井眼与地层之间的压力及其平衡关系

一、静液压力Pm
静液压力是由井内静液柱的重量产生的压力，其大小只取决于液体密度和液柱垂直高度。
静液压力Pm计算公式：
Pm＝ 0.0098ρm Hm         （2—1）
式中：Pm — 静液压力，MPa；
ρm— 钻井液密度，g/cm3；
Hm— 液柱垂直高度，m。
静液压力梯度Gm计算公式：
Gm ＝ Pm/ Hm ＝ 0.0098ρm       （2—2）
式中：Gm — 静液压力梯度，MPa/m。
二、地层压力PP
地层压力是指作用在地层孔隙中流体上的压力，也称地层孔隙压力。
地层压力PP计算公式：
PP＝0.0098ρP HP           （2—3）
式中：PP — 地层压力，MPa；
ρP— 地层压力当量密度，g/cm3；
Hm— 地层垂直高度，m。
地层压力梯度GP计算公式：
GP ＝ PP/ HP ＝ 0.0098ρP       （2—4）
式中：GP — 静液压力梯度，MPa/m。
地层压力当量密度ρP计算公式：
ρP ＝PP/0.0098 Hm ＝ 102 GP     （2—5）
在钻井过程中遇到的地层压力可分为三类：
正常地层压力：ρP＝1.0～1.07 g/cm3；
异常高压：ρP＞1.07 g/cm3；
异常低压：ρP＜1.0 g/cm3。
三、地层破裂压力Pf
地层破裂压力是指某一深度处地层抵抗水力压裂的能力。当达到地层破裂压力时，地层原有的裂缝扩大延伸或无裂缝的地层产生裂缝。从钻井安全方面讲，地层破裂压力越大越好，地层抗破裂强度就越大，越不容易被压漏，钻井越安全。一般情况下，地层破裂压力随着井深的增加而增加。所以，上部地层（套管鞋处）的强度最低，易于压漏，最不安全，所以在设计时应保证下入足够深度的套管以提高裸眼井段上部的地层破裂压力。
1．地层破裂压力Pf计算公式
Pf ＝0.0098ρf Hf       （2—6）
式中：Pf —地层破裂压力，MPa；
ρf —地层破裂压力当量密度，g/cm3；
Hf—漏失层垂直深度，m。    
地层破裂压力梯度Gf计算公式：
Gf ＝ Pf/ Hf ＝ 0.0098ρf   （2—7）
式中：Gf —地层破裂压力梯度，MPa/m；
地层破裂压力是合理进行井身结构设计、制定钻井施工和确定最大关井套压的重要依据之一。
2．地层破裂压力试验程序
（1）试验前准备：当钻至套管鞋以下第一层砂岩时，用水泥车或柱塞泵进行试验，而裸眼长短根据砂岩层的厚度决定；试验前应调整好钻井液性能（尤其是ρm试），保证试验时钻井液性能均匀、稳。将上提钻头至套管鞋内。
（2）地层破裂压力试验：关闭井口（一般关半封闸板防喷器）；试验开始时缓慢启动泵，以小排量（0.66～1.32 L/s）向井内泵入钻井液，每泵入15 L钻井液，稳压2min；作漏失试验曲线。曲线中偏离直线之点的压力PL则为漏失压力。
3．破裂压力当量密度（ρf）的计算
ρf =ρm试 PL/0.0098 Hf   （2—8）
式中：ρf —破裂压力当量密度，g/cm3；
ρm试—试验所用钻井液密度，g/cm3；
PL   —地层漏失时的井口压力，MPa；
Hf   —裸眼段中点井深，m。
4．注意事项
(1)    在直井与定向井中对同一地层做的液压试验所取得到的数据不能互用。
(2)当套管鞋以下第一层为脆性岩层时，只对其做极限压力试验，而不做破裂压力试验。因脆性岩层做破裂压力试验时在其开裂前变形量很小，一旦被压裂则承压能力会下降。极限试验压力要根据下部地层钻井将采用的最大钻井液密度及溢流发生后关井和压井时，对该地层承压能力的要求决定。试验方法与破裂压力试验一样，但只试到极限压力为止。
四、波动压力
1．波动压力的定义
由于井内钻具或流体上下运动而引起井底压力增加或减少的压力值。它是激动压力和抽吸压力的总称。激动压力是指当钻柱向下运动时，井内钻井液向上流动，使井底压力增加，由此而增加的压力值称为激动压力。抽吸压力是指当钻柱向上运动时，井内钻井液向下流动，使井底压力减少，由此而减少的压力值称为抽吸压力。
2．波动压力对钻井安全的影响
由于钻井液具有一定的粘度和切力，当快速提升钻柱（尤其是出现缩径、钻头泥包）时，都将引起过大的抽吸压力。当抽吸压力达到一定值时就会引起井喷和井眼垮塌，因此应引起足够重视。当下钻速度过快时，同样会引起过大的激动压力，造成井漏，影响井眼安全。
3．引起波动压力的主要因素
(1)钻井液静切力：钻井液静止时间越长，其网状结构强度越大，静切力就越大，钻井液从静止状态到流动状态所克服的流动阻力就越大，因此井内钻柱上下运动时就会造成过大的波动压力。
(2)起下钻速度：起钻时，钻具底部产生负压，使井底压力减少。下钻时，钻具底部排挤钻井液向上流动，使井底压力增加。
(3)惯性力：在起下钻具或接单根等作业中，钻柱的运动有加速和减速的过程，由此而产生惯性力，使井内压力产生波动。惯性力越大，波动压力就越大。
4．减小波动压力对井眼影响的措施
(1)    严格控制起下钻速度，防止过快，尤其是钻头在井底附近时，更应高度重视；
(2)    起下钻具时，严禁猛提猛刹，防止产生过大的惯性力和波动压力；
(3)起钻前充分循环井内钻井液，使其性能均匀，进出口密度差小于0.02g/cm3。同时调整好钻井液性能，防止因切力、粘度过大产生较大的波动压力；
(4)应保持井眼畅通，防止缩径、泥包等引起严重抽吸。
五、井底压力Pb
井底压力是指作用在井底上的各种压力总和。
不同钻井作业工况中的井底压力：
1．井内钻井液处于静止（停止循环）状态时：
Pb＝Pm＝0.0098ρm Hm     （2—9）
式中：Pb —井底压力，MPa；
Pm—钻井液静液柱压力，MPa。
注：钻井液静液柱压力是构成井底压力和维持井内平衡最主要的部分，是实施一级井控的唯一保证。
2．钻进时：
Pb＝Pm Pbp＝0.0098ρm Hm Pbp   （2—10）
式中：Pbp—循环时的环空流动阻力，MPa。
注：环空流动阻力使井底压力增加，有利于抑制地层流体向井内的侵入。其数值一般在0.7～1.5 MPa。
3．起钻时：
Pb＝Pm— Psb—Pdp       （2—11）
式中：Psb—抽吸压力，MPa；
Pdp—未及时灌满井口而产生的静液压力减少值，MPa。    
安全提示：起钻时应及时灌满钻井液，现场每起3～5柱钻杆或一柱钻铤就应灌满一次。目前国外已配备自动灌浆监测报警系统，在起钻时能实时检测校核起出量与泵入量，异常时及时报警。
只有起钻作业时，井底压力会小于静液柱压力，所以起钻时应格外谨慎，以防抽吸。在近平衡中，规定的安全余量就考虑了Psb和Pdp的影响。在设计钻井液密度时，应以起钻工况时的井底压力为准。
4．下钻时：
Pb＝Pm Psw     （2—12）
式中：Psw—激动压力，MPa。
5．划眼时：
Pb＝Pm Psw Pbp       （2—13）
六、井底压差ΔP
井底压差是井底压力与地层压力之差。
ΔP＝Pb—Pp         （2—14）
式中：ΔP—井底压差，MPa。
当Pb＞＞Pp时，ΔP＞＞0，井底为过平衡；
当Pb稍大于Pp时，ΔP稍大于0，井底为近平衡；
当Pb＝Pp时，ΔP＝0，井底压力与地层压力相平衡；
当Pb＜Pp时，ΔP＜0，井底为欠平衡，出现负压差。
七、确定钻井液密度
根据全井压力剖面（地层压力剖面、地层破裂压力剖面和坍塌压力剖面）及浅气层资料，分段设计确定钻井液密度，其方法如下：
ρm =ρp ρe           （2—15）
式中：ρm—钻开地层压力为ρp的钻井液密度，g/cm3；
ρp—地层压力当量密度，g/cm3；
ρe—附加当量密度（安全余量），g/cm3。
SY/T6426—1999《钻井井控技术规范》对附加当量钻井液密度值规定如下：
油井：ρe＝(0.05～0.10) g/cm3 （或1.5～3.5MPa）；
气井：ρe＝(0.07～0.15) g/cm3 （或3.0～5.0MPa）。
八、钻开油气层的技术措施
钻开油气层的技术措施是维护井底压力平衡，尽早发现溢流显示为重点而制定的，主要内容如下：
1、加强地层对比，及时提出地质预报，尤其是异常高压地层上部盖层的预报要力求准确。
2、采用dc指数、气测资料等对异常地层压力进行随钻监测，综合分析对比资料数据，以提高地层压力监测的精度。
3、在进入预计的油气水层前，调整钻井液性能，调整好后再继续钻进，以免因调整钻井液性能而掩盖溢流的某些显示。
4、根据井场井控设备的配套情况、井控技术水平、井身结构、地层及地层流体特点等，规定最大允许溢流量，一般不超过2～3m3。
5、钻开油气层后进行起下钻作业时，必须进行短程起下钻。一般情况下试起10～15柱钻具，在下入井底循环一周，若钻井液无油气侵，则可正式起钻。SY/T6426—1999《钻井井控技术规定》指出：在油气层中和油气层顶部以上300米长的井段内起钻速度不得超过0.5m/s。按规定及时灌满钻井液并进行校核灌注量、作好记录起完钻要及时下钻，检修设备时应将钻具下到套管鞋处。
6、钻开油气层后避免在井场使用电气焊。若必须使用，须申请批准，并采取相应的安全防火措施。
7、电测前井内情况必须正常。电测期间须准备一根装有钻具安全阀或钻具回压阀的钻杆，以备井内异常时强行下入，控制井口。钻开油气层后因发生卡钻须泡油、混油或因其它原因要调整钻井液密度时，其液柱压力不能小于地层压力。
8、若发生井喷而井口无法控制时，应立即关闭柴油机及井场、钻台和机房处的全部照明灯，打开探照灯，灭绝火源组织警戒，尽快由注水管线向井口注水防火。
9、井眼要畅通，防止拔活塞造成抽吸井喷。开泵要平稳，排量由小逐渐增大，防止蹩漏地层。
10、若打开油气层过中发生井漏，应立即停止循环，间歇定时定量反灌钻井液以降低漏速，维持一定液面，保持井眼与地层压力之间的平衡，然后实施堵漏作业，再根据井内情况重建平衡或先期完井。
11、为了井眼安全，防止大段井涌或蹩泵蹩漏地层，下钻时应分段下钻并开泵破乳循环。严禁一次下钻到底，尤其是长期未循环的深井。
12、起钻完要及时下钻，严禁空井或钻具停留在裸眼中检修设备。