完井作業(yè)應用井筒完整性標準

張紹槐

西安石油大學

現(xiàn)代完井工程是銜接鉆井工程和采油工程乃至后續(xù)作業(yè)非常重要的一個作業(yè)環(huán)節(jié)。為了保護資源和作業(yè)安全，發(fā)揮井筒完整性及全生命周期的連貫性、一體性尤為重要。現(xiàn)代完井工程所包括內(nèi)容比傳統(tǒng)完井工程增加了很多，同時隨著井型的多樣化和新技術(shù)應用，其內(nèi)容也深化了許多，且在繼續(xù)發(fā)展之中，為此需要不斷研究各類完井作業(yè)的井筒完整性和井筒屏障保護作用，并在實踐中完善。

1 現(xiàn)代完井工程系統(tǒng)

1.1 完井工程定義

完井工程是銜接鉆井工程和采油工程而又相對獨立的工程，是從鉆開油層開始經(jīng)測井到下套管注水泥固井、射孔、下生產(chǎn)管柱、排液、投產(chǎn),其中有的井直至關停、報廢的一項系統(tǒng)工程，在這個全生命周期內(nèi)各項作業(yè)應具有連貫性并緊密銜接，始終不間斷地保護井筒完整性。

1.2 現(xiàn)代完井工程的理論基礎

（1）通過對油、氣層的研究以及對油、氣層潛在損害的評價，要求從鉆開油層開始到投產(chǎn)和向采油部門交接每道工序都要用井筒屏障保護油、氣層，盡可能減少對儲層的傷害，在油、氣層與井筒之間形成良好連通，以保證油、氣井獲得最大產(chǎn)能［1］。

（2）運用節(jié)點等理論分析方法，充分利用油層、氣層能量，優(yōu)化壓力系統(tǒng)，根據(jù)油藏工程和油田開發(fā)全生命周期作業(yè)特點以及開發(fā)過程中所采取的各項措施，考慮環(huán)境腐蝕等因素的潛在危害，采取相應防治措施，合理選擇完井方式、完井管柱結(jié)構(gòu)、套管直徑，進行完井管柱及套管的力學計算、強度設計，確定其材質(zhì)、壁厚、扣型等，為科學地開發(fā)油田提供安全保證［2］。

1.3 現(xiàn)代完井工程內(nèi)容

（1）巖心分析、儲層特性及損害機理研究；（2）保護儲層機理與措施；（3）鉆進油層的鉆井液體系；（4）完井方式及結(jié)構(gòu)等優(yōu)選；（5）油管及生產(chǎn)套管尺寸的選定；（6）生產(chǎn)套管設計；（7）注水泥設計；（8）固井質(zhì)量評價；（9）射孔及完井液選擇；（10）試井評價；（11）完井生產(chǎn)管柱設計；（12）投產(chǎn)措施。

現(xiàn)代完井工程定義、理論基礎、內(nèi)容和操作程序等，構(gòu)成了現(xiàn)代完井工程系統(tǒng)。

2 完井作業(yè)的井筒屏障圖解及驗收標準

保護油層與完井作業(yè)的內(nèi)容包括：在完井作業(yè)活動期間的鉆開油氣層與保護油層、油層套管（尾管等）及注水泥固井、射孔至排液投產(chǎn)三大部分，及其關于井筒完整性的要求和標準。這項活動開始于鉆完全部井深和完成測錄井工作之后。完井作業(yè)結(jié)束于安裝好采油樹、井筒屏障測試完畢以及井筒投產(chǎn)組織生產(chǎn)工作準備好之前。本文的目的是說明用井筒屏障組件安全地進行完井作業(yè)活動，確保完井作業(yè)的井筒完整性［1-5］。

每口井的完井活動與作業(yè)都要準備好井筒屏障系統(tǒng)（WBS）。鉆井液（液柱）是第1個屏障；鉆井液的功能還包括冷卻鉆頭、清除巖屑、傳遞水力能量給鉆頭和井底動力鉆具（螺桿鉆具、渦輪鉆具）鉆井液是無線式隨鉆測量（MWD）隨鉆測井（LWD）的信號傳輸介質(zhì)；鉆井液是處理漏噴塌卡等復雜情況和壓井、救援等的介質(zhì)，完井液除了具有上述鉆井液功能之外，還是保護油氣層的重要屏障。完井作業(yè)重要的井筒屏障組件還有套管水泥環(huán)、完井管柱、井口裝置、采油樹等。

圖1～圖4為完井作業(yè)井筒屏障層系圖解的重要圖例。

下面列出了完井作業(yè)時井筒屏障的專門要求和驗收標準［3-7］。

（1）所有井筒屏障組件、控制管線和夾持器結(jié)構(gòu)都應該能夠承受環(huán)境負載（接觸化學劑、溫度、壓力、機械磨損、腐蝕、振動等）。完井設計中應考慮流動保障問題，如腐蝕、出砂、結(jié)蠟、結(jié)垢、沖蝕、單質(zhì)硫沉積、水合物等。

（2）所有生產(chǎn)井（油、氣井）或注入井應裝備采油樹或注入樹。采油樹上應配備A環(huán)空壓力監(jiān)測監(jiān)控傳感器，傳感器的控制系統(tǒng)能夠報警。

（3）當鉆進至碳氫化合物地層時，要求必須具有足夠大的壓力，以便將流體舉升到地面或海底面的井筒中（包括增壓注入地層的井筒），特別是壓力大于70 MPa，或者H2S含量大于30 g/m3、定產(chǎn)氣量大于20×104m3/d的井（這些井是不注緩蝕劑和不采用化學或機械方式排水采氣的井），在完井管柱中應該安置井下安全閥（DHSV）。高壓油氣井、高含硫井必須使用生產(chǎn)封隔器。其他高壓井、含硫氣井、注緩蝕劑井、采用化學或機械方式排水采氣的井，應根據(jù)地質(zhì)和工藝條件，分析論證是否安裝井下安全閥和封隔器。

（4）所有采油井或注入井應該在完井管柱和套管（或尾管）之間的環(huán)空安置一個環(huán)空密封（生產(chǎn)封隔器）。

（5）允許條件下在完井管柱中安置1個油管掛橋塞（tubing hanger plug）或1個下入深度較小處的油管橋塞以及1個下入深度較大的油管橋塞。

（6）油管內(nèi)孔應該在井口裝置（采油樹/注入樹的位置）中用警報器監(jiān)視連續(xù)壓力傳導情況。

（7）在A—環(huán)空（指油管與生產(chǎn)套管之間的環(huán)空）中的壓力，應該用安全作業(yè)規(guī)定的壓力極限值通過警報器監(jiān)視連續(xù)的壓力傳導情況。

（8）所有流體（或壓力）進得去的環(huán)空，應該安裝壓力表并確定安全操作壓力范圍（用規(guī)定好安全作業(yè)壓力極限刻度的壓力表）。

圖1 下入裸眼底部的完井管柱及驗收標準Fig. 1 Completion string and its acceptance criteria lowered to the bottom of open hole

圖2 通過防噴器下入不可剪切的屏障組件及驗收標準Fig. 2 Non-shearable barrier element running through BOP

圖3 卸掉鉆井防噴器和下入垂直的海面以下采油樹及驗收標準Fig. 3 Removing drilling BOP and landing vertical subsea Christmas tree

圖4 生產(chǎn)井的完井組合裝置（完井平臺）及驗收標準Fig. 4 Well completion combination equipment of production well (completion platform)

表1為井筒屏障組件驗收標準的附加要求。

表1 附加的屏障組件驗收（EAC）要求［3］Table 2 Additional EAC requirements

3 鉆完井作業(yè)的套管設計 ［3-4］

3.1 總要求

套管、尾管和回接管柱應能承受井控作業(yè)期間所有計劃內(nèi)和/或預期的載荷及其應力。設計應含蓋完井和/或從下套管到永久報廢的全部服役階段，并考慮管柱材質(zhì)老化、磨損效應等。應確定設計基礎和設計安全余量并入檔。應識別設計弱點并入檔。

所有的套管柱是一個井筒屏障在各個作業(yè)子程序階段的一個組成部分，如果模擬顯示其磨損超過以套管設計為依據(jù)的最大允許磨損量，就應該在鉆井作業(yè)之后測錄檢查其實際磨損量。需要做磨損模擬準備工作并用測錄井技術(shù)檢測套管壁厚，特別是在已鉆鄰井的井中有套管磨損問題及腐蝕問題的井，對側(cè)鉆井、大斜度井、定向井、水平井、多分支井、復雜結(jié)構(gòu)井、超深井及富含H2S、CO2等井筒尤應做好模擬和測錄檢查工作，而不能等到套管磨損、腐蝕已經(jīng)發(fā)生并影響作業(yè)和生產(chǎn)時才被迫進行修井處理。

對過管柱（油管）的鉆井和完井作業(yè)，其全部完井管柱要當作井筒屏障組件來服役，該管柱及其所有相關的組件應該按照油層套管要求，并再重新鑒定其級別和再重新評估其相關載荷。所有的第1道和第2道井筒屏障層系都應該在開始作業(yè)前用新的設計載荷徹底核實修正。

3.2 設計依據(jù)、假設和假定

在設計工作中應考慮下列最低要求：設計的井眼軌道和由狗腿及井眼曲率造成的彎曲應力；用相關的風險界限考慮最大的允許座放深度；預期的孔隙壓力及變化趨勢；預計的地層完整性及變化趨勢；預計的溫度梯度和溫度相關效應；鉆完井液和水泥漿計劃；井筒服役和作業(yè)誘發(fā)載荷；完井設計要求；預期（預測）的套管磨損；根據(jù)地層評估對下入深度的限制；可能潛在的H2S、CO2； 金相學因素；井筒報廢的要求；由于窄環(huán)空間隙造成的循環(huán)當量密度（ECD）變化和抽/吸效應；薄弱地層、可能的漏失層、縮徑和空穴性地層的隔離以及保護儲集層；地質(zhì)構(gòu)造力；采用釋放井的可能性；在該地區(qū)的已鉆井或相類似井的經(jīng)驗與教訓。

3.3 套管載荷類型

在設計內(nèi)壓力、外擠力和軸向載荷時，應考慮表2的載荷類型。應該評估井筒全生命周期內(nèi)設計載荷和應力的可能變化。

表2 套管載荷類型Table 2 Type of casing load

套管設計應能承受所有計劃的載荷與應力和/或預期的載荷與應力，包括在可能的井控情況誘發(fā)的載荷與應力。

4 井筒控制活動程序和鉆井

表3為發(fā)生復雜情況時應該使用的井筒控制活動程序。應完成表4所列的井控條件下的鉆井準備工作。

5 完井管柱結(jié)構(gòu)與設計

5.1 完井管柱結(jié)構(gòu)

生產(chǎn)井或注入井下入完井管柱開始（或準備）正常生產(chǎn)是完井工程的最后一項作業(yè)。完井管柱下端是油氣進入井筒的通道，上端是井口裝置與采油樹，是控制與監(jiān)測油氣從完井管柱經(jīng)采油樹的出口通道。完井管柱是完井作業(yè)重要的井筒屏障組件。下面是生產(chǎn)井或注入井幾種主要的完井管柱結(jié)構(gòu)、適用范圍、設計原則與技術(shù)要求。

表3 完井作業(yè)中井控活動程序Table 3 Procedure of well control activity in the process of well completion

表4 井控條件下鉆井的準備工作Table 4 The drilling preparation under the condition of well control

（1）自噴井完井管柱［8］。投產(chǎn)后油井能保持自噴生產(chǎn)，對這類井的生產(chǎn)管柱要按自噴井生產(chǎn)管柱的技術(shù)要求來設計。設計合理的自噴井生產(chǎn)管柱的技術(shù)關鍵是根據(jù)油管的敏感性分析確定油管的合理直徑。自噴井生產(chǎn)管柱主要有2種：一種是全井合采管柱，見圖5；另一種是分層開采管柱，見圖6。

全井合采管柱結(jié)構(gòu)簡單，一根光油管下至油層中部。它適用于單層系的油井或?qū)訑?shù)不多、層間差異不大的油井；分層開采管柱（圖6）結(jié)構(gòu)較復雜，主要由封隔器、配產(chǎn)器和其他配套的井下工具組成，主要用于層間壓力差異大或高含水層和油層分采的自噴井分采管柱。還有雙管分采自噴井采油管柱（圖7），徹底解決2層段之間的干擾，充分發(fā)揮各層段的潛力，能大幅度提高采油速度。這種管柱主要由反循環(huán)短節(jié)、雙管可取式封隔器、單管封隔器、帶循環(huán)閥密封短節(jié)、篩管、坐封短節(jié)、返排循環(huán)閥等組成。

圖5 自噴井全井合采采油管柱Fig. 5 Full-hole commingling production string of flowing well

圖6 自噴井分層采油管柱Fig. 6 Separate layer production string of flowing well

對于深井自噴井，為減少作業(yè)對油層的損害，可下入深井不壓井作業(yè)管柱（圖8）。這種管柱包括油管懸掛器、伸縮補償器、滑套、限位插入式密封總成、永久式封隔器、井下活門及測試工作筒等。作業(yè)時，在密閉壓力系統(tǒng)中將第一根油管起出到井下活門以上，井下活門當即關閉，此時已與井下壓力系統(tǒng)隔開，即可在不壓井的情況下作業(yè)。

對于有些在投產(chǎn)射孔時需要進行負壓射孔，在停噴后轉(zhuǎn)為其他采油方式的井，可以采用射孔生產(chǎn)聯(lián)作自噴管柱（圖9）。管柱主要由油管懸掛器、永久式封隔器、測試工作筒、槍身釋放接頭、射孔槍等構(gòu)成。

圖7 雙管分采管柱示意圖Fig. 7 Schematic dual-tubing separate layer production string

圖8 深井不壓井作業(yè)管柱Fig. 8 String for snubbing operation in deep wells

圖9 射孔生產(chǎn)聯(lián)作自噴管柱Fig. 9 String for joint perforation and production in flowing wells

（2）有桿泵完井管柱［8］。油層無自噴能力，但又有一定深度的動液面，原油黏度適中，那就應首先選擇有桿泵抽油系統(tǒng)投產(chǎn)。

有桿泵抽油系統(tǒng)主要由機、泵、桿、管4大部分組成。合理設計有桿泵生產(chǎn)管桿的技術(shù)關鍵是深井泵的選擇。深井泵的選擇一定要建立在油層采油指數(shù)準確測算的基礎上。首先依據(jù)泵的理論排量確定深井泵的類型和主要工作參數(shù)，根據(jù)動液面深度及合理的沉沒度確定泵掛深度，然后可以進行抽油桿柱的設計計算。抽油桿柱設計確定后，根據(jù)桿和油管的匹配關系，再根據(jù)泵的工作制度和桿、管的組合，就可以計算抽油機的各項基本參數(shù)，即可進行抽油機選型。有桿泵生產(chǎn)管柱主要由泵、桿、管和其他井下工具構(gòu)成。有桿泵井標準井下管柱見圖10。有桿泵深抽管柱見圖11。

有桿泵抽油技術(shù)近年來又有了新的發(fā)展，不斷地拓寬了它的使用范圍。具有特種性能的有桿泵，如防砂卡抽油泵、浸入式抽油泵、閥式泵、防氣鎖抽油泵、耐腐蝕泵等相繼研制成功并推廣應用，常規(guī)有桿泵不適應的油井可采用這些特殊性能的泵以發(fā)揮其常規(guī)有桿泵不能替代的作用。

（3）水力活塞泵完井管柱。水力活塞泵采油系統(tǒng)的基本工作原理是由地面泵將動力液增壓并泵送入井下，由動力液驅(qū)動液壓馬達作上下往復運動，同時液壓馬達帶動井下泵柱塞上下往復運動，把井液舉升到地面。

圖10 有桿泵井標準井下管柱示意圖Fig. 10 Schematic standard downhole string of rod pumped well

（4）關于潛油電泵完井管柱、氣舉井完井管柱、注水井完井管柱、天然氣井完井管柱、定向井水平井完井管柱、多管射孔完井管柱等，限于篇幅可參閱文獻［8］等。

5.2 完井管柱設計基礎和假設

所有的完井管柱、尾管和回接管柱應設計得能夠承受計劃內(nèi)的和預期的應力（包括在井控情況可能誘發(fā)的應力）。設計方法應該是井筒全生命周期包括報廢在內(nèi)符合井筒完整性要求的設計方法。材料的降級應該考慮在內(nèi)。應該備有設計基礎及依據(jù)的文件并寫入檔案［9-11］。

完井管柱及所有連接部件應承受的負載情況要計算并核實。薄弱部位應依據(jù)文件加以識別并記入檔案文件。完井設計應適應全服役期直至永久報廢。

應予評估下列各項內(nèi)容以建立常規(guī)和無因次參數(shù)設計方法。

（1）在井筒生命期內(nèi)的油藏壓力，包括儲集層流體和/或氣體性能的動態(tài)分析。

圖11 有桿泵深抽井管柱示意圖Fig. 11 Schematic string of deep-pumping rod pumped well

（2）設計的井筒軌跡和彎曲應力，包括井眼狗腿度和曲率造成的彎曲應力及其影響管柱受力。

（3）完井方法的選擇與論證，套管設計及注水泥設計，固井完井質(zhì)量的檢查。

（4）井控和最大壓井壓力。

（5）優(yōu)化采油和/或注入速率以及有關聯(lián)的流體和/或氣體性能。

（6）流體進得去的環(huán)空的環(huán)空壓力管理。

（7）在井筒生命期內(nèi)H2S和/或CO2，包括可能存在于油藏中的酸性物源（Souring）。

（8）流體配伍性和腐蝕危害。

（9）井筒預期壽命（生命期長短）。

（10）材料的選擇。

（11）砂控要求。

（12）人工舉升要求。

（13）可能的水合物、結(jié)垢和瀝青沉積以及化學劑注入的需要。

（14）由井筒服務和作業(yè)，包括井筒維修（修井）、打水泥塞（包括井底水泥塞或懸空水泥塞）、規(guī)模化擠注、壓裂和/或其他化學劑處理等誘發(fā)的載荷。

（15）地質(zhì)構(gòu)造力及其影響。

（16）井筒停產(chǎn)和報廢的特殊需要。

（17）在該區(qū)域或類似井筒中得到的已鉆進井和已生產(chǎn)井的經(jīng)驗教訓，新技術(shù)的采用等。

5.3 完井管柱載荷類型

在計劃內(nèi)活動時對內(nèi)壓力，外擠力和軸向載荷設計時應該采用的載荷類型。每一種井筒類型應該進行管柱應力分析。應考慮表5中的載荷類型。表5所列的情況不是強調(diào)而是基于計劃活動的實際載荷類型。

表5 完井管柱載荷類型 ［1］Table 5 Load cases

5.4 最小的設計系數(shù)

油油管設計系數(shù)應包括所有計劃到的載荷與應力和/或預期的載荷與應力，包括在可能的井控情況時誘發(fā)的載荷與應力。

5.5 完井裝備——應急的關井系統(tǒng)

下列完井管柱組件應作為安裝應急關井系統(tǒng)的分級部件：井下安全閥（DHSV）；環(huán)空安全閥（ASV）或者其他安全失效時的關閉工具；采油（注水）樹閥——主控閥和翼閥；為注入化學劑的管線使用的采油樹閥（注水樹閥）或井口閥；為環(huán)空氣舉閥用的采油樹閥（注水樹閥）或/井口閥。

5.6 采油井口裝置

要求在完井作業(yè)結(jié)束時安裝采油作業(yè)的井口裝置（將在后續(xù)“采油作業(yè)應用井筒完整性標準”［12］一文論述）。

6 結(jié)論

在完井作業(yè)中設計好、應用好井筒屏障及其組件是一項深入細致工作。給出的4個典型圖解和文后所附的3個屏障組件驗收表，只涉及完井作業(yè)的一部分，還有更多的井筒屏障組件如井下安全閥、封隔器、監(jiān)測傳感器、水泥塞等。圖5～圖11等作業(yè)的井筒屏障及其組件的圖解都是待做的工作，限于篇幅不能詳述，各井實施時可結(jié)合實際情況參照本文及有關資料［1，2，5］設計應用。

附表1 完井管柱Attached table 1 Completion string

附表2 套管水泥環(huán)Attached table 2 Cement sheath

附表3 套管Attached table 3 Casing