固井完井

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）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、卡等井下复杂事故的发生，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。第二节注水泥技术•注水泥目的：固定套管、有效封隔井内的油气水层。•注水泥的基本要求：（l）水泥浆返高和套管内水泥塞高度必须符合设计要求；（2）注水泥井段环形空间内的钻井液全部被水泥浆替走，不存在残留现象；（3）水泥石与套管及井壁岩石有足够的胶结强度，能经受住酸化压裂及下井管柱的冲击；（4）水泥凝固后管外不冒油、气、水，环空内各种压力体系不能互窜；（5）水泥石能经受油、气、水长期的侵蚀。一、油井水泥油井水泥是波特兰水泥（硅酸盐水泥）的一种。•对油井水泥的基本要求：（1）水泥能配成流动性良好的水泥浆，且在规定的时间内，能始终保持这种流动性。（2）水泥浆在井下的温度及压力条件下保持性能稳定；（3）水泥浆应在规定的时间内凝固并达到一定的强度；（4）水泥浆应能和外加剂相配合，可调节各种性能；（5）形成的水泥石应有很低的渗透性能等。1、油井水泥的主要成分（1）硅酸三钙3CaO·SiO2（简称C3S）•水泥的主要成份，一般的含量为40％～65％。•对水泥的强度，尤其是早期强度有较大的影响。•高早期强度水泥中含量可达60％～65％，缓凝水泥中含量在40％～45％。（2）硅酸二钙2CaO·SiO2（简称C2S），•含量一般在24％～30％之间；•水化反应缓慢，强度增长慢；•对水泥的最终强度有影响。（3）铝酸三钙3CaO·Al2O3（简称C3A）•促进水泥快速水化；•其含量是决定水泥初凝和稠化时间的主要因素；•对水泥浆的流变性及早期强度有较大影响；•对硫酸盐极为敏感；•对于有较高早期强度的水泥，其含量可达15％。（4）铁铝酸四钙4CaO2·Al2O3·Fe2O3（简称C4AF），•对强度影响较小，水化速度仅次于C3A，•早期强度增长较快，含量为8％～12％。除了以上四种主要成份之外，还有石膏、碱金属的氧化物等。2、水泥的水化•水泥与水混合成水泥浆后，与水发生化学反应，生成各种水化产物。逐渐由液态变为固态，使水泥硬化和凝结，形成水泥石。（1）水泥的水化反应水泥的主要成分与水发生的水化反应为：3CaO·SiO2＋2H2O2CaO·SiO2·H2O十Ca(OH)22CaO·SiO2＋H2O2CaO·SiO2·H2O3CaO·Al2O3＋6H2O3CaO·Al2O3·6H2O4CaO·Al2O3＋Fe2O3＋6H2O3CaO·Al2O3·6H2O＋aO·Fe2O3·H2O除此之外还发生其他二次反应，生成物中有大量的硅酸盐水化产物及氢氧化钙等。在反应的过程中，各种水化产物均逐渐凝聚，使水泥硬化。（2）水泥凝结与硬化水泥的硬化分为三个阶段：•溶胶期：水泥与水混合成胶体液，开始发生水化反应，水化产物的浓度开始增加，达到饱和状态时部分水化物以胶态或微晶体析出，形成胶溶体系。此时水泥浆仍有流动性。•凝结期：水化反应由水泥颗粒表面向内部深入，溶胶粒子及微晶体大量增加，晶体开始互相连接，逐渐絮凝成凝胶体系。水泥浆变绸，直到失去流动性。•硬化期：水化物形成晶体状态，互相紧密连接成一个整体，强度增加，硬化成为水泥石。•水泥石主要由三部分组成：–无定性物质（水泥胶），它具有晶体的结构，颗粒尺寸大体在0．lmm左右，互相连接成一个整体。–氢氧化钙晶体，是水化反应的产物。–未水化的水泥颗粒。3、油井水泥的分类（1）API水泥的分类•A级：深度范围0～1828.8m，温度76.7℃。•B级：深度范围0～1828.8m，属中热水泥，温度至76.7℃，有中抗硫和高抗硫两种。•C级：深度范围0～1828.8m，温度至76.7℃，高早期强度水泥，分普通、中抗硫及高抗硫三种。•D级：深度范围1828.8～3050m，温度76～127℃，用于中温、中压条件，分为中抗硫及高抗硫两种。•E级：深度范围3050～4270m，温度76～143℃，用于高温、高压条件，分为中抗硫及高抗硫两种。•F级：深度范围为3050～4880m，温度110～160℃，用于超高温和超高压条件，分为中抗硫及高抗硫两种。•G级及H级：深度范围为0～2440m，温度0～93℃，分为中抗硫及高抗硫两种。•J级：深度范围为3660～4880m，温度49～160。（2）国产以温度系列为标准的油井水泥二、水泥浆性能与固井工程的关系1、水泥浆性能①水泥浆密度•干水泥密度3.05～3.20g／cm3，•水泥完全水化需要的水为水泥重量的20％左右；•使水泥浆能流动加水量应达到水泥重量的45％～50％；•水泥浆密度1.80～1.90g／cm3之间。•水灰比：水与干水泥重量之比。②水泥浆的稠化时间水泥浆从配制开始到其稠度达到其规定值所用的时间。•API标准：从开始混拌到水泥浆稠度达到100BC（水泥稠度单位）所用的时间。•API标准中规定在初始的15～30min时间内，稠化值应当小于30BC。好的稠化情况是在现场总的施工时间内，水泥浆的稠度在50BC以内。③水泥浆的失水一般用30分钟的失水量表示。④水泥浆的凝结时间•从液态转变为固态的时间。•对于封固表层及技术套管，希望水泥能有早期较高的强度。以便于尽快开始下一道工序。通常希望固完井候凝8hr.左右，水泥浆开始凝结成水泥石，其抗压强度可达2.3MPa以上即可开始下一次开钻。⑤水泥石强度•能支撑和加强套管。•能承受钻柱的冲击载荷。•能承受酸化、压裂等增产措施作业的压力。⑥水泥石的抗蚀性•主要应抗硫酸盐腐蚀。2、水泥的外加剂（1）加重剂：重晶石、赤铁粉等。可使水泥浆密度达到2.3g／cm3。（2）减轻剂：硅藻土、粘土粉、沥青粉、玻璃微珠、火山灰等。可使水泥浆的密度降到l·45g／m3。（3）缓凝剂：丹宁酸钠、酒石酸、硼酸、铁铬木质素磺酸盐、羧甲基羟乙基纤维素等。（4）促凝剂：氯化钙、硅酸钠、氯化钾等。（5）减阻剂：—奈磺酸甲醛的缩合物、铁铬木质素磺酸盐、木质素磺化钠等。（6）降失水剂：羧甲基羟乙基纤维素、丙烯酸胺、粘土等。（7）防漏失剂：沥青粒、纤维材料等。3、特种水泥（1）触变性水泥：当水泥浆静止时，形成胶凝状态，但在流动时，胶凝状态被破坏，它的流动性是良好的。（2）膨胀水泥：水泥浆凝固时，体积略有膨胀。一般用于高压气井。（3）防冻水泥：用于地表温度较低地区的表层套管固井。（4）抗盐水泥（5）抗高温水泥（6）轻质水泥三、前置液将水泥浆与钻井液隔开，起到隔离、缓冲、清洗的作用，可提高固井质量。1、冲洗液：低粘度、低剪切速率、低密度。用于有效冲洗井壁及套管壁，清洗残存的钻井液及泥饼。2、隔离液：有效隔开钻井液与水泥浆，以便形成平面推进型的顶替效果。通常为粘稠液体。四、提高注水泥质量的措施1、对注水泥质量的基本要求（l）对固井质量的基本要求–水泥浆返高和水泥塞高度必须符合设计要求；–注水泥井段环空内的钻井液顶替干净；–水泥石与套管及井壁岩石胶结良好；–水泥凝固后管外不冒油、气、水，不互窜；–水泥石能经受油、气、水长期的侵蚀。（2）在固井中常出现的固井质量问题–井口有冒油、气、水的现象。–不能有效地封隔各种层位，开采时各种压力互窜。–因固结质量不良在生产中引起套管变形，使井报废等。2、影响注水泥质量的因素（1）顶替效率低，产生窜槽。注水泥段：注水泥段任一截面：窜槽：由于水泥浆不能将环空中的钻井液完全替走，而使环形空间局部出现未被水泥浆封固住的这种现象。形成窜槽的原因：•套管不居中；•井眼不规则；•水泥浆性能及顶替措施不当。–接触时间、顶替速度及流态、水泥浆流变性等。%%环形空间截面积环形水泥浆面积顶替效率环形空间体积环形水泥浆体积顶替效率（2）水泥浆凝结过程中油气水上窜引起油气水上窜的原因：①水泥浆失重：水泥浆柱在凝结过程中对其下部或地层所作用的压力逐渐减小的现象。②桥堵引起失重，从而引起油气水上窜；③水泥浆凝结后体积收缩；收缩率小于0.2%。④套管内原来有压力，放压后使套管收缩。⑤泥饼的存在，影响地层——水泥间（第二界面）的胶结。3、提高注水泥质量的措施（1）提高顶替效率，防止窜槽；①采用套管扶正器，改善套管居中条件；②注水泥过程中活动套管；③调节注水泥速度，使水泥浆在环空呈紊流状态；④调整水泥浆性能。加大钻井液与水泥浆的密度差；降低钻井液粘度和切力。（2）防止油气水上窜①采用多级注水泥或两种凝速（上慢下快）的水泥；②注完水泥后及时使套管内卸压，并在环空加回压；③使用膨胀性水泥，防止水泥收缩；④使用刮泥器，清除井壁泥饼。第三节完井技术完井工艺过程：钻开生产层、确定完井井底结构、安装井底（下套管固井或下入筛管）、使井眼与产层连通并安装井口装置等。一、钻开储集层储集层的两个突出特点：•储集有一定压力的油气水；•地层孔隙和裂缝比较发育，具有较好的原始渗透率。对钻开储集层的技术要求：•保护油气层，防止钻井液污染；•控制油气层，防止不必要的井喷，安全钻开储集层。1、钻开后储集层储油性质的变化一般，井内液柱压力大于地层压力。在毛细管力和正压差作用下，钻井液中的液相和固相进入储层岩石孔隙或裂缝之中，造成孔道堵塞，使储集层受到污染。水侵：钻井液中的自由水侵入储层的现象。泥侵：钻井液中固相物质侵入储层的现象。（1）水侵对油气层的损害①使储层中的粘土成分膨胀，使油流通道缩小；②破坏油流的连续性，使单相流动变为多相流动，增加油流阻力；③产生水锁效应，增加油流阻力；④在地层孔隙中生成沉淀物。（2）泥侵对油气层的损害①钻井液直接进入较大的储层孔隙，形成堵塞；②形成内泥饼，造成永久性损害；2、钻开后储集层岩石力学性质的变化储集层被钻开之后，打破了原来的力学平衡状态，岩石发生侧向变形，从而对储集层结构造成影响。•对于孔隙较多、较大的砂岩储层，影响不太明显；•对于裂缝性储集层，影响明显。当产生侧向变形时，有些微小裂缝的张开程度明显减小。使储集层的渗透率降低。•长期的采油生产，使储层内压力下降，砂岩的骨架受力增加，砂岩会被压碎而造成出砂。3、钻开储集层的方法①采用合理的钻井液体系，避免水侵和泥侵的危害；②采用合理的钻井液密度，采用平衡或欠平衡压力钻井；③采用良好的井身结构，减少储集层浸泡时间；④在其他生产环节中也尽量防止污染–使用低失水、低密度水泥浆；–减少试油或其他作业中的关井、压井次数。二、油气井完井井底结构类型1、对完井的要求（1）最大限度地保护储集层，防止对储集层造成伤害。（2）减少油气流进入井筒时的流动阻力。（3）有效地封隔油气水层，防止各层之间的互相干扰。（4）克服井塌或产层出砂，保障油气井长期稳产，延长井的寿命。（5）可以实施注水、压裂、酸化等增产措施。（6）工艺简单、成本低。2、完井井底结构（1）裸眼完井法让储集层裸露，只在储集层以上用套管封固的完井方法。先期裸眼完井：先固井，后打开储集层。后期裸眼完井：先打开储集层，后固井。①裸眼完井的适用范围：•只适用于在孔隙型、裂缝型、裂缝---孔隙型或孔隙---裂缝型坚固的均质储集层中使用。•适合于井中只有单一的储集层，不需分层开采，无含水含气夹层的井。②裸眼完井法的优点：•排除了上部地层的干扰，可以在受污染最小的情况下打开储集层（先期裸眼完井）。•在打开储集层的阶段如遇到复杂情况，可及时提起钻具到套管内进行处理，避免事故的进一步复杂化。•缩短了储集层在洗井液中的浸泡时间，减少了储集层的受伤害程度。•由于是在产层以上固井，消除了高压油气对封固地层的影响，提高了固井质量。储集层段无固井中的污染。③裸眼完井法的缺点•适应面窄，不适应于非均质、弱