油層套管是井身結構中最內的一層套管(什么是石油固井技術？)

井身結構設計中，油層套管的層數為（）。

井身結構設計中，油層套管的層數為（）。

A.0

B.1

C.2

D.根據需要確定

正確答案：1

什么是石油固井技術？

為了加固井壁,保證繼續安全鉆進,封隔油層、氣層和水層，確保勘探期間的分層試油以及在整個開采過程中合理的油氣生產，在鉆成的井中下入高強度鋼質套管，并在井筒與套管環形空間中充填好水泥的過程，稱為固井作業。

固井是油氣井建井過程中的關鍵環節。與其他鉆井環節相比，固井作業具有明顯的特殊性。它是一次性作業，如果質量不好，一般情況下難以補救；它是隱蔽性作業，主要流程在井下，施工時不能直接觀察。質量往往決定于設計的準確性和準備工作的好壞，并受多種因素的綜合影響，還影響后續工程的進行；它是一項花費大的作業，套管費用約占鉆井總成本的25%左右；它施工時間短、工序多、作業量大，是技術性很強的作業。顯然，固井質量的好壞是衡量一口井質量的重要指標。

固井技術的主要內容包括套管柱設計和注水泥工藝。本節將圍繞它們做介紹。

一、套管柱設計套管柱設計就是根據套管柱在井內的工作條件，選擇不同鋼級或不同壁厚的套管組成套管柱，使其所受外力與強度之間滿足一定的關系，以保證套管柱的安全性和經濟性。套管柱設計是鉆井工程師所必須掌握的基本功之一。

1.套管柱結構套管柱是由套管加裝一些特殊部件組合而成，以保證注水泥作業的順利進行。

1)套管套管是由高級合金鋼軋制而成的無縫鋼管。為了滿足不同的井身結構、工作條件對套管強度的要求，套管具有多種直徑、壁厚、鋼級和不同的連接方式。

套管直徑一般為114.3～508mm，也有更大的尺寸，共有十多種。常用的套管壁厚為8～13mm，薄壁套管壁厚僅5.21mm，厚壁套管壁厚達16.1mm。顯然，對于一定的套管直徑，壁厚越大的套管強度越高。

不同鋼材制成的套管，強度是不一樣的。為了便于區別，用鋼級命名。國產套管有D40、D55、D75三種鋼級，下標數字為鋼材的最小屈服極限，單位為kg/mm2。API標準套管的鋼級代號為N-80、C-95等，代號中的數字乘以1000即為套管的最小屈服強度值,單位為lb/in2。

大多數套管一端為外螺紋，另一端為內螺紋(加接箍),多為圓螺紋，每英寸6～8扣。為了加強連接強度，有些高強度套管采用梯形扣，每英寸5扣。

對于含硫酸鹽等腐蝕性流體的地層，應選用具有抗硫特性的套管。抗硫套管的化學成分控制嚴格，并經過特殊的熱處理。目前我國多采用日本產防硫套管，其防硫性能較好。

2)引鞋引鞋是由生鐵或鋁制成的圓錐形短節，上面布有旋流小孔。其作用是:(1)引導套管入井，防止套管插入井壁巖層;(2)注水泥時構成水泥漿的循環通道，水泥漿通過旋流小孔流出上返，提高頂替效率。固井后重新鉆進時，引鞋可以很容易鉆掉。

3)套管鞋套管鞋是接在引鞋之上的一個特殊短節，一般由套管接箍制成。下端加工成45°的內斜角，作用是起下鉆時防止鉆具接頭、鉆頭碰掛套管底部而損壞套管。同時,在測井時成為套管下入深度的測量標志。

4)套管回壓閥套管回壓閥的主要作用是：(1)注水泥結束后防止高密度的水泥漿向套管內回流；(2)下套管過程中增加套管柱的浮力，減輕鉆機大鉤的負荷；(3)因為回壓閥的球座擋板是注水泥膠塞的承托環，故其位置決定了水泥塞的長度及環空水泥漿的高度。

5)套管扶正器套管扶正器是裝在套管本體上的一種鋼制彈性裝置。作用是保證套管柱在井眼內居中，提高水泥與井壁的膠結質量。在井斜、方位變化較大的井內，尤其要注意加裝扶正器,并通過復雜的計算，合理選擇安裝個數及安裝位置。

套管柱除上述基本部件外，還有許多為適應不同要求而加裝的特殊部件，不再詳述。

2.套管柱設計方法下入井內的套管柱，在固井和以后的生產過程中要受到各種外部載荷的作用,其中主要載荷為軸向拉力和外擠壓力。力學分析結果表明：軸向拉力在井口處最大，井底處為零，沿井深逐漸減小并呈直線分布；外擠壓力是井口最小，井底最大，沿井深逐漸增大也呈直線分布，如圖5-9所示。

圖5-9套管柱結構及受力示意圖

套管本身具有一定的抵抗外載的能力，稱為強度。在軸向拉力作用下，套管具有抗拉強度；在外擠壓力作用下，套管具有抗擠強度。只要保證套管柱上任意截面處的套管強度大于外載，套管柱就是安全的。

由于套管柱的受力是兩頭大(井口最大軸向拉力，井底最大外擠力)中間小，因此可以選用不同強度的套管,構成強度兩頭大、中間小的套管柱，在保證套管柱安全的同時降低套管柱成本。按照這個原理設計的套管柱稱為復合套管柱。

二、注水泥工藝為了固定套管,封隔油層、氣層和水層，下套管后必須在套管和井壁之間注入水泥。油氣井注水泥的方法與地面建筑施工不同,要用泵把水泥漿送到地下幾百米甚至幾千米的井底，然后再返入管外的環隙，并把其中的鉆井液頂走。水泥要充滿整個環空，凝固硬化后，形成堅硬致密的水泥環。這些特點決定了油井水泥與普通建筑水泥的性能差別。要求油井水泥漿具有良好的流動性和適當的凝固時間,具有較高的早期強度。套管外的水泥環將長期與地下水接觸，應具有良好的不透水性和抵抗地下水腐蝕的能力。

1.油井水泥1)油井水泥分類目前常用的油井水泥主要是高標號硅酸鹽水泥。將石灰石或石灰質的凝灰巖、粘土或頁巖以及少量的鐵礦石等，按一定的比例配成原料，在1450℃高溫下煅燒成為一種以硅酸鹽為主要成分的熟料，再加入適量石膏,一起磨成一定細度的粉末便制成了這種油井水泥。由于井內的溫度和壓力隨井深的增加而升高，必須生產多種油井水泥，以適應不同井深條件的要求。

2)水泥漿性能的調節大量固井實踐證明：現有的多種油井水泥尚難充分滿足各種井下條件的要求，為此必須加入某些添加劑，用以進一步調節水泥漿的有關性能。

(1)密度的調節。常用的加重劑有重晶石粉、鈦鐵礦粉和方鉛石粉；常用的減輕劑有粘土、硅藻土、粉煤灰、硬瀝青、膨脹珍珠巖等。采用低水灰比加減阻劑的方法也能得到高密度的水泥漿。

(2)稠化時間的調節。為了滿足施工時間的要求，有時需使用緩凝劑來延長水泥漿的稠化時間。常用的緩凝劑有丹寧酸鈉、龍膠粉、鐵鉻鹽、磺化丹寧、木質素磺酸鹽、酒石酸、羧甲基羥乙基纖維素以及一些復合物等。也可以用速凝劑縮短凝固時間。常用的速凝劑有氯化鈣、硅酸鈉、甲酰胺、氯化鉀以及半水石膏等。

(3)降失水劑。失水過多會引起:①水泥漿早稠、流動性驟降甚至堵塞環空，造成憋泵；②加快水泥漿柱壓力的降低；③泥頁巖吸水膨脹、剝落,影響油氣產量；④大量的自由水上返、影響水泥環的密封性。因此應在水泥漿中加入合適的降失水劑。常用的降失水劑有羧乙基纖維素、羧甲基纖維素、羧乙基合成龍膠粉以及S-24復合劑等。

(4)減阻劑。減阻劑又稱分散劑、紊流劑，屬于陽離子型表面活性物質。它只起表面物理化學作用，不與水泥發生水化反應。減阻劑具有潤濕、潤滑作用，可使水泥加快水化；能防止水泥漿先期脫水，并提高固井后的早期強度,能使水泥餅薄而不滲透，有利于保護油、氣層。

還有一些常用的水泥漿添加劑，可提高水泥漿的各種性能。如消泡劑能降低界面張力，抑制氣泡產生；石英粉常用于高溫井固井，可提高水泥石的抗腐蝕性能；鹽類能改善巖鹽層固井水泥的膠結強度等。

2.注水泥1)注水泥地面設備注水泥地面設備有水泥儲灰罐、水泥車、水泥混合漏斗、壓風機組、水泥漿池等。根據注水泥工藝的要求，由水泥漿管線、水管線、氣管線將這些設備相互連接起來，構成注水泥施工裝置。地面設備中水泥車最為關鍵。用多少臺水泥車取決于儲灰罐的多少，即由注水泥的量決定。每增加一套水泥車，就要增加相應的其他設備及管線。一般每兩三個儲灰罐配一臺壓風機組。

注水泥時，壓風機通過空氣管線把灰罐內的水泥吹入混合漏斗，同時清水也被泵入漏斗中與水泥混合形成水泥漿，進入水泥漿池。水泥車再將水泥漿吸入，通過管線泵送到水泥漿管匯。匯集所有水泥車泵送的水泥漿，送到井口水泥頭處，進行注水泥循環。

2)注水泥過程按設計將套管下到預定井深后，裝上水泥頭，循環鉆井液做好注水泥的準備工作。圖5-10為典型的雙膠塞注水泥施工程序。套管柱最上端的裝置是水泥頭，其內裝有上、下膠塞。下膠塞與隔離液一起將水泥漿與鉆井液隔開，防止鉆井液接觸水泥漿后影響其性能。套管柱最下端裝有引鞋以利于下套管。浮箍實際上是一個單向閥，用于防止環空中的水泥漿向管內倒流，并承坐膠塞。地面設備準備就緒，即可開始注水泥施工。

圖5-10注水泥工藝流程示意圖

1—壓力表; 2—上膠塞; 3—下膠塞; 4—鉆井液; 5—浮箍 6—引鞋; 7—水泥漿; 8—隔離液; 9—鉆井液(1)打隔離液。在注水泥漿前打入一定量的特種液體(一般為CMC溶液)，把井內的鉆井液與注入的水泥漿分隔開，并起沖洗井壁和套管壁的作用,如圖5-10(b)所示。

(2)打開下膠塞擋銷、壓膠塞。下膠塞為中空，其頂部的橡膠膜在壓力作用下可破裂,如圖5-10(b)所示。

(3)用水泥車將混合好的水泥漿經水泥漿管匯、水泥頭注入套管內,如圖5-10(b)所示。

(4)水泥漿注完后，關閉注水泥漿通路，打開上膠塞擋銷及頂部通路，用鉆井液將上膠塞頂入套管內,如圖5-10(c)所示。

(5)把鉆井液泵入套管內。這時，鉆井液推動上膠塞，上膠塞推動水泥漿，水泥漿推動下膠塞和隔離液，隔離液又推動著鉆井液。水泥漿到達井底后，由套管柱引鞋上的旋流小孔流出并沿著環形空間上返,如圖5-10(d)所示。

(6)碰壓。由于上膠塞是實心的，當它下行到浮箍或回壓閥座時，受阻不能繼續下行。這時泵壓猛增，從而可判斷水泥漿已頂到了預定位置，立即停泵，如圖5-10(e)所示。

注水泥過程結束后，需要關井候凝。一般要關井48h，等水泥漿在環空中凝結后，拆除水泥頭，進行聲波測井，檢查固井質量。如果質量合格，則安裝套管頭及井口設備，下鉆鉆掉浮箍以下的水泥塞，隨后可進行下一次開鉆。

油氣井套管損壞后如何修復？

油氣井是石油企業的固定資產，油層套管是構成油氣井的最基本要素。油層套管一旦損壞且不能修復，則意味著油氣井的報廢和固定資產的損失。油層套管常年承受著油層高壓及氣體、液體等介質的侵蝕，還要反復承受著各種修井作業及增產措施手段等外力的作用。其損壞原因主要有以下幾種情況：

（1）套管本身質量差、強度低；（2）固井質量差，封固不牢；（3）水及化學劑、微生物腐蝕作用；（4）地質構造運動及套管周圍的巖性作用；（5）高壓注水對套管的損壞；（6）油、氣、水井出砂的影響；（7）修井作業施工不當對套管的破壞。

井身結構示意圖1—導管；2—表層套管；3—表層套管水泥環；4—技術套管；5—技術套管水泥環；6—高壓氣層；7—高壓水層；8—易塌地層；9—井眼；10—油層套管；11—主油層（目的油層）；12—油層套管水泥環套管的損壞形態一般有三種，即套管縮徑、套管破裂、套管折斷。

套管損壞形態由于套管損壞位置和損壞程度及損壞狀況的不同，有的不能再修復，有些可以修復。

對套管縮徑的修復方法，修理時下入逐級擴大的滾子整形器，通過鉆桿加壓，逐步把內徑擴大。這種方法較簡單，也容易見效。

對套管破裂，有縫或洞的修理，有以下幾種方法：

（1）擠水泥漿。當油層壓力不大，破裂和漏失不嚴重時，可用擠水泥漿的辦法進行修理。其工藝辦法為：先用比套管內徑小8～10毫米通井規通徑，然后在破口適當位置下一個懸空封堵器（工具名稱叫橋塞），把破口以下井筒臨時封掉，再在橋塞以上注入一定量的水泥漿，使其凝固成水泥塞，水泥塞凝固后，鉆開套管中的水泥塞，并試壓檢查水泥封固的破口質量，待確認封固質量合格后，再鉆開懸空封堵器（橋塞），并沖砂到井底。用這種方法修復的套管一般可承受40～80兆帕的壓力，但在該井進行高壓施工時應下封隔器保護，避免該段承受高壓。

（2）換套管。當破裂位置在油井上部，且可以倒扣取出破口以上套管時，可用倒扣法把事故段以上套管全部提上來，重新下入新套管，對好扣上緊。此方法的好處是保證了套管內徑的一致性，作業后井下工具可順利通過；不足之處是井下對扣的套管絲扣擰緊度不如在井口上得緊。

（3）補貼法。補則法就是壞套管的內壁上貼一層薄壁管子，以達到修復的目的。其工藝原理為：在一種特制的耐高壓橡膠筒上套著波紋管（薄壁管）下到井內套管損壞位置處，憋壓使橡膠筒膨脹，同時脹開波紋管，使波紋管緊貼套管損壞處的內壁，并由黏結劑把套管與波紋管黏合成一體，待黏結劑固化后，活動鉆具，把耐高壓橡膠筒取出。這一補貼工藝方法簡單，操作安全。

對套管折斷的井可分三種情況分別進行修理。第一種是折斷但沒有錯位；第二種是折斷但錯位不嚴重；第三種是折斷且嚴重錯位，甚至無法找到下段套管。

為了取得套管折斷后位移情況、錯斷深度，斷口上下相對距離以及斷口是否變形等資料，可采用打鉛印、儀器測試等方法把情況弄清楚。

對折斷沒有錯位的套管，可采用注水泥漿方法修復；對折斷但錯位不嚴重的套管，如允許換套管則用換套管法修復；如不具備換套管條件則可用下補接器的辦法修復，即把折斷處套管磨銑掉一段后，中間用補接工具把上下套管夾緊、拉住以保證油井能正常生產。

對折斷后錯位嚴重且找不到下段套管的井，可采用側鉆法處理。即把折斷處的井眼用水泥固死，從上部套管內下小鉆桿重鉆一個井眼，下入比原套管小的套管固井完井。

油氣井完成的步驟有哪些？

完井(即油氣井完成)是鉆井工程的最后一個重要環節,主要包括鉆開生產層、確定井底完成方法、安裝井底和井口裝置以及試油投產。完井質量直接影響油井投產后的生產能力和油井壽命，因此必須千方百計地把完井工作做好，為油氣井的順利投產、長期穩產創造條件。

一、打開生產層完井就是溝通油氣層和井筒，為確保油氣從地層流入井底提供油流通道。任何限制油氣從井眼周圍流向井筒的現象稱為對地層損害的“污染”。實踐證明：鉆開生產層的過程或多或少都會對油氣層產生損害。因此，保護油氣層是完井所面臨的首要問題。過去，世界范圍內油價較低、油源充裕，在很大程度上忽視了對油氣層的保護。自20世紀70年代中期，西方一些國家出現能源危機以來，防止傷害油氣層，最大限度地提高油氣井產能才上升到重要地位，成為目前鉆井技術中最主要的熱門課題之一。

1.油氣層傷害的原因油氣層傷害機理的研究工作開展以來，有各式各樣的說法。最近比較精辟的理論認為：地層損害通常與鉆井液固體微粒運移和堵塞有關，還與化學反應和熱動力因素有關。在復雜條件下，要充分掌握油層損害機理是比較困難的。因此，目前的研究結果大多只能定性地指導生產實踐，離定量評價還有一定的差距。

鉆生產井常用的鉆井液為水基泥漿。由于鉆進過程中鉆井液柱壓力一般大于地層壓力，在壓差作用下，鉆井液中的水、粘土等會侵入油氣層，對油氣層造成各種不同性質的傷害。

1)使產層中的粘土膨脹研究得知，油砂顆粒周圍一般都有極薄的粘土膜。砂粒之間的微孔道非常多，油氣層內部還有許多很薄的粘土夾層。在鉆井液自由水的侵入作用下，砂粒周圍的粘土質成分將發生體積膨脹，使油氣流動通道縮小，降低產出油氣的能力。

2)破壞油氣流的連續性油氣層含油氣飽和度較高時，油氣在孔隙內部呈連續流動狀態。少量的共生水貼在孔隙壁面，把極微小的松散微粒固定下來，在相當大的油氣流動速度下也不會被沖走。當鉆井液濾液侵入較多時，會破壞油氣流的連續性，原油或天然氣的單相流動變成油、水兩相或氣、水兩相流動，增加了油氣流動阻力。一旦水成為連續的流動相，只要流速稍大，就會把原來穩定在顆粒表面的松散微粒沖走，并在狹窄部位發生堆積，堵塞流動通道，嚴重降低滲透率。

3)產生水鎖效應，增加油氣流動阻力滲入油氣層中的鉆井液濾液是不連續的，而是呈一段小水栓一段油氣的分離狀態。在有些地方還會形成油、水乳化液。由于彎曲表面收縮壓的關系，會大大增加油氣流入井的阻力。

4)在地層孔隙內生成沉淀物

2鉆開生產層的鉆井液類型鉆井液類型對生產層的損壞成 本清水適用于裂縫性油氣層最低低固相(無固相)鉆井液較小中水包油乳化液較小中油包水乳化液小較高油基鉆井液小高原油小中空氣(天然氣)最小中二、井底完成方法井底完成方法是指一口井完鉆后生產層與井底所采用的連通方式和井底結構。從采油氣的觀點來看，對各種完成方法的共同要求有如下幾點：

(1)油氣層和井筒之間的連通條件最佳，油氣層受到的傷害最小；(2)油氣層和井筒之間的滲流面積盡可能大，油氣流入的阻力最小；(3)有效封隔油層、氣層和水層，防止各層之間互相竄擾；(4)有效控制油層出砂，防止井壁坍塌，保證油氣井長期穩定生產；(5)能滿足分層注水、注氣、壓裂、酸化、人工舉升以及井下作業等要求；(6)稠油開采能達到注蒸汽熱采的要求；(7)油田開發后期具備側鉆的條件；(8)工藝簡便，成本低廉。

油氣井完成之后，其井底結構不易改變。所以應根據油氣層的具體情況，參照各地的實踐經驗慎重選定合理而有效的井底完成方法。目前國內外常用的井底完成方法有裸眼完井、射孔完井、割縫襯管完井及礫石充填完井等。

1.裸眼完井法不用套管封固而直接裸露油氣層的井底完成方法稱為裸眼完井法。油氣層以上井筒固井完畢后，再換小鉆頭打開油氣層稱作先期裸眼完井。圖5-11為直井先期裸眼完井示意圖。后期裸眼完井則是不更換鉆頭直接鉆穿油氣層后，才對油氣層以上的井段進行固井作業。圖5-12為直井后期裸眼完井示意圖。裸眼完井法的最大優點是油氣層直接與井底相通，流通面積大、流動阻力小、施工簡單、成本低、產量高。

圖5-11先期裸眼完井

圖5-12后期裸眼完井

用裸眼完井方法完成的井，產層容易坍塌，不能控制油氣層出砂，一般只適用于巖層堅硬致密且無油、氣、水夾層的單一油氣層。油氣層性質相近的多油氣層的井也可采用，但無法進行分層開采。裸眼完井法是一種早期的完井方法，隨著高效能、大威力油氣井射孔技術的出現，裸眼完井法油氣層全裸露的優點也不如過去那么突出。裸眼完井可用于直井、定向井以及水平井中。裸眼完井法有多種變形以提高其適應性。

2.射孔完井法射孔完井方法是目前國內外使用最廣泛的完井方法。在直井、定向井以及水平井中都可采用。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鉆頭鉆穿油氣層直至設計井深，下油層套管至油氣層底部并注水泥固井，然后再用射孔器射穿套管和水泥環，并射入生產層內一定深度。油氣就可通過射孔所形成的孔道流入井內。圖5-13為直井套管射孔完井示意圖。

圖5-13套管射孔完井

尾管射孔完井是在鉆達油氣層頂部時，下技術套管注水泥固井，然后換小鉆頭鉆穿油氣層直至設計井深，用鉆具將尾管送下一并懸掛在技術套管上(尾管和技術套管的重合段一般不小于50m)。再對尾管注水泥固井，然后射孔。油氣層部位的結構與射孔完井方法完全相同。圖5-14為直井尾管射孔完井示意圖。

圖5-14尾管射孔完井

射孔完井法的優點是：

(1)能有效支撐疏松易塌的生產層；(2)能有效封隔油層、氣層和水層，防止氣竄、水竄；(3)可以進行分層測試、分層開采和分層酸化等各種分層工藝措施；(4)可進行無油管完井、多油管完井等。

(5)除裸眼完井方法外，比其他完井方法都經濟。

射孔完井法的主要缺點是：在鉆井和固井過程中，油氣層受鉆井液和水泥漿的侵害較為嚴重；由于射孔孔眼的數目和深度有限，油氣層與井底連通面積小，油氣流入井內的阻力較大。

3.割縫襯管完井法割縫襯管完井法是在裸眼完成的井中下入割縫襯管的完井方法。與裸眼完井相對應，割縫襯管完井也分先期和后期兩種工序。先期割縫襯管完井是在鉆達油氣層頂部時下套管固井，然后換小鉆頭打開油氣層，最后在油氣層的裸露部分下入一根預先在地面打好孔眼或割好縫的襯管，并用卡瓦封隔器將襯管懸掛固定在上部套管上。圖5-15為直井先期割縫襯管完井示意圖。后期割縫襯管完井是直接鉆穿油氣層后，才對油氣層以上的井段注水泥固井。圖5-16為直井后期割縫襯管完井示意圖。油氣只能經過襯管的孔眼或割縫才能流入井中。割縫襯管完井法可以防砂和保護井壁，但無法進行分層開采。它工藝簡單、操作方便、成本低，多用于出砂不嚴重的中粗砂巖油氣層，可在直井、定向井以及水平井中采用。

圖5-15先期割縫襯管完井

圖5-16后期割縫襯管完井

4.礫石充填完井法對于膠結疏松、出砂嚴重的地層一般采用礫石充填完井方法。該方法能夠有效保護井壁、解決防砂問題，但施工工序復雜。礫石充填完井法分為裸眼礫石充填完井和套管礫石充填完井兩種方法。

裸眼礫石充填完井是在套管下到油氣層頂部固井后，再鉆開生產層，并用井下擴孔器對油氣層部位進行擴孔，然后下入繞絲篩管，采用循環的方法用液體把預先選好的礫石帶至井內，充填于井底。裸眼礫石充填完井的優點是流動面積大、流動阻力小，缺點是無法進行分層開采。圖5-17為裸眼礫石充填完井示意圖。

套管礫石充填完井是在鉆開油氣層后，下套管固井、射孔。清洗射孔炮眼后，下入繞絲篩管，充填礫石。用該方法完井可以進行分層開采。套管礫石充填完井現在多采用高密度充填，其效率高、防砂效果好、有效期長。圖5-18為套管礫石充填完井示意圖。

圖5-17裸眼礫石充填完井

圖5-18套管礫石充填完井

礫石充填完井方法在直井、定向井中都可采用。但在水平井中應慎用，因為在水平井中易發生砂卡，礫石充填失敗則不能達到防砂目的。

三、完井井口裝置在油氣井測試和生產過程中，都必須有一套絕對可靠的井口裝置，以便能有控制、有計劃地進行井內作業和油氣生產。完井井口裝置是裝在地面用以懸吊和安放各種井內管柱，控制和引導井內油氣流出或地面流體注入的井口設備。完井井口裝置通常包括套管頭、油管頭和采油樹三大主要部件。

完井井口裝置的類型應根據油氣層的特點來確定。低壓油氣井的井口裝置比較簡單，只要密封環形空間，裝上油管頭和采油樹即可。對于高壓油氣井，則要求具有足夠的強度和可靠的密封性。同時還必須滿足安全測試、酸化壓裂和采油、采氣等工藝的要求。對于含硫化氫的油氣井應該采用防硫井口裝置，以保證安全生產。

1.套管頭如果油氣層壓力較低，且各層套管的固井水泥均返至井口，可以不裝套管頭，只需用環形鐵板將環形空間封焊住，采油樹直接裝在油管頭的法蘭盤上。

對于要求較高的油氣井，固井后一般要裝上套管頭，以密封兩層套管間的環形空間、懸掛第二層套管柱并承受部分重力。套管頭鉆井時可用于安裝井口防噴器。

套管頭下端的絲扣與技術套管連接，油層套管通過卡瓦坐在套管頭的斜坡內。卡瓦上有用鋼墊圈壓緊的抗油密封，密封其環形空間。套管頭上端法蘭用于連接油管頭。

如果水泥未返至井口，水泥固結點以上為自由套管柱。當井內溫度、壓力等變化時，套管長度會隨之伸長或縮短，從而引起套管柱自身及套管頭的受力情況發生變化。影響井內自由套管柱受力的因素有套管自身重力、溫度變化、井內鉆井液、油氣或注入流體的密度變化、套管柱內液面高度變化等。安裝套管頭時應對這些影響進行分析和計算，確定合理的套管柱初拉力值。保證自由套管柱的下部不至于受壓彎曲、失去穩定而破壞；上部套管柱要能承受最大拉力負荷，不發生絲扣滑脫或套管斷裂。目前已有比較成熟的計算方法，保證在油井開采過程中，自由套管柱處于有利的受力狀態而不至于發生破壞。

2.油管頭油管頭用于密封油管和生產套管的環形空間，懸掛油管柱和安裝采油樹。高壓油氣井目前多采用由特殊四通和錐形油管掛組成的油管頭。

在油層套管固井后，將油管頭的四通裝在套管頭的法蘭上。下完油管后將錐形油管掛連接在油管柱的上端，再用提升短節送至特殊四通的錐面座上，并用頂絲將錐形油管掛頂緊。油管和油層套管之間的環形空間通過油管掛及其上的密封環和O形密封圈密封。

應注意坐入錐形油管掛時不能猛提猛頓，不要碰傷其密封部位。

3.采油樹采油樹是由各類閘閥、四通或三通以及節流閥等配件組成的總成。采油樹安裝在油管頭上面，用以控制油氣流動，進行有計劃的安全生產以及完成測試、注液、酸化壓裂等作業。

四、完井工藝完井工藝因油氣井完成方法不同而異。經常進行的工作有射孔，下油管，安裝井口裝置，誘導油氣流，完井測試，酸化投產等。

1.射孔目前國內外大多數井都采用射孔完井方法完成。廣泛使用聚能射孔器(即射孔槍)完成射孔作業。射孔槍裝好射孔彈后，被輸送到井內的預定位置。引爆聚能射孔彈就可產生高溫、高壓、高速的噴射流直奔目標位。

射孔彈炸藥的爆炸是迅速的物理化學熱反應，溫度高達3000～5000℃。由于溫度極高，產生了極熱的氣態物質，體積迅速膨脹到原來的200～900倍，將處于強烈壓縮狀態的勢能瞬間變成動能。該動能沖擊波的速度可達200～800m/s，使爆炸點周圍壓力急劇升高，可達幾千至幾萬兆帕。利用爆炸時具有方向性的特點，將炸藥做成錐形凹槽狀。其聚焦作用導致在焦點上的聚能射流具有最大的密度和最大的穿透能力，很容易穿透套管壁、水泥環，并在地層中形成一定深度的孔眼。

射孔時井底壓力大于油氣層壓力叫做正壓射孔。正壓射孔后的殘渣和碎屑難以從地層中排出，會造成射孔通道的堵塞，極大地傷害油氣層。射孔時井底壓力小于地層壓力叫負壓射孔。負壓射孔后在壓差作用下地層流體馬上可以流向井底，從而能帶出殘渣，不污染產層。負壓射孔是近年發展起來的新型射孔技術，已廣泛地用于生產。

現代射孔工藝有電纜輸送套管槍射孔、電纜輸送過油管射孔、油管輸送射孔、油管輸送射孔聯作、高壓噴射和噴砂射孔、定方位射孔、超高壓正壓射孔、連續油管輸送射孔等工藝技術。

過油管射孔的工藝過程如下：將油管下到井內，在采油樹上安裝封井器、防落器、防噴管、防噴盒。將射孔槍、電纜接頭和井下儀器裝入防噴管內，并與電纜相連。安裝就緒后，打開防落器和封井器，借助于電纜把射孔槍下出油管鞋。放射性測井校對井深后對準層位引爆射孔。然后起出電纜，當射孔槍和井下儀器進入防噴管后，立即關閉采油樹總閘門。放掉防噴管內的壓力，再卸掉采油樹以上的裝置。

過油管射孔具有負壓射孔的優點，特別適合不停產補孔和打開新層，避免關井和起、下油管。但由于受油管直徑的限制，無法實現高孔密和深穿透，一次射開的產層厚度受限。目前多用于海上油氣井和不停產井。

油管輸送射孔工藝是把射孔槍接在油管柱上，借助于油管把射孔槍送到射孔位置。射孔前用射孔液造成負壓環境。坐好油管串，安上封井器，放射性測井校深后，對準層位引爆射孔彈，丟槍后試油。引爆方式有投棒引爆、油管加壓引爆、環空加壓引爆、電引爆等多種，從油管內投入鐵棒撞擊引爆最簡單、也最常用。

油管輸送射孔工藝的特點是能實現高孔密、深穿透，負壓清潔孔眼效果好、安全性高，特別適用于斜井、水平井以及稠油井，高壓地層和氣井必須采用。

2.下油管油管是地下油氣流向地面的通道，也是用來實現洗井、壓井、酸化、壓裂等措施的工具。油管是用優質鋼材制成的無縫鋼管，用接箍連接成油管柱。油管柱最下端的油管鞋是一個小內徑的油管短節，用于防止井下壓力計及其他入井工具掉落井底。

下在油層部位的篩管即為割縫或帶眼油管。長度一般在6～8m，孔眼直徑為12mm。所開孔眼的總面積要大于油管內截面積，目的是增大油氣流動通路，防止較大巖屑進入油管內，彌補由于油管鞋截面積過小而影響產量。

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由于油管柱與套管間的環空由油管掛密封，由地層流入井內的油氣只能進入篩管并沿著油管上升到地面。采油樹與地面采油管線相連,有控制地將油氣從井內輸出。

3.誘導油氣流下完油管、安裝好井口裝置后，下一步的工作一般是誘導油氣流。對于因井內液柱壓力過高而不能自噴的油氣井，應設法降低井內液柱高度或流體密度，從而降低液柱壓力，誘導油氣流進入井內。常用的方法有替噴法、提撈誘噴法、抽汲誘噴法和氣舉法等。

1)替噴法用原油或清水等低密度液體將井內的鉆井液循環替出，降低液柱壓力以誘使油氣流入井內的辦法稱為替噴法。替噴時清水從油管注入井內，逐步替出井內鉆井液。對于高壓井或深井，為了不致造成井內壓力變化過猛，可以先用輕鉆井液替出重鉆井液，再用清水替出輕質鉆井液的辦法進行替噴，確保井身安全。

2)提撈法提撈誘噴法是用特制的提撈筒，將井筒中的液體逐筒地撈出來，以降低液柱高度、誘導油氣流進入井內。這種方法一般是在替噴后仍然無效的情況下采用。

提撈誘噴法的一種變化稱為鉆具排液法。可以把裝有回壓閥的下部鉆具視為一個長的提撈筒，速度較快地將井內液面降低1000～1500m。

3)抽汲法抽汲法實際上是在油管柱內下入一個特制的抽子，利用抽子在油管內上下移動形成的部分真空，將井內部分清水逐步抽出去，從而降低井內液柱高度，達到誘噴的目的。

抽汲法可將井內液柱高度降到很低。抽子下行時閥打開，水從抽子中心管水眼流入油管內；上提抽子時閥關閉，油管內的水柱壓力使膠皮脹開緊貼油管內壁而起密封作用。抽子之上的水柱隨抽子上移而被排出井口。替噴后仍不能自噴的井，可采用抽汲法誘噴。

4)氣舉法氣舉法與替噴法的原理類似，只是替入井內的不是清水而是壓縮空氣。氣體是從環空注入而不是經油管注入。由于氣體密度小，只要油氣層傷害不是很嚴重，一般氣舉后可達到誘噴的目的。在某些有條件的地區，還可以用鄰井的高壓天然氣代替壓縮機進行氣舉。對替噴無效的井，也可采用氣舉法誘噴。

4.完井測試完井測試的主要任務是測定油氣的產量、地層壓力、井底流動壓力、井口壓力以及取全取準油、氣、水的資料，為油氣開采提供可靠的依據。

1)油氣產量的測定從油氣井中產出的油、氣、水進入分離器后，氣體經分離傘從上部排出，油和水沉降下來。玻璃連通管中的液面高度能反映分離器內油水液面的變化。記錄玻璃管中液面上升一定高度所需的時間，就能算出每口井的產液量，經采樣分析可得到油水含量。

通常用節流式流量計測定天然氣的產量。流量計的孔板直徑要適應天然氣的產量范圍。

2)地層壓力和井底流動壓力關井待井內壓力恢復到穩定后，用井下壓力計測得的井底壓力即為地層壓力。也可用關井井口壓力和液柱壓力計算得出地層壓力。對于滲透性差的地層，關井使井內壓力恢復需要很長時間。為了節省時間，可根據一段時間內的壓力恢復規律推斷地層壓力。

井底流動壓力是指穩定生產時測得的井底壓力。如果是油管生產，由套壓和環空液柱壓力可算得井底流動壓力。

3)井口壓力油氣井井口壓力包括油壓和套壓。油壓反映井口處油管內壓力，套壓反映井口處油管與套管環形空間的壓力。生產時油壓和套壓不同，關井壓力穩定后油壓和套壓應相等。可以在地面上通過壓力表讀得這兩個壓力值。

4)油、氣、水取樣取樣是為了對產層流體進行分析和評價。因此，要求取出的樣品具有代表性和不失真。一般情況在井口取樣。有時為了保持油氣在地下的原始狀態，需要下井下取樣器到井底取樣并封閉，然后取到地面用于測試和分析。

思考題

1.鉆井的作用是什么?2.現代旋轉鉆井的工藝過程特點是什么?3.井身結構包括什么內容?4.鉆井工藝發展經歷了幾個階段?有些什么特點?5.石油鉆機由哪些系統組成?各個系統的作用是什么?6.防噴器有哪些類型？各有什么用途？

7.鉆柱主要由哪幾種部件組成？

8.方鉆桿為什么要做成正方形?9.扶正器、減振器、震擊器等輔助鉆井工具各有什么用途?10.普通三牙輪鉆頭主要由哪幾部分組成?11.石油鉆井使用的金剛石鉆頭有哪些類型?各在什么條件下使用?12．鉆井液的功用是什么?13．水基鉆井液由哪些部分組成？屬于什么樣的體系？

14．鉆井液性能的基本要素有哪些？

15．鉆井液密度與鉆井工作的關系如何?16．怎樣優選鉆頭？

17．井斜控制標準是什么?18．壓井循環的特點是什么？

19．常規井身軌跡有哪幾種類型？

20．井內套管柱主要受哪些外力作用？設計套管柱的基本原則是什么?21．套管柱由哪些基本部件組成？

22．描述注水泥的基本過程。

23.鉆開油氣層時常采取哪些保護措施?24．目前常用哪幾種完井方法?25.誘導油氣流的主要方法有哪些?26.完井井口裝置有哪些部件?各起什么主要作用?

固井與完井是什么？

一、固井

固井就是在鉆出的井眼內下入套管柱，并在套管柱與井壁之間部分或全部注入水泥漿，使套管與井壁固結在一起。固井是鉆井過程中的重要環節，固井質量的好壞不僅影響到該井能否鉆進，而且影響到油井開采期能否正常作業和安全生產。

（一）井身結構及套管規范

1．井身結構

井身結構如圖4-19所示。正常壓力系統的井通常僅下三層套管：導管、表層套管和生產套管。異常壓力系統的井至少多下一層技術套管。尾管則是一種不延伸到井口的套管柱。

導管的作用是在鉆表層井眼時將鉆井液從地表引導到井眼內。這一層管柱的長度變化較大，在堅硬的巖層中僅用10～20m，而在沼澤地區則可能上百米。

表層套管下入深度一般在30～1500m，通常引導水泥漿返至地表，用來防止淺水層污染，封隔淺層流砂、礫石層及淺層氣，同時用來安裝井口防噴器以便繼續鉆進。表層套管也是井口設備（套管頭及采油樹）的唯一支撐件，并承載依次下入的各層套管（包括采油管柱）的載荷。

技術套管用來隔離坍塌地層及高壓水層，防止井徑擴大，減少阻卡及鍵槽的發生，以便繼續鉆進。技術套管還用來分隔不同的壓力層系，以便建立正常的鉆井液循環。它也為井控設備的安裝、防噴、防漏及懸掛尾管提供了條件，對油層套管還具有保護作用。

生產套管的主要作用是將儲集層中的油氣從套管中采出來，并用來保護井壁，隔開各層的流體，達到油氣井分層測試、分層采油、分層改造之目的。

圖4-19井身結構

尾管分為鉆井尾管和采油尾管。尾管的優點是下入長度短、費用低。在深井中，尾管另一個突出的優點是，在繼續鉆進時可以使用異徑鉆具。尾管的頂部通常要進行抗內壓試驗，以保證密封性。

2．套管和套管柱

油井套管是優質鋼材制成的無縫管或焊接管，兩端均加工有錐形螺紋。大多數的套管是用套管接箍連接組成套管柱。套管柱用于封固井壁的裸露巖石。常用的標準套管外徑從114.3～502mm，共有14種；套管的壁厚范圍為5.21～16.13mm；套管的連接螺紋都是錐形螺紋；目前，套管鋼級API標準有8種共10級，即H40、J55、K55、C75、L80、N80、C90、C95、P110、Q125，常用鋼級為P110、N80、J55。

套管柱（套管串）通常是由同一外徑、相同或不同鋼級及不同壁厚的套管用接箍連接組成的，應符合強度及生產的要求。

（二）固井工藝過程

固井工藝過程主要有下套管和注水泥兩個步驟。

1．下套管

下套管前根據井身設計，將要下入井內的套管運到平臺，逐根檢查套管是否有暗傷、變形，然后丈量長度、清洗螺紋，編好順序排放好，以待下井；對機器設備及輔助工具認真檢查，保證下套管時不出故障，調節好鉆井液性能，起出井中鉆具；逐根將套管下入井中，下完套管后循環鉆井液洗井，然后接注水泥管匯（水泥頭）準備注水泥。

2．注水泥

注水泥（即注水泥漿）的主要目的在于封隔油、氣、水層，保護生產層。為實現這一目的，要解決以下兩個方面的問題：一是如何使環形空間充滿水泥漿；二是如何使水泥漿在凝結過程中壓穩和封隔好油、氣、水層。根據固井設計，將固井所需的水泥、淡水、水泥外加劑運到井場。檢查注水泥的機器設備，使之處于良好的工作狀態；配制水泥漿；注水泥漿。當水泥漿注滿套管后，用鉆井液把水泥漿迅速頂替到井筒環形空間的預定高度，這個頂替過程叫替漿。在下套管前，按設計位置在最下端設一阻流環，用于替漿時承受膠塞碰壓，替漿前先把膠塞壓入套管內，膠塞起到阻止水泥漿與鉆井液相混的隔離作用，同時又像一個活塞；替漿時，鉆井液頂著膠塞，膠塞頂著水泥漿在套管中下行，水泥漿被頂入環形空間，在環形空間水泥漿頂著鉆井液上返。當膠塞與阻流環相碰時，封閉了環形通道，此時替漿的泵壓突然升高，稱為碰壓，碰壓是水泥漿返到環形空間預定高度的信號。至此替漿結束，待水泥漿凝固后固井工作完成。

二、完井

完井（即油井完成）是鉆井工程的最后一個環節，其主要作業內容包括鉆開生產層、確定井底完井方法、安裝井口裝置。

（一）鉆開生產層

生產層多是具有孔隙的碎屑巖或碳酸鹽巖。在鉆開生產層的過程中，若井內液柱壓力小于油氣層的壓力，會發生井噴；但若井內液柱壓力比油氣層的壓力大，鉆井液（時稱“完井液”）中的水和黏土便進入到油氣層，形成“水侵”和“泥侵”，堵塞油流通道，使油層滲透率下降，嚴重時會使油井喪失生產能力。因此，在鉆開生產層時，保護油氣層、防止鉆井液侵害和控制油氣層、防止井噴是兩項重要的工作。要做到這兩點，選擇合適的鉆井液是關鍵。

對低壓低滲透率油氣層，最好選用油基鉆井液和油包水乳化鉆井液。它們可以從根本上避免水侵和泥侵的危害，但存在成本高、易燃、配制和使用不如水基鉆井液方便的缺點。

對高壓高滲透率油氣層，可以采用低固相水基鉆井液。這類鉆井液常加有高黏度特性的高分子化合物提高黏度；加有鹽類物質（如CaCl2，ZnCl2等）增加其密度，減少地層中黏土膨脹；加有表面活性劑提高地層滲透率的恢復率。

（二）完井方法

目前世界各國采用的完井方法可分為油層裸露式和非裸露式兩種類型，具體有裸眼完井法、射孔完井法、割縫襯管完井法和礫石充填完井法（見圖4-20）。具體到每一口井采用何種井底完井方法，要視實際油層條件而定。

圖4-20完井方法

1．裸眼完井法

裸眼完井法可分為先期裸眼完井和后期裸眼完井兩種。先期裸眼完井是先鉆至油層頂部，下油層套管，然后再鉆開生產層；后期裸眼完井是在鉆穿生產層之后將油層套管下至油氣層頂部。裸眼完井法的最大優點是油氣層和井底直接連通，油流面積大，油流阻力小。

裸眼完井法雖然保證了油層和井底具有良好的連通性，但不能克服井壁坍塌和油層出砂對油井生產的影響，不能防止油、氣、水層互相竄擾。因此，它只適用于巖性堅固而穩定，又無氣、水夾層的單一油層或一些油層性質相同的多油層。

2．射孔完井法

射孔完井法屬于非裸露式完井法。其實質是鉆穿油層后，將套管下至油層底部固井，然后用射孔槍將套管和水泥石射穿，使油氣沿孔道流至井底。

射孔完井法的優點是能夠封隔油、氣、水層，防止互相竄通，能消除井壁坍塌對油井生產的影響。因此，這種完井方法特別適用于井壁嚴重坍塌的疏松生產層、含有水層的生產層、油層壓力和原油性質均不相同而需要分層試采的多油層。射孔完井法的缺點是油氣層被鉆井液和水泥漿侵害較嚴重；其次是油流面積小，孔眼處油流密度大，油流阻力大。

3．割縫襯管完井法

割縫襯管完井是在裸眼完井的基礎上，在裸眼井內下入割縫襯管，在直井、定向井、水平井中都可采用。

4．礫石充填完井方法

對于膠結疏松、出砂嚴重的地層，一般采用礫石充填完井方法。它是先將繞絲篩管下入井內油層部位，然后用充填液將在地面上預選好的礫石（礫石可以是石英砂、玻璃珠、樹脂涂層砂或陶粒）泵送至繞絲篩管與井眼或繞絲篩管與套管之間的環形空間內，構成一個礫石充填層，以阻擋流層砂流入井筒，達到保護井壁、防砂入井之目的。礫石充填完井在直井、定向井中都可以使用，但在水平井中應慎重，因為搞不好易發生砂卡，從而使礫石充填失敗，達不到有效防砂目的。

（三）安裝井口裝置

井口裝置是安裝在地面用以控制井內高壓油氣的一套設備。它主要包括套管頭、油管頭和采油樹三大件。套管頭用以密封各層套管的環形空間并承受部分管柱重量；油管頭用于密封油管和油層套管的環形空間；采油樹則用以控制油井生產。對于高壓油氣井，要求井口裝置要有足夠的耐壓強度和可靠的密封性，用以控制油井生產的油管頭和采油樹裝在油層套管法蘭之上。對于低壓油氣井，井口裝置可大為簡化，只要把環形空間密封起來，裝上油管頭和采油樹即可。

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