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采油采气井控制（上）

2014-06-10 14:14阅读：

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第一节 油气井的基本概念
随着油气勘探开发领域的不断延伸和扩大，特别是深层、高压油气藏的开发对井控和相关人员的技术要求也越来越高。震惊中外的2003年12月23日四川开县“罗家16H”井特大恶性井喷、硫化氢泄漏事故，再次提醒人们油气井井喷就是事故，井喷失控或着火是油气勘探开发中性质最为恶劣，损失难以估计的灾难性事故。地层流体(油，气、水)一旦失去控制就会导致井喷和井喷失控，就会打乱正常的采油采气生产秩序，甚至毁坏采输设备、破坏油气资源、污染自然环境，危及生产人员和油气井的安全。也由此产生了涵盖油气井勘探开发全过程的钻井、测井、录井、测试、井下作业、油气生产、注水(气)和报废井弃置处理等各环节的大井控理念，形成了钻井井控、作业井控、采油采气井控三项配套的井控技术系列。
采油采气井控制（上）
br> 与钻井井控、作业井控经历的经验、理论、现代井控发展阶段及配套的装备、工艺技术相比，采油采气井控工艺技术因其特殊性正在探索和走向成熟。一些高级别的先进的井控装置，大大地增强了采油采气监测、控制和处理突发事件的能力。本章是学习采油采气井控工艺技术的基础，从基础理论入手设置了油气井的基本知识、不同类型油气藏的压力特征、油气流动特点三节内容。力求让学员从先进、实用、操作性上，掌握学习采油采气井控的必备基础知识。
人们为了取得地下水开凿了水井。水井实际是水层与地面的通道。石油和天然气是埋藏在地下的宝贵矿产资源，为寻找开采和利用这些资源把它开采出来，也需要在地面和地下油(气)层之间建立一条油气通道，称为油井。
一般把进行油气勘探、索取油气层地质资料和开采石油、天然气所钻凿的岩石通道，统称为油气井。为使油气井在油田开发过程中充分发挥作用，取得较好的经济效益，必须了解和掌握油气井的钻凿、油气井的完井井身结构、井身质量等方面的基础知识和工艺技术，对于采油采气和充分利用油气资源有着极为重要的意义。
一、油气井的基本知识
采油采气井控制（上）
图1-1:石油钻井示意图
1-天车;2-二层台;3-游车;4-大钩;5-水龙头;6-井架;7-绞车;8-刹车;9-钻井泵;10-泥浆罐;11-井口装置;12-立管;13-水龙带;14-旋转短节;15-表层套管;16-钻杆;17-井壁;18-钻铤;19-钻头
自然界中，某些矿藏深埋在地下，要想把它们开采出来，需要在地面和目的层之间建立一条通道，这条通道称为井。井的最古老的说法如水井就是水层到地面的取水通道。一般矿山把煤层、矿层到地面的运煤、运矿石的垂直通道叫竖井或斜井。油气工业把油气层至地面的采油气通道称为油气井。典型的石油钻井如图1-1所示。 1.油气井的定义
在油气勘探和开发过程中，凡是为从地下获得石油或天然气而钻的井，统称为油气井。
2.油气井的作用
构建油气通道，开采地下的石油和天然气资源；获得油气勘探开发所需要的地质资料，发现和评价油气层；通过某些井往地层注水或注气等实施增产措施。
3.油气井的分类
油气井依据不同的划分标准，分类有所不同。一般井的类型通常依据井的作用、井的深度和井身结构等要素进行划分。
⑴依据钻井目的不同，可划分为探井和开发井
在探井中又分为探井、预探井和详探井等。在开发井中可分采油采气井、注水注气井、调整井、加密井和资料井等。
探井又称参数井，主要是了解地层的时代、岩性、厚度组合和区域地质构造以及地质剖面。
预探井是在确定了有利找油范围后，以发现和寻找油气藏为目的所钻的井。
详探井是在已发现油气的圈闭上进一步探明含油气边界和储量，以及了解油气层结构为目的所钻的井。
⑵依据井的作用不同，可划分为采油井、采气井、注入井、观察试验井等
采油井(一般简称油井)是为开采地下油气层中的油而钻的井，主要用于采油。因采油方式不同，又可分为自喷井和抽油井。
采气井(一般简称气井)是专为开采地下天然气而钻的井。
为保持油藏能量并利用注入物质来驱替地层油气以提高产量和采收率，采用人工方式注入水、气等流体而钻的井统称注入井。因注入介质不同，又可分注水井、注蒸气井、注聚合物井、注气井等。用来向地层注水的井称为注水井，用来向地层注气的井被为注气井。
观察井和试验井是在油气田开发过程中，为了解油层动态，油、气、水运动规律和变化情况而钻的井，这类井通常既是观察井、试验井又是生产井。
⑶依据钻井深度不同一般可划分为浅井、中深井、深井和超深井四类
我国目前通用的按钻井完钻井深度划分井别的原则是：钻井完钻井深小于2000米的为浅井。钻井完钻井深大于2000米，小于4500米的为中深井。钻井完钻井深大于4500米，小于6000米的为深井。钻井完钻井深超过6000米的为超深井。
⑷依据井型不同，可划分为直井、定向井、丛式井、水平井、分支井、欠平衡压力钻井等(井身剖面如图1-2所示)
定向井通常是指按既定的方向偏离井口垂线一定距离钻达目标的井。
采油采气井控制（上）
图1-2:井身剖面示意图
1-直井;2-定向井;3-斜直井;4-水平井;5-丛式井
丛式井是指在一个井场或一个钻井平台上，按设计钻出两口或两口以上的定向井。 大位移井是指完钻后井底水平位移是垂深两倍以上的定向井。
水平井是指井斜角大于或等于86度，并保持这种角度钻完一定长度水平段的定向井。
分支井是指在一个井口下面钻有两个或两个以上井底的定向井。
欠平衡压力钻井是指钻井过程中井筒的液柱压力低于地层压力，井底处于欠平衡状态下的钻井。
⑸依据钻头驱动方式不同，可划分为转盘钻井、顶部驱动装置钻井、井底动力钻井等
转盘驱动钻井是指利用安放在钻台上的转盘和带动钻柱、钻头旋转的钻井方法。
顶部驱动钻井是指利用安装在钻杆上方水龙头部位的动力装置带动钻柱、钻头旋转的钻井方法。
井底动力钻井是指利用井底动力钻具带动钻柱、钻头旋转的钻井方法，通常包括涡轮钻具钻井、螺杆钻具钻井等。同时由于钻头驱动方式的发展变化又引入了复合钻进、滑动钻进等概念。
二、井身结构
图1-3:井身结构示意图
1-导管;2-表层套管;3-技术套管;4-生产套管;5-地层
油井比水井复杂得多，主要由三部分组成，即井筒、完井结构和井口装置。井筒由多层同心钢管并经水泥固结后形成。油井中下入的第一层管子叫导管，其作用是建立最初的钻井液循环通道保护井口附近的地表层；油井中下入的第二层管子叫表层套管，一般为几十至几百米，其作用是封隔上部不稳定的松软地层和浅水层；油井中下入的第三层套管叫技术套管，是钻井中途遇到高压油、气、水层、漏失层和坍塌层等复杂地层时，为保证钻井能钻到设计深度而下的套管；油井中下入的最内层套管叫油层套管，油层套管的下入深度取决于油层深度和完井结构。其作用是封隔油、气、水层，建立一条供长期开采油、气的通道。以上各层套管都要用水泥与地层固结在一起，并与井口装置连接起来，形成永久性通道。正常采油生产时还要再下入油管，以便携带抽油泵、各种工具进入井内并通过油管将油气导出。 井身结构是指完钻井深和相应井段的钻头直径、下入的套管层数、直径和深度、各层套管外的水泥返高和人工井底等一组参数的组合。
1.井身结构的组成要素及作用
一般来说井身结构的主要参数包括：导管、表层套管、技术套管、油层套管及套管外水泥环等，井身结构如图1-3所示。
⑴导管的作用
导管的主要作用是引导钻头入井钻进和作为钻井液的循环出口。通常是在开钻前人工挖成深2m左右的圆井中，下入壁厚3-5mm的钢质导管，外面浇注水泥封固制成简易井口。
⑵表层套管的作用
表层套管是指下入井内的第一层套管。其主要目的是用于封隔地表松散不稳定的地层或水层，安装井口防喷装置及其支撑技术套管的重量。表层套管的下入深度依地区、井控等要求而不同，一般在几十米至几百米之间。
⑶技术套管(或中间套管)的作用
技术套管是指下入井内的第二层(或其以后的)套管。其主要目的是用于封隔表层套管以下至钻开油气层以前，易跨塌的松散地层、水层、漏层，或非钻探目的的中间油气层，以保证钻至目的层。一般技术套管外面的固井水泥浆要求返至需要封隔的最上部油气层以上l00米左右。对高压气井，为防止气窜一般固井水泥浆要求返至地面。
对尾管完井的最后一层技术套管则转为生产套管，承担油层套管职能。
⑷油层套管的作用
油层套管是指下入井内的最后一层套管，一般有油层套管、尾管及尾管回接三种表现形式。其主要目的是用来把油气层和其他层隔开，同时建立一条从油气层到地面的油气通道。其上安装采油、采气树以控制油气。
⑸水泥环的作用
固井水泥环主要是用来支撑和保护各层套管，封隔油、气、水，保护生产层。
2.套管的设计要求
油井套管通常是用优质钢材制成的无缝管或焊接管，两端均加工有螺纹。现场使用时，大多数套管是通过套管接箍、工具、附件等连接组成管串后入井。
套管设计主要包含但不限于以下内容：
套管柱设计主要内容包括套管层次及各层套管的下入深度的确定；套管柱设计原则以能有效地保护油气层，规避井喷、井漏、井塌、卡钻等事故，具备处理井喷压井的能力，且经济性好、成本低；套管强度要满足套管入井后所承受各种应力的极限强度。
在不同类型的井中或在一口井的不同生产时期，套管柱的受力是不同的，套管柱所受的基本载荷可分为轴向拉力、外挤压力、内压力三种。在设计套管柱时应保证套管柱“抗拉安全系数大于1.8、抗外挤安全系数大于1.125、抗内压安全系数大于1.25”三个基本要求。
在实际套管设计的时候，除应考虑满足钻井、油气层开发和产层改造的需要。还应根据套管柱在井下的工况，考虑套管强度与套管柱受力之间的平衡关系，按套管受力最危险情况来进行套管的受力分析、强度校核，确保安全第一。
三、完井方法
下入套管、尾管后，仅仅建成了井眼，通道还不完善，还需要完井。完井是为满足各种不同性质油气层的开采需要，而选择的油、气层与井底的连通方式和井底结构。依据在井底建立的油气层与油气井井筒之间连通渠道、方式的不同，也就构成了不同的完井方法。
1.常用完井方法
目前国内外各油气田常用的完井方法有裸眼完井、射孔完井、衬管完井等，但都有其各自的适用条件和局限性
⑴射孔完井
射孔完井是国内外使用最为广泛的一种完井方法，是目前油井完井中应用最多的一种方法，用一种特殊的枪对准油、气层，射穿套管和水泥环并进入地层一定的深度，使油气通过射开的孔眼流入井筒，实现油层与井筒连通。在直井、定向井、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。
套管射孔完井是指用同一尺寸的钻头钻穿油层直至设计井深，然后下油层套管至油层底部并注水泥固井完钻后。用射孔弹射穿油层套管、水泥环并穿透一定深度地层，从而建立起油气流通道的完井方法，套管射孔完井如图1-4a所示。
尾管射孔完井是指在钻至油气层顶界后，下技术套管注水泥固井。然后用小一级的钻头钻穿油层直至设计井深，用钻具将尾管送入井内通过工具悬挂在技术套管上，注水泥固井完钻后，用射孔弹射穿尾管、水泥环并穿透一定深度地层，从而建立起油气流通道的完井方法，尾管射孔完井图1-4b所示。一般要求尾管与技术套管的重合段不小于50米。
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图1-4a、4b:套管尾管射孔完井
1-表层套管;2-油层(技术)套管;3-水泥环;4-射孔炮井眼;5-油气层;6-尾管;7-封隔器
射孔完井适合于多种类型油气藏的完井，可有选择性的射开油气层，实行分层开采、多层合采，可实施井下压裂、酸化等增产作业措施。优点是只将生产的油层射开，其余的层段全是封隔的，各层间的油、气、水不会相互串通，有利于分层开采、分层采取措施和便于分层管理。这种完成方法有利于防止井壁坍塌，适应性强，因此，它是目前现场上广泛应用的方法。缺点是钻井液浸泡油层的时间长，再加上注水泥固井可能降低油层的渗透率。又因射孔的孔眼有限(孔数密了易损坏套管)，油气流入井内的阻力相对较大，也不能阻止地层砂入井。 ⑵裸眼完井
裸眼完井法是指在油层部位不下入套管，整个油层完全裸露，油层与地面通过油井直接连通。农村水井常用此方法。油气裸眼完井又分先期裸眼完井和后期裸眼完井两种。
先期裸眼完井如图1-5a所示，是指套管下至油气层顶部然后注水泥固井，再采用较小钻头钻穿水泥塞，钻开油层至设计井深的完井方法。
后期裸眼完井如图1-5b所示意，是指钻完油气层后，如油气层具有开采价值，再将套管下到油气层顶部注水泥固井的完井方法。后期裸眼完井一般应用的少。
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裸眼完井的优点是整个油层井段全部处于裸露状态下进行生产，井底结构简单，渗流面积大，油流人井阻力小，钻井液浸泡油层时间短。缺点是不能分层作业、分层试油和分层开采等，也不能防止油层出砂和井壁坍塌。适用于地层坚硬，井眼稳定的单一油气层或性质相近的多油气层的井，因而使用范围小。中低渗透性砂岩油气层需压裂改造，也不适宜裸眼完井。
⑶割缝衬管完井
割缝衬管完井也称贯眼完井法是指钻穿油气层后，把带有孔眼的套管下到油气层部位，油气从地层经过孔眼流入井筒，是在裸眼完井的基础上，下入割缝衬管，在直井、定向井、水平井中都可采用。与裸眼完井相对应，割缝衬管完井方法也分先期割缝衬管完井、后期割缝衬管完井两种。
先期割缝衬管完井如图1-6b所示，是钻头钻至油层顶界后，先下入技术套管注水泥固井，再从技术套管中下入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，并封固套管和衬管之间的环形空间，使油气通过衬管的割缝流入井筒。
后期割缝衬管完井如图1-6a所示，是用同一尺寸的钻头钻穿油层后，套管柱下端连接衬管下入油层部位，通过管外封隔器和注水泥接头固井，封隔油层顶界以上的空间。
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部位，通过管外封隔器和注水泥接头固井，封隔油层顶界以上的空间。
使用割缝衬管完井允许一些细砂随着油气流进入井中，较大的沙粒被阻挡在衬管外面形成“砂桥”或“砂拱”，随后较小的砂粒被阻挡，以后更小的砂粒被阻挡。这样，在井壁形成由粗到细的滤砂层，阻止油层大量出砂，起到防砂和防止地层垮塌的效果。
⑷砾石充填完井
对于胶结疏松出砂严重的地层，一般采用砾石充填完井。将绕丝筛管下至油层部位，然后用充填液将预先选好的砾石(砾石可以是石英砂、玻璃珠、树脂涂层砂或陶粒)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，构成一个砾石充填层以阻挡油气层的出砂进入井筒，达到保护井壁，防砂入井的目的。
砾石充填完井在直井、定向井中都可以使用，但在水平井中应慎用，因为易发生砂卡，从而使砾石充填失败，达不到有效防砂的目的。
裸眼砾石充填完井如图1-7a所示，又称管外砾石充填完井法，这种完井方法是在油层顶部下套管注水泥固井，然后用扩孔钻头将裸眼段扩大至原井眼直径2倍以上，下入筛管管柱(外管柱)及冲洗管(内管柱)进行填砂作业。
套管砾石充填完井如图1-7b所示。这种完井方法是当钻头钻穿油层至完井深度后，下入油层套管注水泥固井，对准油层选用28mm/孔径、孔密30孔/每米的参数射孔。下筛管管柱(外管柱)及冲洗管(内管柱),用高粘度的充填液进行高密度添沙作业。
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裸眼砾石充填与套管砾石充填的防砂作用是相同的，砂砾层厚度一般要求50mm以上，以阻挡地层砂粒提高防砂效果，同时沟通地层流体通道。
2.其它完井方式
完井方式的种类很多，除了上述四种常见的完井方法之外，人们还根据不同的工况采用了其它一些完井方法。主要有贯眼套管(尾管)完井、预充填砾石绕丝筛管完井、金属纤维防砂筛管完井、多孔冷金粉末防砂筛管完井、多层充填井下滤砂器完井、化学固砂完井、压裂砾石充填防砂完井、欠平衡打开产层等完井方法。
三、采油采气井口
井筒一旦和油气层连通后，就会处于高压状态，因此还必须有一套能控制和调节油气生产的设备，这套设备就叫井口装置，如图1-8所示。油气井井口装置又可分为三种：
1.自喷油井井口装置由套管闸门、总闸门、生产闸门、清蜡闸门、油管四通、油嘴等部件组成。
2.抽油井井口装置比自喷井口装置简单，最基本部分有套管三通，油管三通和光杆密封盒等部件组成。
3.气井井口装置其结构同自喷井井口装置，由于天然气井压力高，含硫化氢气体等，所以要求耐压等级高，能耐硫化氢气体腐蚀。
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油气井井口装置主要由套管头、油管头和采油树组成，其作用是控制油气的流动。套管头位于整个采油树的最下端，把井内各层会管连接起来，使各层套管间的环形空间密封不漏。油管头是安装在套管头上面，其作用是悬挂井内的油管，并密封油管和油层套管之间的环形空间。目前普遍采用顶丝法兰悬挂法，即在套管四通上安装一个顶丝法兰，顶丝法兰内有一上大下小的锥形通道。油管悬挂器也是一个锥形体，上带密封圈，在全井筒油管重量的拉力下，油管悬挂器牢牢地坐在顶丝法兰座里。顶丝的作用是防上井内压力太高时将油管柱顶出。采油树，有人认为是一棵树。其实是业内对井口装置约定俗成的称谓，最早因其形似圣诞树而得名。它由闸门、四通、油嘴等组成。其作用是通过开启或关闭闸门及调节油嘴的大小，来调节油气井生产并与地面集油管线连接。
第二节 不同类型气藏的压力特征
油气在运移过程中会受到某些遮挡物的阻挡而停止运移并聚集起来，储层中这种遮挡物存在的地质构造称为圈闭。在这些圈闭内一旦聚集了足够数量且具有同一压力系统的油气，就形成了油气藏。油气藏是具有一定储存和流动特性的孔隙或裂缝介质系统。通常把在圈闭内只有天然气聚集的叫气藏，只有石油聚集的叫油藏。
采油采气工程是根据开发目标，通过井底、井筒、井口装置、采油设备、注水设备以及地面集输、分离和储存设备等人工建造系统所采取的工程技术措施的总称。是决定油气田产量高低、采油气速度快慢、最终采收率大小、经济效益的优劣等重要问题的关键技术。
本节主要介绍与采油采气井控有密切关系的常见油气藏的压力特征，同时简单介绍了华北分公司鄂尔多斯地区主力油气藏的压力特征，为采油采气的井控及安全管理提供一些可借鉴的基础数据和资料。
一、油气藏的常见分类
储层是指具有孔隙性和渗透性、油气能在其中流动的岩层，又叫储集层，通常简称储层。一般将储藏有石油的储集层叫储油层，简称油层。储藏有天然气的储集层叫储气层，简称气层。同时储藏有石油和天然气的储集层叫储油气层，简称油气层。同时储藏有石油、天然气和水的储集层叫储油气水层，简称油气水层。储层按不同要素有着不同的类别划分。
1.按地层压力分类
按地层压力的大小不同，可将油气藏分为超高压、高压、常压和低压四类油气藏。油气藏按压力分类
标准如1-1表所示。
表1-1： 按地层压力的分类标准
类别
 低压气藏
 常压气藏
 高压气藏
 超高压气藏
地层压力系数MPa/100m
 ＜0.9
 ＜0.9-1.3
 1.3-1.8＜
 ＞1.8
在超高压油气藏开发过程中，由于生产井的油气流速度较高，油气井出砂的危害性极为严重。特别是气井，由于高压气流携带的砂粒具有极强的冲蚀能力，很容易造成油管、套管损坏。
在气井试采期间，如果遇到出砂问题应控制或降低气井产量，以降低气流速度，降低砂粒的冲蚀能力。避免突然开井或关井，否则将导致沉砂掩埋产层，甚至堵死气层。同时还要禁止利用套管环空采气，以避免套管内壁和井口闸门的冲蚀和损坏。

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