第四章　鉆井過程壓力控制（二）

第四章

鉆井過程壓力控制第四章鉆井過程壓力控制2003.12.23重慶開縣特大井噴事件：243人死亡（硫化氫中毒）2024/3/8第一節(jié)壓力控制鉆井中的幾個概念

第三節(jié)溢流及井噴控制第四節(jié)欠平衡鉆井技術第二節(jié)井內(nèi)波動壓力預測方法第四章鉆井過程壓力控制2024/3/8井內(nèi)有效液柱壓力PmE和地層壓力Pp是一對矛盾的二個方面。

地層壓力Pp是客觀存在的不可調(diào)因素；井內(nèi)有效液柱壓力PmE是人為控制的可調(diào)因素。第一節(jié)壓力控制鉆井中的幾個概念地層壓力Pp有效液柱壓力PmE第四章鉆井過程壓力控制2024/3/8對于不循環(huán)情況：開井PmE＝液柱壓力Pm關井PmE＝液柱壓力Pm＋井口套壓Pa第一節(jié)壓力控制鉆井中的幾個概念有效液柱壓力PmE第四章鉆井過程壓力控制2024/3/8對于循環(huán)情況：開井PmE＝液柱壓力Pm＋環(huán)空循環(huán)阻力Pla關井PmE＝液柱壓力Pm＋環(huán)空循環(huán)阻力Pla

＋井口套壓Pa有效液柱壓力PmE第一節(jié)壓力控制鉆井中的幾個概念第四章鉆井過程壓力控制2024/3/8對于起下鉆情況：起鉆

PmE＝液柱壓力Pm－抽吸壓力Psw下鉆PmE＝液柱壓力Pm＋激動壓力Psg第一節(jié)壓力控制鉆井中的幾個概念第四章鉆井過程壓力控制2024/3/81．平衡鉆井（balanceddrilling）鉆進時井內(nèi)有效鉆井液柱壓力等于地層壓力. 理想情況。 難以做到的原因：地層壓力預測不準；有效鉆井液柱壓力隨工況變化。第一節(jié)壓力控制鉆井中的幾個概念第四章鉆井過程壓力控制2024/3/82．近平衡鉆井鉆進時井內(nèi)有效液柱壓力略高于地層壓力。

過低：誘發(fā)井噴第四章鉆井過程壓力控制第一節(jié)壓力控制鉆井中的幾個概念2024/3/83．欠平衡鉆井（under–balanceddrilling）鉆井過程中鉆井液柱有效壓力低于地層壓力，允許地層流體入進井筒，并可將其循環(huán)到地面可控制的鉆井技術。又稱“邊噴邊鉆”鉆井技術。風險較大。第一節(jié)壓力控制鉆井中的幾個概念第四章鉆井過程壓力控制2024/3/84．過平衡鉆井（Overbalanceddrilling）鉆井過程中鉆井液柱有效壓力大于地層壓力稱為過平衡鉆井。鉆速低壓漏地層損害油氣層第一節(jié)壓力控制鉆井中的幾個概念第四章鉆井過程壓力控制2024/3/8一、油氣井壓力控制的基本概念保證鉆井安全的重要原則：油氣井壓力平衡井控技術：油氣井壓力平衡地及平衡破壞后的恢復。氣侵：指井內(nèi)的天然氣以滲透的形式進入泥漿。井涌：指井口泥漿有外溢的現(xiàn)象。嚴重井涌：井涌比較強烈的情況。井噴：指地層流體無控制入井。井噴失控：利用封井器也無法控制的井噴。 第一節(jié)壓力控制鉆井中的幾個概念第四章鉆井過程壓力控制2024/3/81、井控理論：2個原理、1個原則“U”型管原理把地層壓力、立管壓力、套管壓力視為一個“U”型管系統(tǒng).PdPa地層壓力Pp第一節(jié)壓力控制鉆井中的幾個概念第四章鉆井過程壓力控制2024/3/8(2)理想氣體方程把井內(nèi)氣體的體積、壓力、溫度用理想氣體方程聯(lián)系起來.(3)原則:任何時候井底壓力大于或略大于地層壓力第四章鉆井過程壓力控制第一節(jié)壓力控制鉆井中的幾個概念2024/3/82.井控工藝(1)初次井控：利用泥漿柱壓力平衡地層壓力(2)二次井控：使用適當設備井控(本章主要內(nèi)容--常規(guī)井控技術)(3)三次控制：井噴失控后進行的處理(---非常規(guī)井控技術)—如失控井噴著火等。第一節(jié)壓力控制鉆井中的幾個概念第四章鉆井過程壓力控制2024/3/83.井控設備

(1)以液壓防噴器為主的井口裝置第一節(jié)壓力控制鉆井中的幾個概念第四章鉆井過程壓力控制2024/3/8第一節(jié)壓力控制鉆井中的幾個概念第四章鉆井過程壓力控制2024/3/8(2)以節(jié)流器、壓井管線為主的井控管匯第一節(jié)壓力控制鉆井中的幾個概念第四章鉆井過程壓力控制2024/3/8第一節(jié)壓力控制鉆井中的幾個概念第四章鉆井過程壓力控制10～21MPa高壓儲液器組、電動活塞泵機組、控制裝置、高壓管線等。2024/3/8(3)以鉆具回壓凡爾為主的鉆具內(nèi)防噴工具(4)以監(jiān)測地層壓力為主的儀器(5)以起鉆自動灌泥漿裝置為主的平衡壓力設備(6)以強行下鉆為主的滅火裝置第一節(jié)壓力控制鉆井中的幾個概念第四章鉆井過程壓力控制2024/3/84.井控操作規(guī)程及法規(guī)5.井控技術發(fā)展的三個階段經(jīng)驗階段：60年代以前理論化階段：60年代初至70年代初現(xiàn)代化階段：70年代中期到現(xiàn)在第一節(jié)壓力控制鉆井中的幾個概念第四章鉆井過程壓力控制2024/3/8第二節(jié)井內(nèi)波動壓力預測方法第四章鉆井過程壓力控制

波動壓力預測和計算是井身結(jié)構(gòu)設計、合理鉆井液密度確定的主要基礎參數(shù)，也是井控研究的重要內(nèi)容。波動壓力引起的井下復雜情況和事故：（1）現(xiàn)場資料統(tǒng)計表明，25%的井噴是由于起鉆速度過高產(chǎn)生的抽汲壓力而引起。（2）過高的下鉆速度產(chǎn)生井內(nèi)壓力激動壓漏地層引起井塌、卡鉆等惡性工程事故。（3）由于激動壓力及在環(huán)空產(chǎn)生的高環(huán)空返速是損害產(chǎn)層的兩個主要宏觀因素。2024/3/8第二節(jié)井內(nèi)波動壓力預測方法第四章鉆井過程壓力控制激動壓力:下放管柱產(chǎn)生的附加壓力抽汲壓力:上提管柱產(chǎn)生的附加壓力波動壓力:激動壓力與抽汲壓力的統(tǒng)稱2024/3/8波動壓力計算法：剛性液柱法（或稱穩(wěn)態(tài)波動壓力分析）和彈性液柱法（或稱瞬態(tài)波動壓力分析）伯克哈特在實測和理論分析的基礎上認為運動管柱在充有流體的井內(nèi)產(chǎn)生的波動壓力是由以下原因引起的：（1）管柱從靜止狀態(tài)到運動狀態(tài)，因克服井內(nèi)鉆井液靜切力而引起的井內(nèi)壓力激動。（2）管柱運動引起井內(nèi)鉆井液動量變化。（3）管柱以速度Vp運動排開的井內(nèi)流體和管柱粘附的流體疊加，其流動方向與管柱運動方向相反流動克服環(huán)空流道沿程阻力而引起井內(nèi)波動壓力。（三個原因出現(xiàn)在不同時刻）第二節(jié)井內(nèi)波動壓力預測方法第四章鉆井過程壓力控制2024/3/8一、環(huán)空流速計算管柱運動引起的環(huán)空流速除了運動管柱速度和幾何尺寸以外，環(huán)空流速與運動管柱底端結(jié)構(gòu)有關

開口管－－不帶單流閥的管柱堵口管－－帶單流閥的管柱在計算環(huán)空流速時，還應考慮鉆井泵工況：

開泵；停泵。第二節(jié)井內(nèi)波動壓力預測方法第四章鉆井過程壓力控制2024/3/8（1）堵口管（關泵）

第二節(jié)井內(nèi)波動壓力預測方法第四章鉆井過程壓力控制2024/3/8（2）開口管（關泵）第二節(jié)井內(nèi)波動壓力預測方法第四章鉆井過程壓力控制2024/3/8（3）開（堵）口管（開泵）第二節(jié)井內(nèi)波動壓力預測方法第四章鉆井過程壓力控制2024/3/8粘附力引起的環(huán)空流速第二節(jié)井內(nèi)波動壓力預測方法第四章鉆井過程壓力控制紊流Kc=0.5剛性液柱—粘附液體運動2024/3/8綜合考慮，管柱運動引起環(huán)空流速堵口管關泵

開口管關泵

開（堵）口管（開泵）第二節(jié)井內(nèi)波動壓力預測方法第四章鉆井過程壓力控制2024/3/8二、波動壓力計算計算步驟為：（1）計算（2）流態(tài)判別冪律流體塑性流體第二節(jié)井內(nèi)波動壓力預測方法第四章鉆井過程壓力控制紊流2024/3/8（3）計算波動壓力Psw

摩阻系數(shù)f的計算：層流（環(huán)空）紊流：塑性流體冪律流體第二節(jié)井內(nèi)波動壓力預測方法第四章鉆井過程壓力控制2024/3/8例1某井

215.9mm鉆頭鉆至井深4500m，鉆柱組合：

215.9mm+

177.8mm鉆鋌（內(nèi)徑78mm）

200m+

127mm鉆桿（內(nèi)徑108.6mm）。井內(nèi)鉆井液性能：

m=1.50g/cm3，

600=100，

300=60。起鉆最大瞬時速度Vp=0.6m/s，下鉆最大瞬時速度Vp=2.25m/s。噴嘴組合：J1=J2=12mm，J3=13mm。試求鉆頭在井深4000m處起鉆（下鉆）時：（1）鉆頭水眼全部堵死，鉆頭處井壁所受波動壓力值Psw；（2）鉆頭水眼未堵，鉆頭處井壁所受波動壓力值Psw。第二節(jié)井內(nèi)波動壓力預測方法第四章鉆井過程壓力控制2024/3/8解1.鉆頭水眼全部堵死，即運動管柱為堵口管。先求環(huán)空平均流速。根據(jù)環(huán)空直徑比由圖5-3查得Kc=0.48。第二節(jié)井內(nèi)波動壓力預測方法第四章鉆井過程壓力控制鉆井液流變參數(shù)2024/3/8鉆鋌外環(huán)空流速鉆桿外環(huán)空流速第二節(jié)井內(nèi)波動壓力預測方法第四章鉆井過程壓力控制注意2024/3/8流態(tài)判別：鉆鋌段

因3470-1370

0.737=2460，Rec=1369<2460，所以鉆鋌環(huán)空鉆井液為層流。鉆桿段同理鉆桿段也是層流。第二節(jié)井內(nèi)波動壓力預測方法第四章鉆井過程壓力控制2024/3/8計算摩阻系數(shù)f鉆鋌段fc=24/1369=0.0175鉆桿段fp=24/1289=0.0186

計算起鉆時，鉆頭處的抽汲壓力Psw第二節(jié)井內(nèi)波動壓力預測方法第四章鉆井過程壓力控制2024/3/8下鉆時激動壓力計算（方法同前，下鉆最大瞬時速度Vp=2.25m/s）因為Rec>2460，Rep>2460，應為紊流。紊流計算f時，先求a、b

a=(lg0.737+3.93)/50=0.0759

b=(1.75-lg0.737)/7=0.269

fc=0.0759/72700.269=0.00694

fP=0.0759/68430.269=0.00706第二節(jié)井內(nèi)波動壓力預測方法第四章鉆井過程壓力控制2024/3/8由此可求出下鉆時鉆頭處的激動壓力Psw第二節(jié)井內(nèi)波動壓力預測方法第四章鉆井過程壓力控制2024/3/8解2.鉆頭水眼未堵，即運動管柱為開口管。Qi未知步驟如下：a.用任意一Qi值求出環(huán)空和管內(nèi)鉆井液流速。b.由v和vi分別計算環(huán)空和井內(nèi)壓降P環(huán)和P內(nèi)，若P環(huán)=P內(nèi)，則所選Qi即為進入鉆柱內(nèi)的鉆井液量。若P環(huán)

P內(nèi)，需重新選Qi，直到：（

0.02）第二節(jié)井內(nèi)波動壓力預測方法第四章鉆井過程壓力控制2024/3/8為簡化，可采用下式近似計算：起鉆時環(huán)空鉆井液流速：

第二節(jié)井內(nèi)波動壓力預測方法第四章鉆井