天然气溢流的膨胀与运移

第八节天然气溢流的膨胀与运移一、 天然气的特点与危害天然气是可压缩的流体，其体积取决于其上所加的压力。压力增加，体积减小；压力降低，体积增大。天然气的压力与体积变化情况，近似于“反比例”。这意思是，当压力增加一倍，其体积减小一半；反之，当压力减小一半，其体积增大一倍。天然气密度比钻井液小得多，钻井液中的天然气，在密度差的作用下，总是向井口方向运移。天然气还具有扩散性大、易燃、易爆的特点。钻井液中混有天然气，还严重影响钻井泵的上小效率。天然气中的h2s有剧毒，对钻井工人的人身安全造成威胁，对钻具和井控装置有很强的腐蚀，使它们造成氢脆破坏；硫化氢能加速非金属材料的老化，使钻具中、井控装置中的密封件失效；H2S对小基钻井液具有较大污染，甚至形成流不动的冻胶。天然气侵入井内后，造成静液压力和井眼压力改变，特别是天然气在上升膨胀过程中，接近井口的迅速膨胀，极易诱发井喷，因此，使井控更复杂，更难处理。必须研究和掌握天然气的特点，避免和减小它对钻井的危害。二、 气体定律适用于天然气的气体定律通常采用下式：Pv=ZnRT (8—1)式中P——绝对压力；V 体积；N——克分子数；R――气体常数T——绝对温度；Z――压缩性系数。(7—1)式可写成Pv=ZW/WPTW/M=n式中W-—气体的总重量；M 气体的分子量。因此Pv/w=ZRT/M或V=ZRT/PM式中V——气体的比容。同样1/V=p=PM/ZRT式中P——气体的密度。另外，也可以写成气体克分子数常数的形式PV/Zt=PV/ZT=nR=常数11 11 22 22三、 天然气侵入井内的方式1、 岩屑气侵在钻井气层的过程中，随着岩石的破碎，岩石孔隙中的天然气被放出来而侵入钻井液。侵入天然气量与岩石的孔隙度、井径、机械钻速和气层的厚度成正比。钻开厚气层时，应控制机械钻速，从而控制侵入钻井液中的天然气量，天然气被循环到地面后，应进行地面除气，减小天然气对钻井液柱压力的影响。2、 重力置换气侵钻遇大裂缝或溶洞时，由于钻井液密度比天然气密度大，产生重力置换。天然气被钻井液从裂缝或溶洞中置换出来进入井内，并在井内聚成气柱。3、 扩散气侵气层中的天然气穿过泥饼向井内扩散，侵入钻井液。侵入井内的天然气量与钻开气层表面积、滤饼的质量等因素有破坏或停止循环时间很长时，侵入量会增大。即使在井底压力大于地层压力时，天然气也会侵入井人。发生以上三种气侵，可通过地面除气手段从钻井液中排除天然气。4、 气体溢流井底压力小于地层压力时，天然气会大量侵入井内。井底的负压差越大，进入井内天然气越多，很容易在井内积聚成气柱，造成井喷。5、 抽吸压力钻柱提升速度快，钻井液切力大，粘度大。井眼缩径和钻头泥包都将引起过大的抽吸压力，过大的抽吸压力是引起井喷和井眼垮塌的重要因素，因此应引起足够的重视。四、 天然气侵入井内对井内液柱压力的影响1、 天然气井在井内的存在形式及运动形式天然气主要是以微小气泡的形式存在于钻井液中，有时以气柱的形式存在于钻井液中。气泡和气柱随着钻井液循环在环空上返至井口。循环时，钻井液中的气泡和气柱由于密度小，在钻井液中滑脱上升。2、 天然气对钻井液密度的影响天然气刚侵入井内，处在井底，受到的压力大，体积小，对钻井液密度影响小。天然气从井底向井口上升过程中，由于所受液柱压力逐渐减小，气泡就逐渐膨胀，体积增大，单位体积钻井液中天然气体积增多，钻井液密度则逐渐减小。当气泡上升至接近地面时，气泡体积膨胀到最大，而钻井液密度降到最小。天然气侵入井内后，井内钻井液密度随井深自下而上逐渐变小。3、 天然气侵入钻井液密度计算及气侵后液柱压力减小值⑴天然气侵入钻井液密度计算pmh=apm/{a(1-a)ps/ps+0.0098pmH}式中pmh 在井深处气侵钻井液密度，g/cm3；a--地面气侵钻井液密度与气侵前钻井液密度的比值；pm--未气侵钻井液密度，g/cm3；H—计算井深，m。⑵气侵钻井液柱压力减小值pm={2.3(1-a)ps/a}log{ps+0.0098pmH}/ps式中APm--受侵钻井液柱压力减小值，MPa；其他符号意义同上。例1已知某井井深10000m,井口返出的气侵钻井液密度为0.6g/cm3,井内未气侵时的钻井液密度为1.20g/cm3,开井循环时，求气侵钻井液在10000m与1000m处压力减小值？解a=0.6/1.2=0.5ps=0.098MPa(开井时，地面压力取0.098MPa；关井时，地面压力取关井套压值)。10000m处的静液压力减小值：△pm={2.3(1-a)ps/a}g{ps+0.0098pmH/ps}={2.3(1-0.5)*0.0098/0.5}g{0.0098+0.0098*1.2*104/0.098}=0.694MPa1000m处的静液压力减小值：pm={2.3(1-a)ps/a}g{ps+0.0098pmH/ps}={2.3(1-0.5)*0.0098/0.5}g{0.0098+0.0098*1.2*104/0.098}=0.47MPa例2某井钻进到3000m时发生气侵，未气侵时钻井液密度为1.30g/cm3,气侵后井口钻井液密度为04g/cm3，气层压力系数1.20，求井底静液柱压力？怎样处理？解a=1.04/1.30=0.8pm={2.3(1-a)ps/a}g{ps+0.0098pmH/ps}={2.3(1-0.8)*0.0098/0.8}log{0.0098+0.0098*1.30*3000/0.098}=0.146MPapb=pm-△pm=0.0098*1.30*3000-0.146=38.074MPapb=0.0098*1.20*3000=35.28MPap=pb-pp=38.074-35.28=2.794MPa过平衡量低于标准3.0〜5.0MPa，应边除气边加重钻井液，使井底压力大于地层压力3.0〜5.0MPa,井出口钻井液密度相等。4、钻井液发生气侵后应注意的问题⑴钻井液发生气侵，不能用井口测量的密度值计算井内气侵液柱压力。⑵气侵对井内静液柱压力影响不同。井越深，影响越小；井越浅，影响越大。⑶发生气侵，采取的首要措施是地面除气。除气后的钻井液注入井内，返出密度不再下降，则目的达到。若返出密度小于注入密度，应适当加重钻井液，使进出口密度相等。气侵是发生溢流的前兆，应当认真处理。如果气侵任意发展，则可能导致井喷。

5、开井状态下气柱对井内压力的影响钻开气层后，长时间停止循环，侵入井内的天然气在井底聚积成气柱。气柱靠密度差形成的浮力在钻井液里滑脱上升。若气柱压力大于其上的钻井液柱压力或气柱上升后气柱压力大于其上的钻井液压力，气柱将膨胀，，将其上的钻井液排出地面。气柱在井内上升对井底压力的影响如图15—5所示。图中所示为在井眼直径215.9mm与钻杆直径114.3mm的环形空间，井内钻井液密度为1.20g/cm3,井深3000m处有0.26m3天然气柱上升情况。这种情况在一些起钻杆开始发生部抽汲的井中容易发生。图8—2气柱的膨胀上升气柱上升到井深1500m，气柱体积变为0.52m3，高度变为20m，井底压力同35.38降到35.14MPa。气柱继续上升膨胀，井底压力继续上升到井口时，气柱体积变为8.32m3,高度变为30m，井底压力下降到31.62MPa。气柱上升到一定高度后，由于上面压力减小，气柱体积的膨胀就足以使上部钻井液自动外溢喷出。发生自动外溢后，气柱上面的钻井液压力小于地层压力，则会使天然气进入井内造成井喷。对于油气活跃的井，下钻时，应分段循环排除油气。下钻过程发现油气侵严重，应节流循环排除油气，防止发生后效引起井喷。6、关井状态下气柱对井内压力的影响发生气体溢流关井，或起钻发生抽汲气体溢流而关闭的井中，天然气在关井状态下滑脱上升。气体滑脱上升的速度主要取决于钻井液粘度、切力，及与钻井液密度差。如果粘度低，切力小，密度大，则上升快；反之，则上升慢。关井状态下，气体不能膨胀，因为井内容积固定，钻井液又不可压缩，气体要膨胀，没有容积，因此气体体积不变。气体体积不变，它所具有的压力不

体要膨胀，没有容积，因此气体体积不变。气体体积不变，它所具有的压力不变。气体滑脱上升过程中，始终保持着原来的井底压力值。天然气上升到地面变。气体滑脱上升过程中，始终保持着原来的井底压力值。天然气上升到地面时，这个压力就被加到钻井液柱上，作用于整个井筒，造成过高的井底压力。由于气体滑脱上升，套管处压力和钻井液当量密度都增加，可能导致井下井喷。如图所示8—3图8—3表明了关井状态下气体滑脱上升井内压力、井口压力的变化情况。图中所示井内钻井液密度1.20g/cm3,井深3000m,0.26m3气体侵入井内，此时的井底压力为35.378MPa。天然气在关井及体积不膨胀的条件下上升，当天然气上升到井深一半处，即1500m时，仍保持在井底时的压力值35.378MPa不变。则这进的井底压力与井口套压分别为：pb=pp+0.0098pmL1=35.378+0.0098*1.20*1500=53.018MPapa=pp-0.0098pmL2=35.378-0.0098*1.20*1500=17.378MPa式中L1――所气柱以下的钻井液高度，m；L2――气柱以上的钻井液高度（气柱高度不计），m。当天然气上升到井口时，井底压力及井口套压：pb=pp+0.0098pmH=35.378+0.0098*1.20*3000=70.658MPapa=pp=35.378MPa天然气上升到其它井深时，井底压力和井口压力如图中8—3所示。通过上面的例子得出以下结论：1、 关井时，井要承受很高的压力，要求井口防喷器装置有足够高的工作压力。2、 发生气体溢流不应长时间关井，避免超过最大关井套压。3、 气体滑脱上升引起井口压力不断升高，不能府为地层压力很高，不能录取这时的井口压力。五、立管压力法1、 立管压力法原理通过节流阀，间断放出一定数量的钻井液，使天然气膨胀，气体压力降低，通过立管压力控制天然气的膨胀和井底压力，使井底压力略大于地层压力，以防止天然气再进入井内，又不压漏地层。2、 操作方法：1）先确定一个比初始关井立管压力高的允许立管压力值Pd1和放压过程中立管压力的变化值4pd；国外一船取&pd=0.343〜0.686MPa，此值在压力表上不好读出，可取Pd=0.5〜1MPa。比初始关井压力Pd大1MPa。例如：关井立压Pd=3MPa,则Pd1=4MPa，△Pd=0.5〜1MPa。2） 当关井立管压力Pd增加到（Pd1+APd）,即增加到（3+1）+1=5MPa时，通过节流阀放钻井液，立管压力下降到Pd1，即下降到4MPa时关井。3） 关井后天然气继续上升，立管压力再次升到（Pd1+APd）时，即增加到（3+1）+1=5MPa时，再按上述方法放压，然后关井。这样重复进行，可使天然气上升到井口。放压过程中，由于环空放出钻井液，环空静液压力减小，因此套压增加一个值，增加的值等于环空静液压力减小值。4） 不适用立管压力方法的情况当发生如下情况，则不能应用立管压力法，而要采用容积法：钻头小眼被堵死，立管压力有能读值；钻头位置在气体之上；钻具被刺漏等。六、容积法1、 容积法原理容积法原理是依据井底压力、环空静液压力和井口套压的变化关系，控制井底压力略大于地层压力，让气体上升膨胀。井底压力的变化是由于地面套压的变化或环空静液压力的变化引起的。环空静液压力变化又是由于气体膨胀时钻井液量的减少所致。环空静液压力减小值通过增加套压补偿。环空静液压力减小值为：APm=0.0098pm（AV/Va）（8-4）式中 APm=环空静液压力减小值，MPa；pm=环空钻井液密度，g/cm3；AV=环空钻井液减少值（放出的钻井液量，应放入计量罐中计量），m3；V3=每m环空容积，m3/m。环空静液压力的减小值，也就是套压升高值（补偿静液压力减小值，维持井底压力平衡地层压力）。APm=APa （8-5）式中APa—一套压升高值，MPa。2、 操作步骤：1） 先确定一个大于初始关井套压的允许值压值Pa1，再确定一个套压变化值APa'，例如：初始关井套压Pa=5MPa，允许套压值Pa1=6MPa，套压变化值APa'=0.5MPa。2） 当关井套压由Pa上升到Pa1+APa'=6+0.5=6.5MPa时，从节流阀放出钻井液，使套压下降到Pa1，即6MPa，关井；放出钻井液量AV1，环空静液压力下降值即套压增值：APa1=APm1=0.0098pm（AV1/Va）（AV1