邛崃1井氮气钻井事故分析(Ⅰ)——构成事故的重要事件

位于四川盆地西部的邛崃1井在侏罗系沙溪庙组地层实施氮气钻井时发生了恶性井喷爆燃事故,这是发生在我国的第一起氮气钻井事故,对尚处于起步阶段的气体钻井技术的发展产生了很大的负面影响,并已经导致了气体钻井应用的大幅度减少。因此,对该次事故进行系统分析并形成正确的认识将是恢复气体钻井技术良性发展的紧迫需要。为此,首先证明了地层产气量过大并非该井事故的根本原因,然后推测了构成事故的重要事件;首次发现气体钻井钻穿裂缝性气层时由于岩石突然爆碎而引发的岩石和天然气猛烈喷出的现象,并将这种现象命名为气体钻井中的"气炮式岩爆井喷",参考矿山行业术语简称"岩爆"或"岩炮"。研究结果表明:①在裂缝性致密砂岩气层中实施气体钻井时的"岩爆"现象是第一位的重要事件或根源事件;②岩爆的大量碎屑和高压气体喷入井内,并在井内反复产生堵塞和卡钻,是岩爆的诱发事件;③然而事故最直接的重要事件却是岩爆碎屑在排砂管线内的堵塞和由此产生的井口高压;④井口高压使得排砂管线爆裂并引发天然气喷出和爆燃,这是事故的直接表象。     

氮气钻井井底岩爆机理及动态过程演化

氮气钻井钻遇致密砂岩裂缝圈闭高压导致井底岩爆是QL1井恶性井喷事故的根本原因,针对岩爆机理进行系统分析并形成正确的认识是恢复气体钻井技术良性发展的紧迫需要。为此,通过分析井底岩石性质、计算井底岩石裂缝面应力,利用常规井壁失稳分析方法研究井底岩爆机理;在此基础上,借助Visual Basic语言和Matlab软件编程,进行了岩爆的动态演化模拟,分析判断QL1井录井监测参数的异常变化。研究结果表明:当井底逐渐接近裂缝圈闭高压的过程中,裂缝面周向应力和径向应力差值逐渐增大,主应力之间的差值所引起的剪应力的增长使裂缝面产生压剪破坏以及压剪和拉伸复合破坏模式,直至破坏区连通井筒,高压气体携带大量碎屑喷入井内,释放大量能量,产生井底岩爆,上顶压缩钻具。结论认为,该研究成果系统地解释了QL1井录井监测参数的异常变化,其分析方法可以为井底岩爆的防治提供理论基础。     

QL1井井底突发性岩爆动力学机理及动态演化过程

氮气钻井钻遇致密砂岩高压裂缝圈闭导致井底岩爆是四川盆地西部白马庙构造QL1井恶性井喷事故的根本诱因。利用研究井壁失稳的理论方法来进行井底岩爆的动力学机理分析,并借助Visual Basic语言和Matlab软件编程,进行了岩爆的动态演化模拟。研究认为,当井底逐渐接近高压裂缝圈闭的过程中,裂缝面周向应力和径向应力差值逐渐增大,主应力之间的差值所引起的剪应力增长使裂缝面产生压剪破坏及压剪-拉伸复合破坏,直至破坏区连通井筒,高压气体携带大量碎屑喷入井内,释放大量能量,产生井底岩爆。该研究成果系统解释了QL1井录井监测参数的异常变化,其研究结果不仅可为岩爆的防治提供理论基础,而且在石油工程领域为深部岩体动力学失稳研究提供了一个新的视角。     

QL1井井底突发性岩爆动力学机理及动态演化过程

氮气钻井钻遇致密砂岩高压裂缝圈闭导致井底岩爆是四川盆地西部白马庙构造QL1井恶性井喷事故的根本诱因。利用研究井壁失稳的理论方法来进行井底岩爆的动力学机理分析，并借助Visual Basic语言和Matlab软件编程，进行了岩爆的动态演化模拟。研究认为，当井底逐渐接近高压裂缝圈闭的过程中，裂缝面周向应力和径向应力差值逐渐增大，主应力之间的差值所引起的剪应力增长使裂缝面产生压剪破坏及压剪-拉伸复合破坏，直至破坏区连通井筒，高压气体携带大量碎屑喷入井内，释放大量能量，产生井底岩爆。该研究成果系统解释了QL1井录井监测参数的异常变化，其研究结果不仅可为岩爆的防治提供理论基础，而且在石油工程领域为深部岩体动力学失稳研究提供了一个新的视角。     

钻井溢流原因分析、监测及处置

随着油田深井、特殊工艺井增多,井控工作面临的挑战越来越高,在钻井风险中,井控风险尤为突出,井侵、溢流、井涌、井喷、井喷失控等反映了井筒压力系统失去平衡以后井下和井口所出现的各种问题及故障发展的严重程度。井喷事故是钻井生产过程中的灾难性事故,分析溢流发生的原因,掌握有效监测溢流的方法,正确处置溢流和组织压井,是防止井喷的关键。     

基于音频信号的气体钻井返出岩屑量监测方法研究

为了监测钻井过程中的井壁坍塌、井底岩爆等井下工况信息,进行了基于音频信号的气体钻井返出岩屑量监测方法研究。该方法利用音频采集系统采集返出岩屑在排砂管中运移所产生的音频信号,根据短时能量确定声音段的起止点并计算特征参数,建立声音的特征参数库,再利用神经网络算法排除干扰声音,然后分析排砂管内不同大小岩屑的声音特征,利用动态时间弯折算法识别岩屑的大小,计算岩屑流量,进而判断气体钻井携岩状态及井下工况。双探7井现场试验结果表明,该方法对干扰声音的分类成功率达到96.8%,对不同粒径岩屑的识别率达到85.0%。研究结果表明,基于音频信号的气体钻井返出岩屑量监测方法可以监测返出岩屑流量变化情况,有效判断气体钻井的井下工况,从而降低气体钻井作业风险。      

气体钻井排砂管线优化设计

气体钻井由于具有机械钻速高、防止井漏、消除泥页岩水化及保护储层等优势，已受到钻井界越来越多的青睐。但对气体钻井过程的排砂管线设计与安装，没有提出特别明确的要求。为此，文章通过对不同几何尺寸排砂管线的摩阻计算，重点对比分析了排砂管线长度、直径对环空携岩参数的影响，为今后气体钻井排砂管线优选提供了重要的参考依据。     

氮气欠平衡钻井技术的研究与应用

氮气欠平衡钻井(UBD)技术适应于低压低渗透、裂缝油气藏、衰竭、边际油气藏或是曾经发生钻井液漏失和压差卡钻等需要钻穿复杂层的地区。它具有保护油气层、提高单井产量、提高钻井速度、减少钻井事故及井下复杂情况等优点。介绍了氮气欠平衡钻井的关键设备与主要工艺流程,以玉门油田鸭940井为例,介绍了其实钻井身结构、氮气欠平衡钻井的施工过程及所用的井口装置、钻具组合。给出了氮气欠平衡钻井注入参数的设计。最后介绍了氮气欠平衡钻井技术所采用的新工艺,包括混油气举降解携砂钻进技术、裂缝油藏负压悬挂贯眼完井技术和全过程油层保护技术。     

华北ND1区块气体钻井地层适应性评价

华北地区ND1区块ND101井中深部古近系沙河街组首次采用气体钻井提速,因井壁失稳、地层流体产出及井下燃爆等一系列的难点,严重阻碍了该区块气体钻井的实施。为此,基于气体钻井理论并与现场实践相结合,建立了一套有效的气体钻井适应性评价分析体系,包括气体钻地层井壁稳定评价和产出地层流体影响评价。通过评价产出地层流体对气体钻井壁坍塌、井下燃爆的影响,得到了3个方面重要认识：①快速产出的储层气体降低了近井壁地层孔隙压力,对气体钻井壁稳定更有利,因而,适当提高注气量可保障沙河街组氮气钻井有效进行;②修正的气体钻井井壁稳定分析模型提高了地层产水条件下坍塌压力当量密度预测的精度,可作为合理筛选该地区中下部地层气体钻井井段的依据;③采用邻井测井资料估算地层出水量并计算不同产水量下立管压力的方法,可确定维持气体钻井在一定湿度范围内的相应注气量参数,实钻中可根据立管压力、排砂管线湿度变化判断井下地层出水、出油及井壁干燥情况,及时调整或改变钻井措施。     

基于事故树分析钻井井喷事故危险评价研究

钻井井喷事故危害极大,会导致人员伤亡、财产损失以及设备损坏,井喷一旦失控容易引起火灾、爆 炸、中毒窒息等事故,造成极大的经济损失。利用事故案例对发生事故的基本事件进行分析,运用事故树对引起钻 井井喷事故的各基本事件的发生概率重要度进行分析,确定各基本事件导致发生事故的可能性大小,为最大程度 地减少井喷事故的发生提供理论依据。通过事故树分析,认为钻井井喷最主要的影响因素是钻遇高压油气层、浅 气层、浅水层、防喷器故障、关井动作执行不到位。针对引发钻井井喷事故的主要原因,应加强对其采取控制措施, 严格控制井喷事故的发生。     

地面氮气抽吸作业气体流动规律研究

储层氮气钻完井是致密砂岩等低渗气藏储量有效动用和产能释放的革命性技术之一。储层氮气钻完井作业期间，起下钻及下完井管串过程中，井口处于敞开状态，此时采用地面氮气抽吸技术，有控制地“引导”地层产出的天然气流向排砂管线出口进行处理。为此，文章基于数值仿真方法，系统研究了敞井条件下地面氮气抽吸作业时的气体流动规律，考虑天然气的扩散现象，建立了气体流动模型，并定量分析了影响氮气抽吸效果的主要因素。研究表明，氮气抽吸效果主要受注入方式、氮气抽吸气量、抽吸装置安装位置、排砂管线长度和天然气产量的影响。同心注气方式相较于斜插注气方式具有更好的抽吸效果；低抽吸气量下，氮气注入量越大，抽吸率越高，随着抽吸气量持续增加，抽吸率达到峰值后有所下降；抽吸装置距离排砂管线出口越近、排砂管线越短、地层产气量越低，抽吸效果越好，实现完全抽吸所需的临界抽吸气量越低。文章研究成果为优化氮气抽吸工艺设计、保障储层氮气钻完井敞井条件下的安全作业提供了理论支撑，并在四川大塔场气田进行了现场应用，实现了储层氮气钻完井作业敞井条件下地层产出天然气100%的抽吸，确保了作业安全。     

钻油管钻完井条件下采气井口装置冲蚀及优化

氮气钻井技术已经从低压、低渗储层拓展到高产储层,为保障钻完井过程的井控安全,某油田采用了钻完井一体化井口装置以及钻油管技术。由于钻完井过程中气体流量大,容易导致采气井口装置被严重冲蚀,诱发事故。基于冲蚀损伤理论,确定气相临界速度冲蚀评价标准,采用CFD方法研究采气井口装置在高速气流下的冲蚀损伤情况,并通过风险评估,提出适合高产储层氮气钻井技术的钻完井一体化投产采气井口装置优化方案。研究表明:整体式Y型采油树受气体冲蚀的作用最小、采气能力最强,适用于高产气井;套管环空采气井口装置是在突遇高产气流或其他特殊工况下采用的一种应急装备。     

钻井工程事故的监测和预报

发挥综合录井仪的实时监测功能，搞好钻井事故的检测和预报是避免钻井事故和减少损失的重要手段。该从分析常见钻井事故的形成原因入手，探讨总结了钻井事故的各种预兆和检测方法，结合详实的现场录井资料和地层压力检测、井涌、气侵、井漏、刺钻具、断钻具等实例，从正反两方面的教训说明了综合录井在保证钻井安全方面所起到的重要作用。     

ＤＸ１井高压高产储层氮气安全钻井技术

针对高压、高产储层氮气钻井过程中储层“岩爆”以及高速流体携带岩屑对井控设备的冲蚀作用,开展了高压、高产储层氮气安全钻井技术研究。通过结合前期氮气钻井作业中存在的井控安全风险问题,采用井口装置升级改造、井控地面管汇优化改进、井下内防喷工具改善、井控监测与控制系统提升等措施,提高了井控设备 的抗冲蚀冲击能力,实现了风险及时预测以及井控系统远程自动化控制。通过后期氮气钻井现场应用表明,该技术有效地保证了储层氮气钻井的安全钻进,对今后高压、高产储层氮气安全钻进提供了技术支持。     

钻井工程事故的监测和预报

发挥综合录井仪的实时监测功能,搞好钻井事故的检测和预报是避免钻井事故和减少损失的重要手段。该文从分析常见钻井事故的形成原因入手,探讨总结了钻井事故的各种预兆和检测方法,结合详实的现场录井资料和地层压力检测、井涌、气侵、井漏、刺钻具、断钻具等实例,从正反两方面的教训说明了综合录井在保证钻井安全方面所起到的重要作用。     

气体钻井装备配套研究

气体钻井装备配套主要涉及注气管线及排砂管线的配置和优化。根据国内现有气体钻井装备,结合气体钻井实践经验,利用理论分析方法,对注气管线及排砂管的配置和优化进行了研究,完成了注气管线尺寸的优化计算与撬装式流量计管汇、橇装式卸压管汇等注气管线关键部件的结构设计,以及排砂管线尺寸的优化计算与岩屑取样器、气体取样器、降尘注水短节等排砂管线关键部件的结构设计,基本形成了气体钻井装备配套方案。     

化学解堵技术在峰15井地面集输系统的应用

由于开井初期井底脏物大量排出以及天然气中元素硫的沉积,使得峰15井井口节流阀、一级节流至二级节流之间的管线、场站分离器以及峰15井至高峰站的集气管线多次发生堵塞,并诱发水合物生成.通过对峰15井地面系统内堵塞物的分析,确定了堵塞物以井下油污和元素硫为主的组威特点.通过室内研究和评价,选择有机化学清洗液对峰15井地面集输系统进行了化学清洗,取得显著应用效果.     

气基流体柴油机尾气钻井工艺技术

一般气体钻井选择空气作为循环流体,但是在某些地质构造及大多数含有天然气的地层中,应用空气进行钻井、修井、完井时,易发生井下失火、爆炸等事故,造成较大的经济损失.因此在现有气体钻井设备基础上,大量实践证明,利用气基流体柴油机尾气和充气(柴油机尾气)及柴油机尾气泡沫流体的钻井工艺技术是能满足钻井修井作业的.选择柴油机尾气作为循环流体进行钻井的目的是避免井下着火、爆炸的发生.由于柴油机尾气钻井的成本低于氮气、天然气钻井的成本,因而在某些地区被得到了广泛利用.介绍了柴油机尾气钻井的工艺技术及其应用.     

一次特殊井喷事故的处理

由于钻机提升能力不够,泽85井生产套管没能下到石灰岩顶部。因此发生井喷时,高压气流携带的大量砂石在井眼中形成砂桥,并堵塞了防喷器、四通及放喷管线。本文介绍了这次特殊井喷事故的发生及处理情况。     

综合录井技术在实时监测钻井事故中的应用

综合录井技术在钻井作业过程中实时采集地质参数、钻井液参数、工程参数等信息，进行快速数字化处理，直观地展现随钻过程中的钻井情况，并实时监测钻井事故。结合大庆地区的钻井工程实例，重点阐述了综合录井技术在实时监测井漏、井涌、油气水侵、井塌、溜钻、顿钻、放空、卡钻、遇阻、刺钻具、刺泵、掉水眼、堵水眼、掉钻具等钻井事故中的重要作用。结果表明．该技术在钻井作业过程中实时监测井下复杂情况的准确性较高。