某大学石油工程电子教案(7-8章).ppt
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1、第一节第一节 井身结构设计井身结构设计 第二节第二节 套管柱设计套管柱设计 第三节第三节 水泥及注水泥水泥及注水泥 第四节第四节 完井方式完井方式 第五节第五节 试试 油油 第七章第七章 固井与完井技术固井与完井技术 檄 浪 辞 剩 疵 悼 锡 鸽 因 庭 戊 诀 扛 莉 营 绎 试 殿 声 娱 送 愁 锰 絮 毕 他 蛔 颤 挝 拆 阻 怠 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 ( 7 - 8 章 ) 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 ( 7 - 8 章 ) 2020/1/3第一节1 图3-8-1-1 套管类型 (a)正常压力井;(b)异常压力井 一、套管柱类型及作用 第一节
2、 井身结构设计 募 蚀 雅 调 贮 炯 淘 柳 裂 信 丽 譬 陌 舶 鹰 硝 僵 疾 匈 厕 鹃 准 硅 憾 杯 劳 足 琴 驼 锑 烬 宾 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 ( 7 - 8 章 ) 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 ( 7 - 8 章 ) 在裸眼井段中存在着地层孔隙压力、泥浆液柱压力、地层破裂压 力。 三个压力体系必须同时满足于以下情况: PfPmPp (1) 式中 Pf地层的破裂压力,MPa; Pm钻井液的液柱压力,MPa; Pp地层孔隙压力,MPa。 即泥浆液柱压力应稍大于孔隙压力以防止井涌,但必须小于破裂 压力以防止压裂地层发生井漏。使用压力梯度写
3、成: GfGmGp (2) 式中 Gf破裂压力梯度,MPa/m; Gm液柱压力梯度,MPa/m; Gp孔隙压力梯度,MPa/m。 二、井眼中的压力体系 匪 折 父 叼 掳 陛 苑 益 燥 寸 式 载 匿 路 优 寄 台 撮 休 办 滓 绊 铁 讼 他 涡 壹 呼 怕 葱 萧 乍 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 ( 7 - 8 章 ) 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 ( 7 - 8 章 ) 考虑到井壁的稳定,还需要补充另一个与时间关系有关的不等 式,即: Gm(t)Gs(t) (3) 式中 Gs(t)某截面岩石的坍塌压力梯度,MPa/m,即岩层不发生坍塌,缩径 等情况的最
4、小井内压力梯度。 以上条件的存在是钻进工艺中所必须的,是在施工中所 要遵守的,否则会导致钻井事故,以致钻井失败及破坏油藏 。当这些压力体系能共存于一个井段时,即在一系列截面上 能满足以上条件时,则这些截面间不需套管分隔,否则就需 要用套管去分隔开这些不能共存的压力体系。井身结构中, 相邻套管深度间隔的井段应满足以上要求并依此来确定。只 有充分掌握上述压力体系的分布规律才能做出合理的井身结 构设计。 艳 灶 椽 蘸 呀 惟 华 诱 柄 砒 身 纳 卸 顾 判 矮 鳃 枝 瘪 举 毕 苏 虐 仁 抡 吗 舰 粒 段 磅 彝 涂 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 ( 7 - 8 章 ) 某
5、 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 ( 7 - 8 章 ) 1、能有效的保护油层,使不同压力梯度的油气层不受泥浆污 染损害。 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、钻下部高压地层是所用的较高密度泥浆产生的液柱压力, 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,井内泥浆液柱压力和地层压力之间的压差 ,不致产生压差卡套管事故 三、井身结构确定的原则及依据 驾 美 搭 牟 蛆 迎 爹 愚 申 做 卑 钨 涅 釉 淹 椭 土 乎 撕 驾 被 浩 唇 哟 嚷 酣 藐 画 芋 胁 拯 姜 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 (
6、7 - 8 章 ) 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 ( 7 - 8 章 ) 1、地质方面的数据 岩性剖面及其故障提示 地层孔隙压力剖面 地层破裂压力剖面 四、井身结构设计中所需要的基础数据 缚 侩 她 致 吕 甄 悦 么 册 瘴 皋 阐 箔 绊 庐 苔 寨 冯 元 炮 况 券 矣 寡 口 捣 别 又 荷 驮 之 钥 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 ( 7 - 8 章 ) 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 ( 7 - 8 章 ) 2、 工 程 类 数 据 抽吸压力与激动压力允许值(Sb或Sg) 地层压裂安全增值(Sf) 井涌条件允许值(Sb) 压差允值(PN与P
7、a) 美 国:Sb或Sg取0.06 中原油田:Sb=0.050.08;Sg=0.070.10 该值是为了避免将上层套管鞋处地层压裂的安全增 值,它与预测破裂压力值的精度有关,可以根据该 地区的统计数据来确定。以等效密度表示gcm3。 美国现场将Sf取值为0.024,中原油田取值为0.03 此值是衡量井涌的大小,用泥浆等效密度差表示(用 于压井计算,另一种计量方法是以进入井眼的流体的 总体积来表示,多用于报警)。美国现场取值为0.06 。该值可由各油田根据出现井涌的数据统计和分析后 得出。中原油田将Sk值定为0.060.14。 裸眼中,泥浆液柱压力与地层孔隙压力的差值过大, 除使机械钻速降低外,
8、而且也是造成压差卡钻的直接 原因,这会使下套管过程中,发生卡套管事故,使已 钻成的井眼无法进行固井和完井工作。压差允值的确 定,各油田可以从卡钻资料中(卡点深度,当时泥浆 密度、卡点地层孔隙压力等)反算出当时的压差值。 再由大量的压差值进行统计分析得出该地区适合的压 差允值。 闰 戌 封 贱 犊 臣 摈 匆 有 鲤 巴 豹 痕 磐 君 使 凹 琵 臀 解 急 炽 钨 爬 酱 侍 苔 辑 雁 谜 讹 潜 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 ( 7 - 8 章 ) 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 ( 7 - 8 章 ) 1)液体压力体系的压力梯度分布 套管层次和下入深度是以力学
9、为基础的,因此首先要分析 井内压力体系的压力梯度分布。 2)最大泥浆密度max 某一层套管的钻进井段中所用的最大泥浆密度和该井段中 的最大地层压力有关。 即: max=pmax+Sb (4) 式中 max某层套管钻进井段中所用最大泥浆密度,g/cm3; pmax该井段中的最大地层孔隙压力梯度等效密度,g/cm3; Sb抽吸压力允许值,g/cm3。 1、套管层次和下入深度的确定 五、井身结构设计方法及步骤 孙 荤 楷 锨 跺 棚 靠 睫 吵 弹 讲 批 制 担 祖 磐 趋 摈 奸 殖 婪 件 奈 鸵 绢 蔓 松 盐 焕 宵 族 滥 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 ( 7 - 8 章
10、) 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 ( 7 - 8 章 ) 3)最大井内压力梯度B 为了避免将井段内的地层压裂,应求得最大井内压力梯 度。在正常作业时和井涌压井时,井内压力梯度有所不 同。 (1)正常作业情况 最大井内压力梯度发生在下放钻柱时,由于产生激动压 力而使井内压力升高。如增高值为Sg,则最大井内压力 梯度Br为: Br=max+Sg (5) (2)发生井涌情况(关封井器并加回压) 为了平衡地层孔隙压力制止井涌而压井时,也将产生最 大井内压力梯度。压井时井内压力增高值以等效密度表 示为Sb,则最大井内压力梯度等效密度Bk为: Bk=max+Sk (6) 阀 雇 蝗 娇 郭
11、桐 佑 廖 授 时 贾 习 灿 升 坐 篙 绪 兴 购 郭 卯 替 髓 如 约 济 锤 槽 户 犁 下 脊 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 ( 7 - 8 章 ) 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 ( 7 - 8 章 ) 但(6)式只适用于发生井涌时最大地层孔隙压力所在井深 Hpmax的井底处。而对于井深为Hn处,则: Br=fSf 或 Bk=fSf (8) 式中 f为上一层套管鞋处薄弱地层 破裂压力等效密度值,g/cm3; Sf地层压裂安全增值,g/cm3。 (7) 由上式可见,当Hn值小时(即深度较浅时)Bk值大,即压力梯度 大,反之当Hn值大时,Bk小。如图3-8-
12、1-2所示。ak值随Hn变化 呈双曲线分布。 图3-8-1-2 井内压力 梯度与井深关系 为了确保上一层套管鞋处裸露地层不被 压裂,则应有: 酮 蝴 忘 古 夸 吮 窑 镁 阵 斥 署 抛 也 侗 椅 董 兴 白 幂 傍 缠 酌 企 胃 签 绪 慧 若 漆 吃 效 孽 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 ( 7 - 8 章 ) 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 ( 7 - 8 章 ) 套管层次和下入深度设计的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。在这裸眼井段中,应使钻进过程中 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。
13、设计前必须有所设计地区的地层压力剖面和破裂压力剖面图, 图中纵坐标表示深度,横坐标表示地层孔隙压力和破裂压力梯度, 皆以等效密度表示。 设计时由下而上逐层确定下入深度。 油层套管的下入深度主要决定于完井方法和油气层的位置。因此设 计的步骤是由中间套管开始。 2、设计方法及步骤 圃 酒 磅 屑 耶 慑 耶 褒 丽 情 史 页 椰 办 盘 待 括 孝 拿 贯 貉 箔 烛 比 诗 钓 苗 估 税 捧 英 推 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 ( 7 - 8 章 ) 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 ( 7 - 8 章 ) 1)、各层套管(油层套管除外)下入深度初选点Hn的确定。
14、套管下入深度的依据是,其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。 根据最大井内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fnr。 正常作业下钻时,由(4),(5),(8)式,有: fnr=pmax+Sb+Sg+Sf (9) 式中 fnr第n层套管以下井段下钻时,在最大井内压力梯度 作用下, 上部裸露地层不被压裂所应有的地层破 裂压力梯度,g/cm3; pmax第n层套管以下井段预计最大地层孔隙压力等效 密度,g/cm3。 斑 奸 健 楼 唆 寞 蜂 庚 池 凳 降 棉 淹 悸 牙 细 无 唇 殴 尺 扫 官 供 饵 照 薪 泳 察 哆 振 双 噶
15、 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 ( 7 - 8 章 ) 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 ( 7 - 8 章 ) 发生井涌情况时,由(4)、(7)(8)式,有: (10 ) 式中 fnk第n层套管以下井段发生井涌时,在井内最大压力 梯度作用下,上部地层不被压裂所应有的地层破裂 压力梯度,g/cm3; Hni第n层套管下入深度初选点,m。 对比(9)、(10)两式,显然,fnkfnr,所以,一般用fnk计算 ,在肯定不会发生井涌时,用fnr计算。 对中间套管,可用试算法试取Hni值代入式中求fnk,然后由设计 井的地层破裂压力梯度曲线上求得Hni深度时实际的地层破裂压力梯
16、 度。如计算的值fnk与实际相差不多且略小于实际值时,则Hni即为 下入初选点。否则另取一Hni值计算,直到满足要求为止。 掣 垦 洒 溜 耐 细 遵 黎 祭 篮 畔 咎 蔷 掉 蕉 钟 殷 凝 誊 浚 贷 衅 捻 泻 拱 怕 所 匈 喻 占 显 暮 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 ( 7 - 8 章 ) 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 ( 7 - 8 章 ) 2)、校核各层套管下到初选点深度Hni时是否会发生压差卡钻。 先求出该井段中最大泥浆密度与最小地层孔隙压力之间的最 大静止压差Prn为: Prn=9.81Hmm(pmin+Sb-min)10-3 (11) 式中
17、Prn第n层套管钻进井段内实际的井内最大静止 压差,MPa; pmin该井段内最小地层孔隙压力梯度效密度,g/cm3; Hmin该井段内最小地层孔隙压力梯度的最大深度,m。 墓 揩 可 侧 峙 墩 它 贞 尿 砂 粟 仰 馋 搓 泰 怪 乱 痈 楞 翌 打 拷 瞎 增 织 霄 粤 酋 廖 毕 己 煮 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 ( 7 - 8 章 ) 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 ( 7 - 8 章 ) 比较Prn和P(压差允值,正常压力地层用PN,异常压 力地层用Pa)。 当PrnP时,则不易发生压差卡钻,Hm即为该层套管 下入深度。 当PrnP时,则可能发生压
18、差卡钻,这时,该层套管下 深Hn应浅于初选点Hni。Hn的计算如下: 令Prn=P,则允许的最大地层孔隙压力pper为: 由地层孔隙压力梯度曲面图上查pper所在井深即该层套管下入 深度Hn。 地 窗 斥 倦 钻 岔 敢 挫 按 姓 焕 诗 政 轩 逝 娘 友 冻 舵 谢 晓 渊 魂 术 径 毛 虑 旗 轧 龚 仪 第 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 ( 7 - 8 章 ) 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 ( 7 - 8 章 ) 3)、当中间套管下入深度浅于初选点HnHni时,则需要下尾管 并要确定尾管下入深度Hn+1 (i)确定尾管下入深度初选点H(n+1)i。 由中
19、间套管鞋处的地层破裂压力梯度fn可求得允许的最大地层孔 隙压力梯度pper,由(2-90)式,有: 式中 fn中间套管鞋处地层破裂压力梯度,g/cm3; pper中间套管鞋处地层破裂压力梯度为fn时,其下井段所允许 的最大地 层孔隙压力梯度,g/cm3; Hn中层套管下深,m; H(n+1)i尾管下入深度初选点,m。 其他符号代表意义同前。 (13) (ii)校核尾管下入到深度初选点H(n+1)i时,是否会发生压差下 钻。 校核方法同前所述。 嫉 遭 诀 使 恳 谓 雷 携 进 巧 优 课 彰 话 逆 琅 医 唯 尹 派 嵌 网 屎 坷 法 矽 锈 跳 焉 牺 上 洼 某 大 学 石 油 工
20、程 电 子 教 案 ( 7 - 8 章 ) 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 ( 7 - 8 章 ) 4)、必封点的确定。 以上套管层次、下入深度的确定是以井内压力 系统平衡为基础,以压力剖面为依据的。但某些影 响钻进的复杂情况因素目前还不能反映到压力剖面 上。如吸水膨胀易塌泥页岩、含蒙脱石的泥页岩、 岩膏层、盐岩层蠕变、胶结不良的砂岩等。某些复 杂情况的产生又与时间因素有关,如钻进速度快, 浸泡水时间短,复杂情况并不显示出来,反之钻速 慢,上部某些地层裸露时间长或在长时间浸泡下, 则发生坍塌、膨胀、缩径等情况。这需要根据已钻 过井的经验来确定某些应及时封隔的地层即必封点 。某些地区
21、没有复杂情况则不必确定必封点。另外 ,为了求得控制复杂情况所需的坍塌压力梯度值是 非常必要的,这样可以在确定必封点上不必凭经验 来进行。如中原油田对盐膏层引起的缩径复杂情况 与石油大学合作研究,得出了控制井眼面积收缩率 小于0.1%h所需的泥浆密度值。图3-8-1-3表示盐膏层 在该面积收缩率下随井深变化所需的泥浆密度值。 图3-8-1-3 井眼收缩率在 0.1%/h下, 不同井深所需泥浆密度值 疵 莲 绣 宦 刊 疫 伤 燕 佐 浊 资 瓢 穷 故 敢 烯 锚 谢 泻 氖 锨 胚 靴 荒 千 般 目 兽 谢 宁 灭 凋 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 ( 7 - 8 章 ) 某
22、大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 ( 7 - 8 章 ) 套管尺寸及井眼(钻头)尺寸的选择和配合涉及到采油、勘探以 及钻井工程的顺利进行和成本。 1、设计中考虑的因素 1)、生产套管尺寸应满足采油方面要求。根据生产层的产能、油 管大小、增产措施及井下作业等要求来确定。 2)、对于探井,要考虑原设计井深是否要加深,地质上的变化会 使原来预告难于准确,是否要本井眼尺寸上留有余量以便增下中间 套管,以及对岩心尺寸要求等。 3)、要考虑到工艺水平,如井眼情况、曲率大小、井斜角以及地 质复杂情况带来的问题。并应考虑管材、钻头等库存规格的限制 2、套管和井眼尺寸的选择和确定方法 1)、确定井身结构尺
23、寸一般由内向外依次进行,首先确定生产套 管尺寸,再确定下入生产套管的井眼尺寸,然后确定中层套管尺寸 等,依此类推,直到表层套管的井眼尺寸,最后确定导管尺寸。 六、套管尺寸与井眼尺寸选择及配合 捐 吩 烧 忆 烙 芍 怎 荚 膨 旬 末 钳 廉 糜 鸵 助 亨 缉 益 亭 附 畸 拴 王 贮 纶 坐 净 罚 葱 尘 瞩 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 ( 7 - 8 章 ) 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 ( 7 - 8 章 ) 3、套管及井眼尺寸标准组合 目前国内外所生产的套管尺寸及钻头尺寸已标准系列化。套管 与其相应井眼的尺寸配合基本确定或在较小范围内变化。图3-8-
24、1-4 给出了套管和井眼尺寸选择表。使用该表时,先确定最后一层套管 (或尾管)尺寸。表的流程表明要下该层套管可能需要的井眼尺寸 。实线表明套管与井眼尺寸的常用配合,它有足够的间隙以下入该 套管及注水泥。虚线表示不常用的尺寸配合(间隙较小)。如选用 虚线所示的组合时,则须对套管接箍、泥浆密度、注水泥及井眼曲 率大小等应予注意。 2)、生产套管根据采油方面要求来定。勘探井则按照勘探方面 要求来定。 3)、套管与井眼之间有一定间隙,间隙过大则不经济,过小会 导致下套管困难及注水泥后水泥过早脱水形成水泥桥。间隙值 一般最小在9.512.7mm(3/81/2in)范围,最好为19mm( 3/4in)。
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