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1、第四章 油气井压力控制,第一节 井下的各种压力及其平衡 第二节 溢流及其检测 第三节 溢流的控制关井和压井,概 述,油气井压力控制 在石油钻井过程中对井眼内的地层压力进行控制。,井控的分类 （1）一级井控：利用钻井液密度，建立井内压力平衡。 （2）二级井控：发生溢流后，利用井口防喷器憋回压后压井，恢复井内 压力平衡。 （3）三级井控：井喷后的处理与压力控制。,井控的基本要求： 1）有效地控制地层压力，防止井喷； 2）防止井漏等复杂情况； 3）有效地保护油气层,第一节 井下各种压力及其平衡,一、井眼内的各种压力,1. 地层孔隙压力,2. 地层破裂压力,3. 钻井液静液柱压力,4. 环空循环压降在
2、井底产生的附加压力,5. 波动压力 最大井底压力：,抽吸压力：,激动压力：,6. 环空内岩屑重力在井底引起的附加压力,7. 井底有效压力,一、井眼内的各种压力,正常钻进时：,起钻时：,下钻时：,最小井底压力：,二、井眼地层系统压力平衡,1. 基本关系式,2. 约束条件,第一节 井下各种压力及其平衡,三、平衡与欠平衡压力钻井,1. 平衡压力钻井 （1）概念 在有效地控制地层压力和维持井壁稳定的前提下，尽可能降低钻井液密度，使钻井液液柱压力刚好平衡或略大于地层压力，达到解放钻速和保护油气层的目的。这种钻井方法称为平衡压力钻井。 （2）技术关键 1）地层压力的准确预测 2）合理钻井液密度的确定,第一
3、节 井下各种压力及其平衡,2. 欠平衡压力钻井 （1）概念 在井底有效压力低于地层压力的条件下进行钻井作业。在井下，允许地层流体进入井内；在井口，利用专门的井控装置对循环出井的流体进行控制和处理。主要目的是及时发现和有效保护油气层，同时可显著提高钻进速度。 （2）关键技术 1）地层孔隙压力和坍塌压力的准确预测 2）钻井液类型选择和密度等性能的控制 3）井口压力的控制及循环出井的流体的处理 4）起下钻过程的欠平衡 5）井底有效压力的计算与监测 6）井壁稳定 7）完井,三、平衡与欠平衡压力钻井,第一节 井下各种压力及其平衡,第二节 溢流及其检测,二、溢流的原因,一、溢流的概念 1. 油、气、水侵油
4、、气、水侵入钻井液，使其性能变坏的过程。 2. 溢流当井底压力小于地层压力时，地层流体侵入井内，使井口 返出的钻井液量大于泵入量，停泵后钻井液从井口自动外 溢的现象。 3. 井涌溢流的进一步发展，在循环或者停泵后，钻井液涌出井 口 的现象。 4. 井喷地层流体失去控制地喷出地面。,1. 地层压力掌握不准，使设计的钻井液密度偏低； 2. 钻井液密度降低； 3. 起钻未按规定灌泥浆或井漏，使井内液面降低； 4. 起钻抽吸作用使井底压力减小； 5. 停止循环时，环空循环压降消失，使井底压力减小。,2. 气侵的特点 气体的可压缩性，使气侵具有以下特点： （1）侵入井内的气体由井底向井口运移时，体积逐渐
5、膨胀，越接近地 面，膨胀越快，体积越大。因此，在地面看起来气侵很严重的钻 井液，在井底只有少量气体侵入。 （2）气侵后的钻井液在不同深度的密度不同。井口处的密度虽然降低 较大，而井底钻井液液柱压力减少并不大。因此在气侵量不大的 情况下，只要及时除气，就不会有井喷的危险。,三、气侵,气侵的途径与方式 岩石孔隙中的气体随钻碎的岩屑进入井内钻井液； 气层中的气体由于浓度差通过泥饼向井内扩散； 当井底压力小于地层压力时，气层中的气体大量流入或渗入井内。,第二节 溢流及其检测,三、气侵,2. 气侵的特点 （3）在气侵后关井的情况下，气体将滑脱上升，在井口积聚。由于 井口关闭，气体在上升过程中不可能膨胀，
6、体积没有变化。这样气体仍 保持原来的井底压力。这个压力与泥浆柱压力叠加作用于整个井筒，容 易导致井漏和地下井喷。因此，气侵后不能长时间关井。,第二节 溢流及其检测,1. 地层流体侵入的征兆 （1）泥浆罐液面升高； （2）钻井液返出量大于泵排量； （3）起钻时灌不进泥浆或泥浆灌入量少于正常值； （4）停止循环时，井口仍有泥浆外溢。 （5）钻速突然加快或钻进放空； （6）钻井液性能发生变化； 密度降低； 粘度上升或下降； 气泡、氯根离子、气测烃类含量增加； 油花增多，油味、天然气味、硫化氢味增浓； 温度升高。 （7）泵压上升后下降，悬重减小后增大；,四、溢流的检测,第二节 溢流及其检测,四、溢流的
7、检测,2. 溢流的检测方法 （1）钻井液罐液面检测法 （2）返出钻井液流量检测法 （3）气侵超声波检测技术,浮子式液面计,挡板流量计,第二节 溢流及其检测,第三节 溢流的控制-关井与压井,一、井控装置,一、井控装置,第三节 溢流的控制-关井与压井,一、井控装置,第三节 溢流的控制-关井与压井,一、井控装置,第三节 溢流的控制-关井与压井,一、井控装置,Drill pipe check valve,第三节 溢流的控制-关井与压井,1. 关井方式及选择,二、关 井,利用井口防喷器将井口关闭，井口防喷器产生的回压与环空泥浆液柱压力一起平衡地层压力，阻止地层流体的继续侵入。,（1）硬关井 发生溢流后，
8、在节流阀等所有旁通关闭的情况下关闭防喷器。 优点：关井程序简单，时间短，地层流体侵入量少。 缺点：产生“水击”，使井口装置、套管和地层所承受的压力急剧增加， 可能超过井口装置的额定压力、套管抗内压强度和地层破裂压力。,（2）软关井 发生溢流后，先打开节流阀，然后关闭防喷器，再关闭节流阀。 优点：可避免“水击”现象。 缺点：关井程序较复杂，时间长，地层流体侵入量较大。,第三节 溢流的控制-关井与压井,（3）半软关井 发生溢流后，先适度打开节流阀，然后关闭防喷器，再关闭节流阀。 其特点介于“硬关井 ”和“软关井”之间。,1. 关井方式及选择,二、关 井,关井方式的选择：在溢流速度不高或者井口装置承
9、压能力较高的情况下，可使用“硬关井”，否则，应选择“软关井”或“半软关井”。推荐采用“半软关井”。,2. 关井程序（“四七”操作程序）,（1）钻进中发生溢流 （2）起下钻杆时发生溢流 （3）起下钻铤时发生溢流 （4）空井发生溢流,第三节 溢流的控制-关井与压井,三、关井立管压力的测定,1. “U”形管原理,溢流关井后，钻柱、环空、地层压力系统 有如下关系：,第三节 溢流的控制-关井与压井,2. 钻柱中未装回压凡尔时测定关井立关压力,关井立管压力直接从立管压力表上读取。,三、关井立管压力的测定,第三节 溢流的控制-关井与压井, 圈闭压力的概念： 在记录的立压、套压中，超过平衡地层压力所 需压力的
10、那部分压力值，即：, 产生圈闭压力的原因：停泵前关井或者气体滑脱上升。, 释放圈闭压力的方法： 每次开启节流阀放出少许钻井液（4080升），并观察立管压力变化。若立管压力无变化或略有增高，表明无圈闭压力，此时记录的立管压力即是关井立管压力。若立管压力下降，则继续释放钻井液，直到立管压力不再下降。此时圈闭压力已释放掉，所读取的立管压力就是真实的关井立管压力。,三、关井立管压力的测定,2. 钻柱中未装回压凡尔时测定关井立管压力,第三节 溢流的控制-关井与压井,3. 钻柱中装回压凡尔时测定管井立管压力,（1）循环法 用于已知压井泵速和该泵速下循环压耗（ ）的情况。 具体做法： 1）关井后待套压相对稳
11、定后，记录套压 ； 2）缓慢启动泵，以压井泵速泵入钻井液，同时调节节 流阀保持套压不变，记录此时的立管压力 ； 3）求取关井立管压力：,三、关井立管压力的测定,第三节 溢流的控制-关井与压井,三、关井立管压力的测定,3. 钻柱中装回压凡尔时测定管井立管压力,（2）不循环法 此法用于未知压井泵速和该泵速下的循环压耗的情况。 具体做法： 1）关井后待套压相对稳定，记录套压值 ； 2）在完全关井的情况下，缓慢启动泵，直到套压升高少许（ ）， 记录此时的立管压力 和套压 。 3）求取关井立压：,第三节 溢流的控制-关井与压井,四、压井钻井液密度计算,注意 不能用 Pp=Pa+Pha计算地层压力，因环空
12、钻井液受地层流体污染严重，其密度难以确定。,根据“U”形管原理可得：,第三节 溢流的控制-关井与压井,五、溢流类型的判别,根据“U”形管原理 ：,-泥浆罐钻井液增量,气 油 水,第三节 溢流的控制-关井与压井,六、压井理论与方法,1. 压井的概念 在发生溢流并关井求得压井钻井液密度后，开泵泵入压井钻井液，同时调节节流阀控制一定的井口回压，使井底压力等于或稍大于地层压力并保持不变。通过循环，排除溢流，重建井眼地层系统的压力平衡。,2. 压井的原则 1）在压井过程中，始终保持井底压力稍大于地层压力。 2）套压不能超过井口装置的额定工作压力和套管抗内压强度的80%， 套压与环空内的钻井液液柱压力之和
13、不能超过裸眼地层的最小破裂 压力。,（一）压井的概念及原则,第三节 溢流的控制-关井与压井,1. 压井排量,压井时应采用低排量，通常取钻进是正常排量的三分之一到二分之一:,主要原因有二： （1）降低循环压力，以降低泵、循环管线、节流管汇等设备的负荷； （2）使压井钻井液的泵入速度与加重速度同步。,（二）压井计算,六、压井理论与方法,第三节 溢流的控制-关井与压井,2. 压井作业时间,（1）压井钻井液由地面到达钻头的时间（分）,（2）压井钻井液充满环形空间的时间（分）,式中： 单位长度钻具的容积，L/m 。 单位长度环空容积，L/m 。,（二）压井计算,六、压井理论与方法,第三节 溢流的控制-关
14、井与压井,（二）压井计算,3. 压井立管压力,六、压井理论与方法,开始泵入压井钻井液时的立管压力。,（1）初始循环立管压力,初始循环立管压力的求取方法： 方法一：在即将钻达高压层前，每天早班用选定的三个不同的压井排量循 环，记录循环立管压力 ，作为压井时的初始循环压耗 。 方法二：在发生溢流关井并求得关井套压后，循环实测。具体做法是： 1）启动泵，调节节流阀使套压等于关井套压； 2）调节泵速达到压井排量，同时保持套压不变，此时立管压力即为 。,第三节 溢流的控制-关井与压井,为初始循环压力，即用密度为 的原钻井液循环时的压耗。,（2）终了循环立管压力,压井钻井液到达井底时的立管压力。,设循环压
15、耗正比于流体密度，则有：,为终了循环压力，即用密度为 的压井液循环时的压耗。,（二）压井计算,3. 压井立管压力,六、压井理论与方法,第三节 溢流的控制-关井与压井,（三）压井方法, 司钻法（二次循环法）: 在控制立管压力来保持井底压力略大于地层压力的条件下，用两个循环周完成压井作业。第一循环周，用原密度钻井液循环，排除受污染的钻井液；第二循环周：泵入加重好的压井钻井液，重建压力平衡。, 工程师法（一次循环法、等候加重法）: 关井待压井液加重好后，用一个循环周完成压井作业。, 边加重边循环法: 关井取得有关数据后，立即边循环边加重压井。,六、压井理论与方法,第三节 溢流的控制-关井与压井,（三
16、）压井方法 1. 司钻法压井,（1）压井程序 第一循环周：,六、压井理论与方法,1,2,3,第三节 溢流的控制-关井与压井,第二循环周： 1,（1）压井程序,（三）压井方法,六、压井理论与方法,2,3,第三节 溢流的控制-关井与压井,1. 司钻法压井,（2）立压及套压的变化规律,第三节 溢流的控制-关井与压井,（三）压井方法,1. 司钻法压井,六、压井理论与方法,（1） 压井程序,2. 工程师法压井,（三）压井方法,六、压井理论与方法,1,2,3,（2） 立压和套压的变化规律,2. 工程师法压井,（三）压井方法,六、压井理论与方法,第三节 溢流的控制-关井与压井,3. 边循环边加重法,（1）压井程序 1）发生溢流关井取得有
