第4章 井内流体的运移井内流体按压缩性的大小分为气体和液体。气体极易压缩，也称为科压缩流体；液体几乎不可压缩，也称为不可压缩流体。流体不能保持一定的形状，而具有很大流动性。在井控理论中，谈及最多的运移形式包括溢流、气体膨胀。尽早发现溢流、控制气体膨胀，是作业井控的关键。井喷很少突然发生，多数都有一些溢流、井喷先兆，只要观察及时、准备充分，加以有效的预防，绝大多数井喷事故都是可以避免的。4.1 溢流的产生与预防溢流是指当井底压力小于地层压力时，地层流体在压差作用下进入井内，导致井口返出量大于泵入量、停泵后井口自动外溢的现象。4.1.1 产生溢流的必备条件溢流的发生必须具备以下两个条件:1.井底压力小于地层压力。2.溢流地层必须具有必要的渗透率，允许地层流体进入井内。4.1.2 产生溢流的原因发生溢流的本质原因是井内压力失去平衡，是井底压力小于地层压力所致。在不同工况下，井底压力是由一种或多种压力构成的合力，任何一个或多个引起井底压力降低的因素都可能导致溢流的发生。最常见的易引起溢流因素包括液柱压力小于地层压力、起管柱时井内未灌修(压)井液或灌注量不足、起管柱时产生过大的抽汲压力、漏失、修(压)井液密度不够、地层压力异常等。4.1.2.1 井内液面过低静液柱压力是引发溢流的第一道防线，静止工况下，静液压力是施加在地层上的唯一压力。如果液柱压力降至低于油层压力的水平，地层流体将流向井内。统计表明许多溢流发生在起管柱时，这说明或者存在抽汲或者没有正确灌浆。起管柱时，油管的体积从井内起出，井内液面和液柱压力都将下降。如果液柱压力降至低于地层压力，将开始溢流。因此，起管柱时灌注压井液是至关重要的，灌入的体积应等于起出的油管的体积。为了减少由于起管柱时修(压)井液末灌满而造成的溢流，应做到以下几点：1. 起出管柱后，井内液面会下降至多高。2. 计算起出管柱的体积。3.测量灌满井眼所需修(压)井液量。4.定时将灌修(压)井液量与起出管柱体积进行比较，并安排专人记录、比较。5.如果两种体积不相符合要立即采取措施。管柱的体积取决于每段管柱的长度、外径、内径。对于大多数普通尺寸的管柱可从体积表中查出，也可由下面的公式计算：管柱排减量(m3/m)=7.85410-7外径(mm)2-内径(mm)2由于某种原因(管柱水眼堵)造成湿起，即起管柱带出其内部修(压)井液，这种情况下灌入的修(压)井液量应等于所提出管柱排减量与内容积之和。对于管柱的内容积，可以从油管体积便查表中查出，也可以用下面的公式来计算：内容积(m3/m)=7.85410-7内径2(mm)此时，灌液量(m3/m)=排减量+内容积=7.85410-7外径2(mm)灌修(压)井液的原则是起管柱时，要及时灌修(压)井液，决不能让井内液面下降过多。例4-1已知套管尺寸为7，井液为1.325g/cm3的盐水，由于管柱堵死，进行湿起，求起出5柱2油管(每柱27.9m)后的井底压力降。解:油管湿起下的排代系数为：C油管=7.85410-722=7.85410-7732=4.18(l/m)=4.18(m3/km)。7套管与2油管环空容积为：C环空=7.85410-7(72-22)=7.85410-7(177.82-732)=20.47(l/m)=20.47(m3/km)。则：5柱油管总体积为：V=4.1827.95=0.583(m3)湿起引起液面下降为：h=583/20.47=28.5(m)井底压力降为:P=O.00981h=0.009811.32528.5=0.37(MPa)有时，由于射孔段漏失使监测灌注压井液量变得很复杂，即开始井内可能是充满的，一段时间后流体渗入地层，如果这种情况发生，灌入的量应大于理论计算的灌入量。有时地层压力很低而不能使井眼充满，此时，只能对油层进行暂堵。然后再灌注，通常灌至理论灌注量。保持液柱压力对井控十分的重要。每个现场施工人员都应能够正确执行灌注要求。4.1.2.2 抽吸压力起管柱的抽吸作用会降低井底压力，使井底压力低于地层压力，从而造成溢流。仔细计量灌入量可以发现抽汲溢流，比如起出了3m3的管柱体积只灌入了2m3井液，则说明有1m3的溢流被抽进井筒。必须特别注意灌浆量的监测，因为统计表明，许多溢流发生在起管柱时。起管柱时减小抽吸力的原则：1. 灌液控制井底压力略高于地层压力(这个超出的压力就是安全附加压力)。2. 大尺寸工具减少环空间隙，高粘度、高切力压井液性能会增加抽汲作用，要减少管串中大径工具，循环好压井液再起钻。3.控制起管柱的速度。4.1.2.3 密度偏低修(压)井液密度不够是发生溢流的主要原因之一，防止由于修(压)井液密度不够引起溢流的一般做法是：1.准确估算地层压力，分析邻近井资料，特别是发生过地下井喷、注入作业、套管漏失、固井质量不好或报废井的情况。2. 计算压井液密度要考虑附加值。3. 安装适当的地面控制装置，以便及时排除修(压)井液中的气体，不要把气侵修(压)井液再重复循环到井内。4. 保持修(压)井液处于良好性能4.1.2.4 漏失井漏使井内液面和液柱压力降低，导致液柱高度和压力都降低；如果井底压力低于地层压力，溢流将会发生。井漏的主要原因有：1压井液密度过高；2压力波动过大；3疏松地层。井液密度过高：是指井底压力超过了地层压力。如果压井液密度过高，将会超过地层压力而导致井漏；当使用的压井液密度很接近地层压力梯度时，需要考虑当量循环密度，当量循环密度是由于摩擦阻力而增加的井底压力，尤其在反循环时，当量循环密度可能会很大，会导致井漏。此时，可向井内泵入适量低密度井液以减少液柱压力；泵速应尽量维持低值减少井底压力和漏失的可能性。波动压力过大：波动压力是由下管柱过快引起的井底压力升高。如果液柱压力和波动压力之和大于井底压力，将会引起井漏。因此，应控制下钻速度，减少波动压力。疏松地层：地层胶结性差、疏松，异常低压砂岩的破裂压力梯度通常较低；如果多油层完井或套管上部有孔，则会使薄弱地层破裂而井漏。此时，保持井内液柱压力很困难，需要堵漏压井，备好堵漏材料。 4.1.2.5 压力异常如受注水的影响，老井套管外连通等导致压力异常。通常采取的做法是：1.分析邻井资料，特别是注水生产情况、注水量、注水压力等。2.掌握井身结构情况，如套管漏失、固井质量等。3.密切监控修井过程中的压力变化。4.1.3 各种作业工况下溢流的检测与预防发生溢流时，在地面总可以观察到溢流的显示。及时发现这些显示，并在各自的职责范围内采取必要措施，防止井喷事故发生。4.1.3.1 循环时的溢流预兆与预防三、电缆操作或空井时溢流的预兆1井口外溢电缆操作时，由于电缆体积较小，起下作业都不应该引起井内流体明显外溢，空井时更是如此。如果此时外溢，就说明溢流已经比较严重。2关井地面压力显示观察到此现象，现场人员首先必须确定井是否关好，有无泄漏之处，并继续观察记录油压和套压以便在压井前发现潜在的问题。1. 循环时的溢流预兆 循环时油气水侵循环时油气水侵是可能发生溢流的一个良好的信号。气侵流体在地面可以观察到气泡沫，水侵不仅使返出井液的密度下降，而且使氯根浓度发生变化，油侵时可以看到油膜或油花。 循环泵下降泵压是油套管内液柱压力和摩阻的函数。溢流进入井筒使液柱压力下降进而导致泵压下降泵速上升，因此，当发现泵压和泵速变化时应加强井眼的观察。 井液返出量增加在泵排量不变的情况下，井口返出液量增加或井口返出流速增加，是发生溢流的主要显示之一。井液返出量增加，说明地层流体进入井内，从而推动井液在环形空间加速上返。如果溢流是气体，由于气体在环空上升过程中体积不断增大，也造成返速增加，返出量增大。 循环罐中液量增加在没有人为增加液量的情况下，循环罐的液量增加，说明溢流正在发生。由于溢流发生时，进入井内的地层流体使循环总量增加，因此罐中液量增加。作业人员对循环罐中液量的变化情况应敏感和重视，循环罐液面发生变化，一定要找出变化的原因，并采取相应的措施。 停泵后，井口井液外溢当停泵以后，井内井液继续外流，说明井内正在发生溢流或者气体滑脱上升。注意，当管柱内井液密度比环空井液密度高的多时，井口井液也会外溢。当发生这种情况此时，司钻应仔细分析原因，区分密度差与溢流，采取正确措施，必要时可关井。2.循环时的溢流预防 严格执行施工(工程)设计的井液密度值。 及时发现地层压力变化并相应调整井液密度。 及时处理井漏等复杂问题。 发现油气水侵、返流速度升高、循环池液面升高、泵压下降或泵冲增加时，及时通过定期测量进出口流体密度的方法进行溢流检查。 4.1.3.2.起下管柱时的溢流预兆与预防1.起下管柱时的溢流预兆 起下管柱时灌注或返出井液量与管柱体积不符起管柱时，若灌入井内的液量小于起出管柱体积，则表明地层流体已经进入井内，溢流可能发生了。下管柱时，如果返出液量大于管柱体积，也表明井内发生溢流。 起下管柱停止操作时井口外溢停止起下管柱，如果井口井液外溢，说明溢流已经比较严重了。2.起下管柱时的溢流预防 定量灌注。使用灌液泵，每起15-20根，灌注一次；对漏失井应连续灌注，并定期观察环空液面在起管柱时是否正常下降。 正确计量。如果灌注量与起出灌注体积不符，应停止起管柱，进行溢流检查，并通知负责人。 溢流检查。在停泵状态下观察、判断井筒是否稳定。 控制起下管柱速度。尽量控制起管柱速度以减小波动压力，特别是带有大直径工件时。一般速度不超过0.5m/s。 中止起下管柱。如果起管柱作业由于各种原因中止，应安装旋塞阀。4.1.3.3 空井及电缆操作时的溢流预兆与预防1.空井及电缆操作时的溢流预兆 井口外溢测井时，电缆下放和起升过程中，井口有明显的井液外溢，这说明井内已发生溢流。出现这种情况应立即停止测井作业，根据溢流情况决定继续起出电缆还是切断电缆关井。 关井井口有压力显示观察到此现象，现场人员首先必须确定井是否关好，有无泄漏之处，并继续观察，记录油压和套压以便在压井前计算压井液密度、发现潜在的问题。2.空井及电测时的溢流预防尽管电缆绳索自身体积相对较小，起下过程中，排出或需要补充的压井液量小，但仍不能忽视，特别是带有大直径工具的电缆或绳索起下作业，应该控制速度，避免因抽汲或压力激动导致溢流。 停止作业时应有专人监视井口，发现溢流预兆及时处理。 长期空井时应下一定深度管柱，关闭井筒。4.2 井内气体的膨胀和运移作业过程中，最常见也是最危险的溢流是气体溢流。由于它在不同温度、压力下具有溶解、膨胀和易燃易爆的特性，使井控变的更加复杂。4.2.1 天然气的特点气体与液体最显著区别在于压缩或膨胀性。气体受压增加，其体积减小，气体受压减小，体积增加。这种特性可用下面的公式描述:PV=ZnRT或=常数 (4-1)式中：P-气体所受到的绝对压力，MPa。V-气体的体积，m3。Z-气体的压缩性系数。n-气体的物质的量。R-气体常数，MPa.m3/K。T-气体的绝对温度，K。如果不考虑气体压缩性系数及温度变化，则上式变为玻义耳-马略特定律:P1V1=P2V2 (4-2)即气体压力增加一倍，体积减小一半;相反，气体压力减小一半，体积增大一倍。气体的可压缩性和低密度这两种特性使井控变得复杂，我们必须了解和掌握可膨胀气体运动所造成的静液压力和