淺談關井立壓和關井套壓

王 剛

（大慶鉆探工程公司鉆井一公司，黑龍江大慶163411）

發生溢流關井后，首先記錄關井立壓、關井套壓和溢流量，這3個數據的錄取是公司代表的職責。如果鉆柱在井底且鉆柱上沒有安裝內放噴工具（如浮閥、回壓凡爾等），則關井立壓可以從立管壓力表上直接讀取，如果鉆柱上安裝有浮閥，則必須執行頂開浮閥的程序求取關井立壓。起下鉆過程中發生溢流關井后，除非執行鉆頭不在井底的壓井程序，一般不要求錄取關井立壓，而關井套壓、溢流量、整個壓井過程時間的準確記錄、鉆頭的位置等數據則必須由公司代表錄取。這些數據收集齊全后，由鉆井公司代表及其監督等研究確定適合的壓井方法，包括司鉆法、工程師法、邊循環邊加重法、體積法、甚至包括強行下鉆到底等方法。正確理解“U”型管的概念對于正確理解地面壓力以及成功地執行這些井控方法起著至關重要的作用。

1“U”型管的概念

為了有效地應用井控程序，必須透徹地掌握井底壓力、套管壓力和鉆桿壓力之間的相互關系，也許最好的方法是通過“U”型管的概念來說明這種關系。

圖1表示2個尺寸相同的垂直管子的橫截面在底部被一根水平管子連通，當系統中加入密度相同的流體時，A柱和B柱兩端液面將相同，這種結構通常稱為“U”型管，因為其形狀類似于字母U。“U”型管是用來描述鉆桿在井眼內井眼狀況的常規方法，鉆桿側代表A柱，環空側代表B柱，“U”型管底部的開孔被看作是通過鉆頭水眼的開孔，A柱底部壓力等于B柱底部壓力，被看作是井底壓力。

為了理解和解釋“U”型管的概念，需要提供2個公式，這2個公式如下：

圖1 簡單“U”型管分析

靜止狀態基本的井控公式：

井底壓力=靜液壓力+地面壓力

靜液壓力=0.052×泥漿密度×垂直井深

在流體液面靜止的“U”型管中，A柱產生的井底壓力等于B柱產生的井底壓力，數學表達式如下：

“U”型管的基本概念：

靜液壓力（A柱）+地面壓力（A柱）=靜液壓力（B柱）+地面壓力（B柱）=井底壓力

當“U”型管兩側充滿相同密度流體時沒有太大意義，在這種情況下，管子兩側的靜液壓力以及地面壓力相同，當鉆頭下到井底并且鉆桿和環空充滿相同密度鉆井泥漿時就是這種情況，在井口流體液面保持靜止，鉆桿側和套管側兩端地面壓力為零，鉆桿側靜液壓力等于套管側靜液壓力。

然而，當“U”型管兩側裝有不同密度流體時更有意義，在這種情況下，管子兩側靜液壓力以及地面壓力可能是不同的，當鉆頭在井底時發生溢流就會出現這種情況，溢流的發生是因為井底壓力大于井內泥漿柱壓力。當關井時，井眼停止流動，欠平衡壓力值作為地面壓力反映在鉆桿壓力表上。

環空流體不再單獨由鉆井泥漿組成，它也包括較輕的地層流體，從而減小了環空總靜液壓力。因此環空側欠平衡壓力值大于鉆桿側，從而導致關井套壓大于關井立壓。其效果如圖2所示。

在圖2中，井深10000ft，使用10ppg泥漿鉆進到異常高壓砂巖地層，地層壓力是5740psi，溢流量30bbl。因為10ppg泥漿的靜液壓力僅等于5200psi（1000ft×10ppg×0.052=5200psi），鉆桿側欠平衡壓力值是540psi，這個壓力值反映在關井立管壓力表上，該壓力表位于“U”型管A柱側。環空側靜液壓力等于環空內泥漿靜液壓力加上環空氣體的靜液壓力。由于環空有30bbl泥漿被較輕氣體所置換，因此環空側總靜液壓力小于鉆桿側靜液壓力。在這個井眼結構中30bbl泥漿產生的靜液壓力比30bbl氣體產生的靜液壓力大140psi。因此關井套壓即“U”型管B柱側頂端的壓力比鉆桿壓力表顯示的壓力值大140psi。

圖2 簡單“U”型管分析

2 頂開鉆桿浮閥的程序

如果安裝了鉆桿浮閥，鉆桿壓力表上壓力讀數將接近于零，為了準確獲取關井立管壓力，必須緩慢向鉆桿內泵入泥漿頂開浮閥。頂開鉆桿浮閥的正確程序如下。

頂開鉆桿浮閥程序：

（1）確保關井并記錄了關井套壓；

（2）緩慢開泵向鉆桿內泵入泥漿，同時監視套壓和立壓；

（3）當開始泵入時立壓增加，仔細觀察立管壓力，當浮閥閥芯被頂開離開閥座時，立管壓力將出現一個暫停，當第一次觀察到暫停時，記錄此時的立管壓力值；

（4）驗證浮閥確實已經被頂開，繼續非常緩慢地向鉆桿內泵入泥漿，直到觀察到套壓增加為止，這將會在立管壓力表上出現暫停后很快出現；

（5）套壓一開始增加就立即停泵，錄取關井立管壓力等于上面步驟3中記錄的立管壓力值，即立管壓力表暫停時的數值（不是最后停泵時的立管壓力值）；

（6）再次檢查關井套壓，以小增量釋放過大的壓力，直到連續2次釋放都觀察到相同的讀數為止，釋放壓力時，不允許套壓下降到低于其原始關井套壓值。

如果井隊使用的是大的雙缸復合泵，上面敘述的頂開浮閥程序會很困難，也許需要間斷地開停泵緩慢增加鉆桿壓力。當使用這個程序時，套壓增加前不會出現鉆桿壓力停頓的現象，在這種情況下，確定關井立壓是用停泵后的最終鉆桿壓力值減去套壓的增加值，用這個值作為正式的關井立壓值。

3 正確理解關井立壓和關井套壓

關井地面壓力通常取決于欠平衡值以及侵入井內的地層流體密度和地層流體量，關井立壓和關井套壓分別代表地層壓力與鉆桿以及環空靜液壓力之差，這2個壓力受欠平衡值影響相同。更具體地說，地層壓力與靜液壓力之間差值越大，關井壓力越高，在這種情況下，較高的關井套管壓力會壓漏地層。為了減小井底壓力過大導致套管鞋處地層破裂的可能性，重要的是盡早發現和快速關閉防噴器。

通常關井套壓大于關井立壓，因為環空內地層流體密度小，在這種情況下，環空流體總的靜液壓力小于鉆桿內靜液壓力，所以需要更高的關井套壓去平衡地層壓力。環空與鉆桿內靜液壓力之差不僅僅取決于地層流體量（在環空所占高度），同時也取決于其密度，相同體積氣體溢流關井套壓比油或鹽水溢流大許多。

通常關井時鉆頭不在井底或大部分或全部地層流體在鉆頭下面，關井套壓與關井立壓讀數相同，在這種情況下，由低密度地層流體侵入引起的靜液壓力減小值對套壓和立壓的影響相同。類似情況也出現在鉆柱上有孔所有溢流圈閉在小孔之下。

4 結論與認識

當思考欠平衡值和溢流量對井底壓力的影響時，必須考慮溢流位置與相關深度的關系。如果相關深度在溢流之上，則全部套壓必須加上相關深度以上泥漿靜液壓力，但是如果相關深度位于溢流中間或溢流之下，則地面總套壓對相關深度的影響就減小了。這也適用于從井眼內循環排除溢流期間，例如淺層套管鞋處的壓力在氣體到達套管鞋之前通常隨著循環排除氣體而增大，直到氣體頂部到達套管鞋為止，當氣體到達套管鞋時，套管鞋處壓力將減小，直到氣體全部進入套管為止，當氣體完全進入套管后，套管鞋處壓力將保持不變直到氣體被全部從環空排除為止。環空溢流流體與相關深度的關系將決定過大套壓對套管鞋處壓力的影響。