完井作业应用井筒完整性标准

张绍槐

张绍槐. 完井作业应用井筒完整性标准[J]. 石油钻采工艺, 2018, 40(3): 275-286. doi: 10.13639/j.odpt.2018.03.001
引用本文: 张绍槐. 完井作业应用井筒完整性标准[J]. 石油钻采工艺, 2018, 40(3): 275-286. doi: 10.13639/j.odpt.2018.03.001
ZHANG Shaohuai. The wellbore integrity standard applied in completion operation[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2018, 40(3): 275-286. doi: 10.13639/j.odpt.2018.03.001
Citation: ZHANG Shaohuai. The wellbore integrity standard applied in completion operation[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2018, 40(3): 275-286. doi: 10.13639/j.odpt.2018.03.001

完井作业应用井筒完整性标准

doi: 10.13639/j.odpt.2018.03.001
详细信息
    作者简介:

    张绍槐(1931-),西安石油大学退休教师,西南石油大学和西安石油大学原校长,教授,博士生导师,国家有突出贡献专家。通讯地址:(710065)陕西省西安市电子二路东段18号。电话:029-88383771。E-mail:sdizhang@xsyu.edu.cn

  • 中图分类号: TE28

The wellbore integrity standard applied in completion operation

  • 摘要: 说明了在完井作业中与井筒完整性及井筒屏障有关的要求与标准。本项作业起始于该井已打完进尺钻达设计井深和测井完毕;结束于采油树已安装到位、井筒屏障已测试完毕而要交井给采油部门之时。主要讲述用井筒屏障组件建立井筒屏障以保证完井作业在安全状态,给出了4个典型的完井作业图解来说明井筒屏障组件的功能和结构组成及其验收标准;讲述了完井作业管柱功能与各种生产方式下的结构、完井管柱设计,套管载荷和套管设计及其假设,以及完井作业中井控活动及其程序;在附录中列举了完井管柱、套管、水泥环三个主要的屏障组件验收表。
  • 图  1  下入裸眼底部的完井管柱及验收标准

    Figure  1.  Completion string and its acceptance criteria lowered to the bottom of open hole

    图  2  通过防喷器下入不可剪切的屏障组件及验收标准

    Figure  2.  Non-shearable barrier element running through BOP

    图  3  卸掉钻井防喷器和下入垂直的海面以下采油树及验收标准

    Figure  3.  Removing drilling BOP and landing vertical subsea Christmas tree

    图  4  生产井的完井组合装置(完井平台)及验收标准

    Figure  4.  Well completion combination equipment of production well (completion platform)

    图  5  自喷井全井合采采油管柱

    Figure  5.  Full-hole commingling production string of flowing well

    图  6  自喷井分层采油管柱

    Figure  6.  Separate layer production string of flowing well

    图  7  双管分采管柱示意图

    Figure  7.  Schematic dual-tubing separate layer production string

    图  8  深井不压井作业管柱

    Figure  8.  String for snubbing operation in deep wells

    图  9  射孔生产联作自喷管柱

    Figure  9.  String for joint perforation and production in flowing wells

    图  10  有杆泵井标准井下管柱示意图

    Figure  10.  Schematic standard downhole string of rod pumped well

    图  11  有杆泵深抽井管柱示意图

    Figure  11.  Schematic string of deep-pumping rod pumped well

    表  1  附加的屏障组件验收(EAC)要求[3]

    Table  1.   Additional EAC requirements

    EAC表号 组件
    名称
    附加的特性、要求与指南
    1 液柱 应有足量的钻完井液,包括最小的100%井筒体积和循环系统容量以及必要的备量,并保持完井液最低使用密度。
    4 钻井防喷器 钻井防喷器应具有封闭所有共用管柱(包括任何尺寸的缆线和/或缆线对接到管柱部位(尺寸))的功能。如果做不到这一点的话,应能够:在防喷器以下较低部有能被防喷器封闭的组件,或在防喷器以下卸掉管柱,或在相当于立根长度的距离之内用防喷器关闭一段适合防喷器关闭尺寸的管柱立根。
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    表  2  套管载荷类型

    Table  2.   Type of casing load

    项目 内容 备注
    1 气侵 应确定大小、体积量和强烈度
    2 气体充满套管柱 用储层以上的末层套管确定
    3 采油和/或注入管柱渗漏 检查井眼设计压力和工作压力
    4 套管的环空水泥
    5 渗漏方法测压测试套管
    6 在封闭环空中流体的热膨胀 可能导致挤毁和内崩
    7 套管的动载载荷,包括提拉卡阻的套管到自由状态的整个过程
    8 永久报废
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    表  3  完井作业中井控活动程序

    Table  3.   Procedure of well control activity in the process of well completion

    项目 意外复杂情况说明 备注
    1 在起下完井管柱时井筒有入侵流体进行压井或液体漏失时 需准备一个插入(stab-in)(油管)安全阀(与管柱连接相同的连接尺寸与扣型)以备全程之用
    2 经过防喷器剪切闸板下入非剪切组件
    3 下入由多条控制管线组成的完井管柱
    4 下入和安装砂网筛(sand screens) 抽吸效应。无能力关闭射了孔的管柱经过BOP的井筒
    5 计划内的或应急的断开海洋井隔水导管的连接部位 用于海洋井作业
    6 驱动动力定位或断掉动力定位 用于动力定位船只/平台
    7 锚泊失效 失去一个或多个锚/锚链时
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    表  4  井控条件下钻井的准备工作

    Table  4.   The drilling preparation under the condition of well control

    类别 频率 目的 备注
    压井—完井 在主要作业开始之前每个井队至少一次实练 职责/岗位训练 实训内容复盖即将进行的作业程序
    应急断开海洋隔水导管(包括如果使用海水面以下的测试树装置时)的钻井准备工作 在钻机井架立好后尽快实训每个井队一次 职责训练 不必真正卸开隔水导管,包括不必卸开使用的海水面以下的测试树(SSTT)。模拟按计划内的和应急断开的所有步骤进行训练
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    表  5  完井管柱载荷类型[1]

    Table  5.   Load cases

    序号 作业项目 作业说明
    1 完井管柱的压力测试
    2 A-环空的压力测试 从下向上测试油管挂密封性并从上向下测试采油封隔器(作为从最小到最大允许的环空地表压力,MAASP)
    3 关井
    4 动态流动和注入情况 对采油井和注入井特别注意温度效应(水、气、水气交替注入)
    5 注入 最大的注入系统压力(井筒设计压力)
    6 采油 (1)应核算油管外挤力是最小的油管压力的函数(封堵的射孔孔眼/低的测试分离器压力/枯竭油藏压力),结合考虑高的环空压力作业(从最小到最大允许的环空地表压力,MAASP);(2)考虑磨损/腐蚀效应。
    7 加重压头/泵入 压井、增产、压裂
    8 起出(拉出) 管柱卡阻时公母扣的剪切极限值;所有完井部件的拉伸强度,包括连接部件
    9 过油管射孔枪点火
    10 温度效应 特别注意开井和关井时的封闭容量(体积)变化
    11 人工举升 关闭环空安全阀(ASV)和气举阀以上抽空的环空的关闭环空的压力变化情况
    12 *永久报废 将在后续“关停井与报废井的井筒完整性”一文中讲述
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    附表 1  完井管柱

    附表 1.   Completion string

    特征项 验收标准 出处/备注
    A.说明 本组件由管材、管件等组成
    B.功能 完井管柱的目的是提供一个地层流体从油藏到地面的通道或地面到油藏的通道,并防止完井管柱内与A-环空之间相互沟通
    C.设计结构与选择 1.完井管柱中的所有部件(管子/管体和丝扣)在其服役期内裸露于自由气体中时应符合ISO 13679 CAL Ⅲ连接标准或CAL Ⅳ连接标准;
    2.应确定因次载荷并按文件执行;
    3.应识别完井管柱的弱点;
    4.应确定最小的验收设计系数。预测温度、腐蚀、磨损、疲劳和弯曲的影响并将之包括在设计系数中;
    5.选择完井管柱应考虑:a)出现的张力负荷和压缩力负荷;b)内崩和挤毁标准;c)接头间隙和打捞限制;d)管内和环空的流速;e)流体的磨损因素;f)弯曲阻抗;g)与暴露在地层或注入流体有关的管柱金相学成份;h)由于温度影响的强度降低
    ISO 11960
    API Spec5CT
    ISO 13679
    D.最初的测试和检验 对井筒钻井工作压力(WDP)的压力测试
    E.监管/监测 用环空压力监管/监测压力完整性(Pressure integrity)
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    附表 2  套管水泥环

    附表 2.   Cement sheath

    特征项 验收标准 出处/备注
    A.说明 这个屏障组件由位于套管柱(或套管/尾管)和地层(井壁)之间居中的套管及环空中已固结的水泥环组成
    B.功能 这个屏障组件的功能是提供在套管环空或套管柱之间一个连续的永久的和不渗透的水力密封,以防止地层流体从它的上方或下方流动,并结构性地支撑套管柱或尾管柱
    C.设计、组织与选择 1.对每一次注水泥作业应该制定一个注水泥作业程序,至少包括以下内容:a)套管/尾管居中和扶正,以实现在整个要求封隔的长度范围的压力完整性和密封完整性;b)使用隔离液;c)在泵注和水泥固结之前,套管内外的静水力压差和当量循环密度(ECD)压差的影响;d)注水泥时失返及其缓解措施造成的风险;
    2.对于关键性的注水泥作业,高温高压条件和复杂水泥浆或泡沫水泥浆设计的注水泥程序应该由资质人员进行独立检查(单位内部检查和外单位检查);
    3.水泥浆配方应该从有代表性井眼的井场提取(水泥)干粉样品和添加剂并在实验室进行试验。试验应提交稠化时间和压缩强度等资料;
    4.注入水泥的性能应该保证关键层位的密封、结构支撑和承受预期温度的影响;
    5.用于封隔含有碳氢化合物流体储层的水泥浆设计应该防止气体(包括CO2和H2S)运移;
    6.计划的套管注水泥高度(长度):a)设计应该考虑该井以后用于:侧钻、再完井和报废等;b)一般要求:水泥返高应该在套管鞋(或套管开窗处)以上至少100 m;c)导管:满足结构完整性要求;d)表层套管:应该从井口装置及其服役考虑其负载情况。水泥环顶面(TOC)应在地面/海底;e)油层套管(尾管):应该至少在上一层套管鞋以上200 m(测深)。如果套管下过入流层,设计的水泥浆最小返高应在入流层以上200 m(测深)
    API RP 10B
    ISO 10426-1
    D.初始检查 直到水泥环达到足够的压缩强度时,水泥环应该不受干扰;
    1.在钻出套管鞋以后水泥环密封能力应该经过地层完整性测试进行检查;
    2.水泥环返高应由下列方法之一进行检查:
    a)胶结测井,需提供方位的/层段的资料。该测录工作应由资质人员检查并按文件规定执行;
    b)100%顶替效率:从注水泥施工作业(泵送体积量、注水泥时(返流)回流量等)的记录计算求得。实际的顶替压力和体积量应该与行业认可的软件模拟值相比较。在有漏失的情况该漏夫层应在计划的水泥返高顶界(TOC)以上;
    c)水泥浆发生漏失情况,要用压力整体性测试(PIT)/地层整体性测试(FIT)或渗漏测压测试(LOT)的检查方法(只能用于套管水泥环作为钻进下面未钻井段的井筒屏障时;这个方法不能用于检查套管水泥环作为采油作业或永久报废的井筒屏障时);
    3.危险的、要求高的、关键的套管注水泥应该测录井并说明下列情况(这些情况是难点):
    a)采油套管/尾管下入/穿过碳氢化合物源流层;(这是关键,采油套管一定要封过产层);
    b)同一层套管水泥环的采油套管/尾管是第一道和第二道井筒屏障组件,这就要求更高;
    c)注入压力超过盖层的地层完整性的井(这当然危险);
    4.对一个合格的井筒屏障组件来说,实际的水泥返高应该是:
    a)水泥返高在油藏的可能存在的入流源之上;
    b)用顶替量的计算结果检查至少50 m(测深)或者用胶结测井检查至少30 m(测深)的实际水泥返高;
    c)当同一个套管水泥环是第一道和第二道井筒屏障的一部分时,用胶结测井法检查至少2×30 m(测深)的水泥返高;
    d)地层完整性应该超过每一层段的最大预期作业压力
    E.监管/监测 1.应该定期监测套管水泥环以上的环空压力
    2.应该定期(经常)观察表层套管与导管的环空出口
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    附表 3  套管

    附表 3.   Casing

    特征项 验收标准 出处/备注
    A.说明 这个井筒屏障组件的套管/尾管和/或在过油管钻井和完井作业中使用的油管/管柱组成
    B.功能 提供一个封隔以阻止未控制住的地层流体或在套管与井筒的环空之间注入流体的流动
    C.设计结构与选择 1.套管/尾管管柱包括其连接(接箍与丝扣)在井筒生命周期中(包括所有的计划内作业和井控情况下可能的作业)应该设计得能够承受实际作业和预计的所有载荷和应力。应该包括任何降级使用的效果;
    2.应该计算每一种负荷类型的最小验收设计系数。在设计系数中应该包括温度、腐蚀和磨损的预估效果;
    3.关于内压力、外挤压力和拉伸/压缩的所有负载情况应该确定并有文件依据;
    4.套管设计能够基于确定性模型或者概率决策模型;
    5.裸露于有碳氢化合物流动可能性的套管应使用气密型丝扣。例外:裸露于或者有可能裸露于正常压力梯度的浅气层的表层套管可不要求
    ISO 11960
    ISO 13679
    ISO 10405
    D.最初的测试和检验 1.套管/尾管应该用最大压差进行渗漏测压的测试;
    2.在原始的渗漏测压的测试之后的套管/尾管已经再钻进(甚至钻完全部井段)应该在完井作业活动时再次测试;
    3.套管的渗漏测试应该既在水泥是湿的时候(在泵注水泥之后立刻测试)又在水泥环已经固结之后进行测试。但在注水泥的同时不应该进行压力测试
    NORSOK标准对测试的要求很高(通常做不到这样严格,应注意改进)。
    E.使用 在下套管/尾管之前,套管/尾管的储存存放和使用时应该防止管体和连接部位(接箍与丝扣)的损伤
    F.监管/监测 1.A-环空的压力异常情况应该连续的监测。其他能进得去流体的环空应该监测规定井段的环空压力;
    2.所有的套管管柱在经过钻进之后,如果模拟分析表示超过了依据套管设计的允许磨损程度的过度磨损的话,就应该进行磨损的测井/录井工作。应该使用槽式磁力器收集磨损的金属碎屑
    G.共用的井筒屏障 1.在钻井作业期间使用地面防喷器,对井内在用的套管外侧环空应该连续地监视/监测并用警报系统予以确认;
    2.应该知道套管的实际状况并确认在预知磨损之后是否还能够承受最大的预期压力;
    3.在预期的磨损测试之后进行的压力测试应考虑安全极限;
    4.应该在钻井液回路(回流管线)中使用磁性工具测量金属碎屑并评估分析金属碎屑的变化情况(指:碎屑大小、形状及数量等的变化趋势);
    5.如果经过已下入的套管进行钻进,就要求:a)在钻进/钻井活动开始之前应该进行套管磨损测井(套管直径量规或声波测井)。该项测井工作应由高级资质技术人员进行检验并按文件、规程进行;b)测井工作要能够识别准确的位置(测点之间的距离为1 m)对狗腿和曲率变化大的井段应使用陀螺仪之类的测井工具
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    [20] 陈勇, 练章华, 陈敏, 乐彬, 刘昕, 李孝军.  水泥环周向缺失的热采井井筒热应力耦合分析 . 石油钻采工艺, 2008, 30(2): 108-110.
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-03-23
  • 刊出日期:  2018-05-15

完井作业应用井筒完整性标准

doi: 10.13639/j.odpt.2018.03.001
    作者简介:

    张绍槐(1931-),西安石油大学退休教师,西南石油大学和西安石油大学原校长,教授,博士生导师,国家有突出贡献专家。通讯地址:(710065)陕西省西安市电子二路东段18号。电话:029-88383771。E-mail:sdizhang@xsyu.edu.cn

  • 中图分类号: TE28

摘要: 说明了在完井作业中与井筒完整性及井筒屏障有关的要求与标准。本项作业起始于该井已打完进尺钻达设计井深和测井完毕;结束于采油树已安装到位、井筒屏障已测试完毕而要交井给采油部门之时。主要讲述用井筒屏障组件建立井筒屏障以保证完井作业在安全状态,给出了4个典型的完井作业图解来说明井筒屏障组件的功能和结构组成及其验收标准;讲述了完井作业管柱功能与各种生产方式下的结构、完井管柱设计,套管载荷和套管设计及其假设,以及完井作业中井控活动及其程序;在附录中列举了完井管柱、套管、水泥环三个主要的屏障组件验收表。

English Abstract

张绍槐. 完井作业应用井筒完整性标准[J]. 石油钻采工艺, 2018, 40(3): 275-286. doi: 10.13639/j.odpt.2018.03.001
引用本文: 张绍槐. 完井作业应用井筒完整性标准[J]. 石油钻采工艺, 2018, 40(3): 275-286. doi: 10.13639/j.odpt.2018.03.001
ZHANG Shaohuai. The wellbore integrity standard applied in completion operation[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2018, 40(3): 275-286. doi: 10.13639/j.odpt.2018.03.001
Citation: ZHANG Shaohuai. The wellbore integrity standard applied in completion operation[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2018, 40(3): 275-286. doi: 10.13639/j.odpt.2018.03.001
  • 现代完井工程是衔接钻井工程和采油工程乃至后续作业非常重要的一个作业环节。为了保护资源和作业安全,发挥井筒完整性及全生命周期的连贯性、一体性尤为重要。现代完井工程所包括内容比传统完井工程增加了很多,同时随着井型的多样化和新技术应用,其内容也深化了许多,且在继续发展之中,为此需要不断研究各类完井作业的井筒完整性和井筒屏障保护作用,并在实践中完善。

    • 完井工程是衔接钻井工程和采油工程而又相对独立的工程,是从钻开油层开始经测井到下套管注水泥固井、射孔、下生产管柱、排液、投产, 其中有的井直至关停、报废的一项系统工程,在这个全生命周期内各项作业应具有连贯性并紧密衔接,始终不间断地保护井筒完整性。

    • (1)通过对油、气层的研究以及对油、气层潜在损害的评价,要求从钻开油层开始到投产和向采油部门交接每道工序都要用井筒屏障保护油、气层,尽可能减少对储层的伤害,在油、气层与井筒之间形成良好连通,以保证油、气井获得最大产能[1]

      (2)运用节点等理论分析方法,充分利用油层、气层能量,优化压力系统,根据油藏工程和油田开发全生命周期作业特点以及开发过程中所采取的各项措施,考虑环境腐蚀等因素的潜在危害,采取相应防治措施,合理选择完井方式、完井管柱结构、套管直径,进行完井管柱及套管的力学计算、强度设计,确定其材质、壁厚、扣型等,为科学地开发油田提供安全保证[2]

    • (1)岩心分析、储层特性及损害机理研究;(2)保护储层机理与措施;(3)钻进油层的钻井液体系;(4)完井方式及结构等优选;(5)油管及生产套管尺寸的选定;(6)生产套管设计;(7)注水泥设计;(8)固井质量评价;(9)射孔及完井液选择;(10)试井评价;(11)完井生产管柱设计;(12)投产措施。

      现代完井工程定义、理论基础、内容和操作程序等,构成了现代完井工程系统。

    • 保护油层与完井作业的内容包括:在完井作业活动期间的钻开油气层与保护油层、油层套管(尾管等)及注水泥固井、射孔至排液投产三大部分,及其关于井筒完整性的要求和标准。这项活动开始于钻完全部井深和完成测录井工作之后。完井作业结束于安装好采油树、井筒屏障测试完毕以及井筒投产组织生产工作准备好之前。本文的目的是说明用井筒屏障组件安全地进行完井作业活动,确保完井作业的井筒完整性[1-5]

      每口井的完井活动与作业都要准备好井筒屏障系统(WBS)。钻井液(液柱)是第1个屏障;钻井液的功能还包括冷却钻头、清除岩屑、传递水力能量给钻头和井底动力钻具(螺杆钻具、涡轮钻具)钻井液是无线式随钻测量(MWD)随钻测井(LWD)的信号传输介质;钻井液是处理漏喷塌卡等复杂情况和压井、救援等的介质,完井液除了具有上述钻井液功能之外,还是保护油气层的重要屏障。完井作业重要的井筒屏障组件还有套管水泥环、完井管柱、井口装置、采油树等。

      图 1~图 4为完井作业井筒屏障层系图解的重要图例。

      图  1  下入裸眼底部的完井管柱及验收标准

      Figure 1.  Completion string and its acceptance criteria lowered to the bottom of open hole

      图  2  通过防喷器下入不可剪切的屏障组件及验收标准

      Figure 2.  Non-shearable barrier element running through BOP

      图  3  卸掉钻井防喷器和下入垂直的海面以下采油树及验收标准

      Figure 3.  Removing drilling BOP and landing vertical subsea Christmas tree

      图  4  生产井的完井组合装置(完井平台)及验收标准

      Figure 4.  Well completion combination equipment of production well (completion platform)

      下面列出了完井作业时井筒屏障的专门要求和验收标准[3-7]

      (1)所有井筒屏障组件、控制管线和夹持器结构都应该能够承受环境负载(接触化学剂、温度、压力、机械磨损、腐蚀、振动等)。完井设计中应考虑流动保障问题,如腐蚀、出砂、结蜡、结垢、冲蚀、单质硫沉积、水合物等。

      (2)所有生产井(油、气井)或注入井应装备采油树或注入树。采油树上应配备A环空压力监测监控传感器,传感器的控制系统能够报警。

      (3)当钻进至碳氢化合物地层时,要求必须具有足够大的压力,以便将流体举升到地面或海底面的井筒中(包括增压注入地层的井筒),特别是压力大于70 MPa,或者H2S含量大于30 g/m3、定产气量大于20×104 m3/d的井(这些井是不注缓蚀剂和不采用化学或机械方式排水采气的井),在完井管柱中应该安置井下安全阀(DHSV)。高压油气井、高含硫井必须使用生产封隔器。其他高压井、含硫气井、注缓蚀剂井、采用化学或机械方式排水采气的井,应根据地质和工艺条件,分析论证是否安装井下安全阀和封隔器。

      (4)所有采油井或注入井应该在完井管柱和套管(或尾管)之间的环空安置一个环空密封(生产封隔器)。

      (5)允许条件下在完井管柱中安置1个油管挂桥塞(tubing hanger plug)或1个下入深度较小处的油管桥塞以及1个下入深度较大的油管桥塞。

      (6)油管内孔应该在井口装置(采油树/注入树的位置)中用警报器监视连续压力传导情况。

      (7)在A—环空(指油管与生产套管之间的环空)中的压力,应该用安全作业规定的压力极限值通过警报器监视连续的压力传导情况。

      (8)所有流体(或压力)进得去的环空,应该安装压力表并确定安全操作压力范围(用规定好安全作业压力极限刻度的压力表)。

      表 1为井筒屏障组件验收标准的附加要求。

      表 1  附加的屏障组件验收(EAC)要求[3]

      Table 1.  Additional EAC requirements

      EAC表号 组件
      名称
      附加的特性、要求与指南
      1 液柱 应有足量的钻完井液,包括最小的100%井筒体积和循环系统容量以及必要的备量,并保持完井液最低使用密度。
      4 钻井防喷器 钻井防喷器应具有封闭所有共用管柱(包括任何尺寸的缆线和/或缆线对接到管柱部位(尺寸))的功能。如果做不到这一点的话,应能够:在防喷器以下较低部有能被防喷器封闭的组件,或在防喷器以下卸掉管柱,或在相当于立根长度的距离之内用防喷器关闭一段适合防喷器关闭尺寸的管柱立根。
    • 套管、尾管和回接管柱应能承受井控作业期间所有计划内和/或预期的载荷及其应力。设计应含盖完井和/或从下套管到永久报废的全部服役阶段,并考虑管柱材质老化、磨损效应等。应确定设计基础和设计安全余量并入档。应识别设计弱点并入档。

      所有的套管柱是一个井筒屏障在各个作业子程序阶段的一个组成部分,如果模拟显示其磨损超过以套管设计为依据的最大允许磨损量,就应该在钻井作业之后测录检查其实际磨损量。需要做磨损模拟准备工作并用测录井技术检测套管壁厚,特别是在已钻邻井的井中有套管磨损问题及腐蚀问题的井,对侧钻井、大斜度井、定向井、水平井、多分支井、复杂结构井、超深井及富含H2S、CO2等井筒尤应做好模拟和测录检查工作,而不能等到套管磨损、腐蚀已经发生并影响作业和生产时才被迫进行修井处理。

      对过管柱(油管)的钻井和完井作业,其全部完井管柱要当作井筒屏障组件来服役,该管柱及其所有相关的组件应该按照油层套管要求,并再重新鉴定其级别和再重新评估其相关载荷。所有的第1道和第2道井筒屏障层系都应该在开始作业前用新的设计载荷彻底核实修正。

    • 在设计工作中应考虑下列最低要求:设计的井眼轨道和由狗腿及井眼曲率造成的弯曲应力;用相关的风险界限考虑最大的允许座放深度;预期的孔隙压力及变化趋势;预计的地层完整性及变化趋势;预计的温度梯度和温度相关效应;钻完井液和水泥浆计划;井筒服役和作业诱发载荷;完井设计要求;预期(预测)的套管磨损;根据地层评估对下入深度的限制;可能潜在的H2S、CO2;金相学因素;井筒报废的要求;由于窄环空间隙造成的循环当量密度(ECD)变化和抽/吸效应;薄弱地层、可能的漏失层、缩径和空穴性地层的隔离以及保护储集层;地质构造力;采用释放井的可能性;在该地区的已钻井或相类似井的经验与教训。

    • 在设计内压力、外挤力和轴向载荷时,应考虑表 2的载荷类型。应该评估井筒全生命周期内设计载荷和应力的可能变化。

      表 2  套管载荷类型

      Table 2.  Type of casing load

      项目 内容 备注
      1 气侵 应确定大小、体积量和强烈度
      2 气体充满套管柱 用储层以上的末层套管确定
      3 采油和/或注入管柱渗漏 检查井眼设计压力和工作压力
      4 套管的环空水泥
      5 渗漏方法测压测试套管
      6 在封闭环空中流体的热膨胀 可能导致挤毁和内崩
      7 套管的动载载荷,包括提拉卡阻的套管到自由状态的整个过程
      8 永久报废

      套管设计应能承受所有计划的载荷与应力和/或预期的载荷与应力,包括在可能的井控情况诱发的载荷与应力。

    • 表 3为发生复杂情况时应该使用的井筒控制活动程序。应完成表 4所列的井控条件下的钻井准备工作。

      表 3  完井作业中井控活动程序

      Table 3.  Procedure of well control activity in the process of well completion

      项目 意外复杂情况说明 备注
      1 在起下完井管柱时井筒有入侵流体进行压井或液体漏失时 需准备一个插入(stab-in)(油管)安全阀(与管柱连接相同的连接尺寸与扣型)以备全程之用
      2 经过防喷器剪切闸板下入非剪切组件
      3 下入由多条控制管线组成的完井管柱
      4 下入和安装砂网筛(sand screens) 抽吸效应。无能力关闭射了孔的管柱经过BOP的井筒
      5 计划内的或应急的断开海洋井隔水导管的连接部位 用于海洋井作业
      6 驱动动力定位或断掉动力定位 用于动力定位船只/平台
      7 锚泊失效 失去一个或多个锚/锚链时

      表 4  井控条件下钻井的准备工作

      Table 4.  The drilling preparation under the condition of well control

      类别 频率 目的 备注
      压井—完井 在主要作业开始之前每个井队至少一次实练 职责/岗位训练 实训内容复盖即将进行的作业程序
      应急断开海洋隔水导管(包括如果使用海水面以下的测试树装置时)的钻井准备工作 在钻机井架立好后尽快实训每个井队一次 职责训练 不必真正卸开隔水导管,包括不必卸开使用的海水面以下的测试树(SSTT)。模拟按计划内的和应急断开的所有步骤进行训练
    • 生产井或注入井下入完井管柱开始(或准备)正常生产是完井工程的最后一项作业。完井管柱下端是油气进入井筒的通道,上端是井口装置与采油树,是控制与监测油气从完井管柱经采油树的出口通道。完井管柱是完井作业重要的井筒屏障组件。下面是生产井或注入井几种主要的完井管柱结构、适用范围、设计原则与技术要求。

      (1)自喷井完井管柱[8]。投产后油井能保持自喷生产,对这类井的生产管柱要按自喷井生产管柱的技术要求来设计。设计合理的自喷井生产管柱的技术关键是根据油管的敏感性分析确定油管的合理直径。自喷井生产管柱主要有2种:一种是全井合采管柱,见图 5;另一种是分层开采管柱,见图 6

      图  5  自喷井全井合采采油管柱

      Figure 5.  Full-hole commingling production string of flowing well

      图  6  自喷井分层采油管柱

      Figure 6.  Separate layer production string of flowing well

      全井合采管柱结构简单,一根光油管下至油层中部。它适用于单层系的油井或层数不多、层间差异不大的油井;分层开采管柱(图 6)结构较复杂,主要由封隔器、配产器和其他配套的井下工具组成,主要用于层间压力差异大或高含水层和油层分采的自喷井分采管柱。还有双管分采自喷井采油管柱(图 7),彻底解决2层段之间的干扰,充分发挥各层段的潜力,能大幅度提高采油速度。这种管柱主要由反循环短节、双管可取式封隔器、单管封隔器、带循环阀密封短节、筛管、坐封短节、返排循环阀等组成。

      图  7  双管分采管柱示意图

      Figure 7.  Schematic dual-tubing separate layer production string

      对于深井自喷井,为减少作业对油层的损害,可下入深井不压井作业管柱(图 8)。这种管柱包括油管悬挂器、伸缩补偿器、滑套、限位插入式密封总成、永久式封隔器、井下活门及测试工作筒等。作业时,在密闭压力系统中将第一根油管起出到井下活门以上,井下活门当即关闭,此时已与井下压力系统隔开,即可在不压井的情况下作业。

      图  8  深井不压井作业管柱

      Figure 8.  String for snubbing operation in deep wells

      对于有些在投产射孔时需要进行负压射孔,在停喷后转为其他采油方式的井,可以采用射孔生产联作自喷管柱(图 9)。管柱主要由油管悬挂器、永久式封隔器、测试工作筒、枪身释放接头、射孔枪等构成。

      图  9  射孔生产联作自喷管柱

      Figure 9.  String for joint perforation and production in flowing wells

      (2)有杆泵完井管柱[8]。油层无自喷能力,但又有一定深度的动液面,原油黏度适中,那就应首先选择有杆泵抽油系统投产。

      有杆泵抽油系统主要由机、泵、杆、管4大部分组成。合理设计有杆泵生产管杆的技术关键是深井泵的选择。深井泵的选择一定要建立在油层采油指数准确测算的基础上。首先依据泵的理论排量确定深井泵的类型和主要工作参数,根据动液面深度及合理的沉没度确定泵挂深度,然后可以进行抽油杆柱的设计计算。抽油杆柱设计确定后,根据杆和油管的匹配关系,再根据泵的工作制度和杆、管的组合,就可以计算抽油机的各项基本参数,即可进行抽油机选型。有杆泵生产管柱主要由泵、杆、管和其他井下工具构成。有杆泵井标准井下管柱见图 10。有杆泵深抽管柱见图 11

      图  10  有杆泵井标准井下管柱示意图

      Figure 10.  Schematic standard downhole string of rod pumped well

      图  11  有杆泵深抽井管柱示意图

      Figure 11.  Schematic string of deep-pumping rod pumped well

      有杆泵抽油技术近年来又有了新的发展,不断地拓宽了它的使用范围。具有特种性能的有杆泵,如防砂卡抽油泵、浸入式抽油泵、阀式泵、防气锁抽油泵、耐腐蚀泵等相继研制成功并推广应用,常规有杆泵不适应的油井可采用这些特殊性能的泵以发挥其常规有杆泵不能替代的作用。

      (3)水力活塞泵完井管柱。水力活塞泵采油系统的基本工作原理是由地面泵将动力液增压并泵送入井下,由动力液驱动液压马达作上下往复运动,同时液压马达带动井下泵柱塞上下往复运动,把井液举升到地面。

      (4)关于潜油电泵完井管柱、气举井完井管柱、注水井完井管柱、天然气井完井管柱、定向井水平井完井管柱、多管射孔完井管柱等,限于篇幅可参阅文献[8]等。

    • 所有的完井管柱、尾管和回接管柱应设计得能够承受计划内的和预期的应力(包括在井控情况可能诱发的应力)。设计方法应该是井筒全生命周期包括报废在内符合井筒完整性要求的设计方法。材料的降级应该考虑在内。应该备有设计基础及依据的文件并写入档案[9-11]

      完井管柱及所有连接部件应承受的负载情况要计算并核实。薄弱部位应依据文件加以识别并记入档案文件。完井设计应适应全服役期直至永久报废。

      应予评估下列各项内容以建立常规和无因次参数设计方法。

      (1)在井筒生命期内的油藏压力,包括储集层流体和/或气体性能的动态分析。

      (2)设计的井筒轨迹和弯曲应力,包括井眼狗腿度和曲率造成的弯曲应力及其影响管柱受力。

      (3)完井方法的选择与论证,套管设计及注水泥设计,固井完井质量的检查。

      (4)井控和最大压井压力。

      (5)优化采油和/或注入速率以及有关联的流体和/或气体性能。

      (6)流体进得去的环空的环空压力管理。

      (7)在井筒生命期内H2S和/或CO2,包括可能存在于油藏中的酸性物源(Souring)。

      (8)流体配伍性和腐蚀危害。

      (9)井筒预期寿命(生命期长短)。

      (10)材料的选择。

      (11)砂控要求。

      (12)人工举升要求。

      (13)可能的水合物、结垢和沥青沉积以及化学剂注入的需要。

      (14)由井筒服务和作业,包括井筒维修(修井)、打水泥塞(包括井底水泥塞或悬空水泥塞)、规模化挤注、压裂和/或其他化学剂处理等诱发的载荷。

      (15)地质构造力及其影响。

      (16)井筒停产和报废的特殊需要。

      (17)在该区域或类似井筒中得到的已钻进井和已生产井的经验教训,新技术的采用等。

    • 在计划内活动时对内压力,外挤力和轴向载荷设计时应该采用的载荷类型。每一种井筒类型应该进行管柱应力分析。应考虑表 5中的载荷类型。表 5所列的情况不是强调而是基于计划活动的实际载荷类型。

      表 5  完井管柱载荷类型[1]

      Table 5.  Load cases

      序号 作业项目 作业说明
      1 完井管柱的压力测试
      2 A-环空的压力测试 从下向上测试油管挂密封性并从上向下测试采油封隔器(作为从最小到最大允许的环空地表压力,MAASP)
      3 关井
      4 动态流动和注入情况 对采油井和注入井特别注意温度效应(水、气、水气交替注入)
      5 注入 最大的注入系统压力(井筒设计压力)
      6 采油 (1)应核算油管外挤力是最小的油管压力的函数(封堵的射孔孔眼/低的测试分离器压力/枯竭油藏压力),结合考虑高的环空压力作业(从最小到最大允许的环空地表压力,MAASP);(2)考虑磨损/腐蚀效应。
      7 加重压头/泵入 压井、增产、压裂
      8 起出(拉出) 管柱卡阻时公母扣的剪切极限值;所有完井部件的拉伸强度,包括连接部件
      9 过油管射孔枪点火
      10 温度效应 特别注意开井和关井时的封闭容量(体积)变化
      11 人工举升 关闭环空安全阀(ASV)和气举阀以上抽空的环空的关闭环空的压力变化情况
      12 *永久报废 将在后续“关停井与报废井的井筒完整性”一文中讲述
    • 油油管设计系数应包括所有计划到的载荷与应力和/或预期的载荷与应力,包括在可能的井控情况时诱发的载荷与应力。

    • 下列完井管柱组件应作为安装应急关井系统的分级部件:井下安全阀(DHSV);环空安全阀(ASV)或者其他安全失效时的关闭工具;采油(注水)树阀——主控阀和翼阀;为注入化学剂的管线使用的采油树阀(注水树阀)或井口阀;为环空气举阀用的采油树阀(注水树阀)或/井口阀。

    • 要求在完井作业结束时安装采油作业的井口装置(将在后续“采油作业应用井筒完整性标准”[12]一文论述)。

    • 在完井作业中设计好、应用好井筒屏障及其组件是一项深入细致工作。给出的4个典型图解和文后所附的3个屏障组件验收表,只涉及完井作业的一部分,还有更多的井筒屏障组件如井下安全阀、封隔器、监测传感器、水泥塞等。图 5~图 11等作业的井筒屏障及其组件的图解都是待做的工作,限于篇幅不能详述,各井实施时可结合实际情况参照本文及有关资料[1, 2, 5]设计应用。

      表 附表 1  完井管柱

      Table 附表 1.  Completion string

      特征项 验收标准 出处/备注
      A.说明 本组件由管材、管件等组成
      B.功能 完井管柱的目的是提供一个地层流体从油藏到地面的通道或地面到油藏的通道,并防止完井管柱内与A-环空之间相互沟通
      C.设计结构与选择 1.完井管柱中的所有部件(管子/管体和丝扣)在其服役期内裸露于自由气体中时应符合ISO 13679 CAL Ⅲ连接标准或CAL Ⅳ连接标准;
      2.应确定因次载荷并按文件执行;
      3.应识别完井管柱的弱点;
      4.应确定最小的验收设计系数。预测温度、腐蚀、磨损、疲劳和弯曲的影响并将之包括在设计系数中;
      5.选择完井管柱应考虑:a)出现的张力负荷和压缩力负荷;b)内崩和挤毁标准;c)接头间隙和打捞限制;d)管内和环空的流速;e)流体的磨损因素;f)弯曲阻抗;g)与暴露在地层或注入流体有关的管柱金相学成份;h)由于温度影响的强度降低
      ISO 11960
      API Spec5CT
      ISO 13679
      D.最初的测试和检验 对井筒钻井工作压力(WDP)的压力测试
      E.监管/监测 用环空压力监管/监测压力完整性(Pressure integrity)

      表 附表 2  套管水泥环

      Table 附表 2.  Cement sheath

      特征项 验收标准 出处/备注
      A.说明 这个屏障组件由位于套管柱(或套管/尾管)和地层(井壁)之间居中的套管及环空中已固结的水泥环组成
      B.功能 这个屏障组件的功能是提供在套管环空或套管柱之间一个连续的永久的和不渗透的水力密封,以防止地层流体从它的上方或下方流动,并结构性地支撑套管柱或尾管柱
      C.设计、组织与选择 1.对每一次注水泥作业应该制定一个注水泥作业程序,至少包括以下内容:a)套管/尾管居中和扶正,以实现在整个要求封隔的长度范围的压力完整性和密封完整性;b)使用隔离液;c)在泵注和水泥固结之前,套管内外的静水力压差和当量循环密度(ECD)压差的影响;d)注水泥时失返及其缓解措施造成的风险;
      2.对于关键性的注水泥作业,高温高压条件和复杂水泥浆或泡沫水泥浆设计的注水泥程序应该由资质人员进行独立检查(单位内部检查和外单位检查);
      3.水泥浆配方应该从有代表性井眼的井场提取(水泥)干粉样品和添加剂并在实验室进行试验。试验应提交稠化时间和压缩强度等资料;
      4.注入水泥的性能应该保证关键层位的密封、结构支撑和承受预期温度的影响;
      5.用于封隔含有碳氢化合物流体储层的水泥浆设计应该防止气体(包括CO2和H2S)运移;
      6.计划的套管注水泥高度(长度):a)设计应该考虑该井以后用于:侧钻、再完井和报废等;b)一般要求:水泥返高应该在套管鞋(或套管开窗处)以上至少100 m;c)导管:满足结构完整性要求;d)表层套管:应该从井口装置及其服役考虑其负载情况。水泥环顶面(TOC)应在地面/海底;e)油层套管(尾管):应该至少在上一层套管鞋以上200 m(测深)。如果套管下过入流层,设计的水泥浆最小返高应在入流层以上200 m(测深)
      API RP 10B
      ISO 10426-1
      D.初始检查 直到水泥环达到足够的压缩强度时,水泥环应该不受干扰;
      1.在钻出套管鞋以后水泥环密封能力应该经过地层完整性测试进行检查;
      2.水泥环返高应由下列方法之一进行检查:
      a)胶结测井,需提供方位的/层段的资料。该测录工作应由资质人员检查并按文件规定执行;
      b)100%顶替效率:从注水泥施工作业(泵送体积量、注水泥时(返流)回流量等)的记录计算求得。实际的顶替压力和体积量应该与行业认可的软件模拟值相比较。在有漏失的情况该漏夫层应在计划的水泥返高顶界(TOC)以上;
      c)水泥浆发生漏失情况,要用压力整体性测试(PIT)/地层整体性测试(FIT)或渗漏测压测试(LOT)的检查方法(只能用于套管水泥环作为钻进下面未钻井段的井筒屏障时;这个方法不能用于检查套管水泥环作为采油作业或永久报废的井筒屏障时);
      3.危险的、要求高的、关键的套管注水泥应该测录井并说明下列情况(这些情况是难点):
      a)采油套管/尾管下入/穿过碳氢化合物源流层;(这是关键,采油套管一定要封过产层);
      b)同一层套管水泥环的采油套管/尾管是第一道和第二道井筒屏障组件,这就要求更高;
      c)注入压力超过盖层的地层完整性的井(这当然危险);
      4.对一个合格的井筒屏障组件来说,实际的水泥返高应该是:
      a)水泥返高在油藏的可能存在的入流源之上;
      b)用顶替量的计算结果检查至少50 m(测深)或者用胶结测井检查至少30 m(测深)的实际水泥返高;
      c)当同一个套管水泥环是第一道和第二道井筒屏障的一部分时,用胶结测井法检查至少2×30 m(测深)的水泥返高;
      d)地层完整性应该超过每一层段的最大预期作业压力
      E.监管/监测 1.应该定期监测套管水泥环以上的环空压力
      2.应该定期(经常)观察表层套管与导管的环空出口

      表 附表 3  套管

      Table 附表 3.  Casing

      特征项 验收标准 出处/备注
      A.说明 这个井筒屏障组件的套管/尾管和/或在过油管钻井和完井作业中使用的油管/管柱组成
      B.功能 提供一个封隔以阻止未控制住的地层流体或在套管与井筒的环空之间注入流体的流动
      C.设计结构与选择 1.套管/尾管管柱包括其连接(接箍与丝扣)在井筒生命周期中(包括所有的计划内作业和井控情况下可能的作业)应该设计得能够承受实际作业和预计的所有载荷和应力。应该包括任何降级使用的效果;
      2.应该计算每一种负荷类型的最小验收设计系数。在设计系数中应该包括温度、腐蚀和磨损的预估效果;
      3.关于内压力、外挤压力和拉伸/压缩的所有负载情况应该确定并有文件依据;
      4.套管设计能够基于确定性模型或者概率决策模型;
      5.裸露于有碳氢化合物流动可能性的套管应使用气密型丝扣。例外:裸露于或者有可能裸露于正常压力梯度的浅气层的表层套管可不要求
      ISO 11960
      ISO 13679
      ISO 10405
      D.最初的测试和检验 1.套管/尾管应该用最大压差进行渗漏测压的测试;
      2.在原始的渗漏测压的测试之后的套管/尾管已经再钻进(甚至钻完全部井段)应该在完井作业活动时再次测试;
      3.套管的渗漏测试应该既在水泥是湿的时候(在泵注水泥之后立刻测试)又在水泥环已经固结之后进行测试。但在注水泥的同时不应该进行压力测试
      NORSOK标准对测试的要求很高(通常做不到这样严格,应注意改进)。
      E.使用 在下套管/尾管之前,套管/尾管的储存存放和使用时应该防止管体和连接部位(接箍与丝扣)的损伤
      F.监管/监测 1.A-环空的压力异常情况应该连续的监测。其他能进得去流体的环空应该监测规定井段的环空压力;
      2.所有的套管管柱在经过钻进之后,如果模拟分析表示超过了依据套管设计的允许磨损程度的过度磨损的话,就应该进行磨损的测井/录井工作。应该使用槽式磁力器收集磨损的金属碎屑
      G.共用的井筒屏障 1.在钻井作业期间使用地面防喷器,对井内在用的套管外侧环空应该连续地监视/监测并用警报系统予以确认;
      2.应该知道套管的实际状况并确认在预知磨损之后是否还能够承受最大的预期压力;
      3.在预期的磨损测试之后进行的压力测试应考虑安全极限;
      4.应该在钻井液回路(回流管线)中使用磁性工具测量金属碎屑并评估分析金属碎屑的变化情况(指:碎屑大小、形状及数量等的变化趋势);
      5.如果经过已下入的套管进行钻进,就要求:a)在钻进/钻井活动开始之前应该进行套管磨损测井(套管直径量规或声波测井)。该项测井工作应由高级资质技术人员进行检验并按文件、规程进行;b)测井工作要能够识别准确的位置(测点之间的距离为1 m)对狗腿和曲率变化大的井段应使用陀螺仪之类的测井工具
参考文献 (12)

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