《固井完井》PPT课件.ppt
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1、第三章 固井、完井,第一节 固井 定义:在钻出的井眼内下入套管,并在套管与井眼之间注以水泥浆,使套管与井壁固结在一起的工艺过程,叫固井。一、固井的目的1)封隔地下各油、气、水层,使互不串通。2)为井的投产建立生产通道。3)封闭暂时尚不开采的油气层4)保证井自始自终处于人的控制之下,当遇紧急情况需要压井时,不会压裂地层增加问题的严重性。对海洋很重要。5)为安装井口防喷装置创造条件。6)封隔对钻井液要求相互矛盾的地层。7)钻井时遇到的井塌、井漏、高压层等情况,用调整钻井液性能不易解决或可能留有隐患时,用下套管、注水泥的办法封隔,清除隐患,保证钻井的顺利进行。,地层,套管,水泥,二、井身结构定义:是
2、指1)下几层套管,即套管层次、尺寸;2)各层套的直径是多少及各下多深。3)各层套管的水泥返高多少;4)套管、钻头直径如何配合,井身结构设计是钻井工程设计的基础设计,是实施,如图8-1。,导管,套管,水泥,(一)、各层套管的功用1、导管:它不属于井身结构各层套管之内。钻进时需要循环钻井液,返出的钻井液要经过振动筛、钻井液槽等固控设备流回,这就需一个高度。这时就是利用导管将钻井液出口抬高。导管是薄壁管子,下入导管坑中用水泥砂浆固定。2、表层套管:为了控制溢流、井喷等紧急情况,需要安装井口防喷装置。这些装置就安装在表层套管上。井喷关井时的巨大向上载荷就由表层套管承担。它是无缝钢管,是第二次下入井内的
3、套管,直径最大。它的功用是:1)安装井口,承担井喷关井时的向上载荷。2)承担以后几层套管的部分重量。3)加固地表层松软土层、流砂层,保证钻井 4)封隔地层破裂压力小的地层,防止井喷压井时压裂地层,见图。,3、技术套管:亦称中间套管,是为了保证钻井工作的顺利进行而下的,其功用是:1)按可能使用的最大钻井液密度考虑,保护有可能被压裂的地层;2)封隔漏、塌、喷地层;3)解决上部与下部地层对钻井液密度提出的相互矛盾的要求。4)解决可能出现的各种困难(或复杂)问题。它是下在表层套管与油层之间的。可以下多层,也可以不下,由具体情况条件而定。浅井:地质条件不复杂,技术套管少或没有深井:地质条件复杂,技术套管
4、层多。技术套管保证满足不等式PfPdPp。,4、油层套管:油井钻完以后下的最后一层套管,直径最小。功用以封隔油、气、水层,以及不同物性的油气层,以利于分层开采,防止底水并形成生产通道,或用以封堵不开采的油气层。,确定井身结构,主要根据地质条件、钻井技术水平和采油、采气的技术要求。首先确定出所需的套管层数,每层的下人深度和水泥返高,然后再根据采油生产的需要确定出油层套管的尺寸,逐层向外再确定各层套管的尺寸和相应的钻头尺寸。套管的层数、每层套管应下人的深度是根据井眼所穿过的地层情况确定的。确定的原则是保证在继续向深处钻进中,当钻遇高压地层而需要提高洗井液的密度时,不致将井筒内裸露的上部薄弱地层压裂
5、。合理的设计是依据本地区的地层压力和地层破裂压力两条曲线进行的。,(二)、井身结构的确定,1、各层套管下入深度,按地层破裂压力设计各层下入深度。2、地层的各压力参数是钻井工程设计和施工的基础参数,依此才能进行合理的井身结构设计。地层的四个压力参数(或四个压力剖面)即:a、地层压力;b、破裂压力;c、坍塌压力;d、地应力 所谓地层压力剖面就是地层压力随井深的变化。如图8-2,就是随井深的加深而增大的。,3、按实际情况决定各层套管下入深度 如确知井下压力不高,不压裂地层之时,可不必按破裂压力来确定各层套管的下入深度。而按该地区的实际情况而定,这样节省套管,节省水泥,减少施工程序。,1)导管5-10
6、m2)表层套管,下到地层较坚硬处,一般50-100m或更深3)技术套管,由具体情况而定4)油层套管,下到设计井深,由完井方法定4、水泥返高:注水泥的目的是为了封隔地层,也是为了封固地层,防止以后钻进、修井等作业时碰撞晃动而脱落,各层套管的水泥返升高度由井底算起。1)表层套管,返至地面2)技术套管,返至到拟封闭地层以上50-100m,但最少应有150-200m的返高,以固定套管。3)油层套管,水泥通到油层以上50-100m,对高压井的防止漏气,有时返至地面。,5、套管与钻头的配合,即套管尺寸(外径)与钻头直径的配合,井眼与钻 头有时在10-20%或更大,但还是按钻头直径来讨论。6、井身结构方案
7、各方案的表示方法是“表层套管技术套管油层套管”在确定井身结构时,尽量节约套管和水泥,这可以大大地降低成本。但是在确定探井的井身结构时,应当根据地层压力、破裂压力设计各层套管的下入深度,不应片面追求长裸眼,尽量把不同压力系统的地层和复杂地层段隔住。套管程序上要留有余地,即应有备用层,以便中途改变套管程序时可多下一层技术套管,这对探井特别重要。对于地下情况比较熟悉的开发井,可以简单些。表8-1 目前我国油田现场常用的井身结构方案,7、尾管,一般,各层管都是由地面下到预计深度,为了节省套管及减轻管柱重量以减少下套管、注水泥的困难程度,采用在上层套管内向下延伸,即只下下边的一段,该方式称为下尾管,这段
8、套管叫尾管。下完尾管,继续钻井时,尾管上的技术套管可能受磨而降低强度,以至损坏,所以有可能将尾管按回到地面,所以尾管上有回接接头。,三、下套管(一)、套管柱的外载1、轴向载荷:主要是拉力。拉力过大,将引起连接丝扣(圆扣)被拉坏而断裂。而管体被拉断的情况很少,不允许存在轴向压力,只在较少场合下出现受拉压力(为什么?防止弯曲,不居中)1)浮力:套管在井内钻井液中因管体排开钻井液而受到浮力。套管受浮力的效果可以认为是套管的线密度因浮力作用而变小,其影响用浮力系数计算,表示管柱受浮力后剩余重量为其在空气中重要的百分数。,2)自重:由自重引起的轴几拉力由下而上逐渐增大,在井口处达到最大(同钻柱)。管柱也
9、可能由几段不同线密度的套管组成,拉力由下式计算:T=qiLi式中:T井口套管所受到轴向拉力,N;qi某种套管在钻井液中的线密度,kg/m;Liqi段长度,m。3)初拉力:为了防止弯曲,套管不允许承受轴向压缩力。实际中,当套管外水泥没有返升到地层时,井口以下的一段套管外无水泥固结,称为自由段,为了防止自由段套管弯曲,应在安装套管头固定套管时,给此段套管以大于其重量的拉力,即使其处于受拉的状态,这个力就叫初拉力。井产资后,井内温度升高,自由套管将因热而伸长。在定初拉力时也应把这段伸计算进去,这样保证各段都处受拉状态。,2、外挤压力定义:外挤压力是因为套管柱外流柱压力大于套管内液柱,压力而引起的。外
10、挤压力超过套管抗挤强度时,套管将被挤毁。受挤程度:下套管时,管内外为同一密度的钻井液,不存在内外液柱压力(但如为了取得浮力而掏空时而有,但不大)。注定环凝固而成为固体后,一般也还是按原用钻井液密度或盐水考虑其液柱压力;在试井时,生产时套管内钻井液排聘书,井内液柱压力小于管外的。钻井时发生井漏、井喷,使井周钻井液减少而产生外挤力,由于各种情况都有可能发生,在考虑外挤力时,多按套管内全部被掏空,管外液体按原打开时间的钻井液密度计算:P=9.8 L P套管柱所受外挤压力,Pa;套管外钻井液密度,kg/m3;L套管柱长度。由上式看出,外挤力是井底最大,井口最小,为零。,3、内压力:来源于内压力(最大内
11、压力等于地层压力)或进行压裂等特殊作业(最大内压力等于地面泵的出口压力)。由于管外还有外挤压力,将抵消一部分内压力,故内压力是井口最大,由井口向下愈来愈小。4、附加外载:不确定因素,如动载,井壁摩擦力,弯曲应力等,多以安全系数的方式计入。,(二)套管的强度设计1、安全系数:目前国内都是采用API标准的套管,抗拉安全系数 ST,抗挤安全系数 SC,抗内压安全系数 Si,在水泥环部位的抗挤安全系数降到0.85。2、等安全系数法:套管柱由数段强度不同(钢线或壁厚不同,也可能是连接丝扣的长度、扣型不同,或兼而有之)的套管组成。各段套管的危险断面处的安全系数是相等的。3、等拉力余量法:不同强度的套管用相
12、同的安全系数,则其为安全而储备的强度的绝对值是不同的,即强度越大,强度余量越大。,对一下井的套管柱来说,对自重以外的载荷,只能决定于其中的最薄弱环节,即拉力余量最小的断面,其余强度大的套管的较大余量则毫无用处。为了充分利用管柱强度,应采用等拉力余量法。即使每种强度的套管的拉力强度余量都相等。依此来进行设计。拉力余量以200-250KN为宜。4、双轴应力法:等安全系数法与等拉力余量法皆是分别计算抗挤与抗拉,认为它们之间互相无影响。对管柱较短时是属此情况,井口拉力最大,井底外挤力最大,中间两者都不大,只要满足上、底强度即可,但根据第四强度理论,拉力与外挤力联合作用时,抗挤强度将降低,所以套管柱较长
13、时,计算抗挤强度时,必需考虑因拉力带来的抗挤强度的降低。,(三)、套管柱下部结构(1)引鞋:装在套管柱底部的圆锥形带循环孔的短节,如图8-3所示,起引导套管的作用,防止套管插入井壁或刮挤井壁的泥饼,多用生铁、硬木水泥制成,以便钻头钻掉。(2)套管鞋:用套管接箍做成,下端成45度内斜坡,引导钻具的接头、钻头上提时挂碰套管的底端,最后一层套管可不装,图8-4。(3)旋流短节,见图8-5,作用有利于将钻井液、水泥浆旋流上返,提高顶替效率,保证注水泥浆的质量。(4)套管回压凡尔,图8-6,作用在下套管时减轻套管的重量,注水泥过程中其结束后,防止水泥浆、钻井液回流,保证水泥浆的上返高度,在技套、油套上使
14、用,装在旋流短节之上。(5)承托环也叫生铁圈,是控制水泥塞高度的,有的与(4)做成一体,也是要钻掉的。(6)扶正器:如图8-7,作用使套管层,提高固井质量,在斜井中必须使用。,(四)、下套管1、准备;2、下套管,四、注水泥(一)、流程1)下完套管以后,循环钻井液洗井(a);2)(b)(放入下胶塞或)打隔离液,注入水泥浆;3)水泥浆注完以后,放(上)胶塞,替入钻井液。下胶塞到底被挡住之后,水泥浆瞥破下胶塞,自其孔中流出,从管外环空上返(c);4)替钻井液到(上)胶塞下行至与生铁圈(下胶塞)相碰时,注水泥工作结束。两塞相碰叫碰压,此时泵压突然升高(d);5)如果水泥返得很高,可以用双级注水泥,即把
15、注水泥工作分成两步来做,每一步的做法与上述相同。还有分级注水水泥。,(一)、流程,8,(二)、注水泥设备1)水泥车:是一种专用车辆,车上装有出口压力较高的泵,供注水泥之用。2)水泥混合漏斗见图6-18,一般是经漏斗配成的水泥浆立即打入井中。这样密度无法精确控制。新的设备是配浆部分自成体系,配好后在体系里循环,调整好密度后才打入井中。3)胶塞:用来隔离套管内水泥浆与钻井液,不使相混,刮净管内壁上附着的钻井液或水泥浆。4)灰罐、灰罐车,用以盛装水泥。,(三)、油井水泥 油井中使用最多的水泥为硅酸盐水泥,它与建筑用水泥类似,不同点为油井水泥要求较快凝固,较高的早期强度,及能耐地下水的腐蚀等。1、AP
16、I级别定义及使用范围 目前API标准的水泥级别分为A、B、C、D、E、F、G、H、J级,每一级别都有每一级别的成份要求,以及的使用的范围。a、定义:A、B、C、D、E与F级油井水泥,是硅酸钙为主要成分的水泥熟料,加入适量石膏和助磨剂,磨细制成的产品。在粉磨与混合D、E、F级水泥般的过程中,允许掺加适宜的调凝剂,并要求助磨剂对强度没有负面影响。G、H级油井水泥,主要成分与前面相同。加入适量的石膏或石膏和水,磨细制成的产品,在粉磨与混合G、H级水泥过程中不允许掺加任何其它外加物。J级油井水泥,符合标准规定的J级水泥的物理性质的产品。,b、使用范围:A级:深度:0-1828.8m井深,温度至76.7
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