第1章 井控技术基本概念
1.1 井控技术发展历程
井控技术是指针对油气井的压力控制技术，是发现和保护油气层，实现安全钻井的关键；井控工作是一项系统工程，涉及勘探与开发、钻井、技术监督、安全环保、物资和培训等部门，其工作内容包括井控设计、井控装备、钻开油气层前的准备工作、钻开油气层和井控作业、防火防爆防硫化氢安全措施、井喷失控的处理、井控技术培训以及井控管理制度8个方面[1]。实施近平衡乃至欠平衡压力钻井和采用先进的井控技术是发现和保护油气层的正确途径。使用合理密度的钻井液形成略大于地层孔隙压力的液柱压力，达到对所钻地层实施一次井控的目的，做到既不污染地层，又不发生井喷。一旦一次井控失效，出现溢流或井涌，可以迅速使用完善的井控装备及时关井，实施二次井控[2]。
井控技术发展经历了3个阶段：经验阶段、系统理论形成阶段和科学自动化阶段。
(1)经验阶段(20世纪50年代以前)。特点：勘探领域一般限于陆地，海洋勘探刚开始，客观环境对井控技术要求不高，尚未形成系统理论，将井喷作为发现油气层的重要途径。
(2)系统理论形成阶段(20世纪50～70年代)。随着近海油气勘探的发展，自1970年以来，钻井船的数量平均每年增加9.8%，深井油气藏勘探开发成为油气产量和储量增加的重要方向。油气勘探领域纵深发展对井控技术提出迫切要求，井控技术理论逐步形成系统，井控培训学校大量出现。
(3)科学自动化阶段(20世纪70年代以后)。通过计算机控制，获得钻井过程的一系列参数，快速准确地发现地层压力变化，可预测钻头以下的地层压力；实现井口及地面控制系统的智能化，发展平衡钻井和欠平衡钻井，防止井下复杂事故(漏、喷、卡)发生，同时钻速提高2～3倍。
1.2 井控技术相关基本概念
1. 井控
井控是实施油气井压力控制的简称。
2. 溢流
当井底压力小于地层压力时，井口返出的钻井液量大于泵的排量、停泵后井口钻井液自动外溢的现象称为溢流。
3. 井涌
在钻井过程中，如果钻遇高渗层，且井底压力小于地层压力，底层流体就会进入井眼。一开始为溢流，当大量地层流体进入井眼时，就可能产生井涌、井喷，酿成重大事故。
4. 井喷
当井底压力远小于地层压力时，井内流体就会大量喷出，在地面形成较大喷势的现象称为井喷。
5. 井喷失控
井喷发生后，无法用常规方法控制井口和压井而出现井口敞喷的现象称为井喷失控。
6. 井控的三个阶段
(1)一级井控：也称主井控，指以合理的钻井液密度、合理的钻井技术措施，采用近平衡压力钻井技术安全钻穿油气层的井控技术。该方法简单、安全、环保、易于操作。
(2)二级井控：指溢流或井喷后，按关井程序及时关井，利用节流循环排溢流和压井时的井口回压与井内液柱压力之和来平衡地层压力，*终用重浆压井，重建平衡的井控技术。
(3)三级井控：指井喷失控后，重新恢复对井口控制的井控技术。
7. 井控工作中的“三早”
井控工作中的“三早”即早发现、早关井和早处理。
(1)早发现：溢流被发现得越早越便于关井控制，越安全。国内现场一般将溢流量控制在1～2m3之前发现。这是安全、顺利关井的前提。
(2)早关井：在发现溢流或预兆不明显怀疑有溢流时，应停止一切其他作业，立即按关井程序关井。
(3)早处理：在准确录取溢流数据和填写压井施工单后，就应进行节流循环排出溢流和压井作业。
1.3 井控压力相关概念
钻井必须处理好井筒内钻井液与井壁地层之间的化学和压力平衡问题，否则会发生缩径、井塌、卡钻、井漏、井喷和压裂地层等事故。这就必须了解地层孔隙的流体压力和地层破裂压力等各种压力的概念。
所钻井的地层压力和地层破裂压力是井控设计的基础，地层压力和地层破裂压力与井筒中的钻井液液柱压力构成了一个地层-井眼压力系统。其中，各种压力的大小决定了这个系统的平衡关系。井控的*终目的是控制这个压力系统中的各种压力使之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。
从平衡的观点出发，地层-井眼是一个压力系统，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。
1. 静液柱压力
静液柱压力是指井内各种流体的重力产生的压力，其大小与流体的密度和计算点的井深有关。如用表示静液柱压力，则
(1.3-1)
式中，为静液柱压力，MPa；为流体密度，g/cm3；为计算点的井深，m。
2. 静液压力梯度
单位长度井深液柱压力的增量称为静液压力梯度，用表示：
(1.3-2)
式中，为静液压力梯度，MPa/m。
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=0.00981MPa/m；另一类是盐水，其=0.0105MPa/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，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。
3. 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)和孔隙流体总重力所产生的压力，用表示，则
(1.3-3)
式中，为上覆岩层压力，MPa；为上覆岩石体积密度，g/cm3；为微元井深，m。
岩石的密度是岩石骨架密度、岩石孔隙度以及孔隙流体密度的函数，即
(1.3-4)
式中，为岩石孔隙度，%；为岩石骨架密度，g/cm3。
同样，上覆岩层压力梯度为
(1.3-5)
由于压实作用，岩性随井深发生变化，岩石密度也随之变化。所以上覆岩层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岩层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*线，用*线拟合法求出密度与井深的关系式，然后代入式(1.3-5)即可求出任一井深处的上覆岩层压力梯度；另一种方法是利用邻井的测井资料或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，一般假设上覆岩层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0.0227MPa/m。
上覆岩层压力、地层压力以及岩石骨架(结构)应力之间的关系为
(1.3-6)
式中，为地层压力，MPa；为岩石骨架应力，MPa。
当一定时，减小，增大，→0，→。所以，地层的孔隙压力增大，基岩应力必然减小。岩石骨架应力减小，将导致地层压力增大，当=0时，地层压力将等于上覆岩层压力。
4. 地层压力
地层压力又叫地层孔隙压力，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。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。
5. 异常低压地层压力
在钻井过程中，常常会碰到地层压力梯度远小于正常地层压力梯度的情况，叫异常低压地层压力。
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如下。
(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。
6. 异常高压地层压力
在钻井过程中，常常会碰到地层压力梯度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水压力的地层压力，叫异常高压地层压力[3]。
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、震旦系都不同程度存在。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个“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，这是由它们的生成环境所决定的。异常高压的形成机理至今还不十分清楚，目前大致可分为如下几类。
(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随之增加，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，形成更大的异常高压。
(2)成岩作用。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，如黏土中的蒙脱石可以变成伊利石、绿泥石和高岭土；蒙脱石在高温高压下先是失去孔隙中的自由水，而层间结构中的束缚水，只有当温度达到200～300℉时才能被释放出来。一般层间束缚水的密度比孔隙中自由水的密度大得多，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。
(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，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。
(4)流体运移作用。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地层，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，就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。
7. 地层破裂压力
地层破裂压力是指地层岩石抵抗破坏能力的大小度量，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液柱压力、波动压力以及井口施加的回压。当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**的裂缝时，这个压力就是该地层的破裂压力。
在钻井过程中由钻井液液柱压力、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。
8. 地层破裂压力梯度
单位长度井深地层破裂压力的增量叫地层破裂压力梯度，地层破裂压力梯度随井深的增大而增大。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，否则将失去平衡继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。
9. 坍塌压力
井壁坍塌的原因主要是井内液柱压力太低，使得井壁周围岩石所受应力超过岩石本身的强度而产生剪切破坏。对于脆性地层会产生坍塌掉块，造成井径扩大；对于塑性地层，井眼内则产生塑性变形，造成缩径。山前构造受多期构造运动作用，形成了复杂的地质环境，具有岩性复杂、倾角大、地层破碎、岩石强度低和孔隙压力高等特点，因此井眼坍塌问题特别严重。
10. 骨架应力
骨架应力是由岩石颗粒之间相互接触来支撑的那部分上覆岩层压力(亦称有效上覆岩层压力或颗粒压力)，这部分压力是不被孔隙水所承担的。上覆岩层的重力是由岩石基质(骨架)和岩石孔隙中的流体共同承担的。当骨架应力降低时，孔隙压力就增大；孔隙压力
展开
