02 第二章钻井工程

第二章溢流的检测
尽早发现溢流显示是井控技术的关键环节。

从打开油气层到完井，要注重观察井口和钻井液罐液面的变化.”因此，准确、有效地进行溢流的检测是实施井控的首要前提。

在现场施工中，溢流的检测通常分三步进行。

第一，在钻井设计时进行的溢流检测，即对邻近井的资料进行分析对比，表明可能遇到的异常压力地层、含酸性气体（H2S）地层、地质情况复杂的地层或漏失层。

第二，钻井过程中根据井上的直接或间接显示，判断井内地层压力增加或者钻井液静液压力减少，可能发生溢流。

第三，钻井过程中通过观察或判断溢流的显示，表明地层流体侵入井内，已发生溢流。

溢流的发生、发展是有一个过程的，对于潜在的或即将发生的溢流。

钻井人员应密切监控井下的情况，并且考虑和预测可能出现井控问题。

有准备的钻井人员应能够迅速发现井内异常情况，有效地把溢流、地面压力及井控的各种困难减到最小程度。

地层压力的增加或静液压力的减少，必然导致地层压力大于钻井液静液压力，这是溢流的最直接的警告信号，地层流体向井内流动及各种显示也就是溢流的具体显示。

认识与判断这些显示通常需要用关井或把流体从井场分流排出的办法。

若溢流预兆或显示没有及时发现和有效的控制，就可能出现溢流和井喷事故。

因此，钻井人员应做到以下几点：
①熟悉各种溢流的原因；
②认识溢流的发生、发展过程；
③使用适当的设备和技术来检测意外的液柱压力减少；
④使用适当的设备和技术来检测可能出现的地层压力增加；
⑤能够正确识别静液压力与地层压力之间失衡的各种显示；
⑥能够对溢流采取有效控制措施。

第一节溢流的迹象
地层流体进入井内，在地面上会从各个方面显示出来。

认真观察和监视这些显示，就能及时的发现溢流。

一、钻井液量的增加
地层流体侵入井内，而且变成钻井液循环系统中的一部分时，钻井液量就会增加。

这是发现井内侵入流体的一个可靠、确切的信号，通常需用钻井液罐液面指示器或流量检查来加以确认。

对于不同地层，地层流体进入井内的情况有所不同，钻井液量的增加速度也有所不同。

１、钻开高渗透性的高压油、气层时，地层压力未被钻井液静液压力所平衡，这是最危险的溢流。

其显示是钻井液从井内快速流出，钻井液罐液面迅速升高，从井内返出大量钻井液以前，钻井液中并无明显的油、气显示，通常在钻井液流出开始时伴有钻进放空现象。

２、另一种情况是钻开高渗透地层的压力比钻井液静液压力稍高，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缓慢，但随着井内侵入流体量的增加，欠平衡量的增大，钻井液快速从井内流出，钻井液罐液面迅速升高。

当天然气接近地面时，体积迅速膨胀，钻井液快速返出，这时钻井液罐液面有较明显的升高。

３、钻开低渗透性的高压层时，虽然地层压力未被钻井液静液压力所平衡，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较缓慢。

如果压差很小，常常有气侵显示。

为了能及时发现溢流，每台钻机均应有钻井液罐液面指示装置、记录仪表和报警装置，以便及时检测、报告钻井液罐液面的变化，显示仪表应装在钻台上司钻能看到的位置，便于司钻能随时了解钻井液罐液面的变化情况。

钻井的其他作业也可以导致钻井液量的变化，从而使钻井液罐液面指示器不能反应真实情况，这在确认钻井液量增加时要加以排除。

通常引起钻井液量增加的情况有：
①加入钻井液处理剂，特别是重晶石和水；
②钻井液倒罐；
二、钻井液出口流量突然增加（泵冲不变）
当泵在固定转速下运行时，每分钟泵入井内的钻井液量是一定的。

在排量不变的情况下，地层流体进入井内后，帮助泵把环形空间中的钻井液向上推动，并排出井口，就造成排出管线的钻井液排量超过泵入排量。

应当用流量显示表或装在排出管线上的相对流量表来检测流量的增加。

有时候，在钻井液里有少量天然气会错误地显示溢流正在发生。

气体到井口就会膨胀。

会把钻井液很快地推出井口，从而也就增加了排出管线里的流出量。

即使这种情况不是连续的发展，也要对这种情况保持怀疑，钻进时应当停止并对井进行流量检查与分析。

三、停泵时，井口有钻井液返出
无论什么时候，当遇到钻进放空或地层破裂时司钻应停止钻进，进行流量检查。

当检查排量时，必须停泵，观察钻井液返出情况。

如果井口没有钻井液返出，就可以继续钻进。

如果钻井液仍从排出管线流出，说明地层流体已进入井内了。

这是由于侵入井内的地层流体推动环形空间中的钻井液向上并使得钻井液继续排出。

下列情况不是因为溢流而引起的流体从井内溢出。

1、当泵停止后，灌注泵没停。

2、重钻井液的“U”型管现象。

当气侵发生时这种现象经常出现。

3、钻井液里有少量气体的膨胀。

四、起下钻时，井筒注入或流出的钻井液与钻具的体积不符
起钻时，向井内灌钻井液来保持井内液面，起出钻具的体积应等于灌入井内的钻井液量。

如果起钻时有地层流体进入井内，在环空中占有一定的高度就会造成灌入井内的钻井液量小于起出钻具的体积，则说明有溢流发生。

下钻时，则是看井口返出的钻井液量是否等于下入井内钻具的体积。

如返出的钻井液体积大于下入钻具的体积，说明有溢流发生。

可以看出，起钻过程中灌钻井液，下钻时核对返出钻井液体积，不仅仅是为了保持井底压力平衡，它也是现场发现溢流的一种最直接、有效的检测方法。

五、井的监测与报警设备
1、钻井液罐中钻井液体积累加器。

钻井液罐液面指示器即钻井液罐体积累加器，是用来测量钻井液量变化的。

钻井液罐液面指示器是放在每个钻井液罐里的一串浮子。

浮子随钻井液罐液面的变化而上下浮动，从而连续传输电动或气动信号。

由于每个钻井液罐装有不同的钻井液量，而我们测量的是总容积量，所以还需要把许多个单个信号进行“总和”。

这样就给钻井液罐液面指示器另外一个名称即钻井液罐体积累加器。

然后将这个总计信号传送到司钻很容易看到的两块表和一个记录器上。

其中一块表显示正在使用的钻井液罐的容积，另一块表的刻度指示钻井液罐液面微小变化。

记录仪对钻井液罐容积变化提供永久性记录。

可以使司钻观察到容积变化的趋势。

这对了解钻井液罐液面变化快慢的情况是很有价值的。

2、流量或流速增加。

流量计是一个垂直悬挂在排出管线里的一个叶片，钻井液流过时，推动叶片向水平位置，装在排出管线顶部的传感器能检测出叶片运动，并且发出相应的信号，送到司钻控制台上的流量表和记录仪。

流量表能显示流量变化，这种表的刻度只能指示流量的相对变化。

如果没有液体流动，表的读数应当是0%，如果是满流，表的读数是100%。

相对流量计与钻井液罐液面变化指示器都应装有发声警报器，表上的读数超出所规定范围时，警报器就会发出报警声音，会立即引起司钻对可能出现情况的注意。

第二节可能发生溢流或将要发生溢流的信号
一、钻速发生变化
钻速的增加是最普遍用来确定地层压力改变的方法之一。

正常情况下，钻速是随着深度的增加而下降，这种下降是岩石的硬度和密度增加的结果。

同时也取决于钻井液静液压力和地层压力之差。

钻速的改变可以成为地层压力增加的指示器。

当钻到异常压力地层时，由于地层中含有较多的地层流体且地层较软，因此，钻速发生改变。

地层压力增加会使井底的过平衡减少，也就是说钻头下面的岩石会以松散的方式更容易被破碎。

对存在着欠平衡压力条件下的软地层，机械钻速的增加有时是很高的。

但大多数钻速只有少量变化。

如怀疑钻到异常压力，应停钻检查井口流量情况。

如果在停泵时井口有流体继续流出，说明溢流在发展，必须立即关井。

二、起下钻、接单根时发生变化
在起下钻、接单根时，由于上提钻柱时的抽汲作用，或者是由于停止循环时环形空间总回压的降低，使地层中的气体和地层流体进入井内，一般把它称为起钻气或接单根气。

当井内气体增加时，气层中的气体会进一步进入井内或使井底压差发生改变。

这种情况与钻井过程中的操作有很大关系。

要求采用标准的操作规程接单根和起下钻操作，以尽量减少操作带来的影响。

三、气侵入
当钻开气层的过程中，随着岩石的破碎，岩石孔隙中的天然气被释放出来而侵入井内。

当这些岩屑从井内向上循环的过程中，岩屑中的气体膨胀并释放进入钻井液中而影响钻井液的密度。

在这种情况下增加钻井液密度并不能阻止气体侵入钻井液，可通过停止钻进，循环钻井液而被确认。

循环后气体的量将会明显减小或排除。

四、水侵或氯根离子有变化
钻井液中盐或氯离子含量的改变是有效的预测地层压力的方法。

如果井内的钻井液静液压力低，地层流体就会进入井内与钻井液混合后，就会改变钻井液中氯离子的含量。

少量的盐水污染是不易看见的，也不容易检测到。

但是较大量的污染则可以改变钻井液的流变性和化学性能，盐水不仅可以使钻井液“起泡”，而且将导致钻井液的粘度、静切力与氯化物含量增加。

钻井操作人员决不能忽视氯化物含量，应对钻井液中的氯化物含量进行定时检验，定期对氯化物含量的变化进行比较，可以提出预告或证实孔隙压力增加的信号。

五、泵压减少或泵冲数增加
地层流体侵入井内后，通常会降低井内的钻井液密度，钻井液的液柱压力也会降低。

特别是气体侵入将使环空静液柱压力明显降低。

根据“Ｕ”型管效应原理，当环空受侵时，钻杆内的钻井液密度比环空的钻井液密度相对高一些，钻杆内的钻井液将流向环形空间，这样就无形中降低了泥浆泵的负荷，从而使泵压降低，泵冲数就要增加。

第三节地层压力可能增大的迹象
一、钻屑的尺寸和形状
岩屑是由钻头在井底通过切削、剪切或破碎作用而形成的岩石碎片。

它的尺寸、形状和数量很大程度上取决于地层类型、钻头类型、钻压、钻头的磨钝程度和井底压差。

在钻进时，若钻压、地层类型和井底压差不变，则岩屑尺寸通常随钻头的磨钝而减小，可能会出现粉末状。

然而，如果压差发生了改变（地层压力增加）即使钻头磨钝，也会使其破岩效率提高。

使岩屑的尺寸和形状发生变化，数量增加。

观察与分析井内返出岩屑的尺寸和形状，同样可以判定地层压力的变化。

压力过渡带的页岩岩屑外表尺寸通常要大于正常压力地层的岩屑。

过渡带岩屑的边缘锐利且带棱角，而正常压力地层页岩岩屑，通常是平的、小的而且多为圆边。

在异常高压地层，地层欠压实，钻遇这类地层时，压差将减少，大块页岩将开始坍塌，而坍塌的“岩屑”有着特殊的尺寸和形状。

通常这些岩屑比正常岩屑大一些，且呈长条、锐利、带棱角或者像一只开口凹形的手掌。

如果钻井液不能悬浮并清除大量的大岩屑，坍塌的页岩将下沉，积聚在井底，结果是增加井底填充物，钻井时扭矩增大，起下钻增大阻力。

录井人员所做的页岩岩屑的详细化学与物理分析，可以提供附加资料。

页岩单位体积重量的减少或页岩矿物成份的某些变化都可能与地层压力的增加有关系。

二、温度变化
正常地层的温度随井深的增加，平均每100m温度递增3℃左右。

在压力过渡带，地层压力随井深而升高的速度比正常情况要高。

这是由于地温取决于地层的导热性，导热率低则地温高。

由于油、气、水的导热率均比岩石的导热率低得多，所以地温升高得快。

在实际中观察到，在压力过渡带和进入异常高压井段时，返出钻井液温度梯度的变化有达到18.2℃/100米的。

连续记录出口管温度有助于检测地层压力增加的情况。

但是返出泥浆的温度也取决于下列因素：①循环速度增加；②钻井液固相含量变化；③钻井参数变化；④钻头扭矩增加；⑤钻井液化学性质的改变等等。

因此单是返出钻井液温度升高并不能完全确定地层压力升高。

应结合其它方面的显示，综合分析判断是否进入异常压力地层。

但是在某些地区返出钻井液温度与地层压力的关系是极为明显的，因此，可以用来预报异常压力。

三、含气量
钻井液中气体含量的增加是异常压力地层的明显显示。

现在有很多的井在施工中用钻井液录井来帮助检测异常地层压力。

钻井液中天然气含量是否与地层压力升高有关，这取决于地质环境和钻井技术，这是由于钻井液中存在的天然气有多种来源：
1、钻遇气层：在钻开气层的过程中，随着岩石的破碎，岩石孔隙中的天然气被释放出来而侵入钻井液。

2、背景气：连续少量地进入井内的天然气被称为原始天然气（或背景天然气），原始天然气通常来自低渗透性岩层，如页岩。

但是在压力极不平衡的情况下，某些流体可以从井壁周围流入井内。

原始天然气的增加表示地层压力的增加或者表示钻井液静液压力的减少。

３、接单根及起钻导致的天然气侵入：这是由于起钻以及接单根时的抽汲作用能降低有效静液压力，也可使地层流体进入井内。

假如钻井液的静液压力比地层压力高得多，侵入体积通常是小的。

但是，若在钻具运动前该压差小，那么很容易引起溢流。

四、钻井液返速变化或钻井液性能的变化
在排量不变的情况下，若有地层流体进入井内，必然导致流速增加。

特别是气体侵入井内，随着气体在井内的逐渐上升，体积也逐渐的膨胀，当气体接近地面时，这种膨胀达到最大，使流速突然增加。

一旦钻井液中有地层流体侵入，则从井内返出的钻井液中可以发现有油花、油味或气泡、硫化氢味。

而且钻井液性能也会发生变化，如：油侵入钻井液会使钻井液密度和粘度下降，天然气侵入钻井液会使钻井液密度下降，粘度增加等。

五、其它孔隙压力的显示
地层压力与上覆岩层压力和基岩压力有着密切的关系。

所谓上覆岩层压力就是覆盖在该地层上面的岩石和岩石孔隙中流体的总重量所造成的压力。

基岩应力也称岩石的骨架应力，是指岩石颗粒与颗粒之间的压力。

在正常地层压力情况下，岩石的颗粒与颗粒之间是相互接触的，下部岩石支撑着上部岩石的重量。

而岩石孔隙中的流体是可以渗透的，上下是连通的，因此流体的重量是由流体自身来支撑。

如果由于各种原因使岩石颗粒与颗粒之间的接触减小，即基岩应力减小，那么上覆岩层的部分重量就要压在岩石孔隙中的流体上，使孔隙中的流体所受的压力增大，即地层压力增大。

如果某一岩层的颗粒与颗粒之间完全没有接触即基岩应力等于零时，则上覆岩层的重量就会全部压在该地层中的流体上。

此时，地层压力就等于上覆岩层压力。

地层压力与上覆岩层压力和基岩压力之间的关系如图2－1所示。

六、机械钻速加快
钻速的增加是最普遍的用来确定地层压力发生改变的方法之一。

正常情况下，钻速是随着井深的增加而下降，这种下降是由于岩石的硬度和密度增加的结果。

同时也取决于钻井液静液压力和地层压力之差。

钻速的改变可以成为地层压力增加的指示器。

当钻到异常高压地层时，一方面由于地层压力增加就会使井底的过平衡减少（井底压差减小），机械钻速则加快。

另一方面由于异常高压地层欠压实，岩石更容易破碎，因此，机械钻械钻速也会加快。

第四节对各种溢流迹象做出快速反应的重要性
溢流是井喷的预兆，发现溢流后，应立即停止作业，迅速关井，防止井喷的形成。

不论溢流大小均应及时控制，否则都有可能转化为井喷。

一、下列各项的最小化
1、溢流的规模
在钻井的过程中做好溢流的检测工作是非常重要的，及时的发现溢流并迅速关井，能减少进入井内的地层流体的量，井内的钻井液液柱压力减小的值也就小，井底的欠平衡量不是很大，有利于下一步的井控工作。

2、地面压力
溢流发现的越早，进入井内的地层流体量越少，井口所需要的回压越小，即关井后的立管压力和套管压力就越小，井口、设备及井下也越安全，减小其它井下复杂情况的发生。

3、停工损失的时间
发生溢流后，根据溢流的大小采取不同的处理措施。

如果溢流量较小，一般处理起来比较容易，所需的时间也较小；如果溢流量较大，下一步要做的工作很多，处理溢流的时间会很长，使整个钻井的周期加长。

二、如果反应慢的后果
1、溢流发展成井喷
从溢流和井喷的概念中可以看出，井喷的形成都有一个发生、发展的过程，如果溢流发生后，没有及时的处理，就会造成大量的地层流体进入井内，关井时的井口压力很高，关井就比较危险，有可能超过井口的额定工作压力、套管的抗内压强度及地层的破裂压力，造成井喷及井喷失控的发生，这对钻井来说是一个灾难性的事故。

2、有毒气体的释放
在钻遇含硫化氢地层时，由于硫化氢是一种有毒的气体，与它接触可使人嗅觉钝化、咳嗽、头晕、丧失平衡、呼吸困难、心跳加速、严重时心脏缺氧而死亡。

硫化氢对金属材料有腐蚀作用，造成井下管柱的突然断落、地面管汇和仪表的爆破，井口装置的破坏，甚至发生严重的井喷失控或者着火事故。

硫化氢能加速非金属材料的老化，使橡胶会产生鼓泡胀大，失去弹性，浸油石墨及石棉绳上的油被溶解而导致密封件的失效。

硫化氢对钻井液还会造成污染，使钻井液性能发生较大变化，如密度下降，PH值下降，
粘度上升，以至形成流不动的冻胶，颜色变为瓦灰色、墨色和墨绿色。

钻遇含有一氧化碳的地层时，一氧化碳与血液里的血红蛋白结合，造成机体急性缺氧，严重中毒死亡。

钻遇含有二氧化碳的地层时，如果二氧化碳的含量过高，会使人造成窒息而死亡。

3、污染
溢流发生后，为了不使井口承受过高的压力，必要时要通过放喷管线放喷，这样就使施工附近的空气造成严重的污染，危及到农田水利、渔场、牧场、林场等。

4、着火
溢流如果控制不当及易造成井喷着火，影响周围居民的生命安全，严重时造成机毁人亡和油气井报废，带来巨大的经济损失。

第五节区分井中溢流信号与其它的报警信号
一、钻井液罐液位升高
钻井液罐液位升高是发生溢流最直接的信号，一旦发现钻井液罐液面升高，首先必须核实是否是人为造成的。

如：①钻井液中是否加入添加剂；②是否进行钻井液倒罐；③钻井液固控设备是否启动与停止；④钻井液除气设备是否启动与停止。

排除了以上几种情况，若钻井液罐液面继续升高，则判断是由地层流体侵入井内造成的，应迅速进行关井。

二、钻井液罐液位降低
钻井液罐液位的降低是井漏的信号。

但要排除人为原因造成的，如：对钻井液进行固相处理、钻井液的排放、排量的改变等，都可以使钻井液罐液面下降。

三、钻速变化
1、钻速变化是钻压、地层类型、转速和泵功率的综合影响的结果
钻速除受压差的影响外，还受岩性变化、井底清洁程度、钻压、转速、钻井液性能、以及钻头类型和状况等方面因素的影响。

钻压、转速、钻井液性能、钻头类型是可控制的，而地层是不可控制的。

地层岩性改变时可以同样发现机械钻速的变化，而且应当立即进行检查。

如果影响钻速的因素不变，那么钻速的变化则是地层压力增大引起的。

前面已经讲过，钻速加快是钻进过程中可能发生溢流的信号，但是，并不是确切的信号。

因为钻速变化还与很多因素有关。

在钻井的过程中一旦发现钻速发生变化，首先要判断是由于何种原因而引起的钻速的变化，不能单纯地定为溢流的信号。

2、钻具断裂
如果井下钻具发生断裂，此时钻速会突然加快。

这时泵压会明显下降，悬重也会减少，并且钻压无显示。

3、机械钻速迅速减少
影响机械钻速的最主要的因素是钻井液柱压力与地层压力之差，如果钻井液液柱压力比地层压力大得多，那么机械钻速就会低，过多的固相与过大的粘度是影响机械钻速的另外两个因素。

过大的粘度限制了排量，给泵增加了附加应力，并且降低了钻头压降，从而降低机械钻速。

４、钻速的有关变化与地层有关
钻井过程中钻遇不同的地层，机械钻速也会发生变化。

在软地层钻进时，若转速增加，则钻速加快。

在硬地层钻进时，低转速也能使钻速加快。

四、钻井液气侵与岩屑中带有气体
钻井液气侵与岩屑中带有气体进入井内，两种原因对钻井液性能的变化是不同的，对液柱压力的影响也是不同的。

一般岩屑中带有的气体都以气泡的形式微量的进入井内，对钻井液柱压力的影响很小。

而钻井液气侵形式则不同，钻井液气侵后，其密度随井深自下而上逐。