钻井工程理论与技术第六章 油气井压力控制

1、第一节第一节 井下的各种压力及其平衡井下的各种压力及其平衡第二节第二节 溢流及其检测溢流及其检测第三节第三节 溢流的控制溢流的控制关井和压井关井和压井概概 述述 油气井压力控制油气井压力控制 在石油钻井过程中对井眼内的地层压力进行控制。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。）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）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。压力平衡。 （3）三级井控：井喷后的处理与压力控制。）三级井控

2、：井喷后的处理与压力控制。 井控的基本要求：井控的基本要求： 1）有效地控制地层压力，防止井喷；）有效地控制地层压力，防止井喷； 2）防止井漏等复杂情况；）防止井漏等复杂情况； 3）有效地保护油气层）有效地保护油气层 Dpff31081. 9一、井眼内的各种压力一、井眼内的各种压力1. 地层孔隙压力地层孔隙压力DPpp 31081. 9 2. 地层破裂压力地层破裂压力3. 钻井液静液柱压力钻井液静液柱压力Dpdh 31081. 9 4. 环空循环压降在井底产生的附加压力环空循环压降在井底产生的附加压力DQpladdddLddddLpvdlachchcphphp .)()()()(.381208

3、0108195750308138135. 波动压力波动压力6. 环空内岩屑重力在井底引起的附加压力环空内岩屑重力在井底引起的附加压力 DPrr 31081.9抽吸压力：抽吸压力：3bb3sbcm/g08. 005. 0SDS1081. 9p，激动压力：激动压力：3gg3sgcm/g10. 007. 0SDS1081. 9p，一、井眼内的各种压力一、井眼内的各种压力7. 井底有效压力井底有效压力 rlahbPPPP正常钻进时：正常钻进时：sbrhbPPPP 起钻时：起钻时：sgrhbPPPP 下钻时：下钻时：sgrhbPPPPmax最大井底压力：最大井底压力：sbhbPPPmin最小井底压力：最

4、小井底压力：二、井眼二、井眼地层系统压力平衡地层系统压力平衡3min/08. 006. 0)16.(.)16.(.cmgSbSaPPPPPPPbbpdsbPhpsbhb3max/048. 0024. 0)26.(.)26.(.cmgsbssaPPPPPPPPPffgfdfsgfhfsgrhb1. 基本关系式基本关系式2. 约束条件约束条件三、平衡与欠平衡压力钻井三、平衡与欠平衡压力钻井 1. 平衡压力钻井平衡压力钻井 （1）概念）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

5、层压力，达到解放钻速和保密度，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。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）技术关键 1）地层压力的准确预测）地层压力的准确预测 2）合理钻井液密度的确定）合理钻井液密度的确定 bpdsbPhpsbrhbSPPPPPPPP min 2. 欠平衡压力钻井欠平衡压力钻井 （1）概念）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地层流体

6、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。进速度。 （2）关键技术）关键技术 1）地层孔隙压力和坍塌压力的准确预测）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）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）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）起下钻过程的欠平衡 5）井底有效压力的计算与监测）井底有效压力的计算与监测 6）井壁稳定）井壁稳定 7）完井）完井 三、平衡

7、与欠平衡压力钻井三、平衡与欠平衡压力钻井二、溢流的原因二、溢流的原因一、溢流的概念一、溢流的概念 1. 油、气、水侵油、气、水侵油、气、水侵入钻井液，使其性能变坏的过程。油、气、水侵入钻井液，使其性能变坏的过程。 2. 溢流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。溢的现象。 3. 井涌井涌溢流的进一步发展，在循环或者停泵后，钻井液涌出井溢流的进一步发展，在循环或者停泵后，钻井液涌出井 口口 的现象。的现象。 4. 井喷

8、井喷地层流体失去控制地喷出地面。地层流体失去控制地喷出地面。 1. 钻井液密度低钻井液密度低设计过低或处理不当；设计过低或处理不当；2. 环空钻井液液柱高度降低环空钻井液液柱高度降低起钻补灌泥浆不足或井漏；起钻补灌泥浆不足或井漏；3. 起钻抽吸作用使井底压力减小；起钻抽吸作用使井底压力减小；4. 停止循环时，环空循环压降消失，使井底压力减小。停止循环时，环空循环压降消失，使井底压力减小。三、气侵三、气侵1. 气侵的途径与方式气侵的途径与方式 岩石孔隙中的气体随钻碎的岩屑进入井内钻井液；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；气层中的气体由于浓度差

9、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。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。 2. 气侵的特点气侵的特点 气体的可压缩性，使气侵具有以下特点：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）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。越快，体积越大。 （2）气侵后的钻井液在不同深度的密度不同。井口的密度最小，井底的密度最）气侵后的钻井液在不同深度的密度不同。井口的密度最小，井底的密度最 大。大。 （3）在气侵后关井的情况下，气体将滑脱上

10、升，在井口积聚。井口和井底的压）在气侵后关井的情况下，气体将滑脱上升，在井口积聚。井口和井底的压 力将逐渐增大。最大井口压力可达到井底的底层压力。因此，气侵后不能力将逐渐增大。最大井口压力可达到井底的底层压力。因此，气侵后不能 长时间关井。长时间关井。 三、气侵三、气侵30002250150075000.10135.41.2g/cm370.717.835.40.26m30.26m30.26m30.26m30.26m31. 地层流体侵入的征兆地层流体侵入的征兆 （1）泥浆罐液面升高；）泥浆罐液面升高； （2）钻井液返出量大于泵排量；）钻井液返出量大于泵排量； （3）起钻时

11、灌不进泥浆或泥浆灌入量少于正常值；）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。）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；）钻速突然加快或钻进放空； （6）钻井液性能发生变化；）钻井液性能发生变化；n 密度降低；密度降低；n 粘度上升或下降；粘度上升或下降；n 气泡、氯根离子、气测烃类含量增加；气泡、氯根离子、气测烃类含量增加；n 油花增多，油味、天然气味、硫化氢味增浓；油花增多，油味、天然气味、硫化氢味增浓；n 温度升高。温度升高。 （7）泵压上升后下降，悬重减小后增大；）泵压上升后下降，悬重减小后增大；四、溢流的检测四、溢流的检测四、

12、溢流的检测四、溢流的检测 2. 溢流的检测方法溢流的检测方法 （1）钻井液罐液面检测法）钻井液罐液面检测法 （2）返出钻井液流量检测法）返出钻井液流量检测法 （3）气侵超声波检测技术）气侵超声波检测技术浮子式液面计挡板流量计一、井控装置一、井控装置一、井控装置一、井控装置一、井控装置一、井控装置一、井控装置一、井控装置一、井控装置一、井控装置Drill pipe check valve1. 关井方式及选择关井方式及选择二、关二、关 井井 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

13、入。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）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。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：优点：关井程序简单，时间短，地层流体侵入量少。关井程序简单，时间短，地层流体侵入量少。缺点：缺点：产生产生“水击水击”，使井口装置、套管和地层所承受的压力急剧增加，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。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）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。发生溢

14、流后，先打开节流阀，然后关闭防喷器，再关闭节流阀。 优点：优点：可避免可避免“水击水击”现象。现象。 缺点：缺点：关井程序较复杂，时间长，地层流体侵入量较大。关井程序较复杂，时间长，地层流体侵入量较大。（3）半软关井）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。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。 其特点介于其特点介于“硬关井硬关井 ”和和“软关井软关井”之间。之间。 1. 关井方式及选择关井方式及选择二、关二、关 井井关井方式的选择：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，在溢流速度不高或者井口装置承压能力较高的情况下

15、，可使用可使用“硬关井硬关井”，否则，应选择，否则，应选择“软关井软关井”或或“半软关井半软关井”。推荐采。推荐采用用“半软关井半软关井”。 2. 关井程序（关井程序（“四七四七”操作程序）操作程序） （1）钻进中发生溢流）钻进中发生溢流 （2）起下钻杆时发生溢流）起下钻杆时发生溢流 （3）起下钻铤时发生溢流）起下钻铤时发生溢流 （4）空井发生溢流）空井发生溢流 三、关井立管压力的测定三、关井立管压力的测定 1. “U”形管原理形管原理 haaphispPPPPPspPhiPpPaPhaP 钻柱内静液柱压力钻柱内静液柱压力 地层压力地层压力 关井套压关井套压 环空内静液柱压力环空内静液柱压力

16、关井立管压力，关井立管压力，hipspPPP 溢流关井后，钻柱、环空、地层压力系统溢流关井后，钻柱、环空、地层压力系统有如下关系：有如下关系：PSPPPPhiPha2. 钻柱中未装回压凡尔时测定关井立关压力钻柱中未装回压凡尔时测定关井立关压力PspPaPp关井立管压力直接从立管压力表上读取。关井立管压力直接从立管压力表上读取。关井时立压、套压的变化规律关井时间压力套 压立 压1015 min三、关井立管压力的测定三、关井立管压力的测定 圈闭压力的概念：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：需压力的那部分压力

17、值，即： 产生圈闭压力的原因：产生圈闭压力的原因：停泵前关井或者气体滑脱上升。停泵前关井或者气体滑脱上升。 释放圈闭压力的方法：释放圈闭压力的方法： 每次开启节流阀放出少许钻井液（每次开启节流阀放出少许钻井液（4080升），并观察立管压力变升），并观察立管压力变化。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管压力不再下降。此时圈闭压力

18、已释放掉，所读取的立管压力就是真实的关井立管压力。的关井立管压力。)(hipspspspPPPPP 圈圈闭闭压压力力三、关井立管压力的测定三、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钻柱中未装回压凡尔时测定关井立管压力 3. 钻柱中装回压凡尔时测定管井立管压力钻柱中装回压凡尔时测定管井立管压力（1）循环法）循环法 用于已知压井泵速和该泵速下循环压耗（用于已知压井泵速和该泵速下循环压耗（ ）的情况。）的情况。 具体做法：具体做法： 1）关井后待套压相对稳定后，记录套压）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）缓慢启动泵，以压井泵

19、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：）求取关井立管压力：aPTPLP LTSPLSPTPPPPPPPT=PSP+PLPaPp三、关井立管压力的测定三、关井立管压力的测定)PP(PPPPPPPPaaSPSPaaSPSP三、关井立管压力的测定三、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钻柱中装回压凡尔时测定管井立管压力（2）不循环法）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。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：具体做法： 1）关井后待套压相对稳定，记

20、录套压值）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，）在完全关井的情况下，缓慢缓慢启动泵，直到套压升高少许（启动泵，直到套压升高少许（ ），）， 记录此时的立管压力记录此时的立管压力 和套压和套压 。 3）求取关井立压：）求取关井立压：aPspPaPP四、压井钻井液密度计算四、压井钻井液密度计算DPPPPdsphispp 31081.9 dsppdDPDPP3311081.91081.933/15. 007. 00 . 55 . 3/10. 005. 05 . 35 . 1cmgMPaPcmgMPaP ，气井：气井：，油井：油井：注意注意 不能用 Pp=Pa+Pha计算地层

21、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：五、溢流类型的判别五、溢流类型的判别PSPPa溢流溢流钻钻井井液液hH根据根据“U”形管原理形管原理 ：h1081. 9Ph1081. 9Px3ad3SPh1081. 9PP3SPadxVvVha，-泥浆罐钻井液增量05. 10 . 190. 068. 036. 012. 0 xxx气油水六、压井理论与方法六、压井理论与方法 1. 压井的概念压井的概念 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

22、或稍大于地层压力并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。地层系统的压力平衡。2. 压井的原则压井的原则 1）在压井过程中，始终保持井底压力稍大于地层压力。）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）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。压力。（一）压井的概念及原则（

23、一）压井的概念及原则 1. 压井排量压井排量 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:).(.)(962131 QQr 主要原因有二：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；）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。）使压井钻井液的泵入速度与加重速度同步。（二）压井计算（二）压井计算六、压井理论与方法六、压井理论与方法 2. 压井作业时间压井作业时间 （1）压井钻井液由地面到达钻头的时间（分）压井钻井液由地面到达钻

24、头的时间（分）rddQDVt60 （2）压井钻井液充满环形空间的时间（分）压井钻井液充满环形空间的时间（分）raaQDVt60 式中： 单位长度钻具的容积，L/m 。 单位长度环空容积，L/m 。dVaV（二）压井计算（二）压井计算六、压井理论与方法六、压井理论与方法（二）压井计算（二）压井计算 3. 压井立管压力压井立管压力 六、压井理论与方法六、压井理论与方法开始泵入压井钻井液时的立管压力。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TiPLispTiPPP 初始循环立管压力的求取方法：初始循环立管压力的求取方法： 方法一：方法一：在即将钻达高压层前，每天早班用

25、选定的三个不同的压井排量循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，记录循环立管压力环，记录循环立管压力 ，作为压井时的初始循环压耗，作为压井时的初始循环压耗 。 LiP 方法二：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：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；）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）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 。 iTPd为初始循环压力，即用密度为为初始循环压力，即用密度为 的原钻井液循

26、环时的压耗。的原钻井液循环时的压耗。（2）终了循环立管压力）终了循环立管压力 TfP0PSP1dLfTfPP压井钻井液到达井底时的立管压力。压井钻井液到达井底时的立管压力。LiP d LfPLiddLfPP 1设循环压耗正比于流体密度，则有：设循环压耗正比于流体密度，则有：为终了循环压力，即用密度为为终了循环压力，即用密度为 的压井液循环时的压耗。的压井液循环时的压耗。1d（二）压井计算（二）压井计算 3. 压井立管压力压井立管压力 六、压井理论与方法六、压井理论与方法（三）压井方法（三）压井方法 司钻法（二次循环法）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，

27、用两个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。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）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。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。关井取得有关数据后，立即边循环边加重压井。六、

28、压井理论与方法六、压井理论与方法（三）压井方法（三）压井方法（1）压井程序）压井程序 第一循环周：第一循环周： 六、压井理论与方法六、压井理论与方法TiPaPLispTiPPPTiPaPTiPaP升高123 1. 司钻法压井司钻法压井第二循环周：第二循环周： （1）压井程序）压井程序TiPaPLispTiPPPTfP0aPTPaP不变TfTiPP（三）压井方法（三）压井方法六、压井理论与方法六、压井理论与方法123 1. 司钻法压井司钻法压井 （2）立压及套压的变化规律）立压及套压的变化规律 盐水溢流气侵spP（三）压井方法（三）压井方法 1. 司钻法压井司钻法压井六、压井理论与方法六、压井理

29、论与方法 （1） 压井程序压井程序 2. 工程师法压井工程师法压井TfP0aPTiPaPLispTiPPPTPaP升高TfTiPP（三）压井方法（三）压井方法六、压井理论与方法六、压井理论与方法123（2） 立压和套压的变化规律立压和套压的变化规律 spP 2. 工程师法压井工程师法压井（三）压井方法（三）压井方法六、压井理论与方法六、压井理论与方法 3. 边循环边加重法边循环边加重法 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）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，此时立压等于关井套压。保持套压不变

30、，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管压力等于或接近初始循环立管压力 。iTP2）边循环边加重钻井液，逐步将钻井液密度由）边循环边加重钻井液，逐步将钻井液密度由 提高到提高到 。密度每。密度每 提高一次（提高一次（0.01g/cm3），循环到达钻头时，循环立管压力降低），循环到达钻头时，循环立管压力降低 ：d 1d TP 0101. ddTfTiTPPP 3）当钻井液密度提高到）当钻井液密度提高到 ，并到达钻头后时，立管压力应降到，并到达钻头后时，立管压力应降到 ， 此后保持立管压力不变，直到密度此后保持立管压力不变，直到密度 的压井液到达井口，压井结束的压井液到达井口，压井结束fTP1d 1d （三）压井方法（三）压井方法六、压井理论与方法六、压井理论与方法 （1）压井程序）压井程序（2） 立管压力变化规律立管压力变化规律TiPTfPTP dtdtdtdtdtat 3. 边循环边加重法边循环边加重法 （三）压井方法（三）压井方法六、压井理论与方法六、