塔里木油田高含硫地区井控安全策略研究

◇塔里木油田公司应急中心 蒋光强 林发权 贾红军

随着国家对油气开采的不断深入，超深钻井及复杂地域的钻井作业也更加普遍。塔里木油田所处地层及其复杂，H2S含量普遍较高，一旦井控失效发生井喷事故，将造成非常严重的后果。本文以Z井为研究对象，建立“溢流-井涌-井喷”事故模型，利用CFD爆炸建模软件对Z井进行安全评价分析得到其所存在的风险点，其现有的Z井井控措施基本能够确保Z井的作业安全。根据对Z井的分析，从严格规范设计、提高人员素质、加强专项检查、优化井控方式等四个方面提出了塔里木油田高含硫地区井控的安全策略。

1 引言

钻井井控是指在石油天然气开采过程中对井喷、井涌的控制，通过一些技术手段，控地层压力，使井内大力保持相对平衡，保证施工作业的安全，提高开采效率。钻井井控技术以前仅被单一的作用于防止井喷，随着环境保护的要求越来越高，钻井井控技术已经成为保护战略能源和防止污染环境的重要手段之一[1]。石油天然气的开采与其他能源的开采不同，开采过程中既要保证开采过程的安全性，又要保证重要的能源不被破坏。

随着国家经济的快速发展，石油天然气等能源的消耗也不断增大，国家对能源的开发也不断深入。近年来，随着我国石油开采技术的不断创新，大量深层油气田探明，深井和超深井（4500m～9000m）也较为普遍，其所处地层也极其复杂，井底温度高、压力大[2]。据统计，我国接近70%的油气储量集中在中三叠系及早期的碳酸盐地层中，大量含硫气体在这些地层中含量较高[3]。塔里木油田奥陶系碳酸盐岩油气藏普遍含有H2S，在塔中地区，H2S最高含量井达80000ppm左右，轮南、英买力地区H2S含量较低，但也接近或超过阈限值。井深，高温高压，酸性气体含量高是这一地区井的典型特征[4]。重庆开县重大井喷事故，造成多人因H2S中毒而死伤，并导致了巨大的经济损失[5]。完整、高效的井控技术手段，完善的应急处理措施，才能将井喷发生的可能性及其危害程度降到最低[6]。

本文选取塔里木油田某高含硫Z井为研究对象，首先对其进行安全评价分析，后提出如何提高高含硫油气井的井控安全措施。

2 Z井安全评价分析

2.1 Z井工况分析

塔中地区高含硫Z井是典型的高温、高压、高含硫的“三高”气井，所处位置地层极其复杂，井身结构如图1所示，基础资料如表1所示。

由图1和表1可知Z井的目的层为T1f1-2和P2ch层段，均为裂缝性地层，T1f1-2层段处的压力明显衰减，其压力系数仅为0.91，P2ch层段尚保持原始压力系数（1.47～1.58）。根据分析可知，Z井所处地层为典型的纵向“高-低-高”地层压力层系，因此Z井井控风险系数非常高，如果Z井其结构设计不科学、井身在T1f1-2层承受压力能力有限以及所灌注的钻井液与地层压力不匹配时，将很容易导致井喷、井漏等事故的发生，甚至导致“上漏下喷”的及其严重的井喷事故的发生[7]。

图1 Z井井身结构及其地层压力曲线图

表1 Z井基础资料

2.2 Z井井控安全评价

对井喷事故进行模拟，倒推井控风险点，制定风险预防措施使风险系数降低在可接受的范围内是安全评价及提高安全系数常用的方法[8]。根据油气钻井的三级井控原理，对井喷事故按照“溢流-井涌-井喷”模型对Z井事事故链进行分析，Z井井控保护层示意图及其分析表分别如图2和表2所示。

表2 Z井井控保护层分析表

图2 Z井井控保护层示意图

根据Z井井控保护层示意图及其分析表可知，为应对Z井高温、高压、高含硫等恶劣环境，科学制定了三级井控保护措施，工作人员在严格遵守相关操作规程的情况下，按照三级井控保护措施制定相关方案并及时实施相关保护措施，基本能够确保Z井的作业安全。但由于Z井“高-低-高”的特殊压力地层，当钻进从T1f1-2层到P2ch时，将很容易导致井喷、井漏等事故的发生，因此必须实施监测、及时处理，严防“黑天鹅”事件发生。

2.3 Z井井喷失控H2S扩散规律模拟

H2S的分子量约为34，表现出“臭鸡蛋”气味，有剧毒，中毒较为严重时极易导致死亡，遇高温或者明火时容易发生爆炸，发生井喷事故后，H2S容易沉降在地势低洼处，且不易扩散。Z井发生井喷失控事故时所处环境为风速约为1.5m·s-1，大气稳定等级为F，井喷无阻流量为700×104m3·d-1，H2S体积分数为16.17%，泄露孔径为132.4mm，井口温度约为50℃，H2S气体泄露时间为5min。利用CFD爆炸建模软件（FLACS）对Z井H2S气体泄露进行模拟预测，通过相关技术手段，分析得出放喷点火的5min内，H2S气体在所处环境下迅速扩散，且井喷失控也导致H2S气体扩散加剧，在距离井口800m的下风处，H2S气体的浓度也处在危险临界值100μL/L，这将导致处在该范围内的居民处于极其危险的范围中。因此，Z井一旦井控失效，将导致周围大范围居民受到严重的生命危险。

3 井控安全策略分析

结合塔中地区的实际工况，根据对Z井进行安全评价分析可知，为应对恶劣的“三高”作业环境，工作人员科学制定了三级井控保护措施，按照三级井控保护措施制定相关方案并及时实施相关保护措施，基本能够确保Z井的作业安全。但为应对井控失效、发生井喷事故，需制定更加安全的井控策略，使安全风险和损失降到最低。

3.1 严格规范设计

保证井控技术能够安全有效，达到预计的各项指标，在设计阶段就必须严格执行各项标准，对各类临界值、各项标准要进行充分论证，尤其是针对塔里木油田高含硫地区的特殊环境，还要考虑井口点火时间、安全范围与撤离时间之间的关系，要利用技术手段进行大量的分析。在超过临界值或超出标准时，还要设计科学合理的作业流程，及时进行关压井、放喷点火和井口点火等作业，促进井控技术向科学、规范的方向发展，最大限度将风险降到最低，将损失减到最小，使主动安全发挥到最大限度。

3.2 提高人员素质

设计科学规范的井控措施后，还需井场各部门工作人员的密切配合，才能最大限度发挥井控方案的作用。首先要建立详细、完善的培训体系，保证各作业人员能够熟悉了解所任岗位在井控中的作用及重要性，设置不同的突发事件对各岗位施工人员进行考核，考核合格后才能上岗。其次要建立追责制度，反向促进各岗位能够严格按照相关条例和规定进行监测、报告和处理，将井控安全技术的不确定性降低到最小。

3.3 加强专项检查

在施工过程中，为保证各项制度严格落实，应建立专项检查机制，在检查的过程中不断优化井控安全技术和设备。例如本文所研究的Z井，因其复杂特殊的地层环境，H2S的危险范围达到800m，因此可考虑在井口附近配备能防止或减缓H2S气体扩散的装置，能够极大的为周围居民的疏散争取时间。加强专项检查，还需要对顺利开展井控作业和减小井喷失控损失的各类设备进行定期检修和保养，提高井控设备的整体水平，从根本上保证井控安全。

3.4 优化井控方式

根据现场作业及风险评估，应对井控的部分环节进行优化，提高井控的效率和安全性。以Z井为例，其井口点火方式有3种，但在比较严重的井喷失控事故时，如井口有大量的钻井液喷出，极容易导致点火失败，因此可对点火方式进行优化，改为无人机远距离喷射点火，提高点火成功率。