A04井内流体的运移溢流的原因与发现讲解.docx

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A04井内流体的运移溢流的原因与发现讲解

第4章井内流体的运移

井内流体按压缩性的大小分为气体和液体。

气体极易压缩，也称为科压缩流体；液体几乎不可压缩，也称为不可压缩流体。

流体不能保持一定的形状，而具有很大流动性。

在井控理论中，谈及最多的运移形式包括溢流、气体膨胀。

尽早发现溢流、控制气体膨胀，是作业井控的关键。

井喷很少突然发生，多数都有一些溢流、井喷先兆，只要观察及时、准备充分，加以有效的预防，绝大多数井喷事故都是可以避免的。

4.1溢流的产生与预防

溢流是指当井底压力小于地层压力时，地层流体在压差作用下进入井内，导致井口返出量大于泵入量、停泵后井口自动外溢的现象。

4.1.1产生溢流的必备条件

溢流的发生必须具备以下两个条件:

1.井底压力小于地层压力。

2.溢流地层必须具有必要的渗透率，允许地层流体进入井内。

4.1.2产生溢流的原因

发生溢流的本质原因是井内压力失去平衡，是井底压力小于地层压力所致。

在不同工况下，井底压力是由一种或多种压力构成的合力，任何一个或多个引起井底压力降低的因素都可能导致溢流的发生。

最常见的易引起溢流因素包括液柱压力小于地层压力、起管柱时井内未灌修（压）井液或灌注量不足、起管柱时产生过大的抽汲压力、漏失、修（压）井液密度不够、地层压力异常等。

4.1.2.1井内液面过低

静液柱压力是引发溢流的第一道防线，静止工况下，静液压力是施加在地层上的唯一压力。

。

如果液柱压力降至低于油层压力的水平，地层流体将流向井内。

统计表明许多溢流发生在起管柱时，这说明或者存在抽汲或者没有正确灌浆。

起管柱时，油管的体积从井内起出，井内液面和液柱压力都将下降。

如果液柱压力降至低于地层压力，将开始溢流。

因此，起管柱时灌注压井液是至关重要的，灌入的体积应等于起出的油管的体积。

为了减少由于起管柱时修（压）井液末灌满而造成的溢流，应做到以下几点：

1.起出管柱后，井内液面会下降至多高。

2.计算起出管柱的体积。

3.测量灌满井眼所需修（压）井液量。

4.定时将灌修（压）井液量与起出管柱体积进行比较，并安排专人记录、比较。

5.如果两种体积不相符合要立即采取措施。

管柱的体积取决于每段管柱的长度、外径、内径。

对于大多数普通尺寸的管柱可从体积表中查出，也可由下面的公式计算：

管柱排减量（m3/m）=7.854×10-7×[外径（mm）2-内径（mm）2]

由于某种原因（管柱水眼堵）造成湿起，即起管柱带出其内部修（压）井液，这种情况下灌入的修（压）井液量应等于所提出管柱排减量与内容积之和。

对于管柱的内容积，可以从油管体积便查表中查出，也可以用下面的公式来计算：

内容积（m3/m）=7.854×10-7×内径2（mm）

此时，灌液量（m3/m）=排减量+内容积=7.854×10-7×外径2（mm）

灌修（压）井液的原则是起管柱时，要及时灌修（压）井液，决不能让井内液面下降过多。

[例4-1]已知套管尺寸为7"，井液为1.325g/cm3的盐水，由于管柱堵死，进行湿起，求起出5柱2⅞"油管（每柱27.9m）后的井底压力降。

解:

油管湿起下的排代系数为：

C油管=7.854×10-7×2⅞2=7.854×10-7×732=4.18（l/m）=4.18（m3/km）。

7"套管与2⅞"油管环空容积为：

C环空=7.854×10-7×（72-2⅞2）=7.854×10-7×（177.82-732）=20.47（l/m）=20.47（m3/km）。

则：

5柱油管总体积为：

V=4.18×27.9×5=0.583（m3）

湿起引起液面下降为：

h=583/20.47=28.5（m）

井底压力降为:

△P=O.00981ρh=0.00981×1.325×28.5=0.37（MPa）

有时，由于射孔段漏失使监测灌注压井液量变得很复杂，即开始井内可能是充满的，一段时间后流体渗入地层，如果这种情况发生，灌入的量应大于理论计算的灌入量。

有时地层压力很低而不能使井眼充满，此时，只能对油层进行暂堵。

然后再灌注，通常灌至理论灌注量。

保持液柱压力对井控十分的重要。

每个现场施工人员都应能够正确执行灌注要求。

4.1.2.2抽吸压力

起管柱的抽吸作用会降低井底压力，使井底压力低于地层压力，从而造成溢流。

仔细计量灌入量可以发现抽汲溢流，比如起出了3m3的管柱体积只灌入了2m3井液，则说明有1m3的溢流被抽进井筒。

必须特别注意灌浆量的监测，因为统计表明，许多溢流发生在起管柱时。

起管柱时减小抽吸力的原则：

1.灌液控制井底压力略高于地层压力（这个超出的压力就是安全附加压力）。

2.大尺寸工具减少环空间隙，高粘度、高切力压井液性能会增加抽汲作用，要减少管串中大径工具，循环好压井液再起钻。

3.控制起管柱的速度。

4.1.2.3密度偏低

修（压）井液密度不够是发生溢流的主要原因之一，防止由于修（压）井液密度不够引起溢流的一般做法是：

1.准确估算地层压力，分析邻近井资料，特别是发生过地下井喷、注入作业、套管漏失、固井质量不好或报废井的情况。

2.计算压井液密度要考虑附加值。

3.安装适当的地面控制装置，以便及时排除修（压）井液中的气体，不要把气侵修（压）井液再重复循环到井内。

4.保持修（压）井液处于良好性能

4.1.2.4漏失

井漏使井内液面和液柱压力降低，导致液柱高度和压力都降低；如果井底压力低于地层压力，溢流将会发生。

井漏的主要原因有：

1．压井液密度过高；

2．压力波动过大；

3．疏松地层。

井液密度过高：

是指井底压力超过了地层压力。

如果压井液密度过高，将会超过地层压力而导致井漏；当使用的压井液密度很接近地层压力梯度时，需要考虑当量循环密度，当量循环密度是由于摩擦阻力而增加的井底压力，尤其在反循环时，当量循环密度可能会很大，会导致井漏。

此时，可向井内泵入适量低密度井液以减少液柱压力；泵速应尽量维持低值减少井底压力和漏失的可能性。

波动压力过大：

波动压力是由下管柱过快引起的井底压力升高。

如果液柱压力和波动压力之和大于井底压力，将会引起井漏。

因此，应控制下钻速度，减少波动压力。

疏松地层：

地层胶结性差、疏松，异常低压砂岩的破裂压力梯度通常较低；

如果多油层完井或套管上部有孔，则会使薄弱地层破裂而井漏。

此时，保持井内液柱压力很困难，需要堵漏压井，备好堵漏材料。

4.1.2.5压力异常

如受注水的影响，老井套管外连通等导致压力异常。

通常采取的做法是：

1.分析邻井资料，特别是注水生产情况、注水量、注水压力等。

2.掌握井身结构情况，如套管漏失、固井质量等。

3.密切监控修井过程中的压力变化。

4.1.3各种作业工况下溢流的检测与预防

发生溢流时，在地面总可以观察到溢流的显示。

及时发现这些显示，并在各自的职责范围内采取必要措施，防止井喷事故发生。

4.1.3.1循环时的溢流预兆与预防

三、电缆操作或空井时溢流的预兆

1．井口外溢

电缆操作时，由于电缆体积较小，起下作业都不应该引起井内流体明显外溢，空井时更是如此。

如果此时外溢，就说明溢流已经比较严重。

2．关井地面压力显示

观察到此现象，现场人员首先必须确定井是否关好，有无泄漏之处，并继续观察记录油压和套压以便在压井前发现潜在的问题。

1.循环时的溢流预兆

⑴循环时油气水侵

循环时油气水侵是可能发生溢流的一个良好的信号。

气侵流体在地面可以观察到气泡沫，水侵不仅使返出井液的密度下降，而且使氯根浓度发生变化，油侵时可以看到油膜或油花。

⑵循环泵下降

泵压是油套管内液柱压力和摩阻的函数。

溢流进入井筒使液柱压力下降进而导致泵压下降泵速上升，因此，当发现泵压和泵速变化时应加强井眼的观察。

⑶井液返出量增加

在泵排量不变的情况下，井口返出液量增加或井口返出流速增加，是发生溢流的主要显示之一。

井液返出量增加，说明地层流体进入井内，从而推动井液在环形空间加速上返。

如果溢流是气体，由于气体在环空上升过程中体积不断增大，也造成返速增加，返出量增大。

循环罐中液量增加

在没有人为增加液量的情况下，循环罐的液量增加，说明溢流正在发生。

由于溢流发生时，进入井内的地层流体使循环总量增加，因此罐中液量增加。

作业人员对循环罐中液量的变化情况应敏感和重视，循环罐液面发生变化，一定要找出变化的原因，并采取相应的措施。

停泵后，井口井液外溢

当停泵以后，井内井液继续外流，说明井内正在发生溢流或者气体滑脱上升。

注意，当管柱内井液密度比环空井液密度高的多时，井口井液也会外溢。

当发生这种情况此时，司钻应仔细分析原因，区分密度差与溢流，采取正确措施，必要时可关井。

2.循环时的溢流预防

⑴严格执行施工（工程）设计的井液密度值。

⑵及时发现地层压力变化并相应调整井液密度。

⑶及时处理井漏等复杂问题。

⑷发现油气水侵、返流速度升高、循环池液面升高、泵压下降或泵冲增加时，及时通过定期测量进出口流体密度的方法进行溢流检查。

4.1.3.2.起下管柱时的溢流预兆与预防

1.起下管柱时的溢流预兆

⑴起下管柱时灌注或返出井液量与管柱体积不符

起管柱时，若灌入井内的液量小于起出管柱体积，则表明地层流体已经进入井内，溢流可能发生了。

下管柱时，如果返出液量大于管柱体积，也表明井内发生溢流。

⑵起下管柱停止操作时井口外溢

停止起下管柱，如果井口井液外溢，说明溢流已经比较严重了。

2.起下管柱时的溢流预防

⑴定量灌注。

使用灌液泵，每起15-20根，灌注一次；对漏失井应连续灌注，并定期观察环空液面在起管柱时是否正常下降。

⑵正确计量。

如果灌注量与起出灌注体积不符，应停止起管柱，进行溢流检查，并通知负责人。

⑶溢流检查。

在停泵状态下观察、判断井筒是否稳定。

⑷控制起下管柱速度。

尽量控制起管柱速度以减小波动压力，特别是带有大直径工件时。

一般速度不超过0.5m/s。

⑸中止起下管柱。

如果起管柱作业由于各种原因中止，应安装旋塞阀。

4.1.3.3空井及电缆操作时的溢流预兆与预防

1.空井及电缆操作时的溢流预兆

⑴井口外溢

测井时，电缆下放和起升过程中，井口有明显的井液外溢，这说明井内已发生溢流。

出现这种情况应立即停止测井作业，根据溢流情况决定继续起出电缆还是切断电缆关井。

⑵关井井口有压力显示

观察到此现象，现场人员首先必须确定井是否关好，有无泄漏之处，并继续观察，记录油压和套压以便在压井前计算压井液密度、发现潜在的问题。

2.空井及电测时的溢流预防

尽管电缆绳索自身体积相对较小，起下过程中，排出或需要补充的压井液量小，但仍不能忽视，特别是带有大直径工具的电缆或绳索起下作业，应该控制速度，避免因抽汲或压力激动导致溢流。

⑴停止作业时应有专人监视井口，发现溢流预兆及时处理。

⑵长期空井时应下一定深度管柱，关闭井筒。

4.2井内气体的膨胀和运移

作业过程中，最常见也是最危险的溢流是气体溢流。

由于它在不同温度、压力下具有溶解、膨胀和易燃易爆的特性，使井控变的更加复杂。

4.2.1天然气的特点

气体与液体最显著区别在于压缩或膨胀性。

气体受压增加，其体积减小，气体受压减小，体积增加。

这种特性可用下面的公式描述:

PV=ZnRT或

=常数（4-1）

式中：

P-气体所受到的绝对压力，MPa。

V-气体的体积，m3。

Z-气体的压缩性系数。

n-气体的物质的量。

R-气体常数，MPa.m3/K。

T-气体的绝对温度，K。

如果不考虑气体压缩性系数及温度变化，则上式变为玻义耳-马略特定律:

P1V1=P2V2（4-2）

即气体压力增加一倍，体积减小一半;相反，气体压力减小一半，体积增大一倍。

气体的可压缩性和低密度这两种特性使井控变得复杂，我们必须了解和掌握可膨胀气体运动所造成的静液压力和井眼压力的变化特性，以便控制气侵。

4.2.2气侵的途径与方式

地层中流体的存在状态，既有油、气、水单独存在，也有油、气、水共存。

即使是油侵、水侵，往往也会伴随一些天然气的侵入。

天然气无论是在侵入的方式方面，还是在井内的运动状态方面，都不同于油侵和水侵。

为了有效地实施井控作业，熟悉掌握气侵的一些特点是十分必要的。

4.2.2.1压力差侵入

井底井力小于地层压力时，天然气会在压差作用下由气层以气态或溶解状态大量地流入和渗入井内。

或者起管柱时由于停止循环、抽吸作用等原因会使井底压力降低。

较长时间地停止循环，可能会在井底积聚大量气体形成气柱。

4.2.2.2重力置换侵入

当揭露大段的气层，特别是大裂缝或溶洞时，由于井液密度大，与天然气产生重力置换，天然气会被井液从地层中置换出来，在井底积聚形成气柱。

4.2.2.3浓度扩散侵入

气层中的天然气会在浓度差的作用下透过滤饼向井内扩散。

扩散进入井内的天然气量主要取决于揭露气层的表面积、浓度差和滤饼性质。

一般经过滤饼扩散进入井内的气体量不会太多，但是，当滤饼由于压力激动等原因受到破坏以及长期停止循环时，则扩散进入的气体量就会增加。

即使在地层压力小于液柱压力时，气体也不可避免地侵入井内。

4.2.3气体运移对井筒压力的影响

气体密度较低是引起它在井内滑脱上升的原因，与气泡在汽水中上升类似，环空情况、井斜角、井液性能不同或由于关井引起的压力变化都有可能对气体的运移造成影响，但都不会阻止气体的运移。

4.2.3.1开井条件下运移

开井条件下，气体在井内滑脱上升或随井液循环上升的过程中其体积会膨胀，会排出等量的井液，从而降低井底静液柱压力。

而且越接近地面膨胀速度越快。

4.2.3.2关井条件下运移

关井条件下，在没有发生井漏之前井内气体不能膨胀，所以气体就会保持原有压力向上移动。

由于油、套压反映的是井内液柱压力与井底压力的差值，当气体在井底时其压力是地层压力，也是井口压力与静液柱压力之和。

当气体保持原有压力滑脱上升时，井口压力、井底压力都将增大。

当气体到达井口（或井内液柱顶部）时，井口和井底压力达到最大。

4.2.4关井后天然气滑脱上升的处理

关井后天然气滑脱上升使井口和井底压力同时升高，将会造成井口设备损坏或井漏事故的发生。

所以当井口压力达到一定值时，应节流放压处理，其主要目的是允许气体膨胀，降低其压力。

4.2.4.1天然气滑脱上升速度的计算

在关井条件下，天然气在环空滑脱上升速度可通过套压的升高值来计算。

由于天然气在环空不能膨胀，压力就保持不变。

因此，关井套压升高值，就是天然气上面井液压力减小值。

天然气滑脱上升速度:

=102（Pa2-Pa1）/ρm（t2-t1）（4-3）

式中：

Vg-天然气柱滑脱上升的速度，m/h。

Pa1-关井后t1时间关井套压，MPa。

Pa2-关井后t2时间关井套压，MPa。

tl、t2-关井时间，h。

ρm-井液密度，g/cm3。

4.2.4.2井口安全时间的确定

一般情况下，天然气在井内滑脱上升速度约150-1700m/h。

据天然气滑脱上升速度和油气层深度可求出天然气滑脱上升时间:

（4-4）

式中：

t-井口安全时间,即天然气滑脱上升时间，h

H-油气层至井口的距离，m。

4.2.4.3天然气滑脱上升的处理

当天然气滑脱上升引起井口压力上升时，要派人密切监视井口压力，如果接近或超过最大允许关井套压，必须适当放压。

释放的原则是多次少放，保持套压不超过允许值。

4.3天然气侵入后对井内压力的影响

天然气侵入井筒后，随着循环在环形空间上升。

天然气在井底时受到的静液压力最大，在上升过程中所受静液压力逐渐减小，而其体积不断增大，井液当量密度随着天然气上升逐渐降低，从而引起井内静液压力减少。

4.3.1气侵对修井液柱压力的影响

4.3.1.1气侵对修井液柱压力的影响

天然气侵入井液后，以游离状态即微小气泡吸附在井液颗粒的表面，随着井液循环上返。

由于气体是可压缩的，气泡在滑脱上升过程中，所处的压力不断减小，体积就逐渐膨胀增大（如图4-3-1所示）。

因此，气侵井液的密度在不同深度是不同的，这时绝不能再以地面气侵井液的密度乘以井深来计算液柱压力。

仅仅由于气侵，井底液柱压力的减小是非常有限的（如图4-3-2所示）。

图4-3-1：

气体在井内体积变化示意图

这表明，地面气侵很严重的井液，看起来好像有大量气体侵入井液，但是实际上井底只有少量的气体进入井液。

由于气体的可压缩性质，少量气体在井中并不排代许多井液，只有在气体接近地面

时才膨胀得非常快。

确立这种认识对于正确估量井底天然气侵入的

程度是十分必要的。

从以上分析我们可以看出重要结论，仅仅由于气侵，井底液柱压力的减少是非常有限的。

只要采取有效的除气措施，保证使泵入井内的井液保持原有的密度，就不会有井喷的危险。

但是如果没有及时有效地除气，让气侵井液重新泵入井内，而且继续不断地受到进一步气侵，则井底井液柱压力将不断下降，终于会失去平衡，导致井喷。

这个定理对防控井喷事故的发生是非常重要的。

4.3.1.2气体段塞对修井液柱压力的影响

实际施工作业中还常常会遇到另一种情形，由于各种原因而较长时间停止循环时，侵入井底的气体往往不是均匀分布的，会产生积聚形成气柱。

气柱在井内滑脱上升或被循环井液推着上行时体积会大大膨胀。

[例4-1]3000m处有0.26m3天然气柱的膨胀上升情况（如图4-3-3）。

这种情况在一些起管柱开始时发生局部抽吸的井中是容易发生的。

起初膨胀很小，但是当天然气接近地表时膨速增加。

例如在到达井深750m时，天然气体积将增至4倍，在井深187.5m时增至16倍，当气柱上升到一定高度后，由于气柱上面压力的减小，气柱体积的膨胀就足以使上部井液自动外溢喷出。

图4-3-2：

气体在井内体积变化

图4-3-3：

气体在井内膨胀上升示意图

这个过程说明：

⑴气体在井内滑脱上升过程中体积一直在膨胀，但体积增量很小，只是在靠近地面时才快速增加，而且这时修（压）井液循环罐液面才有明显的增加。

⑵气体膨胀上升对井底压力影响很小，只是在靠近地面时，井底压力才明显降低。

由于天然气滑脱上升接近地表时，在低的压力下它将取代大量的井液，大大降低了井底压力，使更多的天然气以更快的速度侵入井中，因此开始发生天然气侵的时间要早得多。

4.3.

2修井液自动外溢或自喷的条件

4.3.2.1小积聚量气侵的自动外溢条件

如图4-3-4所示，设井下有一段气柱或严重气侵的修（压）井液，高度为x。

上面为未气侵的修（压）井液，高度为h。

修（压）井液密度为ρm，井筒截面积为A。

则作用在气柱上初始压力为Ps+10-3ρmgh，气柱的初始体积为Ax。

如果修（压）井液柱的高度减少△h，则作用在气柱上的压力将减为Ps+10-3ρmg（h-△h）。

由于压力的减少，气柱将发生膨胀而高度将增加，即气柱膨胀后的终了体积为A（x+△x）。

图4-3-4：

井液自动外溢条件

为简便起见，认为气体的膨胀过程是等温的，则：

（Ps+10-3ρmgh）Ax=[Ps+10-3ρmg（h-△h）]A（x+△x）

显然，如△x<△h，不会发生外溢;如△x>△h，则将发生外溢;而△x=△h，则为不稳定临界条件。

将△x=△h及Ps=0.1MPa（因为外溢时井口是开启的）代人上面方程式中，可得:

令△h=0,则

（4-4）

式中：

x-井下积聚的气柱或严重气侵的修（压）井液柱的高度，m。

h-气柱上面未气侵的液柱的高度，m。

ρm-未气侵修（压）井液的密度，g/cm3。

式（4-4）表明的是静止不稳定平衡状态，修（压）井液稍一流出就会随之外溢井喷。

但是这需要在井眼下部积聚大量的气体，体积超过在其上面的将被喷出的修（压）井液体积。

在停止循环的状况下，要积聚起这样大量的气柱（其高度超过井深的一半以上）是不大可能发生的。

然而应该考虑气柱滑脱上升时的情况。

4.3.2.2.大积聚量气侵的自喷条件

如图4-3-5a所示，各符号代表意义如前，但此时并不发生外溢。

设当整个修（压）井液及气体柱上行到距井底L时，产生如前所述修（压）井液开始外溢的临界条件，如图4-3-5b所示。

此时未气侵的修（压）井液柱高度为h1，气柱高度为x1。

显然有

h+x=h1+x1+L

图4-3-5a、5b：

井液自动外溢条件

（Ps+10-3ρmgh）Ax=（Ps+10-3ρmgh1）Ax1

联立以上三个方程式，求解可得:

（4-5）

（4-6）

（4-7）

式中：

x-井下积聚的气柱或严重气侵的修（压）井液柱的高度，m。

h-气柱上面未气侵修（压）井液柱的高度，m。

ρm-未气侵修（压）井液的密度，g/cm3。

L-开始外溢时气柱下端离井底的距离，m。

x1-开始外溢时气柱或严重气侵的修（压）井液柱的高度，m。

h1-开始外溢时气柱上面未气侵修（压）井液柱的高度，m。

式（4-5）表明的是循环时气侵积聚气柱可能将其上部的整个修（压）井液柱喷出的条件。

由于天然气气柱轻于修（压）井液而上升膨胀，或者在下钻循环时上行膨胀，当到达某井深时就会发生修（压）井液自动外溢喷出。

[例4-2]已知井深h=3000m，井底气柱高度x=10m，上部未气侵修（压）井液密度ρm=1.20g/cm3，则

（m）

（m）

（m）

也就是说，循环修（压）井液时，当气柱上行到距井底2662.02m处时，就会自动发生外溢井喷。

应知应会知识要点

通过本章的学习培训了解井内气体的膨胀和运移的规律;熟悉溢流发生的必备条件和主要原因；掌握循环、起下管柱、空井及电测时溢流的预兆、检测及预防方法。

复习与思考题

1.产生溢流的主要原因有哪些?

2.不同工况下产生溢流的主要现象有哪些?

如何检测这些现象?

3.不同工况下如何搞好溢流的预防工作?

4.如何进行溢流检查?

5.如何处理气体滑脱产生的问题?