第11章油气井压力控制.docx

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第11章油气井压力控制

第十一章　油气井压力控制（WellControl）

井眼与地层同处于一相互连通的压力系统内。

钻井过程中保持井下压力系统平衡使钻井高效安全，发生溢流等井下压力失衡现象时及时恢复压力系统平衡的一系列技术的总称

第一节地层压力、破裂压力及坍塌压力

一、地层压力的有关概念

1、静液压力

　　渗透性地层中液体液柱重量引起的静液柱压力。

式中Ph——深Ｈ处的静液压力，Pa；

　　　ρ——液体密度，

；

　　　地层水密度：

1.3×103～1.07×103

　　　　原油密度：

0.88×103

　　　　泥浆密度：

1.04×103～2.35×103

　　　　水泥浆密度：

1.8×103～1.9×103

　　　H——液柱垂直高度，m。

2、上覆岩层压力

覆盖在某一深度处地层以上的地层岩石和岩石孔隙中的流体的总重量造成的压力。

式中Po——上覆岩层压力，Pa；

　　　H——该处垂直深度，m；

　　　ρ——岩石孔隙中流体的密度，

；

　　Φ——岩石孔隙度，％；

　　　rm——岩石密度，

。

3、地层压力（地层孔隙压力）Pp（porepressure）

某地层岩石孔隙和裂缝中油、气、水等流体的压力。

地下压力间的关系：

连通体系：

Pp＝Ph

封闭体系：

→异常高压地层、异常低压地层

异常高压：

地层压力高于正常压力；

异常低压：

地层压力低于正常压力；

正常压力标准：

1.0～1.07g/cm3淡水或盐水静液柱压力。

4、异常高压的起因

（1）由静液柱压力引起的压力异常

　　在同一含水层中，由于井的位置不同，表现出地层压力的不同。

（2）由欠压实（圈闭）引起的高压

垂直方向：

岩性变化（页岩、盐岩、石膏）

水平方向：

断层、褶皱、盐丘、尖灭─→压力圈闭（即有一个无法渗透的界面，地层中的流体在岩石受压实时无法向外泄漏而形成压力圈闭）。

压力圈闭＋压实─→异常高压─→阻碍压实─→欠压实

5、异常高压的预报

（1）地震资料（地震层速度法）

（2）钻井资料（dc指数法）

（3）测井资料（声波时差法）

二、地层破裂压力（formationfracturepressure）

　1、定义：

使地层受压破裂的最低压力（1.6～2.4

）

　2、因素：

埋藏深度，地质年代，覆盖压力，地层压力，岩石性质，岩石应力状态，岩石压实程度

3、确定方法：

（1）公式估算法

休伯特（Hubbert）法（p168-22，8-23）

马修斯（Matthews）法

伊顿（Eaton）法

（2）液压试验法

　　　　a关闭环形空间

　　　　b小排量（0.66～1.32升／秒）

　　　　c记录灌注液量和立管压力

　　　　立管压力突降（峰值）——漏失压力P1

Gf——地层破裂压力梯度，千帕/米。

三、地层坍塌压力

当井眼压力小于某一压力值时，井壁岩石在地应力的作用下发生变形破裂，此时的压力称为坍塌压力。

四、压力的表示方法

1、压力值形式表示

公制Mpa，Kpa，Pa；英制psi

1MPa=103KPa=106Pa；

1MPa=145psi；

2、压力梯度

单位长度（深度）压力增长值。

Gh=Ph/H

淡水：

9.81千帕/米；含盐量8×104ppm：

10.5千帕/米。

3、当量泥浆密度

定义：

某一点处的压力与某一密度的泥浆在该深度处的静液压力相等，则称该密度值为该压力的当量密度。

例如：

1Km深度处的压力为11.8MPa.其当量密度值为：

1.2g/cm3

4．压力系数

定义：

某一点处的压力与该深度处的淡水柱静压力之比。

例如：

1Km深度处的压力为11.8MPa.其压力系数为：

1.2

五、压力剖面的具体应用简介

1、确定合理的井身结构（套管程序和套管下深）

2、确定合理的钻井液密度

3、防止井喷、卡钻、井漏等事故的发生

第二节　地层--井眼压力平衡和平衡的破坏

一、地层--井内压力平衡

1、压力系统模型

P钻静＝9.81Hρ

P环静＝9.81[（H－h）ρ＋hρ’]

P底＝P环静＋P环循＋P套

P鞋＝P鞋静＋P鞋循＋P套

2、几种常见井内压力关系

（1）静止平衡状态

未钻入高压油、气、水层，钻井液未受侵，钻井液静止不流动

Ｐ钻＝0；　　Ｐ套＝0；

Ｐ底＝Ｐ钻静＝Ｐ环静＝9.81Ｈρ；

Ｐ鞋＝9.81Ｈ’ρ；

（2）标准循环状态

未钻入油、气、水高压层，钻井液未受侵，井口敞开

Ｐ钻＝Ｐ循＝Ｐ泵＝Ｐ立管；

Ｐ套＝0；

Ｐ底＝Ｐ环静＋Ｐ环循；

Ｐ鞋＝Ｐ鞋静＋Ｐ鞋循；

（3）大排量循环状态

钻入高压油、气层，环空一段钻井液受侵，关闭封井器以调节阻流器控制套管回压

Ｐ底＝Ｐ环静＋Ｐ环循＋Ｐ套（要求＞Ｐ地）

Ｐ鞋＝Ｐ鞋静＋Ｐ鞋循＋Ｐ套（要求＜Ｐ破）

3、钻井压力控制

根据Ｕ形管压力平衡原理，使用压力控制设备，按规定的方法和程序，建立和保持井内的压力平衡。

Ｐ底＝Ｐｅ＋Ｐ地＝Ｐ地＋9.81Ｈ△ρ

△ρ＝0.05～0.1g/cm3（油层）

△ρ＝0.07～0.15g/cm3（气层）

二、失去压力平衡的原因

（一）压力组成

1、洗井液液柱静压力

2、抽吸压力（拔活塞）

由于井径接近于钻头直径，洗井液又有粘度与切力，所以上提钻柱时造成了抽吸，使钻头以下井筒中压力减小。

影响因素：

上提速度↑、钻井液粘度和切力↑、钻头泥包↑→抽吸压力↑

3、激动压力

（1）下钻激动压力

　　由于井径接近于钻头直径，洗井液又有粘度与切力，所以下钻时，压缩钻头下部的钻井液，引起钻头以下井筒内压力增加。

影响因素：

下钻速度↑、钻井液粘度和切力↑、井径↓→激动压力↑

（2）开泵激动压力

使钻井液由静止状态进入流动状态时克服钻井液结构力所必须形成的（附加）压力。

因素：

钻井液流变性，静止时间，钻具、井眼几何尺寸，温度、压力。

Pkb——开泵压力。

4、环空压降引起的压力增量

　　因素：

钻井液流变性；井深；钻具、井眼几何尺寸；温度；压力。

5、其它原因引起的压力增加（井口憋回压）

6、起钻未及时灌钻井液或灌入量不足，井内液面下降，井底液柱压力下降。

（二）失去压力平衡的原因

1．钻井液密度偏低，Ｐ环静↓；

2．突然钻遇高压油、气层；

3．起钻未灌浆→液柱高度↓；

4．钻头或钻铤泥包＋起钻速度过快→抽吸压力↑；

5．油、气上串→体积膨胀→Ｐ环静↓↓；

6．井漏→液柱高度↓→Ｐ环静↓。

三、地层流体的发现和应采取的措施

Pm

1、溢流时的异常现象

（1）循环时出口排量大于进口排量；

（2）停泵时井口有钻井液外溢；

（3）泥浆池液面增高；

（4）钻速加快，钻柱放空，钻井液中出现又花、气泡，有可能井侵。

2、监测方法

（1）泥浆池液面的升高

（2）环空返速增加、流量差

（3）声波探测法

a．主动式

b．被动式

3、溢流发现后的处理措施

关井，关井方式：

（1）硬关井

（2）软关井p42～p45关井步骤

四、地层流体侵入井内的特点

气体溢流比其它类型流体的溢流都严重，是井控技术研究的主要对象。

（一）气侵的方式

1、扩散侵入

气泡分散在钻井液中

2、欠平衡侵入

气体以高含气量状态或气柱状态存在于井下

（二）气侵对泥浆柱压力的影响

（三）井下聚有气柱时，发生自溢和井喷的条件

（四）关井后气体对井内压力的影响

第四节溢流时恢复和重建压力平衡的方法——压井

一、压井基本数据的计算

1、求关井立管压力

Ｐ地＝Ｐ关钻＋9.81Ｈρ

Ｐ地──ＭＰａ

Ｈ　──Ｋｍ

ρ　──ｇ／ｃｍ３

2、判断地层侵入物的性质

P关钻＋9.81H＝P底＝P环静＋P关套

P关钻＋9.81H＝9.81（H－Hi）＋9.81Hii＋P关套

i＝－（P关套－P关钻）／（9.81Hi）

Hi──侵入物高度，Km，可根据井眼环空尺寸和泥浆池增量计算

i＝0.12～0.36g/cm3，气体；

i＝0.36～0.60g/cm3，油、气或水、气混合物；

i＝0.60～0.84g/cm3，油、水混合物。

3、确定压井液密度

　　重＝P地／（9.81H）＋△

　　＝P关钻／（9.81H）＋＋△

二、基本压井方法和步骤

（一）关井立管压力为0

（二）关井立管压力不为0

1、原则：

压井过程中要始终保持井底压力等于或略大于地层压力，并保持不变。

2、压井过程

（1）二次循环压井法（司钻法）

　　第一循环周替出受侵钻井液后，第二循环周替入加重钻井液

压井过程示意图

（2）一次循环法压井（等待－加重法，工程师法）

　　从井内替出钻井液和泵入加重钻井液同时进行，在一个循环周内完成。

（3）循环加重法

边循环边加重，压井可在一个或一个以上循环周内完成。

3、压井时套压、立压的变化

（1）立压的确定方法

（2）套压的确定方法

（3）司钻法压井时立压、套压的变化规律

（4）工程师法压井时立压、套压的变化规律

三、其它压井方法简介

1、起下钻时的压井方法

2、冲量压井法（空井压井、置换法压井）

　　井内泥浆已喷光，但井口能关闭

　　泥浆从管柱下端喷出时的冲量（泥浆质量×速度）＞＞井内天然气上喷时的冲量

3、反循环法压井

4、动力压井法

第五节套管程序设计

一、套管程序设计的主要原则和基础参数

（一）、井身结构内容：

（1）下入套管的层次；　

（2）各层套管下入深度；

（3）水泥返高；　　　　

（4）套管、钻头尺寸的配合。

（二）套管的层次　

一口井的套管可分为：

导管、表层套管（surfacecasing）、技术（中间）套管（protectioncasing、intermediatecasing）和油层套管（productioncasing、oilstring）。

1、导管——5～10m，钻井液循环出口，封隔地表疏松层；

2、表层套管——50～100m，封隔、加固地表疏松层、水层；安装井口装置；承担以后几层套管的部分重量。

3、技术（中间）套管——解决钻进过程中难以处理的各种漏、塌、喷等复杂地层问题。

4、油层套管——为采油目的而下的套管，即封隔油、气、水层；封闭暂不开采的油、气层，利于分层开采；形成生产通道。

5、尾管——在上层套管内向下延伸的一段套管（＋回接接头）

（三）原则

1．保护储层

2．保证井下安全、快速钻井

3．控制溢流的能力

（四）依据及参数

1．主要依据

（1）地层压力剖面和岩性剖面

（2）工程系数

a.

b.

c.

d.

e.

f.

2．重要参数

（1）最大泥浆密度

（2）最大井内压力梯度

二、设计步骤

1．确定油层套管的下深和尺寸

径向尺寸：

采油的要求

下深：

完井方式

2．确定上一级套管的尺寸及下深

径向尺寸：

根据油层套管（或下一级）确定

下深的确定：

（1）初选点的确定

（2）压差校核

（3）是否下尾管，下深

第十一章作业：

1、用Ｕ型管模型简述井眼压力控制的基本原理。

2、什么叫压力激动？

其对井眼压力控制有什么影响？

3、简述司钻法、工程师法压井过程，及压井过程中套压立压的变化规律。

4、某井在井深2500m处钻遇油层而出现井涌，钻井液密度为1.25g/cm3，关井记录立管压力为1.95MPa，求地层压力及为保持井眼压力稳定所需加重钻井液的密度。