钻井工程管志川第七章固井和完井

第七章 固井和完井1、学时分配： 10学时。2、本章重点： （ 1） 井身结构的概念及设计方法；（ 2）套管柱强度设计；（ 3）常用的固井方法；（ 4）提高固井质量的技术措施。3、难点：（ 1）井身结构设计方法；（ 2）套管柱强度设计。4、解决方法： （ 1）重点讲情设计的思路和步骤；（ 2）利用课堂例题讲解设计方法；（ 3）布置相应的作业加深理解。5、作业：P299， 1； 4； 5； P300， 7； 9； 11； 15； 16。 第一节 井身结构设计主要包括套管层次和每层套管的下深，以及套管和井眼尺寸的配合。一、套管的分类及作用1、表层套管 封隔地表浅水层及浅部疏松和复杂地层； 安装井口、悬挂和支撑后续各层套管。2、生产套管（油层套管）钻达目的层后下入的最后一层套管，用以保护生产层，提供油气生产通道。3、中间套管（技术套管）在表层套管和生产套管之间由于技术要求下入的套管，可以是一层、两层或更多层。主要用来封隔井下复杂地层。4、尾管（衬管）二、井身结构设计的原则1、有效地保护油气层；2、有效避免漏、喷、塌、卡等井下复杂事故的发生，保证安全、快速钻进；3、当实际地层压力超过预测值而发生井涌时，在一定压力范围内，具有压井处理溢流的 能力。三、井身结构设计的基础数据 地层岩性剖面、地层孔隙压力剖面、地层破裂压力剖面、地层坍塌压力剖面。6个设计系数：抽系压力系数 Sb： 0.024 0.048 g/cm3 激动压力系数 Sg： 0.024 0.048 g/cm3 压裂安全系数 Sf： 0.03 0.06 g/cm3 井涌允量 Sk： 0.05 0.08 g/cm3 压差允值 p： PN: 15 18 MPa ， PA： 21 23 MPa四、裸眼井段应满足的力学平衡条件（ 1） d pmax+ Sb 防井涌（ 2） (dmax-pmin)Dpmin0.00981 P 防压差卡钻（ 3） dmax+ Sg + Sf fmin 防井漏（ 4） dmax+ Sf + Sk Dpmax/ Dc1fc1 防关井井漏其中： d 钻井液密度， g/cm3；dmax 裸眼井段内使用的最大钻井液密度， g/cm3；pmax 裸眼井段钻遇的最大地层压力的当量泥浆密度， g/cm3；Dpmax 最大地层孔隙压力所处的井深， m；pmin 裸眼井段钻遇的最小地层压力的当量泥浆密度， g/cm3；Dpmin 最小地层孔隙压力所处的井深， m；fmin 裸眼井段最小地层破裂压力的当量泥浆密度， g/cm3；Dc1 套管下入深度， m；fc1 套管鞋处地层破裂压力的当量泥浆密度， g/cm3；pfpmaxDpmaxfc1Dc1pminDpmin五、井身结构设计方法1、求中间套管下入深度的初选点（ 1）不考虑发生井涌由 f =pmax+ Sb + Sg + Sf计算出 f ，在破裂压力曲线上查出 f 所在的井深 D21 ，即为中间套管下深初选点。（ 2）考虑可能发生井涌由 f =pmax+Sb+ Sf + Sk Dpmax/ D21用试算法求 D21；先试取一个 D21，计算 f ；将计算出的 f 与 D21处查得的 f 进行比较，若计算值与实际值相差不大且略小于实际值，可以确定 D21为中间套管初选点。否则，重新进行试算。一般情况下，在新探区，取以上（ 1）、（ 2）两种条件下 D21较大的值。D3D2D1fpf1f22、验证中间套管下到深度 D21是否有被卡的危险首先求出裸眼中可能存在的最大静压差： P=(pmax1+Sb -pmin)Dmin0.00981pmax1：钻进至 D21遇到的最大地层压力当量密度， g/cm3。Dmin ：最小地层孔隙压力所对应的井深， m；（当有多个最小地层压力点时，取最大井深。） 若 P PN ，则中间套管深度应小于初选点深度。需根据压差卡钻条件确定中间套管下深。求在压差 PN 下所允许的最大地层压力：在地层压力曲线上找出 pper 所在的深度即为中间套管下深 D2。3、求钻井尾管下入深度的初选点 D31根据中间套管鞋处的地层破裂压力当量密度 f2 ，求出继续向下钻进时裸眼井段所允许的最大地层压力当量密度：用试算法求 D31。试取一个 D31，计算出 pper ，与 D31处的实际地层压力当量密度比较，若计算值与实际值接近，且略大于实际值，则确定为尾管下深初选点；否则，另取 D31进行试算 。4、校核尾管下入到 D31是否有被卡的危险校核方法与中间套管的校核方法相同。只是将压差允值 PN 变为 PA 。5、计算表层套管下入深度 D1根据中间套管鞋处的地层压力当量密度 p2 ，计算出若钻进到深度 D2发生井涌关井时，表层套管鞋 D1处所承受的井内压力的当量密度：根据上式，用试算法确定 D1。试取一个 D1，计算 fE ，计算值与 D1处的地层破裂压力当量密度值比较；若计算值接近且小于地层破裂压力值，则确定 D1为表层套管下深。否则，重新试取 D1进行试算。五、设计举例某井设计井深为 4400 m，地层孔隙压力梯度和地层破裂压力梯度剖面如图 7-2。给定设计系数： Sb=0.036 ； Sg=0.04 ； Sk=0.06 ；Sf=0.03； PA =12 MPa； PN=18 MPa，试进行该井的井身结构设计。解： 由图上查得， pmax=2.04 g cm3， Dpmax=4250 m（ 1）确定中间套管下深初选点 D21由： f =pmax+Sb+ Sf + Sk Dpmax/ D21试取 D21=3400m 并代入上式得：f =2.04+0.036+0.03+0.06 4250/3400=2.181 g/cm3由破裂压力曲线上查得 f3400=2.19 g/cm3， f PN =12MPa，故中间套管下深应浅于初选点。由：在地层压力曲线上查得对应 pper=1.435的深度为 3200m。最后确定中间套管下深为 D2=3200m。（ 3）确定尾管下入深度初选点 D31由破裂压力曲线上查得 ： f3200=2.15g/cm3；由：试取 D31=3900m，代入上式算得： pper=2.011g/cm3；由地层压力曲线查得 p3900=1.94 r , r 可以忽略。变为双向应力问题。由第四强度理论： z2 + t2 - z t = s2 变换为椭圆方程：按拉为正、压为负，根据以上方程可画出椭圆图形。 t z r在椭圆图上， t/s 的百分比为纵坐标， z /s 的百分比为横坐标。由强度条件的双向应力椭圆可以看出： 第一象限： 拉伸与内压联合作用。轴向拉力的存在下使套管的抗 内压强度增加。 第二象限： 轴向压缩与内压联合作用。在轴向受压条件下套管抗内压强度降低。 第三象限： 轴向压应力与外挤压力联合作用。在轴向受压条件下套管抗外挤强度增加。 第四象限： 轴向拉应力与外挤压力联合作用。轴向拉力的存在使套管的抗挤强度降低。由于这种情况在套管柱中是经