煤矿油田井下专用的气(井下各种压力的概念及其相互关系)

Posted 2023-06-02

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煤矿油田井下专用的气(井下各种压力的概念及其相互关系)

好久没有更新井控方面的知识，今天在网上找到了一些基础的井控方面的知识，对于初入新参加工作的人员可以好好学习一下，比如静液压力是什么，地层压力是什么，以及不同工况下井底压力的组成。
压力是井控最重要的基本概念之一。了解压力的概念及各种压力之间的关系，对于掌握井控技术和防止井喷是十分必要的。油气井压力控制的主要任务表现在两个方面：一是通过控制井液密度使压井作业在合适的井底压力与地层压力差下进；二是在地层流体侵入井筒后，通过调整合理的井液密度及控制井口压力，将侵入井筒与管柱环空内的地层流体排出，并建立新的井底压力与地层压力的平衡关系。

1.1井下各种压力的概念
1.1.1压力的基本概念
石油工业中，常用压力表示物体单位面积上所受的垂直力，即物理学上的压强。由此可见，压力与力和面积有关。
压力的基本单位是帕，符号是Pa。1Pa是1m²面积上受到1N的垂直力时所形成的压力。即
1 Pa=1 N/m²
用帕作为单位太小，根据工程需要，常用千帕(kPa)或兆帕(MPa)表示压力。其换算关系为：
1kPa=1×10³Pa
1 兆帕(mpa)=1000 千帕(kpa)
与工程大气压的换算关系是：
1 MPa=10.194 kgf/cm²
或
1 kgf/cm²=0.098 MPa
粗略计算时，可认为：
1 kgf/cm²≈100 kPa=0.1 MPa 其误差约为2%。
1.1.2静液压力
静液压力是由静止液体重力产生的压力。
静液压力是液柱密度和垂直高度的函数，其大小取决于液柱密度和垂直高度。

静液压力，MPa;
重力加速度，取9.81m/s²;

H-液体的垂直高度，m

液体密度-g/cm³

1.1.3地层压力是指作用在地层孔隙内流体上的压力,也称地层孔隙压力。油气生产和井下作业中常用到的油(气)层静压是指目前地层压力。正常情况下，地下某一深度的地层压力等于地层流体作用于该处的静液压力,这个压力就是由某深度以上地层流体静液压力所形成的。
若地层水为淡水,则密度为1.00g/cm³。;若地层水为盐水，则密度随地层水的含盐量而变化。

正常地层压力盐水是常见的地层流体，密度大约为1.07g/cm³。地层压力梯度大约是10.496kPa/m。
属于正常压力梯度范围,将深度乘以10.496kPa/m即可求得含盐水地层中的压力。如所有静液压力计算一样，对斜井井深必须用垂直井深。在我国正常地层压力的范围是9.8~
10.496kPa/m或1.0~1.07g/cm³。地层中某点的正常地层压力等于该点地层水的静液压力。

2. 异常高压和异常低压
地层压力正常或者接近正常静液压力，则地层内的流体应一直与地面连通。但这种流体连通常常被封闭层或断层截断。在这种情况下，隔层下部的流体必须支撑上部岩层的部分重量。岩层重于地层水，所以地层压力超过静液压力。我们称这种地层为异常高压地层或超压地层。即地层压力大于正常压力梯度时，称为异常高压。我国大部分油田及世界大部分沉积盆地都有异常高压发生。反之，地层压力小于正常压力梯度时，称为异常低压。这种情况发生于衰竭的产层和大孔隙的老地层。

1.1.4地层破裂压力
地层破裂压力是指某一深度处地层抵抗水力压裂的能力。当作用在地层上的压力达到地层破裂压力时，使地层原有的裂缝扩大延伸或使无裂缝的地层产生裂缝。从井下作业安全方面讲，地层破裂压力越大，地层抗破裂强度就越大，越不容易被压漏，作业越安全。为了方便比较，破裂压力通常以压力梯度或当量密度来表示，常用单位是MPa/m或g/cm³
在井下作业中，井内液柱压力的下限要与地层压力相平衡，既不污染油气层，又能保证井差别较大的裸眼并段，如措施不当会造成先漏后喷。破裂压力是制定施工措施及确定最大关井套压的重要依据。
1.1.5波动压力
1.激动压力和抽汲压力

激动压力和抽汲压力统称为波动压力。

抽汲压力是上提管柱时，由于井液的运动引起的井内压力瞬时降低值。

激动压力产生于下管柱时，因管柱下行挤压井内的井液，使其向上流动：井液向上流动受到的阻力，便是激动压力，其结果是增大有效井底压力。

3. 激动压力和抽汲压力的影响因素
波动压力的实质是井内流体的流动阻力，因此，影响其大小的因素包括：
(1)管柱的起下速度
起下管柱速度是影响波动压力的主要因素。速度越大增加值越大。
(2)井液性能（黏度、静切力、密度等）
井液的黏度越高、密度越高、静切力越大，井液从静止状态到流动状态所克服的流动阻力就越大。因此，井内管柱上下运动或开泵时就会造成过大的波动压力。
(3)井筒和管柱之间的环形间隙
环形间隙越小，流动阻力越大，波动压力越大。
(4)管柱开闭状态
管柱处于堵塞状态时产生的波动压力比管柱处于畅通状态时更大。
应严格控制起下速度，防止速度过快，尤其是在油气层附近时更应高度重视；起下管柱时，严禁猛提猛放，以防止产生过大的波动压力；应调整好井液性能，防止因切力、黏度过大产生较大的波动压力；应保持井筒畅通，防止引起严重抽汲。
1.1.6循环阻力
流体通过管汇、管嘴或者节流板产生的压力损失，称为循环阻力。不论从地面向井内注入液体还是从井筒中替排出液体，都会产生压力损失。这个压力损失是由于液体与油管、套管的摩擦所引起的，压力损失的大小与井内液体的密度、黏度、井深、排量成正比，与过流面积成反比。循环阻力的方向与流动方向相反，朝向流动的上游方向。

1.1.7地面压力
泵压是指泵出口端的井液压力。正常情况下，泵压就是发生在地面管汇、油管和环形空间
1.泵压的摩擦压力损失之和。如果环形空间与油管之间的静液压力不平衡，也将影响泵压。
2.油管压力
油管压力是指地面显示的油管内压力。
关井油管压力（关井油压）是指关井后地面显示的油管压力，是地层压力与管柱内液柱压力的差值。注意：有时可能包含圈闭压力。
3.套管压力
套管压力是地面显示的套管一侧压力。
关井套管压力（关井套压）是指关井后地面显示的套管压力（环空压力），是地层压力与环
空内液柱压力的差值。注意：有时可能包含圈闭压力。

2.1.8井底压力
井底压力是指井底流体具有的压力，是地面和井内各种压力作用在井底的总和。这个压力随着作业工况的不同而变化。
2.1.9井底压差
井底压差△p是井底压力与地层压力之间的差值。如果井底压力大于地层压力，
其差值为正；如果井底压力小于地层压力，则压差为负。
当井底压力>地层压力时，△p>0,井底为过平衡；当井底压力稍大于地层压力,时，△p稍大于0，井底为近平衡；当
井底压力=地层压力时，△p=0,井底压力与地层压力相平衡；当井底压力<地层压力,时，△p<0,井底为欠平衡，出现负压差。
1.1.10
压力的表示方法
我国石油作业现场有四种压力表示方法。
1.用压力单位表示
这是一种直接表示法，如100kPa、10MPa。
2.用压力梯度表示

压力梯度是指单位深度或高度地层压力的变化量，即单位井深压力的变化值。计算公式为：
G=p/H=10-3pg=0.00981p
式中
G一压力梯度，MPa/m;
p—压力，MPa;
H一深度，m;
井液密度，g/cm³。
用压力梯度表示压力，方便之处在于对比不同深度的压力时，可消除深度的影响
已知井液密度为1.20g/cm³,井深为3500m,求压力梯度和并底静液压力
解：压力梯度G=10-3pg=10-3×1.20X9.81≈0.0118MPa/m）
静液压力p=0.0118×3500=41.3(MPa)
3.用当量密度表示
其深度的压力等于具有一定寄度的流休在该点所形成的液柱压力，则可以用该击度表该处的压力，称为当量密度。该方法的优点是便于同并液密度相比较。
当量密度=p/(10-3gH)=G/(10-3g)
式中p。一当量密度，g/cm³。
例如在3000m处的地层压力为40MPa,则：
=p/(10-3gH)=40/(10-3×9.81×3000)≈1.36(g/cm3)
这种压力表示方法与压力梯度类似，电可以在对比不同深度压力时消除深度带来的不便
4.用压力系数表示
这种方法是某深度压力与该点水柱静压力之比，无因次，其数值等于该点的井液当量密度。
由于压力表示方法的不同，对于某一压力可能有不同的叫法，但本质却是同一个压力。例如，井深2000m处的压力是23.544MPa,也可说压力梯度是1.772kPa/m,也可说当量密度是1.20g/cm3,或说压力系数为1.20。

不同工况下井底压力的组成
井底压力是井底流体所具有的压力，其大小是随着工况的不同而变化的，了解不同工况下的井底压力变化，对预防溢流具有重要意义。
2.2.1开井静止工况
井底压力=井液静液压力。
2.2.2正循环工况
井底压力=环空静液压力十环形空间压力损失
2.2.3反循环工况
井底压力=管柱内静液压力十管柱内压力损失。
2.2.4关井工况
井底压力=静液压力十井口回压。

2.2.5节流循环公况

井底压力=环形空间静液压力+环形空间压力损失+节流压力。