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：0.0240.048g/cm3激动压力系数Sg：0.0240.048g/cm3压裂安全系数Sf：0.030.06g/cm3井涌允量Sk：0.050.08g/cm3压差允值p：PN:1518MPa，PA：2123MPa,四、裸眼井段应满足的力学平衡条件（1）dpmax+Sb防井涌（2）(dmax-pmin)Dpmin0.00981P防压差卡钻（3）dmax+Sg+Sffmin防井漏（4）dmax+Sf+SkDpmax/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；,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+SkDpmax/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。,2、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PPN，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4400m，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=12MPa；PN=18MPa，试进行该井的井身结构设计。解：由图上查得，pmax=2.04gcm3，Dpmax=4250m（1）确定中间套管下深初选点D21由：f=pmax+Sb+Sf+SkDpmax/D21试取D21=3400m并代入上式得：f=2.04+0.036+0.03+0.064250/3400=2.181g/cm3由破裂压力曲线上查得f3400=2.19g/cm3，fPN=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=1.94pper=2.011g/cm3，且相差不大，故确定初选点D31=3900m。（4）校核是否会卡尾管计算压差：P=（1.94+0.036-1.435）32000.00981=16.98MPa因为Pr,r可以忽略。变为双向应力问题。由第四强度理论：z2+t2-zt=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。,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常出现的。因此在套管柱设计中应当考虑轴向拉力对抗挤强度的影响。,考虑轴向拉力影响时的抗外挤强度公式推导：如图：由双向应力椭圆方程，当z=0时：t2=s2根据上式，则有：将t和s的表达式代入双向应力椭圆方程，并进行适当简化，即可得到考虑轴向拉力影响时的抗外挤强度近似公式：,3、内压力及抗内压强度（1）内压力考虑到套管外的平衡压力，一般情况下，套管在井口所受的内压力最大。计算时，考虑三种最危险的情况。套管内完全充满天然气并关井时的内压力；以井口装置的承压能力作为套管在井口所受的内压力；以套管鞋处的地层破裂压力值确定井口内压力：实际设计时，通常按套管内完全充满天然气时进行计算。,（2）套管的抗内压强度内压载荷下的主要破坏形式：爆裂、丝扣密封失效。抗内压强度可由钻井手册或套管手册查到。（3）套管的腐蚀原因：在地下与腐蚀性流体接触。破坏形式：管体有效厚度减少，套管承载力降低；钢材性质变化。引起套管腐蚀的主要介质有：气体或液体中的硫化氢、溶解氧、二氧化碳。抗硫套管：API套管系列中的H级、K级、J级、C级、L级套管。,三、套管柱强度设计目的：确定合理的套管钢级、壁厚、以及每种套管的井深区间。1、设计原则满足强度要求，在任何危险截面上都应满足下式：套管强度外载安全系数应能满足钻井作业、油气层开发和产层改造的需要；在承受外载时应有一定的储备能力；经济性要好。安全系数：抗外挤安全系数Sc=1.0；抗内压安全系数Si=1.1；套管抗拉力强度（抗滑扣）安全系数St=1.8。,2、常用套管柱设计方法（1）等安全系数法该方法基本的设计思路是使各个危险截面上的最小安全系数等于或大于规定的安全系数。（2）边界载荷法（拉力余量法）在抗拉设计时，套管柱上下考虑同一个拉力余量。另外还有最大载荷法、AMOCO法、西德BEB方法及前苏联的方法等。3、各层套管柱的设计特点表层套管：主要考虑内压载荷。技术套管：既要有较高的抗内压强度，又要有抗钻具冲击磨损的能力。油层套管：上部抗内压，下部抗外挤。,4、套管柱设计的等安全系数法（1）基本设计思路计算本井可能出现的最大内压力，筛选符合抗内压强度的套管；下部套管段按抗挤设计，上部套管段按抗拉设计，各危险断面上的最小安全系数要大于或等于规定安全系数；通式：套管强度外载安全系数水泥面以上套管强度要考虑双向应力的影响；轴向拉力通常按套管在空气中的重量计算；当考虑双向应力时，按浮重计算。,（2）设计步骤例题：某井177.8mm（7英寸）油层套管下至3500m，下套管时的钻井液密度为1.30g/cm3，水泥返至2800m，预计井内最大内压力35MPa，试设计该套管柱（规定最小段长500m）。解：规定的安全系数：Sc=1.0，Si=1.1，St=1.8。计算最大内压力，筛选符合抗内压要求的套管抗内压强度PimaxSi=38500kPa筛选套管：C-75，L-80，N-80，C-90，C-95，P-110。按成本排序：N-80C-75L-80C-90C-95P-110,按抗挤设计下部套管段，水泥面以上进行双向应力校核1）计算最大外挤力，选择第一段套管；查表：N-80，t1=10.36mm，q1=0.4234kN/m，pc1=48401kPa，Fs1=3007kN，Fst1=2611.1kN。2）选择第二段套管；（选择强度低一级的套管；确定第一段套管的长度，进行第一段的抗拉强度校核）查表：N-80，t2=9.19mm，q2=0.3795kN/m，pc2=37301kPa，Fs2=2686.7kN，Fst2=2308.6kN。计算第二段套管可下深度D2,确定第一段套管长度L1；,双向应力强度校核，最终确定D2，L1；D2=2900m2800m，超过水泥面，考虑双向应力影响；危险截面：水泥面2800m处解决办法：将第一段套管向上延伸至水泥面以上。预定：D2=2700m，L1=800m。,重新进行双向应力强度校核：（按照以上同样的方法进行）套管1：危险截面为2800m处，Sc=1.291.0安全套管2：危险截面为2700m处，Sc=1.021.0安全计算套管抗拉安全系数：最终结果：D2=2700m，L1=800m。3）选择第三段套管，确定第二段套管长度查表：N-80，t3=8.05mm，q3=0.3358kN/m，pc3=26407kPa，Fs3=2366.5kN，Fst3=1966.1kN。,考虑双向应力影响，确定第三段套管可下深度；由：采用试算法，取D3=1700m，计算得：Sc=1.03，安全。计算第二段顶部的抗拉安全系数最终结果：D3=1700m，L2=1000m。,还有上部1700m的套管需进行设计，转为抗拉设计1）计算第三段套管按抗拉要求的允许使用长度L3；由：实取：L3=1100m，则：Fm3=718+11000.3357=1087kN2）确定第四段套管的使用长度查表：应比第三段套管的抗拉强度高，N-80，t4=10.36mm，q4=0.4234kN/m，pc4=48401kPa，Fs4=3007kN，Fst4=2611.1kN。与第一段所用套管相同。,计算第四段套管的许用长度：实际距井口还有600m，取L4=600m。校核第四段下部的抗挤强度：最终确定L4=600m，D4=600m。最终设计结果,第三节注水泥技术,注水泥目的：固定套管、有效封隔井内的油气水层。本节内容：油井水泥；水泥浆性能；提高注水泥质量的措施。注水泥的基本要求：（l）水泥浆返高和套管内水泥塞高度必须符合设计要求；（2）注水泥井段环形空间内的钻井液全部被水泥浆替走，不存在残留现象；（3）水泥石与套管及井壁岩石有足够的胶结强度，能经受住酸化压裂及下井管柱的冲击；（4）水泥凝固后管外不冒油、气、水，环空内各种压力体系不能互窜；（5）水泥石能经受油、气、水长期的侵蚀。,一、油井水泥油井水泥是波特兰水泥（硅酸盐水泥）的一种。对油井水泥的基本要求：（1）水泥能配成流动性良好的水泥浆，且在规定的时间内，能始终保持这种流动性。（2）水泥浆在井下的温度及压力条件下保持性能稳定；（3）水泥浆应在规定的时间内凝固并达到一定的强度；（4）水泥浆应能和外加剂相配合，可调节各种性能；（5）形成的水泥石应有很低的渗透性能等。,1、油井水泥的主要成分（1）硅酸三钙3CaOSiO2（简称C3S）水泥的主要成份，一般的含量为4065。对水泥的强度，尤其是早期强度有较大的影响。高早期强度水泥中含量可达6065，缓凝水泥中含量在4045。,（2）硅酸二钙2CaOSiO2（简称C2S），含量一般在2430之间；水化反应缓慢，强度增长慢；对水泥的最终强度有影响。,（3）铝酸三钙3CaOAl2O3（简称C3A）促进水泥快速水化；其含量是决定水泥初凝和稠化时间的主要因素；对水泥浆的流变性及早期强度有较大影响；对硫酸盐极为敏感；对于有较高早期强度的水泥，其含量可达15。（4）铁铝酸四钙4CaO2Al2O3Fe2O3（简称C4AF），对强度影响较小，水化速度仅次于C3A，早期强度增长较快，含量为812。除了以上四种主要成份之外，还有石膏、碱金属的氧化物等。,2、水泥的水化水泥与水混合成水泥浆后，与水发生化学反应，生成各种水化产物。逐渐由液态变为固态，使水泥硬化和凝结，形成水泥石。（1）水泥的水化反应水泥的主要成分与水发生的水化反应为：3CaOSiO22H2O2CaOSiO2H2O十Ca(OH)22CaOSiO2H2O2CaOSiO2H2O3CaOAl2O36H2O3CaOAl2O36H2O4CaOAl2O3Fe2O36H2O3CaOAl2O36H2OaOFe2O3H2O除此之外还发生其他二次反应，生成物中有大量的硅酸盐水化产物及氢氧化钙等。在反应的过程中，各种水化产物均逐渐凝聚，使水泥硬化。,（2）水泥凝结与硬化水泥的硬化分为三个阶段：溶胶期：水泥与水混合成胶体液，开始发生水化反应，水化产物的浓度开始增加，达到饱和状态时部分水化物以胶态或微晶体析出，形成胶溶体系。此时水泥浆仍有流动性。凝结期：水化反应由水泥颗粒表面向内部深入，溶胶粒子及微晶体大量增加，晶体开始互相连接，逐渐絮凝成凝胶体系。水泥浆变绸，直到失去流动性。硬化期：水化物形成晶体状态，互相紧密连接成一个整体，强度增加，硬化成为水泥石。水泥石主要由三部分组成：无定性物质（水泥胶），它具有晶体的结构，颗粒尺寸大体在0lmm左右，互相连接成一个整体。氢氧化钙晶体，是水化反应的产物。未水化的水泥颗粒。,3、油井水泥的分类（1）API水泥的分类A级：深度范围01828.8m，温度76.7。B级：深度范围01828.8m，属中热水泥，温度至76.7，有中抗硫和高抗硫两种。C级：深度范围01828.8m，温度至76.7，高早期强度水泥，分普通、中抗硫及高抗硫三种。D级：深度范围1828.83050m，温度76127，用于中温、中压条件，分为中抗硫及高抗硫两种。E级：深度范围30504270m，温度76143，用于高温、高压条件，分为中抗硫及高抗硫两种。F级：深度范围为30504880m，温度110160，用于超高温和超高压条件，分为中抗硫及高抗硫两种。G级及H级：深度范围为02440m，温度093，分为中抗硫及高抗硫两种。J级：深度范围为36604880m，温度49160。,（2）国产以温度系列为标准的油井水泥,二、水泥浆性能与固井工程的关系1、水泥浆性能水泥浆密度干水泥密度3.053.20gcm3，水泥完全水化需要的水为水泥重量的20左右；使水泥浆能流动加水量应达到水泥重量的4550；水泥浆密度1.801.90gcm3之间。水灰比：水与干水泥重量之比。水泥浆的稠化时间水泥浆从配制开始到其稠度达到其规定值所用的时间。API标准：从开始混拌到水泥浆稠度达到100BC（水泥稠度单位）所用的时间。API标准中规定在初始的1530min时间内，稠化值应当小于30BC。好的稠化情况是在现场总的施工时间内，水泥浆的稠度在50BC以内。,水泥浆的失水一般用30分钟的失水量表示。水泥浆的凝结时间从液态转变为固态的时间。对于封固表层及技术套管，希望水泥能有早期较高的强度。以便于尽快开始下一道工序。通常希望固完井候凝8hr.左右，水泥浆开始凝结成水泥石，其抗压强度可达2.3MPa以上即可开始下一次开钻。水泥石强度能支撑和加强套管。能承受钻柱的冲击载荷。能承受酸化、压裂等增产措施作业的压力。水泥石的抗蚀性主要应抗硫酸盐腐蚀。,2、水泥的外加剂（1）加重剂：重晶石、赤铁粉等。可使水泥浆密度达到2.3gcm3。（2）减轻剂：硅藻土、粘土粉、沥青粉、玻璃微珠、火山灰等。可使水泥浆的密度降到l45gm3。（3）缓凝剂：丹宁酸钠、酒石酸、硼酸、铁铬木质素磺酸盐、羧甲基羟乙基纤维素等。（4）促凝剂：氯化钙、硅酸钠、氯化钾等。（5）减阻剂：奈磺酸甲醛的缩合物、铁铬木质素磺酸盐、木质素磺化钠等。（6）降失水剂：羧甲基羟乙基纤维素、丙烯酸胺、粘土等。（7）防漏失剂：沥青粒、纤维材料等。,3、特种水泥（1）触变性水泥：当水泥浆静止时，形成胶凝状态，但在流动时，胶凝状态被破坏，它的流动性是良好的。（2）膨胀水泥：水泥浆凝固时，体积略有膨胀。一般用于高压气井。（3）防冻水泥：用于地表温度较低地区的表层套管固井。（4）抗盐水泥（5）抗高温水泥（6）轻质水泥三、前置液将水泥浆与钻井液隔开，起到隔离、缓冲、清洗的作用，可提高固井质量。1、冲洗液：低粘度、低剪切速率、低密度。用于有效冲洗井壁及套管壁，清洗残存的钻井液及泥饼。2、隔离液：有效隔开钻井液与水泥浆，以便形成平面推进型的顶替效果。通常为粘稠液体。,四、提高注水泥质量的措施1、对注水泥质量的基本要求（l）对固井质量的基本要求水泥浆返高和水泥塞高度必须符合设计要求；注水泥井段环空内的钻井液顶替干净；水泥石与套管及井壁岩石胶结良好；水泥凝固后管外不冒油、气、水，不互窜；水泥石能经受油、气、水长期的侵蚀。（2）在固井中常出现的固井质量问题井口有冒油、气、水的现象。不能有效地封隔各种层位，开采时各种压力互窜。因固结质量不良在生产中引起套管变形，使井报废等。,2、影响注水泥质量的因素（1）顶替效率低，产生窜槽。注水泥段：注水泥段任一截面：窜槽：由于水泥浆不能将环空中的钻井液完全替走，而使环形空间局部出现未被水泥浆封固住的这种现象。形成窜槽的原因：套管不居中；井眼不规则；水泥浆性能及顶替措施不当。接触时间、顶替速度及流态、水泥浆流变性等。,（2）水泥浆凝结过程中油气水上窜引起油气水上窜的原因：水泥浆失重：水泥浆柱在凝结过程中对其下部或地层所作用的压力逐渐减小的现象。桥堵引起失重，从而引起油气水上窜；水泥浆凝结后体积收缩；收缩率小于0.2%。套管内原来有压力，放压后使套管收缩。泥饼的存在，影响地层水泥间（第二界面）的胶结。3、提高注水泥质量的措施（1）提高顶替效率，防止窜槽；采用套管扶正器，改善套管居中条件；注水泥过程中活动套管；调节注水泥速度，使水泥浆在环空呈紊流状态；调整水泥浆性能。加大钻井液与水泥浆的密度差；降低钻井液粘度和切力。,（2）防止油气水上窜采用多级注水泥或两种凝速（上慢下快）的水泥；注完水泥后及时使套管内卸压，并在环空加回压；使用膨胀性水泥，防止水泥收缩；使用刮泥器，清除井壁泥饼。,第四节完井技术,完井工艺过程：钻开生产层、确定完井井底结构、安装井底（下套管固井或下入筛管）、使井眼与产层连通并安装井口装置等。一、钻开储集层储集层的两个突出特点：储集有一定压力的油气水；地层孔隙和裂缝比较发育，具有较好的原始渗透率。对钻开储集层的技术要求：保护油气层，防止钻井液污染；控制油气层，防止不必要的井喷，安全钻开储集层。,1、钻开后储集层储油性质的变化一般，井内液柱压力大于地层压力。在毛细管力和正压差作用下，钻井液中的液相和固相进入储层岩石孔隙或裂缝之中，造成孔道堵塞，使储集层受到污染。水侵：钻井液中的自由水侵入储层的现象。泥侵：钻井液中固相物质侵入储层的现象。（1）水侵对油气层的损害使储层中的粘土成分膨胀，使油流通道缩小；破坏油流的连续性，使单相流动变为多相流动，增加油流阻力；产生水锁效应，增加油流阻力；在地层孔隙中生成沉淀物。（2）泥侵对油气层的损害钻井液直接进入较大的储层孔隙，形成堵塞；形成内泥饼，造成永久性损害；,2、钻开后储集层岩石力学性质的变化储集层被钻开之后，打破了原来的力学平衡状态，岩石发生侧向变形，从而对储集层结构造成影响。对于孔隙较多、较大的砂岩储层，影响不太明显；对于裂缝性储集层，影响明显。当产生侧向变形时，有些微小裂缝的张开程度明显减小。使储集层的渗透率降低。长期的采油生产，使储层内压力下降，砂岩的骨架受力增加，砂岩会被压碎而造成出砂。3、钻开储集层的方法采用合理的钻井液体系，避免水侵和泥侵的危害；采用合理的钻井液密度，采用平衡或欠平衡压力钻井；采用良好的井身结构，减少储集层浸泡时间；在其他生产环节中也尽量防止污染使用低失水、低密度水泥浆；减少试油或其他作业中的关井、压井次数。,二、油气井完井井底结构类型1、对完井的要求（1）最大限度地保护储集层，防止对储集层造成伤害。（2）减少油气流进入井筒时的流动阻力。（3）有效地封隔油气水层，防止各层之间的互相干扰。（4）克服井塌或产层出砂，保障油气井长期稳产，延长井的寿命。（5）可以实施注水、压裂、酸化等增产措施。（6）工艺简单、成本低。2、完井井底结构（1）裸眼完井法让