第12章固井与完井

第十二章固井与完井为了安全钻进和采油的需要，在井眼中下入钢质套管，并在套管和井壁之间注入水泥浆的过程，称为固井。固井是钻井工程中一个十分重要的环节，它可分为设计和施工两部分，设计部分包括：井身结构设计、套管柱设计和注水泥设计；施工部分包括：下套管和注水泥两部分。如果固井质量出了问题将给钻井和采油带来许多麻烦（如套管断裂、套管变形、环空串槽），影响井的寿命，甚至使一口井报废。因此，钻井工程技术人员对固井都是非常重视的，固井设计都是由钻井公司或钻井科进行的，并且由井队钻井技术员复查，尽量作到万无一失。第一节井身结构井身结构是一口井下入套管的层次、套管尺和下入深度以及相应钻头尺寸的配合。井身结构设计的依据是地层地质条件、地层孔隙压力和地层破裂压力。一口井的套管可分为：表层套管（surfacecasing）、技术（中间）套管（protectioncasing、intermediatecasing）和油层套管（productioncasing、oilstring）。１、表层套管封隔地表疏松层。２、技术（中间）套管解决钻进过程中难以处理的各种漏、塌、喷等复杂地层问题。３、油层套管为采油目的而下的套管。除了要考虑到采油方面的要求外，在钻井方面还应根据地层压力、地层破裂压力以及其它特殊的地质因素来设计。第二节固井目的1、封隔地下不同油、气、水层，防止串槽；2、为井的投产建立生产通道；3、封闭暂不开采的油、气层；4、为安装井口防喷装置创造条件；5、提供油、气井压力控制的基本条件；6、封闭复杂地层，保护井壁，防止坍塌、井漏等。第三节固井工艺过程一、下套管套管柱结构casingstringstructur1、套管2、引鞋——引导套管入井；3、套管鞋——起钻防挂；4、回压阀——套管入井时增加浮力、控制水泥塞高度、防止回流；5、扶正器——扶正套管，提高顶替效率，提高固井质量；6、泥饼刷——提高固井质量；二、注水泥1、注水泥地面设备水泥车、储灰罐、水泥混合漏斗、压风机组、水泥浆管线、水管线、气管线。2、注水泥井口装置联顶节——连接套管至钻台面，安装水泥头。水泥头——连接注水泥和替泥浆管线，存放胶塞。胶塞——刮擦套管内多余水泥，与回压阀配合控制套管内水泥塞高度，隔离钻井液和水泥浆。三、注水泥过程注水泥设计要点：水泥浆密度、水泥浆用量、干水泥用量、用水量、水泥浆稠化时间、水泥浆添加剂（改变密度、改变稠化时间、降失水、降摩阻、防失重）、水泥浆上返高度、注水泥施工时间、注水泥排量、……。1、循环泥浆2、注隔离液（或放下胶塞）3、注水泥浆4、开挡销、顶胶塞5、替钻井液6、碰压第四节套管柱的设计根据套管柱在井下的受力情况，考虑一定的安全系数。一、套管柱在井下的受力分析1、轴向拉力——线性分布，井口最大，井底最小；GkGaG——管柱受浮力后的重量，kg；k——浮力系数，无因次；Ga——管柱在空气中的重量，kg。kms()1m——井内洗井液密度，g/cm3；s——钢的密度，7.85g/cm3。2、外挤压力——线性分布，井口最小，井底最大；3、内压力——当全井充满天然气时，全井内压力基本相等；压裂酸化；强化采油。除了强度方面的考虑外，还应考虑套管内径尺寸是否能满足钻头和其它井下工具的要求。套管柱设计有很多种方法，最常用的是等安全系数法，该方法的设计原则是既安全又经济，根据套管在井下的受力情况，按一定的安全系数与套管强度之间建立一个平衡关系：外载×安全系数≤套管强度二、套管柱设计步骤1、给定抗挤安全系数，考虑套管内部全掏空或部分掏空，按套管抗挤强度从下往上分段设计；（1）按抗挤选择下部第一段套管ccccPSHS11981.查表得到c1，确定下部第一段套管H2H1L1（2）确定第二段套管可下深度及第一段套管长度选钢级、壁厚较低一级的套管：cc21LiQiGccHS22981.HSLHHcc22112981.（3）重复步骤2ccccHLHL32324343,;,（4）给定抗拉安全系数，逐段校核抗拉强度；()LQSiitt2、上部井段改为按抗拉强度设计；（1）第i段套管以下各段套管的总重量：GLQjjjij()11()LQGSiittiLQSGiitit1()（2）重复步骤1titiiL()11井口（3）给定抗挤安全系数，逐段校核抗挤强度；3、对深井气井校核井口抗内压强度；4、井口选用一根全井壁厚最大的套管。第五节油井水泥一、油井水泥及其矿物成分1、油井水泥（硅酸盐水泥为主）生料[碳酸盐矿物CaCO3+粘土质原料+硅石+调节性原料]（1450℃)粉碎、磨细、混合→熟料_加石膏CaSO4（调节凝结时间）、粉磨→油井水泥分类：普通油井水泥：40℃井深0～1500m75℃井深1500～2500m95℃井深2500～3500m高温油井水泥：150℃～180℃井深5000～7000m2、矿物成分（1）硅酸三钙323CaOSiOCS()含量最高，是水泥产生强度的主要化合物，其强度增长快，最后强度也大（2）硅酸二钙222CaOSiOCS()水化反应慢，强度增长慢，能在长时间内逐渐增加水泥强度。（3）铝酸三钙3233CaOAlOCA()是促进水泥快速水化的化合物，决定水泥初凝和稠化时间，影响水泥的流变性。（4）铁铝酸四钙423233CaOAlOFeOCAF()水化速度仅次于CA3，早期强度增长快，强度决对值不大。表12-1纯熟料矿物抗压强度（兆帕）名称水%3天7天28天90天180天CS31324.731.648.058.859.0CS2130.51.41.54.311.5CA3137.78.38.29.66.6CAF41311.712.412.718.527.9由表可知，CS3强度增长最快，也最大；CS2增长慢而强度低；CA3后期强度最小，CAF4增长较慢，也较大。表12-2水化深度（微米）名称3天7天28天180天CS33.54.77.915.0CS20.60.91.02.7CA310.710.411.215.0CAF47.78.08.413.2注：水泥颗粒直径为30~55微米以水泥颗粒的水化深度来衡量水化速度的快慢：28天内：CA3CAF4CS3CS2180天内：CA3CS3CAF4CS2水泥的矿物成分比水泥中的氧化物（SiO2、AlO23、FeO23)含量更能说明该种水泥性能，并用它作为限制水泥化学组成，保证水泥质量的重要指标。表12-3各种水泥的矿物组成名称3天7天28天180天CS33.54.77.915.0CS20.60.91.02.7CA310.710.411.215.0CAF47.78.08.413.2二、水泥的凝结与硬化1、胶溶期固相溶解水化反应水化物浓度饱和胶态粒子细小晶体溶胶体系2、凝结期胶态颗粒、晶体互相连接→凝胶结构（水泥浆丧失流动性）3、硬化期晶体大量析出结晶网胶体紧密聚凝凝聚网微晶混凝土结构的水泥石固体三、油井水泥浆性能与调节1、密度硅酸盐水泥干灰密度：3.05～3.20g/cm3水泥浆密度：大于完井或下套管时泥浆密度；不会压漏地层，不挤毁套管；保证水泥浆的流动性及水泥石的强度ρ=1.80～1.90g/cm3因素：水灰比↑→密度↓，流动性↑水灰比↓→密度↑，密封性↑，强度↑，流动性↓外加剂：加重剂：重晶石（2.28g/cm3）减轻剂：搬土，硅藻土，煤渣灰2、流动度：衡量水泥浆流动性好坏的指标流性指数n，稠度系数k幂律模式kdudrn()因素：水灰比，粘度应用：计算循环摩擦损失设计最佳流态，提高顶替效率和固井质量凝结时间：初凝：标志其完全丧失流动性终凝：表示其已具有一定的承载能力稠化时间：用稠化仪测定的，从水泥加水起到粘度达10Pa.s的时间。稠化时间控制：整个注水泥时间必须控制在初凝时间的3/4以内，并考虑有较大的安全系数，要求有合适的终凝时间。因素：温度、压力↑→稠化时间↓速凝剂：CaCl2、NaCl、半水石膏缓凝剂：木质素磺酸钙、有机酸3、失水量水泥浆水化需水量为水泥重量的20%，而为使水泥浆具有足够的流动性，水灰比一般在50%左右，即存在大量过剩水（自由水）。水泥浆中的自由水通过井壁渗入地层的现象称为失水。压差、水灰比、地层渗透性↑→失水量↑失水量↑→水泥浆稠化，流动性↓→损害产层→水泥石中产生自由水通道→密封性、强度↓降失水剂：搬土，羧甲基，羟乙基纤维素，烷基磺酸钠4、水泥石强度要求（作用）：支撑和加强套管抵抗钻井时冲击载荷能承受射孔、酸化、压裂等作业注：酸化、压裂薄弱环节是水泥环与井壁和套管间的连接强度第六节影响注水泥质量的基本原因一、注水泥质量的基本要求1、水泥浆返高和水泥塞高度要符合设计要求（1）水泥浆计量要准；（2）替水泥时用的洗井液量计算与计量要准确；（3）事先做好水泥试验，了解配浆用水的影响；（4）试准速凝剂或缓凝剂用量，防止水泥浆过早变稠；（5）减少水泥浆的失水量；（6）防止循环通路堵塞；（7）碰压不宜超过5MPa，以免打掉阻流圈；（8）替水泥浆时要注意计量及碰压显示；（9）检修好设备，防止发生机械故障。2、防止串槽即注水泥井段的钻井液应全部被水泥浆替走顶替效率的概念：η＝Vc／VVc——注水泥井段水泥浆体积；V——注水泥井段体积。3、增加水泥浆与套管和井壁间的联结（胶结）强度.因素：水泥类型和不同的添加剂（膨胀水泥、加砂水泥）井壁泥饼的存在（泥饼刷）套管表面状况：油膜或沥青→强度↓砂粒涂层→强度↑4、防止气串（失重引起）失重：水泥浆在凝固过程中，其液柱压力逐渐降低的现象。①胶凝失重，水泥颗粒在水化过程中所形成的网架结构，承受部分水泥浆注重量，使作用在下部地层的有效压力降低。②桥堵失重，水泥颗粒与井内钻屑在重力作用下下沉所形成的封闭环空的桥塞，使上部浆柱的压力不能传至桥塞下部，当下部浆柱体积减小时，作用在下部地层的有效压力降低。5、防止自由水上串二、提高注水泥质量的主要措施1、套管居中（使用扶正器）2、刮除泥饼3、活动套管4、紊流或塞流注水泥5、注双凝水泥6、充气水泥浆柱有效压力+气体膨胀产生的附加压力地层压力7、不渗透水泥在水泥浆网架结构间的微孔隙或毛细孔道中加入堵塞剂，束缚主自由水，使其不易流动，同时也使地层里的油、气、水不宜侵入。8、使用隔离液第七节完井wellcompletion一、钻开生产层两项任务：保护油层、防止井喷。二、井底完成法共同要求：（1）有效地连通井底和油气层，减少油气流动阻力；（2）妥善封隔油、气、水层，防止串扰；（3）克服井壁坍塌和油层出砂影响，保证长期稳产；（4）能够进行进一步压裂、酸化等增产措施，便于修井；（5）工艺简单，完井速度高。1、裸眼完井法openhole(barefoot)completion油气层不用套管和水泥封固。优点：不存在水泥浆损害地层的问题；裸露面积大，油流阻力小。缺点：不能控制井壁垮塌和出砂；不能克服产层范围不同压力油、气、水层的相互干扰；无法进行选择性酸化压裂。应用：仅适用于稳定且无油、气、水夹层的单一油气层，或油气层性质相同的多油气层。（1）先期裸眼完井：钻进至油层顶部，下油层套管，再钻开油层。优点：A排除上部地层的干扰，可选符合产层的钻井液；B缩短钻井液浸泡时间；C钻开产层后，如遇复杂情况，可将钻具起至套管内进行处理，避免事故进一步复杂化；D消除了高压油气对固井工作的影响。缺点：下套管时，还未完全掌握产层真实情况。（2）衬管完井法在先期裸眼完井的基础上，在裸眼井段下入多孔或割缝、缠丝衬管，以便防砂。衬管损坏或堵塞后还可起出修理或更换。（3）后期裸眼完井：钻穿产层后，下套管至油层顶部。优点：可下入较大尺寸钻头，产层裸露面积大（4）贯眼完井法这是后期裸眼完井法的变形，钻开油层后，把下部带孔眼的套管下至油层部位，固井时水泥浆只封固油层以上的地层。可以防止地层坍塌。2、射孔完井法perforatedcompletion钻穿油层，下套管至油层底部固井，再用射孔器射孔。优点：有效封隔和支持疏松易塌产层；封隔不同油气层，进行分层测试、分