地层流体的侵入与检测

1、油井井喷油井井喷 （美国）（美国） 井喷结冰（克拉玛依）井喷结冰（克拉玛依） 井喷失火井喷失火l井控的目的和任务以及重要性井控的目的和任务以及重要性l实例简介：实例简介： 川东北气矿井喷事故简介：川东北气矿井喷事故简介： 事故发生时间：事故发生时间：2003.12.232003.12.23 事故发生地点：四川重庆开县事故发生地点：四川重庆开县 油气田名称：川东北气矿油气田名称：川东北气矿 井号：罗家井井号：罗家井事故发生经过：事故发生经过：l1212月月2323日事故发生时起钻已经剩下日事故发生时起钻已经剩下6 6柱柱1818根钻铤，泥浆溢流根钻铤，泥浆溢流井涌井涌井喷；井喷；l开动防喷器，关

2、掉了钻柱与井眼之间的环形空间，但是泥浆很开动防喷器，关掉了钻柱与井眼之间的环形空间，但是泥浆很快从钻杆中间的泥浆孔冲了出来；快从钻杆中间的泥浆孔冲了出来；l顶驱抢接在钻杆上，都被强大的压力冲开。顶驱抢接在钻杆上，都被强大的压力冲开。l在闻到硫化氢的臭鸡蛋味道后，在场的员工撤退。在闻到硫化氢的臭鸡蛋味道后，在场的员工撤退。事故的处理：事故的处理：l在在1212月月2424日下午日下午1616点决定打开了两根放喷管，点燃硫化氢气体点决定打开了两根放喷管，点燃硫化氢气体以降低井口的压力。以降低井口的压力。l1212月月2727日压井时，从上午日压井时，从上午9 9点正式开始，到点正式开始，到9 9点

3、点2626分熄火，分熄火，3636分分开始灌浆，开始灌浆，1010分钟后就获得初步成功。分钟后就获得初步成功。l因为硫化氢有强大的腐蚀性，从钻杆冲出时使钻杆金属脆化。因为硫化氢有强大的腐蚀性，从钻杆冲出时使钻杆金属脆化。脆化后的钻杆在防喷器强大的压力下被自动压扁，随后切断掉脆化后的钻杆在防喷器强大的压力下被自动压扁，随后切断掉入井中。这时候井喷得以被控制。入井中。这时候井喷得以被控制。事故后果：事故后果：243243人人因硫化氢中毒死亡因硫化氢中毒死亡21422142人人因硫化氢中毒住院治疗因硫化氢中毒住院治疗6500065000人人被紧急疏散安置被紧急疏散安置直接经济损失达直接经济损失达64

4、3264323131万元万元。事故原因：事故原因：1 1、泥浆液的密度不够、泥浆液的密度不够( (造成压力失衡造成压力失衡),),在起钻前，钻井液循环时在起钻前，钻井液循环时间严重不够；间严重不够；2 2、在起钻过程中，违章操作，钻井液灌注不符合规定；在起钻过程中，违章操作，钻井液灌注不符合规定； 3 3、顶驱没有及时抢接或抢接失败、顶驱没有及时抢接或抢接失败( (导致井喷无法控制导致井喷无法控制),),违章卸掉违章卸掉钻柱上的回压阀；钻柱上的回压阀；4 4、没有及时点火、没有及时点火( (致使硫化氢飘逸，大量人员伤亡致使硫化氢飘逸，大量人员伤亡) )。事故的责任处理：事故的责任处理： 经国务

5、院批复，由监察部直接查办的中石油川东钻探公司经国务院批复，由监察部直接查办的中石油川东钻探公司“1223”1223”事故的定性为事故的定性为特大井喷事故特大井喷事故。l马富才辞去中国石油天然气集团公司总经理职务的请求；另外，马富才辞去中国石油天然气集团公司总经理职务的请求；另外，中共中央已批准马富才引咎辞去中共中国石油天然气集团公司中共中央已批准马富才引咎辞去中共中国石油天然气集团公司党组书记职务党组书记职务 l六名被告重大责任事故罪罪名成立，分别被判处三至六年的有六名被告重大责任事故罪罪名成立，分别被判处三至六年的有期徒刑，一人缓刑。期徒刑，一人缓刑。l165165人受到党纪政纪处分。人受到

6、党纪政纪处分。 油气井压力控制的基本概念油气井压力控制的基本概念1)1)井侵井侵(Influx)(Influx) 当地层孔隙压力大于井底压力时，地层孔隙中的流体称之当地层孔隙压力大于井底压力时，地层孔隙中的流体称之为井侵。最常见的井侵为气侵和盐水侵。为井侵。最常见的井侵为气侵和盐水侵。2)2)溢流溢流(Overflow)(Overflow) 当井侵发生后，井口返出的钻井液的量比泵入的钻井液的当井侵发生后，井口返出的钻井液的量比泵入的钻井液的量多，停泵后井口钻井液自动外溢，这种现象称之为溢流。量多，停泵后井口钻井液自动外溢，这种现象称之为溢流。3)3)井涌井涌(Well kick)(Well k

7、ick) 溢流进一步发展，钻井液涌出井口的现象称之为井涌。溢流进一步发展，钻井液涌出井口的现象称之为井涌。6-1 井眼与地层压力系统井眼与地层压力系统油气井压力控制的基本概念油气井压力控制的基本概念4)4)井喷井喷(Well Blowout)(Well Blowout) 地层流体地层流体( (油、气、水油、气、水) )无控制地涌入井筒，喷出地面的现无控制地涌入井筒，喷出地面的现象称为井喷，井喷流体自地层经井筒喷出地面叫地上井喷，从象称为井喷，井喷流体自地层经井筒喷出地面叫地上井喷，从井喷地层流入其它低压层叫地下井喷。井喷地层流入其它低压层叫地下井喷。5)5)井喷失控井喷失控(Out Of Co

8、ntrol for Blowout)(Out Of Control for Blowout) 井喷发生后，无法用常规方法控制井口而出现敞喷的现象井喷发生后，无法用常规方法控制井口而出现敞喷的现象称为井喷失控。这是钻井过程中最恶性的钻井事故。称为井喷失控。这是钻井过程中最恶性的钻井事故。6-1 井眼与地层压力系统井眼与地层压力系统油气井压力控制的基本概念油气井压力控制的基本概念 井控技术井控技术：主要是及时发现溢流并在保证井底压力略高于地层压：主要是及时发现溢流并在保证井底压力略高于地层压力的条件下，有效地排除溢流的技术。力的条件下，有效地排除溢流的技术。英文是英文是Well ControlWe

9、ll Control，有的叫，有的叫做做Kick ControlKick Control，即井涌控制，还有的叫做，即井涌控制，还有的叫做Pressure ControlPressure Control，即压，即压力控制。力控制。 具体措施包括：具体措施包括：如何用钻井液的液柱压力平衡地层压力？如何用钻井液的液柱压力平衡地层压力？ 当平衡被破坏，又怎样恢复井内压力平衡？当平衡被破坏，又怎样恢复井内压力平衡？井控技术的基本内容井控技术的基本内容 1.1.研究对象和目的：研究对象和目的： (1)(1)客观对象客观对象: :地层地层 地层压力和地层破裂压力是造成井喷的客观条件，研究方法地层压力和地层破

10、裂压力是造成井喷的客观条件，研究方法是预测。是预测。 (2)(2)主观对象主观对象: :控制方法控制方法 如何发现和控制液流如何发现和控制液流 (3)(3)研究目的研究目的 a.a.揭示各种压力关系揭示各种压力关系 b.b.阐述控制方法阐述控制方法井控技术的基本内容井控技术的基本内容 2 2、井控理论：、井控理论：2 2个原理、个原理、1 1个原则个原则 (1)“U”(1)“U”型管原理：把地层压力、立管压力、套管压力和井口型管原理：把地层压力、立管压力、套管压力和井口压力视为一个压力视为一个“U”U”型管系统。型管系统。 (2)(2)理想气体方程：把井内气体的体积、压力、温度用理想气理想气体

11、方程：把井内气体的体积、压力、温度用理想气体方程联系起来。体方程联系起来。 (3)(3)原则原则: :任何时候井底压力大于或略大于地层压力。任何时候井底压力大于或略大于地层压力。井控技术的基本内容井控技术的基本内容 3 3、井控工艺、井控工艺 (1)(1)初次井控：利用泥浆柱压力平衡地层压力初次井控：利用泥浆柱压力平衡地层压力 (2)(2)二次井控：使用适当设备井控控制地层压力（常规井控技术二次井控：使用适当设备井控控制地层压力（常规井控技术) ) (3) (3)三次控制：井喷失控后进行的处理三次控制：井喷失控后进行的处理( (非常规井控技术非常规井控技术) )三级井控作业三级井控作业: :

12、初级井控初级井控( (一级井控一级井控) )是依靠适当的是依靠适当的钻井液密度钻井液密度来控制住地层孔隙来控制住地层孔隙压力。压力。 二级井控是指依靠井内正在使用中的钻井液密度不能控制住地层二级井控是指依靠井内正在使用中的钻井液密度不能控制住地层孔隙压力，要孔隙压力，要依靠地面设备和适当的井控技术依靠地面设备和适当的井控技术排除气侵钻井液，处理排除气侵钻井液，处理掉井涌，恢复井内压力平衡，使之重新达到初级井控状态。掉井涌，恢复井内压力平衡，使之重新达到初级井控状态。 三级井控是指二级井控失败，井涌量大，终于失去控制，发生了三级井控是指二级井控失败，井涌量大，终于失去控制，发生了井喷井喷( (地

13、面或地下地面或地下) )，这时使用适当的技术与设备重新恢复对井的控制，这时使用适当的技术与设备重新恢复对井的控制，达到初级井控状态。达到初级井控状态。井喷抢险（灭火、打救援井等）。井喷抢险（灭火、打救援井等）。井控技术的基本内容井控技术的基本内容 4 4、井控设备：实现对油气井压力控制的手段、井控设备：实现对油气井压力控制的手段 (1)(1)以液压防喷器为主的井口装置以液压防喷器为主的井口装置; ; (2) (2)以节流器、压井管线为主的井控管汇；以节流器、压井管线为主的井控管汇； (3)(3)以钻具回压凡尔为主的钻具内防喷工具以钻具回压凡尔为主的钻具内防喷工具; ; (4) (4)以监测地层

14、压力为主的仪器以监测地层压力为主的仪器; ; (5) (5)以起钻自动灌泥浆装置为主的平衡压力设备以起钻自动灌泥浆装置为主的平衡压力设备; ; (6) (6)以强行下钻为主的灭火装置以强行下钻为主的灭火装置. . 5 5、井控操作规程及法规、井控操作规程及法规附加安全压力，一般为附加安全压力，一般为5005003000KPa3000KPampepppepmpe9.81eePHep9.81mpeHpp平衡破坏后的最大后果：平衡破坏后的最大后果： 由此提出了井控概念，即要控制溢流，由此提出了井控概念，即要控制溢流，防止井喷，以下讨论环空压力低于地层压防止井喷，以下讨论环空压力低于地层压力，导致井内

15、压力失去平衡的原因。力，导致井内压力失去平衡的原因。井喷井喷失去压力平衡的原因失去压力平衡的原因l地层压力掌握得不确切地层压力掌握得不确切这是在新探区经常会遇到的情况，参这是在新探区经常会遇到的情况，参照邻井资料定地层压力，加强随钻地层照邻井资料定地层压力，加强随钻地层压力监测。压力监测。l钻井液液柱高度降低钻井液液柱高度降低u（1) 起钻过程中未灌及时灌钻井液；起钻过程中未灌及时灌钻井液；u（2）井漏没有及时发现。）井漏没有及时发现。9.81mpeHpp失去压力平衡的原因失去压力平衡的原因l（三）钻井液密度降低：（三）钻井液密度降低： 这常常是钻开油气层后，油气水不断侵入钻井液所造成的。这常

16、常是钻开油气层后，油气水不断侵入钻井液所造成的。 油、水、天然气进入钻井液，地面未能及时排除侵入钻油、水、天然气进入钻井液，地面未能及时排除侵入钻井液的地层流体，导致井内钻井液密度降低，而钻井液密度井液的地层流体，导致井内钻井液密度降低，而钻井液密度降低又使油气水更容易侵入。降低又使油气水更容易侵入。l（四）抽吸压力导致井底压力降低（四）抽吸压力导致井底压力降低9.81mpeHpp( (一一) )地层流体的分类地层流体的分类 地层流体包括油、气、水。地层流体包括油、气、水。 气：可为天然气、二氧化碳或硫化氢等；气：可为天然气、二氧化碳或硫化氢等； 水：可为淡水或盐水等。水：可为淡水或盐水等。一

17、、地层流体侵入井眼一、地层流体侵入井眼_地层流体的分类地层流体的分类( (二二) )地层流体侵入原因地层流体侵入原因 1 1、钻井液密度低、钻井液密度低 2 2、环空钻井液液柱降低、环空钻井液液柱降低 3 3、起钻抽汲、起钻抽汲 4 4、停止循环、停止循环 循环时：循环时： 不循环时：不循环时：9.81mpeHpp一、地层流体侵入井眼一、地层流体侵入井眼_地层流体侵入原因地层流体侵入原因9.81mpHp( (三三) )不同状态下地层流体侵入量不同状态下地层流体侵入量1 1井底压力与地层压力之差对地层流体侵入的影响井底压力与地层压力之差对地层流体侵入的影响 负压差越大，则地层流体侵入量越大负压差

18、越大，则地层流体侵入量越大。2 2钻井液循环与不循环情况下地层流体的侵入钻井液循环与不循环情况下地层流体的侵入n循环时的井底有效压力大于不循环时的井底压力，流循环时的井底有效压力大于不循环时的井底压力，流体体侵入量较少侵入量较少。n侵入的流体很快被循环上升的钻井液所携带，在环空侵入的流体很快被循环上升的钻井液所携带，在环空横截面上，流体所占的面积较小。横截面上，流体所占的面积较小。截面含气率：截面含气率：所以在环空的截面上，气体所占的面积与环空横所以在环空的截面上，气体所占的面积与环空横截截 面积之比。面积之比。一、地层流体侵入井眼一、地层流体侵入井眼_不同状态下地层流体侵入量不同状态下地层流

19、体侵入量( (三三) )不同状态下地层流体侵入量不同状态下地层流体侵入量3 3、关井情况下地层流体的侵入、关井情况下地层流体的侵入 关井后，随着地层流体侵入，井口立压与套压增加，相应关井后，随着地层流体侵入，井口立压与套压增加，相应井底压力也增加，地层流体井底压力也增加，地层流体侵入量减少侵入量减少。4 4、不同地层情况下的地层流体的侵入、不同地层情况下的地层流体的侵入 高压高渗地层地层流体侵入量大；高压、且比较发育的裂高压高渗地层地层流体侵入量大；高压、且比较发育的裂缝性地层及溶洞，其气体侵入量会更大。缝性地层及溶洞，其气体侵入量会更大。一、地层流体侵入井眼一、地层流体侵入井眼_不同状态下地

20、层流体侵入量不同状态下地层流体侵入量( (一一) )气侵情况下环空气液两相流流型分布气侵情况下环空气液两相流流型分布 1 1钻采过程中的井筒钻采过程中的井筒气液两相流动气液两相流动 一般情况下，当一般情况下，当“截面截面含气率含气率”大于大于2020时，即时，即认为由泡状流开始向段塞认为由泡状流开始向段塞流过渡。流过渡。二、气侵情况下环空中气液两相流的流型分布与流动特点二、气侵情况下环空中气液两相流的流型分布与流动特点( (二二) )气体在环空中的上升速度气体在环空中的上升速度1 1以水为液相以水为液相的气体上升速度模型的气体上升速度模型 对于泡状流型：对于泡状流型： 对于段塞流型对于段塞流型

21、 上式中前一项为混合流速，后一顶为气体相对液体速度。上式中前一项为混合流速，后一顶为气体相对液体速度。 用以计算气泡到井口所用时间。用以计算气泡到井口所用时间。二、气侵情况下环空中气液两相流的流型分布与流动特点二、气侵情况下环空中气液两相流的流型分布与流动特点412)(53. 1wgwwgggAQQv21)(35. 02 . 1wgwwgggdAQQv2 2以钻井液为液相的气体上升速度以钻井液为液相的气体上升速度 气体在钻井液中的上升速度，在不同的井深、不同的流型、不同气体在钻井液中的上升速度，在不同的井深、不同的流型、不同的温度压力下是明显不同的。的温度压力下是明显不同的。从泡状流过渡到段塞

22、流，非牛顿流体为液相的含气率比牛顿流体为从泡状流过渡到段塞流，非牛顿流体为液相的含气率比牛顿流体为液相的低得多，以非牛顿流体为液相的垂直环空气液两相流中，当液相的低得多，以非牛顿流体为液相的垂直环空气液两相流中，当含气率达含气率达7 7( (或低于或低于7 7) )时即可由泡状流向段塞流过渡；时即可由泡状流向段塞流过渡；环空流中的多相流比管流中的多相流过渡时需要的含气率少；环空流中的多相流比管流中的多相流过渡时需要的含气率少；对于泡状流，非牛顿流体为液相的气泡比牛顿流体为液相的小。对于泡状流，非牛顿流体为液相的气泡比牛顿流体为液相的小。对于同样的含气量，以钻井液为液相的气体上升速度比以水为液相

23、对于同样的含气量，以钻井液为液相的气体上升速度比以水为液相的气体上升速度快。国外有的学者研究认为，气体在钻井液中的滑的气体上升速度快。国外有的学者研究认为，气体在钻井液中的滑脱速度约脱速度约0.5m/s0.5m/s。二、气侵情况下环空中气液两相流的流型分布与流动特点二、气侵情况下环空中气液两相流的流型分布与流动特点( (一一) )地层流体侵人井眼征兆地层流体侵人井眼征兆 1 1钻时加快钻时加快 2 2钻井液池液面增高钻井液池液面增高 3 3钻井液返出流量增加钻井液返出流量增加 4 4返出钻井液温度增高返出钻井液温度增高 5 5返出钻井液密度变低返出钻井液密度变低 6 6返出钻井液电导率变化返出钻井液电导率变化 7 7返出钻井液粘度变化返出钻井液粘度变化 8 8循环压力下降循环压力下降