高含硫气井钻井

降低应力水平的井身结构设计
第二种： 第二种：在上部采用特厚壁套管同时降低钢级 在上部采用特厚壁套管同时降低钢级以提高硫化物开裂抗力 以提高硫化物开裂抗力， 在上部采用特厚壁套管同时降低钢级以提高硫化物开裂抗力，一些 含硫化氢的气井应优先采用这些方法。例如，美国 含硫化氢的气井应优先采用这些方法。例如，美国1972年在派尼伍 年在派尼伍 兹西南气田气井下6 兹西南气田气井下 5/8"（φ168mm）油层套管，由于含硫化氢，不 （ ）油层套管，由于含硫化氢， 宜用高强度套管。因此采用了钢材屈服强度仅586Mpa（屈服强度 宜用高强度套管。因此采用了钢材屈服强度仅 （ 85Ksi）的特厚壁套管，壁厚28.6mm。 ）的特厚壁套管，壁厚 。 第三种： 第三种：上大下小的复合套管柱和油管柱 这不仅有利于降低应力水平，以便采用较低钢级的套管， 这不仅有利于降低应力水平，以便采用较低钢级的套管，而且有 利于下入大直径油管以适应高产气井抗冲蚀的要求。 利于下入大直径油管以适应高产气井抗冲蚀的要求。
硫化氢气井的井身结构设计方法
（1）满足以临界应力百分比为基础的抗内压设计安全系数 ） J55和K55套管管体和接箍：临界应力百分比大于或等于 和 套管管体和接箍： 套管管体和接箍 临界应力百分比大于或等于80%，安全 ， 系数大于或等于1/0.8=1.25； ； 系数大于或等于 L80，C90和T95，临界应力百分比大于或等于 ， 和 ，临界应力百分比大于或等于90%，安全系数大于 ， 或等于1/0.9=1.11。 。 或等于 C110ksi级别的抗硫钢种未列入标准，其临界应力百分比由厂家提 级别的抗硫钢种未列入标准， 级别的抗硫钢种未列入标准 供，设计者认可。设计者可按上述方法计算设计安全系数。安全系数大 设计者认可。设计者可按上述方法计算设计安全系数。 于或等于1/0.85=1.17 于或等于 GB aq2102石油天然气安全规程：抗挤 —1.125，抗内压 石油天然气安全规程： 石油天然气安全规程 抗挤1— ，抗内压1-1.25
硫化氢气井的井身结构设计方法
（2）按三维 ）按三维MISES应力核算安全系数 应力核算安全系数 若前述（ ）不符合要求，按三维MISES应力核算安全系数，MISES 应力核算安全系数， 若前述（1）不符合要求，按三维 应力核算安全系数 三轴应力计算安全系数应大于1.25，参照NORSOK STANDARD D-010 ，参照 三轴应力计算安全系数应大于 Rev.3， August 2004 《Well integrity in drilling and well operations》标 ， 》 准，MISES三轴应力计算安全系数应大于 三轴应力计算安全系数应大于1.25。 三轴应力计算安全系数应大于 。 生产套管和技术套管、油管均应按上述方法取抗内压设计安全系数， 生产套管和技术套管、油管均应按上述方法取抗内压设计安全系数，并 且不考虑外挤压力和水泥环的补偿作用。 且不考虑外挤压力和水泥环的补偿作用。 酸性环境管柱设计的安全系数： 应力核算安全系数?? 酸性环境管柱设计的安全系数：MISES应力核算安全系数 应力核算安全系数 ISO10400和API 5C3中已规定了 和 中已规定了MISES应力的计算方法。 应力的计算方法。 中已规定了 应力的计算方法
压力控制技术研究[常规井控] 常规井控]
常 规 井 控 ： 较 为 成 熟 常规压井是指发生溢流后关井控制了井口，井内有钻 常规压井是指发生溢流后关井控制了井口， 柱，能进行循环作业，节流管汇的节流阀能操作并能 能进行循环作业， 控制井口回压的条件下的压井作业过程。其主要特点 控制井口回压的条件下的压井作业过程。 是：钻头在井底或者在喷层，地面高压系统能满足压 钻头在井底或者在喷层， 井过程控制回压。 井过程控制回压。 工程师法、司钻法、边循环边加重法、超重密度压井 工程师法、司钻法、边循环边加重法、 法。 现有井控理论、软件是基于常规井控，常规井控技术 现有井控理论、软件是基于常规井控， 较为成熟。 较为成熟。
硫化氢气井的井身结构设计方法
（4）降低应力水平的设计 ） 降低结构的应力水平可提高酸性环境材料的抗开裂能力， 降低结构的应力水平可提高酸性环境材料的抗开裂能力，或延长 服役寿命。 服役寿命。 在低应力水平下，裂纹扩展速度降低或发生断裂的时间延长。 在低应力水平下，裂纹扩展速度降低或发生断裂的时间延长。在 低应力水平下，材料可抗较高分压的硫化氢含量； 低应力水平下，材料可抗较高分压的硫化氢含量； 在较高应力水平下，材料不发生环境断裂的硫化氢分压就会很低。 在较高应力水平下，材料不发生环境断裂的硫化氢分压就会很低。 在硫化氢环境中，如果构件有裂纹存在， 在硫化氢环境中，如果构件有裂纹存在，即使外部应力低于材料的 屈服强度，断裂也会发生。 屈服强度，断裂也会发生。描述以上概念的材料和力学方法是环境 断裂力学。 断裂力学。
1、高含硫气藏高效钻井技术研究 、
研究内容的合理性及可行性 能做出什么成果？是否有所创新？ 能做出什么成果？是否有所创新？ （1）高含硫气藏井身结构优化设计 ）
涉及到安全、 涉及到安全、效率 井身结构
层数、下深、 层数、下深、钻头尺寸与套管尺寸的配合 套管管材选择及强度设计
工程地质研究（岩性、压力预测） 工程地质研究（岩性、压力预测）
井控工具装备及工具研制
防硫橡胶件的研制 处于超临界的二氧化碳对橡胶件的危害极大
井控工艺技术 气侵早期监测 高压超高产气井井控技术研究
高含硫气藏防漏堵漏技术 高含硫环境下入井管材（套管、钻杆、油管）、井口装置的选择 高含硫环境下入井管材（套管、钻杆、油管）、井口装置的选择 入井管材 ）、 主要是导致环境断裂、 导致腐蚀、 （H2S主要是导致环境断裂、CO2导致腐蚀、二者同时存在时导致 主要是导致环境断裂 导致腐蚀 腐蚀及环境断裂） 腐蚀及环境超临界态CO2、H2S的相态特征研究
超临界态具有特殊的相态特征，具有粘度小、扩散系数大、 超临界态具有特殊的相态特征，具有粘度小、扩散系数大、 密度大、流动性好、良好的溶解度和传质特性，并且在临界点 密度大、流动性好、良好的溶解度和传质特性， 附近对温度和压力尤为敏感。 附近对温度和压力尤为敏感。 流体的气态、液态和超临界态的性质比较 流体的气态、
除硫剂类型及用量及其对钻井液性能的影响
2－（2）高含硫气井井控技术研究 －（2
高含硫气井相态特征研究 超临界CO 超临界CO2、H2S相态
主 要 研 究 内 容
高含硫气井环空流动行为研究 气体溶解度计算模型 压力场、温度场预测 压力场、 压力平衡判断与处理 常规井控措施 优点：操作简单、 优点：操作简单、技术 成熟。 成熟。 缺点： 缺点：不能对付某些复 杂井喷事故。 杂井喷事故。 非常规井控措施 高压超高产气井井控技术
建议的井身结构规划 超深井，含硫气井、过膏/盐层井 第三类 超深井，含硫气井、过膏 盐层井
五层套管 钻头：26″×17 1/2″× 12 ¾”或13 1/8″×9 1/2″×6 1/2″×4″ 套管：20″×14 3/8″×10 ¾” 六层套管(11”或11 1/8″) 钻头：26″×17 1/2″×13 1/8″×9 1/2″×7 1/2″×5 ½ 套管：20″×14 3/8″×10 3/4″×8″（8 1/8”）×6 1/4″×4 1/2″ 六层套管 钻头：26″×17 1/2″×12 ¾”或13 1/8″×9 1/2″×7 1/2″×5 1/2 套管：20″×14 3/8″× (11”或11 1/8″) 8″（8 1/8”）×6 1/4″× 4 1/2″ ×7 5/8 ″×5″
降低应力水平的井身结构设计
改进井身结构设计是降低应力水平最有效的方法， 改进井身结构设计是降低应力水平最有效的方法， 降低应力水平有三种方案： 降低应力水平有三种方案： 第一种：套管回接。 第一种：套管回接。 在深井中一次性地下入套管柱，特别是油层套管， 在深井中一次性地下入套管柱，特别是油层套管，必然会遇到井口部 分轴向拉力大，需要用高钢级套管。 分轴向拉力大，需要用高钢级套管。 但在酸性环境，又不允许使用高钢级套管， 但在酸性环境，又不允许使用高钢级套管，而应采用较低屈服强度 的钢种。采用套管回接技术，尾管部分用钻杆下入， 的钢种。采用套管回接技术，尾管部分用钻杆下入，下入回接套管就 可减少一部分井段的重量， 可减少一部分井段的重量，因此可用厚壁低钢级套管以提高应力腐蚀 开裂抗力。 开裂抗力。 例如：有的油层套管为了提高应力腐蚀开裂，设计需要使用C125以上 例如：有的油层套管为了提高应力腐蚀开裂，设计需要使用 以上 的钢种，采用回接技术后，不用C125，更低的T95、C95、Ｌ 就可使 的钢种，采用回接技术后，不用 ，更低的 、 、Ｌ80就可使 、Ｌ 用。因此使用尾管长度应综合考虑全套管柱的应力分配。 因此使用尾管长度应综合考虑全套管柱的应力分配。
(11”、 11 1/8″)
1、高含硫气藏高效钻井技术研究 、
（2）高陡构造防斜打快技术 ）
多稳定器下部钻具组合 偏轴钻具 小角度单弯螺杆钻具 VDS
（3）高效破岩方式方法研究 ）
气体钻井 可钻性和钻头优选、 可钻性和钻头优选、个性化钻头设计 复合钻井
2、高含硫气藏安全钻井工艺技术 、
高含硫气井井控技术
陆相地层坍塌压力： 陆相地层坍塌压力：空气钻井 海相地层孔隙压力、 海相地层孔隙压力、破裂压力预测是一个世界性的难题 海相地层漏失压力：提高地层承压能力、 海相地层漏失压力：提高地层承压能力、承压试验验证
硫化氢气井的井身结构设计方法
降低应力水平的设计 应力水平概念 应力水平也可用无量刚数表示， 应力水平也可用无量刚数表示，即VME（VON MISES EQUIVALENT） （ ） 应力与钢材单向拉伸最小屈服强度（ 应力与钢材单向拉伸最小屈服强度（MYS）的百分比。在硫化氢、氯化 ）的百分比。在硫化氢、 物及二氧化碳环境中，降低应力水平是最重要的设计原则之一。 物及二氧化碳环境中，降低应力水平是最重要的设计原则之一。高压气 井会有较大内压力，井眼上部油套管承受较大拉伸应力。 井会有较大内压力，井眼上部油套管承受较大拉伸应力。 应力水平应包括下述三类： 应力水平应包括下述三类： 结构VME（VON MISES EQUIVALENT）应力，即当量复合应力。例 （ 结构 ）应力，即当量复合应力。 如按ISO10400计算的油管或套管管体在拉压弯和内外压外载下的当量复 计算的油管或套管管体在拉压弯和内外压外载下的当量复 如按 合应力。 合应力。 局部VME（VON MISES EQUIVALENT）应力，主要指应力集中。油 （ 局部 ）应力，主要指应力集中。 管连接螺纹和加厚消失点会产生较大应力水平或应力集中。 管连接螺纹和加厚消失点会产生较大应力水平或应力集中。 拉伸残余应力（ ），残余应力与制造方法有关 拉伸残余应力（residual tensile stresses），残余应力与制造方法有关。 ），残余应力与制造方法有关。 ISO15156已规定了不同制造方法消除残余应力的要求。 已规定了不同制造方法消除残余应力的要求。 已规定了不同制造方法消除残余应力的要求
硫化氢气井的井身结构设计方法
（1）满足以临界应力百分比为基础的抗内压设计安全系数 ）
酸性环境油气井套管和油管设计安全系数的取值与一般井不 同。 ISO10400和API 5C3中的套管和油管强度是按材料名义屈服 和 中的套管和油管强度是按材料名义屈服 强度计算的，抗内压设计安全系数可取为1.0。 强度计算的，抗内压设计安全系数可取为 。 抗硫管材的性能要求只保证在一定硫化氢酸性水溶液环境中 不会发生开裂的拉伸应力值，这个应力值称为环境断裂临界应 不会发生开裂的拉伸应力值，这个应力值称为环境断裂临界应 力，它与材料屈服强度的百分比称为临界应力百分比。不同套 它与材料屈服强度的百分比称为临界应力百分比。 管的临界应力百分比不同