固井与完井是什么？ _套管

文章插图
一、固井
固井就是在钻出的井眼内下入套管柱，并在套管柱与井壁之间部分或全部注入水泥浆，使套管与井壁固结在一起。固井是钻井过程中的重要环节，固井质量的好坏不仅影响到该井能否钻进，而且影响到油井开采期能否正常作业和安全生产。
（一）井身结构及套管规范
1．井身结构
井身结构如图4-19所示。正常压力系统的井通常仅下三层套管：导管、表层套管和生产套管。异常压力系统的井至少多下一层技术套管。尾管则是一种不延伸到井口的套管柱。
导管的作用是在钻表层井眼时将钻井液从地表引导到井眼内。这一层管柱的长度变化较大，在坚硬的岩层中仅用10～20m ，而在沼泽地区则可能上百米。
表层套管下入深度一般在30～1500m ，通常引导水泥浆返至地表，用来防止浅水层污染，封隔浅层流砂、砾石层及浅层气，同时用来安装井口防喷器以便继续钻进。表层套管也是井口设备（套管头及采油树）的唯一支撑件，并承载依次下入的各层套管（包括采油管柱）的载荷。
技术套管用来隔离坍塌地层及高压水层，防止井径扩大，减少阻卡及键槽的发生，以便继续钻进。技术套管还用来分隔不同的压力层系，以便建立正常的钻井液循环。它也为井控设备的安装、防喷、防漏及悬挂尾管提供了条件，对油层套管还具有保护作用。
生产套管的主要作用是将储集层中的油气从套管中采出来，并用来保护井壁，隔开各层的流体，达到油气井分层测试、分层采油、分层改造之目的。
图4-19　井身结构
尾管分为钻井尾管和采油尾管。尾管的优点是下入长度短、费用低。在深井中，尾管另一个突出的优点是，在继续钻进时可以使用异径钻具。尾管的顶部通常要进行抗内压试验，以保证密封性。
2．套管和套管柱
油井套管是优质钢材制成的无缝管或焊接管，两端均加工有锥形螺纹。大多数的套管是用套管接箍连接组成套管柱。套管柱用于封固井壁的裸露岩石。常用的标准套管外径从114.3～502mm ，共有14种；套管的壁厚范围为5.21～16.13mm；套管的连接螺纹都是锥形螺纹；目前，套管钢级API标准有8种共10级，即H40、J55、K55、C75、L80、N80、C90、C95、P110、Q125 ，常用钢级为P110、N80、J55 。
套管柱（套管串）通常是由同一外径、相同或不同钢级及不同壁厚的套管用接箍连接组成的，应符合强度及生产的要求。
（二）固井工艺过程
固井工艺过程主要有下套管和注水泥两个步骤。
1．下套管
下套管前根据井身设计，将要下入井内的套管运到平台，逐根检查套管是否有暗伤、变形，然后丈量长度、清洗螺纹，编好顺序排放好，以待下井；对机器设备及辅助工具认真检查，保证下套管时不出故障，调节好钻井液性能，起出井中钻具；逐根将套管下入井中，下完套管后循环钻井液洗井，然后接注水泥管汇（水泥头）准备注水泥。
2．注水泥
注水泥（即注水泥浆）的主要目的在于封隔油、气、水层，保护生产层。为实现这一目的，要解决以下两个方面的问题：一是如何使环形空间充满水泥浆；二是如何使水泥浆在凝结过程中压稳和封隔好油、气、水层。根据固井设计，将固井所需的水泥、淡水、水泥外加剂运到井场。检查注水泥的机器设备，使之处于良好的工作状态；配制水泥浆；注水泥浆。当水泥浆注满套管后，用钻井液把水泥浆迅速顶替到井筒环形空间的预定高度，这个顶替过程叫替浆。在下套管前，按设计位置在最下端设一阻流环，用于替浆时承受胶塞碰压，替浆前先把胶塞压入套管内，胶塞起到阻止水泥浆与钻井液相混的隔离作用，同时又像一个活塞；替浆时，钻井液顶着胶塞，胶塞顶着水泥浆在套管中下行，水泥浆被顶入环形空间，在环形空间水泥浆顶着钻井液上返。当胶塞与阻流环相碰时，封闭了环形通道，此时替浆的泵压突然升高，称为碰压，碰压是水泥浆返到环形空间预定高度的信号。至此替浆结束，待水泥浆凝固后固井工作完成。
二、完井
完井（即油井完成）是钻井工程的最后一个环节，其主要作业内容包括钻开生产层、确定井底完井方法、安装井口装置。
（一）钻开生产层
生产层多是具有孔隙的碎屑岩或碳酸盐岩。在钻开生产层的过程中，若井内液柱压力小于油气层的压力，会发生井喷；但若井内液柱压力比油气层的压力大，钻井液（时称“完井液”）中的水和黏土便进入到油气层，形成“水侵”和“泥侵” ，堵塞油流通道，使油层渗透率下降，严重时会使油井丧失生产能力。因此，在钻开生产层时，保护油气层、防止钻井液侵害和控制油气层、防止井喷是两项重要的工作。要做到这两点，选择合适的钻井液是关键。
对低压低渗透率油气层，最好选用油基钻井液和油包水乳化钻井液。它们可以从根本上避免水侵和泥侵的危害，但存在成本高、易燃、配制和使用不如水基钻井液方便的缺点。
对高压高渗透率油气层，可以采用低固相水基钻井液。这类钻井液常加有高黏度特性的高分子化合物提高黏度；加有盐类物质（如CaCl2 ， ZnCl2等）增加其密度，减少地层中黏土膨胀；加有表面活性剂提高地层渗透率的恢复率。
（二）完井方法
目前世界各国采用的完井方法可分为油层裸露式和非裸露式两种类型，具体有裸眼完井法、射孔完井法、割缝衬管完井法和砾石充填完井法（见图4-20）。具体到每一口井采用何种井底完井方法，要视实际油层条件而定。
图4-20　完井方法
1．裸眼完井法
裸眼完井法可分为先期裸眼完井和后期裸眼完井两种。先期裸眼完井是先钻至油层顶部，下油层套管，然后再钻开生产层；后期裸眼完井是在钻穿生产层之后将油层套管下至油气层顶部。裸眼完井法的最大优点是油气层和井底直接连通，油流面积大，油流阻力小。
裸眼完井法虽然保证了油层和井底具有良好的连通性，但不能克服井壁坍塌和油层出砂对油井生产的影响，不能防止油、气、水层互相窜扰。因此，它只适用于岩性坚固而稳定，又无气、水夹层的单一油层或一些油层性质相同的多油层。
2．射孔完井法
射孔完井法属于非裸露式完井法。其实质是钻穿油层后，将套管下至油层底部固井，然后用射孔q将套管和水泥石射穿，使油气沿孔道流至井底。
【固井与完井是什么？】射孔完井法的优点是能够封隔油、气、水层，防止互相窜通，能消除井壁坍塌对油井生产的影响。因此，这种完井方法特别适用于井壁严重坍塌的疏松生产层、含有水层的生产层、油层压力和原油性质均不相同而需要分层试采的多油层。射孔完井法的缺点是油气层被钻井液和水泥浆侵害较严重；其次是油流面积小，孔眼处油流密度大，油流阻力大。
3．割缝衬管完井法
割缝衬管完井是在裸眼完井的基础上，在裸眼井内下入割缝衬管，在直井、定向井、水平井中都可采用。
4．砾石充填完井方法
对于胶结疏松、出砂严重的地层，一般采用砾石充填完井方法。它是先将绕丝筛管下入井内油层部位，然后用充填液将在地面上预选好的砾石（砾石可以是石英砂、玻璃珠、树脂涂层砂或陶粒）泵送至绕丝筛管与井眼或绕丝筛管与套管之间的环形空间内，构成一个砾石充填层，以阻挡流层砂流入井筒，达到保护井壁、防砂入井之目的。砾石充填完井在直井、定向井中都可以使用，但在水平井中应慎重，因为搞不好易发生砂卡，从而使砾石充填失败，达不到有效防砂目的。
（三）安装井口装置
井口装置是安装在地面用以控制井内高压油气的一套设备。它主要包括套管头、油管头和采油树三大件。套管头用以密封各层套管的环形空间并承受部分管柱重量；油管头用于密封油管和油层套管的环形空间；采油树则用以控制油井生产。对于高压油气井，要求井口装置要有足够的耐压强度和可靠的密封性，用以控制油井生产的油管头和采油树装在油层套管法兰之上。对于低压油气井，井口装置可大为简化，只要把环形空间密封起来，装上油管头和采油树即可。
常规完井方式主要有射孔完井、裸眼完井和割缝衬管完井三种。其中，射孔完井是目前石油行业国内外使用最为广泛的一种完井方式。CO2灌注井和监测井多采用射孔完井（孙光明， 2002）。
（一）射孔完井
射孔完井分为两种，套管射孔完井和尾管射孔完井。
（1）套管射孔完井
套管射孔完井是钻穿目的层至设计井深后，下入套管注水泥固井，最后射孔，射孔d射穿套管、水泥环并穿透地层一定深度，建立起CO2或地层流体流通通道。
套管射孔完井可以选择性地射开不同压力、不同物性的储层或监测层，以避免层间干扰，具备实施分层灌注或分层监测，选择性压裂等分层作业的条件。
（2）尾管射孔完井
尾管射孔完井是在钻头钻至目的层顶部界限后，下技术套管注水泥固井，而后用小一级的钻头钻穿目的层至设计井深，用钻具将尾管送下并悬挂在技术套管上，尾管和技术套管的重叠段一般不小于50m ，再对尾管注水泥固井，最后射孔。
由于尾管射孔完井先于钻开目的层前，上部地层已经被技术套管封固，因此，可以采用与储层或监测层相互配伍的钻井液以平衡压力，有利于保护储层或监测层。
尾管射孔可以减少套管重量和油井水泥的用量，从而降低完井成本。
需要注意的是，采用射孔完井方式时， CO2储层除了受钻井过程中的钻井液和水泥浆损害以外，还要受到射孔作业本身对CO2储层的损害。
（二）裸眼完井方式
裸眼完井是在钻头钻至目的层顶部界限后，下技术套管注水泥固井，水泥浆上返至预定的设计高度后，再从技术套管中下入直径较小的钻头，钻穿水泥塞，钻开目的层至设计井深。
裸眼完井的最主要特点是目的层弯曲裸露，因而CO2储层具有最大的渗流面积，这种井叫做水动力学完善井，其CO2灌注能力较强。但这种完井方式不能避免层间干扰、也不能有效地实施分层灌注和分层措施等作业。裸眼完井主要是在岩性坚硬、井壁稳定的块状碳酸盐岩或硬质砂岩地层，以及层间差异不大的层状储藏中使用。
采用裸眼完井方式时， CO2储层主要受钻井过程中的钻井液损害，故应采用保护储层的钻井及钻井液技术。
（三）割缝衬管完井
割缝衬管完井方式是钻头钻至目的层后，先下人技术套管注水泥固井，再从技术套管中下人直径小一级的钻头钻穿储层或监测层至设计井深。最后在目的层部位下入预先割缝的衬管，依靠衬管顶部的衬管悬挂器，将衬管悬挂在技术套管上，并密封衬管和套管之间的环状空间。
割缝衬管完井主要用于胶结疏松的砂岩地层。这种完井方式CO2储层不会遭受固井水泥浆的损害，可以采用与储层相互配伍的钻井液或其他保护CO2储层的钻井液钻开储层，当割缝衬管发生磨损或失效时，也可以起出修理或更换。