油气井压力控制

第六章第六章油气井压力控制油气井压力控制研究的主要问题：井眼内的压力平衡问题主要了解的内容：1.井眼与地层压力系统2.地层流体侵入和检测3.压井_恢复井内压力平衡一、井眼内的各种压力1.地层孔隙压力MPa——地层孔隙压力的当量泥浆密度，g/cm3D——井深（垂深），m2.地层破裂压力——地层破裂压力当量泥浆密度，g/cm33.钻井液静液柱压力p第一节井眼—地层系统的压力平衡ρfρDSppKppfrtposspfρμμ00981.0))(12(=+−−−+=DPppρ31081.9−×=Dpdhρ31081.9−×=4.井内波动压力抽吸压力：激动压力：5.环空循环压降6.含岩屑的钻井液压力增加值33/08.0~036.01081.9cmgsDsPbbbs=×=−，33/1.0~024.01081.9cmgsDsPgggs=×=−，()cppvmaKKQμρp+575030=Δ812080....DprrρΔ=Δ00981.0井底有效压力：正常钻进时：pb=ph+Δpa起钻时：pb=ph-psb下钻时：pb=ph+psg最大井底压力：pbmax=ph+Δpa+psg最小井底压力：pbmin=ph-psb安全钻井的压力平衡条件：pp≤phepfpbpp，地层流体侵入井眼；pb=pp，平衡压力钻井；pbpf，压裂地层，发生井漏；pppbpf，过平衡压力钻井；pbpp，地层流体有控制地进入井眼，欠平衡压力钻井。二、平衡压力钻井1.概念（ph≈pp）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.优点：提高钻速，保护油气层，实现安全钻进3.技术关键：地层压力的准确预测，合理钻井液密度和井身结构的确定4.井眼—地层系统的压力平衡关系：三、欠平衡压力钻井1.概念（phpp）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。这样可及时发现和有效保护油气层，同时可显著提高钻进速度。2.适用的地层范围¾低压低渗透油气藏压力衰竭的低压油气藏、致密性（低孔低渗油气藏）¾严重水敏性地层；¾漏失性地层。¾裂缝性油气藏¾高渗透固结砂岩和碳酸岩油3.技术关键¾地层孔隙压力和坍塌压力的准确预测¾钻井液类型选择和密度等性能的控制¾井口压力的控制及循环出井的流体的处理¾起下钻过程的欠平衡¾井底有效压力的计算与监测¾井壁稳定¾完井三、气侵的特点1.气侵的途径与方式9岩石孔隙中的气体随钻碎的岩屑进入井内钻井液；9气层中的气体由于浓度差通过泥饼向井内扩散；9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。2.气侵的特点及危害（1）侵入井内的气体由井底向井口运移时，体积逐渐膨胀，越接近地面，膨胀越快。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）一般情况下，气体侵入钻井液后呈分散状态，井底泥浆液柱压力的降低是非常有限的。只要及时有效地除气，就可有效避免井喷。（3）当井底气体形成气柱时，随着气柱的上升（滑脱上升或循环上升），在井口未关闭的情况下，环境压力降低，体积膨胀变大，替代的钻井液量越来越多，使井底压力大大降低，更多的气体将以更快的速度侵入井内，最终导致井喷。（4）在井口关闭的情况下，气体在滑脱上升的过程中保持体积不变，因此其压力亦保持不变，此情况下，井口和井底的压力都会逐渐增加。当气体到达井口时，井口承受的压力为地层压力，井底的压力为2倍于地层压力。此情况下可能压漏地层，发生井下井喷。因此，在井内的气体上升过程中，应逐渐有控制地进行放压，使套压小于允许套压。3.H2S气体的危害H2S属剧毒气体，对人体有很强的损害和设备有较强的腐蚀性。在含H2S地层进行施工作业时，为了确保人身和设备安全，井控要求具有一定的特殊性。（1）H2S的物理化学性质硫化氢是一种无色、剧毒、强酸性气体。低浓度的硫化氢气体有臭蛋味。其相对密度为1.176。硫化氢燃点250℃，燃烧时呈蓝色火焰，产生有毒的二氧化硫。硫化氢与空气混合，浓度达4.3%～46%时就形成一种爆炸混合物。硫化氢的毒性较一氧化碳大五至六倍，几乎与氰化物同样剧毒。是一种致命的气体。正常条件下，H2S对人的安全临界浓度是14PPm（国外标准10PPm）。（2）H2S气体的分布就地下而言，H2S气体多存在于碳酸盐岩中，特别是与碳酸岩伴生的硫酸岩沉积环境中大量、普遍的存在着H2S气体。世界上含H2S气体最高的地区是美国的南德克萨斯气田,H2S含量高达98%。沙特阿拉伯的油气田大多含有高浓度的硫化氢（10～200ppm）。我国油田H2S气体含量分布如下：华北油田冀中坳陷赵兰庄气田下第三系孔店组碳酸岩气藏H2S含量跨度在10—90%。四川油田川东卧龙河气田三迭系嘉陵江灰岩气藏H2S含量9.6～10%。新疆塔里木的轮古油田H2S含量300～400ppm。以上地区皆属于中、高含H2S气体地区。克拉玛依油田在南缘的卡10井、西4井、东湾1井、安4井等都出现过H2S气体。在红山嘴、八区、稠油区等区块的油田开发过程中也出现过H2S气体。四、地层流体侵入的检测1.地层流体侵入的征兆（1）钻速（钻时）加快、蹩跳钻、钻进放空；（2）泥浆池液面升高；（3）钻井液返出量多于泵排量；（4）钻井液性能发生变化；¾密度降低；温度升高；粘度上升或下降；泥浆电导率增大或减小；¾气泡、氯根离子、气测烃类含量增加；¾油花增多，油味、天然气味、硫化氢味增浓。（5）泵压上升或下降，悬重减小或增大：（6）起钻时灌不进泥浆或泥浆灌入量少于正常值；（7）停止循环后，井口仍有泥浆外溢。2.地层流体侵入井眼的检测方法（1）泥浆池液面检测：利用泥浆池液面传感器。（2）钻井液返出流量检测：利用泥浆出入口流量计。超声波池体积传感器挡板型出口流量传感器超声波测量计超声波测量计（3）声波检测根据声波在液体、气体和气液两相流体中的传播速度不同检测气侵程度。声波在水中的传播速度为1500m/s，在空气中的传播速度为340m/s，在气液两相流中的传播速度可以低于每秒几十米。（4）利用综合录井仪实时监测（5）泵压上升或下降，悬重减小或增大；钻遇高压层时，井底压力突然升高，导致悬重减小，泵压升高；地层流体侵入钻井液后，钻井液密度降低，浮力减小，悬重增大，泵压减小。（6）起钻时灌不进泥浆或泥浆灌入量少于正常值；（7）停止循环后，井口仍有泥浆外溢。第三节溢流的控制—关井与压井控制溢流主要包括两个步骤：¾阻止地层流体继续侵入井眼——关井¾用具有合适密度的钻井液将受污染的钻井液循环出井眼，重新建立地层与井眼系统的压力平衡——压井一、井控装置简介井口防喷器组合二、井涌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之和平衡地层压力，阻止地层流体的继续侵入。（一）关井方式及选择1.硬关井发生溢流后，在节流阀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。适用于井涌速度较高、井口装置承压能力较低、裸眼井段有薄弱地层的情况。缺点：关井程序较复杂，时间长，地层流体侵入量较大。3.半软关井发现井涌后，先适当打开节流阀，再关防喷器。或边开节流阀边关防喷器。优点：适用于井涌速度较高、井口装置承压能力较低、裸眼井段有薄弱地层的情况。4.关井方式的选择：在溢流速度不高或者井口装置成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”。三、压井钻井液密度计算1.关井时的压力平衡关系（静态关系）haaphispppppp“U”形管原理+==+PaPst压井的目的是建立起新的井筒压力与地层压力之间的平衡。需要知道地层压力和压井所需的钻井液密度。这里假设高压层在井底、钻头在井底、不存在其它高压层和漏失层等复杂情况。2.循环时的压力平衡关系（动态关系）循环阻力lahaalapldhiTppppppppΔ++=Δ+=Δ+-式中：Tp——循环时的立管压力；laldspLhipTpppppppΔ+Δ+=Δ+−=ldpΔlapΔLpΔ——总循环压耗；——钻柱内循环压耗；——环空内循环压耗；ap——循环时的套压；3.地层压力和所需钻井液密度的计算Dppppdsphisppρ31081.9−×+=+=ρρρΔ++×=×Δ+=dsppkDpDpp331081.91081.933/15.0~07.00.5~5.3/10.0~05.05.3~5.1cmgMPapcmgMPap=Δ=Δ=Δ=Δρρ，气井：，油井：注意：¾不能用pp=pa+pha计算地层压力，因环空钻井液受地层流体污染严重，其密度难以确定。¾关井立管压力的求取，需根据不同情况采取不同的方法才能求准。¾根据U形管原理，可以理解关井后的套压pa比立压psp要高地层压力：压井钻井液密度：四、压井理论与方法¾压井目的：恢复井眼与地层之间的压力平衡，使井内泥浆液柱压力不低于地层孔隙压力。¾压井的基本工艺过程：将配制好的具有一定密度的钻井液，采用合适的泵速和泵压注入井内，替换出井内被污染的泥浆。¾压井过程中应遵循的基本原则：在整个压井过程中，通过调节节流阀的开启度保持井底压力不变--井底常压法。1.压井基本数据计算（1）压井钻井液密度（2）压井泵速确定采用低泵速压井：Qk=（1/3～1/2）QQk--压井排量，L/s；Q---钻进时的正常排量，L/s。¾采用低泵速的主要目的是便于压井过程中节流阀和立压的控制。¾大排量压井气体循环到达井口时，气体膨胀流量过大，处理困难。ρρρΔ++×=×Δ+=dsppkDpDpp331081.91081.933/15.0~07.00.5~5.3/10.0~05.05.3~5.1cmgMPapcmgMPap=Δ=Δ=Δ=Δρρ，气井：，油井：（3）压井作业时间①压井钻井液从地面到达钻头的时间：Vd--单位长度钻柱的容积，L/m。②压井钻井液充满环空所需的时间：Va--单位长度环空的容积，L/m。rddQDVt60=raaQDVt60=2.常规压井方法常规压井方法适用于钻头在井底或接近井底，能正常关井和循环，能通过控制立管压力保持井底压力略大于地层压力的情况。（1）二次循环压井法（司钻法）发现溢流关井后，先用原钻井液循环一周排除井内受污染钻井液。然后用配制好的重钻井液进行第二次循环，建立地层----井眼系统的压力平衡。（2）一次循环压井法（工程师法，等待加重法）关井等侯配制压井重钻井液，然后开启节流阀并开泵注入压井液；在一个循环周内用重泥浆将原来钻井液替出，恢复地层----井眼系统的压力平衡。2.常规压井方法（1）一次循环压井法（工程师法，等待加重法）关井等侯配制压井重钻井液，然后开启节流阀并开泵注入压井液；在一个循环周内将原来钻井液替出，恢复地层--井眼系统的压力平衡。优点：压井作业时间短，压井时的套压低，不易压漏薄弱地层。缺点：关井等候压井的时间长，对易卡钻地层增加了卡钻的可能性。施工工序：①缓慢开泵，调节节流阀保持套压等于关井套压；②调节泵速使排量达到压井排量并保持排量不变，此时立管压力等于初始循环立管压力pTi；③泵入压井液，调节节流阀使立管压力在td时间内由初始循环立管压力pTi降到终了循环立管压力pTf；④在压井液从井底返至地面的时间ta内，调节节流阀，保持立管压力始终等于pTf不变。当压井液返至井口时，套压降为零，压井结束。一次循环压井方法（工程师法）立压和套压变化规律（2）二次循环压井方法（司钻法）发现溢流关井后，先用原钻井液循环一周排除井内受污染钻井液。然后用配制好的重钻井液进行第二次循环，建立地层--井眼系统的压力平衡。优点：可以尽快地排除井内受污染钻井液，关井等待时间短，可尽快恢复循环；缺点：压·井过程