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2003年12月23日22時，位于重慶市開縣的某井發(fā)生天然氣井噴失控和H2S中毒事故，造成井場周圍居民和井隊職工243人死亡，2142人中毒住院，6500余人緊急疏散轉(zhuǎn)移，直接經(jīng)濟(jì)損失6432萬元。
1 井況簡介
該井是四川盆地川東斷褶帶羅家寨構(gòu)造上的一口國家重點(diǎn)工程科研項目水平井，擬鉆采高含硫天然氣。同一井場還部署另外三口水平井組；已建成的鄰井測試產(chǎn)量62.3×104m3/d，H2S含量125.53g/m3，暫時封井待脫硫廠建成后輸氣。該井設(shè)計井深4322m，垂深3410m，水平段長700m；水平段設(shè)計在鄰井區(qū)飛仙關(guān)組第二套儲層內(nèi)（厚度20m以上），是培育100×104m3/d級的高產(chǎn)氣井之一；預(yù)測目的層地層壓力40.45MPa，地壓系數(shù)1.28；井噴時井深4049.68m，水平段長424m；井口與鄰井僅距3.8m。
2 事故發(fā)生及處理經(jīng)過
2003年12月23日2時29分鉆至井深4049.68m；3時30分至12時循環(huán)起鉆過程中頂驅(qū)滑軌偏移，導(dǎo)致掛吊卡困難，強(qiáng)行起至安全井段（井深1948m套管內(nèi)），灌滿泥漿后，開始修頂驅(qū)滑軌；12時至16時20分修頂驅(qū)滑軌；16時20分至21時51分起鉆至井深195.31 m，發(fā)現(xiàn)溢流1.1 m3，立即放鉆具至197.31m；21時55分搶接回壓凡爾、搶接頂驅(qū)未成功，發(fā)生強(qiáng)烈井噴，鉆桿內(nèi)氣液噴高 5～10 m，鉆具上行2 m左右，大方瓦飛出轉(zhuǎn)盤；21時59分關(guān)萬能、半封防噴器，鉆桿內(nèi)液氣同噴至二層臺以上；22時01分鉆桿被井內(nèi)壓力上頂撞擊在頂驅(qū)上，撞出火花引發(fā)鉆桿內(nèi)噴出的天然氣著火；22時03分關(guān)全封防噴器，鉆桿末被剪斷而發(fā)生變形，火雖熄滅，但井口失控，轉(zhuǎn)盤面以上有約14m鉆桿傾斜倒向指重表方向；22時32分向井內(nèi)注入1.60g/cm3的鉆井液，關(guān)油罐總閘，停泵、柴油機(jī)和發(fā)電機(jī)；24時井隊人員全部撤離現(xiàn)場，24日13時30分井口停噴，兩條放噴管線放噴，井口壓力28MPa，24日16時點(diǎn)火成功。27日由14名專家及技術(shù)人員組成的前線總指揮部和75名搶險隊員組成的10個搶險施工組共89人進(jìn)入該井井場，27日8時至9時36分壓井施工準(zhǔn)備，3條放噴管線放噴，井口壓力13MPa；9時36分至10時15分用3臺壓裂車向井內(nèi)注密度1.85～2.0 g/cm3壓井泥漿182.9 m3，井口最大施工壓力48MPa；10時15分至10時45分用2臺泥漿泵注入濃度10%、密度1.50 g/cm3橋塞泥漿27 m3；10時45分至11時用1臺壓裂車向井內(nèi)注密度1.85～2.0 g/cm3壓井泥漿20 m3，壓井成功。
 壓井搶險作業(yè)
 事發(fā)現(xiàn)場點(diǎn)燃天然氣的大火
 事發(fā)現(xiàn)場點(diǎn)燃天然氣的大火
3 事故原因
3.1溢流和井噴發(fā)生原因分析
2003年12月23日20時起鉆，第一個小組起鉆20余柱，未發(fā)現(xiàn)異常，2h后交由第二小組繼續(xù)起鉆，起出第一柱鉆桿母接頭泥漿是滿的，沒有外溢；起出兩個單根后，鉆桿母接頭處溢流，接著發(fā)生井噴，作業(yè)人員想把鉆桿下放，沒下到轉(zhuǎn)盤面，大方瓦就被沖飛，鉆具也上頂，不能及時接回壓閥，試圖接頂驅(qū)也沒有成功。
地質(zhì)錄井報告顯示，21時51分起鉆至195.31m時，發(fā)現(xiàn)溢流1.l m3 （錄井時間記錄與鉆井時間記錄相差10～25min），當(dāng)報告給鉆臺時，實際已發(fā)生了井噴。從起下鉆實時報告表上可以看出溢流開始時間為21時42分，井噴時間為21時57分。說明溢流的預(yù)兆發(fā)現(xiàn)較晚，失去了搶接回壓閥的時機(jī)。
1）溢流預(yù)兆不能及時發(fā)現(xiàn)的原因
①鉆臺和鉆井液崗未設(shè)專人觀察井口和灌漿量變化。
②鉆井液由泥漿泵直灌，很難發(fā)現(xiàn)灌不進(jìn)或進(jìn)少出多的情況；另外，通過泥漿池液面變化來預(yù)報溢流，會因泥漿池表面積大，當(dāng)溢流剛開始且量少時難以及時發(fā)現(xiàn)。
③依據(jù)出口泥漿電導(dǎo)率的變化來預(yù)報，要待高電導(dǎo)率的天然氣出來才能發(fā)現(xiàn)，預(yù)報時間過晚。
2）溢流發(fā)生的原因
溢流是井涌、井噴的初始階段，是由于井底壓力小于地層孔隙壓力造成地層流體迸入井筒，使井口返出量大于泵入量或在停泵后鉆井液從井口自動外溢的現(xiàn)象。造成井底壓力下降而不能平衡地層壓力的因素是多方面的，該井溢流的主要直接原因有：
①起鉆前循環(huán)泥漿時間短，沒有將井下巖屑和氣體全部排除，井內(nèi)鉆井液密度尚未均勻就起鉆，造成井底壓力的降低。從記錄曲線反映2時55分前井底加有鉆壓（130～160）kN，3時30分已停泵，可以確認(rèn)循環(huán)時間是35min（遲到時間為62min），循環(huán)時的排量為26 L/s，因為是按沖數(shù)計算，若考慮鉆井泵上水效率96%，排量應(yīng)為1.498 m3/min（與鉆井技術(shù)員提供的排量1.5 m3/min是符合的），因此循環(huán)過程中共打入井內(nèi)鉆井液為52.55（35×1.5）m3。按照Φ215.9 mm的井徑和Φ127 mm鉆桿形成的環(huán)行空間，52.55 m3鉆井液只占2178 m長的井段，還有1870 m的環(huán)行容積的鉆井液含氣。這些氣體不斷地滑移上竄，體積不斷膨脹，當(dāng)它上升到井筒上部時體積將逐漸膨脹頂出鉆井液，這就造成井下液柱壓力下降。因此，循環(huán)不干凈是造成液柱壓力下降的重要原因之一。
②起鉆未按制度要求灌鉆井液，造成井下液柱壓力降低，是產(chǎn)生溢流的一個重要原因。較長時間未灌鉆井液或未灌滿鉆井液，會造成井筒內(nèi)的液面下降，給地層流體進(jìn)入井內(nèi)并給井內(nèi)的氣體上竄提供了機(jī)會，到了一定的程度就會形成溢流，誘發(fā)井涌，甚至井噴。
按規(guī)定井隊起鉆每3柱灌滿一次漿是合適的。但該井12月23日起鉆時，通過實時參數(shù)記錄的原始曲線反映，從起鉆到事故發(fā)生共18.5 h，起鉆120柱，灌漿38次，其中有9次超過了3柱才灌，最長一次9柱（第87～95柱）才灌，時間是18時40分至19時40分共1h，連續(xù)起出9柱鉆桿未灌漿造成液面降低38 m，按1.43 g/cm3密度計算，液柱壓力下降0.55 MPa。
③造成井底壓力下降的因素是很多的，所以在設(shè)計鉆井液密度時必須有一個附加量。本井的附加量是0.15 g/cm3，按規(guī)范可以滿足要求。但對本井產(chǎn)層發(fā)育、水平段長等特殊情況，附加量是否足夠值得研究探討。確定附加量要考慮很多實際因素，如起鉆的抽汲作用所產(chǎn)生的負(fù)壓問題，本井用的是PDC鉆頭，PDC鉆頭與井壁的間隙通道較牙輪鉆頭小，若有一點(diǎn)泥包或巖屑床，在起鉆時極易造成“拔活塞”而使井下形成暫時的真空，將地層流體抽出來。另外，本井的水平段是產(chǎn)層，已鉆開的424 m產(chǎn)層裸露也為抽汲引流提供了長距離的條件，此為造成溢流的又一因素。
④在沒有循環(huán)的情況下井內(nèi)的氣體由于與鉆井液的密度差會滑移上竄，滑移上竄速度受地層壓力、氣體的性質(zhì)及鉆井液性能等因素的影響。本井的鉆井工程設(shè)計要求鉆井作業(yè)中需進(jìn)行短程起下鉆，并計算氣體上竄速度，以測定每趟起下鉆作業(yè)的安全時間。但本井沒有做這項工作，停止循環(huán)的時間越長，氣體上竄越高，體積膨脹越大，井底壓力越低，因此鉆井工程作業(yè)中都要求井下靜止時間（不循環(huán)時間）越短越好。這次鉆井中用了4小時20分鐘（12時至16時20分）處理頂驅(qū)滑軌偏移問題后，如果下鉆通井循環(huán)再起鉆，情況可能會好得多。
造成井底壓力下降可能還有其他因素，以上原因所產(chǎn)生的壓力降疊加在一起，導(dǎo)致全井的井底壓力低于地層壓力，地層流體嚴(yán)重侵入井內(nèi)，造成了此次井的溢流。
3）井噴原因分析
井噴是地層流體無控制地涌入井筒并噴出的一種現(xiàn)象。它有一個發(fā)展的過程，即井侵-溢流-井涌-井噴-井噴失控，每個環(huán)節(jié)若處理不好就會向下一個環(huán)節(jié)發(fā)展。每個環(huán)節(jié)的初始階段都有預(yù)兆顯示，早發(fā)現(xiàn)并及時正確處理就不會向下一個環(huán)節(jié)發(fā)展。本次事故是起鉆過程中發(fā)生的，主要是溢流未被及時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氣測儀發(fā)現(xiàn)溢流1.1 m3并報告時，實際已發(fā)生了井噴。該井是一口開發(fā)井，壓力不高。鉆井液附加值0.15 g/cm3，相當(dāng)于超地層壓力5.l MPa。井內(nèi)有鉆具時，有近400m鉆井液柱，即有11 m3左右（除掉己發(fā)現(xiàn)的溢流1.1 m3）鉆井液被耗掉，各個環(huán)節(jié)都未及時發(fā)現(xiàn)。應(yīng)該指出的是，起下鉆的溢流預(yù)報不能按鉆進(jìn)工況的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。此外，由于鉆具上未帶回壓閥，導(dǎo)致井內(nèi)流體（鉆井液和天然氣）直接從鉆桿內(nèi)噴出，失去了很好的關(guān)井控制溢流的條件，造成了嚴(yán)重的井噴后果。
3.2井噴失控的原因分析
井噴失控是指井噴發(fā)生后，無法用正常的常規(guī)方法控制井口而出現(xiàn)敞噴的現(xiàn)象。這是鉆井過程中最惡性的事故。該井當(dāng)時井深4049.68 m起鉆至195.31 m發(fā)現(xiàn)溢流時，鉆桿提出轉(zhuǎn)盤面2個多單根（長度19 m左右）發(fā)生井噴，大方瓦被氣流沖出轉(zhuǎn)盤，無法搶接回壓閥，搶接頂驅(qū)未成功，關(guān)防噴器又未能控制住，造成井噴失控。
1）鉆具組合未裝回壓閥。如果裝有回壓閥，井噴時井內(nèi)液體、氣體就不會從鉆桿內(nèi)噴出。打開節(jié)流管線，關(guān)防噴器，可以正常實施井控操作。
2003年9月28日該井鉆開油氣層現(xiàn)場辦公要求第一條內(nèi)容是：從鉆開油氣層前到完鉆作業(yè)結(jié)束必須始終在鉆具上安裝內(nèi)防噴工具（包括鉆具回壓閥和方鉆桿上下旋塞），這次下鉆沒有按此要求執(zhí)行。
實際用的鉆具組合沒有安裝回壓閥，查其原因是：本趟在下鉆時，由于更換了無線隨鉆測斜儀，儀器操作者認(rèn)為由于使用MWD無線隨鉆測斜儀，鉆具中安裝回壓閥影響測量，定向井現(xiàn)場施工人員決定拆除回壓閥，卸下回壓閥是本次井噴失控的直接原因。
2）防噴器組中沒有裝剪切閘板防噴器。剪切閘板能把井內(nèi)的鉆具切斷，使井孔全部關(guān)閉。井隊若當(dāng)時安裝有剪切閘板，井噴時用剪切閘板擠扁井口鉆桿，在當(dāng)時情況下是必要的，不但可以撲滅井口著火，同時使噴流大大減小形成套壓，完全可以實現(xiàn)從放噴管線出口放噴點(diǎn)火，防止事態(tài)的擴(kuò)大。
3.3事態(tài)擴(kuò)大的原因分析
井噴失控后，從井口噴出的高含硫的天然氣迅速彌漫，H2S氣體隨空氣流動會大面積擴(kuò)散，危及周圍的生態(tài)環(huán)境，特別是人員的生命安全。
由于H2S燃燒后能產(chǎn)生低毒性的SO2，點(diǎn)燃含H2S氣體是有效制止井內(nèi)噴出的有害氣體大范圍擴(kuò)散、減少危害的有效措施。在多種行業(yè)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)中都從不同角度較為明確地闡述了含硫天然氣井井噴后需放噴點(diǎn)燃的必要性。按規(guī)范，井噴失控后，應(yīng)立即組織放噴，同時在放噴口點(diǎn)燃。該井從發(fā)生井噴、井口失控到井場柴油機(jī)和發(fā)電機(jī)熄火之間至少有l小時l7分鐘以上的時間，當(dāng)時井場天然氣的濃度還未達(dá)到天然氣與空氣混合比和硫化氫與空氣混合比的爆炸極限，組織放噴點(diǎn)火有充足的時間，點(diǎn)火也不致危及井場安全。但負(fù)有現(xiàn)場安全責(zé)任的鉆井監(jiān)督?jīng)]有在最短的時間內(nèi)安排放噴點(diǎn)火，失去了控制有害氣體擴(kuò)散的有利時機(jī)。在失去環(huán)境條件比較有利的第一點(diǎn)火時間后，生產(chǎn)指揮部門的決策者應(yīng)根據(jù)高壓天然氣井井噴失控具有嚴(yán)重危害后果的特殊情況，迅速組織、明確指令井隊準(zhǔn)備實施點(diǎn)火，這是減少事態(tài)進(jìn)一步擴(kuò)大的必要措施。但該井在此期間，除疏散現(xiàn)場人員和村民外，一直未對井噴失控采取進(jìn)一步的處理措施。
3.4高含硫高產(chǎn)天然氣水平井鉆井工藝原因分析
我國自1991年開展水平井鉆井技術(shù)攻關(guān)，至2002年底共在陸上鉆成水平井520口，其中絕大多數(shù)是砂巖油藏，針對碳酸鹽巖氣藏的水平井很少。雖然在四川盆地此前曾鉆過天然氣水平井，但屬于中含硫、低產(chǎn)氣井；類似這種高含硫、高產(chǎn)情況的井此前未曾遇到，因此被列入國家重點(diǎn)工程科研項目。從鉆井工藝過程來看，主要存在以下幾方面不成熟之處：
1）對產(chǎn)層中裂縫、溶洞的認(rèn)識與預(yù)測不足，缺少有效準(zhǔn)確的方法。
2）對天然氣產(chǎn)能和產(chǎn)量的預(yù)測不足，尚無較準(zhǔn)確的算法。
3）天然氣水平井中的氣侵量和滑移速度尚無合適的算法。
4）對氣井溢流、井噴的預(yù)警技術(shù)不完善。
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