井身结构与套管柱设计.ppt

下篇固井完井工艺原理 前 言 现代完井工程简介 第七章 井身结构与套管柱设计 第八章 固井工艺与质量检测 第九章 完井方式与选择 我国石油工业的形势与石油工程界的责任（结束语）,Cementing and well Completion,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（Nodal Analysis ）， 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,Chapter 7: Hole Structure and Casing String Design,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。,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：,在横坐标上找出地层的设计破裂压力梯度f ，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。,（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f ，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f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。,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：,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：,D2 若D2D21，则进行下一步,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：,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 。,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：,试算结果：当 接近或小于D2处的地层破裂压力梯度0.0240.048 g/cm3时符合要求，该深度即为表层套管的下入深度。,6.必封点的确定 鉴于：第一，压力剖面不能反映有 些地下复杂情况（诸如吸水膨胀易塌 泥页岩、高含蒙脱石的泥页岩、盐膏层及岩盐层蠕变、胶结不良的砂岩等）；第二，某些复杂情况的产生与时间因素有关（诸如钻进速度快或慢、地层浸泡时间长或短等），因此就需要根据已钻井的经验来确定某些应及时封隔的地层，即必封点。如有地层坍塌压力梯度曲线，有些必封点的确定就不必仅凭经验了。,油气井压力预测,根据地层孔隙压力、破裂 压力、地层性质进行： 井身结构设计,五、套管尺寸与井眼尺寸选择及配合套管尺寸及井眼（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的要求。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测值难于准确，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）确定井身结构尺寸一般由内向外依次进行，先确定生产套管尺寸，再确定下入生产套管的井眼尺寸，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。 （2）据采油方面要求来定生产套管。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范围内，最好为19.0mm。,套管与井眼尺寸配合表,508mm表层套管 (650m/660m),444.5mm技术套管 (2700m/2705m),244.5mm技术套管(4700m/4642m),139.7mm生产套管(5500m/5500m),喇叭口/回接插座,油气水,套管磨穿处（约750m）,可能套管磨穿或变形处,1350m,3157m,Deep or Ultra deep wells The deep wells, 45006000m.The ultra deep wells,6000m,第二节 套管柱设计 一、套管和套管柱 油井套管是优质钢材制成的无缝管或焊接管，两端均加工有锥形螺纹。大多数的套管是用套管接箍连接组成套管柱。套管柱用于封固井壁的裸露岩石。 油井套管有其特殊的标准，每种套管都应符合标准。我国现用套管标准与美国API（美国石油学会）标准类似。,API标准把套管分为八种10级 H-40 J-55 K-55 C-75 L-80 N-80 C-90 C-95 P-110 Q-125,API标准要求套管的外径要符合一定的尺寸，常用的标准套管外径从114.3mm到508.00mm，共有14种: 114.3mm（41/2in） 244.47mm（95/8in） 127.00mm（5in） 273.05mm（103/4in） 139.70mm（51/2in） 298.44mm（113/4in） 168.27mm（65/8in） 339.71mm（133/8in） 177.80mm（7in） 406.40mm（16in） 193.67mm（75/8in） 473.08mm（185/8in） 219.07mm（85/8in） 508.00mm（20in）,API标准规定的各种套管壁厚范围在5.2116.13mm。通常是小直径的套管壁厚小一些，大直径套管的壁厚大一些。 除标准的钢级和壁厚之外，尚有非标准的钢级和壁厚存在，这也是API标准所允许的。 套管的连接螺纹都是锥形螺纹。API标准套管的连接螺纹有四种：短圆螺纹(STC)、长圆螺纹(LTC）、梯形螺纹（BTC）、直连型螺纹（XL）。除此之外尚有非标准螺纹。 圆螺纹的锥度为1:16，螺距为3.175mm （8扣/in）。梯形螺纹的锥度为1:16（外径16in）和1:12（外径16in），螺距为5.08mm（5扣/in）。 套管柱（套管串）通常是由同一外径、相同或不同钢级及不同壁厚的套管用接箍连接组成，应符合强度及生产的要求.,套管柱附件,引鞋/浮鞋：圆锥形 引领套管柱入井 生铁 木质 铝质 水泥质 浮鞋：单向阀阻流环 扶正器：弹性扶正器 刚性扶正器 联顶节：联结套管头和水泥头 水泥头：联结联顶节和注水泥管汇,回压凡尔,二、套管柱的受力分析及套管强度 套管柱下入井中之后要受到各种力的作用。不同类型的井中或一口井的不同生产时期，套管柱的受力是不同的。套管柱所受的基本载荷可分为轴向拉力、外挤压力及内压力。套管柱的受力分析是套管柱强度设计的基础，在设计套管柱时应当根据套管的最危险情况来考虑套管的基本载荷。,1）套管的轴向拉力 套管的轴向拉力是由套管的自重所产生的，在一些条件下还应考虑附加的拉力。 （1）套管自重产生的轴向拉力，在套管柱上是自下而上逐渐增大，在井口处套管所承受的轴向拉力最大，其拉力F0 ：,现场套管设计时，一般不考虑在钻井液中的浮力减轻作用，通常是用套管在空气中的重力来考虑轴向拉力，认为浮力被套管柱与井壁的摩擦力所抵消。但在考虑套管双向应力下的抗挤压强度时采用浮力减轻下的套管重力。,（2）套管弯曲引起的附加应力：当套管随井眼弯曲时，由于套管的弯曲变形增大了套管的拉力载荷，当弯曲的角度及弯曲变化率不太大时，可用简化经验公式计算弯曲引起的附加力:,Fbd0.0733dco,（3）套管内注人水泥引起的套管柱附加应力：在注入水泥浆时，当水泥浆量较大，水泥浆与管外液体密度相差较大，水泥浆未返出套管底部时，管内液体较重，将使套管产生一个拉应力，可近似按下式计算：,在下套管过程中的动载、注水泥时泵压的变化、套管在生产中会受到温度作用等，皆可产生一定的附加应力。这些力是难以计算的，通常是考虑用浮力减轻来抵消或加大安全系数。,2）轴向拉力作用下的套管强度 套管的轴向拉力井口最大。 受拉引起的套管破坏形式有两种： 一是套管本体被拉断 二是螺纹处滑脱脱扣 通常，后者比前者要多，圆螺纹更是如此。 用螺纹滑脱时的总拉力（kN）来表示。,2.外挤压力及套管的杭挤强度 l）外挤压力主要来自管外液柱的压力、地层中流体的压力、高塑性岩石的侧向挤压力及其它作业时产生的压力。 在具有高塑性的岩层如盐岩层段、泥岩层段，在一定的条件下垂直方向上的岩石重力产生的侧向压力会全部加给套管，给套管以最大的侧向挤压力，会使套管产生损坏。此时，套管所受的侧向挤压力应按上覆岩层压力计算，其压力梯度可按照2327kPa/m计算。 一般情况下，在常规套管的设计中，外挤压力按最危险的情况来考虑，即按套管全部掏空（套管内无液体），套管承受钻井液液柱压力计算，其最大外挤压力为：,2）套管的抗挤强度 套管受外挤作用时，其破坏形式主要是丧失稳定性而不是强度破坏，丧失稳定性的形式主要是在压力作用下失圆、 挤扁，见图 7-4。在 实际应用中，套管手 册给出了各种套管的 允许最大抗外挤压力 数值，可直接使用。,a挤毁的开始,b后期压曲特性,图7-4 套管截面抗外挤失效,1原始截面 2交替平衡位置 3继续变形后期压曲特性 4继续变形 5较弱一侧压凹 6挤毁截面的最后变形,3）有轴向载荷时的抗挤强度 在实际应用中，套管是处于双向应力的作用，即在轴向上套管承受有下部套管的拉应力，在径向上存在有套管内的压力或管外液体的外挤力。由于轴向拉力的存在，使套管承受内压或外挤的能力会发生变化。,内压,拉伸,压缩,外挤,3）内压力及抗内压强度 井口敞开内压力管内流体压力 井口关闭内压力管内流体压力井口压力 井口压力的确定： 管内为天然气 以井口防喷装置的承压能力为井口压力 以套管鞋处的地层破裂压力值决定,抗内压强度 内压破坏形式： 套管爆裂 螺纹密封失效,套管的腐蚀问题 *腐蚀剂： H2S、CO2、O2 *载 体：水 *催化剂： Cl-,塔里木油田某井油管CO2腐蚀形貌图,塔里木油田某井油管CO2腐蚀形貌图,塔里木油田某井油管CO2腐蚀形貌图,三、套管强度设计原则 套管柱的强度设计是依据套管所受的外载，根据套管的强度建立一个安全的平衡关系：套管强度外载×安全系数 设计的原则应考虑以下三个方面： 1）应能满足钻井作业、油气层开发和产层改造的需要； 2）在承受外载时应有一定的储备能力；3）经济性要好。 我国套管柱安全系数的规定为：抗外挤安全系数（Sc）1.0；抗内压安全系数（Si）1.1；套管抗拉力强度（抗脱扣）安全系数（St）1.8。 1.常用的套管柱强度设计方法 最常见的有等安全系数法、边界载荷法、最大载荷法、AMOCO法、德国BEB方法及前苏联的方法等。,2.各层套管设计的特点 表层套管抗内压 技术套管抗内压 抗钻具冲击磨损 生产套管抗外挤 抗内压 抗拉,3.等安全系数法 受力图可以看出，轴向拉应力、外挤压力、内挤压力在套管柱的各个截面上是不同的。轴向拉力自上而下逐渐变小，外挤力自下而上变小，内压力的有效应力（内压力与外挤力的差值）自下而上变大。在设计中为了使套管柱的强度得到充分发挥并且尽可能地节省，在不同的井段，套管柱应当有不同的强度。因此设计出的套管柱是由不同钢级及不同壁厚的套管组成的。,设计时通常是先根据最大的内压载荷筛选套管，挑出符合抗内压强度的套管；再自下而上根据套管的外挤载荷进行设计；最后根据套管的轴向拉力设计、校核上部的套管。,