压井基本数据计算

6．7．2．1　关井立管压力的确定

关井立管压力是计算地层压力等数据的重要依据，准确记录能真实反映地层压力的关井立管压力值很重要。关井之初，因井底压力小于地层压力，地层流体继续向井内流动，表现为关井立管压力逐渐增加。经一定时间之后，关井立管压力增加到一定值时，井底压力与地层压力达到平衡，并趋于稳定，地层流体停止流动，这时在地面记录的关井立管压力才能真实反映地层压力。关井立管压力由上升到趋于稳定所需的时间，与地层的渗透性和地层流体的种类等因素有关。一般渗透性好的地层大约需要10～15min，渗透性差的地层所需时间则更长。关井后，钻柱中或装有钻具止回阀或未装钻具止回阀。因此，立管压力的求法也相应有所不同。

（1）钻柱中未装钻具止回阀时关井立管压力的求法。钻柱中未装钻具止回阀时，关井立管压力可以直接从立管压力表上读得，但要排除影响立管压力的因素，求得真实的关井立管压力。

（2）钻柱中装有钻具止回阀时关井立管压力的求法。钻柱中装有钻具止回阀时，关井立管压力的求法通常有以下两种：

1）在已知小排量和对应泵压时的求法（循环法）。这种方法的应用条件是事先进行了低泵速测试，知道小排量循环时的泵压。其求算方法如下：

缓慢启动泵并适当打开节流阀，循环中使套压等于关井情况下的套压值并保持不变。当排量达到预计的排量时，记录此时的循环立管压力pT，停泵后关节流阀关井。pd＝pT－pc

（6－11）式中：pc——低泵速测试中小排量循环时的泵压。

2）未进行低泵速测试时的求法（憋泵法）。这种方法是在关井条件下，用小排量向井内憋注钻井液、顶开钻具止回阀的方式求立管压力。具体做法是：

缓慢启动泵，用小排量向井内注入钻井液，当钻具止回阀被顶开，套压由关井套压上升到某一值时停泵，同时记录套管和立管压力。考虑到压力传播滞后时间，一般控制立压不超过关井套压。

式中：pa——关井套压（MPa）；

　　　Δpa——井内憋压（MPa）；

　　　pa1——停泵时记录的套压（MPa）；

　　　p　　　d1——停泵时记录的立压（MPa）。

6．7．2．2　计算压井液密度

计算压井液密度的公式有二：

（1）根据地层压力计算：

（2）根据关井立管压力计算：

式中：ρe——钻井液密度附加安全值（g／cm3），一般取：油井ρe＝0．05～0．10g／cm3，气井ρe＝0．07～0．15g／cm3。

6．7．2．3　计算钻柱内外容积及压井液量

（1）钻柱内容积V1：

（2）钻柱外容积V2：

（3）总容积：

式中：D——钻具内径（m）；

　　　Dh——井径或套管内径（m）；Dp——钻具外径（m）；

　　　L——钻具或井段长度（m）。

所需压井液量一般取总容积的1．5～2倍。所需加重材料量查钻井手册可得。

6．7．2．4　计算注入压井液的时间

注满钻柱内容积所需的时间，即压井液由地面到达钻头所需的时间t1：

式中：Q——压井时的排量（L／s），一般为正常钻进排量的1／2～1／3。

6．7．2．5　计算压井循环时的立管总压力

在压井循环时，要通过立管压力来控制井底压力，要把立管压力作为井底压力计来使用，因此，在压井之前必须计算出循环时的立管总压力。

（1）初始循环立管总压力。初始循环立管总压力是指用加重前的原钻井液和已确定的压井排量循环时的立管总压力。在压井循环时，为满足井底压力与地层压力平衡以及钻井液流动，立管总压力必须克服关井立管压力和循环系统的流动阻力。故有：

式中：pTi——初始循环立管总压力（MPa）；

　　　pci——钻柱内外及钻头喷嘴处的流动阻力（MPa）；

　　　pe——井底附加安全压力（MPa），取p＝1．5～3．5MPa。

要求得pTi值，必须先求得pci值。由于压井时的排量比正常循环时的排量小，所以不能用正常钻进时的pci值。确定pci值的方式最好用实测法。当钻至高压油气层时，要求井队在每天的白班用选定的压井排量或不同的小排量进行循环试验，测得相应的立管压力值即pci值。在压井时就可用来计算pTi值。

另一种方法是通过循环钻井液直接实测pci值。具体测法是：缓慢启动泵并打开节流阀，控制套压等于关井套压不变，当排量达到压井排量时，记录立管压力，然后停泵、关井。所记录的立管压力减去pd就可认为是pci值。

（2）终了循环立管总压力。终了循环立管总压力是指压井液进入环空后，用已选定的压井排量循环时的立管总压力。

钻井液在同一系统内循环时，循环系统的流动阻力与钻井液的密度成正比。因此，可以用原钻井液循环时的流动阻力pci求得压井液循环时的流动阻力pcf，pcf＝ρmkpci／ρm，在用压井液循环时，随着压井液在钻柱中下行，钻柱内的液柱压力逐渐增加，关井立管压力逐渐减小，当压井液达到井底时，钻柱内的压井液液柱压力已能平衡地层压力，关井立管压力则降为零，且压井液已考虑了附加安全当量钻井液密度，压井液液柱压力已有一个pe附加值。故pTf＝pcf＝ρmkpci／ρm。

6．7．2．6　压井最大套管压力计算

为保证压井过程中最大套压不超过井口安全允许压力，需计算压井最大套压。压井方法不同，计算公式也不同，该计算将在各压井方法中介绍。

6．7．2．6．1　压井方法的选择

（1）常规压井方法。常用的常规压井方法有司钻法和工程师法两种。司钻法和工程师法压井各有其优缺点。相对来说，工程师法压井套压及套管鞋处地层承压低，有利于井口装置和井下地层的安全，且压井总施工时间相对短，有利于压井施工及施工设备的安全；司钻法压井前的关井时间短，有利于井下的安全（不易发生卡钻），有利于减少天然气溢流滑脱对井口压力上升的影响。针对以上特点，压井方法的一般选择原则是：

如井队储备有足够的重泥浆或加重材料，配制压井液所需时间不长，则应选用工程师法压井。

如井队未储备足够加重钻井液，也没有足够的加重材料，配制压井液所需时间长，则可采用司钻法用原钻井液先排除溢流，其后再压井。

1）司钻法压井。司钻法又称两步法，它是分两步完成：第一步（第一循环周），用原浆循环，排除井内受侵污的钻井液；第二步（第二循环周），用压井液循环压井。压井的具体步骤如下：

①计算压井所需的基本数据。在压井施工前，必须根据关井前后记录的有关数据，迅速、准确地计算出压井所需的基本数据（按前面介绍的方法计算）。最大套压及套管鞋处最大承压计算：

为保证压井作业的安全，压井前需计算压井过程中最大套压和套管鞋处所承受的最大压力值，以免套压超过井口最大安全允许压力值和压漏地层。

最大套压Pamax的计算。天然气溢流压井的最大套压出现在溢流物顶部到达井口时，其计算公式为：

式中：pw——气柱重量压力（MPa）；

　　　hw——井底气柱高度（m）；

　　　Ts、Tb——井口、井底天然气温度（K）；

　　　Zs、Zb——井口、井底天然气压缩系数。

在近似计算时，T、Z变化的影响可忽略不计。

套管鞋处最大承压的计算

式中：phmax——套管鞋处地层所受最大压力（MPa）；

　　　h——套管鞋井深（m）；

　　　Th、Zh——分别为套管鞋处的温度和压缩系数。

②填写压井施工单。根据计算出的各项压井数据和关井前后记录的数据，认真、准确地填好压井施工单，作为进行压井施工的依据，这是一项很重要的工作。

③压井。第一步（第一循环周）。基本做法是通过节流阀用原钻井液循环，调节节流阀的开度，控制立管压力不变，以保持在井底压力不变的条件下，将环空内受侵污的钻井液排至地面。具体步骤及操作方法如下：

缓慢启动泵并适当打开节流阀，使套压保持关井套压值。

当排量达到选定的压井排量时，保持排量不变维持循环。调节节流阀使立管压力等于初始循环立管总压力pTi，并在整个循环周内保持不变。循环中当立管压力超过pTi时，应适当地开大节流阀降压。反之，应关小节流阀升压。

注意：在调节节流阀的开大或关小和立管压力呈下降或上升之间，由于压力传递需要一定的时间，因此存在着操作与压力传递迟滞现象。其迟后时间取决于液柱传递压力的速度和井深，液柱传递压力的速度大约为300m／s。如在井深3000m的井中，调节节流阀后的压力要经过约20s才能呈现在立管压力表上。在实际施工中，调节节流阀开度的速度应缓慢，精心操作，就可避免压力猛升猛降，进而消除迟后现象的影响。

环空受侵污的钻井液排空后，应停泵、关节流阀关井。此时关井套管压力应等于关井立管压力。

第一步操作过程中，应同时配制压井液，准备压井。

第二步（第二循环周）。基本做法是通过节流阀用压井液循环，调节节流阀的开度，控制立管压力，以保证在井底压力不变的条件下将压井液替入井内，并在一个循环周内把井压住。具体步骤是：

缓慢启动泵，并适当打开节流阀，控制套压等于第一步结束后的关井套压（关井立压）。

当排量达到选定的压井排量时，保持排量不变并循环。压井液由井口到达钻头的这段时间内，要通过调节节流阀控制套压等于关井立压加pe不变。立管压力由初始循环立管总压力pTi降到终了循环立管总压力pTf。

继续循环，压井液进入环空后，调节节流阀，控制立管压力等于终了循环立管总压力pTf不变，直到压井液返出地面。

压井液返出地面后，停泵、关节流阀关井。检查立管压力和套管压力是否为零，如果都为零，说明井内已建立起新的压力平衡，压井成功。

④压井中立管和套管压力的变化规律。压井中控制立管压力的目的是为了达到保持井底压力不变。但是在控制立管压力的过程中，必然会引起套管压力的变化。掌握立管和套管压力在压井过程中的变化规律，不仅有助于理解压井原理，掌握压井方法，而且对分析判断压井施工情况、保证压井顺利进行十分必要。

立管压力的变化规律。在第一循环周（0～t2）内，立管压力保持不变，即PTi＝pd＋pci＋pe，在第二循环周内，压井液由井口到达钻头的时间［t2～（t2＋t1）］内，由于钻柱内的压井液不断增多，压井液液柱压力逐渐增大，关井立管压力则逐渐减小，立管循环压力也随着下降。当压井液到达钻头时，压井液液柱压力与地层压力达到平衡，关井立管压力降为零。循环立管总压力则由pTi逐渐降到pTf（图6－47）。

图6－47　压井作业中立压、套压变化曲线

压井液在环空上返直到返出地面［（t2＋t1）～（2t2＋t1）］这段时间内，立管压力pTf保持不变。

套管压力的变化规律。套管压力的变化比较复杂，在压井过程中，环空的井底压力等于套管压力、钻井液液柱压力和溢流液柱或气柱压力之和。而在压井过程中又要求井底压力不变。因此，在压井过程中环空的钻井液液柱高度和溢流物所占的高度发生变化时，必然引起套管压力的变化。溢流的种类不同，引起的套管压力变化也不同。

在第一循环周过程中，当天然气顶部上返至接近井口时，其体积迅速膨胀，套管压力迅速升高，这是正常现象。在这个时刻，不要开大节流阀降压，仍应控制立管压力不变，否则会造成井底压力减小，使地层流体再次进入井内，导致压井失败。

2）工程师法压井。工程师法又称等待加重法或一次循环法：用配制好的压井液循环，在一个循环周内完成排除溢流和压井的作业。压井的具体步骤是：

①计算压井所需的基本数据，并配制压井液。最大套压计算：工程师法排除天然气溢流，当压井液到达钻头和溢流顶部到达井口时，各产生一个套压峰值，其中较大者则为最大套压。在其他条件相同时，压井液与原钻井液密度差越大，则最大套压值越大，在压井液到达钻头时可能出现最大套压值；其他条件相同时，溢流量越大，则最大套压值越大，在溢流顶部到达井口时可能出现最大套压值。

压井液到达钻头时套压峰值的计算公式

式中：pab——压井液到达钻头时的套压峰值（MPa）；

　　　pb——井底压力（MPa）；

　　　Y——钻柱内原钻井液在环空所占高度（m）；

　　　Tx、Zx——分别为溢流物底面上升Y后的温度和压缩系数。

溢流顶部到达井口时套压峰值的计算公式

式中：pas——溢流顶部到达井口时的套压峰值（MPa）；

　　　Ym——压井液环空返高（m）；

　　　Gmk——压井液静液柱压力梯度（MPa／m）；

　　　Ts、Zs——分别为溢流顶面到达井口时的温度和压缩系数。

　　　Ym由下式计算：

②填写压井施工单。

③压井。压井的基本做法仍是通过调节节流阀的开度，控制立管压力，在保持井底压力不变的原则下，用压井液循环压井。具体步骤及操作方法是：

缓慢启动泵并适当打开节流阀，使套压等于关井时的套压值。当排量达到选定的压井排量时，保持排量不变，调节节流阀的开度使立管压力等于初始循环立管总压力。

压井液由地面到达钻头的这段时间内，通过调节节流阀控制立管压力，使其按照“立管压力控制表”变化，即由初始循环立管总压力降到终了循环立管总压力。

继续循环，压井液在环空上返，调节节流阀，使立管压力保持终了循环立管总压力不变，当压井液到达地面后，停泵、关节流阀关井。检查套管和立管压力是否为零，若为零，说明压井成功。

（2）特殊压井方法。不能在压井的全过程中遵循压井基本原则的压井称为特殊压井。针对不同的特殊井控问题，常采用以下几种特殊压井方法：起下钻中发生溢流（钻具不在井底）后的压井、井内无钻具（空井）的压井、又喷又漏的压井、井内钻井液喷空的压井等。

1）起下钻中发生溢流后的压井。在起下钻过程中，常常由于抽汲或未及时灌钻井液使井底压力小于地层压力而引起溢流发生。在起下钻过程中发生溢流后，因钻具不在井底，给压井带来很多困难，必须根据不同情况采用不同方法进行控制。在起下钻中，如发现轻微的溢流显示，应立即抢装钻具止回阀，然后迅速下钻并争取下到井底，关井观察。根据情况采取控制回压循环排除溢流，或调整钻井液密度，然后再用常规压井方法压井。如溢流较严重，则应停止起下钻作业迅速关井。在这种情况下，压井的方法有：

①暂时压井后下钻的方法。发生溢流关井后，由于一般溢流在钻头以下，直接循环无法排除溢流，可采用在钻头以上井段替成压井液暂时把井压住后，开井抢下钻杆的方法压井。钻具下到井底后，用司钻法排除溢流即可恢复正常。具体方法如下：

确定暂时压井液密度。接方钻杆确定关井立压pd（如溢流发现及时，关井立压等于关井套压），然后确定替压井液时应控制的钻头处压力pbo。

式中：ρmk1——第一次压井液密度（g／cm3）；

　　　pmo——钻头以上原钻井液柱压力（MPa）；

　　　pe——井底附加安全压力，一般取3～5MPa；

　　　ρm——原钻井液密度（g／cm3）；

　　　h——钻头所处垂直井深（m）。

考虑到压井后下钻时间和天然气溢流滑脱对液柱压力的影响，pe可适当取大值。

替压井液的压力控制方法。替压井液过程中控制钻头处压力为pmo不变，直到钻头以上全部替成压井液为止，其压井控制方法实质上就是工程师法的具体应用，只是将钻头处当成“井底”。施工步骤为：

确定压井排量Q，实测钻井液流动阻力pci；

计算立管总压力：pTi＝pd＋pci＋pe，pTf＝ρmkpci／ρm

压井循环。压井液进入环空前，保持压井排量不变，调节节流阀控制套压为关井套压加pe不变；压井液进入环空后，调节节流阀控制立压为pTf（也可直接由压井液到钻头时的立压确定）不变，直到压井液返至地面，至此替压井液结束，此时关井套压应为零。

井口压力为零后，开井抢下钻杆，力争下钻到底，下钻到底后，则用司钻法排除溢流，即可恢复正常。如下钻途中发生井涌，则重复上述步骤，再次压井后下钻。

②等候循环排溢流法。这种方法是：关井后，控制套压在安全允许压力范围内，等候天然气溢流滑脱上升到钻头以上，然后用司钻法排除溢流，即可恢复正常。

式中：Vg——天然气滑脱速度（m／h）；

　　　pa——关井套压（MPa）；

　　　pa1——关井1小时的套压（MPa）；

　　　Gm——原钻井液静液压力梯度（MPa）；

　　　t——天然气从井底滑脱到钻头之上所需时间（h）；

　　　hm——钻头离井底距离（m）。

通常，天然气在井内钻井液中的滑脱上升速度大致为270～360m／h。

③强行下钻到井底的压井方法。强行下钻就是在关井条件下，利用环形防喷器将钻具下至井底的方法。用环形防喷器进行强行下钻，套压不得超过7MPa，并使用18°斜坡接头钻具，起下钻速度不得大于0．2m／s。利用此法时，在下钻过程中要控制好环形防喷器的压力，要使密封胶皮有一个轻微的“呼吸”动作，钻杆接头要非常缓慢地通过环形防喷器，通过钻杆本体时环形防喷器不能发生泄漏。

下钻前必须先算出每柱钻杆入井应放出的钻井液体积，下钻中要通过节流阀放出钻井液，放出钻井液的体积应等于下入钻杆的体积。

如果在强行下钻过程中天然气向上运移，放出钻井液的体积还应增加因天然气上升膨胀而增加的体积。强行下钻到井底后，根据实际情况确定压井方法，然后进行压井。

2）井内无钻具的空井压井。溢流发生后，井内无钻具或只有少量的钻具，但能实现关井。这种情况通常是由于起钻时发生强烈的抽汲或起钻中未按规定灌够钻井液，使地层流体进入井内，或因进行电测等空井作业时，钻井液长期静止而被气侵，不能及时除气所造成。在空井情况下发生溢流后，不能再将钻具下入井内时，应迅速关井，并记录关井压力。然后用以下方法处理：

①体积法。其基本原理是控制一定的井口压力以保持压稳地层的前提下，间歇放出钻井液，让天然气在井内膨胀上升，直至上升到井口。

操作方法是：先确定允许的套压升高值，当套压上升到允许的套压值后，通过节流阀放出一定量的钻井液，然后关井。关井后气体又继续上升，套压再次升高，再放出一定量的钻井液，重复上述操作，直到气体上升到井口为止。气体上升到井口后，通过压井管线以小排量将压井液泵入井内，使套压升高到某一预定值后，立即停泵。待钻井液沉落后，再释放气体，使套压降低值等于注入钻井液所产生的液柱压力。重复上述步骤，直到井内充满钻井液为止。

②压回法。所谓压回法，就是从环空泵入压井液把进入井筒的溢流压回地层，特别是含硫化氢的溢流。此法适用于空井外溢、井涌初期、天然气溢流未滑脱上升或上升不很高、套管下得较深、裸眼短、只有一个产层且渗透性很好的情况。具体施工方法是：以最大允许关井套压作为施工的最高工作压力挤入压井液。挤入的压井液可以是原钻井液或稍重一点的钻井液，挤入的钻井液量至少等于关井时循环池增量，直到井内压力平衡得到恢复。使用压回法要慎重，不具备上述条件的溢流最好不要采用。由于塔中地区高含硫的特殊情况，根据《关于进一步加强井控工作的补充规定》（第十六条补充规定），该地区首选压回法。

3）又喷又漏的压井。即井喷与漏失同存于一裸眼井段中的压井。这种情况需首先解决漏失问题，否则，压井时因压井液的漏失而无法维持井底压力略大于地层压力。根据又喷又漏产生的不同原因，其表现形式可分为上喷下漏、下喷上漏和同层又喷又漏。

①上喷下漏的处理。上喷下漏俗称“上吐下泻”。这是因在高压层以下钻遇低压层（裂缝、孔隙十分发育）时，井漏将在用钻井液和储备钻井液消耗殆尽，井内得不到钻井液补充，使井内液柱压力降低而导致上部高压层井喷。其处理步骤是：

在高压产层以下钻遇井漏，应立即停止循环，间歇定时定量反灌钻井液，尽可能维持一定液面来保持井内液柱压力略大于高压产层的地层压力。

确定反灌钻井液量和间隔时间有三种方法：第一种是通过对地区钻井资料的分析统计出的经验数据决定；第二种是用井内液面监测仪表（如回声仪）测定漏速后决定；第三种是由建立的钻井液漏速计算公式决定。最简单的漏速计算公式是：

式中：Q——漏速（m3／h）；

　　　h——时间T内井筒动液面下降高度（m）；

　　　T——漏失时间（h）；

　　　D——井眼平均直径（m）。

此外，还有一些考虑了地层因素（如孔隙度、地层裂缝张开度、油气运移通道的长度和直经等）、钻井液性能（如塑性流型钻井液的动切应力、塑性黏度等）、井底压差、水力阻力系数等因素的计算钻井液漏速的公式，但目前还难以应用于现场。

反灌钻井液的密度应是产层压力当量钻井液密度与安全附加当量钻井液密度之和。

当漏速减小，井眼—地层压力系统呈暂时动平衡状态后，可着手堵漏，堵漏成功后就可实施压井。

②下喷上漏的处理。当钻遇高压地层发生溢流后，提高钻井液密度压井而将高压层上部某地层压漏后，就会出现所谓下喷上漏。处理方法是：溢流发生后压井造成上部地层漏失，立即停止循环，间歇定时定量反灌钻井液。然后隔开喷层和漏层，再堵漏以提高漏层的承受能力，最后压井。隔离喷层和漏层及堵漏压井的方法主要有：

注水泥塞隔离和注水泥堵漏。此法是将钻具置于喷层以上不远处，注一水泥塞以隔离喷漏层。然后对上部地层找漏并注水泥堵漏，再用压井液对漏层试压，合格后才钻开水泥塞。若为多层漏失，则层层试漏，漏了再堵，直到恢复钻进。

注重晶石塞和水泥塞隔离及堵漏。如果压井后在喷层以上注水泥难以形成水泥塞，则改注重晶石塞，在重晶石塞以上注水泥塞达到隔离、堵漏的目的。

注一定密度的钻井液堵漏和压井。这种方法在漏层接近喷层，井眼—地层压力系统不易稳定的动态平衡状态和漏层位置不清、无法注水泥塞作业时采用。

不压井起钻后下套管、压井，再注水泥固井。当起下钻中途井喷压井时，预知的喷层上部的低压层将发生漏失，在允许提前下套管的前提下可采取此法。

注超重压井液压井然后堵漏。若喷层与漏层相距甚远，可在漏层以下注一段超重压井液压住井喷，然后对上部漏层堵漏。

③同层又喷又漏的处理。同层又喷又漏多发生在裂缝、孔洞发育的地层，或压井时井底压力与井眼周围产层压力恢复速度不同步的产层。这种地层对井底压力变化十分敏感，井底压力稍大则漏、稍小则喷。处理方法是：间隔定时反灌一定数量的钻井液，维持低压头下的漏失，起钻、下光钻杆堵漏或起钻、下油管完井。