钻井工程濮阳职业技术学院第四章油气井压力控制.ppt

第四章 油气井压力控制,第一节 井下的各种压力及其平衡第二节 溢流及其检测第三节 溢流的控制关井和压井,概 述,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。,井控的分类（1）一级井控：利用钻井液密度，建立井内压力平衡。（2）二级井控：发生溢流后，利用井口防喷器憋回压后压井，恢复井内 压力平衡。（3）三级井控：井喷后的处理与压力控制。,井控的基本要求：1）有效地控制地层压力，防止井喷；2）防止井漏等复杂情况；3）有效地保护油气层,第一节 井下各种压力及其平衡,一、井眼内的各种压力,1.地层孔隙压力,2.地层破裂压力,3.钻井液静液柱压力,4.环空循环压降在井底产生的附加压力,5.波动压力最大井底压力：,抽吸压力：,激动压力：,6.环空内岩屑重力在井底引起的附加压力,7.井底有效压力,一、井眼内的各种压力,正常钻进时：,起钻时：,下钻时：,最小井底压力：,二、井眼地层系统压力平衡,1.基本关系式,2.约束条件,第一节 井下各种压力及其平衡,三、平衡与欠平衡压力钻井,1.平衡压力钻井（1）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 1）地层压力的准确预测 2）合理钻井液密度的确定,第一节 井下各种压力及其平衡,2.欠平衡压力钻井（1）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。主要目的是及时发现和有效保护油气层，同时可显著提高钻进速度。（2）关键技术 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,三、平衡与欠平衡压力钻井,第一节 井下各种压力及其平衡,第二节 溢流及其检测,二、溢流的原因,一、溢流的概念 1.油、气、水侵油、气、水侵入钻井液，使其性能变坏的过程。2.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。4.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.停止循环时，环空循环压降消失，使井底压力减小。,2.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。井口处的密度虽然降低 较大，而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,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。,第二节 溢流及其检测,三、气侵,2.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。,第二节 溢流及其检测,1.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,第二节 溢流及其检测,四、溢流的检测,2.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）气侵超声波检测技术,浮子式液面计,挡板流量计,第二节 溢流及其检测,第三节 溢流的控制-关井与压井,一、井控装置,一、井控装置,第三节 溢流的控制-关井与压井,一、井控装置,第三节 溢流的控制-关井与压井,一、井控装置,第三节 溢流的控制-关井与压井,一、井控装置,Drill pipe check valve,第三节 溢流的控制-关井与压井,1.关井方式及选择,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一起平衡地层压力，阻止地层流体的继续侵入。,（1）硬关井 发生溢流后，在节流阀等所有旁通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。,第三节 溢流的控制-关井与压井,（3）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。,1.关井方式及选择,二、关 井,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”。,2.关井程序（“四七”操作程序）,（1）钻进中发生溢流（2）起下钻杆时发生溢流（3）起下钻铤时发生溢流（4）空井发生溢流,第三节 溢流的控制-关井与压井,三、关井立管压力的测定,1.“U”形管原理,溢流关井后，钻柱、环空、地层压力系统有如下关系：,第三节 溢流的控制-关井与压井,2.钻柱中未装回压凡尔时测定关井立关压力,关井立管压力直接从立管压力表上读取。,三、关井立管压力的测定,第三节 溢流的控制-关井与压井,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 需压力的那部分压力值，即：,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：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、关井立管压力的测定,2.钻柱中未装回压凡尔时测定关井立管压力,第三节 溢流的控制-关井与压井,3.钻柱中装回压凡尔时测定管井立管压力,（1）循环法 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：,三、关井立管压力的测定,第三节 溢流的控制-关井与压井,三、关井立管压力的测定,3.钻柱中装回压凡尔时测定管井立管压力,（2）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，缓慢启动泵，直到套压升高少许（），记录此时的立管压力 和套压。3）求取关井立压：,第三节 溢流的控制-关井与压井,四、压井钻井液密度计算,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。,根据“U”形管原理可得：,第三节 溢流的控制-关井与压井,五、溢流类型的判别,根据“U”形管原理：,-泥浆罐钻井液增量,气油水,第三节 溢流的控制-关井与压井,六、压井理论与方法,1.压井的概念 在发生溢流并关井求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 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。,（一）压井的概念及原则,第三节 溢流的控制-关井与压井,1.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:,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。,（二）压井计算,六、压井理论与方法,第三节 溢流的控制-关井与压井,2.压井作业时间,（1）压井钻井液由地面到达钻头的时间（分）,（2）压井钻井液充满环形空间的时间（分）,式中：单位长度钻具的容积，L/m。单位长度环空容积，L/m。,（二）压井计算,六、压井理论与方法,第三节 溢流的控制-关井与压井,（二）压井计算,3.压井立管压力,六、压井理论与方法,开始泵入压井钻井液时的立管压力。,（1）初始循环立管压力,初始循环立管压力的求取方法：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：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。,第三节 溢流的控制-关井与压井,为初始循环压力，即用密度为 的原钻井液循环时的压耗。,（2）终了循环立管压力,压井钻井液到达井底时的立管压力。,设循环压耗正比于流体密度，则有：,为终了循环压力，即用密度为 的压井液循环时的压耗。,（二）压井计算,3.压井立管压力,六、压井理论与方法,第三节 溢流的控制-关井与压井,（三）压井方法,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）: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:关井取得有关数据后，立即边循环边加重压井。,六、压井理论与方法,第三节 溢流的控制-关井与压井,（三）压井方法 1.司钻法压井,（1）压井程序 第一循环周：,六、压井理论与方法,1,2,3,第三节 溢流的控制-关井与压井,第二循环周：1,（1）压井程序,（三）压井方法,六、压井理论与方法,2,3,第三节 溢流的控制-关井与压井,1.司钻法压井,（2）立压及套压的变化规律,第三节 溢流的控制-关井与压井,（三）压井方法,1.司钻法压井,六、压井理论与方法,（1）压井程序,2.工程师法压井,（三）压井方法,六、压井理论与方法,1,2,3,（2）立压和套压的变化规律,2.工程师法压井,（三）压井方法,六、压井理论与方法,第三节 溢流的控制-关井与压井,3.边循环边加重法,（1）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。密度每提高一次（0.01g/cm3），循环到达钻头时，循环立管压力降低：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。,（三）压井方法,六、压井理论与方法,第三节 溢流的控制-关井与压井,（2）立管压力变化规律,3.边循环边加重法,（三）压井方法,六、压井理论与方法,第三节 溢流的控制-关井与压井,第三节 溢流的控制-关井与压井,4.压井方法比较与选择,司钻法的优点是不必等候压井计算和加重，关井时间最短，可防止气体滑脱上升。缺点是压井作业时间最长，套压峰值最大。建议在重晶石储量不够时使用此法。工程师法的优点是压井作业时间最短，套压峰值最低。缺点是关井时间最长。在具备能迅速加重钻井液的条件下，推荐采用此法。边循环边加重法的优点是关井时间较工程师法短，允许大幅度连续逐步增加钻井液密度。缺点是计算比较复杂，压井循环时间较工程师法长，套压峰值高于工程师法。只有当储备的高密度钻井液与所需钻井液密度相差较大时，且井下情况需及时压井时，才采用此法。,（三）压井方法,六、压井理论与方法,压井作业卡,溢流时间：年 月 日 时 填写人：,一、预先记录数据,井 深（m）：垂 深（m）：井眼尺寸（mm)：层 位：套管内径（mm)：套管鞋深（m):套管鞋垂深（m):钻杆外径（mm):钻杆内径（mm):钻杆容积系数（L/m)：环空容积系数（L/m)：套管抗内压（MPa):井口额定工作压力（MPa):地层破裂压力（MPa):在用泥浆密度（g/cm3)：压井排量（L/s):循环压力（MPa):,二、关井记录数据,关井立管压力（MPa）：关井套压（MPa）：溢流量（L）：,三、压井数据计算,安全附加密度（g/cm3）：压井泥浆密度（g/cm3）：最大允许关井套压（MPa）：压井排量（L/s):初始循环压力（MPa）：终了循环压力（MPa）：地面到钻头时间（min):钻头到地面时间（min):,四、压井液从地面到钻头立管总压力变化图,