钻井工程件学习.pptx

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1、 静液压力梯度受液体密度的影响和含盐浓度、气体的浓度以及温度梯度的影响。油气井钻井中遇到的有代表性的平均静液压力梯度有两类：第五章第五章 第一节第一节 地层压力及其预测地层压力及其预测 淡水和淡盐水盆地，GDh为0.0098 MPam 盐水盆地，GDh为0.0105 MPam 2.2.上覆岩层压力上覆岩层压力 某某处处地地层层上上覆覆岩岩层层压压力力是是指指覆覆盖盖在在该该地地层层以以上上的的地地层层基基质质(岩岩石石)和和孔孔隙隙中中流流体体(油油气气水水)的的总总重重量量造造成成的的压压力力。如如果果用用p pobob表表示示上上覆覆岩岩层层压压力力，且且沿沿垂垂直直高高度度h h内内各各

2、参参数数取取平均值，则平均值，则第2页/共50页第1页/共50页岩石密度与岩石密度与孔隙度的大小和埋藏的深度孔隙度的大小和埋藏的深度有关。有关。3.3.地层压力地层压力 地地层层压压力力是是指指作作用用在在岩岩石石孔孔隙隙内内流流体体(油油气气水水)上上的的压压力力，也也叫叫地地层层孔孔隙隙压压力力。地地层层压压力力用用p pp p来来表表示示。正正常常地地层层压压力力等等于于从从地地表表到到地地下下该该地地层层处处的的静静液液压压力力,其其值值大大小小与与沉沉积积环环境境有有关关。根根据据式式(6-2)(6-2)的的计计算算原原理理，可可求求得得大大多数正常地层压力梯度为多数正常地层压力梯度

3、为G GDpDp=0.0107 MPa=0.0107 MPam m。ppppphph，异常高压，异常高压第五章第五章 第一节第一节 地层压力及其预测地层压力及其预测 ppppphph，异常低压 第3页/共50页第2页/共50页4.4.基岩应力基岩应力 上覆岩层的重量是由岩石颗粒和孔隙内的流体共同支上覆岩层的重量是由岩石颗粒和孔隙内的流体共同支撑的。撑的。没有被孔隙内流体所承担的那部分上覆岩层压力称没有被孔隙内流体所承担的那部分上覆岩层压力称为为基岩应力基岩应力。如果用。如果用表示基岩应力表示基岩应力 在正常的压力环境中在正常的压力环境中(pp=ph)(pp=ph)，由于颗粒和颗粒间相，由于颗粒

4、和颗粒间相互接触，岩石基体支撑着上覆岩层重量，而这个直接的互接触，岩石基体支撑着上覆岩层重量，而这个直接的颗粒间应力的减少颗粒间应力的减少(0)(0)，将导致孔隙内流体支撑起部，将导致孔隙内流体支撑起部分上覆岩层，而形成异常高压分上覆岩层，而形成异常高压(pp(ppph)ph)。第五章第五章 第一节第一节 地层压力及其预测地层压力及其预测 第4页/共50页第3页/共50页 多年来发展了数种预测异常高压的技术，其中有在钻多年来发展了数种预测异常高压的技术，其中有在钻井施工前进行的井施工前进行的地球物理预测方法地球物理预测方法，也有钻井过程中应用，也有钻井过程中应用的的钻井参数方法钻井参数方法和其

5、他方法。目前在国内和其他方法。目前在国内使用最多的方法使用最多的方法是声波测井法和是声波测井法和dc指数法指数法。1.1.地球物理方法地球物理方法 第五章第五章 第一节第一节 地层压力及其预测地层压力及其预测 地震资料法 声波测井法 电阻率测井法 地球物理方法二、地层压力的预测原理与方法第5页/共50页第4页/共50页(1)地震资料法 因为地震波是一种弹性波，其传播速度与岩石致密程度有关。通常，岩石愈致密，波的传播速度愈快，传播时间愈短。在正常压力梯度下，岩石的致密程度随深度而增大，因此地震波传播速度亦随深度而增大，其传播时间随深度而减小。当地层出现异常高压(ppph)时，岩石致密度下降，地震

6、波传播速度减小，传播时间增大，人们可根据这一特性来解释地震波与井深的关系曲线，从而预报异常高压。这种方法一般用在钻井施工前的初步预测。第五章第五章 第一节第一节 地层压力及其预测地层压力及其预测 第6页/共50页第5页/共50页1)1)预预测测原原理理声声波波传传播播速速度度主主要要是是孔孔隙隙度度和和岩岩性性的的函函数数。如如果果岩岩性性为为泥泥页页岩岩时时，则则声声波波测测井井主主要要反反映映孔孔隙隙度度的的变变化。化。在正常压力地层中，随深度增大，地层压实程度增强，孔隙度下降，则声波传播速度加快，传播时间减少。深度D与传播时间tn的对数之间呈一条正常趋势线。(2)声波测井法 第7页/共5

7、0页第6页/共50页 在异常高压地层中，由于欠压实，孔隙度加大，传播时间t将偏离正常趋势线，其数值大于正常值。偏离值tsh(角标sh表示泥页岩层，tsh=to-tn)越大，地层压力越高。根据大量数据可得出一定地区GDp和tsh之间的关系曲线。第五章第五章 第一节第一节 地层压力及其预测地层压力及其预测 第8页/共50页第7页/共50页地区经验曲线法地区经验曲线法 地区经验曲线法：地区经验曲线法：绘制该地区绘制该地区lgt与与D的正常趋势线，图上开始偏离正的正常趋势线，图上开始偏离正常趋势线的点即为异常压力的顶界。先确定常趋势线的点即为异常压力的顶界。先确定tsh=to(异异常常)-tn(正常正

8、常)，而后根据该地区关系曲线查出，而后根据该地区关系曲线查出GDp，则，则 to第五章第五章 第一节第一节 地层压力及其预测地层压力及其预测 当量深度法2)预测方法当量深度法：在连续沉积盆地，声波传播时间的正常趋势反映了地层第9页/共50页第8页/共50页 的正常压实趋势。当地层压力异常时，如图6-3中a点，地层欠压实，基岩应力下降。由于地层有正常压实的趋势，可在正常压力段找出一点e，其值与之相等。相应深度De称为当量深度，如图所示。正常压力段深度De的e易于求出：第五章第五章 第一节第一节 地层压力及其预测地层压力及其预测 第10页/共50页第9页/共50页由于深度由于深度Da处的处的a=e

9、，则，则a点处的地层压力计算式为点处的地层压力计算式为 (3)电阻率测井法 电阻率测井法的预测原理：在正常压力地层中，随深度增大，地层压实程度加大，孔隙度减小，导电流体也减少，页岩电阻率加大。在一定的地区，页岩电阻率(对数)与井深之间存在一条正常趋势线；在异常压力地层中，由于地层欠压实，孔隙度增大，地层流体多，地温高，页岩电阻率向着低于正常电阻率的一侧偏离正常趋势线，其偏离值越大，地层压力越高。to，C正常压实趋势线的截距和斜率第五章第五章 第一节第一节 地层压力及其预测地层压力及其预测 第11页/共50页第10页/共50页1)1)工作原理工作原理 d(d(或或dc)dc)指指数数法法是是利利

10、用用泥泥页页岩岩的的压压实实规规律律及及欠欠压压实实地地层层机机械械钻钻速速增增大大的的特特性性和和压压差差影影响响机机械械钻钻速速的的原原理理，同同时时考考虑虑了了钻钻井井参参数数对对机机械械钻钻速速的的影影响响来来监监测测地地层层压压力力的。的。根根据据钻钻速速与与转转速速、钻钻压压及及钻钻头头直直径径之之间间的的关关系系，并并考虑保持考虑保持d d的数值与英制单位时相的数值与英制单位时相同，则可得同，则可得 第五章第五章 第一节第一节 地层压力及其预测地层压力及其预测 2.钻井过程中预测地层压力的方法(1)d(或dc)指数法 20世纪60年代以来，人们了解了机械钻速和地层压力之间的关系，

11、并在此基础上发展了一种改进机械钻速预测地层压力的方法，称为d(或dc)指数法。第12页/共50页第11页/共50页因为因为0.0547vpe/n的值总的值总是小于是小于1，所以，所以lg（0.0547vpe/n）的绝）的绝对值与对值与vpe成反比。因此，成反比。因此，d指数与指数与vpe成成反比反比。在正常压力条件下，随着深度加大，vpe下降，d指数增大，且d与D之间呈一条正常趋势线。在压力过渡带和异常高压地层，由于地层欠压实和井底压差减小，vpe加大，d指数下降，通过其与正常趋势线偏离值的大小，可以预报出地层压力。第五章第五章 第一节第一节 地层压力及其预测地层压力及其预测 第13页/共50

12、页第12页/共50页 d d指指数数法法的的前前提提之之一一是是保保持持钻钻井井液液密密度度不不变变，但但这这在在生生产产中中难难以以达达到到，尤尤其其在在进进入入压压力力过过渡渡带带后后，为为了了安安全全起起见见，需需增增加加钻钻井井液液密密度度，这这样样，d d指指数数便便随随之之升升高高，影影响响了了它它的的正正常常显显示示。为为了了消消除除此此影影响响，于于是是提提出出了了修修正正的的d d指数，即指数，即dcdc指数法，指数法，表达式为表达式为 2)预测方法 应收集的现场资料有：井深、地层岩性、钻时、钻压、转速、泵压、排量、钻头尺寸及类型、密度、粘度、流变性。要求取全取准资料，并舍去

13、非正常的钻井第五章第五章 第一节第一节 地层压力及其预测地层压力及其预测 第14页/共50页第13页/共50页 计算dc指数，绘制dc与D的关系曲线：按式(6-7)计算dc指数，并将计算的dc值点在dc与D的录井图上，如图示。建立dc指数正常趋势线方程：要求取过渡带前大于300 m的井段为回归段。使正常趋势线通过大多数泥岩点。回归方程形式为：数据和非泥岩、页岩数据。第五章第五章 第一节第一节 地层压力及其预测地层压力及其预测 第15页/共50页第14页/共50页Dlgdc 回回归归所所得得方方程程的的相相关关系系数数必必须须大大于于规规定定值值(一一般般暂暂定定为为0.7)0.7)。在在条条件

14、件不不具具备备时时，可可借借用用相相邻邻或或相相似似地地质质条条件件或邻井的趋势线参数值。或邻井的趋势线参数值。计算地层压力：利用趋势线方程计算或从图上查出相应深度的dcndcn值，再选用下面推荐的四种求地层压力公式，定量地计算出地层压力的大小。对数式：当量深度式：第五章第五章 第一节第一节 地层压力及其预测地层压力及其预测 第16页/共50页第15页/共50页反算式：伊顿(Eton)(Eton)式：第五章第五章 第一节第一节 地层压力及其预测地层压力及其预测 一些油田经过研究对比，认为反算式比较符合实际。因此，将求出的正常趋势线方程和式(6-7)(6-7)代入反算式，便可直接求得实际地层压力

15、时流体密度公式为：第17页/共50页第16页/共50页 它它是是利利用用钻钻速速方方程程把把影影响响钻钻速速的的诸诸因因素素修修正正成成标标准准值值，唯唯一一将将压压差差(当当量量循循环环密密度度与与地地层层压压力力之之差差)孤孤立立出出来来。当当井井内内的的当当量量循循环环密密度度为为一一常常数数时时，标标准准化化钻钻速速值值的的变变化化，可可以以直直接接反反映映出出所所钻钻地地层层孔孔隙隙压压力力的的变变化化。据据有有关关资资料料介介绍绍，该该方方法法能能监监测测到到地地层层压压力力很很小小的的变变化化，但因其分析计算较繁琐，从而限制了它的广泛应用。但因其分析计算较繁琐，从而限制了它的广泛

16、应用。第五章第五章 第一节第一节 地层压力及其预测地层压力及其预测 3.其它方法 地层压力还可利用页岩密度法、岩屑情况变化分析、化石资料、钻井液返出温度及钻井液中天然气、氯化物含量变化等预测，具体方法可参阅有关文献。(2)标准化钻速法第18页/共50页第17页/共50页第二节 地层破裂压力及其预测 一、一、地层破裂压力及破裂压力梯度地层破裂压力及破裂压力梯度 地地层层破破裂裂压压力力：在在井井中中一一定定深深度度处处的的地地层层，其其承承受受压压力力的的能能力力是是有有限限的的，当当压压力力达达到到某某一一值值时时会会使使地地层层破破裂裂，这个压力称为地层的破裂压力这个压力称为地层的破裂压力p

17、fpf。地地层层破破裂裂压压力力的的大大小小取取决决于于许许多多因因素素，如如上上覆覆岩岩层层压压力力、地地层层压压力力、岩岩性性、地地层层年年代代、埋埋藏藏深深度度以以及及该该处处岩石的应力状态。岩石的应力状态。为了衡量某一深度为了衡量某一深度D的破裂压力的大小，引入地层破的破裂压力的大小，引入地层破裂压力梯度裂压力梯度GDf的概念。的概念。第五章第五章 第二节第二节 地层压力破裂及其预测地层压力破裂及其预测 第19页/共50页第18页/共50页破裂压力预测方法哈伯特哈伯特威利斯法威利斯法马修斯马修斯凯顿法凯顿法伊顿法伊顿法黄荣樽法黄荣樽法安德森法安德森法二、二、地层破裂压力预测方法地层破裂

18、压力预测方法 第五章第五章 第二节第二节 地层压力破裂及其预测地层压力破裂及其预测 哈伯特威利斯法破裂传播压力必须大约等于最小主应力。并认为在发生正断层作用的地区，最大主应力是大致垂直且等于上覆岩层的有效压力，而最小应力应第20页/共50页第19页/共50页 马修斯凯顿法引入了变数基岩应力系数Ki（可变的水平与垂直应力比）。第五章第五章 第二节第二节 地层压力破裂及其预测地层压力破裂及其预测 是水平的且大多数大概在上覆岩层有效压力的1/21/3之间。第21页/共50页第20页/共50页伊顿法:19691969年，伊顿假设地层是弹性体，并用泊松比把水平应力H H和垂向应力z z联系起来，给出了地

19、层破裂压力梯度公式 伊顿认为，上覆岩层压力pobpob和泊松比都随深度而变化，地层破裂压力梯度GDfGDf也随深度而变化，因而比较接近实际。第五章第五章 第二节第二节 地层压力破裂及其预测地层压力破裂及其预测 第22页/共50页第21页/共50页 a.分析测井资料或用d指数法，确定pp；b.根据密度测井资料，计算并绘制该地区pob与D的关系曲线；c.根据实际压裂资料，挤水泥资料和井漏值，取得地层破裂压力数据；d.用已知的pp、pf和pob，计算并绘制与D的关系曲线；e.用pob，pp和的数值，由公式计算任一深度的GDf，得出地区性的破裂压力梯度预测曲线。应用伊顿法预测地层破裂压力梯度的步骤是：

20、黄荣樽法:黄荣樽根据弹性力学的理论，导出了井壁上最容易压开裂缝处的有效切向正应力的表达式，并且认为地层的破裂是由于增大井内流体压力使井壁上的有效切第23页/共50页第22页/共50页向向正正应应力力减减小小为为零零(当当存存在在原原生生裂裂缝缝时时)或或变变为为负负值值并并超超过过地地层层的的抗抗拉拉强强度度hT(当当井井壁壁上上无无原原生生裂裂缝缝时时)的的结结果果。结结合合水水平平向向的的两两个个主主地地应应力力计计算算方方法法，黄黄荣荣樽樽提提出出计计算算破破裂裂压力的解析式为压力的解析式为 K K非均匀的地质构造应力系数，非均匀的地质构造应力系数，K=-3K=-3；，水平两个主方向的构

21、造应力系数。水平两个主方向的构造应力系数。第五章第五章 第二节第二节 地层压力破裂及其预测地层压力破裂及其预测 黄荣樽法的具体应用步骤是：黄荣樽法的具体应用步骤是：1)1)三三轴轴岩岩石石力力学学试试验验：主主要要是是在在高高压压室室中中对对圆圆柱柱岩岩样施加不同围压的压缩试验。通过试验确定岩的样施加不同围压的压缩试验。通过试验确定岩的泊松泊松第24页/共50页第23页/共50页式中式中o围压围压pcir为零时的泊松比；为零时的泊松比；m，n取决于岩性的常数。取决于岩性的常数。考虑到地层重力场的作用，岩层在某深度考虑到地层重力场的作用，岩层在某深度D处的围压处的围压pcir的计算式为的计算式为

22、 联联立立式式(6-13)和和式式(6-14)便便可可解解得得D深深度度处处的的pcir值值和和地层的泊松比地层的泊松比值。值。比。岩石的泊松比与其所处的深度有关，通过岩石的三轴压力试验发现是随围压的升高而增大。经过分析，提出计算的指数方程 第五章第五章 第二节第二节 地层压力破裂及其预测地层压力破裂及其预测 第25页/共50页第24页/共50页2)现场地层破裂压力试验：这是为了确定地下岩层的构造应力系数而进行的。一般在一个油田断块或一个探区只需进行12口井便可满足要求，但为了准确地确定构造应力系数，需在套管鞋下方的压裂段地层中在试验前取一筒岩心，供测试泊松比之用。关闭环形空间，要求在环空井口

23、安装精密压力表记录压力的变化。用水泥车以低速(大约为5080 Lmin)缓慢地启动泵并向井内注入钻井液；记录各个时间的泵入量和相应的井口环空压力。做出以井口压力与泵入量为坐标的试验曲线，如泵排量不变时，亦可做出井口压力和泵入时间的关系曲线。在进行液压试验时，要注意确定下述的压力值(如图6-5所示，此图为实测曲线)：地层破裂压力试验的具体要求如下所述。第五章第五章 第二节第二节 地层压力破裂及其预测地层压力破裂及其预测 第26页/共50页第25页/共50页漏失压力pl:即开始偏离直线之点的压力，其后压力仍上升。开裂压力pf:压力最大之点。反映了液压克服地层的强度使其破裂，形成裂缝，钻井液向裂缝中

24、漏失，其后压力将下降。延伸压力pex:压力趋于平缓的点。它使裂缝向远处扩展延伸。瞬时停泵压力ps:当裂缝延伸到离开井壁应力集中区，即6倍井眼半径以远时(估计从破裂点起约历时1 min左右)，进行瞬间停泵。记录下停泵时的压力ps，由于此第五章第五章 第二节第二节 地层压力破裂及其预测地层压力破裂及其预测 第27页/共50页第26页/共50页时时裂裂缝缝仍仍开开启启，psps应应与与垂垂直直裂裂缝缝的的最最小小地地应应力力yy值值相相平平衡衡，即即有有ps=yps=y。此此后后，由由于于停停泵泵时时间间的的延延长长，钻钻井井液液向向裂裂缝缝两两壁壁渗渗滤滤，但但液液压压下下降降。由由于于地地应应力

25、力的的作作用用，裂裂缝将闭合。缝将闭合。第五章第五章 第二节第二节 地层压力破裂及其预测地层压力破裂及其预测 裂缝重新张开压力pre:瞬时停泵后启动注入泵，从而使闭合的裂缝重新张开。由于张开闭合裂缝所需的压力pre与开裂压力pf相比不需要克服岩石的抗拉强度，因此可以近似地认为破裂层的抗拉强度等于这两个压力的差值，即有 第28页/共50页第27页/共50页 从从图图中中查查得得pfpf和和prepre对对应应的的井井口口泵泵压压，于于是是根根据据(6-15)(6-15)式式直直接接计计算算出出hThT值值。从从试试验验曲曲线线上上确确定定地地层层开开裂裂时时的的井井口口泵泵压压(如如果果考考虑虑

26、plpl为为最最大大许许可可压压力力，也也可可用用此此值值)，其其与与静静液液压压力力之之和和为为破破裂裂压压力力pfpf值值。破破裂裂层层岩岩心心经经过过室室内内试试验验确确定定，再再求求出出对对应应深深度度处处的的pobpob及及正正常常孔孔隙隙压压力力pppp值值。将将得得到到的的pf pf，hT hT，pobpob和和pppp值值代代入入公公式式(6-12)(6-12)便可算出便可算出K K值。值。现在进一步明确一下如何利用上述破裂压力试验求取预测公式(6-12)中的有关参数：3)各种参数确定之后，便可用黄荣樽法计算地层破裂压力。第五章第五章 第二节第二节 地层压力破裂及其预测地层压力

27、破裂及其预测 第29页/共50页第28页/共50页 安安德德森森法法由由于于地地层层破破裂裂压压力力预预测测公公式式中中均均含含有有泊泊松松比比值值，安安德德森森(Anderson)(Anderson)认认为为砂砂岩岩中中的的泥泥质质含含量量对对其其值值影影响响很很大大。因因为为砂砂岩岩中中的的泥泥质质本本质质上上起起着着颗颗粒粒间间塑塑性性胶胶结结物物的的作作用用，对对砂砂岩岩的的形形变变有有明明显显的的影影响响。因因此此，他他提提出出可以通过建立可以通过建立与泥质含量的关系来求得与泥质含量的关系来求得.声波、密度和中子测井的组合能计算地层的泥质含量，声波、密度和中子测井的组合能计算地层的泥

28、质含量，其计算式为其计算式为：IshIsh地层的泥质指数，地层的泥质指数，%；ss声波时差求得的地层总孔隙度，声波时差求得的地层总孔隙度，%；d密度测井求得的地层有效孔隙度，%式中：第五章第五章 第二节第二节 地层压力破裂及其预测地层压力破裂及其预测 第30页/共50页第29页/共50页 安德森提出的地层破裂压力预测公式是：此式是在假定无此式是在假定无构造应力，地层抗张强度为零并取均构造应力，地层抗张强度为零并取均匀水平地应力匀水平地应力基础上而得出的。由此得基础上而得出的。由此得 将现场破裂压力试验求得将现场破裂压力试验求得pfpf值代入值代入(6-18)(6-18)式，便可求式，便可求得得

29、，再将此，再将此值与相应地层的值与相应地层的IshIsh值做出关系图。根值做出关系图。根据墨西哥湾地区据墨西哥湾地区1212口井中进行口井中进行2929次破裂压力试验得到的数次破裂压力试验得到的数据绘图及利用据绘图及利用(6-18)(6-18)式计算出的式计算出的值，表明值，表明与与IshIsh有很有很第五章第五章 第二节第二节 地层压力破裂及其预测地层压力破裂及其预测 第31页/共50页第30页/共50页 式式中中，系系数数A A和和B B随随不不同同地地区区或或不不同同构构造造而而异异，需需要要建建立各个不同地区的关系式。立各个不同地区的关系式。好的线性关系，因此，可用直线公式拟合。第五章

30、第五章 第二节第二节 地层压力破裂及其预测地层压力破裂及其预测 以上介绍三种预测破裂压力方法都仅适用于连续沉积的地层，对于地质不整合的地层、风化带和破碎带等地层，其破裂压力往往低于计算的破裂压力，钻进这些层段常常会发生意外的漏失事故。在这些情况下，预测地层破裂压力时，应当考虑到地质环境的影响。第32页/共50页第31页/共50页安德森法哈伯特威利斯法马修斯凯顿法伊顿法黄荣樽法第五章第五章 第二节第二节 地层压力破裂及其预测地层压力破裂及其预测 第33页/共50页第32页/共50页地层压力剖面的应用：地层压力剖面的应用：当量钻井液密度井深 D1 D2A BCDIGDfGDp套套管管下下入入深深度

31、度的的选选择择欠欠平平衡衡坍坍塌塌卡卡钻钻 HCDIGDfGDp当量钻井液密度井深D2井深当量钻井液密度第五章第五章 第二节第二节 地层压力破裂及其预测地层压力破裂及其预测 第34页/共50页第33页/共50页XCDGDfGDp当量钻井液密度井深D2D1123过过平平衡衡井井漏漏设设计计套套管管程程序序第五章第五章 第二节第二节 地层压力破裂及其预测地层压力破裂及其预测 第35页/共50页第34页/共50页 在钻井过程中，一方面有地层孔隙中的流体压力pp；另一方面有钻井液柱形成的静液压力pdh。在正常钻进情况下，正是用pdh来平衡pp，保持pdh略大于pp的平衡条件下进行钻井的。当pdh大于p

32、p过多时，会造成机械钻速慢，压差卡钻多，同时在钻进时油气显示不好；当超过pf后将形成井漏或地下井喷；当pdh小于pp时，地层流体将向井内流动，这种现象称为井涌(或叫溢流)。此时若不及时进行压井作业，使这种流动失去控制则会形成井喷。如果在地面失去控制，称为地面井喷，如果这种流动进入裸露地层，则称为地下井喷。第三节第三节 地层井眼系统的压力控制地层井眼系统的压力控制一、失去压力平衡的原因地层压力掌握得不确切钻井液液柱高度降低钻井液密度降低井内压力激动起钻抽汲压力第36页/共50页第35页/共50页二、气侵对钻井液液柱压力的影响二、气侵对钻井液液柱压力的影响1 1 气侵时，气体以游离态均匀分布在钻井

33、液中气侵时，气体以游离态均匀分布在钻井液中钻井液气钻井液气以微小气泡吸附在钻井液中颗粒的表面，随着钻井液的循环上返。由于气体是可压缩的，气泡在上升的过程中由于所处的压力不断减小，体积就会逐渐膨胀增大。因此受气侵后，环空不同深度处的钻井液密度是不同的，不能以地面气侵钻井液密度乘以井深来计算井内钻井液柱压力。这种情况下，即使返到地面时的钻井液气侵得厉害，形成许多泡沫因而使密度降低很多，但井底咱井液柱压力的减少并不一定很大。通过分析可以建立分析任一井深处气侵钻井液密度及井底液柱压力降低值第37页/共50页第36页/共50页均匀气侵时，井底钻井液液柱压力降低并不明显。第38页/共50页第37页/共50

34、页2 2 井下积聚气柱，造成钻井液自动外溢和井喷的条件井下积聚气柱，造成钻井液自动外溢和井喷的条件显然，将x=h及Ps=101千帕（外溢时井口是开启的）代入，设井下有一段气柱或严重气侵的钻井液，高度为x米。上面未被气侵的钻井液 柱，高度为h米。钻井液密度为 m克/厘米3。井筒截面积为A米2。作用在气柱上的初始压力为：Ps+9.81 m h（千帕），气柱的初始体积为：Ax米3。如果钻井液液柱高度减少h，则作用在气柱上的压力将减少为Ps+9.81 m（h-h）（千帕）而气柱将发生膨胀而高度将增加x，膨胀后最终体积米A(x+x)。可以认为气体膨胀为等温过程hxxh气柱聚积体积超过其上面的将喷出钻井液

35、体积。在停止循环的情况下，积聚起这样大量的气柱是不大可能发生的。第39页/共50页第38页/共50页小积聚量气柱上升膨胀造成外溢设当整个钻井液及气体柱上行到距井底L米时，产生前述外溢的临界条件，此时未气侵的钻井液液柱高度为h1米，气柱高度为x1米。显然x1xhh1L第40页/共50页第39页/共50页 当发现井喷预兆或井口溢流时，应立即采取关井措施，其目的是：1)尽量减少进入井内的流体量，流入量越小，越容易处理；2)尽可能多地保持环空内的钻井液量，以减少循环压井时的井口回压；3)取得压井数据，以确定地层压力、压井所需钻井液密度及判断流体类型。三、关井三、关井关井有两种方法：硬关井法，即停泵后立

36、即关闭多效能防喷器；软关井法，即先打开节流阀，再关闭多效能防喷器，最后关节流阀。软关井法可避免突然关井而产生的水击效应，但在井过程中地层流体仍要继续进入井内。目前我国多采用软关井法，现场简称为“四七动作”。第41页/共50页第40页/共50页 按照一定的方法往井内注入适当密度的加重钻井液来制止井涌(或称溢流)，以达到迅速恢复或重建井内的压力平衡，此作业称为压井。1.1.压井基本数据的计算压井基本数据的计算(1)关井钻杆压力的确定关井钻杆压力的确定 四、压井四、压井关井前由于发生地层流体的侵入，地层流体压力下降，关井后地层压力开始恢复，经过一段时间后达到压力的平衡和稳定。因此关井后1015 mi

37、n即可进行关井钻杆压力的确定，具体分两种情况：1)钻杆中未装回压阀：在关井1015 min后，即可从立管压力表直接测出。2)钻杆中装有回压阀：其步骤是:关井；装一个低容积的高压泵与立管相接；开始泵入，充满地面管线；逐渐加大负荷，继续泵入，使液体沿钻杆向下移动；顶开回压阀，液体开始流动的立管压力，即为关井钻杆压力。(2)(2)地层压力的确定地层压力的确定 把地层井眼系统看成一个压力系统，则可将钻柱与环形空间视为连通的“U”形管，其底部视为井底地层。根据“U”形管压力平衡原理，知道关井时井内的压力平衡关系为 第42页/共50页第41页/共50页pd pa pppddpda当井深为Dw、钻柱内未受侵

38、钻井液密度为d时，根据以上压力平衡关系，可得(3)(3)压井所需钻井液新密度压井所需钻井液新密度d1d1 根据关井钻杆压力，可求出地层压力及平衡此压力所需的钻井液新密度d1，即(4)(4)地地层层流流体体的的判判别别可以由GDf的大小，初步判断地层流体的种类。一般:天然气 GDf=1.084.51 kPam；天然气与石油(盐水的混合物)GDf=4.519.03 kPam；石油或盐水 GDf=9.0311.28 kPam。第43页/共50页第42页/共50页2.2.压井方法压井方法 常用的压井方法:(1)(1)井底压力不变的概念井底压力不变的概念 在循环压井时用节流阀开关来调节回压，其主要原则是

39、主要原则是保持井底压力不变，从而使井底压力与地层压力在循环压井过程中一直保持平衡关系。这样，一方面可防止地层流体进一步流入，另方面也可防止因井底压力过大而压漏地层，使井内情况复杂化。1)用原密度钻井液循环压井 用原密度钻井液循环压井时，立管压力、井底压力和套管压力与关井时不同，将发生变化：立管压力pt：由于循环时钻井液在整个系统中有流动阻力pcs，必然加在立管压力表上，因此，pt将等于：第44页/共50页第43页/共50页井底压力pwf：循环到井底时，pcs的大部分已损耗在钻杆和钻头水眼上，只剩下环空压力损失pla，此时：套管压力pa：在环空井口，循环阻力已消耗完，仍保持原有的关井套管压力。由

40、此可得压力平衡关系式 pa随气体在环空中上升，不断变化，不能通过控制套压办法来保持井底压力不变。实现井底压力不变的方法是：在保持循环压井泵速不变的条件下，控制循环时立管压力不变，使 这就需要在循环压井中通过调节节流阀来控制pt和pwf不变。第45页/共50页第44页/共50页可以根据这个直线关系建立一个pt随时间变化的图表，从图上可知任一时刻(任一累计冲数)的立管压力，以便在循环压井时用节流阀调节，使立管压力达到此数值，以实现井底压力保持不变。2)2)用加重钻井液循环压井用加重钻井液循环压井 分析式(6-28)可知，当加重钻井液注入钻柱内时，钻柱内钻井液柱pdd将随时间(或总的泵冲数)成直线地

41、增大，为了保持井底压力不变(等于pp)，必须成线性减少立管压力pt。开始循环时：立管压力 重钻井液到达井底时：立管压力 司钻法压井司钻法压井 例：井深3000 m，套管1338in，下深1060 m，允许套压17.4 MPa，泵速60 冲min时泵压为21.1MPa，35 冲min 时泵压为7.0 MPa(压井泵速)，pd=1.8 MPa，pa=2.8 MPa，d=1440kg/m3，pla=0.4 MPa，环空单位长度体积0.034 m3,钻井液池体积过盈2.8 m3。第46页/共50页第45页/共50页1)先用原密度钻井液循环出受侵钻井液(图中A、B、C点)。a.关井。当压力稳定后测关井的

42、pd和pa。地层压力 pp=pd+dgDw=1.8+14409.8300010-6=44(MPa)地层流体压力梯度 判断为气体。b.开始以选定的泵速(35冲min)泵 入 原 密 度 钻 井 液(d=1440kg/m3)，开节流阀，使pa等于原关井套压2.8 MPa，此 时 立 管 压 力 应 等 于pt=pd+pcs=1.8+7.0=8.8(MPa)由于附加pla为0.4 MPa，则井底压力为44+0.4=44.4 MPa为了保持井底压力不变，需调节节流阀保持立管压力不变(8.8 MPa)，此时气柱被循环上升，不断膨胀，到达一半井深时pa上升到6.3 MPa。第47页/共50页第46页/共5

43、0页c.气体到达井口，套压最大，为10.5 MPa。此时立管压力仍保持为8.8 MPa。检查允许套压为17.4 MPa，实际套压未超过额定负荷。气体开始从节流阀排出，同时套压急剧下降。当全部受侵钻井液排出后，关井检查，此时立管压力和套压均应为1.8 MPa。准备好加重钻井液进行下一步，用加重钻井液循环压井。压井钻井液新密度 2)用加重钻井液循环压井，顶替出原有轻钻井液，以恢复井内压力平衡。a.开始泵入加重钻井液(1500 kg/m3)，此时pt=8.8 MPa，而pa=1.8 MPa。b.当加重钻井液泵入钻柱内时，钻井液柱压力不断加大，为了保持井底压力不变，使用节流阀控制来改变立管压力比较复杂

44、。最简便的方法是在加重钻井液到达井底以前，用保持套压(1.8 MPa)不变的方法调节节流阀，以保持井底压力不变。当加重钻井液到达井底后，钻柱内钻井液柱压力刚与地层压力平衡，此时pt=pcs=7.0 MPa。c.继续循环，为保持井底压力不变，需调节节流阀保持立管压力为7.0 MPa不变。加重钻井液在环空中不断上升，直至井口，此时套压应降为零。井内压力恢复平衡，关井检查时pd和pa均为零，压井结束。图第48页/共50页第47页/共50页工程师法压井工程师法压井 工程师法压井如图6-7所示，与司钻法相比，其共同点是两种方法均以保持井底压力不变的原则进行循环压井，其不同点在于工程师法压井时，循环排出受

45、侵钻井液和把加重钻井液打入井内是同时完成的，不是分两步进行。其步骤是：1)关井，读出关井的pd，pa和V。2)开始用加重钻井液泵入(密度求法同司钻法)，选用压井泵速进行循环。初始立管压力 pti=pd+pcs。第49页/共50页第48页/共50页3)在加重钻井液到达井底之前，钻杆内原有轻钻井液被加重钻井液所顶替，立管压力随之减少；同时环空的气体循环上升，不断膨胀，套压也在不断变化。为了保持压井循环过程中井底压力不变，需找出加重钻井液到达井底之前的立管压力变化规律。如图6-7所示，立管压力随时间(或总的泵冲数)应成直线减少，从开始循环时的pti=pd+pcs，到加重钻井液到达井底时的ptf=pc

46、s。在施工时就应按照上述图表，在循环压井的任一时刻，调节节流阀，使立管压力等于图上查得的数值，以实现井底压力不变的原则。4)当加重钻井液进入环空后，为了保持井底压力不变，应调节节流阀，使立管压力不变，即pt=pcs。加重钻井液刚进入环空时，因气体膨胀有限，套压下降；而当气体接近地面时气体膨胀加剧，套压升高；在D点气体到达井口，套压最大；之后，气体从井口排出，套压急剧下降。5)气体全部排出。井内仍留有轻钻井液，此时套压pa=hd(GDd1-GDd)(hd为轻钻井液在环空中所占高度)。为了保持井底压力不变，立管压力应保持不变(pt=pcs)。轻钻井液全部替出，套压为零，压井结束。第50页/共50页第49页/共50页谢谢您的观看！第50页/共50页