天然气侵入井内对液柱压力的影响

天然气侵入井眼后，呈气液两相流动状态，形成泡状流、段塞流等形态。循环时，气体随着钻井液循环从环空中上返，即使在不循环时，钻井液中的气体由于密度小，在钻井液中也会滑脱上升。

1.天然气以气泡形式存在井内对井内液柱压力影响

天然气的膨胀规律遵循波义耳气态方程。（等温变化）如右图所示图1-5-1。

即：P1V1＝P2V2＝P3V3＝…＝PnVn

当气泡上升至接近地面时，气泡体积膨胀到最大，而钻井液密度降低到最小。天然气侵入井内后，井内钻井液密度随井深自下而上逐渐变小。

（1）天然气侵入钻井液密度计算

图1-5-1　气侵对钻井液密度的影响

式中：ρmh—在井深H处气侵钻井液密度g/cm3；

α—地面气侵钻井液密度与气侵前钻井液密度的比值；

ρm—未气侵钻井液密度g/cm3；

Ps—地面压力MPa（开井时取0.00981MPa，关井时取关井套压值）；

H—计算井深m。

（2）气侵钻井液柱压力减小值

式中：ΔPm—受侵钻井液柱压力减小值MPa。

（3）钻井液发生气侵后应注意的问题

①钻井液发生气侵，密度随井深自下而上逐渐降低，不能用井口测量的密度值计算井内液柱压力。

②井比较深的情况下，即使井口返出钻井液气侵很严重，但是井内液柱压力并没有大幅度降低。

③气侵对井内静液柱压力影响随井深不同。井越深，影响越小；井越浅，影响越大。

④发生气侵，采取的首要措施是地面除气。除气后的钻井液泵入井内，若返出密度不再下降，则达到目的。若返出密度仍在下降，应适当提高钻井液密度，使出入口密度相等。

结论：天然气以微气泡的形式存在钻井液中，对井内液柱压力影响不大，但要加强地面除气，防止受污染的钻井液再次进入井内。

2.天然气以段塞流形态存在开井状态下对液柱压力的影响

在开井状态下，侵入井内的天然气靠密度差形成的浮力在钻井液中滑脱上升，并逐渐形成气泡甚至段塞。气泡或段塞所受的钻井液柱压力会随着气体的上升而逐渐降低，因此气体随之膨胀，并逐渐将其上的钻井液排出地面。(www.xing528.com)

图1-5-2　开井对井内液柱压力的影响

（1）开井状态下，气体在井内上升时体积一直在膨胀，在井底时体积增加较小，越接近井口膨胀速度越快。

（2）气体接近井口钻井液罐液面增加比较明显。

（3）气体膨胀上升对井底压力的影响很小，只是到接近井口时，井底压力才有明显降低。

结论：发生天然气溢流，在开井情况下，气柱在上升运移过程中，井内液柱压力不断降低，当气柱上升到井口时，液柱压力降低到最小值。

由此可见，发生天然气溢流开井情况下，井内液柱压力的降低值等于井内气体膨胀的体积转换的液柱压力。由于长时间停止循环或起钻抽吸，井底可能会聚集了相当数量的天然气并形成气柱，由于密度差作用导致气柱上升膨胀，或开泵循环钻井液时造成气柱膨胀，到达某一深度时，就会发生钻井液外溢，尤其是天然气上升接近地面时，体积会迅速膨胀，从而取代井筒内大量的钻井液，大大降低了井底压力。

由于在开井状态下，气体的膨胀是一个加速的过程，这就造成在钻井过程中，特别是在起钻过程中，单纯依靠监测钻井液罐液面变化很难做到及时发现溢流。为了保证起钻作业的安全，必须加强坐岗观察。

3.天然气以段塞流形态存在关井状态下对井内压力的影响

发生天然气溢流关井，或因起钻抽吸导致天然气溢流而关闭的井中，天然气在关井状态下滑脱上升。假定井内钻井液静液柱压力为36MPa，气体滑脱上升的速度主要取决于环空大小、钻井液粘度、气体与钻井液密度差等因素。

图1-5-3　关井情况下对井内压力的影响

通过上面的例子可以得出以下结论：

（1）在关井状态下，气体在带压滑脱上升过程中，关井立、套压不断上升，作用在井眼各处的压力均在不断增大。也就是说，一口关井后井内存在钻井液液柱，而天然气不断在井口聚集的井，比喷空的井在井内不同深度处的压力更高。

（2）关井时，天然气上升至地面，井口要承受原作用于井底的压力，所以要求井口防喷装置有足够高的工作压力。

（3）气体滑脱上升引起井口压力不断升高，这个压力与天然气以下的钻井液静液柱压力，造成过高的井底压力，不能认为地层压力也在增大，不能录取这时的井口压力计算地层压力。

（4）发生气体溢流不应长时间关井，避免超过最大关井套压，造成井口、套管损坏，或套管鞋以下地层破裂，天然气地面窜通。要尽快组织压井或通过节流阀释放部分压力。

（5）发生天然气溢流，在关井情况下，气柱滑脱上升过程中，井底、井口、井内各部位的压力都逐渐增加，当气柱上升到井口时，达到最大值。

注意：发生溢流关井后，井队一定要派人看井，当井口压力上升到最大允许关井套压时，应适当打开节流阀放压，并记录所放出的钻井液体积。在压井前，要根据放出钻井液的体积和原钻井液增量计算出放出钻井液后的关井套管压力。即：：

式中：Pa1—放压后的关井套压值MPa；

Pa—发生溢流关井后的套压值MPa；

△V1—发生溢流关井后钻井液增量m3；

△V—放出钻井液的体积m3。