石油工程概论第9章固井、完井与试油.ppt

第9章 固井、完井与试油,主要内容,固井,射孔方案设计,试油,完井方式,第一节 固井,固井定义：在钻出的井眼内下入套管柱，并在套管柱与井壁之间注入水泥浆，使套管与井壁固结在一起的工艺过程。,主要包括：下套管和注水泥两个过程。,第一节 固井,一、固井的目的,1、安装井口装置，以控制钻进过程中遇到的高压油气水层；,2、巩固疏松井段，隔离复杂地层（如盐膏层、水敏性泥页岩）；,3、封隔地下油气水层，防止上下串通；,4、封隔暂不开采的油气层；,5、钻井或作业中出现井喷时，不会因压井而压裂上部地层；,6、为油气生产建立长期稳定的通道。,1 套管2 水泥环3 气层4 油层5 水层,二、井身结构,定义：一口井中下入套管的层次、下入深度、井眼尺寸与套管尺寸的配合，以及各层套管外水泥返高等。,水泥返高：指固井时套管与井壁之间水泥环上升的高度，常指水泥环上端到井口方补心的距离。,oil zone,井身结构(Casing Program),技术套管,表层套管,油层套管,17 1/2”13 3/8”12 1/4”9 5/8”8 1/2”7”,高危气井,针对气藏：富含H2S（如罗家寨气田、普光气田等）高温高压和富含CO2的气藏（如南海莺琼盆地等）深层超压气藏（如塔里木克拉2气田）高压凝析气藏（如塔里木牙哈气田）,在建井及生产作业中：难度最大风险最高花费昂贵 寿命较短,某高温高压气井井身结构,2006年4月30日0：00时开钻，70135ZY钻井队,各层套管的作用,表层套管：封隔上部松软的易塌、易漏地层，安装防喷器等井口设备，以控制钻开高压层时可能发生的井喷现象（水泥浆通常返至地面）。,技术套管（中间套管）：封隔某些难以控制的复杂地层（易塌、易漏地层等），以便能顺利地钻达预定的生产目的层（水泥浆通常返至要封隔的复杂地层顶部100m以上）。,生产套管（油层套管）：封隔油、气、水层，保证油井的正常生产（水泥浆通常返至要封隔的油气层顶部150m以上）。,井身结构设计原则（安全、优质、快速钻进，降低钻井成本）：,（1）能有效地保护油气层，使不同压力梯度的油气层不受泥浆污染损害。（2）应避免漏、喷、塌、卡等复杂情况产生，为全井顺利钻进创造条件，使钻井周期最短。（3）钻下部高压地层时所用的较高密度泥浆产生的液柱压力，不致压裂上一层套管鞋处薄弱的裸露地层。（4）下套管过程中，井内泥浆液柱压力和地层压力之间的压差，不致产生压差卡套管事故。,三、下套管,1、定义：,将按强度要求设计好的套管及其附件组成的套管柱下入井眼内的工艺。,2、套管性质：,油井用套管使用无缝钢管制成的，长度一般为10m左右，要满足钻井和采油的需要，必须要有足够的强度。,2、套管性质：,套管抗拉强度,套管抗挤强度：,套管所受的轴向拉力：自重、附加应力（套管弯曲引起的、注水泥引起的）。,外挤压力：管外液体的压力、地层中流体压力、高塑性岩石的侧向挤压力和压裂时的挤压力。,套管抗内压强度：,内压力：地层流体进入套管产生的压力、特殊作业时（压裂、酸化、注水）所实施的压力。,3、套管柱设计：尺寸设计、强度和密封性设计,设计方法：等安全系数法、双轴应力法、等拉力余量法。,设计原则：考虑了安全附加量的外载等于套管的强度。,普遍使用：使组成套管柱的各段套管的最小安全系数等于规定的设计安全系数。,四、注水泥,水泥浆是由干水泥和水配制而成。注水泥时，用一套专用设备（水泥车、混合漏斗、灰罐车）将水泥浆按设计用量注入井内，使其返至套管外设计的位置。,下完套管之后，把水泥浆泵入套管内，再用钻井液把水泥浆顶替到管外环形空间设计位置的作业称之为注水泥。,油井使用最多的为硅酸盐水泥，与建筑水泥类似，但其性能有特殊之处。要求油井水泥具有较高的早期强度、较短的候凝时间和较强的耐腐蚀能力。,（1）硅酸三钙 水泥的主要成分，一般的含量为40%65%对水泥的强度，尤其是早期强度有较大的影响 高早期强度水泥中含量可达60%65%，缓凝水泥中含量在40%45%（2）硅酸二钙 含量一般在24%30%之间 水化反应慢，强度增长慢 对水泥的最终强度有影响。,1、油井水泥的主要成分,硅酸三钙,硅酸二钙,铝酸三钙,铁铝酸四钙,（3）铝酸三钙 促进水泥快速水化 其含量是决定水泥初凝和稠化时间的主要因素 对水泥浆的流变性及早期的强度有较大的影响 对硫酸盐极为敏感 对于有较高的早期强度的水泥，其含量可达15%。（4）铁铝酸四钙 对强度影响较小，水化速度仅次于 早期强度增加较快，含量为8%12%。除了以上四种成分外，还有石膏、碱金属的氧化物等。,2、水泥浆性能,油井水泥要求水泥浆具有良好的流动性，在注水泥中途不会变稠凝固，注到预定位置以后，则要求尽快凝结硬化，形成致密而坚硬的水泥石。,水泥浆密度 干水泥密度 3.053.20 水泥浆密度 1.801.90 水灰比：水与干水泥重量之比。,水泥浆的稠化时间 水泥浆从配制开始到其稠度达到其规定值所用的时间。API标准：从开始混拌到水泥浆稠度到 100 BC（水泥 稠度单位）所用时间。注水泥的全过程必须在水泥浆稠化之前完成，否则出现“贯肠”水泥浆在套管内凝结为水泥石。,水泥浆的凝结时间 从液态转变为固态的时间，比稠化时间长。对于封固表层及技术套管，希望水泥能有早期较高的强度，以便尽快开始下一道工序，通常希望固完井侯凝 8 h左右，水泥浆开始凝结为水泥石，其抗压强度可达 2.3 MPa 以上即可开始下一次开钻。(“短候凝”固井技术),水泥浆的失水 一般用30 min 的失水量表示。水泥石强度 能支撑和加强套管 能承受钻柱的冲击载荷 能承受、酸化压裂等增产措施作业的压力水泥石的抗蚀性 主要应能抗硫酸盐腐蚀,3、水泥的外加剂（1）加重剂：重晶石、赤铁粉等，可使水泥浆密度达到 2.3（2）减轻剂：硅藻土、粘土粉、沥青粉、玻璃微珠、火山灰等。可使水泥浆的密度降到1.45（3）缓凝剂：丹宁酸钠、酒石酸、硼酸、铁铬木质素磺酸钠、羧甲基羟乙基纤维素等。（4）促凝剂：氯化钙、硅酸钠、氯化钾等（5）减阻剂：奈磺酸甲醛的缩合物、铁铬木质素磺酸钠、木质素磺酸钠等。（6）降失水剂：羧甲基羟乙基纤维素、丙烯酸胺、粘土等。（7）防漏失剂：沥青粒、纤维材料等,4、特种水泥（1）触变性水泥：当水泥浆静止时，形成胶凝状态，但在流动时胶凝状态被破坏，它的流动性是良好的。（2）膨胀水泥：水泥浆凝固时，体积略有膨胀。一般用于高压气井。（3）防冻水泥：用于地表温度较低地区的表层套管固井。（4）抗盐水泥：（5）抗高温水泥：（6）轻质水泥：,青海某井的固井质量要求,固井质量要求：水泥环与套管壁、井壁胶结致密用声幅或变密度测井评价胶结质量,17 1/2”13 3/8”12 1/4”9 5/8”8 1/2”7”,第二节 油气井完成,完井（油气井完成）定义：是使井眼与油气储层连通的工序，是钻井工作的最后环节，包括钻开油气层、确定完井方法、安装井口装置和试油。完井质量直接影响到油气井的生产能力和寿命。,完井方式要求：,(1)保持最佳的连通条件，油层所受的损害最小；,(2)应具有尽可能大的渗流面积，入井的阻力最小；,(3)有效地封隔油、气、水层，防止窜槽及层间干扰；,(4)有效防止油层出砂和井壁坍塌，确保油井长期生产；,(5)应具备便于人工举升和井下作业等条件；,(6)施工工艺简便，成本低。,一、完井方式（完井方法）,常规完井方法主要有4种：,套管或尾管射孔完井（perforating）,割缝衬管完井(Slotted Liner),裸眼完井(Open-hole),裸眼或套管内砾石充填完井(Gravel Packed),广泛采用的完井方法，90%以上,(一)裸眼完井方法,指完井时井底的储集层是裸露的，只在储集层以上用套管封固的完井方法。根据下油层套管的先后，分为先期裸眼完井和后期裸眼完井两大类。,后期裸眼完井：先打开储集层，后将油层套管下入油气层顶部固井。,先期裸眼完井：钻至油气层顶部时，先下入油层套管固井，然后换小尺寸的钻头，用符合打开油气层条件的优质钻井液打开油气层裸眼完成的完井方法。,后期裸眼完井方法,产层全部钻穿后应继续钻进一段，留足口袋停钻。口袋长度一般在10m以上。作用：作沉砂袋，避免油层出砂造成砂堵，丢射孔抢等。,裸眼完井的特点：暴露面积大，产量高，完井费用低，但适应性窄，仅适用于地层稳定的单一油气层，无法进行选择性酸化或压裂等。,(二)射孔完井方法,套管下到油气层底部，固井后射孔打开油气层。使用最多的完井方法，占90。在射孔完井的油气井中，射孔孔眼是沟通产层和井筒的唯一通道。,套管射孔完井尾管射孔完井,射孔完井方法,(二)射孔完井方法,优点 可选择性地射开油层，避免层间干扰；有利于进行分层试油、分层开采、分层酸化压裂、分层注水等作业。,缺点 油气层受钻井液和水泥浆的侵害较为严重；由于射孔数目、深度、孔径有限，导致油气层与井底连通面积小，油气流入井内阻力大。,套管射孔完井方法,孔密：1020孔/m，最多36孔/m孔径：1625mm，孔深：,尾管射孔完井方法,特点 除具有套管射孔完井方法的优点外，还可以减少套管用量和固井水泥的用量，从而降低完井成本。,完井方法(Completiom),1、射孔完井,2、裸眼完井,(三)割缝衬管完井方法,同先期裸眼完井法一样，在钻达油气层之前即下套管固井，然后钻开油气层，再下衬管（即带割缝眼的套管），使割缝处正对油气层。,割缝衬管完井方法,(四)砾石充填完井方法,对于一些油气层较疏松，出砂较严重的井，为了更好地支撑井壁，防止形成砂堵，采用砾石充填完井方式。,常见的防砂完井方式有：裸眼砾石充填完井套管内砾石充填完井,砾石充填的空间不同,砾石充填完井法一般都下入筛管。,筛管类型：,绕丝式、割缝式、多孔材料烧结式，以绕丝筛管最常用。绕丝筛管用绕丝间的缝隙阻挡砂粒。绕丝筛管的缝隙宽度最小可达0.12mm，适用范围广（割缝衬管受割刀强度限制，最小0.5mm，只适用于中、粗砂粒油层）；绕丝筛管以不锈钢丝为原料，其耐腐蚀性强，使用寿命长，综合经济效益高。,直接充填,先将绕丝筛管或衬管下入油层部位，然后用充填液将在地面上预先选好的砾石泵送至绕丝筛管与井眼或绕丝筛管与套管之间的环形空间内，形成砾石充填层，阻挡油层砂流入井筒，达到保护井壁、防砂入井的目的。,预制充填,在地面预先将符合油层特性要求的砾石填入具有内外双层绕丝筛管的环形空间而制成的防砂管，将筛管下入井内，对准出砂层位进行防砂。,按砾石充填时间可分为：直接充填和预制充填。,裸眼砾石充填完井：,在钻开产层之前下套管固井，然后钻开产层并在产层段扩眼，下入筛管，在井眼与筛管间的环空中充填砾石。砾石和筛管对地层的出砂起阻挡作用。,套管内砾石充填完井：在下入套管射孔的井中如有出砂，可在出砂井段下筛管，在筛管和油层套管之间的环空中充填砾石。属于二次完井。,尾管：射孔完井（注水泥）；衬管：割缝（不注水泥）；筛管：填充砾石。,水平井多采用裸眼、筛管等方式完井。（套管不易下入),水平井多采用裸眼、筛管等方式完井。（套管不易下入),水平井多采用裸眼、筛管等方式完井。（套管不易下入),水平井多采用裸眼、筛管等方式完井。（套管不易下入),二、完井方式选择,三、完井井口装置,井口装置的作用：,悬挂井下油管柱、套管柱是密封油管、套管和套管与套管之间的环形空间以控制油气井生产、回注（注蒸汽、注气、注水、酸化、压裂和注化学剂等）和安全生产的关键设备。,井口装置包括套管头、油管头和采油（气）树三部分,井口装置,三、完井井口装置,第三节 射孔方案设计,一、射孔参数设计,主要考虑的问题：,参数组合的产能比、套管损害情况和孔眼的力学稳定性,1.资料准备,收集射孔枪、弹的基本数据,进行射孔弹穿深、孔径校正,计算钻井损害参数,2.射孔参数优选过程,建立各种储层和产层流体条件下射孔完井产能关系数学模型,获得各种条件下射孔产能比定量关系；,收集本地区、邻井和设计井有关资料和数据，用以修正模型和优化设计；,调配射孔枪、弹型号和性能测试数据；,校正各种弹的井下穿深和孔径；,计算各种弹的压实损害系数；,计算设计井的钻井损害参数；,计算和比较各种可能参数配合下的产能比、产量、表皮系数和套管抗挤毁能力降低系数，优选出最佳的射孔参数配合。,孔深、孔密与油井产能比关系曲线,影响油井射孔产能的因素,孔深、孔密、孔径、相位角、伤害程度、伤害深度、压实程度、压实厚度及非均质性等,相位角和各向异性与油井产能比关系曲线,孔径与油井产能比关系曲线,油井射孔压实程度与产能比关系曲线,二、射孔工艺设计,射孔方式、射孔枪、弹和射孔液选择,正压射孔负压射孔,正压射孔：井筒内的液柱压力高于储集层压力时进行射孔。缺点：射孔液在正压下侵入孔道，对储集层造成污染；负压射孔：采用低密度射孔液或是降低液柱高度使井筒的液柱压力低于储集层压力时进行的射孔。其能够减少储集层在射孔中的污染。,（一）射孔方式选择,电缆输送套管枪射孔,油管输送射孔(TCP),油管输送射孔联作,电缆输送过油管射孔(TTP),超高压正压射孔,高压喷射和喷砂射孔,射孔液对油层可能造成损害,射孔液固相颗粒损害,射孔液滤失造成损害,射孔液速敏造成损害,（二）射孔枪、弹选择,有枪身射孔和无枪身射孔,（三）射孔液选择,密度可调节,腐蚀性小,高温下性能稳定,无固相,低滤失,成本低、配制方便,射孔液性能要求,射孔液体系,无固体清洁盐水射孔液,聚合物射孔液,油基射孔液,酸基射孔液,用电缆将射孔器送入井内，对准油气层,仪器车发出指令，射孔弹射穿套管、水泥环，并深入油气层，三者连通，形成油气通道。,第四节 试 油,试油：,根据地质录井资料和测井资料解释结果、钻井过程中油气显示等资料，利用一套专用的设备和方法，对可能出油的层位的油气水产量、温度、压力及油气水性质进行直接测量，以鉴别和认识油气水层的工作。,试油目的：,为勘探开发提供依据,试油时，下入油管。,一、试油的任务及工作内容,主要任务：,(1)了解储层及流体性质，为附近同一地层的其它探井提供重要的地质资料；,(2)查明油、气田的含油面积及油水或气水边界以及驱动类型，为初步计算油气工业储量提供必要的资料；,(3)了解储层产油气能力和验证测井资料解释的可靠程度；,(4)整理和分析试油资料结果，确定油井合理工作制度，为制定油田开发方案时确定单井生产能力提供依据。,主要工作：,诱导油流和测试,二、诱导油流方法,替喷法、抽汲法、气举法,替喷法：用密度较低的液体将井内密度较高的洗井液循环替出，达到降低井内液柱压力的目的，从而使油气畅流入井。,二、诱导油流方法,替喷法、抽汲法、气举法,抽汲法：用下入油管内的特殊抽子进行，抽子在油管内高速上提下放，把井内部分液体经油管逐步抽出地面，从而降低井内液柱高度，降低井内液柱压力，而使油气流顺利入井。,气举法：类似于替喷法，从环形空间注入压缩气体。,三、试油工艺,注水泥塞试油,用封隔器分层试油,中途测试工具试油,四、试油资料,(1)产量数据,(3)压力数据,(2)原油及水的特性资料,(4)温度数据,油气流通过油管、采油树到达地面,本章重点1、固井定义与目的；2、井身结构的定义与设计原则；3、各层套管的作用；4、完井方法及特点（重点掌握裸眼完井和射孔完井方法）。,考试1、10月23日下午3:30-5:30 教室待定2、题型：名词解释(20分)判断题(20分)简答题(60分)带考试证3、留学生开卷考试,第1章 岩石的工程力学性质 第2章 钻井方法及工艺 第3章 钻井设备和工具 第4章 钻井液 第5章 钻进工艺技术 第6章 定向钻井第7章 油气井压力控制 第8章 井下复杂情况与事故处理 第9章 固井、完井与试油,