钻井工程第六章油气井压力控制

第六章油气井压力控制Chapter6WellControl燕山大学教学课件钻井工程主讲人：李子丰第六章油气井压力控制1.井眼与地层压力系统2.地层流体的侵入与检测3.压井——恢复压力平衡的方法研究的主要问题：井眼内的压力平衡问题。主要掌握的内容：2第六章油气井压力控制3第六章油气井压力控制4第六章油气井压力控制概述油气井压力控制——在钻井过程中对井筒压力进行控制。井控的技术内容：1、地层压力的预测和监测；2、钻井液密度的控制；3、合理井身结构的设计；4、防喷器装置的配套；5、溢流后的正确处理。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、井塌或缩径等复杂情况；3、有效地保护油气层。5第六章油气井压力控制发生井喷失控的原因起钻抽汲，起钻过程中不及时灌泥浆；起完钻后空井时间过长；未及时发现溢流，或发现溢流后处理措施不当；井口未安装防喷器，或承压能力太低；防喷器及管汇安装不符合要求；井身结构设计不合理；对浅气层缺乏足够的认识；地层压力预测不准，泥浆密度偏低；在发生井漏后，没有预防可能发生的井喷；思想麻癖，违章操作。6井眼与地层压力系统1地层流体的侵入与检测2溢流的控制--压井3第六章油气井压力控制7第六章油气井压力控制第一节井眼与地层压力系统Section1wellandformationpressure(1)地层孔隙压力P--地层孔隙压力的当量泥浆密度。D---地层垂深，m。(2)地层破裂压力f---地层破裂压力的当量泥浆密度。DgpffgDppp一、井眼与地层压力体系1、井眼内的各种压力8第六章油气井压力控制第一节井眼与地层压力系统(3)钻井液液柱压力(4)井内波动压力抽汲压力：激动压力：Sb——抽汲压力的当量泥浆密度(抽汲压力系数)。一般Sb=36～80.kg/m3。Sg——激动压力的当量泥浆密度(激动压力系数)。一般Sg=24～100kg/m3。DgSPbsbDgSPgsgDgpdh一、井眼与地层压力体系1、井眼内的各种压力9第六章油气井压力控制第一节井眼与地层压力系统(5)环空循环压降--环空压降的当量泥浆密度。gDpaa(6)含岩屑钻井液的压力增加值(7)井底有效压力正常钻进时：起钻时：下钻时：最大井底压力：最小井底压力：Dgprrrahheppppsbrhheppppsgrhheppppsgrahhemaxpppppsbrhheminppppa一、井眼与地层压力体系1、井眼内的各种压力10第六章油气井压力控制第一节井眼与地层压力系统安全钻井的压力平衡条件：fheppppfhepphepppheppfheppfhepppp一、井眼与地层压力体系2、井眼与地层压力关系，地层流体侵入井眼；，平衡压力钻井；，压裂地层，发生井漏；，过平衡压力钻井。或11平衡压力钻井是指作用于井筒的液柱压力等于地层孔隙压力情况下进行的钻进。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。第六章油气井压力控制第一节井眼与地层压力系统p--考虑平衡安全的附加压力.油井：p=1.5～3.5MPa，=50～100kg/m3；气井：p=3.0～5.0MPa，=70～150kg/m3。ppppmpm二、平衡压力钻井(balancedpressuredrilling)1、平衡压力钻井的概念2、地层-井眼系统的压力平衡关系或12第六章油气井压力控制第一节井眼与地层压力系统•精确掌握地层压力；•设计合理的钻井液密度和井身结构。二、平衡压力钻井(balancedpressuredrilling)3、平衡压力钻井的优点4、平衡压力钻井的技术关键•提高钻速；•保护油气层；•能实现安全钻进。13第六章油气井压力控制第一节井眼与地层压力系统(1)概念欠平衡压力钻井指作用于井壁的液柱压力略低于地层孔隙压力情况下的钻井。在井筒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)欠平衡钻井适用的储层高渗透固结砂岩和碳酸岩油气藏;裂缝性油气藏;三、欠平衡压力钻井（underbalanceddrilling）1、欠平衡压力钻井概述致密性（低孔低渗）油气藏;压力衰竭的低压油气藏。14第六章油气井压力控制第一节井眼与地层压力系统用常规钻井液密度，边喷边钻。人工诱导产生欠平衡条件三、欠平衡压力钻井（underbalanceddrilling）1、欠平衡压力钻井概述直接采用低密度钻井液，如气化的水基或油基钻井液，气雾或泡沫钻井液等。向钻井液基液中注入非凝气，以降低钻井液基液密度。(3)欠平衡产生的条件15第六章油气井压力控制第一节井眼与地层压力系统(4)欠平衡压力钻井的井口控制设备旋转控制头旋转防喷器三、欠平衡压力钻井（underbalanceddrilling）1、欠平衡压力钻井概述16第六章油气井压力控制第一节井眼与地层压力系统1）主要设备--旋转防喷器的质量及可靠性；2）地层孔隙压力和坍塌压力的准确预测；3）井筒有效压力的计算及检测；4）钻井液类型选择和密度等性能的控制；5）井口压力的控制及循环出井的流体的处理；6）起下钻过程的欠平衡；7）井壁稳定性保证；8）固井和完井。(5)技术难点三、欠平衡压力钻井（underbalanceddrilling）1、欠平衡压力钻井概述17第六章油气井压力控制第一节井眼与地层压力系统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带岩屑返到井口。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控制头下面的排放管线排出。2、欠平衡压力钻井方式(1)空气钻井三、欠平衡压力钻井（underbalanceddrilling）优点：显著提高机械钻速；保护油气层；解决井漏问题。缺点：井内产生碳氢化合物时，易着火、爆炸；井内进水后携带岩屑困难；钻头和钻具得不到有效冷却和润滑。18第六章油气井压力控制第一节井眼与地层压力系统主要特点：在空气中掺入水或轻质钻井液，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；有少量地层水进入井眼也能有效携带岩屑。(2)雾化钻井(3)泡沫钻井主要特点：采用稳定泡沫作为循环介质进行钻井。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，粘度和切力高，携岩能力强。2、欠平衡压力钻井方式三、欠平衡压力钻井（underbalanceddrilling）19第六章油气井压力控制第一节井眼与地层压力系统主要特点：采用低密度钻井液，控制井底有效压力低于地层孔隙压力。主要优点：适用于地层压力较高的油气藏。2、欠平衡压力钻井方式三、欠平衡压力钻井（underbalanceddrilling）(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450～1200kg/m3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；可用于易出水地层。(5)边喷边钻20第六章油气井压力控制第二节地层流体的侵入与检测Section2Inflowofformationfluidsandmonitor溢流（kick）：地层流体（油、气、水）侵入井内，井口返出的钻井液量大于泵入量，或停泵后钻井液从井口自动外溢的现象。井涌（kick）：溢流的进一步发展，钻井液涌出井口的现象。井喷（wellblowout）：地层流体(油、气或水)无控制地流人井内并喷出地面的现象。是一种恶性钻井事故。一、地层流体侵入的原因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、起钻抽汲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。21第六章油气井压力控制第二节地层流体的侵入与检测(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)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。二、气侵1、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。2、气侵的特点及危害22第六章油气井压力控制第二节地层流体的侵入与检测(3)当井底积聚相当体积的气体形成气柱时，随着气柱的上升（滑脱上升或循环上升），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。二、气侵2、气侵的特点及危害23第六章油气井压力控制第二节地层流体的侵入与检测(4)气侵关井后，气体将滑脱上升，在井口积聚。但体积变化并不大。使气体几乎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。二、气侵2、气侵的特点及危害24第六章油气井压力控制第二节地层流体的侵入与检测(1)钻速加快、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；(6)起钻时灌不进泥浆或泥浆灌入量少于正常值；(7)停止循环时，井口仍有泥浆外溢。三、地层流体侵入的检测1、地层流体侵入的征兆25第六章油气井压力控制第二节地层流体的侵入与检测(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流量计2、地层流体侵入井眼的检测方法三、地层流体侵入的检测26第六章油气井压力控制第二节地层流体的侵入与检测(3)声波检测根据声波在液体、气体和气液两相流中传播速度的不同检测气侵的程度。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2、地层流体侵入井眼的检测方法三、地层流体侵入的检测27第六章油气井压力控制第三节溢流的控制--压井Section3Kickcontrol阻止地层流体继续侵入井眼--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。控制溢流主要包括两个步骤：28第六章油气井压力控制第三节溢流的控制--压井一、井控装置简介井控装置标准配套示意图29第六章油气井压力控制井口防喷器组合一、井控装置简介第三节溢流的控制--压井30第六章油气井压力控制第三节溢流的控制--压井(1)硬关井发现溢流后，在节流阀未打开的情况下关闭防喷器。关井时间短，可以尽快阻止地层流体侵入。易产生水击、易损坏井口装置或压漏薄弱地层。适用于井涌速度不高、井口装置承压能力高的情况。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。1、关井方式31第六章油气井压力控制第三节溢流的控制--压井二、井涌关井环