钻井与完井工程教材第八章完井工程.docx
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钻井与完井工程教材第八章完井工程
第八章完井
第一节完井方法
完井，顾名思义指的是油气井的完成（WellCompletion），即根据油气层的地质特性和开发开采的技术要求，在井底建立油气层与油气井井筒之间的合理连通渠道或连通方式。
一口井钻成之后，主要的工作就是在井底建立油气层与油气井井筒之间的合理连通渠道，也就是完井。
在井底建立的油气层与油气井井筒之间的不同连通渠道，也就构成了不同的完井方法。
所以，本章主要介绍完井方法及其选择、井口装置及完井管柱、完井投产措施。
其中最重要的是完井方法及其选择。
目前，国内外各油气田所采用的完井方法有多种类型，但都有其各自的适用条件和局限性。
经过研究与实践，人们认识到只有根据油气藏类型和油气层的特性并考虑开发开采的技术要求去选择最合适的完井方法，才能有效地开发油气田、延长油气井寿命、提高采收率、提高油气田开发的总体经济效益。
因此，合理的完井方法应该力求满足以下几点要求：
①油、气层和井筒之间应保持最佳的连通条件，油、气层所受的损害最小；
②油、气层和井筒之间应具有尽可能大的渗流面积，油、气入井的阻力最小；
③应能有效地封隔油、气、水层，防止气窜或水窜，防止层间的相互干扰；
④应能有效地控制油层出砂，防止井壁垮塌，确保油井长期生产；
⑤应具备进行分层注水、注气、分层压裂、酸化等分层措施以及便于人工举升和井下作业等条件；
⑥如为稠油油田，则稠油开采能达到热采（主要蒸汽吞吐和蒸汽驱）的要求；
⑦油田开发后期具备侧钻定向井及水平井的条件；
施工工艺尽可能简便，成本尽可能低。
一、常规完井方法
常规的完井方法是指目前国内外油气田用得最多的完井方法，主要有4种，下面对其作一简要介绍。
1．射孔完井方法
射孔完井是国内外使用最为广泛的一种完井方法，在直井、定向井、水平井中都可采用。
射孔完井包括套管射孔完井和尾管射孔完井。
套管射孔完井是用同一尺寸的钻头钻穿油层直至设计井深，然后下油层套管至油层底部并注水泥固井，最后射孔，射孔弹射穿油层套管、水泥环并穿透油层一定深度，从而建立起油（气）流的通道。
图8-1为直井套管射孔完井示意图。
尾管射孔完井是在钻头钻至油层顶界后，下技术套管注水泥固井，然后用小一级的钻头钻穿油层至设计井深，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合段一般不小于50m。
再对尾管注水泥固井，然后射孔。
图8-2为直井尾管射孔完井示意图。
图8-1直井套管射孔完井示意图图8-2直井尾管射孔完井示意图
对于水平井，一般是技术套管下过直井段注水泥固井后，在水平井段内下入完井尾管、注水泥固井。
完井尾管和技术套管宜重合100m左右。
最后在水平井段射孔。
这种完井方法可将层段分隔开，因而可以进行分层的增产作业，见图8-3。
图8-3水平井射孔完井示意图
射孔弹使用子弹和聚能射孔弹。
目前，多用威力更大的聚能射孔弹。
聚能射孔弹的成形药柱爆炸后，产生出高温（2000℃～5000℃）、高压（几千～几万个MPa）的冲击波，使凹槽内的紫铜金属罩受到来自四面八方的向药柱轴心的挤压作用。
在高温高压下，金属罩的部分质量变为速度达1000m／s的微粒金属流。
这股高速的金属流遇到障碍物时，产生约3万MPa的压力，击穿套管、水泥环及油气层岩石，形成一个孔眼。
因此，射孔过程一方面是为油气流建立若干沟通油气层和井筒的流动通道，另一方面又对油气层造成一定的损害。
在射孔完井的油气井中，射孔孔眼是沟通产层和井筒的唯一通道。
如果采用恰当的射孔工艺和正确的射孔设计，就可以获得较为理想的产能。
多年来，人们对射孔工艺、射孔枪弹与仪器、射孔损害机理及评价方法、射孔优化设计以及射孔负压和射孔液等进行了大量的理论、实验和矿场试验研究，使射孔技术取得了迅速的发展。
人们已经认识到，射孔是完井工程的一个关键性环节。
为此，采用先进的理论和方法，针对储层性质和工程实际情况，优选射孔工艺和优化射孔设计，是搞好射孔完井必不可少的基本条件。
（1）射孔工艺
一般根据油藏和流体特性、地层损害状况、套管程序和油田生产条件，选择恰当的射孔工艺。
1）电缆输送套管枪射孔工艺
按采用的射孔压差可以分为两种方式。
射孔压差指的是射孔液在井底产生的液柱压力与地层压力之
差。
差值为正则为正压射孔，差值为负则为负压射孔。
常规电缆套管枪正压射孔工艺
射孔前用高密度射孔液造成井底压力高于地层压力。
在井口敞开的情况下，利用电缆下入套管射孔枪。
通过接在电缆上的磁性定位器测出定位套管接箍对比曲线，调整下枪深度，对准层位，在正压差下对油、气层部位射孔。
取出射孔枪后，下油管并装好井口，进行替喷、抽汲或气举等诱喷或直接采用人工举升的办法，以便油气井投产。
常规套管枪正压射孔具有施工简单，成本低和高孔密、深穿透的优点，但正压会使固相和液相侵入储层而导致较严重的储层损害（参见本书第十章）。
为了减少正压对地层的伤害，特别要求使用优质的射孔液。
套管枪负压射孔工艺
这种工艺基本上与套管枪正压射孔相同，只是射孔前将井筒液面降低到一定深度，以建立适当的负压。
这种方法主要用于低压油藏。
该方法具有负压清洗和穿透较深的双重优点。
但对于油气层厚度大的井需多次下枪射孔，则不能保持以后射孔必要的负压。
2）油管输送射孔
这种无电缆油管输送射孔工艺是利用油管将射孔枪下到油层部位射孔，是目前国内外
使用最多的一种射孔工艺。
油管下部联有压差式封隔器、带孔短节和引爆系统，油管内只有部分液柱造成射孔负压。
通过地面投棒引爆、压力或压差式引爆或电缆湿式接头引爆等各种方式使射孔弹爆炸而一次全部射完油气层。
油管输送射孔的深度校正一般采用较为精确的放射性校深方法。
在管柱总成的定位短节内放置一粒放射性同位素，校深仪器下到预置深度（约在定位短节以上100m），开始下测一条带磁定位的放射性曲线，超过定位短节约15m停止。
将测得的放射性曲线与以前测得的校正的放射性曲线对比，换算出定位短节深度，并在井口利用油管短节进行调整。
3）油管输送射孔联作工艺
油管输送射孔和地层测试联作
将油管输送装置的射孔枪、点火头、激发器等部件接到单封隔器测试管柱的底部。
管柱下到待射孔和测试井段后，进行射孔校深、座好封隔器并打开测试阀，引爆射孔后转入正常测试程序。
这种工艺特别适合于自喷井。
油管输送射孔与压裂、酸化联作
完井时下一次管柱，能完成射孔、测试、酸化、压裂、试井等工序。
非自喷井油管输送射孔与测试联作
工作管柱由射孔枪、封隔器、负压阀、自动压力计工作筒、固定阀以及配有特殊空心套筒的逆流射流泵组成。
射孔前空心套筒关闭，油管内部分掏空以造成负压。
环空加压引爆射孔后，流体进入工作管柱。
随着流体进入，井底压力不断增加，油井会停止生产。
在管内压力作用下空心套筒安全销钉被剪断而导致套筒旋转打开。
此时射流泵开始排液而进行流动测试，获得稳定产量后关井，可获得压力恢复测试资料，停泵后由于静水压力加在固定阀上而使其关闭，这样实现井下关井，从而消除了井筒储积效应，提高了数据采集质量。
4）电缆输送过油管射孔
常规过油管射孔
这是最早使用的负压射孔工艺，首先将油管下至油层顶部，装好采油树和防喷管，射孔枪和电缆接头装入防喷管内，准备就绪后，打开清蜡闸门下入电缆，射孔枪通过油管下出油管鞋。
用电缆接头上的磁定位器测出短套管位置，点火射孔。
过油管射孔具有负压射孔，减少储层损害的优点，尤其适合于生产井不停产补孔和打开新层位，避免了压井和起下油管作业。
但过油管射孔枪的直径受油管内径限制，无法实现高孔密、深穿透（弹尺寸小且射孔枪与套管间隙过大）。
并且一次下枪长度受防喷管高度限制，厚油气层需多次下枪，而以后几枪无法保证负压。
就负压本身而言也不能过大，以防射孔后油气上冲而使电缆打结无法取出。
由于这些缺点，目前常规过油管射孔已使用得很少了，仅在海上和一些不能停产的井用于补孔。
转轴式（张开式）过油管射孔工艺
过油管射孔的主要缺点，如前所述，是枪小、弹小，从而射孔穿深浅。
鉴于这个原因，过油管射孔的孔深均难以超过100mm，而目前套管枪射孔深度可达300～900mm。
为此，研究了一种新的过油管射孔工艺，称为转轴式过油管射孔枪。
该系统最先由施仑贝谢油井服务公司于1992年开发成功。
转轴枪包括一个控制头和一只射孔枪。
控制头用于射孔前张开，这样射孔弹可以加大并且与套管的间隙减小。
射孔后，即取出地面。
射孔枪由弹架、转轴弹、两个启动杆和联接转轴射孔弹的联接器、导爆索和雷管组成。
过油管深穿透射孔技术
这是对转轴式过油管射孔工艺的改进，可在油管内下入大直径射孔弹，其装药量达24克以上，穿深是原51枪的4倍以上，达400～800mm，接近套管枪射孔深度。
（2）射孔参数优选
要获得理想的射孔效果，必须对射孔参数进行优化设计。
进行正确而有效的射孔参数优选，取决于以下几个方面：
一是对于各种储层和地下流体情况下射孔井产能规律的量化认识程度；二是射孔参数、损害参数和储层及流体参数获取的准确程度；三是可供选择的枪弹品种、类型的系列化程度。
这里谈到的射孔参数优选是指现有条件下针对特定储层的使井产能达到最高的射孔参数优配组合，也涉及到实现这些参数的工艺要求。
产能比是目标函数。
1）射孔优化设计资料准备
包括收集射孔枪、弹基本数据，射孔弹穿深、孔径校正，钻井损害参数的计算等三方面。
2）射孔参数优化设计方法
①建立各种储层和产层流体条件下射孔完井产能关系数学模型，获得各种条件下射孔产能比定量关系；
②收集本地区、邻井和设计井有关资料和数据，用以修正模型和优化设计；
③调查射孔枪、弹型号和性能测试数据；
④校正各种弹的井下穿深和孔径；
⑤计算各种弹的压实损害参数；
⑥计算设计井的钻井损害参数；
⑦计算和比较各种可能参数配合下的产率比和套管抗挤毁能力降低系数，优选出最佳的射孔参数配合。
⑧预测选择方案下的产量、表皮系数。
射孔参数优化设计目前均由计算机软件完成，详细内容可参考文献[6]。
（3）射孔负压设计
完井设计要求在既安全又经济的条件下保证完井段压力损失最小、产量最高。
负压射孔能改善井的生产能力，目前已在世界范围内获得广泛应用。
负压射孔（UnderbalancedPerforating）就是指射孔时射孔液在井筒中造成的井底压力低于油藏压力。
负压值是负压设计的关键。
所设计的负压值一方面要保证孔眼清洁、冲刷出孔眼周围的破碎压实带中的细小颗粒，满足这一要求的负压称为最小负压；另一方面，负压值又不能超过某个值以免造成地层出砂、垮塌、套管挤毁、或封隔器失效和其它方面的问题，对应的这一临界值称为最大负压。
合理射孔负压值的选择应当是既高于最小负压又不超过最大负压。
目前主要使用的美国Conoco公司计算方法如下[6]。
△Pmin（油层）＝17.24/K0.3（8-1）
△Pmin（气层）＝17.24/K（K＜
）（8-2）
△Pmin（气层）＝17.24/K0.18（K≥
）（8-3）
式中△Pmin（油层）─油层的最小负压，MPa；
△Pmin（气层）─气层的最小负压，MPa；
K─产层渗透率，
。
而△Pmax（最大负压）则根据声波时差来计算，其公式为：
△Pmax（油层）＝24.132－0.0399△Tas（△Tas≥300S/m）（8-4）
△Pmax（气层）＝33.095－0.0524△Tas（△Tas≥300S/m）（8-5）
△Pmax＝△Ptub,max（△Tas＜300S/m）（8-6）
也可根据相邻泥岩体积密度来计算，其公式为：
△Pmax（油层）＝16.13
－27.58（
≤2.4g/cm3）（8-7）
△Pmax（气层）＝20
－32.4（
≤2.4g/cm3）（8-8）
△Pmax＝△Ptub,max（
＞2.4g/cm3）（8-9）
式中△Pmax─最大负压，MPa；
△Tas─相邻泥岩声波时差，m/s；
─相邻泥岩体积密度，g/cm3；
△Ptub,max─井下管柱或水泥环最大安全负压，MPa。
综合上述，可按以下公式选择合理负压△Prec。
若产层有出砂史或含水饱和度高，则：
△Prec＝0.8△Pmin＋0.2△Pmax（8-10）
若产层无出砂史，则：
△Prec＝0.2△Pmin＋0.8△Pmax（8-11）
式中△Prec─合理负压，Mpa。
2．裸眼完井方法
裸眼完井就是井眼完全裸露，井内不下任何管柱。
裸眼完井有两种完井工序：
一是钻头钻至油层顶界附近后，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，钻开油层至设计井深完井。
此为先期裸眼完井，见图8-4。
另一种工序是不更换钻头，直接钻穿油层至设计井深，然后下技术套管至油层顶界附近，注水泥固井。
此为后期裸眼完井，见图8-5。
水平井裸眼完井见图8-6。
裸眼完井在直井、定向井、水平井中都可采用。
图8-4直井先期裸眼完井图8-5直井后期裸眼完井
图8-6水平井裸眼完井
3．割缝衬管完井方法
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而已，在直井、定向井、水平井中都可采用。
与裸眼完井相对应，割缝衬管完井方法也有两种完井工序。
一是钻头钻至油层顶界后，先下技术套管注水泥固井，再从技术套管中下入直径小一级的钻头钻穿油层至设计井深。
最后在油层部位下入预先割缝的衬管，依靠衬管顶部的衬管悬挂器（卡瓦封隔器），将衬管悬挂在技术套管上，并密封衬管和套管之间的环形空间，使油气通过衬管的割缝流入井筒，如图8-7所示。
二是用同一尺寸钻头钻穿油层后，套管柱下端连接衬管下入油层部位，通过管外封隔器和注水泥接头固井封隔油层顶界以上的环形空间，如图8-8所示。
割缝衬管就是在衬管壁上沿着轴线的平行方向或垂直方向割成多条缝眼，如图8-9所示。
缝眼的功能是：
一方面允许一定数量和大小的能被原油携带至地面的“细砂”通过，另一方面能把较大颗粒的砂于阻挡在衬管外面。
这样，大砂粒就在衬管外形成“砂桥”或“砂拱”，如图8-10。
砂桥中没有小砂粒，因为生产时此处流速很高，把小砂粒都带人井内了。
砂桥的这种自然分选，使它具有良好的通过能力，同时起到保护井壁的作用。
割缝衬管的技术参数为：
（1）缝眼的形状
缝眼的剖面应该呈梯形，梯形两斜边的夹角与衬管的承压大小及流通量有关，一般设计为12°左右。
梯形大的底边应为衬管内表面，小的底边应为衬管外表面。
这种缝眼的形状可以避免砂粒卡死在缝眼内
而堵塞衬管。
图8-7割缝衬管完井（先期固井）图8-8割缝衬管完井（后期固井）
图8-9割缝衬管图8-10衬管外所形成的砂桥
（2）缝口宽度
梯形缝眼小底边的宽度称为缝口宽度。
缝口宽度为：
e≤2d10（8-12）
式中 e---缝口宽度，mm；
d10-----产层砂粒度组成累积曲线上，占累积重量为10％所对应的砂粒直径，mm。
式（8-12）表明：
占砂样总重量为90％的细小砂粒被允许通过割缝缝眼，而占砂样总重量为10％的大直径承载骨架砂不能通过缝眼，被阻挡在衬管外面形成具有较高渗透率的“砂桥”。
（3）缝眼的排列形式
排列形式有沿衬管轴线的平行方向或沿衬管轴线的垂直方向割缝两种（见图8-9）。
（4）割缝衬管的尺寸
根据技术套管尺寸，裸眼井段的钻头直径，可确定割缝衬管外径，如表8-1所示。
表8-1割缝衬管完井，套管、钻头、衬管匹配表
技术套管
裸眼井段钻头
割缝衬管
公称直径（in）
套管外径（mm）
公称直径（in）
钻头直径（mm）
公称直径（in）
衬管外径（mm）
7
177.8
6
152
5～51/2
127～140
85/8
219.1
71/2
190
51/2～65/8
140～168
95/8
244.5
81/2
216
65/8～75/8
168～194
103/4
273.1
95/8
244.5
75/8～85/8
194～219
（5）缝眼的长度
缝眼的长度应根据管径的大小和缝眼的排列形式而定，通常为20～300mm。
由于垂向割缝衬管的强度低，因此垂向割缝的缝长较短，一般为20～50mm。
平行向割缝的缝长一般为50～300mm。
小直径高强度衬管取高值，大直径低强度衬管取低值。
（6）缝眼的数量
缝眼的数量决定了割缝衬管的流通面积。
在确定割缝衬管流通面积时，既要考虑产液量的要求，又要顾及割缝衬管的强度。
缝眼的数量可由下式确定：
（8-13）
式中n---缝眼的数量，条/m；
α--缝眼总面积占衬管外表总面积的百分数，一般取2％；
F---每米衬管外表面积，mm2/m；
e---缝口宽度，mm；
l---缝眼长度，mm。
割缝衬管完井方法是当前主要的完井方法之一。
它既起到裸眼完井的作用，又防止了裸眼井壁坍塌堵塞井筒的作用，同时在一定程度上起到防砂的作用。
由于这种完井方法的工艺简单，操作方便，成本低故而在一些出砂不严重的中粗砂粒油层中不乏使用。
4.砾石充填完井
对于胶结疏松出砂严重的地层，一般应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先选好的砾石（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，以阻挡油层砂流入井筒，达到保护井壁、防砂入井之目的。
砾石充填完井一般都使用不锈钢绕丝筛管而不用割缝衬管。
其原因有：
①割缝衬管的缝口宽度由于受加工割刀强度的限止，最小为0.250.5mm。
因此，割缝衬管只适用于中、粗砂粒油层。
而绕丝筛管的缝隙宽度最小可达0.12mm，故其适用范围要大得多。
②绕丝筛管是由绕丝形成一种连续缝隙，它的流通面积要比割缝衬管大得多，流体通过筛管时几乎没有压力降。
③绕丝筛管以不锈钢丝为原料，其耐腐蚀性强，使用寿命长，综合经济效益高。
砾石充填完井在直井、定向井中都可使用。
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，达不到有效防砂的目的。
为了适应不同油层特性的需要，裸眼完井和射孔完井都可以充填砾石，分别称为裸眼砾石充填和套管砾石充填。
（1）裸眼砾石充填完井
在地质条件允许使用裸眼，而又需要防砂时，就应该采用裸眼砾石充填完井方法。
其工序是：
钻头钻达油层顶界以上约3m后，下技术套管注水泥固井。
再用小一级的钻头钻穿水泥塞，钻开油层至设计井深。
然后更换扩张式钻头将油层部位的井径扩大到技术套管外径的1.5至2倍，以确保充填砾石时有较大的环形空间，增加防砂层的厚度，提高防砂效果，见图8-11。
一般要求砾石层的厚度不小于50mm。
裸眼扩径的尺寸匹配如表8-2。
表8-2裸眼砾石充填扩径尺寸匹配表
套管尺寸
小井眼尺寸
扩眼尺寸
筛管尺寸
（in）
（mm）
（in）
（mm）
（in）
（mm）
（in）
（mm）
51/2
139.7
43/4
120.6
12
305
27/8
87
65/8～7
168.3～177.8
57/8～61/8
149.2～
155.5
12～16
305～407
4～5
117～142
75/8～85/8
193.7～219.1
61/2～77/8
165.1～
200
14～18
355.6～
457.2
51/2
155
95/8
244.5
83/4
222.2
16～20
407～508
65/8
184
103/4
273.1
91/2
241.3
18～20
457.2～
508
7
194
（2）套管砾石充填完井
套管砾石充填的完井工序是：
钻头钻穿油层至设计井深后，下油层套管于油层底部，注水泥固井，然后对油层部位射孔。
要求采用高孔密（30孔/m左右），大孔径（20mm左右）射孔，以增大充填流通面积，有时还把套管外的油层砂冲掉，以便于向孔眼外的周围油层填入砾石，避免砾石和地层砂混和增大渗流阻力。
由于高密度充填（高粘充填液）紧实，充填效率高，防砂效果好，有效期长，故当前大多采用高密度充填。
套管砾石充填完井见图8-12。
筛管匹配表见表8-3。
表8-3套管砾石充填筛管匹配表
套管规格
筛管外径
（mm）
（in）
（mm）
（in）
139.7
51/2
74
23/8
168.3
65/8
87
27/8
177.8
7
87
27/8
193.7
75/8
104
31/2
219.1
85/8
117
4
244.5
95/8
130
41/2
273.1
103/4
142
5
图8-11裸眼砾石充填完井示意图图8-12套管砾石充填完井示意图
（3）砾石质量要求
充填砾石的质量直接影响防砂效果及完井产能。
因此，砾石的质量控制十分重要。
砾石质量包括以下几个参数：
1）砾石粒径
国内外推荐的砾石粒径是油层砂粒度中值d50的5～6倍。
2）砾石尺寸合格程度
砾石尺寸合格程度的标准是大于要求尺寸的砾石重量不得超过砂样的0.1%，小于要求尺寸的砾石重量不得超过砂样的2％。
3）砾石的强度
砾石强度的标准是抗破碎试验所测出的破碎砂重量含量不超过表8-4所示的数值。
表8-4砾石抗破碎推荐标准
充填砂粒度（目）
破碎砂重量百分含量（%）
8～16
8
12～20
4
16～30
2
20～40
2
30～50
2
40～60
2
4）砾石的球度和圆度
要求砾石的平均圆度应大于0.6（见图8-13），平均球度也应大于0.6（见图8-14）。
图8-13标准圆度
图8-14球度目测图
5）砾石的酸溶度
砾石酸溶度的标准是:
在标准土酸（3％HF＋12％HCl）中砾石的溶解重量百分数不得超过1％。
6）砾石的结团
要求为：
砾石应由单个石英砂粒所组成，如果砂样中含有1％或更多个砂粒结团，该砂样不能使用。
（4）绕丝筛管缝隙尺寸的选择
绕丝筛管应能保证砾石充填层的完整。
故其缝隙应小于砾石充填层中最小的砾石尺寸，一般取为最小砾石尺寸的1/22/3。
例如根据油层砂粒度中值，确定砾石粒径为1630目，其砾石尺寸的范围是0.581.19mm。
所选的绕丝缝隙应为0.30.38mm。
或查砾石与绕丝缝隙之匹配表8-5。
表8-5砾石与筛管配合尺寸推荐表
砾石尺寸
筛管缝隙尺寸
标准筛目
（mm）
（mm）
（in）
40～60
0.419～0.249
0.15
0.006
20～40
0.834～0.419
0.30
0.012
16～30
1.190～0.584
0.35
0.014
10～20
2.010～0.834
0.50
0.020
10～16
2.010～1.190
0.
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