浅谈关井立压和关井套压

王 刚

（大庆钻探工程公司钻井一公司，黑龙江大庆163411）

发生溢流关井后，首先记录关井立压、关井套压和溢流量，这3个数据的录取是公司代表的职责。如果钻柱在井底且钻柱上没有安装内放喷工具（如浮阀、回压凡尔等），则关井立压可以从立管压力表上直接读取，如果钻柱上安装有浮阀，则必须执行顶开浮阀的程序求取关井立压。起下钻过程中发生溢流关井后，除非执行钻头不在井底的压井程序，一般不要求录取关井立压，而关井套压、溢流量、整个压井过程时间的准确记录、钻头的位置等数据则必须由公司代表录取。这些数据收集齐全后，由钻井公司代表及其监督等研究确定适合的压井方法，包括司钻法、工程师法、边循环边加重法、体积法、甚至包括强行下钻到底等方法。正确理解“U”型管的概念对于正确理解地面压力以及成功地执行这些井控方法起着至关重要的作用。

1“U”型管的概念

为了有效地应用井控程序，必须透彻地掌握井底压力、套管压力和钻杆压力之间的相互关系，也许最好的方法是通过“U”型管的概念来说明这种关系。

图1表示2个尺寸相同的垂直管子的横截面在底部被一根水平管子连通，当系统中加入密度相同的流体时，A柱和B柱两端液面将相同，这种结构通常称为“U”型管，因为其形状类似于字母U。“U”型管是用来描述钻杆在井眼内井眼状况的常规方法，钻杆侧代表A柱，环空侧代表B柱，“U”型管底部的开孔被看作是通过钻头水眼的开孔，A柱底部压力等于B柱底部压力，被看作是井底压力。

为了理解和解释“U”型管的概念，需要提供2个公式，这2个公式如下：

图1 简单“U”型管分析

静止状态基本的井控公式：

井底压力=静液压力+地面压力

静液压力=0.052×泥浆密度×垂直井深

在流体液面静止的“U”型管中，A柱产生的井底压力等于B柱产生的井底压力，数学表达式如下：

“U”型管的基本概念：

静液压力（A柱）+地面压力（A柱）=静液压力（B柱）+地面压力（B柱）=井底压力

当“U”型管两侧充满相同密度流体时没有太大意义，在这种情况下，管子两侧的静液压力以及地面压力相同，当钻头下到井底并且钻杆和环空充满相同密度钻井泥浆时就是这种情况，在井口流体液面保持静止，钻杆侧和套管侧两端地面压力为零，钻杆侧静液压力等于套管侧静液压力。

然而，当“U”型管两侧装有不同密度流体时更有意义，在这种情况下，管子两侧静液压力以及地面压力可能是不同的，当钻头在井底时发生溢流就会出现这种情况，溢流的发生是因为井底压力大于井内泥浆柱压力。当关井时，井眼停止流动，欠平衡压力值作为地面压力反映在钻杆压力表上。

环空流体不再单独由钻井泥浆组成，它也包括较轻的地层流体，从而减小了环空总静液压力。因此环空侧欠平衡压力值大于钻杆侧，从而导致关井套压大于关井立压。其效果如图2所示。

在图2中，井深10000ft，使用10ppg泥浆钻进到异常高压砂岩地层，地层压力是5740psi，溢流量30bbl。因为10ppg泥浆的静液压力仅等于5200psi（1000ft×10ppg×0.052=5200psi），钻杆侧欠平衡压力值是540psi，这个压力值反映在关井立管压力表上，该压力表位于“U”型管A柱侧。环空侧静液压力等于环空内泥浆静液压力加上环空气体的静液压力。由于环空有30bbl泥浆被较轻气体所置换，因此环空侧总静液压力小于钻杆侧静液压力。在这个井眼结构中30bbl泥浆产生的静液压力比30bbl气体产生的静液压力大140psi。因此关井套压即“U”型管B柱侧顶端的压力比钻杆压力表显示的压力值大140psi。

图2 简单“U”型管分析

2 顶开钻杆浮阀的程序

如果安装了钻杆浮阀，钻杆压力表上压力读数将接近于零，为了准确获取关井立管压力，必须缓慢向钻杆内泵入泥浆顶开浮阀。顶开钻杆浮阀的正确程序如下。

顶开钻杆浮阀程序：

（1）确保关井并记录了关井套压；

（2）缓慢开泵向钻杆内泵入泥浆，同时监视套压和立压；

（3）当开始泵入时立压增加，仔细观察立管压力，当浮阀阀芯被顶开离开阀座时，立管压力将出现一个暂停，当第一次观察到暂停时，记录此时的立管压力值；

（4）验证浮阀确实已经被顶开，继续非常缓慢地向钻杆内泵入泥浆，直到观察到套压增加为止，这将会在立管压力表上出现暂停后很快出现；

（5）套压一开始增加就立即停泵，录取关井立管压力等于上面步骤3中记录的立管压力值，即立管压力表暂停时的数值（不是最后停泵时的立管压力值）；

（6）再次检查关井套压，以小增量释放过大的压力，直到连续2次释放都观察到相同的读数为止，释放压力时，不允许套压下降到低于其原始关井套压值。

如果井队使用的是大的双缸复合泵，上面叙述的顶开浮阀程序会很困难，也许需要间断地开停泵缓慢增加钻杆压力。当使用这个程序时，套压增加前不会出现钻杆压力停顿的现象，在这种情况下，确定关井立压是用停泵后的最终钻杆压力值减去套压的增加值，用这个值作为正式的关井立压值。

3 正确理解关井立压和关井套压

关井地面压力通常取决于欠平衡值以及侵入井内的地层流体密度和地层流体量，关井立压和关井套压分别代表地层压力与钻杆以及环空静液压力之差，这2个压力受欠平衡值影响相同。更具体地说，地层压力与静液压力之间差值越大，关井压力越高，在这种情况下，较高的关井套管压力会压漏地层。为了减小井底压力过大导致套管鞋处地层破裂的可能性，重要的是尽早发现和快速关闭防喷器。

通常关井套压大于关井立压，因为环空内地层流体密度小，在这种情况下，环空流体总的静液压力小于钻杆内静液压力，所以需要更高的关井套压去平衡地层压力。环空与钻杆内静液压力之差不仅仅取决于地层流体量（在环空所占高度），同时也取决于其密度，相同体积气体溢流关井套压比油或盐水溢流大许多。

通常关井时钻头不在井底或大部分或全部地层流体在钻头下面，关井套压与关井立压读数相同，在这种情况下，由低密度地层流体侵入引起的静液压力减小值对套压和立压的影响相同。类似情况也出现在钻柱上有孔所有溢流圈闭在小孔之下。

4 结论与认识

当思考欠平衡值和溢流量对井底压力的影响时，必须考虑溢流位置与相关深度的关系。如果相关深度在溢流之上，则全部套压必须加上相关深度以上泥浆静液压力，但是如果相关深度位于溢流中间或溢流之下，则地面总套压对相关深度的影响就减小了。这也适用于从井眼内循环排除溢流期间，例如浅层套管鞋处的压力在气体到达套管鞋之前通常随着循环排除气体而增大，直到气体顶部到达套管鞋为止，当气体到达套管鞋时，套管鞋处压力将减小，直到气体全部进入套管为止，当气体完全进入套管后，套管鞋处压力将保持不变直到气体被全部从环空排除为止。环空溢流流体与相关深度的关系将决定过大套压对套管鞋处压力的影响。