天然氣溢流的膨脹與運移

第八節(jié)天然氣溢流的膨脹與運移一、 天然氣的特點與危害天然氣是可壓縮的流體，其體積取決于其上所加的壓力。壓力增加，體積減??；壓力降低，體積增大。天然氣的壓力與體積變化情況，近似于“反比例”。這意思是，當壓力增加一倍，其體積減小一半；反之，當壓力減小一半，其體積增大一倍。天然氣密度比鉆井液小得多，鉆井液中的天然氣，在密度差的作用下，總是向井口方向運移。天然氣還具有擴散性大、易燃、易爆的特點。鉆井液中混有天然氣，還嚴重影響鉆井泵的上小效率。天然氣中的h2s有劇毒，對鉆井工人的人身安全造成威脅，對鉆具和井控裝置有很強的腐蝕，使它們造成氫脆破壞；硫化氫能加速非金屬材料的老化，使鉆具中、井控裝置中的密封件失效；H2S對小基鉆井液具有較大污染，甚至形成流不動的凍膠。天然氣侵入井內(nèi)后，造成靜液壓力和井眼壓力改變，特別是天然氣在上升膨脹過程中，接近井口的迅速膨脹，極易誘發(fā)井噴，因此，使井控更復雜，更難處理。必須研究和掌握天然氣的特點，避免和減小它對鉆井的危害。二、 氣體定律適用于天然氣的氣體定律通常采用下式：Pv=ZnRT (8—1)式中P——絕對壓力；V 體積；N——克分子數(shù)；R――氣體常數(shù)T——絕對溫度；Z――壓縮性系數(shù)。(7—1)式可寫成Pv=ZW/WPTW/M=n式中W-—氣體的總重量；M 氣體的分子量。因此Pv/w=ZRT/M或V=ZRT/PM式中V——氣體的比容。同樣1/V=p=PM/ZRT式中P——氣體的密度。另外，也可以寫成氣體克分子數(shù)常數(shù)的形式PV/Zt=PV/ZT=nR=常數(shù)11 11 22 22三、 天然氣侵入井內(nèi)的方式1、 巖屑氣侵在鉆井氣層的過程中，隨著巖石的破碎，巖石孔隙中的天然氣被放出來而侵入鉆井液。侵入天然氣量與巖石的孔隙度、井徑、機械鉆速和氣層的厚度成正比。鉆開厚氣層時，應控制機械鉆速，從而控制侵入鉆井液中的天然氣量，天然氣被循環(huán)到地面后，應進行地面除氣，減小天然氣對鉆井液柱壓力的影響。2、 重力置換氣侵鉆遇大裂縫或溶洞時，由于鉆井液密度比天然氣密度大，產(chǎn)生重力置換。天然氣被鉆井液從裂縫或溶洞中置換出來進入井內(nèi)，并在井內(nèi)聚成氣柱。3、 擴散氣侵氣層中的天然氣穿過泥餅向井內(nèi)擴散，侵入鉆井液。侵入井內(nèi)的天然氣量與鉆開氣層表面積、濾餅的質(zhì)量等因素有破壞或停止循環(huán)時間很長時，侵入量會增大。即使在井底壓力大于地層壓力時，天然氣也會侵入井人。發(fā)生以上三種氣侵，可通過地面除氣手段從鉆井液中排除天然氣。4、 氣體溢流井底壓力小于地層壓力時，天然氣會大量侵入井內(nèi)。井底的負壓差越大，進入井內(nèi)天然氣越多，很容易在井內(nèi)積聚成氣柱，造成井噴。5、 抽吸壓力鉆柱提升速度快，鉆井液切力大，粘度大。井眼縮徑和鉆頭泥包都將引起過大的抽吸壓力，過大的抽吸壓力是引起井噴和井眼垮塌的重要因素，因此應引起足夠的重視。四、 天然氣侵入井內(nèi)對井內(nèi)液柱壓力的影響1、 天然氣井在井內(nèi)的存在形式及運動形式天然氣主要是以微小氣泡的形式存在于鉆井液中，有時以氣柱的形式存在于鉆井液中。氣泡和氣柱隨著鉆井液循環(huán)在環(huán)空上返至井口。循環(huán)時，鉆井液中的氣泡和氣柱由于密度小，在鉆井液中滑脫上升。2、 天然氣對鉆井液密度的影響天然氣剛侵入井內(nèi)，處在井底，受到的壓力大，體積小，對鉆井液密度影響小。天然氣從井底向井口上升過程中，由于所受液柱壓力逐漸減小，氣泡就逐漸膨脹，體積增大，單位體積鉆井液中天然氣體積增多，鉆井液密度則逐漸減小。當氣泡上升至接近地面時，氣泡體積膨脹到最大，而鉆井液密度降到最小。天然氣侵入井內(nèi)后，井內(nèi)鉆井液密度隨井深自下而上逐漸變小。3、 天然氣侵入鉆井液密度計算及氣侵后液柱壓力減小值⑴天然氣侵入鉆井液密度計算pmh=apm/{a(1-a)ps/ps+0.0098pmH}式中pmh 在井深處氣侵鉆井液密度，g/cm3；a--地面氣侵鉆井液密度與氣侵前鉆井液密度的比值；pm--未氣侵鉆井液密度，g/cm3；H—計算井深，m。⑵氣侵鉆井液柱壓力減小值pm={2.3(1-a)ps/a}log{ps+0.0098pmH}/ps式中APm--受侵鉆井液柱壓力減小值，MPa；其他符號意義同上。例1已知某井井深10000m,井口返出的氣侵鉆井液密度為0.6g/cm3,井內(nèi)未氣侵時的鉆井液密度為1.20g/cm3,開井循環(huán)時，求氣侵鉆井液在10000m與1000m處壓力減小值？解a=0.6/1.2=0.5ps=0.098MPa(開井時，地面壓力取0.098MPa；關井時，地面壓力取關井套壓值)。10000m處的靜液壓力減小值：△pm={2.3(1-a)ps/a}g{ps+0.0098pmH/ps}={2.3(1-0.5)*0.0098/0.5}g{0.0098+0.0098*1.2*104/0.098}=0.694MPa1000m處的靜液壓力減小值：pm={2.3(1-a)ps/a}g{ps+0.0098pmH/ps}={2.3(1-0.5)*0.0098/0.5}g{0.0098+0.0098*1.2*104/0.098}=0.47MPa例2某井鉆進到3000m時發(fā)生氣侵，未氣侵時鉆井液密度為1.30g/cm3,氣侵后井口鉆井液密度為04g/cm3，氣層壓力系數(shù)1.20，求井底靜液柱壓力？怎樣處理？解a=1.04/1.30=0.8pm={2.3(1-a)ps/a}g{ps+0.0098pmH/ps}={2.3(1-0.8)*0.0098/0.8}log{0.0098+0.0098*1.30*3000/0.098}=0.146MPapb=pm-△pm=0.0098*1.30*3000-0.146=38.074MPapb=0.0098*1.20*3000=35.28MPap=pb-pp=38.074-35.28=2.794MPa過平衡量低于標準3.0?5.0MPa，應邊除氣邊加重鉆井液，使井底壓力大于地層壓力3.0?5.0MPa,井出口鉆井液密度相等。4、鉆井液發(fā)生氣侵后應注意的問題⑴鉆井液發(fā)生氣侵，不能用井口測量的密度值計算井內(nèi)氣侵液柱壓力。⑵氣侵對井內(nèi)靜液柱壓力影響不同。井越深，影響越?。痪綔\，影響越大。⑶發(fā)生氣侵，采取的首要措施是地面除氣。除氣后的鉆井液注入井內(nèi)，返出密度不再下降，則目的達到。若返出密度小于注入密度，應適當加重鉆井液，使進出口密度相等。氣侵是發(fā)生溢流的前兆，應當認真處理。如果氣侵任意發(fā)展，則可能導致井噴。

5、開井狀態(tài)下氣柱對井內(nèi)壓力的影響鉆開氣層后，長時間停止循環(huán)，侵入井內(nèi)的天然氣在井底聚積成氣柱。氣柱靠密度差形成的浮力在鉆井液里滑脫上升。若氣柱壓力大于其上的鉆井液柱壓力或氣柱上升后氣柱壓力大于其上的鉆井液壓力，氣柱將膨脹，，將其上的鉆井液排出地面。氣柱在井內(nèi)上升對井底壓力的影響如圖15—5所示。圖中所示為在井眼直徑215.9mm與鉆桿直徑114.3mm的環(huán)形空間，井內(nèi)鉆井液密度為1.20g/cm3,井深3000m處有0.26m3天然氣柱上升情況。這種情況在一些起鉆桿開始發(fā)生部抽汲的井中容易發(fā)生。圖8—2氣柱的膨脹上升氣柱上升到井深1500m，氣柱體積變?yōu)?.52m3，高度變?yōu)?0m，井底壓力同35.38降到35.14MPa。氣柱繼續(xù)上升膨脹，井底壓力繼續(xù)上升到井口時，氣柱體積變?yōu)?.32m3,高度變?yōu)?0m，井底壓力下降到31.62MPa。氣柱上升到一定高度后，由于上面壓力減小，氣柱體積的膨脹就足以使上部鉆井液自動外溢噴出。發(fā)生自動外溢后，氣柱上面的鉆井液壓力小于地層壓力，則會使天然氣進入井內(nèi)造成井噴。對于油氣活躍的井，下鉆時，應分段循環(huán)排除油氣。下鉆過程發(fā)現(xiàn)油氣侵嚴重，應節(jié)流循環(huán)排除油氣，防止發(fā)生后效引起井噴。6、關井狀態(tài)下氣柱對井內(nèi)壓力的影響發(fā)生氣體溢流關井，或起鉆發(fā)生抽汲氣體溢流而關閉的井中，天然氣在關井狀態(tài)下滑脫上升。氣體滑脫上升的速度主要取決于鉆井液粘度、切力，及與鉆井液密度差。如果粘度低，切力小，密度大，則上升快；反之，則上升慢。關井狀態(tài)下，氣體不能膨脹，因為井內(nèi)容積固定，鉆井液又不可壓縮，氣體要膨脹，沒有容積，因此氣體體積不變。氣體體積不變，它所具有的壓力不

體要膨脹，沒有容積，因此氣體體積不變。氣體體積不變，它所具有的壓力不變。氣體滑脫上升過程中，始終保持著原來的井底壓力值。天然氣上升到地面變。氣體滑脫上升過程中，始終保持著原來的井底壓力值。天然氣上升到地面時，這個壓力就被加到鉆井液柱上，作用于整個井筒，造成過高的井底壓力。由于氣體滑脫上升，套管處壓力和鉆井液當量密度都增加，可能導致井下井噴。如圖所示8—3圖8—3表明了關井狀態(tài)下氣體滑脫上升井內(nèi)壓力、井口壓力的變化情況。圖中所示井內(nèi)鉆井液密度1.20g/cm3,井深3000m,0.26m3氣體侵入井內(nèi)，此時的井底壓力為35.378MPa。天然氣在關井及體積不膨脹的條件下上升，當天然氣上升到井深一半處，即1500m時，仍保持在井底時的壓力值35.378MPa不變。則這進的井底壓力與井口套壓分別為：pb=pp+0.0098pmL1=35.378+0.0098*1.20*1500=53.018MPapa=pp-0.0098pmL2=35.378-0.0098*1.20*1500=17.378MPa式中L1――所氣柱以下的鉆井液高度，m；L2――氣柱以上的鉆井液高度（氣柱高度不計），m。當天然氣上升到井口時，井底壓力及井口套壓：pb=pp+0.0098pmH=35.378+0.0098*1.20*3000=70.658MPapa=pp=35.378MPa天然氣上升到其它井深時，井底壓力和井口壓力如圖中8—3所示。通過上面的例子得出以下結論：1、 關井時，井要承受很高的壓力，要求井口防噴器裝置有足夠高的工作壓力。2、 發(fā)生氣體溢流不應長時間關井，避免超過最大關井套壓。3、 氣體滑脫上升引起井口壓力不斷升高，不能府為地層壓力很高，不能錄取這時的井口壓力。五、立管壓力法1、 立管壓力法原理通過節(jié)流閥，間斷放出一定數(shù)量的鉆井液，使天然氣膨脹，氣體壓力降低，通過立管壓力控制天然氣的膨脹和井底壓力，使井底壓力略大于地層壓力，以防止天然氣再進入井內(nèi)，又不壓漏地層。2、 操作方法：1）先確定一個比初始關井立管壓力高的允許立管壓力值Pd1和放壓過程中立管壓力的變化值4pd；國外一船取&pd=0.343?0.686MPa，此值在壓力表上不好讀出，可取Pd=0.5?1MPa。比初始關井壓力Pd大1MPa。例如：關井立壓Pd=3MPa,則Pd1=4MPa，△Pd=0.5?1MPa。2） 當關井立管壓力Pd增加到（Pd1+APd）,即增加到（3+1）+1=5MPa時，通過節(jié)流閥放鉆井液，立管壓力下降到Pd1，即下降到4MPa時關井。3） 關井后天然氣繼續(xù)上升，立管壓力再次升到（Pd1+APd）時，即增加到（3+1）+1=5MPa時，再按上述方法放壓，然后關井。這樣重復進行，可使天然氣上升到井口。放壓過程中，由于環(huán)空放出鉆井液，環(huán)空靜液壓力減小，因此套壓增加一個值，增加的值等于環(huán)空靜液壓力減小值。4） 不適用立管壓力方法的情況當發(fā)生如下情況，則不能應用立管壓力法，而要采用容積法：鉆頭小眼被堵死，立管壓力有能讀值；鉆頭位置在氣體之上；鉆具被刺漏等。六、容積法1、 容積法原理容積法原理是依據(jù)井底壓力、環(huán)空靜液壓力和井口套壓的變化關系，控制井底壓力略大于地層壓力，讓氣體上升膨脹。井底壓力的變化是由于地面套壓的變化或環(huán)空靜液壓力的變化引起的。環(huán)空靜液壓力變化又是由于氣體膨脹時鉆井液量的減少所致。環(huán)空靜液壓力減小值通過增加套壓補償。環(huán)空靜液壓力減小值為：APm=0.0098pm（AV/Va）（8-4）式中 APm=環(huán)空靜液壓力減小值，MPa；pm=環(huán)空鉆井液密度，g/cm3；AV=環(huán)空鉆井液減少值（放出的鉆井液量，應放入計量罐中計量），m3；V3=每m環(huán)空容積，m3/m。環(huán)空靜液壓力的減小值，也就是套壓升高值（補償靜液壓力減小值，維持井底壓力平衡地層壓力）。APm=APa （8-5）式中APa—一套壓升高值，MPa。2、 操作步驟：1） 先確定一個大于初始關井套壓的允許值壓值Pa1，再確定一個套壓變化值APa'，例如：初始關井套壓Pa=5MPa，允許套壓值Pa1=6MPa，套壓變化值APa'=0.5MPa。2） 當關井套壓由Pa上升到Pa1+APa'=6+0.5=6.5MPa時，從節(jié)流閥放出鉆井液，使套壓下降到Pa1，即6MPa，關井；放出鉆井液量AV1，環(huán)空靜液壓力下降值即套壓增值：APa1=APm1=0.0098pm（AV1/Va）（AV1