大孔径射孔器穿深检测初探论文

完井(即油气井完成)是钻井工程的最后一个重要环节,主要包括钻开生产层、确定井底完成方法、安装井底和井口装置以及试油投产。完井质量直接影响油井投产后的生产能力和油井寿命，因此必须千方百计地把完井工作做好，为油气井的顺利投产、长期稳产创造条件。

一、打开生产层完井就是沟通油气层和井筒，为确保油气从地层流入井底提供油流通道。任何限制油气从井眼周围流向井筒的现象称为对地层损害的“污染”。实践证明：钻开生产层的过程或多或少都会对油气层产生损害。因此，保护油气层是完井所面临的首要问题。过去，世界范围内油价较低、油源充裕，在很大程度上忽视了对油气层的保护。自20世纪70年代中期，西方一些国家出现能源危机以来，防止伤害油气层，最大限度地提高油气井产能才上升到重要地位，成为目前钻井技术中最主要的热门课题之一。

1.油气层伤害的原因油气层伤害机理的研究工作开展以来，有各式各样的说法。最近比较精辟的理论认为：地层损害通常与钻井液固体微粒运移和堵塞有关，还与化学反应和热动力因素有关。在复杂条件下，要充分掌握油层损害机理是比较困难的。因此，目前的研究结果大多只能定性地指导生产实践，离定量评价还有一定的差距。

钻生产井常用的钻井液为水基泥浆。由于钻进过程中钻井液柱压力一般大于地层压力，在压差作用下，钻井液中的水、粘土等会侵入油气层，对油气层造成各种不同性质的伤害。

1)使产层中的粘土膨胀研究得知，油砂颗粒周围一般都有极薄的粘土膜。砂粒之间的微孔道非常多，油气层内部还有许多很薄的粘土夹层。在钻井液自由水的侵入作用下，砂粒周围的粘土质成分将发生体积膨胀，使油气流动通道缩小，降低产出油气的能力。

2)破坏油气流的连续性油气层含油气饱和度较高时，油气在孔隙内部呈连续流动状态。少量的共生水贴在孔隙壁面，把极微小的松散微粒固定下来，在相当大的油气流动速度下也不会被冲走。当钻井液滤液侵入较多时，会破坏油气流的连续性，原油或天然气的单相流动变成油、水两相或气、水两相流动，增加了油气流动阻力。一旦水成为连续的流动相，只要流速稍大，就会把原来稳定在颗粒表面的松散微粒冲走，并在狭窄部位发生堆积，堵塞流动通道，严重降低渗透率。

3)产生水锁效应，增加油气流动阻力渗入油气层中的钻井液滤液是不连续的，而是呈一段小水栓一段油气的分离状态。在有些地方还会形成油、水乳化液。由于弯曲表面收缩压的关系，会大大增加油气流入井的阻力。

4)在地层孔隙内生成沉淀物

2钻开生产层的钻井液类型钻井液类型对生产层的损坏成 本清水适用于裂缝性油气层最低低固相(无固相)钻井液较小中水包油乳化液较小中油包水乳化液小较高油基钻井液小高原油小中空气(天然气)最小中二、井底完成方法井底完成方法是指一口井完钻后生产层与井底所采用的连通方式和井底结构。从采油气的观点来看，对各种完成方法的共同要求有如下几点：

(1)油气层和井筒之间的连通条件最佳，油气层受到的伤害最小；(2)油气层和井筒之间的渗流面积尽可能大，油气流入的阻力最小；(3)有效封隔油层、气层和水层，防止各层之间互相窜扰；(4)有效控制油层出砂，防止井壁坍塌，保证油气井长期稳定生产；(5)能满足分层注水、注气、压裂、酸化、人工举升以及井下作业等要求；(6)稠油开采能达到注蒸汽热采的要求；(7)油田开发后期具备侧钻的条件；(8)工艺简便，成本低廉。

油气井完成之后，其井底结构不易改变。所以应根据油气层的具体情况，参照各地的实践经验慎重选定合理而有效的井底完成方法。目前国内外常用的井底完成方法有裸眼完井、射孔完井、割缝衬管完井及砾石充填完井等。

1.裸眼完井法不用套管封固而直接裸露油气层的井底完成方法称为裸眼完井法。油气层以上井筒固井完毕后，再换小钻头打开油气层称作先期裸眼完井。图5-11为直井先期裸眼完井示意图。后期裸眼完井则是不更换钻头直接钻穿油气层后，才对油气层以上的井段进行固井作业。图5-12为直井后期裸眼完井示意图。裸眼完井法的最大优点是油气层直接与井底相通，流通面积大、流动阻力小、施工简单、成本低、产量高。

图5-11先期裸眼完井

图5-12后期裸眼完井

用裸眼完井方法完成的井，产层容易坍塌，不能控制油气层出砂，一般只适用于岩层坚硬致密且无油、气、水夹层的单一油气层。油气层性质相近的多油气层的井也可采用，但无法进行分层开采。裸眼完井法是一种早期的完井方法，随着高效能、大威力油气井射孔技术的出现，裸眼完井法油气层全裸露的优点也不如过去那么突出。裸眼完井可用于直井、定向井以及水平井中。裸眼完井法有多种变形以提高其适应性。

2.射孔完井法射孔完井方法是目前国内外使用最广泛的完井方法。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钻头钻穿油气层直至设计井深，下油层套管至油气层底部并注水泥固井，然后再用射孔器射穿套管和水泥环，并射入生产层内一定深度。油气就可通过射孔所形成的孔道流入井内。图5-13为直井套管射孔完井示意图。

图5-13套管射孔完井

尾管射孔完井是在钻达油气层顶部时，下技术套管注水泥固井，然后换小钻头钻穿油气层直至设计井深，用钻具将尾管送下一并悬挂在技术套管上(尾管和技术套管的重合段一般不小于50m)。再对尾管注水泥固井，然后射孔。油气层部位的结构与射孔完井方法完全相同。图5-14为直井尾管射孔完井示意图。

图5-14尾管射孔完井

射孔完井法的优点是：

(1)能有效支撑疏松易塌的生产层；(2)能有效封隔油层、气层和水层，防止气窜、水窜；(3)可以进行分层测试、分层开采和分层酸化等各种分层工艺措施；(4)可进行无油管完井、多油管完井等。

(5)除裸眼完井方法外，比其他完井方法都经济。

射孔完井法的主要缺点是：在钻井和固井过程中，油气层受钻井液和水泥浆的侵害较为严重；由于射孔孔眼的数目和深度有限，油气层与井底连通面积小，油气流入井内的阻力较大。

3.割缝衬管完井法割缝衬管完井法是在裸眼完成的井中下入割缝衬管的完井方法。与裸眼完井相对应，割缝衬管完井也分先期和后期两种工序。先期割缝衬管完井是在钻达油气层顶部时下套管固井，然后换小钻头打开油气层，最后在油气层的裸露部分下入一根预先在地面打好孔眼或割好缝的衬管，并用卡瓦封隔器将衬管悬挂固定在上部套管上。图5-15为直井先期割缝衬管完井示意图。后期割缝衬管完井是直接钻穿油气层后，才对油气层以上的井段注水泥固井。图5-16为直井后期割缝衬管完井示意图。油气只能经过衬管的孔眼或割缝才能流入井中。割缝衬管完井法可以防砂和保护井壁，但无法进行分层开采。它工艺简单、操作方便、成本低，多用于出砂不严重的中粗砂岩油气层，可在直井、定向井以及水平井中采用。

图5-15先期割缝衬管完井

图5-16后期割缝衬管完井

4.砾石充填完井法对于胶结疏松、出砂严重的地层一般采用砾石充填完井方法。该方法能够有效保护井壁、解决防砂问题，但施工工序复杂。砾石充填完井法分为裸眼砾石充填完井和套管砾石充填完井两种方法。

裸眼砾石充填完井是在套管下到油气层顶部固井后，再钻开生产层，并用井下扩孔器对油气层部位进行扩孔，然后下入绕丝筛管，采用循环的方法用液体把预先选好的砾石带至井内，充填于井底。裸眼砾石充填完井的优点是流动面积大、流动阻力小，缺点是无法进行分层开采。图5-17为裸眼砾石充填完井示意图。

套管砾石充填完井是在钻开油气层后，下套管固井、射孔。清洗射孔炮眼后，下入绕丝筛管，充填砾石。用该方法完井可以进行分层开采。套管砾石充填完井现在多采用高密度充填，其效率高、防砂效果好、有效期长。图5-18为套管砾石充填完井示意图。

图5-17裸眼砾石充填完井

图5-18套管砾石充填完井

砾石充填完井方法在直井、定向井中都可采用。但在水平井中应慎用，因为在水平井中易发生砂卡，砾石充填失败则不能达到防砂目的。

三、完井井口装置在油气井测试和生产过程中，都必须有一套绝对可靠的井口装置，以便能有控制、有计划地进行井内作业和油气生产。完井井口装置是装在地面用以悬吊和安放各种井内管柱，控制和引导井内油气流出或地面流体注入的井口设备。完井井口装置通常包括套管头、油管头和采油树三大主要部件。

完井井口装置的类型应根据油气层的特点来确定。低压油气井的井口装置比较简单，只要密封环形空间，装上油管头和采油树即可。对于高压油气井，则要求具有足够的强度和可靠的密封性。同时还必须满足安全测试、酸化压裂和采油、采气等工艺的要求。对于含硫化氢的油气井应该采用防硫井口装置，以保证安全生产。

1.套管头如果油气层压力较低，且各层套管的固井水泥均返至井口，可以不装套管头，只需用环形铁板将环形空间封焊住，采油树直接装在油管头的法兰盘上。

对于要求较高的油气井，固井后一般要装上套管头，以密封两层套管间的环形空间、悬挂第二层套管柱并承受部分重力。套管头钻井时可用于安装井口防喷器。

套管头下端的丝扣与技术套管连接，油层套管通过卡瓦坐在套管头的斜坡内。卡瓦上有用钢垫圈压紧的抗油密封，密封其环形空间。套管头上端法兰用于连接油管头。

如果水泥未返至井口，水泥固结点以上为自由套管柱。当井内温度、压力等变化时，套管长度会随之伸长或缩短，从而引起套管柱自身及套管头的受力情况发生变化。影响井内自由套管柱受力的因素有套管自身重力、温度变化、井内钻井液、油气或注入流体的密度变化、套管柱内液面高度变化等。安装套管头时应对这些影响进行分析和计算，确定合理的套管柱初拉力值。保证自由套管柱的下部不至于受压弯曲、失去稳定而破坏；上部套管柱要能承受最大拉力负荷，不发生丝扣滑脱或套管断裂。目前已有比较成熟的计算方法，保证在油井开采过程中，自由套管柱处于有利的受力状态而不至于发生破坏。

2.油管头油管头用于密封油管和生产套管的环形空间，悬挂油管柱和安装采油树。高压油气井目前多采用由特殊四通和锥形油管挂组成的油管头。

在油层套管固井后，将油管头的四通装在套管头的法兰上。下完油管后将锥形油管挂连接在油管柱的上端，再用提升短节送至特殊四通的锥面座上，并用顶丝将锥形油管挂顶紧。油管和油层套管之间的环形空间通过油管挂及其上的密封环和O形密封圈密封。

应注意坐入锥形油管挂时不能猛提猛顿，不要碰伤其密封部位。

3.采油树采油树是由各类闸阀、四通或三通以及节流阀等配件组成的总成。采油树安装在油管头上面，用以控制油气流动，进行有计划的安全生产以及完成测试、注液、酸化压裂等作业。

四、完井工艺完井工艺因油气井完成方法不同而异。经常进行的工作有射孔，下油管，安装井口装置，诱导油气流，完井测试，酸化投产等。

1.射孔目前国内外大多数井都采用射孔完井方法完成。广泛使用聚能射孔器(即射孔枪)完成射孔作业。射孔枪装好射孔弹后，被输送到井内的预定位置。引爆聚能射孔弹就可产生高温、高压、高速的喷射流直奔目标位。

射孔弹炸药的爆炸是迅速的物理化学热反应，温度高达3000～5000℃。由于温度极高，产生了极热的气态物质，体积迅速膨胀到原来的200～900倍，将处于强烈压缩状态的势能瞬间变成动能。该动能冲击波的速度可达200～800m/s，使爆炸点周围压力急剧升高，可达几千至几万兆帕。利用爆炸时具有方向性的特点，将炸药做成锥形凹槽状。其聚焦作用导致在焦点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、水泥环，并在地层中形成一定深度的孔眼。

射孔时井底压力大于油气层压力叫做正压射孔。正压射孔后的残渣和碎屑难以从地层中排出，会造成射孔通道的堵塞，极大地伤害油气层。射孔时井底压力小于地层压力叫负压射孔。负压射孔后在压差作用下地层流体马上可以流向井底，从而能带出残渣，不污染产层。负压射孔是近年发展起来的新型射孔技术，已广泛地用于生产。

现代射孔工艺有电缆输送套管枪射孔、电缆输送过油管射孔、油管输送射孔、油管输送射孔联作、高压喷射和喷砂射孔、定方位射孔、超高压正压射孔、连续油管输送射孔等工艺技术。

过油管射孔的工艺过程如下：将油管下到井内，在采油树上安装封井器、防落器、防喷管、防喷盒。将射孔枪、电缆接头和井下仪器装入防喷管内，并与电缆相连。安装就绪后，打开防落器和封井器，借助于电缆把射孔枪下出油管鞋。放射性测井校对井深后对准层位引爆射孔。然后起出电缆，当射孔枪和井下仪器进入防喷管后，立即关闭采油树总闸门。放掉防喷管内的压力，再卸掉采油树以上的装置。

过油管射孔具有负压射孔的优点，特别适合不停产补孔和打开新层，避免关井和起、下油管。但由于受油管直径的限制，无法实现高孔密和深穿透，一次射开的产层厚度受限。目前多用于海上油气井和不停产井。

油管输送射孔工艺是把射孔枪接在油管柱上，借助于油管把射孔枪送到射孔位置。射孔前用射孔液造成负压环境。坐好油管串，安上封井器，放射性测井校深后，对准层位引爆射孔弹，丢枪后试油。引爆方式有投棒引爆、油管加压引爆、环空加压引爆、电引爆等多种，从油管内投入铁棒撞击引爆最简单、也最常用。

油管输送射孔工艺的特点是能实现高孔密、深穿透，负压清洁孔眼效果好、安全性高，特别适用于斜井、水平井以及稠油井，高压地层和气井必须采用。

2.下油管油管是地下油气流向地面的通道，也是用来实现洗井、压井、酸化、压裂等措施的工具。油管是用优质钢材制成的无缝钢管，用接箍连接成油管柱。油管柱最下端的油管鞋是一个小内径的油管短节，用于防止井下压力计及其他入井工具掉落井底。

下在油层部位的筛管即为割缝或带眼油管。长度一般在6～8m，孔眼直径为12mm。所开孔眼的总面积要大于油管内截面积，目的是增大油气流动通路，防止较大岩屑进入油管内，弥补由于油管鞋截面积过小而影响产量。

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由于油管柱与套管间的环空由油管挂密封，由地层流入井内的油气只能进入筛管并沿着油管上升到地面。采油树与地面采油管线相连,有控制地将油气从井内输出。

3.诱导油气流下完油管、安装好井口装置后，下一步的工作一般是诱导油气流。对于因井内液柱压力过高而不能自喷的油气井，应设法降低井内液柱高度或流体密度，从而降低液柱压力，诱导油气流进入井内。常用的方法有替喷法、提捞诱喷法、抽汲诱喷法和气举法等。

1)替喷法用原油或清水等低密度液体将井内的钻井液循环替出，降低液柱压力以诱使油气流入井内的办法称为替喷法。替喷时清水从油管注入井内，逐步替出井内钻井液。对于高压井或深井，为了不致造成井内压力变化过猛，可以先用轻钻井液替出重钻井液，再用清水替出轻质钻井液的办法进行替喷，确保井身安全。

2)提捞法提捞诱喷法是用特制的提捞筒，将井筒中的液体逐筒地捞出来，以降低液柱高度、诱导油气流进入井内。这种方法一般是在替喷后仍然无效的情况下采用。

提捞诱喷法的一种变化称为钻具排液法。可以把装有回压阀的下部钻具视为一个长的提捞筒，速度较快地将井内液面降低1000～1500m。

3)抽汲法抽汲法实际上是在油管柱内下入一个特制的抽子，利用抽子在油管内上下移动形成的部分真空，将井内部分清水逐步抽出去，从而降低井内液柱高度，达到诱喷的目的。

抽汲法可将井内液柱高度降到很低。抽子下行时阀打开，水从抽子中心管水眼流入油管内；上提抽子时阀关闭，油管内的水柱压力使胶皮胀开紧贴油管内壁而起密封作用。抽子之上的水柱随抽子上移而被排出井口。替喷后仍不能自喷的井，可采用抽汲法诱喷。

4)气举法气举法与替喷法的原理类似，只是替入井内的不是清水而是压缩空气。气体是从环空注入而不是经油管注入。由于气体密度小，只要油气层伤害不是很严重，一般气举后可达到诱喷的目的。在某些有条件的地区，还可以用邻井的高压天然气代替压缩机进行气举。对替喷无效的井，也可采用气举法诱喷。

4.完井测试完井测试的主要任务是测定油气的产量、地层压力、井底流动压力、井口压力以及取全取准油、气、水的资料，为油气开采提供可靠的依据。

1)油气产量的测定从油气井中产出的油、气、水进入分离器后，气体经分离伞从上部排出，油和水沉降下来。玻璃连通管中的液面高度能反映分离器内油水液面的变化。记录玻璃管中液面上升一定高度所需的时间，就能算出每口井的产液量，经采样分析可得到油水含量。

通常用节流式流量计测定天然气的产量。流量计的孔板直径要适应天然气的产量范围。

2)地层压力和井底流动压力关井待井内压力恢复到稳定后，用井下压力计测得的井底压力即为地层压力。也可用关井井口压力和液柱压力计算得出地层压力。对于渗透性差的地层，关井使井内压力恢复需要很长时间。为了节省时间，可根据一段时间内的压力恢复规律推断地层压力。

井底流动压力是指稳定生产时测得的井底压力。如果是油管生产，由套压和环空液柱压力可算得井底流动压力。

3)井口压力油气井井口压力包括油压和套压。油压反映井口处油管内压力，套压反映井口处油管与套管环形空间的压力。生产时油压和套压不同，关井压力稳定后油压和套压应相等。可以在地面上通过压力表读得这两个压力值。

4)油、气、水取样取样是为了对产层流体进行分析和评价。因此，要求取出的样品具有代表性和不失真。一般情况在井口取样。有时为了保持油气在地下的原始状态，需要下井下取样器到井底取样并封闭，然后取到地面用于测试和分析。

思考题

1.钻井的作用是什么?2.现代旋转钻井的工艺过程特点是什么?3.井身结构包括什么内容?4.钻井工艺发展经历了几个阶段?有些什么特点?5.石油钻机由哪些系统组成?各个系统的作用是什么?6.防喷器有哪些类型？各有什么用途？

7.钻柱主要由哪几种部件组成？

8.方钻杆为什么要做成正方形?9.扶正器、减振器、震击器等辅助钻井工具各有什么用途?10.普通三牙轮钻头主要由哪几部分组成?11.石油钻井使用的金刚石钻头有哪些类型?各在什么条件下使用?12．钻井液的功用是什么?13．水基钻井液由哪些部分组成？属于什么样的体系？

14．钻井液性能的基本要素有哪些？

15．钻井液密度与钻井工作的关系如何?16．怎样优选钻头？

17．井斜控制标准是什么?18．压井循环的特点是什么？

19．常规井身轨迹有哪几种类型？

20．井内套管柱主要受哪些外力作用？设计套管柱的基本原则是什么?21．套管柱由哪些基本部件组成？

22．描述注水泥的基本过程。

23.钻开油气层时常采取哪些保护措施?24．目前常用哪几种完井方法?25.诱导油气流的主要方法有哪些?26.完井井口装置有哪些部件?各起什么主要作用?