井下各種壓力概念及相互關(guān)系

1、第二章 井下各種壓力概念及相互關(guān)系 一、靜液壓力一、靜液壓力 1、靜液壓力和靜液壓力梯度的定義、靜液壓力和靜液壓力梯度的定義 靜液壓力是由靜止液體的重力產(chǎn)生的壓力。靜液壓力是由靜止液體的重力產(chǎn)生的壓力。其大小取決其大小取決于液體的密度和液體的垂直高度，與液柱的橫向尺寸及形狀無(wú)于液體的密度和液體的垂直高度，與液柱的橫向尺寸及形狀無(wú)關(guān)。關(guān)。靜液壓力梯度是指每增加單位垂直深度靜液壓力的變化量。靜液壓力梯度是指每增加單位垂直深度靜液壓力的變化量。靜液壓力梯度受液體密度的影響和含鹽濃度、氣體的濃度以及靜液壓力梯度受液體密度的影響和含鹽濃度、氣體的濃度以及溫度梯度的影響。含鹽濃度高會(huì)使靜液壓力梯度增大，溶

2、解氣溫度梯度的影響。含鹽濃度高會(huì)使靜液壓力梯度增大，溶解氣體量增加和溫度增高則會(huì)使靜液壓力梯度減小。體量增加和溫度增高則會(huì)使靜液壓力梯度減小。 2、靜液壓力的計(jì)算、靜液壓力的計(jì)算 P=gH 式中：式中：P-靜液壓力，靜液壓力，MPa -液體密度，液體密度，g/cm3 g-重力加速度，重力加速度，0.00981 H-液柱的垂直高度，液柱的垂直高度，m 在陸上鉆井作業(yè)中，在陸上鉆井作業(yè)中，H為井眼的垂直深度，起始點(diǎn)自轉(zhuǎn)盤(pán)為井眼的垂直深度，起始點(diǎn)自轉(zhuǎn)盤(pán)面算起，液體的密度為鉆井液的密度。面算起，液體的密度為鉆井液的密度。 例例1 某井鉆至井深某井鉆至井深3000米處，所用鉆井液密米處，所用鉆井液密1.

3、3g/cm3，求，求井底處的靜液壓力。井底處的靜液壓力。 解：解：P=gH=1.30.009813000=38.26MPa例：如圖所示，井內(nèi)鉆井液密度 為1.2g/cm3，3000m處?kù)o液柱壓力為多少？ 解解 p= 0.00981 H =0.009811.203000 =35. 288MPa 地層孔隙內(nèi)流體地層孔隙內(nèi)流體(水水)的的 壓力為：壓力為： p= 0.00981 H =0.009811.073000 =31.547MPa3、靜液壓力梯度的計(jì)算、靜液壓力梯度的計(jì)算根據(jù)壓力梯度的定義可知，其計(jì)算公式為：根據(jù)壓力梯度的定義可知，其計(jì)算公式為： G=P/H=g 式中：式中：G壓力梯度，壓力梯

4、度，kPa/m（MPa/m） P靜液壓力，靜液壓力，kPa（MPa） H液柱的垂直高度，液柱的垂直高度，m 液體密度，液體密度，g/cm3 g重力加速度，重力加速度，9.81（0.00981） 用壓力梯度的定義，靜液壓力的公式也可以寫(xiě)成：用壓力梯度的定義，靜液壓力的公式也可以寫(xiě)成：靜液壓力靜液壓力=壓力梯度壓力梯度垂深垂深 （P=GH） 例例2 某井鉆至井深某井鉆至井深3600米處，所用鉆井液密度為米處，所用鉆井液密度為1.5g/cm3，計(jì)算井內(nèi)靜液壓力梯度。計(jì)算井內(nèi)靜液壓力梯度。 解：解：G=g=1.59.81=14.7kPa/m二、當(dāng)量鉆井液密度 1、當(dāng)量鉆井液密度的定義 當(dāng)量鉆井液密度是

5、指將井內(nèi)某一位置所受各種壓力之和（靜液壓力、回壓、環(huán)空壓力損失等）折算成鉆井液密度，稱為這一點(diǎn)的當(dāng)量鉆井液密度。 把地層壓力、地層破裂壓力、循環(huán)壓力折算成鉆井液密度，分別稱為地層壓力當(dāng)量鉆井液密度、地層破裂壓力當(dāng)量鉆井液密度、循環(huán)壓力當(dāng)量鉆井液密度。HPe00981.02、當(dāng)量鉆井液密度的計(jì)算 式中：P壓力，MPa 例3 井深2800m，鉆井液密度1.24g/cm3，下鉆時(shí)存在一個(gè)1.76MPa的激動(dòng)壓力作用于井底，計(jì)算井底壓力及當(dāng)量鉆井液密度。解：井底壓力P=1.240.0098128001.76=35.82 MPa3/30. 1280000981. 082.35cmge當(dāng)量鉆井液密度2、當(dāng)

6、量鉆井液密度的計(jì)算HPe00981.0地層壓力：是地下地層壓力：是地下巖石孔隙內(nèi)流體的巖石孔隙內(nèi)流體的壓力，壓力， 也稱孔隙也稱孔隙壓力。壓力。 七、地層漏失壓力七、地層漏失壓力 地層漏失壓力是指某一深度的地層產(chǎn)生鉆井液漏失時(shí)地層漏失壓力是指某一深度的地層產(chǎn)生鉆井液漏失時(shí)的壓力。的壓力。 對(duì)于正常壓力的高滲透性砂巖、裂縫性地層以及斷層對(duì)于正常壓力的高滲透性砂巖、裂縫性地層以及斷層破碎帶、不整合面等處，往往地層漏失壓力比破裂壓力小得破碎帶、不整合面等處，往往地層漏失壓力比破裂壓力小得多，而且對(duì)鉆井安全作業(yè)危害很大。多，而且對(duì)鉆井安全作業(yè)危害很大。 在數(shù)值上等于鉆井液循環(huán)泵壓。該壓力損失大小在數(shù)值

7、上等于鉆井液循環(huán)泵壓。該壓力損失大小取決于鉆柱長(zhǎng)度和鉆井液密度、粘度、切力、排量取決于鉆柱長(zhǎng)度和鉆井液密度、粘度、切力、排量和流通面積。任何時(shí)候鉆井液通過(guò)管匯、噴嘴或節(jié)和流通面積。任何時(shí)候鉆井液通過(guò)管匯、噴嘴或節(jié)流管匯均要產(chǎn)生壓力損失。通常，大部分壓力損失流管匯均要產(chǎn)生壓力損失。通常，大部分壓力損失發(fā)生在鉆井液通過(guò)鉆頭噴嘴時(shí)。循環(huán)排量的變化也發(fā)生在鉆井液通過(guò)鉆頭噴嘴時(shí)。循環(huán)排量的變化也會(huì)引起泵壓較大的變化。會(huì)引起泵壓較大的變化。循環(huán)壓力損失是指泵送鉆井液通過(guò)地面高循環(huán)壓力損失是指泵送鉆井液通過(guò)地面高壓管匯、水龍帶、方鉆桿、井下鉆柱、鉆壓管匯、水龍帶、方鉆桿、井下鉆柱、鉆頭噴嘴，經(jīng)環(huán)形空間向上返

8、到地面循環(huán)系頭噴嘴，經(jīng)環(huán)形空間向上返到地面循環(huán)系統(tǒng)，及其它所經(jīng)過(guò)的物體，因摩擦所引起統(tǒng)，及其它所經(jīng)過(guò)的物體，因摩擦所引起的壓力損失。的壓力損失。返回 在鉆井過(guò)程中，鉆井液沿環(huán)空向上流動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的壓力損失稱為環(huán)空壓耗。在鉆井過(guò)程中，鉆井液沿環(huán)空向上流動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的壓力損失稱為環(huán)空壓耗。在鉆井泵克服這個(gè)流動(dòng)阻力推動(dòng)鉆井液向上流動(dòng)時(shí)，井壁和井底也承受了該在鉆井泵克服這個(gè)流動(dòng)阻力推動(dòng)鉆井液向上流動(dòng)時(shí)，井壁和井底也承受了該流動(dòng)阻力，因此，井底壓力增加。當(dāng)停泵鉆井液停止循環(huán)時(shí)，流動(dòng)阻力消失，流動(dòng)阻力，因此，井底壓力增加。當(dāng)停泵鉆井液停止循環(huán)時(shí)，流動(dòng)阻力消失，井底壓力又恢復(fù)為靜液壓力。鉆井液在環(huán)空中上返速度越

9、大、井越深、井眼井底壓力又恢復(fù)為靜液壓力。鉆井液在環(huán)空中上返速度越大、井越深、井眼越不規(guī)則、環(huán)空間隙越小，且鉆井液密度、切力越高，則環(huán)空流動(dòng)阻力越大；越不規(guī)則、環(huán)空間隙越小，且鉆井液密度、切力越高，則環(huán)空流動(dòng)阻力越大；反之，則環(huán)空流動(dòng)阻力越小。反之，則環(huán)空流動(dòng)阻力越小。 九、激動(dòng)壓力和抽汲壓力九、激動(dòng)壓力和抽汲壓力 1、抽汲壓力、抽汲壓力 抽汲壓力發(fā)生在井內(nèi)提鉆時(shí)，由抽汲壓力發(fā)生在井內(nèi)提鉆時(shí)，由于鉆柱上提，會(huì)引起鉆井液向下流動(dòng)，于鉆柱上提，會(huì)引起鉆井液向下流動(dòng)，以填充鉆柱下端因上升而空出來(lái)的井以填充鉆柱下端因上升而空出來(lái)的井眼空間。這部分鉆井液流動(dòng)時(shí)受到流眼空間。這部分鉆井液流動(dòng)時(shí)受到流動(dòng)阻力

10、的影響，使得井內(nèi)鉆井液不能動(dòng)阻力的影響，使得井內(nèi)鉆井液不能及時(shí)充滿這部分井眼空間，這樣，在及時(shí)充滿這部分井眼空間，這樣，在鉆頭下方形成一抽汲空間，其結(jié)果是鉆頭下方形成一抽汲空間，其結(jié)果是降低了有效的井底壓力。降低了有效的井底壓力。 2、激動(dòng)壓力、激動(dòng)壓力 激動(dòng)壓力產(chǎn)生于下鉆和下套管激動(dòng)壓力產(chǎn)生于下鉆和下套管時(shí)，因?yàn)殂@柱下行，擠壓其下方時(shí)，因?yàn)殂@柱下行，擠壓其下方的鉆井液，使其產(chǎn)生向上的流動(dòng)。的鉆井液，使其產(chǎn)生向上的流動(dòng)。由于鉆井液向上流動(dòng)時(shí)要克服流由于鉆井液向上流動(dòng)時(shí)要克服流動(dòng)阻力的影響，結(jié)果導(dǎo)致井壁與動(dòng)阻力的影響，結(jié)果導(dǎo)致井壁與井底也承受了該流動(dòng)阻力，使得井底也承受了該流動(dòng)阻力，使得井底壓力

11、增加。井底壓力增加。3、影響因素、影響因素激動(dòng)壓力和抽汲壓力主要受以下因素影響：激動(dòng)壓力和抽汲壓力主要受以下因素影響：1）管柱結(jié)構(gòu)、尺寸以及管柱在井內(nèi)的實(shí)際長(zhǎng)度；）管柱結(jié)構(gòu)、尺寸以及管柱在井內(nèi)的實(shí)際長(zhǎng)度；2）井身結(jié)構(gòu)與井眼直徑；）井身結(jié)構(gòu)與井眼直徑；3）起下鉆速度；）起下鉆速度；4）鉆井液密度、粘度、靜切力；）鉆井液密度、粘度、靜切力；5）鉆頭或扶正器泥包程度。）鉆頭或扶正器泥包程度。因此，在起下鉆和下套管時(shí)，要控制起下速度，不要過(guò)快，因此，在起下鉆和下套管時(shí)，要控制起下速度，不要過(guò)快，在鉆開(kāi)高壓油氣層和鉆井液性能不好時(shí)，更應(yīng)注意。在鉆開(kāi)高壓油氣層和鉆井液性能不好時(shí)，更應(yīng)注意。 十、井底壓力十

12、、井底壓力 在鉆井作業(yè)中，始終有壓力作用于井底，主要來(lái)自于鉆在鉆井作業(yè)中，始終有壓力作用于井底，主要來(lái)自于鉆井液的靜液壓力。同時(shí)，將鉆井液沿環(huán)空向上泵送時(shí)所消耗井液的靜液壓力。同時(shí)，將鉆井液沿環(huán)空向上泵送時(shí)所消耗的泵壓也作用于井底，即循環(huán)鉆井液時(shí)的環(huán)空壓耗。其它還的泵壓也作用于井底，即循環(huán)鉆井液時(shí)的環(huán)空壓耗。其它還有侵入井內(nèi)的地層流體的壓力、激動(dòng)壓力、抽汲壓力、地面有侵入井內(nèi)的地層流體的壓力、激動(dòng)壓力、抽汲壓力、地面回壓等?；貕旱?。井底壓力就是指地面和井內(nèi)各種壓力作用在井底的井底壓力就是指地面和井內(nèi)各種壓力作用在井底的總壓力總壓力。在不同作業(yè)情況下，井底壓力是不一樣的。在不同作業(yè)情況下，井底壓

13、力是不一樣的。靜止?fàn)顟B(tài)，井底壓力靜止?fàn)顟B(tài)，井底壓力=靜液壓力靜液壓力 靜止?fàn)顟B(tài)下，井底壓力主要由鉆井液的靜液壓力構(gòu)成，靜止?fàn)顟B(tài)下，井底壓力主要由鉆井液的靜液壓力構(gòu)成，鉆井液的靜液壓力主要受鉆井液密度和井內(nèi)液柱高度的影響。鉆井液的靜液壓力主要受鉆井液密度和井內(nèi)液柱高度的影響。油氣活躍的井，要注意井內(nèi)流體長(zhǎng)期靜止時(shí)，地層中氣體的油氣活躍的井，要注意井內(nèi)流體長(zhǎng)期靜止時(shí)，地層中氣體的擴(kuò)散效應(yīng)對(duì)井內(nèi)流體密度影響，最終有可能影響井底壓力。擴(kuò)散效應(yīng)對(duì)井內(nèi)流體密度影響，最終有可能影響井底壓力。另外，靜止?fàn)顟B(tài)下，要監(jiān)測(cè)井口液面，防止液柱高度下降影另外，靜止?fàn)顟B(tài)下，要監(jiān)測(cè)井口液面，防止液柱高度下降影響井底壓力。響

14、井底壓力。 正常循環(huán)時(shí)，井底壓力正常循環(huán)時(shí)，井底壓力=靜液壓力環(huán)空壓耗靜液壓力環(huán)空壓耗 井內(nèi)流體循環(huán)時(shí)，環(huán)空壓耗會(huì)使井底壓力增加，過(guò)大的井內(nèi)流體循環(huán)時(shí)，環(huán)空壓耗會(huì)使井底壓力增加，過(guò)大的循環(huán)壓耗可能漏失；一旦停止循環(huán)，循環(huán)壓耗突然消失會(huì)使井循環(huán)壓耗可能漏失；一旦停止循環(huán)，循環(huán)壓耗突然消失會(huì)使井底壓力下降，同樣影響井內(nèi)的壓力平衡。底壓力下降，同樣影響井內(nèi)的壓力平衡。 節(jié)流循環(huán)時(shí)，井底壓力節(jié)流循環(huán)時(shí)，井底壓力=靜液壓力環(huán)空壓力損失節(jié)靜液壓力環(huán)空壓力損失節(jié)流閥回壓流閥回壓 節(jié)流循環(huán)除氣或壓井循環(huán)時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)節(jié)流閥的不同開(kāi)節(jié)流循環(huán)除氣或壓井循環(huán)時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)節(jié)流閥的不同開(kāi)關(guān)程度，形成一定的井口回壓，保持井

15、底壓力平衡地層壓力。關(guān)程度，形成一定的井口回壓，保持井底壓力平衡地層壓力。提鉆時(shí)，井底壓力提鉆時(shí)，井底壓力=靜液壓力抽汲壓力靜液壓力抽汲壓力 由于抽汲壓力的影響，提鉆時(shí)的井底壓力會(huì)下降，導(dǎo)致由于抽汲壓力的影響，提鉆時(shí)的井底壓力會(huì)下降，導(dǎo)致很多井在正常鉆進(jìn)時(shí)井底壓力能夠平衡地層壓力，而提鉆時(shí)發(fā)很多井在正常鉆進(jìn)時(shí)井底壓力能夠平衡地層壓力，而提鉆時(shí)發(fā)生溢流。因此，提鉆時(shí)要事先判斷并注意減小抽汲壓力的影響。生溢流。因此，提鉆時(shí)要事先判斷并注意減小抽汲壓力的影響。下鉆時(shí)，井底壓力下鉆時(shí)，井底壓力=靜液壓力激動(dòng)壓力靜液壓力激動(dòng)壓力 由于激動(dòng)壓力的產(chǎn)生，使得下鉆時(shí)的井底壓力增大，雖由于激動(dòng)壓力的產(chǎn)生，使得下

16、鉆時(shí)的井底壓力增大，雖不至于直接引發(fā)井控問(wèn)題，但過(guò)大的激動(dòng)壓力可能導(dǎo)致漏失，不至于直接引發(fā)井控問(wèn)題，但過(guò)大的激動(dòng)壓力可能導(dǎo)致漏失，致使靜液壓力下降，從而引發(fā)井控問(wèn)題。所以，下鉆時(shí)同樣要致使靜液壓力下降，從而引發(fā)井控問(wèn)題。所以，下鉆時(shí)同樣要做好井控工作。做好井控工作。 關(guān)井時(shí)，井底壓力關(guān)井時(shí)，井底壓力=靜液壓力地面回壓靜液壓力地面回壓 發(fā)生溢流后需及時(shí)關(guān)井，形成足夠的地面回壓，使井底發(fā)生溢流后需及時(shí)關(guān)井，形成足夠的地面回壓，使井底壓力重新能夠重新平衡地層壓力。地面回壓作用于井口設(shè)備和壓力重新能夠重新平衡地層壓力。地面回壓作用于井口設(shè)備和整個(gè)井筒，因此要求井口設(shè)備具有足夠的承壓能力和密封性，整個(gè)井

17、筒，因此要求井口設(shè)備具有足夠的承壓能力和密封性，地面回壓過(guò)高會(huì)破壞井筒的完好性，所以關(guān)井地面回壓并不是地面回壓過(guò)高會(huì)破壞井筒的完好性，所以關(guān)井地面回壓并不是越大越好。越大越好。 十一、安全附加值十一、安全附加值 在近平衡壓力鉆進(jìn)中，鉆井液密度的確定，以地層壓力在近平衡壓力鉆進(jìn)中，鉆井液密度的確定，以地層壓力為基準(zhǔn)，再增加一個(gè)安全附加值，以保證作業(yè)安全。因?yàn)樵谄馂榛鶞?zhǔn)，再增加一個(gè)安全附加值，以保證作業(yè)安全。因?yàn)樵谄疸@時(shí)，由于抽汲壓力的影響會(huì)使井底壓力降低，而降低上提鉆鉆時(shí)，由于抽汲壓力的影響會(huì)使井底壓力降低，而降低上提鉆柱的速度等措施只能減小抽汲壓力，但不能消除抽汲壓力。因柱的速度等措施只能減小

18、抽汲壓力，但不能消除抽汲壓力。因此，需要給鉆井液密度附加一安全值來(lái)抵消抽汲壓力等因素對(duì)此，需要給鉆井液密度附加一安全值來(lái)抵消抽汲壓力等因素對(duì)井底壓力的影響。附加方式主要有兩種：井底壓力的影響。附加方式主要有兩種： 一是按密度附加，其安全附加值為：一是按密度附加，其安全附加值為： 油水井：油水井：0.050.10g/cm3 氣井：氣井：0.070.15g/cm3 二是按壓力附加，其安全附加值為：二是按壓力附加，其安全附加值為： 油水井：油水井：1.53.5MPa 氣井：氣井：3.05.0MPa 具體選擇安全附加值時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況綜合考慮地層具體選擇安全附加值時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況綜合考慮地層壓力預(yù)測(cè)精度、地層的埋藏深度、地層流體中硫化氫的含量、壓力預(yù)測(cè)精度、地層的埋藏深度、地層流體中硫化氫的含量、地應(yīng)力和地層破裂壓力、井控裝置配套情況等因素，在規(guī)定范地應(yīng)力和地層破裂壓力、井控裝置配套情況等因素，在規(guī)定范圍內(nèi)合理選擇。圍內(nèi)合理選擇。 十二、壓差十二、壓差 井底壓力與地層壓力之差稱為壓差。井底壓力與地層壓力之差稱為壓差。按此方法可將井按此方法可將井眼壓力狀況分為過(guò)平衡、欠平衡和平衡三種情況。過(guò)平衡（又眼壓力狀況分為過(guò)平衡、欠平衡和平衡三種情況。過(guò)平衡（又稱正壓差），是指井