钻井工程7-井身结构与套管柱设计

下篇－固井完井工艺原理前言现代完井工程简介2第七章井身结构与套管柱设计4第八章固井工艺与质量检测4第九章完井方式与选择2我国石油工业的形势与石油工程界的责任（结束语）CementingandwellCompletion前言►完井工程与现代完井工程的概念►现代完井工程的理论基础►现代完井工程的内容►现代完井工程的几个难点和热点问题A.完井工程与现代完井工程的概念完井工程原指油气井钻井工程的最后一道工序，即钻至目的层后下套管注水泥固井完井。现代完井工程是衔接钻井工程和采油工程而又相对独立的一项系统工程，含钻开油层期、固井完井期、试采投产期，涉及油层钻井、储层保护、固井完井、投产试采、井筒改造等理论、工艺、技术和方法，既涉及服务公司，也涉及油田公司。现代完井工程的终极目的就是在生产层与井筒之间建立一个良好的通道，并使油气井能长期高产稳产。B.现代完井工程的理论基础●通过对油气储层及其潜在损害因素的研究和评价，要求从钻开油层到投产全程实施储层保护，形成油气层与井筒之间的良好的连通。●根据油藏工程特征和所采取的各种作业措施，选择完井方式方法和套管直径，有效封隔环空，为科学地开发油气田提供必要的条件。C.现代完井工程的内容（1）岩心分析及敏感性分析根据勘探预探井或评价井所取的岩心，进行系统的岩心分析和敏感性分析，并据此实验分析的结果，提出对钻开油气层的钻井液、固井液，射孔液，压裂液、酸化液，以及井下作业的压井液等的基本技术要求。岩心分析和敏感性分析项目如下：1）岩心分析：常规分析、薄片分析及X射线衍射（XRD）、电镜扫描（SEM）、电子探针等分析。2）敏感性分析：水敏、速敏、酸敏、碱敏、盐敏。（2）钻开油层的钻井液钻井液的选择，主要是考虑如何防止钻井液的滤液侵入油层而造成油层损害，同时又考虑到安全钻进的问题，诸如钻遇高压层、低压层、漏失层、岩盐层、石膏层和裂缝层时的钻井液，根据测井资料、岩心分析、敏感性分析数据和实践经验去选择钻井液类型、配方和处理剂。（3）完井方式及方法根据油田地质特点、油田开发方式和井别，按砂岩、碳酸盐岩、火成岩和变质岩等岩性去选择完井方式，完井方式基本分为两大类，即裸眼完井和套管射孔完井。裸眼完井又有不同的方法，如裸眼、割缝衬管、绕丝筛管砾石充填；射孔完井也有不同的方法，如套管射孔、尾管射孔、套管内绕丝筛管砾石充填等方法。（4）油管及生产套管尺寸的选定根据节点分析（NodalAnalysis），即压力系统分析，进行油层-井筒-地面管线敏感性分析。油管敏感性分析则是根据油层压力、产量、产液量、流体粘度、增产措施和开采方式等方面的综合分析去选定油管直径，然后根据油管尺寸去选定生产套管尺寸。过去传统的作法是先选定生产套管尺寸，然后再确定油管尺寸。现代完井工程没有沿用过去传统概念和作法，而是建立了用油管尺寸去确定生产套管尺寸的新思路和新方法。套管设计本应包括表层套管、技术套管与生产套管，但此仅论述了生产套管设计，而表层套管和技术套管则应按钻井工程要求进行设计。（5）生产套管设计以下述井别、油气层物理性质、流体性质、地应力和工程措施等方面的资料，作为套管设计基础依据：l）井别：油井、气井或注蒸汽采油井、注水井、注气/汽井。2）油层压力、油层温度，注蒸汽时的压力、温度。3）地下水性质、pH值、矿化度及其对套管的腐蚀程度。4）天然气中是否含H2S或C02等腐蚀性气体。5）油层破裂压力梯度，压裂、酸化增产措施的最高压力。6）地应力走向、方位和大小，盐岩层的蠕动。7）注水开发后的压力变化及油层间窜通状况，油层出砂情况。根据选定的完井方式，再依据上述因素，选择套管的钢级、强度、壁厚以及连接螺纹类型和螺纹密封脂的类型、上扣的扭矩等。若用衬管完成，则要设计悬挂深度及方式。对于注蒸汽井，则要考虑到套管受热时套管螺纹承受的拉力和螺纹的密封性，以及预应力完成。对于定向井、水平井，同样应考虑套管弯曲、套管螺纹承受的拉力和螺纹的密封问题。（6）注水泥设计依据不同类别的井，如油井、气井、注水井、注气井和注蒸汽井等对水泥性能和返高的要求，油气层压力状况如高压区、低压区、漏失带及裂缝状况，以及注水开发调整井的油层压力变化和油层流体处于的流动状况，注蒸汽热采井对水泥耐温要求，腐蚀气体如H2S,CO2及高矿化度的地下水对水泥腐蚀的问题，气井、注气井、注蒸汽井注水泥时要求水泥返至地面长井段固井问题，来选择一次注水泥、分段注水泥或套管外封隔器注水泥等方式及选择水泥浆配方。（7）固井质量评价这里所指的是对固井注水泥后的质量评价，检查套管外水泥是否封固好，有无窜槽和混浆段及返高状况。常用的方法为声幅测井，而用声波变密度测井测固井二界面胶结质量的方法，目前也已得到了较为普遍使用。（8）射孔及完井液选择根据射孔敏感性分析确定射孔孔密、孔径、相位，然后根据油层渗透率及原油物性选择射孔枪及射孔弹类型，再根据油层压力高低、渗透率高低和油气物性选择射孔方式，如电缆射孔、油管传输射孔和负压射孔。与此同时，还要选择与油层粘土矿物和油藏流体匹配的射孔液。（9）完井的试井评价完井投产后，通过试井测试表皮系数，这是当前检查油层损害的主要方法。通过对表皮系数的分析研究，找出油层损害的真正原因，以便解除或减少对油层的损害。（10）完井生产管柱l）永久型管柱。投产前在油层上部下入永久型封隔器，而从封隔器下面的工作筒中插入各种功能功具，如分注、分采、分层测试等工具，该管柱可以进行冲砂、注水泥塞、小型酸化等作业。2）气举管柱。若预计该井自喷生产转人工举升的方法为气举，则投产时即按气举管柱及配套井下工具（单管或双管）一次下入井内，油井生产不正常，即能转气举采油。3）防腐、防蜡、防垢、防结盐等管柱。当油层气中或天然气中含H2S或C02，以及油层水或边底水的矿化度很高时，一般都在油层顶部下入封隔器，将油、套管隔开，在环空间充填保护液，或向套管环形空间定期注入防腐液，以保护套管不受腐蚀。防蜡、防垢、防结盐等管柱与防腐管柱基本相同，只是注入防蜡、防垢或防结盐一等化学剂，上述各项管柱都要在环形空间与油管建立循环通道。此外，海上油井、深井或超深井、天然气井、高产井，要求在距井口下面1OOm左右装有井下安全阀，以防井喷事故。（11）投产措施根据油层损害程度及油气层类型，采用不同的投产措施。投产措施往往用抽汲、N2气举、气化水或泡沫来助排，必要时用盐酸或土酸酸浸解堵，有的井则必须采取酸化压裂措施后才能投产。完井工程定义、理论基础、内容和操作程序等，构成了完井工程系统。但此工程（或称工程系统）并非工作系统，而是从油田开发的宏观出发，立足于油藏工程，近、远期结合，按完井工程系统的要求，将钻井、完井、采油工程有机地联系起来，而不是用完井工程去代替钻井和采油工程，还需要钻井、完井、采油工程搞好各自的工作。在高科技时代的今天，各项工程都是互相渗透而又共同发展的。强调提出完井工程概念和形成完井工程系统的目的是：1）尽量减少对油气层的损害，使其自然产能能更好地发挥。2）提供必要条件来调节生产压差，以提高单井产量。3）有利于提高储量的动用程度。4）为采用不同的采油工艺技术措施提供必要的条件。5）利于保护套、油管，减少井下作业量，延长油气井寿命。6）近期与远期相结合，尽可能做到最低的投资和最少的操作费用，有利于提高综合经济效益。D.现代完井工程的几个难点和热点问题1.复杂油气藏的储层保护和完井方式问题2.油气井环空（尤其是固井二界面）封隔能力问题3.特殊工艺井的固井完井问题4.提高低渗透油层采收率的固井完井技术基础问题5.射孔对环空水泥环及套管柱的损坏机理问题6.复杂条件下套管损坏的机理和防治技术问题第七章井身结构与套管柱设计Chapter7:HoleStructureandCasingStringDesign第一节井身结构设计第二节套管柱设计第一节井身结构设计井身结构包括套管层次和下入深度以及井眼尺寸与套管尺寸的配合。依据是地层压力和地层破裂压力剖面。一、井身结构设计确定的原则（1）能有效地保护油气层，使不同压力梯度的油气层不受钻井液损害。（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）钻下部高压地层时所用的较高密度钻井液产生的液柱压力，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，井内钻井液柱压力和地层压力之间的压差，不致产生压差卡阻套管事故。套管的基本类型（a）正常压力系统的井（b）异常压力系统的井二、套管柱类型1.导管2.表层套管3.技术套管4.生产套管5.尾管6.组合质量套管柱7.异径套管柱三、设计所需基础数据1.地质方面数据－－（1）岩性剖面及其故障提示；（2）地层孔隙压力剖面；（3）地层破裂压力剖面。2.工程方面数据（1）抽吸压力系数Sb。上提钻柱时，由于抽吸作用使井内液柱压力降低值，用当量密度表示。（2）激动压力系数Sg。下放钻柱时，由于钻柱向下运动产生的激动压力使井内液柱压力增加值，用当量密度表示。（3）地层压裂安全系数Sf。为避免上层套管鞋处裸露地层被压裂的地层破裂压力安全系数，用当量密度表示。（4）井涌允量Sk。由于地层压力预测的误差所产生的井涌量的允值，用当量密度表示。（5）压差允值△pN。不产生压差卡阻套管所允许的最大压差，与钻工艺艺技术、钻井液性能和地层孔隙压力有关。四、井身结构设计方法及步骤井身结构设计就是套管层次和下入深度设计，其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。在裸眼井段中，应使钻进过程中以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。进行井身结构设计时，首先必须建立设计井所在地区的地层压力剖面和破裂压力剖面图，如图所示。油层套管的下人深度主要取决于完井方法和油气层的位置，因此设计步骤是由中间套管开始。fgbpfSSSmax1.中间套管下入深度假定点的确定。确定套管下入深度的依据是在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。利用压力剖面图中最大地层压力梯度可求得上部地层不致被压裂所应有的地层破裂压力梯度的当量密度，的确定有两种方法：（l）钻进下部井段肯定不会发生井涌时，可用下式计算：fff在横坐标上找出地层的设计破裂压力梯度ρf，从该点向上作垂直线与破裂压力线相交，交点所在的深度即为中间套管下入深度假定点D21。kpfbpfSDDSS21maxmax（2）当钻进下部井段预计发生井涌时，可用下式计算：式中的D21可用试算法求得，试取D21值代入式中求ρf，然后在设计井的地层破裂压力梯度曲线上求得D21所对应的地层破裂压力梯度。如计算值ρf与实际值相差不多且略小于实际值时，则D21即为中间套管下入深度的假定点。否则另取一D21值计算，直到满足要求为止。minmin2100981.0ppbpDDSp）（2.校核中间套管下到深度D21时是否会发生压差卡套管先求出该井段中最大钻井液密度与最小地层压力之间的最大静止压差：bppNpperSDpminmin)00981.0/(当时，不易发生压差卡套管，则假定点深度即为中间套管下入深度；当时，则可能发生压差卡套管，这时中间套管下入深度应小于假定点深度。在第二种情况下的中间套管的下入深度按下面方法求得。在压差下所允许的最大地层压力的当量密度为：Npp＜Npp＞NppperD2若D2＜D21，则进行下一步kfbfppersDDSS23123.钻井尾管下入深度假定点的确定当中间套管下入深度小于假定点深度时，则必须下尾管，并要确定尾管下入深度。根据中间套管下入深度D2处的地层破裂压力梯度，由下式可求得允许的最大地层压力梯度：2f4.校核尾管下到假定点深度D31处是否会发生压差卡套管校核方法同2，压差允值用。ApkfbpfESDDSS1225.表层套管下入深度D1的确定根据中间套管鞋处D2的地层压力梯度，给定井涌条件Sk，用试算法确定表层套管下入深度。每次给定D1，并代入下式计算：fE试算结果：当接近或小于D2处的地层破裂压力梯度0.