油气井压力控制

基金项目:国家自然科学基金项目(No.50076029)资助。

作者简介:李相方,男,1955年7月生,1981年毕业于石油大学,1992年获博士学位,现为石油大学(北京)教授、博士生导师,主要从事欠平衡钻井与油气井测试、天然气工程研究。

文章编号:0253Ο2697(2002)05Ο0110Ο03关井压力恢复和读取时机分析李相方 庄湘琦(石油大学石油天然气工程学院　北京昌平　102200)摘要:论述了关井后井底压力恢复原理;分析并描述了气体在环空滑脱上升与立压、套压变化的关系。

基于天然气藏渗流力学及达西定律,揭示了气侵溢流关井后立压和套压的恢复特征,给出了不同渗透率的油气藏关井压力读取时机及读取方法,为快速与准确获取地层压力提供了一条有效的途径。

关键词:关井;压力恢复;关井井底压力;关井地层压力;读取方法中图分类号:TE21 文献标识码:A随着我国海洋与西部等油田深层油气藏勘探与开发,近几年井控问题显得比较突出。

众所周知,溢流发生后,准确求取地层压力是安全井控的必要条件,而准确读取关井压力又是准确获取地层压力的必要条件。

几十年来,关于何时读取关井压力一直存在着误区。

从原理上讲,大家承认关井稳定所需时间与溢流种类、储量、地层渗透性及地层欠平衡压差等有关[1～6],但苦于给不出可操作的推荐时机,于是,有一些专家推荐关井10～15min 后读取立压与套压[1～3],另有一些专家推荐关井5～20min 后读取立压与套压[4～6]。

也有一些专家[7～8]提出了在压力恢复至稳定后再读取压力的观点,但这对于低渗透油气藏是难以做到的,同时识别圈闭压力也较困难。

研究表明[9～11],对于不同油气藏,溢流关井稳定所需时间的差别很大。

鉴于目前钻井现场普遍采取关井取压方式,准确读取关井压力对安全井控,尤其是对付高温高压油气藏井控与复杂地质条件下的井控有重要作用。

图1　关井期间流体“U ”型管原理图 Fig 11　U-shape tube theory of shut-in 1　关井后压力恢复原理因气侵是井控的难点,故笔者假设侵入流体为天然气,并且假设钻柱中未装钻具回压凡尔。

井控基本知识1、井控：指对油气井压力的控制；分为初级井控、二级井控、三级井控。

2、初级井控（又称一级井控）：仅用修井液液柱压力就能平衡地层压力的控制；此级井控状态的表现是：没有地层流体侵入井内，井涌量为零，自然也无溢流产生。

3、二级井控：是指仅靠井内修井液液柱压力不能控制住地层压力，井内压力失去平衡，此级井控状态的表现是：地层流体侵入井内，出现井涌，地面出现溢流，此时要依靠关闭地面井控设备建立的回压和井内液柱压力共同平衡地层压力，依靠井控技术排除气侵修井液，处理掉井涌，恢复井内压力平衡，使之重新达到初级井控状态。

4、三级井控：是指二级井控失败后，井涌量大且失去控制而发生的井喷（即：井喷失控），此时，要利用专门的设备和技术重新恢复对井的控制，使其达到二级井控状态，然后再进一步恢复到初级井控状态。

三级井控就是平常说的井喷抢险。

5、井喷失控：井喷发生后，无法用常规方法控制井口而出现敞喷的现象，井喷失控就是井下作业中恶性事故，在实际工作中必须予以杜绝。

6、井侵：井底压力小于地层压力时，地层流体（油、气、水）进入井筒的现象。

7、溢流：当井侵发生后，井口返出的修井液比泵入的量多，停泵后井口修井液有外溢的现象。

8、井涌：溢流进一步发展，钻井液或压井液涌出井口的现象。

9、井喷：地层流体（油、气、水）无控制地进入井内，使井内流体喷出井口。

10、软关井：发现溢流后，先打开放喷阀（套管闸门），然后关闭防喷器，再关节流阀。

11、硬关井：发现溢流后，立即关闭防喷器。

12、井喷失控的危害:①打乱全面的正常生产、工作秩序，影响全局生产。

②极易引起火灾和地层坍塌，造成机毁人亡、油气井报废等严重事故，带来巨大的经济损失。

③使修井事故复杂化。

④严重伤害油气层、破坏地下油气资源。

⑤油气无控制喷出地面进入空中，造成环境污染，影响周围人民的生命财产。

⑥在国际、国内造成不良的社会影响，对企业的生存与发展极为不利。

13、井喷失控的原因：1）井控意识不强，违章操作。

井控应知应会1．井控：油气井压力控制的简称。

2．油气侵：井底压力大于地层压力时，岩屑中的流体（油、气、水）侵入钻井液的现象。

3．溢流：地层压力大于井底压力，地层流体向井内流动，停泵后，井口钻井液自动外溢的现象。

4．井涌：地层流体侵入井内，引起流体增加溢出井口的现象（未超过转盘面）。

5．井喷：地层流体喷过转盘面称为井喷。

6．井喷失控：井喷发生后，无法用常规方法控制井口而出项敞喷的现象。

7．进平衡压力钻井：在井底压力稍大于地层压力情况下，在保持最小井底压力情况下钻进的钻井方法。

8．石油天然气总公司对地层压力当量钻井液密度附加值的规定：油水井为0.05~0.10g/cm；气井为：0.07~0.15g/cm 。

9．什么是赞成的曾压力？异常压力？异常低压？的曾有利梯度在0.0098~0.10486Mpa/m为正常地层压力，地层压力梯度大于0.010486 Mpa/m为异常高压。

压力梯度小于0.0098 Mpa/m为异常低压。

10．井喷多发生在哪种钻井作业中？为什么？起钻时一般每起出几柱钻具需灌一次泥浆？井喷多发生在起钻作业中，起钻时产生抽吸压力回使井底压力降低，起钻时不及时灌满钻井液也会使井底压力降低，故井喷多发生在起钻作业中，起钻时每起钻作业中，起钻时每起出2—3柱钻杆需灌一次泥浆，每起一柱钻铤需灌一次泥浆。

11．常规法压井主要有哪几种方法？各有什么特点？司钻法和工程师法，司钻法压井时间长，套压高，但排溢流及时，计算简单；工程师法压井时间短，套压低，但是需等待加重，计算复杂。

12．钻井液静也压力：井内钻井液柱重量产生的压力。

13．井底压力：地面和井内各种压力作用在井底的总压力。

14．井控的三个阶段：一级控井：以合理的钻井液密度，满足近平衡压力钻井的要求，防止发生溢流实现安全生产的井控工艺。

二级井控：指及早发现溢流，迅速实现对井口的控制，用压井工艺重建井内压力平衡的井控工艺。

三级井空：指井喷失控后，重新恢复对井的控制。

陆上石油天然气井下作业过程中的井控要求1洗（压）井作业1.1洗（压）井方式、洗（压）井液密度、类型、用量应按设计要求执行。

1.2洗（压）井施工应安排专人观察压力和出口返液情况。

1.3最大施工压力应低于井口额定工作压力和套管抗内压强度的80%两者中的最小值。

1.4压井应不少于1.5个循环周，压井液进出口密度差小于0.02g∕cπΛ停泵油、套压均为零，出口无外溢，再下步作业。

1.5不能建立循环的油气井，应保持一定的液柱高度平衡地层压力。

1.6挤注法压井时，施工压力不应超过最大允许关井压力。

2换装井口作业2.1换装井口装置前应压稳地层，观察时间不少于换装井口作业周期，出口无异常后，用原密度压井液循环不少于1.5个循环周，再进行作业。

2.2井口完全密闭无法常规泄压的井，应先确定井内压力情况及流体类型。

2.3换装前在油管或套管内增设机械屏隙或采用冷冻井口的方式暂堵井筒时，应确保密封有效。

2.4换装井口装置前，应准备好所需的待换的井口装置、垫环、螺柱、螺母、内防喷工具或抢接装置。

2.5换装过程出现溢流，应按照用时最短原则控制井口。

2.6换装后，应按设计要求试压。

3起、下作业3.1起、下抽油杆前，应按设计配备防喷装置，抽油杆简易防喷装置转换接头应与井内抽油杆匹配。

3.2起、下管柱作业前，按设计要求安装井控装置，并准备好内防喷工具、防喷单根（或短节）及配合接头等，井口未安装防喷器的应准备好简易防喷装置。

3.3起、下管柱过程中应按设计要求灌液，灌液量以井简液柱压力能平衡施工层最高压力为原则。

3.4起、下大直径工具时，应密切观察悬重及井口液面；在油气层井段及顶部以上30OnI内，应控制起下速度。

3.5起、下管柱时应核实灌入液和返出液情况。

3.6起、下外挂电缆管柱，应备好电缆剪断工具。

3.7“三高”油气井起管柱完毕，等停期间应下入不少于作业层位以上井深三分之一的管柱。

4钻、磨、套、钱作业4.1钻、磨、套、铳作业所用井控装置及压井液性能应符合设计要求。

第十一章 油气井压力控制 （Well Control ）井眼与地层同处于一相互连通的压力系统内。

钻井过程中保持井下压力系统平衡使钻井高效安全，发生溢流等井下压力失衡现象时及时恢复压力系统平衡的一系列技术的总称第一节 地层压力、破裂压力及坍塌压力一、地层压力的有关概念 1、静液压力渗透性地层中液体液柱重量引起的静液柱压力。

H g P h ⋅⋅=ρ 式中 Ph ——深Ｈ处的静液压力，Pa ； ρ——液体密度，kg m 3；地层水密度：1.3×103～1.07×103 原油密度：0.88×103泥浆密度：1.04×103～2.35×103 水泥浆密度：1.8×103～1.9×103 H ——液柱垂直高度，m 。

2、上覆岩层压力覆盖在某一深度处地层以上的地层岩石和岩石孔隙中的流体的总重量造成的压力。

P H o rm =-+981.[()]φρφρ式中 Po ——上覆岩层压力，Pa ； H ——该处垂直深度，m ；ρ——岩石孔隙中流体的密度，kg m 3； Φ——岩石孔隙度，％； ρrm ——岩石密度，kg m 3。

3、地层压力（地层孔隙压力）Pp （pore pressure)某地层岩石孔隙和裂缝中油、气、水等流体的压力。

地下压力间的关系：σ+=p o P P连通体系：Pp ＝Ph封闭体系：→异常高压地层、异常低压地层 异常高压：地层压力高于正常压力； 异常低压：地层压力低于正常压力；正常压力标准：1.0～1.07g/cm 3淡水或盐水静液柱压力。

4、异常高压的起因（1）由静液柱压力引起的压力异常在同一含水层中，由于井的位置不同，表现出地层压力的不同。

（2）由欠压实（圈闭）引起的高压 垂直方向：岩性变化（页岩、盐岩、石膏） 水平方向：断层、褶皱、盐丘、尖灭─→压力圈闭（即有一个无法渗透的界面，地层中的流体在岩石受压实时无法向外泄漏而形成压力圈闭）。

第七章油气井压力控制石油钻井工程实施中，首先要研究工程地质问题。

石油钻井的工程地质条件是指与钻井工程有关的地质因素的综合。

地质因素包括岩石、土壤类型及其工程力学性质、地质结构、地层中流体情况及地层情况等等。

石油钻井是以不断破碎井底岩石而逐渐钻进的。

了解岩石的工程力学性质，是为选用合适的钻头和确定最优的钻进参数提供依据。

井眼的形成使地层裸露于井壁上，这又涉及井眼与地层之问的压力平衡问题，对此问题处理不当则会发生多种复杂情况或事故，使钻进难以进行，甚至使井眼报废。

所以，在一个地区钻井之前，充分认识和了解该地区的工程地质资料（包括岩石的工程力学性质、地层压力特性等）是进行一口井设计的重要基础。

同时，当钻遇油气层时，如果井底压力低于地层压力，地层流体就会进入井眼。

大量地层流体进入井眼后，就有可能产生井涌、井喷，甚至着火等，酿成重大事故。

因此，在钻井过程中，采取有效措施进行油气井压力控制是钻井安全的—个极其重要的环节。

概括起来，油气井压力控制（通称井控Well control）的任务主要表现在两个方面：—方面，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下进行；另—方面，在地层流体侵入井眼过量后，通过更换合理的钻井液密度及控制井口装置将环空内过量的地层流体安全排出，并建立新的井底压力与地层压力差。

第一节地下压力特性—、地下各种压力的概念（—）静液压力静液压力是由液柱自身的重力所引起的压力，它的大小与液体的密度、液柱的垂直高度或深度有关，即：100981.0h p h ρ= （7—1）式中：p h ——深度为h 1处的静液压力，MPa ；ρ——液体的密度，g/cm 3（综合密度，包括油、气、水、泥浆等）； h 1——液柱的垂直高度，m 。

由上式可知，液柱的静液压力随液柱垂直高度的增加而增大。

我们常用单位高度或单位深度的液柱压力，即压力梯度，来表示静液压力随高度或深度的变化。

若用G h 表示静液压力梯度，则：ρ00981.0/1==h p G h h （7—2）式中： Gh ——静液压力梯度，MPa/mp h ——静液压力，MPa ；ρ——液体的密度，g/cm 3；h 1——液柱的垂直高度，m 。