第12章固井与完井.doc

第十二章 固井与完井 为了安全钻进和采油的需要，在井眼中下入钢质套管，并在套管和井壁之间注入水泥浆的过程，称为固井。 固井是钻井工程中一个十分重要的环节，它可分为设计和施工两部分，设计部分包括井身结构设计、套管柱设计和注水泥设计；施工部分包括下套管和注水泥两部分。如果固井质量出了问题将给钻井和采油带来许多麻烦（如套管断裂、套管变形、环空串槽），影响井的寿命，甚至使一口井报废。因此，钻井工程技术人员对固井都是非常重视的，固井设计都是由钻井公司或钻井科进行的，并且由井队钻井技术员复查，尽量作到万无一失。 第一节 井身结构 井身结构是一口井下入套管的层次、套管尺和下入深度以及相应钻头尺寸的配合。 井身结构设计的依据是地层地质条件、地层孔隙压力和地层破裂压力。 一口井的套管可分为表层套管（surfacecasing）、技术（中间）套管（protection casing、intermediate casing）和油层套管（production casing、oil string）。 １、表层套管封隔地表疏松层。 ２、技术（中间）套管解决钻进过程中难以处理的各种漏、塌、喷等复杂地层问题。 ３、油层套管为采油目的而下的套管。 除了要考虑到采油方面的要求外，在钻井方面还应根据地层压力、地层破裂压力以及其它特殊的地质因素来设计。 第二节 固井目的 1、封隔地下不同油、气、水层，防止串槽； 2、为井的投产建立生产通道； 3、封闭暂不开采的油、气层； 4、为安装井口防喷装置创造条件； 5、提供油、气井压力控制的基本条件； 6、封闭复杂地层，保护井壁，防止坍塌、井漏等。 第三节 固井工艺过程 一、下套管 套管柱结构 casing string structur 1、套管 2、引鞋引导套管入井； 3、套管鞋起钻防挂； 4、回压阀套管入井时增加浮力、控制水泥塞高度、防止回流； 5、扶正器扶正套管，提高顶替效率，提高固井质量； 6、泥饼刷提高固井质量； 二、注水泥 1、注水泥地面设备 水泥车、储灰罐、水泥混合漏斗、压风机组、水泥浆管线、水管线、气管线。 2、注水泥井口装置 联顶节连接套管至钻台面，安装水泥头。 水泥头连接注水泥和替泥浆管线，存放胶塞。 胶塞刮擦套管内多余水泥，与回压阀配合控制套管内水泥塞高度，隔离钻井液和水泥浆。 三、注水泥过程 注水泥设计要点水泥浆密度、水泥浆用量、干水泥用量、用水量、水泥浆稠化时间、水泥浆添加剂（改变密度、改变稠化时间、降失水、降摩阻、防失重）、水泥浆上返高度、注水泥施工时间、注水泥排量、。 1、循环泥浆 2、注隔离液（或放下胶塞） 3、注水泥浆 4、开挡销、顶胶塞 5、替钻井液 6、碰压 第四节 套管柱的设计 根据套管柱在井下的受力情况，考虑一定的安全系数。 一、套管柱在井下的受力分析 1、轴向拉力线性分布，井口最大，井底最小； G管柱受浮力后的重量，kg； k浮力系数，无因次； Ga管柱在空气中的重量，kg。 井内洗井液密度，g/cm3； 钢的密度，7.85 g/cm3。 2、外挤压力线性分布，井口最小，井底最大； 3、内压力当全井充满天然气时，全井内压力基本相等；压裂酸化；强化采油。 除了强度方面的考虑外，还应考虑套管内径尺寸是否能满足钻头和其它井下工具的要求。套管柱设计有很多种方法，最常用的是等安全系数法，该方法的设计原则是既安全又经济，根据套管在井下的受力情况，按一定的安全系数与套管强度之间建立一个平衡关系 外载安全系数≤套管强度 二、套管柱设计步骤 1、给定抗挤安全系数，考虑套管内部全掏空或部分掏空，按套管抗挤强度从下往上分段设计； （1）按抗挤选择下部第一段套管 查表得到，确定下部第一段套管 （2）确定第二段套管可下深度及第一段套管长度 选钢级、壁厚较低一级的套管 （3）重复步骤2 （4）给定抗拉安全系数，逐段校核抗拉强度； 2、上部井段改为按抗拉强度设计； （1）第i段套管以下各段套管的总重量 （2）重复步骤1 井口 （3）给定抗挤安全系数，逐段校核抗挤强度； 3、对深井气井校核井口抗内压强度； 4、井口选用一根全井壁厚最大的套管。 第五节 油井水泥 一、油井水泥及其矿物成分 1、油井水泥（硅酸盐水泥为主） 生料[碳酸盐矿物粘土质原料硅石调节性原料] （1450℃粉碎、磨细、混合→ 熟料_加石膏（调节凝结时间）、粉磨→油井水泥 分类 普通油井水泥40℃ 井深0～1500m 75℃ 井深1500～2500m 95℃ 井深2500～3500m 高温油井水泥150℃～180℃ 井深5000～7000m 2、矿物成分 （1）硅酸三钙 含量最高，是水泥产生强度的主要化合物，其强度增长快，最后强度也大 （2）硅酸二钙 水化反应慢，强度增长慢，能在长时间内逐渐增加水泥强度。 （3）铝酸三钙 是促进水泥快速水化的化合物，决定水泥初凝和稠化时间，影响水泥的流变性。 （4）铁铝酸四钙 水化速度仅次于，早期强度增长快，强度决对值不大。 表12-1 纯熟料矿物抗压强度（兆帕） 名称 水 3天 7天 28天 90天 180天 13 24.7 31.6 48.0 58.8 59.0 13 0.5 1.4 1.5 4.3 11.5 13 7.7 8.3 8.2 9.6 6.6 13 11.7 12.4 12.7 18.5 27.9 由表可知，强度增长最快，也最大；增长慢而强度低；后期强度最小，增长较慢，也较大。 表12-2 水化深度（微米） 名称 3天 7天 28天 180天 3.5 4.7 7.9 15.0 0.6 0.9 1.0 2.7 10.7 10.4 11.2 15.0 7.7 8.0 8.4 13.2 注水泥颗粒直径为3055微米 以水泥颗粒的水化深度来衡量水化速度的快慢 28天内 180天内 水泥的矿物成分比水泥中的氧化物（、、含量更能说明该种水泥性能，并用它作为限制水泥化学组成，保证水泥质量的重要指标。 表12-3 各种水泥的矿物组成 名称 3天 7天 28天 180天 3.5 4.7 7.9 15.0 0.6 0.9 1.0 2.7 10.7 10.4 11.2 15.0 7.7 8.0 8.4 13.2 二、水泥的凝结与硬化 1、胶溶期 2、凝结期 胶态颗粒、晶体互相连接→凝胶结构（水泥浆丧失流动性） 3、硬化期 三、油井水泥浆性能与调节 1、密度 硅酸盐水泥干灰密度3.05～3.20 g/cm3 水泥浆密度大于完井或下套管时泥浆密度； 不会压漏地层，不挤毁套管； 保证水泥浆的流动性及水泥石的强度 ρ1.80～1.90 g/cm3 因素水灰比↑→密度↓，流动性↑ 水灰比↓→密度↑，密封性↑，强度↑，流动性↓ 外加剂 加重剂重晶石（2.28 g/cm3） 减轻剂搬土，硅藻土，煤渣灰 2、流动度衡量水泥浆流动性好坏的指标 流性指数n，稠度系数k 幂律模式 因素水灰比，粘度 应用计算循环摩擦损失 设计最佳流态，提高顶替效率和固井质量 凝结时间初凝标志其完全丧失流动性 终凝表示其已具有一定的承载能力 稠化时间用稠化仪测定的，从水泥加水起到粘度达10Pa.s的时间。 稠化时间控制整个注水泥时间必须控制在初凝时间的3/4以内，并考虑有较大的安全系数， 要求有合适的终凝时间。 因素温度、压力↑→稠化时间↓ 速凝剂CaCl2、NaCl、半水石膏 缓凝剂木质素磺酸钙、有机酸 3、失水量 水泥浆水化需水量为水泥重量的20，而为使水泥浆具有足够的流动性，水灰比一般在50左右，即存在大量过剩水（自由水）。 水泥浆中的自由水通过井壁渗入地层的现象称为失水。 压差、水灰比、地层渗透性↑→失水量↑ 失水量↑→水泥浆稠化，流动性↓ →损害产层 →水泥石中产生自由水通道→密封性、强度↓ 降失水剂搬土，羧甲基，羟乙基纤维素，烷基磺酸钠 4、水泥石强度 要求（作用）支撑和加强套管 抵抗钻井时冲击载荷 能承受射孔、酸化、压裂等作业 注酸化、压裂薄弱环节是水泥环与井壁和套管间的连接强度 第六节 影响注水泥质量的基本原因 一、注水泥质量的基本要求 1、水泥浆返高和水泥塞高度要符合设计要求 （1）水泥浆计量要准； （2）替水泥时用的洗井液量计算与计量要准确； （3）事先做好水泥试验，了解配浆用水的影响； （4）试准速凝剂或缓凝剂用量，防止水泥浆过早变稠； （5）减少水泥浆的失水量； （6）防止循环通路堵塞； （7）碰压不宜超过5MPa，以免打掉阻流圈； （8）替水泥浆时要注意计量及碰压显示； （9）检修好设备，防止发生机械故障。 2、防止串槽 即注水泥井段的钻井液应全部被水泥浆替走 顶替效率的概念η＝Vc／V Vc注水泥井段水泥浆体积； V 注水泥井段体积。 3、增加水泥浆与套管和井壁间的联结（胶结）强度. 因素水泥类型和不同的添加剂（膨胀水泥、加砂水泥） 井壁泥饼的存在（泥饼刷） 套管表面状况油膜或沥青→强度↓ 砂粒涂层→强度↑ 4、防止气串（失重引起） 失重水泥浆在凝固过程中，其液柱压力逐渐降低的现象。 ①胶凝失重，水泥颗粒在水化过程中所形成的网架结构，承受部分水泥浆注重量，使作用在下部地层的有效压力降低。 ②桥堵失重，水泥颗粒与井内钻屑在重力作用下下沉所形成的封闭环空的桥塞，使上部浆柱的压力不能传至桥塞下部，当下部浆柱体积减小时，作用在下部地层的有效压力降低。 5、防止自由水上串 二、提高注水泥质量的主要措施 1、套管居中（使用扶正器） 2、刮除泥饼 3、活动套管 4、紊流或塞流注水泥 5、注双凝水泥 6、充气水泥 浆柱有效压力气体膨胀产生的附加压力地层压力 7、不渗透水泥 在水泥浆网架结构间的微孔隙或毛细孔道中加入堵塞剂，束缚主自由水，使其不易流动，同时也使地层里的油、气、水不宜侵入。 8、使用隔离液 第七节 完井 well completion 一、钻开生产层 两项任务保护油层、防止井喷。 二、井底完成法 共同要求 （1）有效地连通井底和油气层，减少油气流动阻力； （2）妥善封隔油、气、水层，防止串扰； （3）克服井壁坍塌和油层出砂影响，保证长期稳产； （4）能够进行进一步压裂、酸化等增产措施，便于修井； （5）工艺简单，完井速度高。 1、裸眼完井法 open hole barefoot completion 油气层不用套管和水泥封固。 优点不存在水泥浆损害地层的问题； 裸露面积大，油流阻力小。 缺点不能控制井壁垮塌和出砂； 不能克服产层范围不同压力油、气、水层的相互干扰； 无法进行选择性酸化压裂。 应用仅适用于稳定且无油、气、水夹层的单一油气层，或油气层性质相同的多油气层。 （1） 先期裸眼完井钻进至油层顶部，下油层套管，再钻开油层。 优点A 排除上部地层的干扰，可选符合产层的钻井液； B 缩短钻井液浸泡时间； C 钻开产层后，如遇复杂情况，可将钻具起至套管内进行处理，避免事故进一步复杂化； D 消除了高压油气对固井工作的影响。 缺点下套管时，还未完全掌握产层真实情况。 （2）衬管完井法 在先期裸眼完井的基础上，在裸眼井段下入多孔或割缝、缠丝衬管，以便防砂。衬管损坏或堵塞后还可起出修理或更换。 （3）后期裸眼完井钻穿产层后，下套管至油层顶部。 优点可下入较大尺寸钻头，产层裸露面积大 （4）贯眼完井法 这是后期裸眼完井法的变形，钻开油层后，把下部带孔眼的套管下至油层部位，固井时水泥浆只封固油层以上的地层。可以防止地层坍塌。 2、射孔完井法 perforated completion 钻穿油层，下套管至油层底部固井，再用射孔器射孔。 优点有效封隔和支持疏松易塌产层； 封隔不同油气层，进行分层测试、分层开采； 可进行无油管完井、多管完井； 缺点损害产层，连通面积小，油流阻力大。 3、砾石充填完井法 为了防止油层出砂，可在裸眼完井法和射孔完井法的基础上，将砾石充填于油层部位的衬管与井壁、衬管与套管以及套管与井壁之间。砾石一般选用机械强度高、耐磨性好、抗酸、抗碱的石英砂。室内试验表明，水湿性的砾石有助于提高生产率。 三、完井井口装置 1、套管头 casing head 用于两层套管之间的固定、密封和支撑井口装置。 2、油管头 tubing head 用于联结套管和采油树、悬挂井内油管，是油管和环空的分离和密封部件。 3、采油（气）树 christmas production tree 由四通、阀门、节流阀和压力表组成，用以控制油气的生产，并可进行测试、注液、酸化、压裂等作业。 四、完井工艺 从钻进至完钻井深开始到油井正式投入生产前所进行的一切作业都属于完井作业，包括下套管、固井、下油管、射孔、酸化、压裂、洗井、替喷、试油。完井作业是油气井投产前的最后而且重要的一个作业环节。 完井作业目的是建立和完善一个油气流从地层到地面的通道。 由于油气井的开采寿命一般在几十年到上百年，因此就得考虑保持这个通道的长期有效。 根据平面径向稳定渗流压力分布曲线，压力损失大部分集中在井底附近。因而，井底附近地层的损害与保护就显得十分的重要。 完井作业如果能够解除钻井作业中近井壁地层的损害，或者改善了近井壁地带的地层孔隙结构，就能减小油气流动阻力。 完井作业的时间一般几天到十几天，尽管时间不长，但同样存在着对油气层的损害问题，而且可能是十分严重的损害，甚至“枪毙”油气层。 完井作业的内容包括射孔、下油管、安装井口装置、诱导油气流、完井测试、酸化投产等。 1、射孔Perforating １）套管枪正压差射孔 工艺特点井筒液柱压力高于地层孔隙压力，用电缆下入套管射孔枪射开油气层，然后起出射孔枪、下油管、装采油树、替喷或抽吸或气举完井。 优点射孔枪直径大、药量大、穿孔深、孔径大。 缺点正压差造成射孔液对油气层的损害，孔眼堵塞损害。 ２）套管枪正压差射孔与反向冲击联作 与１）的区别在于油管下端封闭入井，油管中没有流体。下完油管后用封隔器隔离油管与套管，然后投入铁棒打开油管底部玻璃接头，在井内形成瞬间负压，使射孔孔眼得到冲洗。 3）电缆过油管负压射孔 工艺特点井筒液柱压力低于地层孔隙压力（预掏空），先下油管、装采油树，射孔枪由电缆通过油管送至油层部位射孔。 优点可消除射孔液对地层的损害和孔眼堵塞损害。 缺点射孔枪直径小、长度小（受井口装置限制）、装药量小，使孔眼穿透深度小、孔密少。 4）油管传输负压射孔 工艺特点井筒液柱压力低于地层孔隙压力（预掏空），油管下端连接射孔枪入井，装采油树，通过投棒、加压或电点火引爆。 优点可消除射孔液对地层的损害和孔眼堵塞损害，射孔枪直径大、药量大、穿孔深、孔径大、孔密大，安全性好，易于入井（大斜度井、水平井），可用于长段地层射孔，可与地层测试联作。 缺点费用比普通射孔高25，入井时间长，如果出现故障将耗费时间，需要多钻一些井段一存放废弃的射孔枪。 ２、下油管 管鞋、筛管、抽油泵、油管。 ３、诱导油气流 替喷、提捞、抽吸、气举。 ４、酸化压裂 ５、完井测试 测定油气产量、地层压力、井底流动压力、井口压力和油气水样品、地层损害的定量测试（表皮系数Ｓ，skin factor）。 五、射孔完井作业中的油气层损害与保护 射孔完井是目前国内外使用最为广泛的一种完井方法（约90的井），而且射孔完井方法有其特殊的损害机理，因而在这一章里主要介绍射孔的损害与保护问题。 射孔完井法的优点 １、适用于各种复杂地层。 ２、可以分层开采。 ３、工艺简单、成本较低。 射孔完井法的缺点 １、钻井液、水泥浆浸泡时间长。 ２、水动力学不完善。 ３、对裂缝性油气藏，无法控制孔眼射中裂缝。 射孔损害油气层的机理 在射孔作业阶段，主要应处理好射孔建立油气通道与射孔损害油气层这一对矛盾。 1、汇流效应 地层流体在井眼附近向孔眼集中、绕流而产生的附加流动阻力现象称为“汇流效应”。 汇流效应程度与射孔参数（孔深、孔密、孔径、相位、格式）和射孔效率紧密相关。 “汇流效应”反映了井眼打开程度的不完善，它在试井表皮系数的分解中以S1表示，通常也称为“射孔几何表皮系数Sp”。 2、射孔液的损害 射孔液的损害是指射孔液固相和液相对地层的损害，射孔液可借助射孔孔眼进入地层深处造成损害，其损害机理与钻井液相同。 射孔液损害表皮系数以S2表示。 3、孔眼压实 在射孔瞬间产生的高温（2000～5000℃）、高压（几千～几万MPa）使射孔弹金属罩变为1000 m/s的微细金属流。 金属流遇到障碍时，产生3104 MPa的压力，击穿套管、水泥环和地层，形成孔眼。 在如此高的温度和压力下，地层、套管、水泥环都将被熔化、烧结，待冷却后就会形成坚硬的烧结物。 射孔孔眼在成孔过程中的烧结类似于陶瓷和炼钢炉壁的烧结过程，但由于井眼的冷却较快，孔眼的烧结部位会产生大量的裂缝，因而才可能使油气的流出通道不至于被完全堵死。 通过在室内对射孔后的岩石的剖切观察，发现孔眼周围有四层 １、严重破碎层，该层内有大量裂缝，渗透率较高。 ２、破碎压实层，裂缝减少，有压实，渗透率降低。 ３、压实层，压实程度大Kcz≈10～25 Ke，渗透率最低。 ４、微压实层，渗透率较低。 孔眼压实表皮系数称为S3或S dp。 4、孔眼堵塞 在正压差射孔时，射孔液中的固相颗粒、破碎的岩石、套管、水泥环和子弹的残渣在压差的作用下进入孔道形成堵塞。有人认为，在正压差射孔中有1/3的孔眼被完全的永久堵塞。 孔眼堵塞表皮系数称为S4。 射孔参数对油井产能的影响 射孔参数是指孔深、孔密、孔径、相位、布孔格式，这些参数对油井的产能有着很大的影响不同参数的组合可能使油井产能低于或高于其自然产能。 由于射孔参数不合理而造成的油井产能低于自然产能，也可认为是一种油气层的损害。这在损害机理里面归结为“汇流效应”。 第十二章作业 1、解释固井和井身结构的概念。 2、一口井的套管有哪几种，各有什么作用 3、分析套管柱受力情况。 4、调整油井水泥浆性能主要考虑哪些参数影响注水泥顶替效率的因素有哪些提高顶替效率应采取什么措施 5、水泥浆在凝结过程中为什么会出现“失重”现象怎样防止“失重现象。 6、分析钻井液对产层的损害。 7、常用的完井方法有哪些分析各种方法的优缺点。 8、诱导油流入井可采用哪些方法