钻井井控教材.ppt

钻井井控培训教材 自二十世纪初开始 由于钻井技术的不断成熟 世界石油 天然气勘探开发活动日益活跃 勘探领域从陆上到海上 从浅部地层到深部地层 从老区到新区迅速延伸 在这个钻井数量不断增加 勘探领域逐渐扩大的过程中 井喷失控日益成为威胁钻井安全的关键因素 世界上第一例公开报道的井喷失控发生在1901年1月10日 美国德克萨斯州东南部的博蒙特 一口油井在起钻过程中发生井喷 巨大的压力把井内还未起出的700英尺钻具冲出井口 油气柱喷高达100英尺 最终喷出原油50万桶并引发着火 我国解放后发生的比较严重的天然气井的井喷失控是在1957年2月2日 重庆巴9井 起钻未灌钻井液引发强烈井喷 井内216m钻具全部冲出 与井架撞击着火 火焰高达120余米 先后经过3次空中爆炸才将大火扑灭 实践证明 单纯靠经验来处理井控问题已无法避免和减少因井喷和井喷失控造成的巨大损失 因此 油气井的压力控制引起人们的极大关注 随着现代钻井工艺技术的不断发展 逐渐形成了较系统的井控理论和压力控制技术 返回 井控 就是采用一定的方法平衡地层孔隙压力 即油气井的压力控制 在钻井过程中 通过维持足够的井筒内的压力以平衡或控制地层压力 防止地层流体进入井内 保证钻井作业安全顺利地实施 井控技术 一次井控 是井内采用适当的钻井液密度来控制地层孔隙压力 使得没有地层流体进入井内 溢流量为零 返回 二次井控 井内使用的钻井液密度不能平衡地层压力 地层流体流入井内 地面出现溢流 这时要依靠地面设备和适当的井控技术来处理和排除地层流体的侵入 使井重新恢复压力平衡 返回 三次井控 是指二次井控失败 溢流量持续增大 发生了地面或地下井喷 且失去了控制 这时要使用适当的技术和设备重新恢复对井的控制 达到一次井控状态 井侵 当地层孔隙压力大于井底压力时 地层孔隙中的流体 油 气 水 将侵入井内 通常称之为井侵 井口返出的钻井液量大于泵入量 或停泵后井口钻井液自动外溢 这种现象称之为溢流 溢流 返回 图2 5井内循环压力损失 溢流进一步发展 钻井液涌出井口的现象称之为井涌 井涌 返回 1 决定溢流严重程度的主要因素 1 地层允许流体流动的条件地层的渗透率 孔隙度以及裂缝的大小和连通情况是决定地层流体流动条件好坏的主要因素 地层的渗透率说明地层流体的流动能力 地层的孔隙度及裂缝大小表明地层容纳流体的空间的量 高渗透率和孔隙度或裂缝大 连通好的地层发生严重溢流的可能性比较大 3 与溢流有关的概念 2 钻井液液柱压力与地层压力的差值若钻井液液柱压力比地层压力小得很多 就存在较大的负压差 这种负压差 再遇到高渗透率 高孔隙度或裂缝大 连通好的地层 就可能发生严重溢流 2 溢流的分类 1 根据流入井筒的地层流体种类分 常见的溢流流体有 天然气 石油 盐水 硫化氢 二氧化碳 若气体进入井内 就称为气体溢流 若是2m3气体进入井内 则称2m3气体溢流 2 根据井控技术要求 排除溢流所需的钻井液密度增量来分 如排除溢流所需的钻井液密度增量为0 1g cm3 则称为0 1g cm3的溢流 据不完全统计 1949 1988年间 我国累计发生井喷失控230口 其中井喷失控后又着火的井78口 占井喷失控井的34 因井喷失控着火和井喷后地层塌陷损坏钻机59台 其中1978 1988年的11年间发生井喷失控井133口 因井喷失控导致死亡5人 伤41人 1994年 2004年发生16次严重井喷失控事故 尤其是罗家16H井 因喷出大量H2S气体造成附近居民大量伤亡和转移 在社会上造成了严重影响 综观各油气田发生井喷失控的实例 分析井喷失控的直接原因 大致可归纳为以下几个方面 1 地质设计与工程设计缺陷 1 地质设计缺陷 1 地质设计未提供三个压力剖面 特别是准确的地层压力资料 2 地质设计未提供施工井周边注水井的压力 注水量等资料 3 地质设计未提示施工井所在区块 地区 浅气层和过去所钻井发生井喷事故的资料 4 地质设计未提供施工井周边的情况 居民 道路 河流等资料 2 工程设计缺陷 1 井身结构设计不合理 表层套管下的深度不够 当钻遇异常压力地层关井时 在表层套管鞋处蹩漏 钻井液窜至地表 无法实施有效关井 有的井设计不下技套 长裸眼钻进 同一裸眼段同时存在漏 喷层 更增加了井控工作的难度 2 钻井液密度设计不合适 3 防喷装置设计不合适 防喷装置的压力等级要与地层压力相匹配 在深井 高压井 高含硫井等复杂井要配备环形防喷器 单闸板防喷器和双闸板防喷器 并要配备剪切闸板 储能器的控制能力要与井口防喷器相匹配 内防喷工具 井控管汇 辅助井控装备的选择与安装不合适等 4 加重料储备及加重能力不能满足井控要求 5 井控技术措施针对性 可操作性差 2 井控装置安装 使用及维护不符合要求 1 井口不安装防喷器 井口不安装防喷器主要是认识上的片面性 其一 认为地层压力系数低 不会发生井喷 用不着安装防喷器 其二 井控装备配套数量不足 现有的防喷器只能保证重点探井和特殊工艺井 其三 认为几百米的浅井几天就打完了 用不着安装防喷器 其四 由于前三种情况 加之实行口井大承包后 片面追求节省钻井成本 想尽量少地投入钻井设备 少占用设备折旧 2 井控设备的安装及试压不符合 石油与天然气钻井井控技术规定 的要求 比如 1 内控管线要使用专用管线并采用标准法兰连接 而现场有部分为低质量的焊接 2 连接管线的尺寸 壁厚 钢级不合要求 弯头不是专用的铸钢件 弯头小于120 3 放喷管线不用基墩固定 或固定间隔太远 4 放喷管线没有接出井场 管线长度不够 5 防喷器 节流管汇及各部件 液控管线等没有按规定的标准进行试压 各部件的阀门出现问题最多 有的打不开 有的关不上 有的刺漏 6 防喷器不安装手动操纵杆 不安装专用钻井液灌注管线 而是把压井管线当作灌钻井液管线使用 7 井口安装不水平 关井时闸板关不严 造成刺漏 8 深井阶段 关井时先将吊卡座在转盘 后关井 使得钻具不能居中 闸板关不严 造成刺漏 9 防喷器橡胶件老化 不能承受额定压力 控制系统储能器至防喷器的液压油管线安装不规范 漏油等 10 控制系统摆放位置不符合要求或未按要求进行试压 11 不按要求安装除气器 液气分离器 或液气分离器排气管线内径不符合要求 不是法兰连接 12 钻井液回收管线现场焊接 固定不牢靠 弯角过多等 3 井口套管接箍上面的双公短节丝扣不符合要求 不试压 4 钻具内防喷工具未安装或失效 钻进过程中发生井喷 钻具内防喷工具不能有效关闭并实现密封 或由于钻井液的冲蚀引起密封失效 导致钻具内失控 起下钻过程中发生井喷 来不及安装旋塞等内防喷工具 或因井内流体从钻具水眼高速喷出 导致旋塞不能正常关闭 当内防喷工具无法安装或无法关闭时 若防喷器组合中有剪切闸板 可以剪断钻具 全封井口 但这样会显著增加地面控制井喷的难度 甚至失去地面控制的机会 即使成功的控制了井喷后 也需要花费很多的时间来处理落井钻具 3 井控技术措施不完善 未落实 1 对浅气层的危害性缺乏足够的认识 无针对性的技术措施或未落实 例如 不做表层套管鞋处的地层破裂压力 不做低泵冲试验 钻完浅气层不求上窜速度 循环时无人观察井口返出量 油气显示情况 不及时调整钻井液密度 发现异常情况后不关井 反复检查判断溢流 节流放喷时井口压力过高 大于地层破裂压力 压井钻井液密度过高等 2 未采取措施预防抽汲压力 例如 原地大幅度反复活动钻具 开泵循环时未观察油气显示 返出量 未关井直接循环观察 钻头泥包未解除强行起钻 3 起钻不灌钻井液或没有及时灌满 4 空井时间过长 又无人观察井口 空井时间过长一般都是由于起完钻后修理设备或是等技术措施 由于长时间不循环钻井液 造成气体有足够的时间向上滑脱运移 当气体运移到井口时迅速膨胀 引发井喷 往往造成井喷失控 5 相邻注水井不停注或未减压 在注水开发区 由于油田经过多年的开发注水 地层压力已不是原始的地层压力 尤其是遇到高压封闭区块 其压力往往大大高于原始的地层压力 如果不按要求停掉相邻的注水井 或是停注但未泄压 很容易引发井侵 井涌 甚至井喷 6 钻井液中混油过量或混油不均匀 造成井内液柱压力低于地层孔隙压力 这种情况多发生在深井 水平井 由于钻井工艺的需要 往往要在钻井液中混入一定比例的原油 在混油过程中 混油不均匀 或是总量过多 都会造成井筒压力失去平衡 当卡钻发生后 由于需要泡原油 柴油 煤油解卡 从而破坏了井筒内的压力平衡 此时如果不注意二次井控 常常会造成井涌 井喷 酿成更重大的事故 7 钻遇漏失层段发生井漏未能及时处理或处理措施不当 发生井漏以后 要及时堵漏提高井眼承压能力 否则 会导致钻井液液柱压力降低 当液柱压力低于未漏地层孔隙压力时就会发生井侵 井涌乃至井喷 4 未及时关井 关井后复杂情况处置失误 1 未能及时准确地发现溢流 2 未能及时关井 未能及时关井的原因包括 发现溢流后想进一步观察溢流速度或溢流性质 担心发生卡钻 抢起钻具至套管鞋或安全井段 担心压井困难 抢下钻具 反复核实溢流的真伪 与相关方无事前明确规定 现场协商决断难 延误时间 分工不合理 操作不熟练 井控装置出现故障 错误认为可以边循环边加重等 3 未及时组织压井 井口回压过高导致井口失控或地下井喷 或因硫化氢腐蚀引起钻具断裂导致井口失控 4 压井方法选择不当 排除溢流措施不当 5 思想麻痹 存在侥幸心理 作业过程中违章操作 由于思想上不重视井控工作 未严格执行设计 或在一些大型施工前未制订详细的井控措施或措施不当 针对性不强 从而导致的井喷失控也占有一定的比例 因此 要从严格管理 技术培训和规范岗位操作等方面入手 做好基础工作 大量的实例告诉我们 井喷失控是钻井工程中性质严重 损失巨大的灾难性事故 其危害可概括为以下6个方面 1 打乱全面的正常工作秩序 影响全局生产 2 井喷失控极易造成环境污染 影响井场周围居民的生命安全 影响农田水利 渔场 牧场 林场建设 3 伤害油气层 破坏地下油气资源 4 造成机毁人亡和油气井报废 带来巨大的经济损失 5 涉及面广 在国际 国内造成不良的社会影响 三 如何做好井控工作 井控不仅是井眼压力控制 还包括环境保护 次生事故的预防和职工群众的安全 因此 井控工作既是技术工作 也是管理工作和一项系统工程 包括井控设计 井控装置 钻开油气层前的准备工作 钻开油气层和井控作业 防火防爆防硫化氢的安全措施 井喷失控的处理 井控技术培训和井控管理制度等方面 做好井控工作 要注意以下几个问题 1 提高井控工作认识 强化全员井控意识 要充分认识井喷失控是钻井工程中后果最为严重 损失最为巨大 影响最为深远的灾难性事故 井控工作是油气田安全生产的重中之重 事关地区安定和社会和谐 影响企业健康发展 因此 各级领导必须在思想上统一认识 高度重视井控工作 同时加强基层队伍建设 着力培养 班自为战 队自为战 的技术能力的同时 采取多种形式 加强全员井控安全意识教育和管理人员社会责任教育 充分调动人人参与井控安全管理的主观能动性 积极培养企业安全文化 使职工自觉把各项井控规章制度落实到实际工作中 2 完善井控管理网络 强化井控监管体系 为了进一步加强井控管理工作 强化井控管理工作的系统性和科学性 要继续完善井控管理网络建设 明确主管领导是本单位井控安全第一责任人 设立井控管理办公室 由专职人员进行井控工作的系统化管理 并对各项井控规定 规程和标准的执行负有监督 检查和执行责任 确保井控工作的每个环节有人管 每个岗位尽责任 进一步强化井控安全监督网络建设 成立监督中心或HSE监督站 配备足够的监督人员 强化监督制度 实行异体监督 采取全天候甲方监察 集中巡视 对重点井派驻工作组 在基层队派驻HSE监督等多种形式强化监督效果 3 加强制度体系建设 实现规范化管理 国家发展和改革委员会发布实施的石油天然气行业标准是基础性标准 集团公司颁发的钻井和井下作业井控管理规定是在国家标准基础上的提高和延伸 各油田要依据国家标准 集团公司相关规定和本油田具体情况进一步制定适合本油田的 具有较强操作性的实施细则 并在集团公司备案 集团公司则要审核各油田的实施细则 监管部门要积极采用国际先进的技术标准 坚持制订和完善防井喷失控的规章制度 施工单位要认真贯彻落实相关的法律 法规和标准 严格执行钻井和井下作业各项井控规定和规程 根据新的国家标准和行业标准重新审定本企业的勘探开发技术规范和相关标准 从技术上遏制井喷失控 4 提高井控工作针对性 逐级削减井控风险 对不同区域 不同井型进行风险评估 根据井控风险级别区别管理 针对不同风险的井 采用不同的标准 要细化 量化井控设计 装备配套和技术措施 提高井控设计 装备和措施的针对性 实用性和可操作性 削减井控风险 对于井控风险高的井要强化设计源头的井控管理 设计要严格依据有关规定和标准 不能为效益而丧失安全 不能为速度而放弃井控 严禁以降低成本为由 冒着井喷失控的风险简化井身结构 降低配套标准 加强施工过程中的井控管理工作 加大井控检查和巡查力度 消除隐患 确保井控安全 5 根治隐患 强化施工现场的井控管理和技术支持 要严格执行井控问题整改 销项制 要对井控检查存在的问题采取 回头看 的办法 在下次检查时首先检查上次检查存在问题的整改 对重复出现的问题要具体分析 查找深层次原因 及时制定整改方案 明确责任人 彻底整改落实 同时 要加强基层建设 提高基层执行力 巩固销项制成果 夯实井控安全基础 通过常抓不懈 持续改进 使井控工作达到系统无缺陷 设备无故障 管理无漏洞 岗位无违章 实现井控本质安全 将井控工作贯穿于钻井 地质 测井 录井 修井等作业的设计和施工全过程 建立和执行严格的技术管理制度和施工设计审批程序 对井控风险大的施工环节事先要制订详细的井控技术措施并实行严格的技术论证和审批程序 重大技术措施 关键技术或工艺环节实施之前 建设方应对施工单位的准备工作进行检查和验收 在实施过程中 施工队伍的上级主管部门和技术支持部门应有技术人员在场进行指导和监督 施工队伍坚持干部24小时值班制度 采取切实可行的措施 强化对现场的技术支撑和管理 6 进一步完善井控应急体系 强化应急管理工作 高度重视井控应急工作 坚持 预防为主 减少危害 的方针 建立简单明了 科学合理 适用现场的应急预案 要强化应急体系中相关方的融合性 实现互动 紧密配合 各负其责 要强化预案的演练 让每个相关人熟悉预案 达到遇喷不慌 应急自如 建立区域性井喷失控事故应急救援中心 融入到集团公司总的应急体系中 为井控应急处置奠定基础 7 要进一步重视井控装备的投入 满足井控安全需求 装备是实现本质安全的基础 没有最基础的投入 本质安全就没有物质保证 必须通过积极采用先进的安全装备 形成有安全保障的生产能力 因此 施工单位还需要进一步加大投入 加强井控装备的更新配套 切实满足井控需求 8 加强人员培训 提高井控操作技能 加强人员培训 首先要加强培训的针对性 从事钻井和井下作业设计 管理 指挥 操作的各岗位 各层次人员 均应参加相应的培训 未经相关专业知识培训和操作技能培训的人员或培训后未取得合格证的人员 均不得上岗工作 其次 要强化井控培训的全面性 从事钻井和井下作业设计 指挥 管理 监督 和操作的各层次 各岗位人员应参加井控培训 包括在现场从事录井 测井 固井 定向井等服务的人员也应参加相应的井控知识和技能培训 做到持证上岗 9 加大对井控仪器 井控装置的研发力度 提高质量 在井控仪器 井控装置方面 不但要引进 制造 而且要加大研发力度 提高产品质量 把适应现场实际的质量更高的井控仪器 井控装置的研发 作为科技发展研究的一项内容 促进井控仪器 井控装置质量水平的提高 同时 要对井控仪器 井控装置的生产厂家实行市场准入制度 由各油田相关专家组成市场准入审核组 根据各厂家产品在现场的实际使用情况 进行产品的市场准入审核 促使各厂家提高产品质量 复习思考题1 井控 一次井控 二次井控的定义 2 溢流 井喷 井喷失控的定义 3 简述井喷失控的危害 第二章井下各种压力概念及相互关系 一 静液压力1 静液压力和静液压力梯度的定义静液压力是由静止液体的重力产生的压力 其大小取决于液体的密度和液体的垂直高度 与液柱的横向尺寸及形状无关 静液压力梯度是指每增加单位垂直深度静液压力的变化量 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 含盐浓度高会使静液压力梯度增大 溶解气体量增加和温度增高则会使静液压力梯度减小 2 静液压力的计算P gH式中 P 静液压力 MPa 液体密度 g cm3g 重力加速度 0 00981H 液柱的垂直高度 m在陆上钻井作业中 H为井眼的垂直深度 起始点自转盘面算起 液体的密度为钻井液的密度 例1某井钻至井深3000米处 所用钻井液密1 3g cm3 求井底处的静液压力 解 P gH 1 3 0 00981 3000 38 26MPa 例 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 地层孔隙内流体 水 的压力为 p 0 00981 H 0 00981 1 07 3000 31 547MPa 3 静液压力梯度的计算根据压力梯度的定义可知 其计算公式为 G P H g式中 G 压力梯度 kPa m MPa m P 静液压力 kPa MPa H 液柱的垂直高度 m 液体密度 g cm3g 重力加速度 9 81 0 00981 用压力梯度的定义 静液压力的公式也可以写成 静液压力 压力梯度 垂深 P G H 例2某井钻至井深3600米处 所用钻井液密度为1 5g cm3 计算井内静液压力梯度 解 G g 1 5 9 81 14 7kPa m 二 当量钻井液密度 1 当量钻井液密度的定义当量钻井液密度是指将井内某一位置所受各种压力之和 静液压力 回压 环空压力损失等 折算成钻井液密度 称为这一点的当量钻井液密度 把地层压力 地层破裂压力 循环压力折算成钻井液密度 分别称为地层压力当量钻井液密度 地层破裂压力当量钻井液密度 循环压力当量钻井液密度 2 当量钻井液密度的计算 式中 P 压力 MPa例3井深2800m 钻井液密度1 24g cm3 下钻时存在一个1 76MPa的激动压力作用于井底 计算井底压力及当量钻井液密度 解 井底压力P 1 24 0 00981 2800 1 76 35 82MPa 地层压力 是地下岩石孔隙内流体的压力 也称孔隙压力 五 地层压力 例如 2000米的压力是23 544MPa也可以说压力梯度是0 01177MPa m 也可以说当量密度是1 20g cm3 也可以说压力系数是1 20 2 四种压力的表示法 返回 3 地层压力的分类1 正常地层压力在各种沉积物中 正常地层压力等于从地表到地下某处连续地层水的静液柱压力 其值的大小与沉积环境有关 一类是淡水和淡盐水盆地 淡水密度是1g cm3 形成的压力梯度为9 8kPa m 而另一类是盐水盆地 其密度随含盐量的不同而变化 一般为1 07g cm3 形成的压力梯度为10 5kPa m 这相当于总含盐量为80g L的盐水柱在25 时的压力梯度 按习惯 把压力梯度在9 8kPa m 10 5kPa m之间的地层称为为正常压力地层 2 异常高压地层压力梯度大于正常压力梯度时 称为异常高压 地层压力正常或者接近正常 则地层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 隔层下部的地层流体必须支撑上部岩层 岩石重于地层流体 所以地层压力可能超过静液压力 形成异常高压地层 3 异常低压地层压力梯度小于正常压力梯度时称为异常低压 这种情况多发生于衰竭产层和大孔隙的老地层 四 上覆岩层压力 图2 1P0 和Pp之间的关系 上覆岩层压力是指某深度以上的地层岩石基质和孔隙中流体的总重量对该深度所形成的压力 地下岩石平均密度大约为2 16 2 64g cm3 于是平均上覆岩层压力梯度大约为22 62kPa m 上覆岩层压力与地层压力的关系是P0 Pp式中 P0 上覆岩层压力 MPa 岩石颗粒应力 MPa Pp 地层压力 MPa 上覆岩层的重力是由岩石基质 骨架 和岩石孔隙中的流体共同承担的 当骨架应力降低时 孔隙压力就增大 孔隙压力等于上覆岩层压力时 骨架应力等于零 而骨架应力等于零时可能会产生重力滑移 骨架应力是造成地层沉积压实的动力 因此只要异常高压带中的基岩应力存在 压实过程就会进行 尽管速率很慢 上覆岩层压力 地层压力和骨架应力之间的关系如图所示 五 地层破裂压力 1 地层破裂压力的定义地层破裂压力是指某一深度的地层发生破碎或裂缝时所能承受的压力 破裂压力一般随井深增加而增大 在钻井时 钻井液柱压力的下限要保持与地层压力相平衡 既不污染油气层 又能提高钻速 实现压力控制 而其上限则不能超过地层的破裂压力 以避免压裂地层造成井漏 2 地层破裂压力的预测方法对于做好一口井的井控工作 预先了解地层破裂压力随井深的变化规律同预测地层压力同样重要 在钻井作业前 预测地层破裂压力主要是根据经验公式 如马修斯 凯利 Mathews Kelly 法 休伯特 威利斯 Hubbert Willis 法 伊顿 Eaton 法 Anderson模型 Stephen模型及黄荣樽教授提出的预测模型 黄荣樽教授提出的预测模型是应用岩石动 静弹性参数相关关系预测地层破裂压力 通过分析井壁岩石的应力和破裂条件 得出如下地层破裂压力预测模式 式中pf 地层破裂压力 MPa 1 2 地质应力系数 在一个断块内部为一常数 ES s 分别为静杨氏模量 MPa 和静泊松比 p0 上覆岩层压力 MPa 孔隙流体压力对有效应力的贡献系数 pP 地层孔隙压力 MPa St 岩石的抗拉强度 MPa 公式中的各参数可借助电测资料 地层破裂压力试验和对破裂段岩芯的室内试验等方法获得 具体的确定方法在这里不再详细论述 3 地层破裂压力当量密度地层破裂压力的大小 可以用地层破裂压力当量密度来表示 在做地层破裂压力试验时 在套管鞋以上钻井液的静液压力和地面回压的共同作用下 使地层发生破裂而漏失 所以地层破裂压力当量密度可以按以下公式进行计算 式中 e 地层破裂压力当量钻井液密度 g cm3 P 地面回压 MPa m 井内钻井液密度 g cm3 例5某井套管鞋井深2000米 破裂压力试验时所用泥浆密度为1 15g cm3 套压为18MPa时地层破裂 求地层破裂压力当量密度 解 2 06g cm3 六 地层坍塌压力地层坍塌压力是指井眼形成后井壁周围的岩石应力集中 当井壁围岩所受的切向应力和径向应力的差达到一定数值后 将形成剪切破坏 造成井眼坍塌 此时的钻井液液柱压力即为地层坍塌压力 其计算公式如下 式中 BP 为地层坍塌压力 MPa H p 为水平最大 最小主应力 MPa K tan 1 4 2 为内摩擦角 一般取 6 岩石粘聚力 MPa a Biot弹性系数 无量纲 Pp 地层的孔隙压力 MPa 应力非线性修正系数 无量纲 对于塑性地层 岩石的剪切破坏表现为井眼缩径 对于硬脆性地层 岩石的剪切破坏表现为井壁坍塌 井径扩大 因此 井径的变化体现了井壁坍塌压力的大小 从而可以确定出地层的坍塌压力 地层坍塌压力的大小与岩石本身特性及其所处的应力状态等因素有关 钻井过程中 采用物理支撑的原理 配制合理的钻井液密度以平衡地层坍塌压力 防止地层失稳 七 地层漏失压力地层漏失压力是指某一深度的地层产生钻井液漏失时的压力 对于正常压力的高渗透性砂岩 裂缝性地层以及断层破碎带 不整合面等处 往往地层漏失压力比破裂压力小得多 而且对钻井安全作业危害很大 地层漏失压力的检测方法请见第三章 在数值上等于钻井液循环泵压 该压力损失大小取决于钻柱长度和钻井液密度 粘度 切力 排量和流通面积 任何时候钻井液通过管汇 喷嘴或节流管汇均要产生压力损失 通常 大部分压力损失发生在钻井液通过钻头喷嘴时 循环排量的变化也会引起泵压较大的变化 八 循环压力损失与环空压耗循环压力损失是指泵送钻井液通过地面高压管汇 水龙带 方钻杆 井下钻柱 钻头喷嘴 经环形空间向上返到地面循环系统 及其它所经过的物体 因摩擦所引起的压力损失 图2 5井内循环压力损失 返回 在钻井过程中 钻井液沿环空向上流动时所产生的压力损失称为环空压耗 在钻井泵克服这个流动阻力推动钻井液向上流动时 井壁和井底也承受了该流动阻力 因此 井底压力增加 当停泵钻井液停止循环时 流动阻力消失 井底压力又恢复为静液压力 钻井液在环空中上返速度越大 井越深 井眼越不规则 环空间隙越小 且钻井液密度 切力越高 则环空流动阻力越大 反之 则环空流动阻力越小 九 激动压力和抽汲压力1 抽汲压力抽汲压力发生在井内提钻时 由于钻柱上提 会引起钻井液向下流动 以填充钻柱下端因上升而空出来的井眼空间 这部分钻井液流动时受到流动阻力的影响 使得井内钻井液不能及时充满这部分井眼空间 这样 在钻头下方形成一抽汲空间 其结果是降低了有效的井底压力 2 激动压力激动压力产生于下钻和下套管时 因为钻柱下行 挤压其下方的钻井液 使其产生向上的流动 由于钻井液向上流动时要克服流动阻力的影响 结果导致井壁与井底也承受了该流动阻力 使得井底压力增加 3 影响因素激动压力和抽汲压力主要受以下因素影响 1 管柱结构 尺寸以及管柱在井内的实际长度 2 井身结构与井眼直径 3 起下钻速度 4 钻井液密度 粘度 静切力 5 钻头或扶正器泥包程度 因此 在起下钻和下套管时 要控制起下速度 不要过快 在钻开高压油气层和钻井液性能不好时 更应注意 十 井底压力在钻井作业中 始终有压力作用于井底 主要来自于钻井液的静液压力 同时 将钻井液沿环空向上泵送时所消耗的泵压也作用于井底 即循环钻井液时的环空压耗 其它还有侵入井内的地层流体的压力 激动压力 抽汲压力 地面回压等 井底压力就是指地面和井内各种压力作用在井底的总压力 在不同作业情况下 井底压力是不一样的 静止状态 井底压力 静液压力静止状态下 井底压力主要由钻井液的静液压力构成 钻井液的静液压力主要受钻井液密度和井内液柱高度的影响 油气活跃的井 要注意井内流体长期静止时 地层中气体的扩散效应对井内流体密度影响 最终有可能影响井底压力 另外 静止状态下 要监测井口液面 防止液柱高度下降影响井底压力 正常循环时 井底压力 静液压力 环空压耗井内流体循环时 环空压耗会使井底压力增加 过大的循环压耗可能漏失 一旦停止循环 循环压耗突然消失会使井底压力下降 同样影响井内的压力平衡 节流循环时 井底压力 静液压力 环空压力损失 节流阀回压节流循环除气或压井循环时 通过调节节流阀的不同开关程度 形成一定的井口回压 保持井底压力平衡地层压力 提钻时 井底压力 静液压力 抽汲压力 由于抽汲压力的影响 提钻时的井底压力会下降 导致很多井在正常钻进时井底压力能够平衡地层压力 而提钻时发生溢流 因此 提钻时要事先判断并注意减小抽汲压力的影响 下钻时 井底压力 静液压力 激动压力由于激动压力的产生 使得下钻时的井底压力增大 虽不至于直接引发井控问题 但过大的激动压力可能导致漏失 致使静液压力下降 从而引发井控问题 所以 下钻时同样要做好井控工作 关井时 井底压力 静液压力 地面回压发生溢流后需及时关井 形成足够的地面回压 使井底压力重新能够重新平衡地层压力 地面回压作用于井口设备和整个井筒 因此要求井口设备具有足够的承压能力和密封性 地面回压过高会破坏井筒的完好性 所以关井地面回压并不是越大越好 十一 安全附加值在近平衡压力钻进中 钻井液密度的确定 以地层压力为基准 再增加一个安全附加值 以保证作业安全 因为在起钻时 由于抽汲压力的影响会使井底压力降低 而降低上提钻柱的速度等措施只能减小抽汲压力 但不能消除抽汲压力 因此 需要给钻井液密度附加一安全值来抵消抽汲压力等因素对井底压力的影响 附加方式主要有两种 一是按密度附加 其安全附加值为 油水井 0 05 0 10g cm3气井 0 07 0 15g cm3二是按压力附加 其安全附加值为 油水井 1 5 3 5MPa气井 3 0 5 0MPa具体选择安全附加值时 应根据实际情况综合考虑地层压力预测精度 地层的埋藏深度 地层流体中硫化氢的含量 地应力和地层破裂压力 井控装置配套情况等因素 在规定范围内合理选择 十二 压差井底压力与地层压力之差称为压差 按此方法可将井眼压力状况分为过平衡 欠平衡和平衡三种情况 过平衡 又称正压差 是指井底压力大于地层压力 欠平衡 又称负压差 是指井底压力小于地层压力 平衡 是井底压力等于地层压力的情况 通常所说的近平衡压力钻井是指压差值在规定范围内的过平衡压力钻井 钻井液对油气层的伤害 不能单纯以钻井液密度的高低来衡量 而应以压差的大小和钻井液滤液的化学成分是否与油气层匹配来鉴别 复习思考题1 已知某井钻至井深3000米处 所用钻井液密度为1 5g cm3 求井底处的静液压力 2 已知井深1000米处的地层压力为12MPa 试用地层压力的另外三种表示方法描述该地层压力的大小 3 地层压力 地层破裂压力的定义 4 激动压力 抽汲压力的影响因素有哪些 5 钻井液密度确定为何要考虑安全附加值 其附加方式和数值有哪些要求 6 在钻进 起钻 下钻 静止等几种常见的工况中 井底压力最小的工况是哪一种 在该工况下该如何做好井控工作 二 异常地层压力的形成机理在地层的某些地区 地层压力因地质方面的原因而增高 在含油气的地下圈闭或构造中 也存在着相同的情况 一般形成异常高压地层应具备以下条件 1 有相应的地层流体储存空间 2 有低渗透或不渗透的圈闭层 3 有相应的上覆岩层压力 圈闭层的作用是阻隔地层流体与外界连通 使流体能量得不到释放而保持高的压力状态 垂直方向上圈闭层指大段的致密页岩 盐岩 硬石膏 石膏 白云岩等地层 水平方向的圈闭限制则常见有断层 折皱 盐丘 尖灭等地质构造 异常高压的成因是多方面的 主要有以下几种 随着埋藏深度的增加和温度的增加 孔隙水膨胀 而孔隙空间随地静载荷的增加而缩小 因此 只有足够的渗透通道才能使地层水迅速排出 保持正常的地层压力 静液压力 如果沉积速度过快 沉积速度大于孔隙中流体的排除速度 有部分流体来不及排除被圈闭起来 阻碍了岩石的正常压实 在沉积层内出现欠压实 同时 被圈闭的流体 还要承受部分上覆岩层的重量 使孔隙中流体受压增加 从而形成异常高压 1 压实作用 返回 构造运动是地层自身的运动 它引起各地层之间相对位置的变化 由于构造运动 圈闭有地层流体的地层被断层 横向滑动 褶皱或侵入所挤压 促使其体积变小 如果此流体无出路 则意味着同样多的流体要占据较小的体积 因此 压力变高 如图所示 2 构造运动 继续 断层形成的异常高压 成岩指岩石矿物在地质作用下的化学变化 页岩和灰岩经受结晶结构的变化 可以产生异常高的压力 在大段泥岩沉积中 夹有砂岩透镜体时 在压实作用下泥岩中的流体进入砂岩而形成异常高压 如图所示 3 粘土成岩作用 继续 返回 当存在于非水平构造中的孔隙流体的密度 比本地区正常孔隙流体密度小时 则在构造斜上部 可能会形成异常高压 4 密度差的作用 如图所示 设4000米处为正常压力 水的密度1 02g cm3 气的密度为0 0959g cm3 则4000米处的压力 P4000 0 00981 1 02 4000 40MPa则3000米处的压力p3000 40 0 00981 0 0959 4000 3000 39 08MPa3000米处的正常地层压力P3000 0 00981 1 02 3000 30MPa 例 返回 从深层油藏向上部较浅层运动的流体可以导致浅层变成异常压力层 这种情况叫做浅层充压 如图 5 流体运移作用 返回 井控技术 6 水热增压作用密闭容器中的液体 其压力会随着温度的声高而增大 研究表明 密闭容器中的水 温度每升高1 压力将升高大约1 564MPa 在一个孔隙流体能正常排出的压实平衡的地层 可视为一个 开启 系统 地温的增加 不会导致孔隙中流体压力的升高 但如果地层是一个封闭系统 地温的增加将产生异常高压 水热增压作用的大小取决于地温梯度 沉积层系中 地温梯度介于0 55 1 37 30m范围内 这样对绝对 封闭 地层 由于水热增压作用而产生的压力梯度可以达到0 028 0 072MPa m 这个值要比纯上覆地层负荷而引起压力梯度0 0226MPa m要高得多 0 072MPa m 这个值要比纯上覆地层负荷而引起压力梯度0 0226MPa m要高得多 7 盐丘与盐层盐岩有两个特点 1 不渗透 2 易溶解并以不同形状再结晶 因此 在盐丘下面 往往被隔成高压 如果是盐丘 则它向周围地层施加压力 同构造运动一样 促使盐丘附近地层变为异常高压 此外 还有一些引起异常高压的其它成因 异常高压地层也往往是几种因素交织在一起而形成的 但压实作用是引起异常高压最根本 最主要的机理 三 检测地层压力的方法检测异常地层压力直接关系到钻井作业的成败 为了实现钻井的安全 优质 高速 低耗 必须有一个科学 针对性强 可操作的地质工程设计 设计的制定 需要对所钻井钻遇到地层的压力进行预报 多年来国内外对此做了大量的研究工作 形成了各种检测预报异常高压的技术 见到了明显的效益 既提高了钻井速度 世界范围内井喷事故也大为减少 根据钻井工作的不同阶段 检测预报异常高压的方法可分为钻前分析 预测法 钻进期间的检测 钻后的测试与分析 在本书中我们将主要介绍与钻井工艺密切相关而又实用的几种方法 1 钻井前采用地震资料预测地层压力地震资料中 地震波每米传播时间可用来预测地层压力 在正常压力地层 随着岩石埋藏深度的增加 上覆岩层压力逐渐增加 地层孔隙度逐渐减小 这就使地震波的传播速度随岩石埋藏深度的增加而成正比的增加 而传播时间随之减小 当地震波到达高压油气层时 由于高压油气的存在 地震波在流体中的传播速度低于在岩石固体骨架中的传播速度 另外 由于异常高压地层孔隙度大 这些因素都会导致地震波传播的速度下降 传播时间随之增大 如图所示 图3 4传播时间与深度的关系 因此 如果地震波传播时间随深度的增加而明显增加 便有可能是异常高压地层的显示 可以根据地震波在不同深度地层中的传播时间 在半对数坐标纸上绘出传播时间对深度的关系曲线 然后用等效深度法或根据经验公式计算地层压力的大小 下面简单介绍等效深度法 下面简单介绍等效深度法 由于地震波的传播速度反映了泥页岩的压实程度 若地层具有相等的地震波传播速度 则可视其骨架应力相等 由于上覆地层压力总是等于骨架应力 和地层压力Pp之和 所以利用传播时间相等 骨架应力相等原理 通过找出异常地层压力下井深H的传播时间与正常地层压力下传播时间相等的井深He 求出异常高压地层的地层压力 Pp HG0 He G0 Gn 式中Pp 所求深度的地层压力 MPa H 所求地层压力点的深度 m G0 上覆岩层压力梯度 MPa m Gn 等效深度处的正常地层压力梯度 MPa m He 等效深度 m 2 钻进中检测地层压力在钻井过程中要通过随钻压力监测判断地层压力的变化 随钻压力监测主要包括机械钻速法 d指数法及dc指数法 标准化 正常化 钻速法 页岩密度法和C指数法等 这些方法中 dc指数法较为简便易行 应用也最广泛 但是dc指数法只适用于泥页岩地层 由于异常高压地层形成的地质条件复杂 要准确评价一个地区的地层压力 只应用一种方法是不够的 应利用包括地震和测井资料在内的多种方法进行科学的分析和解释 下面就机械钻速法 页岩密度法和dc指数法做简单的介绍 1 机械钻速法钻进时的机械钻速与钻压 转速 钻头类型及尺寸 水力因素 钻井液性能 地层岩性等诸多因素有关 在保持其它因素不变的条件下 则影响机械钻速的是钻井液液柱压力与地层孔隙压力之间的压差 如果钻井液密度不变 地层压力升高 机械钻速会升高 进入高压过渡带 机械钻速会明显加快 这是因为压力过渡带岩石压实程度较正常情况下随井深增加而增大的情况小 岩石孔隙度增大有利于钻进 钻井液液柱压力与地层压力接近平衡 压持效应小 同时 压力过渡带地层压力升高 有助于岩石颗粒脱离母体 这些都有利于钻速的提高 但是在钻进过程中要保持其它因素不变是不实际的 同时 钻遇压力过渡带 随机械钻速的增加而伴随其它现象 如高压层压力释放而引起的页岩坍塌 返出岩屑增加 阻卡频繁等 这有助于判断是否进入了压力过渡带 但这个方法不易准确预报异常底层压力 更无法对地层压力做定量计算 2 页岩密度法泥页岩的压实规律 在正常情况下 孔隙度随井深增加而呈指数函数关系减少 即页岩密度随井深增加而增大 如钻遇压力过渡带或异常高压层段 由于欠压实的结果 孔隙度要比正常条件下大 密度的这种变化可用来检测异常高压 钻进中 从振动筛处捞取泥页岩井段返出的岩屑 测量其密度 做出密度与深度的关系曲线 压力异常值越高 与正常值趋势线偏离越大 开始偏离点即为压力过渡带顶部深度 如图所示 图3 5页岩密度随深度的变化 岩屑的选取岩屑选取的可靠性直接影响岩屑密度的准确度 在页岩井段 每3 5米取一次砂样 钻速快时可10米或20米取一次 钻速慢时重要层位也可每米取一次 选取岩屑时注意记准迟到时间 除去掉块和磨圆的岩屑 用清水洗去岩屑上的钻井液 用吸水纸将岩屑擦干 或烘干 取一致的干度 岩石密度的称量方法 钻井液密度计称量 将适量岩屑放入密度计的量杯中 使加盖后数值等于1g cm3 再加淡水充满量杯 加盖后称得杯内的密度值 T 利用下式计算页岩密度 sh值 式中 sh 页岩密度 g cm3 T 页岩与淡水混合物的密度 g cm3 密度液法 把岩屑放入标准密度液内 看其在液柱内停留的位置 直接读出密度大小 页岩密度法的作图将 sh值按相应的深度画到坐标纸上 纵坐标是井深 横坐标是 sh值 根据上部正常压力井段的页岩密度数据做出正常压实趋势线并延长 画正常压实趋势线时应尽量使密度数据点分布在趋势线的两侧 以利准确求值 用透明标准图版求出测点的地层压力把透明的标准图版覆盖在H sh图上 使标准图版的正常地层压力当量密度线与H sh图上的正常密度趋势线重合 则偏离正常趋势线的点落在透明版的某线上或两线间 版上所表示的密度值即该地层的地层压力当量密度值 3 dc指数法正常地层在其上覆岩层压力的作用下 随埋藏深度的增加 泥岩页岩的压实程度相应地增加 地层孔隙度减小 钻进时的机械钻速降低 而当钻遇到异常高压层时 由于高压地层欠压实 孔隙度增大 因此 机械钻速相应地升高 利用这一规律可及时地发现异常高压地层 并根据钻速升高的多少来评价地层压力的高低 这就是最初的机械钻速法 dc指数法是在机械钻速法的基础上建立起来的 钻速方程为 Vm KNe W D d式中Vm 机械钻速 m h K 岩石可钻性系数 N 转速 rpm e 转速指数 W 钻压 kN D 钻头直径 mm d 钻压指数 即d指数 假设钻井条件 水力因素 钻头类型 和地层岩性不变 均为泥岩页岩 则K值保持常量不变 取K 1 又因泥岩页岩均属软地层 转速N与机械钻速Vm呈线性关系 即e 1 将上述钻速方程整理 取对数 得d指数表达式 式中T 钻时 min m d指数法的前提之一是保持钻井液密度不变 这在实际施工中难以达到 尤其在进入压力过渡带以后 为了安全起见 需提高钻井液密度 这样 d指数随之升高 影响了它的正常显示 为了消除此影响 提出了修正的d指数 即dc指数 式中 n 正常压力层段地层水密度 一般取1 0 1 07 g cm3 m 在用钻井液密度 g cm3 在正常地层压力情况下 随着井深的增加 机械钻速Vm逐渐降低 dc指数变大 在dc指数录井图上表现为随井深的增加 dc指数逐渐增大的趋势 当进入异常高压地层时 井底压差减小 机械钻速增加 相应的dc指数就会减小 在dc指数录井图上表现为向左偏离了正常趋势 如图所示 这就是dc指数检测异常高压地层的原理 图3 6机械钻速 dc指数与井深关系图 图3 6机械钻速 dc指数与井深关系图 图3 6机械钻速 dc指数与井深关系图 机械钻速 dc指数与井深关系图 具体作法是 1 按一定深度取点 一般1 5 3m取一点 如果钻速高可5 10m 重点井段1m取一点 同时记录每对应点的钻速 钻压 转速 地层水和钻井液密度 在数据选取 处理时 必须作到合理 准确地采集相应的各种数据参数 并去除非泥页岩 水力参数变化大 井底不净 吊打及取芯等影响计算精度的井段 以保证dc指数的准确性 有效性 指导性 2 计算dc指数 3 将dc值按相应的深度画到半对数坐标纸上 纵坐标是井深 等刻度 横坐标是dc值 对数刻度 4 从正常压力井段延长做出正常趋势线 可以按几何关系写出其直线方程 也可以根据数理统计分析理论回归出其直线方程 A M 诺玛纳公式 式中 地层压力当量密度 g cm3 dcn 正常趋势线的dc值 dc 实际得到的dc值 n 地区正常地层压力当量密度 g cm3 作出dc H图和正常趋势线后 可直接观察到异常高压出现的层位和该井段dc指数偏离值 dc指数偏离正常趋势线越远 说明地层压力越高 目前根据dc指数偏离值估算地层压力的方法有A M 诺玛纳公式 等效深度法 伊顿法 康布法等 其中A M 诺玛纳公式简便实用 准确度较好 应用广泛 现简单介绍如下 3 钻井后检测地层压力钻井后主要是分析测井资料或直接测试求地层压力 直接用于评价地层压力的测井方法包括声波测井 电阻率测井 密度测井等 其中应用最多的是声波测井 1 声波法声波测井记录的纵向声波速度是岩石孔隙度和岩性的函数 在某种特定的岩石中测井 则声波测井曲线基本上反映孔隙度的变化 在正常压实条件下 泥岩孔隙度随井深增加而减小 因此 声波时差也随井深增加而减小 井深与声波时差关系 如图所示井深 时差关系 在半对数坐标纸上 正常压力井段为一直线 正常趋势线 在该线的左边 是低压区 右边是高压区 深度3000米处开始出现异常高压显示 该处即所谓的异常高压过渡带 声波时差检测地层压力步骤如下 1 在标准声波时差测井资料上选择泥质含量大于80 的泥页岩层段 以5m为间隔点读出井深相对应的声波时差值 2 建立正常压实趋势线及正常压实趋势线方程 3 将测井曲线上的声波时差值代入趋势线方程 求出等效深度 4 根据等效深度法计算地层压力 2 利用电阻 导 率评价地层压力有多种电阻率测井方法 其中感应测井是较普遍用于评价地层压力的一种电阻率测井方法 感应测井记录地层的电导率 单位为西门子 电导率的倒数是电阻率 单位为欧姆 米 感应测井的简单原理是 发射线圈发射高频交流电进入地层 高频交流电在地层中产生的磁场形成涡流 接收线圈接收并记录涡流产生的二次磁场 仪器记录结果主要与地层电导率成正比 在地层水性质相对稳定的层段 岩性己知 地层电导率取决于地层孔隙度 因此 对正常压实的地层 随着埋深增加 泥岩孔隙度减小 电导率也逐渐减小 在异常高压带 泥岩电导率则增高而偏离正常变化趋势 图3 8泥岩导电率与井深关系 在半对数坐标上 以对数横坐标为泥岩电导率Csh刻度 纵坐标为深度H 作出Csh H关系点图 在正常压力井段 地层电阻率与深度关系数据点存在一正常趋势 它与沉积构造特征 地层沉积年代及泥岩性质等有关 如图图3 8所示为某地区的两口井 可以看出 Csh和H的正常趋势线明显呈线性关系 在A井 显然全井段均为正常压力 在B井 约2440m深度以上是正常压力 在该深度