试油设计及实例分析2016.pdf

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中国石油中国石油川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院中国石油中国石油前前言言石油工程项目关键在于项目工程设计石油工程项目关键在于项目工程设计,这这是整个石油工程项目安全有序实现的技是整个石油工程项目安全有序实现的技术保证术保证.所以所以,石油工程设计的质量的重石油工程设计的质量的重要性不言而喻。

要性不言而喻。

中国石油中国石油提提纲纲一、气井特点一、气井特点二、试油测试工程设计原则二、试油测试工程设计原则三、目前试油测试常用工艺三、目前试油测试常用工艺四、油层套管参数计算及安全控制要求四、油层套管参数计算及安全控制要求五、优化设计五、优化设计六、设计实例分析六、设计实例分析中国石油中国石油中国石油中国石油一、气井特点一、气井特点气井中主要是天然气，气井特点主要气井中主要是天然气，气井特点主要由由天然气特点及其相天然气特点及其相关性关性体现体现，因此只有了解天然气的特点才能更好的了解气，因此只有了解天然气的特点才能更好的了解气井特点和气井试井特点和气井试油油工程设计。

工程设计。

中国石油中国石油气气井井特特点点1.1.易流动易流动易流动是天然气重要的特点之一，这一特点对易流动是天然气重要的特点之一，这一特点对气井试气井试油油设计和施工相当重要，天然气易流动这一设计和施工相当重要，天然气易流动这一特点的具体表现之一是有些井在地层压力和井口压特点的具体表现之一是有些井在地层压力和井口压力很低时仍具有工业价值气流。

力很低时仍具有工业价值气流。

2.2.易泄漏易泄漏易泄漏是天然气重要的特点之一，这一特点对气易泄漏是天然气重要的特点之一，这一特点对气井设备和地面设备密封性要求比较高，而防止天井设备和地面设备密封性要求比较高，而防止天然气渗漏是试然气渗漏是试油油设计和施工的重大安全问题。

设计和施工的重大安全问题。

（11）地面设备渗漏）地面设备渗漏（22）井下渗漏）井下渗漏所以所以通常通常气井的油套管要考虑其气密封性。

气井的油套管要考虑其气密封性。

一、气井特点一、气井特点中国石油中国石油气气井井特特点点33、压缩性大压缩性大气体的压缩性大也是天然气重要的特点之一，一气体的压缩性大也是天然气重要的特点之一，一定质量的天然气在高压和在一个大气压下，其密度定质量的天然气在高压和在一个大气压下，其密度可以相差数十倍可以相差数十倍-数百倍，天然气密度变化大这一特数百倍，天然气密度变化大这一特点对于井控、压井和求产相当重要。

点对于井控、压井和求产相当重要。

压井液中的天然气泡上升时体积变化大（井口压力为大气压）。

压井液中的天然气泡上升时体积变化大（井口压力为大气压）。

对于地层压力等于清水柱压力不同井深产层的天然气泡（假定该对于地层压力等于清水柱压力不同井深产层的天然气泡（假定该井深的气泡体积为井深的气泡体积为VV）上升到井口的体积见下表。

）上升到井口的体积见下表。

井深（m）密度为1.00g/cm3的体积变化密度为1.50g/cm3的体积变化密度为2.00g/cm3的体积变化0.00337.6740V0401.8644V0434.7328V050.0057.8606V047.7798V039.6525V0200.0015.6487V012.1780V09.5681V0500.006.2872V04.7875V03.7883V01000.003.0702V02.2396V01.8306V02000.001.5211V01.2983V01.1928V03000.001.1547V01.0790V01.0659V04000.00V0V0V0一、气井特点一、气井特点侵入气体体积越多是气井溢流发生和加剧的原因中国石油中国石油测试求产时产能特点测试求产时产能特点井号井号测试测试油压油压MPa井底流压井底流压MPa测试产能测试产能X104m3/d井底流量井底流量X104m3/d井口流速井口流速m/smx12井50.6769.30116.770.1719.20mx16井35.0746.4211.470.0250.83mx201井50.1271.56132.20.18710.48mx101井45.261.3785.90.1428.80gs6井41.353.45104.70.1985.50不同压力下密度差异大不同压力下密度差异大压力MPa密度g/cm3压力MPa密度g/cm350.04352750.32107250.22403900.33094450.287621050.33823中国石油中国石油气气井井特特点点44、大部分天然气井含有大部分天然气井含有HH22SS四川盆地川东卧龙河气田三叠系气藏最高四川盆地川东卧龙河气田三叠系气藏最高H2SH2S含量达含量达32%32%（493g/m493g/m33），渡口河气田飞仙关气藏最高），渡口河气田飞仙关气藏最高含含HH22SS含量达含量达244.51g/m244.51g/m33（17.06%）;（17.06%）;华北赵兰庄气藏华北赵兰庄气藏HH22SS含量达含量达92%92%（11）HH22SS是有毒气体，是有毒气体，HH22SS会对人身体产生伤害。

会对人身体产生伤害。

（22）HH22SS会对地面设备、井下油套管产生腐蚀：

会对地面设备、井下油套管产生腐蚀：

硫化物应力腐蚀（快速腐蚀断裂）；硫化物应力腐蚀（快速腐蚀断裂）；HH22SS的腐蚀变薄（缓慢腐蚀变薄的腐蚀变薄（缓慢腐蚀变薄-电化学腐蚀电化学腐蚀）；）；H2S导致的应力腐蚀开裂硫化物应力腐蚀最敏感温度在20左右；温度超过80以后硫化物应力腐蚀可忽略；硫化氢的电化学腐蚀速度随着温度的升高而加快。

一、气井特点一、气井特点中国石油中国石油气气井井特特点点55、天然气中含有、天然气中含有COCO22COCO22会对油套管产生缓慢腐蚀变薄。

会对油套管产生缓慢腐蚀变薄。

这种腐蚀需要时间，腐蚀使油套管壁厚逐渐变薄和穿孔这种腐蚀需要时间，腐蚀使油套管壁厚逐渐变薄和穿孔COCO22腐蚀在临界点附近腐蚀尤其严重，油套管腐蚀在临界点附近腐蚀尤其严重，油套管COCO22腐蚀的临腐蚀的临界点界点100100以上，特殊材质临界点会更高以上，特殊材质临界点会更高在气液界面附近，在气液界面附近，COCO22腐蚀比较严重腐蚀比较严重COCO22腐蚀速度随着温度的升高而加快腐蚀速度随着温度的升高而加快地层水会加速地层水会加速COCO22的腐蚀速度的腐蚀速度CO2导致的失重腐蚀一、气井特点一、气井特点中国石油中国石油温度对不同钢材腐蚀速率的影响012345678020406080100120140160180温度（）腐蚀速率（mm/a）10MPa15MPa20MPa25MPa30MPa35MPa井底温度超过120C腐蚀减弱一、气井特点一、气井特点中国石油中国石油气气井井特特点点66、天然气易燃烧天然气易燃烧天然气比空气轻，泄漏后易于扩散、稀释天然气比空气轻，泄漏后易于扩散、稀释,是是可燃气体。

故现场要求严禁烟火。

可燃气体。

故现场要求严禁烟火。

77、空气和天然气混合达到某种比例时易爆炸空气和天然气混合达到某种比例时易爆炸空气中天然气浓度达空气中天然气浓度达55-15%15%，一旦遇火就会，一旦遇火就会发生爆炸。

发生爆炸。

天然气井不允许采用空气气举。

天然气井不允许采用空气气举。

一、气井特点一、气井特点中国石油中国石油中国石油中国石油中国石油中国石油中国石油中国石油中国石油中国石油中国石油中国石油中国石油中国石油中国石油中国石油中国石油中国石油中国石油中国石油中国石油中国石油二、试油测试工程设计原则二、试油测试工程设计原则中国石油中国石油二、试油测试工程设计原则二、试油测试工程设计原则11、安全第一、安全第一22、油层套管不损坏、油层套管不损坏33、采用带封隔器的试油管柱时、采用带封隔器的试油管柱时3.13.1封隔器密封可靠封隔器密封可靠封隔器有效压重最小座封力封隔器有效压重最小座封力（如如RTTSRTTS、Y211）Y211）卡瓦受到的向下作用力卡瓦安全承载力卡瓦受到的向下作用力卡瓦安全承载力水力锚受到的上顶力水力锚安全承载力水力锚受到的上顶力水力锚安全承载力3.23.2油管密封可靠油管密封可靠油管、接头强度满足安全油管、接头强度满足安全连接密封可靠连接密封可靠3.53.5井下工具完好、可控井下工具完好、可控44、满足关井要求（井下、井口关井）、满足关井要求（井下、井口关井）技术标准是指公认机技术标准是指公认机构批准的、共同使用构批准的、共同使用或重复使用的产品或或重复使用的产品或相关工艺和生产方法相关工艺和生产方法的规则、指南或特性的规则、指南或特性的文件。

的文件。

首要原则执行首要原则执行相关技术标准、相关技术标准、规范及法规规范及法规中国石油中国石油55、工艺设计要合理、工艺设计要合理针对性强针对性强每一个工艺都必须针对工作环境、地质及工程特点进行设计。

每一个工艺都必须针对工作环境、地质及工程特点进行设计。

相容性好相容性好工艺之间、工艺和管柱之间、流体之间、控制参数之间不能相互矛盾，使工艺之间、工艺和管柱之间、流体之间、控制参数之间不能相互矛盾，使工艺程序流畅，避免出现复杂情况。

工艺程序流畅，避免出现复杂情况。

互补性好互补性好对于风险大的技术难题，采用两个或者多个工艺及措施加以防范，实现多对于风险大的技术难题，采用两个或者多个工艺及措施加以防范，实现多重互补。

重互补。

可靠性高可靠性高工艺分析对比、制定解决难题的工艺对策，使方案细节环环相扣，提高方工艺分析对比、制定解决难题的工艺对策，使方案细节环环相扣，提高方案可靠性。

案可靠性。

66、井口及地面流程要安全可靠、井口及地面流程要安全可靠77、取全取准试油资料、取全取准试油资料二、试油测试工程设计原则二、试油测试工程设计原则中国石油中国石油三、目前试油测试常用工艺三、目前试油测试常用工艺中国石油中国石油常规试油常规试油工艺工艺应用范围：

常压、低含硫气井应用范围：

常压、低含硫气井管柱结构、试油测试工艺简单管柱结构、试油测试工艺简单可一趟管柱完成射孔、测试可一趟管柱完成射孔、测试替液、诱喷方式简单替液、诱喷方式简单可带水力压差封隔器进行增产可带水力压差封隔器进行增产也可采用欠平衡下入生产投产也可采用欠平衡下入生产投产中国石油中国石油带带APRAPR工具的封隔器管柱联作快工具的封隔器管柱联作快速安全试油测试工艺速安全试油测试工艺应用范围：

常用于高温高压及含硫气井试油测试应用范围：

常用于高温高压及含硫气井试油测试一趟管柱完成射孔、测试、酸化、再测试和试井工作，一趟管柱完成射孔、测试、酸化、再测试和试井工作，避免多次压井对地层的伤害，更好的保护产层避免多次压井对地层的伤害，更好的保护产层能实现井下多次开关测试能实现井下多次开关测试能替液、诱喷能替液、诱喷能获得井下准确的压力、温度数据并流体取样能获得井下准确的压力、温度数据并流体取样能井下关井能井下关井节约了大量的作业时间和劳力节约了大量的作业时间和劳力中国石油中国石油试油完井一体化工艺试油完井一体化工艺应用范围：

高温高压及高含硫的油气井应用范围：

高温高压及高含硫的油气井封隔器：

永久式双向锚定封隔器：

永久式双向锚定环空：

防腐保护液环空：

防腐保护液井下安全阀：

地面控制井下关断井下安全阀：

地面控制井下关断压力、温度资料录取：

绳索作业压力、温度资料录取：

绳索作业中国石油中国石油水平井在页岩气、低效致密气以及碳酸盐岩储层中广泛采用，形成了速钻桥塞分段改造、裸眼封隔器+分段工具改造等多项特色试油技术。

水平井试油测试工艺水平井试油测试工艺中国石油中国石油裸眼封隔器管柱分段改造裸眼封隔器管柱分段改造试油试油完井工艺完井工艺目前四川作业压裂段数达30段中国石油中国石油四、四、油层套管参数计算油层套管参数计算及安全控制要求及安全控制要求中国石油中国石油11、最大掏空深度计算公式最大掏空深度计算公式套管允许强度计算基础推导来源于拉梅公式和第三强度理论底水泥挤挤hKPHi）（972.101（14）套管套管抗外挤抗外挤问题问题井内清水液面井深Hwmax时，油层套管不会挤毁；井内清水液面井深Hwmax时，油层套管可能被挤毁。

Hwmax仅是该井油层套管柱的一个安全性能指标。

中国石油中国石油22、井内为纯天然气时最低套压（14）套管套管抗外挤抗外挤问题问题

（1）井内为纯天然气时，套压PcPcgmin,油层套管不会被挤毁；井内为纯天然气时，套压PcPcgmin,油层套管容易被挤毁。

（2）Pcgmin,仅表示该井油层套管柱的一个安全性能指标scgekPhkP抗挤抗挤当底抗挤97.10197.101min底气hs410251.1中国石油中国石油33、井内为清水时允许最高套压（14）套管套管抗抗内压问题内压问题压压KPPcw

（1）井内为静止清水时，套压PcPcwmax,油层套管不会被压坏；井内为静止清水时，套压PcPcwmax,油层套管容易被压坏。

（2）Pcmax,仅表示该井油层套管的一个安全控制指标。

中国石油中国石油33、井内为天然气时允许最高套压（14）套管套管抗抗内压问题内压问题

（1）井内为纯天然气时，套压PcPcgmax,油层套管不会被压坏；井内为纯天然气时，套压PcPcgmax,油层套管容易被压坏。

（2）Pcgmax仅表示该井油层套管柱的一个安全性能指标dcgekhkPP抗压顶抗压抗压97.10197.101max平均平均顶气ZThd15034.0中国石油中国石油套管适应性分析（静载强度）：

井内为清水时的最大掏空深度井内为清水时的最大掏空深度HwmaxHwmax（井口压力为大气压）（井口压力为大气压）井内为静止清水时允许最高控制套压井内为静止清水时允许最高控制套压PcwmaxPcwmax井内为纯天然气时允许最低套压井内为纯天然气时允许最低套压PcgminPcgmin井内为纯天然气时允许最高套压井内为纯天然气时允许最高套压PcgmaxPcgmax实际操作中还必须考虑井的其它安全因素来确定实际的控制套压中国石油中国石油外径mm壁厚mm钢级计算深度m抗内压MPa抗外挤MPa管外钻井液密度g/cm3环空为密度1.60g/cm3完井液时井内为纯天然时最大掏空深度m最高控制套压MPa最低控制套压MPa最高控制套压MPa193.6819.05TP110SS3801.09131.00135.001.85全掏空82.430104.80177.812.65VM140HC5418.50120.18117.622.214597.3764.268.58120.54127.012.14TP140V5930.00161.50166.902.35全掏空94.310163.31回接筒工作压差103.42MPa60.35108.20综合安全控制参数4597.3760.358.58104.80某井油层套管控制参数某井油层套管控制参数中国石油中国石油五、设计优化五、设计优化中国石油中国石油井况分析的重要性井况分析的重要性井况分析是做试油测试设计的基础，通过井况分析才能了解井况分析是做试油测试设计的基础，通过井况分析才能了解地层特征、流体性质及套管强度状况，从而选择合理、科学地层特征、流体性质及套管强度状况，从而选择合理、科学的完井试油工艺，以达到安全、有效试油的目的。

的完井试油工艺，以达到安全、有效试油的目的。

11、井况分析、井况分析中国石油中国石油井况分析的主要内容：

井况分析的主要内容：

储层的压力、温度情况分析储层的压力分析目的是了解地层压力大小，推算预计井口最大关井压力；温度分析：

根据电测资料和邻井资料分析计算储层的温度大小，为井下工具和地面配套设备的选择提供依据。

中国石油中国石油L17井井口最高关井压力预测实例地层压力预测a、录井显示及浅析、58565858m发生气侵，钻井液密度：

2.172.132.17g/cm3,粘度661148068s，说明：

当2.17g/cm3。

、58845990m，气侵、井涌、井漏。

气侵：

钻井液2.191.852.17g/cm3，粘度8213282s，说明当2.19g/cm3。

井涌：

2.191.972.14g/cm3，粘度：

82112108s，刚循环加重至2.20恢复正常，说明当2.20g/cm3；井漏：

继续加重至2.28g/cm3发生井漏，漏失2.6m3钻井液，综合说明：

2.20g/cm3当2.28g/cm3。

b、地层压力预测，气层中部井深5868.5m地层压力：

126.61MPa131.21MPa。

中国石油中国石油近似公式:

精确公式:

式中：

天然气的相对密度，无因次；井筒内平均温度，K；井筒静气柱平均压缩系数，无因次。

h产层中部井深，m。

井口关井压力预测按126.61MPa预测井口关井压力：

107.32MPa按131.21MPa预测井口关井压力108.25MPa；h101.2504eppS0eppZTSh03415.0TZ中国石油中国石油2.3岩性特征分析分析上部地层是否存在蠕变地层，储层岩石是否胶结良好或致密等，便于设计相应的施工措施。

2.4流体性质分析根据邻井资料、钻井中显示情况推测完井试油层所产流体是否含酸性流体，以后续管柱材质选择和相应安全防护措施提供选择依据。

2.5电测资料分析根据电测资料分析储层物性特征及含油气状况，为后续压井、求产制定措施提供依据。

温度分析：

温度分析：

温度变化明显的几个工序：

替液；循环；酸化；求产；压井。

求产时井口最高流动温度分析酸化温度分析：

井筒内酸液温度分析地层酸液温度分析返排井筒内液体温度分析返排气体温度分析（时序连续分析）温度交互分析：

a、酸液注入时与环空液体地层传热分析；b、地层酸液与地层的传热分析；c、返排时酸液与环空液体、地层的传热分析；d、返排气体与环空液体与地层的传热分析。

替液、循环、压井温度分析替液温度分析；循环温度分析。

压井温度分析。

中国石油中国石油温度分析：

温度分析：

井号井号电测温度电测温度预测温度预测温度实测温度实测温度L1井井146150以上以上153.66L2井井141150153.27J1井井161.8175175.2注入液体温度C封隔器座封时初始温度C注酸后的温度C35160104.0563514093.0072014086.294注入液体温度C封隔器座封时初始温度C注酸后的温度C3516089.4653514080.7512014072.286地层温度预测分析注酸80m3后温度变化对比表注酸120m3后温度变化对比表中国石油中国石油岩性特征分析分析上部地层是否存在蠕变地层，储层岩石是否胶结良好或致密等，便于设计相应的施工措施。

流体性质分析根据邻井资料、钻井中显示情况推测完井试油层所产流体是否含酸性流体，以后续管柱材质选择和相应安全防护措施提供选择依据。

电测资料分析根据电测资料分析储层物性特征及含油气状况，为后续压井、求产制定措施提供依据。

中国石油中国石油油层套管分析：

油层套管分析：

油层套管排列和抗油层套管排列和抗H2SH2S性能分析性能分析固井质量分析。

固井质量分析。

套管磨损或损伤分析。

套管磨损或损伤分析。

油层套管控制参数分析油层套管控制参数分析套管强度常规分析是根据油层套管在不同介质条件下的允许控制套压，套管强度常规分析是根据油层套管在不同介质条件下的允许控制套压，为控制参数的设计提供科学数据依据。

为控制参数的设计提供科学数据依据。

中国石油中国石油套管适应性分析（静载强度）：

井内为清水时的最大掏空深度井内为清水时的最大掏空深度HwmaxHwmax（井口压力为大气压）（井口压力为大气压）井内为静止清水时允许最高控制套压井内为静止清水时允许最高控制套压PcwmaxPcwmax井内为纯天然气时允许最低套压井内为纯天然气时允许最低套压PcgminPcgmin井内为纯天然气时允许最高套压井内为纯天然气时允许最高套压PcgmaxPcgmax实际操作中还必须考虑井的其它安全因素来确定实际的控制套压中国石油中国石油外径mm壁厚mm钢级计算深度m抗内压MPa抗外挤MPa管外钻井液密度g/cm3环空为密度1.60g/cm3完井液时井内为纯天然时最大掏空深度m最高控制套压MPa最低控制套压MPa最高控制套压MPa193.6819.05TP110SS3801.09131.00135.001.85全掏空82.430104.80177.812.65VM140HC5418.50120.18117.622.214597.3764.268.58120.54127.012.14TP140V5930.00161.50166.902.35全掏空94.310163.31回接筒工作压差103.42MPa60.35108.20综合安全控制参数4597.3760.358.58104.80某井油层套管控制参数某井油层套管控制参数中国石油中国石油五、优化设计五、优化设计中国石油中国石油1、工程设计内容要求：

井基本数据；套管控制参数计算及油管柱设计；设计依据及试油方式；井控措施：

井控装备、压井液或压井材料准备要求；地面流程设计；试油工艺步骤及要求；安全与环保要求。

五、优化设计五、优化设计中国石油中国石油2、管柱设计：

功能设计。

所谓功能设计就是设计的油管功能能够满足完井作业和开采期间各种工况的需要。

射孔酸化排液求产关井求压压井开采不动管柱作业或动管柱的修井作业五、优化设计五、优化设计中国石油中国石油2、管柱设计：

抗腐蚀设计。

选材时要考虑试油阶段腐蚀特点和抗腐蚀要求选材时要考虑开采早期的腐蚀特点和抗腐蚀要求选材时要考虑开采中后期的腐蚀特点和抗腐蚀要求583.99m583.99m断落断落溃疡状腐溃疡状腐蚀坑洼蚀坑洼五、优化设计五、优化设计中国石油中国石油五、优化设计五、优化设计2、管柱设计：

强度设计抗内压设计抗内压强度安全系数通常取1.25。

例如关井或施工压力达96MPa，应选油管的抗内压强度120MPa，或其他措施补偿。

抗外挤设计抗外挤强度应1.125，例如管外压力达103.42MPa（井口），油管的抗外挤强度应为116.35MPa。

抗拉设计抗拉安全系数通常要求大于1.5，在含硫、深井超深井中要求要求大于1.8兼顾考虑其剩余拉力（）弯曲状态三向应力分析（D010和SENERGY:

1.25，考虑12.5%制造公差）中国石油中国石油五、优化设计五、优化设计2管柱设计：

封隔器选择和配套工具设计1）封隔器的选择A.封隔器的工作压差与油管抗内压、抗外挤及采气后期的最大生产压差相匹配，如采气后期的最大生产压差为63.5MPa，所选封隔器工作压差应为103.42MPaB.封隔器的工作温度要与地层温度相适应C.封隔器类型要满足气井试油开采的需要2）伸缩接头A.伸缩接头的入井状态要可靠B.伸缩接头能够有效的缓解受力恶劣状况（伸长时受拉，缩短时受压）C.伸缩接头要求对某工况能起到有效调节作用,不影响其它工况管柱受力D.伸缩接头不能成为短板中国石油中国石油2、管柱设计：