6)第六章 井控

第六章油气井压力控制绪论1本章内容与前几章的关系2有关概念及其关系1)油气井压力控制技术、井控技术和防喷技术2)溢流、井涌和井喷(画图)3)可控井喷(放喷)与失控井喷4)地面井喷与地下井喷3井控技术史和防喷系统简介1930年左右起步……地面井喷实例：印尼苏门答腊地区一口井失控井喷，在重新控制住井眼前的约三个月时间里，储量损失超过四亿五千万立方英尺。美国在波斯湾的一口井井喷，处理好的费用超过一亿美元。前些年我国新疆一口井井喷达一年多时间，损失相当巨大。地下井喷：1960年，基本形成一套井控的理论、工艺、设备和地下压力检测技术。4井控的任务1)通过控制钻井液密度使钻井在合适的井底压力与地层压力差(井底压差)下进行；2)是对地层压力、地层破裂压力以及地层流体侵入井眼的预测、检测和早期发现；3)在地层流体侵入井眼后，通过更换合理的钻井液密度及控制井口装置将环空内的地层流体安全排出，并建立新的井底压力与地层压力平衡。第一节井眼－地层压力系统概述：压力系统及其压力概念井眼－地层压力系统钻井液压力地层压力地层破裂压力井壁坍塌压力1井内钻井液压力及其与地层几个压力的关系1.1钻井液不循环时的井内液柱压力ph=0.00981ρdhl(6-1)1.2钻井液循环时的井内附加压力1)环空循环阻力可通过提高井眼质量、适当增大环隙和降低钻井液的密度、粘度等来减小。2)岩屑进入环空钻井液一般控制环空岩屑浓度在5%左右，不超过9%。3)井内温度和压力的作用影响较小，一般不考虑。1.3钻柱提放时的井内附加压力1.3.1波动压力在钻柱或套管柱提升过程中，在井眼内会产生抽汲压力。在钻柱或套管下放过程中，井眼内又会产生激动压力。抽汲压力与激动压力统称为波动压力。1.3.2产生波动压力的原因:1.3.3波动压力的影响因素与管柱运动速度、管柱长度、管柱和井眼尺寸、井眼膨胀性、钻井液性能、钻头及其水眼直径等有关。管柱提、放过快过猛将有可能产生非常大的波动压力。当井眼不规则、缩径或钻头泥包时，提、放管柱产生的波动压力会更大。由于影响因数多,波动压力很难定量计算。1.3.4波动压力的危害可诱发许多事故。抽汲压力可以使大量地层流体侵入井眼。有大量的溢流和井涌是起钻情况下发生的。同时，抽汲压力也可以诱发井壁坍塌，而激动压力既可以压漏地层，也可以诱发井壁坍塌。1.3.5减小波动压力的措施1)严格控制起下钻的速度；2)控制钻井液的密度和粘度；3)避免井眼缩径和泥包钻头；4)环隙和井下钻具尺寸合适。小结：井内钻井液的压力是变化的。1.4井内钻井液的有效压力phe：phe=ph+Δp(6-2)Δp=Δpr+Δpa±ps(6-3)式中:Δpr—环空钻井液中含岩屑增加的压力值,(MPa,下同)；Δpa—环空流动阻力增加的压力值；ps—起、下钻的波动压力。1.5地层—井眼压力系统的平衡平衡(phe与地层压力pp、地层坍塌压力pt和地层破裂压力pf的关系)：1)pf＞phe＞pp,phe＞pt:过平衡钻井；2)pf＞phe略≥pp,phe＞pt:平衡(近平衡)压力钻井；3)pf＞phe略＜pp,phe＞pt:欠平衡钻井。平衡的重要性：井控技术的核心。平衡的特点：动静交替，开闭交替。失去平衡的原因：1)没有及时和准确掌握pp、pt和pf举例：钻遇高压地层、溢流关井压裂上部易裂地层(画图)、注水泥压漏地层(画图)2)phe的变化2过平衡压力钻井1)井口装置：2)常规井口装置：不装旋转防喷器，钻进与起下钻过程中井口一般不承受来自井眼内的流体压力。3)非常规井口装置：装有旋转防喷器。4)过平衡压力钻井所用井口装置：常规井口装置。5)过平衡压力钻井的优缺点：可能较安全和经济，但不利于解放钻速和保护油气层。6)应用情况：3平衡(近平衡)压力钻井3.1概述1)所用井口装置：常规井口装置。2)优缺点：较有利于解放钻速，保护油气层，并能较安全钻进。3)实施平衡压力钻井的关键：选择合适的井底钻井液密度与地层压力当量密度的增量Δρ，或控制适当的井底钻井液压力与地层压力的差Δp。4)确定Δp/Δρ的原则：一方面，应有利于保护油气层和发现油气层，有利于提高钻速，有利于避免压差卡钻；另一方面，应有利于安全钻井和降低钻井液的成本。5)合适Δp/Δρ的一般标准：Δp：油井为1.5~3.5MPa；气井为3.0~5.0MPa。Δρ：油井为0.05~0.10g/cm3；气井为0.07~0.15g/cm3。注：为传统作法，不考虑波动压力实际确定Δp/Δρ时，应综合考虑。3.2不同情况下合适Δp/Δρ的确定1)地层压力与破裂压力相近的井应严格控制Δp/Δρ，应通过试验与计算来确定。2)多压力层系井指在同一裸眼中出现两个以上的高、低压(pp)地层段的井。矛盾是，对于同一密度的钻井液，适应低压地层段，则不一定适应高压地层段，反之亦然。遇此情况时，可采取提高低压地层段承压能力等有关措施(如屏蔽暂堵、给低压层挤水泥等)来解决矛盾。3)井眼稳定的开发井可适当取较低的Δp/Δρ。4)井眼不稳定的开发井例如有膏泥岩、盐岩等地层，容易蠕变，导致缩径、垮塌等情况，给钻井带来一系列难题。为此需要选择较高的Δp/Δρ，以抑制井眼不稳定，但钻井液压力不能高于地层破裂压力。5)调整井调整井的地层压力可能比原始压力高(周围主要为高压注水井)或低(周围主要为生产井)，地下压力变化可能较大。钻井前，应首先弄清楚地下压力情况，并找出规律。可通过RFT(重复地层测试器)测井、长源距声波测井和岩性密度测井测出新地层压力，以便设计合适的Δp/Δρ。6)探井特点：pp和pf分布不清楚，预测不准确，确定合适的Δp/Δρ较难。对甲方和乙方，都有较大的风险。目标：发现和保护油气层；安全钻进，避免发生井喷等事故。甲方和乙方须兼顾两方面，寻找合适的Δp/Δρ的平衡点。甲方：应加强随钻测井和录井工作，配备井涌早期检测仪器设备。地面录井人员应仔细观察气测显示及其他参数变化，并要结合岩屑分析等工作，及时发现油气显示，必要时应及时进行中途测试。乙方：地面应配备足够压力等级的井控设备，备足加重材料，同时要随钻进行地层压力检测，以降低钻井风险，尽可能满足甲方的要求。4欠平衡压力钻井4.1概述定义：指在钻进过程中允许地层流体进入井内，循环出井，并在地面得到控制。其主要标志为phe＜pp。硬件条件：需要利用非常规井口装置，还可能用其他专门的装备。适应的油藏和地层条件：1)稠油油藏、低压低渗透油气藏和低压裂缝性油气藏等具有储层孔隙压力低的特点，采用常规的过平衡/平衡压力钻井方式，容易污染油气层。对于探井，还不利于发现和评价油气藏。举例：像辽河油田一些稠油区，地层压力系数为0.49~0.90，勘探开发这类油田就不宜采用常规的密度大于1.0g/cm3的水基钻井液。为此，密度低于1.0g/cm3的钻井液与相应钻井技术得以发展与应用。2)对于裂缝发育的地层，如果采用过平衡压力钻井，可能会出现严重的漏失，有时因此无法钻达目的层。故常采用欠平衡压力钻井。3)水平井为保护钻井过程中大面积裸露的油气层，也多采用欠平衡压力钻井。4.2欠平衡压力钻井方式4.2.1空气钻井硬件条件：地面设备组成如图6-1。需要有大功率的压风机，因为空气的可压缩性，为了携带岩屑必须有足够大的排量。除配备常规的井口防喷器外，还须配备旋转控制头(旋转防喷器)及有关测量仪表。旋转控制头用于与阻流器一起控制回压及防止环空流体冲上钻台。适应的钻井地层条件：干燥、低渗透地层，水敏性低压地层，易漏失层，硬石膏层，硬质胶结长页岩地层，硬石灰岩层，严重缺水地区等。一般情况下地层流体不进入井眼。优点：可显著提高钻速，解决缺水、井漏、水敏性地层缩径和卡钻等问题。减少对敏感性产层的损害，保护油气层。缺点：1)钻遇油气层时井下容易着火、爆炸；2)如有地层水进入井眼，岩屑难以携带，易产生事故；3)空气冷却和润滑效果有限，井下马达寿命短，且难以预测；4)井斜角大于50°时，携带岩屑困难；5)钻柱与井壁之间摩擦阻力较大；6)有些MWD工具不能用等。4.2.2雾化钻井适应的钻井地层条件：空气钻井如果地层内有少量水进入井眼，岩屑便难以携带，宜改用雾状流体钻井。实施：在水或轻质钻井液中加一定的泡沫剂，再用泵直接注入空气流体内，在环形空间形成雾状流。雾化钻井需要的空气量比空气钻井多。4.2.3泡沫钻井适应的地层：出水严重、裂缝和渗漏地层。泡沫特点：密度低，粘度和切力高，携带岩屑和清洗井筒能力强，高温状态性能稳定。泡沫分类：硬胶泡沫和稳定泡沫。硬胶泡沫：由气体、粘土、发泡剂和稳定剂配成的稳定性比较高的分散体系。用于需要泡沫寿命长、携屑能力强的场所，能解决大直径井眼携带岩屑问题，但对电解质、油品的洗涤敏感，一般不宜在油气层用。稳定泡沫：由空气、液体、发泡剂和稳定剂配成的分散体系。可与各类电解质、原油等物配用，对钻低压易渗漏的地层有效，应用较广。配泡沫用气体：空气、天然气、氮气与二氧化碳气。为避免与地层碳氢化合物混合后燃烧爆炸，多用氮气与二氧化碳气。配泡沫用液体：水基、醇基、烃基和酸基。4.2.4充气钻井适应的地层：易出水地层以及其他各种地层。硬件要求：除常规钻井设备外，地面还要有充气和脱气设备。对钻井液的要求：切力较低，易充气、脱气，气液不分层，气泡均匀稳定。实施：在给井眼泵入钻井液的同时，对其进行充气，使充气后的钻井流体密度小于1.0g/cm3，以实现欠平衡压力钻井。4.2.5边喷边钻(边溢流边钻)地面设备：组成如图(6-2)所示。运用旋转控制头进行带压钻井与起下钻等操作；地面油气水分离装置应具有足够的压力及处理能力；用于天然气燃烧的管线应具有足够的容量，能处理到达地面的最大峰值气流。4.3欠平衡压力钻井特点优点：1)减少油气层损害；2)避免漏失；3)提高钻井速度；4)避免压差卡钻；5)减少完井及油层改造费用；6)可以对油气藏数据进行实时评价等。缺点：1)在目标井段的钻井与完井过程中，并不能始终保证全为欠平衡压力状态，像接单根、起下钻过程易出现过平衡；2)机械设备出现故障也可以出现过平衡；3)由于井眼缺少泥饼，过平衡下则会对油层产生更大伤害。展望：欠平衡钻井理论技术尚不完善，然而，作为一种独特的钻井工艺技术，具有很强的生命力，随着理论与技术的不断进步，这项技术应用将会越来越广泛。第二节地层流体的侵入与检测1地层流体侵入井眼1.1地层流体的分类包括油、气、水。其中气最为活跃，流动性强，可溶解、可压缩、有隐蔽性和突发性的特点，有时来势凶猛，不好控制，因而被称为“气老虎”。气可分为天然气、二氧化碳或硫化氢等。一般为几种气体的混合体，以天然气为主。其中的硫化氢含量越高，“气老虎”就越会变成“毒气老虎”，危险越大。如四川开县…1.2地层流体侵入原因1)钻遇高压地层没有及时发现2)井内钻井液的有效压力降低钻井液密度低：钻井液密度设计过低，或钻井过程中钻井液处理不当。停止循环：停止循环后，没有了环空流动阻力，钻井液的压力降低。环空钻井液柱高度降低：起钻时补灌钻井液不足或井眼发生漏失。起钻抽汲：可使井内压力明显降低。注意：上述几种情况易于在起钻时凑在一块。1.3不同状态对地层流体侵入量的影响1)井底压力与地层压力差2)钻井液循环3)关井4)不同地层情况2气侵时的环空气液两相流特点2.1气液两相流当含气的地层流体侵入井眼并与钻井液混合后，就会在井筒内产生气液两相流。2.2气液两相流流型分布的影响因素与井眼几何尺寸、钻井液的流变性、气体侵入量、温度和压力等有关。2.3钻井气液两相流特点1)多为环空中的两相流；2)是以钻井液—非牛顿流体为液相的环空两相流。2.4钻井气液两相流流型分布根据气液两相流理论，气侵后在环空内出现的典型的气液两相流流型分布可以用图6-3表示。1）微小气侵量下的流型分布如图6-3a所示，由于气侵量小，整个环空为泡状