钻井工程设计的主要内容与方法(下)ppt课件.ppt

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1、内内 容容1、钻机选型、钻机选型四、钻井设计的主要内容和方法四、钻井设计的主要内容和方法2、井身结构设计、井身结构设计3、复杂结构井设计、复杂结构井设计4、钻井液油气层保护设计、钻井液油气层保护设计5、固井设计、固井设计6、井控设计、井控设计钻井液和油气层保护设计钻井液和油气层保护设计钻井液钻井液 根据储层物性和地层岩性等对钻井液体系的要求，储层敏感性、流根据储层物性和地层岩性等对钻井液体系的要求，储层敏感性、流体特性等对钻井液性能的要求，结合室内试验分析，优选钻井液体系、钻体特性等对钻井液性能的要求，结合室内试验分析，优选钻井液体系、钻井液配方及处理剂，优选钻井液性能参数，预算钻井液成本，制

2、定复杂情井液配方及处理剂，优选钻井液性能参数，预算钻井液成本，制定复杂情况钻井及钻井液维护处理对策。况钻井及钻井液维护处理对策。钻井液体系钻井液体系钻井液性能参数钻井液性能参数钻井液油气层保护技术钻井液油气层保护技术根据根据井别井别选择钻井液体系选择钻井液体系根据根据井型井型选择钻井液体系选择钻井液体系根据根据储层储层选择钻井液、完井液体系选择钻井液、完井液体系根据井身结构选择钻井液体系根据井身结构选择钻井液体系5 5、钻井液、钻井液 钻井液体系的选择钻井液体系的选择 钻井液和油气层保护设计钻井液和油气层保护设计不同井别其钻探目的不同，钻井液体系的选不同井别其钻探目的不同，钻井液体系的选择应该

3、利于钻探目的的实现。择应该利于钻探目的的实现。探井：考虑获取地质资料的需要，钻井液体系：探井：考虑获取地质资料的需要，钻井液体系：低荧光度低荧光度生产井：获取高产稳产为目的生产井：获取高产稳产为目的钻井液体系：保护好油气层、提高钻速钻井液体系：保护好油气层、提高钻速根据根据井别井别选择钻井液体系选择钻井液体系根据根据井型井型选择钻井液体系选择钻井液体系根据根据地层地层选择钻井液体系选择钻井液体系根据根据储层储层选择钻井液、完井液体系选择钻井液、完井液体系不同井型其施工难点不同，钻井液体系选择应该不同井型其施工难点不同，钻井液体系选择应该致力于解决相应的技术难点。致力于解决相应的技术难点。定向井

4、水平井：摩阻高、易阻卡、易坍塌，携岩困难定向井水平井：摩阻高、易阻卡、易坍塌，携岩困难钻井液体系：防塌、防卡、携屑钻井液体系：防塌、防卡、携屑深井：高温，高压深井：高温，高压钻井液体系：抗温性能、泥饼压缩性能钻井液体系：抗温性能、泥饼压缩性能钻井液钻井液 钻井液体系的选择钻井液体系的选择 定向斜井和水平井定向斜井和水平井 该类井在钻进过程中钻具与井壁的接触面积大，摩阻高，井该类井在钻进过程中钻具与井壁的接触面积大，摩阻高，井眼极易发生阻卡甚至卡钻。与直井相比，其井壁易坍塌。并且由于眼极易发生阻卡甚至卡钻。与直井相比，其井壁易坍塌。并且由于斜井段容易形成岩屑床，该类井的携岩问题也比较难以解决。针

5、对斜井段容易形成岩屑床，该类井的携岩问题也比较难以解决。针对以上情况，必须采取比直井要求更高的防塌、防卡和携屑等技术措以上情况，必须采取比直井要求更高的防塌、防卡和携屑等技术措施。施。 近年来，钻定向井的数量大幅度增长，从单个定向井向丛式井近年来，钻定向井的数量大幅度增长，从单个定向井向丛式井组发展。已钻成许多高难度大斜度井、大位移井和水平井。在该类组发展。已钻成许多高难度大斜度井、大位移井和水平井。在该类井的钻井液技术方面，已研究成功各种聚合物钻井液，如正电胶乳井的钻井液技术方面，已研究成功各种聚合物钻井液，如正电胶乳化钻井液、聚合醇钻井液，用于低压易漏层的泡沫钻井液等，在一化钻井液、聚合醇

6、钻井液，用于低压易漏层的泡沫钻井液等，在一定范围内较好地解决了井塌、携岩、润滑等问题。定范围内较好地解决了井塌、携岩、润滑等问题。钻井液和油气层保护设计钻井液和油气层保护设计超深井超深井 通常将深度超过通常将深度超过5000m的井称作超深井。超深井的特点主要在高的井称作超深井。超深井的特点主要在高温和高压。因此，对其钻井液的基本要求是；热稳定性好，即经高温和高压。因此，对其钻井液的基本要求是；热稳定性好，即经高温作用一定时间之后，性能不发生明显变化；高温对性能的影响较温作用一定时间之后，性能不发生明显变化；高温对性能的影响较低，即高温下的性能与常温性能的差别不宜过大；高压差下泥饼的低，即高温下

7、的性能与常温性能的差别不宜过大；高压差下泥饼的可压缩性好等等。为适应以上需要，必须使用抗温能力强的处理剂可压缩性好等等。为适应以上需要，必须使用抗温能力强的处理剂和钻井液体系。除选用油基钻井液最为理想外，目前国内对付超深和钻井液体系。除选用油基钻井液最为理想外，目前国内对付超深井最有效的水基钻井液是聚磺钻井液体系，该类钻井液兼有聚合物井最有效的水基钻井液是聚磺钻井液体系，该类钻井液兼有聚合物钻井液和三磺钻井液的一系列特点，用于该类井中既可显著提高钻钻井液和三磺钻井液的一系列特点，用于该类井中既可显著提高钻井速度和井壁稳定性，又能有效地减少卡钻事故的发生。井速度和井壁稳定性，又能有效地减少卡钻事

8、故的发生。根据根据井别井别选择钻井液体系选择钻井液体系根据根据井型井型选择钻井液体系选择钻井液体系根据根据地层地层选择钻井液体系选择钻井液体系根据根据储层储层选择钻井液、完井液体系选择钻井液、完井液体系盐膏层、盐膏层、 易卡地层、易塌地层易卡地层、易塌地层抗盐抗钙、抗盐抗钙、 防卡、防卡、 防塌防塌钻井液钻井液 钻井液体系的选择钻井液体系的选择 盐膏层盐膏层 如钻遇的盐膏层很薄，或属于盐膏夹层，一般是选用抗盐、抗钙的添加如钻遇的盐膏层很薄，或属于盐膏夹层，一般是选用抗盐、抗钙的添加剂及时进行维护处理，使钻井液维持设计所要求的各项性能。剂及时进行维护处理，使钻井液维持设计所要求的各项性能。 如果

9、属厚的复杂盐膏层，此时极易发生缩径、卡、塌和盐溶等一系列严如果属厚的复杂盐膏层，此时极易发生缩径、卡、塌和盐溶等一系列严重问题。为了避免这些问题的发生，一般选用饱和盐水钻井液，比如郝科重问题。为了避免这些问题的发生，一般选用饱和盐水钻井液，比如郝科1井使用正电胶饱和盐水钻井液。为了制止塑性变形，当盐层埋藏深度超过井使用正电胶饱和盐水钻井液。为了制止塑性变形，当盐层埋藏深度超过4000m时，应注意将钻井液密度提至时，应注意将钻井液密度提至2.00g/cm3左右，如钻遇纯石膏层，左右，如钻遇纯石膏层，一般选用石膏处理钻井液。一般选用石膏处理钻井液。易漏失地层易漏失地层 对于容易发生钻井液漏失的地层

10、，应采取以防漏为主的措施。比如对于容易发生钻井液漏失的地层，应采取以防漏为主的措施。比如, ,当当钻遇低压裂缝性易漏地层时，应根据地层压力系数的不同钻遇低压裂缝性易漏地层时，应根据地层压力系数的不同, ,分别选用密度小分别选用密度小于于1.00g/cm1.00g/cm3 3的泡沫钻井流体、充气钻井液和水包油乳化钻井液的泡沫钻井流体、充气钻井液和水包油乳化钻井液, ,以及密度以及密度小于小于1.10g/cm1.10g/cm3 3的水基钻井液，以避免因钻井液密度过大而引起漏失。如果的水基钻井液，以避免因钻井液密度过大而引起漏失。如果我们预先知道在某一层位会发生较严重漏失，则应尽可能使用组成简单、我

11、们预先知道在某一层位会发生较严重漏失，则应尽可能使用组成简单、成本低的钻井液，待钻穿漏失层后再及时采取堵漏措施。成本低的钻井液，待钻穿漏失层后再及时采取堵漏措施。 易卡钻地层易卡钻地层 压差卡钻多发生在易形成较厚泥饼的高渗透性地层，如粗砂岩地层等。压差卡钻多发生在易形成较厚泥饼的高渗透性地层，如粗砂岩地层等。这类地层一般对钻井液有如下要求这类地层一般对钻井液有如下要求: : 压差是防卡的有效措施，因此要求钻井液要有合理的密度。压差是防卡的有效措施，因此要求钻井液要有合理的密度。 固相含量应尽可能低，特别是无用低密度固相的体积分数不得超固相含量应尽可能低，特别是无用低密度固相的体积分数不得超过过

12、0.060.06。 应根据钻井液类型的不同，选择有效的润滑剂。对探井、资料井，应根据钻井液类型的不同，选择有效的润滑剂。对探井、资料井，应选择对地质录井资料没有影响的无荧光润滑剂。应选择对地质录井资料没有影响的无荧光润滑剂。 应储备足够的解卡剂。一旦发生卡钻，可及时浸泡解卡。应储备足够的解卡剂。一旦发生卡钻，可及时浸泡解卡。易塌地层易塌地层根据地层特点，对确定钻井液方案有以下几点根据地层特点，对确定钻井液方案有以下几点:对于强分散高渗透性的上部砂泥岩地层，应采用强包被的聚合物钻井液。对于强分散高渗透性的上部砂泥岩地层，应采用强包被的聚合物钻井液。对于硬脆性页岩及微裂缝发育的易塌层，应选用对于硬

13、脆性页岩及微裂缝发育的易塌层，应选用SAS等沥青类处理剂以封等沥青类处理剂以封堵层理和裂隙，并起降低堵层理和裂隙，并起降低HTHP滤失量和泥饼渗透性的作用。滤失量和泥饼渗透性的作用。对于存在混层粘土矿物的易塌层，必须选择抑制性强的钻井液，如阳离对于存在混层粘土矿物的易塌层，必须选择抑制性强的钻井液，如阳离子聚合物钻井液、正电胶钻井液等，并最好加入封堵剂。子聚合物钻井液、正电胶钻井液等，并最好加入封堵剂。对于用水基钻井液难以对付的易坍塌层，可使用平衡活度的油基钻井液。对于用水基钻井液难以对付的易坍塌层，可使用平衡活度的油基钻井液。井塌常发生在有异常压力存在或构造应力发育的地带，因此应根据裸眼井井

14、塌常发生在有异常压力存在或构造应力发育的地带，因此应根据裸眼井段最高的地层压力系数确定钻井液密度，防止负压钻井。段最高的地层压力系数确定钻井液密度，防止负压钻井。钻井液和油气层保护设计钻井液和油气层保护设计根据根据井别井别选择钻井液体系选择钻井液体系根据根据井型井型选择钻井液体系选择钻井液体系根据根据地层地层选择钻井液体系选择钻井液体系根据根据储层储层选择钻井液、完井液体系选择钻井液、完井液体系低渗储层低渗储层中高渗透性储层中高渗透性储层裂缝性砂岩储层裂缝性砂岩储层碳酸盐岩储层碳酸盐岩储层考虑储层特性，兼顾储层敏感性，优考虑储层特性，兼顾储层敏感性，优选适宜的钻井液完井液体系。选适宜的钻井液完

15、井液体系。5 5、钻井液、钻井液 钻井液体系的选择钻井液体系的选择 钻井的主要目的是探明储量，拿到产量。因此，发现和保护好油钻井的主要目的是探明储量，拿到产量。因此，发现和保护好油气层是首要的任务。这就要求在进行油气井钻井液设计时，首先，气层是首要的任务。这就要求在进行油气井钻井液设计时，首先，必须以油气层的类型和特征为依据，考虑可能导致油气层受损的各必须以油气层的类型和特征为依据，考虑可能导致油气层受损的各种因素，然后有针对性地采取有效措施以防止和减轻损害。种因素，然后有针对性地采取有效措施以防止和减轻损害。钻井液与完井液类型的选择钻井液与完井液类型的选择 总的原则是，应根据储层类型、储层压

16、力系数、渗透率、完井方总的原则是，应根据储层类型、储层压力系数、渗透率、完井方法和潜在的损害原因来选择钻井液与完井液的类型，并确定其合理法和潜在的损害原因来选择钻井液与完井液的类型，并确定其合理的密度。的密度。 对特低渗透性储层，钻井液、完井液中的固相及滤液不易进入储对特低渗透性储层，钻井液、完井液中的固相及滤液不易进入储层，可依据裸眼段地层特点选用有利于安全快速钻进的聚合物钻井层，可依据裸眼段地层特点选用有利于安全快速钻进的聚合物钻井液，加快钻速液，加快钻速,缩短油气层浸泡时间，降低钻井成本。缩短油气层浸泡时间，降低钻井成本。 对低压低渗储层，应根据储层压力系数的大小选用气体类钻井对低压低渗

17、储层，应根据储层压力系数的大小选用气体类钻井流体、无固相完井液或油基完井液，也可采用水包油或低固相完井流体、无固相完井液或油基完井液，也可采用水包油或低固相完井液。液。 对于中、高渗透性储层，应尽量使用清洁盐水完井液和聚合物对于中、高渗透性储层，应尽量使用清洁盐水完井液和聚合物低固相完井液，并根据储层的敏感性实施各种暂堵技术，提高渗透低固相完井液，并根据储层的敏感性实施各种暂堵技术，提高渗透率恢复值。率恢复值。 对裂缝性砂岩和碳酸盐岩储层，因极易发生漏失，必须严格按储对裂缝性砂岩和碳酸盐岩储层，因极易发生漏失，必须严格按储层压力系数选择完井液类型，应尽可能实现近平衡压力钻井，并使层压力系数选择

18、完井液类型，应尽可能实现近平衡压力钻井，并使用合适的暂堵剂以防止、减轻对储层的损害。用合适的暂堵剂以防止、减轻对储层的损害。 此外，钻井液与完井液类型的选择，在一定程度上还与储层的敏此外，钻井液与完井液类型的选择，在一定程度上还与储层的敏感性有关。例如，对于速敏性储层感性有关。例如，对于速敏性储层,应选用应选用HTHP滤失量较低的钻井滤失量较低的钻井液，使进入油层的滤液量较少，流速不超过临界速度。而对于蒙脱液，使进入油层的滤液量较少，流速不超过临界速度。而对于蒙脱石含量较高的水敏性储层石含量较高的水敏性储层,应采用具有较强抑制性钻井液，必要时也应采用具有较强抑制性钻井液，必要时也可采用气体钻井

19、流体或油基钻井液。可采用气体钻井流体或油基钻井液。钻井液与完井液组份的确定钻井液与完井液组份的确定 在确定打开油气层的钻井液与完井液的组份时，一般应考虑的在确定打开油气层的钻井液与完井液的组份时，一般应考虑的因素有：储层中粘土和无机盐的种类及含量、储层敏感性的类型、因素有：储层中粘土和无机盐的种类及含量、储层敏感性的类型、孔喉直径以及地层水的矿化度和离子组成等。例如，对于粘土含量孔喉直径以及地层水的矿化度和离子组成等。例如，对于粘土含量较高的强或中等水敏性储层应使用强抑制剂；对于需进行酸化的储较高的强或中等水敏性储层应使用强抑制剂；对于需进行酸化的储层应尽量选用易酸溶的处理剂和加重材料；对于碱

20、敏性储层，应采层应尽量选用易酸溶的处理剂和加重材料；对于碱敏性储层，应采用较低的用较低的pH值；对于盐敏性储层，钻井液的矿化度应超过储层的值；对于盐敏性储层，钻井液的矿化度应超过储层的临界矿化度，并要求钻井液滤液与地层水相配伍；如储层中含有可临界矿化度，并要求钻井液滤液与地层水相配伍；如储层中含有可溶性无机盐，应选用与盐不产生沉淀的处理剂；而酸敏性储层应避溶性无机盐，应选用与盐不产生沉淀的处理剂；而酸敏性储层应避免使用酸溶性的处理剂或加重材料，因为这类储层不能用酸化来解免使用酸溶性的处理剂或加重材料，因为这类储层不能用酸化来解堵及增产。对于所有储层堵及增产。对于所有储层,均可按照均可按照“三分

21、之二架桥规则三分之二架桥规则”分别选用分别选用适合本储层特点的酸溶、水溶或油溶性暂堵剂。衡量所选钻井液和适合本储层特点的酸溶、水溶或油溶性暂堵剂。衡量所选钻井液和完井液体系和配方是否合格的一般标准是；渗透率恢复值应大于完井液体系和配方是否合格的一般标准是；渗透率恢复值应大于60%。钻井液和油气层保护设计钻井液和油气层保护设计根据根据井别井别选择钻井液体系选择钻井液体系根据根据井型井型选择钻井液体系选择钻井液体系根据根据储层储层选择钻井液、完井液体系选择钻井液、完井液体系根据井身结构选择钻井液体系根据井身结构选择钻井液体系5 5、钻井液、钻井液 钻井液体系的选择钻井液体系的选择 钻井液和油气层保

22、护设计钻井液和油气层保护设计钻井液常规性能包括：钻井液常规性能包括：钻井液钻井液 钻井液性能参数钻井液性能参数密度密度马氏漏斗粘度马氏漏斗粘度塑性粘度塑性粘度含砂量含砂量固相含量固相含量膨润土含量膨润土含量动切力动切力静切力静切力APIAPI滤失量滤失量HTHPHTHP滤失量滤失量pHpH值（酸碱度）值（酸碱度）钻井液和油气层保护设计钻井液和油气层保护设计(1)(1)选择适宜的钻井液类型选择适宜的钻井液类型钻井液钻井液 钻井液油气层保护技术钻井液油气层保护技术(2)(2)优化和控制钻井液主要参数优化和控制钻井液主要参数(3)(3)采用暂堵技术及适合的油层保护剂采用暂堵技术及适合的油层保护剂 钻

23、井液和油气层保护设计钻井液和油气层保护设计钻井过程中的储层保护钻井过程中的储层保护储层物性储层物性储层敏感性储层敏感性钻井过程中钻井过程中储层损害因素储层损害因素优选暂堵剂优选暂堵剂分析粒度分布、暂堵深度分析粒度分布、暂堵深度评价强度评价强度储层保护储层保护技术对策技术对策分析分析确定确定屏蔽暂堵技术屏蔽暂堵技术适应性可行性适应性可行性经济性经济性放弃放弃采用采用钻井液粒度控制指标钻井液粒度控制指标实施措施实施措施确定确定钻井液和油气层保护设计钻井液和油气层保护设计内内 容容1、钻机选型、钻机选型四、钻井设计的主要内容和方法四、钻井设计的主要内容和方法2、井身结构设计、井身结构设计3、复杂结构

24、井设计、复杂结构井设计4、钻井液油气层保护设计、钻井液油气层保护设计5、固井设计、固井设计6、井控设计、井控设计固井设计固井设计固井设计固井设计套管管柱设计套管管柱设计注水泥奖设计注水泥奖设计套管强度套管强度外载外载安全系数。安全系数。设计的原则应考虑以下三个方面：设计的原则应考虑以下三个方面：应能满足钻井作业、油气层开发和产层改造的需要；应能满足钻井作业、油气层开发和产层改造的需要；在承受外载时应有一定的安全余量；在承受外载时应有一定的安全余量；经济性要好。经济性要好。1 1、套管柱强度设计原则、套管柱强度设计原则等安全系数法等安全系数法、边界载荷法、最大载荷法、边界载荷法、最大载荷法、AM

25、OCOAMOCO法、西德法、西德BEBBEB方法及前方法及前苏联的方法等。苏联的方法等。2 2、套管柱设计方法、套管柱设计方法抗挤系数抗挤系数：1.00-1.1251.00-1.125，抗内压系数：抗内压系数：1.05-1.151.05-1.15，抗拉系数：抗拉系数：1.6-21.6-2。固井固井-套管柱设计套管柱设计1.321.41.321.311.291.341.21.211.221.21.781.711.721.731.700.20.40.60.811.21.41.61.8220042003200220012000年年份份强强 度度 比比 均均 值值抗挤强度抗拉强度抗内压强度以往套管强度

26、试验统计分析以往套管强度试验统计分析 抗挤强度抗挤强度 试验值与名试验值与名义值比值在义值比值在1.1以上；以上； 抗内压强度试验值的比抗内压强度试验值的比值都在值都在1.2以上以上按照按照API计算的套管强度计算的套管强度是否趋于保守？是否趋于保守？固井固井-套管柱设计套管柱设计 以以API为代表的规范将套管的抗挤安全系数规定为为代表的规范将套管的抗挤安全系数规定为1.00-1.25，抗内压安全系数为，抗内压安全系数为1.05-1.15，抗拉的安全系数取为，抗拉的安全系数取为1.60-2.00. 套管载荷套管载荷的安全系数是建立在一定的的安全系数是建立在一定的认识水平和技术水平认识水平和技术

27、水平之之上的，带有很大的经验性与局限性。传统的安全系数偏大偏上的，带有很大的经验性与局限性。传统的安全系数偏大偏小的可能性都存在。套管类型很多，但具体到某种钢级、某小的可能性都存在。套管类型很多，但具体到某种钢级、某种尺寸的套管，种尺寸的套管，尤其是非尤其是非API标准套管标准套管，其失效实例的历史，其失效实例的历史资料有限，安全系数的选取缺乏确定性的依据。由于具体情资料有限，安全系数的选取缺乏确定性的依据。由于具体情况的不同，况的不同，取同样安全系数的井其安全可靠性是不一样的取同样安全系数的井其安全可靠性是不一样的。 在套管设计时，是否需要考虑不同井载荷（计算准确程度在套管设计时，是否需要考

28、虑不同井载荷（计算准确程度、载荷的分散性）的具体情况？、载荷的分散性）的具体情况？固井固井-套管柱设计套管柱设计 套管的载荷与强度的概率密度函数需要用过大量样本统计得到，统计应该是基于同类数据进行的，但是不同类型的井、不同的套管存在这很大的差异性，不能指望一个概率密度函数模型解决所有的问题。尤其是对非API标准套管。 采用概率密度函数计算出来的可靠度难以考虑具体井的情况，特别是套管载荷的情况。固井固井-套管柱设计套管柱设计 在现有的技术水平下，不确定性因素除随机性（模糊性），还有一类未确知性（信息不足引起的不确定性 ）对于未确知性，不能按照随机的理论进行处理（未确知数学）。在套管设计中，井下的

29、复杂情况（地层错动，地层水腐蚀、黏土遇水膨胀、岩石塑性流动、岩石蠕变、固井质量以及地质构造运动 ），存在一定的未确知性，难以用随机可靠性理论进行处理。固井固井-套管柱设计套管柱设计4.胜利油田套损现状胜利油田套损现状历年套管情况历年套管情况 截止2009年年底，全油田共发现套损井数4617口，占总井数的11.7。固井固井-套管柱设计套管柱设计各采油厂总套损井数各采油厂总套损井数固井固井-套管柱设计套管柱设计09年各采油厂套损井数年各采油厂套损井数固井固井-套管柱设计套管柱设计不同井别套损情况不同井别套损情况固井固井-套管柱设计套管柱设计套管损坏类型套管损坏类型 套损类型主要以变形为主，比例为套

30、损类型主要以变形为主，比例为53.6%53.6%，其次是破漏，错断。其次是破漏，错断。破漏比例为破漏比例为26.6%26.6%，错断井比例为，错断井比例为17.2%17.2%。固井固井-套管柱设计套管柱设计5.胜利油田套损规律胜利油田套损规律（1）套损在纵向上分布规律）套损在纵向上分布规律区块区块平均套损深度（平均套损深度（m)m)地层地层区块区块平均套损深度平均套损深度(m)(m)地层地层孤岛孤岛孤东孤东胜坨胜坨埕东埕东12291229130513051950195011581158馆陶组馆陶组馆陶组馆陶组沙二段沙二段馆陶组馆陶组临盘临盘八面河八面河平方王平方王160416041198119

31、814691469馆陶组馆陶组沙四段沙四段沙四段沙四段套损平均深度及所在地层套损平均深度及所在地层 套损点主要位于射孔井段内和射孔井段以上泥页岩地层中。套损部位在套损点主要位于射孔井段内和射孔井段以上泥页岩地层中。套损部位在油层上界以上的占油层上界以上的占41%41%，位于油层上下界之间的占，位于油层上下界之间的占55%55%，位于油层下界以下的，位于油层下界以下的占占4%4%。其中位于射孔井段及其上下界。其中位于射孔井段及其上下界5050米以内的套损井占米以内的套损井占81%81%。固井固井-套管柱设计套管柱设计（2）断层附近套损井多）断层附近套损井多 断层或地层倾角大的区域，容易出现套损。

32、以东辛油区辛断层或地层倾角大的区域，容易出现套损。以东辛油区辛1010断块为例，断块为例，断层附近套损断层附近套损1111口井，进一步统计套损深度发现，套损深度和断层深度基本口井，进一步统计套损深度发现，套损深度和断层深度基本吻合。吻合。辛辛1010断块套损井与断层的关系断块套损井与断层的关系固井固井-套管柱设计套管柱设计 以永三断块为例，在发现的以永三断块为例，在发现的4545个套损点中，泥岩盖层套损点为个套损点中，泥岩盖层套损点为3838个，个，占总套损点的占总套损点的84.4%84.4%，砂岩部位套损点为，砂岩部位套损点为7 7个，占总套损点的个，占总套损点的15.6%15.6%。 这是

33、因为套管损坏主要来自于非对称的孔隙压差，非对称的孔隙压差这是因为套管损坏主要来自于非对称的孔隙压差，非对称的孔隙压差造成局部地区应力集中，砂泥岩过渡段岩性差异最大，因此更容易产生应造成局部地区应力集中，砂泥岩过渡段岩性差异最大，因此更容易产生应力集中。另外，长期注水过程中，注入水一旦沿裂缝或者固井胶结面差的力集中。另外，长期注水过程中，注入水一旦沿裂缝或者固井胶结面差的地方进入泥岩层，将使泥岩层岩石内摩擦系数和抗剪强度大幅下降，地层地方进入泥岩层，将使泥岩层岩石内摩擦系数和抗剪强度大幅下降，地层变形量增大，从而加剧套管损坏。变形量增大，从而加剧套管损坏。（3）泥岩段套损点多，砂岩段套损点少）泥

34、岩段套损点多，砂岩段套损点少固井固井-套管柱设计套管柱设计（4）疏松砂岩油藏出砂井套损井多）疏松砂岩油藏出砂井套损井多 该类套损主要发生在孤岛油田、孤东油田，统计孤岛、孤东油田该类套损主要发生在孤岛油田、孤东油田，统计孤岛、孤东油田20092009年套损的年套损的6161口油井，其中口油井，其中4242口都有不同程度地出砂。口都有不同程度地出砂。 这是因为一旦生产层段出砂，将会使上覆岩层在垂向上失去岩层的支这是因为一旦生产层段出砂，将会使上覆岩层在垂向上失去岩层的支撑或者支撑力变小，原有平衡被打破，特别地，当油层大量出砂后，上覆撑或者支撑力变小，原有平衡被打破，特别地，当油层大量出砂后，上覆地

35、层局部失去了下部岩层的支撑，将引起上覆地层塌陷、压实、甚至坍塌，地层局部失去了下部岩层的支撑，将引起上覆地层塌陷、压实、甚至坍塌，并在垂直和水平方向产生较大的位移，使套管发生损坏。并在垂直和水平方向产生较大的位移，使套管发生损坏。固井固井-套管柱设计套管柱设计（5）固井质量差、未封固浅层段容易套损）固井质量差、未封固浅层段容易套损 统计滨南统计滨南20092009年年4242口套损井中，其中有口套损井中，其中有1212口发生在未封固井段，比例口发生在未封固井段，比例为为28.6%28.6%，套损类型主要为套漏。，套损类型主要为套漏。 固井施工顶替效果不好，水泥未充满环空，或者第二胶结面胶结不固

36、井施工顶替效果不好，水泥未充满环空，或者第二胶结面胶结不好，则会使注入水或地层水进入未封固层，长期的浸泡溶蚀套管，同时由好，则会使注入水或地层水进入未封固层，长期的浸泡溶蚀套管，同时由于长期的浸泡，泥岩地层可能发生坍塌，与套管产生点接触，形成点载荷于长期的浸泡，泥岩地层可能发生坍塌，与套管产生点接触，形成点载荷或非均匀载荷，使套管发生损坏。或非均匀载荷，使套管发生损坏。固井固井-套管柱设计套管柱设计6 6、出砂井套管损坏机理及数值计算、出砂井套管损坏机理及数值计算上覆岩层在垂向上失去岩层的支撑或者支撑力变小，上覆岩层在垂向上失去岩层的支撑或者支撑力变小，原有平衡被打破，将引起油藏塌陷、压实、上

37、覆地原有平衡被打破，将引起油藏塌陷、压实、上覆地层下沉，产生垂直位移。层下沉，产生垂直位移。如果地层出砂不均匀，产生非均匀的径向载荷。尤如果地层出砂不均匀，产生非均匀的径向载荷。尤其是在定向井、大斜度井或水平井中，载荷的非均其是在定向井、大斜度井或水平井中，载荷的非均匀程度会大幅度增加，轻则使套管产生椭圆变形或匀程度会大幅度增加，轻则使套管产生椭圆变形或单向挤扁变形，重则套管将被挤毁。单向挤扁变形，重则套管将被挤毁。引起层面滑动或断层复活，在水平方向上产生很大引起层面滑动或断层复活，在水平方向上产生很大的水平位移，从而发生套管被剪断的情形，剪断一的水平位移，从而发生套管被剪断的情形，剪断一般发

38、生在断层或地层弱面结构附近。般发生在断层或地层弱面结构附近。（1）套损机理）套损机理套管受压套管受压套管受挤套管受挤套管受剪套管受剪固井固井-套管柱设计套管柱设计套管套管水泥环水泥环地层三维有限元模型地层三维有限元模型模型顶面网格图模型顶面网格图 取一边长为取一边长为10 m10 m的立方体，其中底层、出砂层、盖层高度分别为的立方体，其中底层、出砂层、盖层高度分别为3.53.5，3 3，3.5m3.5m，中心建立井眼，利用几何对称性，取出中心建立井眼，利用几何对称性，取出1/41/4作为计算模型。模型中包含套管管体、水作为计算模型。模型中包含套管管体、水泥环和射孔孔眼，模型的一个棱边建立套管、

39、水泥环，套管外径泥环和射孔孔眼，模型的一个棱边建立套管、水泥环，套管外径139.7mm139.7mm，壁厚，壁厚7.72mm7.72mm，水泥环厚度，水泥环厚度30mm30mm，射孔直径，射孔直径16mm16mm，孔深为，孔深为1.5m1.5m。（2）出砂井套损数值计算）出砂井套损数值计算固井固井-套管柱设计套管柱设计模型材料参数模型材料参数材料属性材料属性弹性模量弹性模量(104MPa)泊松比泊松比密度密度/(kg/m3)套管套管19.60.37850水泥环水泥环2.80.151850油层油层20.242300盖层盖层2.50.212400底层底层2.50.212400出砂区域出砂区域0.2

40、0.252300位移边界：模型底面采用z方向的位移约束，在2个对称面，即面1、面2施加对称位移约束。 应力边界：该模型顶层按照盖层的层位深度施加上覆岩层压力，两个外部立面分别施加x，y方向的两个主应力，在套管内壁施加5MPa的内压。固井固井-套管柱设计套管柱设计 随着出砂量的增加，盖层部位套管管体有效应力增加，盖层部位随着出砂量的增加，盖层部位套管管体有效应力增加，盖层部位增加缓慢增加缓慢, ,当出砂量从零增加到当出砂量从零增加到10m10m3 3时，盖层部位套管有效应力由时，盖层部位套管有效应力由273MPa273MPa增加到增加到282MPa282MPa。盖层部位套管管体有效应力随出砂量的

41、变化关系盖层部位套管管体有效应力随出砂量的变化关系盖层盖层固井固井-套管柱设计套管柱设计出砂边界套管管体有效应力随出砂量的变化关系出砂边界套管管体有效应力随出砂量的变化关系 随着出砂量的增加，出砂边界套管管体有效应力增加，增加幅度随着出砂量的增加，出砂边界套管管体有效应力增加，增加幅度较大较大, ,当出砂量从零增加到当出砂量从零增加到10m10m3 3时，出砂边界套管有效应力由时，出砂边界套管有效应力由290MPa290MPa增增加到加到374MPa374MPa。边界边界固井固井-套管柱设计套管柱设计出砂段套管管体有效应力随出砂量的变化关系出砂段套管管体有效应力随出砂量的变化关系 随着出砂量的

42、增加，出砂段套管管体有效应力逐渐增加，当出砂量随着出砂量的增加，出砂段套管管体有效应力逐渐增加，当出砂量为为10m10m3 3时，出砂段套管有效应力为时，出砂段套管有效应力为303MPa303MPa。出出砂砂段段固井固井-套管柱设计套管柱设计射孔孔眼附近套管管体有效应力随出砂量的变化关系射孔孔眼附近套管管体有效应力随出砂量的变化关系 随着出砂量的增加，射孔孔眼管体有效应力逐渐增加，当出砂量由零随着出砂量的增加，射孔孔眼管体有效应力逐渐增加，当出砂量由零增加到增加到10m10m3 3时，射孔孔眼套管有效应力由时，射孔孔眼套管有效应力由325MPa325MPa增加到增加到485MPa485MPa。

43、射孔孔眼射孔孔眼固井固井-套管柱设计套管柱设计7 7、热采井套管损坏机理及数值计算、热采井套管损坏机理及数值计算（1）套损机理）套损机理a、热采井高温产生的热应力导致套管损坏。b、油井出砂导致套管损坏。c、套管本身材质问题：螺纹、丝扣、微裂缝等。d、水泥封固质量不好或水泥环缺失、滑脱导致套管损坏。固井固井-套管柱设计套管柱设计（2）热采井套损数值计算）热采井套损数值计算热采井井筒温度场、应力场计算模型热采井井筒温度场、应力场计算模型油管油管套管环空套管环空套管套管水泥环水泥环地层地层套管套管水泥环水泥环地层地层25.228.322.1v/MPaH/MPah/MPaHHHVhH021.0018.

44、05.0023.07.0注汽压力注汽压力15MPa注汽温度注汽温度350材料特性参数材料特性参数10.3e-610.3e-611.7e-61e-612e-6线胀系数线胀系数10-6-10.210.150.30.030.3泊松比泊松比25e920e91.2e110.21.22e11弹性模量弹性模量 GPa1.6870.8143.270.6256.5导热系数导热系数w/m 23901830785017850密度密度kg/m3地层地层水泥环水泥环套管套管环空环空油管油管材料材料固井固井-套管柱设计套管柱设计不同隔热措施下套管温度场、应力场分布规律不同隔热措施下套管温度场、应力场分布规律 未下封隔器或

45、封隔器失效时，套管内壁温度未下封隔器或封隔器失效时，套管内壁温度350350，当使用普通油管时，套管内，当使用普通油管时，套管内壁温度为壁温度为302302，若使用视导热系数为，若使用视导热系数为0.0010.001的隔热油管，套管内壁的温度为的隔热油管，套管内壁的温度为4141。固井固井-套管柱设计套管柱设计 从图中可知，采用隔热效果好的隔热油管，可使套管壁上的等效应力大大降从图中可知，采用隔热效果好的隔热油管，可使套管壁上的等效应力大大降低，对套管具有明显的保护作用。低，对套管具有明显的保护作用。固井固井-套管柱设计套管柱设计注汽温度对套管内壁温度及应力的影响注汽温度对套管内壁温度及应力的

46、影响 从图中可知，无封隔器、采用普通油管两种情况下，随着注汽温度的增加，套从图中可知，无封隔器、采用普通油管两种情况下，随着注汽温度的增加，套管内壁的温度及等效等效应力急剧增加。无封隔器（封隔器失效）时，当注汽温度管内壁的温度及等效等效应力急剧增加。无封隔器（封隔器失效）时，当注汽温度为为350 350 时，套管内壁等效应力为时，套管内壁等效应力为576MPa576MPa。固井固井-套管柱设计套管柱设计不同注汽压力下套管应力分布规律不同注汽压力下套管应力分布规律 随着套管内注汽压力的增加，套管壁上的随着套管内注汽压力的增加，套管壁上的MisesMises应力会降低，当注汽压力为应力会降低，当注

47、汽压力为25MPa25MPa时，套管上的时，套管上的MisesMises应力为应力为548MPa548MPa，相比套管内无压力情况下，套管应力降幅，相比套管内无压力情况下，套管应力降幅为为11.6%11.6%。这是由于温度不变，增大内压时，套管增大了径向变形，套管的径向变。这是由于温度不变，增大内压时，套管增大了径向变形，套管的径向变形抵消了部分轴向热胀位移，从而降低了轴向压应力。形抵消了部分轴向热胀位移，从而降低了轴向压应力。固井固井-套管柱设计套管柱设计套管壁厚对套管应力的影响套管壁厚对套管应力的影响 随着壁厚的增加，套管上的随着壁厚的增加，套管上的MisesMises应力逐渐减小，当壁厚

48、增加到增加到应力逐渐减小，当壁厚增加到增加到13.72mm13.72mm时，相比壁厚为时，相比壁厚为8.05mm8.05mm时，套管时，套管MisesMises应力减小应力减小8.5%8.5%，增加套管壁厚可提高，增加套管壁厚可提高热采井套管抗屈服破坏能力。热采井套管抗屈服破坏能力。固井固井-套管柱设计套管柱设计套管弹性模量对套管应力的影响套管弹性模量对套管应力的影响 随着套管弹性模量的增加，套管上的等效增加，两者之间呈线性变化关系。在随着套管弹性模量的增加，套管上的等效增加，两者之间呈线性变化关系。在保证套管屈服强度的条件下，热采井应使用低弹性模量的套管材料。保证套管屈服强度的条件下，热采井

49、应使用低弹性模量的套管材料。固井固井-套管柱设计套管柱设计8 8、低渗透注水开发油藏高压注水导致套管损坏机理、低渗透注水开发油藏高压注水导致套管损坏机理（1）套损机理）套损机理a、高压注水时砂岩垂向变形导致油层部位套管受拉。b、注水条件下有效地应力减少，局部地层错动导致套管受剪 。c、注采过程中砂体在横向上发生膨胀、收缩导致套管受挤。固井固井-套管柱设计套管柱设计（2）非对称注水导致套管损坏数值计算）非对称注水导致套管损坏数值计算 模型模型：建立一个长为高：建立一个长为高10m10m，半径为，半径为10m10m的圆柱体地层模型，中间布一口油井，的圆柱体地层模型，中间布一口油井，建立套管、水泥环

50、、地层有限元计算模型。建立套管、水泥环、地层有限元计算模型。 载荷载荷：侧面四个方向施加来自不同注水井的注水压力，套管内部施加：侧面四个方向施加来自不同注水井的注水压力，套管内部施加10MPa10MPa内内压，通过改变一口井的注水压力。压，通过改变一口井的注水压力。固井固井-套管柱设计套管柱设计9 9、水泥环不连续导致套管损坏机理、水泥环不连续导致套管损坏机理（1）套损机理）套损机理 油水井完井后，套管通过水泥环与地层紧密结合为一体，水泥油水井完井后，套管通过水泥环与地层紧密结合为一体，水泥环的作用就是封隔地层、减小地层围岩对套管的作用力，改善套管环的作用就是封隔地层、减小地层围岩对套管的作用