井下各种压力概念及相互关系

 一、静液压力

1、静液压力和静液压力梯度的定义

静液压力是由静止液体的重力产生的压力。其大小取决于液体的密度和液体的垂直高度，与液柱的横向尺寸及形状无关。

静液压力梯度是指每增加单位垂直深度静液压力的变化量。静液压力梯度受液体密度的影响和含盐浓度、气体的浓度以及温度梯度的影响。含盐浓度高会使静液压力梯度增大，溶解气体量增加和温度增高则会使静液压力梯度减小。

2、静液压力的计算

P=ρgH

式中：P--静液压力，MPa

ρ--液体密度，g/cm³

g--重力加速度，0.00981

H--液柱的垂直高度，m

在陆上钻井作业中，H为井眼的垂直深度，起始点自转盘面算起，液体的密度为钻井液的密度。

例1某井钻至井深3000米处，所用钻井液密1.3g/cm3，求井底处的静液压力。

解：P=ρgH=1.3×0.00981×3000=38.26MPa

3、静液压力梯度的计算

根据压力梯度的定义可知，其计算公式为：

G=P/H=ρg

式中：G—压力梯度，kPa/m（MPa/m）

P—静液压力，kPa（MPa）

H—液柱的垂直高度，m

Ρ—液体密度，g/cm³

g—重力加速度，9.81（0.00981）

用压力梯度的定义，静液压力的公式也可以写成：

静液压力=压力梯度×垂深（P=G×H）

例2 某井钻至井深3600米处，所用钻井液密度为1.5g/cm³，计算井内静液压力梯度。

解：G=ρg=1.5×9.81=14.7kPa/m

二、当量钻井液密度

1、当量钻井液密度的定义

当量钻井液密度是指将井内某一位置所受各种压力之和（静液压力、回压、环空压力损失等）折算成钻井液密度，称为这一点的当量钻井液密度。把地层压力、地层破裂压力、循环压力折算成钻井液密度，分别称为地层压力当量钻井液密度、地层破裂压力当量钻井液密度、循环压力当量钻井液密度。

2、当量钻井液密度的计算

例3    井深2800m，钻井液密度1.24g/cm³，下钻时存在一个1.76MPa的激动压力作用于井底，计算井底压力及当量钻井液密度。

解：井底压力P=1.24×0.00981×2800＋1.76=35.82MPa

三、地层漏失压力

地层漏失压力是指某一深度的地层产生钻井液漏失时的压力。对于正常压力的高渗透性砂岩、裂缝性地层以及断层破碎带、不整合面等处，往往地层漏失压力比破裂压力小得多，而且对钻井安全作业危害很大。

四、循环压力损失与环空压耗

循环压力损失是指泵送钻井液通过地面高压管汇、水龙带、方钻杆、井下钻柱、钻头喷嘴，经环形空间向上返到地面循环系统，及其它所经过的物体，因摩擦所引起的压力损失。

在数值上等于钻井液循环泵压。该压力损失大小取决于钻柱长度和钻井液密度、粘度、切力、排量和流通面积。任何时候钻井液通过管汇、喷嘴或节流管汇均要产生压力损失。通常，大部分压力损失发生在钻井液通过钻头喷嘴时。循环排量的变化也会引起泵压较大的变化。

在钻井过程中，钻井液沿环空向上流动时所产生的压力损失称为环空压耗。在钻井泵克服这个流动阻力推动钻井液向上流动时，井壁和井底也承受了该流动阻力，因此，井底压力增加。当停泵钻井液停止循环时，流动阻力消失，井底压力又恢复为静液压力。钻井液在环空中上返速度越大、井越深、井眼越不规则、环空间隙越小，且钻井液密度、切力越高，则环空流动阻力越大；反之，则环空流动阻力越小。

五、激动压力和抽汲压力

1、抽汲压力

抽汲压力发生在井内提钻时，由于钻柱上提，会引起钻井液向下流动，以填充钻柱下端因上升而空出来的井眼空间。这部分钻井液流动时受到流动阻力的影响，使得井内钻井液不能及时充满这部分井眼空间，这样，在钻头下方形成一抽汲空间，其结果是降低了有效的井底压力。

2、激动压力

激动压力产生于下钻和下套管时，因为钻柱下行，挤压其下方的钻井液，使其产生向上的流动。由于钻井液向上流动时要克服流动阻力的影响，结果导致井壁与井底也承受了该流动阻力，使得井底压力增加。

3、影响因素

激动压力和抽汲压力主要受以下因素影响：

1）管柱结构、尺寸以及管柱在井内的实际长度；

2）井身结构与井眼直径；

3）起下钻速度；

4）钻井液密度、粘度、静切力；

5）钻头或扶正器泥包程度。

因此，在起下钻和下套管时，要控制起下速度，不要过快，在钻开高压油气层和钻井液性能不好时，更应注意。

六、井底压力

在钻井作业中，始终有压力作用于井底，主要来自于钻井液的静液压力。同时，将钻井液沿环空向上泵送时所消耗的泵压也作用于井底，即循环钻井液时的环空压耗。其它还有侵入井内的地层流体的压力、激动压力、抽汲压力、地面回压等。井底压力就是指地面和井内各种压力作用在井底的总压力。在不同作业情况下，井底压力是不一样的。

静止状态，井底压力=静液压力

静止状态下，井底压力主要由钻井液的静液压力构成，钻井液的静液压力主要受钻井液密度和井内液柱高度的影响。油气活跃的井，要注意井内流体长期静止时，地层中气体的扩散效应对井内流体密度影响，最终有可能影响井底压力。另外，静止状态下，要监测井口液面，防止液柱高度下降影响井底压力。

正常循环时，井底压力=静液压力＋环空压耗

井内流体循环时，环空压耗会使井底压力增加，过大的循环压耗可能漏失；一旦停止循环，循环压耗突然消失会使井底压力下降，同样影响井内的压力平衡。

节流循环时，井底压力=静液压力＋环空压力损失＋节流阀回压

节流循环除气或压井循环时，通过调节节流阀的不同开关程度，形成一定的井口回压，保持井底压力平衡地层压力。

提钻时，井底压力=静液压力－抽汲压力

由于抽汲压力的影响，提钻时的井底压力会下降，导致很多井在正常钻进时井底压力能够平衡地层压力，而提钻时发生溢流。因此，提钻时要事先判断并注意减小抽汲压力的影响。

下钻时，井底压力=静液压力＋激动压力

由于激动压力的产生，使得下钻时的井底压力增大，虽不至于直接引发井控问题，但过大的激动压力可能导致漏失，致使静液压力下降，从而引发井控问题。所以，下钻时同样要做好井控工作。

关井时，井底压力=静液压力＋地面回压

发生溢流后需及时关井，形成足够的地面回压，使井底压力重新能够重新平衡地层压力。地面回压作用于井口设备和整个井筒，因此要求井口设备具有足够的承压能力和密封性，地面回压过高会破坏井筒的完好性，所以关井地面回压并不是越大越好。

七、安全附加值

在近平衡压力钻进中，钻井液密度的确定，以地层压力为基准，再增加一个安全附加值，以保证作业安全。因为在起钻时，由于抽汲压力的影响会使井底压力降低，而降低上提钻柱的速度等措施只能减小抽汲压力，但不能消除抽汲压力。因此，需要给钻井液密度附加一安全值来抵消抽汲压力等因素对井底压力的影响。附加方式主要有两种：

一是按密度附加，其安全附加值为：

油水井：0.05～0.10g/cm³    气井：0.07～0.15g/cm³

二是按压力附加，其安全附加值为：

油水井：1.5～3.5MPa           气井：3.0～5.0MPa

具体选择安全附加值时，应根据实际情况综合考虑地层压力预测精度、地层的埋藏深度、地层流体中硫化氢的含量、地应力和地层破裂压力、井控装置配套情况等因素，在规定范围内合理选择。

八、压差

井底压力与地层压力之差称为压差。按此方法可将井眼压力状况分为过平衡、欠平衡和平衡三种情况。过平衡（又称正压差），是指井底压力大于地层压力；欠平衡（又称负压差），是指井底压力小于地层压力；平衡，是井底压力等于地层压力的情况。通常所说的近平衡压力钻井是指压差值在规定范围内的过平衡压力钻井。

钻井液对油气层的伤害，不能单纯以钻井液密度的高低来衡量，而应以压差的大小和钻井液滤液的化学成分是否与油气层匹配来鉴别。

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