钻井与完井工程教材第五章压力控制.docx
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钻井与完井工程教材第五章压力控制
第五章钻井过程压力控制
钻井过程井筒压力控制理论是压力控制钻井(平衡压力钻井、近平衡压力钻井、欠平衡压力钻井)和油气井溢流、井喷控制的重要理论论据和应用范围。
本章主要介绍稳态井内波动压力预测模型及计算方法;溢流及井喷过程井筒压力变化规律及控制方法。
欠平衡钻井井内压力系统分析、控制及欠平衡钻井涉及的主要技术问题;
第一节压力控制钻井中的几个概念
压力控制钻井包括过平衡钻井、平衡钻井、近平衡钻井及近年发展极快的欠平衡钻井、低压头钻井。
平衡钻井是科学化阶段后10年的主要技术成果,这项技术是基于压差对钻速影响的理论发展起来的。
平衡钻井、近平衡钻井、欠平衡钻井及低压头钻井虽然都是几个不同的概念和具有其独特的理论、技术特征,但它们都能不同程度地达到以下目的:
⑴有效地保护储层产能,据国外某油田调查资料表明:
当钻开储层时压差小于10.3Mpa时,储层产量接近638m3/d,而压差大于10.3Mpa时,储层产量仅为318m3/d。
美国阿拉斯加普鲁德霍湾油田针对油井产量递减问题进行了三年调查研究,分析了多个环节对油层损害的影响,结论为过平衡条件下钻井促使液相与固相侵入地层,损害地层的渗透率10~75。
薄片鉴定和扫描电镜分析证明,微粒侵入地层是储层损害的主要原因。
⑵明显提高钻速,理论及室内实验表明,钻速本质上受压力差影响,当孔隙压力与井筒有效液柱压力相等时钻速最高。
1959年坎宁安和尹英克(Eeoink)在室内用微型钻头在渗透性Berea砂岩、Indina灰岩和松散砂岩上试验,压差由0增至6.889Mpa,钻速下降60~70。
⑶更灵敏地反映地层特征,便于检测地层孔隙压力和估计地层破裂压力。
⑷优化井身结构设计,合理确定必封点深度套管程序和下深。
⑸可将钻井复杂问题,如压差卡钻、井喷、井漏和井眼不稳定减少到最低限度。
下面给出这几个压力控制钻井的概念,其理论及技术内容在有关章节详讲。
一.平衡钻井(BalancedDrilling)
平衡压力钻井是指在钻进时井内有效钻井液柱压力等于地层压力的钻井技术。
即:
或
(5-1)
式中:
PmE——井内有效液柱压力,MPa;
Pp——地层压力,MPa;
——钻井液有效液柱压力梯度当量密度,g/cm3;
——地层压力梯度当量密度,g/cm3。
(5-2)
Pm——钻井液柱静水压力,MPa;
Psw——抽汲压力,MPa;
Pco——环空循环压降,MPa。
二.近平衡钻井
指钻进时井内有效液柱压力略高于地层压力,起钻时钻井液有效液柱压力等于地层压力的钻井技术。
即:
(5-3)
近平衡钻井在现场应用较多。
三.欠平衡钻井(Under–BalancedDrilling)
指在钻井过程中钻井液柱有效压力低于地层压力,允许地层流体入进井筒,并可将其循环到地面可控制的钻井技术。
即
(5-4)
一般要求
软地层:
0.35~0.7MPa
硬地层:
3.5~7MPa
四.过平衡钻井(OverBalancedDrilling)
凡是钻井过程中钻井液柱有效压力大于地层压力的钻井为过平衡钻井,(也含近平衡钻井),在钻井工程设计、施工中一般指过压差值大于近平衡钻井允许压差窗口值的钻井。
第二节井内波动压力预测方法
管柱(钻柱,套管柱,油管柱等)在充有钻井液的井内运动会产生附加压力。
下放管柱产生的附加压力主要是激动压力,上提管柱产生的附加压力主要是抽汲压力。
波动压力以弹性波的方式在井内传播,这两个压力称为管柱在充有流体的井内运动时的波动压力。
这个附加压力有时会破坏井内压力系统的平衡而引起井下复杂情况和事故。
(1)现场资料统计表明,25%的井喷是由于起钻速度过高产生的抽汲压力而引起。
(2)过高的下钻速度产生井内压力激动压漏地层引起井塌、卡钻等恶性工程事故。
(3)由于激动压力及在环空产生的高环空返速是损害产层的两个主要宏观因素。
井内波动压力预测和计算是井身结构设计、合理钻井液密度确定的主要基础参数,也是钻井过程井内压力控制理论和方法研究的重要内容,它与井壁稳定、油气井压力控制等钻井工程问题都有关。
井内波动压力预测有刚性液柱法(或称稳态波动压力分析)和弹性液柱法(或称瞬态波动压力分析),下面主要介绍稳态波动压力的计算方法。
稳态井内波动压力计算方法是建立在刚性管-不可压缩流体理论基础上的。
伯克哈特在实测和理论分析的基础上认为运动管柱在充有流体的井内产生的波动压力是由以下原因引起的:
(1)管柱从静止状态到运动状态,因克服井内钻井液静切力而引起的井内压力激动。
(2)管柱运动引起井内钻井液动量变化。
(3)管柱以速度Vp运动排开的井内流体和管柱粘附的流体叠加,其流动方向与管柱运动方向相反流动克服环空流道沿程阻力而引起井内波动压力。
引起井内波动压力的三个原因出现在同一过程的不同时刻,伯克哈特认为在一般情况下,最大井内波动压力值是钻井液在环空流动克服沿程摩阻引起。
下面介绍其计算方法和步骤。
一.环空流速计算
管柱在充有流体的井内运动相当于一个柱塞排出流体,使流体在井内流动。
因此环空流速与运动管柱底端结构及几何尺寸有关。
管柱底端一般有开口和堵口两种方式,如套管柱、带单流阀的钻柱属于堵口管柱。
另外根据钻井泵工况,在计算环空流速时,应考虑开泵和停泵工作状况。
因此在计算环空流速时分以下三种情况进行讨论。
(1)堵口管(关泵)
如图5-3,管柱以速度Vp运动,则单位时间排开的流体体积流量为
(5-5)
环空平均流速
(5-6)
(2)开口管(关泵)见图5-1。
(5-7)
(3)开(堵)口管(开泵)
(5-8)
式中:
Vp——管柱运动速度,m/s;
——环空平均流速,m/s;
d——运动管柱外径,cm;
di——运动管柱内径,cm;
Qs——运动管柱排开流体体积流量,l/s;
Qi——进入运动管柱内流体体积流量,l/s;
Qp——钻井泵体积流量,l/s。
图5-1堵口管图5-2开口管
另外,当管柱在充有流体的井内运动时,由于流体粘滞效应,管柱表面层处的流体将以速度Vp与管柱同步运动,在运动管柱为刚性假设条件下,运动管柱沿轴向运动速度Vp为一个常数。
因此,粘附于管壁上行(或下行)的流体在每一横截面上流速分布相同,在刚性液柱条件下,粘附下行(或上行)的流体立即与进入环空上行(或下行)的流体叠加以速度V流动。
粘附力引起的环空流速
与管柱运动速度Vp、流体流变性、流道几何尺寸有关,写成以下形式
(5-9)
式中:
Kc——流体粘附系数,无因次;
紊流时Kc取0.5;
幂律流体层流时,Kc可从图5-3查得。
图5-3钻井液粘附系数
考虑泥浆粘附作用时,管柱运动引起环空流速的计算式分别为
堵口管关泵
(5-10)
开口管(关泵)
(5-11)
开(堵)口管(开泵)
(5-12)
二.波动压力计算
环空流速求出后,即可进行波动压力计算,计算步骤为:
(1)由式(5-10)、(5-11)、(5-12)计算
;
(2)流态判别
幂律流体
(5-13)
塑性流体
(5-14)
式中:
D——井眼直径,cm;
d——管柱外径,cm;
di——管柱内径,cm;
——环空平均流速,m/s;
K——稠度系数,Pa·sn;
n——流性指数,无因次;
s——塑性粘度,Pa·sn;
0——屈服值,Pa;
m——钻井液密度,g/cm3;
Re——雷诺数,无因次。
幂律流体,当Re(3470-1370n)时,为紊流。
塑性流体,当Re2000时,为紊流。
(3)计算波动压力Psw
(5-15)
式中:
Psw——波动压力,MPa;
L——运动管柱长度,m;
f——摩阻系数,无因次。
层流(环空)f=24/Re
紊流:
塑性流体
幂律流体
600——范氏粘度计600转读数;
300——范氏粘度计300转读数。
例1某井215.9mm钻头钻至井深4500m,钻柱组合:
215.9mm+177.8mm钻铤(内径78mm)200m+127mm钻杆(内径108.6mm)。
井内钻井液性能:
m=1.50g/cm3,600=100,300=60。
起钻最大瞬时速度Vp=0.6m/s,下钻最大瞬时速度Vp=2.25m/s。
喷嘴组合:
J1=J2=12mm,J3=13mm。
试求钻头在井深4000m处起钻(下钻)时:
(1)钻头水眼全部堵死,钻头处井壁所受波动压力值Psw,Psg;
(2)钻头水眼未堵,钻头处井壁所受波动压力值Psw,Psg。
解1.钻头水眼全部堵死,即运动管柱为堵口管。
先求环空平均流速
,由环空直径比
,由图5-3查得Kc=0.48。
钻铤外环空流速
。
钻杆外环空流速
。
计算钻井液流变参数
流态判别:
钻铤段
=1369
因3470-13700.737=2460,Rec=1369<2460,所以钻铤环空钻井液为层流。
钻杆段
=1289
同理钻杆段也是层流。
计算摩阻系数f
钻铤段fc=24/1369=0.0175
钻杆段fp=24/1289=0.0186
计算起钻时,钻头处的抽汲压力Psw
=2.71MPa
下钻时激动压力计算:
步骤同步
。
因为Rec>2460,Rep>2460,应为紊流。
紊流计算f时,先求a、b
a=(lg0.737+3.93)/50=0.0759
b=(1.75-lg0.737)/7=0.269
fc=0.0759/72700.269=0.00694
fP=0.0759/68430.269=0.00706
由此可求出下钻时钻头处的激动压力Psw
=14.6MPa
(2)钻头水眼未堵,即运动管柱为开口管
这种情况在求环空钻井液流速时,由于被排开的流体一部分进入环空,另一部分进入运动管柱内。
式(5-11)中Qi是未知数,可用试算法求解。
其步骤如下:
a.用任意一Qi值代入(5-11)式,求出环空和管内钻井液流速。
b.由
和
分别计算环空和井内压降P环和P内,若P环=P内,钻柱底部压力平衡,钻井液分成两路流动,则所选Qi即为进入钻柱内的钻井液量。
若P环P内,需重新选Qi,直到:
(0.02)
为简化,可采用下式近似计算:
(5-16)
起钻时环空钻井液流速:
=1.54m/s
Rec=1304<2460应为层流,fc=0.0184,Rep=983<2460应为层流,fp=0.0244。
将以数据代入(5-14)式求得起钻时,钻头处的抽汲压力Psw=2.40MPa。
以同样的步骤求得下钻时,钻头处的激动压力Psg=11.25MPa。
第三节溢流及井喷控制
在常规钻井作业中,地层流体(油、气、水)一旦失去控制,就会导致井喷和井喷失控,使井筒及地面情况复杂,将无法进行正常钻井作业。
一旦发生失控井喷将造成地下资源及生态环境的严重破坏,并严重威胁人民的生命财产。
溢流是指当井底压力低于地层压力时,井口返出钻井液流量大于泵入量,停泵后井筒流体从井口自动外溢流出井口的现象。
溢流的严重程度主要取决于地层的孔隙率、渗透率、井底欠压差值及地层流体进入井筒的数量。
井喷则是指溢流发展到井筒流体喷出转盘面一定高度的现象。
钻井过程中井筒溢流控制方法可分为三个阶段:
(1)初次控制。
保持井筒钻井液柱压力略高于地层压力并配合以合理的操作技术,地层流体不能进入井筒而维持正常钻井。
(2)二次井控。
当地层——井筒压力系统失去平衡时,采用井控技术重新建立井筒——地层压力系统平衡控制溢流。
井控的基本原理是保持井底压力不变,将井筒溢流排出井口,向井筒泵入设计合适的压井液密度来平衡地层压力。
能通过二次井控控制溢流的方法统称为常规井控技术。
(3)三次井控。
当地层压力很大,溢流发现较晚,进入井筒的高压油气数量过多,在井口装置完好可控条件下,无法用保持井底压力不变的方法排除高压油气溢流时,采取紧急的处理方法,如打重晶石或水泥塞。
另外还有失控井喷处理技术,本节主要介绍常规井控中,溢流预兆、发现及常规井控理论、方法、步骤等基本计算。
一.溢流及井喷原因
钻井过程中,裸眼井段中存在着地层压力PP、地层破裂压力Pf、井眼坍塌应力PST和井内钻井液柱有效压力PmE。
地层——井筒压力系统平衡的条件是:
PfPmEPP(或PST)(5-17)
当井内有效液柱压力大于地层破裂压力时,发生井漏,即:
PmE>Pf(井漏)
当井内有效液柱压力小于井眼坍塌应力时,井眼出现缩径或坍塌,即:
PmE 当井内有效液柱压力小于地层压力时,地层流体进入井筒发生溢流,若控制不及时或不当,则发生井喷。 即: PmE 钻井过程引发溢流及井喷的主要原因有: (1)地层压力PP预测不准确。 (2)井筒内钻井液面高度h降低。 (3)钻井液密度降低。 (4)起钻中抽汲压力,降低井筒液柱压力。 二.气侵特点 地层中的油、气、水可能是单独存在,也可能是油、气、水共存。 无论是油侵还是水侵往往也伴随着一些天然气,气相的入侵方式或在井筒中的运动状态都不同于油侵和水侵,下面分析其侵入和在井筒内状态特征。 1.气侵的途径与方式 气体进入井筒可能的途径与方式: ⑴伴随岩石破碎进入井筒。 钻进中,随着气层岩石的破碎,岩石孔隙中的气体进入钻井液。 进入气量的体积与岩石孔隙度、天然饱和度、钻速、井径等因素有关。 如果钻迂薄层气层,进入气体量少。 当钻进大段含气岩层,侵入钻井液的气量可能相当大。 特别是钻到大裂缝或溶洞气藏,将会出现置换性的大量气体突然侵入,在井底积聚形成气柱。 ⑵储集层中气体通过泥饼向井内扩散 扩散进入井筒钻井液的气体量主要取决于钻开气层的表面积、浓度差及泥饼性质。 一般情况经过泥饼扩散进入井内的气体量并不大,但若由于井内压力激动等原因致使泥饼受到破坏,或停止循环时间太久,则扩散进入井内的气体量就会增加。 以上两种侵入途径都是在钻井液柱压力大于地层压力时,气体侵入井内钻井液中。 ⑶当Pm 这一般发生在起钻抽汲等原因降低了钻井液有效密度,同时又较长时间停止循环,这就可能在井底聚集大量气体而形成气柱。 2.气侵对井筒钻井液柱压力的影响 ⑴气体均匀侵入时对钻井液柱压力影响 气体侵入钻井液,通常以游离状态——微小气泡吸附在钻井液颗粒表面,随钻井液返出地面。 由于气体是可压缩的,气泡在上升过程中所处压力不断减小,体积就不断膨胀增大,所以气侵钻井液密度在不同深度是不同的。 即使返至地面的钻井液气侵十分严重,密度下降很多,而井内钻井液柱压力减少却不大。 设气体膨胀是等温过程,钻井液气侵后井内钻井液柱压力下降值可用下式计算。 (5-18) 式中: P——泥浆气侵后井内钻井液柱压力减少值,MPa; a——返至井口气侵钻井液密度s与气侵前钻井液密度m的比值,a=s/m; H——井深,m; Pa——井口环形空间压力,MPa。 例如,某井井深H=5000m,气侵前钻井液密度m=1.20,气侵后返至井口的钻井液密度s=0.60,Pa=0.0981MPa,求井底钻井液柱压力减少值。 a=s/m=0.60/1.20=0.50 将数据代入(5-23)式 图5-4气侵后钻井液柱压力的变化 图5-4气侵后钻井液柱压力的变化 气侵前井内钻井液柱压力Pm=0.00981mH=0.009811.25000=58.8;气侵后井内钻井液柱压力减少 为了方便计算,可以把公式(5-18)作成计算图(图5-4);只要知道s、m和H,就可以直接查出P。 从图5-4可以看出,如果m和s不同,气侵后钻井液压力减小,就相对值来说,浅井要大于深井。 仍以前题为例,如s=0.60,m=1.2,a=s/m=0.50,对于1000m浅井,井内钻井液柱压力减少值为0.47MPa,相当于气侵前井内钻井液柱压力的4%。 从上述计算得知,无论是深井还是浅井,气侵后井内钻井液柱压力减少值者是很小的。 如采取有效除气措施,保证继续泵入井内的钻井液维持原有密度,就不致产生井涌和井喷。 如果不采取除气措施,让气侵钻井液继续泵入井内,环空泥浆不断受气侵,则井内钻井液柱压力不断下降,最后失去平衡,导致井涌和井喷。 ⑵井内积聚成气柱对钻井液柱压力影响 实际工作中,常常会遇到另一种情况,由于起钻时的抽吸作用和起钻后长时期停止循环,在井底积聚相当数量的天然气形成气柱。 气柱在井中上升,或者被循环钻井液推着上行,这时气柱体积会不断膨胀,井底压力逐渐降低。 下面用图5-5说明气柱上行至不同深度时气柱体积膨胀高度和井底压力降低值。 图5-6钻井液自动外溢条件 图5-5气柱膨胀上升井底泥浆柱压力变化 在图5-5中,井深3010m,井眼直径216mm,钻杆直径114mm,环形空间钻井液密度1.20,井底积聚10m气柱,气体体积0.26m3。 气体上行至不同深度时气柱膨胀高度和井底钻井液柱压力值见表5-1。 表5-1 气体所在深度 m 气柱膨胀高度 m 井底泥浆柱压力 MPa 3000 1500 750 375 187.5 10 20 40 80 160 35.4 35.14 34.91 34.41 33.5 当气柱处于井眼下部时,井底钻井液柱压力降低不多;但是当气柱运行至上部和接近井口附近时,由于气柱上部压力减小,气体膨胀高度增加,井底钻井液柱压力下降幅度增加。 另外,当气柱上行至井口附近,气柱膨胀压力足以把上部钻井液顶出时,气柱上部钻井液及气体全部喷出井外,这称为钻井液自动外溢。 设气体膨胀过程为等温过程,根据理论推导,可用下式计算自动外溢的气柱上行深度和高度,用图5-6表示钻井液自动外溢条件。 设: H1——自动外溢时,气柱上面未气侵钻井液高度,m; X1——自动外溢时,气柱(或严重气侵钻井液)高度,m; L——自动外溢时,气柱下端离井底距离,m; m——未气侵钻井液密度; X——井底积聚气柱(或严重气侵钻井液)高度,m; H——气柱上面未气侵钻井液柱高度,m。 (5-19) (5-20) (5-21) 仍以图5-5为例,井深3010m,H=3000m,X=10m,m=1.2,分别代入(5-19)、(5-20)及(5-21)式,得 当气柱下端上行至距井底2671.5m时钻井液自动外溢,此时,上部173.4m高的气体和165.1m高的钻井液全部喷出井外。 这时井底钻井液柱压力下降到Pm=31.4MPa。 如果油气层压力梯度为0.01078MPa/m,则油气层压力PP=32.45MPa。 在这种条件下已经构成了Pm 通过上面的分析计算可知,当井内积聚一定长度气柱时就产生钻井液自动外溢,这常常是造成井喷的重要原因。 为此,当起升钻柱时,应采取严格措施,防止大量气体涌入井内形成气柱。 三.溢流关井及关井方法选择 1.溢流早期发现 地层流体进入井筒会使钻井液性能及地面流体量发生变化,密切注意这些变化并进行全面分析判断,可将溢流及井喷进行有效控制。 溢流的早期发现可由以下几方面进行: (1)泥浆池液面升高 即在无地面外来流体进入循环系统时,地层流体进入井筒使循环流体总体积增加,致使井口返出流量增大,循环池液面增加,这是地层流体进井筒将出现溢流的可靠信号。 (2)钻速变快 钻进油气层时,由于储集层压力一般都高于非储集层压力,当钻井流体性能不变时,井内压差值减小,钻速变快,尤其是碳酸盐岩产层,裂缝、洞发育、当出现蹩跳、放空、钻速加快时,说明可能钻遇到异常高压地层。 (3)井口返出钻井流体速度增大 由于气侵钻井流体愈接近地面时,气体膨胀、体积增大,井口返出流体速度增大。 (4)立管压力下降 当钻遇天然气层,天然气进入环空上升膨胀而置换了环空部分钻井液,至使环空液柱压力低于钻柱内液柱压力而出现内外压差,这个压差将使立管压力下降。 (5)地面油、气、水显示 在钻进含油、气、水地层中,从井口地面返出的钻井流体中将出现油、气、水显示。 如钻井液中飘浮原油、天然气、H2S,这些流体可由井口监视人员目观,也可由地面专门监测仪表检测。 (6)钻井液性能变化 钻进过程中,当钻井液受到气侵后,其密度下降、粘度升高,气泡增多。 2.溢流情况下应采取的措施 当返出井口流体量大于泵入钻井流体量而井口出现自流的情况下称为溢流。 溢流是井喷征兆的首发信号。 井口一旦发生溢流,必须采取相应的措施控制溢流。 下面是不同的钻井作业出现溢流时应及时采取的措施。 ⑴钻井过程发生溢流 1)停转盘,停泵; 2)上提方钻杆使接头和下旋塞在转盘面以上; 3)查明阻流管线是开启的; 4)关闭防喷器; 5)如果地面压力条件许可,关阻流管线,使井完全关闭; 6)记录关井立管压力和关井套管压力; 7)记录泥浆池液面的升高; 8)准备替出地层流体。 ⑵起下钻过程发生溢流: 1)停止起下钻作业,用卡瓦将钻柱坐在转盘上; 2)在钻柱上接全开阀,并关闭此阀; 3)接回压凡尔; 4)开启全开阀; 5)查明阻流管线是开启的; 6)关闭防喷器; 7)如果地面压力条件许可,关阻流管线,使井完全关闭; 8)记录关井立管压力和关井套管压力; 9)记录泥浆池液面的升高; 10)决定下一步动作。 ⑶已起完钻时溢流: 马上观察情况,如果立刻就有危险,关闭全封型闸板防喷器。 如果立刻不会出现危险,那么 将几柱钻铤下入井内; 1)接上全开阀,并关闭此阀; 2)接上回压凡尔; 3)开启全开阀; 4)将适合安全实践的最大数目的钻杆立柱下入井内; 5)查明阻流管线是开启的; 6)关闭防喷器; 7)如果地面压力条件许可,关阻流管线,使井完全关闭; 记录关井立管压力和关井套管压力; 8)记录泥浆池液面的升高; 9)决定下一步动作。 通过迅速采取这些措施,达到控制井口,并可确定地层压力;尽量减少进入井筒的地层流体量;尽可能多地保持环形空间里的泥浆量。 3.溢流关井方法选择 现代井控技术要求,在钻进、起下钻等作业中,一旦发现地层流体进入井筒,就应迅速关井,并且准确记录立管压力、套压和钻井液增量。 这三个基本参数是实施现代井控技术不可缺少的数据。 如果关井后立管压力为零,套压不为零,则表明原井浆密度能够平衡地层压力,不必加重,只要通过节流阀循环,加强除气,即可恢复密度继续钻进;如立管压力和套管均不为零,说明地层压力大于钻井液柱压力,就必须根据立管压力求得地层孔隙压力pp和压井钻井液密度m1进行压井。 目前钻井工程中,一旦出现溢流或井喷,常采用以下方法关井。 ⑴硬关井(Hardshutin) 硬关井就是一旦发生溢流或井喷后,在防喷器与四通等的旁侧通道全部关闭的情况下立即关闭防喷器。 这种方法的优点是关井迅速,地层流体进入井筒的量少,关井套压小,压井作业时井口承受的压力也低;缺点是瞬时关井时井内将产生水击压力。 ⑵软关井(Softshutin) 软关井是当发生溢流或井喷后,在阻流器通道开启、其它旁侧通道关闭的情况下关防喷器,然后再缓慢关闭阻流器,待压力恢复后记录关井立管压力和套压。 软关井方法的优点是克服了硬关注的缺点,但其缺点是关井的时间比较长,因此进入井筒的地层流体多,套压较高。 ⑶半软关井法 半软关井法即防喷
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- 钻井 工程 教材 第五 压力 控制