第十章 完井与试油投产

第十章完井与试油投产

完井（well completion）是油田开发过程中的重要环节，是从钻开油层到下套管固井、射孔、下生产管柱、排液，直至投产的一项系统工程。完井工程的设计水平和施工质量对油井产能和油田开发的经济效益具有决定性的影响。完井工程有两个核心：一是从钻开油层开始到试油投产的全过程都要保护好油层，发挥油层的最大产能；二是利用完井优化设计，充分利用油层能量，用合理的方法使油井投入生产。

完井工程设计必须与采油工程和油藏工程相结合，以最大限度地提高油田总体开发效益为出发点，对完井工程中的各个环节提出技术要求，保护好油层，并使整个工程系统最优化。设计内容主要包括：油田地质与油藏工程基础、钻开油层的钻井液、完井方法及选择、油管及生产套管尺寸的确定、生产套管设计、注水泥设计、固井质量评价、射孔及完井液、完井测试评价、完井生产管柱、投产措施及其经济评价等。

完井设计的目标是针对具体的油气层特征，选择合理的完井方式，优化完井施工工艺参数，创造最佳的油层和井底的沟通条件；试油设计的主要目标是通过选择合理的试油工艺，取准取全油、气层基础参数，为认识和评价油气层提供依据；而完井投产则是根据储层特征、完井测试、储层伤害情况等提出适宜的投产措施。

本章主要从采油工程对完井设计要求的角度出发，阐述油井完井方式选择、射孔工艺设计方法、试油工艺及其投产措施。

第一节完井方式选择

油井的完井方式主要是指在油层或探井目的层部位的井身结构，它反映油层与井筒的沟通方式。目前完井方式有多种类型，以满足不同性质油气层有效开发的需要，但各有其适用条件和局限性。不同的完井方式的井底结构、井口装置以及完井工艺方面都有所不同。从采油工程的角度出发，理想的完井方式应努力满足以下技术要求：

（1）油气层与井筒之间应具有最佳的连通条件，油气层所受的伤害最小；

（2）油气层与井筒之间应具有尽可能最大的渗流面积，油气入井的阻力最小；

（3）能有效地分隔油、气、水层，防止各产层之间的相互干扰；

（4）能有效地控制油层出砂，防止井壁坍塌，确保油井长期生产；

（5）应具备便于实施人工举升、井下作业（如压裂、酸化及修井）以及各项分层措施等条件；

（6）工艺简便，成本低廉，完井速度快。

油井一旦完成后，其井底结构就不容易更换。因此，应根据油气层的地质特点，参考本地区的实际经验，慎重地选择适宜的完井方式。

一、直（斜）井完井方式

目前国内外常用的完井方式有裸眼完井、套管或尾管射孔完井、割缝衬管完井以及基于防砂目的的裸眼或管内砾石充填完井。为了降低完井及开发成本以利于经济地开发低产油层，又出现了永久完井法、无油管完井法以及多油管完井法等新工艺。本节主要介绍裸眼完井法、射孔完井法、割缝衬管/筛管完井及砾石充填完井方式。

1.裸眼完井

裸眼完井（open hole completion）分为先期裸眼完井、复合型完井和后期裸眼完井三种方法。

先期裸眼完成法（图10-1）是钻头钻至油层顶部附近后，取出钻具下套管注水泥浆固

井，水泥浆从套管和井壁之间的环形空间上返至预定高度，待水泥浆凝固后，从套管中下入直径较小的钻头，钻穿水泥塞和油层，直至达到设计井深。

对于油层较厚、油层上部有气顶或顶界附近有水层时，此时可以将生产套管下过油气界面，用以封隔上部的气顶，然后下部裸眼完成，必要时可以再将上部的含油段射开。这种类型的完井称为复合型完井法（图10-2）。

后期裸眼完井（图10-3）是当钻头钻至油层顶部附近后，不用更换钻头，用同一尺寸的钻头钻穿油气层直至设计井深，然后下套管至油气层顶部，注水泥固井。为了防止固井时水泥浆损害套管鞋以下的油层，通常在油层段垫砂或替入低失水、高粘度的钻井液，防止水泥浆下沉。

裸眼完井方式的主要优点是产层完全裸露，产层具有最大的渗流面积，流线平直，符合平面径向渗流规律，这种井称为水动力学完善井，其产能较高。此外，由于井底没有任何设备，也不需要诸如射孔、砾石充填等工序，因此工艺简便，成本低，完井速度快。

与后期裸眼井完井方式相比，先期裸眼完井还具有下述优点：

（1）先期完井由于在钻开之前已经完成了固井工序，因此在起钻、下套管、挤水泥浆期间，泥浆对产层没有任何影响。即缩短了泥浆对产层的浸泡时间；

（2）消除了高压油气对固井的影响，有利于提高固井质量；

（3）钻开产层时已经排除了上部地层的干扰，为采用清水或其他符合产层特性的优质钻井液打开产层或采用平衡钻井创造了良好条件。

图10-1 先期裸眼完井图10-2 复合型完井图10-3 后期裸眼完井应当注意：在地质情况不甚清楚的探区先期完井时，如果未能弄清油层部位，则有可能无法保证刚好将套管下至产层顶部。套管下得过高，封不住上部坍塌地层，给今后的油井开采带来困难；下得太低，一旦钻开油层，则等于后期完成，还有可能造成井喷事故。可见，先期完成最重要的是弄清层位，卡准套管下入深度，确保套管下至产层顶部。目前，后期裸眼井完井在现场中已经很少使用，它仅限于地层情况了解不够的探区。

裸眼完井方式存在如下主要缺点：

（1）不能克服井壁坍塌和油层出砂问题；

（2）不能克服整个生产层内不同压力油、气、水小层之间的相互干扰；

（3）不能进行选择性酸化或压裂等分层作业；

（4）不能实现分层开采和控制；

（5）先期裸眼完井法在下套管固井时不能全部掌握产层的真实资料，继续钻进时如遇特殊情况容易给钻进造成波动。

因此，裸眼完井仅能适用于岩层坚硬致密，无含水夹层，无易坍塌夹层的单一油气层或一些油气层性质相同、压力相似的多层油气层。因裸眼完井方式难以进行增产措施、控制

底水锥进和堵水，现多转变为套管射孔完井。

2.射孔完井

射孔完井（perforated completion）是国内外应用最为广泛的一种完井方式，包括套管射孔完井和尾管射孔完井。

套管射孔完井（图10-4）是先钻开油层至设计井深，将油层套管下至油层底部注水泥固井，然后再下入射孔枪对准产层进行射孔，射孔弹射穿套管、水泥环并穿透油层一定深度，建立起油流入井通道。

尾管射孔完井（图10-5）是在钻头钻至油层顶界后，下套管注水泥固井，然后下小一级的钻头钻穿油层至设计井深，用钻具将尾管送下并悬挂在套管上，再对尾管进行注水泥固井，然后实施射孔。

尾管射孔完井在钻开油层以前上部地层已被套管封固，因此，可以采用与油层配伍的钻井液，采用平衡或欠平衡的方式钻开油层，有利于保护好油层；同时此类完井可以减少套管的重量和固井水泥的用量，降低完井成本。

图10-4 套管射孔完井示意图图10-5 尾管射孔完井示意图由于产层多数都存在层间干扰问题，加之射孔工艺技术的发展使完井的某些缺点已经得到克服。因此，目前国内外90%以上的油气井都是采用套管射孔完成，对于较深的油、气井大多采用尾管射孔完成。

射孔完井的优缺点见表10-1。

表10—1 射孔完井的优缺点

3.割缝衬管完井(slotted liner completion)

衬管是指割缝的钢管，筛管是指在钢管上预先打孔或割缝后，再用不锈钢丝绕制的防砂管。

衬管完井法有两种完井工序。一是用同一尺寸钻头钻穿油层后，套管柱下端连接衬管下入油层部位，通过套管外封隔器和注水泥接头固井，封隔油层顶界以上的环形空间，如图10-6所示。这种完井工序的缺点是井下衬管一旦损坏就无法修理或更换，目前基本不采用。

另一种完井工序和先期裸眼井完井法相似。先钻至产层顶部，下套管注水泥固井，待水泥凝固后，再从套管中下入直径较小的钻头钻穿油、气层达设计井深。和先期裸眼完井不同的是：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把衬管的重量悬挂在套管上，并密封套管和衬管之间的环形空间，使油气只能通过衬管上的孔眼或割缝流入井内。如图10-7所示。

图10-6 割缝衬管完井示意图图10-7 改进割缝衬管完井示意图采用这种完井工序的油层不会受到固井泥浆的伤害，可以采用与油层相配伍的钻井液或其他保护油层的钻井技术钻开油层。当衬管发生磨损和故障，还可以把它起出来进行修理或更换。

割缝衬管完井法是目前主要的完井方式之一。它既起到裸眼完井的作用，又防止了裸眼井壁坍塌堵塞井筒，同时在一定程度具有防砂的作用。由于这种完井方式的工艺简单，操作方便，成本低，因此在一些出砂不严重的中粗砂粒油层应用较多，特别是在水平井中使用较普遍。

4.砾石充填完井(gravel pcak completion)

对于胶结疏松出砂严重的地层，一般应采用砾石充填完井方式。它是人为地在衬管和井壁之间充填一定尺寸的砾石，使之起防砂和保护生产层的作用。充填砾石的方法可分为直接充填和预充填两种。

直接充填是先将绕丝筛管或衬管下入井内油层部位，然后用充填液将地面上预先选好的砾石泵送至绕丝筛管（或衬管）与井眼或绕丝筛管与套管之间环形空间内，构成一个砾石充填层，以阻挡油层砂流入井筒，达到保护井壁、防砂入井的目的。

预充填砾石绕丝筛管是地面预先将符合地层特性要求的砾石填入具有内、外双层绕丝筛管的环形空间而制成的防砂管，将这种筛管下入井内，对准油层部位进行防砂。与砾石充填相比，使用该防砂方法的油井产能低，防砂有效期短。它不能像井下砾石充填那样，能防止

油层砂进入井筒，只能是当油层砂进入井筒后阻止其不再进入油管。该方法工艺简便、成本低，在一些不具备砾石充填条件的防砂井中，仍是一种有效的方法。

砾石充填完井一般都使用不锈钢绕丝筛管，而不使用割缝衬管，其原因是：

（1）割缝衬管的缝口宽度受割刀强度的限制，0.5mm以下割缝宽度加工较困难，因此，它只能用于中、粗砂岩的储层防砂。绕丝筛管是由异形（三角形）不锈钢丝绕在割缝的中心衬管上进行防砂，缝隙宽度最小可达0.12mm，故其适用范围大。

（2）绕丝筛管是由连续绕丝形成的连续缝隙，其流通面积大，流体通过筛管时几乎没有压降，且绕丝筛管的断面为外窄内宽梯形，具有一定“自洁”的功能，轻微的堵塞可被产出流体疏通，其流通面积比割缝衬管大。

（3）绕丝筛管以不锈钢丝为原料，其耐腐蚀性强，使用寿命长。虽然成本是割缝筛管的2~3倍，但综合效益高。

砾石充填防砂的优点是能有效地把地层砂限制在产层内，从而使地层保持稳定的力学结构。并且较厚的砾石层和筛管组成的二级挡砂体系，可以非常有效地防止油层砂产出。相反，衬管/筛管完井方式由于没有砾石层，在地层疏松、流速较高及时间较长时，地层有可能垮塌，缝隙可能被完全堵死。因此，衬管/筛管完井只是一种短期防砂方法，并只适合于出砂不严重的地层和低产井。而砾石充填是一种高效、长期的防砂方法，适宜于疏松地层及高产井。当然，这种砾石充填完井，不论施工的难度和成本，都要比衬管/筛管完井高得多。

为了适应不同油层特性的需要，裸眼完井和射孔完井都可以充填砾石，分别称为裸眼砾石充填和套管内砾石充填两种方式。

（1）裸眼砾石充填完井(openhole gravel pack)

在地质条件容许使用裸眼而又需要防砂时，就应该采用裸眼砾石充填完井方式。其优点是渗流面积大，产量高，阻力小。充填层因扩孔厚度大，结构稳定。其缺点是工序复杂，井下滤饼使产量下降。

裸眼砾石充填完井工序是钻头钻达油层顶界以上约3m后，下技术套管注水泥固井，再用小一级的钻头钻穿水泥塞，钻开油层至设计井深，然后更换扩张式钻头将油层部位的井径扩大到技术套管外径的1.5至2倍，以确保充填砾石时有较大的环形空间，增加防砂层的厚度，提高防砂效果。如图8-5a所示。

（2）套管内砾石充填完井(cased hole gravel pack)

对已下套管和射开多层或薄生产层的井或要求封隔气、水夹层及易坍塌层等的井，需要采用套管内砾石充填。与裸眼井充填相比，管内充填井采油指数要低得多，为此应采用高孔密、大孔径、负压射孔。

套管内砾石充填完井的基本工序是：钻头钻穿油层至设计井深后，下油层套管于油层底部，注水泥浆固井，然后对油层部位射孔。要求采用高孔密（30孔/m左右）、大孔径（20mm 左右）射孔，以增大充填流通面积，有时还把套管外的油层砂冲掉，以便于向孔眼外的周围油层填入砾石，避免砾石和地层砂混合增大渗流阻力。如图8-5b所示。

以上主要介绍了不同完井方式的特点及其使用条件。实际上，为了解决油层出砂问题，还可以采用金属纤维防砂筛管、陶瓷防砂筛管、多孔冶金粉末防砂筛管、多层充填井下滤砂器以及化学固砂等方法完井。

各种完井方法适用的地质条件见表10-2。

表10-2 斜（直）井各种完井方式适用的地质条件

二、水平井完井方式

目前常用的水平井完井方式主要有裸眼完井、割缝衬管完井、带管外封隔器（ECP）的割缝衬管完井、射孔完井、砾石充填完井和智能完井等，各种完井方式的优缺点如表10-3所示。

1.裸眼完井

裸眼完井法是一种最简单的水平井完井方式，它把技术套管下至预计的水平段顶部，注水泥固井封隔，然后换小一级钻头钻水平井段至设计长度完井，如图10-8所示。

图10-8 水平井裸眼完井示意图

裸眼完井主要适用于碳酸岩等坚硬、不易坍塌地层，特别是一些垂直裂缝地层。如美国

奥斯汀白垩系地层，具体可参见表10-3。

2.割缝衬管完井

割缝衬管完井法是将割缝衬管悬挂在技术套管上，依靠悬挂封隔器封隔管外的环形空间。割缝衬管要加扶正器，以保证衬管在水平井眼中居中，如图10-9所示。该完井方式简单，既可防止井塌，又具有较高渗流面积。该完井方式也可用于分支井及多底井等复杂井底结构。

图10-9水平井割缝衬管完井示意图

3.带管外封隔器（ECP）完井

带管外封隔器（external casing packer）完井法是依靠管外封隔器实施层段的分隔，可以按层段进行作业和生产控制。其使用条件参见表10-3。管外封隔器完井法有三种形式，如图10-10、图10-11和图10-12所示。

表10-3 各种水平井完井方式的优缺点及使用条件（续）

图10-10 ECP+衬管完井示意图图10-11 ECP+滑套完井示意图

4.射孔完井

射孔完井方式是将套管下过直井段，注水泥固井后在水平段内下入完井尾管，注水泥固井。完井尾管和套管重合100m左右为宜，最后在水平井段实施射孔，如图10-12和图10-13所示所示。

这种完井方式将层段分隔开，可以进行分层增产及注水作业，可在稀油和稠油油藏中使用，是一种非常适用的方法。使用条件参见表10-3。

图10-12 ECP+射孔完井示意图图10-13 水平井射孔完井示意图

5.砾石充填完井

在水平段内，无论是进行裸眼井下砾石充填还是套管内井下砾石充填，其工艺都很复杂。水平井裸眼预充填砾石绕丝筛管完井，其筛管结构及性能同垂直井，但使用时应加扶正器，以使筛管在水平段居中，如图10-14所示。水平井套管内预充填砾石绕丝筛管完井是先射孔完井，然后下入预充填绕丝筛管，如图10-15所示。

图10-14 水平井裸眼预充填砾石筛管完井图10-15 水平井套管内预充填砾石筛管完井水平井防砂完井方式多采用预充填砾石筛管、金属纤维筛管或割逢衬管等方法，一般不采用井下砾石直接充填方式，主要原因是：

（1）裸眼井下砾石充填时，在砾石完全充填到位之前，井眼有可能已经坍塌；

（2）裸眼井下砾石充填时，扶正器有可能被埋在疏松地层中，因而很难保证筛管居中；

（3）裸眼及套管井下砾石充填时，充填液滤失量大，容易伤害储层，而且在现有泵送设备及充填液性能条件下，其充填长度受到限制（低于600m）。

砾石充填完井的适用条件及优缺点参见表10-3。

6.智能完井

智能完井(intelligent well completion)技术是一种能在多层段（图10-16）或多分支井（图10-17）中，从地面进行控制、分析、管理油井的完井系统。智能完井系统都带有井下传感器，能实时采集生产数据（如流体流量、压力和温度等），并通过水力式、电子式或者光纤─水力式操作阀或滑套开关对每个生产油层进行井下生产控制，实现油井和油田的实时控制和优化。

图10-16智能完井在直井中的应用

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图10-17 智能完井在水平井中的应用

智能完井系统特别适用于包括海下油井、深水油井、多分支井、大位移水平井、远距离无人操作的油井等。智能井技术是最近几年来生产技术中最尖端的突破之一，它具有以下优点：

(1)可以减少生产干扰，避免常规采油作业带来的风险，便于管理，适用于边远、偏僻地区。智能完井可以在地面上识别流入控制位置，能在地面上选择性地开或关某一油层，实现在不关井的情况下进行井身结构重配。

(2)智能完井有实现地面远程遥控的功能，所以这项技术特别适合于管理沙漠或海上的油田。

(3)防止在生产层和混采层之间窜流，可以控制气、水锥进，改善生产能力，提高油田最终采收率。智能完井上的传感器能够监测各油层油、气、水的流动状况，修正油井工作制度。一旦生产过程中出现水或气的锥进时，可以通过油井配产来延缓水、气锥的发生，改善生产能力，提高油田最终采收率。

(4)智能完井具有实时监测的功能，获得生产层实时井下信息，并将监测到的信息资料传输到地面的计算机中存储起来，由于信息是长期持续记录的，从而可以克服不稳定试井分析引起的模糊性和不确定性。

(5)提高对油藏的认识程度，使作业人员对将来的井位和井网布置作出较好的决定。

(6)全面优化油藏管理和生产，减少各类井的数量，提高注入效率和最终采收率。

(7)提高电潜泵的性能，延长其寿命，缩短投资回收时间。

7.多分支完井（multilateral well completion）

近年来在定向井、大斜度井和水平井技术上发展起来一项新技术，即分支井钻完井，该技术能够提高油田的开采速度以及油藏的最终采收率，降低油藏的综合开发成本。分支井完井的主要要求：（1）保证交汇处地层的稳定性，实现分支井眼与主井眼的机械连接；（2）保证主、分支井眼的压力完整性，利用注水泥等方式实现液力封隔；（3）在后期进行作业和其它增产措施时，能够选择性地进入任何一个分支井眼。

目前根据分支井眼与主井眼的连接关系及压力系统完整性不同，将分支井完井方式分为6级，如图10-18所示。（1）TAML1级裸眼/无支撑连接，主井眼和水平井眼都是裸眼段或在两个井眼中用悬挂器悬挂割缝衬管。(2)主井眼下套管并固井，水平井眼或裸眼或以悬挂方式下割缝衬管。(3)主井眼下套管并固井，水平井眼下套管但不固井。用悬挂器将水平尾管锚定在主井眼上，但不固井。(4)主井眼和水平井眼都下套管并注水泥。主井眼和水平井眼在联接处都注水泥。(5)在连接处进行压力密封。在不能固井的情况下，用完井方法达到密封。(6)在连接处进行压力密封。在不能固井的情况下，用套管进行密封。

图10-18 多分支井完井类型

8.膨胀管完井

膨胀管完井技术（expandable well completion）是90年代初期逐步发展起来的当前石油行业的先进技术之一，对油气井钻井和完井具有重大意义。可膨胀管包括可膨胀实体管、可膨胀波纹管、可膨胀防砂筛管和可膨胀衬管悬挂器，主要用于在不减小井眼尺寸的情况下封堵各种复杂地层、对损坏套管进行补贴修复、作为各种井筒封隔器、延长技术套管长度和油气井完井。

膨胀管完井的筛管基木结构由3层组成：最内层为割缝基管，中间为过滤层，最外层为保护罩。其中，过滤介质是一种专门为膨胀防砂系统设计的金属织物，类似于将多层筛网叠合碾压在一起而成。由于提高了过滤面积与过流面积，该过滤介质抗堵塞能力较强。

膨胀筛管是以常规的尺寸下入井内预定位置，然后用驱动头驱动膨胀筛管产生永久变形，最后通过注入水泥固井或其他工艺满足作业需要。膨胀管封固技术的工艺流程主要包括扩眼、下入膨胀管、注水泥、膨胀筛管膨胀、钻开水泥等。

经过膨胀作业之后，膨胀筛管的外壁可以紧紧地贴在生产套管的内壁或者裸眼井的井壁上，实现“零环空”的要求。对于套管完井的井，“零环空”提高了套管的机械强度，降低了套管内壁的油层腐蚀，延长了套管的使用寿命；同时增大了近井眼地带骨架砂的地应力，减少了地层微粒运移的数量，一定程度上缓解了地层出砂。而对于裸眼完井的井而言，“零间隙”缓解了井眼地带地层剥落与坍塌程度，防止了微型环空中地层砂重新排列形成的低渗区，也减缓了对筛管的冲刷作用，延长了筛管的有效期。

膨胀管完井的优势在于可降低生产成本、可作为应变方案、能够进行选择性完井和层间隔离、并可提供优越的油井生产动态。

三、完井方式选择

选择完井方式必须是在油气藏类型和油气层特性研究的基础上，以满足油气井投入开采后所采取的一系列工程技术措施的要求为出发点，以能实现高效开采、延长油气井寿命为目标，选择最适宜的完井方式。

对注水开发的油田，由于注水贯穿于油田开发的全过程，而且注水压力接近油层破裂压力，特别是深井低渗透油层，其注水压力较高；另一方面，随着油田开发的深入，为了提高采收率，常常要求储层的精细划分和精细分层注采。因此在注水井选择完井方式时，要求能分隔层段，能根据油水井系统分析原理确定合理的注水压力，同时考虑生产套管强度和螺纹

密封性，保证注水井在长期承受高压的条件下正常工作。

对存在气顶、底水或边水的油藏，完井时必须充分考虑如何发挥气顶、底水或边水的有利作用，同时又能有效地控制其他不利因素。

对稠油油藏，因地下流体粘度高到几乎不能流动，因此用常规方法完井无法开采，必须采用热采。完井时既要考虑套管受温度的影响，用耐高温水泥固井，又要考虑防砂等问题。

对于油田开发中、后期的调整井，其目的是为了调整井网或油水井因损坏不能利用而重钻的油水井。这类井与原来钻开的开发井有很大的不同，主要表现在油水井压力系统、层间压力和油层含油饱和度都已发生了很大变化。层间压力差异大，有的夹层或油层已经坍塌，给钻开油层和固井造成很大的困难，因此调整井的完井要考虑变化后的特点。

对需要压裂、酸化的井，由于作业时排量大、摩阻高，因而施工压力高。这就要求在选择完井方式时，必须选择套管射孔完成，同时考虑生产套管强度和螺纹密封性。另外，采油工程中的防腐、注气等技术问题也是在选择完井方式时需要考虑的内容。

完井方式选择主要是针对单井而言。虽然单井属于同一油藏类型，但其所处的地理位置不同，所选择的完井方式也不尽相同。如油藏有气顶、底水，若采用裸眼完成，则应在技术套管上将气顶封隔住后，再钻开油层，而不钻开底水层。若采用套管射孔完成，则应避射气顶和底水。又如有边水油藏，采用套管射孔完成时，油田开发要充分利用边水驱动作用，避免射开油水过渡带。完井方式选择需考虑的主要因素见图10-19。

图10-19 完井方式选择需要考虑的因素

根据以上思路可确定出适用于具体油田地质、油藏工程条件和采油工程技术要求的完井方式，很可能满足这些要求的完井方式有多种，具体确定选用何种完井方式最有效，还应根据油井所在区域的油藏地质特征，进行不同完井方式的产能评价、产能递减分析以及经济评价来决定。

第二节合理油、套管尺寸确定

生产套管尺寸合理的选定，其顺序应当是根据油层能量大小并考虑采油工程的要求先确定不同采油方式下的合理油管尺寸，而后再选定可能的最小生产套管尺寸。这样可以克服传统作法中采油工程受生产套管尺寸的限制、许多油井无法采用适合的工艺技术、以及一些增产措施难以进行的缺限。生产套管尺寸的选定要考虑到油井开采全过程的油井类型、采油方式、增产措施、原油特性及采油工程要求等因素的影响。具体地说，对于常规采油井，其油管和生产套管尺寸应当是：

常规采油井油、套管尺寸=max{t1，t2，t3，t4}

式中t1——自喷阶段从生产优化目标出发所得的油、套管尺寸；

t2——所选人工举升方式下所获得的油、套管尺寸；

t3——满足增产措施要求的油、套管尺寸；

t4——其他特殊工艺要求的油、套管尺寸。

一、油管直径选择

选择油管直径必须从整个开采系统综合考虑。这是因为在投入开发以后，增产措施、强度要求、采油工艺配套技术等都会影响油管的尺寸。

1.根据产能和压力损失选择油管直径

节点分析方法是以油井产量最大或以油井自喷期的生产时间最长为目标，根据油井产能以及不同管径的压力损失，合理匹配油、套管直径。这已成为采油工程常规的分析方法。节点分析中应采用油井生产历程中可能达到的最大产量。根据辽河油田某井的油管尺寸敏感度分析（如图10-20所示），油井产量对油管尺寸非常敏感，油管尺寸从38mm上升到40.8mm 和50.3mm时，产量明显上升，再增加油管尺寸至62mm则产量会大幅度下降。

图10-20 沈77井产液量与油管尺寸的关系

2.根据强度要求选择油管直径

在油管柱设计中，要根据油井的参数对油管抗挤、抗内压力和抗拉强度进行计算校核。在管柱带有封隔器的情况下，还应计算活塞效应、螺旋弯曲效应、膨胀效应、温度效应产生的作用力和伸长，以及危险点处轴向应力和弯曲应力校核。一般情况下，当预定油管的强度达不到要求时，可采用外加厚油管或提高油管钢级，强度仍然不能满足求，此时就必须改换油管直径。

3.从采油工艺配套技术方面选择油管直径

选择油管直径除考虑上述因素外，还应从油层开采配套技术的应用方面进行选择。

1）井下工具的配套性

为实现井下控制，油井中需下入相应的井下配套工具，因此在选择油管直径时，还应考虑油管尺寸与这些工具的配套性能，以保证井下工具的灵活操作。一般情况下，根据油管尺寸已设计了相应的井下工具规格，可以根据油管尺寸合理选用。但是由于井下工具种类繁多，作用各异，有些井下工具受自身结构限制，目前尚未形成与各种油管配套的系列产品，而实际情况要求必须采用此种井下工具时，就不得不对油管尺寸进行适当的调整。

2）测试仪表的配套性

油田开采过程中，生产测试是动态监测的重要手段，生产测试主要包括流量测试、含水

测试、温度测试、井下取样等。测试前需根据预测的井下参数，选择相应的井下测量仪表，因此应综合考虑油管尺寸、仪表规格以及相应井下工具之间的配套性，保证测试仪表顺利起下。

3）压裂施工的要求

如果油井需要进行压裂改造，当地面施工压力要求高，要求施工排量较大时，需要大功率的地面压裂施工设备。在油井较深、油管尺寸较小的情况下，管壁摩擦损失甚大，有时可致地面设备能力达不到施工压力和排量的要求，在不允许套管压裂的情况下，需要更换大尺寸的油管。

4）人工举升井下装备的要求

在需要采用人工举升方式开采时，油管尺寸还要与选定的井下人工举升装备匹配。特别是在采用有杆泵和螺杆泵开采时，要特别注意抽油杆与油管间隙的合理匹配，以保证设备正常运行，减少流体举升过程中的摩阻损失，提高人工举升系统的综合效率。

二、生产套管直径选择

首先从油井的生产优化为目标，利用节点分析方法，确定出最佳的油管尺寸。然后按油套管的经验匹配表确定套管尺寸。此外，选择生产套管的尺寸还必须考虑以下因素：

1.井身结构

考虑井斜、曲率、“狗腿度”等因素，以保证油管能够顺利起下。

2.井下设备工具规格

一些井下工具和人工举升设备的外径往往大于油管外径，因此选定的套管内径应在设计井身结构中保证这些设备和工具顺利起下，同时考虑井下封隔器、卡瓦等与套管尺寸配套。

3.井下测试和环空注入

有些情况下，油井井下测试仪表要求通过油套环形空间，如抽油井利用环空液面探测仪测液面。或者根据采油工程方案的要求，需从油套环形空间注入流体，进行气举等施工。此时均应使油套管之间环空具有合理的间隙，以便将流体的摩阻压力损失控制在可以接受的范围内。

4.事故处理

油井生产和井下作业施工中，难免出现工具遇卡、掉落等各种井下事故。因此在选择套管尺寸时，应考虑到常规的井下事故处理工具的使用条件，否则一旦发生事故，将成倍地增加修井作业施工难度和费用，有时甚至导致油井报废。

5.后期利用

油田生产后期，从勘探和开发调整的角度出发，有时需要加深老井，或进行侧钻施工。因此在完井设计中，要尽量考虑到油井后期利用的可能性。

第三节射孔完井工艺设计

射孔完井是油气井的主要完井方式之一，在采用射孔完成的油气井中，井底孔眼是沟通产层和井筒的唯一通道。如果采用合理的射孔工艺和正确的射孔设计，并高质量的完成射孔作业，就可以使射孔对储层的伤害降到最小，井底完善程度高，从而获得期望的产能。

多年来人们对射孔工艺、射孔枪弹器材与配套设备、射孔伤害机理及检测评价方法、射孔优化设计和射孔液等进行了大量的理论、实验和矿场试验研究，尤其是近十几年来，射孔技术取得了迅速的发展。人们已经认识到，射孔是完井工程的一个关键性环节。为此，采用先进的理论和方法，针对储层性质和工程实际情况，把射孔完井作为一项系统工程来考虑，优选射孔设计，是搞好完井必不可少的基本条件。

一、射孔工艺

应针对油气藏地质特征、流体特性、地层伤害状况、井类型（直井、斜井或水平井）、套管程序和油气井试油投产或完井目标，选择与之相适应的射孔工艺。

1.电缆输送射孔工艺（WCP）

电缆输送射孔（wireline conveyed perfroating）就是利用钢丝铠装电缆将射孔器输送到目的层进行射孔。按工艺的不同可分为普通电缆输送射孔工艺、电缆输送过油管射孔工艺（常规式和张开式）和电缆输送密闭式射孔工艺。

普通电缆输送射孔工艺是在井口只装放炮闸门情况下进行射孔，这种射孔工艺的射孔器直径可选范围大。缺点是建立负压差比较困难，防喷能力较差，如遇井喷只能关闭放炮闸门，切断电缆。这种方法主要用于低压油藏。

常规电缆输送过油管射孔工艺是利用电缆将射孔器从油管下到目的层进行射孔的一种工艺，这一工艺的优点是在井口安装防喷装置后进行射孔，所以有较好的防喷能力；射孔后可直接投产，可避免压井造成产层污染。适合于生产井不停产补孔和打开新层位，海上作业应用此工艺可避免起出生产管柱。缺点是油管的内径限制了射孔器的外径，使射孔弹的装药量受到影响，所以射孔弹穿深较浅。

为了克服这一缺点，在此基础上又发展了过油管张开式射孔，它是用电缆输送射孔枪，可在不起出油管的情况下，把大能量射孔弹用电缆输送到射孔目的层后，由地面对释放雷管发出电讯号，释放雷管起爆解锁后，射孔弹在弹簧拉力的作用下，旋转90 ，与弹架轴线成垂直状态，然后由地面对电雷管发出起爆电讯号，雷管引爆导爆索，导爆索引爆射孔弹，从而实现过油管深穿透射孔。这样就能在不取油管的情况下相当于使用一种大直径套管射孔枪，其弹药量不小于23g，穿深可达到原51枪的4倍以上，有效发挥油气井产能。

密闭式电缆输送射孔工艺是指在井口安装防喷装置后利用电缆将射孔器下到目的层进行射孔。优点是可用大直径的射孔器进行射孔，提高射孔弹穿透深度。缺点是井口防喷装置庞大，安装困难；增加了注脂泵车，施工较复杂。主要适用于常压或高压油气藏。

2.油管输送射孔工艺（TCP）

油管输送射孔工艺（Tubing conveyed perforating）是利用油管将射孔枪下到油层部位射孔。油管下部联有压差式封隔器、带孔短节和引爆系统，油管内只有部分液柱造成射孔负压。通过地面投棒引爆、压力或压差式引爆或电缆湿式接头引爆等各种方式使射孔弹爆炸而一次全部射完油气层。如图10-21是典型的TCP施工管柱。

图10-21 TCP管柱示意图

油管输送射孔的深度较正一般采用较为精确的放射性测井校深方法。在管柱总成的定位短节内放置一粒放射性同位素，校深仪器下到预置深度（约在定位短节以上100m），开始下测一条带磁定位的放射性曲线，超过定位短节约15m停止。将测得的放射性曲线与以前测得的校正的放射性曲线对比，换算出定位短节深度，并在井口利用油管短节进行调整。

油管输送射孔具有可一次打开所有储层、高孔密深穿透、防喷能力强、通过不同的工具组合可满足各类油气井射孔的优点。适用于高压油气井射孔、长井段射孔以及水平井射孔。缺点是工艺比较复杂、成本较高。

3.模块枪电缆射孔工艺

模块枪电缆射孔技术是针对地层压力大的高压油气井，利用电缆输送方式实现油管输送式射孔完井过程，达到防喷的目的，并且能够实现定方位射孔。

该工艺是将模块枪用电缆分段下井，锚定在套管壁上，引爆模块枪一次射开全部射孔段，悬挂器和模块枪将自动释放丢到井底，然后通过电缆防喷器，井口带压操作捞出射孔枪。该工艺的最大优点是，射孔枪不需要电缆或油管连接，能自行锚定在射孔目的层位，一次射开超长射孔井段并自动丢枪到井底，从而实现全通径生产完井管柱。该工艺可在负压情况下射孔，保护了储层，能最大限度地提高油气井生产能力。

4.油管输送射孔联作工艺

1）油管输送射孔与投产联作

国外对自喷井普遍采用这种工艺，既安全又经济，射孔与投产只下一次管柱就完成；管柱的结构和使用的封隔器因井而异，一般都采用丢枪的方式。比如贝克休斯公司油管输送与

投产联作系统。它采用电缆将生产封隔器坐封在油层套管上，然后下入带射孔枪的管柱，管

柱的导向接头下到封隔器位置时，循环冲洗管柱，将管柱内的积渣和污物冲洗干净；然后继续下管柱，当管柱总成坐封后，井口投棒撞击枪头的起爆器，使之射孔；射孔后射孔枪及其残渣被释放至井底，随后转入投产。

2）油管输送射孔和地层测试联作

将油管输送的射孔枪、点火头、激发器等部件接到单封隔器测试管柱的底部。管柱下到待射孔和测试井段后，进行射孔校深、坐好封隔器并打开测试阀，引爆射孔后转入正常测试程序。国内基本上都采用旁通传压技术进行TCP测试联作。根据地层测试工具的不同类型可进行四种主要形式的组合。即TCP+MFE(多流测试器)联作测试、TCP+PCT(环压控制测试器)联作测试、TCP+HST(水力弹簧测试器)联作测试、TCP+APR(全通径测试器)联作测试。

这种工艺特别适合于自喷井，可缩短试油周期，降低成本，保护储层。目前在探井、评价井中应用极为广泛。例如在塔里木深井和超深井中取得成功应用，其射孔层段深度均在4500m以下，地层压力系数在1.1～1.2之间，地层温度在120o～150o之间，采用了环空加压引爆与MFE联作测试，在100多井次中成功率达90%。其工作程序是，环空压力经封隔器上面的旁通孔传递到起爆器活塞，活塞受压剪断销钉后下行，撞击起爆药饼引爆射孔；射开地层后流体经过环空由筛管进入管柱，即转入正常测试流程。

3）油管输送射孔与水力压裂、酸化联作

这种工艺在我国四川气田、长庆油田获得了成功的应用。完井时下一次管柱，能完成射孔、测试、酸化、压裂、试井等工序。

4）射孔与抽油泵联作工艺

该技术根据选用抽油泵的类型采用不同的负压起爆方法。例如杆式泵可采用投棒起爆，管式泵可采用油管内加压起爆，螺杆式抽油泵则只能采用油管外加压起爆。该工艺不仅可避免射孔后压井液对地层造成的二次污染，而且具有一定增产效果。大庆试油试采分公司和胜利测井公司成功进行了的射孔抽油泵联作施工。

5）射孔与高能气体压裂联作工艺

射孔与高能气体压裂的基本原理是在射孔弹架内装填惰性炸药（常用固体或液体推进剂），利用油管或电缆把射孔装置下到目的层位，通过投棒或电引爆射孔枪。由于射孔弹从引爆和形成射流的时间是毫秒级，而装填的火药从引爆到完全燃烧是秒级，利用爆速与燃速的时间差，射孔弹引爆后形成的射流首先穿透套管，在地层中形成孔眼，而延迟燃烧的枪身内的推进剂随后产生高温高压气体，对刚形成的射孔孔眼进行冲刷和延伸，并产生不受地应力控制的裂缝，裂缝长可达2-8m，形成较完善的井底沟通。形成裂缝的条数与作用时间和峰值压力有关。

6）油管输送射孔与防砂联作工艺

对于弱/非胶结地层而言，地层极不稳定，易受外界扰动因素影响而出砂，此时可采用油管输送与防砂联作工艺，一趟管柱实现射孔与防砂作业，减少施工成本和作业时间，并有利于保护储层。它采用了带螺旋片的施工管柱，能大排量地循环清除井内砂粒而不卡枪，并有效地向孔眼进行砾石充填。其施工流程是先在套管内射孔段底部坐封封隔器，然后将上部带封隔器和下部带螺旋片射孔枪的管柱（该管柱在地面试验能满足8315N m的扭矩），下至油层底部，校深后使封隔器坐封后射孔；解封上部封隔器，然后大排量循环清洗孔眼，再由管内注入携砂液，经旋转管柱将砂液掺入孔眼，在地面可观察压力和砂液返出情况；最后旋转管柱至砂面以上循环后，再起出施工管柱。

为了进行有效的砾石充填作业，射孔应采用大孔径、高孔密。

5.超正压射孔工艺

超正压射孔工艺EOP(extreme overbalance perforating)是国外Orxy能源公司的Handren等人于90年代提出的新工艺技术（图10-22），由于其良好的施工效果在北美地区至少进行了1000口井现场应用，得到了很好发展。

该工艺是在射孔前，使用液体或氮气或混合气液柱向井筒加压，使井底压力至少等于地层破裂压力。在射孔瞬间压缩气体的能量直接转化为作用于地层的压力，加压液体以非常高的速度进入射孔孔眼。由于在射孔瞬间，聚能射孔作用本身于孔眼尖端的压力已高达上万兆帕，这样高的压力大大超过了地层岩石的主应力和抗张强度，必然在孔眼壁面产生高度的应力集中，使得孔道壁面产生大量裂纹。因而随后高速的流体冲击会使裂纹延伸扩展，形成

有效井底沟通。射孔后继续注液氮、注酸、注携砂液都可起到增产效果；也可射孔后继续注树脂固结地层砂而起到化学防砂的作用。

图10-22 超正压射孔工艺管柱示意图

该工艺对碳酸盐岩地层来说，如果井筒流体介质采用酸液，通过酸液溶蚀能力，最终形成地层和井底的有效沟通，这对于提高低渗或裂缝性碳酸盐岩储层的油气井产能将起到积极作用。对于低渗、非均质严重或污染严重或低压的砂岩油气层，由于达不到清洗孔眼需要的负压差，它是替代常规负压射孔的极好方法，大大提高了射孔工艺对不同地质条件的适应性。对于低渗、非均质严重、完井后需要压裂投产的井，EOP技术也可作为压裂的先导技术或井底流动条件改善的有效技术。

由于EOP工艺是高压作业，要考虑井下管柱、井口和设备的承压能力，强化安全措施。此外，液体要进入地层，必须保证完井流体与地层岩石和流体有良好的配伍性，以避免产生新的储层伤害。

一般来讲，EOP工艺主要适用于（1）中低渗油藏的压裂施工预处理；（2）中高渗油藏解堵；（3）碳酸岩油藏（需添加酸液）；（4）天然裂缝性油藏；（5）非均质严重油藏；（6）已射孔井的高压冲击解堵。

6.水平井射孔工艺

自八十年代初水平井在油田开发中开始得到应用以来，与水平井相关的配套技术与理论也得到了长足的进步。在水平井射孔技术理论与实践方面，国外各主要石油公司，例如斯仑贝谢、西方阿特拉斯、哈里伯顿和阿莫科等都在深入广泛地开展射孔技术的研究工作。目前国内通过不断探索和学习，不仅能完成长井段、深井的定向射孔作业、而且能完成水平井的射孔与测试联作、水平井重复射孔、水平井限流压裂射孔、水平井的氮气超正压射孔等作业。水平井射孔已经逐渐变成一项常规射孔作业。

在不易垮塌地层的水平井中，为了有效防止气、水锥进，便于分层段开采和作业，目前大都采用射孔完井方式。水平井射孔枪的传输方式一般采用油管或连续油管输送。

需要特别提及的是，近年来国外水平井或大位移井连续油管输送射孔发展很快。由于连续油管（coiled tubing）施工安全、快捷和对油气藏特有的保护作用等特点，在国外油气田开发中获得了广泛的应用。国内各大油田也相继引进了连续油管及其作业车，并成功解决了油田生产中的一些特殊难题，连续油管的应用范围已扩展到修井、完井、测井、增产措施、钻井、管输等多个领域。

7.定方位射孔工艺

定方位射孔技术（oriented perforating technology）主要应用于裂缝性油藏射孔、

水平井射孔、欲压裂井射孔和防砂射孔作业。一般对准裂缝发育方位或正交于最小水平地应力方位射孔，有利于防砂或进行压裂施工作业，提高作业的成功率和效果。

国外定向射孔系统（直井或水平井）已大量应用于油气田生产实践中，并取得了良好效果。例如哈里伯顿公司新推出的G- Force 精确定向射孔系统。该系统上的定向旋转仪位于枪身的保护性环境内，其先进性主要表现在它克服了老的定向系统受到的一些限制，如不依赖于特殊的串联翼翅、偏心短接和旋转环，所有这些都受到枪工作时产生的摩擦和扭矩的影响，导致定向精度低。

该系统设计主要用于井斜在25°以上的井。枪身长6.7m，彼此紧密咬合，使系统排列成一条直线，它不需要旋转短接。其内部定向系统含在枪架内。这种紧凑的结构可以将其放置在其它枪因与套管或障碍物摩擦而不能到达的位置。系统可通过连续油管、电缆、钢丝或铰链管来传送。由于不需要使用多个定向短接，射孔枪可在井眼内居中，显著提高了射孔效率。

国内除水平井采用重力定向射孔有较多应用外，其他与国外有较大差距。四川测井公司曾经研制的定方位仪采用加速度计作为定向系统，同时采用小直径金属保温瓶和井下自动导向系统，用于井斜大于等于2°的井，配陀螺短节后可进行直井定向。辽河测井公司也研制了采用陀螺定向的直井定向射孔仪。要达到期望的效果还需要作大量工作。技术关键在于地层裂缝或主应力方位的确定、定向控制方法、配套工具开发、数据传输采集与处理以及定向监测评价技术。

二、垂直井射孔设计方法

垂直井射孔参数的优化设计主要考虑三个方面的问题：各种可能参数组合的产能比、套管伤害情况和孔眼的力学稳定性。产能比是优化目标函数，后两者是约束条件。

1. 射孔弹性能数据准备

全国射孔检测中心定期都公布全国各种射孔弹的基本数据，主要包括混凝土靶的穿深、孔径、抗压强度等。在优化设计时需要知道射孔弹的压实伤害参数CZH和CZC，应根据每种射孔弹岩心打靶的孔深L p、孔径d p、贝雷岩心靶长度L c、岩心直径d c和射孔岩心流动效率CFE，计算压实参数。

压实程度CZC（K cz/k o）对射孔优化设计有重要的影响。可使用射孔弹穿透贝雷岩心靶的各项数据（孔深、孔径、流动效率等）通过射孔岩心靶有限元分析软件计算出压实伤害程度CZC。

射孔参数优化设计时，也要调查射孔枪的参数。射孔枪参数包括枪外径、适用孔密、相位角、枪的工作压力和发射后外径（包括毛刺）以及适用射孔弹型号。配套使用射孔枪弹效果最好，因为配套射孔枪能保证射孔弹炸高在一个合理的范围内。

2. 射孔弹孔深与孔径校正

射孔弹厂家公布的射孔弹性能数据目前大都是混凝土靶数据，它并不表示在实际地下情况的穿透数据，只有地下实际情况下的穿透数据才能用来评价射孔井的动态。因此，针对特定地层条件进行射孔优化设计时必须进行射孔弹性能参数校正。

以前通过大量的实验，已经获得了贝雷砂岩靶的校正方法。针对目前大量使用混凝土靶的现状，必须进行混凝土靶的校正方法研究。方法之一是寻找混凝土靶向贝雷砂岩靶的转换方法，其二是研究混凝土靶数据直接向实际地层穿透数据的校正方法。

1）根据混凝土靶穿透数据转换为贝雷岩心靶数据。

一些油田建立了简易的混凝土靶以检验射孔弹性能。要将混凝土靶穿透数据折算为贝雷岩心靶数据，这个数据对优化设计、产能预测和动态分析是有用处的。根据大庆检测中心各年来公布的数据，分析发现混凝土靶和贝雷砂岩靶穿透数据之间有较明显的关联性。图10-23、10-24是国内计算关系图，由此可估算贝雷砂岩的穿深和孔径。