最新完井固井技术PPT课件

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。
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—7in
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
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。
（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。
第四节 复杂类型井 的生产套管及固井技术
• 本节拟就各种复杂类型井的生产套管及 注水泥工作加以归纳总结，指出应考虑 的主要问题及解决问题的基本思路与方 法
一、高温高压气井
1、主要问题
• 高压气井固井后，地层流体层间互窜及井 口冒气是国内外迄今固井质量存在的问题
• 高压气井油气窜冒的主要原因就是由于水 泥浆失重造成的
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。
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
一、概述
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。
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
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。
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、下灰装置、配浆装置、 水泥头及管汇等组成。 （1）水泥车
– 水泥浆在凝固过程中，浆柱压力不断降低，称 水泥浆失重。失重后，地层流体会侵入环形空 间形成窜槽，破坏水泥石的密闭作用；有时还 会窜入其它低压储层，形成层间互窜
（2）注前置液和水泥浆
– 在此过程中要保持连续施工和水泥浆混配密度均匀、 合适
（3）压胶塞
– 水泥浆注完后，在胶塞顶部先替入一定量的清水，将 胶塞压下，叫“压胶塞”
（4）替钻井液与碰压
– 当胶塞下行坐于浮箍上的阻流环时，将循环孔堵塞， 压力便突然升高，叫做“碰压”。标志着替浆结束
注水泥结束后，套管要进行“试压”。检查套管的密封性， 而后水泥浆“候凝”。最后进行固井质量检测。
• 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
2、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 ： Electric Resistance Weld）。
– 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
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、
（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。
（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。
（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：
– 6.20 mm – 6.98 mm – 7.72 mm – 9.17 mm – 10.54 mm
• 同时也可以单位长度的质量来表示套管的壁厚
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。
– 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。
• 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
–水泥车泵送设备能够以不同的排量连续工作。
（2）下灰装置
–水泥由下灰装置供给，下灰装置主要由空气压缩机、输 气管、贮灰罐、出灰管、碟形Leabharlann Baidu门等组成
（3）配浆装置
–配浆装置主要由供水管线、混灰漏斗、喷嘴、混合器、 排出管及灰浆池等部分组成。
2、注水泥施工过程
（1）洗井（注水泥准备）
– 下完套管后，注水泥之前，循环钻井液洗井一般要两 周左右
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）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
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。
–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