8.弟七章 油气井压力控制.doc

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： （7—1） 式中：ph——深度为h1处的静液压力，MPa； ——液体的密度，g/cm3（综合密度，包括油、气、水、泥浆等）； h1——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Gh表示静液压力梯度，则： （7—2） 式中： Gh——静液压力梯度，MPa/m ph——静液压力，MPa； ——液体的密度，g/cm3； h1——液柱的垂直高度，m。 静液压力梯度的大小与液体中所溶解的矿物及气体的浓度有关。在油气钻井中所遇到的地层水一般有两类： 一类是淡水或淡盐水，其静液压力梯度平均为0.00981MPa/m； 另一类为盐水，其静液压力梯度平均为0.0105 MPa/m。 （二）上覆岩层压力 地层某处的上覆岩层压力是指该处以上地层岩石基质和孔隙中流体的总重力所产生的压力，即 （7—3） 式中：——上覆岩层压力，MPa； D——地层垂直深度，m； ——岩石孔隙度，%； ——岩石骨架密度，g/cm3； ——孔隙中流体密度，g/cm3。 由于沉积压实作用，上覆岩层压力随深度增加而增大。一般沉积岩的平均密度大约为2.5 g/cm3，沉积岩的上覆岩层压力梯度—般为0.0227 MPa 在实际钻井过中，以钻台作为上覆岩层压力的基准面。因此在海上钻井时，从钻台面到海平面，海水深度和海底未固结沉积物对上覆岩层压力梯度都有影响，实际上覆岩层压力梯度值远小于0.0227 MPa/m。 上覆岩层压力梯度—般分层段计算，密度和岩性接近的层段作为一个沉积层，即： （7—4） 式中：G0——上覆岩层压力梯度，MPa/m； ——第i层段的上覆岩层压力，MPa； Di——第i层段的厚度，m； ——第i层段的平均密度，g／cm3。 上式计算的是上覆岩层压力梯度的平均值。 （三）地层压力 地层压力是指岩石孔隙中的流体所具有的压力，也称地层孔隙压力，用Pp表示。 在各种地质沉积中，正常地层压力等于从地表到地下某处的连续地层水的静液压力，其值的大小与沉积环境有关，主要取决于孔隙内流体的密度和环境温度。 若地层水为淡水，则正常地层压力梯度（用Gp表示）为0.00981 MPa/m； 若地层水为盐水，则正常地层压力梯度随地层水的含盐量的大小而变化，—般为0.0105 MPa/m。石油钻井中遇到的地层水多数为盐水。 在钻井实践中，常常会遇到实际的地层压力大于或小于正常地层压力的现象，即压力异常现象。 超过正常地层静液压力的地层压力（PpPh）称为异常高压； 而低于正常地层静液压力的地层压力（PpPh）称为异常低压。 （四）基岩应力 基岩应力是指由岩石颗粒之间相互接触来支撑的那部分上覆岩层压力，亦称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。 基岩应力用来表示。 以上所述地下各种压力之间的关系可用图（7—1）和式（7—5）来说明。 图7—1 p0、pp和σ之间的关系 （7—5） 式中：——上覆岩层压力，MPa； ——地层压力，MPa； ——基岩应力，MPa。 上覆岩层的重力是由岩石基质（基岩）和岩石孔隙中的流体共同承担