第四章　钻井过程压力控制（1）.ppt

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1、2019/12/6,第四章 钻井过程压力控制,第四章 钻井过程压力控制,2003.12.23重庆开县特大井喷事件：243人死亡（硫化氢中毒）,2019/12/6,第一节 压力控制钻井中的几个概念,第三节 溢流及井喷控制,第四节 欠平衡钻井技术,第二节 井内波动压力预测方法,第四章 钻井过程压力控制,2019/12/6,井内有效液柱压力PmE和地层压力Pp是一对矛盾的二个方面。 地层压力Pp是客观存在的不可调因素； 井内有效液柱压力PmE是人为控制的可调因素。,第一节 压力控制钻井中的几个概念,地层压力Pp,有效液柱压力PmE,第四章 钻井过程压力控制,2019/12/6,对于不循环情况：开井

2、PmE液柱压力Pm关井 PmE液柱压力Pm井口套压Pa,第一节 压力控制钻井中的几个概念,有效液柱压力PmE,第四章 钻井过程压力控制,2019/12/6,对于循环情况： 开井 PmE液柱压力Pm 环空循环阻力Pla 关井 PmE液柱压力Pm 环空循环阻力Pla 井口套压Pa,有效液柱压力PmE,第一节 压力控制钻井中的几个概念,第四章 钻井过程压力控制,2019/12/6,对于起下钻情况：起钻 PmE液柱压力Pm抽吸压力Psw下钻 PmE液柱压力Pm激动压力Psg,第一节 压力控制钻井中的几个概念,第四章 钻井过程压力控制,2019/12/6,1平衡钻井（balanced drilling）

3、 钻进时井内有效钻井液柱压力等于地层压力.理想情况。,难以做到的原因：地层压力预测不准；有效钻井液柱压力随工况变化。,第一节 压力控制钻井中的几个概念,第四章 钻井过程压力控制,2019/12/6,2近平衡钻井钻进时井内有效液柱压力略高于地层压力。,过低：诱发井喷,第四章 钻井过程压力控制,第一节 压力控制钻井中的几个概念,2019/12/6,3欠平衡钻井（under balanced drilling） 钻井过程中钻井液柱有效压力低于地层压力，允许地层流体入进井筒，并可将其循环到地面可控制的钻井技术。 又称“边喷边钻”钻井技术。风险较大。,第一节 压力控制钻井中的几个概念,第四章 钻井过程压

4、力控制,2019/12/6,4过平衡钻井（Over balanced drilling） 钻井过程中钻井液柱有效压力大于地层压力称为过平衡钻井。,钻速低压漏地层损害油气层,第一节 压力控制钻井中的几个概念,第四章 钻井过程压力控制,2019/12/6,一、油气井压力控制的基本概念,保证钻井安全的重要原则：油气井压力平衡井控技术：油气井压力平衡地及平衡破坏后的恢复。气侵：指井内的天然气以渗透的形式进入泥浆。井涌：指井口泥浆有外溢的现象。严重井涌：井涌比较强烈的情况。井喷：指地层流体无控制入井。井喷失控：利用封井器也无法控制的井喷。,第一节 压力控制钻井中的几个概念,第四章 钻井过程压力控制,20

5、19/12/6,1、井控理论：2个原理、1个原则“U”型管原理 把地层压力、立管压力、套管压力视为一个“U”型管系统.,Pd,Pa,地层压力Pp,第一节 压力控制钻井中的几个概念,第四章 钻井过程压力控制,2019/12/6,(2)理想气体方程把井内气体的体积、压力、温度用理想气体方程联系起来.(3)原则:任何时候井底压力大于或略大于地层压力,第四章 钻井过程压力控制,第一节 压力控制钻井中的几个概念,2019/12/6,2.井控工艺(1)初次井控：利用泥浆柱压力平衡地层压力(2)二次井控：使用适当设备井控(本章主要内容-常规井控技术)(3)三次控制：井喷失控后进行的处理(-非常规井控技术)如

6、失控井喷着火等。,第一节 压力控制钻井中的几个概念,第四章 钻井过程压力控制,2019/12/6,3.井控设备 (1)以液压防喷器为主的井口装置,第一节 压力控制钻井中的几个概念,第四章 钻井过程压力控制,2019/12/6,第一节 压力控制钻井中的几个概念,第四章 钻井过程压力控制,2019/12/6,(2)以节流器、压井管线为主的井控管汇,第一节 压力控制钻井中的几个概念,第四章 钻井过程压力控制,2019/12/6,第一节 压力控制钻井中的几个概念,第四章 钻井过程压力控制,1021MPa高压储液器组、电动活塞泵机组、控制装置、高压管线等。,2019/12/6,(3)以钻具回压凡尔为主的

7、钻具内防喷工具(4)以监测地层压力为主的仪器(5)以起钻自动灌泥浆装置为主的平衡压力设备(6)以强行下钻为主的灭火装置,第一节 压力控制钻井中的几个概念,第四章 钻井过程压力控制,2019/12/6,4.井控操作规程及法规5.井控技术发展的三个阶段经验阶段：60年代以前理论化阶段：60年代初至70年代初现代化阶段：70年代中期到现在,第一节 压力控制钻井中的几个概念,第四章 钻井过程压力控制,2019/12/6,第二节 井内波动压力预测方法,第四章 钻井过程压力控制,波动压力预测和计算是井身结构设计、合理钻井液密度确定的主要基础参数，也是井控研究的重要内容。波动压力引起的井下复杂情况和事故：（

8、1）现场资料统计表明，25%的井喷是由于起钻速度过高产生的抽汲压力而引起。（2）过高的下钻速度产生井内压力激动压漏地层引起井塌、卡钻等恶性工程事故。（3）由于激动压力及在环空产生的高环空返速是损害产层的两个主要宏观因素。,2019/12/6,第二节 井内波动压力预测方法,第四章 钻井过程压力控制,激动压力:下放管柱产生的附加压力抽汲压力:上提管柱产生的附加压力波动压力:激动压力与抽汲压力的统称,2019/12/6,波动压力计算法：刚性液柱法（或称稳态波动压力分析）和弹性液柱法（或称瞬态波动压力分析）伯克哈特在实测和理论分析的基础上认为运动管柱在充有流体的井内产生的波动压力是由以下原因引起的：

9、（1）管柱从静止状态到运动状态，因克服井内钻井液静切力而引起的井内压力激动。 （2）管柱运动引起井内钻井液动量变化。 （3）管柱以速度Vp运动排开的井内流体和管柱粘附的流体叠加，其流动方向与管柱运动方向相反流动克服环空流道沿程阻力而引起井内波动压力。（三个原因出现在不同时刻）,第二节 井内波动压力预测方法,第四章 钻井过程压力控制,2019/12/6,一、环空流速计算管柱运动引起的环空流速 除了运动管柱速度 和几何尺寸以外，环空流速与运动管柱底端结构有关 开口管不带单流阀的管柱 堵口管带单流阀的管柱 在计算环空流速时，还应考虑钻井泵工况： 开泵； 停泵。,第二节 井内波动压力预测方法,第四章

10、钻井过程压力控制,2019/12/6,（1）堵口管（关泵）,第二节 井内波动压力预测方法,第四章 钻井过程压力控制,2019/12/6,（2）开口管（关泵）,第二节 井内波动压力预测方法,第四章 钻井过程压力控制,2019/12/6,（3）开（堵）口管（开泵）,第二节 井内波动压力预测方法,第四章 钻井过程压力控制,2019/12/6,粘附力引起的环空流速,第二节 井内波动压力预测方法,第四章 钻井过程压力控制,紊流Kc=0.5,刚性液柱粘附液体运动,2019/12/6,综合考虑，管柱运动引起环空流速堵口管关泵 开口管关泵 开（堵）口管（开泵）,第二节 井内波动压力预测方法,第四章 钻井过程压

11、力控制,2019/12/6,二、波动压力计算计算步骤为：（1）计算（2）流态判别 幂律流体 塑性流体,第二节 井内波动压力预测方法,第四章 钻井过程压力控制,紊流,2019/12/6,（3）计算波动压力Psw 摩阻系数f的计算：层流（环空） 紊流：塑性流体 幂律流体,第二节 井内波动压力预测方法,第四章 钻井过程压力控制,2019/12/6,例1 某井215.9mm钻头钻至井深4500m，钻柱组合：215.9mm+177.8mm钻铤（内径78mm）200m+127mm钻杆（内径108.6mm）。井内钻井液性能：m=1.50g/cm3，600=100，300=60。起钻最大瞬时速度Vp=0.6m

12、/s，下钻最大瞬时速度Vp=2.25m/s。喷嘴组合：J1=J2=12mm，J3=13mm。试求钻头在井深4000m处起钻（下钻）时：（1）钻头水眼全部堵死，钻头处井壁所受波动压力值Psw；（2）钻头水眼未堵，钻头处井壁所受波动压力值Psw。,第二节 井内波动压力预测方法,第四章 钻井过程压力控制,2019/12/6,解 1.钻头水眼全部堵死，即运动管柱为堵口管。先求环空平均流速。 根据环空直径比 由图5-3查得Kc=0.48。,第二节 井内波动压力预测方法,第四章 钻井过程压力控制,钻井液流变参数,2019/12/6,钻铤外环空流速钻杆外环空流速,第二节 井内波动压力预测方法,第四章 钻井过

13、程压力控制,注意,2019/12/6,流态判别：钻铤段 因3470-13700.737=2460，Rec=13692460，Rep2460，应为紊流。紊流计算f时，先求a、ba=(lg0.737+3.93)/50=0.0759b=(1.75-lg0.737)/7=0.269fc=0.0759/72700.269=0.00694fP=0.0759/68430.269=0.00706,第二节 井内波动压力预测方法,第四章 钻井过程压力控制,2019/12/6,由此可求出下钻时钻头处的激动压力Psw,第二节 井内波动压力预测方法,第四章 钻井过程压力控制,2019/12/6,解 2.钻头水眼未堵，即

14、运动管柱为开口管。 Qi未知步骤如下：a.用任意一Qi值求出环空和管内钻井液流速。b.由v和vi分别计算环空和井内压降P环和P内，若P环=P内，则所选Qi即为进入钻柱内的钻井液量。若P环P内，需重新选Qi，直到： （0.02）,第二节 井内波动压力预测方法,第四章 钻井过程压力控制,2019/12/6,为简化，可采用下式近似计算： 起钻时环空钻井液流速：,第二节 井内波动压力预测方法,第四章 钻井过程压力控制,按反比关系折算,钻头水眼未堵，即运动管柱为开口管,2019/12/6,Rec=13042460应为层流，fc=0.0184，Rep=9832460应为层流，fp=0.0244。将以数据代入（5-15）式求得起钻时，钻头处的抽汲压力Psw=2.40MPa。以同样的步骤求得下钻时，钻头处的激动压力Psg=11.25MPa。,第二节 井内波动压力预测方法,第四章 钻井过程压力控制,