第一章完井设计.docx

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第一章完井设计

第一章完井设计

完井工作是海上油气田开发工作中的重要环节，油藏开发方案和采油工艺方案需要通过完井作业来实施。

同时由于海上完井工作费用高，合理设计完井作业是降低油田开发投资和提高开发效果的途径。

完井设计是完井作业的基础，科学合理的优化设计是搞好完井工作的关键。

本章就海上油气井完井的特点和完井不同阶段的完井要求、内容和标准，介绍海上油气井完井设计的基本方法及做法。

完井工作不是单一的作业技术而是一项综合技术和系统工程，由于海上完井工作受海上环境特点的影响，为了使开发井能适应相应的环境并满足开发方案及采油工艺的要求，需与其他相关工程如油藏、钻井、测井、试油、集输及海洋工程等互相配合、协调，以达最佳生产效果和经济效益。

因此，完井设计需在油田总体开发方案基础上通过不同阶段来完成。

第一节海上油气田完井设计准备及资料收集

由于完井方案与采油工艺方案有着直接联系，因此从油藏发现起就应作为采油工艺跟踪研究工作的一部份。

跟踪研究应包括以下二个方面：

1．参与采油工艺前期研究的试验工作

（1）储层保护的研究

l）地层损害因素的分析研究（包括压井液、完井液的伤害等）；

2）储层敏感性评价实验（水敏、速敏、酸敏、盐敏、碱敏）。

（2）出砂的预测及防砂方法的研究

（3）流体组份和腐蚀性研究

（4）井筒流动能量及物性变化研究，防蜡剂、防水化物剂的研究

（5）封堵，增产措施，储层改造等的研究

（6）采油工艺预研究

1）油套管尺寸及材质；

2）人工举升方式及参数；

3）注水方式及参数；

4）生产动态监测方案；

5）修井设备能力及措施方案。

（7）参与有关水下环境工程地质和井口方案的预研究

（8）有关水平并及多底井完井方案及工具的调查研究

2．编制完井设计前的资料收集

（1）完井设计所需油藏地质资料

1）油藏及构造资料；

2）油层及岩性资料（包括矿物成分、粒度分析及有关防砂分析资料）；

3）储层流体资料。

（2）完井设计所需油藏开发资料

1）有关油藏开发方案资料；

2）单井配产方案资料（包括注采方式及分层的产量、压力、生产曲线等与采油工艺有关资料）；

3）单井射孔方案（分层系方案）；

4）注水方案。

（3）完井工程所需试油测井资料

1）钻杆测试及钻杆延长测试资料；

2）测井资料。

4）完井工程所需的环境及海上工程资料

1）海洋环境及气象资料，水下环境及工程地质资料；

2）井口区及导管架资料（包括承载能力、钻机、修井机等）；

3）作业甲板及相关设施资料（包括作业区面积、水、电、压缩空气、油料蒸气的供给等）；

4）完井作业进度与海上工程作业关系。

（5）完井工程所需的钻井工程资料

1）已完钻各类开发井的钻井资料（包括探井、评价井转为开发井）；

2）未钻各类开发井的钻井方案；

3）探井、评价井的有关资料；

4）邻井完井特殊作业提示。

（6）收集完井设计遵循的各种标准

上述资料数据除少数资料可以在施工设计阶段收集外，大部分都应在方案设计及分类设计阶段收集。

第二节海上油气田完井设计遵循的标准及原则

一、完井设计遵循的标准1．遵循的国家标准（安全作业标准及许可要求）由中国海洋石油作业安全办公室颁发的下列有关规则和要求：

1）海洋石油作业安全管理规定；2）海上移动式钻井船（平台）作业许可办法；3）海洋石油作业井控要求；4）海洋石油作业硫化氢防护安全要求；

5）海上移动式钻井平台和油（气）生产设施一般安全管理规则；

6）海洋石油作业放射性及爆炸性物质安全管理规则；

7）海洋石油作业守护船安全管理规则；

8）海上移动式钻井平台和油（气）生产设施电气安全管理规则；

9）海上移动式钻井平台和油（气）生产设施的经理及特种作业人员的资格要求。

2．参考的国际标准（设备、器材及设计作法）

l）APIRP14B“井下安全阀系统的设计安装修理和操作推荐作法”；

2）AP1SPEC5CT“套管和油管规范”；

3）APIRP16E“井控设备控制系统设计的推荐作法”；

4）APIRP17C“过出油管系统的推荐作法”；

5）AP1SPEC8A.C“钻井和开采提升设备规范”；

6）APIRP43“油气井射孔器评价的推荐作法”；

7）APIRP54“油气井钻井及修井作业职业安全的推荐作法”；

8）AP1SPEC10A“油井水泥规范”；

9）AP1SPEC6D“管线阀门（闸阀。

旋塞阀、球阀和止回阀）规范”；

10）API4F“钻井修井设备结构”。

3．参考的行业标准（器材及设计、操作标准）

1）SY5274一91树脂涂层砂；

2）SY5276一91化学防砂人工岩心抗折、抗压强度及渗透率测定方法；

3）SY5337一88砾石充填工具；

4）SY5338一88酚醛树脂加固井壁防砂推荐作法；

5）SY5339一88酚醛树脂人工井壁防砂推荐作法；

6）SY5340一88油井套管内绕丝筛管砾石充填工艺推荐作法；

7）SY5352一89可钻式桥塞；

8）SY5404一91分层注水作业方法；

9）SY／T5587（1一18）一93可钻式桥塞钻铣作业规程；

10）SY／T5625一93静液压封隔器。

4．遵守的环保法律及规定

（1）环境保护法律

l）中华人民共和国环境保护法；

2）中华人民共和国海洋环境保护法。

（2）环境保护行政法规、法规性文件

1）中华人民共和国海洋石油勘探开发环境保护管理条例；

2）中华人民共和国防止船舶污染海域管理条例；

3）中华人民共和国海洋倾废管理条例；

4）放射性同位素与射线装置放射保护条例。

（3）环境保护部门规章、规范性文件

l）中华人民共和国海洋石油勘探开发环境保护条例实施办法；

2）海洋石油勘探开发溢油应急计划编报和审批程序；

3）海洋石油勘探开发化学消油剂使用规定；

4）关于渤海区海洋石油勘探开发环境保护管理有关问题的通知；

5）中华人民共和国海洋倾废管理条例实施办法。

（4）海洋石油工业环境保护规章规范性文件

1）海洋石油工业环境保护管理规定；

2）海洋油（气）田开发工程项目环境保护管理暂行规定。

（5）相关法律法规

中华人民共和国渔业法。

二、完井设计遵循的原则1．满足开发、采油工程方案要求

（1）满足开发方案的要求1）满足开发方案中各类井开采方式的要求；2）满足开发方案中各类井开采层位、井别变更的要求；3）满足开发方案中各类井动态监测要求。

（2）满足采油工程方案要求1）采油工程的自喷、人工举升、注水、测试、增产和增注措施、防砂、清防蜡、防垢、防腐、防水化物，修井及三次采油等工艺的要求；

2）与井口地面生产工艺流程相协调。

2．与钻井、海洋工程方案的协调、配合

（1）与钻井方案配合、协调的内容

对钻井工程提出的配合、协调要求，包括对生产套管、固井质量、井眼轨迹、井身结构、钻开油层的保护措施及井口装置。

（2）对海洋工程需要配合、协调的内容

1）水下井口完井时井口装置的协调配合；

2）导管架完井时与钻井平台的协调配合；

3）生产平台完井作业对平台修井机、场地和吊机能力及完井和采油工艺所需水、电、油、气的协调供给。

3．满足作业安全、高效及环保要求的原则

4．符合油层保护及改造措施的要求

1）完井设计应严格执行保护油层的原则，做到完井施工液体对产层尽量减少伤害，对油藏流体能配伍，不产生沉淀、结垢、乳化及其他有害反应，若避免不了时就应采取有效措施对产层进行保护；

2）根据油藏及采油工艺方案要求，完井设计的井口装置、井下管柱都应满足今后必要的各种措施作业的需要。

5．尽量减少投产后补救性的井下作业及措施工作量

这对没有修井设备的平台需要动用修井船和钻井船来进行井下作业的海上平台尤为重要。

第三节完井设计的基本方法

一、完井方式的选择

1．完井方式的分类

按完井方式可分为裸眼完井和套管完井方式两大类。

合采

裸眼完井水平井及分枝多底井

分采完井

完井方式套管完井水平井及分枝多井完井

防砂完井

热采

混合方式完井

2．完井方式选择的因素1）产层和夹层岩石的岩性和强度。

裸眼完井适用于产层和夹层岩石较硬且不易破碎的情况，如石灰岩、白云岩和花岗岩等缝洞型油藏或胶结坚固的砂岩中选用；否则，应采用套管完井方式，而且产层出砂就得研究防砂完井。

2）储层产能、水动力系统、岩层物性及流体性质等因素。

3）平台及环境条件，如平台的面积、流程处理能力、电源、气源等因素。

4）生产过程中各项工艺措施的要求。

对所选定的完井方式应能满足正常生产过程中诸如生产测井、增产措施、生产层位调整（卡封堵层、分采改为合采或合采改为分采等）的要求。

5）特殊完井的需要。

对水平井、多底井及超大位移井等，需研究特殊完井方式。

6）经济因素。

二、防砂工艺的设计

这里仅叙述海上油气田的滤砂管防砂、管内砾石充填防砂工艺的设计内容，更详细的叙述请参阅第九章有关部分。

1．滤砂管防砂的设计

1）滤砂管结构、技术参数、材质、强度等要求；

2）滤砂管防砂的管柱结构及配套的井下工具要求；

3）施工程序及工艺技术要求。

2．砾石充填防砂工艺设计

1）砾石的尺寸及质量要求；

2）充填方法（如水充填、凝胶充填、振动充填等）的选择；

3）地层预处理内容及要求；

4）射孔要求；

5）管住结构设计及主要工具、配套工具结构及技术要求；

6）完井液、处理液、携砂液的配方、性能及技术要求；

7）施工程序及工艺要求；

8）施工参数；

9）施工设备及工具。

三、射孔工艺的设计

根据地层特性、开发方案要求、完井方式等因素，选择射孔方式及射孔参数。

1．射孔方法选择

2．射孔枪、射孔弹类型及射孔方式（电缆、油管输送）的选择

3．射孔参数（孔密、孔深、相位）的选择4．TCP射孔管柱结构的设计及施工步骤、工艺要求5．射孔液的要求（此内容也可放在完井液部分）四、采油工艺的设计

1．油管选择

2．采油、气方式选择

3．人工举升设备和工具选择

4．注水方式选择和测试工艺

五、井下管柱的设计

1．油、套管的选择

2．生产管柱功能的设计及井下工具的选择

（1）管柱功能类型的确定

根据特定条件选定具体完井方式后也就决定了井下管柱应具备的功能。

井下管柱的各种功能是通过各种井下工具的组合来实现的。

1）井下工具的分类。

根据使用目的不同，井下工具分为：

①测试工具；

②循环压井工具；

③分层封隔工具；

④流量控制工具；

⑤安全防喷工具；

⑥注化学药剂工具；

⑦人工举升配套工具；

⑧注水工具；

⑨调节管柱受力的工具及防砂专用工具；

⑩其它配套工具。

详细请参见第四章。

2）对所选井下工具的要求。

①强度及压力等级。

根据压力等级和压差要求进行工具的选择。

或对工具的薄弱部份进行强度核算。

②工具开关动作。

对工具的开关动作及配套工具进行选择，以符合下井管柱的动作。

③工具尺寸。

对工具的内通径、外径进行选择，落实内通径和其它工具内通径的配合，外径适合井下套管的直径，工具的外形（有导向斜面和台阶等）在斜井中能畅通元阻。

④螺纹类型。

工具连接螺纹和上下接头螺纹相符，同时，所选的螺纹符合油气井条件的（如密封性和承受拉力等）要求。

⑤工具材质及密封件材质的选择。

应根据流体成分、腐蚀性流体类别、含量及油气井温度、压力等条件进行选择。

3．尺寸、动作、强度的校核

在选择井下工具后，对工具的尺寸、使用、操作动作、强度都应作核实。

（1）尺寸的核实

1）内通径的核实。

内通径的核实必须遵循上大下小的原则和相邻两级的通径差一般最小需大于2～4mm。

需下到生产管柱底部的工具必须能通过其上部的所有工具。

2）外径的核实。

以工具最大投影外径加管住组合时所安装绑扎的电缆、液压控制管线等外径组合成的管柱最大外径来进行核实；对井内所通过的套管内径、尾管挂台阶进行核对。

对大直径、较长长度的部件（如电潜泵机组等），还应进行过井筒造斜段强度校核，防止部件变形、折断。

（2）工具及管柱动作和遇卡阻拉力扭矩核实

一般管柱下入井内会遇阻遇卡，管柱需要进行上下活动、旋转处理。

一些井下工具下井需要释放、打开、关闭、坐封、解封，也要依靠上提、下放、加压或旋转动作来完成，因此，需要校核。

1）管柱遇阻的上、下活动、旋转对工具的开关释放、解封动作是否互相影响。

2）井下工具之间的开关释放、解封动作是否互相影响。

3）核实各工具动作拉力、旋转的扭矩变化范围是否足够大。

（3）强度、内工作压力、压差的校核

1）所选配的井下工具的压力等级是不一致的，需进行管柱强度的核实，按各工具下入深度的最大工作压力校核是否满足要求。

2）不少井下工具的开关、坐封、解封都靠内压或内外压差来实现的。

因此，要求对各工具的内工作压力和压差进行校核。

4．管柱受力（载荷）的核实计算

管柱在起下、措施作业过程和生产过程中，都要受到内外压、温度、外力、重力等影响。

因此，应对管柱的受力及形变进行校核计算，确认管柱是否合理、适应生产条件。

管柱的形式很多，有的管柱受力分析较复杂，海上常用的为带有封隔器的管柱。

管柱受力的核实计算必须考虑压力、温度和力的变化。

这三个方面的任何变化都会引起管柱长度和受力的变化，有关管柱受力的分析和计算请参阅第七章第八节。

六、井口装置的设计

井口装置的设计这里仅指油管头和采油树的设计，不包括套管头等设施。

1．井口装置分类及功能

参见第三章井口设备。

2．井口装置设计要求

（1）压力等级（强度）

按开采期内所需最高注采井口压力或作业措施最高井口压力选择。

压力等级和井下管柱压力等级相配套。

（2）油管头，采油树和密封件的材质

根据工作流体内腐蚀组份类别、含量和工作分压等因素选择油管头和采油树的材质和密封件。

（3）内通径

内通径应和油管通径一致，外径应根据海上平台允许尺寸选择，当空间较小时，可选整体式采油树。

（4）油管头

1）根据悬挂多管或单管管柱的作业要求选择。

2）根据下井管柱中电缆和各种注入管线、液压控制管线选择相匹配的多孔通道的油管挂、密封接头和变径法兰，以及电缆穿越器。

3）根据生产套管尺寸选择油管四通下部的套管二级密封形式和尺寸。

同时，要求套管头顶法兰尺寸和压力等级应和油管四通下法兰的尺寸及压力等级一致。

4）根据上部总阀门的法兰尺寸和油管四通上法兰尺寸选择变径法兰。

5）按环空套压观测、作业、生产、循环和挤注要求选择翼阀、连接法兰、连接照纹和压力表。

（5）采油树

1）由生产要求选择单翼或双翼采油树。

2）根据生产及海上平台安全要求选择液动或气动总阀或安全阀（地面及井下安全阀），由地面控制盘统一控制。

3）截止阀结构型式的选择应满足生产及安全要求，可选用双向密封，开启方便，维修简单的产品。

4）采油树帽及截止阀的端部连接组合应满足观察油压、生产测试、循环压井、挤注作业的要求。

（6）节流油嘴

根据产量范围选择节流油嘴的控制范围及调节刻度。

进出口法兰尺寸及压力等级同前后法兰配套。

（7）部件的选择

1）油管头配套部件：

防磨衬套及取送工具、试压泵、单流阀及取送工具、注密封脂工具。

2）采油树部件：

电缆穿越器、压力表、针形阀。

（8）尺寸及强度、功能的校核

1）通径及外形尺寸的校核。

组合后的油管头和采油树，应根据各管道校核通径是否一致；组合后的井口装置外形尺寸应和平台空间允许尺寸一致。

2）强度、材质及功能校核。

对整体井口装置应进行压力等级及材质（包括各连接密封件材质）的校核；同时，对组装后的整体功能进行检查是否满足设计的生产作业功能要求。

3．水下井口装置的设计

根据水下环境条件、工作条件，选择水下装置及配套系统。

参见第三章。

七、完井液的设计

1．完井液的性能要求

（1）配伍性能

完井液不仅要满足作业功能还需要具有与储层矿物、储层流体相配伍的性能。

还应做到不同种类的完井液可以互相转化配制，不必更替，提高利用率和效益。

（2）压井性能

为保证作业安全，必须压井后才能作业，要求完井液具有一定的密度。

在大多数情况下，压井液液柱的压力为油层压力的1.05～1.15倍。

当井深及使用的盐类溶液密度受温度影响变化大时，应以井底及地面温度的平均温度来计算密度。

（3）固相含量控制

由于固相颗粒侵入产层产生永久伤害，对井下工具、仪器造成故障、事故，因此一般采用硅藻土及筒式过滤器对完井液进行二级过滤：

常用的为10μ、2μ两级。

最终固相含量直径控制在2μ内，固相含量<5％。

如油层属于低渗透层，则根据具体喉道直径确定。

（4）粘度

当需要清洗井筒和冲砂等作业时，工作液应根据要求配制一定的粘度。

一般加入HEC和XC提粘，但要求具有可泵性和较好的循环返排性。

（5）防护性能

当地层有盐敏、碱敏、水敏时应根据完井液对地层的伤害情况加入一定的添加剂，防止地层损害。

（6）防腐性能

由于盐水完井液和氧气对套管、油管、井下工具及密封件有腐蚀性。

当井下工具长期浸泡时，这个问题不容忽视。

因此，必须在完井液中加入防腐剂，除氧剂等化学剂。

（7）其他性能

根据工作要求具备其他性能时可添加其他添加剂来配制，使完井液具有其他特殊性能，要求各添加剂互相配伍不产生化学、物理反应、不产生沉淀。

2．完井液的使用

（1）种类选择

根据采油工艺设计中做的产层五敏试验，流体组份和完井工作要求选择完井液的种类。

（2）确定性能配方

对所需各种完井液提出性能要求、用量，由专业承包公司和服务商提出相应的配方及有关产品的性能、实验报告由作业者加以确认。

八、完井过程中有关措施的设计

在钻井过程中有可能受钻井液的影响产层受到污染，需要进行解堵措施，个别低渗层有时需要进行改造等。

这些强化措施，常见的有酸化措施和酸压措施。

1．酸化设计

（1）酸化分类

酸化分为常规酸化和压裂酸化两类。

常规酸化是指在低于地层破裂压力情况下，把酸挤入地层靠酸液对岩石的溶蚀，扩大渗流通道和溶解渗流通道中的堵塞物使油气井增产。

对裂缝发育的油气层主要靠酸化裂缝而增产。

酸压措施则靠酸液的水力作用和溶蚀作用，在处理井段形成人工裂缝，改善渗流条件，使油井增产。

（2）酸化设计

酸化设计按常规设计程序进行设计，特别要强调的是海上酸化设计中还需要包括排酸诱喷及防污染措施。

2．临时封堵措施设计

在完井工作中为防止污染油层而将油层暂时封堵，待一段时间后进行人工解堵或自动解堵。

在作暂时封堵油层设计时首要考虑的问题是堵漏剂的性能。

3．临时完井管柱

由于一些原因，完井后暂时不能马上投产，仅下临时管柱，并对生产井进行暂时关闭。

该设计必须考虑井下和地面安全以及保护油层和暂时关闭的密闭性能。

4．投产措施

地面工艺流程设备及井下管柱全部就绪后，经地面流程预热、试运转达合格标准。

5．其它措施设计

如射孔封窜等。

九、施工程序的设计和安全防污染应急计划的制定

按施工阶段的条件、环境作好每个阶段的施工内容和要求的设计，并编制安全、防污染应急计划。

十、施工机具、装备的设计

1．施工设备的选择

1）施工设备的选择。

①适应不同水深条件，选择自升式钻井船或半潜式钻井平台。

根据海底地质条件选用座底式或自升式。

②在生产平台导管架作业时要求钻井平台有悬臂钻台并可以复盖作业区的能力。

③用平台修井机和平台钻机作业时，要求其井架大钩负荷及相应的设备、场地能满足作业要求。

2）完井液循环系统设备的选择。

应按排量、压力及循环功能选择，同时应配套相应的过滤设备和相应的罐、容器和管汇等。

3）平台吊机能力的校核和工作甲板、钻台面积及承载能力的校核。

4）防喷系统按照要求的压力，通径及循环压井功能选择，并配备相应的内防喷器。

2．施工机具的选择

1）一般必要的施工机具如卡瓦、吊卡油管钳等。

2）专用的施工机具，如下双管卡瓦、下电缆及控制管线的绑扎工具等等。

3）其他工具设备的选择。

对施工机具选择时还应对其占地面积和设备重量进行设备布置设计和甲板载荷的校核。

第四节不同阶段完井设计要求

由于完井设计和采油工艺方案、油藏开发方案、海上工程方案互相紧密联系，随着开发方案及海上工程方案等各方面工作的深入完善和对完井要求的具体化，完井设计也必须分阶段深入确定。

一、编制海上完井设计的阶段

海上完井设计编制分三个阶段进行：

l）完井方案（概念设计）编制研究阶段；

2）分类井设计（基本及详细设计）编制阶段；

3）施工设计编制阶段。

这三个完井设计阶段是和油田开发实施的阶段一致的。

完井设计审批程序详见第十四章“海上油气田完井工作程序”。

完井方案概念设计在油田ODP报告编制阶段内完成。

随ODP报告一起审批。

分类井设计是和海上工程基本及详细设计阶段相应的，其审查是与工程基本设计、钻井设计同步进行。

分类井设计要和工程设计及钻井设计互相协调。

施工设计阶段基本上是和海上工程建造、开发井钻井阶段相应的。

二、各阶段完井设计的要求

1．完井方案（概念设计）阶段

1）完井方案是根据油藏开发方案和采油工艺方案的要求来设计的，例如采油工艺方案中的人工举升方案、分采方案、注水方案及测试工艺和措施方案等决定了完井设计的要求和内容。

完并方案是隶属于采油工艺方案，是油田开发总体方案（ODP）报告中采油工艺方案中的一部份。

2）ODP是包括油藏、采油工艺。

钻井工程及海上工程等各专业的综合方案，是各专业互相协调的系统方案。

因此完井方案也要和其他专业方案一样必须和油藏工程、海上工程方案、钻井工程方案等相互协调。

3）在此阶段受探井、评价井的资料限制，决定了完井方案设计阶段只能是概念性原则性的研究，是作为以后阶段进一步深化设计的基础。

4）概念设计应和采油工艺方案研究一样，从探井、评价井阶段进行跟踪一直继续到ODP报告编制出来才算这一阶段结束。

2．分类井设计（基本及详细设计）阶段

1）该阶段时间应从ODP报告批准后直至完井装备器材采办工作开始。

2）由于各油气田开发的复杂程度不同，在该设计阶段可分二步进行，即基本设计和详细设计。

基本设计是在概念设计的基础上做的。

详细设计，应完成器材采购、租赁清单、服务、项目清单和施工计划。

3）这阶段的设计应随着油藏、工程、工艺研究的深入，在原概念设计的基础上作进一步的修改补充完善，调整费用预算，若有重大改动，应按工作程序另行申报批准。

4）这阶段的设计应是全面的正式设计，应和采油工艺方案、钻井工程方案和海上工程详细设计方案协调一致。

一般在分类完井设计后方案不应再有变更。

3．施工设计阶段（实施阶段）

1）这阶段以器材采办和服务合同开始至施工结束。

2）施工设计不仅要有单井及各工序的设计，而且各工序的施工参数，施工机具的选型，服务公司的设备和人员都已确定。

施工设计是单井施工的依据。

3）施工设计在分类设计基础上进行，其工作计划、费用都应和分类设计吻合。

该阶段还应有详细的后勤服务工作计划如供应船、直升飞机及器材准备等。

三、完并设计的内容与格式

1．完井