第4章 井涌主要原因分析、预防及检测

第四章 井涌主要原因分析、预防及检测

一、 地层的非故意溢流

在钻井过程中，由于操作或地层等方面的原因，致使地层流体进入井内，从而导致溢流的发生，我们把这种溢流称之为地层的非故意溢流。

溢流发生时，大量的地层流体进入井眼内，以致必须在井口设备承受一定压力的条件下关井。在正常钻进或起、下钻作业中，溢流可能在下列条件下发生：

1、井内环形空间钻井液静液压力小于地层压力；

2、溢流发生的地层具有必要的渗透率，允许流体流入井内； 我们不能控制地层压力和地层渗透率。为了维持初级井控状态必须保持井内有适当的钻井液静液压力。造成钻井液静液压力不够的一种或多种原因都有可能导致地层流体侵入井内。最普遍的原因是：

(1) 井眼未能完全充满钻井液； (2) 起钻引起的抽汲压力； (3) 循环漏失：

(4) 钻井液或固井液的密度低； (5) 异常压力地层； (6) 下钻速度过快：

(7) 固井之后环空气体的流动。

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1、井内未能完全充满钻井液

无论什么情况下，只要井内的钻井液液面下降，钻井液的静液压力就减小，当钻井液静液压力下降到低于地层压力时，就会发生溢流。 在起钻过程中，由于钻柱起出，钻拄在井内的体积减少，井内的钻井液液面下降，从而造成钻井液静液压力的减小。不管在棵眼井中哪一位置，只要钻井液静液压力低于地层压力，溢流就有可能发生。

在起钻过程中，向井内灌钻井液可保持钻井液的静液压力。灌入井内的钻井液的体积应等于起出钻柱的体积。如果测得的灌入体积小于计算的钻柱体积，说明地层内的流体可能进入井内，溢流将会发生。

为了减少由于起钻时钻井液没及时灌满而造成的溢流，在起钻中应该做到以下见点：

① 计算起出钻具的体积(或查表)； ② 测量灌满井眼所需要的钻井液体积；

③ 定期把灌入钻井液体积与起出钻具的体积进行比较，并记在起、下钻记录上：

④ 若两种体积不符要立即采取措施。

钻具的体积取决于每段钻具的长度、外径与内径。尽管体积的数值很容易计算，但是由于有钻杆接头的影响，所以钻具体积表还是特别有用的。对于大多数普通尺寸的钻杆与钻铤可直接从体积表查出。

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由于钻铤的体积比钻杆的体积大，因此当起出钻铤时，向井筒内灌满钻井液是特别重要的，从井筒起出钻铤时灌钻井液体积应是起钻杆时的3 —5倍。

实际灌入钻井液的体积可用钻井液补充罐、泵冲数计数器、流量表、钻井液液面指示器进行测量。

钻井液补充罐是可靠的灌注钻井液体积的测量设备。从井内起出一定数量的立柱之后，钻井液补充罐可以显示出需要灌入多少钻井液来充满井眼。钻井液补充罐是 一个高而细的钻井液罐(容积为1.6—6.4m3)，如：0.2m3的钻井液灌入井内后，罐内的钻井液面高度可显示出十几厘米的变化。钻井液补充罐常用50L或100L的来标注刻度。容积的测量可以使用这种刻度或者使用与正规钻井液罐上装的类似的气动浮子传感器来进行。

若井场没有钻井液补充罐，可以用钻井泵向井内灌钻井液，由泵的冲数计来计量泵入钻井液的体积。根据泵缸套尺寸和泵的冲程，就可以知道泵送1m3钻井液需要多少冲数，

只有精确知道泵的效率才能计算出精确的排量。 流量表可以用来监控泵送到井内的钻井液量。

钻井液罐液面指示器反映钻具起出井筒后应灌入的钻井液量。但是大钻井液罐里这种液面的变化不易检测出，可单独隔离一个小钻井液罐，这样就大大地提高了计量的灵敏度，它是一种可取的计量灌注钻井液量的方法。

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不论使用哪种灌注钻井液的设备，灌入的钻井液量必须与起出钻具的体积进行比较，使之相等。

2、起钻引起的抽汲压力

只要钻具在井内上下运动就会产生抽汲和激动压力，至于是抽汲压力还是激动压力主要取决于钻具的运动方向。当钻具向上运动时(例如起钻)以抽汲压力为主，钻井液在环形空间下落，但其下落速度常常不如钻具起出的速度快，其结果使钻具下方的压力减小，并由地层流体来充填，以补充这种压力的减少，直到压力不在减小为止，这就称为抽汲。

如果吸入井内的地层流体足够多，那么，井内钻井液的总静液压力就会降低，以致井内发生溢流。用一个缸套拔活塞的例子进行分析可以说明这个概念。

无论起钻速度多慢抽汲作用都会产生。但能否导致溢流的发生，则要看井内环形空间的有效压力能否平衡地层压力。应该记住，只要井内环形空间的有效压力始终能够平衡地层压力，这样就可以防止溢流发生。

除了起钻速度外，抽汲程度也受环形空间大小与钻井液性能的影响。 影响抽汲压力的因素有以下几方面：

1）井眼与钻具的几何尺寸

在抽汲压力产生过程中的一个最重要的因素是环空间隙，它是钻具(油管、钻杆、扶正器或钻具)与井眼(裸眼或下套管井)之间的间隙。环空间隙越小，钻井液流动就需要克服越大的阻力。由于井眼缩径、

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地层膨胀、地层坍塌或钻具泥包都会使环空间隙减小，这就更增加了抽汲产生溢流的机会。由于这些因素通常是不可控制的，因此，采用合适的起下钻作业，例如减小起下钻速度，就会减少因抽汲而引起溢流的机会。

影响环空间隙的其他几方面的因素。盐层和膨胀地层：有许多环空间隙减小是由于盐层和膨胀地层引起的，盐层在压力的作用下呈现出塑性流动而使井眼间隙减小，一旦开泵就会蹩泵。盐层塑性流动后紧贴在钻柱周围使环空间隙减小到很小。此外，粘土遇水膨胀也使环空间隙减小，从而增加了起钻产生抽汲压力的机会，由于环空间隙的减小，当起钻时扶正器和下部钻具可能粘卡从而引起严重的抽汲。

泥包：泥包是指钻井液材料聚集在钻头、扶正器、钻具接头或钻柱其他部分。这种聚集增加了该点有效外径，减小了钻柱和井限之间的间隙。由于间隙减小，使转盘扭矩和起钻上提拉力增加。

起钻至套管鞋：起钻到套管鞋处有两种危险可能发生。一是，扶正器或钻具卡在套管鞋上；其结果会使钻机损坏、钻具断裂、套管鞋被拉掉和钻具被卡。二是，当下部钻具结构被披进套管鞋时，间隙会减小，当部分钻柱或下部钻具结构泥包时也可能发生复杂的情况。

2）井深；

流动阻力的大小与井深成正比。井越深，流动阻力也就越大，起钻过程中引起的抽汲压力也越大。

3）钻井液的流变性

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抽汲压力取决于钻柱的起升速度和钻井液的流动，因此，起钻前的钻井液性能是很重要的。它主要包括：粘度、切力、密度。

粘度：粘度就是允许液体流动的力。它也是产生抽汲的一个因素，如果液体变稠或粘度大，当起钻时它就很难流动，钻井液向下回落的速度就慢，特别是环空间除小时，回落的速度就更慢，井底压力的损失就较大，由此而产生的抽汲压力也就会很大。

切力：切力是钻井液中的固体颗粒间相互的吸引力。钻井液在静止时，粘土颗粒之间要形成网状结构，静止的时间越长，网架结构的强度越大，钻井液的静切力也随之增大，当钻井液由静止状态变为流动状态时，必须先克服静切力，然后钻井液才会流动，从而增大了钻井液的初始流动阻力。

在井内的钻井液和钻柱处于静止状态时，钻拄由静止状态变为运动状态，而钻井液不能在钻柱运动的同时立刻流动，必须克服钻井液的静切力后才能开始流动。因此，在上提钻具的开始，为了克服钻井液的静切力，会使井底压力减小，即产生抽汲压力。相反，下放钻柱开始会产生激动使井底压力增加。钻井液的静切力越大，产生的抽汲压力和激动压力也越大。

密度：当钻井液密度太低时，由于地层膨胀，会使环空间隙减小产生较大的抽汲压力。

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较高的钻井液密度能够减小抽汲作用，但过高的钻井液密度会使地层渗漏而使钻井液流入地层。因此，适当的钻井液密度能够减小抽汲压力的产生。

4）井底条件和地层问题

一是取决于压差的大小，井底的压差越小，由此而产生的抽汲压力越大。

二是取决于地层的性质，地层有必要的渗透率，允许地层流体进入井内。

5）钻具的提升速度

起钻时，钻柱在井内的体积不断减少，钻井液要充填钻柱所空出的空间而向下流动，而使井底压力减小。 起钻的速度过快时，可能存在钻具上提所留下的空间钻井液来不及填充的现象，由此而引起较大的抽汲压力。钻柱的上提速度越快，产生的抽汲越大，发生溢流的潜在性越高，由于抽汲而产生溢流的机会随起钻速度的加快而增加。

6）井下钻具组合的规格

不同的钻具组合，所构成的环空间隙不同，由此而引起的流动阻力不同，产生的抽汲压力也不同。下部钻具越长、结构越复杂，抽汲压力产生的机会就越大。带有一个扶正器的钟摆钻具结构所产生的抽汲机会和带有几个扶正器的钟摆钻具结构所产生的抽汲机会就不一样。

在实际起钻操作中，减少抽汲作用到最小程度的原则：

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① 抽汲作用总是要发生的，所以应考虑增加适当的安全附加值。 ② 钻具组合要合理，环形空间间隙要适当：

③ 使钻井液粘度、静切力保持在最低水平，防止钻头泥包； ④ 用降低起钻速度来减少抽汲作用至最小程度；

⑤ 用钻井液补充罐、泵冲数计数器、流量计或钻井液池液面指示计来监控过大的抽汲作用。

起钻时产生的抽汲压力是引起井底压力减小的一个重要原因。下面介绍两种检查抽汲压力的方法。

① 核对灌入井内的钻井液量：这是一种简单易行的方法。在起钻过程中要向井内灌钻井液，灌入井内的钻井液量应等于起出钻具的体积，“当灌入的钻井液量小于起出钻具的体积时，如说明有较大的抽汲压力，地层流体己进入井内。

② 短起下钻法：这种方法是正式起钻前，先从井内起出3—5柱立柱，然后再下回井底，开泵循环。观察返出的钻井液，如发现钻井液有油、气侵现象，则说明由于抽汲压力引起地层流体进入井内。

通过检查，发现地层流体己进入井内后，应停止起钻作业，采取下一步措施。

3、循环漏失

循环漏失是指井内的钻井液漏入地层。这就引起井内液柱高度下降，静液压力减小。当下降到一定程度时，溢流就可能发生。

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当地层裂缝足够大，并且井内环形空间的钻井液密度超过裂缝地层流体当量密度时，就要发生循环漏失。地层裂缝可能是天然的，也可能是由钻井液静液压力过大把地层压裂而产生的。

由于钻井液密度过高和下钻时的激动压力，使得作用于地层上的压力过大。在有些情况下，特别是在深井、小井眼里使用高粘度钻井液钻进，环形空间流动阻力可能高到足以引起循环漏失。以较快的钻速钻到粘土页岩时，也可能出现类似的情况。

激动压力与抽汲压力类似并受相同的参数影响，主要区别是激动压力是在下钻时引起的，而这种压力的变化使井底压力增加。尤其是下套管时的激动压力特别危险，因为这时环形空间的间隙太小，产生的激动压力也就很大。这时，很容易使套管被挤扁或永久变形。

进行地层压漏实验的过程中也会产生过大的井筒压力。进行这些作业必须谨慎，因为地面施加的压力都加进了整个液拄的静液压力之中。

4、钻井液或固井液的密度低

钻井液的密度低是溢流发生最常见的一个原因。一般情况下，钻井液密度过低造成的溢流与其它原因造成的溢流相比，易于发现与控制。但若控制不当也会导致井喷的发生。

钻井液密度低可能是井钻到异常高压地层或断层多的地层，其特点是地层内充满地层流体。充满流体的地层发生井喷可能由于以下几种原因：如钻井密度设计偏低、错误地解释钻井参数、施工操作不当、固井

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质量不好、注入作业产生漏失、井的不合理的报废、发生过地下井喷的地层或浅气层等。

钻井液发生气侵有时严重地影响钻井液密度，降低静液压力。因为气体的密度比钻井液的密度小，所以气侵后钻井液密度会降低。一般情况下，如井内有少量的气体侵入，则对钻井液密度的影响不会太大(浅井除外)。因此，钻井液的静液压力不会下降的很多，井内失衡不会太严重。

在地面错误处理钻井液也是许多情况下造成钻井液密度降低的原因，如：钻井泵上水管阀门错误打开，使钻井液罐中低密度钻井液泵入井内：泵入井内的水比预想的多；用清水清洗振动筛都会影响钻井液的密度。

雨水进入循环系统也会对钻井液密度造成很大影响并使钻井液性能发生很大转变。由于岩屑会使井内的钻井液密度增加，要在循环时向循环系统中加水，如果水加的太多，钻井液密度就会降的太低，造成溢流的发生。

处理事故时，向井内打入原油或柴油，会造成钻井液的密度减小，静液压力也随之减小。因此，在处理事故向井内注油时，应首先进行静液压力校核工作。

钻井过程中，在对钻井液的固相处理时，会使钻井液的密度降低。如：用清水或其它低密度的流体来稀释钻井液时：用清水或低密度的新钻井液替换出一定的高固相含量的钻井液时；在使用离心机清除细小固

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相及胶体时；清除钻屑或对旋流器的底流排出物进行二次分离，回收液相，排除钻屑，都会使钻井液密度下降，导致井内静液压力降低。

在固井时，固井液密度太低，会导致溢流的发生。可以通过节流回压来补偿，如果回压太低，也会发生溢流。

5、异常压力地层

在钻井的过程中，经常遇到一些异常压力地层并对钻井造成危害。世界上大部分沉积盆地都有异常高压地层。沉积盆地中有几种异常压力形成的机理，如前面讲到的压实作用、构造运动、成岩作用、密度差作用、流体运移等均可形成异常压力地层。钻遇异常压力的地层并不一定会直接引起初级井控失败。如用低密度钻井液钻此类地层，初级井控才可能失败。事实上，更多的井喷是发生在正常压力地层而不是异常压力地层。对有可能钻到的高压井，设计时应考虑使用更好的设备而且更密切地注意防止可能发生的井涌。 二、地层的故意溢流

在油气勘探阶段、钻探各类探井的目的是发现和探明含油气构造或新层系。因此，在钻探过程中，遇有油气显示，按设计需要进行钻杆中途测试，以便及时发现和评价油气层。当探井完钻后，也需应用地层测试技术进行完井测试工作，目的是及时准确地获取对油气层全面工业性评价，为进一步扩大勘探提供详实准确的资料。但在测试工作中，由于测试技术本身的要求，往往需要人为地造成井底压力小于地层压力，从而让地层流体进入井内，甚至到达地面，我们把它称之为故意溢流。

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1、钻杆中途测试

在钻井过程中钻遇油气层以后，为了及时了解有关生产层性能及其所含油、气、水等具体情况，需取得有关资料时可进行中途测试。中途测试是用钻杆或油管柱将地层测试仪器下到待测试层段，由于测试压差的作用，使测试层段的地层流体进入井内和测试钻杆内，甚至流至地面，通过分祈、解释获得在动态条件下地层和流体的各种特性参数，从而及时准确地对产层做出评价。在进行施工的过程中，由于是故意引导地层流体进入井内，操作不当很容易引起井喷的发生。因此，应该做到以下几点：

① 应保证井控装置灵活好用、各管线畅通无阻、各部件按要求试压合格；

② 现场储备的钻井液量及其性能，应能保证处理可能会遇到的任何井喷；

③ 测试工具的井口控制头能承受可能出现的最高压力。在高压、高产天然气井使用常规测试管柱测试时，最好在管拄中增装安全阀，以防止流动期间上部管拄意外断落造成管柱内井喷失控而难于处理；

④ 测试工具下钻和起钻中，应观察、记录井筒内和地面循环系统的总钻井液量变化，特别注意总量剧增的异常情况：

⑤ 起钻防止抽汲井喷，遇小井径井段时要放慢上起速度，起钻中保持环空钻井液灌满。如果遇到“灌不进”时，就耐心等待上部环空钻井液通过测试器旁通阀流到封隔器以下的井段，保证有足够的静液柱压力。

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2、完井

完井是钻井工程最后一个重要环节。 其主要内容包括钻开油气层，确定完井方法，安装井底及井口装置和诱导油气流。最终的目的是让地层流体故意进入井内。

由于油、气所储存的地层中的能量不同，在生产层被打开以后，可能会出现两种情况：一种是在一定的液柱压力下，油、气井能自喷；一种是在一定的液拄压力下不能自喷。

对于因液柱压力大，不能自喷的井，应采取降低井内液柱压力的办法，诱导油、气进入。具体的措施可从降低井内液柱高度和钻井液密度两方面入手，属于这类的诱导油流的方法有替喷法、抽汲、提捞和气举法等。因此，在采用上述方法进行施工的过程中就有可能导致溢流的发生。

三、溢流检测

《石油与天然气钻井井控技术规定》明确指出：尽早发现溢流显示是井控技术的关键环节。从打开油气层到完井，要落实专人观察井口和泥浆池液面的变化。

对于潜在的或即将发生的井涌决不要感到奇怪。钻井人员应密切监控井下的情况，并且考虑到可能出现的井控问题。有准备的钻井人员应能够迅速发现异常情况，有效地把井涌、地面压力及井控的各种困难减到最小程度。

概括来讲，钻井人员应当做到下列几点：

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(1)懂得各种井涌的原因。环形空间钻井液静液压力小于地层压力，就有可能发生井涌；

(2)使用适当的设备和技术来检测意外的液柱压力减少； (3)使用适当的设备和技术来检测可能出现的地层压力增加； (4)要能识别各种表示静液压力与地层压力之间不平衡的显示； (5)认识到井涌有可能发展； (6)如果井涌，应立即采取措施。

1、钻井没计时进行的井涌检测

在井的设计中，先要对邻近井的资料进行地层对比、地质预报分析，得到预计的压力剖面和可能的井涌点，方可作出钻井的最后设计。在设计中要做到：

(1)使套管、地层压裂梯度、设计具有相容性； (2)提出监测与防喷设备的适当的选择与安装；

(3)预计地层的各种特性(岩性、压力以及可能的井涌地层)； (4)确定在井涌或井喷时的应急措施。

2、钻井时可能井涌的检测 (1)机械钻速的变化

机械钻速主要取决于井底压力(大部分是静液压力)与地层压力的差值。在地层压力增加而井底压力维持不变的条件下，压差是会减少的。在这种情况下，可以得到较高的机械钻速。

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机械钻速的迅速增加是一种钻速突变。钻速突变表明钻头已钻到地层压力超过井内压力的地层。如怀疑钻到异常压力，应停钻检查井的流量情况。如果在停泵时井内流体继续流出，说明井涌在发展。在危急情况下，即使没有流体流出也应当自上而下地进行循环。这样可调整好钻井液性能，以保证井内没有地层流体进入。

地层岩性改变时可以同样发现机械钻速的显著变化。有时，机械钻速剧烈下降。这同样是一种钻速突变，而且应当立即进行检查。 (2)岩屑的变化

岩屑的观察与分析同样可以指示地层压力变化的情况。压差减少，大块页岩将开始坍塌， 这些坍塌的“岩屑”很容易识别，因为它们有特殊的尺寸和形状。这些岩屑比正常岩屑大一些，并呈长条、带棱角或者像一只开口凹形的手掌。

如果钻井液不能够悬浮并清除大量的大岩屑，坍塌的页岩将下沉，积聚在井底。结果是增加井底填充物，钻进时扭矩增大，起下钻阻力增大。

录井人员所做的页岩岩屑的详细化学与物理分析，可以提供附加资料。页岩单位体积重量的减少或者页岩矿物成分的某些变化可能与地层压力的增加有关系。 (3)钻井液性能的变化

钻井液循环可能把所钻的井下地层岩屑带上来。当然，钻井液是一种采集岩屑进行观擦与分析的手段。同样，钻井液也是侵入井内的地层流体的携带者。

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地层流体（天然气、油或盐水）或钻井液密度不足以平衡地层压力时进入井内。如果侵入量大，就会发生井涌。如果侵入量小(尽管可能是连续的)，地层渗透性很差，则大段页岩井段内可以安全地进行“欠平衡”钻进。

起钻以及接单根时的抽吸作用能降低有效静液压力，也可使地层流体进入井内。假如钻井液的静液压力比地层压力高得多，侵入体积通常是小的。但是，若在钻具运动前该压差小，那么很容易引起井涌。 (4) 钻井液柱高度降低

井内钻井液液面的下降会降低静液压力。钻井人员应当认识到静液压力下降到一定程度时，就有可能导致井涌。

井漏会降低井内的钻井液液面。钻井液柱高度的降低取决于地层压裂梯度与漏失层位的深度，井内液柱压力超过地层压裂强度时，就会造成井漏。

高钻井液密度以及起下钻时的压力波动，会使地层受到过大的压力，特别是在深井小井眼内静液压力加上环形空间的摩擦压力损失有可能高到足以破坏地层。

井漏的第二种显示是泥浆罐液面下降。这种情况发生在泵入井内的钻井液量大于返出的钻井液量。排出管线上相对流量剧烈下降时，井漏首先能检测出来。

3、钻井时已发生井涌的检测

钻进时井涌信号表示地层内的流体可能正在进入井内，钻井人员

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应当立即关井以控制井涌。如果压裂地层就不能关井，就应当把井内的流体安全地向井场外分流。

地层流体侵入井内，会在钻井液循环系统引起两种显著的变化。首先是侵入流体的体积增加了在用钻井液系统的钻井液总量。第二，钻井液返回的排量超过钻井液泵入量。这两种变化可用下列方法检测。

(1)排出管线相对排量增加； (2)停泵，井内流体继续排出； (3)罐内钻井液体积增加； (4)泵压降低，排量增加；

(5)在起钻时，灌入的钻井液量不正常。

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