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《现代完井工程》学号：2007010038 姓名：方世跃学院：能源学院导师：王洪辉攻读学位：博士年级：2007级完井工程（Well Completion）,过去都认为是钻井工程的最后一套工序，在1997年我国首次向世界石油工业提出完井工程的新概念，其中包括完井工程的定义、内容、工程系统以及完井工程与钻井工程及采油工程的关系，真正建立起现代完井工程系统。
所谓完井工程是衔接钻井工程和采油工程而又相对独立的工程，是从钻开油层开始，到下套管、注水泥固井、射孔、下生产管柱、排液，直至投产的一项系统工程[1]。
完井工程的工程目的主要为：1、尽可能减少对储集层的伤害，保护储量，使油气层自然产能能更好发挥2、提供必要条件调节生产压差，从而提高单井产量3、有利于提高储量的动用程度4、为采用不同的采油工艺技术措施提供必要的条件5、有利于保护套管、油管，减少井下作业工作量，延长油气井寿命6、近期与远期结合，尽可能做到最低的投资和最少的操作费用，有利于提高综合经济效益。
完井工程系统内容主要有：岩心分析及敏感性评价、钻井液选择、完井方式与方法、油管及生产套管尺寸的选定、生产套管设计依据、注水泥设计依据、固井质量评价、射孔及完井液选择、完井的试井评价、完井生产管柱、投产措施等。
限于篇幅的原因，本文只论述水平井完井的部分关键技术问题。
一、钻井液近两年来，国外泥浆技术发展较快。
有些研究有新的突破，还研制出一些新型泥浆。
解决了一些过去难以解决的钻井问题，降低了钻井成本，提高了钻井效率。
分3个方面介绍一下近两年来泥浆技术的新进展。
1、水平井泥浆技术发展较快[2]（1）生物聚合物泥浆近年来水平井已成为全世界石油工业界公认的一次革命。
水平井的钻井数量猛增。
随着水平井的发展，也遇到了与泥浆有关的问题。
例如，用普通钻井液打水平井时会发生井眼清洁不充分，润滑性差和地层损害等问题。
为解决这些问题，Kelco油田集团研制成功了一种天然聚合物泥浆。
完井工程完井工程定义:完井工程是衔接钻井和采油工程而又相对独立的工程，是从钻开油层开始，到下套管注水泥固井、射孔、下生产管柱、排液，直至投产的系统工程。
完井工程的内容（1）岩心分析及敏感性分析根据勘探预探井或评价井所取的岩心，进行系统的岩心分析和敏感性分析，并根据实验分析的结果，提出对钻开油、气层的钻井液，射孔液，增产措施的压裂液、酸液，以及井下作业的压井液等的基本技术要求。
岩心分析及敏感性分析项目如下：1）岩心分析：常规分析、薄片分析、X射线衍射（XRD）、电镜扫描（SEM）。
2）敏感性分析：水敏、速敏、酸敏、碱敏、盐敏。
（2）钻开油层的钻井液钻井液的选择，主要是考虑如何防止钻井液的滤液侵入油层而造成油层的损害，同时又考虑到安全钻进的问题，如钻遇高压层、低压层、漏失层、岩盐层、石膏层和裂缝层时的钻井液，根据测井资料、岩心分析、敏感性分析数据和实践经验去选择钻井液类型、配方及外加剂。
（3）完井方式及方法根据油田地质特点及油田开发方式和井别，按砂岩、碳酸岩盐、火成岩和变质岩等岩性去选择完井方式，完井方式基本分为两大类，即裸眼完井和套管射孔完井。
裸眼完井又有不同的方法，如裸眼、割缝衬管、绕丝筛管砾石充填；射孔完井也有不同的方法，如套管射孔、尾管射孔、套管内绕丝筛管砾石充填等方法。
（4）油管及生产套管尺寸的选定根据节点分析（Nodal Analysis）即压力系统分析，进行油层——井筒——地面管线敏感性分析。
油管敏感性则是根据油层压力、产量、产液量、流体的粘度、增产措施和开采方式等方面的综合分析去选定油管的直径，然后根据油管尺寸去选定生产套管尺寸。
过去传统的作法是先选定生产套管尺寸，然后再确定油管尺寸。
现代完井工程没有沿用过去传统概念和做法，而是建立了用油管尺寸去确定生产套管尺寸的新思路和新方法。
套管系统设计本应包括表层套管、技术套管与生产套管，但这里仅仅论述了生产套管设计，至于表层套管和技术套管，它有专门的设计要求，这应按钻井工程要求进行设计，这里就不涉及了。
（5）生产套管设计以下述井别、油气层物理性质、地应力及工程措施等方面的资料，作为套管设计基础依据：1）井别：油井、气井或注蒸汽采油井、注水井、注气井或注汽井。
2）油层压力及油层温度。
3）地下水性质、pH值、矿化度以及对套管的腐蚀程度。
4）天然气中是否含H2S或CO2等腐蚀性气体。
5）油层破裂压力梯度，压裂、酸化增产措施的最高压力。
6）地应力走向、方位及大小。
7）注蒸汽时的压力、温度。
8）盐岩层的蠕动。
9）注水开发后的压力变化及油层间窜通状况。
10）油层出砂情况。
根据选定完井方式，在依据上述因素，选择套管的钢级、强度、壁厚以及连接螺纹类型和螺纹密封脂的类型，以及上扣的扭矩等。
若用衬管完成，这要设计悬挂深度及方式。
对于注蒸汽井，这要考虑到套管受热时套管螺纹承受的拉力和螺纹的密封性，以及预应力完成。
对于定向井、水平井，同样考虑套管弯曲、套管螺纹承受的拉力和螺纹的密封问题。
（6）注水泥设计应依据不同类别的井，如油井、气井、注水井、注气井和注蒸汽井等对水泥性能和返高的要求，油、气层压力状况如高压区、低压区、漏失带及裂缝状况，以及注水开发调整井的油层压力变化和油层流体处于的流动状况，注蒸汽热采井对水泥耐温要求，腐蚀气体如H2S，CO2及高矿化度的地下水对水泥腐蚀的问题，气井、注气井和注蒸汽井注水泥时要求水泥返至地面长井段固井问题，来选择一次注水泥、分段注水泥或套管外封隔器注水泥等方式及选择水泥浆配方，从而搞好注水泥设计。
（7）固井质量这里所指的是对固井注水泥后的质量评价，检查套管外水泥是否封固好，有无窜槽和混浆段及返高状况。
当前常用的方法为声幅测井，而用声波变密度测井测水泥封固第二界面的方法，目前尚未普遍推广使用。
（8）射孔及完井液选择根据射孔敏感性分析，确定射孔孔密、孔径、相位。
然后根据油层渗透率及原油物性选择射孔枪及射孔弹类型，并根据油层压力高、低，渗透率高低和油、气物性选择射孔方式，如电缆射孔、油管传输射孔和负压射孔。
与此同时，还要选择与油层粘土矿物和油层流体匹配地射孔液。
（9）完井的试井评价完井投产后，通过试井测试表皮系数，这是当前检查油层损害的主要方法。
通过对表皮系数的分析研究，找出油层损害的原因，以便解除或减少对油层的损害。
（10）完井生产管柱当前国内已发展了油、气井生产管柱，还有特殊生产管柱，大致可分下述几种类型管柱：1）永久性管柱。
投产前在油层上部下入永久性封隔器，而从封隔器下面的工作筒中插入各种功能工具，如分注、分采、分层测试等工具，该管柱可以进行冲砂、注水泥塞、小型酸化等作业；2）气举管柱。
如预计该井自喷生产转人工举升的方法为气举，则投产时即按气举管柱及配套井下工具（单管或双管）一次下入井内，油井生产不正常，即能转气举采油；3）防腐、防蜡、防垢、防结盐等管柱。
但油层气中或天然气中含H2S或CO2；油层水或边底水的矿化度很高时，一般都在油层顶部下入封隔器，将油套管隔开，在环形空间充填保护液，或向套管环形空间定期注入防腐液，以保护套管不受腐蚀。
防蜡、防垢、防结盐等管柱与防腐管柱基本相同，只是注入防蜡、防垢或防结盐等化学剂，上述各项管柱都要在环形空间与油管建立循环通道。
此外，海上油井、深井或超深井、天然气井、高产井，要求在距井口下面100m左右装有井下安全阀，以防井喷事故。
（11）投产措施根据油层损害程度及油、气层类型，采用不同的投产措施。
投产措施往往采用抽汲、N2气举、气化水或泡沫来助排，必要时采用盐酸或土酸酸浸解堵，有的井则必须采取酸化、压裂措施后才能投产。
上述完井工程定义、理论基础、内容和操作程序等，构成了完井工程系统。
如前所述，完井工程是衔接钻井工程和采油工程，但又是自身相对独立的一门新兴工程。
但此工程（或称工程系统）并非工作系统，而是从油田开发的宏观出发，立足于油藏工程，近、远期结合，按完井工程系统的要求，将钻井、完井、采油工程有机地联系起来，而不是用完井工程去代替钻井工程和采油工程，还需要钻井、完井、采油工程搞好各自的工作。
在高科技时代的今天，各项工程都是互相渗透而又共同发展的。
当前提出完井工程概念和形成完井工程系统，其目的如下：1）尽可能减少对油气层的损害，使油气层自然产能能更好地发挥。
2）提供必要条件来调节生产压差，从而提高单井产量。
3）有利于提高储量的动用程度。
4）为采用不同的采油工艺技术措施提供必要的条件。
5）有利于保护套管、油管，减少井下作业工作量，延长油气井寿命。
6）近期与远期相结合，尽可能做到最低的投资和最少的操作费用，有利于提高综合经济效益。
第一章完井工程基础完井工程基础是指与完井有关的油田地质和油藏工程以及采油工程技术。
其中油田地质和油藏工程部分包括油藏类型、油藏渗流特征、油藏岩性和油藏流体性质。
这是选择完井方式和防止油层损害的理论依据。
采油工程技术部分是指不同类别的井，如油井、气井、注水井、注气井、注汽井、水平井，不同的开采方式，如多层系同井合采、分层开采、自喷转人工举升开采，油田开发过程所需进行的不同技术措施，如压裂、酸化、防砂、堵水等对选择完井方式，选择套管尺寸和强度，固井水泥返高及耐高温要求诸方面的特殊要求。
第二节岩石分析岩心分析技术是指利用能揭示岩石本质的各种仪器设备来观测和分析油气层一切特性的技术总称。
完井工程中的岩心分析主要包括如下内容：常规物性分析、岩矿分析、孔隙结构分析、敏感性分析及配伍性评价，在分析粘土矿物的潜在损害时，重点应集中在粘土矿物的产状和种类上。
产状不同、组成不同，对油气层产生的影响也不同。
（1）粘土矿物产状及其潜在的损害沉积初期与骨架颗粒同时生成的原生粘土常以薄层纹状或团块形式存在于砂岩中，由于这些粘土与孔隙流体接触面小，因此，所产生的地层损害也小。
而在成岩过程中通过化学沉淀和早期粘土矿物演变而成的自生粘土矿物，由于完全暴露在孔隙流体中，优先与进入地层的流体发生各种物理化学反应，从而导致严重的地层损害。
大量研究表明，在很多情况下，从地层损害的角度出发，粘土矿物的产状比其成分的影响还要大。
据自生粘土矿物与骨架颗粒的关系，常见有以下三种产状类型，如图1-1所示。
1）分散质点式或孔隙充填式：粘土矿物呈分散状填集在颗粒之间的孔隙中。
粘土与碎屑骨架附着力差，容易与入井流体一起在孔隙中运移，堵塞孔隙喉道。
2）薄膜式：粘土矿物以薄膜形式包裹在骨架颗粒的表面。
由于缩小了孔隙的有效半径和孔喉尺寸，最容易引起孔喉堵塞，是所有产状类型中潜在损害最大的一种。
3）桥接式：粘土矿物在骨架颗粒之间搭接成“桥”。
原始的粒间孔隙被这些粘土矿物所支离切割，成为粘土矿物晶体之间的微细孔隙。
当高速流体在孔隙中流动时，极易冲碎成微粒而运移。
（2）不同粘土矿物的潜在损害在粘土矿物诸多物理化学性质中，其微粒性即比表面、阳离子交换容量及亲水性对油气层潜在损害和保护措施具有重要意义。
不同的粘土矿物所导致的损害类型和损害程度实质上反映了粘土矿物之间的物理化学差异。
常见的粘土矿物种类有:1)蒙脱石：蒙脱石常出现在埋藏深度较浅的储层中，以薄膜形式贴附在碎屑颗粒表面或在孔隙喉道中形成桥接式胶结。
当含量较高时，还可呈各种形态的集合体充填于孔隙中。
蒙脱石的强亲水性和高的阳离子交换容量决定了具有强烈的水敏性。
特别是富钠的蒙脱石，遇水后体积可膨胀600%～1000%.显然，这种吸水膨胀可引起严重的油层堵塞和地层结构的破坏。
2）高岭石：高岭石作为储层中最常见的粘土矿物，在不同的物理化学环境下，可以转变成其它粘土矿物。
常呈书页状和蠕虫状充填于孔隙中。
由于高岭石集合体内各晶片之间的结合力很弱，且与碎屑颗粒的附着力也很差，在高速流体的剪切应力作用下，很容易随孔隙流体运移堵塞孔喉，具有较强的速敏性。
3）伊利石:伊利石是形态变化最多的粘土矿物，随储层深度增加，其含量也增加。
常见的鳞片状伊利石以骨架颗粒薄膜产出，而毛发状、纤维状伊利石则在孔隙中搭桥生长、交错分布。
前者可能在孔喉处形成堵塞，而后者则主要增加孔隙通道的迂曲度、降低储层的渗透性。
4）绿泥石：绿泥石常出现在深埋藏的地层中，或以柳叶状垂直于骨架颗粒生长，或以绒球状集合体充填于孔隙中。
由于绿泥石富含铁组分，因此具有较强的酸敏性。
在对油层进行酸化作业时，绿泥石可能被酸溶解而释放铁离子，与其它组分化合生成粒度大于孔喉的氢氧化铁胶体沉淀。
此外，常见的还有蒙脱石/伊利石和蒙脱石/绿泥石混层矿物，其特征和损害程度取决于它们的组成和相互比例。
（3）高温下粘土矿物特征粘土矿物在加温过程中，会发生脱水、分解、氧化、还原及相变等一系列复杂的地球化学变化。
研究这些变化对于防止稠油油藏热采作业中的地层损害具有重要意义。
在热采作业中，注入蒸汽的地面温度可达360℃.当蒸汽抵达储层时，随着汽的冷凝并与地层水混和，将导致储层中的粘土矿物在其它矿物的参与下发生各种相变和转换。
