【文章內容簡介】 如圖25所示。 井涌鉆井溢流不斷增大便會形成井涌，如圖26所示。當發(fā)生鉆井溢流和井涌后，若不及時采取相應措施，井涌量就會逐步增大，噴出物會越來越多、越噴越高，最終發(fā)生井噴。 井噴地層流體（油、氣、水）壓力過高而涌入井筒，噴出轉盤面2m以上的現(xiàn)象稱為井噴。井噴流體自地層經(jīng)井筒噴出地面稱為地上井噴；地下井噴是指井下高壓層的地層流體把井內某一薄弱層壓破，流體由高壓層大量流入被壓破地層的現(xiàn)象。 井噴失控井噴發(fā)生后，無法用常規(guī)方法控制井口而出現(xiàn)敞噴的現(xiàn)象稱為井噴失控，如圖210所示。井噴失控又可分為環(huán)空失控、管柱內失控、地面失控和地下失控四種形態(tài)，無論是哪種形態(tài)，均是鉆井工程中性質嚴重、損失巨大的災難性事故。 本章小結本章主要介紹了井控裝置和技術的發(fā)展現(xiàn)狀。本章介紹了防噴器的組成和工作原理以及防噴器組合的壓力和通徑的選擇以及井控的分類。本章還介紹了井口事故。為了避免溢流引起井噴失控事故，發(fā)現(xiàn)溢流后要及時、準確、無誤地采取防噴器關井。目前常用的關井操作分為軟關井、半軟關井和硬關井三種方式。三種方式都有其優(yōu)缺點。 關井方式的分類 硬關井 “硬關井”通常也稱為快速關井，即一旦發(fā)生溢流或井噴，在防噴器與四通等的旁側通道全部關閉的情況下立即關閉閘板防噴器。硬關井時，由于關井用時少、動作快，地層流體進入井筒的量少，關井套壓低，壓井作業(yè)時井口承受的壓力也較低。但由于流體的慣性和動能硬關井會在井口產(chǎn)生“水擊效應”，特別是高速油氣沖向井口時，對井口裝置的作用力很大，使井口裝置、套管和地層所承受的壓力急劇增加，甚至超過井口裝置的額定工作壓力、套管抗內壓強度和地層破裂壓力，而造成井口失控。 軟關井“軟關井”是當發(fā)生溢流或井噴后，在節(jié)流閥通道開啟、其它旁側通道關閉的情況下關防噴器，然后再緩慢關閉節(jié)流閥，待壓力恢復后記錄關井立管壓力和套壓?！败涥P井”方法的優(yōu)點是克服了“硬關井”的缺點，但由于關井時間比較長，侵入井筒內的地層流體多，套壓較高。 半軟關井“半軟關井”為節(jié)流閥在適當開度（約3/5圈）下關閉防噴器的操作程序。適當打開節(jié)流閥，目的是使井口套壓保持一定值，既可以減小水擊影響，降低井口壓力，又可在很大程度上阻止地層流體侵入井內。采取軟關井或半軟關井，由于關井時間較長，將會引起地層流體進一步侵入井眼，最終引起井口、套管鞋處及井底的壓力不斷增加，使井控工作難度增大。硬關井時關井迅速，地層流體進入井筒的量少，關井套壓小，壓井作業(yè)時井口承受的壓力也低，但會引起較大的水擊壓力，造成對井口及井眼的沖擊震動，若控制不好，則有可能破壞井口裝置，造成井噴失控。 關井方式的選擇當井涌發(fā)生時，由于節(jié)流閥打開之后關閉防噴器既容易，又降低了沖擊震動，因此國際上普遍采用“軟關井”方式。但是軟關井操作方式會延遲節(jié)流閥和防噴器的關閉時間，這樣將會造成大量地層流體進入，不利于后續(xù)的壓井作業(yè)。由于井場上的情況千變萬化，具體情況下關井方式的選擇變得尤為重要。 對于關井方式的選擇，國內外很多學者都進行了研究，下面先介紹幾種觀點。硬關井操作中，不僅可以忽略地層的附加壓力，還能有效的避免更多流體進入井筒以及井筒壓力的升高。軟關井操作中，大量流體的涌入更容易造成套管表壓的上升，增加水擊脈沖的幅度，而且在開關閥門時又存在人為差錯等因素，因此，從人員安全、設備安全以及油井安全等方面考慮，硬關井成為首選的關井方式。在井口流速不是特別高時，“硬關井”形成的水擊壓力并不大，且井筒內的氣體可以減少水擊壓力，對于關井的影響比較小，因此完全可以考慮采用“硬關井”。總之，關井是控制溢流的關鍵方法，關井程序的選擇則是井控作業(yè)成功與否的關鍵。研究表明，當發(fā)現(xiàn)溢流較早時，侵入井筒內部的氣體相對較少，因而井口主要受到鉆井液的沖擊，不過由于流速低，所以造成的水擊壓力就比較小。當溢流發(fā)現(xiàn)較晚時，侵入井筒內部的氣體相對較多，由于氣體上升過程中體積逐漸變大，因而井口主要受到氣體的沖擊作用，但由于氣體為可壓縮的彈性體，能減緩對井口的沖擊。同時由于目前井口裝備關閉多為液壓控制，關井速度很快，節(jié)約了更多的時間。因此，“硬關井”是一種較為安全、快捷的關井方式。 本章小結本章介紹了三種關井方式以及各自的優(yōu)缺點。得出“硬關井” 是一種較為安全、快捷的關井方式的結論。 流體流型分析流型的確定容易受到主觀因素的影響，這使得不同的研究者從不同的角度對流型進行研究時會給出不同的流型定義和劃分的方法。在鉆井過程中，環(huán)形空間形成的氣體—鉆井液氣液兩相上升流流型可能具有多種流型分布，在總結現(xiàn)有垂直環(huán)空管上升氣液兩相流流型研究成果的基礎上，將其劃分為五種基本流型：分散氣泡流、氣泡流、彈狀流、攪動流和環(huán)狀流，這種流型劃分方式已被廣泛采用，它較好的描述了鉆井過程中環(huán)形空間上升氣液兩相流基本流動特性。分散泡狀流：氣相以小的離散氣泡分布在環(huán)形空間的連續(xù)液相中。氣泡都以一種非常小的球形氣泡存在，且氣泡與液相之間不產(chǎn)生滑脫現(xiàn)象，兩者以相同速度向上移動。分散泡狀流一般在氣相流量與液相流量相比很小的情況才可能發(fā)生，也可以將其歸類到泡狀流。泡狀流：氣相以小的離散氣泡分布在環(huán)形空間的連續(xù)液相中，但是氣泡呈現(xiàn)出兩種形狀：球型小氣泡和體積較大的大氣泡。球形小氣泡認為懸浮在液相中，與液相之間不產(chǎn)生滑脫，而大氣泡在液相中滑脫向上移動。彈狀流：彈狀流的突出特點是由一串段賽段單元構成，又名段塞流。每一個段塞段單元由一個大的氣泡（又稱Taylor泡）、一段液相和將大氣泡包含在其中的一段液膜構成。在垂直環(huán)空中Taylor泡纏繞在內管外壁上，位于內壁和外壁液膜之間，幾乎占據(jù)環(huán)空管的大部分截面。包含Taylor泡的液膜相對于Taylor泡向下移動，與攜帶有小的氣泡的液相段一起在環(huán)空中形成橋接，將連續(xù)的兩個Taylor泡分開。攪動流：攪動流是一種氣相和液相的混亂流動狀態(tài)，Taylor泡和液塞都發(fā)生扭曲。相鄰Taylor泡之間液相的連續(xù)性隨著氣泡之間融合不斷遭到破壞，液相不斷的落下和積累形成暫時的橋接，然后在氣泡的頂替下上升，所以液相的運動方向的交替改變是攪動流的顯著特點。環(huán)狀流：環(huán)狀流中氣相呈現(xiàn)出連續(xù)相狀態(tài)，環(huán)空管的內管外壁與外管內壁均有一層液膜，含有微小液滴的氣芯占據(jù)兩層液膜之間的環(huán)形空間，而且現(xiàn)有研究表明，外管液膜要比內管液膜稍厚。本文假設流體均勻而且氣泡非常小，氣泡都以一種非常小的球形氣泡存在，且氣泡與液相之間不產(chǎn)生滑脫現(xiàn)象，兩者以相同速度向上移動。即認為流體為分散泡狀流流型。 硬關井水擊模型采取硬關井方式時，液體的流動瞬時停止，由于壓縮性和慣性的作用，在井口會產(chǎn)生水擊作用，可能造成套管鞋等部件的損壞，從而影響正常鉆井施工。因此，在建立水擊模型之前，有必要對水擊壓力和水擊波速進行研究。下圖是水擊壓力傳遞的四個步驟。 水擊波傳播的第一階段 圖41 0﹤t≤L/c 時增壓波面向水箱方向傳播如圖41所示，假設防噴器瞬時關閉，靠近閘板下部的一段厚度?S的液體速度會首先在極短時間內變?yōu)榱?，其壓力也由P0增為P0+?P，相應段井筒也由于壓力變化出現(xiàn)膨脹。在?t時間間隔之后，下部緊挨著的一段液柱也停止運動，由此下去，其后各個液柱逐次停止運動，并由壓縮而產(chǎn)生?P的增壓值。這就形成了增壓波面，并以液體中音速c由井口向井底傳播，在經(jīng)過t1L/c后，增壓波面到達套管鞋處，井筒中液體全部靜止，壓力變?yōu)镻0+?P。這個階段，套管由于壓力增加而膨脹，流體的動能轉化為流體壓力能和套管的內能。 水擊波傳播的第二階段圖42 L/c﹤t≤2L/c 時減壓波面向閥門方向傳播由圖42所示，在t=L/c時刻，井筒內的液體都已停止流動，均處在被壓縮狀態(tài)，井筒則處于膨脹狀態(tài)。但此刻井筒內的壓力高于套管鞋處的壓力，壓力產(chǎn)生不平衡，這樣就使靠近套管鞋處的一段流體以速度v0向井底倒流，水擊壓力消失，恢復正常靜壓，管壁也恢復原狀。這個過程套管的內能和流體的壓力能轉化為流體的動能。 水擊波傳播的第三階段圖43 2L/c﹤t≤3L/c 時減壓波面向水箱方向傳播在2L/c時刻，全井筒內壓力已恢復到靜壓。緊鄰閘板處的液柱由于慣性的作用仍以速度v0向井底流動，液體又不再補充，從而液體產(chǎn)生雙倍膨脹，出現(xiàn)壓力雙倍降低，即產(chǎn)生負的壓力?P，井筒壁收縮，而此后的液柱相繼降低，形成減壓波面仍以速度c向井底傳播，流體的動能轉化為流體的壓力能，如圖43所示。 水擊波傳播的第四階段圖44 3L/c﹤t≤4L/c 時減壓波面向閥門方向傳播由圖44所示，在防噴器關閉后t3時刻，減壓波面到達井底，井筒內的液體處于低壓的靜止狀態(tài)，管壁則處在收縮狀態(tài)。此刻，井底處的壓力高于井筒內的壓力，又失去平衡，在壓差?P的作用下，液體以速度v0向上運動，并緊鄰井底的一層液體壓力恢復到p0，管壁也恢復原狀。這種不平衡面又依次以速度向閘板方向傳播，在t4=4L/c時傳到膠芯處，全井筒液體又恢復到關閉前的狀態(tài)。隨后，第一個壓力傳遞循環(huán)開始。根據(jù)[35],閘板瞬時關閉時產(chǎn)生水擊壓力使套管膨脹，波陣面s下側為井口未關閉前的狀態(tài)，即流速為vm0，面積為A0；在S上側，流速變?yōu)榱?，面積為A1，波陣面S將以波速am向下推進。上側相對速度v=am，下側相對速度為： (41)在密度不變情況下，由連續(xù)性方程可知：