修井第二部分压力的概念.ppt

第二部分压力和工况 压力是井控的最主要的基本概念之一 了解压力的概念及各种压力之间的关系对于掌握井控技术和防止井喷是非常重要的 接触面承受的压力不一样 一 压力概念 压力是指单位面积物体上所受的垂直力 单位是帕 符号是pa 1m2面积上受到1N 牛顿 的力时形成的压力即为1N m2也称为1Pa1Pa 1N m2 1帕 1牛顿 m2 1KPa 千帕 1000Pa 1MPa 兆帕 1000000Pa 106Pa 与原工程大气压关系为 1MPa 10 194kg cm21MPa 10个工程大气压1kg cm2 98 067kPa1kg cm2 100kPa 0 1MPa 与英制单位关系的压力 英制中 压力的单位是没平方英寸面积上受多少磅力 符号 psi1psi 6 895kPa1psi 7kPa 1 静液压力 2 循环阻力 3 波动压力 4 地面压力 5 圈闭压力 6 井底压力 7 地层压力 8 地层破裂压力 1 静液压力 静态井况时 液柱对其底部所产生的力2 循环阻力 含义流体在管道中流动时 要克服流体与管壁流体分子之间的摩擦而产生的阻力 大小与流动的速度的平方 流体的粘度 密度 管道的长度成正比 与管道直径的成反比 还与管道的粗糙度 形状及管内流体的流型有关 方向与流动的方向相反 即总是朝向流动的上游方向 二 井控涉及的相关压力术语 地层压力是地下岩石孔隙内流体的压力 MPa 正常压力 正常情况下 地下某一深度的地层压力等于地层流体作用于该处的静液压力 这个压力就是由某深度以上地层流体静液压力所形成的 盐水是常见的地层流体 它的密度大约为1 07g cm3 因此 地层压力梯度大约是10 496kPa m2 按习惯 10 496kPa m2的地层压力梯度是正常的 将深度乘以10 496kPa m2就可求得含盐水地层中的压力 异常压力也称孔隙压力 地层压力正常或者接近正常静液压力 则地层内的流体必须一直与地面连通 这种通道常常被封闭层或隔层截断 在这种情况下 隔层下部的流体必须支撑上部岩层 岩石重于地层水 所以地层压力可能超过静液压力 我们称这种地层为异常压力地层 或超压地层 地层破裂压力是指某一深度地层发生破碎和裂缝时所能承受的压力 井内压力过大会使地层破裂并将全部钻井液漏入地层 为了便于比较 破裂压力通常以梯度或密度来表示 破裂梯度一般随井深增加而增大 较深部的岩石受着较大的上覆岩层压力 可压得很致密 另一方面 深水底部的岩层就较松 其破裂梯度可能是很小的 因此在很小的压力下 地层就会发生破裂 在钻井时 钻井液柱压力的下限要保持与地层压力相平衡 即不污染油气层 又能提高钻速 实现压力控制 而其上限则不应超过地层的破裂压力以避免压裂地层造成井漏 4 地层破裂压力 5 井底压力 所有作用在环形空间的压力总合 就是井底压力 这个压力随作业不同而变化 1 静止状态 井底压力 环形空间静液压力 2 正常循环时 井底压力 环形空间静液压力 环形空间压力损失 3 用旋转防喷器循环钻井液时 井底压力 环形空间静液压力 环形空间压力损失 旋转防喷器的回压 4 循环出气涌时 井底压力 环形空间静液压力 环形空间压力损失 节流器压力 5 起钻时 井底压力 环空静液压力 抽吸压力 6 下钻时 井底压力 环空静液压力 激动压力 7 空井时 井底压力 环空静液压力 8 关井时 井底压力 环空静液压力 井口回压 气侵附加压力 6 压差 压差是井底压力和地层压力之间的差值 如果井底压力大于地层压力 其压差为正 如果颠倒过来 其值为负 正值的压差通常称为超平衡 地层压力超过井底压力 称为欠平衡 7 压力损失 在压力的推动下钻井液从钻井泵进入循环系统 钻井液经地面管汇 沿钻柱向下 通过钻头喷嘴而后沿环形空间上返 当钻井液返至地面进入泥浆池时 处于大气压的情况下 表压为零 数十兆帕的压力损失到循环系统中 这个压力损失是由钻井液循环及其与所碰到的物体发生摩擦所引起的 压力损失的大小取决于钻井液密度 钻井液粘度 排量和流通面积 大部分的压力损失在钻柱内和通过钻头喷嘴时 压力还消耗在循环系统的其他部分 在任何时候 流体通过管汇 管嘴或者是节流板就要产生压力损失 排出气侵时 使用节流阀维持套管或环形空间内的回压 就是一个很好的例子 8 激动压力和抽吸压力 抽吸压力发生在井内起钻时 钻柱下端因上升而空出来的井眼空间 以及钻井液因粘滞性附于钻柱上 随钻柱上行而空出来的空间将由其上面的钻井液充填 引起钻井液向下流动 这部分钻井液在流动时受有流动阻力 其结果是降低有效的井底压力 钻头泥包时 会产生很大的抽吸压力 激动压力产生于下钻和下套管时 因为钻头下行 挤出该处的钻井液 钻井液流动受到的阻力 便是激动压力 其结果是增大有效井底压力 激动压力和抽吸压力是类似的概念 其数值相等 激动压力是正值 抽吸压力是负值 激动压力和抽吸压力产生因素 这两个压力受下列因素的影响 1 管柱的起下速度 2 钻井液粘度 3 钻井液静切力 4 井眼和管子之间的环行空隙 5 钻井液密度 6 环行节流 钻头泥包 激动压力 使井底压力加大 压漏地层抽吸压力 使井底压力减小 地层流体侵入井内 9 地面压力 泵压 立压 套压 指作用在压井液顶部 在地面可以用压力表读出的压力泵压是克服井内循环系统中摩擦损失所需的压力 正常情况下 摩擦损失发生在地面管汇 钻柱 钻头水眼和环形空间 环形空间与钻具之间压力不平衡 也将影响泵压 泵出气侵钻井液时 一定的气侵控制压力将使泵压增高 气侵控制压力包括节流阀和节流管线的压力损失 圈闭在井下工具之中或之下的压力 10 圈闭压力 液压用于驱动大多数的防喷设备 包括防喷器 压力液一般用轻质油和处理过的水 一般认为它们具有不可压缩的特性 作用在压力液上的驱动力 传送到防喷器内的活塞上 就可开启或关闭防喷器 驱动力来自液压泵的液体或储能器中的氮气 掌握和操作井控设备的是人 人是井控过程中关键性的因素 在紧急的情况下 由于人们快速而坚决地操作防喷器就可以控制井涌 训练不良的井队人员 在钻机和他们自己安全受到危及的时候 就不能完成其职责 只有机敏而训练有素的井队人员才能在关键时刻 防止事故发生 11 液压 压力的表示方法 压力梯度 当量密度 数值法 压力系数 我国石油钻井现场有4种压力表示方法 四种压力的表示方法 2 用压力梯度表示 如0 012MPa m 压力数值法 P 直接用压力数值表示压力大小 如 泵压 油压 套压 地层压力等 是每增加单位垂直深度压力的变化量 油层压力 破裂压力也压力梯度常用表示 计算公式为 G p H 0 0098 H H 0 0098 式中G 压力梯度 Mpa m p 压力 Mpa H 深度 m 流体密度 g cm3 压力梯度 G 某点压力等于某一密度的流体在该点所形成的液柱压力 该密度称为当量密度ECD或ED 计算公式为 e p 0 0098H G 0 0098式中 p 压力 MpaH 深度 m e 当量流体密度 g cm3 流体当量密度 e 计算公式为 k P 0 0098 水H e式中 K 压力系数 无单位 水 水的密度 1 0g cm3 H 深度 m e 当量流体密度 g cm3 压力系数 k 指某点压力与该点深度处的静水柱压力之比 其大小在数值上等于其当量密度 无因次 我国现场人员常说某井深处的压力系数是多少 实际仍是当量密度 只不过去掉了密度量纲 只言其数值罢了 对于某一压力可能有不同的叫法 但意思却是说的同一个压力 例如说2000m处的压力是23 544MPa 也可说压力梯度是11 77kPa m 也可说当量密度是1 20g cm3 或说压力系数1 20 英制中 除无压力系数的说法外 其余表示法相同 只是用英制单位 英制中清水的压梯为0 433psi ft 压力系数 k 因为静液压力是防止溢流的第一道防线 是有效进行井控是非常重要的基础数据 所以了解和保持井内液柱压力是作业过程中的主要目标 计算 p液柱 0 0098 Hp液柱 静液压力Mpa 液体密度g cm3H 液柱垂直高度m静止工况下井底压力为 P井底 p液柱 p地面 1 静止工况 三 常见的作业工况 如图所示 井内钻井液密度为1 2g cm3 3000m处静液柱压力为多少 解 静液柱压力p 0 0098 h 0 0098 1 20 3000 35 288MPa而地层孔隙内流体 水 的压力为 p 0 0098 h 0 0098 1 07 3000 31 547Mpa 例题 2 正循环工况 地面压力可以通过调节地面节流阀来保持 该压力 也叫回压 将作用在整个井筒内 我们也称之为节流压力 P井底 P液柱 P地面 P环摩 摩阻是由于流体在管内流动克服摩擦而引起的压力改变 影响因素有流体粘度 过流面积和流速 P泵 Pf地面管线 Pf油管内 Pf井下工具 Pf环空 P环空液柱 P管内液柱 摩阻的方向总是与流体流动方向相反 2 正循环工况 反循环工况 P井底 P液柱 P地面 P油管摩 3 反循环工况图 3 反循环工况 完井作业过程中反循环与正循环有显著不同 从而反循环的井底压力也与正循环不同 因此井底压力的组成应考虑管内流动的摩阻 反循环时井底压力 P井底 P液柱 P地面 P油管摩 由于大多数油管内面积小于油管套环空面积 因而大部分反循环时井底压力大于正循环时的井底压力 波动压力的影响因素有 管子运动速度或起下速度 流体密度 流体粘度 流体切力 井眼形状 环空 间隙 开闭管口 波动压力 抽吸压力 激动压力 波动压力 4 起下钻 下钻时 管柱向下运动使井底压力增加 原因 当油管下行时 井内流体必须向上流动 从而造成井底压力的增加 这种压力的增加我们通常称之为激动压力 起钻时 起钻时管柱向上运动也使井压力发生变化 起出油管时 井内流体必须向下流动填补空间 油管向上运动和流体向下运动的总体效果是使井底压力减少 这种压力的减少称为抽汲压力 结论 据统计 许多溢流多发生在起下钻过程中 四 玻义尔气体定律 井内气体的膨胀和运移规律 符合玻义尔气体定律 P1V1 P2V2 P1 第一状态的压力MPa V1 第一状态的体积米3 P2 第二状态的压力MPa V2 第二状态的体积米3 气体滑脱是气体靠自身的浮力而自动向上运移的现象 气体滑脱的速度在300 1200米 时 不膨胀的气体滑脱引起井口和井底压力的增加 如果气泡体积和形状不变的话 增加的压力就是气泡滑过的液柱压力 气体滑脱引起井口和井底压力的增加 五 U形管原理 相同的流体 井涌控制原理 若把井的循环系统想象成一个 U 形管 钻柱看成是 U 形管的一条腿 而把环空看成是另一条腿 U 形管的基本原理是 U 形管底部是一个平衡点 此处的压力只能有一个值 这个井底压力可以通过分析任意一条腿的压力而获得 以下是一口实际的井中的各种压力 五 U形管原理 相同的流体 井涌控制原理 如图 如果注入相同的流体 AB两侧液面相同 同时 A侧 油管 底部的液柱压力等于B侧的液柱压力 两者都称为井底压力 P井底 P液柱油管 P地面压力管 P环空液柱 P地面压力环 P油管液柱 油管 液柱压力MPa P地面压力 油管 地面压力MPa P环空液柱 环空液柱压力 MPa P地面压力 环空 地面压力MPa P井底 井底压力MpaP环空液柱 P液柱油管P地面压力环 P地面压力管 P地面环空 P地面油管 P液柱油管 结论 P环空液柱 P环空液柱 P液柱油管P地面压力环 P地面压力管 结论 五 U形管原理 流体密度不相同 U形管两侧流体密度不相同 P井底 P液柱油管 P地面压力管 P环空液柱 P地面压力环 P油管液柱 油管 液柱压力MPa P地面压力 油管 地面压力MPa P环空液柱 环空液柱压力 MPa P地面压力 环空 地面压力MPa P井底 井底压力MpaP环空液柱 P液柱油管P地面压力环 P地面压力管 结论 U形管原理 流体密度不相同判断 如果流体密度不相同 溢流进入环空 判断油管与套管液柱与地面压力的关系P环空液柱不等于P液柱油管 填 P地面压力环不等于P地面压力管 填 六 容积系数和排代量含义 容积系数指每单位深度的容器 如油管或环空 能容纳的流体体积 排代量 排代量是将固体 如油管 放入一定体积流体内时排出的流体量 干排代量 湿排代量 排代量分类 容积系数和排代量计算