N现代完井工程4.docx

1、N现代完井工程4第四章 生产套管及注水泥油气井在建进过程中都要下入一层或多层套管，而用于最终开采油气的套管称为生产套管。生产套管的主要作用是保护井壁，封固和分隔各油气层，达到油气井分层开采、分层测试、分层注水、分层改造的目的。生产套管要在油气田开发全过程中经受长期考验。在下套管及固井过程中，生产套管承受外挤力、内压力和拉伸载荷三种外载。采用射孔方法完井的生产套管，需承受射孔弹的大能量高温瞬时冲击载荷。在长期的油气开采过程中，除承受地层外挤力外，还可能经受长期高压注水、多次压裂酸化及各种腐蚀介质等考验，而经常造成生产套管变形、错断、破裂等事故，导致油气井不能生产，油气田不能正常开发。这一问题已引

2、起了人们高度的重视。 按照完井工程的系统思路，在井身结构确定后，根据井别、油藏类型及岩性、油层物理性质、油层流体性质以及地应力等方面的资料进行生产套管设计工作。第一节 生产套管一、生产套管设计的基本依据1、安全准则 生产套管柱的设计原则是既安全又经济。即根据套管柱在井下的工况，建立套管强度与套管柱受力之间的平衡关系，确保安全第一。但是，在不同的工程和地质条件下，套管柱所受的外载是不相同的。例如，在井下的盐岩层对套管柱的外挤力将大大超过正常地层压力；压裂酸化时套管柱所承受的内压力与正常采油时的内压力就不相同；在易塌油层生产前期与生产中、后期对套管柱的外挤压力也不相同；同时，套管强度也是要发生变化

3、的。在井下腐蚀性环境中，套管受到腐蚀后强度降低而产生破坏；在热采井中，高温蒸汽将导致套管反复伸张而降低强度；在水平井和大斜度井中，由于长期井下作业过程中的磨损也会降低套管强度；因此，生产套管柱设计的安全准则实施是有一定的技术性难度的。目前的解决办法，主要是按生产套管柱在井下最危险的工况来确定受力大小，进而采取合理的套管柱强度设计方法，确保套管柱的安全。2、完井要求由于射孔完井能最大限度地改善多层系储层的层间干扰问题，因此90%左右的油气井都是采用射孔完成的。由于射孔对生产套管的强度和使用寿命有一定影响，因此，应选用射孔后保持不裂或微裂的优质套管。 采用油管封隔器完井的气井，应考虑到长期开采过程

4、中，由于封隔器失效或套管螺纹密封损坏，气体进入套管与油管环空，在这种情况下，生产套管将承受很高的内压力。因此，应严格进行生产套管抗内压强度校核。 目前广泛采用的油管输送射孔技术，为便于射孔联作，要求丢枪口袋长度达到50100m左右，这远远大于1015m口袋长度的一般规定。另外，对于出砂较为严重的油层应加长口袋，以便沉沙。稠油井的口袋也应加长，便于抽油泵下入口袋。还有蒸汽驱生产井，当蒸汽前沿突破稠油层后，不仅将稠油驱入井筒，而且还伴随着将大量的蒸汽和天然气也带入井筒。若将抽油泵下入口袋，则可利用油、套管环形空间放汽（气），从而可提高泵的充满系数。另一方面也增加了泵的沉没度，从而改善了抽油效果。低

5、渗透油层，由于动液面低也应加长口袋，以便于增加抽油泵沉没度。考虑到上述情况，可以选择口袋长度5060m或更长些，并应避免仅从减少工程先进造价的经济角度减短口袋长度。 3、开发要求 油气井的开采方式是由油、气藏的类型所确定的。对于各种油气藏类型，其地层流体的性质虽不尽相同，有的地层水的矿化度高。生产套管在与这些地层流体长期接触的过程中，加上井下高温、高压的影响，很容易产生腐蚀破坏。近年来，油气井生产套管腐蚀问题在我国一些油田日益严重，除直接增加了管材费用外，还影响到油气井的生产，造成巨大的经济损失。例如，中原油田地下水含盐量很高，总矿化度达30104mg/L,开发过程中只要哪一个生产环节对腐蚀问

6、题稍加忽视，在生产中就会发生严重的腐蚀损坏。因此，防止油气井生产套管的腐蚀破坏，延长油气井寿命已成为增加油气产量，降低生产成本，提高生产效益的重要问题。国外从50年代开始即着手调查和研究油气井套管的腐蚀问题，并进行了机理分析和多种防腐试验，取得了良好的效果。 （1）腐蚀机理 油气田井下套管腐蚀主要的原因：根据金属电化学腐蚀原理，油田底水、边水或油层水的高矿化度水，有时超过30万mg/L，天然气或伴生气含有H2S,CO2酸性气体，或硫酸盐还原菌等导致水性的pH下降，促进氢的极化作用，使其腐蚀加剧，其主要原因： H2S腐蚀：H2S在油气田有水的条件和一定温度下，发生电化学反应 电离后的S2+与钢材

7、表面发生电子传递,使金属表面形成针孔、斑点、蚀坑，逐渐造成局部减薄而剥蚀或穿孔；再就是氢脆，由于H2S在水中电化学反应而产生的H+得到电子变成氢原子，渗入金属某些晶格缺陷或夹杂处，在该处集聚的氢原子结合成氢分子，体积急剧增大，在钢材内部产生巨大的内应力，使钢材内产生裂纹，使材料发脆称之氢诱发裂纹（hic）。如果钢材因热处理不当，冷加工和焊接残余应力等因素，加之氢脆因素则造成钢材的硫化物应力腐蚀破裂（sscc）.CO2腐蚀：油气田水中普通存在游离CO2，游离CO2的溶解度随CO2分压增加而增大，在溶液中形成H2CO3，导致水的PH值下降呈弱酸性，从而促进氢的去极化作用，腐蚀速度则成倍增加，溶液中

8、HCO3-也是一个不稳定成分，它可以与CO2互相转化，而且离解后产生H+和CO32+，H+加速腐蚀，CO32+与Ca化合结成垢。天然气中有时不仅含有CO2还含有H2S，因此会产生H2S与CO2综合性腐蚀，其特征表现为点蚀和脆性断裂。 硫酸盐还原菌腐蚀：由于微生物的作用，对油气田的油套管和地面设施管线都引起腐蚀，油气田水中存在多种有害的腐蚀菌，其中硫酸盐还原菌是最重要的一种，是厌氧菌。其繁殖是有条件的，根据研究适宜细菌繁殖的PH值在57、温度3050，总矿化度11046.6104mg/L,在滞流区非常适宜细菌生长。硫酸盐还原菌引起金属腐蚀的过程如下阳极反应 4Fe4Fe2+8e水的电解 8H2O

9、8H+80H- 阴极反应 8H+8e8H阴极去极化过程 SO42-+8HS2-+4H2O腐蚀产物 Fe2+H2SFeS 3Fe2+6(OH)-3Fe(OH)2总反应 4Fe+SO42-+4H2O3Fe(OH)2+FeS+2OH-硫酸盐还原菌在其生命活动中，不仅因消耗氢而加剧氢的阴极去极化作用，而产生的H2S又提供了一个新的腐蚀源，加速了铁的阳极溶解，其腐蚀物硫化铁具有导电性，又形成新的阳极，与铁形成强电偶，电位差可达0.4V，最终导致套管腐蚀由溃烂而穿孔。从油气田套管和管材腐蚀因素分析，以上三个方面常常是在不同条件下以一种或二种为主的综合腐蚀，除此之外，O2、Cl2 等因素也会产生腐蚀。总之要

10、根据油气田不同条件，具体情况具体分析。（2）腐蚀形式 井下套管的腐蚀形式主要有二种，直接腐蚀和间接腐蚀。直接腐蚀发生在套管内壁及未封固段套管外壁。在这些地方，套管直接裸露在腐蚀介质中，从而产生各种腐蚀破坏。直接腐蚀具有较高的腐蚀速度。间接腐蚀发生在封固段套管外壁。在这些地方，腐蚀介质通过水泥环裂隙与套管接触，从而产生各种腐蚀破坏。根据目前的研究认为，水泥封固段不能完全屏闭套管的主要原因有：水泥石中存在原生孔隙。油井水泥水化后形成的水泥石，不同程度地具有原生孔隙，使其具有一定的渗透率。在这种情况下，腐蚀介质将透过水泥石的孔隙作用在套管外壁，产生腐蚀破坏。固井质量不好。由于井下情况比较复杂，注水泥

11、时受到各种因素的干扰，使得固井质量存在不同程度的问题。例如顶替效率不高而形成窜槽，套管的热胀冷缩特性导致水泥石与套管壁胶结强度下降等。在这种情况下，腐蚀介质将穿透水泥石中的通道与套管接触。钝化膜被破坏。纯波特兰水泥的孔隙溶液中含有大量的Ca(OH)2(PH10),能在套管上形成一层防止套管腐蚀的钝化膜。所以注水泥后的油井套管具有耐久性。当水泥石在与二氧化碳和水接触时，导致结垢（CaC03）.这样就直接破坏了钝化膜使套管暴露在含氯离子和硫酸根的地下水等电解质的腐蚀环境中。水泥石破裂。水泥石与来自地下水或石膏层中的硫酸根作用，反应生成钙钒石。钙钒石生成过程的主要特点之一是其晶格比原化合物占据着更大

12、空间，从而使纯水泥产生膨胀效应。这些钙钒石晶体能对已凝固的水泥施加340N/mm2的内压力，如果地层不能提供足够的外压防止水泥进一步膨胀（如遇裂缝性多孔石灰岩等），最终将使水泥石破裂。其结果是套管直接裸露在腐蚀性环境中，从而使腐蚀速度加快。（3）防腐措施保护套管的方法，应在提高固井质量的基础上，满足工况条件的强度下，采取如下措施正确选用套管的材质。必须从腐蚀角度正确选用套管的材质。美国腐蚀工程师协会（NACE）认为，如果使用环境的气体压力等于或高于448.16kPa,而该气体中硫化氢分压大于0.34474kPa,则必须选用抗硫材料制成的套管，以阻止硫化氢腐蚀脆性断裂的发生。在API10种钢级的

13、套管中，抗硫的有6种：H-40,J-55,K-55,C-75,L-80,C-90; 非API的有三种抗硫套管：S-80,SS-95,RY-85,目前美国、日本和德等国各大钢厂都有专用的抗硫套管，可视具体情况选用。在具有酸性气体（CO2）的高压井中，可选用抗腐蚀合金套管（CRA）。其中含有铬、钼及镍等元素。改变环境。在含H2S的油气井开采过程中，为使套管不与H2S气体或腐蚀介质接触，可采用封隔器隔离的办法。将封隔器下在油气层顶部，油管柱连结在封隔器上。在套管环形空间灌注缓蚀剂，或通过油管柱上的缓蚀剂注入阀，循环注入缓蚀剂（参见图8-60），以保证套管安全。实践证明，含H2S或CO2气体或含腐蚀性

14、地层水的油气井注水泥时，水泥返高应比常规井要高，甚至返至地面，这样可大大减缓套管的腐蚀。化学方法。化学方法包括使用缓蚀剂，杀菌剂和除氧剂。常用缓蚀剂有甲醛、有机胺、炔醇及磺酸盐等。缓蚀剂：美国专利推荐用聚乙烯醇，纤维素烷基醚1218个碳原子的脂肪酸钠防止套管腐蚀。杀菌剂：在缺氧的情况下，套管严重腐蚀往往是由硫酸盐还原菌引起。它对腐蚀起了两重作用，既降低金属的氧化还原电位，同时产生腐蚀性的硫化氢。使用氨作为杀菌剂，在碱性环境下可起到抑制细菌的作用。阴极保护。油田已广泛采用水泥上返封固主要含水层的保护措施，但仍不能杜绝套管的腐蚀。现在国外及我国大多采用套管阴极保护。套管阴极保护从电化学防腐方式可分

15、为牺牲阳极和外加电流保护两种方法。从施工角度可分为三种：第一种是多井深阳极、单井深阳极保护；第二种是单井浅阳极保护；第三种是地面管线与套管联合保护，即区域性保护。应根据地区的具体情况来确定套管是否用阴极保护。这是一项长期措施，在油气井投产时即应应用。二、套管类型及性能1、尺寸系列美国石油学会（API）已提出了套管尺寸系列标准，并为国际石油工业界所接受。各厂家生产的套管系列，主要根据API标准。非API标准套管由使用者向厂家提出特殊定货。套管尺寸系列的API标准主要规定了三个方面的内容：1）套管外径。套管外径从114.3mm(41/2in)到508mm(20in)共14个尺寸系列。对于生产套管，

16、常用的套管外径为127.0mm(5in); 139.7mm(51/2in);177.8mm(7in);193.7mm(75/8in)等4个尺寸系列，有少数使用168.3mm(65/8in)的情况。2）壁厚。对于同一套管外径，API标准规定了若干壁厚尺寸，组成不同的强度等级供选用。以139.7mm(51/2in)套管为例，API标准规定了5个壁厚系列：6.02，6.98，7.72，9.17，10.54mm，同时也可以单位长度的重量来表示套管的壁厚。3）尺寸配合。尺寸配合体现在二个方面，一是套管与井眼的尺寸配合，二是上下级套管的尺寸配合。套管与井眼之间应有合适的间隙。间隙过大会导致太大的井眼尺寸，

17、增加钻井成本；间隙过小又会导致下套管及注水泥困难引起管外窜槽。目前国内外所生产的套管及钻头尺寸已标准系列化，套管与井眼的尺寸配合基本确定或在较小范围内变化。图4-1给出了套管和井眼尺寸配合选择表。使用该表时，先确定套管（或尾管）尺寸，即可根据表中箭头(实线为常用配合，虚线为不常用小间隙配合)，查得该尺寸套管入井时所要求的井眼尺寸，以及通过该尺寸套管允许下入的钻头尺寸，（下段井眼尺寸）例如177.8mm(7in)套管，下入时要求的井眼尺寸为215.9mm(81/2in)或222.3mm（83/4in）,允许149.2mm(57/8in)或155.6mm(61/8)钻头通过它形成下段井眼。上下级套

18、管的尺寸配合由于涉及的因素比较多，目前还没有合理的统一标准。我国生产现场大多采用127.0mm(5in),177.8mm(7in),244.5mm(95/8in)的上、下级套管尺寸配合。生产实践证明，目前广泛采用的尺寸配合还存在一定的问题。例如，215.9mm（81/2in）井眼下177.8mm(7in)套管的尺寸配合为国内外一直沿用，但固井质量难以保证，应加装套管扶正器确保套管居中；177.8mm(7in)套管挂接127.0mm（5in）套管时，如果井眼为152.4mm（6in）,必须将井眼扩大才能保证固井质量。2、钢级由于套管的使用条件比较恶劣，对钢的质量要求很严，必须按专门标准或技术条件

19、生产和检验。为确保套管质量，美国石油学会采取发放认可证的办法组织一些大型企业定点生产。目前经API认定的套管生产厂家如表4-1所示。为了统一套管的强度特性，API Spec5CT规定了套管钢级标准。钢级由字母及其后的数码组成。字母是任意选择的，没有特殊的含义。数码则代表套管的强度特性。根据API标准规定，数码值乘以1000psi(6894.757kPa)即为套管以psi为单位的最小屈服强度。目前常见的有10种钢级的API标准套管，即H-40,J-55,K-55,N-80,C-75,L-80,C-90,C-95,P-110,Q-125.以N-80套管为例，钢级为N-80，最小屈服强度为80000

20、psi(562.4MPa).套管的强度特征与钢的成分、加工成型和热处理工艺有关。API标准只对钢级作了规定，管材的化学成分是由生产厂自行选定的。同样钢级，同样规格的管材，各生产厂所选定的钢种不一定相同。根据有关资料报道，高强度和超高强度套管多采用锰系，铬-锰-镍系，铬-锰-钒系等。 表4-1国外套管生产厂家及代号（商品号）国别厂家专用等级代号国别厂家专用等级代号美国ArmcoB&wCentralCF&ICopperwelolFortWorthLTVLoneStarMaruichiNewportUSSWheelingPittsburghARMCOCFLTVS.SSUSSSumitomoSM韩国H

21、yundaiPusanUTM奥地利VoestAlpine比利时Tuemeuse法国VallourecVK德国BentelerFuchsHoeschMannesmannMW巴西Confab英国BritishSteelHC.WHC加拿大AlgomaIPSCOSOO意大利AllesioArvediDalmineS.E.T.ADHC.D委内瑞拉CVG西班牙Tubacex日本KawasakiNipponNKKK.T.KONKLT.NTNK瑞典Uddeholm除上述API标准套管外，国外还研究和开发了满足特殊使用条件的非API标准套管，包括用于深井的超高强度套管、酸性环境用套管、高抗挤毁套管、用于低温油气

22、井的高强度套管、耐二氧化碳腐蚀的套管、耐硫化氢和氯离子的套管等等。这些特殊套管的应用，相当程度上解决了深井，高压井，高腐蚀井，海洋和近海油气田，沙漠腹地油气田开发所面临的难题，为水平钻井，热采井等高新技术的推广打下基础。资料表明，特殊套管的使用比例正逐年提高。部分特殊套管用途见表4-2所示。 表4-2特殊套管适用范围用途特殊套管钢级超高强度SM-125G170G,MW-125155,NK-125150,NT-125DS150DS耐酸性腐蚀SM-80S95S,SM-85SS100SS,NK-AC90MS95MS,NK-AC85S95S,NT-80SS105SS,MW-80SS95SS高抗挤MW-

23、95NC125HC,MW-80CYHC110CYHC,SM-95T110,NT-95HS125HS,NT-80CYHC95CYHC高寒高强度SM-80L110L,NK-LT95125,NT-80LS110LS高抗硫MW-80SSHC95SSHC,NT-85HSS105HSS3、螺纹类型套管螺纹及螺纹连接，是保证套管质量和强度的关键部分，因此提高套管螺纹加工质量及发展多种螺纹类型的趋势已成为必然。套管螺纹的基本连接类型可分5类，其中属于API标准的有4类，即：短圆螺纹（STC）;长圆螺纹(LTC); 梯形螺纹（BTC）; 直连形螺纹（XL）。一些生产厂家推出的非API标准螺纹称为特殊螺纹，另有专

24、门代号加以区别。为了满足高压井、深井、超深井、大斜度定向井和水平井、高腐蚀井油田开发需要，特别是对高压气井和热采井，API标准螺纹不能满足连接强度，磨损抗力和气密性等方面的要求，世界各国都在积极开发特殊螺纹连接的套管。目前这种特殊螺纹已发展到百余种，主要生产厂家数十个。但由于各种原因，仅有几种应用较广，生产量较大。主要有VAM,BDC，NSCC,NK系列，FOX,Hy dril等，其中VAM螺纹开发较早，应用量也较大。日本生产的VAM,NSCC,FOX,NK-3SB等特殊螺纹，近年来在我国试用，收到了较好的效果。由于梯形螺纹具有较高的连接强度，几乎所有的特殊螺纹均采用梯形螺纹，只不过螺纹形状稍

25、有差异。螺纹类型概况如表4-3所示。 表4-3套管螺纹类型概况表螺纹类型及其代号名称及说明制造厂尺寸范围及每英寸螺纹数STC(CSG或C.L)API短圆螺纹各钢管厂API标准41/220in,8LTC(LCS或C2)API长圆螺纹41/285/8in及20in,8BTC(BCSG或C33)API梯形螺纹41/220in,5XL(XCDG或C11)API直连形螺纹575/8in,685/8103/4in,5SL(Seal-Lock)密封锁紧螺纹Armco41/2133/8in,5SEU超级双重整体接头螺纹Hydril565/8,67103/4in,4TS(Triplescal)三重密封整体接头螺

26、纹41/275/8in,685/8113/4,4133/8,3CTS耦合三密封螺纹41/2103/4in,6FJ-P平齐四密封螺纹（FJ-WP为另一型专用冲管头）41/275/8,685/8133/8in,4FJ-40超级平齐四密封螺纹41/275/8,685/8133/8,4HCS平接40%连接效率二密封螺纹41/2103/4,6MAC多重密封联接螺纹51/27in,685/895/8NCTK无螺纺错扣接头两级螺纹（具有O形环）595/8NCTS无螺纹错扣接头两级螺纹（100%管体屈服强度）20inBDS(BDS-TC)双螺纹梯形双重密封接头Mannesmann575/8in,585/8in

27、5,395/8133/8in,3BDS(BDS-IJ)梯形双重密封整体接头5133/8in,5Omega整体螺纹台肩面压紧密封595/8in,4Moolified密封环改良接头NLAtlasBradford用于API,;LTCTC-4S四重双耦螺纹密封41/2103/4in,6FL-4S内外平齐冲洗接头螺纹41/285/8in,6IJ-4S四密封整体螺纹接头41/295/8in,6VAM(ATAC)(AG)(AF)VAM,(ATAC,AF,AG)ATAC-正规扭矩AG-不锈钢，低扭矩AF-硫化氢条件，低扭矩Vallourec41/2in,6585/8,595/8133/8in,5VETL梯形螺

28、纹LVetcooffshore1424inVETR梯形螺R1430inPE平端1436inNK-2SC双重密封，扭矩凸肩偶合螺纹NKK575/8in,685/8103/4in,5NK-3SB三重密封螺纹41/2133/8in,5NK-EL整体三重金属密封螺纹575/8in,685/8103/4in,5对套管螺纹密封的机理研究已有显著的成果。理论分析表明，套管螺纹密封具有三种基本形式：1）锥形螺纹。依靠螺纹金属压合，并以密封脂固体粒子充填间隙而密封。典型的例子是API圆螺纹，上螺纹时在公螺纹与母螺纹之间引起压配合。由于API螺纹制造的间隙允许公差0.076mm，使这种间隙存在于啮合面或螺纹顶与根

29、之间，达不到金属对金属的密封。而螺纹仍能提供密封，主要是依靠螺纹密封脂所含的金属微粒产生的桥接，从而达到密封作用。2）具有一定精度平滑面的金属对金属的封口式密封。大多数特殊螺纹采用这种密封形式。平滑金属对金属表面形成压力密封，这些螺纹设计均有较大间隙，螺纹没有防漏能力。但金属密封接触面设计精度很高，即使低扭矩也能产生高的支承应力而导致密封。3）弹性密封。典型的是锥度螺纹及采用聚四氟乙烯密封环的密封。这是一种补充密封形式，主要用于防腐蚀。对生产套管而言，只有当螺纹接头具有理想的密封性时，才能起到其预定的功能。套管螺纹密封取决于接触压力、接触表面形状及表面处理等因素，其影响规律相当复杂，难以利用理

30、论分析方法进行定量描述。特别是在最近几年，气井数量增加，注气井或注蒸汽井也在增加，对套管螺纹的气密封提出了更高的要求。不少厂家为解决这个问题，在研制开发特殊螺纹的同时，对螺纹密封的基础研究也给予了足够的重视，研制了多种专用试验设备和装置，开展了广泛的影响规律研究，得出了一些具有实际意义的研究成果。研究资料表明，为获得严密的螺纹密封，在采用合适的特殊螺纹基础上，需要注意两个方面的问题。一是螺纹的最佳上扣扭矩，二是选用合适的螺纹密封脂。由于套管螺纹主要采用金属对金属的密封形式，则对上扣扭矩的要求比较严格。上扣扭矩不足，不能在金属接触面上产生足够的接触应力及接触面积，导致密封不严；上扭矩过大，又会在金属接触面上产生应变滑动，导致密封失效。API RPSCI标准推荐了不同尺寸，壁厚及钢级的圆螺纹套管的最佳上扣扭矩推荐值，可参阅有关的钻井手册。对于特殊螺纹，目前还没有提出最佳上扣扭矩值的范围，而是各生产厂家根据实验结果自行推荐。表4-4即为日本NKK所推荐的3SB特殊螺纹上扣扭矩推荐值，可供参考。 表4-43SB特殊螺纹上扣扭矩值管 体钢 级外径mm（in）公称重量（kg/m）壁厚（mm）J55K55N80L80AC80AC80THC80AC90C95,T95AC95HC