固井和完井讲解

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1、第七章 固井和完井 l固井：下套管、注水泥 井身结构设计 套管柱设计 注水泥技术 l完井 钻开生产层 完井井底结构 完井井口装置 固井质量的 核心问题就 是套管柱的 强度和环形 空间的密封 及胶结质量 问题。 1 第一节 井身结构设计 l主要包括套管层次和每层套管的下深，以及 套管和井眼尺寸的配合。 一、套管的分类及作用 1、表层套管 2、生产套管（油层套管 3、中间套管（技术套管） 4、尾管（衬管） 2 第一节 井身结构设计 一、套管的分类及作用一、套管的分类及作用 1、表层套管 l封隔地表浅水层及浅部疏松和复杂地层； l安装井口、悬挂和支撑后续各层套管。 2、生产套管（油层套管）：钻达目的

2、层后下入的最 后一层套管，用以保护生产层，提供油气生产通道 。 3、中间套管（技术套管） l在表层套管和生产套管之间由于技术要求下 入的套管，可以是一层、两层或更多层。 l主要用来封隔井下复杂地层。 4、尾管（衬管） 3 二、井身结构设计的原则 1、有效地保护油气层； 2、有效避免漏、喷、塌、卡等井下复杂事故发生，保证 安全、快速钻进； 3、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。 4 三、井身结构设计的基础数据 l 地层岩性剖面、地层孔隙压力剖面、地层破裂压力剖 面、地层坍塌压力剖面。 l 6个设计系数： 抽系压力系数Sb：0.024 0.048

3、g/cm3 激动压力系数Sg：0.024 0.048 g/cm3 压裂安全系数Sf： 0.03 0.06 g/cm3 井涌允量Sk： 0.05 0.08 g/cm3 压差允值p：PN1518 MPa ， PA2123 MPa 5 四、确定套管层次和下深的基本思路 依据两个压力剖面，以保 证钻进时井内最大压力不 压裂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 油 套 技 套 表 套 地层压力 6 五、裸眼井段应满足的力学平衡条件 7 p f pmax Dpmax fc

4、1 D21 pmin Dpmin 8 六、套管层次和下深的设计方法 计算出f ，在破裂压力曲线上查出f 所在井深D21 ，即为 中间套管下深初选点。 1、求中间套管下入深度的初选点 （1）不考虑发生井涌 由裸眼井段应满足的力学平衡条件： 9 1、求中间套管下入深度的初选点 （2）考虑可能发生井涌 由裸眼井段应满足的力学平衡条件： 用试算法计算出D21值即为中间套管下深初选点。 说明：一般情况下，在新探区取以上两种条件下D21较大的值。 六、套管层次和下深的设计方法 10 2、验证中间套管下到深度D21是否有被卡的危险 由裸眼井段应满足的力学平衡条件 若p pN（ 或pA），则中间套管深度应小于

5、初选点深度。 需根据压差卡钻条件确定中间套管下深。 六、套管层次和下深的设计方法 11 求在允许压差pN（ 0rpA ） 下所允许的裸眼井段最大 地层压力pper ： 在地层压力曲线上找出pper 所在的深度即为中间套管下 深D2。 12 3、求钻井尾管下入深度的初选点D31 l用试算法求D31。试取一个D31，计算出pper ，与D31处的实际地层压 力当量密度比较，若计算值与实际值接近，且略大于实际值，则确定 为尾管下深初选点；否则，另取D31进行试算 。 4、校核尾管下入到D31是否有被卡的危险 l 校核方法与中间套管的校核方法相同。 l根据中间套管鞋D2处的地层破裂压力当量密度f2 ，

6、求出继续向下 钻进时裸眼井段所允许的最大地层压力当量密度： 13 l 根据中间套管鞋处的地层压力当量密度p2 ，计算出若钻进到深 度D2发生井涌关井时，表层套管鞋D1处所承受的井内压力的当量 密度： l用试算法确定D1。试取一个D1，计算fE ，计算值与D1处的地层破裂 压力当量密度值比较；若计算值接近且小于地层破裂压力值，则确定 D1为表层套管下深。否则，重新试取D1进行试算。 5、计算表层套管下入深度D1 14 七、设计举例 某井设计井深为 4400 m，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

7、；PA =12 MPa；PN=18 MPa，试进行 该井的井身结构设计。 解：由图上查得， pmax=2.04 gcm3， Dpmax=4250 m （1）确定中间套管下深初选点D21 由： f =pmax+Sb+ Sf + Sk Dpmax/ D21 试取D21=3400m并代入上式得： f =2.04+0.036+0.03+0.06 4250/3400=2.181 g/cm3 由破裂压力曲线上查得f3400=2.19 g/cm3， f 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=320

8、0m。 17 （3）确定尾管下入深度初选点D31 由破裂压力曲线上查得： f3200=2.15g/cm3； 由： 试取D31=3900m，代入上式算得：pper=2.011g/cm3； 由地层压力曲线查得p3900=1.94 r , r 可以忽略。变 为双向应力问题。 由第四强度理论，得出 套管在双向应力作用下 的强度破坏条件： 29 按拉为正、压为负，根据强度破坏条件可画出椭圆图形： 50 50 50 50100100 100 100 拉伸压缩 外挤 内涨 30 双向应作用下套管强度的变化： n第一象限：拉伸与内压联合作用，轴向拉力的存在 下使套管的抗内压强度增加。 n第二象限：轴向压缩与内

9、压联合作用。在轴向受压 条件下套管抗内压强度降低。 n第三象限：轴向压应力与外挤压力联合作用。在轴 向受压条件下套管抗外挤强度增加。 n第四象限：轴向拉应力与外挤压力联合作用。轴向 拉力的存在使套管的抗挤强度降低。由于这种情况在套管柱 中是经常出现的。因此在套管柱设计中应当考虑轴向拉力对 抗挤强度的影响。 31 考虑轴向拉力影响时的 抗外挤强度计算公式： 32 四、套管柱强度设计 目的：确定合理的套管钢级、壁厚、以及每种套管的井深区间。 1、设计原则 n满足强度要求，在任何危险截面上都应满足下式 ： 套管强度外载安全系数 n应能满足钻井作业、油气层开发和产层改造的需 要； n在承受外载时应有一

10、定的储备能力； n经济性要好。 l安全系数： q抗外挤安全系数： Sc=1.0； q抗内压安全系数： Si=1.1； q套管抗拉力强度（抗滑扣）安全系数 ： St=1.8。 33 2、各层套管柱的设计特点 n表层套管：主要考虑内压载荷。 n技术套管：既要有较高的抗内压强度，又 要有抗钻具冲击磨损的能力。 n油层套管：上部抗内压，下部抗外挤。 34 3、套管柱设计的等安全系数法 该方法基本的设计思想是使各个危险截面上的最小安全系数 等于或大于规定的安全系数。 （1）基本设计思路 计算本井可能出现的最大内压力，筛选符合抗内 压强度的套管； 下部套管段按抗挤设计，上部套管段按抗拉设计 ，各危险断面上

11、的最小安全系数要大于或等于规定安全系数 ； 通式： 套管强度外载安全系数 水泥面以上套管强度要考虑双向应力的影响； 轴向拉力通常按套管在空气中的重量计算；当考 虑双向应力时，按浮重计算。 35 （2）设计步骤 例题：某井177.8mm（7英寸）油层套管下至3500m，下套管时的 钻井液密度为1.30g/cm3，水泥返至2800m，预计井内最大内 压力35MPa，试设计该套管柱（规定最小段长500m）。 解：规定的安全系数： Sc=1.0， Si=1.1， St=1.8。 计算最大内压力，筛选符合抗内压要求的套管 抗内压强度Pimax Si =38500 kPa p筛选套管： C-75，L-80

12、，N-80，C-90，C-95 ，P-110。 p按成本排序： N-80 C-75 L-80 C-90 C-95 P-110 36 按抗挤设计下部套管段，水泥面以上进行双向应力校核； 1）计算最大外挤力，选择第一段套管； 查表：N-80，t1=10.36 mm，q1=0.4234kN/m，pc1=48401kPa， Fs1=3007 kN， Fst1= 2611.1 kN 。 37 2）选择第二段套管；（选择强度低一级的套管；确定第一段套管 的长度，进行第一段的抗拉强度校核） 查表： N-80，t2=9.19 mm，q2=0.3795kN/m， pc2=37301kPa，Fs2=2686.7

13、kN，Fst2= 2308.6 kN 。 计算第二段套管可下深度D2,确定第一段套管长度L1； 38 p双向应力强度校核，最终确定D2，L1； D2=2900m 2800m，超过水泥面，考虑双向应力影响； 危险截面：水泥面2800m处。 解决办法：将第一段套管向上延伸至水泥面以上。 预定 D2=2700m，L1=800m。 39 p重新进行双向应力强度校核： （按照以上同样的方法进 行） 套管1：危险截面为2800m处，Sc=1.29 1.0 安全 套管2：危险截面为2700m处，Sc=1.02 1.0 安全 p计算套管抗拉安全系数： 最终结果：D2=2700m，L1=800m。 40 3）选

14、择第三段套管，确定第二段套管长度 查表： N-80，t3=8.05 mm，q3=0.3358kN/m，pc3=26407kPa， Fs3=2366.5 kN，Fst3= 1966.1 kN 。 考虑双向应力影响，确定第三段套管可下深度； 由： 采用试算法，取D3=1700m，计算得：Sc=1.03，安全。 41 p计算第二段顶部的抗拉安全系数 最终结果：D3=1700m，L2=1000m。 42 还有上部1700m的套管需进行设计，转为抗拉设计； 1）计算第三段套管按抗拉要求的允许使用长度L3； 实取：L3=1100m 则：Fm3=718+11000.3357=1087 kN 43 2）确定第

15、四段套管的使用长度 查表：应比第三段套管的抗拉强度高， N-80，t4=10.36 mm，q4=0.4234kN/m，pc4=48401kPa， Fs4=3007 kN， Fst4= 2611.1 kN 。（与第一段所用套管相同） 计算第四段套管的许用长度： 实际距井口还有600m，取L4=600m。 44 校核第四段下部的抗挤强度： 最终确定L4=600m，D4=600m。 最终设计结果 45 第三节 注水泥技术 l 注水泥目的：固定套管、有效封隔井内的油气水层。 l 本节内容：油井水泥；水泥浆性能；提高注水泥质量的措施。 l 注水泥的基本要求： （l）水泥浆返高和套管内水泥塞高度必须符合设

16、计要求 ； （2）注水泥井段环空内的钻井液全部被水泥浆替走，不 存在残留现象； （3）水泥石与套管及井壁岩石有足够的胶结强度，能经 受住酸化压裂及下井管柱的冲击； （4）水泥凝固后管外不冒油、气、水，环空内各种压力 体系不能互窜； （5）水泥石能经受油、气、水长期的侵蚀。 46 一、油井水泥：一种硅酸盐水泥 l 对油井水泥的基本要求： （1）水泥能配成流动性良好的水泥浆，且在规定 的时间内，能始终保持这种流动性。 （2）水泥浆在井下的温度及压力条件下保持性能 稳定； （3）水泥浆应在规定的时间内凝固并达到一定的 强度； （4）水泥浆应能和外加剂相配合，可调节各种性 能； （5）形成的水泥石应有很低的渗透性能等。 47 1、油井水泥的主要成分 （1）硅酸三钙3CaOSiO2（简称C3S） 水泥的主要成份，含量一般为 4065。对水泥的强度，尤其