钻井液在泵的推动下沿钻杆中心向下运动 然后通过钻杆和钻孔壁之间的间隙返回至地表。 背景 有一次，我应邀参加了我上小学的女儿所在班级组织的一个“石油的世界”全天科普活动，为他们活跃一下气氛，于是就筹备了这个实验。该实验旨在借助地图、录像和地质描述等手段讲述“运动中的物理学”。实验非常成功，在学生们的强烈要求下，我不得不又重做了几次！ 本实验演示钻探油井过程中的主要风险之一 - 井喷，它是油井内气压过大而将石油突然挤出时发生的现象。 该演示对于阐明钻井液、井喷预防措施、流体静压力、压力平衡、密度等概念也很有用。

工具和器材

如图所示，模型是用常见材料制作的。某些零件可能需要到日用品商店或五金商店去购买。基本思路是用透明乙烯管（内径 6 mm）模拟“油井”。用聚会气球模拟“储集层”，另一根透明管则用作“压力计”。在我制作的装置中，使用鱼缸的空气泵管路（外径 6 mm）作为压力表（压力计），尽管它会导致小的毛细管误差。也可使用更粗的管（但不要太粗，否则装置将失去其实用性）。我用卡线用的 U 形钉将管固定到木板上。可从家具商店购买卷尺充当分度尺，用来测量“油井”和“压力计”的水位，效果很好。必须小心地将它们与同一水平基准对齐。我将摄影胶片盒用作压力表的水箱。用力将鱼缸用的软管穿过盖子下面的厚泡沫填充物，这样做可使入口不漏气。我使用了一个 _ 英寸 (6 mm) 的四通管接头和一个针阀（正巧我有这两样东西），但我认为使用从鱼缸供应商处购买的十字接头和针形阀也会获得类似的实验结果。

除上述用品外，还需准备一些淡水、食盐和一台厨秤。一个小漏斗或一个带注口的玻璃杯会派上用场。

使用多少具有临时代用品性质的管接头、聚四氟乙烯带、橡皮筋和导管带密封连接点时，需要发挥一些创造性。建议进行预演，使自己熟悉这类简易装置存在的一些小错误。

实验 1：

1. 关闭针形阀。将淡水注入用于模拟油井的管中，水位到达顶部边缘时停止注水。在压力计水箱中也注入淡水。

2. 用打气筒打气，使压力表中的水位升至刚好低于油井管中水位的位置。如果气球膨胀过大，就安装两个气球，一个套在另一个的外面。

3. 停止打气，并确保打气筒没有漏气。缓慢地打开针形阀。油井中的水位将略有下降，降至与压力计中水位相同的高度。此时处于平衡状态，油井中水柱的流体静压力与储集层压力完全一致，并使流体（本实验中为空气）保持在原位不动。

   （备注：在压力计尺上精确标记出水位，供以后参考。如果水位降至远低于油井管边缘的高度，则关闭针形阀，再次给油井充水，并在再次打开针形阀前施加比原来稍高的压力）

4. 我们现在来模拟欠平衡状态。轻压气球（略微增加储集层压力），并观察进入管中的第一个气泡。观察它在管内上升过程中大小是如何随流体静压力的降低而增加的。

5. 气泡体积增加后会排开水，这部分水会从油井管中溢出。随着油井中水量减少，流体静压力也下降，这时，就会有更多的空气进入管中，排开更多的水，很快所有的水都会溢出_，溅到周围每个人的身上！

钻探油井过程中，就可能会出现这种情景，导致所谓的井喷，造成灾难性的后果。事实上，原始的钻井方法就是在地中锤入一个木桩，直至碰到储集层，流体喷出。除危险、浪费和污染环境外，这种技术（还是干脆不用的好！）还只能用于开采浅油井。在现代旋转钻探作业中，经特殊配制的泥浆的功用之一就是使油井中储集层流体保持在原位不动。钻井液通过钻杆在油井中不断循环运动，并通过钻杆与井孔间的环形间隙流出油井。返回的钻井液受到持续监控，以检测油井中是否存在天然气。

如果检测到天然气，钻孔机立即尽可能低地放低钻杆，并用“防井喷闸板”将其夹紧，防止井中流体损失。然后，通过钻杆注入浓度更高的泥浆，将环形间隙中的流体闭死，从而在维持压力的同时清除了天然气和较轻的泥浆。较重的泥浆沿钻杆向下流动，然后通过环形间隙上升。随着泥浆柱越变越重，地表所检测到的天然气也越来越少。较重的泥浆流动到位并将储集层流体纳入其中后，“闸板”即被打开，钻探作业恢复。在我们的模拟器中也可对这一过程进行模拟。

实验 2：

1. 将一个容积足以容纳向油井管中注入的液体的容器放在厨秤上，并将秤调至零点。充入淡水，称量重量。

2. 添加食盐，直到重量增加了 5% 或 10%。搅动水，使食盐完全溶解

3. 关闭针形阀，并将盐水注入油井管中。

4. 下压打气筒，直至压力计管中的水位比“实验 1”中的水位高 5% 或 10%（根据在步骤 2 中添加的食盐量）。

5. 缓慢地打开针形阀，观察油井中水柱较短的较重（密度更大的）流体是如何与压力计管中水柱较高的较轻流体取得平衡的。

6. 如果有气泡进入油井，这说明压力过大——就表示打入的空气过多，压力计的水位过高。反之，如果油井管中的流体有损失，这说明储集层补偿过度 - 油井中的压力过大。（由于我们的测量准确性相对较低，不可避免会有一点损失。需进行预演）。

7. 当然，现在又是处于平衡状态，轻压气球会产生与“实验 1”相同的结果。

最后说明

通过以上实验，可以很容易做出如下推断：为安全钻探起见，钻井液柱施加的流体静压力必须对储集层压力进行稍加过度补偿。但在钻探前，最多只能对此压力进行推测；因此，我们需要留有一定的安全余量。我们还观察到，油井柱中的过度补偿导致了储集层发生流体损失。这种情况也很危险，因为这将导致出现平衡，而这正是“井喷”的前一阶段。为避免出现这种情况，需对钻井液进行配制，以堵塞储集层中的孔。流动性较强的成份中的一部分渗入到储集层孔中，形成渗流，但悬浮着的较大的固体颗粒会堵塞这些孔，形成泥饼，防止储集层中进入更多流体。在油井钻探过程中，钻井液损失也是一个受到密切监控的参数。