第六章 油气井压力控制

1、概概 述述 油气井压力控制油气井压力控制 在石油钻井过程中对井眼内的地层压力进行控制。 井控的技术内容：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：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 第一节第一节 井眼井眼地层系统的压力平衡地层系统的压力平衡DSppKppfrtposspf 00981. 0)(12 一、井眼内的各种压力一、井眼内的各种压力1. 地层孔隙压力地层孔隙压力DPpp 31081. 9 2.

2、地层破裂压力地层破裂压力3. 钻井液静液柱压力钻井液静液柱压力Dpdh 31081.9 4. 环空循环压降环空循环压降DQplacdhdcdhdcLpdhdpdhdpLpvdla 38 .1)(3)(8 .1)(3)(8 .12 .08 .01081.957503.0第一节第一节 井眼井眼地层系统的压力平衡地层系统的压力平衡一、井眼内的各种压力一、井眼内的各种压力5. 波动压力波动压力抽吸压力：抽吸压力：激动压力：激动压力：33/08. 0036. 01081. 9cmgsDsPbbbs ，33/1 . 0024. 01081. 9cmgsDsPgggs ，6. 岩屑重力引起的附加压力岩屑重力

3、引起的附加压力 DPrr 31081.97. 井底有效压力井底有效压力 正常钻进时：正常钻进时： 起钻时：起钻时：下钻时：下钻时：最大井底压力：最大井底压力：最小井底压力：最小井底压力：rahbPPPP sbrhbPPPP sgrhbPPPP sgrlahbPPPPP maxsbrhbPPPP min第一节第一节 井眼井眼地层系统的压力平衡地层系统的压力平衡二、井眼二、井眼地层系统压力基本关系地层系统压力基本关系33min/15. 007. 00 . 55 . 3/10. 005. 05 . 35 . 1)16.(.)16.(.cmgMPaPcmgMPaPbaPPPPPPPPpdPhpsbrh

4、b ，气井：气井：，油井：油井：3max/048. 0024. 0)26.(.)26.(.cmgsbssaPPPPPPPPPPffgfdfsgfhfsgrlahb 1. 基本关系式基本关系式2. 约束条件约束条件第一节第一节 井眼井眼地层系统的压力平衡地层系统的压力平衡三、平衡与欠平衡压力钻井三、平衡与欠平衡压力钻井 1. 平衡压力钻井平衡压力钻井 （1）概念）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）技术关键）技术关键 1）地层压力的准确预测 2）合理

5、钻井液密度的确定 2. 欠平衡压力钻井欠平衡压力钻井 （1）概念）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）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 第一节第一节 井眼井眼地层系统的压力平衡地层系统的压力平衡三、平衡与欠平衡压力钻井三、平衡与欠平衡压力钻井第二节

6、第二节 溢流及其检测溢流及其检测二、溢流的原因二、溢流的原因一、有关溢流和井喷的名词概念一、有关溢流和井喷的名词概念 1. 油、器、水侵油、器、水侵油、气、水侵入钻井液，使其性能变坏的过程。 2. 溢流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。 井喷：井喷：地层流体失去控制地喷出地面。 1. 地层压力掌握不准，使设计的钻井液密度偏低；2. 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. 起钻抽吸作用使井底压力减小；5. 停止循

7、环时，环空循环压降消失，使井底压力减小。 2. 气侵的特点气侵的特点 气体的可压缩性，使气侵具有以下特点： （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，体积越大。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）气侵后的钻井液在不同深度的密度不同。其密度在井口处降低较大，而在井底处则降低很小。因此井底钻井液液柱压力减少并不大。因此在气侵量不大的情况下，只要及时除气，就不会有井喷的危险。 三、气侵的特点三、气侵的特点 1. 气侵的途径与方式气侵的途径与方式 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；

8、 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。 第二节第二节 溢流及其检测溢流及其检测三、气侵三、气侵 2. 气侵的特点气侵的特点 （3）在气侵后关井的情况下，气体将滑脱上升，在井口积聚。由于井口关闭，气体在上升过程中不可能膨胀，体积没有变化。这样气体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。因此，气侵后不能长时间关井。 30002250150075000.10135.41.2g/cm370.717.835.40.26m30.26m30.26m30.26m30.26m3第二节第二节 溢流及其检测溢流及其检测 1.

9、 地层流体侵入的征兆地层流体侵入的征兆 （1）泥浆罐液面升高； （2）钻井液返出量大于泵排量； （3）起钻时灌不进泥浆或泥浆灌入量少于正常值； （4）停止循环时，井口仍有泥浆外溢。 （5）钻速突然加快或钻进放空； （6）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。 （7）泵压上升后下降，悬重减小后增大；四、溢流的检测四、溢流的检测第二节第二节 溢流及其检测溢流及其检测四、溢流的检测四、溢流的检测 2. 溢流的检测方法溢流的检测方法 （1）钻井液罐液面检测法 （2）返出钻井液流量检测法 （3）气侵超声

10、波检测技术第二节第二节 溢流及其检测溢流及其检测浮子式液面计挡板流量计第三节第三节 溢流的控制溢流的控制-关井与压井关井与压井一、井控装置简介一、井控装置简介第三节第三节 溢流的控制溢流的控制-关井与压井关井与压井1. 关井方式及选择关井方式及选择二、关二、关 井井 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一起平衡地层压力，阻止地层流体的继续侵入。 （1）硬关井）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：优点：关井程序简单，时间短，地层流体侵入量少。 缺点：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

11、抗内压强度和地层破裂压力。 （2）软关井）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：优点：可避免“水击”现象。 缺点：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）半软关井 发生溢流后，先适度打开节流阀，然后关闭防喷器，再关闭节流阀。其特点介于“硬关井 ”和“软关井”之间 第三节第三节 溢流的控制溢流的控制-关井与压井关井与压井1. 关井方式及选择关井方式及选择二、关二、关 井井 关井方式的选择：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”。 2.

12、 关井程序（关井程序（“四七四七”操作程操作程序）序） （1）钻进中发生溢流）钻进中发生溢流 （2）起下钻杆时发生溢流）起下钻杆时发生溢流 （3）起下钻铤时发生溢流）起下钻铤时发生溢流 （4）空井发生溢流）空井发生溢流 1. 关井时的压力平衡关系（静态关系）关井时的压力平衡关系（静态关系） 第三节第三节 溢流的控制溢流的控制-关井与压井关井与压井三、压井钻井液密度计算三、压井钻井液密度计算 （一）（一） “U”形管原理形管原理）（36. haaphispPPPPP式中：spPhiPpPaPhaP 钻柱内井液柱压力 地层压力 关井套压 环空内静液柱压力 关井立管压力，hipspPPP 第三节第三

13、节 溢流的控制溢流的控制-关井与压井关井与压井三、压井钻井液密度计算三、压井钻井液密度计算循环循环阻力阻力) 46.( lahaalapldhiTPPPPPPPP式中：TP 循环时的立管压力laldspLhipTPPPPPPP ldP laP LP 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 2. 循环时的压力平衡关系（动态关系）循环时的压力平衡关系（动态关系） （一）（一） “U”形管原理形管原理第三节第三节 溢流的控制溢流的控制-关井与压井关井与压井三、压井钻井液密度计算三、压井钻井液密度计算DPPPPdsphispp 31081.9 （65） dsppdDPDPP331

14、1081.91081.933/15. 007. 00 . 55 . 3/10. 005. 05 . 35 . 1cmgMPaPcmgMPaP ，气井：气井：，油井：油井：（66）注意注意 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。 3. 地层压力和所需钻井液密度的计算地层压力和所需钻井液密度的计算 （一）（一） “U”形管原理形管原理第三节第三节 溢流的控制溢流的控制-关井与压井关井与压井三、压井钻井液密度计算三、压井钻井液密度计算 1. 钻柱中未装回压凡尔时钻柱中未装回压凡尔时 （二）（二） 关井立管压力的确定关井立管压力的确定PspPaPp 注

15、意：注意：发生溢流后，地层流体进入井筒，使井眼周围地层压力低于实际地层压力。关井后，随着地层流体的继续侵入，立管压力和套压逐渐升高，直到井底压力等于地层压力，流体不再侵入，井眼地层系统恢复压力平衡。此时，立关压力和套压不再变化或者变化缓慢，这时的立管压力才是真正的关井立管压力。 关井立管压力直接从立管压力表上读取。关井时立压、套压的变化规律关井时间压力套 压立 压1015 min三、压井钻井液密度计算三、压井钻井液密度计算 1. 钻柱中未装回压凡尔时钻柱中未装回压凡尔时 （二）（二） 关井立管压力的确定关井立管压力的确定第三节第三节 溢流的控制溢流的控制-关井与压井关井与压井圈闭压力及其释放圈

16、闭压力及其释放 圈闭压力的概念：圈闭压力的概念： 在记录的立压、套压中，超过平衡地层压力所需的那部分压力值，即：)(hipTspTPPPPP 圈闭压力 产生圈闭压力的原因：产生圈闭压力的原因：停泵前关井或者气体滑脱上升。 释放圈闭压力的方法：释放圈闭压力的方法：每次开启节流阀放出少许钻井液（4080升），并观察立管压力变化。若立管压力无变化或略有增高，表明无圈闭压力，此时记录的立管压力即是关井立管压力。若立管压力下降，则继续释放钻井液，直到立管压力不再下降。此时圈闭压力已释放掉，所读取的立管压力就是真实的关井立管压力。三、压井钻井液密度计算三、压井钻井液密度计算 2. 钻柱中装有回压凡尔时钻柱

17、中装有回压凡尔时 （二）（二） 关井立管压力的确定关井立管压力的确定第三节第三节 溢流的控制溢流的控制-关井与压井关井与压井PspPaPp （1）不循环法）不循环法 此法用于未知压井泵速和该泵速下的循环压耗的情况。 具体做法： 1）关井后待套压相对稳定，记录套压值 ； 2）在完全关井的情况下，缓慢缓慢启动泵，直到套压开始升高少许，记录此时的立管压力 和套压 。 3）求取关井立压：)(aaspsphaahisphaahispPPPPPPPPPPPP aPspPaP三、压井钻井液密度计算三、压井钻井液密度计算 2. 钻柱中装有回压凡尔时钻柱中装有回压凡尔时 （二）（二） 关井立管压力的确定关井立管

18、压力的确定第三节第三节 溢流的控制溢流的控制-关井与压井关井与压井 （2）循环法）循环法 此法用于已知压井泵速和该泵速下循环压耗（ ）的情况。 具体做法： 1）关井后待套压相对稳定后，记录套压 ； 2）缓慢启动泵，以压井泵速泵入钻井液，同时调节节流阀保持套压不变，记录此时的立管压力 ； 3）求取关井立管压力：LTlaldTsplahaaldhiThaahispPPPPPPPPPPPPPPPP )(aPTPLP 四、压井理论与方法四、压井理论与方法第三节第三节 溢流的控制溢流的控制-关井与压井关井与压井 （一）压井的概念与原则（一）压井的概念与原则 1. 压井的概念压井的概念 在发生溢流并关井求

19、得压井钻井液密度后，开泵泵入压井钻井液，同时调节节流阀控制一定的井口回压，使井底压力等于或稍大于地层压力并保持不变。通过循环，排除溢流，重建井眼地层系统的压力平衡。 2. 压井的原则压井的原则 1）在压井过程中，始终保持井底压力稍大于地层压力。 2）套压不能超过井口装置的额定工作压力和套管抗内压强度的80%，套压与环空内的钻井液液柱压力之和不能超过裸眼地层的最小破裂压力。四、压井理论与方法四、压井理论与方法第三节第三节 溢流的控制溢流的控制-关井与压井关井与压井 （二）压井的基本数据计算（二）压井的基本数据计算 1. 压井立管压力压井立管压力 由“U”形管原理，压井过程中的压力平衡关系为：la

20、haalapldhiTPPPPPPPP 在压井过程中，压井泵速一定，循环压耗基本上可认为是不变的。随着压井液的泵入量的增大，钻柱内的静液柱压力将逐渐增大。要保持井低压力不变，立管压力必须按线性减小的趋势变化。当压井钻井液到达井底钻头时，立管压力达到最小。称开始泵入压井钻井液时的立管压力为初始循环立管压力，压井钻井液到达钻头时的立管压力为终了循环立管压力。显然，要想在压井过程中始终保持井底压力不变，就必须通过调节节流阀不断改变立管压力，因此也就必须知道初始循环立管压力和终了循环立管压力。四、压井理论与方法四、压井理论与方法第三节第三节 溢流的控制溢流的控制-关井与压井关井与压井 （二）压井的基本

21、数据计算（二）压井的基本数据计算 1. 压井立管压力压井立管压力 LispLihipTiPPPPPP （6-7） 初始循环立管压力的求法有两种： 方法一：方法一：在即将钻达高压层前，每天早班用选定的三个不同的压井排量循环，记录循环立管压力 ，作为压井时的初始循环压耗 。 方法二：方法二：在发生溢流关井并求得关井套压后，循环实测。具体做法是： 1）启动泵，调节节流阀使套压等于关井套压； 2）调节泵速达到压井排量，同时保持套压不变，此时立管压力即为 。LiP iTP （1）初始循环立管压力的确定）初始循环立管压力的确定 初始循环时，钻柱内钻井液密度为 。根据“U”形管原理，此时的立管压力应为：d

22、四、压井理论与方法四、压井理论与方法第三节第三节 溢流的控制溢流的控制-关井与压井关井与压井 （二）压井的基本数据计算（二）压井的基本数据计算 1. 压井立管压力压井立管压力 （2）终了循环立管压力的确定）终了循环立管压力的确定 ).(.861 LiddLfTfPPP 1d 当密度为 的压井钻井液到达钻头时为终了循环。此时，钻柱内钻井液液柱压力与地层压力相平衡，不再需要井口回压，因此立管压力应等于终了循环压力。 终了循环压力是指用密度为 的压井钻井液循环时的的循环压耗。在同一水力系统中，循环压耗正比于流体密度。因此有：1d 式中： 为出时循环压力，即用密度为 的原钻井液循环时的压耗。LiP d

23、 四、压井理论与方法四、压井理论与方法第三节第三节 溢流的控制溢流的控制-关井与压井关井与压井 （二）压井的基本数据计算（二）压井的基本数据计算 2. 压井排量压井排量 压井时应采用低排量，通常取钻进是正常排量的三分之一到二分之一，即：).(.)(962131 QQr 主要原因有二： （1）降低循环压力，以降低泵、循环管线、节流管汇等设备的负荷； （2）使压井钻井液的泵入速度与加重速度同步。四、压井理论与方法四、压井理论与方法第三节第三节 溢流的控制溢流的控制-关井与压井关井与压井 （二）压井的基本数据计算（二）压井的基本数据计算 3. 压井作业时间压井作业时间 （1）压井钻井液由地面到达钻头

24、的时间 （2）压井钻井液充满环形空间的时间).(.10660 rddQDVt).(.11660 raaQDVt 式中： 单位长度钻具的容积，L/m 。 单位长度环空容积，L/m 。dVaV四、压井理论与方法四、压井理论与方法第三节第三节 溢流的控制溢流的控制-关井与压井关井与压井 （三）压井方法（三）压井方法 1. 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。 司钻法（二次循环法）司钻法（二次循环法）: 在控制立管压力来保持井底压力略大于地层压力的条件下，用两个循环周完成压井作业。第一循环周，用原密度钻井液循环，排

25、除受污染的钻井液；第二循环周：泵入加重好的压井钻井液，重建压力平衡。 工程师法（一次循环法、等候加重法）工程师法（一次循环法、等候加重法）: 关井待压井液加重好后，用一个循环周完成压井作业。 边加重边循环法边加重边循环法: 关井取得有关数据后，立即边循环边加重压井。 2. 特殊压井方法特殊压井方法 特殊压井方法是指溢流、井喷井不具备常规压井方法的条件而采用的压井方法。如空井压井、又喷又漏井、井内无钻具或水眼堵塞而不能循环的井等。四、压井理论与方法四、压井理论与方法第三节第三节 溢流的控制溢流的控制-关井与压井关井与压井 （三）压井方法（三）压井方法 1. 常规压井方法常规压井方法（1）司钻法）

26、司钻法 压井程序压井程序 第一循环周：第一循环周： 1）缓慢启动泵，泵入原钻井液，调节节流阀，使套压等于关井套压。 2）在保持套压不变的条件下，调节泵速达到压井排量，此时立管压力等于或接近初始循环压力 。保持立压不变，直到全部排除溢流。 3）停泵，关闭节流阀，记录新的套压，此时套压应等于关井立管压力。 第二循环周：第二循环周： 1）缓慢启动泵，调节节流阀保持新套压不变（等于关井立管压力），调整泵速达到压井排量，此时立管压力等于或接近初始循环立管压力 。 2）泵入压井液，调节节流阀使立管压力在压井液从地面到钻头的时间内，从初始循环立压 逐渐降低到终了循环立压 。 3）在压井液从井底到地面的时间内

27、，保持立压不变，套压逐渐降至零。iTPfTPiTPiTP四、压井理论与方法四、压井理论与方法第三节第三节 溢流的控制溢流的控制-关井与压井关井与压井 （三）压井方法（三）压井方法 1. 常规压井方法常规压井方法（1）司钻法）司钻法 立压及套压的变化规律立压及套压的变化规律 盐水溢流气侵dP四、压井理论与方法四、压井理论与方法第三节第三节 溢流的控制溢流的控制-关井与压井关井与压井 （三）压井方法（三）压井方法 1. 常规压井方法常规压井方法（2）工程师法）工程师法 压井程序压井程序 1）缓慢启动泵，调节节流阀使套压等于关井套压。保持套压不变，调整泵速达到压井排量，此时立管压力等于或接近初始循环立管压力 。 2）泵入加重好的压井液，调节节流阀使立管压力在压井液从地面到达钻头的时间内，从初始循环立管压力 逐渐降低到终了循环立管压力 。 3）当压井液在环空中上返时，调节节流阀保持立管压力始终等于终了循环立管压力 。压井液返处井口时，套压降至零。 iTPfTPiTPfTP四、压井理论与方法四、压井理论