第4章 溢流的原因、預(yù)防與顯示

第四章溢流的原因、預(yù)防與顯示一溢流原因分析及預(yù)防發(fā)生溢流或井涌時，地層流體大量進(jìn)入井眼，為了保證井眼的安全，必須停止正常的作業(yè)，采取關(guān)井的辦法來限制地層流體的流動。在正常鉆進(jìn)或起下鉆作業(yè)中，地層流體向井眼內(nèi)流動必須具備下面兩個條件：1）井底壓力小于地層壓力；2）地層具有必要的滲透性，允許流體的流動。地層滲透性是人為不能控制的，因此發(fā)生溢流最本質(zhì)的原因是井內(nèi)壓力失去平衡，井底壓力小于地層壓力導(dǎo)致的。所以要維持一口井處于初級井控狀態(tài)，必須要保證適當(dāng)?shù)木讐毫Α６诓煌r下，井底壓力是由一種或多種壓力構(gòu)成的一個合力。因此，任何一個或多個引起井底壓力降低的因素，都有可能最終導(dǎo)致溢流或井涌。其中最常見的原因是：1）起鉆時井內(nèi)未灌滿鉆井液；2）過大的抽吸壓力；3）鉆井液密度不夠；4）循環(huán)漏失；5）地層壓力異常。鉆井液密度偏低，是造成溢流和井涌的最常見原因。但最終導(dǎo)致井噴的井涌多發(fā)生在起下鉆時，在起鉆時發(fā)生井涌，特別是在鉆具都起出井眼后發(fā)生的井涌是很難控制的。1、起鉆時井內(nèi)未灌滿鉆井液起鉆過程中，由于鉆柱的起出，鉆柱在井內(nèi)的體積減少，井內(nèi)的鉆井液液面下降，從而靜液壓力就會減少。不管在裸眼井段的哪一點上，只要靜液壓力低于了地層壓力，溢流就可能發(fā)生。起鉆過程中，需要及時準(zhǔn)確地向井內(nèi)灌滿鉆井液以維持足夠的靜液壓力。鉆具水眼暢通的情況下提鉆，灌入的鉆井液體積應(yīng)等于提出的鉆具的體積。提出的鉆具體積，也就是鉆具的排替量，即鉆具本身的體積所代換的等量鉆井液的體積。對于大多數(shù)普通尺寸的鉆桿和鉆鋌應(yīng)以鉆具體積表的數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。也可由下面的公式計算：排替量m3/m=7.854X10^X（外徑zmm一內(nèi)徑2mm）鉆具的體積取決于每段鉆具的長度、外徑、內(nèi)徑，由于受鉆桿接箍和內(nèi)外加厚等因素的影響，計算結(jié)果與實際有一定的誤差。常用規(guī)范鉆桿鋼材體積見下表通徑尺寸mm（in）壁厚mm名義重量kg/m平均實際重量kg/m每米排替量l/m組成27.4米長立柱時排替量一柱五柱十柱73.0(27/8)5.510.2010.911.3938.21913829.215.4916.222.0756.828456888.9(31/2)6.514.1515.231.9553.62685369.319.8120.532.637236072011.423.0823.963.0683.9420839114.3(41/2)6.920.4822.442.8778.73937858.624.7226.493.3882.741382710.929.7932.144.051115551110127.0(5)7.524.1826.333.3692.24619229.229.0430.653.921075371073由于某種原因（鉆頭水眼堵或鉆具水眼堵）造成濕提鉆，即提鉆噴泥漿，這種情況下灌入的鉆井液體積應(yīng)等于所提出鉆具的排替量與內(nèi)容積之和。對于鉆具的內(nèi)容積，可以從鉆具體積表中查出，也可以用下面的公式來計算：內(nèi)容積m3/m=7.854X10-7X內(nèi)徑2mm此時，灌漿量m3/m=排替量+內(nèi)容積=7.854X10-7X外徑2mm實際灌入鉆井液的體積可以用下列裝置中的一種進(jìn)行測量：鉆井液補(bǔ)充罐泵沖數(shù)計數(shù)器流量計泥漿罐液面指示器鉆井液補(bǔ)充罐是最可靠的測量設(shè)備。鉆井液補(bǔ)充罐是一個細(xì)而高的罐，容積通常為1.6?6.4m3(10?40barrel),刻度一般為80升/格(0.5barrel)左右，以便能夠在鉆臺上看清楚。當(dāng)補(bǔ)充罐內(nèi)鉆井液灌入井內(nèi)后，在從循環(huán)罐內(nèi)向其補(bǔ)充鉆井液。這樣就可以實現(xiàn)對灌漿量的雙重監(jiān)測。最普通的鉆井液補(bǔ)充罐是重力灌注式罐。為了使補(bǔ)充罐工作正常，其出口管必須高于井口的進(jìn)口。為了便于靠重力把鉆井液從罐內(nèi)放出，通常把罐裝在高架上。因為罐內(nèi)的鉆井液面高于排出管線，所以要用閘門來控制鉆井液進(jìn)入排出管線。這種重力補(bǔ)充罐不能連續(xù)地向井內(nèi)灌鉆井液。當(dāng)然也可以采用如圖所示的安裝形式，以實現(xiàn)連續(xù)灌注，但這樣就另外還需要一個罐來準(zhǔn)確計量灌入量。另一種補(bǔ)充罐是使用一個離心泵把鉆井液從罐內(nèi)打到井里，井里溢出的鉆井液返回到罐里。這種罐可以連續(xù)進(jìn)行灌注，而且罐可以放置在地面上，方便安裝。6411NippleT<jpM6411NippleT<jpMTankNptto通過泵沖數(shù)來計量泵入井內(nèi)的鉆井液量時，要準(zhǔn)確的知道泵的每沖排量和泵效率，這就需要定期校驗泵效率。使用流量計也可以監(jiān)控灌注量。但大多數(shù)流量計的精確度容易受鉆井液性能的影響，如果沒有校正和適當(dāng)?shù)谋ｐB(yǎng)就可能得不到準(zhǔn)確的數(shù)值。鉆井液罐液面指示器也可以顯示灌入量。但如果鉆井泵同時從幾個罐內(nèi)抽取鉆井液，這是液面的變化不容易檢測出。所以在提鉆灌鉆井液時，最好單獨隔離一個罐，以提高計量的準(zhǔn)確度。不論使用哪種灌注設(shè)備，灌入的鉆井液量必須與起出的鉆具體積進(jìn)行比較，要保證其數(shù)值相等。如果二者數(shù)據(jù)不相等，要立即停止起鉆作業(yè)，查找原因，并視具體情況采取相應(yīng)措施。為保證起鉆灌泥漿工作能夠及時準(zhǔn)確的執(zhí)行，有必要指定一人在起下鉆時專門負(fù)責(zé)這項工作。同時，要遵循以下幾項灌泥漿的基本原則：1）至少每起出3?5個立柱的鉆桿，或起出一個立柱的鉆鋌時，就需要檢查一次灌入的鉆井液量。灌鉆井液前決不能讓井內(nèi)的液面下降超過30米（IADC規(guī)定:灌泥漿前井內(nèi)的壓力下降不能超過75psi）2）應(yīng)當(dāng)通過灌鉆井液的管線向井內(nèi)灌鉆井液，不能用壓井管線代替。3）灌泥漿管線在防溢管上的位置不能與井口泥漿返出管線在同一高度。如果兩管線同一高度則經(jīng)灌漿管線灌入的鉆井液可能直接從出口管流出，從而誤認(rèn)為井筒已灌滿。2循環(huán)漏失發(fā)生井漏時，由于大量的鉆井液漏入地層，引起井內(nèi)液柱高度下降，從而使靜液壓力和井底壓力降低，并由此導(dǎo)致溢流或井涌。由于鉆井液密度過高和下鉆時的壓力激動，使得作用于地層上的壓力過大，超過了地層的破裂壓力，地層被壓裂而發(fā)生漏失。在有些情況下，特別是在深井、小井眼里使用高粘度的鉆井液鉆進(jìn)，環(huán)空壓力損失過高也可能引起循環(huán)漏失。另外，在壓力衰竭的砂層、疏松的砂巖以及天然裂縫的碳酸巖中循環(huán)漏失也是很普遍的。減少循環(huán)漏失的一般原則是：1）設(shè)計好井身結(jié)構(gòu)，正確確定套管下深是防止循環(huán)漏失的最好辦法。2）做地層破裂壓力試驗和地層承壓能力試驗，檢驗地層強(qiáng)度。地層承壓能力試驗一般是在即將鉆開目的層之前進(jìn)行，其目的就是檢驗上部裸眼井段的地層承壓能力，保證鉆開目的層提高鉆井液密度后不會出現(xiàn)井漏。若地層承壓能力過低，可進(jìn)行堵漏，提高地層承壓能力，直到滿足鉆開油氣層的要求。3）在下鉆時控制下鉆速度，并分段循環(huán)，緩慢開泵，將激動壓力減至最小。4）保持好鉆井液性能，使其粘度和靜切力維持在最小值上。5）做好堵漏材料的準(zhǔn)備工作。3鉆井液密度下降由于鉆井液密度下降是導(dǎo)致溢流的一個最常見的原因。這樣引起的溢流比較容易控制，并且很少導(dǎo)致井噴。鉆井液密度下降通常是由以下幾種原因引起的：1）鉆開異常高壓油氣層時，油氣侵入鉆井液，引起鉆井液密度下降，靜液壓力減少。發(fā)現(xiàn)此情況，應(yīng)及時除氣，不要把氣侵鉆井液再重復(fù)循環(huán)到井內(nèi)，同時調(diào)整鉆井液密度，平衡產(chǎn)層壓力，防止發(fā)生溢流。2）處理事故時，向井內(nèi)泵入原油或柴油，造成靜液壓力減小。因此，在處理事故向井內(nèi)注油時，應(yīng)進(jìn)行壓力校核，若原油不能平衡產(chǎn)層壓力時，應(yīng)注解卡劑。3）鉆井液混油造成靜液壓力下降。向井內(nèi)鉆井液混油以減小摩阻時，要控制混油速度，并校核壓力是否平衡。4起鉆抽吸起鉆的抽吸作用會降低井內(nèi)的壓力，當(dāng)井內(nèi)壓力低于地層壓力時，就會造成溢流。這是由于鉆井液有粘附在鉆具外壁上，隨鉆具上移的傾向，同時，鉆井液要向下流動，填補(bǔ)鉆具上提后下部空出來的空間，由于鉆井液的流動沒有鉆具上提得快，這樣就在鉆頭下方造成一個抽吸空間并產(chǎn)生壓力降，從而產(chǎn)生抽吸作用。抽吸壓力主要受起鉆速度、鉆井液性能、環(huán)空間隙等因素的影響。假設(shè)某井井深4500m，井眼直徑216mm，鉆桿外徑127mm，鉆井液密度1.5g/cm3，R600=78，R300=52，鉆鋌178mmX75.48m，159mmX103.58m，水眼12.7mmX3。不同起鉆速度下的抽吸壓力值見下表。起鉆速度m/s0.10.20.30.40.50.60.70.80.9抽吸壓力MPa1.361.852.252.572.873.073.243.453.58Pe,g/cm30.030.0410.050.0570.0640.0680.0720.0780.08由上表可見，提鉆時過大的抽吸壓力及有可能抵消鉆井液安全附加值，從而造成井底壓力小于地層壓力，并引起溢流。所以，提鉆前應(yīng)檢查井底壓力能否平衡地層壓力，是否會發(fā)生抽吸溢流。檢查方法如下：1）短程起下鉆法短程起下鉆有兩種基本作法：（1）一般情況下試起10柱?15柱鉆具，再下入井底循環(huán)一周，觀察并測量返出的鉆井液，若鉆井液無油氣侵，則可正式起鉆；否則，應(yīng)循環(huán)排除受侵污鉆井液，并適當(dāng)調(diào)整鉆井液密度，直到起鉆不發(fā)生抽吸溢流后再起鉆；（2）特殊情況時（需長時間停止循環(huán)或井下復(fù)雜時）將鉆具起至套管鞋內(nèi)或安全井段，停泵檢查一個起下鉆周期或需停泵工作時間，再下入井底循環(huán)一周觀察。2）核對灌入井內(nèi)的鉆井液量在整個提鉆過程中，都要堅持座崗觀察核對灌漿量與提出鉆具體積之間的關(guān)系。如果灌入井內(nèi)的鉆井液小于起出鉆具的排替量時，則說明發(fā)生了抽吸溢流。這時應(yīng)視井上情況，立即關(guān)井排除溢流或是關(guān)井強(qiáng)行下鉆到底排除溢流，然后適當(dāng)提高鉆井液密度。以上兩種方法可以幫助估計抽吸的影響并確定抽吸特性。無論提鉆是速度多慢，抽吸作用都會發(fā)生，為了將它減少到最低程度，以保證井下安全，應(yīng)遵循以下原則：1）盡量維持鉆井液靜液壓力稍微高于地層壓力（這種超出的壓力叫做起鉆安全值）2）降低起鉆速度，減小抽吸壓力的影響3）使鉆井液粘度、靜切力保持在最低水平，同時防止鉆頭泥包。4）環(huán)空間隙要適當(dāng)5）用鉆井液補(bǔ)充罐、泵沖數(shù)計數(shù)器、流量計或泥漿罐液面指示器來計量灌漿量，判斷是否出現(xiàn)抽吸溢流。5、地層壓力異常鉆遇異常壓力地層并不一定會直接引起初級井控失敗。如果用低密度鉆井液鉆開此類地層，初級井控才會失敗。因此，在鉆井過程中，特別是在探井的鉆井過程中，要做好隨鉆壓力監(jiān)測，判斷地層壓力的變化。現(xiàn)場可根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，按審批程序及時申報，經(jīng)批準(zhǔn)后調(diào)整鉆井液密度。若遇到緊急情況，現(xiàn)場也可先調(diào)整鉆井液密度，再及時匯報。其次，井控裝備選擇、安裝要符合SY/T5964和《石油與天然氣鉆井井控規(guī)定》的要求，并按規(guī)定進(jìn)行日常的維護(hù)、檢查和試壓，保證其處于良好的工作狀態(tài)，具備進(jìn)行二次控制的能力。另外，現(xiàn)場的作業(yè)人員要具備進(jìn)行二級井控的技術(shù)能力。嚴(yán)格執(zhí)行坐崗制度保證及時發(fā)現(xiàn)溢流。通過平時的防噴演習(xí)熟練掌握關(guān)井程序，確保在發(fā)現(xiàn)溢流后能正確地關(guān)井。掌握基本的常規(guī)壓井方法，保證關(guān)井后能及時恢復(fù)井內(nèi)的壓力平衡。二溢流顯示地層流體流入井筒會給鉆井參數(shù)、鉆井液參數(shù)、井筒狀態(tài)等方面帶來變化，這些變化稱為溢流顯示。在鉆井的各種作業(yè)中，及時發(fā)現(xiàn)溢流，正確關(guān)井是防止發(fā)生井噴的關(guān)鍵。這時爭取時間非常重要。發(fā)現(xiàn)和識別溢流的各種顯示，并在各自的崗位上采取正確的關(guān)井操作，是井隊每個人員的重要職責(zé)。1、鉆進(jìn)時的溢流顯示1）出口管鉆井液流速增加，返出量增加地層壓力大于井底壓力時，地層流體流入井內(nèi)，增加了環(huán)空上返速度。天然氣臨近井口的快速膨脹，使出口管的鉆井液流速加快，流量增加。鉆井液出口管安裝流速測定儀，可以及時發(fā)現(xiàn)流速的變化，更準(zhǔn)確及時的判斷溢流的發(fā)生。2）停泵后井口鉆井液外溢鉆進(jìn)過程中停泵后，在環(huán)空和鉆具內(nèi)的鉆井液密度一致的情況下，發(fā)現(xiàn)出口管處有鉆井液流出，說明發(fā)生了溢流。3）鉆井液罐液面上升鉆井液罐液面升高是發(fā)現(xiàn)溢流的一個可靠信號。罐內(nèi)鉆井液的增量，就是井內(nèi)已侵入的地層流體量，即溢流量，其大小取決于地層的滲透率、孔隙度和井底壓差。地層滲透性高、孔隙度好，地層流體向井內(nèi)流動快；反之流動慢。井底欠平衡量越大，溢流越嚴(yán)重。地層流體進(jìn)入井內(nèi)的條件不同，液面升高的速度也不同。鉆井液罐液面升高有四種形式：⑴鉆開高滲透性的高壓油氣層時，井底欠平衡量較大，鉆井液從井內(nèi)快速流出，鉆井液罐液面快速升高。從井內(nèi)返出大量鉆井液之前，鉆井液并無油氣侵顯示，通常會有鉆進(jìn)放空現(xiàn)象。這是最危險的溢流。⑵鉆開高滲透性的油氣層時，井底欠平衡量小，地層流體進(jìn)入井內(nèi)的速度開始很小，鉆井液罐液面升高也很慢，但隨著井內(nèi)侵入的地層流體增加，欠平衡量增大，鉆井液快速從井內(nèi)流出，鉆井液罐液面迅速升高。⑶鉆開低滲透性的高壓層時，井底處于欠平衡，地層流體向井內(nèi)流動時，受到的阻力大，因而鉆井液罐液面升高緩慢。如果壓差很小，常有氣侵顯示。⑷起鉆過程中，液柱壓力稍大于地層壓力，抽吸壓力導(dǎo)致天然氣進(jìn)入井內(nèi)，天然氣在井內(nèi)滑脫上升并逐漸膨脹，臨近井口迅速膨脹，引起鉆井液罐液面變化。這種情況也是非常危險的。4）鉆速突快或放空這是可能鉆遇到異常高壓油氣層的征兆。當(dāng)鉆遇異常高壓地層過渡帶時，地層孔隙率增大，破碎單位體積巖石所需能量減小，加上井底正壓差減小有利于井底清巖，此時鉆速會突然加快。鉆遇碳酸鹽巖裂縫發(fā)育層段或鉆遇溶洞時，往往發(fā)生蹩跳鉆或鉆進(jìn)放空現(xiàn)象。一般情況下，鉆時比正常鉆時快1/3時，即為鉆速突快。鉆遇到鉆速突快地層，進(jìn)尺不能超過1米，地質(zhì)錄井員應(yīng)及時通知司鉆停鉆觀察，檢測是否發(fā)生溢流。5）循環(huán)泵壓下降，泵速增加。井內(nèi)發(fā)生溢流后，若溢流物密度小于鉆井液密度，鉆柱內(nèi)液柱壓力大于環(huán)空液柱壓力，由于“U”型管效應(yīng)使鉆具內(nèi)的鉆井液向環(huán)空流動，故泵壓下降。氣體沿環(huán)空上返時體積膨脹，有助于克服環(huán)空壓耗，也會使泵壓下降。泵壓下降后，泵負(fù)荷減小，則泵速增加。6）鉆具懸重發(fā)生變化。天然氣侵入井內(nèi)后，使環(huán)空鉆井液平均密度下降，鉆具所受浮力減小而懸重增加。若溢流物為鹽水時，其密度小于鉆井液密度則懸重增加，其密度大于鉆井液密度則懸重減小。油溢流使鉆井液密度減小，因而懸重增加。7）鉆井液性能發(fā)生變化發(fā)生溢流后，井內(nèi)的鉆井液性能發(fā)生變化。油侵入鉆井液，會使鉆井液密度和粘度下降；天然氣侵入井內(nèi)會使鉆井液密度下降，粘度上升；地層水侵入鉆井液，會使鉆井液密度粘度都下降。鉆井液中還有油花、氣泡、油味或硫化氫味。8）Dc指數(shù)減小正常情況下，隨著井深的增加，Dc指數(shù)越來越大。如果Dc指數(shù)減小，則可能鉆遇到異常高壓地層的顯示。9）巖屑尺寸加大壓差減少，大塊頁巖將開始坍塌，這些坍塌造成的巖屑比正常巖屑大一些，并呈長條狀，帶棱角。2提鉆時的溢流顯示1）灌入的鉆井液量小于提出鉆具體積2）停止提鉆，出口管外溢3）灌不進(jìn)去鉆井液由于提鉆抽吸使地層流體進(jìn)入井筒，部分填補(bǔ)或完全填補(bǔ)了提出鉆具的體積，因而實際灌入鉆井液量小于計算的灌入量或灌不進(jìn)去。如果此時井底壓力已小于地層壓力，或抽吸進(jìn)入井筒的是氣體，則會出現(xiàn)出口管外溢的現(xiàn)象。3下鉆時的溢流顯示1）返出的鉆井液體積大于下入鉆具的體積2）停止下放，井眼仍然外溢進(jìn)入井筒內(nèi)的氣體，在井眼深部時體積增加較小，或受鉆井液