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?，F(xiàn)代完井工程所包括內容比傳統(tǒng)完井工程增加了很多，同時隨著井型的多樣化和新技術應用，其內容也深化了許多，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測井到下套管注水泥固井、射孔、下生產管柱、排液、投產,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、完井管柱結構、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、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）完井方式及結構等優(yōu)選；（5）油管及生產套管尺寸的選定；（6）生產套管設計；（7）注水泥設計；（8）固井質量評價；（9）射孔及完井液選擇；（10）試井評價；（11）完井生產管柱設計；（12）投產措施。

現(xiàn)代完井工程定義、理論基礎、內容和操作程序等，構成了現(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)結束于安裝好采油樹、井筒屏障測試完畢以及井筒投產組織生產工作準備好之前。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；鉆井液是處理漏噴塌卡等復雜情況和壓井、救援等的介質，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構都應該能夠承受環(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、結蠟、結垢、沖蝕、單質硫沉積、水合物等。

（2）所有生產井（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，應根據地質和工藝條件，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，對側鉆井、大斜度井、定向井、水平井、多分支井、復雜結構井、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、腐蝕已經發(fā)生并影響作業(yè)和生產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、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；地質構造力；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驗與教訓。

3.3 套管載荷類型

在設計內壓力、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 完井管柱結構與設計

5.1 完井管柱結構

生產井或注入井下入完井管柱開始（或準備）正常生產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。下面是生產井或注入井幾種主要的完井管柱結構、適用范圍、設計原則與技術要求。

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］。投產后油井能保持自噴生產，對這類井的生產管柱要按自噴井生產管柱的技術要求來設計。設計合理的自噴井生產管柱的技術關鍵是根據油管的敏感性分析確定油管的合理直徑。自噴井生產管柱主要有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。

全井合采管柱結構簡單，一根光油管下至油層中部。它適用于單層系的油井或層數(shù)不多、層間差異不大的油井；分層開采管柱（圖6）結構較復雜，主要由封隔器、配產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)。

對于有些在投產射孔時需要進行負壓射孔，在停噴后轉為其他采油方式的井，可以采用射孔生產聯(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。

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管桿的技術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。首先依據泵的理論排量確定深井泵的類型和主要工作參數(shù)，根據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，根據桿和油管的匹配關系，再根據泵的工作制度和桿、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。有桿泵生產管柱主要由泵、桿、管和其他井下工具構成。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。應該備有設計基礎及依據的文件并寫入檔案［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)?；瘮D注、壓裂和/或其他化學劑處理等誘發(fā)的載荷。

（15）地質構造力及其影響。

（16）井筒停產和報廢的特殊需要。

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

5.3 完井管柱載荷類型

在計劃內活動時對內壓力，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