井身结构设计及固井

1,钻开储集层（生产层）；下套管、注水泥固井，射孔、生产管柱、完井测试、防砂排液；确定完井井底结构，使井眼与产层连通；安装井底和井口装置，投产措施等；,完井工程内容:,使井眼与油气储集层（产层、生产层）连通的工序（WellCompletion），联系钻井和采油生产的一个关键环节。,完井概念：,前次课内容回顾：,2,内容回顾：第一章完井的工程地质基础,主要碎屑岩和碳酸岩少量岩浆岩和变质岩，甚至页岩,孔隙度、渗透率、孔隙结构、润湿性,油、气、水,孔隙、裂缝、裂缝孔隙、孔隙裂缝、洞隙块状、层状、断块、透镜体油藏常规油、稠油、高凝油藏,岩层内部产生反抗变形、并作用在地壳单位面积上的力,3,oilzone,中间套管(技术套管),表层套管,生产套管(油层套管),主要内容:井身结构设计套管柱设计注水泥技术套管损坏与防护,一开,二开,三开,4,井身结构油井基础，全井骨架固井工程套管柱设计和注水泥不仅关系全井能否顺利钻进完井，而且关系能否顺利生产和寿命。2006年3月25日，重庆开县罗家2井，套管破损，地下井漏，H2S喷出，12000人紧急疏散，2口井报废。,5,70年代以来，我国油气田套管损坏现象十分严重。1998年底大庆、吉林、中原、胜利、辽河等10多油田套损井达14000多口，若按每口井较低成本150万元计，仅套损直接损失210亿元，还不计油井损坏停产损失。2005年，套损严重油田累计套损井数和占投产井数比例：大庆：8976口，占16%以上；吉林：2861口，占30%以上；胜利：3000多口，占10%以上；中原：占投产井数23.3%；并且各油田套损井数有上升趋势。,6,第一节井身结构设计内容：套管层次；每层套管下深；套管和井眼尺寸配合。一、套管的分类及作用二、井身结构设计原则三、井身结构设计基础数据四、裸眼井段应满足力学平衡五、井身结构设计方法（举例）六、套管尺寸和井眼尺寸选择,7,1、表层套管Surfacecasing封隔地表浅水层及浅部疏松和复杂层安装井口、悬挂及支撑后续各层套管2、中间套管Intermediatecasing表层和生产套管间因技术要求下套管可以是一层、两层或更多层主要用来分隔井下复杂地层3、生产套管Productioncasing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4、尾管（衬管）Liner,一、套管的分类及作用,8,例：克拉2气田井身结构实施方案,9,10,二、井身结构设计原则1、有效保护油气层2、有效避免漏、喷、塌、卡等井下复杂事故，安全、快速钻井3、井涌时，有压井处理溢流能力4、下套管顺利，不压差卡套管,11,抽吸压力系数：0.0240.048g/cm3激动压力系数：0.0240.048g/cm3压裂安全系数：0.030.06g/cm3井涌允量：0.050.08g/cm3压差允值P：PN=1518MPaPA=2123MPa,6个设计系数：,孔隙压力剖面破裂压力剖面坍塌压力剖面漏失压力剖面,4个剖面：,三、井身结构设计基础数据,12,四、裸眼井段应满足的力学平衡,（1）防井涌（2）防压差卡套管（3）防井漏（4）防关井井漏,13,其中：钻井液密度，裸眼段内使用的最大钻井液密度，裸眼段钻遇最大地层压力的当量泥浆密度，最大地层孔隙压力所处的井深，m裸眼段钻遇最小地层压力的当量泥浆密度，最小地层孔隙压力所处的井深，m裸眼段最小地层破裂压力的当量泥浆密度，套管鞋处地层破裂压力的当量泥浆密度，套管下入深度，m,14,五、井身结构设计方法1、求中间套管下入深度初选点D21（1）不考虑发生井涌由计算出f，在破裂压力曲线查出f所在的井深D21，即为中间套管下入井深初选点。,15,（2）考虑可能发生井涌由试算法求f先试取一个D21，计算f，将计算f与查图f比较，ff，D21为中间套管初选点否则，重新试算。一般情况下，在新探区，取以上两种条件下较大值。,16,2、验证中间套管下到深度D21是否被卡（1）首先求裸眼可能存在的最大静压差：pmax：钻进至D21遇到的最大地层压力当量泥浆密度。Dmin：最小地层孔隙压力所处的井深，m若，不卡，D21为中间套管下入深度D2。若，会卡，中间套管应小于初选点深度，需根据压差卡钻条件确定中间套管的下深。,17,（2）求压差条件下允许的最大地层压力,在地层压力曲线上找出深度即为中间套管的下深D2。,18,3、求钻井尾管下入深度初选点D31根据D2处地层破裂压力，求出继续向下钻进时裸眼段允许最大地层压力试算法：先试取一个D31，计算，若计算与实际值接近且略大，则D31为尾管初选点，否则重试。,19,4、校核尾管下到D31是否被卡校核方法同2，PN换成PA5、计算表层套管下入深度D1根据D2处地层压力，计算若钻进到D2发生井涌关井，表层套管鞋处承受压力当量密度：,试算：试取D1，计算查得fE,确定D1否则重试。,20,设计举例某井设计井深为4400m；地层孔隙压力梯度和破裂压力梯度剖面如图。试进行该井井身结构设计。给定设计系数：Sb=0.036；Sg=0.04；Sk=0.06；Sf=0.03；PN=12Mpa;PA=18MPa;,21,解：由图上查得（1）中间套管下入深度初选点由试取D21=3400m，代入上式得：由破裂压力曲线查得且接近，故确定D21=3400m。,22,（2）校核中间套管是否会被卡由P曲线，钻进到深度D21=3400m时，遇到最大地层压力因由因PPN=12MPa,故中间套管下深应浅于初选点。查得=1.435对应D2=3200m。,23,（3）确定尾管下深的初选点D31由f曲线查得：由：试取D31=3900m，得由p曲线，故确定初选点D31=3900m.,24,（4）校核是否会卡尾管计算压差：因为，故确定尾管下深为D3=D31=3900m。,25,（5）确定表层套管下深D1由：,试取D1=850m,代入上式计算得由f曲线查得故确定D1=850m。,26,六、套管尺寸和井眼尺寸选择目前我国使用最多的套管/钻头系列是：,27,28,克拉2气田典型井身结构,29,30,级别1:裸眼/无支撑连接主井眼和水平井眼都是裸眼段或在两个井眼中用悬挂器悬挂割缝衬管。级别2:主井眼下套管并固井,水平井眼或裸眼或以悬挂方式下割缝衬管。级别3:主井眼下套管并固井,水平井眼下套管但不固井。用悬挂器将水平尾管锚定在主井眼上,但不固井。级别4:主井眼和水平井眼都下套管并注水泥。主井眼和水平井眼在联接处都注水泥。级别5:在连接处进行压力密封。在不能固井的情况下,用完井方法达到密封。级别6:在连接处进行压力密封。在不能固井的情况下,用套管进行密封。,分支井固井完井,31,第二节套管柱设计一、套管和套管柱套管：优质无缝钢管，一端为公扣，直接车在管体上；一端为带母扣的套管接箍。套管尺寸：API标准，共14种尺寸；壁厚：5.2116.13mm,32,33,套管钢级：API标准8种10级H-40,J-55,K-55,C-75,L-80,N-80,C-90,C-95,P-110,Q-125（数字1000为套管的最小屈服强度kpsi）。螺纹类型：API标准：短圆（STC）、长圆（LTC）、梯形（BTC）、直连形（XL）。套管柱：由同一外径、不同钢级、不同壁厚的套管用接箍连接组成的管柱，特殊情况下也使用无接箍套管柱。,34,二、套管柱受力分析及套管强度套管柱在井内所受外载复杂，不同时期（下套管、注水泥、后期开采等）套管柱受力也不同。分析和设计中主要考虑基本载荷：套管柱设计时按最危险情况考虑。1、轴向拉力及套管抗拉强度（1）套管轴向拉力,35,自重引起的拉力Fmqmi第I种套管在钻井液中单位长度的重力，N/m;Li第I种套管的长度，m；n组成套管柱的套管种类（钢级、厚度）。套管弯曲引起的附加拉力Fbd经验公式：KNDco套管外径，cm；Ac套管截面积，cm2；每25m井斜角的变化，0/25m定向井、水平井及大狗腿直井中，应考虑弯曲附加拉力。,36,注水泥引起的附加拉力FcKN其它附加拉力上提或下放套管时的动载、井壁摩擦力等；一般在安全系数中考虑。（2）套管的抗拉强度套管所受轴向拉力一般在井口最大由拉应力引起的破坏形式：本体被拉断、脱扣通常用套管的抗滑扣力表示套管的抗拉强度,h管内水泥浆高，m；m水泥浆密度，g/cm3；d水泥浆密度，g/cm3；dcin套管内径，cm。,37,2、外挤压力及套管抗挤强度（1）外挤压力主要载荷：常规情况按套管全掏空时管外压力计算：MPa高塑性岩石，按上覆岩层压力计算，梯度2327kPa/m。（2）套管抗挤强度外挤作用下破坏形式：根据现有套管尺寸，绝大部分是失稳破坏，其抗挤强度可在钻井手册或套管手册中查得。,径厚比大时，失稳破坏(失圆、挤扁)径厚比小时，强度破坏,38,（3）双向应力下套管强度套管内微小单元，外载作用下产生三向应力对于薄壁管，可忽略，变为双向应力问题。由第四强度理论：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。,39,轴向受压抗内压强度降低,轴向拉力抗内压强度增加,轴向受压抗挤强度增加,轴向拉力抗挤强度降低,40,椭圆图上,百分比为纵坐标,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抗内压强度增加.第二象限:轴向压缩与内压联合作用轴向受压抗内压强度降低.第三象限:轴向压应力与外挤压力联合作用轴向受压抗外挤强度增加.第四象限:轴向拉应力与外挤压力联合作用轴向拉力抗外挤强度降低（需考虑）,41,42,3、内压力及抗内压强度（1）内压力考虑管外平衡压力，一般井口内压最大。考虑三种最危险情况：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计算。,43,（2）套管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得（3）套管的腐蚀原因：在地下与腐蚀性流体接触破坏形式：管体的有效厚度减小，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HKJCL级套管。,44,45,三、套管柱强度设计目的：确定合理套管钢级、壁厚以及每种套管井深区间。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满足钻井作业、油气开发和产层改造需要；承受外载时应有一定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套管抗拉强度（抗滑扣）安全系数St=1.8,46,2、常用套管柱设计方法（1）安全系数法各危险截面最小安全系数等于或大于规定的安全系数。下部抗挤设计，水泥面上按双向应力，上部满足抗拉和抗内压（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。另最大载荷法、AMOCO法、西德BEB法及前苏联方法等。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：既要高抗内压强度，又要抗钻具冲击磨损。油层套管：上部抗内压，下部抗外挤。,47,4、套管柱设计的等安全系数法（1）基本设计思路计算可能出现最大内压力，筛选符合抗内压强度套管下部套管段按抗挤设计，上部按抗拉设计，各危险断面最小安全系数要大于或等于规定值。通式：套管强度外载安全系数水泥面以上套管强度考虑双向应力影响轴向拉力通常按套管在空气中的重力计算，当考虑双向应力时，按浮重计算。,48,（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1.30，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-901.0安全,53,安全,计算套管抗拉安全系数,最终结果：D2=2700m,L1=800m3）选择第三段套管，确定第二段套管长度L2查表：,54,考虑双向应力影响，确定第三段套管可下深度：,试算法，取D3=1700m,计算得Sc=1.03安全,55,计算第二段顶部的抗拉安全系数,安全,最终结果D3=1700m,L2=1000m,56,上部1700m处套管需进行设计，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,57,2）确定第四段套管使用长度查表得：应比第三段套管抗拉强度高，与第一段套管相同,58,计算第四段套管许用长度L4:实际距井口还有600m,取L4=600m;校核第四段下部的抗挤强度：,安全,最终结果：L4=600m,D4=600m,59,最终设计结果：,60,第三节注水泥技术注水泥目的：固定套管封隔井内的油气水层本节内容：油井水泥；水泥浆性能；提高注水泥质量措施。,61,注水泥基本要求：（1）水泥浆返高和管内水泥塞高度符合设计要求（2）注水泥段环空钻井液全部被水泥浆替换，不存残留。（3）水泥石与套管及井壁胶结强度足够，耐酸化压裂及冲击。（4）凝固后管外不冒油、气、水，环空内各压力体系不互窜。（5）水泥石能经受油、气、水长期侵蚀。,62,一、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）配浆性好，在规定时间内保持流动性。（2）在井下温度及压力下性能稳定。（3）在规定时间内凝固并达到一定强度。（4）能和外加剂相配合，调节各种性能。（5）水泥石具有很低的渗透性。,63,1、油井水泥的主要成分（1）硅酸三钙水泥的主要成分，一般的含量为40%65%对水泥强度，尤其是早期强度有较大影响高早期强度水泥中含量可达60%65%，缓凝水泥中含量在40%45%（2）硅酸二钙含量一般在24%30%之间水化反应慢，强度增长慢对水泥的最终强度有影响。,64,（3）铝酸三钙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的强度有较大的影响，对硫酸盐极为敏感对于有较高的早期强度的水泥，其含量可达15%。（4）铁铝酸四钙对强度影响较小，水化速度仅次于早期强度增加较快，含量为8%12%。除了以上四种成分外，还有石膏、碱金属的氧化物等。,65,2、水泥的水化水泥与水混成水泥浆后，发生化学反应，生成各种水化物，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：,其他二次反应，生成物有硅酸盐水化产物及氢氧化钙等。在反应过程中，各种水化产物均逐渐凝聚，使水泥硬化。,66,（2）水泥凝结与硬化水泥硬化分为三个阶段：溶胶期：水泥与水混合成胶体液，开始水化反应，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，絮凝成溶胶体系，水泥浆变稠，失去流动性。硬化期：水化物形成晶体状态，互相连接成紧密一个整体，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），晶体结构，互连成整体。氢氧化钙晶体，是水化反应的产物未水化的水泥颗粒,67,3、油井水泥分类（1）API水泥分类：A-J九级A级：01828.8m,中热，温度76.70CB级：01828.8m,中热，温度76.70C，中高抗硫两种C级：01828.8m,76.70C，高早期强度，普通、中高抗硫D级：1828.83050m,761270C，中温中压，中高抗硫E级：30504270m,761430C，高温高压，中高抗硫两种F级：30504880m,1101600C，超高温超高压，中高抗硫G级和H级：02440m,0930C，中、高抗硫两种J级：36604880m,491600C，普通型。,68,69,（2）国产以温度系列为标准的油井水泥,70,二、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3.053.20水泥完全水化所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45%50%水泥浆密度1.801.90之间水灰比：水与干水泥重量之比。水泥浆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：开始混拌到稠度达100BC所用时间。API标准：初始1530min内，稠化值应小于30BC，现场总施工时间内，稠度在50BC以内。,71,水泥浆的失水：一般用30min失水量表示。水泥浆凝结时间：从液态转变为固态的时间。封固表层及技术套管，需早期较高强度，以便下道工序；侯凝8h左右，开始凝结为水泥石，抗压强度2.3MPa以上。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压力水泥石的抗蚀性主要应能抗硫酸盐腐蚀,72,2、水泥的外加剂（1）加重剂：重晶石、赤铁粉等，使水泥浆密度达2.3（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1.45（3）缓凝剂：丹宁酸钠、酒石酸、硼酸、铁铬木质素磺酸钠、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、铁铬木质素磺酸钠、木质素磺酸钠等。（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,73,3、特种水泥（1）触变性水泥：水泥浆静止时，形成胶凝状态，但流动时胶凝状态被破坏，流动性良好。（2）膨胀水泥：凝固时体积略膨胀。用于高压气井。（3）防冻水泥：地表温度较低地区表层套管固井。（4）抗盐水泥：（5）抗高温水泥：（6）轻质水泥：,74,三、前置液将水泥浆与钻井液隔开，起隔离、缓冲、冲洗作用，可提高固井质量。前置液在环空中高度不超过250m。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。,75,四、注水泥工艺水泥头：1销子2盘根3胶塞4销子盘根压盖,76,a下套管、装井口、循环泥浆b注水泥c顶胶塞、替钻井液、碰压d候凝,注水泥工序示意图,77,1、注水泥：在水泥浆泵入井内之前，先用一部水泥车注入一定数量的冲洗液和隔离液，隔开钻井液和水泥浆，然后再注水泥。2、顶胶塞、替钻井液：注完水泥后，打开水泥头两侧的销子，然后用一部水泥车打入200L左右的隔离液（顶胶塞下移），当胶塞下移到水泥头两侧的注水泥闸门以下时，开始替钻井液。3、碰压：替钻井液后期，泵压逐渐升高，当钻井泵压力表指示突然升高时，表明胶塞座在了承托环上，结束替钻井液。,固井工序：,78,4、憋压候凝：替钻井液结束后，为了提高固井质量和防止水泥浆产生回压将回压凡尔压坏，必须进行48小时的憋压候凝，期间，由于水泥浆凝固要产生一定的热量，致使回压增加，应及时把增加的回压放掉。,固井工序：,79,五、提高注水泥质量的措施1、对注水泥质量的基本要求（1）对固井质量的基本要求水泥浆返高与水泥塞高度必须符合设计要求；注水泥井段的环空内钻井液顶替干净；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、水长期侵蚀。（2）在固井中常出现的固井质量问题井口有冒油、气、水现象；不能有效的封隔各种层位，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。,80,81,（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;泥饼影响地层水泥间（第二界面）胶结,82,3、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