第4章 溢流的原因、预防与显示

第4章 溢流的原因、预防与显示 第四章 溢流的原因、预防与显示 一 溢流原因及预防 发生溢流或井涌时，地层流体大量进入井眼，为了保证井眼的安全，必须停止正常的作业，采取关井的办法来限制地层流体的流动。在正常钻进或起下钻作业中，地层流体向井眼内流动必须具备下面两个条件: 1)井底压力小于地层压力; 2)地层具有必要的渗透性，允许流体的流动。 地层渗透性是人为不能控制的，因此发生溢流最本质的原因是井内压力失去平衡，井底压力小于地层压力导致的。所以要维持一口井处于初级井控状态，必须要保证适当的井底压力。而在不同工况下，井底压力是由一种或多种压力构成的一个合力。因此，任何一个或多个引起井底压力降低的因素，都有可能最终导致溢流或井涌。其中最常见的原因是: 1)起钻时井内未灌满钻井液; 2)过大的抽吸压力; 3)钻井液密度不够; 4)循环漏失; 5)地层压力异常。 钻井液密度偏低，是造成溢流和井涌的最常见原因。但最终导致井喷的井涌多发生在起下钻时，在起钻时发生井涌，特别是在钻具都起出井眼后发生的井涌是很难控制的。 1、起钻时井内未灌满钻井液 起钻过程中，由于钻柱的起出，钻柱在井内的体积减少，井内的钻井液液面下降，从而静液压力就会减少。不管在裸眼井段的哪一点上，只要静液压力低于了地层压力，溢流就可能发生。 起钻过程中，需要及时准确地向井内灌满钻井液以维持足够的静液压力。钻具水眼畅通的情况下提钻，灌入的钻井液体积应等于提出的钻具的体积。提出的钻具体积，也就是钻具的排替量，即钻具本身的体积所代换的等量钻井液的体积。对于大多数普通尺寸的钻杆和钻铤应以钻具体积的数据为准。也可由下面的计算: ,722排替量=7.854×10×(外径mm,内径mm) m3/m 钻具的体积取决于每段钻具的长度、外径、内径，由于受钻杆接箍和内外加厚等因素的影响，计算结果与实际有一定的误差。常用规范钻杆钢材体积见下表 通径尺寸 平均实际每米排组成27.4米长立柱时排替量 壁厚 名义重量 mm 重量 替量 mm kg/m 一柱 五柱 十柱 (in) kg/m l/m 5.5 10.20 10.91 1.39 38.2 191 382 73.0 (2 7/8) 9.2 15.49 16.22 2.07 56.8 284 568 6.5 14.15 15.23 1.95 53.6 268 536 88.9 9.3 19.81 20.53 2.63 72 360 720 (3 1/2) 11.4 23.08 23.96 3.06 83.9 420 839 6.9 20.48 22.44 2.87 78.7 393 785 114.3 8.6 24.72 26.49 3.38 82.7 413 827 (4 1/2) 10.9 29.79 32.14 4.05 111 555 1110 7.5 24.18 26.33 3.36 92.2 461 922 127.0 (5) 9.2 29.04 30.65 3.92 107 537 1073 由于某种原因(钻头水眼堵或钻具水眼堵)造成湿提钻，即提钻喷泥浆，这种情况下灌入的钻井液体积应等于所提出钻具的排替量与 内容积之和。对于钻具的内容积，可以从钻具体积表中查出，也可以用下面的公式来计算: ,372内容积m/m=7.854×10×内径mm ,72此时，灌浆量=排替量，内容积=7.854×10×外径mm m3/m 实际灌入钻井液的体积可以用下列装置中的一种进行测量: 1)钻井液补充罐 2)泵冲数计数器 3)流量计 4)泥浆罐液面指示器 钻井液补充罐是最可靠的测量设备。钻井液补充罐是一个细而高 3的罐，容积通常为1.6,6.4m(10,40barrel),刻度一般为80升/格(0.5barrel)左右,以便能够在钻台上看清楚。当补充罐内钻井液灌入井内后，在从循环罐内向其补充钻井液。这样就可以实现对灌浆量的双重监测。最普通的钻井液补充罐是重力灌注式罐。为了使补充罐工作正常，其出口管必须高于井口的进口。为了便于靠重力把钻井液从罐内放出，通常把罐装在高架上。因为罐内的钻井液面高于排出管线，所以要用闸门来控制钻井液进入排出管线。这种重力补充罐不能连续地向井内灌钻井液。当然也可以采用如图所示的安装形式，以实现连续灌注，但这样就另外还需要一个罐来准确计量灌入量。另一种补充罐是使用一个离心泵把钻井液从罐内打到井里，井里溢出的钻井液返回到罐里。这种罐可以连续进行灌注，而且罐可以放置在地面上，方便安装。 通过泵冲数来计量泵入井内的钻井液量时，要准确的知道泵的每冲排量和泵效率，这就需要定期校验泵效率。 使用流量计也可以监控灌注量。但大多数流量计的精确度容易受钻井液性能的影响，如果没有校正和适当的保养就可能得不到准确的数值。 钻井液罐液面指示器也可以显示灌入量。但如果钻井泵同时从几个罐内抽取钻井液，这是液面的变化不容易检测出。所以在提钻灌钻井液时，最好单独隔离一个罐，以提高计量的准确度。 不论使用哪种灌注设备，灌入的钻井液量必须与起出的钻具体积进行比较，要保证其数值相等。如果二者数据不相等，要立即停止起钻作业，查找原因，并视具体情况采取相应措施。为保证起钻灌泥浆工作能够及时准确的执行，有必要指定一人在起下钻时专门负责这项工作。同时，要遵循以下几项灌泥浆的基本原则: 1)至少每起出3,5个立柱的钻杆，或起出一个立柱的钻铤时， 就需要检查一次灌入的钻井液量。灌钻井液前决不能让井内的液面下降超过30米。(IADC规定:灌泥浆前井内的压力下降不能超过75psi) 2)应当通过灌钻井液的管线向井内灌钻井液，不能用压井管线代替。 3)灌泥浆管线在防溢管上的位置不能与井口泥浆返出管线在同一高度。如果两管线同一高度则经灌浆管线灌入的钻井液可能直接从出口管流出，从而误认为井筒已灌满。 2 循环漏失 发生井漏时，由于大量的钻井液漏入地层，引起井内液柱高度下降，从而使静液压力和井底压力降低，并由此导致溢流或井涌。 由于钻井液密度过高和下钻时的压力激动，使得作用于地层上的压力过大，超过了地层的破裂压力，地层被压裂而发生漏失。在有些情况下，特别是在深井、小井眼里使用高粘度的钻井液钻进，环空压力损失过高也可能引起循环漏失。另外，在压力衰竭的砂层、疏松的砂岩以及天然裂缝的碳酸岩中循环漏失也是很普遍的。 减少循环漏失的一般原则是: 1)好井身结构，正确确定套管下深是防止循环漏失的最好办法。 2)做地层破裂压力试验和地层承压能力试验，检验地层强度。 地层承压能力试验一般是在即将钻开目的层之前进行，其目的就是检验上部裸眼井段的地层承压能力，保证钻开目的层提高钻井液密度后不会出现井漏。若地层承压能力过低，可进行堵漏，提高地层承 压能力，直到满足钻开油气层的要求。 3)在下钻时控制下钻速度，并分段循环，缓慢开泵，将激动压力减至最小。 4)保持好钻井液性能，使其粘度和静切力维持在最小值上。 5)做好堵漏材料的准备工作。 3 钻井液密度下降 由于钻井液密度下降是导致溢流的一个最常见的原因。这样引起的溢流比较容易控制，并且很少导致井喷。钻井液密度下降通常是由以下几种原因引起的: 1)钻开异常高压油气层时，油气侵入钻井液，引起钻井液密度下降，静液压力减少。发现此情况，应及时除气，不要把气侵钻井液再重复循环到井内，同时调整钻井液密度，平衡产层压力，防止发生溢流。 2)处理事故时，向井内泵入原油或柴油，造成静液压力减小。因此，在处理事故向井内注油时，应进行压力校核，若原油不能平衡产层压力时，应注解卡剂。 3)钻井液混油造成静液压力下降。向井内钻井液混油以减小摩阻时，要控制混油速度，并校核压力是否平衡。 4 起钻抽吸 起钻的抽吸作用会降低井内的压力，当井内压力低于地层压力时，就会造成溢流。这是由于钻井液有粘附在钻具外壁上，随钻具上移的倾向，同时，钻井液要向下流动，填补钻具上提后下部空出来的 空间，由于钻井液的流动没有钻具上提得快，这样就在钻头下方造成一个抽吸空间并产生压力降，从而产生抽吸作用。 抽吸压力主要受起钻速度、钻井液性能、环空间隙等因素的影响。假设某井井深4500m，井眼直径216mm，钻杆外径127mm，钻井液 3密度1.5g/cm，R=78，R=52，钻铤178mm×75.48m，159mm×600300 103.58m，水眼12.7mm×3。不同起钻速度下的抽吸压力值见下表。 起钻速度 m/s 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 抽吸压力 MPa 1.36 1.85 2.25 2.57 2.87 3.07 3.24 3.45 3.58 3ρ , g/cm 0.03 0.041 0.05 0.057 0.064 0.068 0.072 0.078 0.08 e 由上表可见，提钻时过大的抽吸压力及有可能抵消钻井液安全附加值，从而造成井底压力小于地层压力，并引起溢流。所以，提钻前应检查井底压力能否平衡地层压力，是否会发生抽吸溢流。检查方法如下: 1)短程起下钻法 短程起下钻有两种基本作法: (1)一般情况下试起10柱,15柱钻具，再下入井底循环一周，观察并测量返出的钻井液，若钻井液无油气侵，则可正式起钻;否则，应循环排除受侵污钻井液，并适当调整钻井液密度，直到起钻不发生抽吸溢流后再起钻; (2)特殊情况时(需长时间停止循环或井下复杂时)，将钻具起至套管鞋内或安全井段，停泵检查一个起下钻周期或需停泵工作时间，再下入井底循环一周观察。 2)核对灌入井内的钻井液量 在整个提钻过程中，都要坚持座岗观察核对灌浆量与提出钻具体积之间的关系。如果灌入井内的钻井液小于起出钻具的排替量时，则说明发生了抽吸溢流。这时应视井上情况，立即关井排除溢流或是关井强行下钻到底排除溢流，然后适当提高钻井液密度。 以上两种方法可以帮助估计抽吸的影响并确定抽吸特性。无论提钻是速度多慢，抽吸作用都会发生，为了将它减少到最低程度，以保证井下安全，应遵循以下原则: 1)尽量维持钻井液静液压力稍微高于地层压力(这种超出的压力叫做起钻安全值) 2)降低起钻速度，减小抽吸压力的影响 3)使钻井液粘度、静切力保持在最低水平，同时防止钻头泥包。 4)环空间隙要适当 5)用钻井液补充罐、泵冲数计数器、流量计或泥浆罐液面指示器来计量灌浆量，判断是否出现抽吸溢流。 5、地层压力异常 钻遇异常压力地层并不一定会直接引起初级井控失败。如果用低密度钻井液钻开此类地层，初级井控才会失败。 因此，在钻井过程中，特别是在探井的钻井过程中，要做好随钻压力监测，判断地层压力的变化。现场可根据监测结果，按审批程序及时申报，经批准后调整钻井液密度。若遇到紧急情况，现场也可先调整钻井液密度，再及时汇报。 其次，井控装备选择、安装要符合SY/T5964和《石油与天然气 钻井井控规定》的要求，并按规定进行日常的维护、检查和试压，保证其处于良好的工作状态，具备进行二次控制的能力。 另外，现场的作业人员要具备进行二级井控的技术能力。严格执行坐岗制度保证及时发现溢流。通过平时的防喷演习熟练掌握关井程序，确保在发现溢流后能正确地关井。掌握基本的常规压井方法，保证关井后能及时恢复井内的压力平衡。 二 溢流显示 地层流体流入井筒会给钻井参数、钻井液参数、井筒状态等方面带来变化，这些变化称为溢流显示。在钻井的各种作业中，及时发现溢流，正确关井是防止发生井喷的关键。这时争取时间非常重要。发现和识别溢流的各种显示，并在各自的岗位上采取正确的关井操作，是井队每个人员的重要职责。 1、钻进时的溢流显示 1)出口管钻井液流速增加，返出量增加 地层压力大于井底压力时，地层流体流入井内，增加了环空上返速度。天然气临近井口的快速膨胀，使出口管的钻井液流速加快，流量增加。钻井液出口管安装流速测定仪，可以及时发现流速的变化，更准确及时的判断溢流的发生。 2)停泵后井口钻井液外溢 钻进过程中停泵后，在环空和钻具内的钻井液密度一致的情况下，发现出口管处有钻井液流出，说明发生了溢流。 3)钻井液罐液面上升 钻井液罐液面升高是发现溢流的一个可靠信号。罐内钻井液的增量，就是井内已侵入的地层流体量，即溢流量，其大小取决于地层的渗透率、孔隙度和井底压差。地层渗透性高、孔隙度好，地层流体向井内流动快;反之流动慢。井底欠平衡量越大，溢流越严重。地层流体进入井内的条件不同，液面升高的速度也不同。钻井液罐液面升高有四种形式: ? 钻开高渗透性的高压油气层时，井底欠平衡量较大，钻井液从井内快速流出，钻井液罐液面快速升高。从井内返出大量钻井液之前，钻井液并无油气侵显示，通常会有钻进放空现象。这是最危险的溢流。 ? 钻开高渗透性的油气层时，井底欠平衡量小，地层流体进入井内的速度开始很小，钻井液罐液面升高也很慢，但随着井内侵入的地层流体增加，欠平衡量增大，钻井液快速从井内流出，钻井液罐液面迅速升高。 ? 钻开低渗透性的高压层时，井底处于欠平衡，地层流体向井内流动时，受到的阻力大，因而钻井液罐液面升高缓慢。如果压差很小，常有气侵显示。 ? 起钻过程中，液柱压力稍大于地层压力，抽吸压力导致天然气进入井内，天然气在井内滑脱上升并逐渐膨胀，临近井口迅速膨胀，引起钻井液罐液面变化。这种情况也是非常危险的。 4)钻速突快或放空 这是可能钻遇到异常高压油气层的征兆。当钻遇异常高压地层过 渡带时，地层孔隙率增大，破碎单位体积岩石所需能量减小，加上井底正压差减小有利于井底清岩，此时钻速会突然加快。钻遇碳酸盐岩裂缝发育层段或钻遇溶洞时，往往发生蹩跳钻或钻进放空现象。 1一般情况下，钻时比正常钻时快/时，即为钻速突快。钻遇到3 钻速突快地层，进尺不能超过1米，地质录井员应及时通知司钻停钻观察，检测是否发生溢流。 5)循环泵压下降，泵速增加。 井内发生溢流后，若溢流物密度小于钻井液密度，钻柱内液柱压力大于环空液柱压力，由于“U”型管效应使钻具内的钻井液向环空流动，故泵压下降。气体沿环空上返时体积膨胀，有助于克服环空压耗，也会使泵压下降。泵压下降后，泵负荷减小，则泵速增加。 6)钻具悬重发生变化。 天然气侵入井内后，使环空钻井液平均密度下降，钻具所受浮力减小而悬重增加。若溢流物为盐水时，其密度小于钻井液密度则悬重增加，其密度大于钻井液密度则悬重减小。油溢流使钻井液密度减小，因而悬重增加。 7)钻井液性能发生变化 发生溢流后，井内的钻井液性能发生变化。油侵入钻井液，会使钻井液密度和粘度下降;天然气侵入井内会使钻井液密度下降，粘度上升;地层水侵入钻井液，会使钻井液密度粘度都下降。钻井液中还有油花、气泡、油味或硫化氢味。 8)Dc指数减小 正常情况下，随着井深的增加，Dc指数越来越大。如果Dc指数减小，则可能钻遇到异常高压地层的显示。 9)岩屑尺寸加大 压差减少，大块页岩将开始坍塌，这些坍塌造成的岩屑比正常岩屑大一些，并呈长条状，带棱角。 2 提钻时的溢流显示 1)灌入的钻井液量小于提出钻具体积 2)停止提钻，出口管外溢 3)灌不进去钻井液 由于提钻抽吸使地层流体进入井筒，部分填补或完全填补了提出钻具的体积，因而实际灌入钻井液量小于计算的灌入量或灌不进去。如果此时井底压力已小于地层压力，或抽吸进入井筒的是气体，则会出现出口管外溢的现象。 3下钻时的溢流显示 1)返出的钻井液体积大于下入钻具的体积 2)停止下放，井眼仍然外溢 进入井筒内的气体，在井眼深部时体积增加较小，或受钻井液性能等因素的影响，滑脱上升速度较慢，因此提钻时有可能并未注意到它的影响。到了下钻时，气体有可能已经逐渐上升到井眼上部，其体积膨胀得越来越快，导致出现上述现象并越来越明显。 4空井时的溢流显示 1)出口管外溢 2)钻井液罐液面升高 由于岩屑气未能循环出井口、井壁扩散气或提钻时的抽吸作用进入井筒内的气体，在井内滑脱上升，其体积逐渐膨胀，会导致出口管外溢，并进一步引起钻井液罐液面升高。 对溢流显示的监测不应只局限于上面所述的四种工况，而应贯穿在井的整个施工过程中。切记，判断溢流一个最明显的信号是:停泵的情况下井口钻井液自动外溢。 三 溢流的及早发现 尽可能早的发现溢流显示，并迅速实现控制，是做好井控工作的关键环节。及早发现溢流的基本措施包括: 1 严格执行坐岗制度 坐岗人员负有监测溢流的岗位职责，要充分认识到及早发现溢流的重要性，它关系到溢流是否会发展成为井喷、井喷失控或着火。因此，在一口井的各个施工环节，都要坚持坐岗，严密注意钻井液出口管、钻井液罐液面和钻井液性能的变化，发现溢流，及时。 2做好地层压力监测工作，特别是在探井的钻井过程中 当dc指数偏离正常趋势线时，要及时校核井底压力能否平衡地层压力，及早发现异常高压地层。 3做好起下钻作业时的溢流监测工作 起钻前要进行短程起下钻，判断抽吸压力的影响。起下钻过程中要及时核对钻井液灌入量或返出量与钻具排替量之间的关系。 4钻进过程中要密切观察钻井参数和录井参数的变化 遇到钻速突快、放空、悬重和泵压等发生变化，或者发现钻井液出口 温度增幅大、返出岩屑量多块大、气测异常等现场时，都要及时停钻 观察，根据情况判断是否是发生了溢流。