1、固井和完井固井和完井主要内容：主要内容： 井身结构设计井身结构设计 套管柱强度设计套管柱强度设计 注水泥工艺技术注水泥工艺技术 钻开生产层技术钻开生产层技术 完井方法及井底结构完井方法及井底结构第一节第一节 井身结构设计井身结构设计二、套管柱的类型二、套管柱的类型 1. 表层套管表层套管 2. 生产套管（油层套管）生产套管（油层套管） 3. 技术套管（中间套管）技术套管（中间套管） 4. 尾管（钻井尾管、生产尾管尾管（钻井尾管、生产尾管） 一、一、 井身结构设计内容井身结构设计内容 （1）套管层次和下入深度）套管层次和下入深度 （2）套管和井眼尺寸的配合）套管和井眼尺寸的配合 （3）水泥返高）
2、水泥返高三、设计原则三、设计原则第一节第一节 井身结构设计井身结构设计 1. 有效地保护油气层；有效地保护油气层； 2. 避免漏、喷、塌、卡等井下复杂情况，保证安全、快速钻进；避免漏、喷、塌、卡等井下复杂情况，保证安全、快速钻进； 钻下部高压层采用重钻井液所产生的井内压力，不致压裂上部钻下部高压层采用重钻井液所产生的井内压力，不致压裂上部 裸露地层；裸露地层； 下套管过程中，井内钻井液液柱压力和地层压力间的压差不致于下套管过程中，井内钻井液液柱压力和地层压力间的压差不致于 导致压差卡套管事故；导致压差卡套管事故； 当实际地层压力超过预测值而发生井涌时，裸眼井段应具有压井当实际地层压力超过预测值
3、而发生井涌时，裸眼井段应具有压井 处理溢流的处理溢流的 能力。能力。四、设计依据四、设计依据第一节第一节 井身结构设计井身结构设计 1. 地层剖面及复杂层位地层剖面及复杂层位 2. 两个压力剖面：地层压力和地层破裂压力两个压力剖面：地层压力和地层破裂压力 3. 工程数据：工程数据： 抽吸压力系数抽吸压力系数 Sb：0.06 0.08 g/cm0.08 g/cm3 3 激动压力系数激动压力系数 Sg：0.07 0.10 g/cm0.10 g/cm3 3 压裂安全系数压裂安全系数 Sf： 0.024 0.024 0.048 g/cm0.048 g/cm3 3 井井 涌涌 允允 量量 Sk ：0.0
4、6 0.06 0.14 g/cm0.14 g/cm3 3 压压 差差 允允 值值 p ： PN = 15151818 MPa ， PA = 212123 23 MPa 井涌允量井涌允量发生溢流关井后，允许的井口回压在溢发生溢流关井后，允许的井口回压在溢 流井深处的当量钻井液密度。流井深处的当量钻井液密度。五、套管层次和下深的设计计算方法五、套管层次和下深的设计计算方法第一节第一节 井身结构设计井身结构设计 1. 基本思路基本思路 以以“在同一裸眼井段内，井内在同一裸眼井段内，井内压力能平衡地层压力，并且不压压力能平衡地层压力，并且不压裂地层裂地层”为原则，从全井最大地为原则，从全井最大地层压力
5、梯度处开始，由下向上确层压力梯度处开始，由下向上确定套管的层次（技术套管和表层定套管的层次（技术套管和表层套管）和各层套管的下入深度。套管）和各层套管的下入深度。1.01.31.61.8当量密度，g/cm3井深破裂压力地层压力油 套表 套技 套设计井深五、套管层次和下深的设计计算方法五、套管层次和下深的设计计算方法第一节第一节 井身结构设计井身结构设计 2. 计算方法及步骤计算方法及步骤（设计举例）（设计举例）最大地层压力处最大地层压力处（1）计算平衡全井最大地层压力所需钻井液密度：）计算平衡全井最大地层压力所需钻井液密度：bmaxpdS)/(076. 2036. 004. 23cmgd最大地
6、层压力位于4250m，压力梯度2.04 g/cm3（2）计算井内最大压力梯度，）计算井内最大压力梯度， 确定中间套管下入深度初选点确定中间套管下入深度初选点D21： 可能发生溢流：可能发生溢流：ffbSD)(max21 试算得：D21=3400m五、套管层次和下深的设计计算方法五、套管层次和下深的设计计算方法 2. 计算方法及步骤计算方法及步骤（设计举例）（设计举例）最大地层压力处最大地层压力处 D21第一节第一节 井身结构设计井身结构设计116. 2maxgdbS 不会发生溢流：不会发生溢流：ffbSD)(max21 D21=2700 m146. 203. 0116. 2)(21Df0604
7、25007622121./.maxmaxDSDDkpdb 五、套管层次和下深的设计计算方法五、套管层次和下深的设计计算方法第一节第一节 井身结构设计井身结构设计 2. 计算方法及步骤计算方法及步骤（3）较核下套管到）较核下套管到D21是否被卡：是否被卡： 求下中间套管井段内的最大静压差：求下中间套管井段内的最大静压差： 求下中间套管井段（求下中间套管井段（0D21）内最大钻）内最大钻 井液密度：井液密度：606. 1036. 057. 1maxmaxbpdS 较核是否卡套管：较核是否卡套管：NmaxNmaxpppp,不卡套管不卡套管，D2 =D21,卡套管卡套管，求D2 =？：最大地层压力处D
8、21037.163050)07. 1606. 1 (1081. 9)(1081. 93minminmax3maxDppdmaxp最大地层压力处D21D2五、套管层次和下深的设计计算方法五、套管层次和下深的设计计算方法 2. 计算方法及步骤计算方法及步骤minmin23)(1081. 9DSDppbpperN3050)07. 1036. 0)(1081. 91223DppermD32002第一节第一节 井身结构设计井身结构设计（4）求不卡套管的实际下深）求不卡套管的实际下深 D2：Np 当当 ，取：，取： ； 当当 ，再设计一层尾管。，再设计一层尾管。 校核是否卡尾管，方法同校核是否卡尾管，方法
9、同(3、4)。2131DD 213DD 2131DD 五、套管层次和下深的设计计算方法五、套管层次和下深的设计计算方法第一节第一节 井身结构设计井身结构设计 2. 计算方法及步骤计算方法及步骤（5）确定钻井尾管下入深度）确定钻井尾管下入深度：钻井尾管可下深度：钻井尾管可下深度：f2fk231b31pS)D(SDDS)D( 根据压力剖面，试算可得尾管的可下根据压力剖面，试算可得尾管的可下深度深度D31。 D31=3900m（6）按上述步骤逐层设计其它中间套管柱和表层套管，直到井口。）按上述步骤逐层设计其它中间套管柱和表层套管，直到井口。最大地层压力处D21NpD2D31 1. 原则：原则： （1
10、）套管能顺利下入井眼内，并具有一定的环空间隙柱水泥。固井质）套管能顺利下入井眼内，并具有一定的环空间隙柱水泥。固井质量量要求最小环空间隙不能小于要求最小环空间隙不能小于 9.5 mm（3/8 in），最好为），最好为19mm（3/4 in)，且套管直径越大，间隙应越大。且套管直径越大，间隙应越大。 （2）钻头能够顺利通过上一层套管。）钻头能够顺利通过上一层套管。 2. 经验配合关系经验配合关系 长期实践形成的经验配合关系（长期实践形成的经验配合关系（P256，图，图7-3） 国内常用的配合关系：国内常用的配合关系： (17 ) 13 3/8(12 ) 9 5/8(8 ) 5 1/2 （26）2
11、0 （17 1/2）13 3/8（12 1/4）9 5/8（8 1/2）7 （5 7/8）4 1/2 或或 5 六、套管与钻头尺寸的配合六、套管与钻头尺寸的配合第一节第一节 井身结构设计井身结构设计第二节第二节 套管柱强度设计套管柱强度设计 4 1/2”，5”，5 1/2”，6 5/8”，7”，7 5/8”，8 5/8”，9 5/8”， 10 3/4“，11 3/4”，13 3/8“，16”，18 5/8“，20”；共14种 2. API钢级钢级 H-40H-40，J-55J-55，K-55K-55，C-75C-75，L-80L-80，N-80N-80，C-90C-90，C-95C-95，P-
12、110P-110，Q-125Q-125。 数字数字1000为套管的最小屈服强度为套管的最小屈服强度 kpsi。3. 3. API螺纹类型螺纹类型 短圆（短圆（STCSTC）、长圆（）、长圆（LTCLTC）、梯形（）、梯形（BTCBTC）、直连型（）、直连型（XLXL）井下套管柱的受力井下套管柱的受力轴向拉力：轴向拉力：自重自重、弯曲应力、注水泥附加拉力、弯曲应力、注水泥附加拉力、 动动 载、摩阻等。载、摩阻等。外挤压力：管外液柱压力、地应力等外挤压力：管外液柱压力、地应力等内压力：地层流体压力、压裂及注水等压力。内压力：地层流体压力、压裂及注水等压力。第二节第二节 套管柱强度设计套管柱强度设计
13、 1. 轴向拉力的计算轴向拉力的计算 在常规的套管柱设计中，轴向拉力一般按套管的重力计算在常规的套管柱设计中，轴向拉力一般按套管的重力计算。其它一些轴向载荷，如弯曲应力引起的附加拉力、动载荷、注。其它一些轴向载荷，如弯曲应力引起的附加拉力、动载荷、注水泥引起的附加拉力、摩阻力等，一般考虑在安全系数之内。水泥引起的附加拉力、摩阻力等，一般考虑在安全系数之内。 在定向井、大斜度井、水平井的弯曲井段和大斜度井段，在定向井、大斜度井、水平井的弯曲井段和大斜度井段，要考虑弯曲应力引起的附加拉力和轴向摩擦阻力。要考虑弯曲应力引起的附加拉力和轴向摩擦阻力。 第二节第二节 套管柱强度设计套管柱强度设计 1.
14、轴向拉力的计算轴向拉力的计算iniminiiBsdiniiminiioLqLqKLqFLqF 11111)( . （77）. （78） 套管自重产生的轴向拉力，自下而上逐渐增大，在井口处达到最大。套管自重产生的轴向拉力，自下而上逐渐增大，在井口处达到最大。 国内在套管设计中，轴向拉力一般按套管在空气中的重力计算。但在国内在套管设计中，轴向拉力一般按套管在空气中的重力计算。但在考虑轴向拉力对套管抗挤强度的影响时，按套管的浮重计算。考虑轴向拉力对套管抗挤强度的影响时，按套管的浮重计算。第二节第二节 套管柱强度设计套管柱强度设计 2. 外挤压力的计算外挤压力的计算 在常规的套管柱设计中，套管所承受的
15、外挤压力一般按套管完全掏空时在常规的套管柱设计中，套管所承受的外挤压力一般按套管完全掏空时的管外钻井液液柱压力计算。的管外钻井液液柱压力计算。DPdoc 819. .（710） 套管柱所受到的外挤力，在井底最大，在井口处最小。套管柱所受到的外挤力，在井底最大，在井口处最小。第二节第二节 套管柱强度设计套管柱强度设计 3. 内压力的计算内压力的计算 在套管柱设计中，国内外普遍采用以下方法计算套管的内压力：在套管柱设计中，国内外普遍采用以下方法计算套管的内压力： 有效内压力有效内压力 = 井口压力井口压力 + （管内液柱压力（管内液柱压力-管外液柱压力）管外液柱压力） 一般地讲，套管内流体（天然气
16、、油或钻井液）的密度小于或等于套管一般地讲，套管内流体（天然气、油或钻井液）的密度小于或等于套管外流体（钻井液）的密度。因此，套管柱的有效内压力在井口处最大，即外流体（钻井液）的密度。因此，套管柱的有效内压力在井口处最大，即套套管管的最大有效内压力为井口压力。的最大有效内压力为井口压力。 井口压力的确定方式有四种：井口压力的确定方式有四种： （1）溢流（气侵）关井情况，井口压力等于地层压力。）溢流（气侵）关井情况，井口压力等于地层压力。 （2）以井口防喷装置的额定工作压力作为井口压力。）以井口防喷装置的额定工作压力作为井口压力。 （3）以套管内完全充满天然气计算井口压力：）以套管内完全充满天然
17、气计算井口压力： （4）以套管鞋处的地层破裂压力值确定井口压力：）以套管鞋处的地层破裂压力值确定井口压力：GDbiePP4101155.1 )(ffiGGDP 第二节第二节 套管柱强度设计套管柱强度设计 1. 抗拉强度抗拉强度 套管受拉应力作用时的破坏形式：套管受拉应力作用时的破坏形式：1）套管本体被拉断；）套管本体被拉断； 2）丝扣滑脱。）丝扣滑脱。 圆螺纹套管的丝扣滑脱负荷小于管体的屈服拉断负荷；圆螺纹套管的丝扣滑脱负荷小于管体的屈服拉断负荷； 梯形螺纹套管和直联型套管的丝扣滑脱负荷大于管体的屈服拉断负荷。梯形螺纹套管和直联型套管的丝扣滑脱负荷大于管体的屈服拉断负荷。 2. 抗挤强度抗挤强
18、度 套管受外挤压力作用时的破坏形式主要是丧失稳定性，即失圆、挤扁。套管受外挤压力作用时的破坏形式主要是丧失稳定性，即失圆、挤扁。 套管开始丧失稳定性时的外挤压力值称为其抗挤强度。套管开始丧失稳定性时的外挤压力值称为其抗挤强度。 3. 抗内压强度抗内压强度 套管受内压力作用时的破坏形式是爆裂。套管受内压力作用时的破坏形式是爆裂。 使套管爆裂的内压力称为其抗内压强度。使套管爆裂的内压力称为其抗内压强度。第二节第二节 套管柱强度设计套管柱强度设计 4. 双向应力作用下套管的强度双向应力作用下套管的强度双向应力椭圆双向应力椭圆 （1）套管的双向应力状态）套管的双向应力状态 套管外力：轴向力和径向压力（
19、外挤压力或内压力）套管外力：轴向力和径向压力（外挤压力或内压力） 套管内应力：轴向应力套管内应力：轴向应力 、周向应力、周向应力 和径向应力和径向应力 。 对薄壁管，对薄壁管， ， 可忽略。则套管受双向应力（可忽略。则套管受双向应力（ 、 ）的作用。）的作用。 t z tr z t rt z r mFocPicPt z r 拉伸与外挤拉伸与内压r第二节第二节 套管柱强度设计套管柱强度设计 4. 双相应力作用下套管的强度双相应力作用下套管的强度双向应力椭圆双向应力椭圆 （2）双向应力椭圆）双向应力椭圆 根据材料力学的第四强度理论，套管在双向应力作用下的根据材料力学的第四强度理论，套管在双向应力作
20、用下的 强度破坏条件为：强度破坏条件为：122222 ststzszstztz 第二节第二节 套管柱强度设计套管柱强度设计 4. 双向应力椭圆双向应力椭圆双相应力作用下套管的强度双相应力作用下套管的强度,%st ,%sz 50505050100100100100拉伸拉伸压缩压缩外挤外挤内涨内涨第二节第二节 套管柱强度设计套管柱强度设计 4. 双向应力椭圆双向应力椭圆双向应力作用下套管的强度双向应力作用下套管的强度 （4）双相应作用下套管强度的变化）双相应作用下套管强度的变化 象限：轴向拉力和内压力联合作用，轴向拉力使套管抗内压强度升高；象限：轴向拉力和内压力联合作用，轴向拉力使套管抗内压强度升
21、高； 象限：轴向压力和内压力联合作用，轴向压力使套管抗内压强度降低；象限：轴向压力和内压力联合作用，轴向压力使套管抗内压强度降低； 象限：轴向压力和外挤力联合作用，轴向压力使套管的抗挤强度升高；象限：轴向压力和外挤力联合作用，轴向压力使套管的抗挤强度升高； 象限：轴向拉力和外挤力联合作用，轴向拉力使套管的抗挤强度降低象限：轴向拉力和外挤力联合作用，轴向拉力使套管的抗挤强度降低。 存在轴向拉力时的套管抗挤强度可按下式计算：存在轴向拉力时的套管抗挤强度可按下式计算：)/.(smcccFFPP740031 .（711）第二节第二节 套管柱强度设计套管柱强度设计 （一）（一） 设计原则设计原则 1.强
22、度原则强度原则: 在套管柱的任何危险截面上都应满足强度要求：在套管柱的任何危险截面上都应满足强度要求： 套管强度套管强度外载外载安全系数安全系数 安全系数：安全系数： 抗外挤安全系数抗外挤安全系数 Sc=1.0； 抗内压安全系数抗内压安全系数 Si=1.1； 套管抗拉（抗滑扣）安全系数套管抗拉（抗滑扣）安全系数 St=1.8。 2.经济原则经济原则: 在满足强度条件的前提下，尽可能选用钢级较低在满足强度条件的前提下，尽可能选用钢级较低 或者壁厚较小的套管，以降低成本。或者壁厚较小的套管，以降低成本。第二节第二节 套管柱强度设计套管柱强度设计 （二）（二） 设计方法设计方法等安全系数法等安全系数
23、法 1. 方法要点方法要点 （1）计算最大内压力，筛选符合抗内压要求的套管。）计算最大内压力，筛选符合抗内压要求的套管。 （2）由下而上根据主要作用力分段设计。下部套管）由下而上根据主要作用力分段设计。下部套管 柱根据套管的外挤载荷进行设计，对抗拉强度柱根据套管的外挤载荷进行设计，对抗拉强度 进行校核；上部套管柱则根据套管的轴向拉力进行校核；上部套管柱则根据套管的轴向拉力 进行设计，对抗挤强度进行校核。进行设计，对抗挤强度进行校核。 （3）当按抗挤设计的套管柱超过水泥面时，要考虑）当按抗挤设计的套管柱超过水泥面时，要考虑 下部套管柱的浮重对抗挤强度的影响，按双向下部套管柱的浮重对抗挤强度的影响
24、，按双向 应力进行设计或校核。应力进行设计或校核。 （4）按照）按照“套管强度套管强度最大外载最大外载安全系数安全系数”的原的原则则 选择各段套管。选择各段套管。12345设设计计危危险险截截面面水泥面水泥面抗拉与抗抗拉与抗挤设计转挤设计转换截面换截面ST1.8第二节第二节 套管柱强度设计套管柱强度设计（1）计算最大内压力，筛选符合抗内压要求的套管计算最大内压力，筛选符合抗内压要求的套管 抗内压强度抗内压强度PPimaximax Si =38.5 MPa 套管系列：套管系列：J-55，K-55，C-75-75，L-80L-80，N-80N-80，C-90C-90，C-95C-95，P-110P
25、-110 筛选结果：筛选结果：N-80 N-80 ，P-110P-110 （二）（二） 设计方法设计方法等安全系数法等安全系数法 2. 设计计算步骤设计计算步骤 例：某井例：某井177.8mm（7英寸）油层套管下至英寸）油层套管下至3500m，下套管时的钻井液密度，下套管时的钻井液密度为为1.30g/cm3，水泥返至，水泥返至2800m，预计井内最大内压力，预计井内最大内压力35MPa，试设计该套管，试设计该套管柱（规定最小段长柱（规定最小段长500m）。规定的安全系数：）。规定的安全系数： Sc=1.0， Si=1.1， St=1.8。第二节第二节 套管柱强度设计套管柱强度设计 （二）（二）
26、 设计方法设计方法等安全系数法等安全系数法 2. 设计计算步骤设计计算步骤 （2）计算全井最大外挤载荷，选择第一段套管。）计算全井最大外挤载荷，选择第一段套管。MPaSppMPaDpcoccdoc63544635448191111. 查表选套管查表选套管N-80N-80，t t1 1=10.36 mm=10.36 mm，q q1 1=0.4234kN/m=0.4234kN/m，p pc1c1=48.401MPa=48.401MPa，F Fs1s1=3007 kN=3007 kN， F Fst1st1= 2611.1 kN= 2611.1 kN。1水泥面水泥面2800米米08. 15 .4463
27、5/48401ppS1oc1cc第二节第二节 套管柱强度设计套管柱强度设计 （二）（二） 设计方法设计方法等安全系数法等安全系数法 2. 设计计算步骤设计计算步骤 1水泥面2800米 （3）选择强度低一级（减小壁后或钢级）的套）选择强度低一级（减小壁后或钢级）的套管作为第二段套管，确定其可下深度管作为第二段套管，确定其可下深度 和第一和第一段套管使用长度段套管使用长度 。2D1LD2L1 查表选第二段套管：查表选第二段套管： N-80N-80，t t2 2=9.19 mm=9.19 mm，q q2 2=0.3795kN/m=0.3795kN/m，p pc2c2=37.301MPa=37.301
28、MPa， F Fs2s2=2686.7kN=2686.7kN，F Fst2st2=2308.6kN=2308.6kN 计算第二段套管可下深度计算第二段套管可下深度 D D2 2 , ,确定第一段套管确定第一段套管长度长度 L L1 1：m600290035002D1D1Lm29002Dm2925S81. 9p2Dcd2c，取2第二节第二节 套管柱强度设计套管柱强度设计1水泥面2800米D2L1 （二）（二） 设计方法设计方法等安全系数法等安全系数法 2. 设计计算步骤设计计算步骤 （4）考虑轴向拉力对抗挤强度的影响，校核第）考虑轴向拉力对抗挤强度的影响，校核第二段套管在水泥面处的抗挤强度。二段
29、套管在水泥面处的抗挤强度。，不安全，不安全1990492357400310910224328008330128003181935492227268622432211280022.).(.)(.occcsmsmsdppcFFcccFFBmBSMPappkNDqLqKFK 2第二节第二节 套管柱强度设计套管柱强度设计 （二）（二） 设计方法设计方法等安全系数法等安全系数法 2. 设计计算步骤设计计算步骤 1水泥面2800米D2L18002 （5）当套管）当套管2在水泥面处不满足抗挤强度要在水泥面处不满足抗挤强度要求时，则将其下的高一级强度的套管求时，则将其下的高一级强度的套管1向上延向上延伸，延伸
30、的高度伸，延伸的高度 由套管由套管2在双向应力下的可在双向应力下的可下深度下深度D2确定。确定。1L21122112281910740031DDLPSDFLqPpcccdssdccc ./)/(.计算结果：D2=2700m，L1=800m。第二节第二节 套管柱强度设计套管柱强度设计 （二）（二） 设计方法设计方法等安全系数法等安全系数法 2. 设计计算步骤设计计算步骤 （6）校核第一段套管顶部的抗拉强度和水泥面）校核第一段套管顶部的抗拉强度和水泥面处的抗挤强度。处的抗挤强度。1水泥面2800米D228 . 185. 7S8004234. 01 .2611FFt011st0 . 129. 1pp
31、S2800oc1cc1cL1800第二节第二节 套管柱强度设计套管柱强度设计 （7）选择强度再低一级的套管）选择强度再低一级的套管3，按双向应力下，按双向应力下的抗挤强度计算套管的抗挤强度计算套管3的可下深度的可下深度 ，确定第二，确定第二段套管的使用长度段套管的使用长度 ，并校核套管，并校核套管2顶部的抗拉顶部的抗拉强度。强度。2L3D （二）（二） 设计方法设计方法等安全系数法等安全系数法 2. 设计计算步骤设计计算步骤 1水泥面2800米D223D3)()/(.23211232333310740031819DDqLqFFFppSDpsdmsmccccdcc 查表选套管：查表选套管： N-
32、80N-80，t t3 3=8.05 mm=8.05 mm，q q3 3=0.3358kN/m=0.3358kN/m，p pc3c3=26407kPa=26407kPa，F Fs3s3=2366.5 kN=2366.5 kN，F Fst3st3= 1966.1 kN= 1966.1 kN 。计算结果：D3=1700m，L2=1000m，8 . 12 . 3F/FS022st2tL21000L1800第二节第二节 套管柱强度设计套管柱强度设计 （7）转为按抗拉设计上部各段套管）转为按抗拉设计上部各段套管 当按抗挤设计的套管当按抗挤设计的套管(3)顶截面的抗拉安全系顶截面的抗拉安全系数数 接近规定
33、值（接近规定值（1.8），则应按抗拉强度设计），则应按抗拉强度设计以上各段套管。以上各段套管。tS1水泥面2800米D223D3D4 （二）（二） 设计方法设计方法等安全系数法等安全系数法 2. 设计计算步骤设计计算步骤 按抗拉强度确定过渡段套管按抗拉强度确定过渡段套管3的许用长度的许用长度: mLSqFtLqFFtSstFst11173357. 071838 . 11 .1966302333023实取：实取：L3=1100mL31100L21000L1800第二节第二节 套管柱强度设计套管柱强度设计1水泥面2800米D223D3D4 （二）（二） 设计方法设计方法等安全系数法等安全系数法 2
34、. 设计计算步骤设计计算步骤 （8）选择抗拉强度高一级的套管为第四段套管，）选择抗拉强度高一级的套管为第四段套管，确定其使用长度确定其使用长度L4。查表选择比抗拉强度高一级的套管：查表选择比抗拉强度高一级的套管： N-80N-80，t t4 4=9.19 mm=9.19 mm，q q4 4=0.3795kN/m=0.3795kN/m， p pc4c4=37301kPa=37301kPa， F Fs4s4=2686.7kN=2686.7kN，F Fst4st4=2308.6kN=2308.6kN 计算第四段套管的许用长度：计算第四段套管的许用长度： 由于距井口不到由于距井口不到500m，故换用强
35、度更高一级的套管。，故换用强度更高一级的套管。m3 .515L3795. 01087qF48 . 16 .2308403tS4stFL4L31100L21000L1800第二节第二节 套管柱强度设计套管柱强度设计1水泥面2800米D223D3D4 （二）（二） 设计方法设计方法等安全系数法等安全系数法 2. 设计计算步骤设计计算步骤 （8）选择抗拉强度高一级的套管为第四段套管，）选择抗拉强度高一级的套管为第四段套管，确定其使用长度确定其使用长度L4。 查表选择抗拉强度高一级的套管：查表选择抗拉强度高一级的套管： N-80N-80，t t4 4=10.36 mm=10.36 mm，q q4 4=
36、0.4234kN/m=0.4234kN/m， p pc4c4=48401kPa=48401kPa，F Fs4s4=3007 Kn=3007 Kn，F Fst4st4= 2611.1 kN= 2611.1 kN 。 计算第四段套管的许用长度：计算第四段套管的许用长度： 实际距井口实际距井口600m，故取，故取 L4 = 600m 。m7 .858L4234. 01087qF48 . 11 .2611403tS4stFL4600L31100L21000L1800第二节第二节 套管柱强度设计套管柱强度设计下深（m）段长（m）钢级壁厚（mm）StSc0600600N-8010.361.94600170
37、01100N-808.051.814.82170027001000N-809.193.21.0227003500800N-8010.367.851.08（9）设计结果列表）设计结果列表 （二）（二） 设计方法设计方法等安全系数法等安全系数法 2. 设计计算步骤设计计算步骤 第二节第二节 套管柱强度设计套管柱强度设计第三节第三节 油井水泥及注水泥油井水泥及注水泥一、油井水泥一、油井水泥 （一）油井水泥的主要成分（一）油井水泥的主要成分 （1）硅酸三钙（）硅酸三钙（3CaOSiO2)，简称，简称 C3S ，4065% （2）硅酸二钙（）硅酸二钙（2CaOSiO2)，简称，简称 C2S ，2430%
38、 （3）铝酸三钙（）铝酸三钙（ 3CaOAl2O3)，简称，简称 C3A ，215% （4）铁铝酸四钙（）铁铝酸四钙（ 4CaOAl2O3 Fe2O3)，简称，简称 C4AF，812% 矿物成分矿物成分早期强度早期强度长期强度长期强度水化速度水化速度收缩性收缩性抗硫酸盐抗硫酸盐C3SC2SC3AC4AF大大小小大大小小中中大大小小小小中中慢慢快快较快较快中中小小大大小小低低矿物成分对水泥性能的影响矿物成分对水泥性能的影响第三节第三节 油井水泥及注水泥油井水泥及注水泥（二）油井水泥的类型（二）油井水泥的类型1. API 标准分类标准分类级级别别使用深度范围使用深度范围m使用温度使用温度范围，范围
39、，类类 型型说说 明明普通普通抗硫酸盐抗硫酸盐中中高高A0 183076.7普通水泥普通水泥B中热水泥，中、高抗硫酸盐型中热水泥，中、高抗硫酸盐型C早强水泥，普通和中、高抗硫酸言型早强水泥，普通和中、高抗硫酸言型D1830 305076 127用于中温中压条件，中、高硫酸盐型用于中温中压条件，中、高硫酸盐型E3050 427076 143基本水泥加缓凝剂，高温高压用基本水泥加缓凝剂，高温高压用F3050 4880110 160基本水泥加缓凝剂，超高压、高温用基本水泥加缓凝剂，超高压、高温用G0 24400 93基本水泥，分中、高抗硫酸盐型基本水泥，分中、高抗硫酸盐型HJ3660 488049
40、160超高温用，普通型超高温用，普通型一、油井水泥一、油井水泥第三节第三节 油井水泥及注水泥油井水泥及注水泥（二）油井水泥的类型（二）油井水泥的类型2. 国产油井水泥分类国产油井水泥分类 45水泥：用于表层或浅层，深度小于水泥：用于表层或浅层，深度小于1500米；米； 75 水泥：用于井深水泥：用于井深15003200米。超过米。超过3500米，应加入缓凝剂。超过米，应加入缓凝剂。超过 110 ，应加入不少于，应加入不少于28%的硅粉。的硅粉。 95 水泥：用于井深水泥：用于井深25003500米。超过米。超过110 ，加入，加入28%以上的硅粉。以上的硅粉。 120 水泥：用于井深水泥：用于
41、井深35005000米。当用于米。当用于45005000米时，应加入缓米时，应加入缓 凝剂及降失水剂。凝剂及降失水剂。一、油井水泥一、油井水泥第三节第三节 油井水泥及注水泥油井水泥及注水泥（三）油井水泥的水化作用（三）油井水泥的水化作用1. 水泥的水化反应水泥的水化反应3CaO SiO22H2O2CaO SiO2 H2O十十Ca(OH)22CaO SiO2H2O 2CaO SiO2 H2O3CaO Al2O36H2O 3CaO Al2O3 6H2O4CaOAl2O3 Fe2O36H2O 3CaOAl2O36H2O CaOFe2O3H2O 2. 水泥的硬化过程水泥的硬化过程 （1）胶溶期：）胶溶
42、期：水泥与水混合成胶体悬浮液，开始发生水化反应，水化产物的浓水泥与水混合成胶体悬浮液，开始发生水化反应，水化产物的浓度开始增加，达到饱和状态时部分水化物以胶态或微晶体析出，形成胶溶体系。此时度开始增加，达到饱和状态时部分水化物以胶态或微晶体析出，形成胶溶体系。此时水泥浆仍有流动性。水泥浆仍有流动性。 （2）凝结期：）凝结期：水化反应由水泥颗粒表面向内部深入，溶胶粒子及微晶体大量增水化反应由水泥颗粒表面向内部深入，溶胶粒子及微晶体大量增加，晶体开始互相连接，逐渐絮凝成凝胶体系。水泥浆变绸，直到失去流动性。加，晶体开始互相连接，逐渐絮凝成凝胶体系。水泥浆变绸，直到失去流动性。 （3）硬化期：）硬化
43、期：水化物形成晶体状态，互相紧密连接成一个整体，强度增水化物形成晶体状态，互相紧密连接成一个整体，强度增加，硬化成为加，硬化成为水泥石水泥石（水泥胶微晶（水泥胶微晶 + 氢氧化钙晶体氢氧化钙晶体 + 未水化水泥颗粒）。未水化水泥颗粒）。一、油井水泥一、油井水泥 1. 水泥浆性能水泥浆性能 （1 1）水泥浆密度）水泥浆密度 干灰密度干灰密度 3.053.20 gcm3； 水泥完全水化需要的水为水泥重量的水泥完全水化需要的水为水泥重量的25左右；左右； 加水量达到水泥重量的加水量达到水泥重量的4050，水泥浆具有较好的流动性；，水泥浆具有较好的流动性； 水灰比：水与干水泥重量之比。水灰比：水与干水
44、泥重量之比。 水泥浆正常密度水泥浆正常密度1.78 1.98 gcm3之间。之间。 水泥浆密度越高，顶替效率越高，水泥石强度越大。但容易压漏地水泥浆密度越高，顶替效率越高，水泥石强度越大。但容易压漏地层，污染油气层。层，污染油气层。 （2）水泥浆的稠化时间）水泥浆的稠化时间 油井水泥在规定的压力和温度下，从开始混拌到水泥浆稠度达到油井水泥在规定的压力和温度下，从开始混拌到水泥浆稠度达到100个稠度单位（个稠度单位（BC，伯登，用高温高压稠化仪侧得）所用的时间。，伯登，用高温高压稠化仪侧得）所用的时间。 注水泥要求水泥浆稠化时间大于注水泥作业时间。注水泥要求水泥浆稠化时间大于注水泥作业时间。AP
45、I标准规定在标准规定在初始的初始的1530min时间内，稠度应当小于时间内，稠度应当小于30BC。在整个注替过程中，为保。在整个注替过程中，为保持好的流动性，稠度一般控制在持好的流动性，稠度一般控制在50BC以内。以内。第三节第三节 油井水泥及注水泥油井水泥及注水泥二、水泥浆性能及外加剂二、水泥浆性能及外加剂 （3）水泥浆的自由水与失水量）水泥浆的自由水与失水量 1）水泥浆的自由水（游离水、析水）水泥浆的自由水（游离水、析水） 水泥浆的自由水是指水泥凝固后析出的多余水。水泥浆的自由水是指水泥凝固后析出的多余水。 自由水与水灰比有关，水灰比高则自由水大。自由水与水灰比有关，水灰比高则自由水大。
46、国产温度系列水泥标准规定小于国产温度系列水泥标准规定小于1%；API标准规定基本水泥（标准规定基本水泥（G、H）的自由水小于的自由水小于3.5%。 2）水泥浆的失水量）水泥浆的失水量 水泥浆失水是指水泥浆在压差条件下向渗透层滤失的水。水泥浆失水是指水泥浆在压差条件下向渗透层滤失的水。API规定在规定在 6.9MPa压差下压差下30min失水作为标准时水量。失水作为标准时水量。 套管注水泥，推荐失水量控制在套管注水泥，推荐失水量控制在100 100 200ml/30min200ml/30min 尾管注水泥及挤水泥，推荐失水量控制在尾管注水泥及挤水泥，推荐失水量控制在50 50 150ml/30m
47、in150ml/30min 有效控制气窜，推荐失水量控制在有效控制气窜，推荐失水量控制在20 20 30ml/30min30ml/30min 50 50 200ml/30min 200ml/30min 失水量一般认为最佳失水控制标准。失水量一般认为最佳失水控制标准。第三节第三节 油井水泥及注水泥油井水泥及注水泥1. 水泥浆性能水泥浆性能二、水泥浆性能及外加剂二、水泥浆性能及外加剂第三节第三节 油井水泥及注水泥油井水泥及注水泥1. 水泥浆性能水泥浆性能 （4 4）水泥浆的流变性）水泥浆的流变性 粘度和切力随流速变化的性质，与流型有关。粘度和切力随流速变化的性质，与流型有关。 宾汉流型：宾汉流型：
48、 幂率流型：幂率流型： 流变参数在固井工程中的应用：流变参数在固井工程中的应用： 1 1）计算注替过程的循环摩阻，防止压漏薄弱地层；）计算注替过程的循环摩阻，防止压漏薄弱地层； 2 2）设计注水泥的最佳流态（紊流），提高顶替效率。）设计注水泥的最佳流态（紊流），提高顶替效率。 （5 5）水泥候凝时间水泥候凝时间 水泥凝固成具有一定强度的水泥石所需要的时间。水泥凝固成具有一定强度的水泥石所需要的时间。 一般地，表套：一般地，表套：812小时；技套：小时；技套：1224小时；油套：小时；油套：24小时。小时。 dxdvPV 0ndxdvk 二、水泥浆性能及外加剂二、水泥浆性能及外加剂 （6 6）水
49、泥石强度水泥石强度 支撑套管轴向载荷，支撑套管轴向载荷，0.693.45MPa。 承受钻进与射孔等的冲击载荷，承受钻进与射孔等的冲击载荷，13.8MPa 承受酸化、压裂等增产措施作业的压力。承受酸化、压裂等增产措施作业的压力。 （7 7）水泥石的抗蚀性水泥石的抗蚀性 地层水中的硫酸钠、硫酸镁与水泥中的石灰反应生成硫酸钙。硫酸钙与地层水中的硫酸钠、硫酸镁与水泥中的石灰反应生成硫酸钙。硫酸钙与C C3 3A A反应生成硫代铝酸钙，其体积是水化铝酸钙的反应生成硫代铝酸钙，其体积是水化铝酸钙的2.52.5倍，在水泥石内部产生较倍，在水泥石内部产生较大的内应力而导致破坏。大的内应力而导致破坏。 抗硫酸盐
50、腐蚀的措施：抗硫酸盐腐蚀的措施：1 1）减少）减少C C3 3A A含量，高抗硫水泥，含量，高抗硫水泥， C C3 3A3% A3% ； 2 2）在水泥中加入矿渣、石英砂、粉煤灰等。）在水泥中加入矿渣、石英砂、粉煤灰等。 （8 8）高温下）高温下水泥石的强度衰减水泥石的强度衰减 温度超过温度超过110后，温度越高，强度衰减速度越快。加入后，温度越高，强度衰减速度越快。加入2530%硅粉，可硅粉，可防止水泥高温强度衰减。防止水泥高温强度衰减。第三节第三节 油井水泥及注水泥油井水泥及注水泥1. 水泥浆性能水泥浆性能二、水泥浆性能及外加剂二、水泥浆性能及外加剂（1）加重剂）加重剂：重晶石、赤铁粉等。
