油气压力控制技术合订本.PdF.doc

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1 油气压力控制技术 ( 井控技术培训教材 ) 华北石油局井控培训中心

2 华北石油局井控培训中心培训教材 油气压力控制技术 刘杰主编 二 七年七月

3 油气压力控制技术目录 第一部分油气井压力控制技术 1 第一章概论 2 1. 井控及其相关的概念 2 2. 井喷失控的危害 3 3. 造成井喷失控的原因 5 4. 搞好井控工作的对策 9 5. 井控培训要求 9 第二章井下各种压力的概念及其相互关系 压力的概念 静液压力 压力梯度 上覆岩层压力 地层压力 基岩应力 地层破裂压力 井底压差 激动压力和抽吸压力 钻井循环系统压力的构成 井底压力 排代量和容积系数 22 第三章地层压力检测与预测 形成异常高压的原因 地层压力检测技术的发展 检测地层压力的方法 地层破裂压力的预测 33 第四章井控设计 井控设计基本要求 压力剖面 套管程序的确定 钻井液设计 井控设备选择 井喷失控应急措施 满足井控安全的钻前工程及合理的井场布置 44 第五章溢流的主要原因 预防与检测 溢流显示和征兆 46

4 油气压力控制技术目录 2. 发生溢流的主要原因 溢流预防 溢流的判断与检查 52 第六章关井程序 井控的岗位分工与职责 钻进中发现溢流时关井程序 起下钻时发现溢流关井程序 空井 ( 电缆 ) 时发现溢流关井程序 下套管和尾管时发现溢流关井程序 气候寒冷地区钻井溢流时的关井程序 防止关井压裂地层的分流程序 关井立压确定与圈闭压力的释放 63 第七章气侵对井内压力的影响 天然气进入井内的方式 井内气体的膨胀 井内气体的运移 67 第八章溢流控制原理 70 1.U 型管原理 井底常压法原理 关井允许最大套管压力 立管压力控制 压井钻井液密度与新钻井液密度 76 第九章井底常压法压井 井底常压法压井的优点 基本原则 井底常压法工作程序 压井过程中可能出现的问题与解决方法 92 4 地层不同流体侵入的影响 溢流 井喷处理中的错误作法 99 第十章非常规井控技术 体积控制法 硬顶法 低节流压井方法 反循环压井法 浅层气的特点 检测及处理 空井的压井方法 114

5 油气压力控制技术目录 7. 又喷又漏的压井方法 强行起下钻操作 不压井起下钻 小井眼井控工艺技术 125 第二部分钻井井控装备 128 第一章井控装备的概述 井控装备的功用 井控装备的配套与组成 液压防喷器的特点 液压防喷器的最大工作压力与公称通径 井口防喷器的组合 131 第二章环形防喷器 环形防喷器的功用与工作原理 锥型胶芯环形防喷器 球型胶芯环形防喷器 组合胶芯环形防喷器 环形防喷器的合理使用 138 第三章闸板防喷器 闸板防喷器的功用与类型 闸板防喷器的工作原理与结构特点 闸板防喷器的合理使用 常用闸板防喷器的技术规范 闸板防喷器的常见故障及处理方法 149 第四章旋转防喷器 旋转防喷器的功用和结构 旋转防喷器控制系统 分流系统 156 第五章放喷器四通与套管头 法兰 套管头的功能 结构与技术参数 157 钻井四通的结构 功用功能技术参数 法兰 卡箍 垫环 162 第六章控制装置 防喷器控制系统的构成 164

6 油气压力控制技术目录 2. 控制装置的工作原理 FKQ4005A 控制装置 控制装置的主要元器件 放喷器控制系统前期准备及检查标准 179 第七章节流压井管汇 节流压井管汇的功用与使用要求 节流压井管汇的组合形式 节流压井管汇的主要部件 液控节流管汇与液控箱件 189 第八章钻具内防喷器工具 方钻杆上 下旋塞 钻具回压阀 钻具旁通阀 197 第九章井控辅助设备与监测仪器 自动灌注钻井液装置 钻井液循环池液面监测装置 钻井液气体分离器 除气器 201 第三部分油气压力控制技术模拟实验 203 第一章井控工艺模拟教学 SD-JKFZ 井控模拟系统介绍 SD-JKFZ 系统仿真操作介绍 205 第二章地层破裂压力试验 地层破裂压力试验前的准备 地层破裂压力试验 210 第三章不同工况下的放喷演习 放喷演习规定 不同工况下放喷演习操作程序 214 第四部分附录 附录 1:SY/T 钻井井控技术规程 附录 2:SY/T 钻井井控装置组合配套安装调试与维护 附录 3:SY/T 含硫化氢油气井安全钻井推荐作法 附录 4: 石油与天燃气井井控管理规定 参考资料 304

7 绪言 绪言 井控是指对油 气井压力的控制技术 对井控的各种叫法定义本质上是一样的, 都是说明要采取一定的方法控制住地层孔隙压力, 基本上保持井内压力平衡, 保证钻井顺利进行的一项油气井压力控制技术 井控技术是科学钻井的重要内容之一 实施井控技术后, 在进行近平衡钻井时, 防止井喷的安全保障不再是靠过分地增大钻井液密度, 增加井底正压差, 而是靠井控技术去有效 迅速地防止控制井喷 在石油天然气勘探开发钻井作业中, 坚持平衡钻井做好井控工作, 既可以减少对油气层的损害, 及时发现和保护油气层, 又可以防止井喷和井喷失控, 实现安全钻井 井控要从钻井目的和油气成果 油气井的生产年限等方面考虑, 既要完整地取得地下各种地质资料, 又要有利于保护 发现油气层, 提高采收率, 延长油气井的寿命 随着油气勘探开发领域的拓展 钻井深度 难度的不断增加及平衡 欠平衡等钻井工艺技术的广泛应用, 导致可能发生井喷的条件更多地出现, 对井控技术和钻井人员素质的要求越来越高 在科学钻井技术得到广泛应用和钻井总体技术水平日益提高的今天, 为了对付复杂的地层, 安全优质地实施快速钻井, 必须把井控技术作为一项研究和发展的重要内容 只有对油气井的控制技术发展了, 从业人员的井控素质提高了, 才能有效地实施近平衡压力钻井, 才能真正有效地发现和保护油气层 井控技术是实施近平衡钻井乃至欠平衡钻井的保障, 是发现和保护油气层的关键技术 近年来我国的井控工艺技术和井控装备发展很快, 全国各油田企业为适应不断发展的井控培训工作的需要都陆续建立了井控培训中心, 在井控教材 教具 教师队伍和井控教学辅助设施设备的建设与井控技术培训方面做了大量卓有成效地工作, 在油气勘探开发工程施工作业中发挥了积极的作用 随着井控工艺技术和装备的不断发展和更新, 尤其是随着钻井走向国际市场, 对井控培训和培训教材的内容提出了更高的要求 华北石油局井控培训中心在收集 学习 消化各油田井控培训教材的基础上, 结合自身发展情况, 编写了本套适应现代井控培训教学使用要求的具有一定先进性和可操作性的井控教材 本套教材是钻井工程作业人员取得井控操作合格证的专用培训教材, 同时也可作为石油院校相关专业的参考书和油田各级领导 工程技术人员 安全环保人员的自学用书 学习本教材要结合实际, 其目的重点是要掌握防喷装置 控制系统及其井控管汇的结构 原理 使用 维护 保养 简单故障排除方法, 熟悉近平衡钻井的基本知识, 掌握溢流的预防与发现, 以及关井 压井的基本知识和施工步骤等知识和技能 本套教材分油气压力控制技术 钻井井控装备 油气压力控制技术模拟实验 附录四部分, 重点介绍一级井控 二级井控的基础知识, 主要包括地层压力预报 检测技术 井控工艺技术 井口控制设备 井控管理等内容 在本教材编写过程中, 得到了中石化系统钻井界有关的老专家 工程技术人员的大力支持和帮助, 在此一并表示感谢, 尽管我们做了最大的努力, 力求使其严谨 完善, 但由于水干有限, 难免有错误之处, 恳请读者批评指正

8 第一部分油气井压力控制技术 第一部分 油气井压力控制技术 油气井井喷就是事故, 井喷失控或着火是油气勘探开发中性质最为恶劣, 损失难以估计的灾难性事故 地层流体 ( 油, 气 水 ) 一旦失去控制, 就会导致井喷和井喷失控, 使井下情况复杂化, 打乱正常钻井生产秩序, 甚至毁坏钻井设备, 破坏油气资源, 污染自然环境并危及钻井人员和油气井的安全 上世纪 50 年代经验井控阶段 由于世界石油 天然气勘探开发活动的日益活跃, 勘探开发领域从陆地到海上, 从浅部地层到深部地层, 从老区到新区迅速延伸, 钻遇异常高压油气层的机会越来越多, 单纯靠经验来处理井控问题已无法避免和减少因井喷和井喷失控造成的巨大损失 经验井控阶段的明显标志是没有形成系统的井控理论, 行动上带有较大盲动性, 甚至把井喷作为发现油气的重要途径 上世纪 年代井控理论化阶段 国外一些主要石油公司科研究机构, 把井控工艺技术列为重要研究和发展对象 从探讨异常高压地层形成的原因着手, 提出了用地震资料 钻井参数 录井资料和测井资料等定量检测和预报地层压力异常的方法, 提出了平衡钻井的概念和以稳定的井底压力排除溢流的各种压井方法为主要内容的工艺技术, 形成一套系统的平衡钻井及井控技术, 从单纯的防止井喷发展为保护油气层 防止破坏资源 防止环境污染 高效钻井技术的重要组成部分和实施近平衡压力钻井的重要保证 同时, 还对井控工艺和装备开展了深入的研究 上世纪 70 年代以来的现代井控阶段 地层压力检测预测技术 井控理论更加完善, 人们依靠成熟的井控技术实施近平衡压力钻井, 综合应用地质录井 取心 油气水分析 测井和测试等资料依靠科学分析判断油气层 在钻井液对油气层损害的程度认识上, 不再以钻井液密度的大小作为衡量的尺度, 而是以井筒钻井液液柱压力与地层压力的差值 ( P) 大小来评价, 在保证安全及现有井控装备和技术水平下, 尽可能保持较小的压力差值 ( P) 实施平衡钻井, 以提高钻井速度减小对油气层的损害 研制了以电 液 气为控制动力的, 具有不同功能 不同压力级别的各种先进的井控装置, 大大地增强了钻井队监测 控制和处理溢流的能力 特别是近年来, 随深井 高压油气井的不断开发, 井控装备配套水平的不断提高, 井控工艺技术不断地成熟和完善, 石油天然气钻井行业也不断地修订了相应的技术标准和法规 基本上满足了现代钻井的井控要求, 井控事故发生率呈逐年减少趋势 本教材在油气井压力控制技术部分设置了概论 井下各种压力的概念及其相互关系 地层压力预测与检测 井控设计 溢流的预防与检测 关井程序 井底常压法压井 非常规井控技术等十章内容 在的编写上学习和借鉴了国内外相关的技术文献 行业标准 井控培训教材方面的成功经验和案例, 力求在先进性 实用性 可操作上满足井控技术培训和现场井控技术要求 教材内容的编排上, 力求层次分明 逻辑严谨, 各章节之间既相互融合又保持相对独立 力求通过合理地设置插图 案例以达到图文并茂 易学易懂的目的

9 第一部分油气井压力控制技术 第 1 章 概论 随着油气勘探开发领域的不断延伸和扩大 钻井深度越来越深, 对井控技术和钻井相关人员的要求也越来越高 在钻井新技术得到广泛应用和钻井总体技术水平日益提高的今天, 人们已充分认识到对付复杂地层, 安全优质钻井, 必须把井控技术作为研究和发展的重要内容 只有对油气井的控制技术发展了, 人们的井控意识 管理水平和技术素质提高了, 才能有效地实施近平衡压力 欠平衡压力钻井, 才能最大限度地发现 保护和解放油气层 也就是说, 井控技术是实施近平衡钻井乃至欠平衡钻井作业的关键技术 第一节井控及其相关概念 1. 井控 井控是实施油气井压力控制的简称 在国外, 有的叫井涌控制, 还有的叫压力控制, 各种叫法在本质上是一样的 钻井过程中, 只有采取一定的方法控制住地层孔隙压力, 保持井内压力平衡, 才能保证钻井顺利进行 2. 井侵 井侵是指当地层孔隙压力大于井底压力时, 地层孔隙中的流体 ( 油 气 水 ) 侵入井内, 通常称之为井侵 最常见的井侵为油气侵或盐水侵 3. 溢流 溢流是指当井侵发生后, 井口返出的钻井液量比泵入钻井液的量多, 停泵后井口钻井液自动外溢, 这种现象称之为溢流 4. 井涌 井涌是指溢流进一步发展, 钻井液涌出井口的现象称之为井涌 5. 井喷 井喷是指地层流体 ( 油 气 水 ) 无控制地涌出井口 喷出地面的现象 井喷流体自地层经井筒喷出地面的现象叫地上井喷, 从井喷地层流入其它低压层的现象叫地下井喷 6. 井喷失控 井喷失控是指井喷发生后, 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事故 井侵 溢流 井涌 井喷 井喷失控反映了地层压力与井底压力失去平衡以后, 井下和井口所出现的各种现象及溢流发展变化的严重程度 7. 井控的三个阶段 井控分为一级 二级 三级井控, 本教材重点介绍一级 二级井控基础知识与井控有关的基本概念 ⑴. 一级井控是指采用合适的钻井液密度和技术措施使井底压力稍大于地层压力的控制过程 ⑵. 二级井控是指由于某些原因使井底压力小于地层压力时, 发生了溢流, 但可以利用井口控制装备,

10 第一部分油气井压力控制技术 按照一定的操作程序来控制溢流, 并建立新的井内压力平衡, 恢复正常循环的控制过程 ⑶. 三级井控是指井喷失控 着火后, 抢险灭火重新恢复对井控制的过程 8. 井控工作中的 三早 井控工作中要求 早发现 早关井 早处理 ⑴. 早发现 : 溢流被发现得越早, 就越便于关井控制, 因此也越安全 国内现场一般将溢流量控制在 1-2 方之内, 这是安全 顺利关井的前提 ⑵. 早关井 : 在发现溢流或怀疑有溢流 ( 预兆不明显 ) 时, 应停止钻井作业, 并立即按关井程序关井 ⑶. 早处理 : 在准确录取溢流数据和填写压井施工单后, 应尽快节流循环, 排出溢流, 进行压井作业 第二节井喷失控的危害 井喷是损失巨大的灾难性事故, 常造成机毁人亡, 还会造成恶劣的社会影响, 这一点必须铭刻在心 国内各油气田, 过去由于钻井总体技术水平的限制和缺少先进的井控装置, 尤其是对井喷的危害缺乏统一的 正确的认识, 曾发生过多次严重井喷 井喷失控和着火事故 那时候的井控工作重点往住放在事故的处理和恢复控制上, 很少投入力量系统地研究平衡钻井及井控技术, 致使井控工作在较长一段时期成为钻井系统工程中的薄弱环节 井喷失控的危害是多方面的, 尤其在注重社会 经济与环境效益和谐发展的今天, 无论是地质还是工程专家们都应把防止井喷作为自己的主要职责, 凡是明知故犯或玩忽职守造成井喷失控事故者都应受到行政或法律的制裁, 不能以 花钱买教训 来搪塞 据有关文献资料不完全统计, 截止到 八五 末, 全国累计发生井喷失控井 271 口, 占已完成井 1.6, 其中井喷失控后着火的井 81 口, 井喷失控后着火烧毁 井口塌陷埋掉钻机的井 61 口 仅 1978 年至 1995 年这 18 年间发生的 173 口井喷失控井导致死亡 5 人 伤 47 人, 工程报废井 43 口, 地面直接经济损失达数亿元 1. 井喷造成设备损坏 如大庆油田的 喇 83 井 杏 5 井 都是因井喷失控将整套设备陷入地下 仅四川从 1957 年到 1981 年发生井喷着火 31 井次 烧毁钻机 18 台 全国从 1950 年至 1997 年发生井喷失控井 319 口, 井喷失控后着火井 78 口, 烧毁钻机以及因井喷地层塌陷埋掉钻机 59 台 造成的损失是相当惊人的 案例 1-1:1989 年 1 月, 青海油田 台南 2 井 取心起钻途中, 发生溢流, 因没有安装相应尺寸的闸板芯子, 防喷器未能关井 ( 岩心筒为 7, 而防喷器芯子为 5½ ) 发生严重井喷, 大量气流泥砂喷出, 把井口的岩心筒及 6¼ 钻铤 转盘一起顶出 12 米高, 并将转盘挂在井架大腿横拉筋上 3 分钟以后在二层台上起火 虽然抢关防喷器将火扑灭, 但由于压力过大, 将放喷管线内闸门芯子蹩断, 造成 1 人当场死亡,9 人受伤 两天后防喷器被刺坏, 喷出大量气流和泥砂, 喷高达 米 该井经过 40 多天的抢险工作, 利用间歇停喷时机抢注水泥封堵成功 但井架底座 游动滑车 大钩 水龙头 转盘 全套液压防喷器及节流管汇 两台振动筛 岩心筒 钻铤等报废, 造成机毁人亡 全井报废的重大经济损失 2. 井喷造成人员死伤 这类事在四川 华北 胜利 中原等大油田都曾发生过 仅四川石油管理局 钻井队 1966 年的

11 第一部分油气井压力控制技术 一次井喷事故中就死亡 6 人 案例 1-2:2003 年 12 月 23 日, 重庆市开县高桥镇由川东石油钻探公司承钻的 罗家 16 井, 在起钻时发生井喷, 富含硫化氢的天然气从井口喷出 30 多米, 井喷失控导致在短时间内有毒气体随空气大面积迅速扩散, 发生了震惊中外的 井喷事故 事故造成 243 人死亡,4000 多人受伤, 疏散转移群众 6 万多人,9.3 万多人受灾, 直接经济损失 1.6 亿, 教训是非常惨痛的 3. 井喷造成油气资源的浪费 无控制的井喷, 不仅喷出了大量的油气, 而且对油气藏储量的损失是难以计算的, 可以说是对油气藏的灾难性的破坏 仅四川 合 4 井 等 8 口井喷失控事故井的统汁, 因井喷放空的 6.98 亿方天然气占其 11% 的储量, 损失惊人 案例 1-3:1958 年, 四川长桓坝气田 长 1 井 嘉陵江气藏, 井喷排放天然气量超过 1000 万方 / 天, 损失天然气达 4.61 亿方, 占该气田总储量的 62%, 致使该气藏几乎失去了开采价值 4. 井喷造成环境污染 喷出的油气随风飘扬, 对周同环境造成严重的污染, 特别是喷出物含有硫化氢的时候, 搅得四邻不安, 人心惶惶, 影响极坏 案例 1-4:1986 年 8 月, 中原油田 卫 146 井 发生强烈井喷, 失控后立即打乱了该局正常的工作 局领导主要成员亲临前线, 组织指挥抢险工作 兄弟油田 地方政府和本油田的兄弟单位先后前来支援, 组织了 800 多人参加的抢险队伍 熊熊烈火当场烧死一人 重伤一人 ( 后因抢救无效牺牲 ) 13 人不同程度烧伤 为扑灭大火, 曾先后动用消防车 30 余辆 受污染的良田面积达 3000 余亩, 损失惨重 5. 井喷造成油气层污染 据四川石油管理局多年的井喷事故井统计资料分析, 凡是钻井液喷空后压井或反复测试后压井, 都会对产层造成严重伤害, 其产量将下降 30-50%, 甚至有的井不经酸化则见不到产量, 可以说井喷后压井是油气层污染的罪魁 6. 井喷造成报废井 井喷失控到了无法处理的时候, 最后不得不把井眼报废, 如新疆柯克亚地区的几口高产深井, 胜利油田的 罗 5 井 新罗 5 井, 川东北地区的 清溪 1 井 等事例枚不胜举 7. 井喷造成人员资金损失 除上述几项有关的因素外, 在处理井喷事故时, 如灭火 压井 钻救援井等都需要投入大量的人力 物力 财力, 还要赔偿因井喷而造成的其他一切经济损失 8. 井喷打乱了正常的生产秩序 失控井喷特别是井喷着火, 往往要震惊整个油田甚至地方行政部门, 要调集各种可用的手段来处理事故, 正常生产秩序被彻底打乱了 案例 1-5:1970 年 7 月, 大港油田 港 75 井 循环钻井液时发生严重井喷, 方补心冲出转盘, 钻井液和砂石随着强大的气流喷至天车以上, 随即由上而下起火, 引起钻机 转盘 钢丝绳 气路管线 机房

12 第一部分油气井压力控制技术 地面等处的油污起火 起火后油井停喷, 随后火熄灭 但不久又发生第二次强烈井喷, 火柱冲天而上, 迅猛异常, 将钢丝绳烧断, 钻具顿至井底, 游动滑车和大钩砸下, 倒挂在水龙头上, 水龙带随即烧坏, 强大的火柱从水龙头鹅颈管喷出 约半小时以后井架倒向机房方向, 整个设备被倒塌的井架压住 井架倒塌后, 强大的天然气流将鹅颈管刺穿, 火分两股, 一股直冲天空, 高达数十米, 一股冲向井架底座前面, 火舌从地面卷起, 高达十余米, 整个井场一片火海 原石油部军管会 天津市革委会 天津驻军和油田领导为扑灭大火都亲临现场, 组织抢险灭火工作 油田驻军也投入了激烈的战斗 抢险人员先后达上万人次 但由于地面火势太大, 人无法接近井口, 不得不通过天津驻军调来炮兵, 用大炮打掉水龙头鹅颈管, 使火柱冲向天空 可见社会影响之大 大量的实例告诉我们, 井喷失控是钻井工程中性质严重 损失巨大的灾难性事故 其危害可概括为以下 6 个方面 : ⑴. 打乱全面的正常工作秩序, 影响正常生产 ⑵. 使钻井事故复杂化 ⑶. 井喷失控极易引起火灾和地层塌陷, 影响周围千家万户的生命安全, 造成环境污染, 影响农业 水利 渔场 牧场 林场建设 ⑷. 伤害油气层 破坏地下油气资源 ⑸. 造成机毁人亡和油气井报废, 带来巨大的经济损失 ⑹. 涉及面广, 在国际 国内造成不良的社会影响 近年来, 世界各国都十分重视井控技术的研究, 我国在总结各油田井控工作经验和吸收国外先进技术的基础上, 相继颁布实施了许多关于井控技术和管理的标准 条例和法规, 向科学化 标准化和正规化方面迈出了一大步 各油田企业也加大了井控管理和培训力度 在井控工艺技术 井控装置和理论研究方面也有了长足的进步 第三节造成井喷失控的原因 综观各油气田发生井喷失控的实例, 井喷失控的直接原因大体可归纳为 : 1. 起钻不灌钻井液 抽吸造成诱喷 案例 1-6:1993 年, 某油田某定向开发井,2 月 27 日钻至井深 1133 米时测斜完,14:00 开始起钻, 起至第四柱下单根时遇阻多提 8-10 吨, 起第五 第六柱均遇阻, 第七柱发现 拔活塞 现象, 接方钻杆向钻杆内灌注钻井液, 循环 30 分钟误认为正常, 卸方钻杆继续起钻 16:00 起第九柱时发生强烈井喷 该井仅接有一条放喷管线, 在放喷 压井过程中放喷管线被堵 19:30 井口周围 200 米范围地层憋破, 多处地表冒气, 钻井队被迫打开防喷器 后喷势增大, 井口周围方圆 25 米内气流窜出地面, 被迫停柴油机 发电机, 人员撤离井场 20:20 井架 1 号大腿处被喷出物撞击着火,10 分钟后井架被烧倒, 火势迅速蔓延到整个井场 2. 没有及时准确地发现溢流, 处理措施不当 前几年因井队人员缩编和有偿解除劳动合同等原因, 钻井队生产班组人数减少, 有些油田甚至将钻井

13 第一部分油气井压力控制技术 生产班组的坐岗岗位取消, 将钻井生产班组坐岗人员的职责全部交给地质录井人员, 而地质录井人员和钻井生产班组在作业过程中又缺乏有效沟通, 以致不能及时发现和通报钻井作业班组溢流预兆, 或违规操作造成的循环池钻井液液量变化, 最终导致井喷乃至恶性井喷事故发生, 事故就是一起典型案例 案例 1-7:1989 年, 某油田某井 9 月 16 日凌晨 4:55, 泥浆工发现液面有少量油花和气泡 ( 溢流预兆 ), 钻井液密度由 1.31 下降到 1.3g/cm 3, 粘度由 51 上升到 63 秒, 未引起重视 5:05 槽面气泡增多 油气味浓, 仍未引起重视 5:35 见泵压不正常, 停钻检查, 钻井液从喇叭口涌出, 凭经验判断要井喷, 立即鸣笛报警 司钻发现井口外溢, 但未采取关井措施, 只抢接钻具止回阀 卸方钻杆时大钳打滑,3 分钟才卸开方钻杆 此时钻杆内开始喷钻井液, 几次抢接止回阀失败后打开放喷管线, 关防喷器, 因喷出物中的岩屑撞击 4 号罐引起着火, 烧毁钻机 有的井发现溢流后不是及时正确地关井, 而是继续循环观察, 致使气侵段钻井液或气柱迅速上移, 再想关井, 为时已晚 3. 井口不安装防喷器或井控装备的安装及试压不符合 钻井井控技术规程 要求 缺少井控意识, 片面性地追求节省钻井成本, 减少钻井装备投入, 压缩设备折旧 存在侥幸心理, 认为地层压力系数低, 不会发生井喷, 用不着安装防喷器 思想麻痹, 井控装备配套数量不足, 配有的防喷器只能保证重点探井和特殊工艺井 没有风险意识, 认为几百米的浅井几天就打完了, 用不着安装防喷器 案例 1-8: 某油气田某井 1995 年发生井喷失控后, 在处理过程中才发现防喷器组合为 70MPa 压力等级, 而防喷管线的内控闸门却是 35MPa 压力等级 因而, 无论是关井 压井等作业, 只能按井控装备承压能力为 35MPa 考虑 常见的井控装备安装问题诸如 : ⑴. 井控装备的安装及试压, 特别是放喷管线 钻井液回收管线 内控管线各部位的连接不是法兰丝扣连接, 而是现场低质量的焊接 ⑵. 连接管线的尺寸 壁厚 钢级不符合要求 弯头不是专用的铸钢件 小于 120º 放喷管线不用水泥基墩固定, 或是虽然固定了但间隔太远 放喷管线没有接出井场或管线长度不够 ⑶. 防喷器及节流压井管汇各部件没有按规定的试压, 各部件中阀门出现的问题最多, 有的打不开, 有的关不上, 有的刺漏 ⑷. 闸板防喷器不安装手动操纵杆 ⑸. 不安装灌钻井液管线, 而是把高压内控管线当作灌钻井液管线使用 ⑹. 井口套管接箍上面的双公升高短节丝扣不规范, 造成刺漏 ⑺. 防喷器与井口安装不正 关井时闸板关不严, 造成刺漏 ⑻. 防喷器橡胶件老化, 不能承受额定压力 ⑼. 控制系统贮能器至防喷器的液压油管线安装不规范 漏油 ⑽. 远程控制台摆放位置不符合要求等 4. 井身结构设计不合理, 对浅气层的危害性缺乏足够的认识

14 第一部分油气井压力控制技术 表层套管下入深度不够, 技术套管下入深度又靠后, 当钻遇下部异常压力地层关井时, 在表层套管鞋处蹩漏, 钻井液窜至井场地表, 无法实施有效关井 还有的井应该在打开油气层前实施先期完井, 设计往往采取后期完井, 给井控工作带来了麻烦 许多人认为浅气层井浅, 最多几百米深, 地层压力低, 不会惹麻烦 而实际上, 井越浅, 平衡地层压力的钻井液柱压力也越小, 一旦失去平衡, 浅层的油气上窜速度很快, 时间很短就能到达井口, 很容易让人措手不及 而且浅气层发生井涌井喷, 多是没有下技术套管的井 即使关上井, 很容易在上部浅层或表层套管鞋处蹩漏地层 浅气层的危害性必须引起足够的重视, 要从井身结构和一级井控上下功夫 案例 1-9:1994 年, 某油气田某井,φ339.7 毫米表层套管下深 米, 井口装有液压防喷器, 但未配远程控制台 钻至井深 米, 钻时明显加快 气测异常 总烃含量上升, 循环观察 5 周, 气测值恢复正常 根据地质设计要求起钻准备取心, 刚起出一柱钻杆坐于转盘准备卸扣时即发生井涌, 喷出转盘面上 米,1 分钟后喷至二层台 因未装远程控制台, 只能用手动锁紧装置关井, 而手动锁紧装置的锁紧杆和活塞杆锁销被扭断, 致使关井失败, 导致井喷失控 约 4 个半小时后钻杆在转盘处被刺断, 防喷器底法兰与四通也被带砂气流刺穿, 后因未经许可擅入井场的运输车排气管排出的火花引发爆炸起火 5. 钻遇漏失层段发生井漏未能及时处理或处理措施不当 发生井漏以后, 钻井液液柱压力降低, 当液柱压力低于地层孔隙压力时就会发生油气侵 井涌乃至井喷 案例 1-10:1998 年 3 月, 某油田某井选址时, 未对区域诸如煤矿采掘矿井 坑道的分布走向 长度和离地表深度进行调查 地质钻井工程设计中又未采取针对性的技术措施, 米井段发生多次井漏, 多次采用桥塞钻井液堵漏, 累计漏失钻井液 方, 桥塞钻井液 方 后用密度 1.09g/cm 3 的钻井液钻至井深 米时, 发生溢流后井口微涌 将钻井液密度提高到 1.14g/cm 3 又发生井漏, 漏速 2-8 方 / 小时 后又钻至井深 米时井涌, 涌势猛烈关井观察, 关井套压最高达 8.1MPa 因表层套管下深仅 米, 只考虑了封固地表疏松跨塌层段, 没有考虑封隔煤层, 裸眼长, 漏层多, 导致井涌关井后天然气窜入附近煤矿采掘坑道, 继而蔓延到数个煤矿, 致使采煤工人死伤和硫化氢中毒, 出现大面积受灾 不得不进行间断放喷, 随后进行压井处理 6. 空井时间过长, 又无人观察井口 空井时间过长, 一般都是由于起完钻后修理设备或是等技术措施 由于长时间空井不能循环钻井液, 造成气体有足够的时间向上滑脱运移 当运移到井口时已来不及下钻, 此种情况下关闸板防喷器不起作用, 关环形防喷器要么没有安装, 要么胶芯失效, 往往造成井喷失控 7. 相邻注水井不停注或未减压 这种情况多发生在老油田 老油区打调整井的情况 由于油田经过多年的开发注水, 地层压力已不是原始的地层压力, 尤其是遇到高压封闭区块, 它的压力往往大大高于原始的地层压力 如果采油厂考虑原油产量, 不愿意停掉相邻的注水井, 或是停注但不泄压, 往往造成钻井的复杂情况发生 8. 钻井液中混油过量或混油不均匀, 造成液柱压力低于地层孔隙压力

15 第一部分油气井压力控制技术 这种情况多发生在深井 探井 复杂井, 出于减少摩阻 改善钻井液性能 稳定井壁 钻井工艺的需要, 往往要在钻井液中混入一定比例的原油 但在混油过程中, 加量过猛导致不均匀, 或是总量过多, 都会造成井筒压力失去平衡 此外, 当卡钻发生后, 由于需要泡原油 柴油 煤油解卡, 从而破坏了井筒内的压力平衡, 此时如果不注意二级井控, 常常会造成井涌 井喷, 酿成更重大的事故 9. 未能提供准确的地层孔隙压力资料, 造成钻井液密度低于地层当量密度 案例 1-11:1997 年 6 月 14 日 20:15 某油气田某井取心钻进至 米, 因最后 1.6 米钻速突快, 当时判断可能钻遇高压油气层, 钻井液密度 1.74g/cm 3 ( 设计值 g/cm 3 ) 故决定割心起钻, 循环钻井液观察后效, 至 20:45, 甲方监督为了不影响岩心收获率要求停止循环立即起钻, 起出 2 立柱钻杆发现井口溢流,3-5 秒钟后井喷, 喷高 10 米 关井 15 分钟后关井立压 4.5MPa 套压 5MPa 在压井过程中因回收钻井液闸门开启不畅, 在抢换过程中, 套压上升为 25MPa 环形防喷器刺漏,23:24 又关半封闸板防喷器控制井口, 用一条放喷管线放喷, 套压 18MPa, 此时半封闸板防喷器也被刺坏 15 日 0:30 终因半封闸板防喷器完全刺坏而失控 处理过程中井内钻具刺断, 经多次压井成功后打捞出钻具 2111 米 在倒扣 套铣无效后侧钻至 3147 米完钻 造成本井井喷失控的原因还有 : 井控设备存在多处隐患未得到及时整改 起钻前未搞短程起下钻的情况下循环时间不够就起钻 套压为 5MPa 时活动钻具导致环形防喷器刺漏 座岗人员责任心太差, 未及时发现溢流显示, 当井口外溢 3-5 秒后就井喷等等 10. 思想麻痹, 违章操作 由于思想麻痹 违章操作而导致的井喷失控在这类事故中占有一定的比例 案例 1-12: 某油田某井设计钻井液密度 g/cm 3, 钻进中出现井涌, 用 g/cm 3 的钻井液才压稳油气层, 后仍用低密度钻井液进行起下钻作业 7 月 28 日取心钻进至 米割心起钻, 起至 38.4 米, 钻柱内冒钻井液, 抢接回压阀和钻方杆失败, 井喷喷高 40 米, 将井内钻具喷出 案例 1-13:2003 年, 罗家 16H 井在起钻前和起钻过程的一些重要环节上违规违章, 最后导致特大恶性井喷事故的发生 主要的违规违章情况有 : ⑴. 起钻前最后钻进 9 米, 遇快钻时 ( 钻时从 34.4 降到 6.2 分钟 / 米 ) 未引起司钻和值班干部的重视, 没有采取任何措施 ( 如停钻 停泵观察 ) ⑵. 起钻前在含硫气层 (151g/m 3 ) 中水平钻进 米, 更应用短程起下钻检验起钻是否因抽吸等原因产生后效, 起钻前未进行短程起下钻 ⑶. 起钻前循环时间不够 根据当时的井眼参数 井深和钻井泵流量, 循环一周需 61 分钟, 但作业班仅循环 35 分钟后就起钻 ⑷. 起钻中未按规定及时向井内灌满钻井液 井队自己规定每起出 3 柱钻杆应向井内灌满钻井液, 实际起钻时 4 次 5 柱以上才灌一次钻井液 开始起钻就是起 6 柱才灌一次 间隔时间最长的达 9 柱才灌一次钻井液 从灌钻井液的录井曲线上看, 大多数灌钻井液时都未达到规定值, 且没有挂泵的持续时间, 只能

16 第一部分油气井压力控制技术 认为灌钻井液时司钻刚挂上泵就摘泵, 根本就未灌进钻井液 ⑸. 钻井作业班起钻时无座岗人员观察和记录循环池液面变化和其它溢流显示, 因此未及时发现溢流 ⑹. 设计产层钻井液密度安全附加值为 g/cm 3, 实钻钻井液密度安全附加值为 0.15g/cm 3 液柱压力比地层压力高 5.45MPa, 相当于环空 米 (9.86 方 ) 液柱产生的压力, 在起钻过程的各个环节, 该压力由于作业班违规违章而被损耗, 因此而引起的循环池液面变化异常也未被发现 ⑺. 起钻过程安排修顶驱, 时间长达 4 小时 20 分钟 修完顶驱后又未下钻到底循环一周观察而直接起钻, 延长了循环停止时间 ( 发生井喷前停止循环时间长达 18 小时 21 分钟 ) 第四节搞好井控工作的对策 搞好井控工作至少要从以下几方面入手 : 1. 上级领导和设计 施工作业人员, 要高度重视, 真正认识到 井喷就是事故, 是钻井工程中性质严重 损失巨大的灾难性事故 2. 有一个好的钻井地质工程设计 凡是石油天然气钻井, 均应有一个符合地质条件的井身结构设计, 均应安装符合标准的井控装置 3. 要严格执行有关井控安全的各项标准 规定, 落实到具体操作岗位上 任何时候, 任何人均不能存在麻痹 侥幸思想 4. 要严格执行井控管理制度 不能因为本油田 本公司十几年 几十年未发生井喷失控或者着火等事故, 就有什么松懈情绪 5. 现场井控技术或井控工作的重点, 应是认真维护 保养好井控装置, 严格执行座岗制度, 及时发现溢流, 及时关井 关井越及时, 越容易控制井喷, 并使井很快恢复正常 任何时候都不要在发生溢流后敞开井口的情况下, 试图强行起下钻 第五节井控培训要求 井控工作包括井控设计 井控装备 钻开油气层前的准备工作 钻开油气层和井控作业 井喷失控的处理, 防火防 H2S 安全措施 井控技术培训等方面 开展井控培训对充分认识井控工作的重要性, 了解井喷失控事故的严重性 灾难性, 统一各级领导的思想认识, 确保井控工作有计划 有组织地正确开展有着重要的现实意义 本教材对井控培训的要求 : 1. 通过井控培训提高各级领导对井控工作重视程度, 把井控工作与保护油气层紧密联系起来, 实现近平衡压力钻井以利发现和保护油气层, 提高油气井的产量, 预防井喷失控实现安全生产 2. 通过井控培训获得相关知识及时发现溢流实施正确的关井程序 进行有效控制, 并及时组织压井作

17 第一部分油气井压力控制技术 业, 尽快地恢复正常的钻井工作 3. 通过井控培训强化井控意识, 工作中自觉地贯彻石油与天然气钻井井控技术规定和制度, 建立和健全井控管理系统 4. 通过对指挥钻井现场生产的领导干部和技术人员 井队基层干部和正 副司钻等人员的井控培训, 使其掌握井控专业知识 基本操作要领, 一旦出现井喷预兆, 都能按岗位分工协调 正确地实施井控操作, 确保安全生产 5. 通过井控培训了解配套的防喷器 节流压井管汇及控制系统等井控装备性能 参数 使用 维护保养要求 恶性井喷事故会带来触目惊心的损失, 造成巨大的资源浪费 环境污染和恶劣的社会影响 井喷失控事故的多属人的因素 工作细节等原因, 井喷一定程度上是人祸 是天灾, 历史的发展一再证明井喷是可以预防和控制的 强化对高 低压油气井及浅气层钻井的防喷井控工作的认识, 系统地协调各部门的分工与配合, 严格按客观规律办事, 杜绝麻痹 马虎凑合等思想, 严格执行 SY/T6426 钻井井控技术规程, 注意发现新情况, 总结新经验, 努力提高井控工作水平 近年来, 我国十分重视井控工艺技术的研究, 并相继颁布了许多关于井控技术和管理的条例和法规 各油田企业也结合本地区油气钻井的特点, 制定相应的实施细则和各项行之有效的规章制度, 并不断地提升井控装备配套水平 加大井控管理和培训力度以强化井控意识 但随钻井工艺技术的发展, 井控问题仍然比较突出, 搞好井控工作的责任仍然很大 复习与思考题 1. 基本概念 : 井控 溢流 井喷失控 2. 井控分哪几级? 什么是一级井控 二级井控 三级井控? 3. 井喷有哪些危害? 4. 造成井喷的主要原因有哪些? 5. 钻井作业现场应掌握哪些井控知识和技能?

18 第一部分油气井压力控制技术 第 2 章 井下各种压力概念及相互关系 保存在地层孔隙内的流体 ( 油 气 水 ) 所具有的压力称为地层压力 在钻井过程中, 当钻至油气水层后, 地层压力便作用于井底 在充满钻井液的井眼中, 井底具有以钻井液液柱为主的井底压力 井底压力与地层压力的差值称为井底压差 当地层压力大于井底压力时, 井底压差为负压差, 地层孔隙中的流体便会浸入井内发生溢流 井喷事故 当井底压力大于地层压力时, 井底压差为正压差, 地层孔隙中的流体就不会侵入井内 但是, 当井底正压差较大时也会产生油气伤害等问题 学习油气井压力控制技术首先要了解和掌握井下的各种压力基本概念及相互关系 第一节压力的概念 压力是油气井压力控制技术的最主要的基本概念, 了解压力的概念及各种压力之间的关系对于学习掌握油气井压力控制技术非常重要 力的最简单概念是物体的重量 例如一段圆柱体放在桌面上, 其作用在桌面上的力等于它的重量, 这个力作用到桌面上, 方向向下 ( 图 2-1 所示 ) 因为桌面没有运动, 桌子也在反方向给其以相等的力 所谓压力是指物体单位面积上所受的垂直力, 用 (P) 表示 圆柱体对桌面压力 的大小取决于该圆柱体的底面积和重量, 此时压力为该圆柱体重量被其底面积除 图 2-1: 圆柱体对桌面压力 由可见压力与力和面积有关, 其定义式为 : N P = (2-1) S 式中 P- 物体受到的压力,Pa N- 物体表面受到的力,N S- 受力面积,m 2 1. 国际单位制的压力单位 国际单位制中压力单位是帕 (Pa),1Pa 是指 1 平方米 (m 2 ) 单位面积上受到 1 牛顿的力 (N) 时形成的压力 (1N/m 2 ) 由于帕的单位太小, 不利于工程计算和使用, 有时用千帕 (KPa) 和兆帕 (MPa) 单位 换算关系如下 : 1KPa= Pa 1MPa= kpa= Pa 2. 国际单位与工程单位的换算 现用的国际力学单位与过去工程单位的换算关系 : 1MPa=10.194kgf/cm 2 ( 现场多粗略地认为 1MPa=10kgf/cm 2 ) 1kgf/cm 2 =0.098MPa

19 第一部分油气井压力控制技术 3. 英制单位与国际单位的换算 在英制单位中压力的单位是 psi( 磅 / 英寸 2 ), 与国际单位的换算关系 : 1psi=6.895KPa 或 1000psi 7MPa 油气井压力控制技术中的很多压力是由液体和气体产生的, 但压力的概念是一样的, 所不同是液体和气体在某点上的压力在各个方向相等 第二节静液压力 静液压力定义为在静止液体中的任意点液体所产生的压力, 用 (Pm) 表示 静液压力是由静止流体重力产生的压力, 是液体密度和垂直高度的函数, 其大小取决于液体密度和垂直高度, 和液柱横向尺寸及形状无关, 单位兆帕 (MPa) 静液压力同样可以用计算圆柱体压力的计算方法来计算, 由于液体具有特殊性 其定义式为 : P m = gρ H (2-2) 10 3 m m 式中 :Pm- 静液压力,MPa ρm- 液体密度,g/cm 3 g- 重力加速度 ( 一般取 9.81),m/s 2 Hm- 液柱高度,m 图 2-2 表示出了井内钻井液液柱静液压力与地层孔隙水的静液压力 对于一口井的井底静液压力仅取决于液体密度和液柱的垂直高度, 与井眼尺寸无关, 了解这一点非常重要 案例 2-1: 已知钻井液密度 1.20g/cm 3, 井深为 2000 米 图 2-2: 钻井液静液压力与地层压力求 : 井底静液压力 解 : 钻井液液柱静液压力 (Pm)= ρmHm= =23.544(MPa) 案例 2-2: 如图 2-2 所示, 井内钻井液密度 1.20g/cm 3, 地层水的密度为 1.07g/cm 3, 求井深 3000 米处的静液压力及地层孔隙内液体的压力 解 : 钻井液液柱静液压力 (Pm)= =35.316(MPa) 地层内孔隙液体的压力 (Pp)= =31.49(MPa) 对井深需要特别注意的是, 井深必须用垂直井深, 而不是测量井深 ( 或钻柱的长度 ) 静液压力仅取决于液体密度和液柱的垂直高度, 与井眼尺寸无关 图 2-3 表示几种情况下井底压力变化 第三节压力梯度 压力梯度定义为单位垂直高度压力的变化, 用 (Gm) 表示, 单位 MPa/m 或 KPa/m 是每增加单位垂直深度压

20 第一部分油气井压力控制技术 力的变化量, 即每米垂直井深压力变化值或每 10 米垂直井深的压力变化值 其计算公式 : G P m m= gρm (2-3) H m =10 3 式中 Gm- 静液压力梯度,MPa/m 其他符号意义与 (2-2) 式相同 钻井现场有关压力的表示方法有 4 种 : 图 2-3: 井底静液压力 1. 用压力的单位表示 这是一种直接表示法, 如 100kPa 10MPa 2. 用压力梯度表示 压力梯度表示的好处或方便之处是在对比不同深度地层中的压力时, 可消除深度的影响 而该点的压力只要把压力梯度乘上深度即可得到 案例 2-3: 已知钻井液密度 1.20g/cm 3, 井深 3500 米, 求压力梯度和井底静液压力 解 : 压力梯度 Gm=10-3 gρ m = = (MPa/m) 钻井液静液压力 Pm=GmHm= =41.203(MPa) 在英制单位中, g=0.052ft/s 2, 其静液压力公式为 :Pm=0.052ρmHm 式中 Pm- 静液压力,psi ρm- 液体密度,ppg Hm- 液柱垂直高度,ft ppg 与 g/cm 3 的换算关系是 :1g/cm 3 =8.33ppg ft 与 m 的换算关系是 : 1m=3.048ft 其压力梯度公式为 : Gm=0.052ρm 式中 Gm- 压力梯度,psi/ft ρm- 密度,ppg 在使用英制单位时, 压力梯度一般为每英尺井深的压力增量

21 第一部分油气井压力控制技术 3. 用流体当量密度表示 某点压力等于具有相当密度的流体在该点所形成的液柱压力 这个密度常称为液体当量密度 Pm Pm ρ e = = = 102Gm (2-4) 10 3 gh H m m 式中 ρe 钻井液当量密度,g/cm 3 如 2000 米处的压力为 MPa, 则 ρe=23.544mpa/( m)=1.20g/cm 3 当量密度表示方法与压力梯度类似, 也可以在对比不同深度压力时消除深度带来的不便 钻井时可用钻井液密度的对比表示压力的对比, 非常直观方便 在钻井过程中遇到的地层压力可分为三类 : 正常地层压力 :ρe= g/cm 3 异常高压地层 : ρe>1.07g/cm 3 异常低压地层 : ρe<1.00g/cm 3 4. 用压力系数表示 这是某点压力与该点水柱静压力之比 ( 无因次 ), 其数值等于该点的钻井液当量密度 我国现场人员常说某井深处的压力系数是多少, 实际仍是当量密度, 只不过去掉了密度量纲, 只言其数值罢了 由于, 有压力表示方法的不同, 对于某一压力可能有不同的叫法, 但意思却是说的同一个压力 例如说 2000 米处的压力是 MPa, 也可说压力梯度是 MPa/m, 也可说当量密度是 1.20g/cm 3, 或说压力系数 1.20 英制单位中, 除无压力系数的说法外, 其余表示法相同, 只是用英制单位 英制单位中清水的压力梯度为 0.433psi/ft 静液压力梯度受液体的密度和含盐 气体的浓度以及温度梯度影响 含盐浓度高会使静液压力梯度增大, 溶解气体量增加和温度增高则会使静液压力梯度减小 油气井钻井中钻遇有代表性的平均静液压力梯度有两类 : 一类是淡水和淡盐水盆地,Gm 为 (MPa/m) 一类是盐水盆地,Gm 为 (MPa/m) 这相当于总含盐量为 80g/L 的盐水柱在 25 时的压力梯度, 平均静液压力梯度大多数为后一种 案例 2-4: 已知钻井液密度 =1.24g/cm 3, 井深为 3353 米 求 : 压力梯度和井底静液压力 解 : 根据 (2-4) 式计算压力梯度 Gm=10-3 gρm=0.0098l l.24= (mpa/m) 静液压力 Pm=10-3 gρmhm=0.0098l l =40.787(MPa) 第四节上覆岩层压力

22 第一部分油气井压力控制技术 某处地层上覆岩层压力是指覆盖在该地层以上的地层基质 ( 岩石 ) 和孔隙中流体 ( 油气水 ) 的总重量造成的压力 用 (Pob) 表示, 单位 MPa 如果用 Pob 表示上覆岩层压力, 且沿垂直高度 h 内各参数取平均值, 则上覆岩石压力等于 ( 基岩重力 + 液体重力 )/ 面积 基表达式为 : P ob ( φ ) ρ + φρ ) = gh 1 (2-5) ma f 式中 :Pob- 上覆岩层压力, MPa φ- 孔隙率,% ρma- 岩石骨架密度, g/cm 3 ρf- 孔隙中流体密度, g/cm 3 h- 地层垂直深度,m 岩石密度与孔隙度的大小和埋藏的深度有关 假设上覆岩层压力随深度的增加而均匀的增加, 如果岩石的平均密度为 2500(kg/m 3 ), 平均孔隙度为 10%, 流体的密度为 (1000kg/m 3 ), 则按式 (2-5) 计算可知上覆岩层的压力梯度 Gmob=0.0230(MPa/m) 上覆岩石压力与基岩应力 地层孔隙压力间存在关系 :P0b=σ+pp 式中 P0b- 上覆岩石压力, MPa σ- 基体岩石压力, MPa pp- 地层孔隙压力, MPa 同样也可以写成 :Gm0b=Gm+Gp 式中 Gmob- 上覆岩石压力梯度,MPa/m Gm- 基体岩石压力梯度,MPa/m Gp- 地层孔隙压力梯度,MPa/m 上覆岩石压力与基岩应力 地层孔隙压力间关系见图 2-4 所示 图 2-4: 上覆岩层压力与地层孔隙压力的关系 第五节地层压力 ( 或称地层孔隙压力 ) 地层压力是指作用在岩石孔隙内流体 ( 油气水 ) 上的压力, 也叫地层孔隙压力, 用 (Pp) 来表示, 单位 MPa 正常地层压力等于从地表到地下该地层处的静液压力 其值大小与沉积环境有关 根据式 (2-5) 的计算原理, 可求得大多数正常地层压力梯度为 Gm=0.0107(MPa/m) 地层流体压力是在地质发展过程中形成的, 最普遍的情况可以用三角洲沉积环境为例说明 由江河带至入海口的碎屑沉积下来, 起初沉积松软, 末压实, 因而具有较大的孔隙度和渗透性 海水与这些沉积物混合, 沉积孔隙 与海水沟通, 而具有水静压力 沉积一再发生, 固体颗粒的重量便由颗粒对 颗粒的接触而受到支持 上部沉下的固体对下部的流体静压力没有影响 因 1- 正常压力 ;2- 异常压力 ; 图 2-5: 砂岩层的正常与异常

23 第一部分油气井压力控制技术 此, 沉积物孔隙中包含的流体的水静压力只决定于流体的密度 ( 图 2-5 所示 ) 随沉积的继续则埋藏深度增加, 以前沉积的岩石颗粒受到通过颗粒对颗粒接触传递而增加的载荷导致颗粒重新排列压紧, 更加压实, 孔隙度减小 由于压实, 水不断地从减小的孔隙里被挤出 只要有通向地表的渗透通道, 地层中某点的水静压力或孔隙压力仍可用下式计算 : P = ρ H + P p w w m (2-6) 式中 :ρw 地层水密度,g/ cm 3 Hw 测点深度,m Pp 地表压力,MPa Pm 地层孔隙压力,MPa 1. 正常压力地层 正常情况下, 地下某一深度的地层压力等于地层流体作用于该处的静液压力, 这个压力就是由某深度以上地层流体静液压力所形成的 盐水是常见的地层流体, 它的密度大约为 1.07g/cm 3 因此, 地层压力梯度大约是 MPa/m 按习惯, MPa/m 的地层压力梯度是正常的, 将深度乘以 MPa/m 就可求得含盐水地层压力 此外, 如所有静液压力计算一样, 对斜井井深必须用垂直井深 2. 异常压力或超压地层 地层压力正常或者接近正常静液压力, 则地层内的流体必须一直与地面连通 这种通道常常被封闭层或隔层截断 在这种情况下隔层下部的流体必须支撑上部岩层 岩石重于地层水, 所以地层压力可能超过静液压力, 我们称这种超过静水柱压力的地层压力为异常高压或超压地层 低于静水柱压力的地层压力称为异常低压 有些地层压力低于静水柱压力, 多发生于衰竭产层和大孔隙的老地层 ( 如图 2-5 所示 ) 在正常沉积环境中, 地层处于正常的压实状态, 地层压力保持为静液柱压力, 亦即正常地层压力, 即 Pp=Pm, 压力系数为 1 在异常的压实环境中, 当地层压力小于正常地层压力时, 称欠压地层, 即 Pp<Pm, 压力系数小于 1 当地层压力大于正常地层压力时, 称异常高压地层, 即 Pp>Pm, 压力系数大于 l 钻探实践表明钻遇异常高压地层的情况更为多见, 它与钻井工程的设计及钻井工程施工 井控作业的关系也最大 第六节基岩应力 上覆岩层的重量是由岩石颗粒和孔隙内的流体共同支撑的 没有被孔隙内流体所承担的那部分上覆岩层压力称为基岩应力 是指岩石颗粒之间相互接触来支撑的那部分上覆岩石压力, 亦即有效上覆岩层压力或颗粒间压力, 这部分压力是不被孔隙水所承担的, 一般用 (σ) 表示 上覆岩层压力 地层孔隙压力和基岩应力的关系如图 2-6 所示 P0b=σ+pp (2-7)

24 第一部分油气井压力控制技术 式中 P0b- 上覆岩石压力, MPa σ- 基体岩石压力, MPa pp- 地层孔隙压力, MPa 在正常的压力环境中 (Pp=Pm), 由于颗粒和颗粒间相互接触, 岩石基体支 撑着上覆岩层重量, 而这个直接的颗粒间应力的减少 (σ 0), 将导致孔隙 内流体支撑起部分上覆岩层, 而形成异常高压 (Pp>Pm) 图 2-6: 上覆岩层压力 地层孔隙压力和基岩应力的关系 第七节地层破裂压力 作用于井内某一深度地层的液柱压力达到某一值时, 会使地层岩石破裂, 这个压力称为该地层的破裂压力 (Pf), 单位 (MPa), 是指某一深度地层发生破碎和裂缝时所能承受的压力 在某深度处, 井内的钻井液柱所产生的压力过大会使地层原有裂缝张开延伸或形成新的裂缝产生钻井液的漏失 在地层破裂之前, 液体首先必须穿入地层, 这就是说, 作用在地层上的压力必须超过地层压力, 井中压力必须大于岩石的强度 例如, 花岗岩是非常硬的, 所以其破裂梯度也会很高 另一方面, 砂岩或破碎灰岩是比较软的, 所以容易破裂 为了便于比较, 破裂压力通常以梯度 (Gf) 或密度来表示, 常用单位是 (MPa/m 或 g/cm 3 ) 大多数数据表或图表都以这个单位为基础 破裂压力梯度一般随井深增加而增大 较深部的岩承受着较大的上覆岩石压力, 可压得很致密 另一方面, 深水底部的岩层就较松, 其破裂梯度可能很小, 因此在很小的压力下, 地层就会发生破裂 影响地层破裂的因素主要包括地层本身的弹性常数 强度 天然裂缝的发育情况 孔隙压力的大小和该区地应力的特点 因此在钻井时, 钻井液柱压力的下限是保持与地层压力相平衡, 以防止对油气层的污染, 提高钻速, 实现压力控制 而其上限则不应超过地层的破裂梯度, 以避免压裂地层造成钻井液漏失, 尤其在地层压力差别较大的裸眼井段, 如设计不当或掌握不好, 会造成 先漏后喷 上吐下泻 的恶性事故 为掌握地层破裂压力通常作地层强度试验, 其目的有二, 一是了解套管鞋处地层破裂压力值 二是钻开高压层前了解上部裸眼地层的承压能力 1. 破裂压力试验 当钻至套管鞋以下第一层砂岩层时进行破裂压力试验 裸眼长短应根据砂岩层的厚度决定, 试验前应保证钻井液性能稳定, 上提钻头至套管鞋内并关闭环形空间, 用水泥车或钻井液泵进行破裂压力试验 采用水泥车试验时, 缓慢启动泵, 以小排量 ( L/s) 向井内泵入钻井液, 每泵入 15 升钻井液, 稳压 2 分钟, 并做出图 2-7 所示的典型漏失试验 曲线 图中偏离直线的压力点 (PL) 则为漏失压力 则破裂压力当量密度 (ρf) 为 : 图 2-7: 破裂压力试验曲线

25 第一部分油气井压力控制技术 100P ρ L f = ρm + (2-8) H 式中 ρf- 破裂压力当量密度,g/cm 3 ρm- 试验所用钻井液密度,g/cm 3 PL- 漏失压力,MPa H- 裸眼段中漏点井深,m 该地层破裂压力梯度 (GL) 则为 : G PL = 0.01ρ m (2-9) H L + 值得注意的是, 在直井与定向井中对同一地层作的液压试验所得到的数据不能互用 当套管鞋以下第一层为脆性岩层时, 只对其做极限压力试验, 而不作破裂压力试验 因脆性岩层做破裂压力试验时在其开裂前变形量很小, 一旦被压裂则承压能力会迅速下降 极限试验压力要根据下部地层钻进将采用的最大钻井液密度及溢流发生后关井和压井时该地层承压能力的要求来决定 试验方法与破裂压力试验一样, 但只试到极限压力为止 ( 见图 2-8 所示 ) 2. 地层承压能力试验 在钻井高压油气层前, 用钻开高压油气层的钻井液循环, 观察上部裸眼地层是否能承受钻开高压油气层钻井液动液柱压力, 若发生漏失则应堵漏后再钻开高压油气层, 这就是地层承压能力试验 承压能力试验也可以 采用分段试压的方式进行, 即每钻进 米, 就用下部地层的钻进钻 井液循环试验一次 图 2-8: 地层承压能力试验 第八节井底压差 压差是井底压力和地层压力之间的差值, 用 ( P) 表示, 单位 MPa 如果井底压力大于地层压力, 其压差为正, 如果颠倒过来, 其值为负 正值的压差通常称为超平衡 地层压力超过井底压力, 称为欠平衡 井底压差略大于零称为近平衡 在钻井过程中, 井底压差是影响机械钻速的重要因素之一, 为了保护油气层, 提高机械钻速, 通常采用近平衡压力钻井 所谓的平衡压力钻井, 就是指作用于井底的液柱压力略大于地层孔隙压力情况下进行的钻井 该技术使井底岩屑受到的压持作用最小, 以达到所钻地层实施一次控制 提高机械钻速及保护油气为目的 第九节激动压力和抽吸压力 抽吸压力发生在井内起钻时, 钻柱下端因上升而空出来的井眼空间, 以及钻井液因粘滞性附于钻柱上, 随钻柱上行而空出来的空间将由其上面的钻井液充填, 引起钻井液向下流动 这部分钻井液在流动时受有 流动阻力, 便是抽吸压力 抽吸压力系数或抽吸压力当量密度用 (Sb) 表示 其结果是降低有效的井底压力

26 第一部分油气井压力控制技术 特别是钻头泥包时, 会产生很大的抽吸压力 激动压力产生于下钻和下套管时, 因为钻具 套管的下行挤出该处钻井液, 钻井液流动受到的阻力, 便是激动压力 激动压力系数或激动压力当量密度用 (Sg) 表示 其结果是增大有效井底压力 激动压力和抽吸压力是类似的概念, 激动压力是正值, 抽吸压力是负值 影响激动压力和抽吸压力的因素有以下方面 : 1. 管柱的起下速度 2. 钻井液粘度 3. 钻井液静切力 4. 井眼和管子之间的环形空隙 5. 钻井液密度 6. 环形节流 ( 钻头泥包 ) 抽吸压力作用于钻柱下端以下直到井底, 它使井底压力减小 如果钻头 ( 钻柱下端 ) 以下有高压层裸露, 则井底压力降低可能会引起地层流体侵入井内 激动压力使井下压力加大, 大的井下压力可能压破套管鞋处裸露地层, 因为一般情况下套管鞋处裸露地层的破裂压力值最低 抽吸压力或激动压力可以进行计算 起钻时, 如果钻柱下端开口, 则认为钻井液在钻柱内外向下流动时流速相同 如果钻柱下端带有钻头, 因钻头水眼一般较小, 视之为封闭, 则认为只有环空中的钻井液向下流动 考虑到这种钻井液的流动可能是层流, 也可能是紊流 则抽吸或激动压力计算公式有 : P L = KL 4 10 n ( D Dp) b ( 2n + ) 3 6 υm 1 ( D D ) b p (2-10) P T ρ = 0.8 m 1.8 ( D D )( 3 D D ) 1. 8 b p Q b PV L p (2-11) ( ) PV = R 300 R 600 (2-12) 3.21log R 600 N = (2-13) R R300 K = (2-14) 511n

27 第一部分油气井压力控制技术 2 ( ) Dp Vm = 1.5V P (2-15) 2 2 Db Dp 4 Q = ( D b D p ) V m (2-16) 式中 pv- 塑性粘度 mpa s n- 幂律模式的流性指数, 无因次 k- 幂律模式的稠度系数, 无因次 R300 R600- 旋转粘度, r/min 时计数 Vm- 最大环空流速,m/s DP- 钻柱外径,mm Db- 井径,mm Vp- 钻柱平均提升速度,m/s Q- 因起钻引起的流量,L/s L- 钻柱长度,m ρm- 钻井液密度,g/cm 3 PL- 层流时的环中压力损失,MPa PT- 紊流时的环空压力损失,MPa 第十节钻井循环系统压力构成 在压力的推动下, 钻井液从钻井泵进入循环系统, 经地面管汇, 沿钻柱向下, 通过钻头喷嘴而后沿环形空间上返至地面进入钻井液循环罐时 ( 处于大气压的情况下井口表压为零 ), 数十兆帕的压力损失到循环系统中 ( 如图 2-9 所示 ) 这个压力损失是由钻井液循环时与所碰到的物体发生摩擦所引起的, 这些压力损失的大小取决于钻井液密度, 钻井液粘度 排量和流通面积 大部分的压力损失在钻柱内和通过钻头喷嘴时 压力还消耗在循环系统的其他部分 在任何时候, 流体通过管汇 喷嘴或者是节流孔板就要产生压力损失 排出气侵时, 使用节流阀维持套管或环形空间内的回压, 就是一个很好的例子 1. 泵压 关井立压 套压的基本概念 ⑴.[ 泵压 (P)] 图 2-9: 井筒内压力损失

28 第一部分油气井压力控制技术 泵压即钻井液泵出口处的压力, 是井内钻井液循环时所需要的压力的总和 ⑵.[ 关井立压 (Pd)] 立压是指立管压力表处钻井液具有的压力 不考虑地面管汇摩擦阻力, 正常循环时立压基本等于泵压 在发生溢流关井时, 地层压力高于钻柱内液柱压力的部分将传递到井口, 反映在立压表上, 此时的立管压力称为关井立压 关井立压大小取决于地层压力和钻井液柱压力的差值 压井作业时, 循环初始用原浆循环时, 最大立管压力 = 关井立压 + 低泵速压力 - 循环立管压力 ⑶.[ 关井套压 (Pa)] 套压是指套管压力表的读数, 是井口返出钻井液具有的压力 ( 正常循环时为零 ) 在发生溢流关井时, 地层压力高于井内液柱压力的部分或由于气体溢流的膨胀滑脱而产生的压力反映的套管压力称为关井套压 压井作业时为了保持井底压力等于或稍大于地层压力, 通常用节流阀控制产生一定的节流压力, 此时的套管压力称节流压力 2. 井眼压力系统的构成 ⑴.[ 液柱压力 ] 液体自重对其下部某深度处产生的液柱压力取决于两个参数 : 液体的密度和液柱的垂直高度 钻井过程中采用钻井液液柱压力平衡地层压力以实现安全钻井 ⑵.[ 地面压力 ] 地面压力是指作用在钻井液液柱顶部, 在地面可以用压力表读出的压力, 包括泵压 立压 套压 ⑶.[ 循环压力 ( 阻力 )] 液体流动时, 克服与管壁 液体分子之间的摩擦而产生循环摩擦阻力, 沿流动方向液体压力因循环摩擦阻力而逐渐降低称循环阻力 ( 或循环压力降 ) 循环阻力的大小与流动速度的平方 液体粘度 液体密度 管道长度成正比, 与管道直径成反比 与管道的粗糙度 管道的形状及管内液体的流型有关 ⑷.[ 波动压力 ] 波动压力是指各种操作引起的井内压力变化, 现场主要有抽汲压力和激动压力两种 井内波动压力实质上是钻井液流动产生的流动阻力, 与管柱的起下速度 ; 钻井液粘度 切力和密度 ; 井眼环空的大小 ; 管柱的形态 ( 开口 闭口 ) 等有关 过高的抽汲压力易诱发井喷, 过高的激动压力易导致地层破裂产生井漏 ⑸.[ 井底压力 ] 井底压力是指地面和井内各种压力作用在井底的总压力 包括井口压力 液柱压力 波动压力 循环压力及浸入地层液体的影响 第十一节井底压力 井底压力是指地面和井内各种压力作用在井底的总压力, 用 (Pb) 表示, 单位 MPa 不同状况下有不同

29 第一部分油气井压力控制技术 的井底压力, 钻井的各种作业中, 压力始终作用于井壁上, 大部分来自钻井液柱的静液压力 然而, 用泵将钻井液沿环形空间往上泵送时所用的压力也作用于井壁 这个环形空间压力, 即循环钻井液时的环空流动阻力, 通常较小 其它还有浸入井内的地层流体的压力 激动压力 抽吸压力 地面回压等 在不同的井况下井底压力系统的平衡关系 1. 静止状态 井底压力 = 静液压力, 即 Pb=Pm 2. 正常循环 井底压力 = 环形空间静液压力 + 环形空间压力损失, 即 Pb=Pmo+Pco 如果是反循环, 则有, 井底压力 = 静液压力 + 管柱内的阻力 即 Pb=Pmi+Pci 3. 起管柱时 井底压力 = 静液压力 - 抽汲压力, 即 Pb=Pm-Psb 如果不及时灌钻井液, 则有, 井底压力 = 静液压力 - 抽汲压力 - 液面降减小的压力 即 :Pb=Pm-Psb-Pyj 4. 下管柱时 井底压力 = 静液压力 + 激动压力, 即 Pb=Pm+Psg 5. 冲砂 钻塞时 井底压力 = 静液压力 + 环形空间阻力 + 岩屑或砂粒在钻井液中产生的附加压力 + 向下送管的激动压力 即 Pb=Pm+Pco+Pyf+Psg 6. 循环出气涌时 井底压力 = 静液压力 + 环形空间阻力 + 节流阀压力, 即 :Pb=Pm+Pco+Pjl 7. 关井时 井底压力 = 环形空间液柱压力 + 套压 = 管柱内液柱压力 + 立压, 即 :Pb=Pmo+Pa=Pm+Pd 当井内有气侵时, 则有, 井底压力 = 环形空间液柱压力 + 井口回压 + 气侵附加压力 即 :Pb=Pmo+Pa+Pfj 8. 用旋转防喷器循环钻井液时( 正循环时 ) 井底压力 = 环形空间液柱压力 + 环形空间阻力 + 旋转防喷器回压 即 :Pb=Pmo+Pco+Pfa 9. 空井时 井底压力 = 静液压力, 即 Pb=Pm 从以上 9 种情况来看, 起管柱时其他情况相同, 井底压力最小, 发生井喷的可能性较大 尤其是起管柱的不及时向井内灌钻井液的情况最为危险 第十二节排代量和容积系数

30 第一部分油气井压力控制技术 压井施工数据计算中涉及到很容积方面的计算问题, 为方便计算 提高效率 节省时间, 一些工具书 对相关井眼容积 井眼与管具环形容积 管具内容积 单位管具的体积等参数, 进行计算列表以方便查阅 从现场使用方便出发还提出了排代量 容积系数等概念 1. 排代量 排代量是指单位管具入井后替换出钻井液体积的量, 通常以一米的容积表示, 单位是立方或升 如附 表 2-1 所示各种尺寸管具的排代量, 有关内容可参考相关文献 手册 附表 2-1: 通称尺寸 (mm) (in) 壁厚 (mm) 内径 (mm) 部分常用钻杆排代量 单位重量 (kg/m) 单位体积 (L/m) 单位内容积 (L/m) ⅜" ⅞" ½" " ½" " ½" ⅝" 单位排代量 (L/m) 2. 容积系数 容积系数是指井眼 管具的容积与单位长度之比 通常以一米的容积表示, 单位是立方或升, 如附表 所示各种尺寸井眼 管具的容积系数, 有关内容可参考相关文献 手册 附表 2-2 各种尺寸井眼容积与套管的环空容积 (L/m) 井眼套管 311.1mm (76L/m) 241 mm (46L/m) 215.9mm (36.6L/m) 9⅝" ½" " mm (18.24L/m) 附表 2-3: 各种尺寸井眼与钻具的环空容积 (L/m) 井眼 311.1mm 241.3mm 215.9mm 152.4mm 钻具 (76L/m) (46L/m) (36.6L/m) (18.24L/m) 备注 8" 钻铤 " 钻铤 ¼" 钻铤 " 钻杆 内容积 9m 3 /1000m 4¾" 钻铤 ½" 钻杆 内容积 3.1m 3 /1000m 2⅞" 钻杆 内容积 2.34m 3 /1000

31 第一部分油气井压力控制技术 案例 2-5: 已知某井井深为 2000 米, 钻头直径 毫米, 使用 5 钻杆 ( 外径 127 毫米 内径 毫米 ) 钻进 求 : 计算起出 100 米钻杆后井内液面下降多少米? 解 : 查附表 2-1 得 5 钻杆的排代量为 3.4L/m 查附表 2-3 得 8½ 钻头与 5 钻杆环空容积为 23.89L/m 则液面下降 =( )/23.89=14.23(m) 复习与思考题 1. 基本概念 : 静液压力 地层压力 上覆岩层压力 2. 什么是压力波动? 波动压力对井控作业有哪些影响? 3. 什么是井底压力? 掌握不同钻井作业工况下的井内各种压力对井底压力的影响 4. 已知密度为 1.2g/cm 3, 垂直井深 1830 米, 求 : 井底钻井液静液压力 5. 已知地层压力 50.05MPa, 垂直井深 3223 米, 求 :1. 压力梯度 2. 当量钻井液密度

32 第一部分油气井压力控制技术 第 3 章 地层压力检测与预测 地层异常压力的分布范围十分广泛, 且变化范围大, 从几百米浅层到几千米的深层, 从新生界到古生界都会有大小不等的异常高压分布 异常高压地层首先影响钻井的安全, 钻井中如果未能预测到可能钻遇的异常高压层, 使用的钻井液液柱压力小于地层压力时, 会引起严重的井喷事故 反之, 为了压制井喷而使用过高的钻井液密度, 当钻井液柱压力梯度超过地层的破裂压力梯度时, 又可能导致井漏, 对油气层造成更大的污染, 甚至压死油支 安全的压力控制是使井底压力处在地层孔隙压力和地层破裂压力之间, 即既不发生井喷, 又不压破地层 可见预测检测地层孔隙压力和地层破裂压力是油气井压力控制技术的基础 第一节形成异常高压的原因 异常高压的形成与泥岩层压实过程 水热增压及脱水作用等因素有关 正常静液压力的地质环境可以看作一个水力学开启系统, 是可渗透 流体连同的地层, 允许建立或重新建立静液条件 而异常高压地层压力系统实际上是封闭的, 阻止或至少是大大限制着流体连通 岩石孔隙内液体的压力是在地质发展过程中形成的 最普遍的情况如图 3-1 所示 图 3-1: 三角洲沉积正常压力分布情况 正常地层压力和异常地层压力只有当它们被不渗透的围岩隔开的时候才能共存, 这种不渗透围岩同时像不传递压力的围岩一样作用, 流体被圈闭在岩石孔隙空间里 然后在软岩石的压实过程中, 上覆岩层重力部分地为孔隙空间里的地层流体所支撑, 因而地层流体的压力升高 在硬岩石中, 一般认为沉淀是在孔隙空间里发生, 迫使同一数量的流体占据一比较小的容积 压力圈闭的起因可以是物理的 化学的或是两者综合的结果 可以构成这种压力圈闭的, 在垂直方向上有如大段页岩和粉砂岩, 大段盐岩 硬石膏 石灰岩 泥灰岩 白云岩等, 而在水平方向上有如断层 折皱, 盐丘或尖灭等

33 第一部分油气井压力控制技术 综合分析造成异常高压的原因有以下几种 1. 流体压头的存在 储集层与一个异常高的区域性侧压水头相通, 由于液体的连通作用, 使储层形成高压 2. 封闭环境下的快速沉积 封闭环境下的快速沉积, 形不成连通作用, 水分不能完全挤压出去, 流体压力大于静水柱压力, 甚至等于上覆岩层压力 3. 构造作用 地壳的上升 下降 褶皱 断裂等地质构造运动, 使岩层受到很大的挤压力, 岩石孔隙内的流体在侧向挤压力的作用下压力升高 逆掩断层的发展, 使断层下盘的上覆岩层压力增加, 形成圈闭流体中的高压 由于地壳的上升 剥蚀, 使其下部地层中原来沉积时的正常压力变为高压 由于构造运动, 使同一地层所处的海拔高度不一样, 由于液体压力, 可以传递, 若处于低处的一端为异常高压, 则处于高处的一端为正常压力 4. 古压力高 在被致密块状以及基本上不透水的岩石完全封闭的古老岩石里, 或是上升到浅处完全被封闭的地层里, 才能存在这样的异常地层高压 5. 水热增压作用 如地层是一个封闭系统, 随着埋藏的加深, 地温的升高, 孔隙中的流体将随温度的升高而膨胀形成高压 6. 地化作用 在沉积的封闭系统中, 沉积物内的蒙脱石向伊利石转化, 石膏向硬石膏转化, 都要脱出过量的水, 增加了地层压力 7. 渗透作用 块状的区域性盐岩沉积体往往使其下伏岩层丧失液体逸散的可能性, 因而在盐岩层下面经常存在异常高压 8. 储集层重新加压 本来是浅部的正常压力储集层, 由于和深部地层连通, 将深部地层压力传递到浅部地层, 这种沟通的道路可能是 : ⑴. 老井套管损坏 ⑵. 老井固井质量不好 ⑶. 未下套管的报废井 ⑷. 漏失断裂带 9. 注水注气增产措施 油田注水开发后, 本来是低压或常压储集层, 由于注水注气使其变成高压层, 这是因为 :

34 第一部分油气井压力控制技术 ⑴. 产层的注采不下衡, 在同一个产层注水量多于采油量, 则该层长期处于注多采少的状态, 形成高压层 ⑵. 砂层下面分布形态不均, 对于分布面积较小的砂岩层 不可能全部在注采井制范围之内, 注水井钻遇的砂岩体无采油井泄压, 因长期注水会形成高压 ⑶. 砂岩体在平面上渗透性不均, 注水井处于高渗透部位, 采油井处于低渗透部位, 在水线前缘会形成高压 ⑷. 砂岩体厚度不均, 注水井处于厚度大的部位, 采油井处于厚度小的部位, 采出量相对减少, 在水线推到的部位, 会形成高压 ⑸. 断层遮挡的影响, 注水井和采油井互不连通, 注水井一侧以会形成高压 第二节地层压力检测技术的发展 在石油勘探开发, 尤其在深井钻井中, 对地层压力和破裂压力的预测和检测显得十分重要, 搞好压力预测检测工作, 可为设计钻井参数 井身结构提供重要的压力技术数据, 对保护油气层, 提高钻井成功率具有重要意义 上世纪 60 年代, 国外实施平衡钻井技术需要准确的地层压力和破裂压力数据, 为设计合理的钻井液密度和井身结构提供可靠的依据 为此, 相继提出了利用各种资料计算 预测地层压力和破裂压力的技术 如利用地震资料预测超压地层, 钻井中使用 dc 指数技术随钻检测地层压力, 利用测井资料计算验证地层压力 预测相邻井或相邻构造地层压力 地层破裂压力等 上世纪 80 年代, 这些技术在国内很快得到推广应用, 许多油田都不同程度地开展了地层压力和破裂压力的计算及预测方法的研究, 并在应用实践中, 综合应用地震 测井 测试资料和钻井参数 ( 包括钻井液参数 ) 在预测检测地层异常压力的方法作了许多改进, 使之适用各油田地质构造上的具体地质条件, 并取得了很好的效果 多年来发展了数种预测异常高压的技术, 其中有在钻前进行的地球物理预测方法, 也有钻井过程中应用的钻井参数方法, 钻后验证方法等一系列预测检测技术 目前用于预测和检测异常高压地层压力的方法见表 3-1 表 3-1: 异常地层压力检测方法钻前预测地球物理方法地震 重力 磁力 电法 钻速 d 指数 dc 指数 标准钻速 随钻测井 (LWD) 压力系统法 岩石强度法 遗钻井参数法传算法等随钻检测钻井液密度 钻井液中天然气含量 温度 排量 井内钻井液情况 池液面高度 矿钻井液参数法化度 ( 电阻率 CL- 等 ) 溢流 压力波动 页岩密度法密度 形状 大小 颜色 岩性分析图 钻屑的页岩指数 感应电阻率测井 声波测井 时差测井 波列显示 ( 变密度测井 特征测井 ) 体积测井法钻后检测密度测井 密度测井 氢指数 脉冲中子测井 核磁共振测井 伽马射线能谱测井 地层测试法钻杆测试 (DST) 重复地层测试 (RFT) 预测检测地层异常压力方法从单一方法向综合方法发展, 不断地提高预报的准确性 这些研究成果和方法很快地用于钻井工程中, 收到了明显的经济效益和工程效果 单独依靠任何一种方法都难以实现准确

35 第一部分油气井压力控制技术 预测, 应该综合各种方法的结果并加以比较, 才能提高预测的准确程度 近年来, 钻井工程设计中的地层孔隙压力和破裂压力预测资料已逐渐成为必不可少的重要数据, 工程技术人员利用这些数据设计和控制钻井液密度 确定合理的井身结构, 以最终保证获得最佳的勘探开发综合经济效益 第三节检测地层压力的方法 1. 钻井前预测地层压力 钻前预测地层压力方法有多种, 本教材主要介绍参考邻井资料法 参考地震资料法两种方法 对于探 井便只有依靠地震资料 ⑴.[ 地震资料法 ] 因为地震波是一种弹性波, 其传播速度与岩石致密程度有关 通常, 岩石愈致密, 波的传播速度愈快, 传播时间愈短 在正常压力梯度下, 岩石的致密程度随深度而增大, 因此地震波传播速度亦随深度而增大, 其传播时间随深度而减小 当地层出现异常高压 (Pp>Pm) 时, 岩石致密度下降, 地震波传播速度减小, 传 播时间增大, 可根据这一特性来解释地震波与井深的关系曲线, 从而预报异常高压 对这种初步估算的地 层压力在钻井期间及钻达目的层后在下套管前, 可用其它预测检测地层压力的方法进行核实 表 3-2: 传播时间随孔隙度 φ 的变化, 可由下式表示 : ( φ) φ t = t m 1 + t (3-1) fl 式中 :t- 平均传播时间,μs/m tm- 基岩中传播时间,μs/m tfl- 孔隙流体中传播时间,μs/m φ- 孔隙度,% 声波在普通基岩和孔隙液体中的传播时间见表 3-2 声波在普通基岩和孔隙液体中的传播时间 基岩及孔隙液体 传播时间 (μs/m) 基岩及孔隙液体 传播时间 (μs/m) 基岩及孔隙液体 传播时间 (μs/m) 白云岩方解石石灰石硬石膏花岗岩石膏 石英页岩盐砂岩水 蒸馏水盐水 mg/L 盐水 mg/L 油甲烷空气 因为流体中传播时间较固体中长, 故实测的岩石中的传播时间随孔隙度的增加而增长 为计算地层孔隙压力, 需要绘出传播时间对深度的关系曲线, 然后用数学模式 ( 通常假设为指数关系 ) 外推在浅层沉积中观测到的正常压力趋势线至异常压力所在井段 整理后的正常压实趋势传播时间的数学模式 ln φ 0 t m ( t t ) φ ( t t ) fl m 0 t fl m = kh (3-2)

36 第一部分油气井压力控制技术 如果没有当地的孔隙度或容积密度资料, 便不能由上式画出 H 与 t 的关系曲线 ( 图 3-2: 所示 ), 从而求得地层压力, 这时可以用等效深度法求地层压力 ⑵.[ 邻井资料法 ] 开钻前调查收集邻井的钻井工程 地质录井及测井资料进行对比分析, 掌握实际钻井中所遇到的问题, 可以做到对地层压力及其变化情况的基本了解 2. 钻进中检测地层压力 随钻检测地层压力的方法包括页岩密度法 dc 指数法 标准化钻速方程法 c 指数法 σ 法 井涌观测法 岩屑分析法 气体录井 温度录井等方法 比较常用的方法有页岩密度法 dc 指数法 标准化钻速方程法 ⑴.[ 页岩密度法 ] 在一般情况下, 随着深度的增加, 页岩压实程度增加, 而孔隙图 3-2: 传播时间与深度的关系度随深度增加而减小, 岩石的容积密度增加 但在压力过渡带或异常高压层, 由于岩层欠压实, 岩石的孔隙度比正常情况下要大, 其密度比正常条件下小 因此, 可利用岩石密度的变化检测地层压力 其方法是, 在钻井过程中, 取页岩井段返出的岩屑, 测量其密度, 做出密度与深度的关系曲线 ( 图 3-3 所示 ), 通过正常压力井段的密度值划出正常趋势线 密度值偏离正常趋势线的点, 即压力异常点, 开始偏离的部分即过渡带的顶部 岩屑密度的测定有钻井液密度称法 密度液法两种 : 1. 钻井液密度称法 加岩屑于钻井液杯内, 加盖后等于 1g/cm 3, 加淡水充满杯子, 加盖后称得杯内的密度值 ρt, 按下式计算页岩岩屑密度 1 ρ sh = 2 ρ T 图 3-3: 页岩密度随深度变化 (3-3) 式中 ρsh- 页岩密度, g/cm 3 ρt- 称量的含页岩岩屑的钻井液密度, g/cm 3 2 密度液法把岩屑放入标准密度液内, 看其在液柱内停留的位置, 直接读出密度大小 这种操作简单方便, 岩屑用量小 ⑵.[dc 指数法 ] 20 世纪 60 年代以来, 人们了解了机械钻速和地层压力之间的关系, 并在此基础上发展了一种改进机械钻速预测地层压力的方法, 称为 d( 或 dc) 指数法 dc 指数法是通过分析钻进动态数据来检测地层压力的

37 第一部分油气井压力控制技术 一种方法 动态数据主要包括 : 钻速 大钩载荷 转速 扭矩以及钻井液参数 其中钻进速度随地层类型有明显的变化 因此, 钻速记录常用来帮助同已知地层压力的邻井作岩性对比 在已知地层中钻进, 正常情况下钻速随深度的增加而趋向减小 但在进入异常压力过渡带后, 正常压力趋势就要变化 在地层孔隙压力高的过渡带的上部, 岩层坚硬, 一般是石灰质地层产生较正常为低的钻速 这些地层是特别低渗地层, 形成异常压力的封闭 这些封闭层的厚度可能一 二米到几百米以上 在此异常压力盖层的下边与正常钻速趋势相反, 钻速随井深而加快 在低渗透高压过渡带一般钻速增加的原因是 : 井底的压差降低了 ; 因压实不足造成岩石强度较低 除了地层类型和地层孔隙压力外, 还有很多钻井参数也影响钻速 这些参数是 : 钻头类型 钻头直径 水眼尺寸 钻头磨损 钻压 转速 钻井液类型 钻井液密度 钻井液粘度 固相含量与颗粒大小及在钻井液中的分布 泵压 泵速等等 影响钻速的参数的变化, 可能掩盖变化的岩性或增加的地层孔隙压力 因此, 只靠钻速资料检测地层压力一般是困难的, 而且, 钻速的改变常常难以解释, 因此, 必须与其它地层压力预测检测检测方法联合起来 当用铣齿钻头时, 牙齿磨损在钻头行程中影响钻速 在其它钻井参数不变时, 钻头钝化的影响可部分地用以往在正常压力地层中钻进时建立的钝化趋势来补偿 在某些情况下, 由于牙齿磨损, 在过渡带钻速仍然随井深而下降, 但比预期的要下降的慢得多 其他钻井参数的变化也可产生类似的影响, 而这时往往被误解为孔隙压力增加 特别是钻头类型改变, 使得变化的孔隙压力难以用钻速方程进行检测 1.d 指数方程的建立旋转钻井过程的经验公式从数学上给出了补偿钻速影响的方法 1966 年 Jorden 和 Shirley 建议用宾汉 (Bingham) 模式, 考虑钻压 W 转数 N 和钻头直径 db 的影响, 把钻速方程标准化, 然后, 通过计算指数检测地层压力 钻速模式 d e W R = KN (3-4) D 由钻速方程, 可以得出指数的表达式为 : 3.282R log d = NT W log D (3-5) 式中 :R- 钻速,m/h K- 可钻性系数, 对于大段页岩, 视为 l N- 转数,r/min W- 钻压,KN D- 钻头直径,mm d- 钻压指数 e- 钻速指数, 无因次

38 第一部分油气井压力控制技术 保持钻井液密度不变,d 指数可用来检测从正常到异常压力的过渡带 此技术可绘制低渗地层的 d 指数与深度的函数关系线 ( 如图 3-4 所示 ), 通常是选择页岩的数据 在正常压力地层,d 指数随深度增加而增大 遇到异常压力层后, 开始偏离正常压力趋势线, 这时 d 指数随深度增加而增加的量减少 但很多情况下, 会发生完全相反的趋向,d 开始减小 1971 年 Rehm 和 Mclenden 提出修正指数, 以修正钻井液密度变化, 以及钻压 转速和钻头直径变化带来的影响 例如在压力过渡带, p 减少, 此时要加重钻井液, p 回升,d 指数增大 这样可能会低估孔隙压力, 故需修正 d 指数, 消除此类影响 经实验研究 Rehm 和 Mclenden 计算了修正 d 指数 2.dc 指数方程的建立上世纪 80 年代, 我国各油田开展了利用 dc 指数检测地层压力的科学研究, 获得了良好的效果 目前我国采用的指数表达式是 : ρn d c = d (3-6) ρ m 式中 ρn- 正常压力层段水密度 ( 从当地地层水含盐量中查出 ),g/cm 3 ρm- 所用钻井液密度,g/cm 3 3.dc 指数预测地层压力的当量密度 现场资料的采集规定 : 检测起始井深应从钻遇泥页岩层开始检测 计算 dc 指数的点距每 5 米一点, 进入可能的压力过渡带时应加密到每 2 米或 1 米一点 资料采集要按点距采集纯钻进时间 井深 钻压 钻速 钻井液密度诸参数值 采集的应是均匀层段各参数的平均值, 而不是瞬时值 正常孔隙压力梯度当量密度根据地层水的氯化钠含量确定 在资料缺乏时可采用平均值 1.05g/cm 3 其他资料的采集包括 : 钻头尺寸及类型 钻进时的排量及泵压 井漏资料应记录时间 井深 层位 漏失量 钻井液密度 溢流资料应记录时间 井深 层位 循环池液体增量 钻井液密度 关井立管压力和关井套管压力 测试和试油资料应记录时间 井深 层位 实测孔隙压力 油气水侵资料应记录时间 井深 层 位 进出口钻井液密度和粘度 图 3-4:dc 指数随深度变化 计算 dc 指数, 绘制 dc 与 H 的关系曲线 : 按式 (3-6) 计算 dc 指数, 并将计算的 dc 值点在 dc 与 H 的录井图上, 如图 ( 图 3-4) 所示 dc 指数录井图 记录的内容包括井深 钻井简况 钻速 dc 指数 钻压 泵压 孔隙压力梯度当量密度 ( 记录纸中简称孔隙压力梯度 ) 钻井液密度 岩性剖面 建立 dc 指数正常趋势线方程 : 要求取过渡带前大于 300 米井段为回归段, 使正常趋势线通过大多数泥岩点

39 第一部分油气井压力控制技术 回归方程形式为 d cn ( ah + b = 10 ) (3-7) 回归所得方程的相关系数必须大于规定值 ( 一般暂定为 0.7) 在条件不具备时, 可借用相邻或相似地质条件或邻井的趋势线参数值 计算地层压力 : 利用趋势线方程计算或从图上查出相应深度的 dcn 值, 再选用下面推荐的四种求地层压力公式, 定量地计算出地层压力的大小 对数式 : 0.981g( d d) ρ (3-8) p = cn c 伊顿式 : = ρ ( ρ ρ ) 1.2 d c ρ n o n (3-9) p dcn dc 反算式 (ZAMORA): ρ p = ρn (3-10) d 等效深度式 (Eton): = ρ + ( ρ ρ ) 以上各式中符号的意义如下 : ρp- 地层当量当量密度,g/cm 3 cn dcn dc ρ p n o n (3-11) ah ρn- 正常压力地层液体密度,g/cm 3 ρo- 上覆岩石的当量密度,g/cm 3 dc- 实际计算的 dc 值 dcn- 井深 H 点正常趋势线上 dc 值 一些油田经过研究对比, 认为反算式比较符合实际 因此, 将求出的正常趋势线方程 (3-7) 和式 (3-6) 代入反算式 (3-10), 便可直接求得实际地层压力时流体密度公式 W lg D ( ah + b ρ ) p = ρm10 (3-12) lg NT ⑶.[ 其他检测方法 ] 除上述常用的方法外, 还有一些其他监测方法作为补充 主要有 : 钻井液中天然气含量 钻井液中氯化物含量 钻井液性能变化 钻井液返出口的温度 页岩 岩屑中的坂土含量等方法, 不再一一叙述 3. 钻后检测 ( 验证 ) 地层压力 钻后通过测井或地层测试直接获得地层压力 在当前的测井系列中, 有许多种测井方法都能精确地反 映地层孔隙度 因此, 所有这些测井方法都可用来评价地层孔隙压力, 提供钻井设计和地质分析等应用, 还有利于本地区相邻的新钻井剖面的压力预测, 并可将这些预测资料与地震资料的压力预测及随钻压力检

40 第一部分油气井压力控制技术 测资料进行综合分析, 提高压力预测精度 可直接用于评价地层压力的常用测井方法包括 : 声波测井法 感应电导率测井法 密度测井法 中子测井法等等 ⑴.[ 声波测井法 ] 声波测井测量弹性波在地层中的传播时间, 用声波时差 t 表示, 单位 μs/m( 微秒 / 米 ) 时差 t 主要反映岩性 压实程度和孔隙度, 除了含气层的声波时差显示高值或出现周波跳跃外, 它受井眼的尺寸 温度及地层水矿化度变化的影响比其它测井方法小得多 因而, 在一般情况下, 只要仪器刻度正确, 测井正常, 就能测得质量良好的声波曲线, 用它识别和计算地层压力也比较有效 声波时差法的资料采集 : 声波时差资料主要来源于声波测井曲线 VSP 测井曲线 要求有比较平直的 低自然电位的 均匀低电阻率的和高自然伽马值的泥页岩层段 厚度大于 2 米的泥页岩层段 非缩径的或井径扩大不超过 6 厘米的泥页岩层段 其他资料包括密度测井 感应测井和伽马测井的组合测井曲线 地层水氯化钠含量的资料 实测孔隙压力梯度的测试资料和钻井液密度 海洋钻井时泥线深度和转盘面海拔高度等 1. 岩石孔隙度求取根据怀利 (Wyllle) 公式, 地层声波时差与孔隙度有如下关系 : ( t t ) φ = (3-13) ma ( t t ) f ma 式中 :φ- 岩层孔隙度,%; t- 岩层声波时差测量值,μs/m t ma - 岩层骨架声波时差,μs/m t f - 岩层孔隙中的流体声波时差,μs/m 由上式看出, 对岩性已知 地层水性质变化不大的地质剖面, t ma 和 t f 有相对确定的值, 地层声波时差与孔隙度之间成正比关系 因此, 在正常压实的地层中, 可以导出与上式相似的公式 : CH t = t0 e (3-14) 式中 t- 深度为 H 的地层声波时差,μs/m t 0 - 深度为零的地表声波时差,μs/m ; C- 声波时差 t 与深度 H 关系斜率 用上式作 H- t 正常趋势线 ( 图 3-5), 检测异常压力过渡带 2. 地区经验曲线法 : 图 3-5:H- t 正常趋势线 绘制该地区 lgδt 与 H 正常趋势线, 图上开始偏离正常趋势线的点即为异常压力的顶界 先确定 Δtsh= Δto( 异常 )-Δtn( 正常 ), 而后根据该地区关系曲线查出 D 深度处声波时差对应的压力梯度 (GDp), 则 :

41 第一部分油气井压力控制技术 P p = G Dp D (3-15) 3. 当量深度法 : 在连续沉积盆地, 声波传播时间的正常趋势反映了地层的正常压实趋势 当地层压力异常时, 曲线中捌点 (a) 地层欠压实, 基岩应力 σ 下降 由于地层有正常压实的趋势, 可在正常压力段找出一点 e, 其 σ 值与之相等 相应深度 He 称为当量深度, 正常压力段深度 He 的 σe 易于求出 : e = De D0 ( G G ) σ (3-16) Dh 由于深度 Da 处的 σa=σe, 则 a 点处的地层压力计算式为 : lg t0 lg ta P = GD0 Da ( GD0 GDh ) (3-17) C Δto C- 正常压实趋势线的截距和斜率 ⑵.[ 电阻率测井法 ] 电阻率测井法的预测原理 在正常压力地层中, 随深度增大, 地层压实程度加大, 孔隙度减小, 导电流体也减少, 页岩电阻率加大 在一定的地区, 页岩电阻率 ( 对数 ) 与井深之间存在一条正常趋势线 ; 在异常压力地层中, 由于地层欠压实, 孔隙度增大, 地层流体多, 地温高, 页岩电阻率向着低于正常电阻率的一侧偏离正常趋势线, 其偏离值越大, 地层压力越高 预测地层压力方法有地区经验曲线及当量深度法, 具体操作步骤与前面介绍的声波测井法大致相同 ⑶.[ 其他检测方法 ] 除上述常用的方法外, 还有一些其他检测方法 主要有感应电导率测井法 密度测井法 中子测井法等等, 不再一一叙述 第四节地层破裂压力的预测 预先了解地层破裂压力随井深的变化和预测地层压力一样, 对于井控工作同样重要 确定地层破裂压力的方法有预测法和验证法 钻井设计时只能依据预测法, 在下套管固井后用验证法进行必要的试漏试验, 验证预测的压力, 然后继续钻进至下一个下套管的井深 1. 破裂压力预测的方法 下套管之前进行的地层破裂压力预测是根据经验公式 因为地层破裂压力受地层孔隙压力的影响巨大, 所以使用预报破裂压力的公式首先要用预测孔隙压力的公式 比较常用的破裂压力公式有 : 休伯特 - 维利斯 (Hubert-Willis) 公式 麦修斯凯利 (Mathews-Kelly) 公式 本尼贝克 (Pennebaker) 式 伊顿 (Eaton) 公式 克里斯曼 (Christman) 公式以及麦克法森 - 伯利 (Macpherson-Berry) 公式五种方法 ⑴.[ 休伯特 - 维利斯公式 ] 维持已有的裂缝所需要最小井眼压力要能克服最小主应力 (σmin), 即 p σ + p f = min p 此破裂扩展压力 通常用于钻井设计和套管设计, 它符合地层的不均匀性和各向异性的情况 但如果最小主应力发生在水平

42 第一部分油气井压力控制技术 面, 同时水平应力 σx=σy, 那么, 井壁局部应力集中 (σhw), 就等于区域水平应力 (σh) 的两倍 因此, 在 均匀的各向同性的地层里压裂地层所需要的压力 即 P = σ + P = 2 σ + P 研究结果表明, 在正断层地区, 水平基岩应力是最小应力 浅层沉积区域的最小基岩应力约等于垂向基岩应力三分之一 σ Z 此时地层破裂压力, 即 : P f = σ HW + Pp = + Pp, 因为基岩应力 σ Z = σ 0 Pp 则: 3 ( ) Pf = 1 0 2P p 3 σ + (3-18) 式中 Pf- 压裂地层需要的压力 σx σy - 水平方向应力 σh σz- 平均水平应力 垂直应力 σ0 σhw- 上覆岩石压力梯度及井壁集中应力 ⑵.[ 麦修斯 - 凯利公式 ] 钻井经验表明, 地层破裂压力随井深而增大 式 (3-18) 对于深层不太适用, 因为最小主应力不是上覆岩层压力的 ⅓ 新的假设是最小基岩应力 (σmin) 则: σ min = σ Z Fσ (3-19) 图 3-6: 正常压力地层基岩应力系数式中 :Fσ- 基岩应力系数 与当量深度关系曲线 Fσ 由正常压力层段的数据确定 图 3-6 是某地区的正常压力地层基岩应力系数与当量深度的关系曲线 为了在异常压力地层使用此关系曲线, 在确定基岩应力系数时, 把实际深度化为当量深度 Hi 去查图 其含义是 Hi 深度, 正常压力地层应有与实际深度的异常压力地层同样的垂向基岩应力 为简化起见, 上覆岩层压力和正常孔隙压力梯度分别用 MPa/m 和 MPa/m 这样, 正常垂向基岩应力则为 : f HW P H p σ = σ P H (3-20) Z 0 pn = H i Hi = i 式中 σz- 垂直应力 σ0- 上覆岩石压力梯度 Ppn- 正常孔隙压力梯度 在 Hi 深度正常压力地层应有与所求异常压力地层一样的垂向基岩应力, 可这样计算 σ σ Z 0 Pp Hi = = (3-21) G M ⑶.[ 本尼贝克公式 ] 本尼贝克公式与麦修斯 - 利公式相似, 仍用 (3-19) 式计算最小基岩应力, 但基岩应力系数改称为有效应力比, 直接同深度建立关系, 不计孔隙压力梯度, 这样就用实际深度而不用当量深度, 如图 3-7 所示 上覆岩层压力不用常数, 而用图 3-8 的曲线代替 地质年代不同, 即深度不同, 曲线不同

43 第一部分油气井压力控制技术 图 3-7: 基岩有效应与深度关系 图 3-8: 上覆岩层压力 ⑷.[ 伊顿公式 ] 伊顿公式假设水平基岩应力与垂向基岩应力关系 ξ σ X σ X σ Y σ Z = µ (3-22) E E E µ = 1 µ min σ z (3-23) 式中 :E- 弹性模量 μ- 泊松比 σx σy σz-x Y Z 轴方向的应力 ξx- 水平变形 其中泊松比 μ 由现场资料算出, 做成曲线 ( 图 3-9) 伊顿分析了美国德州西部及路易斯安那海岸区的情况 他假设 : 上覆岩层压力为常数 MPa/m 上覆岩层压力由岩石容积密度积分而得 容积密度由密度测井资料取得 ⑸.[ 克里斯特曼公式 ] 图 3-9: 泊松比克里斯特曼公式把基岩应力比 Fσ 与沉积的容积密度 ρb 联系起来, 如图 3-10 随着深度的增加, 上覆岩层应力增加, 地层变老, 沉积容积密度增大 所有这些因素都影响地层破裂压力 地层孔隙对应的容积密度 (ρb): ( φ ) ρ φ ρb = ρ g 1 + fl (3-24) 式中 ρg- 上覆岩石密度 ρfl- 孔隙中流体密度 φ- 地层孔隙度 图 3-10: 基岩应力与容积密度关系 ⑹.[ 黄荣樽小组公式法 ] 根据分析实验所得的数据, 研究人员发现岩石的动 静弹性参数相关关系主要受主应力差的控制 在一定的主应力差下, 应用最小二乘法原理, 进行多项式的回归, 根据多项式的显著程度来寻找不同岩石的动 静弹性参数间的最佳拟合曲线 结果表明, 岩石动 静泊松比和动 静杨氏模量的相关关系都为线性

44 第一部分油气井压力控制技术 关系 应用岩石动 静弹性参数相关关系预测地层破裂压力 通过分析井壁岩石的应力和破裂条件, 可以得出地层破裂压力预测模式 ξ1es ξ 2 Es 2µ s P f = + ( σ 0 αpp ) + αpp + St 1 µ 1+ µ 1 µ s s s (3-24) 式中 :Pf- 地层破裂压力, MPa ξ1 ξ 2 - 地质应力系数, 对于每一断块来说, 是个不随地层所处位置而变化的常数 Es μ s - 分别为静杨氏模量 (Es) 和静泊松比 (μ s ) σ0- 上覆岩层压力,MPa α- 孔隙流体压力对有效应力的贡献系数 Pp- 地层孔隙压力,MPa Stj- 岩石的抗拉强度,MPa 目前石油大学研究出的公式具有更高的精度 2. 地层破裂压力的验证法 地层破裂压力试验验证地层破裂压力法 钻开套管鞋以下第一个砂层 3-5m, 循环调整钻井液性能, 保证钻井液密度均匀, 上提钻头至套管鞋内, 关闭防喷器 缓慢启动钻井液泵, 或使用专用试压泵, 以 升 / 秒的排量向井内注入钻井液 按一定的时间间隔记录注入量和立管压力 并做出地层破裂压力试验曲线 ( 参见第二章附图 2-7: 破裂压力试验曲线 ) 从图上确定漏失压力 PL( 开始偏离直线之点的压力,MPa) 破裂压力 PR( 最大压力点的压力, MPa) 和传播压力 Pro( 压力趋于平缓点的压力, MPa) 的值 确定地层破裂压力梯度 根据漏失压力 PL 值计算压力梯度 G PL = ρm (3-25) H f + 102PL 确定最大允许钻井液密度 ρ max = ρm + S f H (3-26) 式中 :ρmax- 最大允许钻井液密度,g/cm 3 ρm- 原钻井液密度,g/cm 3 H- 测试井深,m PL- 漏失压力,MPa/m Gf- 破裂压力梯度,MPa/m Sf- 安全附加系数, 表层取 O.06g/cm 3, 技术套管取 0.12g/cm 3 3. 地层破裂压力试验注意事项 破压试验一般适用于砂岩或泥页地层, 破压试验不应超过地面设备所能承受的程度, 否则可考虑提高 所用钻井液密度 当套管鞋以下第一层为脆性岩层时, 只对其做地层承压试验, 而不作破压试验 因脆性岩层做破压试

45 第一部分油气井压力控制技术 验时在其破裂前形变量很小, 一旦破裂则承压能力会很快下降 极限试验压力要根据下部地层钻井将采用的最大钻井液密度及溢流发生后关井和压井时, 对该地层承压能力的要求决定 试验方法与破压试验一样, 但只试到施工需要的压力为止 ( 参见第二章附图 2-8: 地层承压能力试验曲线 ) 钻井时, 安全的压力控制是使井底压力处在地层孔隙压力和地层破裂压力之间, 即既不发生井喷, 又不压破地层 可见, 检测地层孔隙压力和地层破裂压力是油气井压力控制技术的基础 有关地层压力的预测与检测的应用 计算方面的问题, 比较复杂繁琐要占用大量的篇幅和时间, 本章仅概略地简介了与钻井密切相关的地层压力的预测与检测方法, 在油气井设计和施工中, 只有对地层压力掌握准确, 才能合理确定套管程序和钻井液密度, 实现近平衡钻井, 有效地防止井喷 井漏以及固井作业中的复杂情况 因此, 在钻前准确地预报地层压力, 钻开高压油气层及时进行压力检测, 及早发现异常高压地层, 都是极为重要的 受教材篇幅限制, 有意深入学习研究者可参阅相关文献 规定和标准 复习与思考题 1.dc 指数检测地层压力的原理是什么? 2.dc 指数检测过程中收集钻压 钻速等资料时应注意什么?

46 第一部分油气井压力控制技术 第 4 章 井控设计 井控设计是钻井设计的重要组成部分, 它包括 : 满足井控安全的钻前工程及合理的井场布置 ; 全井段的地层压力梯度 地层破裂压力梯度 ( 包括浅层气的资料 ), 在已开发地区要有分小层的地层压力动态数据 ; 适合地层特性的钻井液类型, 合理的钻井液密度 ; 合理的井身结构, 符合行业标准的井控装备系统以及应急计划 在进行井控设计之前, 首先要了解有关各种法规 井位所在地的环保要求 后勤供应条件, 成本与安全等方面的问题 第一节井控设计基本要求 井控设计与钻井设计相一致, 在井位确定以后, 就要弄明白需要遵守的法律或规定 无论是在国内钻井还是在国外钻井, 是在海上钻井还是在陆上钻井, 是在热带丛林钻井还是在严寒地区钻井, 都会有诸多所在国和所在地的各种法规需要遵守 1. 井控设计需要遵守的行业标准 在国内钻井除应遵守 SY/T6426 钻井井控技术规定 外, 还应遵守 SY/T5333 钻井工程设计格式 SY/T5087 含硫油气田安全钻井推荐作法 SY/T5964 钻井井控装置组合配套 安装调试与维护 SY/T6616 含硫油气井钻井井控装置组合配套 安装和使用规范 SY/T5431 井身结构设计方法 SY/T6551 欠平衡钻井安全技术规程 等有关行业标准与企业相应的规定和细则, 这些法规是井控设计的直接依据 2. 井控设计需要遵守的法律或规定 在国内从事钻井作业时, 国家与地方安全环保法律法规已逐步健全, 为防止损害油气层, 确保作业人员及设备安全 保护环境, 要遵守 中华人民共和国安全生产法 中华人民共和国环境保护法 中华人民共和国海洋环境保护法 等相关法律法规 在参与国际钻井活动时, 要通过我国和所在国的主管机构了解所在国的有关条例和法令, 并在井控设计时加以遵守 下面列举的是在美国海上开始海洋钻井之前所需要的各种典型执照或文件 : ⑴. 公害鉴定 ⑵. 申请钻井的执照 ⑶. 勘探钻井计划 ⑷. 原油漏失的应急计划 ⑸. 井位的执照. 在这些执照或文件中, 最重要的是公害鉴定执照, 因为它表示在该区指导钻井不会引起任何公害 在可航行的水域, 必须遵守环境保护法规, 必须拟定计划并加以实现, 以表示遵守这些法令 在可航行的水域必须遵守的法令是 :

47 第一部分油气井压力控制技术 ⑴. 国家环境保护法 ⑵. 空气清净法 ⑶. 淡水清洁法 ⑷. 噪音控制法 ⑸. 安全饮水法 ⑹. 海岸地区管理法 ⑺. 固体废物利用法 ⑻. 有毒物质控制法 如果不遵守这些法令, 就会被处以重罚 如果涉及到纠纷, 还需了解国际经济法 国际商法 国际合同法等 同时还应关注后勤保障与成本和安全方面的问题 第二节压力剖面 1. 地质资料与地震资料对比 通常是用邻近控制井的资料来提示探井将要遇到的钻井复杂问题, 邻近控制井的选择必须与所设计的探井在同一断块上, 且地层层位相对应, 构造的位置也相近似 地质构造图 ( 见附图 4-1) 应包括有邻近控制井有关必要的资料 这些资料是 : ⑴. 断层位置 ⑵. 构造等高线 ⑶. 邻近井的井位. 探井的地层顶部位置可根据邻近井的资料进行设计 在邻近井资料很少的情况下, 可使用地震资料来确 定浅气层的位置 地质构造和地层压力的顶界 图 4-1: 地质构造示意图 2. 地层压力的确定 为了精确地掌握井内各层段的设计地层压力, 可以采用以下四种方法建立地层压力曲线 : ⑴.[ 邻近井的钻井液密度和钻井报告 ] 了解地层压力的传统方法是研究该地区邻近井的钻井液记录和钻井报告 钻井液密度会很好地显示地层和压力的大小 任何井下问题如井涌 井漏 压差卡钻等都会包括在钻井液记录里 而钻井报告对于钻井液设计以及在钻井中所遇到的各种问题, 都会提供更加详细的资料 另外报告中还会列出套管位置 钻头记录 试压结果等资料 有时使用钻井液密度估算地层压力可能会造成较大误差, 许多老井所使用的钻井液密度超出地层压力 0.24g/cm 3, 有时在那些易出故障的页岩 ( 裂缝的, 脆性的或膨润土层 ) 地区, 为了减少复杂情况, 使用更高的钻井液密度

48 第一部分油气井压力控制技术 同样, 由于这种办法没有考虑到地层, 而地层是必须考虑的, 因此从钻井液记录与钻井报告所得到的珍贵资料需要进行修正, 特别是对于有断层与盐丘的等地层, 必须考虑到设计的差异 ⑵.[ 邻近井电测曲线的评价 ] 如第三章所述, 除 dc 指数 σ 曲线等方法外, 用于估算地层压力的电测曲线方法有 : 电导率 电阻率 层段传播时间 密度测井 孔隙度测井 在没有邻近井作参考的勘探地区, 就必须通过使用高级计算技术, 把地震数据转换成层段传播时间, 经速度分析解释以后, 把层段速度标定成地层孔隙压力梯度或当量钻井液密度 选用以上方法, 做出地层孔隙压力剖面 ( 如附图 4-2 所示的压力剖面及井身结构 ) 3.[ 地层压裂梯度 ] 使用足够的钻井液密度以防止井喷的重要性是不言而喻的, 但是, 同样重要的是要注意过大的钻井液密度会使较浅的或较弱的地层产生裂缝或使裂缝延伸, 造成钻井液漏失 这除了损失价格昂贵的钻井液外 还降低了钻井液的静液柱压力, 图 4-2: 压力剖面及井身结构从而造成井喷条件 当钻井液液柱压力超过某一地层的破裂压力, 就会发生井漏, 这种情况产生的条件如下 : ⑴. 钻井液密度 ( 静液压力 ) 太高 ⑵. 环形空间过大的压力损失 ( 当量循环密度 ) ⑶. 过快的下钻速度造成过大的激动压力 ⑷. 钻头冲击 ( 压力激动 ) ⑸. 井涌时, 套管压力太高 为了减少压裂地层的危险, 在钻井作业时可以控制的几个因素是 : ⑴. 在不受到潜在的井漏威胁下, 尽可能使钻井液密度维持最低 ⑵. 为了减少环形空间的压力损失, 而维持低的钻井液粘度和静切力 ⑶. 避免过大的循环速度 ⑷. 中断循环后再开泵时, 泵压需慢慢地提高, 这一点在钻井液切力大时特别重要 ⑸. 按照整个钻井液柱压力要小于最小地层破裂压力的原则, 来计算最大套管压力 井涌发生后, 初始关井套管压力不应超过这一数值 ⑹. 在危急情况下, 要降低下钻速度 选用第三章中推荐的地层压力预测检测计算方法, 在求出地层孔隙压力的基础上, 再求出全井段的地层压裂压力 如图 4-2 所示的 估计压裂梯度 曲线哪样, 画在地层孔隙压力剖面图上, 即为地层破裂压

49 第一部分油气井压力控制技术 力剖面 第三节套管程序的确定 1. 套管种类 选择最佳的套管层次及下入深度通常比任何其他工艺对钻井的经济性与安全性影响都大, 影响套管程序的因素主要有 : 封隔并保护淡水层和非固结地层 ; 封隔块状的蒸发岩 ( 蒸发盐 ) 和易出故障的页岩井段 ; 在钻异常压力地层前先隔开低压裂梯度的地层 ; 在钻正常压力井段时先隔开异常高压地层 选择套管程序, 首先考虑的是压力剖面, 它是地层压力曲线 破裂压力梯度曲线与有效钻井液密度曲线的综合图 ( 图 4-2 所示 ) 有效钻井液密度是所需的钻井液密度加上各种附加的压力, 如环形空间的压力降 起下钻的激动压力或抽吸压力 对于那些危险的渗透层, 在钻入过渡带前 钻入过程中 钻过后都应当把压力标注在压力剖面中 ⑴.[ 击入式管或结构管 ] 这种管子一般为表层封隔管 既可以击入地下, 也可以螺旋钻入地下, 视当地情况而定 对于海上, 这种管子要下入海底以下 30 米 ⑵.[ 导管 ] 导管用来封隔土层 胶结不好的地层, 并提供一个耐久的套管座放位置 导管同样也是下在钻穿含油气地层以前 ⑶.[ 表层套管 ] 表层套管用来封隔含淡水的砂层以及任何有危害的浅层, 下入深度依地区而不同, 一般在 m 之间, 下的越深, 套管鞋处承受的钻井液密度也越大 表层套管要多次承受不同的钻井液压力, 确保钻达井深而不用下另一层套管 某些深的 有异常压力的井还需要另下一层称为中间套管或技术套管 ⑷.[ 中间套管或技术套管 ] 中间套管或技术套管用于保护上部的薄弱地层, 免受因平衡下部地层用高密度钻井液的影响, 或是用于隔开上部高压地层以便在下部地层使用低密度钻井液 当上一层套管鞋处的有效钻井液密度达到破裂压力梯度或者在套管鞋处达到测试极限时, 就应下技术套管, 如果有效的钻井液密度超过该处的压裂梯度, 就会产生井漏 当高压层在低压层的上面时, 技术套管应下过高压层 以便能以较小钻井液密度钻进下面的低压层, 上部地层所用高密度钻井液可能压裂下部地层, 从而可能造成最困难的井控条件 这种情况就会在上部发生气侵, 在下部发生井漏 再者如试图用超平衡方法钻进下部低压层将会降低机械钻速并可能损害油气层 假如最后一层套管鞋处地层的破裂压力梯度巳知, 则可用下列关系式估算最大允许钻井液密度 ρ ρ H k k m = ρ f (4-1) H F 式中 ρm 最大允许钻井液密度,g/cm 3

50 第一部分油气井压力控制技术 ρf 套管鞋处地层的破裂压力当量密度,g/cm 3 ρk 容许井涌系数, 此处取 0.06g/cm 3 Hk 总井深 ( 垂直井深 ),m HF 套管下入深度 ( 垂直深度 ),m ⑸.[ 生产套管 ] 如果井有生产能力, 完井之前, 下入生产套管, 水泥返高应当封过油气层以上 150 米 ⑹.[ 防硫化氢 (H2S) 套管 ] 硫化氢会造成氢脆现象, 在预计有硫化氢的地区, 对于没有用水泥封固的套管要使用特殊钢材, 当 H2S 分压大于 kPa, 总压大于或等于 448kPa 绝对压力时, 即为酸性环境 在低温下适用的钢号有 H-40 J-55 K-55 S-80,C-75,L-80 SS-95,RY-80 L-90 在高温下. 除 V-150 外, 大部分高强度钢抗 H2S 效果较好 2. 确定套管下入深度 套管的下入深度和层次的设计应遵循以下四条原则 : ⑴. 保护油气层不受钻井液的损害 ⑵. 避免事故 ⑶. 钻下部高压层用的高密度钻井液时, 不致压裂上部套管鞋处的地层 ⑷. 下套管作业中, 不致因压差卡套管 为了确定套管下入深度, 需要以下基础数据 : ⑴. 岩性 压力剖面 ⑵. 操作安全系数 我国中原地区 : 抽吸压力 Sb= O8g/cm 3, 激动压力 Sg= g/cm 3 美国海湾地区用 0.08g/cm 3 ⑶. 地层破裂安全系数 我国中原地区为 0.03, 美国为 ⑷. 井涌容许系数 我国中原地区为 , 美国 0.06 ⑸. 允许压差 我国中原地区正常压力井段 Pn= MPa, 异常压力井段 Pa= MPa 美国 Pn=16.66MPa, Pa=21.66MPa 压差卡套管在压力异常井段最容易发生在孔隙压力最小的部分, 一般是正常压力井段靠近异常压力过渡带的上部砂岩井段 由 (4-1) 式推导出 : ρ k H k ρ f = ρ m (4-2) H f 式中各符号意义同 (4-1) 式 由 (4-2) 式可以确定套管下入深度 具体确定套管下入深度计算方法可参阅相关技术文献 第四节钻井液设计

51 第一部分油气井压力控制技术 对于一个有效的钻井液方案, 有四个关键问题 : 钻井液体系的选择 ; 估算与检验材料 ; 拟定与维护钻井液性能的技术措施, 以便减少对循环与起下钻的影响 ; 对硫化氢的预防措施和解除方法 1. 钻井液体系的选择 钻井液的设计标准要基于完成主要功能 适合地层特性 具有合理的密度 钻井液的粘度和静切力应当高到足以携出岩屑, 并且在循环停止时能悬浮岩屑 从控制井下压力的观点来看, 适当的粘度与静切力对支承重晶石是必要的, 这样钻井液密度应足够高, 以便使钻井液的静液柱压力稍高于地层压力 钻井液密度由下式决定 : ρ = ρ a (4-3) m f + 式中 ρm 钻井液密度,g/cm 3 ρf 裸露井段最高地层压力当量密度,g/cm 3 a 安全附加值 ( 油井为 : l0g/cm 3, 气井为 : g/cm 3 ) 所钻地层的类型对于钻井液选择影响很大 如钻蒸发岩就有必要使用一种不会渗漏到地层里的液体 如钻盐岩层应使用盐水钻井液或油基钻井液, 以防止出现大的溶洞 又如某些页岩对钻井液的水相十分敏感 这就需要设计一种水相对所钻页岩不敏感的钻井液 井内的多孔渗透地层具有过滤介质作用 钻井液中的液相进入这种地层而把沉积的固相物质留在井壁的表面 如这种多孔渗透层含有油气, 则这种过滤可以很容易改变井眼周围的孔隙度与渗透率, 从而引起油气产量下降 从钻井的立场来看, 在多孔渗透层上沉积大量固相物质, 同样会产生许多力学方面的问题, 这样就在钻杆上或已发生压差卡钻的钻杆上产生过大的扭矩和阻力 为此, 需要严格控制钻井液的失水, 以便减少固相的沉积 2. 估算与检验钻井液材料 仔细地准备钻井液方案包括估算井内每个层段钻井液的消耗量 这些消耗量多是根据过去经验或者是钻井液的处理量来决定的 在开钻前井场应有足够的钻井液材料, 钻井液材料的消耗必须根据每天的清单进行检查, 以保证材料及时供应 3. 钻井液性能 为了钻井和起下钻安全, 有两个主要性能必须规定和控制, 以减少井内过大和不适当的压力, 这两个性能, 一是密度, 二是粘度 控制密度是为了减少压裂薄弱地层或引起井涌的可能性 固相与气体侵入都会影响钻井液的密度 固控设备如除泥器 除砂器 泥浆清洁器及离心机可用来使钻井液保持尽可能的清洁, 除气器和泥浆气体分离器是用来清除侵入钻井液内的气体的 控制粘度是为了减少起下钻时, 提放钻具及循环钻井液时所产生的各种问题, 粘度可以根据不同的问题采取不同方式进行处理 4. 对硫化氢的考虑 用于含有硫化氢地层的钻井液既可以是水基的也可以是油基的, 不管用哪种, 都必须进行特殊的考虑 在钻含硫化氢地层时, 油基钻井液可以和中和硫化氢的净化剂一起使用, 在海上, 岩屑在处理以前必须除去原油

52 第一部分油气井压力控制技术 水基钻井液与中和硫化氢的净化剂一起使用时, 要推持钻井液的 PH 值至少为 10, 以便使硫化氢在其 它组分里保持破裂状态 第五节井控装备选择 井控装备及其工具的配套和组合形式 试压标准 安装要求执行 钻井井控技术规定, 液压防喷器压力等级的选用以全井最高地层压力为依据 在选择井控装备前, 对于设计预测的地层压力 井眼尺寸 套管尺寸以及各项技术条款的问题需要很好地了解 井控装备可以分为压力控制设备 监视设备 固相控制设备三类 1. 压力控制设备 这种设备的设计目的是为了在钻井作业中保持和控制地层压力, 所设计的井控装备组合, 在下列情况下允许关闭 : ⑴. 在钻柱与套管柱之间有井涌 ⑵. 环形空间是关闭的, 而在钻杆里的流动由于没有机会使用安全阀, 不能自行制止井涌 ⑶. 在起钻时发生井涌 ⑷. 在有必要向井内泵注时 ( 如挤注水泥作业 ) 当井眼环形空间发生井涌时, 大多数情况下需要关井, 用闸板或环形防喷器芯子封闭钻杆环形空间, 以便于进行压井 当液流从钻杆内喷出, 安全阀又不能关闭时, 通常的办法是关上半封闸板, 或剪切全封闸板使切断的管子下部掉在井内, 关井处理 在海上钻井作业时, 每个井段都有一些必须完成的作业, 这些作业是 : ⑴. 导管或击入式管子 : 用于在海底安装一个遥控的环形防喷器, 能循环钻井液装有分流系统的防喷器组 ⑵. 表层套管 : 用于安装至少三个遥控防喷器, 其额定压力超过最大预计的地层压力 ⑶. 技术套管 : 用于安装至少四个遥控防喷器, 其额定压力超过最大预计的地面压力 ⑷. 防喷器至少每周要试压一次, 闸板防喷器组要满载试压, 环形防喷器试压到其额定压力的 70% ⑸. 每次起下钻活动一次防喷器组, 对于闸板防喷器至少一天一次, 对于环形防喷器至少一周一次 在压力控制系统里还有其他部件也同样必须工作状态良好 它们是节流和压井管线 节流管汇 关闭装置 分流系统 海中隔水导管 ( 用于海底防喷器组 ) 辅助设备 除气器等 2. 监视设备 石油工业中使用的监视设备是很广泛的, 从现场的计算机化的监控设备到基础的钻井参数监控采集设备, 电子数据采集监控系统的应用越来越多 在钻井作业中用于检测井涌的监视设备有 : 泵的冲数器 泥浆罐液面指示器 流量指示器 气体检测器和起钻监控系统等等 在施工很难打的外围探井和复杂井时, 通常需要更好的设备和训练有素的人员, 以便连续监控钻井作业 在油田打井时, 因为有许多邻近井资料可借鉴利用, 同时也很好地掌握了地层压力情况, 所以只需要

53 第一部分油气井压力控制技术 或配备了一些最基本的监测设备 3. 固控设备 为了使钻井液维持良好的状态并减少处理的成本, 必须使用好各种固控设备 大多数钻井作业所需耍基本的固控设备是除泥器 除砂器 泥浆清洁器 离心机和振动筛等 4. 用于防硫化氢的特殊设备 标准 SY/T6616 含硫油气井钻井井控装置组合配套 安装和使用规范 对那些在有含硫化氢的地区钻井, 必须配备的检测与监控硫化氢的设备已有明确规定 这些监控系统当硫化氢浓度超过 5mg/L 时, 需要发出声光报警警告信号 此外, 需要提供足够的正压式空气呼吸器等个体气防设施 第六节井喷失控应急措施 1. 人员安全 在预计含有硫化氢的地区作业必须保证人员的安全 这不仅包括钻井人员, 同样也包括邻近公众的安全 硫化氢是一种剧毒致死的气体, 在浓度超过 150mg/m 3 (100ppm) 时, 几分钟人员就会死亡 以 8 小时加权平均值为基础, 硫化氢最大的可接收量为 30mg/m 3 (200ppm) 应当建立一个应急计划, 并且告诉有关人员下列事项 : ⑴. 有关硫化氢与二氧化硫的一般知识和对身体的危害 ⑵. 安全规程 ⑶. 每个人员的责任和任务 ⑷. 规定安全地区 ⑸. 撤离计划 ⑹. 医务人员及个体气防设备设施的清单 ⑺. 发生紧急情况时, 所有需要应急救援通讯清单 2. 污染控制 污染控制是应急计划的另一个重要组成部分 在油井井喷的情况下, 数以万方的油气可能释放到整个环境里来, 如果不加控制, 释放到环境里的油气会污染环境 海洋钻机位于有可能被油气污染的海滩 捕鱼区 渔场, 候鸟栖聚区 蚝与虾的养殖场 疗养区以及候鸟迁移地区 不加控制的井喷, 对公众是很有害的, 同时也有害于作业者 3. 恢复控制 在应急计划里要考虑到许多复杂情况的发生, 如靠近发生井喷的井附近钻救援井 为了能使救援井准确地钻至井喷层位, 就需要对井斜与方位的精度 测斜方法等提出明确的要求 按有关规定进行井斜监控 在定向井中 ( 井斜大于 3 度 ), 造斜以前每 150 米要测斜一次, 增斜段每 30 米需测斜一次 在含硫化氢的地区进行多点测斜时应当小心谨慎 测斜作业应在钻达含硫化氢地层以前进行, 这样即使在井失去控制的条件下也能精确定出地层位置

54 第一部分油气井压力控制技术 在含硫化氢的地区另外一个问题是在发生井涌时应该怎么办 作为设计的一部分必须考虑做出一个决定, 是用泵把气体循环出来并点燃烧掉, 还是用泵把气侵顶回地层去 这必须考虑到井深 气侵量大小 地层完整性 井眼形状和井的位置等参数 如果气侵要循环出来必须小心处置 由于硫化氢燃烧会产生的有毒的二氧化硫气体 第七节满足井控安全的钻前工程及合理的井场布置 从井控安全角度来部考虑, 一个井的井控工作从钻前工程就已经开始了 在进行钻前工程前, 必须考虑季节风向 道路的走向位置 进而确定井场的方向位置 机泵房的方向位置 循环系统的方向位位置 油罐 水罐 泥浆贮备罐的方向位置 值班房 材料房 地质房的方向位置及放喷管线的走向等等 从某种意义上讲, 井场的布局合理与否, 决定着井控工作的成败 有的井场布局是倒井场, 道路先经过油罐区 机泵房而后进入井场 一旦发生井喷失控会给救援车辆进井场造成极大困难, 如四川的 天东五井 在钻前施工时, 要把油罐区 机泵房布置在季节风的上风向位置, 放喷管线走向不要对向宿舍区 民房以及其它重要设施 复习与思考题 1. 井控设计主要包括那些内容? 2. 井控设计的主要根据是什么? 3. 井控设计的主要目标是什么? 4. 举例说明如何确定套管下入程序 5. 如何确定钻井液密度? 6. 应急计划包括那些内容? 7. 如何评价井控设计?