固井和完井

1第七章固井和完井固井：下套管、注水泥•井身结构设计•套管柱设计•注水泥技术完井•钻开生产层•完井井底结构•完井井口装置固井质量的核心问题就是套管柱的强度和环形空间的密封及胶结质量问题。2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2、生产套管（油层套管3、中间套管（技术套管）4、尾管（衬管）3第一节井身结构设计一、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）4二、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。5三、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：①抽系压力系数Sb：0.024～0.048g/cm3②激动压力系数Sg：0.024～0.048g/cm3③压裂安全系数Sf：0.03～0.06g/cm3④井涌允量Sk：0.05～0.08g/cm3⑤压差允值p：PN＝15～18MPa，PA＝21～23MPa6四、确定套管层次和下深的基本思路依据两个压力剖面，以保证钻进时井内最大压力不压裂最薄弱的裸露地层为原则，从全井最大地层压力梯度处开始，由下向上确定套管的层次和各层套管的下入深度。1.01.31.61.8当量密度，g/cm3井深破裂压力油套技套表套地层压力7五、裸眼井段应满足的力学平衡条件防关井井漏防井漏防压差卡钻）（防井涌11maxmaxminmaxminminmaxmax)(00981.0fccpkfdffgdANppdbpdDDSSSSppDS8pfpmaxDpmaxfc1D21pminDpmin9六、套管层次和下深的设计方法minmaxmaxmaxffgdfbpdSSS计算出ρf，在破裂压力曲线上查出ρf所在井深D21，即为中间套管下深初选点。1、求中间套管下入深度的初选点（1）不考虑发生井涌由裸眼井段应满足的力学平衡条件：101、求中间套管下入深度的初选点（2）考虑可能发生井涌由裸眼井段应满足的力学平衡条件：用试算法计算出D21值即为中间套管下深初选点。说明：一般情况下，在新探区取以上两种条件下D21较大的值。六、套管层次和下深的设计方法112、验证中间套管下到深度D21是否有被卡的危险由裸眼井段应满足的力学平衡条件)(00981.0minminmaxANppdppDp）（•若△p△pN（或△pA），则确定D21为中间套管的下入深度D2。•若△p△pN（或△pA），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。六、套管层次和下深的设计方法12求在允许压差△pN（0r△pA）下所允许的裸眼井段最大地层压力ρpper：bpDppperSNmin00981.0min在地层压力曲线上找出ρpper所在的深度即为中间套管下深D2。133、求钻井尾管下入深度的初选点D31kDDfbfpperSSS2312用试算法求D31。试取一个D31，计算出ρpper，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。根据中间套管鞋D2处的地层破裂压力当量密度ρf2，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：14根据中间套管鞋处的地层压力当量密度ρp2，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：kDDfbpfESSS122用试算法确定D1。试取一个D1，计算ρfE，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。5、计算表层套管下入深度D115七、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，ρpmax=2.04g／cm3，Dpmax=4250m．（1）确定中间套管下深初选点D21由：ρf=ρpmax+Sb+Sf+Sk×Dpmax/D21试取D21=3400m并代入上式得：ρf=2.04+0.036+0.03+0.06×4250/3400=2.181g/cm3由破裂压力曲线上查得ρf3400=2.19g/cm3，ρfρf3400且相近。故确定D21=3400m。1617（2）校核中间套管是否会被卡由地层压力曲线上看出，钻进到深度D21=3400m时，遇到的最大地层压力就在3400m处。查得：ρp3400=1.57g/cm3，ρpmin=1.07g/cm3，Dmin=3050m。由△P=(ρpmax1+Sb-ρpmin)×Dmin×0.00981△P=（1.57+0.036-1.07）×3050×0.00981=16.037MPa因△P△PN=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。bpDppperSNmin00981.0min3305000981.012/435.1036.007.1cmgpper18（3）确定尾管下入深度初选点D31由破裂压力曲线上查得：ρf3200=2.15g/cm3；由：试取D31=3900m，代入上式算得：ρpper=2.011g/cm3；由地层压力曲线查得ρp3900=1.94ρpper=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）×3200×0.00981=16.98MPa因为△P△PA，故确定尾管下深为D3=D31=3900m。06.003.0036.015.23200231231DkDDfbfpperSSS19（5）确定表层套管下深D1由试取D1=850m，代入上式计算得：ρfE=1.737g/cm3。由破裂压力曲线查得ρf850=1.74g/cm3，ρfEρf850，且相近，故确定D1=850m。最后设计结果：06.003.0036.0435.111232002DkDDfbpfESSS套管层次表层套管中间套管尾管生产套管套管下深（m）85032003900440020八、套管尺寸与钻头尺寸的选择1.原则：（1）套管能顺利下入井眼内，并具有一定的环空间隙柱水泥。（2）钻头能够顺利通过上一层套管。2.经验配合关系长期实践形成的经验配合关系（P256，图7-3）国内常用的配合关系：(17½)133/8-(12¼)95/8-(8½)5½（26）20-（17½）133/8-（12¼）95/8-（81/2）7-（57/8）41/2或521第二节套管柱强度设计（1）结构特点：优质无缝钢管，一端为在管体上车制的公扣，一端为带母扣的套管接箍。（2）尺寸系列（API标准）直径：41/2”，5”，51/2”，65/8”，7”，75/8”，85/8”，95/8”，103/4“，113/4”，133/8“，16”，185/8“，20”；共14种。壁厚：5.21～16.13mm。一、套管和套管柱1.套管221.套管（3）钢级（API标准）：数字×1000为套管的最小屈服强度（kpsi）。H-40，J-55，K-55，C-75，L-80，N-80，C-90，C-95，P-110，Q-125。（4）螺纹类型（API标准）短圆（STC）、长圆（LTC）、梯形（BTC）、直连型（XL）2、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。一、套管和套管柱23二、套管柱受力井下套管柱的受力轴向拉力：自重、弯曲应力、注水泥附加拉力、动载、摩阻等。外挤压力：管外液柱压力、地应力等内压力：地层流体压力、压裂及注水等压力。套管柱在井内所受外载复杂。在不同时期（下套管过程中、注水泥时、后期开采等过程中）套管柱的受力也不同。在分析和设计中主要考虑基本载荷：轴向拉力、外挤压力及内压力。241、套管轴向拉力的计算套管自重产生的轴向拉力，自下而上逐渐增大，在井口处达到最大。国内在套管设计中，轴向拉力一般按套管在空气中的重力计算。但在考虑轴向拉力对套管抗挤强度的影响时，按套管的浮重计算。iniminiiBsdiniiminiioLqLqKLqFLqF1111)1(在常规的套管柱设计中，轴向拉力一般按套管的重力计算。其它轴向载荷，如弯曲应力引起的附加拉力、动载荷、注水泥引起的附加拉力、摩阻力等，一般考虑在安全系数之内。252、外挤压力计算kPa81.9DPdoc套管柱所受的外挤力，在井底最大，井口最小。主要载荷：管外液柱的压力、地层中流体的压力、高塑性岩石（盐膏层、泥岩层）的侧向挤压力等。常规情况下按套管全淘空时的管外钻井液液柱压力计算。有大段盐膏层的特殊情况下，有时将钻井液密度替换为上覆岩层压力的当量密度进行计算。263、内压力计算GDgasiepp4101155.1)(ffiGGDp计算时，考虑三种最危险的情况确定井口压力：1)套管内充满天然气并关井时的内压力；2)以井口装置的承压能力作为套管在井口所受的内压力；3)以套管鞋处的地层破裂压力值确定井口内压力：国内外普遍采用以下方法计算套管的内压力：有效内压力=井口压力+（管内液柱压力-管外液柱压力）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。27三、套管的强度1、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。圆螺纹套管的丝扣滑脱负荷小于管体的屈服拉断负荷；以丝扣滑脱负荷作为其抗拉强度；梯形螺纹套管和直联型套管的丝扣滑脱负荷大于管体的屈服拉断负荷。以管体屈服拉力作为其抗拉强度。282、套管的抗外挤强度外挤载荷作用下的破坏形式：径厚比较大时，失稳破坏（失圆、挤扁）；径厚比较小时，强度破坏。根据现有套管尺寸，绝大部分是失稳破坏。套管开始丧失稳定性时的外挤压力值称为其抗挤强度。抗挤强度可以在钻井手册或套管手册中查到。3、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。294、双向应力下的套管强度σtσzσr122222ststzszstztz从套管内部取一微小单元（如图），分析可知，在外载作用下产生三个方向的应力σt、σr、σz，对于薄壁管，σtσr,σr可以忽略。变为双向应力问题。由第四强度理论，得出套管在双向应力作用下的强度破坏条件：30按拉为正、压为负，根据强度破坏条件可画出椭圆图形：,%st,%sz50505050100100100100拉伸压缩外挤内涨ⅠⅡⅢⅣ31双向应作用下套管强度的变化：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