張紹槐

西安石油大學(xué)

石油勘探開發(fā)中，鉆井是判斷地下是否有油氣最重要和直接的手段，“鉆頭不到油氣不噴”。探井確認(rèn)有油氣后，接下來(lái)的工作就是查明其具體范圍和出油能力。要通過(guò)鉆井查清油層層數(shù)、深度、厚度，搞清油層的巖性和其他物理性質(zhì)，測(cè)試油氣生產(chǎn)能力，然后再擴(kuò)大鉆探，進(jìn)一步探明含油氣情況。在世界范圍內(nèi)，油氣鉆井費(fèi)用占油氣勘探總投資的55%～80%，占油氣田開發(fā)總投資的50%以上，鉆井技術(shù)的優(yōu)劣和水平直接影響著油氣勘探開發(fā)效益。伴隨著油氣勘探開發(fā)的深入，鉆井設(shè)備配套、工具儀器研發(fā)、鉆井高新技術(shù)研究與應(yīng)用得到了高度重視和快速發(fā)展，鉆井前沿技術(shù)不斷突破，儲(chǔ)備技術(shù)研究投資不斷加大。目前，鉆井技術(shù)不只是建立油氣通道，也是提高油氣井產(chǎn)量、提高采收率等的主要手段。

鉆井有10種類型井：基準(zhǔn)井、剖面井、參數(shù)井、構(gòu)造井、探井、資料井（以上6種井都要鉆取較多的巖心，采集全井巖屑并進(jìn)行較多的電測(cè)與錄井工作）、生產(chǎn)井、注入井、調(diào)整井、評(píng)價(jià)觀察井。不同類別井所應(yīng)用的井筒屏障結(jié)構(gòu)不同。

按照 NORSOK D-010 第三、四版標(biāo)準(zhǔn)［1-2］，參考有關(guān)資料［3-4］闡述了在鉆井作業(yè)期間與井筒完整性有關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，用井筒屏障組件來(lái)建立井筒屏障可以保證井筒完整性以及鉆井作業(yè)的安全。

1 在鉆井方面認(rèn)識(shí)與應(yīng)用井筒完整性現(xiàn)狀

2007年7月，四川羅家2井鉆至高壓硫化氫氣層未及時(shí)壓井導(dǎo)致高壓氣體上竄，在夜間發(fā)生井周地面冒氣并毒死附近熟睡中的居民一百多人。事故原因主要是：地質(zhì)預(yù)告不準(zhǔn)、鉆井液密度與循環(huán)當(dāng)量密度偏小、井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不當(dāng)、表層套管及技術(shù)套管下入深度不夠、鉆井施工中監(jiān)測(cè)不力未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)溢流、壓井不及時(shí)等。在國(guó)家安監(jiān)總局的組織下，西南石油學(xué)院和四川石油管理局等一些單位開始關(guān)注和研究目前所說(shuō)的井筒完整性問(wèn)題。近十年來(lái)，塔里木油田針對(duì)庫(kù)車山前鉆高壓氣井的難題，研究了井筒完整性設(shè)計(jì)：2005—2008年針對(duì)克拉2和迪那2氣田多口高壓氣井環(huán)空異常高壓?jiǎn)栴}，引入井筒完整性的概念開展對(duì)問(wèn)題井的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作，采用API RP90標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行各環(huán)空最大允許帶壓值計(jì)算，并制定治理措施。2009—2011年，針對(duì)迪那2氣田多口井出現(xiàn)完整性問(wèn)題，開展了全油田井筒完整性現(xiàn)狀大調(diào)查，引用井筒完整性設(shè)計(jì)理念制定了相應(yīng)的措施，保證了迪那2氣田的安全高效開發(fā)。2012—2016年，針對(duì)大北、克深區(qū)塊大規(guī)模建產(chǎn)后井筒完整性面臨的新挑戰(zhàn)，探索了一套以井筒屏障設(shè)計(jì)、測(cè)試和監(jiān)控為基礎(chǔ)的井筒完整性設(shè)計(jì)技術(shù)［4］。景宏濤等發(fā)表了“迪那2井完整性評(píng)價(jià)及風(fēng)險(xiǎn)分析［5］”。西南油氣田2008年依托龍崗氣田開展了井筒完整性一系列相關(guān)研究工作，形成了一套“三高氣井完整性評(píng)價(jià)技術(shù)”；2013—2016年高效完成龍王廟氣藏的試油、完井及開發(fā)建產(chǎn)工作；2014年發(fā)布Q/SY XN 0428—2014《高溫高壓高酸性氣井井筒完整性評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，2015年上線運(yùn)行“西南油氣田井筒完整性管理系統(tǒng)”［4］。胡順渠等發(fā)表了“川西高溫高壓氣井井筒完整性優(yōu)化設(shè)計(jì)及應(yīng)用”［6］。中海油安全技術(shù)服務(wù)公司針對(duì)渤海油田在產(chǎn)油氣井開發(fā)年限長(zhǎng)，井下套管水泥環(huán)普遍損傷現(xiàn)象，為了能在井筒完整性失效之前及時(shí)發(fā)現(xiàn)損傷和損傷程度，研制了基于寬頻超聲波的檢測(cè)技術(shù)，可制作3層套管柱及水泥環(huán)腐蝕、缺陷的三維圖并編制成軟件［7］。大慶油田、吉林油田等也開展了井筒完整性研究。長(zhǎng)慶油田是中低滲透為主的低壓低產(chǎn)油氣藏，但是存在強(qiáng)腐蝕性地下水（洛河水等）問(wèn)題。據(jù)長(zhǎng)慶開發(fā)志［8］記載，截至2005年7月底累計(jì)有1000多口油水井套管破損約占總井?dāng)?shù)的9%，一些井（如吳-295-3井）套損時(shí)間只有1年，小于3年的占12.9%，大于4年小于6年的占27.4%，大于7年小于10年的占19.4%，大于10年的占40.3%。該油田先后用了許多方法對(duì)套損井進(jìn)行治理，效果仍然不好，這是長(zhǎng)慶油田涉及井筒完整性的突出問(wèn)題。2017年2月中國(guó)石油集團(tuán)公司發(fā)布了“高溫高壓及高含硫井井筒完整性系列標(biāo)準(zhǔn)”［4］。國(guó)內(nèi)，張智等提出“含硫氣井的井筒完整性設(shè)計(jì)方法”［9-10］，馮耀榮等發(fā)表了“油氣井管柱完整性技術(shù)研究進(jìn)展與展望”［11］等。據(jù)悉，最近關(guān)注井筒完整性的人越來(lái)越多，這是好勢(shì)頭。

2 鉆井作業(yè)的井筒屏障圖解

圖1～圖4是4個(gè)鉆井作業(yè)應(yīng)用井筒屏障來(lái)實(shí)現(xiàn)井筒完整性的技術(shù)圖解。

圖1是一口海洋井，井口有異常壓力。該井安裝有：（1）高壓隔水管；（2）可剪切的密封閘板；（3）最上部有一個(gè)插入式安全閥（管柱內(nèi)防噴閥）；（4）上、中、下3個(gè)防噴閘板組合體。以上四位一體的井口裝置可以保證井口安全。

該井下入表層套管、技術(shù)套管、油層套管，油層套管是第2個(gè)屏障，油層套管鞋位于蓋層頂部，油層套管外至技術(shù)套管鞋以下有一段環(huán)空水泥。

在油層套管鞋以下是裸眼井段；可剪切的密封閘板（SSR）已經(jīng)關(guān)閉，這時(shí)鉆柱不能旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)和起下；液柱（藍(lán)色）是第1個(gè)屏障。

圖1中未說(shuō)明的還有：預(yù)計(jì)完鉆以后，用尾管注水泥固井后進(jìn)行完井作業(yè)。

圖1 用可剪切鉆柱鉆井、取心和起下鉆Fig. 1 Drilling, coring and tripping with shearable string

可剪切鉆柱（Shearable String）含義是鉆柱外徑尺寸與防噴器密封閘板芯子（SSR，Shear seal ram）尺寸相配合，防噴器能封閉鉆柱與井壁（或套管）之間環(huán)空（余同）。

圖1與圖2不同之處：一是圖2中的插入式安全閥（紅色）和插入管（紅色）已經(jīng)處于打開狀態(tài)，并用環(huán)空安全閥（紅色）控制環(huán)空；二是圖2的鉆柱處于可旋轉(zhuǎn)可起下的工作狀態(tài)，這套鉆柱是不可剪切鉆柱；圖2與圖1的儲(chǔ)集層、蓋層及其他屏障和井內(nèi)套管水泥等均相同。

圖2中剪切密封閘板（Shear seal ram，SSR）是打開的（因?yàn)槭褂玫氖遣豢杉羟秀@柱，SSR不起作用）；管柱內(nèi)防噴閥（Stab in Safetу Valve，SSV）是關(guān)閉的；環(huán)空壓力大，要用環(huán)空安全閥（ASV）（圖2中它是關(guān)閉的）。不可剪切鉆柱要使用芯子為可變形密封囊的環(huán)形防噴器和/或環(huán)空安全閥等。

圖2 下入不可剪切的鉆柱Fig. 2 Running non-shearable string

圖3井筒中的鉆柱及鉆頭已經(jīng)起出；油層套管下部裝有套管浮箍閥；有2層技術(shù)套管和表層套管；技術(shù)套管的套管鞋坐在蓋層頂部；該井處于完井作業(yè)的準(zhǔn)備階段，即將進(jìn)行過(guò)油管（過(guò)管柱）鉆進(jìn)（包括側(cè)鉆）和取心等作業(yè)；不可剪切套管（non-Shearable casing）含義是套管柱使用了扶正器等附件，所以套管柱與防噴器閘板芯子兩者就不能封閉套管柱與井壁之間的環(huán)空（余同）；圖中表示這時(shí)要使用環(huán)空安全閥（或環(huán)形防噴器芯子）來(lái)封閉環(huán)空。在套管柱頂部備有管柱內(nèi)防噴閥，可用來(lái)控制套管內(nèi)壓力。

圖3 下入不可剪切套管Fig. 3 Running non-shearable casing

圖4所示該井已進(jìn)入完井作業(yè)的過(guò)管柱（油層套管柱或油管柱）鉆井（側(cè)鉆）與取心工作；第1個(gè)井筒屏障有液柱、地層、套管水泥、套管、機(jī)械的管柱塞（也可以是封隔器）等，加強(qiáng)了第1個(gè)井筒屏障；第2個(gè)井筒屏障為紅色，部分圖示有10個(gè)組件；在過(guò)管柱鉆進(jìn)（側(cè)鉆，取心等）作業(yè)階段，加強(qiáng)了井口安全裝置并安裝了上部生產(chǎn)控制閥（PUMV）和下部生產(chǎn)控制閥（PLMV）及壓井閥（KV）等，為隨時(shí)投產(chǎn)（或試井）作了準(zhǔn)備。有的時(shí)候，地面采油樹也已到位（圖中未標(biāo)出，位于油管頂部，已超出圖框）。

圖示在上部采油閘板和下部采油閘板之間的剪切密封閘板為關(guān)閉狀態(tài)，封閉了過(guò)管柱鉆進(jìn)（或取心）的管柱與油層套管（或油管）的環(huán)空，這時(shí)過(guò)管柱鉆進(jìn)（或取心）的管柱要“過(guò)”油層套管（或管柱）進(jìn)行鉆進(jìn)、取心或側(cè)鉆作業(yè)。

圖4 過(guò)管柱鉆井和取心及側(cè)鉆Fig. 4 String-through drilling, coring and sidetracking

3 優(yōu)化鉆井作業(yè)的井筒屏障及其組件

鉆井作業(yè)對(duì)井筒屏障的要求是：

（1）對(duì)導(dǎo)管和表層套管的上部井眼，液柱是唯一的井筒屏障，又稱之為水力屏障。在其他井段鉆進(jìn)時(shí)，液柱都是重要的屏障。標(biāo)準(zhǔn)要求鉆井液密度大于地層流體壓力，小于地層破裂壓力（按地層流體壓力值附加：油 /水井 1.5～3.5 MPa、氣井 3.0～5.0 MPa；按當(dāng)量密度附加：油水井0.05～0.10 g/cm3，氣井 0.07～0.15 g/cm3）［1，4］。鉆井液應(yīng)該具有良好的流變性、溫度穩(wěn)定性、懸浮穩(wěn)定性和抗污染能力等。

（2）表層套管應(yīng)在鉆入異常壓力層之前下入，并在表層套管固井之后、二開之前安裝好鉆井防噴器。

（3）在裸眼中射孔時(shí)應(yīng)在管柱內(nèi)孔中安裝2個(gè)高質(zhì)量的井筒屏障組件；內(nèi)層的井筒屏障組件應(yīng)該設(shè)計(jì)為能夠循環(huán)的液柱。

（4）標(biāo)準(zhǔn)［1，4］認(rèn)為非滲透性的地層能夠作為井筒屏障組件，但是應(yīng)該預(yù)測(cè)孔隙壓力和破裂壓力，破裂壓力大于最高作業(yè)壓力，該地層才具備地層完整性，同時(shí)要求該地層遠(yuǎn)離裂縫和斷層區(qū)域。

NORSOK D-010對(duì)井筒屏障組件的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)共有59個(gè)表［1］：筆者選擇了鉆井作業(yè)中關(guān)鍵性的液柱、鉆柱、防噴器、井口裝置4個(gè)屏障組件，用附錄中的表1～表4說(shuō)明。

4 鉆井作業(yè)的井控程序

4.1 井控活動(dòng)程序

表1說(shuō)明幾種應(yīng)該使用井控活動(dòng)程序。

4.2 鉆井作業(yè)對(duì)井控作業(yè)的要求

一是提前按照標(biāo)準(zhǔn)把井口、防噴器等全部井控裝置安裝到位和保證質(zhì)量，并全程進(jìn)行監(jiān)控管理；二是做好井控作業(yè)施工計(jì)劃，并且要有應(yīng)急措施計(jì)劃；三是落實(shí)崗位責(zé)任，對(duì)參與作業(yè)人員進(jìn)行培訓(xùn)、實(shí)地訓(xùn)練及嚴(yán)格考核（表2）；四是按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行驗(yàn)收并按照規(guī)格總結(jié)將資料入檔。

表1 鉆井作業(yè)中井控活動(dòng)程序Table 1 Well control procedure in drilling operation

5 導(dǎo)管設(shè)計(jì)

導(dǎo)管應(yīng)該設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)以支撐在井筒服役生命期內(nèi)的井口裝置和所有管材/設(shè)備。導(dǎo)管載荷分析應(yīng)該考慮惡劣氣象與海潮、渦漩誘發(fā)震動(dòng)、疲勞、腐蝕發(fā)生的可能性。

6 淺層氣

應(yīng)十分重視淺層氣并評(píng)估其風(fēng)險(xiǎn)?？捎玫臏p小風(fēng)險(xiǎn)的方法及需做的工作是：（1）確定淺層氣的風(fēng)險(xiǎn)和作業(yè)的限制模式和程序；（2）鉆導(dǎo)眼，使用隔水導(dǎo)管循環(huán)鉆井液恢復(fù)系統(tǒng)裝備；（3）用有關(guān)風(fēng)險(xiǎn)降低程序和井控程序方法鉆穿可能存在的淺層氣層。

表2 應(yīng)該執(zhí)行井控作業(yè)的訓(xùn)練及考核Table 2 Training & verification in well control action

對(duì)于可能存在淺層氣的井眼可用下列作業(yè)限制措施。

（1）如果淺層氣壓力較高，應(yīng)考慮移動(dòng)改變井位。

（2）使用一個(gè)允許動(dòng)態(tài)壓井的小尺寸導(dǎo)眼鉆穿全部可能的淺層氣層。

（3）預(yù)期的具有異常壓力的淺層氣應(yīng)該用最大尺寸為311.15 mm的導(dǎo)眼并用加重鉆井液鉆進(jìn)。

（4）在導(dǎo)眼中循環(huán)流動(dòng)檢查時(shí)間應(yīng)至少30 min。

（5）在下部鉆柱組合中應(yīng)安裝1個(gè)浮箍。

（6）應(yīng)該用隨鉆測(cè)井（LWD）伽瑪放射測(cè)井和電阻測(cè)井。

（7）對(duì)海洋井，從井眼返出的循環(huán)液應(yīng)該用遙控照像機(jī)或遙控裝置（ROV）連續(xù)觀察監(jiān)管。

（8）直到導(dǎo)眼已經(jīng)鉆穿為止，應(yīng)保持壓井液在可用-備用狀態(tài)。

（9）注水泥材料應(yīng)該到位并在導(dǎo)眼中建立最小50 m（一般情況要超過(guò)該值200%，約150 m）的不滲透氣體的致密水泥塞；導(dǎo)管外環(huán)空水泥返到地面（或海底面）。

（10）安置表層套管的計(jì)劃和材料（套管和水泥材料，按水泥返到地面/或海底面，并有最少50 m的水泥塞進(jìn)行備料）應(yīng)該在上述淺層氣有關(guān)工作之前到位并做好入井準(zhǔn)備工作。

在水深小于100 m且沒有淺層氣的海洋井就不必鉆導(dǎo)眼，這時(shí)要做鉆井設(shè)備沖撞評(píng)估，沖撞評(píng)估相當(dāng)于淺層氣的入侵或其他沖撞力。

7 井眼軌跡與井間距

精確設(shè)計(jì)和確定井眼軌跡不僅對(duì)于直井、定向井、水平井、分支井、智能井等復(fù)雜結(jié)構(gòu)井而且對(duì)防止發(fā)生下列情況都非常重要：（1）意外鉆至鄰井或其他井；（2）安裝有釋放井（放噴）作用井下裝置的井；（3）井中有地質(zhì)模型裝置的井；（4）在新井中裝有抗腐蝕及其評(píng)估裝置的井。

7.1 井眼軌跡的測(cè)量

應(yīng)該用不同的全球定位系統(tǒng)來(lái)確定井眼中心的地面井位坐標(biāo)。海洋井鉆井平臺(tái)的井槽（Well slot）坐標(biāo)能夠從已知參考點(diǎn)（平臺(tái)上的固定點(diǎn)、海面下底座等）來(lái)測(cè)量確定。

鉆進(jìn)新地層時(shí)井斜和方位的測(cè)量應(yīng)該每100 m測(cè)深至少測(cè)1次。所有測(cè)量應(yīng)以正北坐標(biāo)網(wǎng)格為參考系。從20世紀(jì)80年代以來(lái)隨鉆測(cè)量（MWD）隨鉆測(cè)井（LWD）隨鉆地震（SWD）系列新技術(shù)不斷發(fā)展直到普遍應(yīng)用，大幅度提高了井眼軌跡測(cè)量的精度、質(zhì)量與效果。筆者把隨鉆測(cè)量稱之為鉆井的眼睛；隨鉆測(cè)井稱之為識(shí)別地層和巖性的眼睛；隨鉆地震是在鉆頭上安置的眼睛。最近正在研發(fā)的電子式無(wú)線隨鉆測(cè)量及智能鉆柱等有線隨鉆測(cè)量工具與技術(shù)，都能提高井眼軌跡測(cè)量精度與效率。

正在鉆進(jìn)的井筒位置及其與鄰井的距離應(yīng)該在作業(yè)的全部時(shí)間內(nèi)都監(jiān)測(cè)。

建議制定測(cè)斜計(jì)劃以減小最小橢圓的不確定性。

7.2 井筒之間距離的計(jì)算模型和采用標(biāo)準(zhǔn)

建議制定量化不確定性的模型。井筒處在計(jì)算的不確定性橢圓之內(nèi)的可能性應(yīng)該大于95%。建議確定井筒之間最小的驗(yàn)收距離并且制定風(fēng)險(xiǎn)降低措施。

8 結(jié)論

鑒于鉆井作業(yè)存在不確定性和復(fù)雜性以及鉆井作業(yè)的質(zhì)量對(duì)后續(xù)作業(yè)的影響等，要求鉆井行業(yè)十分重視鉆井作業(yè)中的井筒完整性，設(shè)計(jì)并應(yīng)用好井筒屏障。目前中國(guó)還沒有自己的井筒完整性標(biāo)準(zhǔn)，可以參照NORSOK標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)、應(yīng)用、監(jiān)管監(jiān)控監(jiān)測(cè)和風(fēng)險(xiǎn)分析、備有預(yù)案和應(yīng)急措施，并認(rèn)真總結(jié)每次作業(yè)的成敗做好鉆井工程信息管理；不斷改進(jìn)鉆井作業(yè)的井筒完整性水平，為早日制訂中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)做好基礎(chǔ)工作。

“可剪切鉆柱”（shear-able string）和“不可剪切鉆柱”(non-shear-able string)是NORSOK 標(biāo)準(zhǔn)的用詞。可剪切鉆柱的含義是：鉆柱尺寸及外形與防噴器閘板芯子（NORSOK 標(biāo)準(zhǔn)用“shear seal ram”即“剪切密封閘板”表示）相配合，關(guān)閉防噴器后防噴器芯子能夠密封鉆柱與井壁的環(huán)形空間?？杉羟秀@柱的準(zhǔn)確意思是：能夠被防噴器剪切密封閘板抱緊而密封環(huán)空的鉆柱。不可剪切鉆柱的含義是：有些鉆柱中除了鉆桿、加重鉆桿、鉆鋌之外還有螺桿鉆具、扶正器、穩(wěn)定器、減震器、震擊器、打撈工具等外形及尺寸不規(guī)范的一些部件時(shí)，防噴器剪切密封閘板芯子就不能封閉該鉆柱了。不可剪切鉆柱的準(zhǔn)確意思是：不能被防噴器剪切密封閘板密封的鉆柱。順便指出：使用不可剪切鉆柱時(shí)需要裝置環(huán)形密封囊的環(huán)形防噴器或者其他密封裝置。

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