第七章--固井与完井

第七章固井和完井本章主要内容：●井身结构设计●套管柱强度设计●注水泥工艺技术●钻开生产层技术●完井方法及井底结构第一节井身结构设计一、套管的类型1.表层套管☆用途：1）封隔地表浅水层及浅部疏松和复杂地层，防止井漏。2）安装井口、悬挂和支撑后续各层套管。☆下深：根据地表状况和地层压力特性确定。2.生产套管（油层套管）☆用途：保护生产层，提供油气流动通道。☆下深：根据目的层位置及完井方式而定。3.技术套管（中间套管）☆用途：封隔复杂地层，确保安全顺利钻井。☆下深：根据复杂层位和地层压力特性确定。4.尾管（衬管）悬挂在上一层套管底部的套管，不延伸到井口，可减小负荷和降低成本。深井超深井常用。二、设计内容、原则及依据第一节井身结构设计1.设计内容（1）套管层次和下入深度（2）套管和井眼尺寸的配合（3）水泥返高2.设计原则（1）有效地保护油气层；（2）避免漏、喷、塌、卡等井下复杂事故的发生，保证安全、快速钻进；（3）钻下部高压层采用重钻井液所产生的井内压力，不致压裂上层套管鞋处最薄弱的裸露地层；（4）下套管过程中，井内钻井液液柱压力和地层压力间的压差不致于压差卡套管；（5）当实际地层压力超过预测值而发生井涌时，在一定压力范围内，具有压井处理溢流的能力。二、设计内容、原则及依据第一节井身结构设计3.设计依据（1）地层剖面及复杂层位（2）两个压力剖面：地层压力和地层破裂压力（3）工程数据：抽吸压力系数Sb：0.024～0.048g/cm3激动压力系数Sg：0.024～0.048g/cm3压裂安全系数Sf：0.03～0.06g/cm3井涌允量Sk：0.05～0.08g/cm3压差允值p：PN=15～18MPa，PA=21～23MPa发生溢流关井后，井口回压在溢流井深处的当量钻井液密度。三、套管层次和下深的设计计算方法第一节井身结构设计1.基本思路依据两个压力剖面，以保证钻进套管以下的井段时的最大井内压力梯度不压裂该套管鞋出最薄弱的裸露地层为原则，从全井最大地层压力梯度处开始，由下向上确定套管的层次（技术套管和表层套管）和各层套管的下入深度。1.01.31.61.8当量密度，g/cm3井深破裂压力地层压力油套技套表套三、套管层次和下深的设计计算方法第一节井身结构设计2.计算方法及步骤（1）计算技套下入深度的初选点钻进技套以下井段时，井内压力系统应满足以下条件：)......().(..............................)........(........................................minmaxmaxminmaxmaxmax37271721ffpkdffgdbpdSDDSSSS层：防止溢流关井时压裂地防止下钻压裂地层：平衡地层压力：由（7-2）式或（7-3）式，结合地层破裂压力剖面图可确定技套下入深度的初选点。注意：根据（7-3）式计算初选点时，要采用试算法。21D三、套管层次和下深的设计计算方法第一节井身结构设计2.计算方法及步骤（2）验算技套下到初选点时是否卡套管卡套管的条件是：在下套管的井段内，钻井液液柱压力与最小地层压力的差（最大压差）大于压差允值，即：21D)....().........()(.minmin47108193ANpdPPDP如果在下套管的井段内，最小地层压力在正常地层压力层段，则计算井深应取正常压力层段的最低点。因为在该点处的压差最大。如果在下套管的井段内，最小地层压力在异常压力层段，并在不同井深处存在多个相差不大的最小地层压力，则应分别计算压差，取其中的最大压差，一般在井深最大处。minD三、套管层次和下深的设计计算方法第一节井身结构设计2.计算方法及步骤（2）验算技套下到初选点时是否卡套管21D如果（7-4）式成立，则不会卡套管，初选点即为技套下深，即：。212DD如果（7-4）不成立，则可能卡套管，这时技套的下入深度应小于初选点深度，其实际下入深度可按下述方法计算：)(.....................minmin57108193bpNpperSDPminmin)(.DSPpbpperN310819由可得到不发生压差卡套管所允许的最大地层压力的当量密度：在地层压力剖面图上，可找出允许的最大地层压力当量密度对应的最小井深，即为技套的下入深度（小于）。2D21D三、套管层次和下深的设计计算方法第一节井身结构设计2.计算方法及步骤（3）计算尾管下入深度的初选点并校核是否压差卡套管)......(....................672312kfbfpperSDDSS在技套实际下入深度小于初选点的情况下，需要下一层尾管（称为钻井尾管），其下入深度初选点确定如下：由破裂压力曲线，可得到技套套管鞋处的破裂压力当量密度。按照“钻进套管以下井段的最大井内压力不能压裂上一层套管鞋处的裸露地层”的原则，由（7-3）式可求得钻进下尾管井段时所允许的最大地层压力梯度：2D2f结合地层压力剖面图，用试算法可得到尾管下深的初选点。校核是否发生压差卡尾管，方法同（2）。若不卡套管，则：当，取：；当，按上述方法再设计一层尾管。31D2131DD213DD2131DD三、套管层次和下深的设计计算方法第一节井身结构设计2.计算方法及步骤（4）计算表层套管下入深度设计计算方法与技术套管的相同。需要说明：1）根据两个压力剖面设计套管层次和下深，可能出现不需要表套的情况。此时应根据地表地层情况、井深和地层压力特性等，根据经验和要求确定表套深度。2）表层套管通常下在正常压力层段，一般不会发生压差卡套管，因此可不较核。3.必封点的确定对于压力剖面上无法反映的复杂情况，如：易漏易塌层、盐层等，应根据岩性剖面和钻井经验人为确定。层次和下深视复杂地层的多少和位置确定。某井设计井深为4400m，地层孔隙压力梯度和地层破裂压力梯度剖面如图7-2。给定设计系数：Sb=0.036；Sg=0.04；Sk=0.06；Sf=0.03；△PN=12MPa；△PA=18MPa，试进行该井的井身结构设计。解：由图上查得，ρpmax=2.04g／cm3，Dpmax=4250m．（1）确定中间套管下深初选点D21由：ρf=ρpmax+Sb+Sf+Sk×Dpmax/D21试取D21=3400m并代入上式得：ρf=2.04+0.036+0.03+0.06×4250/3400=2.181g/cm3由破裂压力曲线上查得ρf3400=2.19g/cm3，ρfρf3400且相近。取D21=3400m。四、设计举例第一节井身结构设计（2）校核中间套管是否会被卡由地层压力曲线上看出，钻进到深度D21=3400m时，遇到的最大地层压力就在3400m处。查得：ρp3400=1.57g/cm3，ρpmin=1.07g/cm3，Dmin=3050m。由△P=(ρpmax1+Sb-ρpmin)×Dmin×0.00981△P=（1.57+0.036-1.07）×3050×0.00981=16.037MPa因△P△PN=12MPa，故中间套管下深应浅于初选点。由：在地层压力曲线上查得对应pper=1.435的深度为3200m。最后确定中间套管下深为D2=3200m。bpDppperSNmin00981.0min330500098101243510360071cmgpper/....四、设计举例第一节井身结构设计（3）确定尾管下入深度初选点D31由破裂压力曲线上查得：ρf3200=2.15g/cm3；试取D31=3900m，代入上式算得：pper=2.011g/cm3；由地层压力曲线查得ρp3900=1.94pper=2.011g/cm3，且相差不大，故确定初选点D31=3900m。（4）校核是否会卡尾管计算压差：△P=（1.94+0.036-1.435）×3200×0.00981=16.98MPa因为△P△PA，故确定尾管下深为D3=D31=3900m。06003003601523200312312....DkDDfbfpperSSS四、设计举例第一节井身结构设计（5）确定表层套管下深D1试取D1=850m，代入上式计算得：ρfE=1.737g/cm3。由破裂压力曲线查得ρf850=1.74g/cm3，ρfEρf850，且相近，故确定D1=850m。最后设计结果：0600300360435113200122....DkDDfbpfESSS套管层次表层套管中间套管尾管生产套管套管下深（m）850320039004400四、设计举例第一节井身结构设计1.原则：（1）套管能顺利下入井眼内，并具有一定的环空间隙柱水泥。固井质量要求最小环空间隙不能小于9.5mm（3/8in），最好为19mm（3/4in)，且套管直径越大，间隙应越大。（2）钻头能够顺利通过上一层套管。2.经验配合关系★长期实践形成的经验配合关系（P256，图7-3）★国内常用的配合关系：(17½)133/8——(12¼)95/8——(8½)51/2（26）20—（171/2）133/8—（121/4）95/8—（81/2）7—（57/8）41/2或5五、套管与钻头尺寸的配合第一节井身结构设计第二节套管柱强度设计（1）结构特点优质无缝钢管，一端为在管体上车制的公扣，一端为带母扣的套管接箍。（2）尺寸系列（API标准）直径：41/2”，5”，51/2”，65/8”，7”，75/8”，85/8”，95/8”，103/4，113/4，133/8，16，185/8，20；共14种。壁厚：5.21～16.13mm。（3）钢级（API标准）H-40，J-55，K-55，C-75，L-80，N-80，C-90，C-95，P-110，Q-125。数字×1000为套管的最小屈服强度kpsi。（4）螺纹类型（API标准）短圆（STC）、长圆（LTC）、梯形（BTC）、直连型（XL）一、套管和套管柱1.套管第二节套管柱强度设计一、套管和套管柱2.套管柱通常由同一外径、同一钢级或不同钢级、不同壁厚的套管组成的管柱，套管之间靠节箍连接。二、套管柱的受力分析井下套管柱的受力轴向拉力：自重、弯曲应力、注水泥附加拉力、动载、摩阻等。外挤压力：管外液柱压力、地应力等内压力：地层流体压力、压裂及注水等压力。第二节套管柱强度设计二、套管柱的受力分析1.轴向拉力的计算★套管柱所受到的轴向力主要是套管自重产生的轴向拉力。因此，在常规的套管柱设计中，轴向拉力一般按套管的重力计算。其它一些轴向载荷，如弯曲应力引起的附加拉力、动载荷、注水泥引起的附加拉力、摩阻力等，一般考虑在安全系数之内。★在定向井、大斜度井、水平井的弯曲井段，要加上弯曲应力引起的附加拉力。★在大斜度井、水平井和大位移井的大斜度井段，要考虑摩擦阻力对轴向拉力的影响。第二节套管柱强度设计二、套管柱的受力分析1.轴向拉力的计算iniminiiBsdiniiminiioLqLqKLqFLqF11111)(……………………….（7—7）………….（7—8）★套管自重产生的轴向拉力，自下而上逐渐增大，在井口处达到最大。★国内在套管设计中，轴向拉力一般按套管在空气中的重力计算。但在考虑轴向拉力对套管抗挤强度的影响时，按套管的浮重计算。第二节套管柱强度设计二、套管柱的受力分析2.外挤压力的计算在常规的套管柱设计中，套管所承受的外挤压力一般按套管完全掏空时的管外钻井液液柱压力计算。DPdoc819.……………………….（6—10）显然，套管住所受到的外挤力，在井底最大，在井口处最小。第二节套管柱强度设计二、套管柱的受力分析2.内压力的计算在套管柱设计中，国内外普遍采用以下方法计算套管的内压力：有效内压力=井口压力+（管内液柱压力-管外液柱压力）一般地讲，套管内流体（天然气、油或钻井液）的密度小于或等于套管外流体（钻井液）的密度。因此，套管柱