井内气体的膨胀和运移课件.ppt

井内气体的膨胀和运移,1、天然气的压缩性与膨胀性 天然气是可压缩的流体，其体积大小取决于所加的压力及温度。对一定量的气体来说，当温度不变时，压力增加，体积减小；压力降低，则体积增大。在起钻过程中，由于抽汲等因素的影响，若有少量的气体进入井内，在其向上运移的过程中，体积会随着所受钻井液液柱压力的减小而增大，造成环空液柱压力逐渐减小，使井筒内压力系统由正平衡逐渐转为欠平衡，导致溢流的发生。如果是在井底压力小于地层压力的情况下，气体进入井内，若不及时关井，气体向上运移时体积膨胀，造成井底压力进一步降低，则会加剧溢流的发展。特别是井底的高压气体运移至井口附近时，由于体积急剧膨胀，将会使溢流急剧加速，很快造成液柱压力迅速降低，形成井喷。(可以控制）,一、天然气的特点及危害,一、天然气的特点及危害,在处理气体溢流时，由于气体的膨胀，会导致过高的套压，一方面可能造成地下井喷，另一方面直接威胁到井口的安全，如引起防喷器、地面管汇、井口附近的套管刺漏或施工井地面窜通，导致压井失败甚至失控着火。因此，对于气体溢流来说，更要强调及时发现溢流并迅速关井的重要性。,一、天然气的特点及危害,2、天然气的密度低 天然气的密度与钻井液、地层水、原油相比要低得多，在常温下水的密度是天然气密度的1000倍以上。由于天然气的密度低，与钻井液有很强的置换性，不论是开井还是关井，是循环还是静止，气体向井口的运移总是要产生的。在开井状态下，气体在井内膨胀上升，会改变井内的平衡状态，并加剧溢流的发生；在关井状态下，气体在井内带压上升，会导致地面压力升高，威胁关井的安全，或将地层蹩漏，造成地下井喷，给事故处理带来更大的难度。因此，发生气体溢流关井后，要及时组织压井。,3、天然气具有易扩散、易燃、易爆的特点 天然气与空气的混合浓度达到5%15%（体积比）时，遇到火源会发生爆炸，低于5%既不爆炸也不燃烧，高于15%不会爆炸，但会燃烧。天然气的这一特点导致大部分天然气井井喷失控后都引发着火，或是在关井和压井过程中，由于井口设备刺漏，最终引发井口爆炸着火。如果井喷失控瞬间未着火，或在抢险过程中某种原因导致火焰熄灭，由于天然气的扩散性，会以井眼为中心向井场四周扩散，或沿风向向下风向扩散，在这个过程中，遇到火源同样可能发生着火或爆炸。因此，天然气井的井场设备布置，要充分考虑防火要求。另外，在关井和压井以及在抢险过程中，要做好井场及周围的的消防工作，防止着火。,一、天然气的特点及危害,4、含硫化氢的天然气具有更大的危害性 硫化氢有剧毒，对人员、设备、环境等都会造成严重伤害。硫化氢对现场施工人员的人身安全造成威胁。硫化氢对钻具和井控装置产生氢脆腐蚀，造成钻具断裂和井口设备损坏，使井控工作进一步复杂化，甚至引发井喷失控。硫化氢能加速非金属材料的老化，使井控装置中的密封件失效而威胁到关井的安全。硫化氢对水基钻井液具有较大污染，甚至使之形成流不动的冻胶。因此，钻探含硫化氢天然气井比普通油气井具有更大的风险，一旦发生井喷失控，容易造成灾难性的后果。,一、天然气的特点及危害,5、天然气对密封性的要求更高 天然气侵入井筒后，在钻井液中会自动向上滑脱运移。气体的渗透性比液体要高得多，对套管、油管、井控装置等密封性能提出更高的要求。一旦发生泄露，很容易引起井喷失控甚至着火。由于天然气的上述几个特征，使天然气井的井控问题更复杂，处理不当很容易引发恶性井喷事故和失控着火。因此，必须研究和掌握天然气特征所带来的井控技术的特点，保证井控的安全。,一、天然气的特点及危害,二、天然气侵入井内的方式,1、岩屑气侵 在钻开气层的过程中，随着岩石的破碎，岩石孔隙中的天然气被释放出来而侵入钻井液。侵入天然气量与岩石的孔隙度、含气饱和度、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，从而控制单位时间内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、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。,二、天然气侵入井内的方式,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关。一般通过滤饼侵入井内的天然气量不大。但当滤饼受到破坏或停止循环时间很长时，侵入量会增大。因此，空井或井眼长时间静止时，要有专人负责观察井口。以上三种情况表明，即使在井底压力大于地层压力时，天然气也会以上面几种方式侵入井内。发生天然气气侵，可通过地面除气设备从钻井液中排除。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，大量的天然气可能形成气柱所以若不及时关井，很快会发展成为井喷。,三、天然气侵入井内对井内液柱压力影响,1、天然气在井内的存在形式及运动形式 天然气侵入井眼后，呈气液两相流动状态，形成泡状流、段塞流等形态。循环时，气体随着钻井液循环从环空中上返，同时在钻井液中滑脱上升。即使在不循环时，钻井液中的气体由于密度小，在钻井液中也会滑脱上升。,三、天然气侵入井内对井内液柱压力影响,2、天然气侵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。如图71所示。当气泡上升至接近地面时，气泡体积膨胀到最大，而钻井液密度降低到最小。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。,图71气侵对钻井液密度的影响,三、天然气侵入井内对井内液柱压力影响,所以地面看到的钻井液中天然气气泡的数量，并不反映井底被气侵的程度，实际上仅有少量的天然气进入钻井液，其密度变化甚微，此时注意采取有效的措施除气，使泵入的钻井液保持原有密度，就不会有井喷危险。如果不及时而有效地除气，让密度低的气侵钻井液再次进入井内，则会造成井筒内钻井液受到进一步气侵，如此恶性循环，使井底压力不断降低，最终导致失去平衡，发生井喷。,三、天然气侵入井内对井内液柱压力影响,3、钻井液发生气侵后应注意的问题 1）钻井液发生气侵，密度随井深自下而上逐渐降低，不能用井口测量的密度值计算井内液柱压力。2）即使井口返出钻井液气侵很严重，但是井内液柱压力并没有大幅度降低。3）气侵对井内静液柱压力影响随井深不同。井越深，影响越小；井越浅，影响越大。4）发生气侵，采取的首要措施是地面除气。除气后的钻井液泵入井内，若返出密度不再下降，则达到目的。若返出密度仍在下降，应适当提高钻井液密度，使出入口密度相等。,四、开井状态下气体的运移,在开井状态下，侵入井内的天然气靠密度差形成的浮力在钻井液中滑脱上升，并逐渐形成气泡甚至段塞。气泡或段塞所受的钻井液柱压力会随着气体的上升而逐渐降低，因此气体随之膨胀，并逐渐将其上的钻井液排出地面。假设井深3000米，钻井液密度1.20g/cm3，井眼直径为215.9mm，钻杆外径114.3mm，环空有0.26m3天然气，高度10m，当井口敞开时其上升膨胀情况如图72所示。在一些开始起钻就发生局部抽汲的井中，这种情况很容易发生。,四、开井状态下气体的运移,气体上升到井深1500m，气体体积变为0.52m3，高度变为20m，井底压力降到35.14MPa。在这个过程中，气体运移了1500米的距离，体积只增加了0.26m3。气体继续上升到井深750米处时，体积变为1.04m3，高度变为40m，井底压力34.9MPa。在这个过程中，气体运移了750米的距离，体积增加了0.52m3。气体继续上升到井深375米处时，体积变为2.08m3，高度变为80m，井底压力34.4MPa。在这个过程中，气体运移了375米的距离，体积增加了1.04m3。当气体上升到井口附近时，气体体积变为8.32m3，高度变为320m，井底压力下降到31.62MPa.气体上升到一定高度后，气体体积的膨胀就足以使上部钻井液自动外溢喷出，导致井底压力小于地层压力，使天然气进入井内造成更严重的井喷。,图72开井状态下气体的运移2开井状态下气体的运移,四、开井状态下气体的运移,四、开井状态下气体的运移,通过上面的例子可以得出以下结论：1）开井状态下，气体在井内上升时体积一直在膨胀，在井底时体积增加较小，越接近井口膨胀速度越快。2）气体越接近井口，钻井液罐液面上升速度越快，溢流量才变得比较明显。3）气体膨胀上升开始时对井底压力的影响很小，到接近井口时，井底压力明显降低。由此可见，由于长时间停止循环或起钻抽汲，井底可能会聚集了相当数量的天然气并形成气柱，由于密度差作用导致气柱上升膨胀，或开泵循环钻井液时造成气柱膨胀，到达某一深度时，就会发生钻井液外溢，尤其是天然气上升接近地面时，体积会迅速膨胀，从而取代井筒内大量的钻井液，大大降低了井底压力。为防止出现这样的情况，现场作业时应该尽量减少停止循环的时间，起钻要避免抽汲，起完钻后尽快下钻，等钻头下至一定深度，再做其它必要的辅助工作。,五、关井状态下气体的运移,发生天然气溢流关井，或因起钻抽汲导致天然气溢流而关闭的井中，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环空大小、钻井液粘度、气体与钻井液密度差等因素。,五、关井状态下气体的运移,如图73所示，假设在t=t1时刻，气体处于井底，此时井口压力为Pa1，则Pa1P气mgH1 在t=t2时刻，气体向上运移了Hm的距离，此时井口压力为Pa2，则Pa2P气mgH2 如果气体的温度和体积未发生变化，那么气体的压力也不变，所以 Pa2Pa1mgH1mgH2mgHm 因此，,计算出气体的运移Hm距离之后，就可用下式求出气体的运移速度：由此可见，只要记录下地面压力的变化和相对应的时间，就可以计算出气体的运移速度及其在井眼位置。,五、关井状态下气体的运移,关井状态下，井内容积固定，假如钻井液未发生漏失，气体就不能膨胀，所形成的气柱会始终保持原来的井底压力值不变。从上面的公式中可以看出，气体滑脱上升过程中，气柱以上的液柱压力减小使井口压力增加，气柱以下的液柱压力增加使井底压力增加。所以在关井状态下，气体的滑脱上升会导致整个井筒的压力不停地增加。,五、关井状态下气体的运移,假设井内钻井液密度1.20g/cm3，井深3000m，0.26m3气体侵入井内关井，此时的井底压力为35.378MPa。天然气滑脱上升时，井底压力和井口压力的变化情况如图所示。,图74关井状态下气体的运移,五、关井状态下气体的运移,通过上面的例子可以得出以下结论：1）在关井状态下，气体在带压滑脱上升过程中，关井立、套压不断上升，作用在井眼各处的压力均在不断增大。也就是说，一口关井后井内存在钻井液液柱，而天然气不断在井口聚集的井，比喷空的井在井内不同深度处的压力更高。2）关井时，天然气上升至地面，井口要承受原作用于井底的压力，所以要求井口防喷装置有足够高的工作压力。3）气体滑脱上升引起井口压力不断升高，这个压力与天然气以下的钻井液静液柱压力，造成过高的井底压力，不能认为地层压力也在增大，不能录取这时的井口压力计算地层压力。4）发生气体溢流不应长时间关井，避免超过最大关井套压，造成井口、套管损坏，或套管鞋以下地层破裂，天然气地面窜通。要尽快组织压井或通过节流阀释放部分压力。,六、关井后天然气运移的处理方法,1、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。在释放钻井液的过程中，要控制立管压力始终大于关井立压，从而保证井底压力始终略大于地层压力，以防止天然气再进入井内。,六、关井后天然气运移的处理方法,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Pd。Pd1的确定是非常有必要的，通常取Pd1比初始关井立压大0.7MPa1.4MPa，防止释放钻井液时，由于压力波动或压力传递的滞后现象导致井底压力小于地层压力。Pd的确定要考虑地层的承压能力，一般取Pd0.351MPa。例如；关井立压Pd3MPa，可取Pd14MPa，Pd1MPa。（2）当关井立管压力Pd增加到（Pd1+Pd），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。,六、关井后天然气运移的处理方法,（3）关井后，天然气继续上升，立管压力再次升到（Pd1+Pd）时，即增加到4+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所减小的值。,六、关井后天然气运移的处理方法,3）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，而要采用体积法（容积法）：（1）钻头水眼被堵死，或钻具内有回压阀（单流阀），立管压力不能读值；（2）钻头位置在气体之上；（3）钻具被刺漏等。,六、关井后天然气运移的处理方法,2、体积法（容积法）体积法的原理：通过节流阀释放钻井液，使气体膨胀，环空静液压力由于钻井液量的减少而降低，为保证井底压力略大于地层压力，环空静液压力减小值通过增加套压补偿。,六、关井后天然气运移的处理方法,2）操作方法：（1）先确定一个大于初始关井套压的允许套压值Pal和放压过程中的套压变化值Pa。其确定原则和取值方法同立管压力法。例如：初始关井套压Pa5MPa，可以取允许套压值Pa16MPa，套压变化值Pa0.5MPa。（2）计算出套压变化值Pa对应的释放钻井液量V。由于井径不同，计算出的V会有所不同。（3）当关井套压由Pa上升到Pal+Pa6+0.56.5MPa时，保持套压等于6.5MPa不变，从节流阀放出钻井液V1，关井；（4）当关井套压由6.5MPa上升0.5MPa到达7MPa时，保持套压等于7MPa不变，通过节流阀放出钻井液V2，关井；,六、关井后天然气运移的处理方法,（5）当关井套压由7MPa上升0.5MPa到7.5MPa时，保持套压等于7.5MPa不变，通过节流阀放出钻井液V3，关井。（6）按上述方法放出钻井液，使气体上升膨胀，让套压增加一定数值，补偿环空静液压力减小值，保证井底压力略大于地层压力。气体一直上升到井口。,六、关井后天然气运移的处理方法,3、套压的控制：使用上述两种方法处理气体的滑脱上升时，由于环空钻井液不断的放掉，关井套压会不断地上升，有可能会导致套管鞋的漏失。所以，在施工前，要先校核套管鞋处的承压能力。套管鞋处地层所受最大压力发生在天然气溢流顶面到达套管鞋处时，其计算公式如下：,式中：Phmax套管鞋处地层所受最大压力，MPa；Pp井底压力，MPa；m井内钻井液密度，g/cm3；H井深，m；h套管鞋深度，m；hw井内溢流物所占据的高度，m；g0.00981只要套管鞋处地层所受最大压力小于该处地层破裂压力，施工就可以顺利进行。,六、关井后天然气运移的处理方法,4、天然气上升到井口的处理 天然气上升到井口后，不能放气泄压，此时的井口压力值是平衡地层压力所必需的，一旦放气泄压，井底压力就不能平衡地层压力了。处理方法是采用置换法，从井口注入钻井液置换井内气体，以降低井口压力,六、关井后天然气运移的处理方法,5、对于高含硫的气井，不宜采取上述立管压力法和体积法进行处理。因为这两种方法均是通过放掉一定量的环空钻井液，使侵入井筒的气体逐渐到达井口，在井口将会有一段纯气柱存在。由于硫化氢气体对钻具的氢脆腐蚀作用，很可能使井口附近的钻具发生断裂落井，从而导致井内断口以上的钻具冲出转盘，发生井喷失控，甚至着火。因此，对高含硫的气井，应事先准备充足的高密度钻井液，一旦发生溢流关井后，尽快调配适当密度的压井液，组织压井作业，建立新的压力平衡，恢复正常钻井作业。,谢 谢 大 家,