1、井喷预测及智能控制研究报告I目录一、项目背景 .- 1 -1.1 立项缘由及依据 - 1 -1.2 国内外研究现状 - 2 -1.3 研究目标及内容 - 4 -1.4 项目研究方案及技术路线 - 5 -1.5 项目研究意义与创新 - 6 -二、井喷预测与控制 .- 9 -2.1 井喷原理 - 9 -2.1.1 U 型管井喷机理解释模型 .- 9 -2.1.2 井下油气藏储集层压力特点 .- 10 -2.1.3 油气井井底压力系统的相互关系 .- 10 -2.1.4 溢流的产生和流体的运移 .- 16 -2.1.5 诱发井喷的因素 .- 18 -2.2 井喷预测机理 - 19 -2.2.1 溢流
2、与井喷 .- 19 -2.2.2 溢流原因分析 .- 19 -2.2.3 井喷预兆 .- 20 -2.2.4 溢流的检测和预报 .- 21 -2.2.5 相关参量变化规律分析 .- 22 -2.3 井喷控制技术原理 - 23 -2.3.1 关井措施 .- 23 -2.3.2 常规压井井控技术 .- 23 -2.3.3 非常规压井井控技术 .- 24 -2.3.4 节流压井管汇控制技术 .- 25 -三、井喷预测及智能控制决策系统 .- 29 -3.1 决策系统总体设计 - 29 -3.2 专家控制系统 - 30 -3.2.1 系统结构 .- 30 -井喷预测及智能控制研究报告II3.2.2 知
3、识库设计 .- 32 -3.2.3 知识表示与推理 - 33 -3.3 专家控制器 - 35 -3.3.1 专家控制器分类及特点 .- 35 -3.3.2 专家 PID 控制 .- 37 -3.3.3 PID 专家控制器系统 - 40 -3.4 决策系统数学模型 - 42 -3.4.1 井喷预测数学模型 - 42 -3.4.2 井喷控制数学模型 .- 42 -3.5 模型仿真与分析 - 45 -3.6 决策系统工作模型 - 47 -四、硬件系统设计 .- 49 -4.1 总体方案 - 49 -4.2 节流控制箱的改造 - 49 -4.3 防喷器控制台的改造 - 52 -4.4 液压传动与控制
4、- 52 -4.5 基于 FPGA 的硬件控制平台 .- 54 -4.6 数据采集 - 58 -4.6.1 参数检测传感器 .- 58 -4.6.2 数据 A/D 转换 .- 58 -4.7 数据分析与控制 - 59 -4.7.1 数据处理系统 .- 59 -4.7.2 实时监测系统 .- 60 -4.7.3 智能控制系统 .- 61 -4.8 无线数据传输 - 63 -4.8.1 北斗卫星系统简介 .- 63 -4.8.2 基于北斗卫星的无线数据传输 .- 64 -4.8.3 通信协议及网络拓扑 .- 66 -4.9 系统电源设计 - 67 -4.10 系统抗干扰设计 - 68 -井喷预测及
5、智能控制研究报告III五、系统软件设计 .- 70 -5.1 系统软件整体设计思想 - 70 -5.2 主程序设计 - 72 -5.3 系统软件的具体实现 - 74 -5.3.1 数据处理程序设计 .- 74 -5.3.2 井喷预测程序设计 .- 75 -5.3.3 井喷控制程序设计 .- 76 -5.3.4 远程无线通讯程序设计 .- 80 -5.3.4 监控程序设计 .- 84 -六、关键技术及创新 .- 85 -七、总结 .- 86 -7.1 主要完成成果 - 86 -7.2 存在的不足 - 87 -附录 .- 88 -井喷预测及智能控制研究报告- 1 -一、项目背景1.1 立项缘由及依
6、据当今油气田开发过程中，地下石油开采和勘探技术已经日渐复杂。油气井在开采过程中，由于受到上覆围岩的压力，且油气井上覆围岩的压力随着地层的深度的增加而增加，而且地壳地层的在地壳构造运动过程，普遍存在地层异常压力而且地下地层因素复杂且不确定性因素很多如存在碳酸盐岩地下溶洞等。利用当前技术勘探力量，难以准确预报地下地层信息。在油气井开发过程中由于地层异常压力的干扰，如果油气井井下作业不当，往往造成井喷及井喷事故的发生。在油气井开采过程中，特别是我国大陆一些老油田已经进入发展的中晚期，为了保证产量和稳产，各大油气田加紧了油气勘探和开采的力度和深度。特别是，现阶段在提出的石油第二次创业的背景下，各大油气
7、田普遍开始了从陆相到海相的找油的开采和勘探。石油开采和勘探在从陆相到海相的转变过程中即在前新生代当然也包括中生代一部分地层勘探找油和开采过程中，从砂泥岩到碳酸盐岩的石油开采过程中也就是在海相残留盆的油气井开采和开发过程中，遇到了与陆相砂泥岩储集层包括薄层或者薄互层不同的开采技术和勘探测量方法。从当前世界已经开发的海相各大油气田看，海相碳酸盐岩储集层的特点是：碳酸盐岩储集层石油储量丰富；前新生代包括一部分中生代地层油井深度大，达到 6000 余米，压力大；由于碳酸盐岩本身构造不同于砂泥岩储集层本身的空隙构造，存在节理即裂缝包括原生节理和次生节理，还有地下溶洞发育等，造成使用当前油气井地下测井技术
8、难以测量和解释，因此在这类油气井开发中普遍难以预测地层压力和异常地层压力。在这类海相碳酸盐岩油气井钻井、地下测井和射孔、诱喷作业过程中存在着相当大的技术难题。前新生代海相残留盆地（也包括中生代一部分地层如白垩纪地层）这类油气井在作业过程中，一旦失去有效控制，往往瞬时会发生井喷。井喷时，这类油气井井喷发生时间短，发生速度快，喷势大，井喷猛烈，往往伴有地下轰鸣声和火灾发生；且井喷后，进行井喷压制作业难度大，往往一时难于奏效，时常造成敞喷局面。这些都为钻井作业带来了巨大风险和难度。在钻开油气层的过程中，尤其是在天然气井井喷过程中。如果处理方法和措施不当，地层流体（油、气、水）就会失去控制，极易引起井
9、喷失控着火、井场爆炸及井场下陷等灾难性事故的发生，将直接影响着钻井施工期间作业人员和钻井设备、油气资源的安全，使钻井事故复杂化、恶性化，影响井场周围居民的正常生活，甚至生命安全，污染环境，影响农田、水利和渔牧业生产以井喷预测及智能控制研究报告- 2 -及交通、通讯的正常运行等，伤害油气层，毁坏地下油气资源，造成人力及物力上的巨大损失，严重时造成机毁人亡和油气井报废。这不仅给国家和企业造成几百万元，几千万元，甚至上亿元的经济损失，而且给社会带来巨大的不良影响。发生井喷的根本原因是钻井液柱压力小于地层压力，从而造成地层流体进入井内，逐步形成溢流、井涌和井喷。井喷前的各种预兆对我们预防井喷起着至关重
10、要的作用，其关键是早发现。溢流被发现的越早越好、越便于关井控制、越安全。因此，在钻井作业过程中，及早发现溢流至关重要。如何能科学地根据测量钻井液性能、钻井液池液面等多种参数的变化来发现溢流预兆，又如何科学地根据井喷前的预兆，将井喷险情分级为溢流、井涌、井喷、井喷失控及着火、硫化氢中毒，并启动井喷险情应急预案。同时当井内出现溢流后，必须有效地控制井口，使井内溢流排除。在整个过程中，如何能始终保持井底压力大于地层压力且恒定不变，排出溢流重建井内平衡。如何对压力进行实时监测，自动调节和精确控制。特别是当“井喷”事故已经发生时，现场情况很危险，有时操作根本无法靠近现场设备，更谈不上对其进行操作控制。在
11、这种情况下，如何实施压井与关井操作等。这些课题的研究将对以后钻井安全有着十分重要的意义，传统凭借人工经验的监测手段已经无法满足当今石油勘探的需要。石油钻井井下情况预测与处理是石油钻井工程中的一个重要研究方向。井下的情况预测与处理的特点是：(1) 井下情况是一个复杂的体系，事故的发生是多因素作用的结果，而且事故形式多；(2) 无法直接观察到井下实况，只有通过仪器测量和统计资料并依据经验判断井下状态。因而，经验的多少、丰富与否和当前监测的数据质量直接影响到生产的决策，从而影响钻井质量、速度和成本。因此，我们提出研究一种能够进行井喷预测和关井与压井操作的远程智能监控系统。在钻井作业过程中对相关参数进
12、行实时监测和实时分析，对溢流、井涌、井喷进行预测预报，并根据险情的分级进行综合决策，对关井和压井等操作进行智能控制。当现场情况危险，操作人员无法靠近现场设备时，本系统的优势较为突出。1.2 国内外研究现状目前，国内外在压井过程中，通过在现场多处安装指示表以及通过压力传感器检测压力值传送到节流控制箱实时显示，操作人员通过观察压力的变化和自己的操作经验，手动调节液动节流阀的开度，来控制压力。这种操作控制方式，很大程度上取决于操作工的敏锐能力和操作经验，受人为因数影响太大，井喷预测及智能控制研究报告- 3 -压力波动较大，控制的精度难以保证，尤其在压井过程中出现异常的原因和责任不明确，比如，发生井喷
13、，究竟是因为操作节流阀不即时或是调节幅度过大，导致井底压力与地层压力失去平衡，因为没有对压井全过程的监测与监控，一些钻探公司花日费聘请录井公司来录取这些过程参数。国外的研究方向，主要在两方面：一是井控理论及方法的研究；二是井控设备的研究。阿莫科公司提出动态压井法，研制出了一种适用于小井眼的井控系统，该系统能实时地分析钻井液进出流量、泵压、泵冲、转速及扭矩、池内钻井液液面、钻压等参数的变化，进行早期检测，并将检测结果及时告知司钻，以便及时采取井控措施。如司钻未能在预定时间内(10 秒钟)作出反应，该系统会自动执行井控措施，实施压井作业。对小井眼压井方法，阿莫科公司认为动态压井法优十等候加重法和司
14、钻法。美国克林井控学校提出一种更适合十水平井的新的压井方法：循环加重法。该方法综合了司钻法和等候加重法的某些压井步骤。 德国 Mobil 公司 1980 年提出动力压井法，是借助井口装置产生回压，来平衡地层压力，而且借助于流体循环时客服环空流动阻力所需的井底压力来平衡地层压力。该方法最初是针对利用救援井制服喷井而提出的，曾多次制服井喷，但此后很少有人对它进行深入研究，尚有许多问题需要解决和完善，比如动力压井法的适用条件，参数设计，实施方法等。美国采用 MPD 技术是利用欠平衡工具和技术来控制。随钻井作业进入井眼的地层流体，避免通过加重井液来解决钻井复杂问题。用这一技术可以减少套管层数，提高钻井
15、效益，降低钻井成本。在对井控设备的研究中，主要包括如下几个方面：为适应欠平衡钻井技术的发展，高压旋转防喷器将得到普遍推广使用；防喷器的控制系统将对现有的电-气-液控制实现智能化；石油天然气钻探用地面防喷器电、液控装置研制。国外研究旋转防喷器的厂家主要有威廉姆斯( Williams)、歇福尔(Shaffer) 、泰科普(Techcorp)、格兰特(Grant)及罗马尼亚等几家公司。随着海洋钻井井深和工作水深的增加，深水海底防喷器采用多路传输电-液控制并结合海底储能器的声学应急控制，发展 BOP 和节流压井管汇的智能控制。不压井带压作业机主要用于自喷井、注水井及天然气井进行常规起下作业和不动管柱分
16、层压裂。1960年 Cicero C.Brown 发明了早期的液压不压井带压作业设备用于油管升降。由此，不压井带压作业机可以独立钻机的一套完整系统。我国在井控方面也做了大量的研究工作，监测监控技术和方法也不断提高。为改进新疆塔里木盆地钻井技术和提高石油勘查队伍综合录井水平，1991-1993年联合国援助中方开展 058 项目攻关，设立了综合录井承包合同，由美国井喷预测及智能控制研究报告- 4 -Exlog 公司对原法国 Geoservices 公司 TDC 综合录井仪进行改造和提供录井服务，提高了录井仪工作的可靠性。江汉石油学院与塔里木曾经在“欠平衡钻井计算机伺服控制节控箱试验研究”中用压力传
17、感器测量立管压力和套管压力，用位移传感器测量液动节流阀开度，用泵速传感器测量泵速，将各路信号进行 A/D转换后，采用数码管显示所测数据，以提高数据显示精度和可读性。用液压伺服系统对压井节流管汇中的液动节流阀进行控制，以实现压井节流操作的自动化。西南石油学院与塔里木在“复杂条件下高压高产气井压力控制系统研究”项目中对压井过程实时监测、监控做了一些试探性的研究。形成了一套结合了机电技术及计算机控制技术的多级节流智能控制系统，并对无线通信技术如何运用于该系统进行了初步研究。在油田修井作业过程中为了防止地层能量高的采油井和吸入性能差的注水井发生井喷，必需采用不压井修井设备。防喷系统是油田不压井修井设备
18、的重要组成部分，其主要作用是在不压井不放喷作业过程中，在井口有压力的情况下，完成安全起下管柱的作业。目前，国内不压井修井设各多数是手工丝杠驱动进行防喷器的井关，低效而危险；国外的不压井修井设各己使用了液压驱动，但主要是手动控制进行起下管柱作业，工作效率也不高。大庆石油学院经过研究，对不压井作业系统装各液压防喷器采用 PLC控制，就可以实现安全、高效率的不压井修井作业。“四川气藏欠平衡钻井技术研究与应用”是中国石油集团“十五”重点技术开发项目，主要针对四川盆地碎屑岩储层地质特点和油气藏特征，开展欠平衡钻井理论、软件、工艺技术及装备的配套研究与应用。利用打开储层动态数值模拟初步成果，形成定量评价裂
19、缝孔隙双重介质储层的应力敏感性伤害和液相伤害方法，形成了欠平衡钻井、不压井起下钻、欠平衡取心、不压井测井和不压井完井等全过程欠平衡钻井完井配套技术，在不压井起下钻、欠平衡取心、不压井测井和不压井完井等方面取得重大技术创新，实现了欠平衡钻井技术的重大突破；研制出具有国内领先水平的 XF-10.5/21 旋转防喷器、BY60/30-3500不压井起下井内管串装置等。在这些研究项目中，一是未能研究出具有实际应用价值的压井过程实时监控系统，二是未能实现远程控制。在压井控制过程中，基地指挥人员和专家需要及时掌握现场动态，制定出相应的技术方案指导现场施工。在即将发生如“井喷”这样的意外事故时，如何及时关井
20、与压井控制操作，特别是当事故已经发生时，现场情况很危险，操作人员根本无法靠近现场设备，更谈不上对其进行操作。在这种情况下，使用远程控制就显得尤为重要。因此，远程智能监控系统的研究就有着十分重要的意义。井喷预测及智能控制研究报告- 5 -1.3 研究目标及内容目标(1) 研究出能够准确、可靠地反映井下发生溢流的物理参量的变化规律。(2) 通过理论与实验相结合，提出对反映溢流的关键参量的检测方法和检测 手段，实现对关键参量的监测。(3) 研究出智能决策方法，实现对钻井作业过程中可能发生的溢流、井涌、井喷等进行科学的预测、预报。(4) 利用先进的智能控制算法实现关井及压井操作控制的智能化。(5) 完
21、成实现数据远传的方案设计 。内容(1) 研究在钻井作业过程中各个物理参量的变化规律、实时监测、实时显示、数据存储及数据远传。(2) 综合分析我国几大主要油气田尤其是我们四川油气田发生的一些井喷事故，根据各个专家的经验和知识以及相关参量的变化规律，建立专家知识库，研究智能决策系统，对在钻井作业过程中可能发生的溢流、井涌、井喷等进行科学的预测、预报。(3) 研究智能控制算法实现关井及压井操作控制的智能化。(4) 研究数据远传机制，一方面将井场数据通过网络或卫星实时地远传，便于专家不到生产现场，也能实时地了解到现场生产情况。另一方面，对于生产现场的异常可以随时地发出指令，指导现场生产操作。(5) 采
22、用远程 PC、固定电话、手机或卫星手机实现远程监控，监控系统检测到的现场参数近距离以无线数据传输方式传送到监督室的监控级计算机，监控级计算机一是可以通过卫星连接到 Internet 网，二是通过卫星连接固定电话网，三是借助电信网与手机通信。这样可根据现场条件选择其通信方式，既可以实时了解现场施工情况，又可以发送控制命令到监控级计算机，监控级计算机再以无线方式传送到监控系统，实施控制。整个系统设计为多种操作控制方式：当发生井喷事故时，操作控制人员可以直接在现场实施压井操作（手动） 、也可以由监控系统自动实施压井操作（自动） ，在井喷较严重，操作控制人员无法靠近现场时，还可以从远处使用远程 PC、
23、固定电话、手机或卫星手机发送命令，实现关井及压井操作（远程自动） 。井喷预测及智能控制研究报告- 6 -1.4 项目研究方案及技术路线研究方案利用现有的计算机技术和控制领域的专业知识，根据专家的经验和知识，对在钻井作业过程中各个相关参量的变化情况研究智能决策系统，对现场可能发生的溢流、井涌、井喷等进行科学的预测、预报。根据已发生的溢流、井涌、井喷等异常，研究智能控制算法实现关井及压井操作控制的智能化。建立起一个稳定，可靠的危险机制报警系统，及早的发现问题所在，并对根据现场的复杂情况，采取相应合适的措施，以确保人民生命财产安全，最低限度的降低经济损失。系统中对于井喷的智能预测的判断逻辑是一个难点
24、，也是本系统的一个关键所在，一个主要挑战所在。在发现潜在危险后，采取先进的技术手段关井和压井过程中，智能控制算法的选取与现场应实施的操作是另一个技术关键，直接决定着本次事故处理措施的成败。技术路线从溢流的产生着手。首先研究井下发生溢流以后，有哪些现场参量会因为溢流而明显变化，以及它们的变化规律。然后对这些参量的检测方法和检测手段开展实验研究。再综合分析我国几大主要油气田尤其是我们四川油气田发生的一些井喷事故，根据各个专家的经验和知识，建立专家知识库，研究智能决策系统，并将检测到的参数，作为智能决策系统的输入，经该系统决策后实现对在钻井作业过程中可能发生的溢流、井涌、井喷等进行科学的预测、预报。
25、在得知井下发生溢流以后，立刻转入智能关井及压井操作。一方面要按照石油总公司所规定的关井程序，输出相应的控制信号完成关井；另一方面，根据当前发生的溢流、井涌、井喷等异常情况，引入先进的智能控制方法，实施自动控制压井。1.5 项目研究意义与创新意义在石油钻探过程中，当钻至油气层时，如果井底液柱压力小于地层孔隙压力，就会发生溢流进而导致井喷。一旦井喷失控，不仅油气资源遭到严重破坏，井喷预测及智能控制研究报告- 7 -而且易酿成火灾，造成人员伤亡、设备毁坏、个井报废、自然环境污染。重庆开县“1223 ”天然气井喷，来势特别猛烈，富含硫化氢的气体从钻具水眼喷涌达 30 米高程，硫化氢浓度达到 100pp
26、m 以上，失控的有毒气体（硫化氢）随空气迅速扩散，导致在短时间内发生大面积灾害，人民群众的生命财产遭受了巨大损失。据统计，井喷事故发生后，离气井较近的开县高桥镇、麻柳乡、正坝镇和天和乡 4 个乡镇，30 个村，9.3 万余人受灾，6.5 万余人被迫疏散转移，累计门诊治疗 27011 人（次） ，住院治疗 2142 人（次） ，243 位无辜人员遇难，直接经济损失达 8200 余万元。2006 年 12 月 21 日，四川省宣汉县清溪乡钻探 1 井发生天然气溢流，井喷现场大火熊熊，燃烧的气流像大型飞机起飞时发出的巨大轰鸣声，使人感到极具恐怖。中石化数名专家亲临现场研究控制方案。在钻井作业过程中，
27、井喷前的各种预兆对我们预防井喷起着至关重要的作用。井控的关键一是早发现，溢流被发现的越早越好、越便于关井控制、越安全。国内现场一般将溢流量控制在 12 m3 之前发现。这是安全、顺利关井的前提。二是早关井，在发现溢流或预兆不明显怀疑有溢流时，应停止一切其它作业，立即按关井程序关井。三是早处理，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。因此，及早发现溢流至关重要。如何能科学地根据测量钻井液性能、钻井液池液面等多种参数的变化来发现溢流预兆，又如何科学地根据井喷前的预兆，将井喷险情分级为溢流、井涌、井喷、井喷失控及着火、硫化氢中毒，并启动井喷险情应急预案？在国内外的很
28、多研究项目中，一是未能研究出具有实际应用价值的压井过程实时监控系统，二是未能实现远程控制。我们提出研究压井与关井操作远程智能监控系统，一方面在钻井作业过程中对相关参数进行实时监测和实时分析，对溢流、井涌、井喷进行预报。另一方面根据险情的分级进行综合决策，对关井和压井等操作进行智能控制，当井场情况危险，操作人员无法靠近现场设备时，通过该系统可以进行远程监控。因此，远程智能监控系统的研究在井喷预测及智能控制方面就有着十分重要的意义。井喷预测及远程智能监控系统在国内外都还是一个空白，能为油气田生产节省人力、物力、财力，降低油气田生产的成本，而且有利于提高石油和天然气的产量，创造较好的经济效益。远程压
29、井智能监控系统的研究是油气田生产发展的需要和趋势，必会为我国的石油行业带来前所未有的发展机遇和发展前景。井喷预测及智能控制研究报告- 8 -创新建立专家知识库，建立智能决策模型，对钻井作业过程中可能发生的溢流、井涌、井喷等进行预测预报。引入先进的智能控制理论，对关井及和压井操作实施自动控制，这样能大大地提高控制的准确性。同时在整个作业过程中，将现场参数远传，以便供更多的高级技术专家对作业过程进行指导、监控。防止溢流和井喷的发生，即使发生可以采取有效的措施进行及早的控制。操作人员可以安全工作，减少危险。计算机实时监测过程参数、实时显示和保存。根据各个相关参量的变化情况分析和决策，对钻井作业过程中
30、可能发生的溢流、井涌、井喷等进行预测预报。根据发生的溢流、井涌、井喷等异常，以先进的智能控制方法，对关井和压井实施自动控制，同时可以接收来自远程 PC、固定电话、手机或卫星手机发送的命令，在无法靠近现场设备时实现关井及压井得远程操作控制。井喷预测及智能控制研究报告- 9 -二、井喷预测与控制2.1 井喷原理2.1.1 U 型管井喷机理解释模型在对井喷发生机理的解释模型的中，现在最简单、最流行的和最好解释的模型是 U 型管解释模型。U 型管解释模型很好的解释了地下流体压力系统的发生机理。将井眼地层抽象成一个 U 型管的两竖管充满相液体的 U 型管，形象的利用立管压力表、套管压力表和井底压力表，完
31、好的解释了井喷发生的机理。特别是利用 U 型管模型，对地层地下气相流体井喷机理能获得形象和直观的解释和说明。U 型管解释模型如图 2.1 所示：套管压力立管压力井底地层压力图 2.1 U 型管解释模型在钻井过程中，当钻遇井下高压层并且井筒的液柱压力又低于地层压力时，从井口或钻机转盘面的钻杆内会涌出一股股连续不断的泥浆，这就是我们所说的钻井溢流，钻井溢流不断增大便会形成井涌。当发生钻井溢流和井涌后，若不及时采取措施处理，井涌的量就会逐步增大，喷出物会越喷越多、越喷越高，最后发生井喷。发生井喷的根本原因是钻井液柱压力小于地层压力，从而造成地层流体进入井内，逐步形成溢流、井涌和井喷。因此，研究了解油
32、气井井底井喷预测及智能控制研究报告- 10 -压力、流体的相互关系和特点以及相关参数的变化规律，对井喷预测及控制有着极其重要的意义。2.1.2 井下油气藏储集层压力特点油气藏按照储集层的渗透性可分为，裂缝性油气藏和渗透性油气藏。裂缝性油气藏在古潜山发育的总的特点是储集层为裂缝性，背斜发育，圈层盖层，受故地貌控制影响严重，太古代、元古代甚至出露的前震旦系地层中的变质岩层为油气储集层。该地层受地质构造作用强烈，褶皱充分发育。裂缝由于受到地球内部构造应力的作用，次生作用发育强烈，裂缝发育较深，裂缝开度较大，成为油气的主要的运移通道，变成油气的主要储集空间。该储集层埋藏深度普遍都较深，通常都在 230
33、03100 米之间，因此地层油气流体压力较大，油气在井眼中滑脱速度较快。由于地球内部应力的作用，造成该地层裂缝次生作用发育强烈，造成该地层裂缝发育不对称，发育多方向性，多角度性和发育的广泛性。多角度的裂缝彼此纵横交错，成网状分布。一般裂缝宽度都很宽，吼道孔径很大，通常在 0.110 微米之间。由于地质构造的作用，地层发育各向异性，并且地层缺失，且为非整合的接触关系。由于构造作用造成的地层各向异性，各个油气藏的物性和压力都不一样，下部古潜山地层压力梯度普遍较低，耐压强度都较弱。这些造成该地层耐压强度不稳定，地层容易漏失，并且地层也容易坍塌。裂缝性储集层在碳酸盐岩储集层中有较大的发育。近几年来，随
34、着各大油气田在海相地层的残留盆地的勘探和开发，油气井作业过程中遇到较多的碳酸盐岩油气储集层。油气把这部分储集层作为它的储集空间。碳酸盐岩在发育过程中，同样受到地球内部应力的作用造成碳酸盐岩次生作用发育充分。因此，碳酸盐岩储集层作为油气的存储空间有裂缝性和裂缝孔隙性。裂缝发育各不相同，但在碳酸盐岩储集层中是油气的主要运移通道。碳酸盐岩储集层基岩孔隙度和渗透率一般都很低，储集层的各向异性差异较大，气层气压渗透率也不一样，同一气藏不同部位也不一致，气藏压力差异也较大。碳酸盐岩不仅裂缝发育充分，由于碳酸盐岩储集层因地下水的溶蚀，造成碳酸盐岩中溶洞发育也较强烈。这些非常容易造成因为有溶洞和宽深裂缝的存在
35、，造成耐压强度降低，地层容易漏失、压裂，同时井喷和岩石塌落也相伴存在。2.1.3 油气井井底压力系统的相互关系压力是井控作业过程中最重要的基本概念之一。了解油气井井底各个压力的相关关系，对于正确的设计井喷控制技术和防喷措施是十分必要的。在油气井喷预测及智能控制研究报告- 11 -井作业过程中，为保持油气田勘探和开发作业的正常进行，保持井底压力系统的平衡主要是是从两个方面进行控制的：一是通过控制钻井液密度维持油气井作业在合适的井底压力和底层压力差下进行；二是在油气地层流体进入底层造成井侵现象或者井涌现象后，通过调整钻井液密度以及正确的控制井口回压，将侵入井眼和钻具环形空间内的地层流体排除，建立新
36、的井底压力和地层压力的平衡关系。在油气井作业过程中，压力的表示是使用物理学上的压强表示的，即垂直作用在物体单位面积上的力；英制单位中，在油气井作业过程中的压力压力表示是物体每平方英寸面积上所受的垂直作用力是多少磅，单位是 psi，与国际标准值单位的换算关系是：。aaMPKPpsi 310895.6.1油气井井控作业过程中，如前所述，压力的产生是由地层上覆围岩压力、地层流体和气体共同作用产生的，但压力的概念向这里所说的都是一样的。井控作业通常是利用井眼中的钻井液重力所产生的压力来维持钻井过程中井底压力和地层压力系统的平衡关系的。油气井钻井过程中钻井液在井眼中所产生的压力在石油工程领域中通常称为静
37、液柱压力。这里的静液柱压力是指有钻井液在井筒内静止时由于钻井液重力产生的压力。油气井中不仅只有油、水等液相流体可以产生压力，油气井中的天然气、水蒸气等气相流体也能够产生压力。而井底的地层压力则是由于作用在地层上的上覆岩石骨架，岩石骨架中的流体由于地心引力产生的压力。静液柱压力和底层压力的关系如图 2.2 所示：静液柱压力地层压力深度图 2.2 静液柱压力与地层压力关系图静液柱压力大小是由钻井液密度、钻井液在井眼中的高度决定的，即是说是钻井液密度和高度的函数，在油气井工程中利用的压力公式是：井喷预测及智能控制研究报告- 12 -gHPm310式中Pm由钻井液产生的静液柱压力，单位为 。aMPg重
38、力加速度，为常数，单位为 。281.9s钻井液液体密度，单位为 。3cmgH 钻井液液柱高度，单位为 m。地层压力是指作用在地层孔隙内流体上的压力，它是由地层上覆围岩地层岩石骨架和其中的流体引起的，也称地层孔隙压力。在正常情况下，地下某一深度下的地层压力应等于地层流体作用于这一深度处的静止地层流体的压力，而这个压力是由于这一深度以上的地层流体处的静止液体的压力形成的。正常的地层压力表达式应为： gHPnmp310式中Pp 正常地层压力，单位为 。aMPm 地层流体静压力，单位为 。PH 地层间垂直距离，单位为 m。 地层流体密度，单位为 。地层流体密度常取决于地层水的n 3cg矿化度。地层中某
39、点的正常地层压力应等于该点的地层水的静液柱压力。但在以异常情况下，有时候这个静液压力并不等于地层中该点下的地层压力。该点地层在这种情况下发生这种现象，通常成为异常高压或异常低压。如果地层内的流体被盖层封闭或隔断。在这种情况下，盖层内的流体必须支撑上覆围岩的压力。由于上覆岩石骨架的密度超过地层水，在这种情况下岩层压力超过地层水压力，我们把这种现象称为高压底层或着是超压底层。即此时的地层压力梯度大于正常的地层压力梯度，称为异常高压。反之，则为异常低压。异常高压和正常压力的关系为如图 2.3 所示：井喷预测及智能控制研究报告- 13 -压力 / M Pa地层深度/mH正常压力异常压力0图 2.3 异
40、常高压和异常低压关系图地层某处的上覆围岩压力是指在地层该处的地层岩石骨架基岩和岩石骨架孔隙内流体由于地心引力的作用而产生的压力。其数学表达式为： gHPmafo )1( 式中上覆围岩压力，单位为 。oPaM岩石孔隙中地层水的密度，单位为 。f 3ckg岩石骨架基岩的密度，单位为 。ma m油气藏储集层的孔隙度，单位为 。 %H地层间垂直的深度，单位为 m。上覆岩层之所以受到的重力是由岩石骨架基岩和骨架孔隙内流体共同作用产生的。仅仅由岩石骨架基岩支撑的那部分上覆围岩压力称为基岩压力，或者称之为岩石结构应力。在油气田实际作业过程中，以钻台平面作为上覆岩石的压力的基准面。而在海上作业时，则从钻台面到
41、海平面，海水深度和海地未固结的海底沉积物软泥对上覆围岩压力都有实际的影响，实际上在海平面得到的上覆围岩压力通常都小于陆地得到上覆围岩压力理论。上覆围岩压力与岩石骨架基岩压力和地层孔隙内流体压力的数学关系为： POM式中上覆围岩压力，单位为 。OPa地层孔隙流体压力，单位为 。P岩石骨架基体岩石压力，单位为 。MaM同样也可以把上覆围岩压力与岩石骨架基岩压力和地层孔隙内流体压力表示为井喷预测及智能控制研究报告- 14 -压力梯度的关系： pmoG式中上覆围岩的压力梯度，单位为oGkPa岩石骨架基体岩石的压力梯度，单位为m a地层孔隙内流体的压力梯度，单位为p mk上覆围岩压力与岩石骨架基岩压力和
42、地层孔隙内流体压力的关系如图 2.4所示：0井深/m压力 / M aPpPoM图 2.4 上覆围岩压力与岩石骨架基岩压力和地层孔隙内流体压力的关系在油气井作业过程中为保证油气田作业的顺利进行，井眼内的钻井液密度一般都不允许太高，因为地层破裂压力使其限制因素之一。油气井作业过程中的地层破裂压力是指该地层破裂时最大允许作用的液体压力，即抵抗井眼中钻井液压力的能力。当井眼内压力达到地层破裂压力时，就会引起地层破裂，使无裂缝的地层产生裂缝或引起原有的地层裂缝扩大。地层破裂时会导致油井气井井漏、井壁坍塌、砾石脱落，卡钻，乃之引起井喷等复杂事故。在油气井井下作业过程中，井内液柱压力的下限要与地层压力相平衡
43、，既不能破坏油气储集层，又要能保证井控的安全要求。最大上限值则不应超过地层的破裂压力，以免压裂地层引起井漏，造成先漏后喷的事故。因此，地层破裂压力是确定油气井施工措施和最大关井套压的重要依据。为保证油气井作业的正常进行，保持井底压力系统的平衡是必不可少的。井底压力平衡是指地面各种作业设备产生的压力和井内产生的各种压力作用在井底的压力总和。井底压力在油气井作业过程中并不总是保持一个常数，这个压力是随着作业工况的不同而发生变化的。在油气井作业过程中，通常以下几井喷预测及智能控制研究报告- 15 -种状况会与井底压力变化有关：1. 当油气井无作业过程，保持静止时，井底压力应等于静液柱压力。静液柱压力
44、是维持井底压力系统平衡的最重要的组成部分，是保证一级井控的必不可少的重要保证。2. 油气井在正常循环时，井底压力应为环形空间静液柱压力和环形空间压力损失之和。环形空间压力损失既是环形空间流体流动阻力引起井底压力变化，有利于抑制地层流体向井内的侵入。3. 旋转防喷器循环时，井底压力应为环形空间静液压力、环形空间压力损失和旋转防喷器引起的回压三者之和。4. 循环除气时，井底压力应等于环形空间静液柱压力、环形空间压力损失、节流阀引起的回压三者之和。5. 起管柱时的井底压力为环形空间静液柱压力，起管柱引起的抽吸压力、钻井液液面下降引起的压力降低值三者之差。只有在起管柱时由于井底压力小于静液柱压力，所以
45、才会引起井喷。6. 下管柱是的井底压力应等于环形空间静液柱压力与激动压力之和。7. 在油气井关井时的井底压力应为环形空间静液柱压力与井口回压之和。油气井作业中不论从地面向井眼内泵送流体还是向地面排出流体，都会引起压力损失。这种通过管汇、管嘴或者节流阀产生的压力损失叫做循环压力损失。这个压力损失是由于钻井流体与地面设备如油管、套管等的摩擦所引起的，压力损失的大小取决于井内钻井液流体的密度、粘度、井深、流体流速和流体作用面积。油气井作业过程中在井底引起的抽吸压力和激动压力，也称之为波动压力。当油气井在起管柱时发生抽吸压力，管柱因上升而空出来的井眼空间以及钻井液因为粘性而附着在管柱上随着管柱上升而在
46、井眼中空出空间来，将有井眼上面的钻井液向下流动充填。这样因为钻井液的流动而受到阻力，导致降低了井底压力。在下管柱时，因为管柱下行而挤出井眼内占用的钻井液，使其向上流动，而产生了激动压力。钻井液向上流动而受到的阻力和管柱下降向下的冲击力，最终结果导致增大了井底压力。起管柱时管底底部产生负压差，是井底压力减少；下管柱时，井底压力将增加，产生正压差，速度越大，正压差也越大。起下管柱速度是影响波动压力的主要因素。油气井操作时，严格的控制管柱的起下速度，防止速度过快，尤其在油气储集层附近时更应重视；起下管柱时，严格的严禁猛提猛放，防止产生过大的惯性力和波动压力；应调整好钻井液性能，防止因为钻井液剪贴力、
47、粘度过大产生较大的波动压力，防止严重产生抽吸现象。钻井液在通过泥浆泵泵送入井眼内时，泥浆泵需要产生一定的泵压。泵压是指为克服地面管汇和井内环形空间循环系统中摩擦损失所需井喷预测及智能控制研究报告- 16 -要的压力。正常情况下，摩擦阻力发生在地面管汇和油管及环形空间内。如果环形空间与油管之间存在压力的不平衡，也将影响泵压。泵出气侵钻井液时，一定的气侵控制压力也将使泵压增高。在油管中产生的油管压力是指管柱内地层压力、圈闭盖层压力大于管柱内钻井液液柱产生的压力的剩余压力。环形空间内的套管压力是指在油管与套管环形空间内，地层压力、盖层圈闭压力大于环空内钻井液液柱产生的压力的剩余压力。在油气井作业过程
48、中，井底压力系统遭到破坏便产生了井底压差。油气井作业过程中所说的井底压差是指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，称之为正压差；如果井底压力小于地层压力，其差值为负，称之为负压差。其数学表达式为： pbP式中井底压力，单位为 。bPaM地层压力，单位为 。p P当 时，即 时，井底压力系统为过平衡状态，表现出正压差。pb0当 与 相差不大，即两者可比时， 稍大于零，此时井底压力系统为bPp P近平衡状态。当 时，即 时，井底压力系统保持为平衡状态。pb0P当 时，即 时，井底压力系统保持为欠平衡状态，表现出负P压差。在油气井压井或关井后，关井井口的回压与油气层地层
49、压力的关系可用如下的数学表达式表示为： gHPs310以上公式也即关井时用于预测地面最高井口回压的的公式。式中：井口回压（油压、套压等） ，单位为 。sP aM地层压力，单位为 。aP井内钻井液当量密度，单位为 。 3cmg井喷预测及智能控制研究报告- 17 -油气井中地层深度，单位为 。Hm2.1.4 溢流的产生和流体的运移溢流是当井底压力平衡系统遭到破坏时，在井底压力小于底层压力时，地层岩石骨架孔隙内的流体进入井眼内发生的。在油气井作业过程中，有许多作业过程都会引起溢流的产生，包括：井内钻井液当量不足；井底地层破裂，井漏；起管柱时造成的抽吸；圈闭盖层流体异常压力。溢流的发生通常都是在井底压力系统欠平衡影响下发生的。钻井液当量不足，井漏和抽吸都会引起井下压力系统的欠平衡发生。欠平衡是指井底压力系统小于地层压力的现象。在油气井生产和作业过程中都会井下压力系统欠平衡的发生。许多油气田在作业过程中为了保护油气储集层，通常情况下管柱内的钻井液都会略小于地层压力，即人为的降低了预期的地层压力。当意外的地面流体稀释了钻井液浓度后，从而造成溢流的发生。其原因可能是流体在地面或地下遭到水
