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套管设计
本章讨论的主要内容是:(1)油井套管的主要功能,(2)不同套管类型,(3)套管设计程序。
介绍
在钻井和完井作业中,套管有如下几个功能:钻井作业中防止井壁坍塌;隔离井眼、地表以及地层间的流体;在钻井过程中减小地面、地下环境污染;套管为钻井液返出地面提供了一个高强度的导流通道;使用防喷器安全地控制了地层压力;对封固后的套管进行选择性射孔,可以隔离工业油层间的连通。
当探索开采更深的工业油层时,成功钻达目的层需要更大数目和不同尺寸的套管柱。套管已经成为钻井程序中最昂贵的部分;研究表明,套管柱的费用占完成一口井1全过程费用的18%,所以整个钻井设计过程中,在确保安全操作的前提下,节约套管费用是钻井工程师的一个主要努力方向。在钻井工程设计阶段除了通过最优的设计方案,成功地钻越地层外,避免不合理设计造成的失败风险,也得费相当一番功夫。
。一口井如果无高压层、无漏失层、无盐层,那么只下导管和表层套管就可钻达预定层位。钻井初期钻机下面的基础没有损坏,钻井液可以通过导管循环至振动筛。导管也用来保护下部套管不受腐蚀,并且用来支持井口设备载荷。在钻达表层套管期间,导管上面装有导流系统可将地层溢出流体导向一个非正常出口,远离钻井人员和设备。表层套管防止疏松薄弱地层和上部软沉积层坍塌,并且保护上部淡水砂层免受污染。表层套管也用来支持和保护下层套管不受腐蚀。发生井涌时,关闭防喷器组,表层套管通常要容纳这些涌出的流体。
套管下到足够地层深度,以至于不能阻止套管位置以下因地层破裂诱发的压力传输到地表,从而使流体达到防喷器的位置,这时应该立即关闭防喷器组。若不及时关闭防喷器,地层流体就会不断从裂缝处涌出,最终将裂缝磨蚀成一个大的喷口,直径可达几百英尺,足以吞没整台钻机。表层套管通常下深到800—5,000 ft的沉积岩层。由于可能污染含水层中的浅层水,所以表层套管下深和固井作业必须依据政府规范条例进行。
穿越异常高压层、漏失层、不稳定页岩层和盐水层的深井,表层套管和完井井深之间通常需要下放一层或多层中间套管()。当异常高压层位于深部时,需要下放中间套管来保护表层套管以下的地层,以免被高密度钻井液压漏。同样,如果发现常压层在异常高压层之下,添加中间套管可通过降低深层钻井液密度来节约钻井成本。在穿越漏失层、不稳定页岩层和盐水层后,也可能使用中间套管来防止钻越下部地层时发生事故。
尾管是不达到井口,悬挂在上级套管和井底之间的套管段()。在尾管顶部和上级套管鞋之间几百英尺的重合段内填充性能良好的水泥塞。使用尾管的主要目的是降低成本,然而有时会发生井漏或者悬挂器出问题。随后的钻进期间会使尾管上部裸漏套管受到磨损。钻井技术尾管的作用类似于中间套管,它们的作用是为了钻井作业中隔离引起问题的事故层。
生产套管下放在油层段。生产套管防止在以后的采油作业、更换油管和修井作业中由于油管损坏而污染环境。生产尾管下放到该井的油层段,完井后生产尾管通常回接到井口,回接的套管用特殊连接器与尾管相连。如果计划钻探下部油层段,回接后的油层尾管对以后的作业非常有利。由于钻井作业而导致的套管磨损,限制了井的深度,并且在加深阶段,钻井液已经不能充分显示出对油层段潜在的损害。采用回接生产尾管工艺,使上部悬重较低。这是一种更为经济的设计手段。

在套管的制造中包括三个基本处理过程:(1)无缝处理(2)电阻焊(3)电火花焊。在无缝处理的过程中,首先用一个装有旋转打孔铣具的心轴为柱状钢材钻孔。将经过热处理的钢材放进铣床,由两个斜向卷轴将其夹紧,旋转着将钢材送进一个装有中心打孔塞的铣具()。再用柱塞状铣具对带孔钢材进行扩眼处理,最后用两个单槽卷轴夹紧钢材,通过中心塞状铣具将管壁铣薄()。采用设计上与打孔铣具相似的卷取机将管柱表面抛光,形成统一壁厚()。最后,在设计上与塞状铣具相似的尺寸铣床上将管柱加工成统一直径和圆度()。
在电焊过程中,钢材被切割成平面型,不添加任何金属将两个边缘焊接在一起,形成设计的管材。电阻焊的加工过程是连续将套管钢材围成圆筒放进机器成型,然后用电弧焊接而成,管柱离开机器时被切割成设计的长度。电火花焊接工艺过程是将钢板切割成设计的直径,与管材完全相同的长度,放电火花将两个边缘压在一起焊接而成。一切焊接过的管柱放置几天,使钢材充分变形以增加其弹性限度。这个过程在纵向应力上增加其弹性限度,横向上减小其弹性限度。套管的名义尺寸是指它的外径。给定尺寸的套管强度由钢材的屈服强度和壁厚来控制。用于套管的钢材可塑性极强(%)而且标准钢材需加入少量锰混合制成以增加其强度。也可以通过淬火和煅烧(Q&T)处理来增加其强度,由于使用这种