溢流的原因

溢流的原因

Company number：【0089WT-8898YT-W8CCB-BUUT-202108】

一、溢流的原因

二、溢流发生的原因很多，其最根本的原因是井内压力失去平衡、井内压力小于地层压力。

三、1、地层压力掌握不准确。这是新探区和开发区钻调整井时经常遇到的情况。特别是裂缝性碳酸岩地层和其他硬地层压力更难准确掌握。开发区注水使地层压力升高等原因，造成地层压力掌握不准确。

四、2、起钻时井内未灌满钻井液。起钻过程中，由于起出钻柱，井内钻井液液面下降，这就减小了静液压力。只要钻井液静液压力低于地层压力，溢流就可能发生。在起钻过程中，向井内灌钻井液可保持钻井液静液压力。起出钻柱的体积应等于新灌入钻井液的体积。如果测得的灌浆体积小于计算的钻柱体积，地层中的流体就可能进入井内，溢流就可能在发生。

五、3、过大的抽吸压力。起钻的抽吸作用会降低井内的有效静液压力，会使静液压力低于地层压力，从而造成溢流。起钻时井内钻井液没有上体钻具那样快，就可能产生抽吸作用。这实际上在钻头的下方造成一个抽吸空间并产生压力降。无论起钻速度多慢抽吸作用都会产生。应该记住的重要事情是，井内的有效压力始终应能平衡地层压力，这样就可以防止发生溢流。除起钻速度外，抽吸过程也受环形空间大小与钻井液性能的影响。在设计井身结构时，钻具（特别是钻铤）与井眼间应考略有足够的间隙。钻井液性能特别是粘度和静切力应维持在合理的水平。

六、4、钻井液密度低。钻井密度低是溢流比例高的一个原因。这样引起的溢流比较容易控制，并且很少导致井喷。钻井液密度低而产生的溢流通常是突然钻遇到高压层，地层压力高于钻井液静液压力条件下发生的，特别是为了获得高的机械钻速、降低钻井成本和保护油气层而是用较低的钻井液密度。钻井液的油、气、水侵是密度降低的一个重要原因。

七、5、钻井液漏失。钻井液漏失是指井内钻井液漏入地层，这就引起井内液柱和静液压力下降。下降到一定程度时，溢流就可能发生。在压力衰竭的砂岩、疏松的砂岩以及天然裂缝的碳酸盐岩中漏失是很普遍的。由于钻井液密度过高和下钻时的压力激动，使得作用于底层上的压力过大，而产生

井漏。特别是在深井、小井眼里使用高粘度钻井液钻进，环形空间摩擦压力损失可能高到足以引起井漏。

八、6、地层压力异常。钻遇异常低压或异常高压地层，由于钻井液密度不合理而引起溢流。对于可能钻到的高压井，设计时应考略使用更好的设备而且更加密切注意，可防止可能发生溢流。

九、7、其它原因。在多数情况下，溢流可能是由于上述某种原因引起。但还有其他一些情况，造成井内静液压力不足以平衡或超过地层压力，如：十、（1）中途测试控制不好；十一、（2）钻到临井里去；十二、（3）以过快的速度钻穿含气砂层；十三、（4）射孔时控制不住；十四、（5）固井时，水泥的失重；十五、二、各种钻井工况下溢流的预兆十六、发生溢流时，在地面总可以观擦到溢流的告警显示。识别和解释这些显示，并能在各自的职责范围内采取必要的措施，是每个工作人员的职责。十七、1、钻进中溢流发生的预兆十八、（1）钻井液返出量增加。在泵排量不变的情况下，井口返出钻井液量增加，是发生溢流的主要显示之一。钻井液返出量增加，说明地层压力大于井底压力，因而迫使地层流体进入井内，从而帮助钻井泵推动钻井液在环形空间加速上返。如果溢流是气体，由于气体在环空上升过程中，所受压力不断减小，因此其体积不断增大，因此其体积不断增大，也造成钻井液返速增加。十九、（2）钻井液池中钻井液量增加。在没有人为地增加钻井液池中钻井液量的情况下，钻井液池的钻井液量增加，说明溢流正在发生。由于溢流发生时，进入井内的地层流体排替了同体积的钻井

液，使钻井液池中钻井液量增加。工作人员对钻井液池中钻井液量的变化情况应很敏感，发生钻井液池液面发生变化，一定要找出变化的原因，并采取相应的措施。二十、（3）停泵后，井内钻井液外溢。当停泵以后，井内钻井液继续外流，说明井内正在发生溢流。此外，当钻柱内钻井液密度比环空钻井液密度高的多时，井内钻井液也会外流。当发生这种情况时，司钻应仔细分析原因，采取正确措施，必要时可关井。二十一、2、起下钻时溢流的预兆。起钻时，应灌入井内的钻井液量小于钻具的排替量，则表明地层流体已经进入井内，填补了起出钻柱所占据的空间。下钻时如果返出钻井液量大于钻具的排替量，则表明井内发生溢流。二十二、3、测井时溢流的预兆。测井时电缆下放和起升中，井口有明显的钻井液外溢，这说明井内已发生溢流。出现这种情况应立即停止测井作业，根据溢流情况采取相应的措施。二十三、4、下套管作业时溢流的预兆与下钻时相同。二十四、三、溢流的监测和预防措施二十五、《钻井井控技术规程》中指出，及时发现溢流显示是井控技术的关键环节。从打开油气层到完井，要落实专人坐岗观察井口和循环池液面变化，发现溢流，及时报告。二十六、地层压力的增加或钻井液液柱压力的减少就是溢流的警告信号，地层流体向井内流动和各种显示就是溢流的具体显示。溢流的监测和预防应从钻井设计开始。二十七、1、钻井设计时的溢流监测和预防二十八、在井的设计中，先要对临井资料进行地层对比、地质预报分析，得到预计的压力剖面和可能的溢流点，方可作出钻井的最后设计。在钻井设计中要做到：二十九、（1）使套管、地层压裂梯度、设计具有相容性；三十、（2）提出监测与防喷设备的选择与安装要求；三十一、（3）预计地层的各种特性（岩性、压力预计可能的溢流地层）；

三十二、（4）提出溢流或井喷时的应急预案和注意事项。三十三、预计的各种情况应当向钻井人员指出并解释。提醒他们在钻井作业中注意各种溢流的预报与显示，这是设计中非常重要的一点。除了正常钻进、起下钻作业外，还应包括取心、测井、中途测试、下套管、固井、射孔以及钻遇浅气层。三十四、2、钻进时溢流的监测和预防三十五、钻进中机械钻速、录井岩屑以及钻井液性能的各种变化，可用来监测地层压力的增加情况。三十六、（1）机械钻速的变化。在其他条件不变的情况下机械钻速主要取决于井底压力与地层压力的差值。在地层压力增加而井底压力维持不变的条件下，压差就会减少，机械钻速会增加。机械钻速的迅速增加是一种钻速突变。钻速突变表明钻头已钻到地层压力超过井内压力的底层。如果钻遇异常压力地层，应停钻检查井的流量情况。如果停泵停泵井内流体继续流出，说明溢流已发生，这是应进行循环，调整钻井液性能，以保证井内没有地层流体进入。三十七、地层岩性的突然改变也会发生机械钻速的显着变化。所以遇到机械钻速的突然变化要仔细分析原因，采取正确的技术措施。三十八、（2）岩屑的变化。观察与分析岩屑的变化同样可以指示地层压力变化的情况。压差减少，大块页岩将开始坍塌，这些坍塌的“岩屑”很容易识别，因为他们有特殊的尺寸和形状。地质录井人员所作的页岩岩屑的详细化学与物理分析，可以提供附加资料。页岩单位体积重量的减少或页岩矿物成分的某些变化可能与地层压力的增加有关些。三十九、（3）钻井液性能的变化。循环钻井液可把所钻的井下地层岩屑带到地面。同样，钻井液也是侵入井内地层流体的携带者。发生溢流后，一般会引起钻井液性能的变化。在钻井液出口管处测得的钻井液密度降低，会表明发生了溢流。如果油、气侵入钻井液，钻井液的密度下降，粘度增

加；盐水侵入钻井液则会使钻井液的密度、粘度下降。如发现油、气、水侵，应停止作业及时调整钻井液性能。四十、（4）钻井液柱高度降低。井内钻井液液面的下降会降低静液压力，当静液压力下降到一定程度时，就有可能导致溢流。井漏会降低井内钻井液液面。钻井液柱高度的降低取决于地层压力梯度与漏失层位的深度，井内液柱压力超过地层破裂强度时，就会造成井漏。监测井漏一般通过钻井液出口流量计和钻井液管的液面变化来显示。这种方法在半潜式钻井船上使用就不太可靠。解决的办法是在每一罐里使用不止一个传感器，在驱动司钻控制台上的可见指示器之前，信号要进行平均与总和。四十一、（5）起钻时灌钻井液不正常。起钻引起静液压力降低的原因有两个。一个是起出钻具使井内钻井液液面降低；二是由于过快地起钻速度，钻柱的下部造成抽吸力将地层流体抽入井内。起钻时应定期校对钻井液的灌入量。如果灌入钻井液体积小余所计算得起出钻具的体积，那么就有一流进入井内。对于灌入井内的钻井液体积可以用钻井液补充灌、泵充数计数器、流量表或钻井液灌液面指示器来测量。一般，每起出3—5里根钻杆就要检查一次灌浆情况，而对钻铤则每起出一个立根便要进行灌浆检查。四十二、当井内钻井液液柱压力小于地层压力时，地层流体就会进入井内。如不及时发现，随着溢流量的增多，井内液柱压力越来越小于地层压力，欠平衡量越来越大，溢流就越严重，若不迅速采取措施，将造成井喷。对一流的早期发现，是防止井喷的关键。在钻井实践中大多数油田都采用了“两勤两坚持、三校核、四观察”的早期发现溢流的措施。即“ 两勤两坚持”勤观察钻井液池液面变化；勤量测钻井液性能的变化。坚持坐岗观测溢流预兆；坚持打开油气层干部24小时值班。“三校核”校核井底压力与地层压力是否平衡；校核起钻时钻具排替量与钻井液灌入量是否相等；校核下钻时下入钻具排替量与返出钻井液量是否相等。“四观察”遇到钻速突快或放空，停钻循环一周或停泵

观察；钻遇到蹩跳钻、悬重发生突变、泵压发生变化，停钻循环观察；钻井液出口温度增幅大，返出岩屑量多并且快大时，停钻循环观察；打开油气层2米，停泵循环观察

系统采用在流体的流动方向上设置两个相同的传感器, 通过测量流体流

动噪声由上游传感器渡越到下游传感器的渡越时间来确

定流体的流量。此类流量计的传感器有多种类型, 如超

声波传感器、电容传感器等, 本文介绍的相关流量计采用

的是超声波式传感器。该流量计无转动部件, 在结构上

克服了涡轮流量计的缺点。

测试系统利用DSP

的串行通信接口(SCI) 将测量的数据通过MWD 实时送给

地面计算机系统。系统采用了符合RS232 标准的接口芯

片MAX232 构成RS232C 串行通信接口。

由于钻井液液位的变化是钻进过程中溢流及漏失的主要预兆，常规溢流及漏失实时监测技术是通过监测钻井液液位的变化来预报溢流及漏失的。主要存在以下两个问题：

1、不能准确发现微量溢流及漏失：常规泥浆罐的内空截面积约为20；当溢流量小于1时，4个泥浆罐的液面高度上升不到1cm，由于泥浆罐液面检测装置的误差为1cm 左右，故对小于1的微量溢流无法进行准确的监测。在快速钻进过程中，由于钻井液消耗较大，需不断补充钻井液，钻井液总量的变化较大，因此只用钻井液液位不易判断井漏。

2、不能涵盖钻井过程的开井循环、关井循环以及井漏失返3种循环工况。常规溢流监测技术只能针对开井循环一种工况，而对另外两种循环工况则无能为力。

针对常规溢流及漏失监测技术所存在的上述问题，本文设计了微量溢流及漏失的实时监测系统，对于开井循环和关井循环，利用……对溢流监测的高敏感性，以及泥浆罐液面的监测情况对溢流进行综合判定；对于井漏失返，则直接根据环空液面监测情况进行判定

当地层孔隙压力大于井底压力时，地层空隙中的流体（油、气、水）将进入井内，若此时从井口返出的钻井液的量比泵入的钻井液的量多，停泵后井口钻井液自动外溢，

这种现象称之为溢流。溢流进一步发展成为井喷，地层流体（油、气、水）无控制地涌入井筒，喷出地面，无法用常规方法控制井口而引发井喷失控，这是钻井过程中最恶性的钻井事故。

由于钻井液液位的变化是钻进过程中溢流及漏失的主要预兆，常规溢流及漏失实时监测技术是通过监测钻井液液位的变化来预报溢流及漏失的。主要存在以下两个问题：

3、不能准确发现微量溢流及漏失：常规泥浆罐的内空截面积约为20；当溢流量小于1时，4个泥浆罐的液面高度上升不到1cm，由于泥浆罐液面检测装置的误差为1cm 左右，故对小于1的微量溢流无法进行准确的监测。在快速钻进过程中，由于钻井液消耗较大，需不断补充钻井液，钻井液总量的变化较大，因此只用钻井液液位不易判断井漏。

4、不能涵盖钻井过程的开井循环、关井循环以及井漏失返3种循环工况。常规溢流监测技术只能针对开井循环一种工况，而对另外两种循环工况则无能为力。

针对常规溢流及漏失监测技术所存在的上述问题，本文设计了微量溢流及漏失的实时监测系统，对于开井循环和关井循环，利用……对溢流监测的高敏感性，以及泥浆罐液面的监测情况对溢流进行综合判定；对于井漏失返，则直接根据环空液面监测情况进行判定

1）分析与微量溢流及漏失有关的参数，如：流量、压力、密度、温度，确定监测参数，优选传感器、数据采集卡；

2）利用力控软件完成监测系统的软件设计。

目前现场对出口流量的测量，普遍使用的为靶式流量传感器。其测

量过程是依靠出口钻井液的冲力的大小使靶体位置发生变化，靶体位置

的变化，从而改变输出电流的大小。该传感器其变化反应不灵敏，并且测

量的也不够准确。在使用过程中，该传感器存在有许多缺点：

1、安装条件要求苛刻，原因在于该传感器必须安装在出口高架槽的

上端，主要是下端沉积的岩屑较多，长时间的携砂不充分，直接导致该传

感器的正常工作。

例如：在腹部快速钻进过程中，通常情况下都是接单根时间远大于打

钻时间。这种情况下，传感器如果安装在高架槽下部就很有可能导致该

项参数的真实性。只要是快速钻进过程该情况就普遍存在。并且由于安

装位置的限制，靶式流量传感器的体积较为笨拙，因此造成安装的不变。

2、靶体长时间使用活动不灵敏、检测范围缩小，即在长时间的录井过

程中，钻井液也会逐渐干结成泥饼，堆积在靶体活动轴附近，使其活动范围受到变小或者不能真实反映钻井液流量的变化。

3、现场环境对该传感器的影响较大，长时间使用可变电阻容易损坏，

并且昼夜温差也对该电阻有一定影响。

4、由于设计原因，传感器密封性较差，一段时间后，钻井液就会侵入到接线盒内，对电位器及接线柱均有腐蚀，从而影响到传感器的正常工作。由于靶式流量传感器有上面的缺点，建议该用超声波传感器，主要原

因在于安装方便、体积小、精度高等因素，并且在测量精度上也比靶式流量传感器占有绝对优势。例如：在电测过程中发生小量的溢流，靶式流量传感器有可能由于靶体高度接触不到钻井液，或变化不太灵敏。很有可

能监测不到，但是超声波传感器就不会发生类似情况的发生，原因在于该传感器探测有效范围是0．25—5m并且可以根据现场不同高价槽的高度灵活标定。因此准确度远高于目前使用的靶式传感器。

传感器的标定方法与池子探头类同，4mh对应高度为传感器到高架

槽底部，20 mA对应高度为传感器到高架槽顶部。然后根据需要调整反

映传感器的反应速度、干扰识别等参数的调整。最后在钻进过程中，根据理论算出的入口流量和当前出口流量的电压值进行相应的标定。

第一章动态环空压力控制钻井设备组成

管子运动发生超前或滞后的力就称为科里奥利力，简称科氏力。这是19世纪法国科学家科里奥利提出的。

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现了真正的、高精度的直接质量流量测量。精度一般可达%一%，

重复性优于%。

2.可以测量多种介质，如油品、化工介质、造纸黑液、浆体及天然气等。

3.可测量多个参数，在测量质量流量的同时，获取密度、温度、体积流量等参数。

4，流体的介质密度、勃度、温度、压力、导电率、流速分布等特性对测量结果影

响较小。安装时无上下直管段要求。无可动部件，流量管内无障碍物，便于维护。

5.零点漂移较大。零点不稳定性是它的最主要缺陷，这与它本身的高精度很不相

称。

6.对外界振动干扰较敏感。为防止管内振动的影响，流量传感器安装要求较高。

科里奥利流量计是DAPC系统的重要组成部分，D妙C系统中主要是用它来精确监

测其流量变化。

科里奥利质量流量计 (CoriolisMasSFlowmeter)简称科氏力流量计，是利用流体在

振动管中流动时，将产生与质量流量成正比的科里奥利力的原理测量的。由于它实现了真正意义上的高精度的直接质量流量测量，具有抗磨损、抗腐蚀、可测量多种介质及多个参数等诸多优点，现已在石油化工、制药、食品及其他工业过程中广泛应用。

一、科里奥利流量计的原理

当一根管子绕原点旋转时，让一个质点从原点通过管子向外端流动，即质点的线速

度由零逐渐增大，质点被赋予了能量，随之产生的反作用力Fc(即惯性力)将使管子的

旋转速度减缓，使管子运动发生滞后。相反，让一个质点从外端通过管子向原点流动，即质点的线速度由大逐渐减小趋向于零，质点的能量被释放出来，随之产生的反作用力Fc将使管子的旋转速度加快，使管子运动发生超前。如图1一6所示。这种能使旋转的大庆石油学院须士研究生学位论文

7.流体中气泡含量超过某一界限会显着影响测量值。

基于以上的条件我们选择科里奥利流量计，科里奥勒流量计可以检测到节流管汇

下游流体直至出井时的变化很小流量【‘5]。