完井方式选择.docx

1、完井方式选择第二章 完井方式选择完井方式选择是完井工程的重要环节之一，目前完井方式有多种类型，但都有其各自的适用条件和局限性。只有根据油气藏类型和油气层的特性去选择最合适的完井方式，才能有效地开发油气田，延长油气井寿命和提高其经济效益。合理的完井方式应该力求满足以下要求：（1）油、气层和井筒之间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，防止井壁坍塌，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

2、以及便于人工举升和井下作业等条件；（6）稠油开采能达到注蒸汽热采的要求；（7）油田开发后期具备侧钻的条件；（8）施工工艺简便，成本较低。第一节 完井方式 目前国内外最常见的完井方式有套管或尾管射孔完井、割缝衬管完井、裸眼完井、裸眼或套管砾石充填完井等。由于现有的各种完井方式都有其各自适用的条件和局限性，因此，了解各种完井方式的特点是十分重要的。1 射孔完井方式 射孔完井是国内外最为广泛和最主要使用的一种完井方式。其中包括套管射孔完井和尾管射孔完井。（1）套管射孔完井 套管射孔完井是钻穿油层直至设计井深，然后下油层套管至油层底部注水泥固井，最后射孔，射孔弹射穿油层套管、水泥环并穿透油层某一深度，

3、建立起油流的通道。如图2-1所示。套管射孔完井既可选择性地射开不同压力、不同物性的油层，以避免层间干扰，还可避开夹层水、底水和气顶，避开夹层的坍塌，具备实施分层注采和选择性压裂或酸化等分层作业的条件。（2）尾管射孔完井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,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。如图2-2所示。尾管射孔完井由于在钻开油层以前上部地层已被技术套管封固，因此，可以采用与油层相配伍的钻井液以平衡压力、低平衡压力的方法钻开油层，有利于保护油层。此外，这种完井方式可

4、以减少套管重量和油井水泥的用量，从而降低完井成本，目前较深的油、气井大多采用此方法完井。射孔完井对多数油藏都能适用，其具体的使用条件见表2-8.2 裸眼完井方式裸眼完井方式有两种完井工序：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。如图2-3所示。有的厚油层适合于裸眼完成，但上部有气顶或顶界邻近又有水层时，也可以将技术套管下过油气界面，使其封隔油层的上部分然后裸眼完井。必要时再射开其中的含油段，国外称为复合型完井方式。如图2-4所示。裸眼完井的另一种工序是不更换钻头，直接钻穿油层至设计井深

5、，然后下技术套管至油层顶界附近，注水泥固井。固井时，为防止水泥浆损害套管鞋以下的油层，通常在油层段垫砂或者替入低失水、高粘度的钻井液，以防水泥浆下沉。或者在套管下部安装套管外封隔器和注水接头，以承托环空的水泥浆防止其下沉，这种完井工序一般情况下不采用。见图2-5所示。 裸眼完井的最主要特点是油层完全裸露，因而油层具有最大的渗流面积。这种井称为水动力学完善井，其产能较高。裸眼完井虽然完善程度高，但使用局限很大。砂岩油、气层，中、低渗透层大多需要压裂改造，裸眼完成即无法进行。同时，砂岩中大都有泥页岩夹层，遇水多易坍塌而堵塞井筒。碳酸盐岩油气层，包括裂缝性油、气层，如70年代中东的不少油田，我国华北

6、任丘油田古潜山油藏，四川气田等大多使用裸眼完井。后因裸眼完井难以进行增产措施和控制底水锥进和堵水，以及射孔技术的进步，现多转变为套管射孔完成。水平井开展初期，80年代初美国奥斯汀的白垩系碳酸盐岩垂直裂缝地层的水平井大多为裸眼完井，其他国家的一些水平井也有用裸眼完井，但80年代后期大多为割缝衬管或带管外封隔器的割缝衬管所代替。特别是当前水平井段加长或钻分枝水平井，用裸眼完井就更少了。因为裸眼完井有许多技术问题难以解决。3 割缝衬管完井方式割缝衬管完井方式也有两种完井工序。一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，通过套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

7、2-6所示。由于此种完井方式井下衬管损坏后无法修理或更换，因此一般都采用另一种完井工序，即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2-7如示。 这种完井工序油层不会遭受固井水泥浆的损害，可以采用与油层相配伍的钻井液或其它保护油层的钻井技术钻开油层，当割缝衬管发生磨损或失效时也可以起出修理或更换。割缝衬管的技术要求割缝衬管的防砂机理是允许一定大小的，能被原油携带至地面的细小砂粒

8、通过，而把较大的砂料阻挡在衬管外面，大砂粒在衬管外形成“砂桥”，达到防砂的目的。如图2-8所示。由于“砂桥”处流速较高，小砂粒不能停留在其中。砂粒的这种自然分选使“砂桥”具有较好的流通能力，同时又起到保护井壁骨架砂的作用。割缝缝眼的形状和尺寸应根据骨架砂粒度来确定。4 砾石充填完井方式对于胶结疏松砂严重的地层,一般应采用砾石充填完井方式。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筛管而不用割缝衬管。其原因如下：割缝

9、衬管的缝口宽度由于受加工割刀强度的限制，最小为0.5mm.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。绕丝筛管是由绕丝形成一种连续缝隙，见图2-11（a），流体通过筛管时几乎没有压力降。绕丝筛管的断面为梯形，外窄内宽，具有一定的“自洁”作用，轻微的堵塞可被产出流体疏通，见图2-11（b）,(c) ,(d)，它的流通面积要比割缝衬管大得多，见图2-12.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。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

10、方式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式。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。一般砾石层的厚度不小于50mm（0.5米）。裸眼扩径的尺寸匹配如表2-2。 表2-2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外径（in）（mm）（in）（mm）（in）（mm）(in)(mm)51/2139.743/4120.61230527/88765/87168.

11、3177.857/861/8149.2155.512163054074511714275/885/8193.7219.161/277/8165.12001418355.6457.251/215595/8244.583/4222.2162040750865/8184103/4273.191/2241.31820457.25087194扩眼工序完成后，便可进行砾石充填工序。如图2-13所示。裸眼砾石充填完井工序的使用条件见表2-8.（2）套管砾石充填完井方式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

12、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。套管砾石充填如图2-14所示：油层套管与绕筛管的匹配如表2-3所示：表2-3套管砾石充填筛管匹配表套管规格筛管外径（mm）（in）（mm）（in）139.751/27423/8168.365/88727/8177.878727/8193.775/810431/2219.185/81174244.595/813041/2273.1103/41425套管砾石充填完井

13、方式的使用条件见表2-7.虽然有裸眼砾石充填和套管砾石充填之分，但二者的防砂机理是完全相同的。充填在井底的砾石层起着滤砂器的作用，它只允许流体通过，而不允许地层砂粒通过。其防砂的关键是必须选择与出砂粒径匹配的绕丝筛管及与油层岩石颗粒组成相匹配的砾石尺寸。选择原则是既要能阻挡油层出砂，又要使砾石充填层具有较高的渗透性能。因此，绕丝筛管、砾石尺寸、砾石的质量、充填液的性能，高砂比充填要求砂液体积比达到（0.81）：1及施工质量是砾石充填完井防砂成功的技术关键。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：砾石粒径的选择、砾石尺寸合格程度、砾石的球

14、度和圆度、砾石的酸溶度、砾石的强度等。1）砾石粒径的选择国内推荐的砾石粒径是油层砂粒度中值D50的56倍2）砾石尺寸合格程度：API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：API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得超过表2-4所示的数值。表2-4 砾石抗破碎推荐标准充填砂粒度（目）破碎砂重量百分含量（%）816812204163022040230502406024) 砾石的球度和圆度：API砾石圆球度的标准是砾石的平均球度应大于0.6，平均圆度也应大于0.6.图2-15评估球度和圆度的目测

15、图。5）砾石的酸溶度：API砾石酸溶度的标准是：在标准土酸（3%HF+12%HCI）中砾石的溶解重量百分数不得超过1%. 6）砾石的结团：API的标准是：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.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2-5. 表2-5 砾石与筛管配合尺

16、寸推荐表砾石尺寸筛管缝隙尺寸标准筛目（mm）(mm)(in)40600.4190.2490.150.00620400.8340.4190.300.01216301.1900.5840.350.01410202.0100.8340.500.02010162.0101.1900.500.0208122.3901.6800.750.030砾石充填完井防实例实例1 渤海某油田直井防砂，油层为东营组砂岩，油层井深为14501700m，原油密度0.950.96，地下原油粘度为70mpas，含油井段长达100200m,油井自喷能力差。在试油过程中曾用电潜泵求产，油井出砂严重，套管内砂柱高达20多米。由于油层

17、井段长、油层多、油井出砂严重，在完井方式上，采用套管内绕丝筛管砾石充填完井。生产套管为95/8in或7in,每米射39孔。在95/8in套管内下入外径6.05in、内径4.95in的绕丝筛管，在7in套管内则下入外径4.62in、内径3.94in的绕丝筛管。根据油层的层组划分，分三段进行砾石充填防砂。上部两个防砂井段装有滑套，最下一段装有堵塞器工作筒，必要时可关闭任何一个生产井段。油管直径31/2in, 砾石充填完成后，将电潜泵下入深度1000m处。自1993年投产以来，平均单井日产100130t,电潜泵生产压差为4Mpa，生产两年来没有发现出砂问题。渤海油田防砂井管柱如图2-16.实例2 渤

18、海油田定向井防砂油层为东营组，油田井深为18101870m，原油相对密度0.955，地下粘度平均为57mPas,井斜40，70年代初期试油时出砂严重，下预填充滤砂管防砂效果不好。后于80年代后期，在7in套管内采用绕丝筛管大段砾石充填完井，该井自1985年投产以后，开始自喷，后转喷射泵及电潜泵生产，生产压差3060Mpa，现已生产10年，日产100t左右，没有发现出砂问题，其防砂管柱如图2-17.预充填砾石绕丝筛管预充填砾石绕丝筛管是在地面，预先将符合油层特性要求的砾石填入具有内外双层绕丝筛管的环形空间而制成的防砂管。将此种筛管下入井内，对准出砂层位进行防砂。该防砂方法其油井产能低于井下砾石充

19、填，防砂有效期不如砾石充填长，因其不能像砾石充填石充填能防止油层砂进入井筒，只能防止油层砂进入井筒后不再进入油管。但其工艺简便、成本低，在一些不具备砾石充填的防砂井，仍是一种有效方法。因而国外仍普遍采用，特别在水平井中更常使用。其结构如图2-18所示。预充填砾石粒径的选择及双层绕丝筛管缝隙的选择等，皆与井下砾石充填相同。外筛管外径与套管内径的差值应尽量小，一般10mm左右为宜，以增加预充填砾石层的厚度，从而提高防砂效果。预充填砾石层的厚度应保证在25mm左右。内筛的内径应大于中心管外径2mm以上，以便能顺利组装在中心管上。5 其它防砂筛完井1、金属纤维防砂筛管金属纤维防砂筛管的基本结构如图2-

20、19所示：不锈钢纤维是主要的防砂材料，由断丝、混丝滚压、梳分、定形而成。它的主要防砂原理是：大量纤维堆集在一起时，纤维之间就会形成若干缝隙，利用这些缝隙阻挡地层砂粒通过，其缝隙的大小与纤维的堆集紧密程度有关。通过控制金属纤维缝隙的大小（控制纤维的压紧程度）达到适应不同油层粒径的防砂。此外，由于金属纤维富有弹性，在一定的驱动力下，小砂粒可以通过缝隙，避免金属纤维被填死。砂粒通过后，纤维又可恢复原状而达到自洁的作用。在注蒸汽开采条件下，要求防砂工具具备耐高温（360）、耐高压（18.9MPa）和耐腐蚀（Ph812）等性质，不锈钢纤维材质特性符合以上要求。辽河油田使用的不锈钢纤维的丝径为50120m

21、；纤维过滤层的厚度为1525mm; 压缩系数为2228Mpa-1. 这种纤维过滤层的渗透率大于1000m2；孔隙度大于90%；出砂量不超过0.01%.可适用于裸眼、套管、直井和水平井的防砂。2、陶瓷防砂滤管胜利油田研制的陶瓷防砂滤管，其过滤材料为陶土颗粒，其粒径大小为油层砂中值及渗透率高低而定，陶粒与无机胶结剂配成一定比例，经高温烧结而成。形状为圆筒形，装入钢管保护套中与防砂管连结，即可下井防砂。陶瓷滤管结构示意图和渗流性能曲线图分别见图2-20和图2-21.其物理参数见表2-6.表2-6陶瓷防砂井下配套工具技术参数陶瓷防砂井下配套工具外径（mm）内径（mm）长度（mm）钢体最大外径（mm）井

22、下通径（mm）总长（mm）适应套管尺寸外径（mm）内径（mm）12775120023003507.8158.08161.7101501200230035001.7124.38127.3该滤砂管具有较强的抗折抗压强度，并能耐高矿化度水，土酸，盐酸等腐蚀。现已在油田现场推使用。3、多孔冶金粉末防砂滤管这种防砂筛管是用铁、青铜、锌白铜、镍、蒙乃尔合金等金属粉末作为多孔材料加工而成的。它具有以下特点：1）可根据油层砂粒度中值的大小，选用不同的球形金属粉末粒径（20300m）烧结，从而形成孔隙大小不同的多孔材料，因而其控砂范围大，适用广。2）一般渗透率在10m2左右，孔隙度在30%左右。不仅砂控能力强，

23、对油井产能影响较小。3）一般多数采用铁粉烧结，因而成本低。4）用铁粉烧结的防砂管，其耐腐蚀性差，应采取防腐处理。4、多层充填井下滤砂器美国保尔（pall）油井技术公司推荐一种多层充填井下滤砂器，它是由基管、内外泄油金属丝网、34层单独缠绕在内外泄油网之间的保尔（pall）介质过滤层及外罩管所组成。该介质过滤层是主要的滤砂原件，它是由不锈钢丝与不锈钢粉末烧结而成的。因此可根据油层砂粒度中值，选用不同粒径的不锈钢粉末烧结，其控制范围广。6 化学固砂完井化学固砂是以各种材料（水泥浆、酚醛树脂等）为胶结剂，以轻质油为增孔剂，以各种硬质颗粒（石英砂、核桃壳等）为支撑剂，按一定比例拌合均匀后，挤入套管外推

24、集于出砂层位。凝固后形成具有一定强度和渗透性的人工井壁防止油层出砂。或者不加支撑剂，直接将胶结剂挤入套管外出砂层位，将疏松砂岩胶结牢固防止油层出砂。还有辽河油田的高温化学固砂剂，主要是在注蒸汽井上使用，可以耐温350以上。此外，加拿大阿尔伯达研究中心（ARC）用聚合物等材料制成的化学固砂剂可防细粉砂。化学固砂虽然是一种防砂方法，但其在使用上有其局限性，仅适用于单层及薄层，防砂油层一般以5m左右为宜，不宜用在大厚层或长井段防砂。化学防砂的适用范围优缺点如表2-7.有关详细内容可参阅采油技术手册第七分册“防砂技术”3 .各种完井方式适用的条件见表2-8. 表2-7化学固砂选用参考表方法胶结剂支撑剂

25、配方（重量比）适用范围优缺点水泥砂浆人工井壁水泥浆石英砂水泥：水：石英砂=1：0.5：4油、水井后期防砂。低压、浅井防砂原料来源广、强度低、有效期短水带干灰砂人工井壁水泥石英砂水泥：石英砂=1：（22.5）高含水油井和注水井后期防砂。低压油、水井原料来源广、成本低，堵塞较严重柴油水泥浆乳化液人工井壁柴油水泥浆乳化液柴油：水泥：冰=1：1：0.5油、水井早期防砂。出砂量少。浅井原料来源广，成本低堵塞较严重酚醛树脂人工井壁酚醛树脂溶液苯酚：甲醛：氨水=1：1.5：0.05油、水井早期防砂。中、粗砂岩油层防砂适应性强，成本高，树脂储存期短树脂核桃壳人工井壁酚醛树脂核桃壳树脂：核桃壳=1：1.5油、水

26、井早期和后期防砂。出砂量少胶结强度高，渗透率高，防砂效果好。原料来源困难，施工较复杂树脂砂浆人工井壁酚醛树脂石英砂树脂：石英砂=1：4油、水井后期防砂胶结强度高，适应性强，施工较复杂挤复杂酚醛溶液地下合成酚醛溶液苯酚：甲醛：固化剂=1：2：（0.30.36）油层温度在60以上的油、水井早期和后期防砂溶液粘度低，易于挤入油层，可分层防砂树脂涂层砾石人工井壁环氧树脂石英砂树脂：砾石=1：（1020）油层温度在60以上的油、水井早期和后期防砂渗透率高，强度高，施工简单 表2-8各种完井方式适用的地质条件(垂直井)完井方式适用的地质条件射孔完井（1）有气顶、或有底水、或有含水夹层、易塌夹层等复杂地质条

27、件，因而要求施分隔层段的储层（2）各分层之间存在压力、岩性等差异，因而要求实施分层测试、分层采油、分层注水、分层处理的储层（3）要求实施大规模水力压裂作业的低渗透储层（4）砂岩储层、碳酸盐岩裂缝性储层裸眼完井（1）岩性坚硬致密，井壁稳定不坍塌的碳酸盐岩或砂岩储层（2）无气顶、无底水、无含水夹层及易塌夹层的储层（3）单一厚储层，或压力、岩性基本一致的多层储层（4）不准备实施分隔层段，选择性处理的储层割缝衬管完井（1）无气顶、底水、无含水夹层及易塌夹层的储层（2）单一厚储层，或压力、岩性基本一致的多层储层（3）不准备实施分隔层段，选择性处理的储层（4）岩性较为疏松的中、粗砂粒储层裸眼砾石充填（1）

28、无气顶、无底水、无含水夹层的储层（2）单一厚储层，或压力、物性基本一致的多层储层（3）不准备实施分隔层段，选择性处理的储层（4）岩性疏松出砂严重的中、粗、细砂粒储层套管砾石充填（1）有气顶、或有底水、或有含水夹层、易塌夹层等复杂地质条件，因而要求实施分隔层段的储层（2）各分层之间存在压力、岩性差异，因而要求实施选择性处理的储层（3）岩性疏松出砂严重的中、粗、细砂粒储层复合型完井（1）岩性坚硬致密，井壁稳定不坍塌的储层（2）裸眼井段内无含水夹层及易塌夹层的储层（3）单一厚储层，或压力、岩性基本一致的多储层（4）不准备实施分隔层段，选择性处理的储层（5）有气顶、或储层顶界附近有高压水层，但无底水的

29、储层 第二节 水平井完井方式 目前常见的水平井完井方式有裸眼完井、割缝衬管完井、带管外封隔器（ECP）的割缝衬管完井、射孔完井和砾石充填完井五类。水平井按其造斜和曲率半径可分为短、中、长三类如表2-9所示。 表2-9水平井类型短中长曲率半径2040ft612m165700ft50213m10003000ft305914m造斜1.5/ft3/ft5/m10/m8/100ft30/100ft26/100m98/100m2/100ft6/100ft7/100m20/100m由于水平井的各种完井方式，有其各自的适用条件，故应根据油藏具体条件选用。1 裸眼完井方式这是一种最简单的水平井完井方式。即：技术套管下至预计的水平段顶部，注水泥固井封隔。然后换小一级钻头水平井段至设计长度完井。如图2-22所示。裸眼完井主要用于碳酸盐岩等坚硬不坍塌地层，特别是一些垂直裂缝地层，如美国奥斯汀白垩系地层，可参见表2-10和表2-11.2 割缝衬管完井方式完井工序是将割缝衬管悬挂在技术套管上，依靠悬挂封隔管外的环形空间。割缝衬管要加扶正器，以保证衬管在水平井眼中居中，如图2-23所示。目前水平井发展到分枝井及多底井，其完井方式也多采用割衬管完井，如图2-24所示：割缝衬管完井主要用于不宜用套管射孔完井，又要防止裸眼完井时地层坍塌，因而采用此方法的井