修井第二部分 压力的概念-1.ppt

第第 二部分二部分压力和工况压力和工况 压力是井控的最主要的基本概念之一.了解压力的概念及各种压力之间的关系对于掌握井控技术和防止井喷是非常重要的.一、一、压力概念压力概念压力压力是指单位面积物体上所受是指单位面积物体上所受 的垂直力。的垂直力。单位是帕，符号是单位是帕，符号是 p pa a ；1m1m2 2面积上受到面积上受到1N1N（牛顿）的力时形成的压力牛顿）的力时形成的压力 即为即为1N/m2 也也称为称为1Pa 1Pa=1N/m2（1帕帕=1牛顿牛顿/m2）1KPa(千帕）千帕）=1000Pa，1MPa（兆帕）兆帕）=1000000Pa=106Pa。与原工程大气压关系为：与原工程大气压关系为：1MPa=10.194kg/cm21MPa=10个工程大气压个工程大气压1kg/cm2=98.067kPa1kg/cm2=100kPa=0.1MPa 与英制单位关系的压力：英制中，压力的单位是没平方英寸面积上受多少磅力。符号：psi1psi=6.895kPa1psi=7 kPa 1.静液压力：静液压力：静态井况时，液柱对其底部所产生的力静态井况时，液柱对其底部所产生的力 2.循环阻力：循环阻力：含义含义流体在管道中流动时流体在管道中流动时,要克服流体与管壁流体要克服流体与管壁流体分子之间的摩擦而产生的阻力分子之间的摩擦而产生的阻力;大小大小与流动的速度的平方与流动的速度的平方,流体的粘度、密度、管流体的粘度、密度、管道的长度成正比，与管道直径的成反比，还与管道的道的长度成正比，与管道直径的成反比，还与管道的粗糙度、形状及管内流体的流型有关。粗糙度、形状及管内流体的流型有关。方向方向与流动的方向相反，即总是朝向流动的上游与流动的方向相反，即总是朝向流动的上游方向。方向。二、井控涉及的相关压力术语地层压力地层压力是地下岩石孔隙内流体的压力，MPa 正常压力，正常情况下，地下某一深度的地层压力等于地层流体作用于该处的静液压力，这个压力就是由某深度以上地层流体静液压力所形成的。盐水是常见的地层流体，它的密度大约为107gcm3。因此，地层压力梯度大约是10。496kPam2。按习惯，10496kPa m2的地层压力梯度是正常的，将深度乘以 10。496kPa m2就可求得含盐水地层中的压力。异常压力也称孔隙压力异常压力也称孔隙压力 地层压力正常或者接近正常静液压力，则地层内的流体必须一直与地面连通。这种通道常常被封闭层或隔层截断。在这种情况下，隔层下部的流体必须支撑上部岩层。岩石重于地层水，所以地层压力可能超过静液压力。我们称这种地层为异常压力地层，或超压地层，地层破裂压力是指某一深度地层发生破碎和裂缝时所能承受的压力。井内压力过大会使地层破裂并将全部钻井液漏入地层。为了便于比较，破裂压力通常以梯度或密度来表示，破裂梯度一般随井深增加而增大。较深部的岩石受着较大的上覆岩层压力，可压得很致密。另一方面，深水底部的岩层就较松，其破裂梯度可能是很小的，因此在很小的压力下，地层就会发生破裂。在钻井时，钻井液柱压力的下限要保持与地层压力相平衡，即不污染油气层，又能提高钻速，实现压力控制。而其上限则不应超过地层的破裂压力以避免压裂地层造成井漏。4、地层破裂压力5、井底压力所有作用在环形空间的压力总合，就是井底压力。这个压力随作业不同而变化，(1)静止状态，井底压力环形空间静液压力；(2)正常循环时，井底压力环形空间静液压力+环形空间压力损失；(3)用旋转防喷器循环钻井液时，井底压力=环形空间静液压力+环形空间压力损失+旋转防喷器的回压；(4)循环出气涌时，井底压力环形空间静液压力+环形空间压力损失+节流器压力：(5)起钻时，井底压力=环空静液压力+抽吸压力；(6)下钻时，井底压力=环空静液压力+激动压力；(7)空井时，井底压力=环空静液压力；(8)关井时，井底压力=环空静液压力+井口回压+气侵附加压力。6 6、压、压 差差 压差是井底压力和地层压力之间的差值。如果井底压力大于地层压力，其压差为正，如果颠倒过来，其值为负。正值的压差通常称为超平衡。地层压力超过井底压力，称为欠平衡。7 7、压力损失、压力损失 在压力的推动下钻井液从钻井泵进入循环系统。钻井液经地面管汇，沿钻柱向下，通过钻头喷嘴而后沿环形空间上返，当钻井液返至地面进入泥浆池时，处于大气压的情况下，表压为零，数十兆帕的压力损失到循环系统中。这个压力损失是由钻井液循环及其与所碰到的物体发生摩擦所引起的。压力损失的大小取决于钻井液密度，钻井液粘度、排量和流通面积。大部分的压力损失在钻柱内和通过钻头喷嘴时，压力还消耗在循环系统的其他部分。在任何时候，流体通过管汇、管嘴或者是节流板就要产生压力损失。排出气侵时，使用节流阀维持套管或环形空间内的回压，就是一个很好的例子，8 8、激动压力和抽吸压力、激动压力和抽吸压力 抽吸压力发生在井内起钻时，钻柱下端因上升而空出来的井眼空间，以及钻井液因粘滞性附于钻柱上，随钻柱上行而空出来的空间将由其上面的钻井液充填，引起钻井液向下流动。这部分钻井液在流动时受有流动阻力，其结果是降低有效的井底压力。钻头泥包时，会产生很大的抽吸压力。激动压力产生于下钻和下套管时，因为钻头下行，挤出该处的钻井液，钻井液流动受到的阻力，便是激动压力，其结果是增大有效井底压力。激动压力和抽吸压力是类似的概念，其数值相等，激动压力是正值，抽吸压力是负值，激动压力和抽吸压力产生因素激动压力和抽吸压力产生因素这两个压力受下列因素的影响：(1)管柱的起下速度；(2)钻井液粘度；(3)钻井液静切力；(4)井眼和管子之间的环行空隙(5)钻井液密度(6)环行节流(钻头泥包)激动压力激动压力:使井底压力加大使井底压力加大!压漏地层压漏地层抽吸压力抽吸压力:使井底压力减小使井底压力减小!地层流体侵入井内地层流体侵入井内.9、地面压力地面压力（泵压、立压、套压）（泵压、立压、套压）：指作用在压井液顶部，指作用在压井液顶部，在地面可以用压力表读出的压力在地面可以用压力表读出的压力 泵压是克服井内循环系统中摩擦损失所需的压力。正常情况下，摩擦损失发生在地面管汇、钻柱、钻头水眼和环形空间。环形空间与钻具之间压力不平衡，也将影响泵压。泵出气侵钻井液时，一定的气侵控制压力将使泵压增高，气侵控制压力包括节流阀和节流管线的压力损失。圈闭在井下工具之中或之下的压力圈闭在井下工具之中或之下的压力10.圈闭压力圈闭压力 液压用于驱动大多数的防喷设备，包括防喷器。压力液一般用轻质油和处理过的水，一般认为它们具有不可压缩的特性。作用在压力液上的驱动力，传送到防喷器内的活塞上，就可开启或关闭防喷器。驱动力来自液压泵的液体或储能器中的氮气。掌握和操作井控设备的是人，人是井控过程中关键性的因素。在紧急的情况下，由于人们快速而坚决地操作防喷器就可以控制井涌。训练不良的井队人员，在钻机和他们自己安全受到危及的时候，就不能完成其职责。只有机敏而训练有素的井队人员才能在关键时刻，防止事故发生。11.液压压力的表示方法我国石油钻井现场有4种压力表示方法。四种压力的表示方法(2)用压力梯度表示。如0.012MPa/m 四种四种 压力表示法压力表示法(1)用压力值表示。如:12Mpa (3)用流体当量密度表示。1.35g/cm3(4)用压力系数表示。1.35压力数值法（P）直接用压力数值表示压力大小。如：泵压、油压、套压、地层压力等是每增加单位垂直深度压力的变化量。是每增加单位垂直深度压力的变化量。油层压力、破裂压力也压力梯度压力梯度常用表示计算公式为:G=p/H=0.0098 H/H =0.0098 式中 G压力梯度，Mpa/m；p压力，Mpa；H深度，m 流体密度，g/cm3 压力梯度（压力梯度（G）某点压力等于某一密度的流体在某点压力等于某一密度的流体在该点所形成的液柱压力。该密度称为该点所形成的液柱压力。该密度称为当量密度当量密度ECD 或或ED计算公式为:e=p/0.0098H=G/0.0098 式中:p压力，Mpa H深度，m e e 当量流体密度，g/cm3 流体当量密度流体当量密度（e）计算公式为:k=P/0.0098 水水H=e 式中：K-压力系数，无单位；水水水的密度，1.0 g/cm3；H深度，m e 当量流体密度，g/cm3 压力系数压力系数（k k ）指某点压力与该点深度处的指某点压力与该点深度处的静水柱压力静水柱压力之比之比,其大小在数值上等于其当量密度其大小在数值上等于其当量密度.无因次，我国现无因次，我国现场人员常说某井深处的压力系数是多少，实际仍是场人员常说某井深处的压力系数是多少，实际仍是当量密度，只不过去掉了密度量纲，只言其数值罢当量密度，只不过去掉了密度量纲，只言其数值罢了。了。对对于于某某一一压压力力可可能能有有不不同同的的叫叫法法，但但意意思思却却是是说说 的的 同同 一一 个个 压压 力力。例例 如如 说说 2000m处处 的的 压压 力力 是是23.544MPa，也也可可说说压压力力梯梯度度是是11.77kPam，也也可说当量密度是可说当量密度是1.20gcm3，或说压力系数或说压力系数1.20。英英制制中中，除除无无压压力力系系数数的的说说法法外外，其其余余表表示示法法相相同同，只只是是用用英英制制单单位位。英英制制中中清清水水的的压压梯梯为为0.433psift。压力系数压力系数（k k ）因为静液压力是防止溢流的第因为静液压力是防止溢流的第一道防线，是有效进行井控是非常一道防线，是有效进行井控是非常重要的基础数据重要的基础数据,所以了解和保持井所以了解和保持井内液柱压力是作业过程中的主要目内液柱压力是作业过程中的主要目标标.计算计算：p液柱液柱=0.0098 H p液柱液柱静液压力 Mpa 液体密度 g/cm3 H液柱垂直高度 m 静止工况下井底压力为：静止工况下井底压力为：P井底井底=p液柱液柱+p地面地面 1.1.静止工况静止工况P井底井底p地面地面p液柱液柱三.常见的作业工况如图所示，井内钻井液密度 为1.2g/cm3，3000m处静液柱压力为多少？解：静液柱压力p=0.0098 h =0.00981.203000 =35.288MPa而地层孔隙内流体(水)的压力为：p=0.0098 h =0.00981.073000 =31.547Mpa 例题2.2.正循环工况正循环工况 地面压力可以通过调节地面节流阀来保持。该压力（也叫回压）将作用在整个井筒内，我们也称之为节流压力。P井底井底=P液柱液柱+P地面地面+P环摩环摩 摩阻是由于流体在管内流动克服摩擦摩阻是由于流体在管内流动克服摩擦而引起的压力改变。而引起的压力改变。影响因素有流体粘度、过流面积和流速。影响因素有流体粘度、过流面积和流速。P泵泵=Pf地面管线地面管线+Pf油管油管内内+Pf井下工具井下工具+Pf环空环空+（P环空液柱环空液柱-P管内液柱管内液柱）摩阻的方向总是与流体流动方向相反。摩阻的方向总是与流体流动方向相反。2.2.正循环工况正循环工况套压油压环空油管P井底井底=P液柱液柱+P地面地面+P油管摩油管摩3.反循环工况图3.反循环工况 完井作业过程中反循环与正循环有显著不同。从而反循环的井底压力也与正循环不同。因此井底压力的组成应考虑管内流动的摩阻。反循环时井底压力：P井底井底=P液柱液柱+P地面地面+P油管摩油管摩 由于大多数油管内面积小于油管套环空面积，因而大部分反循环时井底压力大于正循环时的井底压力。正循环正循环反循环反循环井底压力（P井底井底）P正井底井底=P液柱液柱+P地面地面+P环摩环摩P反井底反井底=P液柱液柱+P地面地面+P油管摩油管摩泵压（P泵泵）P泵泵=Pf地面管线地面管线+Pf油管内油管内+Pf井下工井下工具具+Pf环空环空+（P环空液柱环空液柱-P管内液柱管内液柱）P泵泵=Pf地面管线地面管线+Pf油管内油管内+Pf井下工具井下工具+Pf环空环空+（P管内管内液柱液柱-P环空液柱环空液柱）ECD（ED）正当正当=p环摩环摩/0.0098H+原原 反当反当=P油管摩油管摩/0.0098H+原原比大小因为：A套管环 A油管；静止工况下静止工况下静止工况下静止工况下：P井底井底=P液柱液柱+PC地面地面 循环循环工况下：工况下：工况下：工况下：P反井底反井底 P正井底正井底 反当反当 正当正当备注A面积；摩阻方向与流体流动方向相反由于摩擦力而增加的井底压力叫当量循环密度波动压力的影响因素有管子运动速度或起下速度 流体密度 流体粘度 流体切力井眼形状（环空、间隙、开闭管口波动压力4.起下钻下钻时管柱向下向下运动使井底压力增加。原因：当油管下行时，井内流体必须向上流动，从而造成井底压力的增加。这种压力的增加我们通常称之为激动压力。起钻时 起钻时管柱向上向上运动也使井压力发生变化。起出油管时，井内流体必须向下流动填补空间，油管向上运动和流体向下运动的总体效果是使井底压力减少，这种压力的减少称为抽汲压力结论：据统计，许多溢流据统计，许多溢流多发生在起下钻过程中多发生在起下钻过程中四.玻义尔气体定律井内气体的膨胀和运移规律:符合玻义尔气体定律P1V1=P2V2 P1第一状态的压力 MPa V1第一状态的体积 米3 P2第二状态的压力 MPa V2第二状态的体积 米3气体滑脱是气体靠自身的浮力而自动向上运移的现象。气体滑脱的速度在3001200米/时，不膨胀的气体滑脱引起井口和井底压力的增加。如果气泡体积和形状不变的话，增加的压力就是气泡滑过的液柱压力。气体滑脱引起井口和井底压力的增加五.U形管原理（相同的流体）井涌控制原理 若若把把井井的的循循环环系系统统想想象象成成一一个个“U U”形形管管，钻钻柱柱看看成成是是“U U”形形管管的的一一条条腿腿，而而把把环环空空看看成成是是另另一一条条腿腿。“U U”形形管管的的基基本本原原理理是是“U U”形形管管底底部部是是一一个个平平衡衡点点，此此处处的的压压力力只只能能有有一一个个值值，这这个个井井底底压压力力可可以以通通过过分分析析任任意意一一条条腿腿的的压压力力而而获获得得。以以下下是是一一口口实实际际的的井井中中的的各各种压力。种压力。P地面地面压力压力管管P地面地面压力压力 环环P Pp p五.U形管原理（相同的流体）井涌控制原理如图：如果注入相同的流体，AB两侧液面相同。同时，A侧（油管）底部的液柱压力等于B侧的液柱压力。两者都称为井底压力。P井底井底=P液柱油管液柱油管+P地面压力管地面压力管 =P环空液柱环空液柱+P地面压力地面压力 环环P油管液柱油管液柱（油管）液柱压力MPaP地面压力地面压力（油管）地面压力MPaP环空液柱环空液柱（环空液柱压力）MPaP地面压力地面压力（环空）地面压力MPaP井底井底井底压力Mpa P环空液柱环空液柱=P液柱油管液柱油管 P地面压力地面压力 环环=P地面压力管地面压力管 BAP井底井底P地面环空地面环空P地面油管地面油管P液液柱柱油油管管结论P环环空空液液柱柱 P环空液柱环空液柱=P液柱油管液柱油管 P地面压力地面压力 环环=P地面压力管地面压力管 结论BAP井底井底P地面环空地面环空P液液柱柱油油管管P环环空空液液柱柱P地面油管地面油管五.U形管原理（流体密度不相同）U形管两侧流体密度不相同。P井底井底=P液柱油管液柱油管+P地面压力管地面压力管 =P环空环空液柱液柱+P地面压力地面压力 环环P油管液柱油管液柱（油管）液柱压力MPaP地面压力地面压力（油管）地面压力MPaP环空液柱环空液柱（环空液柱压力）MPaP地面压力地面压力（环空）地面压力MPaP井底井底井底压力Mpa P环空液柱环空液柱=P液柱油管液柱油管 P地面压力地面压力 环环=P地面压力管地面压力管 P地面地面压力压力管管P地面地面压力压力 环环P Pp p结论P地地面面压压力力管管P地地面面压压力力 环环P Pp pU形管原理（流体密度不相同判断）如果如果流体密度不相同，溢流进入环空，判断油管与套管液柱与地面压力的关系P环空液柱环空液柱不等于不等于P液柱油管液柱油管？（填？（填）P地面压力地面压力 环环不等于不等于 P地面压力管地面压力管？（填？（填）六容积系数和排代量含义 容积系数指每单位深度的容器（如油管或环空）能容纳的流体体积 排代量 排代量是将固体（如油管）放入一定体积流体内时排出的流体量。湿排代量管子内部堵死。排出体积等于淹没管子的外部总容积管子开口畅通。排出体积等于淹没管子固体部分的体积干排代量排代量分类容积系数和排代量计算容积系数（CF）单位（CF）内容积环空容积英制CF=ID2/1029CF=ID2-OD2/1029bbL/ft法定CF=ID2/2CF=ID2-OD2/2米3/千米物理量意义ID管子内径（in英寸）OD管子外径（in英寸）排代量湿排代量管子内部堵死。排出体积等于淹没管子的外部总容积干排代量管子开口畅通。排出体积等于淹没管子固体部分的体积