固井原理及过程

1第七章固井2第七章固井概述第一节套管及套管柱强度设计第二节油井水泥第三节影响注水泥质量的因素3概述1、固井工程的概念为了加固井壁，保证继续钻进，封隔油、气和水层，保证勘探期间的分层试油及在整个开采中合理的油气生产，为此下入优质钢管，并在井筒与钢管环空充填好水泥的作业，称为固井工程。向井内下入套管，并向井眼和套管之间的环形空间注入水泥的施工作业称之为固井。包括下套管和注水泥。4概述2、工艺介绍下套管注水泥候凝检测评价5概述3、固井工程的步骤下套管套管由接箍和本体组成。套管柱由单根套管+浮箍+引鞋图7-1单根套管示意图1——接箍2——套管本体6概述3、固井工程步骤注水泥下完套管之后，把水泥浆泵入套管内，再用钻井液把水泥浆顶替到管外环形空间设计位置的作业称之为注水泥。水泥头：安装在套管柱的最上端，内装有上、下胶塞。下胶塞的作用是与隔离液（一种专门配制的液体，用以隔离钻井液与水泥浆）一道，将水泥浆与钻井液隔离开，防止钻井液接触水泥浆后影响水泥浆的性能。下胶塞为中空，顶部有一层橡胶膜，该膜在压力作用下可压破上胶塞为实心，其作用是隔离顶替用的钻井液与水泥浆；破膜：下胶塞坐落在浮箍上后，在压力作用下破膜7概述3、固井工程步骤碰压：当其坐落在已坐于浮箍上的下胶塞上之后，地面压力将很快上升一定值（称为碰压），该信号说明水泥浆已顶替到位，施工结束。侯凝：注入井内的水泥浆要凝固并达到一定强度后才能进行后续的钻井施工或是其它施工，因此，注水泥施工结束后，要等待水泥浆在井内凝固，该过程称为候凝；候凝时间通常为24小时或48小时，也有72小时或几小时的，候凝时间的长短视水泥浆凝固及强度增长的快慢而定。候凝期满后。测井进行固井质量检测和评价8概述（a）（b）（c）（d）（e）图7-2注水泥工艺流程示意图（a）循环钻井液（b）注隔离液和水泥浆（c）替浆（d）替浆（e）碰压1——压力表2——上胶塞3——下胶塞4——钻井液5——浮箍6——引鞋7——水泥浆8——隔离液9——钻井液9概述4、固井目的封隔易塌、易漏等复杂地层，保证钻井顺利进行封隔油气水层，建立油气流出通道，防止产层间互窜进行增产措施安装井口10概述5、固井内容套管与下套管水泥与注水泥11概述6、对固井质量的要求套管有足够的强度能承受井下各种外力作用，抗腐蚀、不断、不裂、不变形水泥环有可靠的密封环空封固段不窜、不漏、胶结良好，能经受高压挤注的考验12概述7、固井工程的特殊性(1)是一次性工程,如果质量不好,一般情况下难以补救;(2)是隐蔽性工程,主要流程在井下,施工时不能直接观察,质量控制往往决定于设计的准确性和准备工作的好坏,受多种因素的综合影响;(3)影响后续工程的进行;(4)是一项花钱多的工程;(5)施工时间短,工序内容多,作业量大,是技术强的工程.13第一节套管及套管柱强度设计14序言套管柱的主要功能抗挤抗拉抗内压密封对套管的要求圆度壁厚均匀性抗腐蚀最小的流动阻力良好的上扣性能及重复互换性能耐磨（硬度指标）15套管柱的组成由不同强度的套管段组成原因：套管受到各种类型外力作用，须具有一定强度。外载大小、类型不同，所需的强度要求也不同，须有一系列不同尺寸、不同强度的套管。即套管系列。序言16套管柱的类型表层套管技术套管（中间套管）生产套管（油层套管）尾管（技术尾管、生产尾管）回接套管序言17一、套管外载分析与计算1、静载特点：长期作用、联合作用在套管上。类型：轴向拉力径向外挤压力径向内压力弯曲附加拉力温差应力182、动载特点：瞬时地、单一地作用在套管上。产生原因：起下钻时速度变化产生的动载阻、卡套管时提拉动载摩擦动载碰压动载密度差产生的附加拉力一、套管外载分析与计算19轴向力：自重、浮力外挤压力内压力作用在套管上的主要载荷应是：一、套管外载分析与计算201.外挤压力管外钻井液液柱压力:（水泥不返到井口时，上部有一段套管外为钻井液。该段套管称为自由套管）水泥浆液柱压力地层中流体压力易流动岩层的侧压力等一、套管外载分析与计算211.外挤压力有效外压力：式中Poe——有效外压力；Po——外压力；Pib——支撑内压力。ibooePPP一、套管外载分析与计算221.径向外挤压力有效外压力：表层套管：井漏造成全掏空技术套管：井漏发生，但不可能造成发生全漏空的情况，因此技术套管的下部还有支撑内压力作用油层套管：一般在采油后期产层压力降得很低的时候产生最大有效外压力（开发后期可能抽油或气举采油），因为这时套管内的内压力会降得很低。若近似认为内压力为零，则其受载情况与表层套管类似，即为全掏空。一、套管外载分析与计算231.外挤压力（1）外压力在水泥面（环空内水泥的顶面）以上应按钻井液液柱压力计算对于水泥封固段，当发生上述最大有效外压力时，管外环空中的水泥已经凝固，水泥环（水泥浆在环空内凝固后的环状水泥石称为水泥环）应有助于套管承受外压力，但难于准确计算，因此从安全角度考虑现场上一般将水泥面以下水泥环段的外压力也按钻井液液柱压力计算。ZPmo0098.0一、套管外载分析与计算241.外挤压力（2）支撑内压力对于表层套管、油层套管这种可能全掏空的情况，支撑内压力为零。对于技术套管非全掏空的情况，在漏失面以上（即井深小于漏失面深度的套管段），支撑内压力为零，在漏失面以下（即井深大于漏失面深度的套管段）作用有管内钻井液液柱压力。因此，要计算支撑内压力，首先要知道漏失面的深度。一、套管外载分析与计算251.径向外挤压力（2）支撑内压力漏失面深度确定：假设下一次钻进钻至下一层套管的下入深度（下一井段的目的井深）时发生井漏，并假设漏失层的孔隙压力为地层盐水柱压力，根据压力平衡关系可得漏失面深度为：)1(nswnLHH一、套管外载分析与计算钻井液盐水HnHLswnnLnHHH)(261.外挤压力（2）支撑内压力对于技术套管非全掏空的情况，支撑内压力的计算式为0ibP)(0098.0LnibHHP（0≤H≤HL）（HL＜H≤HB）一、套管外载分析与计算271.外挤压力（3）有效外压力对于表层套管、油层套管这种可能全掏空的情况，需要按全掏空考虑的技术套管，有效外压力为对于技术套管非全掏空的情况，有效外压力为（0≤H≤HL）（HL＜H≤HB）HPmoe0098.0HPmoe0098.0])([0098.0HHPmnLnoe一、套管外载分析与计算28（a）全掏空（b）非全掏空图7-3有效外挤压力对比示意图1——外压力2——支撑内压力3——有效外压力全掏空与非全掏空两种不同的情况下，套管柱所受的有效外压力不一样。对于全掏空情况，有效外压力是井底最大，井口最小（为零）；对于非全掏空情况，有效外压力是中间大，井口和井底小。显然，这种不同的外载情况会使套管柱设计的结果不同。一、套管外载分析与计算292.内压力套管柱所受的内压力主要来自于钻井液、地层流体（油、气、水）压力以及特殊作业（如压井、酸化压裂、挤水泥等）时所施加的压力。与外挤压力类似，对内压力也是分析计算危险工况时的有效内压力。有效内压力为Pie＝Pi－Pob对于表层套管和技术套管，如果在下一井段钻进过程中发生井涌而进行压井时，套管柱所受的有效内压力最大。而对于油层套管，油井和气井的情况不一样，要根据采油、采气工艺情况考虑相关的危险工况。一、套管外载分析与计算30径向内压力：管内流体压力压裂作业等增产措施时的压力一、套管外载分析与计算312.内压力（1）内压力对于表层套管和技术套管，当在下一井段钻进过程中发生井涌而进行压井时，套管的内压力为井口内压力与管内流体（钻井液与涌入流体——气、水、油或混合物）的液柱压力之和。由于井涌情况的多样性，所以关于套管内压力的计算有多种方法，常用方法是：HPPnsi0098.0一、套管外载分析与计算322.内压力（1）内压力确定井口内压力的三种方法是：1）井口防喷装置（防喷器及压井管线等）许用最高压力。2）套管鞋处附近地层破裂压力所决定的许用井口压力。3）下部高压油气喷出时可能出现的井口内压力。BnfsHP)(0098.0一、套管外载分析与计算33对于油层套管，分油井与气井采用不同的计算方法。以下是关于油层套管内压力的计算方法之一。对于油井，认为采油初期，产层压力较高，井口有内压力作用于套管，套管的内压力为井口内压力与原油的液柱压力之和（式中括号项即为井口内压力）对于气井，井口也有内压力作用于套管。当考虑气体自重及其压缩性后，套管内任意深度处的内压力为（式中令井深Z为零即得井口内压力）HHPPoBopi0098.0)0098.0()(10115.14/HHpiBePP一、套管外载分析与计算342.内压力（2）支撑外压力在无水泥段，因钻井液降解及固相沉降，其液柱压力可能降低对水泥封固段，可能水泥环并不完整，地层压力可能作用于管柱上，按盐水柱计算支撑外压力可能比实际外压力偏小，但可使有效内压力偏大而使管柱趋于安全。所以，在支撑外压力计算中一般无论是水泥面以上还是水泥面以下均按地层盐水柱压力计算，即：HPswob0098.0一、套管外载分析与计算352.内压力（3）有效内压力由上所述，可得套管柱有效内压力的计算方法：对于表层套管和技术套管：对于油层套管油井：气井：HPPswnsie)(0098.0HHPPoswoopie)(0098.0)0098.0(HePPswHHpiB0098.0/)(10115.14一、套管外载分析与计算36（a）（b）（c）图7-4有效内压力对比示意图（a）表层或技术套管（b）油井油层套管（c）气井油层套管1——内压力2——支撑外压力3——有效内压力注意图中，支撑外压和内压曲线的斜率变化。对于表层套管或技术套管，有效内压力是井口最小，井底最大；对于油层套管，有效内压力是井口最大，井底最小。可见，不同类型的井、不同类型的套管，所受外载是不一样的。现场有时还采用直接用井口压力Ps作为整个套管柱有效内压力的方法（即假设从井口到井底有效内压力均为Ps）。从图可见，对于油层套管，采用这种方法显然是安全的，不过可能有点不经济，但可使内压力计算、进而使套管柱的抗内压设计更简捷一、套管外载分析与计算ρswρnρswρoρsw曲线373.轴向拉力一般情况下，套管柱在入井过程中（即下套管过程中）承受的拉力最大。这时，除了套管柱的自重外，还有上提下放时的动载、上提时弯曲井段处的阻力、或者是遇卡上提时多提的拉力等附加拉力。在计算时，一般只计算套管的自重，将动载、遇卡上提多提的拉力等附加拉力用设计安全系数考虑，或以其它方式考虑。套管柱一般是由几段套管组成。在计算套管自重所产生的轴向拉力时，通常需要计算的是各段套管顶、底端的轴向拉力。显然，某段套管顶端的拉力即是其上面一段套管底端的拉力，其底端的拉力即是其下面一端套管顶端的拉力。一、套管外载分析与计算38轴向拉力：自重浮力W一、套管外载分析与计算393.轴向拉力轴向拉力计算方法：当不考虑钻井液的浮力时，计算的是套管在空气中的重量；当考虑钻井液的浮力时，计算的是套管在钻井液中的重量，常简称为浮重。一般可用台阶法和浮力系数法计算其中kiikLqT1kibikLqT1FbqBqsmFB1一、套管外载分析与计算40用台阶力法计算：考虑浮力是集中作用在套管界面变化的位置！浮力的大小：Tf=Ph*A轴向力为：fTqLT1000/一、套管外载分析与计算41考虑浮力后的轴向力分布(台阶力法)HT一、套管外载分析与计算42很显然，套管柱自重所产生的轴向拉力的分布规律是井底最小（为零），往上逐渐增大，井口拉力最大图7-5套管轴向拉力沿井深分布示意图1-不考虑浮力2-考虑浮力一、套管外载分析与计算434.弯曲附加拉力如果井眼存在较大的井斜变化或狗腿时，由于套管弯曲效应的影响将增大套管的拉力负荷，特别是在靠近丝扣啮合处易形成