第二章井下各种压力的概念及相互关系

1、了解各种压力的概念及其相互关系教学内容要点一、定义1、压力2、静液压力3、压力梯度4、地层压力5、上覆岩层压力6、破裂压力7、井底压力8、压差9、压力损失10、激动压力11、抽汲压力二、相互关系教学目标1、简单压力计算2、压力的相互关系难点1、压力的相互关系重点重点难点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。一、静液压力2、静液压力的计算P=ρgH式中：P--静液压力，MPaρ--液体密度，g/cm3g--重力加速度，0.00981H--液柱的垂直高度，m3、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=ρg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，mρ—液体密度，g/cm3g—重力加速度，9.81（0.00981）一、静液压力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。二、当量钻井液密度2、压力系数：压力系数是某点压力与该点水柱压力之比，无因次，其数值等于该点的当量钻井液密度。二、当量钻井液密度1、地层压力的定义地层压力是指地下岩石孔隙内流体的压力，也称孔隙压力。2、地层压力的表示方法1）用压力的单位表示。这是一种直接表示法。2）用压力梯度表示。3）用当量钻井液密度表示。4）用压力系数表示。压力系数是某点压力与该点水柱压力之比，无因次，其数值等于该点的当量钻井液密度。三、地层压力3、地层压力的分类1）正常地层压力2）异常高压3）异常低压三、地层压力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=σ+Pp式中：P0—上覆岩层压力，MPa；σ—岩石颗粒应力，MPa；Pp—孔隙压力，MPa。四、上覆岩层压力上覆岩层压力、地层压力和骨架应力之间的关系如图2—1所示。四、上覆岩层压力图2—1P0，σ和Pp之间的关系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。五、地层破裂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，当井壁周围的岩石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。井径的变化反映了井壁坍塌压力的大小，从而可以确定地层的坍塌压力。六、地层坍塌压力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。在数值上等于钻井液循环泵压。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。七、循环压力损失与环空压耗在钻井过程中，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。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。七、循环压力损失与环空压耗1、抽汲压力就是由于上提钻柱而使井底压力减小的压力，其数值就是阻挠钻井液向下流动的流动阻力值。根据计算可知，一般情况下抽汲压力当量钻井液密度为0.03～0.13g/cm3，国外要求把抽汲压力当量钻井液密度减小到0.036g/cm3左右。2、激动压力是由于下放钻柱而使井底压力增加的压力，其数值就是阻挠钻井液向上流动的流动阻力值。八、激动压力和抽汲压力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。八、激动压力和抽汲压力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。六种不同工况下：1、静止状态，井底压力=静液压力2、正常循环时，井底压力=静液压力＋环空压耗3、节流循环时，井底压力=静液压力＋环空压力损失＋节流阀回压4、起钻时，井底压力=静液压力－抽汲压力5、下钻时，井底压力=静液压力＋激动压力6、关井时，井底压力=静液压力＋地面回压九、井底压力一是按密度附加，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十、安全附加值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。十一、压差互动交流通过交流互动，了解学员对以上教学内容的掌握程度，对普遍问题、重点难点问题需加以强化，进行“再次教学”。小结1、静液压力和静液压力梯度的定义2、静液压力的计算3、地层压力的定义4、地层压力的表示方法5、地层破裂压力的定义6、激动压力和抽汲压力7、井底压力8、钻井液密度安全附加值练习题一、单项选择题（每题4个选项，只有1个是正确的，将正确的选项号填入括号内）1、压力梯度是指()压力的增加值。A、某一深度B、套管鞋深度C、单位井深D、单位垂直深度2、计算钻井液的静液压力时，井深数值必须依据()。A、钻柱长度B、测量井深C、垂直井深D、设计井深3、地层压力当量钻井液密度是指把()折算成钻井液密度。A、地层破裂压力B、循环压力C、地层压力D、回压4、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，计算井底压力当量钻井液密度()g/cm3。A、1.30B、1.24C、1.18D、0.064练习题一、单项选择题（每题4个选项，只有1个是正确的，将正确的选项号填入括号内）5、地层压力是确定钻井液（）的依据。A、密度B、粘度C、失水D、切力6、正常压力地层中随着井深的增加，地层压力梯度（）。A、增大B、不变C、减小D、不确定7、地层破裂压力一般随着井深的增加而()。A、不变B、减小C、增大D、不确定8、地层破裂压力是确定()的重要依据之一。A、地层压力B、抽吸压力C、坍塌压力D、最大允许关井套管压力9、钻井过程中，配制合理的钻井液（），平衡地层坍塌压力，防止地层失稳。A、密度B、粘度C、含砂D、失水练习题一、单项选择题（每题4个选项，只有1个是正确的，将正确的选项号填入括号内）10、地层坍塌压力指的是液柱压力由大向小到一定程度时井壁岩石发生剪切破坏造成井眼坍塌时的（）。A、地层压力B、基岩应力C、液柱压力D、地面压力11、地层漏失压力是指某一深度的地层产生（）时的压力。A、地层破裂B、钻井液漏失C、岩石变形D、地层坍塌12、大部分的压力损失发生在钻柱里和（）。A、水眼处B、地面管汇C、环空内D、出口处13、压力损失的大小取决于钻柱长度、钻井液密度和（）、切力、排量及流通面积。A、钻井液粘度B、钻井液含砂量C、泵的功率D、钻井液失水14、在钻井作业中，井底压力最小的工况是()。A、钻进B、起钻C、下钻D、空井练习题二、多项选择题（每题4个选项，将正确的选项号填入括号内）1、静液压力的大小取决于流体的（）。A、密度B、高度C、横截面积D、体积2、当量钻井液密度与()。A、实际井深成反比B、垂直井深成正比C、该点所受各种压力之和成正比D、该点所受各种压力之和成反比3、地层压力的表示方法有（）。A、用压力的单位表示B、用压力梯度表示C、用当量钻井液密度表示D、用压力系数表示练习题二、多项选择题（每题4个选项，将正确的选项号填入括号内）4、在做地层破裂压力试验时，在（）的共同作用下，使地层发生破裂产生漏失而计算求得地层破裂压力当量密度。A、套管鞋以上钻井液的静液压力B、地面回压C、环空压耗D、地层压力5、对于正常压力的（）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。A、高渗透性砂岩B、裂缝性地层C、断层破碎带D、不整合面6、循环压力损失的大小取决于（）等因素。A、钻井液密度B、钻井液粘度C、排量D、流通面积练习题二、多项选择题（每题4个选项，将正确的选项号填入括号内）7、能够产生激动压力的工况是()。A、起钻B、下钻C、空井D、下套管8、激动压力和抽汲压力主要受（）等因素影响。A、管柱结构、尺寸以及管柱在井内的实际长度B、井身结构与井眼直径C、起下钻速度D、钻井液密度、粘度、静切力9、影响井底压力的因素有()。A、静液压力B、地面回压C、环空压耗D、地层压力10、具体选择钻井液安全附加值时，应根据实际情况综合考虑（）与井控装置配套情况等因素，在规定范围内合理选择。A、地层压力预测精度B、地层的埋藏深度C、地层流体中硫化氢的含量D、地应力和地层破裂压力练习题三、判断题（对的画“√”，错的画“×”）1、静液压力的大小与井眼的尺寸有关。×2、按习惯，把压力梯度在9.8kPa/m～10.5kPa/m之间的地层称为正常压力地层。√3、地层破裂压力是指某一深度地层发生破裂和裂缝时所能承受的压力。√4、异常高压地层压力当量钻井液密度小于地层水的密度。×5、静液压力梯度受液体密度、含盐浓度、溶解气体的浓度以及温度梯度的影响。√练习题四、简答题（简要回答所提出的问题）1、什么是井底压力？2、什么是地层压力？3、激动压力、抽汲压力的影响因素有哪些？4、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？