第七章 固井和完井.ppt

1、第七章 固井与完井技术,第一节 井身结构设计 第二节 套管柱设计 第三节 水泥及注水泥 第四节 完井方式 第五节 试 油,第一节 井身结构设计,图3-8-1-1 套管类型 （a）正常压力井；（b）异常压力井,一、套管柱类型及作用,在裸眼井段中存在着地层孔隙压力、泥浆液柱压力、地层破裂压力。 三个压力体系必须同时满足于以下情况： PfPmPp （1） 式中 Pf地层的破裂压力，MPa； Pm钻井液的液柱压力，MPa； Pp地层孔隙压力，MPa。 即泥浆液柱压力应稍大于孔隙压力以防止井涌，但必须小于破裂压力以防止压裂地层发生井漏。使用压力梯度写成： GfGmGp （2） 式中 Gf破裂压力梯度，M

2、Pa/m； Gm液柱压力梯度，MPa/m； Gp孔隙压力梯度，MPa/m。 考虑到井壁的稳定，还需要补充另一个与时间关系有关的不等式，即： Gm（t）Gs（t） （3） 式中 Gs（t）某截面岩石的坍塌压力梯度，MPa/m，即岩层不发生坍塌，缩径等情况的最小井内压力梯度。 以上条件的存在是钻进工艺中所必须的，是在施工中所要遵守的，否则会导致钻井事故，以致钻井失败及破坏油藏。当这些压力体系能共存于一个井段时，即在一系列截面上能满足以上条件时，则这些截面间不需套管分隔，否则就需要用套管去分隔开这些不能共存的压力体系。井身结构中，相邻套管深度间隔的井段应满足以上要求并依此来确定。只有充分掌握上述压力

3、体系的分布规律才能做出合理的井身结构设计。,二、井眼中的压力体系,1、能有效的保护油层，使不同压力梯度的油气层不受泥浆污染损害。 2、应避免漏、喷、塌、卡等复杂情况产生，为全井顺利钻进创造条件，使钻井周期最短。 3、钻下部高压地层是所用的较高密度泥浆产生的液柱压力，不致压裂上一层套管鞋处薄弱的裸露地层。 4、下套管过程中，井内泥浆液柱压力和地层压力之间的压差，不致产生压差卡套管事故,三、井身结构确定的原则及依据,四、井身结构设计中所需要的基础数据,1、地质方面的数据,岩性剖面及其故障提示 地层孔隙压力剖面 地层破裂压力剖面,2、 工 程 类 数 据,抽吸压力与激动压力允许值（Sb或Sg）,地层

4、压裂安全增值（Sf）,井涌条件允许值（Sb）,压差允值（PN与Pa）,美 国：Sb或Sg取0.06 中原油田：Sb=0.050.08；Sg=0.070.10,该值是为了避免将上层套管鞋处地层压裂的安全增值，它与预测破裂压力值的精度有关，可以根据该地区的统计数据来确定。以等效密度表示gcm3。美国现场将Sf取值为0.024，中原油田取值为0.03,此值是衡量井涌的大小，用泥浆等效密度差表示（用于压井计算，另一种计量方法是以进入井眼的流体的总体积来表示，多用于报警）。美国现场取值为0.06。该值可由各油田根据出现井涌的数据统计和分析后得出。中原油田将Sk值定为0.060.14。,裸眼中，泥浆液柱压

5、力与地层孔隙压力的差值过大，除使机械钻速降低外，而且也是造成压差卡钻的直接原因，这会使下套管过程中，发生卡套管事故，使已钻成的井眼无法进行固井和完井工作。压差允值的确定，各油田可以从卡钻资料中（卡点深度，当时泥浆密度、卡点地层孔隙压力等）反算出当时的压差值。再由大量的压差值进行统计分析得出该地区适合的压差允值。,1）液体压力体系的压力梯度分布 套管层次和下入深度是以力学为基础的，因此首先要分析井内压力体系的压力梯度分布。 2）最大泥浆密度max 某一层套管的钻进井段中所用的最大泥浆密度和该井段中的最大地层压力有关。 即： max=pmax+Sb （4） 式中 max某层套管钻进井段中所用最大泥

6、浆密度，g/cm3； pmax该井段中的最大地层孔隙压力梯度等效密度，g/cm3； Sb抽吸压力允许值，g/cm3。 3）最大井内压力梯度B 为了避免将井段内的地层压裂，应求得最大井内压力梯度。在正常作业时和井涌压井时，井内压力梯度有所不同。 （1）正常作业情况 最大井内压力梯度发生在下放钻柱时，由于产生激动压力而使井内压力升高。如增高值为Sg，则最大井内压力梯度Br为： Br=max+Sg （5） （2）发生井涌情况（关封井器并加回压） 为了平衡地层孔隙压力制止井涌而压井时，也将产生最大井内压力梯度。压井时井内压力增高值以等效密度表示为Sb，则最大井内压力梯度等效密度Bk为：,五、井身结构设

7、计方法及步骤,1、套管层次和下入深度的确定,Bk=max+Sk （6） 但（6）式只适用于发生井涌时最大地层孔隙压力所在井深Hpmax的井底处。而对于井深为Hn处，则：,Br=fSf 或 Bk=fSf （8） 式中 f为上一层套管鞋处薄弱地层破裂压力等效密度值，g/cm3； Sf地层压裂安全增值，g/cm3。,（7）,由上式可见，当Hn值小时（即深度较浅时）Bk值大，即压力梯度大，反之当Hn值大时，Bk小。如图3-8-1-2所示。ak值随Hn变化呈双曲线分布。,图3-8-1-2 井内压力梯度与井深关系,为了确保上一层套管鞋处裸露地层不被压裂，则应有：,2、设计方法及步骤,套管层次和下入深度设计

8、的实质是确定两相邻套管下入深度之差，它取决于裸眼井段的长度。在这裸眼井段中，应使钻进过程中及井涌压井时不会压裂地层而发生井漏，并在钻进和下套管时不发生压差卡钻事故。 设计前必须有所设计地区的地层压力剖面和破裂压力剖面图，图中纵坐标表示深度，横坐标表示地层孔隙压力和破裂压力梯度，皆以等效密度表示。 设计时由下而上逐层确定下入深度。 油层套管的下入深度主要决定于完井方法和油气层的位置。因此设计的步骤是由中间套管开始。 1）、各层套管（油层套管除外）下入深度初选点Hn的确定。 套管下入深度的依据是，其下部井段钻进过程中预计的最大井内压力梯度不致使套管鞋处裸露地层被压裂。 根据最大井内压力梯度可求得上

9、部地层不致被压裂所应有的地层破裂压力梯度fnr。 正常作业下钻时，由（4），（5），（8）式，有： fnr=pmax+Sb+Sg+Sf （9） 式中 fnr第n层套管以下井段下钻时，在最大井内压力梯度作用下，上部裸露地层不被压裂所应有的地层破裂压力梯度，g/cm3； pmax第n层套管以下井段预计最大地层孔隙压力等效密度，g/cm3。,发生井涌情况时，由（4）、（7）（8）式，有：,(10),式中 fnk第n层套管以下井段发生井涌时，在井内最大压力梯度作用下，上部地层不被压裂所应有的地层破裂压力梯度，g/cm3； Hni第n层套管下入深度初选点，m。,对比（9）、（10）两式，显然，fnkfn

10、r，所以，一般用fnk计算，在肯定不会发生井涌时，用fnr计算。 对中间套管，可用试算法试取Hni值代入式中求fnk，然后由设计井的地层破裂压力梯度曲线上求得Hni深度时实际的地层破裂压力梯度。如计算的值fnk与实际相差不多且略小于实际值时，则Hni即为下入初选点。否则另取一Hni值计算，直到满足要求为止。,2）、校核各层套管下到初选点深度Hni时是否会发生压差卡钻。 先求出该井段中最大泥浆密度与最小地层孔隙压力之间的最大静止压差Prn为： Prn=9.81Hmm（pmin+Sb-min）10-3 （11） 式中 Prn第n层套管钻进井段内实际的井内最大静止压差，MPa； pmin该井段内最小

11、地层孔隙压力梯度效密度，g/cm3； Hmin该井段内最小地层孔隙压力梯度的最大深度，m。 比较Prn和P（压差允值，正常压力地层用PN，异常压力地层用Pa）。 当PrnP时，则不易发生压差卡钻，Hm即为该层套管下入深度。 当PrnP时，则可能发生压差卡钻，这时，该层套管下深Hn应浅于初选点Hni。Hn的计算如下： 令Prn=P，则允许的最大地层孔隙压力pper为：,由地层孔隙压力梯度曲面图上查pper所在井深即该层套管下入深度Hn。,3）、当中间套管下入深度浅于初选点HnHni时，则需要下尾管并要确定尾管下入深度Hn+1 （i）确定尾管下入深度初选点H(n+1)i。 由中间套管鞋处的地层破裂

12、压力梯度fn可求得允许的最大地层孔隙压力梯度pper，由（2-90）式，有：,式中 fn中间套管鞋处地层破裂压力梯度，g/cm3； pper中间套管鞋处地层破裂压力梯度为fn时，其下井段所允许的最大地层孔隙压力梯度，g/cm3； Hn中层套管下深，m； H(n+1)i尾管下入深度初选点，m。 其他符号代表意义同前。 （ii）校核尾管下入到深度初选点H(n+1)i时，是否会发生压差下钻。 校核方法同前所述。,（13）,4）、必封点的确定。 以上套管层次、下入深度的确定是以井内压力系统平衡为基础，以压力剖面为依据的。但某些影响钻进的复杂情况因素目前还不能反映到压力剖面上。如吸水膨胀易塌泥页岩、含蒙

13、脱石的泥页岩、岩膏层、盐岩层蠕变、胶结不良的砂岩等。某些复杂情况的产生又与时间因素有关，如钻进速度快，浸泡水时间短，复杂情况并不显示出来，反之钻速慢，上部某些地层裸露时间长或在长时间浸泡下，则发生坍塌、膨胀、缩径等情况。这需要根据已钻过井的经验来确定某些应及时封隔的地层即必封点。某些地区没有复杂情况则不必确定必封点。另外，为了求得控制复杂情况所需的坍塌压力,图3-8-1-3 井眼收缩率在0.1%/h下， 不同井深所需泥浆密度值,梯度值是非常必要的，这样可以在确定必封点上不必凭经验来进行。如中原油田对盐膏层引起的缩径复杂情况与石油大学合作研究，得出了控制井眼面积收缩率小于0.1%h所需的泥浆密度

14、值。图3-8-1-3表示盐膏层在该面积收缩率下随井深变化所需的泥浆密度值。,六、套管尺寸与井眼尺寸选择及配合 套管尺寸及井眼（钻头）尺寸的选择和配合涉及到采油、勘探以及钻井工程的顺利进行和成本。 1、设计中考虑的因素 1）、生产套管尺寸应满足采油方面要求。根据生产层的产能、油管大小、增产措施及井下作业等要求来确定。 2）、对于探井，要考虑原设计井深是否要加深，地质上的变化会使原来预告难于准确，是否要本井眼尺寸上留有余量以便增下中间套管，以及对岩心尺寸要求等。 3）、要考虑到工艺水平，如井眼情况、曲率大小、井斜角以及地质复杂情况带来的问题。并应考虑管材、钻头等库存规格的限制。 2、套管和井眼尺寸

15、的选择和确定方法 1）、确定井身结构尺寸一般由内向外依次进行，首先确定生产套管尺寸，再确定下入生产套管的井眼尺寸，然后确定中层套管尺寸等，依此类推，直到表层套管的井眼尺寸，最后确定导管尺寸。 2）、生产套管根据采油方面要求来定。勘探井则按照勘探方面要求来定。 3）、套管与井眼之间有一定间隙，间隙过大则不经济，过小会导致下套管困难及注水泥后水泥过早脱水形成水泥桥。间隙值一般最小在9.512.7mm（3/81/2in）范围，最好为19mm（3/4in）。 3、套管及井眼尺寸标准组合 目前国内外所生产的套管尺寸及钻头尺寸已标准系列化。套管与其相应井眼的尺寸配合基本确定或在较小范围内变化。图3-8-1

16、-4给出了套管和井眼尺寸选择表。使用该表时，先确定最后一层套管（或尾管）尺寸。表的流程表明要下该层套管可能需要的井眼尺寸。实线表明套管与井眼尺寸的常用配合，它有足够的间隙以下入该套管及注水泥。虚线表示不常用的尺寸配合（间隙较小）。如选用虚线所示的组合时，则须对套管接箍、泥浆密度、注水泥及井眼曲率大小等应予注意。,图3-8-1-5 例题井的压力剖面及井身结构,例1某井井深H=4400m，地层孔隙压力梯度及破裂压力梯度剖面见图3-8-1-5。 设计给定： Sb=0.036g/cm3；Sg=0.04g/cm3； Sk=0.06g/cm3；Sf=0.03g/cm3； PN=12MPa；Pa=18MPa

17、。 油层套管采用139.7mm（51/2in）套管。,解：由图上查得最大地层孔隙压力梯度为2.04g/cm3，位于4250m。 确定中间套管下入深度。 （i）确定下入深度初选点H2i。 由（10）式,将各值代入得：,试取H2i=3400m，将3400m代入上式得：,由图上查得3400m处f3400=2.19g/cm3 因为f2kf3400且相似，所以确定中间套管下入深度初选点为H2i=3400m。,（ii）校核中间套管下入到初选点3400m过程中是否会发生差卡套管。 由图上查得：3400m处，f3400=1.57g/cm3；Hmm=3050m，min=1.07g/cm3 则由（1-11）式得：

18、 Pr2=9.813050（1.57+0.036-1.07）10-3=16.037MPa,因为Pr2PN，所以中间套管下深应浅于初选点。 令Pr2=Ppper由（1-12）式得：,由图中地层孔隙压力梯度曲线上查出与=1.435g/cm3对应的井深为3200m，则中间套管下入深度H2=3200m。 由于H2H2i，所以还必须下入尾套管。,图3-8-1-5 例题井的压力剖面及井身结构,确定表层套管下深H1。 由（10）式，将各值代入有：,试取H1=850m，代入上式得：,由剖面图查得井深850m处f850=1.740g/cm3，因flkf850，且相近，所以满足设计要求。,确定各层套管及相应井眼尺寸。 已知油层套管规定为114.3mm（41/2in），由图（3-8-1-4）套管和井眼尺寸选择，按常用的尺寸配（按实线）可得出114.3mm套管相应井眼尺寸为155.5mm（67/8in），尾管用196.9mm（73/4in）相应井眼为241.3mm