钻井工程试题及答案(第六章)

第六章试题及答案
一、简答题
1．在钻井中,确定钻井液密度的主要依据是什么?其重要意义是什么?
答：
确定钻井液密度的主要依据是地层孔隙压力和地层破裂压力。

在实际钻井中，钻井液密度应不小于地层孔隙压力当量密度，以避免地层流体侵入井眼，造成溢流，发生井喷；钻井液密度应不大于地层破裂压力当量密度，以避免压漏地层，造成井漏。

2．在实际钻井中,如何处理平衡压力钻井与安全钻井的关系?
答：
所谓平衡压力钻井就是在钻井过程中使井内有效压力等于地层压力，这样可以保持井眼压力系统平衡，有利于解放钻速，保护油气层，并能安全钻进。

但是在一些井眼不稳定的井中钻进时，为了抑制井眼不稳定，需要选择较高的钻井液密度，但井底压力不能高于地层破裂压力。

3．欠平衡压力钻井的方式有哪些？简述欠平衡压力钻井的特点、适用性及局限性。

答：
欠平衡压力钻井的方式有：
（1）空气钻井
（2）雾化钻井
（3）泡沫钻井
（4）充气钻井
（5）边喷边钻
欠平衡钻井具有一系列的优点，如减少地层伤害，避免漏失；提高钻井速度；避免压差卡钻；减少完井及油层改造费用；可以对油气藏数据进行实时评价等。

对像稠油油田、低压裂缝性油气田、低压低渗透油气田等具有储层孔隙压力低的特点，采用常规的平衡压力钻井方式，容易污染油气层；对于探井，又不利于发现油气层和评价油气层；此外对于裂缝发育的高压地层，如果采用过平衡压力钻井，则会出现严重的漏失，有时因此无法钻达目的层。

为此，常采用欠平衡压力钻井。

欠平衡钻井理论技术尚不完善，也存在着许多缺点，如在所感兴趣井段的钻井与完井过程中，并不能始终保证全为欠平衡压力状态，像接单根、起下钻过程易出现过平衡，机械设备出现故障也可以出现过平衡。

由于井眼缺少泥饼，过平衡下则会对油层造成伤害。

4．地层流体侵入的原因及其预防。

答：
造成井底有效压力降低，进而导致地层流体进入井眼的原因有多种，主要为：
（1）钻井液密度低；
（2）环空钻井液液柱降低；
（3）起钻抽汲；
（4）停止循环。

要预防地层流体的侵入，就要使井底有效压力不小于地层压力值：首先钻井液密度不小于地层压力当量密度与安全系数之和；保持钻井液液柱高度不降，起下钻要平稳等。

5．气侵情况环空气液两相流流型分布特点.
答：
（1）钻采过程中的井筒气液两相流动
地层气体进入井底后，天然气与钻井液密度不同，依重力分离原理，气体相对钻井液将滑脱上升。

先进入井眼的气体，将先行滑脱上升，不可能待气体积聚成气柱再上升。

在气体上升过程中，虽然后边大气泡上升速度快，可能与沿程小气泡发生合并，但并不能在井底形成一连续气柱。

根据气液两相流理论，气侵后在环空内出现的典型的气液两相流流型分布可以用下图表示。

（2）微小气侵量下的流型分布
上图（a）是微小气侵量下的环空流型分布，整个环空为泡状流。

在井眼下部，气泡体积小。

在地面可以看到钻井液槽内有气泡，但无明显井涌现象。

如果油气层薄，环空中可能只有在某一段钻井液中气泡。

（3）小气侵量下的流型分布
上图（b）是小气侵量下的环空流型分布。

在环空中的中、下部均为泡状流，但在上部为段塞流。

在井口可以看到含大量气体的钻井液涌出。

它既可以由上图（a）情况演变而来，也可能由于地下进气量增加所致。

（4）中气侵量下的流型分布
上图（c）是中气侵量下的环空流型分布。

在井底为泡状流，在井眼中上部为段塞流，而在井口为搅拌流（又称过渡流）。

在井口可出现连续的喷势，成为较强的井喷。

这种情况井底压力与地层压力的负压差较大，并且地层的渗透率较高。

同时它也可以由图（b）演变而来。

（5）大气侵量下的流型分布
上图（d）是大气侵量下的环空流型分布。

对于高压裂缝性或溶洞气藏，如果负压差差较大，进入井眼的气体流量可能很大，在井的底部可能会出现段塞流，但这并不等于连续气柱而且也不可能形成连续气柱。

在井的中上部出现搅拌流，井的上部可出现环状流。

在地面
可以看到强烈的井喷。

图（c）情况如果控制不当，可以导致此种情况。

以上四种情况基本上是以单位时间内气侵量多少划分的。

而实际上的气侵量可以落到某两种情况之间，并且有许多种情况。

因此，在井眼环空中，尽管气液两相流流型分布如上图所示，但每种流型在环空中的位置却差别很大，详细描述环空中流型分布，则需要求解一组偏微分方程组。

6．简述地层流体侵入井眼的征兆。

答：
地层液体侵入井眼的征兆有：
（1）钻时加快；
（2）钻井液池液面增高；
（3）钻井液返出流量增加；
（4）返出钻井液温度增高；
（5）返出钻井液密度变低；
（6）返出钻井液电导率变化；
（7）返出钻井液粘度变化；
（8）循环压力下降；
（9）地面油气显示；
（10）大钩负荷（Hook Load）增大。

7．地层流体侵入井眼检测方法比较。

答：
（1）钻井液池液面检测法：主要是测量地层流体侵入的累计量，在地层流体侵入速度较低时可以测得其变化量，但地层流体侵入速度较高时反映比较滞后。

（2）返出钻井液流量检测法：利用测量返出钻井液流量比测量钻井液池液面发现井涌快。

（3）声波气侵早期检测法：鉴于声波在气液两相流中速度明显低于在纯钻井液中的速度，可以利用声波法早期检测气侵。

它可以及早的检测到气侵。

8．什么情况下采用硬关井？
答：
（1）井口井涌速度不高；
（2）盐水侵入量越大，井壁越不稳定，尽可能采用此方法；
（3）井口装置能够承受较大压力。

9．气侵情况下如何准确地确定关井立压与套压？
答：
每隔2～4min记录一次立压和套压；以时间为横坐标，以立压、套压为纵坐标，做曲线；当曲线变化平滑时，其拐点处，即可读为关井立压与关井套压；对于低渗油气藏，关井后立压和套压较长时间不出现平稳段及拐点，可取最高压力值，然后再根据井眼及地层情况，适
当增加钻井液密度附加值。

10．根据关井压力恢复情况粗略判断井控难易的原理是什么？
答：
根据关井压力恢复情况，可以粗略判断井底压力与地层压力间的负压差大小及地层渗透率大小。

关井后立压、套压大小直接反映的是井底压力与地层压力间的负压差大小，但间接反映的是地层压力大小。

依据经验，根据关井后立压、套压的恢复情况可粗略判断地层渗透率大小。

而通过地层压力的大小和地层渗透率的高低可以判断井控难易。

11．井底常压法压井的原则是什么？
答：
原则是保持井底常压，就是在压井过程中井底压力略大于地层压力并且使井底压力保持不变。

12．压井方法的选择依据是什么？
答：
压井的目的是恢复井眼内压力平衡，即井底压力等于或稍大于地层压力，并且还必须把地层进入井眼中的流体安全的排出井眼，或安全的再压回地层。

压井的原则是保持井底常压，就是在压井过程中，井底压力略大于地层压力并且使井底压力保持不变。

选择压井方法，应保证以最短的时间压住井，循环排出流体，既不损毁井口装置及套管，又不压裂地层，并且压井循环结束后，保证井底压力大于地层压力。

13．常规压井与非常规压井区别在哪里？
答：
常规属于循环法压井，即压井液通过钻柱注入井眼，将受污染钻井液通过正常循环出井，并保证井底压力大于地层压力的压井方法。

非常规压井不局限于正常循环加重钻井液方法，可以从环空泵入钻井液，地层释放适当体积的钻井液等方法，只要保证井底压力大于地层压力即可。

二、计算题
14．基于方程(6-5)，自行设置参数，对于同一钻井液泵入量、气体侵入量、钻井液密度及表面张力，模拟计算不同井深下气体上升速度分布值。

15．某井井深为D=4000m；钻头尺寸为215.9mm；钻杆尺寸为114.3mm，24.72kg/m，壁厚8.6mm；钻井液密度ρd=1.50g/cm3；技术套管下至3000m，该处地层破裂压力梯度
G f=19.9kPa/m。

根据溢流发生之前的记录，泵速30冲每分时，循环压力p ci=12.00MPa；
钻井泵类型为3NB-900，缸套直径120mm，泵速30冲每分时排量Q=15.56L/s，最大泵压为33.27MPa；发生井涌关井后10min，立管压力为4.67MPa，套压为6.65MPa；钻井液池内钻井液增加4.5m3。

利用司钻法及工程师法设计一压井施工单。

答：
根据以上数据，比较关井立压和套压，差值为1.98Mpa,而钻井液增加4.5m3，说明环形空间被侵染的不严重，井涌发现及时。

（1）地层压力p P
p P =p sp +0.00981ρd D=4.67+0.00981×1.50×4000=63.53(Mpa)
（2）压井所需钻井液密度ρd1 =+=)00981.0(1D p sp d d ρρ=⨯+)400000981.0(67.450.1 1.62(g/cm 3)
（3）钻井时所需钻井液密度2d ρ： 取△ρ=0.055
2d ρ=675.1055.062.11=+=∆+ρρd （g/cm 3
） 如将整个井筒容积二倍的钻井液加重，根据经验公式
每一千米井筒容积=2
)(2
井径英寸数 4000m 井筒容积为 4×2
)5.8(2
=144.5（m 3） 二倍为 144.5×2=289（m 3
）
（4）初始循环立管压力Ti p Ti p =sp p +ci p =4.67+12=16.67（MPa ）
这小于该钻井泵120mm 钢套的最大泵压，所以120钢套是适用的。

（5）终了立管总压力Tf p
Tf p =cf p ∆=)(96.1200.1250
.162.11MPa p ci d d =⨯=ρρ （6）重钻井液到达钻头所需的时间t 由钻井手册查得114.3mm(4 1/2in)、24.72kg/m 的钻柱每米长的内容积V d =7.417 L/m,则 (min)78.3156
.156********.760=⨯⨯==Q D V t d （7）许可的最大关井套压
c d t a D G p )81.9(max ρ-==（19.9-9.81×1.50）×3000=15.555×103（kPa ）=15.56(MPa)
16． 简述井筒内压力系统平衡破坏的原因。

某井钻进至井深H=3000m 发生溢流，井内
钻井液密度为1.25g/cm 3。

溢流前记录：泵循环排量Q=12L/s ，循环压力Pci=9MPa 。

溢
流出现关井15分钟后立管压力稳定，记录：立管压力Pd=5MPa ，套管压力Pa=7MPa 。

试
计算出地层压力(单位：MPa)、压井所需钻井液密度(单位：g/cm 3)、压井时初始立管总压力(单位：MPa)和终了立管总压力(单位：MPa)。

答:
井筒内压力系统平衡破坏的原因:
（1）地层压力掌握不确切；
（2）钻井液液柱高度降低；
（3）钻井液密度降低；
（4）井内压力激动——抽汲。

地层压力P P =Pd+9.81m ρH=5000+9.81X1.25X3000=41.7875 MPa
压井所需钻井液密度1m ρ=P p /9.81/H=41787.5/9.81/3000=1.42 g/cm
3 压井时初始立管总压力：P Ti =Pd+Pci=5+9=1
4 MPa
压井时终了立管总压力：P Tf =Pci
m m ρρ1=9X 25.142.1=10.22 MPa 17． 分析气侵的途径与方式。

某井钻至井深2500m 由于气侵发生溢流，此时井内泥浆
密度为1.20g/cm 3。

溢流前记录：泵循环排量10L/s ，循环压力Pci=8MPa 。

溢流出现关
井15分钟后立管压力稳定，记录：立管压力Pd=4MPa ，套管压力Pa=6MPa 。

试计算出地层压力(单位：MPa)、压井所需泥浆密度(单位：g/cm 3)、压井时初始立管总压力(单位：MPa)和终了立管总压力(单位：MPa)。

答：
气侵进入井中有这样几种可能的途径和方式：
（1）进入气层时，随着气层岩石的钻碎，岩石孔隙中所含的气体进入泥浆。

（2）气层中气体通过泥饼向进内扩散。

（3）当泥浆柱压力小于地层压力时，气体由气层以气态或溶解态大量地流入和渗入泥浆。

地层压力P P =Pd+9.81m ρH=4000+9.81X1.20X2500=33.43 MPa
压井所需泥浆密度1m ρ=P p /9.81/H=33430/9.81/2500=1.36 g/cm
3 压井时初始立管总压力：P Ti =Pd+Pci=4+8=12 MPa
压井时终了立管总压力：P Tf =Pci
m m ρρ1=8X 20.136.1=9.09 MPa 18． 某井钻至井深L=3400m ，井底地层压力37.32MPa ，泥浆密度ρm=1.22g/cm3，平均
上覆岩层密度ρo =2.6g/cm3，平均孔隙度为10%，地层流体密度为1.02g/cm3；求解：
（1）地层压力的当量密度为多少？
（2）钻进时井底压差为多少？
（3）井深3400m 处垂直地应力为多少？
（4）使用同样泥浆钻进到3800m时发生井涌，打开节流阀时套管压力为0.9Mpa，测得立管压力为2.8Mpa，求压井所需的最小泥浆密度。

答：
（1）地层压力的当量密度=37.32×106/(9.8×3400)=1.12 (g/cm3)
（2）钻进时井底压差=1.22×103×9.8×3400-37.32×106＝3.34×106（Pa）
（3）井深3400m处垂直地应力 =
[2.6×103（1-0.1）+1.02×103×0.1]×9.8×3400-37.32×106=37.25×106（Pa）
（4）压井所需的最小泥浆密度 =
[2.8×106+1.22×103×9.8×3800]／(9.8×3800)=1.295 (g/cm3)。