非常规井控技术

非常规井控技术前面主要讲解了常规的井控作业。然而，有些现场发生的问题不能直接用这些传统的“循环出气侵钻井液”的方法解决。不过，大多数情况不会太大地改变井控的基本步骤。每一井喷的情形是独特的。常规井控技术有时不能充分解决问题，因为有些情形下不能进行循环。例如，钻柱不在井底、井漏、钻柱堵塞或空井等。当出现这种非常规情形时，就需要用非常规的井控技术。本章讲述以下四种非常规井控技术：（1）体积控制法；（2）硬顶法，即强行将侵入井内的流体顶回到地层去的方法；（3）钻头不在井底压井法；（4）低节流压力法；（5）顶部压井技术；（6）关井起下钻。1.1体积控制法这是在不能循环的情况下而要实现井控，即不循环调节井内压力的方法。其要点是在维持井控时，从系统中放出钻井液以允许气体膨胀和运移。这种方法的实质仍是“保持井底压力恒定”的技术。其目的是在不超过任何裸露地层破裂压力或设备压力极限情况下维持井底压力恒定，防止额外地层流体涌入井眼。在钻柱堵塞时或井内钻井液不能循环时，这种方法特别有用。如果使用“等待加重法”，在循环建立之前必须使用体积法。为了说明体积控制技术，先要研究一下气体的具体运移情况。1.1.1气体的运移图5-3气体运移示意图气侵物在井底或近井底处进入井眼。通常气侵物的密度比当时所用钻井液的密度小得多。密度的差异将使密度较小的流体在密度较大的流体中向上运移。试想在钻进或起下钻时发生气体井涌的情形：检测到气侵后关井，此时气体通常仍向地面运移，并携带气泡圈闭的压力一起上移。气泡上移的速度取决于下列因素：（1）环空间隙；（2）井眼中气体与液体的相对密度差；（3）钻井液的稠度；（4）环空中气泡的形状（气泡在环空的一侧上移而钻井液在其对侧下移）。已有一些预测气泡运移速度的数学模型，但这些模型太复杂，在现场难以应用。为了指导井控作业，可采用根据地面压力反应，预测井内气泡运移速度的近似方法。此近似方法有一定的假设条件：如果不允许气体膨胀而温度又保持恒定，则气泡内的压力将不会有大的变化。温度不变的假设在运移距离较短时是准确的。因此，对计算地面压力每一微小增量引起的井内气体运移速度的变化，这一方法也相当准确。图5-3表示这一方法的原理。从图5-3可以看出，气泡在t=t1时刻处在井底，系统压力处在静态。一段时间后，t=t2，气泡高度，体积或温度没有大的变化而向地面方向运移一段距离Hm。因此，从气体定律知，t=t2时气泡底部的压力与t=t1时刻的压力完全相同。地面和井底压力增加量为ΔP。在t=t2时气泡底部从井眼底部上升到Hm处。此时井底压力Pbh可由下式表示（忽略气柱自重）：Pbh=P+0.0098ρmHm=P+ΔP5-20式中:P—地层压力；ΔP—t=t2时刻地面压力P2与t=t1时刻地面压力P1的差，即ΔP=P2-P15-21由上式可知:Hm=（P2-P1）/（0.0098ρm）5-22式中：Hm—气泡运移的高度，m；P1—t=t1时刻的地面压力或初始压力P1=P-0.0098ρmHMPa；P2—t=t2时刻的地面压力或最终压力P2=P-0.0098ρm（H-Hm）MPa；ρm———钻井液密度，g/cm3。用式确定出气体运移高度后，可用下式求出气泡运移的速度：vg=Hm/（t2-t1）5-23式中：vg—气体运移速度，m/h；t1—初始压力读值的时刻，h；t2—最终压力读值的时刻，h。[例题]气体运移。已知在01：43由于井涌关井。初始压力为2.241MPa，在02:25压力增到4.378MPa，井内钻井液密度为1.41g/cm3。求（1）气泡向上运移的高度；（2）气泡上移的速度。解:用式5-22计算出运移高度Hm=（P2-P1）/（0.0098ρm）=154.5m。用式5-23式算出运移速度vg=Hm/（t2-t1）=221m/h。由此可见，只要记下压力变化和相应的时刻，就可估计出气泡的运移速度及其相应的位置。如果在两个压力读数之间放压，该法也应产生准确的结果，因为在计算时只需使用压力的变化。1.1.2钻柱在井底、钻柱与环空连通的情形钻柱在井底或近井底时，如果环空和钻杆连通，问题不会十分复杂。如果井眼流体密度已知，通过钻杆压力便可直接算出井底压力。这可用来指导压井作业。这种情况下，通过放掉环空中一定体积钻井液，保持钻杆压力不变，就会使井底压力保持恒定。然而，保持钻杆压力不变是一件困难的事情。一个重要的因素是，不管使用那种控制方法，如果井底压力保持恒定，气泡膨胀的体积将是相同的。预测出为保持井底压力不变而要放掉的钻井液体积和预计气体到达地面时的环空压力固然重要，但更重要的是必须制定出应急计划以防地层破裂而井漏。1.1.3钻柱堵塞、离开井底或空井的情形图5-4放压控制气体运移和井底压力当钻柱堵塞，即钻柱与环空不连通时，只能通过观察地面环空压力来指导井控。对要放掉的钻井液的体积和地面压力进行预测是可能的，也可算出井底压力，把计算值与许可值进行比较。排放到地面的钻井液体积与用司钻法循环出井涌的体积相同。对现场作业来说，计算是十分烦琐的。1.1.4井涌的大小、程度未知在不知道气侵程度的情况下也可能进行井控。这一过程要求准确地观察关井环空压力，从井中放掉一定体积的钻井液并准确地测量出放掉流体的体积。其步骤如下（见图5-4）：（1）关井后，记下套压，允许环空压力增加到一预定的值（通常高于初始关井套压0.7MPa-1.4MPa）。这可给地层空隙压力施加一压力附加值以保证安全。这一安全附加值是必须的。因为从井中放出钻井液时难以维持确切的压力。在放钻井液过程中如有压力波动，该关井压力附加值可防止更多的地层流体进入井眼。当然，在确定安全增量时一定要考虑到地层的压裂。如果过平衡太大，可能会引起地层破裂和由此而造成的井漏，最恶劣的情况是可能引起地下井喷。（2）允许套压额外增加0.35MPa-1MPa（破裂压力将限制该值）。缓慢地有控制地放掉钻井液并仔细地测量放掉钻井液的体积，从放掉钻井液的量计算出钻井液液柱静压力损失量，计算出井底压力。如果井底压力过平衡太多，重复放钻井液步骤（小增量地放），直到过平衡在要求的范围内，通常高于预计地层压力0.7MPa-1.4MPa。注意事项：A、如果不知道气泡的位置，计算出的钻井液体积可能有误差，这就存在使井眼欠平衡的危险，会使额外的地层流体进入井眼，以致使控制过程复杂化。如果有钻杆压力的话，可用关井环空压力作为备用手段来指导压井过程。B、保持环空压力恒定可能非常困难，这取决于气泡的运移速度和井队人员操作节流阀的能力。保持环空压力恒定的另一途径是放掉少量的钻井液和压力。放完后，计算出井底压力看井底是否维持适当的平衡。（3）重复这一步骤，允许压力增加，然后放掉少量钻井液，直到气体到达地面或压力稳定为止。（4）气体到达地面时将少量的加重钻井液缓慢地泵入环空中。稀钻井液，如加重的盐水作用最好，因为其粘度较低能相当快地通过气侵钻井液下行。然后放掉气体，直到关井套压降低的值与泵入重浆产生的静液压头值相等为止。不要放掉液体，允许液体有充足的时间通过气体下行。泵重浆时由于压缩气柱可能增加地面压力。这一增加的压力也应放掉。尽管这种方法可能不能最终地解决问题，因为有时会发生应泵入的加重钻井液没有泵入井内，但当不能循环或循环不理想时，它是解决气体运移的一种方法。当气体在井内上升时一定允许它膨胀，这一点应特别注意。否则，在裸眼层段或套管上会作用有较高的压力，这会造成地面或地下井喷。然而，这种方法比起循环出气侵钻井液的司钻法来并不更加困难或危险。1.1.5空井时的井控当钻具起出井眼时，如发生井涌，处理办法是：要么在空井时控制井，要么强行将钻具下入井内。钻具起出井眼的井控取决于所用的钻井液和进入井眼的地层流体的类型。要列出所有可能存在的情形是困难的。一种情形是当钻井液是盐水而地层流体为气体。对这一问题的可能的答案如例2所示（图）。[例题]体积控制法。已知井深3048m；钻井液为盐水，密度1.04g/cm3；套管外径为244.5mm，内径为222.3mm，下入深度762m；钻杆外径为114.3mm，内径为97mm，钻杆长度2865m；钻铤外径为165mm，内径为70mm，钻铤长度183m；井眼直径200mm。当起出最后几柱立根时发生了井涌，初始关井压力为0.759MPa，套管鞋处地层破裂压力梯度为15.835kPa/m，观察到的泥浆池液面增量为1.18m3，温度梯度21℃+0.667℃/30m。求（1）侵入井眼流体的类型。（2）若允许气体膨胀，从环空中逐渐放出钻井液，当气体接近地面时，套管鞋处地层是否破裂？（3）空井，在气体运移过程中井控所要求的步骤。解（1）假定井底压力由1.04g/cm3密度的钻井液形成，则井底压力Pbh=9.81×1.04×3048=31.097MPa。气侵高度Hg=1.180/(0.785×0.22)=101m。所有的压力必须平衡。地面总压力加上井内的静液柱压力一定是刚关井后气体还没运移的地层压力。Pbh=井内所有流体静液压力+关井套压=钻井液静液柱压力+气体静压力PG+关井套压。即:31.097=9.81×1.04×(1.048-0.101)+PG+0.759故:PG=0.270MPa因此，侵入物为气体，预计会快速运移（运移会即刻开始）。在求井涌物的密度时，必须准确知道其体积和井眼尺寸。大多情况下，可忽略气体的静压力。（2）合理地处理气体的运移与用司钻法循环出井涌相同。下式可用来预计环空压力（套管鞋在762m处）Pan=B/2+5-24B=Pbh-9.81ρm(H-Hc)=31.097-9.81×1.40(1.048-0.762)=7.774MPaC=9.81ρmPbhvk/A（A是套管鞋处井眼或环空的截面积，m2）=32074392Pan=B/2+=10.756MPa套管鞋处的破裂压力：15.835×762=12.066MPa12.066MPa>10.756MPa10.756MPa压力低于12.066MPa破裂压力，如果作业不犯严重错误，可以允许气体向上运移。（4）有控制地放出环空钻井液以使气体膨胀。当气体到达地面时，使用盐水替换。如果选用的控制方法为硬顶法，可能会发生地下井喷。在这种情况下，气体一但到达地面，推荐的处理方法是准确地测量泵入井中盐水的量。应允许有一段时间以使泵入井中的钻井液穿过气顶下落。井口压力将增加一气体压缩的压力。然后放掉泵入过程而增加的压力和泵入钻井液液柱压力两者之和。这一过程如表所示。记下关井时井内的静液压力（忽略气体高度所产生的压力）。当气体运移到地面时，已放掉10.557m3盐水，加上1.18m3的初始溢流，其溢流体积为11.737m3。压井必须用盐水替换气体。最后一步为向井内泵送盐水。盐水穿过气体下落，然后放掉气体，降低环空压力。重复这一过程直到所有气体都已放掉，井眼处于控制之下为止。这些实用的步骤能够控制上例条件下的气体。许多上例中所没有列举到的情形可能会出现，因此必须熟悉非理想气体的膨胀和压缩特性。在现场作业中，本章所列某些计算可能不必要。然而，认真记录下放掉的流体体积和相应的套压变化总是必要的，这样可以及时了解总静液压力的作用。在美国路易斯安那州立大学有一口实验井，用来演示井控方法和培训人员。在练习中，将天然气高压注入2286m的井底。这一过程中只允许学生观察环空压力。该实验井有钻杆接到地面。教师操作台上有一关井钻杆压力的地面阅读器，可读出井底压力。这是将钻杆内液柱压力加上关井钻杆压力而求得的。使用关井套压预测井底压力时必须运用本章所述之步骤。图,用曲线方式显示这些培训练习之一的结果。把用环空压力计算的井底压力和观察的关井钻杆压力进行比较，这两种方法产生相同的结果。施加到井底的压力变化范围从0.7-2.8MPa之间。在该练习中，教师加上一定的井底压力。过几分钟后，学员必须确定出要放掉的体积及要维持的压力。从图,中可以看出，用放掉钻井液的量可改变井底压力，也可维持井底压力。2、3、4和5点的数据显示出不放钻井液时压力的迁移。6、7、8、9和10点表明能把井底压力维持一恒量。整个练习表明能把井底压力控制在一高于设置量的值（在该情况下油藏压力为19.996MPa）并低于最大值（在此情况下为21.443MPa）。1.1.6体积控制法评述体积控制法并不复杂，只需一只压力表，一台控制放钻井液和准确测量放掉钻井液量的设备即可。首要的是记住关井套压与井眼中气液柱压力之和等于井底压力这一点。要跟踪放出液体的量并观察关井套压。可用像表和，这样简单的表格来跟踪气泡的运移。仔细观察放出井眼的质量以保证在作业过程中维持要求的井底压力。图5-5体积控制法所用装置放掉钻井液体积的预测和关井套压预测需相当严密的数学计算。这种计算在学术上可能很有刺激性，但对现场作业来说太费时费事费力。这里所介绍的方法着重在气体定律，能在井场上容易而安全地实行。要再次强调的是，井底压力等于关井套压加上井内液柱与气柱静压力。因此，读取关井套压并计算注入或放出钻井液的压力增减，能够用来维持要求的井底压力。1.1.7体积控制法的现场步骤在所有的井底常压井控法中，井队人员对体积控制法了解最少，原因是必要的计算看起来很复杂。在现场实际作业中这种方法可大大地简化而产生良好的效果。考虑到许多变量的不准确性，有必要忽略一些变量而对另一些变量作一估计以使这一方法适合现场应用。该步骤仅需要气侵的基本知识，简单的计算和记录压井作业步骤的系统方法：即记录从井内流出的钻井液体积或泵入井内的钻井液体积。这一计算不会高准确度地计算出地层的压力，但能产生高于平衡压力的合理可用的压力变化值。当地层压力是产生地面压力的驱动力的时候，关井初始状态就成了其后所有变化的基准线；也是对井队放浆或灌浆的比较精确和有效的指南。这里的假设条件有：（1）与总的钻井液柱压力相比，初始状态下井涌的压头和密度很小，因此可忽略不计。（2）能够准确地测量出放出的钻井液体积（即泵入容积16m3或更小的起下钻罐，能测到80L的精度）。（3）放出钻井液以有控制的方式进行（用手动节流阀）。（4）使用一取样软管，了解放出的是气体还是液体。（5）从同一个压力表上采集地面压力，压力表范围相当准确地在观察的范围之内（即避免在大刻度表盘上读小的读数）。如果地面有多处可读出压力，读压力时必须只使用一只压力表，而其他表仅作备用（即在步骤实施中间不要更换压力表）。井控的装置很简单，如图5-5所示。其操作步骤如下：（1）关井，待压力稳定。在第1和2栏中细心记下时间和压力（每5min记录一次）。（2）按照表建立起一记录步骤以记录时间，压力和放出及泵入的钻井液量。估计出井内流体的液静压力（如不精确知道井涌大小，可假定为零。并假定初始液静压力等于整个钻井液柱压力），以kPa/m为单位计算出钻井液压力梯度（A）和关井时的初始压头（B）。使用整个钻井液柱压力计算该值，作为相对值，不求准确，只需作出合理的估计。在平衡整个井底压力的过程中，始终保持此基准值。设定一施加到地层和油藏上的最大压力。例如，套管鞋处最大许可地面压力可超过地层压力1.4MPa到2.1MPa。（3）观察并记录关井压力的变化值，完成每一栏所要求的计算。初始状态为关井井口压力首先稳定下来的时刻。这一方法的关键是把该点用作平衡点，使用相对差（过平衡）作为放浆、灌浆或观察的根据（参阅表后的填写说明）。（4）当压力达到接近裸眼井段的破裂压力或地层的预计过平衡压力1.4MPa-2.1MPa时，以有控制的方式从井中放出少量钻井液，仔细地测量放出的钻井液量。（5）记录新的关井井口压力，计算出过平衡值。（6）重复（3）和（4）直到地面压力稳定为止（大部分气体到达地面）。（7）泵出放掉气体（等待钻井液落到气帽以下为止）。注意放浆过程中不要使地层欠平衡。用取样管测定钻井液是否落在气帽以下。重复泵入过程，每次泵入，都按计算程序对压头增量进行计算。总之，当发生井涌不能循环时体积控制法是一种可行的方法。此时即为恒定井底压力法。实施时，它与司钻法相比，不会对裸眼井段或设备施加大的应力。此简化的适合现场作业的步骤，井队人员可放心地进行实施。1.2硬顶法图5-6硬顶法技术比较硬顶法压井技术是扣装井口之后常用的。在有些情况下硬顶法是使井得到控制最便捷的方法。由于井下损坏而不能使用常规法进行循环，必须使用硬顶法。但事先应特别小心，以保证硬顶压井引起的压力不会进一步损害井眼。在扣装井口之后，在开始硬顶压井之前，井眼状况要么处于分流状态要么处于关井状态。如果处于关井状态，井口压力通常处在最高值。泵送压力必须高于该值以迫使流体泵入井中。这会给井眼，裸眼井段和井口作用更大的应力。扣装作业之后的另一种常见的情况是将正喷的或分流的井转变为静压力控制之下。假定井下条件、井中的钻具和地面设备能承受关井压力和硬顶压井所施加的额外压力，则可以关井关以适当速度泵入压井密度的钻井液将井压住。图5-6比较了关井后压井的作业（曲线A）和关井后采用硬顶法压井的作业（曲线B）。每一种情形都须根据具体情况仔细地判断。在考虑硬顶法的多数情况下，如果在压力恢复升高前进行硬顶压井的话，所产生的地面压力都较小，这决定于以下因素：（1）井眼的几何形状（钻具的外径、内径，井径，井斜等）；（2）压力恢复的速度（井的喷量）；（3）喷流的性质（压缩性，温度，密度等）；（4）向井内泵送的速度；（5）泵送钻井液的密度和流变性。这些因素本质上很复杂，本身不能一般化，经验化，因此，推荐使用计算机辅助技术来指导硬顶作业。这可对每一口井进行仔细而彻底的分析。如果所选定的方法是关井后马上泵入压井液，则必须确定一最优排量。在大多数喷后情况下，井下状况一般不清楚或不能确定套管或井口是否损坏。在将井压住之前说不清因喷流或发热而损坏的问题。这会使井队难以对压井作业作出决策，因为一定要避免进一步的损坏。在某些稀有的情况下，盖帽之后的压井作业可能会产生灾难性的后果。因此，当正喷井或分流井压井时须格外地小心和仔细研究。然而，许多井都用硬顶法进行了成功的压井。压井作业时注意减小地面泵送压力。这样也减小了井下压力，因为地面压力是井下压力的一面镜子。试想井眼正分流而选用硬顶法压井，必须对压井方法、压井速度、钻井液密度和流变性进行仔细计算和对比研究，建议使用计算机辅助技术。Wild井控制公司开发了一软件用来辅助硬顶法压井的设计。该软件名为BULLHEAD。1.3钻具离开井底压井尽管起钻前要求井队检查井眼是否处于静态并处于控制之下，但正常起下钻过程中仍可能有大量的井涌发生。当钻到压力增加的地层（不是大超压）时常会发生问题。此时的孔隙压力处在静态钻井液密度与当量循环密度之间。停止循环时，当量循环密度的影响将消失。然后上提方钻杆井眼会有抽吸压力，其作用可能会达到在钻头下方抽吸进某些地层流体。在现有的近平衡状态下，地层涌入物会跟着钻头上行。当钻杆起出井眼一半时，气体开始巨大的膨胀并继续上升膨胀，迫使更多的钻井液排出井眼，这更进一步降低了静液压头。如果不快速采取措施，便会发生井喷。在井眼到达这一阶段并关井之前，必须把握这一过程。考虑这样一种情形，即钻井液密度接近套管鞋处地层的破裂梯度（或其他弱裸眼地层），当下钻时司钻瞬间分散了注意力使钻柱快速下冲，钻柱的快速下落造成很大的激动压力，结果招致超过弱地层的破裂梯度，而造成钻井液严重漏失。钻井液液面下落而不能测出，从而造成液柱压力损失。压力下降直到等于油藏压力。油藏可能在漏层上方，但多在漏层下方。漏失继续到漏层，那么油气层的流体就会进入井眼环空、膨胀，很快环空钻井液面就会到达地面，形成溢流。向井内注钻井液，因量大而无法实现。此后很快便失去了控制。另一个非常规情况是在井涌之前或控制井涌时已卸开了钻具。这种情况可能发生在起下钻时。根据井控情况的一份油田现场调查，大部分井涌发生在正常压力范围内早班起钻的过程中。每一个公司都有详细的控制起下钻井涌的步骤，应按这些步骤进行。然而，下列准则应予以遵守：（1）千万不要试图超越井涌；（2）如果已察觉井正在喷涌，要毫不迟疑地关井。井控的经验表明应迅速采取措施，而不是象某些作业者建议的那样对井涌先进行评估。尽快地发现井涌是控制井涌的关键。没有任何情况允许井眼继续喷涌，除非可采取措施分流。要准确地确定起下钻时井眼应排出和灌入的钻井液量（钻杆钢的体积，如果堵了水眼则加上钻杆容积）。如果起钻时从不喷钻井液到喷钻井液，应确定出原因。如果起钻仍喷，那么可能是井涌。如果观察到任何这种情况，应引起格外注意，停止起钻。坐上卡瓦，使钻杆接头高于钻盘面。然后接上并上紧对扣阀将它关上，保证井内充满钻井液，尽快地关井。这里不提倡软关井。如果要关井的话，应尽快地关上，毫无疑问，这是唯一明智的方法。关井后，可通过节流阀将井涌分流回灌浆罐。检测并记录喷流量得到初始流量。分流一段时间以后，最大480-800L，应把井关上。如果井已强烈喷涌，不应再考虑回流。如果井况要求，不允许井涌钻井，建议的关井方法是打开手控节流阀将溢流引入钻井液气体分离器；关掉万能防喷器或闸板防喷器，然后关节流阀而关井。观察压力增加，保证不超过最大允许套压。提起方钻杆插入并接到关闭的对扣阀上。打开该阀并检测关井钻杆压力和关井套管压力，直到压力稳定为止。每几分钟读出并记录一次压力。此时决定是在此点压井，还是强行下钻到井底然后压井。注意：如果尝试软关井或低节流压力法，一定确定队伍能胜任这项工作。这需要进行仔细的计划和专门的培训。常规的井控培训不培训钻井人员低节流压力法和体积控制法作业。在该点压井：如果决定在该点压井，所需的钻井液密度比钻头下到井底时所需密度大，也比钻开地层所用的钻井液密度大。其优点是当此高密度压井钻井液循环到钻柱周围时可把井打开。缺点是井眼尽管此时处于平衡状态，而井涌仍会向上迁移（尽管其上部有超压井密度钻井液）。井队必须准备将气体循环出井或实施体积法压井。如果井是稳定的，则可以下钻（不必是强下）。但不要下得过深，否则，增加的钻井液密度会增加套管鞋处的静液压头而引起地层破裂，增加地下井喷的可能性。一般的方法是在首先注意到喷流时先用超压井密度钻井液将井压住。然后使用正常的通过钻杆泵送钻井液的方法压井。把井打开，下入一短而经过计算知道套管鞋处地层不会破裂的距离。根据过压井密度和下入的距离以及所需的最终钻井液密度而降低钻井液密度。此时的钻井液密度即应为原先钻井时的钻井液密度。如果当循环和降低钻井液密度时井眼开始喷涌，再增加一点密度看井眼是否稳定下来。如果返出有气侵，应关上防喷器，并使返出物通过钻井液气体分离器。再下入一段并降低钻井液密度。继续这一过程，直到钻柱下到井底，钻井液密度降到原钻井液密度为止。循环钻井液，至井眼稳定；然后起钻到套管鞋处。在此处循环，看钻井液密度是否足以克服抽吸压力，然后恢复到正常的钻井作业。强下到井底然后压井：如果看到气体上升（压力增加），方法有二：一是强行下钻，二是用体积法控制。体积法需用几天的时间，大大地增加了卡钻的可能性。如果要进行强行下钻的话，要强下到钻头位于气泡下方或到底为止。如果钻杆已强下到井底，可以使用以前钻该地层的钻井液密度或稍重点的钻井液进行循环。是否要强行下钻决定于井队和钻机的准备情况。通常气体以150-450m/h的速度上升，这具体取决于井眼和钻井液的状况。对于稀薄的钻井液，气体上移的速度可达1067m/h。路易斯安那州立大学实验井上天然气从井底迁移到地面（2286m，井内流体为水）时间不到两小时。1.4低节流压力法低节流压力法是标准的或常规的循环井控法的改型。经典的井控法假设在整个压井过程中井底压力保持不变或稍高于初始稳定的关井压力。低节流压力法与经典法不同的是它允许井底压力降低甚至低于初始关井压力，并可允许更多的地层流体进入井内，然后将之循环出去。在正常情况下不需使用低节流压力法，但特殊情况要求使用这种方法。从概念上讲，低节流压力法与欠平衡钻井相似。钻致密的高压气层，用低密度钻井液，使用旋转头，进行的是欠平衡钻井。有时，油藏压力约高达2.04g/cm3，而所用钻井液密度仅为1.32g/cm3，这样，在旋转头上便作用了约2.758MPa的压力。钻进过程中允许地层产出流体。使用这种方法大大地降低了钻井时间和成本。在电测、起下钻和下套管前将井压住。在井控情况下，当表套下得较浅而有长裸眼井段时这种方法可用得恰到好处。若套管下得较深而裸眼井段较短，则可不用低节流压力法，但这种情形并不总是可能的。计算井涌容许系数以适应预期的井涌的大小及其密度，在井涌容许系数低于该地区可接受的风险系数时下套管，这都会使低节流压力法无用武之地。低节流压力法用于下列情况：（1）为了保护井队人员；（2）为了保护钻机和地面设备；（3）为了保护套管鞋处地层，减小地下井涌、地下井喷和气体从套管外（套管下得浅）窜出的可能性。低节流压力法的使用与最大许可地面压力有关。最大许可地面压力为下列三个数值中较小的值：（1）防喷器及有关设备测试的额定工作压力；（2）最近一层套管的设计抗崩压力（70%的屈服值）；（3）最近一层套管鞋处地层漏失压力。第1，2条保护人员和钻机；第3条保护套管鞋处地层。在大多数情况下如果防喷器设计得安全系数足够，第1，2项永远不会接近。但在钻大直径浅井时地层破裂可能会成为担心的问题，这通常要求分流技术或无隔水管钻井。下式可用于确定引起套管鞋处地层破裂的当量钻井液密度：ρf=PL/(0.0098Hc)+ρL5-25式中:ρf—破裂压力，g/cm3；PL—漏失压力，MPa；Hc—套管鞋垂直深度，m；ρL—试漏时用的钻井液密度，g/cm3。之后任一时刻，最大许可地面压力都可用下式计算：Pcmax=0.0098Hc(ρf-ρm)5-26式中:ρf—破裂压力，g/cm3；ρm—循环时井内钻井液密度,g/cm3；Hc—套管鞋垂直深度，m。关井时套压很快接近最大许可地面压力时，很难决定怎么办。这通常意味着井眼设计不充分，井队本应采取措施避免这种情形。这时可以维持最大地面许可压力，开始将压井钻井液泵入井中而实行动态压井。更为典型的是，井控开始时很正常，但套压逐步接近最大许可地面压力。可有几种方法进行处理。如果这种状况是井涌顶部已经进入套管封固段，可不必担心或采取措施。因为正用的是恒定井底压力法。当井涌的前端通过了套管鞋时，套管鞋处的临界压力开始下降。此时，应当依据计算的井底压力和套管鞋处液静压力确定出套管鞋处实际的当量钻井液密度。井涌前端上行离套管鞋越远，只要套压不超过套管或井口的额定工作压力，就越不用担心。如果套管鞋处计算的压力大于破裂压力，可有几种方法处理。一种是短时间地释放相同量的环空压力，这会释放套管鞋处的压力，同时也减小井底压力和泵送压力。压井过程中井底压力也应包括环空摩擦压降作为安全系数。只要压力降低不超过环空摩擦压力，井控压力就不会发生大的变化。如果减小压力超过了环空摩擦压耗，井底压力就将小于地层压力同一值，因而地层流体就会进入井眼。但第一个气泡的前端现在远在井眼的上方，应对套管鞋处继续进行压力计算以尽快地施加正确的回压。这可减少第二次井涌量。继续按正常情况进行压井，但应继续有控制地循环至少到第二次井涌完全循环出井口为止。如果怀疑井内仍有井涌，建议使用节流阀控制，继续循环。另一种方法是降低泵的排量。要选定多个低泵速循环排量。用压力与排量的关系曲线图，以内插法可准确地求出实际记录的排量之间的那些排量值。在压井时，通常选用低排量中最快的一个排量以减小总的钻机时间，费用和卡钻的危险等。然而，使用较低排量是有益的，特别是压力达到临界时，应停泵关井，记录关井套压。为了保证泵启动时恒定的环空压力，应以最低的泵速重新开泵。另一种方法是保持环空压力不变在运转中改变泵排量。保持所用的对钻井液密度较正过的排量将压力控制传到钻杆，继续作业。如果计算的套压仍然接近套管鞋的临界值，可能需要再降低一点回压。压井时始终都要观察返出的钻井液，当接近最大许可地层压力时，应特别当心井漏。现场经验指出，5%-15%漏失不会从实质上影响控制的基本步骤。如果所有的或大部分的钻井液漏掉就不能使井得到控制。最后，应评估地层涌出物的来源。如果气体来自非常致密的地层，而套管鞋处地层相对较弱，进入井眼气体会很少。允许气体进入井眼，可能不会造成复杂情况，但如流进套管鞋处地层就会造成严重问题。如果气体来自高产气藏，减压后采用经典井控法进行压井时一定要格外小心，要补偿环空摩擦当量压降。只要可能的话，应维持压力并检测漏失。当这种情况发生时，在裸眼井段钻进应尽可能慎重，只要作业一恢复正常控制，即下套管。1.5顶部压井技术当井内起出钻具、喷空、钻具刺漏或钻头水眼被堵塞，钻具无法正常循环时，最为安全的处理方法就是使用顶部压井技术。其处理方法可分为两个过程；容积法排溢流和反循环压井。1.5.1容积法排溢流其原理是依据井底压力和井口套压之间的变化关系控制井底压力略大于地层压力，允许天然气在沿井眼滑脱上升过程中适度膨胀，直至井口，在进行顶部压井操作。在关井期间井底压力等于环空静液压力与井口套压之和，即Pb=Pm+Pa。为了确保整个排溢流和压井期间的井底压力略大于地层压力并将期保持在一定的范围内，当气体滑脱上升、井内液柱压力减小时，需将井内液柱压力的减小值加在井口套压上，以补偿井底压力，平衡地层压力。环空静液压力的减小值为：△Pm=0.0098ρm△V/Va5-27式中:△Pm——环空静液压力的减小值，MPa；ρm——环空钻井液密度，g/cm3;△V——环空钻井液体积减小值（为了让井内气体膨胀而放出的钻井液量，用计量罐计量），m3；Va——环空容积系数（即每米环空容积或环空截面积），m3/m;环空静液压力的减小值应等于井口套压的增加值，即:△Pm=△Pa5-28式中:△Pa——井口套压增加值，MPa。操作程序：（1）先确定一个大于初始关井套压的允许套压值Pa1，再给定一个允许套压变化值△Pa′，例如初始关并套压Pa＝5MPa，允许套压值Pa1＝6MPa，允许套压变化值△Pa′＝0.5MPa。（2）当关井套压由Pa上升至（Pa1+△Pa′）=（6+0.5）MPa时，从节流阀放出钻井液，使套压下降至Pa1，即6MPa，关井，并将放出的钻井液体积△V1换算成环空静液压力的减小值，即得套压增加值：△Pa1=△Pm1=0.0098ρm△V1/Va。（3）当关井套压由Pa1上升至（Pa1+△Pa′+△Pa1）=（6+0.5+△Pa1）MPa时，从节流阀放出钻井液，使套压下降至（Pa1+△Pa1）,关井；放出钻井液体积△V2，则套压增加值△Pa2为：△Pa2=△Pm2=0.0098ρm△V2/Va。（4）当关井套压由（Pa1+△Pa1）上升至（Pa1+△Pa1+△Pa2+△Pa′）=（6+0.5+△Pa2+△Pa′）时，从节流阀放出钻井液，使套压下降至（Pa1+△Pa1+△Pa2），关井；放出钻井液体积△V3，则套压增加值△Pa3为：△Pa3=△Pm3=0.0098ρm△V3/Va。（5）按上述方法使气体滑脱上升膨胀，排放钻井液，使套压增加一定值以维持井底压力与地层压力的平衡，直至气柱到达井口。此时不能放气泄压，以免井底失去平衡，再次溢流。维持套压值是平衡地层压力的关键。1.5.2反循环顶部压井当井眼内天然气上升至井口时，常采取反循环顶部压井法来置换井口气体，进行压井。其原理是从井口间断泵入大密度压井液置换出井口天然气，使泵入压井液液住压力等于放气后套压下降值，直至将井眼中的天然气全部排除干净。△Pak=△Pmk=0.0098ρk△Vk/Va5-29式中：△Pak——环空套压减小值，MPa；△Pmk——环空压井液静液压力的增加值，MPa；ρk——环空压井液密度，g／cm3；△Vk——环空压井液体积增加值，m3;Va——环空容积系数（即每米环空容积或环空截面积），m3／m。操作程序：（1）通过地面反循环压井管线向井口泵入一定量的大密度的压井液，使套压上升一允许值（方法同前或以最大套压值为准）。（2）当压井液因重力的作用下沉后，通过节流阀缓慢放气，使套压下降至一定值（即泵入的压井液静液压力的增加值）后关闭节流阀。（3）重复上述步骤直至井内全部充满钻井液。1.6关井起下钻发生溢流关井时，井内有压力（即关井后井口压力Pa不等于0）的情况下，将钻具下入井内或下到井底，或为了井内钻具、测量工具及仪器的安全，将管具或钻具从井内起出的操作技术统称关井起下钻。根据是否需要额外的辅助加压设备，可将其分为非加压关井起下钻技术和加压强行关井起下钻技术。非加压关井起下钻就是在溢流或井喷关开后，当井口回压较小而井内剩有较长的钻具时，无需外力支持，只靠钻具自身重量就能实现关井起下钻具的操作技术。它通常被简称为关井起下钻。该方法较为简单。操作方便，不需要其它的辅助图5-7关井下钻优选程序流程图设备；而加压强行关井起下钻则是在溢流或井喷关井后，由于井内憋压过大（即关井后井口回压Pa过大），作用于钻具底部或钻具接箍横截面上的上顶力大，当其大于或等于钻具的有效重力时，无法实现上述常规关井起下钻操作，只能在外力的帮助下实现将钻具强行下入井内或从井内强行起出的操作技术。它通常被简称为强行起下钻技术。1.6.1关井下钻原理实现关井起下钻作业既可以通过环形防喷器，也可以通过两个闸板防喷器进行。是采用环形防喷器，还是采用两个闸板防喷器进行关井起下钻作业，在此之前必须先解决两个问题：一是钻柱的有效重量是否允许不加压关井起下钻作业；二是如果允许关井起下钻，是通过环形防喷器还是通过两个闸板防喷器。这就要先进行受力分析和相关计算。只有有效的钻具重量大于井内的上顶力时，才能靠其自重进行关井下钻作业，将钻具下入井内，直至井底。为了成功与安全地实现关井下钻作业，既要考虑关井条件下钻具重力的平衡因素，又要考虑压井作业时间、安全、人力和设备等诸多因素。其优选顺序方案见图5-7。计算钻具有效重量为：5-29式中：W—钻具有效重量，kN；u—浮力系数；G—钻具的每米质量（钻具线密度），kg／m；L—钻具的长度，m。各种关井下钻时的钻具受力分析如图5-8和图5-9所示。通过建模分析得知：井内压力作用在钻具横截面上，从而产生使钻具上窜的上顶力，即：F=APa=π/410-3PaD25-30式中:P—钻具上顶力，kN；A—井内钻具接头或本体截面积，m2；Pa—井眼内压力，MPa；D—钻具外径，mm；注：1）当选用一个环形防喷器封井下钻时，D为钻具接头或接箍的外径；2）当选用两个闸板防喷器封井下钻时，D为钻具本体外径。从上式得知：在同样的井眼和钻具条件下，由于钻具受力部位的不同，D的大小就不一样。所以，选用环形防喷器进行封井下钻时产生的上顶力（下钻时必须克服的阻力）比选用图5-8环形防喷器封图5-9闸板防喷器封井下钻时钻具受力分析井下钻时钻具受力分析两个闸板防喷器下钻时的上顶力大。因此，在相同的井口压力和有效钻具重量的情况下，选用两个闸板防喷器封井下钻比选用环形防喷器下钻更有可能或更容易实现关井下钻。在关井下钻期间，钻具与防喷器胶心或闸板芯子之间的摩擦阻力可能是相当大的。其大小取决于钻具的外径、粗糙度、密封元件的条件、液控油压、井内压力及下钻时的润滑处理等因素。当钻具的重量大于钻具的上顶力时，摩擦阻力将阻止钻具下行，因此，必须将摩擦阻力加到钻具上顶力上，只有钻具的有效重量足够大时，才能实现关井下钻。即：W≥F+f5-31式中：W—钻具的有效重量，kN；f—封井起下钻时钻具与防喷器胶芯或芯子之间的摩擦阻力，kN。关井下钻时选用两个闸板防喷器，还是采用一个环形防喷器，除了力的问题，还有时间效率和井下安全的因素。而时间和效率直接影响压井作业的成功率及井眼安全，所以，必须进行全面分析考虑，以确定最优的关井起下钻操作方法。如果采用两个闸板防喷器，其优点是关井下钻时产生的上顶力（阻力）较小，只用较小的钻具重量就可以实现关井下钻（特别是在空井关井下钻初期）。但缺点是要使钻具接头通过防喷器，必须采用较多较繁的倒换步骤，延长了排除溢流和压井的时间，增加了井眼的不安全性。如果用环形防喷器，优点是关井下钻时，钻具接头通过防喷器的步骤较为简单，占用时间较少，能及时、迅速地将钻具下到井底。但缺点是关井下钻时产生的上顶力（尤其是钻具接头过胶芯时）较大。当井内钻具的有效重量不足以克服上顶力时，必须借助于外力，迫使钻具通过环形防喷器胶芯下入井内。只有足够的钻具重量才能实现关井下钻。所以，在刚开始关井下钻时，由于钻具有效重量较小，一般采用倒换两个闸板防喷器的方法进行下钻。当下至一定的深度，钻具有效重量足够大时，为了尽快将钻具下至井底，可采用环形防喷器将钻具下至井底。这就需要求出在将两个闸板防喷器换成环形防喷器封井下钻之前，需要采用两个闸板防喷器下入多少钻具。钻具需要额外增加的重量为：W额＝F-W5-32式中：W额——需要多下的钻具有效重量，kN；F——钻具上顶力，kN；W——井内钻具有效重量，kN。可以将需要多下的钻具有效重量换算成钻具的长度，即：5-33式中L额——需要多下的钻具长度，m。图5-10关闭腔压力与井口套压曲线也就是说，在换成环形防喷器之前需要多下L额长的钻具。[例题]某井从3048m起钻，起出2621m钻杆后，发现溢流并关井。测得Pa=7MPa。井内钻铤外径165mm，内径61.5mm，长度122m，线密度为143kg／m；钻杆外径为114mm，线密度24.7kg/m，接头外径156mm；钻井液密度为1.56g／cm3，摩擦力取90kN。问：（1）使用两个闸板防喷器还是采用环形防喷器进行封井下钻？（2）如果使用两个闸板防喷器进行封井下钻，在换成环形防喷器之前,应下入多少钻具。解:浮力系数u=(ρs-ρm)/ρs=(7.854-1.56)/7.854=0.801井内现有钻艇122m，钻杆305m，钻具有效重量为：W=Wdp1+Wdp2=1*10-3*9.8*305*24.7*0.801+1*10-3*9.8*122*143*0.801=196.085(kN)封井下钻时需要克服的阻刀（钻具上顶力与摩擦阻力之和）为当使用两个闸板防喷器进行封井下钻时：F+f=0.785*10-3PaD2+f=0.785*10-3*7*1142+90=161.41(kN)当采用环形防喷器进行封井下钻时：F+f=0.785*10-3PaD接头2+f=0.785*10-3*7*1562+90=221.726(kN)由以上计算可知．196.085kN的钻柱有效重量大于使用两个闸板防喷器进行关井下钻时的井内阻力161.41kN,所以使用两个闸板防喷器进行关井下钻是可行的。但是作用在接头上的井内阻力（221.726kN）大于钻柱有效重量（196.085kN）,所以无法采用环形防喷器进行下钻.在换成环形防喷器之前应关井下入的钻具有效重量为：W额=221.726-196.085=27.641（kN）.在换成环形防喷器之前,应使用两个闸板防喷器关井下入的钻杆长度:=27.641/(1*10-3*9.8*0.801*24.7)=142.56(m)。若是根据井内压力决定采用环形防喷器关井下钻，则要考虑井内压力越高，所需液控油压也越大，钻具与防喷器胶芯或芯子之间的摩擦阻力就越大，环形防喷器胶芯的密封橡胶磨损就越严重考虑可以使用的液控关闭油压为10.5MPa。虽然试验表明Hydril和Shaffer的环形防喷器胶芯足以承受21MPa，但为了提高关井下钻过程中钻杆接头过胶芯的次数，避免其过早损坏通常在钻杆过胶芯的过程中，液控油压值的选取应按厂家推荐的最低曲线值来密封井口，如图5-10所示。当使用两个闸板防喷器进行关井下钻时，钻井四通下喷器的重要作用就是使钻杆接头方便顺利地通过上防喷器时能关往井口，并允许接头下行足够距离（两个防喷器之间应有足够距离，以便容纳钻柱接头）。从转盘面到每一个防喷器的距离必须清楚，并画图表示（如图5-11所示），以便随时确定钻杆接头位置，确保钻具接头正好坐入两个闸板防喷器芯子之间。以免闸板防喷器芯子误卡在钻具接头上，损坏闸板芯子，从而造成井口失控.在关井下钻期间，每次打开上防喷器之前应将两防喷器之间的压力泄掉，每次打开下防喷器之前应给两防喷器之间充压至井口压力。其目的之一是使防喷器闸板上下的压力达到平衡，保护闸板密封在打开的过程中不被过大的压力差损坏掉；其二是在整个关井下钻中不使井口压力和井底压力减少，能更快建立或维持井眼与地层之间的压力平衡，减少或杜绝溢流。泄压操作可从节流管汇处利用打开节流阀的方式实现，充压操作可通过高压泵来提供这个压力。1.6.2关井下钻的操作程序（1）关井下钻的准备a、防喷器组中的两个闸板之间必须有足够的高度，以便容纳钻柱接头。b、钻井四通要安装在两个闸板防喷器之间，最好不用底部的防喷器闸板就可关井起下钻。c、钻井液补充罐不能离井口太近，以防天然气释放出来，造成事故。d、井口上应安装有试压合格的压井管线、节流管线及齐全的阀件（