在密西西比州南方，勘探開發(fā)的一個高含硫氣田，H2S含硫達45％，最深井深達7620m，井底壓力為165.6MPa，溫度為221℃。（3）俄羅斯奧倫堡高含硫氣田，H2S含量達1.3～5％，CO2含量0.7～2.6％，已開發(fā)45年，最高年產(chǎn)氣490X108m3，目前年產(chǎn)氣180X108m3。4、目前為止，四川地區(qū)有測試依據(jù)的高溫、高壓、高含硫最高指標情況最高溫度：176℃（盤1井）最高壓力：龍4井關(guān)井井口壓力103.42MPa未穩(wěn)，由于井口受限，未能連續(xù)關(guān)井，推算地層壓力130MPa左右。最高含硫：496g/m3（臥龍河嘉陵江氣藏）。5、危害H2S為無色、劇毒的酸性氣體，與空氣的相對密度為1.189，爆炸極限范圍為4.3%~46%（自然氣5%~15%）。H2S是一種神經(jīng)毒劑，亦為窒息性和刺激性氣體，一旦發(fā)生泄漏，不僅影響高含硫氣井平穩(wěn)開發(fā)，還將危及人和環(huán)境安全，其濃度為150ppm（225mg/m3）時就會刺激人眼、呼吸道，麻痹嗅覺神經(jīng)，濃度為800ppm（1200mg/m3）以上時，2min就能造成死亡。1ppm=1.5mg/m3。三、含硫油、氣井鉆井施工難點1、地質(zhì)構(gòu)造冗雜，不易推斷無論前期勘探資料多么豐富，不同區(qū)塊及相鄰井位所鉆地質(zhì)構(gòu)造均有所不同，設(shè)計書中不能概述全部的風(fēng)險，特別是碳酸鹽巖裂縫性氣藏深井，縱向上普遍存在多產(chǎn)層多壓力系統(tǒng)，由于套管程序的限制，往往造成同一裸眼井段顯現(xiàn)噴漏冗雜情況。橫向上油氣水分布不均，且地層壓力也存在較大差異，造成同一井組，鄰井施工難易程度也不盡相同。2、鉆井平臺地域狹小，人員稠密，安全、環(huán)保風(fēng)險較大鉆井平臺面積不如一個足球場大，施工人員到達XXX余人，聳立大海上施工相對較孤立，一旦發(fā)生油、氣井井噴，人員的生命和國家重大資產(chǎn)將面臨巨大威逼，假如大量原油或H2S泄露將給環(huán)境造成不行估量的損失。眾所周知“12.23”含硫氣井井噴事故造成了數(shù)百人死亡，數(shù)萬人員撤離，但這是在陸地，還有地方可疏散；墨西哥灣“深水地平線”平臺鉆井事故，原油泄露，造成了巨大的海洋環(huán)境污染，BP公司面臨巨額損失。3、氣井井控風(fēng)險壓力大（1）自然氣溢流速度快，來勢兇猛自然氣具有可壓縮、易膨脹特性，溢流與井噴間隔時間比油井短得多。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計，在一百多井次中，從發(fā)現(xiàn)溢流到井噴的時間間隔小于30min的占2/3以上，其中一半以上在10min以內(nèi)，而且來勢兇猛，簡單失控。（2）自然氣井關(guān)井壓力高自然氣密度低，是原油的0.7‰，不能靠自重平衡大部分地層壓力，不僅井涌、井噴臨時關(guān)井壓力高，完井后井口關(guān)井壓力也高。20XX年6月14日20：15某油氣田某井取心鉆進至2924.89m，因最終1.6m鉆速突快，當(dāng)時推斷可能鉆遇高壓油氣層，鉆井液密度1.74g/cm3（設(shè)計值：1.79—1.84g/cm3，主要原因密度低）故確定割心起鉆，循環(huán)鉆井液觀看后效，至20：45，甲方監(jiān)督為了不影響巖心收獲率要求停止循環(huán)立刻起鉆，起出2立柱鉆桿發(fā)現(xiàn)井口溢流，3—5秒鐘后井噴，噴高10m。關(guān)井15min后關(guān)井立壓4.5Mpa、套壓5MPa。在壓井過程中因回收鉆井液閘門開啟不暢，在搶換過程中，套壓上升為25MPa。環(huán)形防噴器刺漏，又關(guān)半封閘板防噴器掌握井口（23：24），用一條放噴管線放噴，套壓18MPa，此時半封閘板防噴器也被刺壞。15日0：30終因半封閘板防噴器完全刺壞而失控。（3）自然氣井易竄漏自然氣上竄力量強，氣層鉆進中簡單發(fā)氣憤侵，導(dǎo)致平衡地層壓力的液柱壓力降低，導(dǎo)致井涌，甚至井噴，表層套管下入較淺時，鉆遇氣層關(guān)井易發(fā)生地下井噴，有時也表現(xiàn)為地面竄漏。例如羅家寨羅家2井、川東北的普光9井在發(fā)生溢流關(guān)井后，均由于表層套管下入太淺發(fā)生竄漏，附近的河流和農(nóng)田溢流自然氣，給附近群眾生命造成巨大威逼，鉆井液順著裂縫溢流到地面和河流，破壞了當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境。（4）自然氣易燃、易爆、易中毒自然氣井在發(fā)生井噴后，由于各種原因易引起著火，含硫自然氣易造成鉆具等管材氫脆折斷。含硫自然氣井一旦井噴失控，將大大增大處理難度。4、氣井固井質(zhì)量影響因素多（1）自然氣上竄力量強，固井時，極易竄槽，影響固井質(zhì)量；（2）含硫氣井，由于H2S的應(yīng)力腐蝕和電化學(xué)腐蝕特性，易造成套管損壞，從而影響井的安全；（3）H2S的腐蝕性能還會對水泥石造成腐蝕，從而降低水泥石的強度。（4）深井溫差大，水泥漿稠化時間的掌握難度大，超緩凝易造成氣竄。四、含硫油、氣井安全鉆井技術(shù)1、鉆前調(diào)研與設(shè)計方案論證了解施工區(qū)域地質(zhì)情況，鄰井構(gòu)造或鄰井鉆井與完井試油情況，并對井位周邊環(huán)境進行調(diào)查，做好《安全應(yīng)急預(yù)案》，同時留意放噴地點的選擇，做好防火工作。對初步《設(shè)計方案》有一個較完善的論證檢查體系和制度，組織相關(guān)專家和部門，對初步《設(shè)計方案》進行檢查，確定最終的《設(shè)計方案》。2、分析《鉆井地質(zhì)與工程設(shè)計》（1）地質(zhì)設(shè)計方面重點：地層壓力（孔隙壓力、裂開壓力、坍塌壓力）預(yù)測的精確性；儲層的類型；地層流體性質(zhì)（包括H2S含量）；可能存在的冗雜情況及地質(zhì)家初步確定的完井方式。（2）工程設(shè)計方面重點：井身結(jié)構(gòu)設(shè)計，各層套管下入深度是否合理（目的層之上有溶洞、裂縫性漏層，要求有兩層套管封隔）；必需按標準嚴格掌握井眼軌跡全角改變率（狗腿度），以削減套管磨損，降低井筒風(fēng)險。（3）鉆井液密度設(shè)計：按各裸眼井段中最高地層壓力當(dāng)量密度值附加0.07～0.15g/cm3，高含硫氣井按高限（即0.15g/cm3）附加；高含硫氣井儲藏不少于1～1.5倍井筒容積、密度高于設(shè)計地層壓力當(dāng)量鉆井液密度0.3g/cm3～0.4g/cm3的高密度鉆井液，儲藏充足的加重材料和除硫材料。PH值對電化學(xué)失重腐蝕和硫化物應(yīng)力腐蝕的影響都較大，當(dāng)PH6時，硫化物應(yīng)力腐蝕嚴峻；PH9時，就很少發(fā)生硫化物應(yīng)力腐蝕。而隨PH值的降低，電化學(xué)失重腐蝕增加，因此在鉆開含硫地層后，鉆井液的PH值應(yīng)一直掌握在9.5以上。3、鉆柱設(shè)計（1）鉆桿材質(zhì)選擇：加大壁厚，內(nèi)外有防腐涂層。研討說明，各種鋼級的管材都有其抗H2S腐蝕的最低臨界溫度，在臨界溫度之上，它就具有抗H2S的腐蝕性能。含硫氣井在強度滿意要求的條件下，一般選用G級或低鋼級鉆桿，高鋼級易氫脆。若強度要求選用S135鉆桿時，必需調(diào)整鉆井液性能以防止H2S腐蝕。另外溫度對硫化物應(yīng)力腐蝕開裂的影響較大，當(dāng)溫度上升到肯定（93℃）以上可不考慮金屬材料的防硫問題；油氣井鉆井中套管和鉆鋌，當(dāng)井下溫度高于93℃時，可以不考慮其抗硫性能。（2）鉆具搭配滿意井眼軌跡掌握要求；井斜較大的井和全角改變率較大的井段，應(yīng)實行防磨措施（加裝防磨接頭或鉆桿接頭敷焊防磨材料）；氣層鉆井中在鉆柱下部還應(yīng)安裝鉆具止回閥。4、固井方式及水泥漿體系：固井方式盡可能選用一次性固井，以防止分級箍、懸掛器等附件存在薄弱環(huán)節(jié)，從而導(dǎo)致安全風(fēng)險的存在。水泥漿體系選用水泥石致密的水泥漿體系，如塑性水泥漿體系，抗硫防腐水泥漿體系。自然氣井，特別是高溫高壓高含硫氣井，要求各層套管固井水泥漿均返至地面。5、井控設(shè)計（1）井口選擇及試壓要求：井口選擇一般是依據(jù)地層壓力確定。川慶做法：地面掌握系統(tǒng)，主要根據(jù)SY/T6616—20XX《含硫油氣井鉆井井控裝置配套、安裝和運用標準》和SY/T59—20XX《鉆井井控裝置搭配配套、安裝調(diào)試與維護》實施，防噴器搭配從上至下：環(huán)形、半封、剪切、雙閘板（上全封、下半封）雙四通、套管頭。節(jié)流、壓井管匯各一套，主放噴管線兩條，副放噴管線兩條，液氣別離器排氣管線一條，各個放噴口均配置點火及燃燒裝置。（2）井控裝置試壓：應(yīng)在不超過套管抗內(nèi)壓強度80%的前提下，環(huán)型防噴器封閉鉆桿試壓到額定工作壓力的70%；閘板防噴器、壓井管匯試壓到額定工作壓力。6、鉆井作業(yè)過程中以井控為重點的安全措施（1）明確局級、事業(yè)部、鉆井平臺三級井控管理機構(gòu)及職責(zé)，在處理突發(fā)、應(yīng)急大事時便于指揮、協(xié)調(diào)。落實應(yīng)急放噴、點火、撤離權(quán)限。（2）鉆井平臺必需根據(jù)《石油自然氣鉆井健康、安全與環(huán)境管理體系指南》（SY/T6283-20XX）的要求制定切實可行的《安全應(yīng)急預(yù)案》，由上級部門審批，H2S含量超過XXXg/m3應(yīng)請局級部門審批把關(guān)。并與當(dāng)?shù)卣嘘P(guān)部門連接，形成地企聯(lián)動的應(yīng)急救援體系。（3）進入含硫氣層前，除鉆井平臺和其他專業(yè)化服務(wù)隊伍要進行應(yīng)急預(yù)案的學(xué)習(xí)、演練外，還要編制《單井應(yīng)急救援預(yù)案手冊》向可能危及范圍內(nèi)其他人員設(shè)備，進行H2S安全學(xué)問和遇緊急情況時的應(yīng)急溝通，提出緊急情況下的安全撤離要求，并進行演練。（4）現(xiàn)場油氣顯示的檢測與監(jiān)控：按時發(fā)現(xiàn)溢流，按時關(guān)井，按時壓井是搞好含硫油、氣井井控工作的三個重要環(huán)節(jié)。要求對地質(zhì)綜合錄井儀；鉆井液液面自動監(jiān)測報警儀（監(jiān)測溢流井漏）；鉆井液液面人工“坐崗”觀測鉆井液體積的改變；產(chǎn)層中鉆進作業(yè)，每次起鉆前的短程起下鉆檢測井內(nèi)壓力平衡情況等基礎(chǔ)工作做細抓嚴。7、H2S氣體的檢測與人身防護鉆井