井控技术

井控技术油气井压力控制是指用合理的钻井液密度，允许的起下钻速度，以及井控设备和装置等控制地层——井眼压力系统处于平衡或近平衡状态。

使之在钻井、完井、固井过程中不发生溢流(井喷)或井漏事故，从而实现安全，快速，低成本钻进。

这项技术是国内外钻井科技工作者长期经验总结和研究的结果，是科学钻井的重要标志之一。

油气井压力控制是安全、快速、低成本钻井的前提条件。

无控制的钻井、固井、完井作业，或者压力控制不当都会造成两种极端危险的情况，即井喷或井漏。

前者是井内任一井深处液柱压力小于地层孔隙流体压力,地层流体无控制地向井内流入的现象；后者是井内任一井深处液柱压力大于地层压力或地层破裂压力，井内流体无控制地向地层流入的现象。

这两种情况都会给钻井、固井、完井作业带来难于估量的损失。

如处理不当还会诱发其他复杂情况，如压差卡钻、井塌等，严重时可以使井眼报废.搞好油气井压力控制不仅是快速、安全、低成本钻井的需要，也是保护油气层、防止油气层污染的需要。

钻井实践表明，采用平衡钻井与井控技术,不仅可以提高钻进速度，而切可以控制钻井液不会侵入地层孔隙之中，从而防止油气层被堵塞。

要成功地进行油气井压力控制，首要条件是必须准确掌握所钻井的地层压力和地层破裂压力的分布规率。

然后根据这些资料设计合理的井身结构，钻井液密度，允许的起下钻速度以及相应的技术措施，才能顺利地钻成一口井。

为此，本章要介绍地层压力和地层破裂压力的预测，合理井身结构设计，地层——井眼压力系统的平衡关系，合理钻井液密度及允许起下钻速度的确定。

还要介绍溢流或井喷的处理——压井技术。

1.地层压力和地层破裂压力评价(预测)由上述可知，所钻井的地层压力和地层破裂压力是井控设计的基础资料。

这是因为地层压力和地层破裂压力与井筒中的钻井液柱压力构成了一个所谓地层——井眼压力系统。

这个压力系统中各种压力的大小决定了这个系统的平衡关系。

井控的最终目的是控制这个压力系统的各种压力处于平衡或近平衡状态，即井筒中任一井深处的液柱压力必须大于该处的地层压力而小于地层破裂压力。

1.1地层——井眼压力系统的概念从平衡的观点出发，地层——井眼是一个压力体系，构成这个压力系统的各种压力有地层压力、静液柱压力、波动压力、循环压力、上覆岩层压力及地层破裂压力等，下面分别介绍这些压力。

1.1.1 静液柱压力静液柱压力是指井内各种流体重量产生的压力，其大小与流体的密度和计算点的井深有关。

如用hP表示静液柱压力,则,P h =.00981.Wf.D (1-1)式中Ph—静液柱压力，MPa；Wf—流体密度，g/cm3 ；D—计算点的井深，m。

通常，把单位长度井深液柱压力的增量叫静液压力梯度，用Gh表示，则静液压力梯度为：Gh =.00981.Wf(1-2)式中,Gh—静液压力梯度，MPa/m.上式表明，静液压力梯度只与流体的密度有关，而与井深无关。

地层流体静液压力梯度与溶解在地层流体中的固体(各种盐)和气体的浓度有关。

正常地层流体静液压力梯度分两类，一类是淡水和淡盐水,其Gh =.00981MPa/m，另一类是盐水，其Gh=.0105MPa/m；对钻井液，固井液，完井液等，静液压力梯度与它们的密度有关，可用(2)式计算。

静液压力梯度在井控中的一个重要应用是确定合理的钻井泥浆密度。

1.1.2上覆岩层压力在某一沉积深度处岩层受到的上覆压力是指该深度以上岩石骨架(基质)和孔隙流体总重量所产生的压力，用P v表示，则：P v =.00981∫W v .dD (1-3)式中P v—上覆岩层压力，MPa；W v—上覆岩石体积密度，g/cm3；dD—微元井深,m。

岩石的密度是岩石骨架密度,岩石空隙度以及空隙流体密度的函数,即W v =Φ.Wf +(1-Φ)Wr(1-4)式中Φ—岩石空隙度，%；W f—空隙流体密度,g/cm3 ；W r—岩石骨架密度,g/cm3 。

同样,上覆岩层压力梯度如下式G v =.00981∫W v ×dD/D (1-5)由于压实作用和岩性随井深发生变化，岩石密度也随之变化。

所以上覆压力梯度也随井深发生变化。

通常，用两种方法可以求得上覆压力梯度随井深的变化关系，一种方法是用密度测井资料，即密度测井曲线，用曲线拟合法求出密度与井深的关系式，然后代入(5)式即可求出任一井深处的上覆压力梯度G v；另一种方法是借用邻井的测井资料或者是已建立的密度拟合公式，这种方法误差较大，一般不采用。

目前，一般假设上覆压力梯度随井深是均匀增加的，这样上覆岩层压力梯度的理论值为.0227MPa/m.1.1.3地层压力地层压力又叫地层空隙压力，它是指地层孔隙流体所具有的压力，其大小与地层岩石的生成环境有关。

如果地层在生成过程中或生成之后,地层孔隙流体的渗流通道始终保持与地面水源连通，则地层压力只与孔隙流体密度和埋藏深度有关；并处于静水压力平衡状态，地层压力的大小用(1-1)式计算。

如果地层流体密度为淡水或淡盐水密度,则为正常地层压力梯度，其值为0.0981—0.0105MPa/m。

在钻井过程中，常常会碰到地层压力梯度远远大于正常地层压力梯度的情况。

这是在特殊地质环境中形成的超静液压力的地层压力，叫异常高压地层压力。

同时也会碰到低于静水压力的地层压力,称为异常低压地层压力。

上覆岩层压力,地层压力以及岩石骨架（结构）应力之间的关系如下式：P v =P p +σ(1-6)式中P p-地层压力,MPa;σ-岩石骨架应力,MPa.上式表明，岩石骨架应力减少，将导致地层压力增加，当σ=0时,地层压力将等于上覆岩层压力。

异常低压是地层压力梯度低于正常地层压力梯度的情况，产生异常低压的原因是：(1) 生产多年的油气枯竭地层；(2) 大量开采而又未充分注水补偿压力的油气层；(3) 地面压头低于井口的地层等。

1.1.4 异常高压异常高压地层在国内外各大油田普遍存在，从新生代更新统到古生代寒武系，震旦系都不同程度遇到过。

如上所述，正常地层压力的地质环境，可以看成一个"连通"的水力学系统，允许建立或重新建立静力平衡条件；而异常高压地层压力系统实际上是一"封闭"的水力学系统，阻止或极大地限制着地层流体的连通，造成上覆压力部分或全部由地层孔隙流体来承担。

在一般情况下，油气层都是异常高压带，这是由于他们的生成环境所决定的。

异常高压的形成机理,至今研究还不十分清楚,但有几种普遍公认观点，它们是：(1)沉积压实效应；(2),成岩作用；(3),密度差效应；(4) 流体运移作用等。

1.1.4.1沉积压实效应随着岩石埋藏深度和温度增加，作用到地层孔隙流体上的压力也增加，孔隙空间的体积缩小，孔隙流体处于高温高压作用下，如果地层孔隙渗流通道不能使孔隙流体顺利溢出，则会形成异常高压；如果孔隙渗流通道被堵塞，则上覆压力将部分或全部作用到孔隙流体上，形成更高的异常高压。

1.1.4.2 成岩作用所谓成岩作用是指岩石的矿物颗粒在地质演变过程中所发生的物理化学作用。

页岩和碳酸盐岩在高温高压下会发生晶体结构上的变化，如粘土中的蒙托石可以变成伊理石，碌泥石和高岭土；蒙托石在高温高压下先是失去孔隙中的自由水，而层间结构中的束服水，只有当温度达到200—300F o时才能被释放出来。

一般层间束服水的密度要比孔隙中的自由水密度大得多，当它们变成自由水时体积要增大，如果上覆岩层渗透性很低,则释放层间水有助于形成异常高压。

同样,在碳酸岩盐中，饱和结晶析出自由水时，如果地层渗流通道不能让孔隙水以自然压实的速度溢出时,也会形成异常高压地层。

1.1.4.3 密度差效应在倾斜构造上，如果地层孔隙流体密度比该地区正常地层孔隙流体密度小时，则在这个构造的上倾部分会产生异常高压。

一般在钻进具有大倾角，陡构造天然气层时会碰到这种情况。

这是由于地层上倾部分和下倾部分的孔隙流体密度不同造成的，故叫密度差效应.1.1.4.4 流体的运移作用孔隙流体由油气层向上流动到浅层地层时,会使浅层地层变成异常高压，流体的这种运移途径可以是天然的,也可以是人为的。

即使流体运移停止了,也要相当长的时间才能使压力上升的浅层段泄压恢复到正常压力值。

这种情况一旦出现,会发生意想不到的浅层井喷。

特别是在一些老油田的上部地层中常常出现这种情况。

1.1.5 地层破裂压力地层破裂压力是指地层岩石抵抗破坏能力之大小度量，实质上反映的是地层岩石的强度。

在钻井过程中能使地层破裂的外力是钻井液柱压力，波动压力以及井口施加的回压。

当其这些压力大于地层岩石的屈服强度或使原有的地层裂缝张开延伸形成新的裂缝时，这个压力就是该地层的破裂压力。

因此，在钻井过程中由钻井液柱压力，波动压力以及井口施加的回压所产生的井内压力必须小于地层破裂压力，而稍大于地层孔隙压力。

同样，我们把单位长度井深地层破裂压力的增量叫地层破裂压力梯度。

一般，地层破裂压力梯度随井深增加而增加。

由上述可知，井下各种压力构成了一个地层——井眼压力系统，这个系统的各种压力必须服从一定的平衡关系，否则将失去平衡而发生溢流或井漏以及井塌。

为此，必须准确地预测地层压力和地层破裂压力。

1.2 地层压力的预测所钻井的地层压力已成为当今深井设计和施工必不可少的一项关键参数。

近几十年来，国内外有大量文献介绍异常高压的预测和计算，大多数检测和估算异常高压的方法是根据地层的沉积压实理论得出的，即异常高压地层都是欠压实地层，与同一深度正常地层压力的地层相比，具有较高的孔隙度和渗透率。

因此,任何反映孔隙度和渗透率变化的测量方法，都可以用来预测异常高压地层。

根据沉积压实理论可知，如果地层压力是正常的，则地层的孔隙度和渗透率随埋藏深度和压实作用的增加而减少。

任何偏离这个正常趋势的现象，就意味着可能进入异常压力过渡带。

根据孔隙度随深度的变化曲线，有两种方法可以用来定量预测地层压力：第一种方法是假设具有相同孔隙度的地层，其有效岩石骨架应力是相同的。

因此，在深度D处的异常高压地层的骨架应力σ是与深度较浅的D n处的正常地层压力地层的骨架应力σn 相同的，它们的孔隙度测定值应当是相同的。

这样，可利用上覆压力，地层压力与岩石骨架应力的关系,可求出异常高压来，即，σ=σn=P vn—P pn (1-7)式中σ,σn —分别为深度D和D n 处的岩石骨架应力；P vn —井深D n处的上覆压力；P pn—井深D n处的正常地层压力；而井深D处的异常高压等于：P pd=P vd —σ (1-8)式中P pd —井深D处的异常高压；P vd —井深D处的上覆压力。

第二种方法是用孔隙度随深度的变化曲线计算地层压力，它是通过统计分析法建立地层压力的计算式，即曲线拟合法。

预测和计算异常高压的技术,通常可分为三种：即钻前预测法，随钻检测法，钻后测试法三种。