石油钻探固井技术.ppt

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1、1,硕士2002级 现代完井工程,石油钻探固井技术,2,概述井身结构设计套管及套管柱设计油井水泥及水泥浆设计影响注水泥质量的因素,3,概述,1.固井的概念 固井在井眼中下入适当尺寸及强度的套管柱，然后用水泥浆封固套管与井壁之间的环形空间的作业。包括：套管与下套管 水泥与注水泥,4,概述,2.固井的目的封隔易塌、易漏等复杂地层，保证钻井顺利进行；封隔油气水层，建立油气流出通道，防止产层间互窜；进行增产措施；安装井口。,5,概述,3.固井的内容套管及下套管,水泥与注水泥,6,概述,4.对固井质量的要求套管有足够的强度能承受井下各种外力作用，抗腐蚀、不断、不裂、不变形。水泥环有可靠的密封环空封固段不

2、窜、不漏、能经受高压挤注的考验。,7,概述,5.固井工艺流程(1)井眼准备；钻井至预定井深后测井、通井并清洗井眼(循环钻井液12周)起钻、下套管、安装水泥头及注水泥地面管汇再循环钻井液12周；(2)打隔离液或前置液(一般用量为环空高度100m左右)；(3)释放下胶塞注水泥(领浆、中浆、尾浆)；(4)释放上胶塞替钻井液;(5)碰压(上胶塞下行至套管承托环,泵压突然升高,通常 5.0 MPa)，注水泥结束。,概述,6.工艺介绍下套管注水泥候凝检测评价,9,概述,7.固井的特点(1)固井作业施工时间短。例：3500m 9-5/8 套管固井作业，下套管约12:0016:00，注水泥约3:004:00；

3、(2)作业属一次性工程，且质量要求高，事后补救困难(补救质量可控性差、成功率低、费用高)。据资料(美国、海洋)，补救作业费用与基本注水泥作业费的比值为:表层套管固井：55 技术套管固井：15 尾 管 固 井：120 产 层 固 井：84(3)材料用量大，成本高。一般为钻井总成本的1530。,10,第一节 井身结构设计,一.井身结构设计的内容套管的层次；各层套管的尺寸与下入深度；井眼尺寸(钻头尺寸)与深度；水泥返高。,11,二.井身结构确定的原则能有效的保护油气层，使不同压力梯度的油气层不受钻井液的污染。应避免漏、喷、塌、卡等复杂情况发生，为全井顺利钻进创造条件。钻下部高压地层时，所用较高密度钻

4、井液形成的液柱压力，不压裂上层套管鞋处薄弱的裸露地层。下套管过程中，应不发生压差卡套管。套管与井眼、下次钻进的钻头与套管内径之间，应有合理的间隙。,12,三.井身结构设计中所需的基础数据 1.地质方面的数据 岩性剖面及故障提示；地层孔隙压力剖面；地层破裂压力剖面。2.工程类数据 抽吸压力与激动压力允许值；地层压裂安全增值；井涌条件；压差允许值。,13,四.套管与井眼尺寸的选择与配合 生产套管的尺寸应满足采油的要求；据产能、油管大小、增产措施以及井下作业等要求。对于探井，要考虑设计原井深是否需要加深；实际地与层原地质预报有可能存在差异，是否留可增加中间套管层次的余地。要考虑到工艺技术水平以及管材

5、、钻头等的库存情况。地质复杂情况、取岩心尺寸要求、井眼曲率等。,14,第二节 套管柱设计,一、套管规范简介套管受到各种类型外力作用，须具有一定强度。外载大小、类型不同，所需的强度要求也不同，须有一系列不同尺寸、不同强度的套管。即套管系列。对所用的套管系列作一个统一规定，叫套管规范。规定了套管生产的尺寸、钢级、壁厚、连接方式等。目前一般使用的美国API套管规范。其规定的有关性能主要有。,15,1、尺寸系列（又叫名义外径或公称直径）41/2，5，51/2，65/8，7，75/8，85/8，95/8，103/4，113/4，16,285/8，20，30.,16,2、钢级系列API钢级有10种：H,J

6、,K,N,C,L,P,Q,X.非标准的钢级，也较广泛使用，如NKK,S,SS,V等。API规定钢级代号后面的数字乘以1000 psi(6894.8Pa)即为该钢材的最小屈服强度。如:N-80 801000psi但也有个别例外:S-80 55KpsiSS-95 80Kpsi,17,3、套管螺纹类型与螺纹连接API标准螺纹类型：短园螺纹，STC,CSG,C1长园螺纹，LTC,LCSG,C2梯型螺纹，BTC,BCSG,C33直连型螺纹，XL,XCSG,C11X与螺纹类型相对应的螺纹连接也有四种。螺纹连接指套管本体与结箍之间的连接。另有一些非标准螺纹由厂家定义。,18,如何选用这些套管，选择原则：外载

7、安全系数 套管强度,19,二、套管外载分析与套管强度计算（一）载荷分类与特点1 静载特点：长期作用、联合作用在套管上。类型：轴向拉力径向外挤压力径向内压力弯曲附加拉力温差应力,20,(1)轴向拉力：T 自重：W 浮力：F T=W-F,21,(2)径向外挤压力：管外液柱压力P1地层挤压P2环空加压P3,22,(3)径向内压力：管内流体压力压裂作业等压力,23,2 动载特点：瞬时地、单一地作用在套管上。起下钻时速度变化产生的动载阻、卡套管时提拉动载摩擦动载碰压动载密度差产生的附加拉力,套管柱在井下所受的主要外力有哪些？,24,作用在套管上的主要载荷是：轴向拉力 Tb=W-F外挤压力 Pc内压力 P

8、i,25,（二）轴向拉力与套管抗拉强度1、轴向拉力计算1.1套管自重产生的轴向拉力,浮力对轴向载荷有减小作用，因此，设计时考虑与不考虑浮力时的选用的安全系数应有一定区别。,26,(1)不考虑浮力时套管自重拉力分布规律：在套管柱上由下向上逐渐增大。最大值位置：井口处。计算公式：,T 井口处套管轴向拉力,KNq 单位长度套管的重量，N/mL 套管长度，m,27,(2)考虑浮力时套管自重拉力 浮力考虑方法：浮力系数法，台阶力法(按集中力考虑)计算式(浮力系数法)：,Tb套管在钻井液中的重量，KNBF 浮力系数,28,1.2弯曲附加拉力 如果井眼存在较大的井斜变化或狗腿度时，由于套管弯曲效应的影响将增

9、大套管的拉力负荷，特别是在靠近丝扣啮合处，易形成裂缝损坏，由于API套管的连接强度没有考虑弯曲应力，所以设计时应从套管的连接强度中扣除弯曲效应的影响，其计算公式见有关资料。,29,1.3 其它附加拉力 在一般的套管设计中，没有具体考虑附加拉力，而是通过安全系数的选用，将它们包括在内。,30,2 轴向拉力作用下的套管强度(抗拉强度）2.1 轴向拉力作用下套管的失效形式(1)丝扣（接箍）滑脱(2)丝扣断裂(3)管体断裂(4)氢脆,31,2.2 套管抗拉强度的选用抗拉强度min丝扣部分抗拉强度，管体抗拉强度,32,（三）外挤压力与套管抗挤强度1 外挤压力计算1.1外挤压力的计算考虑方法：管内按全掏空

10、的 最危险状态考虑。计算方法：,Pe外挤压力，MPaH 计算点深度，mm 管外泥浆(或盐水)密度，g/cm3,33,外挤力分布：沿井深增加，最大在井底。说明：a.水泥环有一定的承载能力，实际的外挤力在水泥面以下要小得多，可分段考虑；b.在有易流动塑性地层的情况下（如盐岩层、泥盐层），套管所受的外挤力应按上覆岩层的压力梯度计算；c.在很多井中，并不可能发生全掏空的外挤状态，故按上面方法计算出的外挤力偏大，这样便可能造成选择套管的浪费。现行的方法是：根据各层套管具体可能出现的最大工况，按有效载荷计算。,34,1.2有效外挤压力计算计算方法：Pe=Pc-Pi 其中Pi的计算方法不同，也使得Pe有多种

11、算法。,35,2 套管的抗挤强度（单一外力作用）2.1 套管在外挤力下的失效形式套管径厚比的范围不同，套管破坏的形式也有所不同，其变化相似于受压直杆件的破坏。细长杆压弯（失稳）短粗杆塑性变形破坏,36,套管按径厚比分类为：厚壁：D/t 10中厚壁：10 30 D 套管直径；t 套管壁厚。套管失效形式：主要是失稳破坏，而不是强度破坏。失稳后的套管被挤扁或破裂。,37,2.2 套管抗挤强度计算 API根据上面套管的不同失效形式，给出了一套抗挤强度计算公式，即：最小屈服抗挤强度最小塑性抗挤强度最小塑弹性抗挤强度最小弹性抗挤强度具体公式见有关教材。,38,3 套管在多向载荷作用下的强度变化与计算3.1

12、套管双轴应力椭圆a.方程建立 由材料力学理论可知，套管在外载作用下，其单元体上受三个正应力作用，,z轴向应力t周向应力r径向应力,39,这三个应力共同作用时合成应力为（Mises方程）：,根据第四强度理论，可得套管在多向应力下的强度条件为：c s其平衡方程有：,40,在这三个应力中，r t,故在上面方程中忽略其影响后可得出方程：,式中，z/s和t/s分别表示轴向应力和周向应力在屈服应力中占的比例。,41,b.方程意义反映z、t与s之关系，表示套管所受多向载荷时，套管内轴向应力与周向应力的关系。,42,从该椭圆中，可看出z与t的变化关系为象限 z/st/s 载荷状态 影响 0 0 拉伸内压 z，

13、t 0 压缩内压 z，t 00 拉伸外挤 z，t,43,3.2轴向拉力作用下套管抗挤强度的计算a.计算公式,44,b.计算K直接由Tb/Ts计算K查表求K法,45,（四）内压力与套管抗内压强度1 内压力计算考虑状态：内压力最大一般为井喷关井后或酸化压裂时。内压分布：以井口为最大(无外挤压力)。计算方法：按井口关闭，全井充满天然气计算：井口压力Ps为：,Pb地层压力,46,以井口装置的许用最高压力作为井口压力以有效内压力计算,有效内压力有效内压力井口压力管内压力管外压力,47,2 套管的抗内压强度2.1套管在内压作用下的失效形式套管在内压力下的破坏一般属于强度破坏。2.2抗内压强度的计算 套管管

14、体和接箍处的抗内压强度可能不一致，故需同时计算套管管体与丝扣处的抗内压强度。公式：,薄壁圆筒理论0.875允许套管壁厚12.5%的变化,W接箍直径d1管末端的接箍扣根直径,48,三、套管柱设计方法(一)设计原理套管柱设计，实际上就是怎样选择套管，使其能满足井下各种外载状态的方法。1.选择依据,外载安全系数 套管可用强度,49,选择原则：应能满足钻井、开发和产层改造的工艺要求，能满足各种条件下各种作业情况以及地层的要求；考虑一定的安全储备；经济性。,50,工程上对选择套管的有关限制：在要求抗腐蚀的条件下，应先选用抗硫套管或高一钢级的套管；套管段数和种类的数量不应太多，一般应小于45段；井口一根套

15、管应为全井最大壁厚；对复杂井要计算井口的瞬时最大载荷。,51,2 选择步骤a.确定套管在井下可能遇到的最大外载情况；b.确定使用的安全系数范围：根据套管强度的计算方法和室内套管强度的试验，井下套管受力状态的考虑以及使用的套管设计方法等因素，确定一个可用的安全系数范围.抗挤：，一般为抗拉：，一般为抗内压：1.00-1.75,一般为1.10-1.33,常用1.10,52,c.计算出不同井深下套管所需的各种强度，从现有套管中选择出满足这些要求的套管；d.对所选套管进行校核和调整,53,3 等安全系数设计法3.1设计原则 即要求所设计的各段套管的最小安全系数应等于规定的安全系数值。,实际安全系数套管强

16、度/计算外载,54,3.2设计考虑的外载状态轴向力：考虑浮力作用下的套管自重（弯曲段加弯曲应力）外挤力：管内全掏空时的最危险状态，有特殊地层段单独按上覆岩层压力梯度设计内压力：以有效内压力考虑,55,3.3设计顺序：外载特点:井底位置主要受外挤压力作用最大；在井口部位主要受拉力与内压力作用较大。设计顺序:,56,3.4设计步骤：,确定设计条件：安全系数、外载计算方式按内压筛选套管求井底外挤力，选第一段套管选第二段套管，计算其可下深度计算第一段套管长度和有关安全系数选第三段套管选套管，按套管抗拉强度计算其可下深度注意：抗挤应按双轴应力进行计算,57,第三节 油井水泥及水泥浆设计,水泥与水混合配成

17、的水泥浆，注入到套管与井眼的环空中，经一定时间的凝结和硬化封固环形空间。固井质量的基本要求之一，是要有可靠的密封性。这便要求使用的水泥在强度等性能方面均具备较高的指标。而影响油井水泥这些性能的因素与它内部的矿物成分的含量是密切相关的。,58,油井水泥生产过程 水泥生料(碳酸盐矿物、粘土质原料和调节材料)经粉碎、磨细、混合，在1450高温下焙烧，加入一定量的石膏磨细。水泥熟料 加石膏、粉碎 油井水泥,59,一、油井水泥组成与水化凝结过程,1 油井水泥的主要矿物成分硅酸三钙：3CaOSiO2 简写：C3S硅酸二钙：2CaOSiO2 简写：C2S铝酸三钙：3CaOAl2O3 简写：C3A铁铝酸四钙：

18、4CaOAl2O3Fe2O3简写：C4AF这四种矿物成分占总量的87以上，各种组分在水泥的水化过程中有不同的特性。故组成水泥的各种组分的比例不同，其水泥的性能也有所不同，即不同类型的水泥。,60,2 矿物成分对水泥性能的影响(1)硅酸三钙：在一般硅酸盐水泥中含量最高，是水泥产生强度的主要化合物。水化反应速度快，早期强度发展快、最终强度大。(2)硅酸二钙：水化反应慢，强度增长慢，能在长时间内逐渐增大水泥石的强度。,61,(3)铝酸三钙：是促进水泥快速水化的化合物，是决定水泥初凝和稠化时间的主要因素。对水泥浆的流动性有显著影响，并对硫酸盐的侵蚀十分敏感，因此，高抗硫酸盐水泥必须控制其含量3%或更低

19、。(4)铁铝酸四钙：水化速度仅次于铝酸三钙，早期强度增长快，但早期强度与最终强度差别不大，且强度的绝对值不大，对水泥强度贡献很小，含量过大可使强度过早减退。C3A和C4AF的生成，主要是为降低水泥生产的烧结温度，加入了Al2O3、Fe2O3。,62,凝结硬化时间,水泥石强度,(4)矿物成分对强度的影响,63,通过调节水泥矿物成分的含量，便可获得各种适用于不同要求的油井水泥，如：性能要求实现方法高的早期强度 增加C3A、C3S含量、细磨缓凝性能好 控制C3A、C2S含量、粗磨低水化热 限制C3A、C3S含量高抗硫能力 限制C3A3，C3A+2C4AF24,64,油井水泥的类型(1)API标准 A

20、、B、C、D、E、F、G、H、J九个级别。其中，G、H两级为基本水泥。即可通过加入外加剂和/或外掺料达到其它类型的特性，J级水泥目前已有逐步被取消的趋势。(2)现行国家标准 按API标准，目前主要有G、H级。J级质量控制标准不严，实际质量不稳定。(3)原国产标准 45、75、95、120。已不使用,65,3 水泥的凝结与硬化(1)水化反应水泥矿物与水混合后，发生水化反应，生成各种水化产物。水泥浆将逐渐由液态转变为固态，这个过程叫水泥的凝结与硬化过程。,66,水泥的水化反应：a.C3A的水化反应b.C3S,C2S,及C4AF的水化反应c.水化的C3A和二水石膏的水化反应随着水化的不断进行，水泥浆

21、中的硅酸盐水化合物，铝酸盐水化合物、铁铝酸盐水化物等在容液中的浓度不断增加，逐渐使微小晶体形成凝聚结构，从而促成水泥的凝结和硬化。,67,(2)水泥的凝结与硬化“凝聚结晶”理论基本思想认为水泥在凝结和硬化过程要形成两种不同类型的三维空间网，即凝聚网和结晶网。由于凝聚结晶网的不断增强，最后形成水泥的硬化。,68,a.凝结过程水化由颗粒表面深入 胶态粒子增多 晶体开始联结 凝聚网。b.硬化过程水化深入 晶体析出 相互联结 结晶网 硬化成微晶结构。,69,二、油井水泥及水泥浆的物理性能,1 概念：描述水泥或水泥浆特性的有关参量。2 标准：API标准、国家标准、原国家标准。,70,水泥的性能 自由水

22、抗压强度 安定性 细度 稠化时间,水泥浆的性能(现行)国家和API标准 密度 自由水(析水)滤失量(失水)稠化时间 流变性能 水泥石抗压强度 水泥石渗透率,3 水泥及水泥浆的性能描述性能的参数,水泥浆的性能(原)国家标准 密度 流动度 凝结时间 水泥石抗折强度,71,(1)密度s：单位体积水泥浆的质量，g/cm3。基本要求：注水泥过程中，既要压稳地层不发生流体的侵入，也不压裂地层造成井漏。(2)稠化时间Tt：在指定温度和压力条件下，自水泥与水混合开始至配成的水泥浆的稠度值达到100BC所经历的时间，叫该水泥浆在此条件下的稠化时间。基本要求：整个注水泥过程应在稠化时间以内完成，并包含一定的安全因

23、数。通常：施工时间 稠化时间-1小时,3.1水泥浆的性能,72,(3)滤失量Q30：水泥浆中的自由水在压差作用下，通过井壁渗入到地层中的现象叫滤失，滤失的多少叫滤失量，ml/30min。基本要求：在保证注水泥施工顺利安全的前提下，尽量降低滤失量。(注意：这与对钻井液的要求有区别在钻井安全和不损害储层的前提下，可放宽。)(4)自由水(析水)：在一定条件下，水泥浆静置一定时间后分离出的游离水。常用250ml量筒满刻度水泥浆，静止2小时分离出的游离水度量，体积%。基本要求：规定G、H级水泥在标准水灰比下 1.4%。实际工程中，在施工安全的前提下，应尽量降低。如，用于大斜度和水平井固井的水泥浆，应等于

24、零或近于零。,73,(5)流变性能：描述水泥浆在外力作用下，产生流动的特点的参数。常用流变模式参数有：PV、YP(宾汉)，n、K(幂律)，YP、n、K(赫巴)等。基本要求：在保证浆体稳定性的前提下，尽量改善。(6)抗压强度：在一定温度、压力条件下，水泥浆在一定时间内凝结硬化形成的水泥石抵抗压力破坏的能力，MPa。基本要求：支撑和悬挂套管的一部分重量；承受继续钻井的冲击载荷或油气层改造的压力。一般要求在井底静止温度下48小时的值 14MPa。,74,(7)水泥石渗透率：一定压力下，水泥石允许流体通过的特性叫水泥石的渗透性，其大小叫渗透率，m2。基本要求：一般情况下不作要求，用于封固腐蚀性地层应尽

25、量降低渗透率。(8)流动度：水泥浆自重作用下摊开流动的能力，cm 或mm。建筑上称作坍落度。基本要求：在保证水泥浆稳定性的前提下，应尽量提高水泥浆的流动能力。实际工程中，一般要求流动度20cm。,75,(9)凝结时间：一定温度、压力条件下，自水泥与水混合开始至水泥浆失去流动性所经历的时间。包括：初凝时间：自配浆开始至水泥浆部分失去塑性所经历的时间。终凝时间：自配浆开始至水泥浆凝结硬化能承受一定压力时所经历的时间。基本要求：整个注水泥过程应在初凝时间以内完成，并包含一定的安全因数。一般：施工时间 75%初凝时间,76,(10)其它：抗折强度、安定性、细度。抗折强度：在一定温度、压力条件下，水泥浆

26、在一定时间内凝结硬化形成的水泥石抵抗剪切破坏的能力，MPa。安定性:水泥石的热压膨胀特性，常用线膨胀率表示。要求0.8%。细度：水泥灰颗粒的大小，一般不作要求。常用筛于量比表面表示。(如原国产0.08mm方孔15%，现行基本水泥G、H级不作要求)。,77,4.1混合材料对水泥性能的影响减轻材料：降低水泥浆的密度；加重材料：提高水泥浆的密度；热稳定材料：提高水泥石的耐高温能力(大于110)。4.2温度压力对水泥性能的影响温度：显著影响水泥浆的性能。压力：一般情况下，影响很小。,4 影响水泥浆性能的主要因素,78,5 水泥性能的调节油井水泥外加剂调节水泥浆性能的外加剂可分为：三大主剂：降失水剂、分

27、散剂(减阻剂)、调凝剂(缓凝剂和促凝剂)。其它外加剂：早强剂、防窜剂、膨胀剂、不渗透剂消泡剂、稳定剂等。密度调节：减轻剂、加重剂。,79,三、固井水泥浆的设计,1.国内常用水泥外加剂及特性2.水泥浆设计的一般程序3.基本材料的选择4.制约条件5.外加剂配伍性,80,第四节 注水泥与影响 注水泥质量的因素,注水泥顶替效率的影响因素 提高顶替效率的措施,81,一、注水泥质量要求,水泥浆返高和套管内水泥塞必须符号设计要求；注水泥段环空的钻井液应全部被水泥浆顶替干净，不窜槽；水泥环有足够的连接强度和封固性能，不发生油气水窜；水泥石能抗地层介质的腐蚀。,82,顶替效率概念,注水泥段：环形水泥浆体积=环空

28、体积,注水泥浆段任一截面积：环形水泥浆面积=环空截面积,83,关键：提高注水泥顶替效率防止水泥浆候凝过程中的油气水窜,84,二、提高注水泥顶替效率,1 影响注水泥顶替效率的因素套管在井内的居中情况驱替力与阻力情况，偏心度影响水泥浆在顶替过程中的流动状态紊流与塞流顶替原理紊流顶替时，液体流过封隔层的接触时间钻井液的触变性水泥浆与钻井液的密度差,85,2 提高顶替效率的措施a.加扶正器，保证套管居中度；b.活动套管；c.调整钻井液性能；d.调整水泥浆与钻井液、前置液间的流变性能。,86,e.使用紊流或塞流顶替 调整水泥浆流变性能 使用前置液和稀水泥浆实现紊流顶替f.增加接触时间 使用前置液 增加水

29、泥浆量,87,三、防止水泥浆凝结过程中的油气水窜,1 油气水窜的基本原因1.1 顶替效率不好，有钻井液窜槽。1.2 环空压力+流动阻力 地层压力 造成这一情况的原因主要有：a.环空水泥浆失重（主要原因）失重原因：胶凝、桥堵。b.环空实际静液柱压力不够 如水泥返高不够，造成的压力过低。,88,1.3其它原因a.泥饼干裂 水泥环与井壁。b.水泥石外观体积收缩，形成微环隙 水泥环与套管、水泥环与井壁。c.管内憋压候凝，造成的微环隙 水泥环与套管。,89,2 防止环空油气水窜的措施(1)从工艺方面：限制水泥返高，防止失重过大；采用多种凝结时间的水泥浆浆柱结构；环空憋压候凝 使用多级注水泥,90,(2)从水泥浆设计方面：水泥浆凝结过程中 增加浆柱的有效压力，减少失重。如采用充气或膨胀水泥浆。增加其它流体在浆体中流动的阻力。如采用不渗透或触变水泥浆。,91,谢谢各位！,