《完井固井技术》PPT课件.ppt

完井固井技术,本章主要介绍固井套管的设计、套管选择、套管附件、固井方式、固井工程的主要工序、固井技术、特殊地层固井等。,第一节 概述,一、前言固井是将套管下入到井内预定深度，再在套管和井壁之间注入水泥浆封固。由于油气井浅则数百米，深则数千米，乃至万米，套管和水泥浆要经受高温高压的恶劣环境，还要承受地下油气水及其它介质的腐蚀窜扰，以及采油作业中酸化、压裂等增产措施的种种考验，因此，固井对材质、设备和工艺有着特殊的要求，可以说固井是一门复杂的涉及面很广的综合技术，固井质量的好坏关系到油田的开发和建设，是油田长期稳产的基础工程。,二、套管层次,根据不同的目的，固井套管层次可分为：表层套管技术套管（也叫中间套管，可以是多层）油层套管,1、表层套管固井,由于地表土非常松软，极易坍塌和漏失，于是在钻井时往往下数十米到几百米的表层套管进行封固。表层套管还用于封固地表水层，防止地表水在钻井中受到污染。如果深部地层有高压油气层，可在表层套管上安装防喷器，以便安全地打开高压层。表层套管底脚应封固在致密坚硬的岩石上，套管外的水泥浆通常返到地面。,2、中间套管固井,在钻进中，如果遇到高压层、疏松易塌的砾石层，当采用调节钻井液密度等措施仍然无法克服时，往往是在这些地层强行钻过后，立即下套管封固，以保证继续钻进，这层套管叫中间套管，也叫技术套管。在钻井过程中，如果钻进上部地层和下部地层需要采用密度不同的钻井液时也要下技术套管。如上部为高压层，下部为易漏层，则当上部用高密度钻井液钻过后，即下中间套管封固，再用低密度钻井液打开下部地层。,3、油层套管固井,一口井钻达油气目的层后，下油层套管固井，为今后采油气建立了一个牢靠的通道，并在其上安装采油装置。同时，一口油井往往有许多油气层，各油气层的性质是不同的，为防止各油气层相互串通，实现分层开采，分层注水，分层管理和分层改造，也必须下油层套管固井，用水泥将各油气层封固和隔离开来。,表层套管尺寸最大，油层套管尺寸最小，各套管层次之间应有足够的间隙，以保证套管能顺利下入和有足够厚度的水泥环。井身结构的设计主要是确定各层次套管尺寸、下入深度和水泥封固高度，以及所需钻头尺寸。另外，井身结构的制订应尽量系列化，以利于钻头、套管、井口装置的生产和供应。目前，我国各油田井身结构大多采用13975系列，即表层套管133/8，中间套管95/8或7，油层套管为51/2或5。,三、固井工程的主要工序,1、固井设计 2、井眼准备 3、设备调试就位 4、套管准备及下套管作业 5、注水泥固井施工 6、固井质量评价测井,注水泥流程及附件装置,第二节 套管柱设计方法及套管选择,套管设计包括表层套管、技术套管和生产套管完井最关注的是生产套管的设计。生产套管也称为油层套管，生产套管设计时应根据选定的完井方式，依据井别、油气层压力和温度、地下水性质、PH值、矿化度以及套管的腐蚀程度、天然气组分和含腐蚀气体的情况等因素，选择套管的钢级、强度、壁厚、螺纹类型、螺纹密封脂以及上扣扭矩等。若采用衬管完成，应设计悬挂深度及方式。对于注蒸汽井，应考虑套管受热时的变化。对于定向井、水平井，同样应考虑套管的弯曲、受力变化和密封稳定问题。,一、套管类型,1、标准尺寸系列 美国石油学会（API）已提出了套管尺寸系列标准，并为国际石油工业界所接受。各厂家生产的套管系列，主要根据API标准。非API标准套管由使用者向厂家提出特殊定货标准尺寸系列包括：（1）套管外径（2）壁厚（3）尺寸配合,（1）套管外径,套管外径从114.3mm(41/2in)到508mm(20in)共14个尺寸系列。对于生产套管，常用的套管外径为127.0mm(5in)139.7mm(51/2in)177.8mm(7in)193.7mm(75/8in)244.5mm(95/8in)等5个尺寸系列有少数使用168.3mm(65/8in)的情况,（2）壁厚,对于同一套管外径，API标准规定了若干壁厚尺寸，组成不同的强度等级供选用。以139.7mm(51/2in)套管为例，API标准规定了5个壁厚系列：6.20 mm 6.98 mm 7.72 mm 9.17 mm10.54 mm同时也可以单位长度的质量来表示套管的壁厚,（3）尺寸配合,尺寸配合体现在两个方面，一是套管与井眼的尺寸配合，二是上下级套管的尺寸配合。套管与井眼之间应有合适的间隙。间隙过大会导致太大的井眼尺寸，增加钻井成本；间隙过小又会导致下套管及注水泥困难，引起管外窜槽。目前国内外所生产的套管及钻头尺寸配合基本确定或在较小范围内变化。下图给出了套管和井眼尺寸配合选择表。,套管和井眼尺寸选择表,使用该表时，先确定套管（或尾管）尺寸，即可根据表中箭头（实线为常用配合，虚线为不常用间隙配合），查得该尺寸入井时所要求的井眼尺寸，以及通过该尺寸套管允许下入的钻头尺寸（下段井眼尺寸）。目前国内套管系列一般采用：133/8in95/8in51/2in、133/8in75/8in51/2in（扩眼增加间隙）复杂井况，有时也采用133/8in103/4in7in,2、套管类型,按制造工艺，套管可分为无缝套管（Seamless）和直焊缝套管（ERW：Electric Resistance Weld）。无缝套管：用钢坯经加热后热滚轧、钻孔、带芯轴压轧延伸、热处理等工序达到标准尺寸套管，形成无缝套管系列直焊缝套管：用高精度热轧钢卷板经展平，逐步次序滚轧成管后，用高频焊接、热处理等工序达到标准尺寸套管,直焊缝套管与无缝套管相比有以下特点,1）尺寸精度高外径偏差一般不超过0.5%，壁厚不超过-5.0%。而无缝套管标准偏差为0.41mm，仅此一项就显著提高抗挤强度和通径。2）韧性优良由于实行高强度高韧性焊接，不但保证母材而且保证焊缝具有良好的韧性。3）抗挤抗爆裂性能优异由于ERW套管尺寸精度高、韧性好，因此实际抗挤性能比API无缝套管高30%左右，抗爆性能高50%左右。4)成本低与同类无缝套管相比低10%左右。,3、钢级,由于套管的使用条件比较恶劣，对钢的质量要求很严，必须按专门标准或技术条件生产和检验。为确保套管质量，美国石油学会采取发放认可证（API）的办法组织一些大型企业定点生产。,二、套管柱设计,（一）入井套管柱的受力分析 为了保证下入井内的套管不断、不裂、不变形，要求套管有一定的强度，足以抵抗它所受的外力。为此，需要对井内套管柱受力状况作个大概的分析。,1、拉力,由套管本身重量所引起。越靠上部的套管承受的拉力越大，套管柱越长，套管的尺寸越大，上部套管承受的拉力越大。因井斜套管靠井壁，上提套管时的磨擦力；注水泥最后碰压时的套管附加的拉力；下套管过程中猛提猛刹都会使套管受到比较大的拉力。在一般情况下，磨擦力或碰压所附加的拉力和下套管正常操作时增加的拉力常小于套管柱在井内泥浆中的浮力。因此进行套管柱设计时，一般按套管在空气中的重量计算拉力的大小。,2、外挤力,如果下到井中的套管内外部都有泥浆，而且泥浆比重一致，此时套管内外液柱压力平衡，套管不受外挤力。诱导油流时需要把套管内的液体逐步淘空，这样套管便要承受套管外液柱压力引起的外挤力。当套管内液体全部淘空时，套管所受的外挤力最大。进行套管柱设计时，一般从安全着眼，按套管内全淘空时套管所受的外挤力计算，这个外挤力即为套管外泥浆的液柱压力。但也有人认为，在水泥封固段，可按盐水柱压力计算套管的外挤力。,3、内压力,在酸化、压裂、挤水泥或井喷关井时，套管将承受较大的内压力，其数值等于挤注作业时最大的内压力或油、气的压力。设计套管柱时，当套管能满足抗拉和抗外挤强度要求时，抗内压往往也能满足，故一般不作抗内压强度核算。而在高压气井，有时需进行抗内压强度核算。,（二）套管柱的设计,1、套管柱的设计原则 入井的套管柱在外力作用下，必须满足抗拉、抗挤、抗崩强度的要求，并留有一定的安全余量。根据套管柱在井内不同部位的受力情况和工作条件，结合套管的强度规范和技术性能，按照等强设计原理，以确定套管柱各个部位的扣型、钢级和壁厚，使整个套管柱的设计达到安全、经济和合理的目的。API套管设计不考虑泥浆的浮力，以保证更加安全。,2、管柱的设计方法和步骤,生产套管设计分三步进行根据腐蚀环境选钢种硫化氢、二氧化碳、氯化钠和硫酸盐等3大类腐蚀对套管钢种的选择具有决定性影响，必须预以特殊考虑根据密封要求和载荷选螺纹不同螺纹类型，其性能不一样，应根据实际工况选择合适的螺纹类型根据载荷作强度设计选钢级的壁厚强度系列包括：抗挤强度、管体抗拉屈服强度、抗内压强度等,3、安全系数,实际工作中的设计系数，设计时应根据上述原则和该地区实际经验来确定。若选用API标准套管的强度达不到设计系数的要求时，则需要考虑采用特殊套管柱结构（如双层套管），或专门订购高精度、特厚壁、特殊螺纹等高强度套管,三、套管柱附件,套管柱附件主要有引鞋、浮箍、扶正器、联顶节、水泥头、胶塞等。,（1）引鞋一般是圆锥型，安装在套管的最下端，其作用是引导套管柱入井，防止套管在下入时遇阻遇卡。在二次开钻或三次开钻中表层套管和中间套管的引鞋将被钻头钻掉，因此其引鞋需用“易钻”材料制成。常用生铁引鞋、木质引鞋、铝质引鞋、水泥质引鞋等。,水泥引鞋,（2）浮箍一般由单向阀和阻流环组成，一般连接在引鞋上面一根套管的接箍上。单向阀的作用是让水泥浆经套管流入环空，而不让环空的水泥浆倒流回套管，阻流环的作用是注水泥后阻挡胶塞通过。,浮箍,（3）扶正器固定在套管外壁上，靠它的弹性钢片扶正套管柱，使套管在井眼里居中，从而注水泥时套管柱四周的水泥环厚度均匀。,（4）联顶节是用来联接套管头和地面固井设备水泥头的。联顶节有一定的长度。调节联顶节下入钻台转盘面以下的深度（联入），来控制套管头露出地面的距离。一般对于低洼井，套管头的露出高度应高一些，以便于安装采油装置。,（5）水泥头用于联接联顶节和注水泥管汇，并装有胶塞，注水泥时，胶塞用锁销锁住，注水泥后释放入井。水泥头上还装有压力表，观察注水泥及试压时的压力。胶塞尾随水泥浆进入套管内，靠其尾翼将粘附在套管内壁的水泥浆刮掉，防止以后测井时遇阻，当胶塞下行到浮箍处阻流环位置时，关闭循环通道，标志着水泥浆已到达环空预定位置。,水泥头,（6）胶塞是由内嵌铸铁或铝和易钻料的橡胶制成，带有尾翼：注水泥后被钻掉。,第三节 注水泥固井工艺,1、注水泥施工要求注水泥施工后要形成一个完整的水泥环，使水泥与套管、水泥与井壁固结好，水泥胶结强度高，油气水层封隔好、不窜、不漏。要达到以上要求，就必须全面周密考虑各种影响因素，精心设计、精心施工。,一、概述,2、完井要求,水泥浆是由水泥、水、各种化学外加剂组成的具有一定密度的混合液体。由于水泥浆的滤失量较钻井液的滤失量大得多，因此水泥浆不可避免地对各类油气层都会造成不同程度的伤害，主要有水泥浆颗粒引起的伤害水泥浆滤液对油气层的伤害水泥浆滤液中无机物结晶沉淀对油气层的伤害裂缝性漏失减少伤害主要取决于控制水泥浆滤失量、完井液性能、液柱压差,3、油、气井开采要求,满足最小支持强度提高热稳定性增强抗腐蚀能力天然气井注水泥应考虑加防气窜剂，以防止窜槽对特殊井况：低压、高压地层，有漏失地层、盐岩层、高温地层，均应有针对性措施,二、注水泥方式,注水泥方式主要有一次注水泥、分级注水泥封隔器注水泥注水泥固井应根据不同类别的井对水泥性能和返高的要求，油气层压力状况、地层中腐蚀气体含量、以及不同井筒工作状态等井筒环境，选择固井方式和水泥浆配方,对于地层稳定性好，地层空隙压力高的井可以考虑一次注水泥固井，对于井筒中存在低压易漏地层，可以考虑使用分级注水泥，分级注可分为两级或两级以上，应根据封固井段和施工安全来选择注水泥的级数。,二、固井施工工艺,（一）常规水泥浆固井施工技术常规固井作业包括下套管、洗井、注前置液，混配注入水泥浆、压胶塞、替钻井液、碰压、试压、水泥候凝、质量检测等工序。其中核心工作是混配并注入水泥浆，要靠配套的固井地面设备来完成。,1、固井地面设备,固井地面设备主要有水泥车、下灰装置、配浆装置、水泥头及管汇等组成。（1）水泥车水泥车泵送设备能够以不同的排量连续工作。（2）下灰装置水泥由下灰装置供给，下灰装置主要由空气压缩机、输气管、贮灰罐、出灰管、碟形阀门等组成（3）配浆装置配浆装置主要由供水管线、混灰漏斗、喷嘴、混合器、排出管及灰浆池等部分组成。,2、注水泥施工过程,（1）洗井（注水泥准备）下完套管后，注水泥之前，循环钻井液洗井一般要两周左右（2）注前置液和水泥浆在此过程中要保持连续施工和水泥浆混配密度均匀、合适（3）压胶塞水泥浆注完后，在胶塞顶部先替入一定量的清水，将胶塞压下，叫“压胶塞”（4）替钻井液与碰压当胶塞下行坐于浮箍上的阻流环时，将循环孔堵塞，压力便突然升高，叫做“碰压”。标志着替浆结束,注水泥结束后，套管要进行“试压”。检查套管的密封性，而后水泥浆“候凝”。最后进行固井质量检测。,第四节 复杂类型井的生产套管及固井技术,本节拟就各种复杂类型井的生产套管及注水泥工作加以归纳总结，指出应考虑的主要问题及解决问题的基本思路与方法,一、高温高压气井,1、主要问题高压气井固井后，地层流体层间互窜及井口冒气是国内外迄今固井质量存在的问题高压气井油气窜冒的主要原因就是由于水泥浆失重造成的水泥浆在凝固过程中，浆柱压力不断降低，称水泥浆失重。失重后，地层流体会侵入环形空间形成窜槽，破坏水泥石的密闭作用；有时还会窜入其它低压储层，形成层间互窜,高温高压气井的温度与压力对套管影响很大，是套管设计必须考虑高温下，套管的强度会降低气井生产过程中，如果井口部位断裂或泄漏，在生产套管的薄弱处可能导致内压破坏由于气体特性，对套管螺纹的密封性提出了更高的要求,2、高温高压气井生产套管的选择钢管材料屈服强度超过861MPa的套管称超高强度套管。由于高强度不可避免地会增加硬度，所以高强度套管对表面缺陷和应力腐蚀较敏感，因此能选低一级钢级的套管，就不选高一级钢级套管，特别是气井中含有H2S、CO2成分。解决深井抗拉与抗内压强度，可使用复合套管柱,3、高温高压气井注水泥的特殊问题,水泥封固段长，特别是小间隙长封固段质量不易得到保证，深井尾管固井同样在小间隙尾管段固井质量难保证；水泥浆失重造成气窜影响水泥凝固,固井工艺上应采取的措施：限制水泥返高在长封固段内，采用不同稠化时间的水泥浆固井环形空间憋压在注水泥前增加环空钻井液密度利用多级注水泥工艺选用H级水泥并提高水泥浆的密度使用改性水泥膨胀水泥、不渗透水泥、硅石微粒水泥、触变水泥、延迟胶凝强度水泥、可压缩水泥等,二、酸性气体井,1、主要问题酸性气体主要是指H2S和CO2。H2S是一种无色、剧毒、强酸性气体。对金属会产生电化学腐蚀、氢脆和硫化物腐蚀开裂，往往造成生产套管柱的突然断裂，危害极大。CO2极易溶于水，形成碳酸，使水溶液呈酸性而对钢材发生腐蚀。经CO2腐蚀后，管柱的疲劳强度可降低40%左右。,2、套管腐蚀类型及材料选择,3、H2S和CO2分压对钢材选择的影响,总之，对酸性气体固井及生产应做到：要选择抗腐蚀套管钢种，其接箍与螺纹应选用金属端面密封，在下套管时应涂特殊螺纹密封脂；注水泥原则上应返至地面或返至上一层套管鞋以上，并应选用抗腐蚀水泥；生产时油管底部下永久封隔器，阻隔产层流体对套管腐蚀；油管与套管环空应定期注缓蚀剂，以降低对套管内腐蚀,三、低压裂缝型油井,1、主要问题地层压力低且裂缝发育，油层既是裂缝层也是漏失层，在钻井和固井过程中，造成大量漏失，使油层部位未封固或封固不好，影响油井生产，同时由于水泥浆上返高度不够，易造成层间窜通。,2、解决办法,1）常用方法用先期完井的方法，将技术套管下到油气层顶部，然后采取尾管射孔或割缝衬管完井2）其它方法分级注水泥方法，降低液柱压力 低密度水泥浆固井泡沫水泥固井,四、注蒸汽热采井,1、主要问题注蒸汽是当前开采稠油最有效的方法之一，由于热采井在生产期将承爱高温条件，套管和水泥会受到严峻考验蒸汽注入温度可达360度，套管受热，内部产生压应力，当超过材料屈服极限时，套管将发生断裂或破坏蒸汽注入或停止，多次反复，会导致接箍漏失和螺纹滑脱损坏随温度升高，水泥石的抗压强度会大幅度下降，从而失去对套管的支撑密闭作用,2、解决方法,采用热采井套管柱套管考虑热应力及热应力循环耐热密封螺纹耐高温水泥提高水泥浆的热稳定性，选用G级水泥加30%石英砂热采井环空全部封固完井方法热采井套管破坏与完井方法密切相关。先期完成的井比射孔完井更不易受到热应力的破坏降低热应力对套管破坏影响的技术提拉预应力固井采用特殊设计，使套管可局部自由伸缩,五、盐岩层固井,1、主要问题盐岩层会破坏钻井液和固井水泥浆性能，而且在钻井过程出现的溶、塌、缩卡并由此形成不规则井径，造成电测遇阻卡，水泥环与碱层胶结差，固井质量不好等复杂情况。1）盐岩层蠕变，将套管挤扁、挤毁而使油井报废物2）由于盐岩层溶解，水泥浆受到污染而改变性能，降低了顶替效率，胶结强度受到影响，固井质量差,2、解决办法,（1）套管设计采用双轴应力方法做生产套管柱设计提高盐岩层的套管抗挤安全系数，选用高强度套管技术套管下深应可能超过盐岩层100m，与生产套管一起在盐层段形成双层套管水泥环封固选用金属密封形式的特殊螺纹套管,（2）注水泥设计使用过饱和盐水水泥浆饱和盐水水泥浆密度应控制大于钻井液密度0.05-0.2g/cm3，失不小加入足量合适的相关外加剂,六、注采调整井,1、主要问题由于长期注水及局部注水不平衡，层间、层内差异更加突出，致使一部分地层（包括非产层）变成了高压层，个别层变成低压层。于是，在一个井筒的纵向上形成层间压力各异的地质剖面，给固井作业带来了很大困难。表现形式：固井后套管外冒油、气和水注水层段水泥浆凝固不好水泥浆纵向窜槽，产层或层间封固不合格固井时漏失，水泥浆返高不够,2、解决办法,坚持静态固井采用双凝水泥，同油气水入侵抢时间争速度用管外封隔器对油气层进行封隔，高压油气水层进行局部封堵，全井防窜改善水泥浆流变性能选用高抗外挤强度套管,七、欠平衡钻井,1、主要问题对油田低压、低渗、裂缝性油气藏的特点是地层漏失压力接近破裂压力，用正常钻井会发生大量漏失钻井液，漏失和堵漏均会伤害油气藏，甚至在录井过程中漏掉油气层。根据这种地质条件，使用欠平衡钻井技术，可以取得良好的效果,2、欠平衡钻井,欠平衡钻井是使入井流体的压力低于所钻地层的压力形成负压，能有效保护储层和发现油气层的钻井技术实施欠平衡的条件：了解目标井的基本地质条件，特别是井壁稳定性要有合适的井身结构、钻井液选择、钻井措施、及特殊情况处理措施等合适的欠平衡施工井口装置、地面控制管汇及设备,欠平衡钻井过程中，起下钻、测井、测试等作业需要压井时，为了减少对地层的伤害及漏失，一般采取近平衡压井。为提高压井成功率，需针对适合各地区的情况选择合适的压井方式，一般有3种方式：套管钻具同时压井法正循环压井法重泥浆帽压井法,3、欠平衡钻井的完井,针对裂缝性或低压油气藏钻井液易漏失的特点，目前只能在欠平衡状态下裸眼完井，或下入割缝衬管悬挂在技术套管尾端完井，在这种情况下，则不能进行完井测井，也不能下套管注水泥射孔完井。若地层压力不是很低，在近平衡钻井液不漏失的条件下，也可采取压井进行完井测井，下套管注水泥、射孔完井，这样做可能对油层会有伤害。,在这一章中,固井套管的设计、套管选择、套管附件、固井方式、固井工程的主要工序、固井技术、特殊地层固井等。,