第四章完井固井技术

第四章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）–油层套管表层套管技术套管（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13×9×7×5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：–6.20mm–6.98mm–7.72mm–9.17mm–10.54mm•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：–133/8in—95/8in—51/2in、–133/8in—75/8in—51/2in（扩眼增加间隙）–复杂井况，有时也采用133/8in—103/4in—7in2、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：ElectricResistanceWeld）。–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、