井控技术定稿.doc

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第一章绪论

1、井控的基本概念

1.1井控的概念

1.1.1井控的定义

井控，即井涌控制或压力控制，是指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，保证钻井的顺利进行的技术。

定义中所说的“一定的方法”包括两个方面：

（1）合理的压井液密度；

（2）合乎要求的井口防喷器。

定义中所说的“基本上保持井内压力平衡”指：

P井底-P地层=ΔP（ΔP取值：

对于油井取1.5～3.5MPa；对于气井取3.0～5.0MPa。

）

1.1.2井控的分级

根据井涌的规模和采取的控制方法之不同，井控作业分为三级，即初级井控、二级井控和三级井控。

初级井控：

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钻井过程。

初级井控的核心就是确定一个合理的钻井液密度，初级井控提供的钻井液液柱压力为安全钻井形成第一级屏障。

初级井控技术要求我们在进行钻井施工时，首先要考虑配制合适密度的钻井液，确保井内钻井液液柱压力能够平衡甚至大于地层压力，保证井口敞开时安全施工。

二级井控：

由于某些原因使井底压力小于地层压力时，发生了溢流，但可以利用地面设备和适当的井控技术来控制溢流，并建立新的井内压力平衡，达到初级井控状态。

二级井控技术要求井口必须装防喷器组，井口防喷器组为安全钻井提供第二级屏障。

二级井控的实质是“早发现、早关井和早处理”：

（1）早发现：

溢流被发现得越早越便于关井控制，越安全。

国内现场一般将溢流量控制在1～2m3之前发现。

这是安全、顺利关井的前提。

（2）早关井：

在发现溢流或预兆不明显、怀疑有溢流时，应停止一切其它作业，立即按关井程序关井。

（3）早处理：

在准确录取溢流数据和填写压井施工单后，就应节流循环排出溢流和进行压井作业。

三级井控：

三级井控是指二级井控失败，井涌量大，失去了对地层流体流入井内的控制，发生了井喷（地面或地下），这时使用适当的技术与设备重新恢复对井的控制，达到初级井控状态。

即常说的井喷抢险，这时可能需要灭火、打救援井等各种具体技术措施。

对一口井来说，应当努力使井处于初级井控状态，同时做好一切应急准备，一旦发生井侵能迅速地做出反应，加以处理，恢复正常钻井作业。

要尽力防止井侵变成井喷。

长庆油田搞好井控工作的原则是：

立足于初次井控、搞好二级井控，杜绝三次井控。

确保各种施工顺利进行。

日常井控工作的重点在钻井队、关键在班组、要害在岗位。

长庆油田搞好井控工作的方针是：

安全第一、预防为主，环保优先、综合治理。

长庆油田搞好井控工作的理念是：

以人为本、井喷就是事故、井喷是可防可控的。

长庆油田搞好井控工作的重点是天然气井、超前注水开发区块的油井、地层压力梯度大于0.95MPa/100m和气油比大于100m3/t井的作业。

1.2与井控有关的概念

1.2.1井侵

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）将侵入井内，通常称之为井侵。

最常见的井侵为气侵和盐水侵。

1.2.2溢流

当井侵发生后，井口返出的钻井液的量比泵入的钻井液的量多，停泵后井口钻井液自动外溢，这种现象称之为溢流。

特点：

返出流体不会到达转盘面上。

1.2.3井涌

国内定义：

井涌是溢流的进一步发展，井口返出流体超过转盘面，但低于二层平台。

国外定义：

当地层压力大于井底压力时，在其压差作用下，地层流体进入井眼，这种流体流动称为井涌。

1.2.4井喷

国内定义：

井涌进一步发展，当井口返出流体超过二层平台时称为井喷。

国外定义：

井涌失控称为井喷。

井喷有地上井喷和地下井喷。

流体自地层经井筒喷出地面叫地上井喷，从井喷地层流入其它低压层叫地下井喷。

1.2.5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称为井喷失控。

这是钻井过程中最恶性的钻井事故。

1.2.6井喷失火

井喷后失去控制的地层流体在地面遇到火源着火的现象。

这是钻井过程中最恶性的、损失巨大的钻井事故。

长庆油田提出井控工作的目标就是坚决杜绝井喷失控和着火事故；坚决杜绝有毒有害气体事故。

树立井控就是安全，井喷就是事故的意识。

图1-1与井控相关的概念

2、正确认识与做好井控工作

2.1井喷失控与着火的危害

井喷失控及其着火是钻井工程中危害极大的灾难性事故，其严重危害如下：

（1）打乱全面的正常工作秩序，影响全局生产；

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。

（2）油气资源受到损失和破坏；

1958年，四川长桓坝气田长1井，嘉陵江气藏井喷，气量超过100万m3/d，损失天然气达4.61亿m3，占该气田总储量的62%，致使该气藏几乎失去了开采价值。

（3）钻井设备被损坏或烧毁；

2003年2月18日，大港油田滩海工程公司承钻的中4－72井在起钻过程中发生井喷失控，40分钟后井架朝大门方向倒塌。

井架、绞车及大量钻具工具报废。

（4）危及人身安全，造成人员伤亡。

2003年12月23日，川东钻探公司12队,罗家16H井井喷失控，导致硫化氢大量外泄，造成243人死亡，4000多人受伤。

（5）严重污染环境，造成不良的社会影响。

1979年6月3日，墨西哥石油公司的伊斯托克1号平台，突然发生严重井喷，这次井喷造成10毫米厚的原油顺潮北流，涌向墨西哥和美国海岸。

黑油带长480公里，宽40公里，覆盖1.9万平方公里的海面，使这一带的海洋环境受到严重污染。

（6）处理井喷失控、井喷失火不仅延误钻井时间，而且会在经济上造成巨大的损失，使钻井成本大大增加。

1996年，长庆油田W24-23井，井喷着火，时间损失168小时，直接经济损失45.73万元。

2.2对井控工作的正确认识

几十年来，井控工作所取得的成绩是很大的，积累的经验是十分丰富的。

但是，井喷失控造成的损失也是巨大的，教训是十分深刻的。

严峻的事实使人们对井控工作的认识正在逐步端正，逐步提高。

在过去较长的时间里，人们头脑中对井控工作存在着两种不正确的认识。

其一，由于过去井控装备简陋，不能有效地关井，特别是对高压油气层的井，为了不井喷，使用重钻井液钻井，只要井不喷，就片面地认为井控工作做好了，至于是否污染油气层，枪毙油气层，则考虑甚少。

其二，使用低于油气层压力的低密度钻井液钻井，试图用井喷发现油气藏。

虽然其主观愿望不能说坏，其结果却是相反，井喷后不仅不能进行正常的钻井作业，而且井喷后的压井作业不可避免地对油气层造成严重的损害。

上述两种不正确的认识及其造成的客观后果教育了人们，使人们认识到：

只有实施近平衡压力钻井和采用先进的井控技术才是发现油气层、保护油气层的唯一正确途径。

近平衡压力就是使用合理的钻井液密度形成略大于地层孔隙压力的液柱压力，达到对所钻地层实施一次控制的目的。

做到既不污染地层，也不发生井喷。

一旦一次控制未能准确实施，出现溢流后，还可以使用先进的井控装备及时进行关井，实施二次控制。

从而保证了既有利于发现和保护油气层，又做到安全钻井。

2.3做好井控工作的对策

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、井控技术培训等七个方面。

我们认为要搞好井控工作，必须做好以下6个方面的工作：

（1）各级领导必须高度重视井控工作。

要充分认识井喷失控是钻井工程中性质严重、损失巨大的灾难性事故。

井控技术是钻井工程中十分重要的一项技术。

在钻井作业中，采取积极措施，坚持近平衡压力钻井，做好井控工作，既可以及时发现和保护油气层，又可以防止井喷和井喷失控，实现安全生产。

在钻井作业中，一旦发生井喷，就会使井下情况复杂化，无法进行正常钻井，而被迫进行压井作业，对油气层将造成严重的破坏。

同时，井喷后极易导致失控，井喷失控后将使油气资源受到严重的破坏，还易酿成火灾，造成人员伤亡，设备损坏，油气井报废。

自然环境受到污染。

对此，各级领导必须在思想上统一认识，高度重视井控工作，只有这样，才能保证井控工作有计划、有组织地沿着正确的轨道，步调一致地健康发展。

（2）搞好井控工作，必须全面系统地抓好五个环节。

要搞好井控工作，必须紧紧抓住思想重视、措施正确、严格管理、技术培训和装备配套五个环节。

思想重视是指各级领导要高度重视井控工作。

不要把井控工作与保护油气层对立起来。

井控技术是实现近平衡压力钻井的基础技术，井控技术搞好了，有利于发现和保护油气层，提高油气井的产量，又可以防止井喷失控，实现安全生产。

措施正确主要指及时发现溢流和发现溢流显示后按正确的关井程序实行有效控制并及时组织压井作业，尽快地恢复正常的钻井工作。

严格管理指在整个过程中，必须认真贯彻《石油与天然气钻井井控技术规定》，建立和健全井控管理系统。

要认真执行钻开油气层前准备工作的检查验收制度、岗位责任制度及后勤保证制度。

井控技术培训主要指：

凡直接指挥钻井队现场生产的领导干部和技术人员、井队基层干部和正、副司钻必须经过井控技术培训考核，取得井控操作证。

对钻井队岗位工人要进行井控知识的专业培训，使钻井工人掌握基本的井控技术本领；一旦出现井喷预兆，都能按岗位要求协调，正确地实施井控操作，确保安全生产。

装备配套指应按《科学钻井装备配套标准》，逐步配齐相应压力等级防喷器、节流管汇及控制系统。

上述五个环节是互相联系的，缺一不可的，放松了哪一个环节都可能产生严重的后果。

（3）要认真对待浅气层钻井的井控工作。

浅气层的存在，往往是发生井喷失控事故的潜在危险。

浅气层虽然压力不高，但由于它距地面近，一旦井筒内液柱压力与气层压力失去平衡，天然气就会很快地窜到地面。

如果井口未安装防喷器或者处理不当，一瞬间就可能发生井喷失控事故，过去在这方面的教训是深刻的。

因此，在地质设计上要包括对浅气层的预告，工程上要根据地质提供的浅气层的位置、压力和范围，着重做好井身结构设计、钻井液设计、井控设计及泥浆池液面监测工作，把发生在浅气层的井喷失控事故减小到最低程度。

（4）在注意高压油气井防喷的同时，也要注意中、低压油气井的防喷。

大量的事实表明，不论是高压油气井，还是中、低压油气井，只要不按客观规律办事，思想麻痹，处理措施不当，都有可能造成井喷失控。

同时统计数字表明，在钻开中、低压油气层时发生井喷失控的比例大于钻开高压油气层。

因为，井下的油气水层中，不论哪一层的地层孔隙压力高于当时井筒内静液柱压力时，都有可能导致井喷，尤其是目前在各油气田的井控装备还不尽人意的情况下。

在当前的情况下，充分注意到中低压油气层的井也会发生井喷失控是十分重要的。

忽视了这一点，思想上就会放松警惕，施工中就易马虎凑合，井控技术培训工作就不能认真抓好，井控技术规定的贯彻一定会流于形式，其后果是不言而喻的。

（5）井控工作要各部门密切配合，常抓不懈。

井控工作是多方面组成的系统工程，需要各部门通力合作，密切配合，互相协调，才能发挥整体作用。

同时井控工作是一项十分细致的工作，需要坚持不懈，毫不放松的严格管理来保证。

只要各级领导上、下一致，连续抓它数年，养成习惯，形成制度，我们的井控工作一定会基础更扎实，成效更显著。

（6）要严格执行《石油与天然气钻井井控技术规定》。

《石油与天然气钻井井控技术规定》在全面总结我们石油系统几十年来井控技术的基础上，吸收国外先进经验和技术，使我国的井控技术向科学化、标准化和正规化方面迈出了一大步。

因此各油气田要结合本地区油气钻井的特点，制定实施细则和各项行之有效的制度，一丝不苟地贯彻执行，在贯彻实施中，要注意发现新情况，总结新经验，努力提高井控工作水平。

复习题：

1、名词解释：

井控技术、井侵、井涌、溢流、井喷、井喷失控。

2、井控作业分哪三级？

各级的核心问题是什么?

3、井喷或溢流的原因是什么?

4、井喷有什么危害?

5、长庆油田井控工作的原则、指导思想和重点是什么?

6、如何做好井控工作?

第二章井筒内的压力及相互关系

1、压力的概念

1.1压力定义

压力也称压强，其定义是单位面积上所受的力。

1.2压力表达式

2-1

式中：

P——压力，N/m2；A——面积，m2；F——作用在面积上的力，N。

1.3压力的单位——Pa

有关压力单位的换算：

1Pa=1N/m2；1kPa=1000Pa=103Pa；1MPa=1000kPa=103kPa=1000000Pa=106Pa；

1MPa=10.194kgf/cm2；1kgf/cm2=98.067kPa=0.098067MPa；

近似计算1kgf/cm2=100kPa=0.1MPa,误差约2%；

英制中，1psi=6.895kPa。

图2-1圆柱作用下的压力

[例题]如图2-1,已知一圆柱体立放在桌面上，其底面直径100mm，高1m，重5kg。

求圆柱体对桌面压力。

解：

圆柱体底面积=3.14×102/4=78.54cm2；

圆柱体对桌面压力=5kg/78.54cm2

=0.064kgf/cm2=6.246kPa。

井控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，所不同的是液体和气体在某点上的压力在各个方向均相等。

2、地层压力

图2-2钻井液对油气层的危害

1—固相颗粒；2—水；3—油；4—水；

5—油；6—泥质吸水膨胀；7—水；8—油

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侵入井内，发生井喷事故。

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，当井底正压差大时，就会产生下列危害。

（1）油气层的缝隙。

钻井液中的粘土等固相颗粒在井底正压差的作用下，侵入油气层的孔隙或裂缝之中，阻止或防碍油、气流出。

正压差越大，钻井液中的固相颗粒越多，则固相颗粒越易侵入地层孔隙或裂缝之中，堵塞就越严重（见图2-2）。

（2）油、气流产生“水锁效应”。

在井底正压差的作用下，钻井液中的自由水就会不断地向地层缝隙中渗透，在地层缝隙中形成一段水、一段油，（如图1-1）。

由于油—水和气—水之间有表面张力，油气要想流入井眼中，就必须克服一段段水的表面张力所形成的阻力，这样，水就封锁了油气流入井内的通道，这就是所谓的“水锁效应”。

井底正压差越大，失水量越大，钻井液浸泡时间越长，地层中的水量就越多，渗入地层中的深度就越大，一般为几十厘米，有时可达几米，甚至数十米，这就会严重阻碍油气流入，降低油气产量。

（3）油、气层中泥质吸水膨胀，堵塞油、气通道。

当钻至油气层，如果油气层中的粘土等泥质成分含量较高，那么在井底正压差的作用下，钻井液中的自由水就会进入油气层。

油气层中的泥质成分吸水膨胀堵塞油、气通道，就会降低油、气产量。

井底正压差越大，浸入油气层的自由水就会越多，堵塞就越严重。

（4）降低机械钻速。

在井底正压差的作用下，钻头破碎的岩屑会被紧紧地压在井底而不能及时离开，造成钻头对岩屑的重复破碎，从而影响钻头破碎岩石的效率，导致机械钻速下降。

井底正压差越大，机械钻速越慢。

（5）易形成粘附卡钻。

钻井过程中，由于井眼不可能完全垂直，当井下钻具静止不动时，钻柱在井底正压差的作用下靠向井壁，与井壁泥饼紧密结合（陷入泥饼中），如果静止时间较长，井底正压差较大就会把钻柱紧紧地压在井壁上，从而产生粘附卡钻。

（6）易发生井漏。

在钻井过程中，如果地层孔隙度大，渗透性好，那么，钻井液就会在较大的井底正压差的作用下发生渗透性漏失。

图2-3正常地层压力形成示意图

1—地表；2—地层缝隙；3—地层水；4—油层；5—油井。

当然，井底正压差较大，对防止井喷是极其有利的。

过去人们往往怕井喷而过大地增加钻井液密度，人为地增大井底正压差，这样做的结果是井虽未发生井喷，但油气层却被堵塞了。

过去，常常会看到这种现象，有的油、气井在钻进时油气显示很好，而完井试油时，却不出油产气，或者产油、气很少。

因为石油钻井的主要目的是为了开发地下油气资源。

所以，我们在钻井过程中，必须尽量减少井底正压差。

为了多出油，快打井，减少卡钻、井漏等事故的发生，井底正压差应该是越小越好，最理想的钻井状态为井底压力等于地层压力，使井底压差等于零。

在井底压力等于地层压力条件下的钻井过程为平衡钻井。

平衡钻井是很难做到的，一般情况下是使井底压力稍大于地层压力，保持最小的井底正压差，这种在井底压力稍大于地层压力条件下的钻井过程为近平衡钻井，近平衡钻井有以下优点：

（1）避免堵塞油气缝隙，有利于发现与保护油气层。

（2）提高机械钻速。

（3）防止粘附卡钻。

（4）防止井漏。

2.1正常地层压力

地质上认为：

含有油气水的地层是通过渗透性地层形成的缝隙与出露在地表的地层相互沟通，在这个相互沟通的缝隙内充满着地层水（如图2-3）。

2.1.1正常地层压力的定义与计算

某地区的正常地层压力就是该地区较为普遍的地层水所形成的静液柱压力，其计算公式为：

P=ρgH=0.0098ρH2-2

式中：

P—正常地层压力，MPa；

ρ—地层水密度，g/cm3；

g—重力加速度，g=9.8m/s2；

H—地层深度，m。

地层深度一定是地层垂直深度，与某深度的地层相互沟通的出露在地表的位置与该地层的水平距离可以达到数十公里，产生沟通作用的渗透性地层的倾斜距离会更多，这种水一平距离、倾斜距离都不能做为计算正常地层压力的依据。

[例题]某地区较为普遍的地层水密度为1.07g/cm3，求地层垂直深度分别为1000m，2000m，3000m的正常地层压力为多少?

解：

P1=0.0098ρH=0.0098×1.07×1000=10.486（MPa）；

P2=0.0098ρH=0.0098×1.07×2000=20.972（MPa）；

P3=0.0098ρH=0.0098×1.07×3000=31.458（MPa）。

答：

地层垂直深度分别为1000m，2000m，3000m的正常地层压力分别为10.486MPa；20.972MPa和31.458MPa。

2.1.2正常地层压力的四种表示方法

（1）用压力的具体数值表示地层压力

如在例2-1中：

地层垂直深度分别为1000m，2000m，3000m的正常地层压力分别为10.486MPa；20.972MPa和31.458MPa。

（2）用地层压力梯度表示地层压力

由例2-1可以看出，正常地层压力与地层深度成正比，地层深度增加几倍，正常地层压力随着增加几倍；同样，地层深度减小，地层压力也随着减小。

它们扩大、减小的规律是：

地层压力和地层深度的比值总是一定的。

这个定植10.486MPa/m就是某地区的正常地层压力梯度。

地层压力梯度是单位地层深度地层压力的变化量。

其计算公式为：

2-3

式中：

G—地层压力梯度，MPa/m；

P—地层压力，MPa；

H—地层深度，m。

对于某地区来说，由于地层水密度是一定的，所以某地区的正常地层压力梯度是一个固定不变的值。

正常地层压力梯度能够较直观地表示某地区的正常地层压力。

在异常压力地层，同样可以用异常地层压力梯度来表示异常压力地层。

[例题]某地区3500m以上为正常地层压力，测得地层深度为2500m处的地层压力为26.215MPa，求该地区的正常地层压力梯度。

解：

G=P/H=26.215/2500=0.0105（MPa/m）。

答：

该地区的正常地层压力梯度为0.0105MPa/m。

[例题]某地区地层水密度为1.05g/cm3,求该地区正常地层压力梯度。

解：

G=0.0098ρ=0.0098×1.05=0.0103（MPa/m）。

答：

该地区正常地层压力梯度0.0103MPa/m。

在钻井施工前，我们如果已经了解本地区的正常地层压力梯度，那么，在钻井过程中，如果想知道某地层深度的正常地层压力的具体数值，只要将正常地层压力梯度乘以地层深度即可。

[例题]某地区正常地层压力梯度为0.0118MPa/m，当井深为2000m时，地层压力为多少?

解：

P=GH=0.0118×2000=23.6MPa。

答：

地层压力为23.6MPa。

（3）用地层压力当量钻井液密度表示地层压力

地层压力梯度消除了地层深度的影响，如果同时消除地层深度和重力加速度的影响，那么，地层压力便可直接用地层压力当量钻井液密度来表示，地层压力当量钻井液密度就是平衡地层压力所需的钻井液密度：

2-4

式中：

ρe—地层压力当量钻井液密度，g/cm3。

由上式可知，正常地层压力当量钻并液密度的数值等于形成地层压力的地层水密度。

因此，只要知道某地区的地层水密度，就能直接得到正常地层压力当量钻井液密度，钻井工作者便可以采用相当的钻井液密度实现平衡钻井，或者采用比地层压力当量钻井液密度略高的钻井液密度，实施近平衡钻井。

由于地层压力当量钻井液密度易与钻井中所用的钻井液密度形成对比，因此用地层压力当量钻井液密度表示地层压力较之地层压力梯度更为直观。

[例题]地层深度为2000m时，地层压力为20.972MPa，问地层压力当量钻井液密度为多少?

解：

ρe=P/（0.0098H）=20.972/（0.0098×2000）=1.07g/cm3。

答：

地层压力当量钻井液密度为1.07g/cm3。

由于各地区的地层水矿化度各不相同，有的是淡水，有的是海水，有的是盐水，因此，各地区的地层水密度也各不相同。

所以，各地区的正常地层压力当量钻井液密度值也各不相同。

例如，胜利油田为1.02g/cm3，东南亚为1.03g/cm3时，墨西哥湾为1.07g/cm3。

（4）用地层压力系数来表示地层压力

当用地层压力当量钻井液密度表示地层压力时，人们在叙述时要说某地区正常地层压力为1.07g/cm3。

为了叙述方便起见，人们往往把单位去掉，而说某地层压力为1.07，这就是地层压力系数。

地层压力系数是指某地层深度的地层压力与该深度处的淡水静液柱压力之比。

地层压力系数无单位，其数值等于平衡该地层压力所需钻井液密度的数值。

2-5

如2000m深度的地层压力为20.972MPa，相同深度的淡水静液柱压力为1×0.0098×2000=19.6MPa,则：

地层压力系数=20.972MPa/19.6MPa=1.07。

在钻井工作中谈到地层压力时，上述四种表示方法都可能用到，当用地层压力当量钻井液密度表示地层压力时，可以不再说明是地层压力当量钻井液密度而直接称之为地层压力。

由于它们的数值与单位都相同，所以要按上下文的意思进行理解，以与钻井液密度相互区别。

在前面我们提到地层压力、地层压力梯度、地层压力当量钻井液密度、地层压力系数时仅对正常地层压力进行了一些阐述。

实际上上述概念也适用于其它压力，如异常高压层、异常低压层、静液柱压力、地层破裂压力等。