天然气钻井重点考虑的问题

天然气井钻井应重点考虑的几个技术问题程常修（四川石油管理局川西北矿区）曾时田（四川石油管理局） 程常修等天然气井钻井应重点考虑的几个技术问题天然气工业，$（$；$（$）：0（ 3 0 摘 要 四川是一个以天然气为主的碳酸岩裂缝性油气藏盆地。天然气井独有的特点，给钻井工作带来很大 的难度。通过几十年的钻井实践和不断探索，四川已经形成了一整套天然气井的钻井工艺技术，至今还在不断完 善和发展。文章介绍了四川地区钻天然气井的特点，并从井身结构设计、平衡钻井与井控、钻井液、固井等几个方面，阐述了 天然气井在钻井中经常遇到的一些技术问题，提出应重点考虑和解决的工艺技术问题。主题词 天然气 气井 钻井 钻井液 固井天然气气藏的特点天然气与石油有某些共性和密切联系，但由于成因不同，天然气有它自身的发生、发展、形成矿 藏的地质规律，所以气井与油井的钻井工艺技术自然有很多不同之处。四川盆地是一个压扭性盆 地，形成不同类型的构造。在已发现的油气田中 #（4 以上为气田。大多数气田纵向上有 $3 个 产气层，最多可有 ! 个（卧龙河气田）。同一构造同一井眼可交互出现从异常低压（近静水柱） 到异常高压（p5为（$ 0 6789 :）数个压力带和多个压力系统（川东地区）。在同一产 层横向上受多裂缝性影响，地层压力梯度差异较大，天然气产量差异亦大。同一构造的有效圈闭 内，最高天然气日产量无阻流量近千万立方米（巴 #、鹿 等井），而也有的井则仅产微气。多 数地层压力异常，为了平衡气层压力，关$井曾使用密度高达$ 0（3$2（ ;9:的钻井液；丰谷！ 井）0）2 :油层套管固井水泥浆密度高达$ ）0 ; 9 。天然气井的特点！? 溢流显示种类多，来得快，烈度大钻天然气井，易发生溢流，显示种类多。从溢流到井喷， 虽然与诸多因素有关，但由于天然气的密度低和可压缩易膨胀等特性，其间隔时间比油井短得 多。据一百多井次资料统计，从发现溢流到井喷的间隔时间，小于三十分钟的占三分之二，其中 一半在十分钟以内，且来势凶猛，容易失控。中$#井下油管至井深#&）&:发生井喷，井 内 %# 根油管全部喷出。天东 0 井钻至井深 02（2$ : 起钻井喷，井内重 ！0（ A 的 B！0% : 钻铤全部从井内冲出，断成 # 节，落点最远处距井口 #！） :。井喷空后压井，常导致井内钻具 被卡，许多井常因此而侧钻甚至报废。据统计，历年来四川井喷失控约占全国井喷失控的 20%。2. 关井压力高由于天然气密度低，仅为原油的千分之零点七，不能靠自重平衡大部分地层压力，不仅井涌井喷 临时关井压力高，完井后井口关井压力也高。龙4井钻达井深6 026 m,完井试油最高关井达 103. 95MPa,压力还在上升，超过安装使用的15 000 psi卡麦隆采气井口允许关井压力103.42 M Pa,被迫放喷，最后导致该井暂闭。关基井井深7 175 m,预计地层压力约为153 MPa，完 井试油亦用15 000 psi采气井口测试，测试完不能实行关井求压，只好随即压井。1988年4月 5日完钻的土扁1井，完钻井深6 006m，各种解释气显示很好，测算地层压力为126 5 129 MPa，含硫，因当时缺乏完井条件，最近才决定射孔测试完井。3. 地层压力梯度差异大，产量差异亦大四川地区既有因地层压力异常而出现的高压气井，如官 3 井（3 809 m）在钻井液密度已达2.54 g7cm3情况下，井口仍出现溢流，地层压力系数0.028 2 MPa7m。也有因开采气层压力梯度已低于0. 01MPa7m的气田。有的区块产层纵横压力梯度差 异大，同一井场同一产层所钻的两口井中，一口井的压力可为另一口井的 1.8 倍，而两井井底 位移仅相差10 m （卧88和卧111井）。同一井眼，直井为干井（池35井），换一定方位从 井下某处侧钻的池35 9 1井却为测试日产达62 : 104m3的大气井。由于天然气可压缩可膨胀的 特性，因而对压力特别敏感。它既具有高压强烈显示的一面，而在一些低压区块，它又表现出易 漏易伤害的一面。4. 天然气井易窜漏由于天然气的分子小，密度小，粘度小，吸咐能力小，易滑脱，扩散能力大，因此具有很大 的活动能量。气层中钻进钻井液容易气侵，使平衡地层压力的液柱压力降低，导致井涌，甚至井 喷；固井时容易出现气窜，关基井、文6井等井在固井候凝水泥浆“失重”时还曾发生过井喷； 关井时，套管、油管丝扣及井口装置易渗漏刺漏；浅气层井或若表层套管下得较浅时，遇气显示 易发生气窜，有时出现地下井喷，有时表现为地面窜漏。温泉4井钻至井深1 869.60 m意外地 发生井喷（同构造，同层位，已钻4 口井均无气显示），估计天然气日产量70 : 103m3，处理 时天然气窜至距井口周围 750 5 800 m 范围内的好几个煤窑，有二个煤洞燃起熊熊大火，井场周 围地面大面积冒气。5. 天然气井易燃易爆易中毒天然气井在发生井喷后，由于各种原因容易引起钻机着火。含硫天然气井钻具易氢脆折断， 含硫天然气井一旦井喷失控，大大增加了处理的难度，此方面的例子是很多的。天然气井井身结构设计1. 表层套管要有一定的控制能力浅气层井或下次开钻有可能出现气层，表层套管要有一定的控制能力，这个能力有时则特指 套管鞋至其上易窜易渗漏段的段长。白马地区地表一般有180 m左右的流砂砾石层，白马4井 （浅气层井）在井涌关井时，气就经套管鞋（；244.5 mm : 61.39m ）下砂层窜至井口周围地面。后来在该地区钻井采取钻过砂层后必须再钻至少50 m下套管的措施，这个问题就解决了。由 于表层套管下得浅，遇气层关井时地面大面积严重窜气，往往会造成构造破坏、资源浪费、环境 污染，打乱正常生活生产秩序。2. 高低压层须下技术套管封隔在许多时候，当同一个裸眼井段内出现两类性质相差甚大的显示层段时，不要说平衡钻井不 能进行，就连正常的钻井工作也难维持。中深1井（5 913.66 m）、龙4井（6 026 m）都用高 密度钻井液（2 . 25 g 7 cm3 以上）在气层中钻进，都因井下有数个压力梯度各不相同的显示层， 在钻进中出现能钻进就不能起钻（停泵起钻即外溢），能起钻但不能钻进（开泵循环就漏）的复 杂局面。一般来说，若已知上部地层为漏层，下部为高压气层，则必须先对上部漏层进行堵漏， 使其能承受下部高压；若压力梯度悬殊甚大，则须下套管封隔，如川东地区三叠系低压层与 二叠系高压层之间就必须用套管封隔。若上部为高压气层，下部将出现低压漏层，则需下技术套 管将上部气层封住。3. 油层套管常先悬挂后回接在一些异常高压地区、深井和含硫气井，由于气井关井压力较高，以及含硫气田深井既要求 井口套管有抗硫性能，又要具有较高抗滑扣强度，有时还为避免钻进时上部油层套管，特别是井 口附近的套管磨损后承压能力降低，一些先期完成、下部目的层钻井井段较长的井及一些含硫深 井，油层套管常采用先悬挂，钻完目的层后再回接，或者先悬挂接着又回接固井工艺。这样也给 上部需要使用强度较低的抗硫套管创造了条件。对前一种情况，这样做也有利采用复合钻具，对 深井钻井有利。尾管悬挂固井，在下部钻井无显示时还可省去套管回接。尾管悬挂固井也是高压 气层平衡压力固井的有力措施。先期完成的、超深(！ ！ #)、超高压(!为$ % &( ) *#+)、含 硫、多产层的土扁& 井,，&-%. #油层套管先悬挂(/!+0%./1 .$/% #)，钻到目的层，&$- # 尾管固井后，接着又进行，&-%. #套管回接固井，是一个成功的井例。/2水泥浆返至地面 四川地区从中生界开始，各层均有气显示，故天然气井各层套管固井水泥浆都要返至地面，以提 高套管的抗内压强度，增强井控能力。天然气井的井控技术&2 天然气井钻井液安全附加压力值的确定大家都知道，钻井液安全附加压力值主要考虑 到了起钻时的抽汲压力和起钻未灌钻井液间隙钻井液静压力的降低值。由于天然气在钻井液中滑 脱快，上窜快，膨胀厉害，引起的液柱压力降低值远大于油井，因此，钻井技术操作规程规定， 钻井液安全附加压力当量密度值，油井按% 1 %& ()*#+，气井则应按%- 1 %&()*#+设 计；或按井底安全附加压力，油井&%1+% 345,气井+1 345计算钻井液密度。若为含硫天 然气井，应取二者的高限。$2气层中钻进钻井操作钻天然气井要密切注意气侵、气泡增多、气 测烃类含量增高、硫化氢味浓等天然气显示特征。四川总结、推行出的“四、七”动作、坐岗制以 及“一方报警，二方关井”等措施，可操作性强，是防止井喷的有效措施。由于取心井段往往是气 显示好的井段，并且在出现井涌井喷时处理的难度大，因此应当特别重视气层井段取心的井控工 作。气层井段起钻要等迟到时间过后才能开始起钻，起钻时，尤其是在取心起钻时，在气层井段 上提速度要严格控制。虽然天然气不致使钻井液性质发生质的变化，但气侵使钻井液密度和粘度 值发生相当大的变化，在积极采取措施除气的同时，及时弄清溢流量和出入口钻井液的真实密度 是很重要的。在含硫地区钻井，对含硫地层必须实行平衡钻井，钻井液密度附加值取高限，不允 许地层中含硫天然气进入井筒。在气层中处理复杂情况需泡油、注解卡剂等作业，总的液柱压力 不能小于气层压力。避免使用高强度钻杆。钻井液中应加入除硫剂、缓蚀剂及钻具保护剂，67值 不低于&”。四川研制的碱式碳酸锌是很好的硫化氢防腐处理剂。研究证实，井温在！!8以上就 可防止硫化氢腐蚀，硫化物应力腐蚀敏感度低；井温高于 0$8 就更能防止硫化物应力破坏，记 住这一点对指导钻井是有益的。在气层中钻进，应当特别重视和处理好井漏，因为漏层往往 就是气层，大漏有可能出大气。许多井发生井喷往往是先井漏，处理不及时或欠妥当，液面降到 一定程度后，随即发生溢流和井喷。上喷下漏和上漏下喷，处理不好都有可能演变为井喷。自$井 钻至井深$ $!% # 放空，下探 /%/ #(方钻杆方入放完)未探到底，未再接单根下探，放空后 发生大漏，井筒钻井液被漏空，随即发生井喷，后被迫用钻杆完井采气。 &0！ 年投产至今已采 气近 9 &.#+，被誉为“功勋井”。卧-井钻至井深+ ！&.%$ #，放空& % +#后井漏，随即 发生溢流、井喷。天东 井在+ -%-$ # 飞仙关组气层两次发生井喷，也都是先井漏后演变为 井喷的。对于气层井漏，应当给予比其它油水层、复杂层更多关注。一旦在气层中钻进发生漏失， 首先要设法采取措施保持平衡气层压力的液柱压力，也就是吊灌措施。在井下基本稳定的 情况下，设法调整合适的钻井液密度，然后才着手考虑在安全的情况下采取堵漏等措施。要认真 对待浅气层钻井的井控工作。浅气层钻进一般钻井液密度较低，天然气滑脱、上窜速度较快，膨 胀迅速，距地面也较近，能在很短的时间内，甚至在液面上涨还不明显时就发生井涌、井喷。加 之套管一般下得较浅和地层破裂压力低阻碍压力控制，稍有疏忽井下就会发生窜流、地下井喷， 甚至发生套管外井喷。早期所打的长0井井喷后关井，地面窜气/%-9&.#+，事故完井；合$井 地面窜气面积达+%- :#$，被迫封井。钻浅层气井或钻遇浅层气，重要的是一次井控，避免 发生井涌，井涌后要立即进行压井，不要过多地指望用关井来控制它。放喷或测试放出的天然气 要及时点火烧掉。四川已研制出远距离自动点火及防回火装置。 +2 钻天然气井井控装置在井控 装备上，钻气井应当比钻油井以更高的要求，必须配置以液压防喷器为主体的井口装置，以 节流管汇为主的井控管汇，钻具内防喷工具，以监测溢流为主的井控仪器仪表，钻井液加重、除 气、自动灌钻井液设备等。四川地区的天然气井，无论浅井、深井，一律安装正规的套管头。井 控装置压力等级尽量接近地层压力，一定要按规定试压。放喷管线