《现代固井完井技术》3完

第一节 表皮系数的计算表皮系数的定义：油田的每个作业都可能对储层造成损害，在井底周围形成一个损害带，其渗透率小于未损害带的渗透率，描述损害程度大小的量称为表皮系数。完井的评价表皮系数常用试井资料计算，其表皮系数是一个综合值，它至少包括以下几部分:S＝Sd＋Sp＋Sc＋Sb＋Sg＋Si＋……式中S——总表皮系数；Sd——油气层真实损害的表皮系数；

Sp——射孔表皮系数；Sc——完井不完善造成的表皮系数；

Sb——堵塞表皮系数；Sg——砾石充填表皮系数；

Si——紊流造成的表皮系数。通过油气井的不稳定试井资料可以得到两种基本曲线:一种是压降曲线，另一种是压力恢复曲线。不同曲线具有不同的表达方式，因此将有不同的表皮系数计算方法。一、压降曲线法对于试油后的探井或生产井,关井达到稳定静止时,以某一稳定的产量开井生产,通过压力计测量不同开井时间的井底流动压力。将井底流动压力与开井时间在直角坐标系上作图,所得到的曲线称为压降曲线。1.油井表皮系数S的计算公式:式中:Pi:原始油层压力，MPa；Pwf(1h):开井1h时的井底流动压力，MPa；K:渗透率，μm2；φ:孔隙度；μ0:原油粘度，mPa.s；Ct:油藏总压缩系数，MPa-1;Rw:井眼半径，m；此处,m是一个常数,对于油井来说,0在非稳定阶段,井底流动压力P与开井时间twf呈半对数直线关系,直线的斜率为m。0P＝A－mlgtwf 0计算的m0公式为:式中:Q:油井的稳定产量，m3/d；0B:原油体积系数；0μ0:油层原油粘度，mPa.s；K:油层有效透率,μm2；h:油层有效厚度，m。通过上述公式，在求得的m0情况下，可以求得K×h值，若油层厚度已知，可得到油层的透率K。2.气井表皮系数S的计算公式:式中:P:原始气层压力，MPa；iP(1h):开井1h时的井底流动压力，MPa；wfK:渗透率，μm2；φ:孔隙度；μg:气层天然气粘度，mPa.s；C:气藏总压缩系数，MPa-1；tR:井眼半径，m。w此处,m是一个常数,井底流动压力的g平方P2与开井时间t呈半对数直线关系,直wf线的斜率为m。gP2＝A－mlgtwf g计算的m公式为:g式中:Qg:气井的稳定产量，m3/d；μg:油层原油粘度，mPa.s；Z:天然气偏差系数；T:气藏温度，K；Ps:地面标准压力，MPa；K:油层有效渗透率，μm2；h:油层有效厚度，m。Ts:地面标准温度，K。二、压力恢复曲线法当一口油井以某一稳定的产量生产一定时间后，将井关闭，通过压力计测出井底压力恢复值随关井时间的变化，二者之间的关系曲线称为压力恢复曲线。通过压力恢复曲线数据计算表皮系数的方法有两种:1.Horner（霍纳）法（1）油井表皮系数S的计算公式:式中:Pwo(1h):关井1h时后井底恢复压力，MPa；Pwf:关井时的井底流动压力，MPa；K:渗透率，μm2；φ:孔隙度；μ0:原油粘度，mPa.s；Ct:油藏总压缩系数，MPa-1;Rw:井眼半径，m；t:生产时间，h。此处,m是一个常数,井底恢复压力P0

wo与时间呈半对数直线关系,直线的斜率为m0。（2）气井表皮系数S的计算公式:式中:Pwg(1h):关井1h时后井底恢复压力，MPa；Pwf:关井时的井底流动压力，MPa；K:渗透率，μm2；φ:孔隙度；μg:气层天然气粘度，mPa.s；Ct:气藏总压缩系数，MPa-1;Rw:井眼半径，m；t:生产时间，h。此处,m是一个常数,井底恢复压力的g平方P

2与时间wf直线的斜率为mg。呈半对数直线关系,2.MDH（Miller-Dyes-Hutchinson，米勒-戴斯-哈钦森）法当油气井关闭之前的生产时间比较长时，Δt＋t≈t，1＋t≈t，得:油井:气井3.例题某井以19.58m3/d的稳定产量生产，累计产量79.62m3，然后关井进行压力恢复测试，测试数据如下表。油层物性参数:h＝6.1m，孔隙度φ＝0.22，Rw＝0.091m，μ0＝1mPa.s，原油体积系数B0＝1.22，油藏总压缩系数Ct＝29.4×10-4MPa-1。求该油层的有效渗透率，用Horner法和MDH法计算表皮系数。Δt,hΔt,hΔt,hΔt,hΔt,hΔt,hΔt,hΔt,hΔt,hΔt,hΔt,hΔt,hΔt,hΔt,hΔt,hΔt,hΔt,hΔt,hΔt,hΔt,hΔt,hΔt,hΔt,hΔt,hΔt,hΔt,hΔt,hΔt,h解:关井之前油井的生产时间:t＝(79.62/19.58)×24＝97.6（h）按照Horner法作直线:得斜率m0=0.1680；按照MDH法作直线:得斜率m0=0.1586；用Horner法计算 透率:上式中:Q=19.58m3/d，B＝1.22，μ0 0＝1mPa.s，h＝6.1m，m=0.1680，代入，可0 0算出K=0.0494μm2。用Horner法计算表皮系数:上式中:P(1h)＝32.197MPa，P＝30.653wo wfK=0.0494，t＝97.6，φ＝0.22，μ0＝1mPa.s，＝29.4×10-4MPa-1，R＝0.091m，m=0.1680，w 0代入，可计算出S=4.94。用MDH法计算渗透率:上式中:Q=19.58m3/d，B＝1.22，μ＝0 0 01mPa.s，h＝6.1m，m=0.1586，代入，可计算0出K=0.0523μm2。用MDH法计算表皮系数:上式中:Pwo(1h)＝32.197MPa，Pwf＝30.65K=0.0523，φ＝0.22，μ0＝1mPa.s，Ct＝29.4×10-4MPa-1，Rw＝0.091m，m0=0.1586，代入，可计算出S=5.76。第二节储层损害的评价方法1.表皮系数法式中:K:储层渗透率，μm2；Ka:损害区的渗透率，μm2；ra:损害区半径，m；rw:井眼半径，m；判断方法:S>0,储层受到损害,S越大,损害越严重。S＝0,储层未受到损害,或损害后完全解除。S<0,井底处于超完善状态。2.条件比法定义：储层受到损害时，油气井供给半径之内的平均有效渗透率与未受损害的原始渗透率的比值，用CR表示。式中:re:油井供给半径，m；rw:井眼半径，m；S:表皮系数。判断方法:CR>1，井底处于超完善状态；CR＝1，储层未受到损害，或者损害后完全解除。CR<1，储层受到损害，CR越小，损害越严重。3.产能比法定义：在相同生产压差下，储层受到损害后的产量与假定未受损害时的理想产量之比，用PR表示。式中:r:油井供给半径，m；er:井眼半径，m；wS:表皮系数。判断方法:PR>1,井底处于超完善状态；PR＝1,储层未受到损害,或者损害后完全解除。PR<1,储层受到损害,PR越小,损害越严重。4.流动效率法定义:在相同的产量条件下，储层受到损害后的采油指数与未受损害时的理想采油指数之比，用FE表示。采油指数:油井产量Q与生产压差（Pe－Pwf）在直角坐标系中作图，可以得到一条直线，该直线的斜率称为采油指数。物理意义是油井在单位生产压差下的日产油量，直接反映油井产能的大小，单位m3/(MPa.d)。式中:pe:地层压力，MPa；pwf:井底流动压力，MPa；S:表皮系数。m0:是一个常数。判断方法:FE>1,井底处于超完善状态；FE＝1,储层未受到损害,或者损害后完全解除。FE<1,储层受到损害,FE越小,损害越严重。5.堵塞比定义：井底附加地带的油气层受污染及堵塞的程度，是流动效率的倒数。用DF表示。式中:pe:地层压力，MPa；pwf:井底流动压力，MPa；S:表皮系数。m0:是一个常数。判断方法:DF>1,储层受到损害,DF越大,损害越严重。DF＝1,储层未受到损害,或者损害后完全解除。DF<1,井底处于超完善状态。6.污染半径法定义：油气层污染堵塞区到井眼中心的距离，是判断油气层损害程度的指标之一，用ra表示。式中:K:储层渗透率，μm2；Ka:损害区的渗透率，μm2；ra，rw:损害区与井眼半径，m；判断方法:r>r,储层受到损害,r越大,损害越a w a严重。r＝r,储层未受到损害,或者损害后完a w全解除。7、完善指数法由童宪章1977年提出,优点是不需要高压物性参数计算简便。用CI表示。式中:pe:地层压力，MPa；pwf:井底流动压力，MPa；m0:是一个常数，表示斜率。判断方法:CI>7,储层受到损害。CI＝7,储层未受到损害,或者损害后完全解除。CI<7,油井未受到损害。8、注意事项:一般评价地层损害通用表皮系数,同时增加另外一、两种。没有高压物性资料时,采用完善指数。应用其它评价方法可能导致偏差。均质油层和非均质油层的判别标准是不同的。如表皮系数S＝－2时,对于均质油层显然没有伤害,但对于非均质油层存在伤害。试井解释的表皮系数是总表皮系数。不是真正意义上的损害表皮系数,在尽可能的情况下,将总表皮系数分解为各种表皮系数。复习题一、名词解释1、完井工程：3、屏蔽暂堵技术5.终凝时间7、水泥浆失重9、套管射孔完井11、初凝时间13、钻井液固相含量15.套管抗挤强度2、射孔4、水平井6.窜槽8、压力恢复曲线10、油气藏12、水泥浆失水14、压降曲线16.水动力学完善井复习题二、填空题1、相对渗透率是指多相流体并存时，每一相的有效渗透率与绝对渗透率的比值。2、水平井的井身剖面可根据实际需要而设计成多种不同类型，实际上应用最多、最有代表性的有单弧剖面、双弧剖面和三弧剖面三种类型。3、井身结构设计主要包括套管层次和每层套管的下深，以及套管和井眼尺寸的配合。4.射孔弹主要分为深穿透弹和大孔径弹两大类。复习题二、填空题5、割缝衬管防砂的关键就在于如何正确地确定缝口宽度，根据实验研究，砂粒在缝眼处形成“砂桥”的条件是：缝口宽度不大于砂粒直径的两倍。6.油井水泥的主要成分包括硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙以及石膏、碱金属的氧化物等。7、套管柱设计的等安全系数法的设计思想是使各个危险截面上的最小安全系数等于或大于规定的安全系数。复习题二、填空题8、完井工程的理论基础包括：1）从钻开油层开始到投产每一道工序都要保护油气层，以保证油气层发挥其最大产能2）通过节点分析，来选择完井方式及方法和选定套管直径。9、射孔完井是国内外最为广泛和最主要使用的一种完井方式，包括套管射孔完井和尾管射孔完井。10、射孔枪可分为有枪身射孔枪和无枪身射孔枪两大类11. 前置液将水泥浆与钻井液隔开，起到隔离、缓冲、清洗的作用，可提高固井质量。复习题二、填空题12、三弧剖面水平井的突出特点是在三个增斜段之间相设计了两个稳斜段，这种剖面适用于目的层顶界和工具造斜率都有一定误差的条件下，尤其适用于薄油层水平井设计。13、形成窜槽的原因包括：套管不居中、井眼不规则、泥浆性能及顶替措施不当等原因。14.国内外使用的钻井完井液按其成分及作用原理大体可分为气体类、水基类、油基类三大类。15目前水平井射孔一律采用油管输送射孔工艺。复习题三、简答题1、储层敏感性评价的步骤2、井身结构确定的原则3、水泥硬化的三个阶段4、屏蔽暂堵技术的优点5、完井工程的目的6.注水泥的基本要求7、射孔完井适用的地质条件8、水泥浆凝结过程中引起油气水上窜的原因复习题四、论述题1、水泥的外加剂的种类及作用2、提高注水泥质量的措施3、水平井钻井液的要求和选型原则4.论述套管射孔完井、尾管射孔完井及割缝衬管完井的特点及异同点复习题五、计算题已知技术套管下到井深为3200m处，该处的破裂压力梯度为1.98g/cm3，地层压力梯度为1.42g/cm3，该段最小地层压力度1.02g/cm3。在深度为4800m处的最大地层孔隙压力梯度为1.64g/cm3，给定设计系数：Sb=0.036g/cm3；Sg=0.04g/cSk=0.06g/cm3；Sf=0.03g/cm3；△PN=12MPa；校核在320处是否会发生压漏地层和卡套管事故？本章主要内容:地层压力预测与监测地层破裂压力及其预测地层—井眼系统的压力控制欠平衡压力钻井简介第七章

油气井压力预测与控制；；概

述油气井压力预测及控制——在钻井过程中对地层压力进行预测和控制。发生井喷失控的原因起钻抽吸,起钻过程中不及时灌泥浆；起完钻后空井时间过长；未及时发现溢流,或发现溢流后处理措施不当井口未安装防喷器,或承压能力太低；防喷器及管汇安装不符合要求；井身结构设计不合理；对浅气层缺乏足够的认识；地层压力预测不准,泥浆密度偏低；在发生井漏后,没有预防可能发生的井喷；思想麻癖,违章操作。一、地下各种压力的概念（一）静液压力（hydrostaticpressure）静液压力—由液柱自身的重力所引起的压力,其大小与液体的密度与液柱的垂直高度或深度。ph=0.00981ρDl式中:ph—静液压力，Mpa；ρ—液体密度，g/cm3；Dl—液柱垂直高度，m。静液压力梯度—单位深度的液柱压力称为静液压力梯度，(1-1)Gh＝

ph

/

Dl＝0.00981ρ（1-2）•第一节

地层压力预测和监测（二）上覆岩层压力（Overburden

pressur）上覆岩层压力—地层某处的上覆岩层压力是该处以上地层（包括岩石基质和岩石孔隙中流体）总重力所产生的压力。式中:p0—上覆岩层压力，MPa；φ—岩石孔隙度，%；D—地层垂直深度,m；ρma—岩石骨架密度,g/cm3；ρ—孔隙中流体密度,g/cm3； ρ0—地层密度,g/cm3。（分段计算）地层密度的确定:密度测井法声波测井法: o= Tma-2.11*( T- Tma)/( Tf+ T )上覆岩层压力梯度—上覆岩层压力随深度增加而增大。 沉积岩的平均密度大约为2.5克/厘3,上覆岩层压力梯度一般为0.0227兆帕/米。在实际钻井过程中,以钻台作为上覆岩层压力的基准面。（三）地层压力（formation

pressue）地层压力—指岩石孔隙中的流体所具有的压力,也称地层孔隙压力（formationporepressue）,用pp表示。正常地层压力—等于地层流体的静液压力,pp=ph。异常地层压力—地层压力大于或小于正常地层压力。低于正常地层静液压力的地层压力(pp <ph)称为异常低压。超过正常地层压力的地层压力(pp>ph)称为异常高压。（四）基岩应力（matrix

stress）上覆岩层压力由岩石的基质颗粒（骨架）和孔隙中的流体共同承担。由岩石颗粒间相互接触支撑的那一部分上覆岩层压力,称为基岩应力,亦称有效上覆岩层压力、骨架应力或颗粒间压力,用σ表示。（五）地下各种压力的关系上覆岩层压力由岩石骨架和孔隙中的流体共同承担，因此上覆岩层压力、地层压力和基岩应力之间存在以下关系:o当p一定时,σ减小,pp增大,σ→0,pp→po。所以,地层的孔隙压力增大,基岩应力必然减小。σpppo地层沉降压实的机理:沉积物的压缩过程是由上覆沉积层的重力引起的。随着地层的沉降，上覆沉积物重复的增加，下覆岩层就逐渐被压实。如果沉积速度较慢，沉积层内的岩石颗粒就有足够的时间重新紧密地排列，并使孔隙度减小，孔隙中的过剩流体被挤出.如果是“开放”的地质环境，被挤出的流体就沿着阻力小的方向，或向着低压高渗透的方向流动，于是便建立了正常的静液压力环境。于是地层水自上而下形成连续的正常的静液压力系统。正常地层压力的形成在地层的沉积过程中,随着上覆沉积物不断增多,地层逐渐被压实,孔隙度减小。如果地层是可渗透的、连通的,地层中流体的流动不受限制（称之为水力学开启系统）,地层孔隙中的流体则随着地层的压实被排挤出去,建立起静液压力条件。形成正常压力地层。（六）异常地层压力的成因异常低压和异常高压统称为异常压力（abnormal pressure）。1.异常低压（abnormallowpressure）压力梯度小于9.81kPa／m（即正常地层压力梯度）的是异常低压。产生异常低压的原因生产多年而又没有压力补充的枯竭油气层。地下水位很低。2.异常高压（abnormalhighpressure）地层压力梯度大于地层流体的静液压力梯度（0.00981—0.0105Mpa/m)时,称为是异常高压。（1）形成异常高压的地质条件①地层具有保存流体的空隙；②地层周围存在不渗透围栅,构成圈闭；③具有一定的埋藏深度；（2）异常高压的成因在地层被不渗透的围栅包围,流体被圈闭在地层的孔隙空间内不能自由流通（称之为水力学封闭系统）的条件下,随着地层的不断沉积,上覆岩层压力逐渐增大,而圈闭在地层孔隙内的流体排不出去,必然承受部分上覆岩层重力。结果是地层流体压力升高,地层得不到正常压实,孔隙度相对增大,岩石密度相对减小,基岩应力相对降低。这种作用称为欠压实作用。其它原因:①高的供水源②地质构造作用:造成地层上升、巨大地应力的挤压。③水热增压作用:温度升高，流体体积膨胀。④渗透作用:水由盐浓度低的一侧通过泥岩半透膜向高侧渗透。二、

地层压力预测原理和方法地层压力预测（钻 前）:地震资料法、测井资料法地层压力监测（钻进中）:dc指数法、页岩密度法、标准化钻速法（一）地层压力预测地震法、声波时差法、页岩电阻率法。1.声波时差法声波（纵波）在单位距离地层内的传播时间称为声波时差。式中:Δt——声波时差,s/m；ρ——岩层密度,ρ=f(φ)；E——岩石的弹性模量；μ——岩石的泊松比。对于一定的岩性（泥页岩）,Δt≈f(φ)。2.声波时差法预测地层压力的基本原理（1）声波时差与泥页岩孔隙度的关系（2）正常沉积条件下,泥页岩孔隙度与埋藏深度的关系泥页岩在地面的孔隙度可用声波时差表示:（3）正常沉积条件下,泥页岩声波时差与埋藏深度的关系△tm—基岩的声波时差,μs/m；△tf —地层孔隙内流体声波时间差,μs/m；△t—地层的声波时差,μs/m；△t0 —井深为0时的声波时差,是常数,μs/m；△tn —正常趋势线上的声波时差,μs/m。以上式子中:（4）基本原理在正常压力层段，随着地层埋藏深度的增加，岩石孔隙度减小，密度增大，声波速度增大，声波时差减小。在半对数坐标中，声波时差随井深呈直线变化关系，称之为正常趋势线。正常沉积条件下，泥页岩的孔隙度随深度的变化规律为:φ＝φ0e-CD式中:φ—泥页岩的孔隙度，％；φ0—泥页岩在地面的孔隙度％；—常数;—井深，米。进入异常高压地层时，由于岩层欠压实，孔隙度相对增大，声波时差相对增大，则必偏离正常压力趋势线。据此可预测异常高压，并可根据偏离程度的大小定量计算地层压力。3.声波时差法预测地层压力（1）地层压力的计算常用方法:经验图版法、当量深度法当量密度:某深度地层压力与等高液柱压力等效时相当的液体密度。当量密度g/cm3（2）地层压力预测步骤收集声波时差测井资料，读取泥页岩点的声波时差数据；绘制散点图，引出正常压力趋势线；读出异常高压层段的实际△t和该深度D所对应的正常趋势线上的声波时差△tn，计算△t- △tn；从经验图版上读出△t- △tn所对应的当量密度ρp;计算地层压力:注意:声波时差不仅与地层孔隙度有关，而且受岩石弹性、地层流体性质、钻井液性能、测井误差等因素的影响，因此预测结果存在一定的误差。（二）地层压力监测常用方法:dc指数法、SigmaLog 法、页岩密度法、标准化钻速法1.dc指数的概念宾汉钻速模型（Bingham,1964):Vpc＝Kne(W/db)dd指数（泥页岩层）:采用常用工程单位:（1—14）（1—15）式中:Vpc—机械钻速，m/h; n—转速，rpm;W—钻压，kN; db—钻头直径，mm；e≈1（对于软地层）。在正常地层压力条件下,若岩性和钻井条件不变,机械钻速随井深增加而减小,则d指数随井深增加而增大。钻遇异常高压层,由于地层欠压实,机械钻速增大,d指数则相对减小。据此可评价地层压力。dc指数Rehm & Meclendon(1971)研究了钻井液密度变化的影响（钻井液密度增大将导致机械钻速降低,d指数增大）,提出了修正的d指数,称为dc指数。（1—16）式中:ρn—地层水密度;ρd—钻井液密度2.基本原理在正常压力层段,若岩性和钻井条件不变,机械钻速随井深增加而减小,则dc指数随井深增加而增大。在半对数坐标中,dc指数与井深呈线性关系,称之为正常压力趋势线。当钻遇异常高压层,由于地层欠压实,机械钻速增大,dc指数则相对减小,偏离正常趋势线。根据偏离程度可计算出地层压力。dc3. 地层压力的计算方法经验图版法、经验公式法、当量（等效）深度法（1）经验公式法（1—17）式中:ρp—地层压力当量密度，g/cm3;ρn—地层水密度，g/cm3;dcn—所求井深处，正常趋势线上的dcdca—所求井深处，实际的dc（2）等效深度法等效深度:若深度为D的异常压力地层与正常压力段的某一深度De处的地层具D有相等的dc指数，则可以认为两处地层的压实程度相同，基岩应力相等，即:若dc(D)=dc(De)，则σ(D)=σ(De)。De处:po(De)=σ(De)+pp(De)D处:po(D)=σ(De)+pp(D)井深D处的地层压力为:pp(D)=po(D)－po(De)+pp(De)=GOD－（GO－Gpn)Dee式中:Gpn—等效深度De处的正常地层压力梯度，Mpa/m;Go—上覆岩层压力梯度，MPa/m4.dc指数法评价地层压力的步骤收集泥页岩地层的正常压力和异常压力层段的钻井资料:钻速、钻压、转速、钻头直径、地层水密度、实际钻井液密度；计算dc指数；在半对数坐标中绘制散点图，求出正常dc趋势线；计算地层压力。问题:水力参数、地层岩性、钻头类型等因素的变化都会引起机械钻速的变化，从而导致dc指数的变化。因此，dc指数法评价地层压力存在较大的误差。声波法和dc指数法只适用于泥页岩地层（砂泥岩剖面）。对于碳酸岩地层，目前尚无合适的方法。第二节一、基本概念地层破裂压力及其预测1.井眼周围岩石的受力状态（1）上覆岩层压力po地层孔隙压力pp水平地应力钻井液液柱压力ph有效地应力（岩石骨架应力）:有效垂直地应力（基岩应力）σ1=po－pp有效水平地应力σ1σ1σ3σ3σ2σ2ph2.地层破裂压力某深度处地层破裂时所能承受的液体压力称为该处地层的破裂压力,用Pf表示。它取决于井眼周围岩石的应力状态和岩石强度。phσ3σ3σ2σ2pppp裂缝张开方向地层开裂条件Ph>pp+

σ3σ3<σ2<σ1二、地层破裂压力预测方法1.Eaton(1969)法认为:①水平均匀地应力状态，②井内液压必须克服地层孔隙压力和最小有效水平地应力时地层才能破裂。式中:μ——岩石的泊松比；其它符号意义同前。2. 黄荣樽（1985）法认为:①井壁岩石处于三维不均匀应力状态，σ1＞σ2＞σ3 ；②水平地应力由上覆岩层压力和构造力两部分产生；③当井内液压力超过井壁上某一点处的地层孔隙压力、切向（周向）有效应力和岩石的抗拉强度,地层开裂。式中:α，β由现场压裂实验数据求得；St岩心抗拉试验求得。3.Hubbert&Willis（1957）法认为:①三维不均匀应力状态，σ1＞σ2＞σ3，σ3= (1/3~1/2)σ1②井内液压力必须克服地层孔隙压力和最小有效水平地应力时地层才能破裂。4.Mathews&Kelly(1967) 法认为:①水平均匀地应力状态，σ3=σ2=Ki(D)σ1②井内液柱压力必须克服地层孔隙压力和最小有效水平地应力时地层才能破裂。现场液压试验法 步骤:下套管固井侯凝后，钻4-5米新井眼；上提钻头至套管鞋内；关闭防喷器（闸板）和节流阀；缓慢启动泵，小排量（0.66-1.32L/S)向井内注入钻井液；记录注入量和立管压力并随时绘制二者关系曲线；当立管压力开始下降并趋与平缓后，停泵；从图中确定各个压力值:漏失压力pL、开裂压力pF及传播压力pr；、（8）求出地层的破裂压力当量密度ρf。ρf=

ρm+pL/(0.00981D)式中:ρm—实验用钻井液密度,g/cm3;pL —实验漏失压力,MPa；D —实验井深,m；思考题:1、在正常压力地层声波时差和dc指数随井深变化的规律是什麽？2、利用声波时差和dc指数为什麽能够预测或监测异常高压地层？3、为什么现场一般在下套管固井后进行压裂实验？4、如何根据压裂试验曲线计算地层破裂压力pf和构造应力系数Kss？5.液压试验时，如果井口压力接近地面设备的承压能力时地层仍未压裂，此时该怎么办？第三节

井眼—地层系统压力平衡与地层流体侵入一、井眼内的各种压力地层孔隙压力地层破裂压力钻井液静液柱压力环空循环压降井内波动压力抽吸压力:激动压力:井底有效压力:正常钻进时:起钻时:下钻时:pb=

ph+

pa

pb=

ph

-

psb

pb=

ph+

psg最大井底压力:pbmax=ph+ pa+psg最小井底压力:pbmin=ph-psb安全钻井的压力平衡条件:phepp

pfpb=pp,pb pp,➢➢➢➢地层流体侵入井眼；平衡压力钻井；pb pf, 压裂地层,发生井漏；pp pb pf, 过平衡压力钻井；pb pp,地层流体有控制地进入井眼,欠平衡压力钻井二、井眼—地层系统压力平衡p—安全附加压力；—安全附加密度；上述关系是确定最低钻井液密度的准则三、地层流体侵入压力失去平衡的结果—地层流体侵入井眼。（一）有关溢流和井喷的名词概念溢流（又称为井涌、静侵）：地层流体（油、气、水）侵入井内，井口返出的钻井液量大于泵入量，或停泵后钻井液从井口自动外溢的现象。井喷：地层流体失去控制地喷出地面。（二）地层流体侵入井内的原因1、地层压力掌握不准，使设计的钻井液密度偏低；2、地层流体（油、气、水）侵入，使钻井液密度降低；3、起钻未按规定灌泥浆，或井漏使井内液面降低；4、起钻速度过快，引起抽过大，地层流体侵入井内；5.停止循环时，环空循环压降消失，使井底压力减小。统计表明，近70%的井涌或井喷发生在起钻（或起完钻）过程中。（三）气侵的特点1、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；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。2.气侵的特点及危害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。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。一般情况下，气体侵入钻井液后呈分散状态，井底泥浆液柱压力的降低是非常有限的。只要及时有效地除气，就可有效避免井喷。（3）当井底气体形成气柱时,随着气柱的上升（滑脱上升或循环上升）,在井口未关闭的情况下,环境压力降低,体积膨胀变大,替代的钻井液量越来越多,使井底压力大大降低,更多的气体将以更快的速度侵入井内,最终导致井喷。(4)在井口关闭的情况下,气体在滑脱上升的过程中保持体积不变,因此其压力亦保持不变,此情况下,井口和井底的压力都会逐渐增加。当气体到达井口时,井口承受的压力为地层压力,井底的压力为2倍于地层压力。此情况下可能压漏地层,发生井下井喷。因此,在井内的气体上升过程中,应逐渐有控制地进行放压,使套压小于允许套压。H2S属剧毒气体,对人体有很强的损害和设备有较强的腐蚀性。在含H2S地层进行施工作业时,为了确保人身和设备安全,井控要求具有一定的特殊性。（1）H2S的物理化学性质硫化氢是一种无色、剧毒、强酸性气体。低浓度的硫化氢气体有臭蛋味。其相对密度为1.176。硫化氢燃点250℃,燃烧时呈蓝色火焰,产生有毒的二氧化硫。硫化氢与空气混合,浓度达4.3%～46%时就形成一种爆炸混合物。硫化氢的毒性较一氧化碳大五至六倍,几乎与氰化物同样剧毒。是一种致命的气体。正常条件下,H2S对人的安全临界浓度是14PPm（国外标准10PPm）。3.H2S气体的危害H2S浓度ppm0.13—4.6危

害

程

度可嗅到臭鸡蛋味,一般对人体不产生危害4.6—10刚接触有刺热感,但会迅速消失10—20为安全临界浓度值,在此浓度露天下人可以连续待8个小时,否则要戴防毒面具。国内标准20,国外10允许人直接接触10分钟50100接触3—10分钟,就会感到咽喉发痒、咳嗽、接着损伤嗅觉神经、眼睛,有轻微头痛,恶心,脉搏加快。四小时以上可能死亡。立即破坏嗅觉系统、眼睛、咽喉有灼热感、时间长了,眼、喉将被灼伤,若不立即离开,将导致死亡。失去理智和平衡知觉,呼吸困难,2—15分钟内出现呼吸停止,如果抢救不及时,将导致死亡。很快失去知觉,停止呼吸。若不立即抢救,马上死亡。2005007001000立即失去知觉,造成死亡或造成永久性脑损伤,智力残损——植物人。吸上一口,立即死亡,无法抢救。2000人在不同H2S浓度下受到危害的程度对照表(2) H2S气体的分布就地下而言，H2S气体多存在于碳酸盐岩中，特别是与碳酸岩伴生的硫酸岩沉积环境中大量、普遍的存在着H2S气体。世界上含H2S气体最高的地区是美国的南德克萨斯气田,H2S含量高达98%。沙特阿拉伯的油气田大多含有高浓度的硫化氢（10～200ppm）。我国油田H2S气体含量分布如下:华北油田冀中坳陷赵兰庄气田下第三系孔店组碳酸岩气藏H2S含量跨度在10—90%。四川油田川东卧龙河气田三迭系嘉陵江灰岩气藏H2S含量9.6～10%。新疆塔里木的轮古油田H2S含量300～400ppm。以上地区皆属于中、高含H2S气体地区。克拉玛依油田在南缘的卡10井、西4井、东湾1井、安4井等都出现过H2S气体。在红山嘴、八区、稠油区等区块的油田开发过程中也出现过H2S气体。4.注意事项：1、起钻初期一定要控制起钻速度；2、起钻时注意及时灌浆；3、尽可能防止长时间空井；4、在含气量比较大的地区或气田要有高度的警惕性，下钻时，可采用分段循环的方法排除侵入井内的气体。5、发生井漏时要预防井喷；6.发现井涌后应及时关井，切不可采用循环观察的方法来确定井内的情况。7、在发生井涌时，不要开着井口抢下钻，或者企图把钻头提到套管鞋内。以免造成井喷。（四）地层流体侵入的检测1.地层流体侵入的征兆钻速（钻时）加快、蹩跳钻、钻进放空；泥浆池液面升高；钻井液返出量多于泵排量；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；泥浆电导率增大或减小。泵压上升或下降,悬重减小或增大；钻遇高压层时,井底压力突然升高,导致悬重减小,泵压升高；地层流体侵入钻井液后,钻井液密度降低,浮力减小,悬重增大,泵压减小。起钻时灌不进泥浆或泥浆灌入量少于正常值；停止循环后,井口仍有泥浆外溢。2.地层流体侵入井眼的检测方法泥浆池液面检测利用泥浆池液面传感器。钻井液返出流量检测利用泥浆出入口流量计。超声波池体积传感器流量传感器挡板型出口流量传感器超声波流量计（3）声波检测声波在水中的传播速度为1500m/s,在空气中的传播速度为340m/s,在气液两相流中的传播速度可以低于每秒几十米。利用综合录井仪实时监测泵压上升或下降,悬重减小或增大；钻遇高压层时,井底压力突然升高,导致悬重减小,泵压升高；地层流体侵入钻井液后,钻井液密度降低,浮力减小,悬重增大,泵压减小。起钻时灌不进泥浆或泥浆灌入量少于正常值；停止循环后,井口仍有泥浆外溢。第四节

井眼—地层系统压力控制一、井控装置简介井口防喷器组合二、关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之和平衡地层压力，阻止地层流体的继续侵入。（一） 关井方式及选择1.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：关井程序简单，时间短，地层流体侵入量少。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、套管抗内压强度和地层破裂压力。2、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：可避免“水击”现象。缺点：关井程序较复杂，时间长，地层流体侵入量较大。3.半软关井发现井涌后，先适当打开节流阀，再关防喷器。或边开节流阀边关防喷器。特点：适用于井涌速度较高、井口装置承压能力较低、裸眼井段有薄弱地层的情况。关井方式的选择：在溢流速度不高或者井口装置承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”。（二）关井程序(现场的“四七动作”）1.钻进时发生井涌（1）立即停止钻进,发出报警信号,停转盘、上提方钻杆到钻杆接头露出转盘面；（2）停泵；适当打开节流阀；关防喷器—先关环型、再关闸板；关节流阀,试关井,注意套压不能超过极限套压；及时向队长和技术人员报告；认真记录关井立压、关井套压和泥浆池增量。2.起下钻杆时发生井涌发出报警信号并立即停止起下钻作业；抢接回压阀（或投钻具止回阀）；适当打开节流阀；关防喷器—先关环型、再关闸板；关节流阀,试关井,注意套压不能超过极限套压；及时向队长和技术人员报告；认真记录关井立压、关井套压和泥浆池增量。3.起下钻铤时发生井涌发出报警信号,抢接回压阀（或投钻具止回阀）；,抢接钻杆；适当打开节流阀；关防喷器—先关环型、再关闸板；关节流阀,试关井,注意套压不能超过极限套压；及时向队长和技术人员报告；认真记录关井立压、关井套压和泥浆池增量。4.空井时发生井涌发出报警信号；适当打开节流阀；关防喷器—先关环型、再关闸板；关节流阀,试关井,注意套压不能超过极限套压；打开环型防喷器；及时向队长和技术人员报告；认真记录关井立压、关井套压和泥浆池增量。关井中应注意的几个问题1、关防喷器时要先关环型防喷器，再关闸板防喷器；2、关节流阀时，速度不要太快，注意套压不要超过允许值；3、关闸板防喷器时，应使钻具处于悬吊状态，不能坐在转盘上，以防止钻具不居中而封不住；4、如确实需要向井内下入钻具，不能在泥浆外溢的情况下敞着井口抢下钻，而应采用上下两个闸板防喷器强行下钻；5.当关井套压大于允许关井套压时，则不能把节流阀全关死，应在保持尽可能高的套压下进行节流循环。三、压井理论与方法（一）压井的概念与原则压井目的:恢复井眼与地层之间的压力平衡，使井内泥浆液柱压力不低于地层孔隙压力。压井的基本工艺过程:将配制好的具有一定密度的钻井液，采用合适的泵速和泵压注入井内，替换出井内被污染的泥浆。1、在整个压井过程中，通过调节节流阀的开启度始终保持井底压力稍大于地层压力。----井底常压法。2.压井过程中套压不能超过以下压力：井口装置的额定工作压力；套管抗内压强度的80%；套压与环空内的液柱压力之和不能超过地层的最小破裂压力。压井过程中应遵循的基本原则:（二）压井基本数据测定与计算1.关井立管压力的测定(1)钻柱中未装钻具回压凡尔时关井等待立管压力趋于稳定后（或圈和“套压表”上分别读取关井立管压立值Psp

和关井套压值Pa。闭压力释放后）,即可分别从“立压表”10~15min关井时立压、套压的变化规律关井时间压力对于具有良好渗透性的地层,关井10～15分钟后地层和井眼之间可以建立起平衡；对于致密性地层建立起平衡所需的时间较长。套压立压(2)钻柱内装有回压凡尔时关井立管压力的确定非循环状态下钻柱内与井底不连通，立压表无显示。不循环法:关井后等待套压相对稳定，记录下套压pa；不开节流阀，小排量缓慢启动泵，直到套压开始升高为pa´时停泵，并记录下此时立压psp´；计算关井立压: psp=psp´-（pa´-pa）此方法适用于不知道泵速及相应循环压耗的情况。循环法:关井后等待套压相对稳定，记录下套压pa；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，记录此时立管压力psp´；停泵，关闭节流阀；计算关井立管压力:psp=psp´-Δpci此方法适用于已知压井泵速和相应循环压耗Δpci的情况。气侵关井后的立压与套压随时间的变化曲线“U”形管原理(1)

关井时的压力平衡关系（静态关系）2.压井钻井液密度计算式中:——钻柱内钻井液液柱压力——地层压力——关井套压——环空内受侵钻井液静液柱压力——关井立管压力,PaPsp(2)地层压力和所需钻井液密度的计算地层压力:压井钻井液密度: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。1)压井泵速确定采用低泵速压井。Qk=（1/3～1/2）QQk---- 压井排量,L/s；Q ----钻进时的正常排量,L/s。采用低泵速的主要目的是便于压井过程中节流阀和立压的控制。(3)压井立管压力的计算为保证压井过程中井底压力不变,随着重泥浆的不断入井,立管压力应逐渐降低。循环阻力式中:——循环时的立管压力；——总循环压耗；——钻柱内循环压耗；——环空内循环压耗；——循环时的套压；2）压井过程中井底压力的平衡关系由压力平衡关系可以看出:只要在压井过程中保持等式左侧的值不变就能保持井底压力不变。式中唯一可调节和控制的参数就是循环时的立管总压力pT。由于压井时井眼内的钻井液密度由d变为k,因此,循环立管压力从初始循环立管压力pTi逐渐变化为压井结束时的终了循环立管压力pTf。3）初始循环立管压力

pTi

的确定pTi=pst+plipli----初始循环压耗，MPa。pli的确定方法:早期实测法:在即将钻达高压层时，要求井队每天上班一开始用选定的压井排量试循环，记录循环压力，以此作为压井循环压耗。循环测量法:缓慢开启节流阀并启动泵，控制套压保持关井套压不变；调整泵速使排量达到压井排量，保持套压等于关井套压；读取此时的立管压力作为初始循环立管压力。4）终了循环立管压力

pTf

的确定当加重后的钻井液循环到井底时，钻柱内的钻井液柱压力已能平衡地层压力，此时关井立管压力ps应为0，系统循环压耗也由于泥浆密度的变化由初始循环压耗pli变为终了循环压耗plf 。由于在同一水力系统中循环压耗近似正比与循环介质的密度，所以有:pTf

=

pl

f

=

(

k

/d

)

pl

i压井钻井液从地面到达钻头的时间:Vd----单位长度钻柱的容积，L/m。压井钻井液充满环空所需的时间:Va----单位长度环空的容积,L/m。5）压井作业时间（三）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。二次循环压井法（司钻法）发现溢流关井后,先用原钻井液循环一周排除井内受污染钻井液。然后用配制好的重钻井液进行第二次循环,建立地层----井眼系统的压力平衡。一次循环压井法（工程师法,等待加重法）关井等侯配制压井重钻井液,然后开启节流阀并开泵注入压井液；在一个循环周内用重泥浆将原来钻井液替出,恢复地层----井眼系统的压力平衡。1.二次循环压井方法（司钻法）施工工序:①第一循环周（排除井内受污染钻井液）缓慢开泵注入原钻井液，调节节流阀使套压等于关井套压；调整泵速达到压井排量，调节节流阀使立管压力等于初始循环立管压力pTi；保持立管压力等于pTi不变，直到替换出井内全部钻井液；停泵，并关闭节流阀，此时套压等于关井立管压力值。②第二循环周（用重泥浆将原来钻井液替出）缓慢开泵,调节节流阀保持套压等于第一循环周后的关井套压；调节泵速使排量等于压井排量,此时的立管压力接近初始循环立管压力pTi；调节节流阀,使立管压力在重钻井液由井口到达钻头的td时间内由初始循环立管压力pTi降到终了循环立管压力pTf；在重钻井液从井底返至地面的时间ta内,调节节流阀,保持立管压力始终等于pTf不变。当压井液返至井口时,套压降为零,压井结束。盐水侵气侵施工工序:①缓慢开泵，调节节流阀保持套压等于关井套压；②调节泵速使排量达到压井排量并保持排量不变，此时立管压力等于初始循环立管压力pTi；③泵入压井液，调节节流阀使立管压力在td时间内由初始循环立管压力pTi降到终了循环立管压力pTf；④在压井液从井底返至地面的时间ta内，调节节流阀，保持立管压力始终等于pTf不变。当压井液返至井口时，套压降为零，压井结束。2.一次循环压井方法（工程师法）一次循环压井方法立压和套压变化规律3.边循环边加重法压井程序:1）发生溢流关井取得有关数据后，立即缓慢启动泵，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）边循环边加重钻井液,逐步将钻井液密度由 提高到次（0.01g/cm3）,当其到达钻头时,则循环立管压力降低。密度每提高一:3）当钻井液密度提高到 ,并到达钻头后时,立管压力应降低到此后保持立管压力不变,直到密度为 的压井液到达井口,压井结束。,边循环边加重法立压变化规律三种压井方法的比较与选择:①关井等候压井的时间:司钻法、边循环边加重法②压井作业时间: 司钻法 边循环边加重法③套压峰值: 司钻法 边循环边加重法工程师法工程师法工程师法④作业难度: 边循环边加重法 司钻法、工程师法工程师法适用于井口装置承压及地层破裂压力较低的情况； 边循环边加重法适用于已储备了一定的压井液，且井下有易卡钻地层的情况；司钻法适用于井下易卡钻的情况。（四）几种特殊情况下的压井方法1.钻头不在井底情况下的压井当钻头不在井底时,关井后地层压力的大小及压井所应采用的泥浆密度不容易准确确定。视钻具在井内的长度的大小,所采用的压井方法也有一定区别。（1）强行下钻到井底循环压井法在井口关闭的情况下,强行下钻到井底。在强行下钻过程中,