第2章 井下各种压力的概念及相互关系

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1、第二章井下各种压力的概念及相互关系压力是井控的最主要的基本概念之一，正确理解压力及压力之间的相互关系，对于掌握井控技术和防止井喷事故的发生是非常重要的。一、压力所谓压力是指：物体单位面积上所受的在垂直力。压力的国际单位是帕，符号是（Pa）,IPa是1m2面积上受到1N的垂直力时形成的压力。即：1Pa=1N/m2根据需要，工程上常用千帕（kPa）和兆帕（MPa）表示。它们的换算关系是：1kPa=1x103Pa1MPa=1x106Pa1MPa=1x103kPa1bar=1x105Pa粗略计算时，可认为lkfcm2=10kPa=0.1Mpa,其误差约为2%。压力的英制单位为psi,lpsi是每平方英

2、寸面积上承受1磅的力时所形成的压力。1psi=6.895kPa1MPa=145psi二、静液压力静液压力是由静止液体重力产生的压力。由于流体具有特殊的性质，允许我们使用更随便的计算式。静液压力是液柱密度和垂直高度的函数，其大小取决于液柱密度和垂直高度。即P=pgH(21)式中P静液压力。kPa；g重力加速度，981m/S2；p液体密度，g/cm3；H液柱高度，m。三、压力梯度为了讨论问题和应用的方便，油田上普遍使用压力梯度的概念。压力梯度指的是；每增加单位垂直深度压力的变化量，即每米垂直井深压力的变化值或每10m垂直井深压力的变化值。其计算公式为G=P/H=gp(32)中式G压力梯度，kPa/

3、m；P压力，kPa或MPa；H直深度，m或km。用这个压力梯度的定义，静液压力公式也可以写成：静液压力=压力梯度x垂直深度压力梯度按定义为每米井深的压力增量。以水为例，井眼每加垂深1m,静液压力就增加9.81kPa,垂深每增加10m,静液压力就增加98.1kPa。四、压力的表示法这里有必要把我国钻井现场有关压力的表示方法加以说明。我国石油钻井现场有4种压力表示方法。(1)用压力的单位表示。这是一种直接表示法，如100kPa，10MPa。(2) 用压力梯度表示。提到某点的压力时，说该点的压力梯度，而不直接说该点的压力其好处或方便之处是在对比不同深度地层中的压力时，可消除深度的影响。而该点的压力只

4、要把梯度乘上深度即可得到。(3) 用流体当量密度表示。井身某点压力等于具有相当密度的流体在该点所形成的液柱压力。这个密度常称为钻井液当量密度。(4) 用压力系数表示。这是某点压力与该点水静压力之比，其数值等于该点的钻井液当量密度。我国现场人员常说某井深处的压力系数是多少，实际仍是当量密度，只不过去掉了密度量纲，只言其数值罢了。由于有压力表示方法的不同，对于某一压力可能有不同的叫法，但意思却是说的同一个压力。例如；2000m处的压力是23.544MPa,也可说压力梯度是11.77kPa/m,也可说当量密度是1.20g/cm3,或说压力系数1.20。五、地层压力地层压力是；地下岩石孔隙内流体的压力

5、，也称孔隙压力。地下某一深度的地层压力等于地层流体作用于该处的静液压力，这个压力就是由某深度以上地层流体静液压力所形成的。盐水是常见的地层流体，它的密度大约为107g/cm3。因此，地层压力梯度大约是10496kPa/m。按习惯，10.496kPa/m的地层压力梯度是正常的，将深度乘以10496kPa/m就可求得含盐水地层中的压力。此外，如所有静液压力计算一样，对斜井井深必须用垂直井深。六、上覆岩层压力上覆岩层压力；是指某深度以上的岩石和其中流体对该深度所形成的压力。地下某一深处的上覆岩层压力就是指该点以上至地面岩石的重力和岩石孔隙内所含流体的重力之总和施加于该点的压力。地下岩石平均密度约为2

6、16264g/cm3。于是平均上覆岩层压力梯度大约为2262kPa/m。上覆岩层压力与地层孔隙压力的关系是q=M+P0式中q0上覆岩层压力，MPa;0M基体岩石重力MPa;P地层孔隙压力MPa。同样，可以写成G=GM+Gp(24)0式中G0一上覆岩层压力梯度,kPam；GM一基体岩石压力梯度,kPam；Gp地层孔隙压力梯度,kPa/m。如果G。平均约为22.62kPa/m；Gp（若盐水密度为107）则为10.496kPa/m；GM=12.124kPa/m。七、地层破裂压力（一）地层破裂压力是指:某一深度地层发生破碎和裂缝时所能承受的压力。在压井施工时，钻井液作用于地层的压力不能大于地层破裂压力

7、，否则会造成地层漏失。（二）地层破裂压力测定、套管鞋试漏法（SY543092）1、主题内容与适用范围；2、试漏前的准备；3、试漏程序；4、试漏数据的采集5、试漏数据处理；作图试漏层有关参数的计算a漏失压力b破裂压力c破裂压力当量钻井液密度d最小水平主地应力e岩石抗拉强度（三）地层破裂压力当量密度地层破裂压力当量密度：具有相当于地层破裂压力的钻井液密度地层破裂压力当量泥浆密度=（试验压力MPa一0.0098一试验井深m）+试验流体密度g/cm3贝Up=P/（981H）+pe式中pe井液当量密度，g/cm3；p试验流体密度g/cm3；P漏失试验压力MPa；H垂直井深m。例；某井钻至井深342168

8、m套管鞋位置177424m垂深），漏失试验压力86MPa漏失试验密度115g/cm3,当前泥浆密度1.21g/cm3,试计算地层漏失压力当量泥浆密度。注意：在做漏失试验时，计算结果不要四舍五入，直接将不要保留的小数舍去，如密度1.329g/cn3结果应是1.32g/cm3。解；地层漏失压力当量密度=（试验压力MP甘0.00981试验井深m）+试验流体密度g/cm3=（86一0.00981一1774.24）+115=0.49+1.15=1.64g/cm3工程上为了方便起见,常使用当量泥浆密度。地层某一位置的当量泥浆密度是这一点以上各种压力之和（静液柱压力,回压,环空压力损失等）,折算为泥浆密度,

9、例；已知井深95097m垂深914.4m,关井压力26MPa当前泥浆密度1.06g/cm3试计算地层压力当量泥浆密度。解；地层当量泥浆密度pe=P/(9.81H)+pe=26/(0.0098X914.4)+1.06=029+106=1.35g/cm3八、循环压力损失磨擦力是物体运动的阻力,任何物体的运动都要克服阻力。泥浆泵的压力是在一定排量下,整个循环系统磨擦阻力之和(这里钻头喷嘴压降也认为是一种阻力。)环空循环阻力是作用于地层的。因此当泥浆循环时,会给地层增加一个压力,或称为当量循环密度。环形空间越小,这个数值越大。九、井底压力井内泥浆液柱压力是同时作用于井壁和井底的,在不同作业情况下,井底

10、压力是不一样的。井眼静止：井底压力=静液柱压力正常循环：井底压力=静液柱压力+环空压力损失旋转头循环：井底压力=静液柱压力+环空压力损失+旋转头回压提钻时；井底压力=静液柱压力+(抽吸压力)下钻时；井底压力=静液柱压力+激动压力循环油气侵时：井底压力=静液柱压力环空压力损失节流回压十、激动压力和抽吸压力摩擦力的方向与流体运动方向是相反的，当提钻时，产生抽吸压力，抽吸压力使井底压力减少，过大的抽吸压力会使地层流体进入井内。当下钻时，会给地层施加一个附加的激动压力，激动压力使井底压力增加，过大的激动压力会造成井漏。因此在提下钻或下套管作业时，要控制提下速度。激动压力和抽吸压力是类似的概念，其数值相

11、等，激动压力为正值，抽吸压力为负值。这两个压力受下列因素的影响；1、管柱的起下速度；2、钻井液粘度；3、钻井液静切力；4、井眼和管子之间的环形空隙；5、钻井液密度；6、环形节流（钻头泥包）。十一、压差井底压力与地层压力之差称为压差。按此方法可将井眼压力状况分为过平衡、欠平衡和平衡三种情况。1、过平衡（又称正压），是井底压力大于地层压力：2、欠平衡（又称负压），是井底静液柱压力小于地层压力：3、平衡,平衡是井底静液柱压力等于地层压力。大部分井是在过平衡和平衡情况下钻完的，可以满足大部地质情况下的开发要求。十二、安全附加值在平衡压力钻进中，泥浆密度需增加一个安全附加值，以保证作业安全。安全附加值主

12、要考虑了以下两个因素：一是平衡停泵后当量循环密度；二是平衡抽吸压力。原石油天然气总公司对泥浆密度安全附加值的规定为：油水井：005010g/cn?气井：0.070.15g/cm3或压力安全附加值：油水井：1.535MPa气井：3.05.0MPa十三、单位内容积及排替量计算1、单位内容积是指单位长度钻柱（或管柱）的容积。单位内容积m3/m=H/4X内径2x10-6mm例；计算外径3i/2，内径70.21mm的钻杆的单位内容积。解；单位内容积m3/m=n/4x内径2X10-6mm=7.854x70.212x10-7=3.872x10-3m3/m例；下深28956m的5套管，内径11303mm试计算

13、应灌泥浆量。解泥浆量m3=314/4X内径2X10-6X深度mmm7.854X113.032X107X28956=29.05M2、环空容积计算环空容积是单位深度井眼（或套管）与钻具之间的容积。单位环空容积m3/m=n/4X（井眼直径2mm管柱外径2mm）X10-6例；试计算井眼直径为216mm的井眼与外径为127mm的钻杆之间的单位环空容积。解单位环空容积m3/m=n/4X（井眼直径2mm管柱夕卜径2mm）X10-6=7.854（21621272）X10-7=0.02398m3/m3、排替量计算排替量是井内管柱排替井内流体的体积。单位排替量m3/m=n/4X（外径2mm内径2mm）X10-6例

14、；试计算直径127mm（5），内径1086mm钻杆的单位排替量。解单位排替量m3/m=n/4X（外径2内径2mm）X10-6mmmm=7.854X（1272108.62）X10-7=3.40X10-3m3/m十四、“U”形管原理所谓“U”形管效应是钻井作业中一个常见的现象。压井是以“U”形管原理为依据，在压井施工过程中，保持井底压力为一恒定值，即略大于地层压力。管柱水眼和环空恰好相当于水力学上的“U”形管。当“U”形管两侧液体密度不同时，密度高的一侧流体液面会下降，密度低的一侧流体液面则会上升，直至两侧流体液柱压力达到平衡。如果钻具内的钻井液密度高，那么停泵后钻具内钻井液液面会下降，环空钻井液

15、会继续返出，钻井液罐液面会有一个增量。反之，如果环空钻井液密度高，那么停泵后立管会有一个回压，卸开方钻杆后会喷钻井液。如下图所示；处的压力只能有一个值，这个值可以通过分析连通管的任意一条管的压力获得。以“U”形管原理可以分析井内的各种压力平衡关系。(1) 静止状态井底压力=钻柱水眼内静液拄压力=环空静液柱压力。(2) 静止关井条件(3) 井底压力=关井立管压力十钻柱水眼内静液压力=关井套管压力十环空静液柱压力动态条件井底压力=杯空静液柱压力十环空和节流管线压力损失十套管压力套管压力与立管压力由于“U”形管原理的存在使之紧密相关,改变套管压力可以控制井底压力，并影响立管压力使之产生同样大小的变化。