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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。該井設計井深4322m，垂深3410m，水平段長700m；水平段設計在鄰井區(qū)飛仙關組第二套儲層內(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，導致掛吊卡困難，強行起至安全井段（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，關油罐總閘，停泵、柴油機和發(fā)電機；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時點火成功。27日由14名專家及技術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人進入該井井場，27日8時至9時36分壓井施工準備，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)場點燃天然氣的大火
 事發(fā)現(xiàn)場點燃天然氣的大火
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。說明溢流的預兆發(fā)現(xiàn)較晚，失去了搶接回壓閥的時機。
1）溢流預兆不能及時發(fā)現(xiàn)的原因
①鉆臺和鉆井液崗未設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)灌不進或進少出多的情況；另外，通過泥漿池液面變化來預報溢流，會因泥漿池表面積大，當溢流剛開始且量少時難以及時發(fā)現(xiàn)。
③依據(jù)出口泥漿電導率的變化來預報，要待高電導率的天然氣出來才能發(fā)現(xiàn)，預報時間過晚。
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%，排量應為1.498 m3/min（與鉆井技術員提供的排量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，給地層流體進入井內(nèi)并給井內(nèi)的氣體上竄提供了機會，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。本井的鉆井工程設計要求鉆井作業(yè)中需進行短程起下鉆，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，導致全井的井底壓力低于地層壓力，地層流體嚴重侵入井內(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)。應該指出的是，起下鉆的溢流預報不能按鉆進工況的標準進行。此外，由于鉆具上未帶回壓閥，導致井內(nèi)流體（鉆井液和天然氣）直接從鉆桿內(nèi)噴出，失去了很好的關井控制溢流的條件，造成了嚴重的井噴后果。
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，使井孔全部關閉。井隊若當時安裝有剪切閘板，井噴時用剪切閘板擠扁井口鉆桿，在當時情況下是必要的，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火，防止事態(tài)的擴大。
3.3事態(tài)擴大的原因分析
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，點燃含H2S氣體是有效制止井內(nèi)噴出的有害氣體大范圍擴散、減少危害的有效措施。在多種行業(yè)規(guī)范及標準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燃的必要性。按規(guī)范，井噴失控后，應立即組織放噴，同時在放噴口點燃。該井從發(fā)生井噴、井口失控到井場柴油機和發(fā)電機熄火之間至少有l小時l7分鐘以上的時間，當時井場天然氣的濃度還未達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，組織放噴點火有充足的時間，點火也不致危及井場安全。但負有現(xiàn)場安全責任的鉆井監(jiān)督?jīng)]有在最短的時間內(nèi)安排放噴點火，失去了控制有害氣體擴散的有利時機。在失去環(huán)境條件比較有利的第一點火時間后，生產(chǎn)指揮部門的決策者應根據(jù)高壓天然氣井井噴失控具有嚴重危害后果的特殊情況，迅速組織、明確指令井隊準備實施點火，這是減少事態(tài)進一步擴大的必要措施。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攻關，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、溶洞的認識與預測不足，缺少有效準確的方法。
2）對天然氣產(chǎn)能和產(chǎn)量的預測不足，尚無較準確的算法。
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、井噴的預警技術不完善。
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