完井固井技术(“套管”)共64张课件.pptx
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- 完井固井 技术 套管 64 课件
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1、第一节第一节 概述概述 一、前言一、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。二、套管层次二、套管层次 根据不同的目的,根据不同的目的,固井套管层次可固井套管层次可分为:分为:表层套管表层套管 技术套管(也叫技术套管(也叫中间套管,可以中间套管,可以是
2、多层)是多层)油层套管油层套管表层套管表层套管技术套管技术套管(可以是(可以是多层)多层)油层套管油层套管1、表层套管固井、表层套管固井 由于地表土非常松软,极易坍塌和漏失,于是在钻井时往往下数十米到几百米的表层套管进行封固。表层套管还用于封固地表水层,防止地表水在钻井中受到污染。如果深部地层有高压油气层,可在表层套管上安装防喷器,以便安全地打开高压层。表层套管底脚应封固在致密坚硬的岩石上,套管外的水泥浆通常返到地面。2、中间套管固井、中间套管固井 在钻进中,如果遇到高压层、疏松易塌的砾石层,当采用调节钻井液密度等措施仍然无法克服时,往往是在这些地层强行钻过后,立即下套管封固,以保证继续钻进,
3、这层套管叫中间套管,也叫技术套管。在钻井过程中,如果钻进上部地层和下部地层需要采用密度不同的钻井液时也要下技术套管。如上部为高压层,下部为易漏层,则当上部用高密度钻井液钻过后,即下中间套管封固,再用低密度钻井液打开下部地层。3、油层套管固井、油层套管固井 一口井钻达油气目的层后,下油层套管固井,为今后采油气建立了一个牢靠的通道,并在其上安装采油装置。同时,一口油井往往有许多油气层,各油气层的性质是不同的,为防止各油气层相互串通,实现分层开采,分层注水,分层管理和分层改造,也必须下油层套管固井,用水泥将各油气层封固和隔离开来。表层套管尺寸最大,油层套管尺寸最小,各套管层次之间应有足够的间隙,以保
4、证套管能顺利下入和有足够厚度的水泥环。井身结构的设计主要是确定各层次套管尺寸、下入深度和水泥封固高度,以及所需钻头尺寸。另外,井身结构的制订应尽量系列化,以利于钻头、套管、井口装置的生产和供应。目前,我国各油田井身结构大多采用目前,我国各油田井身结构大多采用13139 97 75 5系列,即表层套管系列,即表层套管13133 3/8 8,中间,中间套管套管9 95 5/8 8 或或77,油层套管为,油层套管为5 51 1/2 2 或或55。三、固井工程的主要工序三、固井工程的主要工序 1、固井设计、固井设计 2、井眼准备、井眼准备 3、设备调试就位、设备调试就位 4、套管准备及下套管作业、套管
5、准备及下套管作业 5、注水泥固井施工、注水泥固井施工 6、固井质量评价测井、固井质量评价测井注水泥流程及附件装置注水泥流程及附件装置第二节第二节 套管柱设计方法及套管选择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。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
6、样应考虑套管的弯曲、受力变化和密封稳定问题。一、套管类型一、套管类型 1、标准尺寸系列、标准尺寸系列 美国石油学会(美国石油学会(API)已提出了套管尺寸系列标准,)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,并为国际石油工业界所接受。各厂家生产的套管系列,主要根据主要根据API标准。非标准。非API标准套管由使用者向厂家提标准套管由使用者向厂家提出特殊定货出特殊定货 标准尺寸系列包括:标准尺寸系列包括:(1)套管外径)套管外径(2)壁厚)壁厚(3)尺寸配合)尺寸配合(1)套管外径)套管外径 套管外径从套管外径从114.3mm(41/2in)到到508mm(20i
7、n)共共14个尺寸系列。个尺寸系列。对于生产套管,常用的套管外径为对于生产套管,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)等等5个尺寸系列个尺寸系列 有少数使用有少数使用168.3mm(65/8in)的情况的情况地层压力低且裂缝发育,油层既是裂缝层也是漏失层,在钻井和固井过程中,造成大量漏失,使油层部位未封固或封固不好,影响油井生产,同时由于水泥浆上返高度不够,易造成层间窜通。水泥浆滤液对油气层的伤害使用该表时,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
8、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)。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,注水泥结束后,套管要进行“试压”。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。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。对油田低压、低渗、裂缝
9、性油气藏的特点是地层漏失压力接近破裂压力,用正常钻井会发生大量漏失钻井液,漏失和堵漏均会伤害油气藏,甚至在录井过程中漏掉油气层。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。随温度升高,水泥石的抗压强度会大幅度下降,从而失去对套管的支撑密闭作用水泥浆滤液中无机物结晶沉淀对油气层的伤害为提高压井成功率,需针对适合各地区的情况选择合适的压井方式,一般有3种方式:目前,我国各油田井身结构大多采用13975系列,即表层套管133/8,中间套管95/8或7,油层套管为51/2或5。(2)壁厚)壁厚 对于同一套管外径,对于同一套管外径,AP
10、I标准规定了若干壁厚尺寸,组标准规定了若干壁厚尺寸,组成不同的强度等级供选用。成不同的强度等级供选用。以以139.7mm(51/2in)套管为例,套管为例,API标准规定了标准规定了5个壁个壁厚系列: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同时也可以单位长度的质量来表示套管的壁厚(3)尺寸配合)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
11、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。套管和井眼尺寸选择表套管和井眼尺寸选择表 使用该表时,先确定套管(或尾管)尺使用该表时,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(下过该尺寸套管允许下入的钻头尺寸(下段井眼尺寸)。段井眼尺寸)。目前国内套管系列一般采用:目前国内套管系列一般采用:133/8in95/8in51/2in、1
12、33/8in75/8in51/2in(扩眼增加间隙)(扩眼增加间隙)复杂井况,有时也采用复杂井况,有时也采用133/8in103/4in7in2、套管类型、套管类型 按 制 造 工 艺,套 管 可 分 为 无 缝 套 管按 制 造 工 艺,套 管 可 分 为 无 缝 套 管(Seamless)和直焊缝套管()和直焊缝套管(ERW:Electric Resistance Weld)。)。无缝套管:无缝套管:用钢坯经加热后热滚轧、钻孔、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,形成无缝套管系列套管,形成无缝套管系列 直焊缝套管
13、:直焊缝套管:用高精度热轧钢卷板经展平,逐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序达到标准尺寸套管直焊缝套管与无缝套管相比有以下特点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。4)成
14、本低 与同类无缝套管相比低10%左右。3、钢级、钢级 由于套管的使用条件比较恶劣,对钢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,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(美国石油学会采取发放认可证(API)的)的办法组织一些大型企业定点生产。办法组织一些大型企业定点生产。二、套管柱设计二、套管柱设计(一)入井套管柱的受力分析(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,足以抵抗它所受形,要求套管有一定
15、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的外力。为此,需要对井内套管柱受力状况作个大概的分析。个大概的分析。1、拉力、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、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
16、,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。3、内压力、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
17、。(二)套管柱的设计(二)套管柱的设计1、套管柱的设计原则套管柱的设计原则 入井的套管柱在外力作用下,必须满足抗拉、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、管柱的设计方法和步骤 生产套管设计分三步进行生产套管设计分三步进行 根据腐蚀环境选钢种根据腐蚀环境选钢种 硫化氢、二氧化碳、氯化钠和硫酸盐等硫化氢、二氧化碳、氯化钠和硫酸盐等3 3大类腐
18、蚀大类腐蚀对套管钢种的选择具有决定性影响,必须预以特对套管钢种的选择具有决定性影响,必须预以特殊考虑殊考虑 根据密封要求和载荷选螺纹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选择合适的螺纹类型 根据载荷作强度设计选钢级的壁厚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、强度系列包括:抗挤强度、管体抗拉屈服强度、抗内压强度等抗内压强度等3、安全系数、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
19、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、套管柱附件三、套管柱附件 套管柱附件主要有引鞋、浮箍、扶正器、套管柱附件主要有引鞋、浮箍、扶正器、联顶节、水泥头、胶塞等。联顶节、水泥头、胶塞等。(1)引鞋)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)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
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