油气井压力控制

本章重点：（1）井眼与地层间的压力平衡关系；（2）欠平衡压力钻井的使用范围及常用设备；（3）地层流体的侵入的征兆及检测方法；（4）气侵的特点及H2S气体的防护措施；（5）不同情况下的关井程序；（6）压井方法及压井计算。难点：（1）气侵时圈闭压力的释放方法；（2）压井计算及特殊情况下的压井方法。第六章油气井压力控制概述油气井压力控制——在钻井过程中对地层压力进行控制。井控的技术内容：地层压力的预测和监测；钻井液密度的控制；合理井身结构的设计；防喷器装置的配套；溢流后的正确处理。井控的基本要求：有效地控制地层压力，防止井喷；防止井漏、井塌或缩径等复杂情况；有效地保护油气层。井控的分类一级井控：利用钻井液密度，建立井内压力平衡。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。三级井控：井喷后的处理与压力控制。第一节井眼—地层系统的压力平衡Dρpff009810=.一、井眼内的各种压力1.地层孔隙压力DPpp31081.92.地层破裂压力3.钻井液静液柱压力Dpdh31081.94.环空循环压降()cppvmaKKQμρp+575030=Δ812080....5.井内波动压力抽吸压力：激动压力：33/08.0~036.01081.9cmgsDsPbbbs，33/1.0~024.01081.9cmgsDsPgggs，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：正常钻进时：pb=ph+pa+pr起钻时：pb=ph+pr-psb下钻时：pb=ph+pr+psg最大井底压力：pbmax=ph+pa+psg+pr最小井底压力：pbmin=ph+pr-psbDPrr31081.9二、安全钻井的压力平衡条件：PPPbPfpbpp，地层流体侵入井眼；pb=pp，平衡压力钻井；pbpf，压裂地层，发生井漏；pppbpf过平衡压力钻井；pbpp,地层流体有控制地进入井眼，欠平衡压力钻井三、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.井眼—地层系统压力基本关系33150070=Δ0553=Δ100050=Δ5351=ΔΔ+=Δ+==Δ-Δ+=cmgρMPaPcmgρMPaPρρρPPPPPPPPpdPhpsbrhb/.~..~./.~..~.min，气井：，油井：p—安全附加压力；—安全附加密度；3.平衡压力钻井的优点提高钻速保护油气层能实现安全钻井4.平衡压力钻井的技术关键精确掌握地层压力设计合理的钻井液密度和井身结构四、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。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.技术关键(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3.欠平衡适用的底层范围：低压低渗透油气藏严重水敏性底层的钻进漏失性底层，如裂缝性地层4.欠平衡压力钻井方式：(1)空气钻井采用空气作为循环介质；基本工序：用大功率压风机将压缩空气经钻柱打入井内，从钻头喷嘴喷出。高速气流冲洗井底并携岩返至井口。井口配置旋转控制头（旋转防喷器），用以封闭环形空间，携带岩屑的气流从旋转制头下面的放管线排出。(2)雾化钻井主要特点：在空气中渗入水或轻质钻井液，自钻头喷嘴喷出后形成雾状流体，冲洗井底和携带岩屑；主要优点：不易着火和爆炸；有少量底层水进入井眼也能有效携带岩屑。(3)泡沫钻井主要特点：采用稳定泡沫作为循坏介质进行钻井。稳定泡沫由气体（氮气或CO2）、液体和表面活性剂配制。主要优点：密度低，年度和切力高，携岩能力强。(4)充气钻井主要特点：在钻井液中掺入气体，从而降低钻井液密度。充气钻井液密度可控制在0.45-1.20克/立方厘米范围内；主要优点：密度可调范围大；能消除空气钻井可能引起的井下爆炸；较一次性的泡沫钻井经济；可用于易出水底层。(5)边喷边钻主要特点：采用低密度钻井液，控制井底有效压力低于底层孔隙压力。主要优点：适用于底层压力较高的油气藏。一、溢流的概念1.油、气、水侵油、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。第二节溢流的侵入及其检测二、地层流体侵入井内的原因1、地层压力掌握不准，使设计的钻井液密度偏低；2、地层流体（油、气、水）侵入，使钻井液密度降低；3、起钻未按规定灌泥浆，或井漏使井内液面降低；4、起钻速度过快，引起抽吸压力过大，地层流体侵入井内；5、停止循环时，环空循环压降消失，使井底压力减小。统计表明，近70%的井涌或井喷发生在起钻（或起完钻）过程中。三、气侵的特点1、气侵的途径与方式(1)岩石孔隙中的气体随钻碎的岩屑进入井内钻井液；(2)气层中的气体由于浓度差通过泥饼向井内扩散；(3)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。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。3、H2S气体的危害(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）。H2S浓度ppm危害程度0.13—4.6可嗅到臭鸡蛋味，一般对人体不产生危害4.6—10刚接触有刺热感，但会迅速消失10—20为安全临界浓度值，在此浓度露天下人可以连续待8个小时，否则要戴防毒面具。国内标准20，国外1050允许人直接接触10分钟100接触3—10分钟，就会感到咽喉发痒、咳嗽、接着损伤嗅觉神经、眼睛，有轻微头痛，恶心，脉搏加快。四小时以上可能死亡。200立即破坏嗅觉系统、眼睛、咽喉有灼热感、时间长了，眼、喉将被灼伤，若不立即离开，将导致死亡。500失去理智和平衡知觉，呼吸困难，2—15分钟内出现呼吸停止，如果抢救不及时，将导致死亡。700很快失去知觉，停止呼吸。若不立即抢救，马上死亡。1000立即失去知觉，造成死亡或造成永久性脑损伤，智力残损——植物人。2000吸上一口，立即死亡，无法抢救。人在不同H2S浓度下受到危害的程度对照表(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。4、注意事项：(1)起钻初期一定要控制起钻速度；(2)起钻时注意及时灌浆；(3)尽可能防止长时间空井；(4)在含气量比较大的地区或气田要有高度的警惕性，下钻时，可采用分段循环的方法排除侵入井内的气体。(5)发生井漏时要预防井喷；(6)发现井涌后应及时关井，切不可采用循环观察的方法来确定井内的情况。(7)在发生井涌时，不要开着井口抢下钻，或者企图把钻头提到套管鞋内。以免造成井喷。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；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；泥浆电导率增大或减小。（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。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流量传感器挡板型出口流量传感器超声波流量计(3）声波检测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：阻止地层流体继续侵入井内——关井；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、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。适用于井涌速度不高，井口装置承载能力高的情况。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。适用于井涌速度高，井口装置承压能力较低，裸眼井段有薄弱地层情况。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。特点：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。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