第七章固井与完井案例.ppt

1、第七章固井与完井、固井：套管与固井井结构设计套管柱设计固井技术固井质量的核心问题是套管柱的强度、环空的密封性和水泥环的固井质量。完井钻井生产层完井井口设备测试，第一节井身结构设计，主要包括各层下套管水平和下套管深度，以及套管与井筒尺寸的匹配。一、套管1的分类功能。表层套管的主要用途：隔离浅水层和浅层松散复杂地层；安装井口，悬挂和支撑后续套管层。井下位置：根据钻井目的层深度和地面条件确定，一般为数百米甚至数千米。2.生产套管(油层套管)的主要用途：保护生产层，提供油气生产通道。井下位置：由目标层位置和完井方式决定。3。中间套管(技术套管)由于技术要求，表层套管和生产套管之间的套管可以是一层、两层

2、或多层。主要用于封堵易漏、易塌、易卡等不同地层压力系列或地下复杂地层。4。尾管(尾管)在下完一层技术套管后使用，即在裸眼井段进行套管和固井，但套管柱不延伸至井口。下放套管时降低钻机负荷，固井后降低套管头负荷；节省套管和水泥。一般用于深井和超深井。二、井身结构设计的原则1。有效保护油气储层；2.有效避免泄漏、井喷、坍塌、卡钻等井下复杂事故的发生，确保安全快速钻井；3.钻井下部地层使用重钻井液时产生的井内压力不会使上部套管鞋处最薄弱的裸露地层破裂；4.下套管时，井内钻井液柱压力与地层压力之间的压差不会因压差而导致卡套；5.当实际地层压力超过预测值并发生井涌时，它具有在一定压力范围内压井和处理溢流的

3、能力。3.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、地层破裂压力剖面和地层坍塌压力剖面。六个设计系数：吸入压力系数sb；0.0240.048克/立方厘米激励压力系数；0.0240.048克/立方厘米压裂安全系数SF；0.030.06g/cm3井涌余量sk；0.050.08g/cm3压差允许值p: pn: 1518mpa，PA: 2123 MPa，IV。裸眼井段的机械平衡条件(1)DMAX max Sb防止井涌(2) (dmax-pmin)Dpmin0.00981P防止压差卡钻(3)DMAX Sg Ff fmin防止井漏(4) dmax Sf Sk Dpmax/Dc1fc1防止关井

4、井井漏，其中DMax-裸眼井段使用的最大钻井液密度Pmax -裸眼井段遇到的最大地层压力的等效泥浆密度，g/cm3；Dpmax -最大地层孔隙压力所在的井深，m；Pmin -裸眼井段遇到的最小地层压力的等效泥浆密度，g/cm3；Dpmin -最小地层孔隙压力所在的井深，m。Fmin -裸眼井段最小地层破裂压力的等效泥浆密度，g/cm3；Dc1 -套管下入深度，m；Fc1 -套管鞋处地层破裂压力的等效泥浆密度，g/cm3；(1)从f=pmax Sb Sg Sf dmax计算f，不考虑井涌，找出f位于破裂压力曲线上的井深D21，这是中间套管下入深度的假设点。(2)考虑可能的井涌，通过f=pmax

5、Sb Sf Sk Dpmax/D21试算法求出D21；试着先取一个D21，然后计算f；将计算出的f与D21处的f进行比较。如果计算值与实际值相差不大且略小于实际值，D21可确定为中间套管的假设点。否则，再试一次。一般来说，在新勘探区，D21的较大值是在上述两个条件(1)和(2)下取的。2。验证中间套管是否下到要卡住的深度D21。首先，计算裸井可能存在的最大静压差：p=(pmax 1 sb-pmin)dmin 0.00981 pa x1-在以下情况下遇到的地层压力的最大等效密度Dmin -对应最小地层孔隙压力的井深，m；(当有多个最小地层压力点时，取最大井深。)，如果是P PN，中间套管的深度应

6、小于假设的点深度。中间套管下入深度应根据压差卡钻情况确定。求压差PN下的最大允许地层压力：求地层压力曲线上最大压力的深度，即D2下套管的中间深度。3。计算钻井衬管下入深度的假设点D31。根据中间套管鞋处地层破裂压力的当量密度f2，计算连续下钻时裸眼井段允许的地层压力最大当量密度：用试算法计算D31。试着取一个D31，计算铜，并与D31处的实际等效层压力密度进行比较。如果计算值接近实际值，且略大于实际值，则确定为排气尾管深度的假设点；否则，取D31进行试算。4.运行至D31时，检查缸套是否卡住。检查方法与中间套管相同。仅将压差的允许值从压力改为压力。5。计算表层套管下入深度D1根据中间套管鞋处地

7、层压力的当量密度p2，计算钻至D2深度发生井涌时表层套管鞋D1处井内压力的当量密度：根据上述公式，用试算法确定D1。试取一个D1，计算有限元，并将计算值与D1地层破裂压力的当量密度进行比较；如果计算值接近且小于地层破裂压力值，则D1被确定为表层套管下入深度。否则，再次尝试D1进行试算。五、设计实例井的设计深度为4400米，地层孔隙压力梯度和地层破裂压力梯度剖面如图7-2所示。给定设计系数：sb=0.036Sg=0.04。Sk=0.06Sf=0.03帕=12兆帕；PN=18 MPa，试设计井身结构。解决方案：从图中，pmax=2.04 gcm3，Dpmax=4250 m (1)确定中间套管下入深

8、度的主要选择点D21:f=pmax Sb Sk Dpmax/D21尝试D21=3400m，并代入上述公式：f=2.040.036 0.030.064250/3400。因此，确定D21=3400m。(2)检查中间套管是否卡住。从地层压力曲线可以看出，当钻至D21=3400m米深度时，遇到的最大地层压力为3400米。可以发现，p3400=1.57g克/立方厘米，pmin=1.07g克/立方厘米，dmin=3050米。P=(pmax 1 sb-pmin)dmin 0.00981 P=(1.57 0.036-1.07)30500.00981=16.037 MPa，因为P PN=12MPa，中间套管的下

9、入深度应比主要选择点浅。在地层压力曲线上发现，对应于pper=1.435的深度为3200米。最后，确定中间套管的安装深度为D2=3200米。(3)确定尾管下入深度的初始选择点D31，从破裂压力曲线中找到：F3200=2.15g/cm3；试D31=3900m米，代入上述公式计算：铜=2.011克/立方厘米；根据地层压力曲线，p3900=1.94 pper=2.011 g/cm3，相差不大，因此确定初始选择点D31=3900m。(4)检查排气尾管是否卡住，并计算压差：压力=(1.940.036-1.435)32000.00981=16.98兆帕。由于P PA，尾管下深度确定为D3=D31=3900

10、米，(5)确定表层套管下入深度D1，试取D1=850米，代入上述公式计算：fE=1.737 g/cm3。根据破裂压力曲线，f850=1.74 g/cm3和fE f850相似，因此确定D1=850m。最终设计结果：VI。套管尺寸和钻头尺寸的选择目前，国内最常用或唯一的套管钻头系列是：(26)20(17 1/2)13 3/8(12 1/4)9 5/8(8 1/2)7(5 7/8)4 1/2套管和井眼尺寸一般由以下因素决定：套管与井眼的间隙与井眼质量、固井水泥环强度要求、下套管时井内的波动压力、套管尺寸等因素有关。最小间隙为9.5毫米，最大间隙为76毫米。钻头直径和上部套管最小内径之间应保持6.41

11、3毫米(1/41/2英寸)的间隙。目前，根据不同的套管级别，已经基本形成了一个相对稳定的系列。第二节套管柱设计；1.套管和套管柱套管：套管规格系列：根据美国石油学会标准：4 1/2英寸、5英寸、5 1/2英寸、6 5/8英寸、7英寸、7 5/8英寸、8 5/8英寸、9 5/8英寸、10 3/4英寸、11 3 3/8英寸共14种。壁厚：5.2116.13毫米。小直径套管的壁厚较小，而大直径套管的壁厚较大。此外，还有非标准钢种和壁厚。外壳钢级美国石油学会标准：H-40、J-55、K-55、C-75、L-80、N-80、C-90、C-95、P-110、Q-125。(数字1000是套管的最小屈服强度k

12、psi)。1kpsi=6.8947MPa，其中H-40、J-55、K-55、C-75、L-80和C-90耐硫。美国石油学会标准的连接螺纹类型：短圆(STC)、长圆(LTC)、梯形(BTC)和直联(XL)套管柱：由相同外径、不同钢种和不同壁厚的套管通过接箍连接而成的管柱。特殊情况下也可使用不带接箍的套管柱。套管柱应力分析和套管强度套管柱在井中的外载荷是复杂的。在不同时期(下套管、固井、后期生产等期间)。)，套管柱的应力也不同。在分析和设计中，主要考虑基本载荷：轴向张力、外挤压力和内压。套管柱设计应考虑最危险的情况。1.套管轴向拉力和抗拉强度(1)套管轴向拉力、自重引起的拉力、弯曲引起的附加拉力、

13、固井引起的附加力、动载荷、摩擦等。自重引起的拉力KnQMi-钻井液中第一根套管每单位长度的重力，n；Li -第一个套管的长度，m；N -套管柱的套管类型(钢级、壁厚)。套管弯曲引起的附加拉力经验公式：kN在设计严重狗腿度的定向井、水平井和直井套管柱时，应考虑弯曲引起的附加拉力。当用其他附加张力提升或降低套管时，由水泥注入、动态载荷和井筒摩擦引起的附加张力kN。一般在安全系数中考虑。(2)套管抗拉强度套管的轴向拉力一般在井口最大。拉伸应力导致的破坏形式是：身体断裂和绊倒。套管的抗拉强度通常用套管的抗滑力来表示。2.外挤压力和套管抗挤强度(1)外挤压力主要载荷：管外液柱压力、地层流体压力、高塑性岩

14、石(盐膏层、泥岩层)侧向挤压力等。正常情况下，根据套管完全排空时管外压力计算：在特殊情况下，有一大段盐膏层，单位为kPa，上述公式中的钻井液密度有时用上覆地层压力的当量密度代替计算。(2)外挤载荷下套管破坏模式的挤毁强度：当径厚比大时，失稳破坏(失圆、挤毁)；当径厚比小时，强度将被破坏。根据现有的套管尺寸，大部分都是不稳定失效。坍塌强度可在钻井手册或套管手册中找到。(3)套管在双向应力下的强度从套管内部看是一个微小的单位。分析表明，三个方向的应力t r、r和Z是在外载荷作用下产生的，薄壁管的T R and R可以忽略。成为双向压力问题。从第四强度理论：z2 t2 -zt=s2，它被转化为一个椭

15、圆方程：拉是正的，压是负的。根据上面的方程，可以画出一个椭圆图形。在椭圆图上，t/s的百分比是纵坐标，z /s的百分比是横坐标。从强度条件的双轴应力椭圆可以看出：第一象限：拉力和内压的共同作用，套管的内压强度随着轴向拉力的存在而增加。第二象限：轴向压缩和内部压力的联合作用。在轴向压缩下，套管的内压强度降低。第三象限：轴向压应力和外部挤压压力的共同作用。在轴向压缩下，套管抗挤强度增加。第四象限：轴向拉应力和外部挤压压力的共同作用。轴向张力的存在降低了套管的抗挤强度。因为这在套管柱中经常发生。因此，轴向t考虑轴向拉伸影响的抗挤强度公式推导：从双向应力椭圆方程出发，当z=0: t2=s2时，根据上述

16、公式，将T和S的表达式代入双向应力椭圆方程并适当简化，可得到考虑轴向拉伸影响的抗挤强度近似公式：3 .内压和内压强度(1)内压考虑了套管外的平衡压力。通常，在计算时，考虑三种最危险的情况。a .套管完全充满天然气并关井时的内部压力；b .将井口设备的承载能力作为井口套管的内压；c .根据套管鞋处的地层破裂压力确定井口压力：在实际设计中，通常在套管充满天然气时计算。(2)套管内压强度内压载荷下的主要失效形式：爆破、螺旋密封失效。内压强度可在钻井手册或套管手册中找到。4.套管腐蚀原因：接触地下腐蚀性流体。失效模式：管体有效厚度减小，套管承载力降低；钢材性能的变化。引起套管腐蚀的主要介质是硫化氢、溶解氧和二氧化碳。抗硫套管：美国石油学会套管系列中的高、中、低、中、高套管。套管柱强度设计的目的是确定合理的套管钢种、壁厚和每根套管的井深间隔。1.设计原则一、满足强度要求，任何危险段应满足以下公式：套管强度外载荷安全系数乙，满足钻井作业、油气层开发和生产储层改造的需要；c承受外荷载时应有一定的储备能力；更好的经济。安全系数：抗外部挤压的安全系数Sc=1.0；内压安全系数Si=1.1；套管抗拉强度(抗滑扣)的