油燃而声 第22期 | 钻井过程的井控安全与井下复杂事故
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张烈辉 | 《油气简史》
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Petrol.
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（第二版 富媒体）
油燃而声 第22期
本 期 内 容
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Petrol
钻井过程的井控安全与井下复杂事故
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油气安全钻井，除了考虑井场布置、消防设置、钻井平台摆设与拆迁、井架搭设使用与搬迁、动力系统、循环系统、电气系统等之外，还有一个很重要的部分就是井控，井控工作是油气勘探开发过程中的重要环节，是安全生产工作的重中之重。
part.
01
什么是“井控”？
井控就是采用一定的方法平衡地层孔隙压力
即油气井的压力控制
井控就是采用一定的方法平衡地层孔隙压力，即油气井的压力控制。在钻井过程中，通过维持足够的井筒内的压力以平衡或控制地层压力，防止地层流体进入井内，保证钻井作业安全顺利实施。根据采取控制方法的不同，井控作业分为三级，即一级井控、二级井控和三级井控。一级井控是使用适当钻井液液柱压力平衡地层压力，使得没有地层流体进入井内。二级井控是钻井液液柱压力不能平衡地层压力，地层流体流入井内，地面出现溢流，这时需依靠地面设备和适当的井控技术来控制、处理和排除地层流体的侵入，使井内重新恢复压力平衡。三级井控是指二级井控失败，溢流持续增大，发生地面或地下井喷且失去了控制。这时要使用适当的技术和设备重新恢复对井的控制，达到一级井控状态。
当井底压力低于地层压力时，井下有可能会出现井侵（油气侵）、溢流、井涌、井喷、井喷失控等现象。
何谓井侵？指在钻井过程中，出现地层压力大于井底压力时，地层中的流体（油气和水）进入井内现象，通常称之为井侵。常见的井侵有气侵、油侵和盐水侵。
何谓溢流？指随着井侵的发生，井口返出钻井液的量比泵入的液量多，或停泵后井口钻井液自动外溢，此现象称之为溢流。
何谓井涌？是溢流的进一步发展，钻井液涌出井口的现象。大家非常熟悉“泉涌”，指地下水由下向上大量涌出，滔滔不绝。钻井过程中发生的井涌现象与泉涌很类似。
有“天下第一泉”之称的趵突泉连续不断涌出的泉水在水面上呈现一股蘑菇状时，它的形状和钻井发生的溢流和井涌极为相似。
井喷是怎么回事？简而言之，井喷就是指钻井作业井筒中喷出了流体。它是指地层流体（油、气和水）无控制涌入井筒，井内流体涌出转盘面（井口）2m以上的现象（地面井喷）或侵入其他低压层位的现象（地下井喷）。例如，钻井工程的井喷就像剧烈摇晃可乐瓶身，打开瓶盖后会剧烈喷出气、液体的过程。
井喷发生后，若不及时处理，极可能发生井喷失控。井喷失控是指井喷发生后，在井口无法用常规方法控制而出现敞喷的现象。
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，随着时间推移，井口所出现的几种现象及事故发展变化的不同阶段和严重程度，整个过程与火山爆发的几个阶段类似，最严重的井喷失控就类似于火山爆发。井喷失控后喷发的油气往往伴随有毒气体或夹杂着砂石，喷出的石块敲打着井架叮当叮当响，现场可以闻到油气味，也可能吸入有毒气体，而井架上碰撞出的火花则可能引燃喷发出的气体，大火可能高达数十米，在几千米甚至几十千米都能看见。井喷失控会造成机毁人亡、油气井报废、环境污染以及巨大的经济损失。
大家可能还记得，2003年12月23日，重庆市开县高桥镇罗家寨发生的国内乃至世界气井井喷史上罕见的“12·23”特大井喷失控事故，造成万人大撤离，2142人受伤住院，243人中毒死亡，直接经济赔偿补偿上亿元，是新中国成立以来重庆历史上死亡人数最多、损失最重的一次特大安全事故，给国家、社会、人民群众的生命财产带来了灾难性的损失。同时也是人类开采天然气史上最大的悲剧事件，在国际国内反应强烈，影响很大。
大家可能也还记忆犹新，2010年4月20日，BP在美国墨西哥湾的“深水地平线”钻井平台发生井喷爆炸着火事故，造成11人死亡，17人受伤。平台燃烧36h后沉没，持续87天漏油，约有410×104bbl原油流入墨西哥湾，近 1500km海滩受到污染，至少2500km2的海水被石油覆盖，引发了严重的环境污染，成为美国历史上最严重的漏油事故。BP为墨西哥湾漏油事件支出的相关费用总额达到 538亿美元，事故赔偿额度创下历史最高。
井喷犹如一只下山的猛虎，而引起井喷或井喷失控的原因比较多，如地层压力预测不准确、井口未安装防喷器、选用钻井液密度偏低、起钻不灌或未灌满钻井液、起钻产生过大的抽汲力等其他不当措施。因此，必须从钻井的各个环节，如从井身结构设计、人员和设备的配备、钻井的工艺措施、精细化管理等，做好周密部署，加强监督，绝大多数的井喷事故还是可以避免的。十多年过去了，2003年12月23日罗家2井事故留给我们的启示是什么呢？在工人进行起下钻作业时，违反了“每起出3柱钻杆必须灌满钻井液”的规定，而是每起出6柱钻杆才灌满钻井液，致使井下液柱压力降低，低于地层压力，发生溢流并导致重大井喷事故。
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02
井漏是怎么回事？
井漏是指在井筒作业中各种工作液（钻井液、清水、水泥浆等）在压差作用下直接漏入地层的现象。
井漏是指在井筒作业中各种工作液（钻井液、清水、水泥浆等）在压差作用下直接漏入地层的现象。井漏是钻井工程中最常见的一类井下复杂情况之一。井漏可发生在任何地层、任何深度以及各种岩石中。大多数球迷都应该知道，足球场为了保证雨天能进行比赛，所以草坪的渗透性必须好，这样才能保证足球场不积水，这种现象就类似于渗透性井漏。
在钻井过程中一定要提前做好预防井漏的工作。井漏会造成钻井工作的停顿或中断，严重的漏失更是延误生产实践，耗费大量人力、物力和财力。钻井井漏得不到及时处理会引起钻井井塌、井喷和卡钻事故，所以预防和及时处理井漏是钻井过程中的一项非常重要的工作。
什么叫井塌？井塌就是钻井过程中井壁失稳垮塌的现象，井塌本身就是井壁不稳定的反映。井塌主要发生在泥岩、页岩以及胶结不良的砾岩、流砂和埋藏较深的盐岩中。井塌发生的原因主要有地质方面的原因（力学不稳定），物理方面的原因（水化效应）以及钻井工艺的原因。例如地层岩石受钻井液浸泡，发生水敏膨胀、破碎、剥离；地层本身破碎、疏松，疏松的泥土受水浸泡将会垮塌等。具体到一口井，可能其中某一个因素是主要的，也可能是综合作用而造成井壁的失稳。例如，在钻遇胶结不好的地层时，应力释放造成井壁失稳垮塌，就如同多米诺效应一样。
钻井过程的缩径示意图（一）
缩径是怎么回事？
就是地层岩石在遇水后，产生膨胀或地层蠕变力大于井内液柱压力，造成井眼直径缩小的现象。缩径就如同海绵吸水后，体积变大一样，地层吸水膨胀，井眼变小。缩径后的井眼若不进行及时处理，极可能造成缩径卡钻。
卡钻是怎么回事？
在钻井过程中，钻柱在井内某井段被卡，致使整个钻柱失去自由（不能上下活动和转动） 叫作卡钻。例如，马路边电杆底部埋在地下不能自由活动的现象，卡钻也是钻具陷在井内不能自由活动。钻井卡钻事故自从有钻井勘探时起，就是困扰钻井队的一个难题。给钻井队造成了巨大的人力物力及经济上的损失。其实有些卡钻事故只要我们细心地面对，认真分析井下情况，还是能够避免的。
油气藏（田）从勘探发现到油气被采掘到地面来，要经历钻井、录井、测井、固井、完井、射孔、采油采气、增产增注、运输、加工等一系列的环节，这些环节，一环紧扣一环，相互依存，密不可分。在油气勘探和开发的整个过程中，钻井起着十分重要的作用。随着对地下油气资源开发利用的不断加深，油气勘探开发的难度也越来越大。从浅层勘探开发到深层、超深层勘探开发，从常规油气到非常规油气勘探开发，从直井、浅井到水平井、多分支井、丛式井、深井乃至超深井，高温、高压、高产井陡然增多（有的油气井已达到地层温度 200℃、地层压力 105MPa、产气 300×104m3/d 以上），这些给钻井、开采等带来的安全风险也大幅提升。因此，周密做好钻井施工各个环节工作，提前研判事故风险提升安全管控能力，有针对性地同步做好预防与应急准备是防范钻井事故发生或失控的根本保障。
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