一、天然氣的特點(diǎn)及危害1、天然氣的壓縮性與膨脹性天然氣是可壓縮的流體，其體積大小取決于所加的壓力及溫度。對一定量的氣體來說，當(dāng)溫度不變時(shí)，壓力增加，體積減?。粔毫档?，則體積增大。第六章井內(nèi)氣體的膨脹和運(yùn)移

在起鉆過程中，氣體進(jìn)入井內(nèi)，若不及時(shí)關(guān)井，氣體向上運(yùn)移時(shí)體積膨脹，造成井底壓力進(jìn)一步降低，則會加劇溢流的發(fā)展。特別是井底的高壓氣體運(yùn)移至井口附近時(shí)，由于體積急劇膨脹，將會使溢流急劇加速，很快造成液柱壓力迅速降低，形成井噴。在處理氣體溢流時(shí)，由于氣體的膨脹，會導(dǎo)致過高的套壓，一方面可能造成地下井噴，另一方面直接威脅到井口的安全，如引起防噴器、地面管匯、井口附近的套管刺漏甚至蹩爆，導(dǎo)致壓井失敗甚至失控著火。因此，對于氣體溢流來說，更要強(qiáng)調(diào)及時(shí)發(fā)現(xiàn)溢流并迅速關(guān)井的重要性。2、天然氣的密度低天然氣的密度與鉆井液、地層水、原油相比要低得多，在常溫下清水的密度是天然氣密度的1000倍以上。

由于天然氣的密度低，與鉆井液有強(qiáng)烈的置換性，不論是開井還是關(guān)井，是循環(huán)還是靜止，氣體向井口的運(yùn)移總是要產(chǎn)生的。開井狀態(tài)下，氣體在井內(nèi)膨脹上升，會改變井內(nèi)的平衡狀態(tài)，并加劇溢流的發(fā)生；關(guān)井狀態(tài)下，氣體在井內(nèi)帶壓上升，會導(dǎo)致地面壓力升高，威脅關(guān)井的安全，或?qū)⒌貙吁柯?，造成地下井噴，給事故處理帶來更大的難度。因此，發(fā)生氣體溢流關(guān)井后，要及時(shí)組織壓井。3、天然氣具有易擴(kuò)散、易燃、易爆的特點(diǎn)天然氣與空氣的混合濃度達(dá)到5%—15%（體積比）時(shí)，遇到火源會發(fā)生爆炸，低于5%既不爆炸也不燃燒，高于15%不會爆炸，但會燃燒。導(dǎo)致大部分天然氣井井噴失控后都引發(fā)著火，或是在關(guān)井和壓井過程中，由于井口設(shè)備刺漏，最終引發(fā)井口爆炸著火。如果井噴失控瞬間未著火，或在搶險(xiǎn)過程中某種原因?qū)е禄鹧嫦?，由于天然氣的擴(kuò)散性，會以井眼為中心向井場四周擴(kuò)散，或沿風(fēng)向向下風(fēng)向擴(kuò)散，在這個(gè)過程中，遇到火源同樣可能發(fā)生著火或爆炸。因此，天然氣井的井場設(shè)備布置，要充分考慮防火要求。另外，在關(guān)井和壓井以及在搶險(xiǎn)過程中，要做好井場及周圍的的消防工作，防止著火。

4、含H2S的天然氣具有更大的危害性

H2S有劇毒，對人員、設(shè)備、環(huán)境等都會造成嚴(yán)重傷害。H2S對現(xiàn)場施工人員的人身安全造成威脅。H2S對鉆具和井控裝置產(chǎn)生氫脆腐蝕，造成鉆具斷裂和井口設(shè)備損壞，使井控工作進(jìn)一步復(fù)雜化，甚至引發(fā)井噴失控。H2S能加速非金屬材料的老化，使井控裝置中的密封件失效而威脅到關(guān)井的安全。H2S對水基鉆井液具有較大污染，甚至使之形成流不動(dòng)的凍膠。因此，鉆探含H2S天然氣井比普通油氣井具有更大的風(fēng)險(xiǎn)，一旦發(fā)生井噴失控，容易造成災(zāi)難性的后果。5、天然氣對密封性的要求更高

天然氣侵入井筒后，在鉆井液中會自動(dòng)向上滑脫運(yùn)移。氣體的滲透性比液體要高得多，對套管、油管、井控裝置等密封性能提出更高的要求。一旦發(fā)生泄露，很容易引起井噴失控甚至著火。

由于天然氣的上述幾個(gè)特征，使天然氣井的井控問題更復(fù)雜，處理不當(dāng)很容易引發(fā)惡性井噴事故和失控著火。因此，必須研究和掌握天然氣特征所帶來的井控技術(shù)的特點(diǎn)，保證井控的安全。

二、天然氣侵入井內(nèi)的方式

1、巖屑?xì)馇帚@開油氣層過程中，隨著巖石的破碎，巖石空隙中的天然氣被釋放出來而侵入鉆井液中。疏松地表層低壓漏失垮塌層油氣層疏松地表層低壓漏失垮塌層油氣層

2、置換氣侵鉆遇大裂縫或溶洞時(shí)，由于鉆井液密度比天然氣密度大，產(chǎn)生重力置換。天然氣被鉆井液從裂縫或溶洞中置換出來進(jìn)入井內(nèi)。疏松地表層低壓漏失垮塌層油氣層3、擴(kuò)散氣侵氣層中的天然氣穿過泥餅向井內(nèi)擴(kuò)散，侵入鉆井液。侵入井內(nèi)的天然氣量與鉆開氣層表面積、濾餅的質(zhì)量等因素有關(guān)。一般通過濾餅侵入井內(nèi)的天然氣量不大。但當(dāng)濾餅受到破壞或停止循環(huán)時(shí)間很長時(shí)，侵入量會增大。因此，空井或井眼長時(shí)間靜止時(shí)，要有專人負(fù)責(zé)觀察井口。

以上三種情況表明，即使在井底壓力大于地層壓力時(shí)，天然氣也會以上面幾種方式侵入井內(nèi)。發(fā)生天然氣氣侵，可通過地面除氣設(shè)備從鉆井液中排除。

4、氣體溢流

井底壓力小于地層壓力時(shí)，天然氣會大量侵入井內(nèi)。井底的負(fù)壓差越大，進(jìn)入井內(nèi)天然氣越多，大量的天然氣可能形成氣柱所以若不及時(shí)關(guān)井，很快會發(fā)展成為井噴。三、天然氣侵入井內(nèi)對井內(nèi)液柱壓力影響1、天然氣在井內(nèi)的存在形式及運(yùn)動(dòng)形式天然氣侵入井眼后，呈氣—液兩相流動(dòng)狀態(tài)，形成泡狀流、段塞流等形態(tài)。循環(huán)時(shí)，氣體隨著鉆井液循環(huán)從環(huán)空中上返，同時(shí)在鉆井液中滑脫上升。即使在不循環(huán)時(shí)，鉆井液中的氣體由于密度小，在鉆井液中也會滑脫上升。圖氣侵對鉆井液密度的影響

2、天然氣侵對鉆井液密度的影響天然氣剛侵入井內(nèi)，處在井底，受到的壓力大，體積小，對鉆井液密度影響小。天然氣從井底向井口上升過程中，由于所受液柱壓力逐漸減小，氣泡就逐漸膨脹，體積增大，單位體積鉆井液中天然氣體積增多，鉆井液密度則逐漸減小。如圖所示。當(dāng)氣泡上升至接近地面時(shí)，氣泡體積膨脹到最大，而鉆井液密度降低到最小。天然氣侵入井內(nèi)后，井內(nèi)鉆井液密度隨井深自下而上逐漸變小。所以地面看到的鉆井液中天然氣氣泡的數(shù)量，并不反映井底被氣侵的程度，實(shí)際上僅有少量的天然氣進(jìn)入鉆井液，其密度變化甚微。此時(shí)注意采取有效的措施除氣，使泵入的鉆井液保持原有密度，就不會有井噴危險(xiǎn)。如果不及時(shí)而有效地除氣，讓密度低的氣侵鉆井液再次進(jìn)入井內(nèi)，則會造成井筒內(nèi)鉆井液受到進(jìn)一步氣侵，如此惡性循環(huán)，使井底壓力不斷降低，最終導(dǎo)致失去平衡，發(fā)生井噴。

3、氣侵后的鉆井液密度計(jì)算及氣侵后液柱壓力減小值1）天然氣侵入鉆井液密度計(jì)算式中ρmh—在井深H處氣侵鉆井液密度，g/cm3；

α—地面氣侵鉆井液密度與氣侵前鉆井液密度的比值；

ρm—未氣侵鉆井液密度，g/cm3；

Ps—地面壓力，MPa；（開井時(shí)取0.098MPa，關(guān)井時(shí)取關(guān)井套壓值）

H—計(jì)算井深，m。

2）氣侵鉆井液柱壓力減小值

式中ΔPm—受侵鉆井液柱壓力減小值，MPa；其它符號意義同上。為了更直觀地觀察氣侵對井內(nèi)液柱壓力的影響，假設(shè)井內(nèi)鉆井液密度分別為1.2g/cm3和2.16g/cm3，有少量氣體侵入井筒，氣體均勻分布在鉆井液中，還未在井眼上部形成泡狀流和段塞流的時(shí)候，分別計(jì)算在不同井深條件下，發(fā)生不同程度的氣侵后對井內(nèi)壓力的影響。

例:已知H＝4000米，ａ＝0.5，Ps＝0.1兆帕，ρm＝1.20克／厘米3，試求氣侵后鉆井液液柱壓力的減小值（不考慮溫度和壓縮系數(shù)的影響）。

解：將已知數(shù)據(jù)代入公式得：

4、鉆井液發(fā)生氣侵后應(yīng)注意的問題

1）鉆井液發(fā)生氣侵，密度隨井深自下而上逐漸降低，不能用井口測量的密度值計(jì)算井內(nèi)液柱壓力。

2）即使井口返出鉆井液氣侵很嚴(yán)重，但是井內(nèi)液柱壓力并沒有大幅度降低。

3）氣侵對井內(nèi)靜液柱壓力影響隨井深不同。井越深，影響越小；井越淺，影響越大。

4）發(fā)生氣侵，采取的首要措施是地面除氣。除氣后的鉆井液泵入井內(nèi)，若返出密度不再下降，則達(dá)到目的。若返出密度仍在下降，應(yīng)適當(dāng)提高鉆井液密度，使出入口密度相等。綜上所述應(yīng)該強(qiáng)調(diào)，無論深井、淺井，天然氣侵入鉆井液后作用于井底靜液柱壓力減小的絕對值都很小，但這種差異，對深井和淺井的影響是不同的。井深時(shí)，壓力減小值只有總液柱壓力的1%左右，井淺時(shí)，壓力減小值可以達(dá)到10%左右，因此，會對壓力平衡會產(chǎn)生不同的結(jié)果，深井可能安全，淺井則不足以平衡地層壓力，可能引起井噴，所以鉆遇淺氣層時(shí)任何鉆井液密度的下降，都應(yīng)該引起高度的重視。

四、開井狀態(tài)下氣體的運(yùn)移在開井狀態(tài)下，侵入井內(nèi)的天然氣靠密度差形成的浮力在鉆井液中滑脫上升，并逐漸形成氣泡甚至段塞。氣泡或段塞所受的鉆井液柱壓力會隨著氣體地上升而逐漸降低，因此氣體隨之膨脹，并逐漸將其上的鉆井液排出地面。假設(shè)井深3000米，鉆井液密度1.20g/cm3，井眼直徑為215.9mm，鉆桿外徑114.3mm，環(huán)空有0.26m3天然氣，當(dāng)井口敞開時(shí)其上升膨脹情況如圖7—2所示。在一些開始起鉆就發(fā)生局部抽汲的井中，這種情況很容易發(fā)生。氣體上升到井深1500m，氣體體積變?yōu)?.52m3，高度變?yōu)?0m，井底壓力降到35.14MPa。在這個(gè)過程中，氣體運(yùn)移了1500米的距離，體積只增加了0.26m3。氣體繼續(xù)上升到井深750米處時(shí)，體積變?yōu)?.04m3，高度變?yōu)?0m，井底壓力34.9MPa。在這個(gè)過程中，氣體運(yùn)移了750米的距離，體積增加了0.52m3。氣體繼續(xù)上升到井深375米處時(shí)，體積變?yōu)?.08m3，高度變?yōu)?0m，井底壓力34.4MPa。在這個(gè)過程中，氣體運(yùn)移了375米的距離，體積增加了1.04m3。當(dāng)氣體上升到井口附近時(shí)，氣體體積變?yōu)?.32m3，高度變?yōu)?20m，井底壓力下降到31.62MPa。氣體上升到一定高度后，氣體體積的膨脹就足以使上部鉆井液自動(dòng)外溢噴出，導(dǎo)致井底壓力小于地層壓力，使天然氣進(jìn)入井內(nèi)造成更嚴(yán)重的井噴。

通過上面的例子可以得出以下結(jié)論：

1）開井狀態(tài)下，氣體在井內(nèi)上升時(shí)體積一直在膨脹，在井底時(shí)體積增加較小，越接近井口膨脹速度越快。

2）氣體越接近井口，鉆井液罐液面上升速度越快，溢流量才變得比較明顯。

3）氣體膨脹上升開始時(shí)對井底壓力的影響很小，到接近井口時(shí)，井底壓力明顯降低。由此可見，由于長時(shí)間停止循環(huán)或起鉆抽汲，井底可能會聚集了相當(dāng)數(shù)量的天然氣并形成氣柱，由于密度差作用導(dǎo)致氣柱上升膨脹，或開泵循環(huán)鉆井液時(shí)造成氣柱膨脹，到達(dá)某一深度時(shí)，就會發(fā)生鉆井液外溢，尤其是天然氣上升接近地面時(shí)，體積會迅速膨脹，從而取代井筒內(nèi)大量的鉆井液，大大降低了井底壓力。為防止出現(xiàn)這樣的情況，現(xiàn)場作業(yè)時(shí)應(yīng)該盡量減少停止循環(huán)的時(shí)間，起鉆要避免抽汲，起完鉆進(jìn)快下鉆，等鉆頭下至一定深度，再做其它必要的輔助工作。由于在開井狀態(tài)下，氣體的膨脹是一個(gè)加速的過程，這就造成在鉆井過程中，特別是在起鉆過程中，單純依靠監(jiān)測鉆井液罐液面變化很難做到及時(shí)發(fā)現(xiàn)溢流。為了保證起鉆作業(yè)的安全，可以采取流動(dòng)測試的辦法。所謂流動(dòng)測試就是停泵（或停止起下鉆）觀察以判斷井內(nèi)流體是否在流動(dòng)，即井口是否自動(dòng)外溢。這在某些公司已經(jīng)形成一種制度，具體是起鉆至套管鞋或起出鉆鋌前進(jìn)行，有時(shí)則是司鉆根據(jù)鉆井參數(shù)的變化或是監(jiān)督的指令而進(jìn)行。流動(dòng)測試可以直接觀察是否發(fā)生了溢流。一旦確定井內(nèi)流體停泵后還在流動(dòng)，即井口自動(dòng)外溢，應(yīng)立即關(guān)井。井深、流體類型、地層滲透率、欠平衡的程度以及其它一些因素，影響流動(dòng)測試時(shí)間的長短。測試時(shí)間不宜過短，以便做出正確的判斷。鉆進(jìn)時(shí)的流動(dòng)測試程序1）發(fā)出信號；2）停轉(zhuǎn)盤；3）停泵；4）將鉆具提離井底，使鉆桿接箍在鉆臺面以上；

5）觀察井口，確認(rèn)鉆井液是否自動(dòng)外溢。

起下鉆時(shí)的流動(dòng)測試程序１）發(fā)出信號；２）坐吊卡；３）安裝內(nèi)防噴工具；４）觀察井口，確認(rèn)鉆井液是否自動(dòng)外溢。還有一種比較靈敏的方法是聲波氣侵檢測法。這需要在井口安裝聲波發(fā)射傳感器和聲波接受傳感器，聲波在氣體中的傳播速度比在鉆井液中慢，傳播時(shí)間的急劇增加就說明井下有氣體進(jìn)入。另外，對于油氣活躍的井，在做好油氣上竄速度監(jiān)測的同時(shí)，下鉆應(yīng)分段循環(huán)排除油氣。若后效嚴(yán)重，應(yīng)通過液氣分離器節(jié)流循環(huán)以便排除油氣，防止發(fā)生因后效而引起的井噴。五、關(guān)井狀態(tài)下氣體的運(yùn)移發(fā)生天然氣溢流關(guān)井，或因起鉆抽汲導(dǎo)致天然氣溢流而關(guān)閉的井中，天然氣在關(guān)井狀態(tài)下滑脫上升。氣體滑脫上升的速度主要取決于環(huán)空大小、鉆井液粘度、氣體與鉆井液密度差等因素。已有一些預(yù)測氣體運(yùn)移速度的模型，但這些模型太復(fù)雜，在現(xiàn)場難以應(yīng)用。為了指導(dǎo)井控作業(yè)，可根據(jù)地面壓力的變化，近似預(yù)測井內(nèi)氣體的運(yùn)移速度，其前提是氣體體積和溫度保持不變。H1H2HmρmρmPa1Pa2圖7—3關(guān)井狀態(tài)下氣體運(yùn)移速度如圖7—3所示，假設(shè)在t=t1時(shí)刻，氣體處于井底，此時(shí)井口壓力為Pa1，則Pa1＝P氣－ρmgH1

在t=t2時(shí)刻，氣體向上運(yùn)移了Hm的距離，此時(shí)井口壓力為Pa2，則Pa2＝P氣－ρmgH2

如果氣體的溫度和體積未發(fā)生變化，那么氣體的壓力也不變，所以

Pa2－Pa1＝ρmgH1－ρmgH2＝ρmgHm因此，

計(jì)算出氣體的運(yùn)移Hm距離之后，就可用下式求出氣體的運(yùn)移速度：由此可見，只要記錄下地面壓力的變化和相對應(yīng)的時(shí)間，就可以計(jì)算出氣體的運(yùn)移速度及其在井眼內(nèi)的位置。但由于上述公式是在假設(shè)氣體為單一體積單元的前提下推導(dǎo)出來的，而事實(shí)上，某些情況下氣體常是以氣泡的形態(tài)存在的，因此，運(yùn)移高度和速度的計(jì)算值是近似值。關(guān)井狀態(tài)下，井內(nèi)容積固定，假如鉆井液未發(fā)生漏失，氣體就不能膨脹，它就會始終保持著原來的井底壓力值不變。從上面的公式中可以看出，氣體滑脫上升過程中，氣體以上的液柱壓力減小使井口壓力增加，氣體以下的液柱壓力增加使井底壓力增加。所以在關(guān)井狀態(tài)下，氣體的滑脫上升會導(dǎo)致整個(gè)井筒的壓力不停地增加。

通過上面的例子可以得出以下結(jié)論：

1）在關(guān)井狀態(tài)下，氣體在帶壓滑脫上升過程中，關(guān)井立、套壓不斷上升，作用在井眼各處的壓力均在不斷增大。也就是說，一口關(guān)井后井內(nèi)存在鉆井液液柱，而天然氣不斷在井口聚集的井，比噴空的井在井內(nèi)不同深度處的壓力更高。

2）關(guān)井時(shí)，井口要承受很高的壓力，要求井口防噴裝置有足夠高的工作壓力。

3）氣體滑脫上升引起井口壓力不斷升高，不能認(rèn)為地層壓力也在增大，不能錄取這時(shí)的井口壓力計(jì)算地層壓力。

4）發(fā)生氣體溢流不應(yīng)長時(shí)間關(guān)井，避免超過最大關(guān)井套壓，造成井口、套管損壞，或套管鞋以下地層破裂，天然氣地面竄通。要盡快組織壓井或通過節(jié)流閥釋放部分壓力。六、關(guān)井后天然氣運(yùn)移的處理方法

1、立管壓力法

1）立管壓力法原理：通過節(jié)流閥，間斷放出一定數(shù)量的鉆井液，使天然氣膨脹，氣體壓力降低。在釋放鉆井液的過程中，要控制立管壓力始終大于關(guān)井立壓，從而保證井底壓力始終略大于地層壓力，以防止天然氣再進(jìn)入井內(nèi)。

2）操作方法：（1）先確定一個(gè)比初始關(guān)井立管壓力高的允許立管壓力值Pd1和放壓過程中立管壓力的變化值ΔPd。

Pd1的確定是非常有必要的，通常取Pd1比初始關(guān)井立壓大0.7MPa～1.4MPa，防止釋放鉆井液時(shí)，由于壓力波動(dòng)或壓力傳遞的滯后現(xiàn)象導(dǎo)致井底壓力小于地層壓力。ΔPd的確定要考慮地層的承壓能力，一般取ΔPd＝0.35～1MPa。例如；關(guān)井立壓Pd＝3MPa，可取Pd1＝4MPa，ΔPd＝1MPa。

（2）當(dāng)關(guān)井立管壓力Pd增加到（Pd1+ΔPd），即增加到（3+1）+1=5MPa時(shí)，通過節(jié)流閥放鉆井液，立管壓力下降到Pd1，即下降到4MPa時(shí)關(guān)井。（3）關(guān)井后，天然氣繼續(xù)上升，立管壓力再次升到（Pd1+ΔPd）時(shí)，即增加到4+1=5MPa時(shí)，再按上述方法放壓，然后關(guān)井。這樣重復(fù)進(jìn)行，可使天然氣上升到井口。放壓過程中，由于環(huán)空放出鉆井液，環(huán)空靜液壓力減小，因此套壓增加一個(gè)值，增加的值等于環(huán)空靜液壓力所減小的值。

3）不適用立管壓力方法的情況：當(dāng)發(fā)生如下情況，則不能應(yīng)用立管壓力法，而要采用體積法（容積法）：（1）鉆頭水眼被堵死，或鉆具內(nèi)有回壓閥（單流閥），立管壓力不能讀值；（2）鉆頭位置在氣體之上；（3）鉆具被刺漏等。2、體積法（容積法）

1）體積法的原理：通過節(jié)流閥釋放鉆井液，使氣體膨脹，環(huán)空靜液壓力由于鉆井液量的減少而降低，為保證井底壓力略大于地層壓力，環(huán)空靜液壓力減小值通過增加套壓補(bǔ)償。

2）操作方法：（1）先確定一個(gè)大于初始關(guān)井套壓的允許套壓值Pal和放壓過程中的套壓變化值ΔPa。其確定原則和取值方法同立管壓力法。例如：初始關(guān)井套壓Pa＝5MPa，可以取允許套壓值Pa1＝6MPa，套壓變化值ΔPa＝0.5MPa。（2）計(jì)算出套壓變化值ΔPa對應(yīng)的釋放鉆井液量ΔV。由于井徑不同，計(jì)算出的ΔV會有所不同。（3）當(dāng)關(guān)井套壓由Pa上升到Pal+ΔPa＝6+0.5＝6.5MPa時(shí)，保持套壓等于6.5MPa不變，從節(jié)流閥放出鉆井液ΔV1，關(guān)井；（4）當(dāng)關(guān)井套壓由6.5MPa上升0.5MPa到達(dá)7MPa時(shí)，保持套壓等于7MPa不變，通過節(jié)流閥放出鉆井液ΔV2，關(guān)井；（5）當(dāng)關(guān)井套壓由7MPa上升0.5MPa到7.5MPa時(shí)，保持套壓等于7.5MPa不變，通過節(jié)流閥放出鉆井液ΔV3，關(guān)井。（6）按上述方法放出鉆井液，使氣體上升膨脹，讓套壓增加一定數(shù)值，補(bǔ)償環(huán)空靜液壓力減小值，保證井底壓力略大于地層壓力。氣體一直上升到井