井控及井控设备分册

-1-第三章井控及井控设备第一节概述井喷很长时间以来一直是钻井作业中的一个严重的问题。根据井涌的早期显示，采取合理的措施，井喷是可以避免的。石油工业正在环境敏感的海洋和相对陌生的地质构造钻更深的井。为了避免发生井喷，要求钻井作业人员能够识别潜在井喷的前期预兆，设计有效的压井方案，能够采取正确的行动实施井控。一、井控有关的各种概念1、压力压力与力和面积有关。力的最简单概念是物体的重量，从技术上说，压力就是单位面积上所受的力。对固体来说，压力产生的原因是固体受重力下拉所致。井控中的很多压力是由液体和气体产生的。其概念是一样的。不同的是液体和气体在已知点上的压力在各个方向均相等。2、静液压力处于静止状态下的井内液体在一定深度所具有的压力。其大小与液体(或流体)的密度(重量)及垂直深度呈正比关系，而与液体的横断面积无关，即与井眼尺寸无关。静液压力＝压力梯度×深度3、压力梯度压力梯度即流体静液柱压力随深度增加的量。也就是说静液柱每加深1公尺或1英尺压力的增加量。压力梯度＝压力÷深度井内任何深度的静液柱压力等于液体的压力梯度乘垂直深度。4、地层压力地层压力也叫地层孔隙压力。是指储藏在某一深度地层岩石孔隙或裂缝中的油、气、水等流体具有的压力。它的大小来源于与本层相连通的其他含水层，或本层的静液压力，或者是上覆地层压力，或是三种压力来源的综合。一般地层埋-2-藏越深压力越大。正常地层压力是相当于淡水或盐水的静液柱压力。其值在1.0-1.07公斤/分米3之间。高于这个值的地层压力称为高地层压力或异常高地层压力，其数值可从1.07直到2.35公斤/分米3。低于正常值的地层压力称为低压或异常低压。其值在1.O公斤/分米3以下。这种情况多出现在枯竭产层和孔隙、裂缝较大的老地层。5、上覆地层压力上覆地层压力指覆盖在目的层以上的岩石及其孔隙中流体形成的总压力。根据试验测定最大可达2.16-2.64公斤/分米，相当于英制的18～22磅/加仑。于是平均上覆地层压力梯度大约是lPSI/英尺。公制为0.231公斤/平方公分/米。6、地层破裂压力地层破裂压力指地层发生破裂时承受的压力。井内压力过大会将地层压破泥浆漏入地层。地层破裂压力可通过地漏试验测出。7、井底压力井底压力指所有作用于环形空间或套管侧面的压力总合。该压力随作业不同而变化。静止状态时：井底压力＝环形空间静液压力。正常循环时：井底压力＝环形空间静液压力＋环形空间压力损耗。用旋转防喷器循环泥浆时：井底压力＝环空静液压力＋环空压力损耗＋旋转防喷器的回压。循环出气涌时：井底压力＝环形空间静液压力＋环形空间压力损失＋阻流管汇压力。8、压差压差是井底压力和地层压力之间的差值。如果井底压力大，其压差为正，否则为负。正值压差称超平衡。地层压力超过井底压力称为欠平衡。9、压力损失压力损失指泥浆从泥浆泵开始经高压管线、水龙头、方钻杆、钻柱、钻头再-3-从环形空间返回地面的全过程中因克服流动阻力所消耗的压力。10、泵压泵压。是克服井内循环系统中摩擦损失所需的压力。正常情况下，摩擦损失发生在地面管汇、钻柱、钻头水眼和环形空间。环形空间与钻柱之间压力不平衡，也将影响泵压。当出现气侵时，一定的气侵控制压力要使泵压增高。气侵控制压力包括阻流嘴和阻流管线的压力损失。11、激动压力和抽汲压力抽汲压力发生在起钻时，其结果是降低有效的井底压力。因此是负值。激动压力产生于下钻和下套管时，其结果是增大井底有效压力,因此是正值。影响激动压力与抽汲压力的因素有：管柱的起、下速度；泥浆粘度，切力、比重；井眼和管柱之间的环空间隙；类似钻头泥包等的环形节流。二、井控基本程序按照程序井控分为三级。即一级井控，二级井控和三级井控。1、一级井控也叫初级井控做好初级井控可以防止各种井涌。如果能防止井涌，就不会发生井喷。所谓初级井控，就是利用井内钻井液实现压井的方法。只要钻井液液柱压力大于地层孔隙压力，地层内的流体就不会侵入井内。2、二级井控一级井控失效，并不意味井失去控制。只要对井涌控制得当，就可把侵入井内的流体完全循环出去直到井涌被控制住恢复到初级井控状态称为二级井控。换句话说，当泥浆液柱压力控制不住井涌时必须进行二级井控。二级井控就是利用防喷设备和重泥浆压井，一般程序是第一步关井，第二步测出井底压力，第三步采取合适的方法压井。具体关井程序见后续章节。3、三级井控-4-三级井控是在发生井喷后，正确使用设备与技术重新恢复对井的控制。井喷可能是地面井喷或地下井喷。-5-第二节异常压力监测正常地层压力的定义为压力梯度近似等于盐水的静液柱压力梯度10.5kpa/m(0.465psi/ft)。异常高压指那些比正常地层压力高得多的地层压力，压力梯度范围为大于10.5kpa/m(0.465psi/ft)。目前异常地层压力的预报和监测方法大致有以下几种：一、钻前预报：包括地震法、重力勘探、磁法勘探、电法勘探等地球物理方法以及利用井底以上的电测资料预报井底以下尚未钻开地层的孔隙压力和对邻井资料的综合分析。二、随钻监测：有几种现象可以用来判断潜在异常高压层的出现，例如机械钻速的加快，起下钻气测值增加，泥浆盐度增加和页岩密度下降等。其它显示如井涌和气侵将在下面溢流监测部分详细论述。钻进过程中有7种异常高压信号：a)机械钻速b)D指数c)页岩密度d)总气测值e)钻屑特征f)氯化物含量g)泥浆出口温度上述除钻屑特征外的其它参数在钻进过程中每3米（或10英尺）记录一次，用5mm=30m(2攠=100’)的比例描点做图。这些工作由地质和录井人员完成。在正常的钻井条件下，上述参数在图上将显示稳定的变化趋势。曲线的中断，逆转或偏离正常趋势线，可能就是接近高压层的一个信号。当发生了这种情况，应该检查、分析、讨论所有的参数，根据当时的具体情况采取相应的行动，但应该使每个人都知道发生了什么事。尽管记录这些参数是泥浆录井人员的首要职责，但每个人都应该对异常高压信号保持警觉。-6-1.机械钻速假定保持适当的连续的水力参数,泵压、喷嘴大小、排量和泥浆性能不变，影响机械钻速的因素有：a)地层岩性b)井底压力与地层压力之差c)钻头磨损程度d)钻压(WOB)e)转速(RPM)1)地层岩性机械钻速逐渐或突然增加或降低表明地层岩性逐渐或突然变化。2)压差机械钻速的逐渐加快可能也是钻遇异常高压的一个信号，特别是在大段页岩地层钻进。机械钻速的突然加快（或放空）可能是地层压力突然增加的一个信号，也是井涌的第一信号。机械钻速的加快，无论是逐渐加快还是突然加快，都应该怀疑是地层压力增加，要采取合适的预防措施，直到证明是其它原因引起的。为什么?如果泥浆柱作用在井底的压力高于地层压力，井筒与地层之间的压差使被钻头切削的岩石碎片压在井底，在它们离开井底和循环到钻头上面之前，钻头将重复切削这些钻屑。2.D指数钻压和转速的变化会影响机械钻速，这可能会掩盖由于地层压力升高而引起的机械钻速变化。人们提出了一个经验公式考虑了钻压和转速的变化影响。Log(R/60N)D指数=d=Log(12w/106D)其中:R=机械钻速(英尺/小时)N=转速（转/分）W=钻压(磅)D=钻头直径(英寸)-7-根据公式做图,我们可以直接读出D指数。泥浆录井人员将连续计算这个参数。还有几个与机械钻速有关的参数影响D指数。a)地层变化b)钻头磨损c)泥浆比重除了这些图板，还可以用计算尺测定D指数和校正泥浆比重的影响。在正常的钻井条件下，d指数值将随井深的增加而显示逐渐增加的趋势。然而，当遇到异常高压时，d指数趋势将偏移正常趋势线或反转。3.页岩密度在正常的地质沉降过程中，页岩随着深度的增加而逐渐压实。压实的结果是降低页岩的孔隙度，挤压出页岩内的流体。随着孔隙度的下降，页岩密度将增加。这样，在正常井段，页岩密度值以这种方式封装，地层流体作为埋葬物被封闭在其中。地层流体支撑上面沉积物，空隙保持连通，尽管上面压力增加。平衡的结果，因为孔隙度不再降低，密度保持常数。泥浆录井人员每3米（或10英尺）测定一次页岩密度，以25mm=30m(2攠=100’)的比例在图上绘图。页岩密度值一般会呈逐渐增长的趋势，直到遇到异常高压地层。当页岩密度值开始偏离正常趋势线时，警告我们正在钻进潜在的危险地层。4.总气测值当钻遇异常高压层时，泥浆中的总气测值将显示增长趋势。这种情况有以下几种可能的原因：当钻进高压地层时，将伴随着机械钻速的增加，在钻头研磨作用下，单位时间内由岩石内将产生更多的气体。因为地层孔隙度的增加，欠压实地层可能包含更多的碳氢化合物。如果在欠压实地层内存在一个渗透层，如砂岩层或泥沙层，在地层压力超过泥浆液柱压力时，气体将通过渗透层进入井筒。下述因素将影响泥浆中气体含量的测定值：1)泥浆粘度–如果泥浆粘度较高，泥浆很稠，将掩盖一些气侵现象，因为不是所有泥浆中的气体都能从泥浆中释放出来。-8-2)泥浆比重–泥浆比重的增加会引起泥浆液柱压力的增加。这将减少进入井筒的气体量或完全阻止气体进入井筒。但泥浆比重不会影响钻头破碎岩石所产生的气体量。3)泥浆泵排量–如果排量增加，假定机械钻速保持不变，那么单位泥浆体积的含气量将减少。结果，气侵现象会被少量掩盖。4)机械钻速–机械钻速增加，意味着钻头机械破碎岩石所产生的气体量相应增加。5)气体分离器流量变化–通过气体分离器的泥浆流量增加，会导致单位泥浆体积内一定体积气体的测量读数增大。5.钻屑特征振动筛从泥浆中筛出的钻屑的特征为地质人员提供了额外的地层信息。这些钻屑特征与其它记录的信息相比较可以用来分析判断高压层的显示信息。6.氯化物含量如果返出泥浆中的氯化物含量出现增长，表明有地层流体进入井筒。氯化物含量曲线与其它已知的曲线相比较，可以得到额外的信息，有助于采取正确的行动。7.泥浆出口温度通常随着井深的增加，地层温度均匀增加。当泥浆与暴露的高温地层接触时，地层较高的温度将传递给泥浆，同时，机械钻速的增加意味着单位时间内泥浆接触更多的高温地层。这种影响由温度传感器探测，记录下振动筛处的出口泥浆温度。另外一个探测器安装在泥浆吸入罐内，记录进入井眼内的泥浆温度。比较出口和入口泥浆温度，我们可以计算出泥浆流动温度差，再加上泥浆出口的绝对温度，也是判断高压层的一个很好的信号。三、钻后检测：电测井、声波时差测井、中途测试和完井测试等都是最直接的异常高压地层的钻后检测方法。-9-第三节溢流的原因一、有关溢流和井喷的名词概念为表示地层流体侵入井筒的严重程度，对井控有关名词定义如下：1.油、气侵――油、气侵入钻井液，使其性能变坏的过程。2.溢流――井口返出的钻井液量比泵入量大，停泵后井口钻井液自动外溢的现象。3.井涌――溢流的进一步发展，在循环或停泵后，钻井液涌出井口的现象。4.井喷――地层流体（油、气或水）无控制地涌入井筒，喷出井口的现象。5.地下井喷――井下高压层的地层流体（油、气或水）把井内某一薄弱地层压破，流体由高压层大量流入被压破的地层内，这种现象叫地下井喷。二、溢流发生的原因溢流发生的根本原因是地层与井眼系统压力失去平衡，井内液柱压力小于地层孔隙压力而引起溢流或井喷。其影响因素有：1.地层掌握不准确，钻到异常高压层，事先未预告，或者预告不准确，特别是在新探区钻井经常出现这种现象。2.钻井液柱压力减少。引起液柱压力减小的主要因素有：1)因井漏，井内液柱高度降低而使液柱压力减小这种情况往往不易及时发现，要加强观察。2)起钻时未向井内灌足钻井液：起钻时由于井内钻具起出而使钻井液面下降，如不及时灌足钻井液，就会使液面下降，使井内液柱压力降低可能引起溢流。3)起钻发生抽汲作用：起钻柱时，由于钻井液的粘滞作用产生的使井底减小的瞬时液柱压力叫抽汲压力。由于起钻太快，钻井液在井内下落的速度小于钻柱上提的速度就产生一种抽汲作用，使井内液柱压力减小而引起溢流；钻头、扶正器泥包，形成活塞起钻时产生抽汲。4)压力激动引起井漏从而使液柱压力减小：钻井作业中，由于某些外力引起井内压力发生升降变化，尤其是钻柱快速向下运动时会对井内产生一个附加压力（激动压力）而使井底压力增加，可能压漏地-10-层，使液柱压力减小引起溢流。5)井内钻井液密度降低：钻开油气层后