常规压井

第九节常规压井

压井是发现溢流关井后，泵入能平衡地层压力的重钻井液，并始终控制井底压力略大于地层孔隙压力，以排除溢流，重建井眼与地层系统的压力平衡关系。压井过程中，控制井底压力略大于地层压力是借助节流管汇上的节流阀控制一定的回压来实现的。

一、压井原理

压井是以“Ｕ“形管原理为依据，在压井施工过程中，保持井底压力为一恒定值，即略大于地层压力。

1、“Ｕ形管原理

钻具与井眼所建立的循环系统可视为一个“Ｕ形管，钻具和环形空间分别为“Ｕ形管的连通管。“Ｕ形管的基本原理是“Ｕ形和的底部为一个压力平衡点，此处的压力只能有一个值，这个值可以通过分析连通管的任意一条管的压力而获得。以“Ｕ形管原理可以分析井内的各种压力平衡关系。

⑴静止状态

井底压力＝钻柱水眼内静液柱压力＝环空静液桩压力

⑵静止关井条件

井底压力＝关井管压力＋钻柱水眼内静液柱压力＝关井套管压力＋环空静液柱压力

⑶动态条件

井底压力＝环空静液柱压力＋环空和节流管线压力损失＝套管压力

2、井底常压原理

了解了“Ｕ形管原理后，对压井过程中的井底常压原理的理解和井底压力的控制就容易得多了。二次井控有两个重要的条件：一是要使井底压力高于地层压力，否则地层内的各种流体就会更多地流入井内。若对流入井内的流要完全失去控制，就会发生井喷。二是在超平衡地层压力时决不能使井口压力过高，回压过大，将破坏地层、套管或防喷设备。

也就是说，既要把溢流控制住，不使其发展成井喷，又不能把地层压破导致井漏或地下井喷。基于以上考虑，惟一正确的方法是使井底压力保持为一个恒定值。其基本原理是在初稿压井过程中始终保持井底压力与地层压力相平衡。任何基于以上考虑的技术都属于井控的井底常压法。最常用的压蝇方法有司钻法、等待加重法、循环法、循环加重法。

二、最大允许关井套压和关井立压的确定

1、最大允许关井套压的确定

中华人民共和国石油天然气行业标准钻井井控技术规范规定：任何情况下关井，其最大允许关井套压不得超过井口装置额定工作压力、套管抗内压强度的和薄弱地层破裂压力所允许关井套压三者中的最小值；一般情况下，地层通常是最薄弱的。

上述三者中，以套管鞋处的地层破裂压力为最小值，以它来确定最大允许关井套压。

Pamax=Pf-0.0098ρmHf

式中 Pamax--最大允许关井套压，MPa;

Pf--套管鞋处地层破裂压力，MPa;

ρm--井内钻井液密度，g/cm3;

Hf--套管鞋处破裂地层垂深,m

最大允许关井套压与井内钻井液密度增加值成反比，其关系可用图表示。

该井下入1524m技术套管，用密度为1.05g/cm3的钻井液进行了套管鞋处地层漏失试验，漏失时立管压力为8.274MPa，地层破裂压力当量密度为1.63 g/cm3。如果把钻井液密度增加到1.38 g/cm3，可以看到最大允许关井套压只有3.788 MPa，而不是原来的8.274 MPa。每口油气井下完技术套管，进行完地层漏失试验后，都要绘制出该图，固定在施工现场。对于操作节流管汇岗位的井架工来就，掌握该图的应用方法是十分重要的。

2、关井立管压力的确定

关井立管压力是计算地层压力和压井钻井液密度的直接数据，其数据录取的准确与否，关系到压井作业的效果。

⑴钻柱内未装钻具回压阀时测定关井管压力

关井后，井内压力处于平衡状态。

Pp=Pb (15-1)

Pp= Pd+0.0098ρmH (15-2)

Pp= Pa +0.0098ρm(H-hw)+ 0.0098ρwhw (15-3)

式中 Pp--地层压力,Mpa;

Pb—井底压力, Mpa;

Pd--关井立管压力，Mpa;

ρm—原钻井液密度，g/cm3;

H――垂直井深，m;

从上式可以看出，关井立管压力为地层压力与钻柱内钻井流静液压力的差值，以此式可以计算地层压力。但值得注意的是，发生溢流后由于井眼周围的地层流体进入井筒，致使井眼周围的地层压力形成压降漏斗，即此时井眼周围地层压力低于实际地层压力愈远离井眼，愈接近或等于原始地层压力。一般情况下，待关井后10～15分钟，井眼周围的地层者恨不得到原始地层压力，此时读到的立管压力值者是地层压力与钻柱内钻井液静液压力之差。井眼周围地层压力恢复时间的长短与欠平衡压差、地层流体种类、地层产能、地层渗透率等因素有关。

在关井测定立管压力时，要注意是否存在圈压力。圈闭压力是指关井立管压力及套管压力中大于实际应有数值的部分，它可能是井已关闭，泵没有完全停止而泵上去的压力，也可能是气体上升而没有膨胀所引起的。

检查圈闭压力是否存在的方法是通过节流管汇放出少量钻井液(40～80L)，然后关井，观察压力变化。如果立管压力和套管压力均有下降，则有圈闭压力存在，应再次放出少量钻井液，关井。如果立管压力和套管压力仍有下降，重复上述操作，直到立压不下降为止。此时的立管压力值为准确的关井立管压力值。如果放出少量钻蝇液后，立压没有变化，只是磁压有所上升，说明不存在圈闭压力。套管压力的增加是由于环空静液压力减少而引起的。

⑵钻柱中装有回压阀时测定关井立管压力的方法

1)不循环法

在不知道压井泵速和该泵速下的循环压力时，按下述方法求取关井立管压力。

①在井完全关闭的情况下，缓慢启动钻井泵，向钻柱内注入少量钻井液，并注意立压及套压的变化。

②当套压开始升高时停泵，说明钻具回压阀已被顶开。

③录取此时的立管压力及墙管压力，立管压力减去套管压力的升高值，则为所测定的关井立管压力值（见图１－７－２）

Pd= Pd1-ΔPa

ΔPa=Pa1-Pa (15-6)

式中ΔPa—套压升高值，MPa;

Pd1—停泵时立管压力读数, MPa;

Δpa—关井套压升高值, MPa;

Pa1--停泵时套管压力读数，MPa;

Pa--关井套压值，MPa。

2)循环法

在知道压井泵速和该泵速下的循环压力时，按下述求取关井立管压力。

①缓慢启动泵，调节节流阀，保持套压等于关井套压。

②使泵速达到压井泵速保持套压始终等于关井套压。

③读取立管总压力，减去循环压力，则差值为关井立管压力值。

Pd=PT- Pci (15-8)

Pd――关井立管压力，MPa;

PT—测量的立管压力，MPa；

Pci -- 压井泵速下的循环压力, MPa。

3、压井前基本数据计算

⑴判断溢流类型

发生溢流关井后，应判断溢流的性质，确定压井钻井液的附加值。侵入流体可能是油、气、水或其混合物。这种判断是近似的，因为井径不规则、钻井液池增量可能不准等因素影响计算的准确度。

计算时，先按钻井液池增量、环空截面积计算出侵入流体在环空中的高度，再按“Ｕ形管理论，列出钻柱一侧与环空一侧压力平衡关系，可确定侵入流体的密度。

Hw=ΔV/Aa

ρw=ρm-102(Pa-Pd)/H

式中ρw--溢流密度，g/cm3;

ρm--原钻井液密度，g/cm3;

Pa--关井套管压力，MPa;

Pd--关井立管压力, MPa;

Hw--溢流在环空的高度，m;

ΔV--钻井液池增量，m3;

Aa--溢流所在位置的环空截面积，m2。

通常情况下，算出溢流密度后，按如下确定：

0．12～0．36 g/cm3为气体；

0．36～0．6 g/cm3为油与气或水与气的混合物；

0．6～0．84g/cm3为油或油水混合物。

溢流的密度确定后，钻井液密度的附加值可按下列两种方法之一确定：

①油水井为0．05～0．10g/cm3，气井为0．07～0．15g/cm3

②油水井为1．5～3．5 MPa，气井为3．0～5．0 MPa

同时还应考虑地层孔隙预测精度；油、气、水层的埋藏深度；地层油气中硫化氢的含量；井控装置配套情况；工作人员的井控水平等因素。

⑵计算地层压力

Pp=Pd+0．0098ρmH

式中 Pp --地层压力，MPa;

Pd--关井立压，MPa;

ρm--原钻井液密度，g/cm3;

H--垂直井深，m。

⑶压井钻井液密度

①依据地层压力计算

ρm1=102Pp/H

式中ρm1--压井钻井液密度，g/cm3;

Pp--地层压力，MPa;

H--垂直井深,m。

②依据关井立管压力计算

ρm1=ρm +102Pd/H

式中ρm--原钻井液密度, g/cm3;

Pd--关井立管压力, MPa。

为了在压井过程中保持较小的循环立压，附加钻井液密度可在压井结束后增加。

⑷计算钻柱内容积、环空容积及加重钻井液量

①钻柱内容积

V1=A1L

式中V1－钻柱内容积,m3;

A1--钻柱水眼截面积,m2,

L--钻柱长度,m。

如果是复合钻具，应分段计算后再相加。

②环空容积V2

式中 V2－环空容积,m3;

A2--环空截面积,m2;

L--对应A2的井段长度,m。

井眼中环空面积不相等时，应分段计算后再相加。

③总容积V

V=V1+V2

所需加重钻井液量一般取总容积的1．5～2倍。

⑸计算注入加重钻井液的时间

①注满钻柱内容积的时间

t1=1000 V 1/60Q

式中 t1--注满钻柱内容所需时间，min；

V 1--钻柱内容积m3；

Q--压井排量L/s。

②注满环形空间所需时间，

t２=1000V２/60Q

式中 t２--钻柱环空所需时间，min；

Ｖ２--环空容积m3；

Q --压井排量，L/s。

压井时，不能用钻进时的排量压井，为了降低钻井泵、、井口装置、节流管汇等设备的负荷，使压井钻井液的泵入速度与钻井液加重速度同步，压井时应用低排量施工。通常压井排量取钻进时排量的取钻进时排量的１／３～１／２。

要求司钻在钻进油气层时，每只钻头入井开始钻进前以及每天白班开始钻井前，要用选定压井排量循环，并记录下泵冲数、循环压力，抄写在班报表上，为压井作业时备用。如果改变了钻具结构、钻井液性能发生了变化、更换了钻井泵的缸套等都要及时测定压井排量下的泵压。

⑹计算压井循环时的立管总压力

①初始循环立管总压力

P Ti=P d+P ci

式中 P Ti--初始循环产管总压力，MPa；

P d --关井立压，MPa；

P ci --压井排量下的循环压力，MPa。

②终了循环立管总压力

P Ti=ρm1/ρm*P ci

式中P Ti--循环立管总压力，MPa。

⑺计算最大允许关井套压

[Pa]=(Gf-Gm)Hf

式中 [Pa]—最大允许关井套压,MPa;

Gf--鞋处地层破裂压力梯度，MPa/m;

Gm--井液压力梯度，MPa/m;

Hf--鞋处漏层垂深，m。

三、常规压井方法

常规压井方法就是溢流发生后正常关井，在泵入压井钻井液过程中始终遵循井底压力略大于地层压力的原则完成压井作业的方法。一船井底压力与地层压力差控制在１．5～３．５MPa

1、二次循环法（又称司钻法）压井

二次循环法是发生溢流关井后，用两个循环周来完成压井作业的方法。先用原密度钻井液排除液流，再用加重钻井液压井。该方法往往在加重及供应不及时的情况下采用。此方法从关井到恢复循环时间短，容易掌握。具体步骤如下：

1)根据关井录取到的资料计算压井所需数据，并填写压井施工单，绘制出立管压力控制进度曲线，

作为压井施工的依据。

2)排溢流。

①缓慢开泵，迅速打开节流阀，调节节流阀使套压等于关井立压不变，直到达到压井排量。

②达到压井排量时，保持排量不变，调节节流阀使立管压力等于初始循环立管总压力。并右整个循环周内保持不变。此时要注意，立管压力的变化滞后于节流阀的动作。压力传递速度约为，如果井深为，约需的时间把节流阀变化的压力传递到立管压力表上。③排完溢流，停泵关井，则套压与立压应相等，都等于关井时的立管压力。

3)泵入加重钻井液，重建井内压力平衡。

①缓慢开,迅速措开节流阀，调节节流阀使套压等于关井立压不变，直到达到压井排量。

②达到压井排量时，保持排量不变。在加重钻井液从井口到达钻头这段时间内，调节节流阀，控制套压保持不变（等于关井时的立管压力）。立管总压力逐渐下降到终了立管总压力。

③加重钻井液出钻头环空上返时，调节节流阀，控制立管压力等于终了循环立管总压力，保持不变，直到加重钻井液返出井口，停泵，关井，此时立压、套压为零，则说明压井成功。开井循环，增加钻井液密度的附加值。恢复正常作业。

为保证压井作业的安全，须计算压井过程中最大套压和套管鞋处所承受的最大压力值，以避免井口压力超过最大允许套压值，压漏地层。

4)循环法压井过程中产管压力与套管压力变化曲线如图所示。

①立管压力变化规律

第一循环周0～t2时间内，立管压力保持Pti=Pd+Pci不变。第二循环周t2～t3时间内，加重钻井液由井口至钻头，立管压力由PTi下降到Ptf=ρm1/ρm*Pci;t3～t4时间内，加重钻井液由井底返至井口，立管压力保持Ptf不变。

②套压变化趋势

第一循环周0～t1时间内，溢流顶部到井口，套压上升到最大值；t1～t2时间内，溢流全部返出井口，套压下降到初始关井立管压力值。第二循环周t2～t3时间内，加重钻井液由井口到钻头，套管压力不变，其值等于初始关井立管压力值；t3～t4时间内，加重钻井液由井底返井口，套压逐渐下降到零。

例钻井钻至井深3000m发生溢流，关井后求得关井立管压力Pd=5MPa，套管压力Pa=6.5 MPa，钻井液池增量ΔV=2.5m3。该井95/8″的技术墙管（内径224.4mm）下深为2400m，套管鞋处地层破裂压力梯度Gt=0.0169 MPa/m；81/2″钻头直径215.9mm；5″钻杆（外径127mm，内径108.6mm），7″钻铤（外径177.8mm，内径71.44）长100m,钻井液密度ρm=1.25g/cm3,溢流前用低排量10L/s循环时泵压Pci=3.8

MPa。试计算压井所需数据,并填写在压井施工单,试述压井步骤。

解:⑴计算压井所需数据。

①确定溢流类型,选取安全附加值。

查表得,钻铤与井眼环空每米容积为11.82L/m；

钻杆与井眼环空总容积23.98L/m；

钻铤与井眼环空总容积11.82×100=1318(L)

溢流进入钻杆裸眼总容积：2500-1182=1318(L)

溢流在钻杆与裸眼段的高度：1318÷23. 98=55(m)

溢流在井眼总高度：

Hw=100+55=155(m)

ρw=ρm-102(Pa-Pd)/Hw

=1.25-102×(6.5-5) ÷155=0.26 (g/cm3)

本井发生的是气体溢流，按规定附加密度为0.07∽0.15 g/cm3，本井确定附加密度为：0.10 g/cm3。

②计算地层压力。

Pp=0.0098ρmH+Pd=0.0098×1.25×3000+5

=41.75(MPa)

③计算压井钻井液密度。

ρml=102 P p /H=102×41.75÷3000=1.42(g/cm3)

④计算钻柱内容积、环空容积及加重钻井液量。

查表得：5″钻杆内容积：9.26L/m L/m

7″钻铤内容积：4.01L/m L/m

钻铤与裸眼间容积：11.82L/m

钻杆与裸眼间容积：23.98/m

钻杆与套管间容积：26.74L/m

a.钻具内容积:

V1＝9.26＊2900＋4.01＊100＝27255（L）

b. 环空容积:

V2＝11.82＊100＋26.74＊2400＋2398＊500

＝77348（L）

c. 总容积:

V＝V1＋V2＝27255＋77348＝104603（L）

d.加重钻井液量:

取其井眼钻井液的１.５倍,即:

V3＝1.5V＝156904（L）

⑤计算注入加重钻井液的时间。

a.注满钻柱内容积的时间:

t1=V1/(60Q)=27255/(60*10)=45.4(min)

b.注满环空所需时间:

t2=V2/(60Q)=77348/(60*10)=129(min)

c.总时间:

t=t1+t2=45.4+129=174.4(min)

⑥计算压井循环立管总压力:

a.初始循环立管总压力:

PTi= Pd+Pci=5+3.8=8.8(Mpa)

b.终了循环立管总压力:

PTf=ρml/ρm*Pci=1.42/1.25*3.8=4.32(Mpa)

⑦计算最大允许关井套压

⑴[Pa]=(Gf-Gm)Hf=(0.0169-0.00981*1.25)*2400

=11.13(Mpa)

最大允许关井套压为11.13Mpa。

⑵填写压井施工单,绘出立管压力控制进度表,如图。

⑶压井施工步骤。

1)第一次循环:用ρm=1．25g/cm3原钻井液循环,排除井内液流。

①缓慢开泵,迅速打开节流阀,调节节流阀使套压保持6．5Mpa不变。

②泵排量逐渐达到10L/S时,保持排量不变,调节节流阀使立管压力等于初始循环立管总压力8．8Mpa。

③泵入钻井液液77348L,129min溢流全部排完,停泵关井,则套压与立压应相等,都等于关井时的立管总压力5Mpa。

2)第二次循环:将156904L钻井液加重到1．42g/cm3后,向井内注入加重钻井液,把原钻井液排出井眼,重建井内压力平衡。

①缓慢开泵,迅速打开节流阀,调节节流阀使套压保持5Mpa不变。

②泵排量逐渐达到10L/s时,保持不变。此时立管压力接近8．8Mpa。

③加重钻井液从井口到钻头这段时间内,即注入加重钻井液45．4min内,调节节流阀,使套管压力保持5Mpa不变。或者按压井施工单那样控制立管压力。注入加重钻井液45．4min后,立管压力从8．8Mpa 下降到4．32Mpa。

④加重钻井液返出钻头水眼进入环空,调节节流阀,控制立管压力等于终了循环立管总压力4．32Mpa 不变,直到加重钻井液返出井口,停泵关井,此时立压`套压为零,则说明压井成功。开井循环,增加钻井液密度的附加值。恢复正常作业。

2、一次循环压井法（工程师法）

一次循环法是发生溢流关井后，将配置的压井钻井液直接泵入井内，在一个循环周内将溢流排出井口并实现压井的方法。

此方法压井时间短，井口装置承压小，对地层施加的压力小。但是，在压井时，要求现场加重材料必须充足，具备快速加重能力，从关井到恢复井内循环时间较长。

1)根据关井录取到的资料计算压井所需数据，并填入压井施工单，绘制出立管压力控制进度曲线（如图所示），配制压井钻井液。加重时要定时测量钻井液的密度，使加重钻井液密度均匀。

2)压井操作步骤。

①缓慢开泵，迅速打开节流阀，调节节流阀使套压保持关井套压不变。当泵速达到压井排量时，调节节流阀，使立管压力接近初始循环立管总压力。

②、在加重钻井液由地面到达钻头这段时间内，调节节流阀，按图1－7－5立管压力进度曲线来控制立管压力，即由初始立管总压力降到终了立管总压力。即用时间注入的加重钻井液量。

③继续循环，压井钻井液由钻头水眼返到环形空间。钻井液在环空上返过程中，调节节流阀，使立管压力一直保持终了立管总压力不变，直到压井钻井液返出井口。这时停泵关井，立压、套压都等于零。说明压井成功。开井循环，增加钻井液密度的附加值。恢复正常作业。即用的时间注入的加重钻井液量。

3)、一次循环压井过程中立管压力与套管压力变化曲线如图所示。

①立管压力变化规律。

压井立管压力变化如图所示。0～t1时间内，加重钻井液到达钻头，立管压力由初始立管压力降到终了立管总压力。t1～t4时间内，加重钻井液由井底返至井口，立管压力保持终了立管压力不变。

②套管压力变化规律。

压井套管压力如图1－7－6所示。0～t1时间内，加重钻井液到达钻头，气体在环空上升膨胀，套压逐渐升高到第一个峰值。t 1～t2时间内气体上升到井口，气体上升膨胀使套压增加，加重钻井液进入环空，使环空液柱压力增加，则套压减小。套城的变化受加重钻井液在环空的高度和气体上升膨胀的影响。一般使加重钻井液在环空开始上升时，套压稍有下降，然后逐渐升高，气体接近井口时迅速升高，到达第二个峰值。t2～t3时间内，气体排出井口，套压迅速下降。时间内排除井口，套压迅速下降。t2～t4时间内排除钻柱小眼内的原钻井液，套压逐渐下降，加重钻井液返至井口，套压下降为零。

4)压井作业中应注意的问题

⑴开泵与节流阀的调节要协调

从开泵顿节流阀的调节要协调，开泵和打开节流阀同步进行，并且按要求对套压进行控制。如果节流阀开得太大，井底压力降低，地层流体可能周次进入井内；切流阀开得太小，套压升高，井内压力过大，可能造成井漏。因此，开泵和调节节流阀要认真操作，者能安全施工。

⑵钻具断落

压井过程中钻具断落，则立管循环总压力下降，二次循环法第一循环周和压井钻井液在环空中上返时更为明显。若排出的是气体液流，钻具折断处在溢流以上，则套压稳定，不像正常排出气体溢流那样缓慢升高。补救措施视具体情况而定。若经计算溢流在折断处以上，可继续压井。这种折断发生在二次循环法第一循环周时，排出溢流后应再次关井求压，计算压井钻井液密度。在压井结束时，使折断处以上的压井钻井液信压力加上折断处以下的原钻井液柱所产生的井底压力能平衡地层压力。若溢流在折断处以下，则注入超重钻井液使井底压力平衡地层压力，然后下钻连接落鱼，恢复循环继续施工。

⑶钻具刺漏

其显示和影响与钻具断落基本一样，只是立压逐渐下降。压井中刺漏继续恶化会最终导致钻具断落，应引起重视。

补救措施是首先确定刺漏位置，如观察新泵入的加重钻井液、着色钻井液或其它混有易识别物的钻井液返出地面的时间，可以确定钻具刺漏部位。假如刺漏处接近井口，可压井起钻更换钻具（不压井起钻前，投堵塞器或注入一段高密度钻井液封堵钻杆）；如刺漏发生在钻头附近，则继续压井施工。

⑷钻具堵塞

其显示为泵压上升。堵塞往往是在加重钻井液时，加入了大量重晶石而未加足胶体悬浮剂，致使重晶石沉淀而造成的。这种堵塞有时可用反循环或泵压震荡解堵，否则，只有在深处钻杆上射孔位置要选择在地层的破裂压力值能满足压井中不发生漏失的位置。

⑸钻头小眼堵塞

水眼堵塞时，立管压力迅速升高，而套压不变，记下套管压力，停泵关井，确定新的立管压力值后，再继续压井。水眼完全堵死问题，若无炸掉喷嘴恢复循环。

⑹节流阀堵塞或刺坏

钻井液中的砂粒、岩屑等物很有可能堵塞节流阀。带有固体颗粒的高速液流可能刺坏节流阀。堵塞时套压升高，解决的办法是快速打开节流阀，疏通节流阀，疏通后，迅速关节流阀到原位。如此法不成

功，可改用备用节流阀。节流阀刺坏，套压降低，职刺坏严重，则应启用备用节流阀。

⑺井漏

正常压井中出现井漏往往是压力敏感的产层本身发生的漏失。井漏使套压下降，甚至钻井液漏后不返出。此时可采用降低压井排量调整钻井液性能的处理方法。