1、固井与完井固井与完井本章主要内容 井深结构设计 固井 完井概述概述1.固井：是油气井建井过程中的一个重要环节，它包括下套管和注水泥两个过程。2.下套管：在已钻成的井眼中按规定深度下入一定直径、由某种或几种不同钢级及壁厚的套管组成的套管柱。3.注水泥在地面上将水泥浆通过套管柱注入到井眼与套管柱之间环形空间中，将套管柱与井壁岩石牢固地固结的过程。固井目的：将油气水层及复杂地层封固起来以利于进一步钻进或开采。下套管和注水泥浆固井固井水泥浆系统混合器空气水泥浆混合池空气水泥粉压力罐水泥粉压力罐柴油机柴油机水泥泵水泥泵下灰器去井口水去井口注入泵4.完井也称油井完成，包括钻开生产层，确定完井的井底结构，使
2、井眼与产层连通，安装井底及井口等环节。保证安全、优质、快速和经济地钻达目的层 内容 井身结构海平面23米MSL 23m339.75mm套管下深1853.46米13-3/8 CSG 1853.46m444.50mm井眼钻深1860米17-1/2 HOLE 1860m转盘面(深度基准面)RKB(Datum Plane)海底泥线109.66米MUD LINE 109.66m244.48mm套管下深2884.95米9-5/8 CSG 2884.95m311.15mm井眼钻深2900米12-1/4 HOLE 2900m762mm导管下深163.36米30 CSG 163.36m914.40mm井眼钻深1
3、66.66米36 HOLE 166.66m508mm套管下深549米20 CSG 549m660.40mm井眼钻深556米26 HOLE 556mP256 尾管挂深 m技套2水泥返深 m技套1水泥返深 m表层 钻头 mm m套管 mm m技套2 钻头 mm m 套管 mm m技套1 钻头 mm m 套管 mm m生产层 钻头 mm m 套管 mm m钻下部地层采用重钻井液时产生的井内压力不致压裂上层套管处最薄弱的裸露地层；井深l1.四个压力剖面2.五个工程参数（设计系数）bPmSmaxmaxgmBrSmaxKbkSmaxKppmkSDD21maxmaxffmESfgbPfffgmESSSSSm
4、axmaxKpfbPfffKpmESDDSSSSDDmaxmaxmaxmaxfgbPfSSSmaxD21KpfbPfSDDSS21maxmaxminmaxminmaxmaxminmaxminmaxmax)(00981.0)(00981.0PPbpPPmDSPDPbPPNpperPPbpperNSDPDSPminminminmin0098.0)(0098.0bPPapperPPbpperaSDPDSPminminminmin0098.0)(0098.0minmin21maxminminmaxmax)(00981.0)(00981.0PPbpDPPmDSPDP分析bPPNpperPPbpperNS
5、DPDSPminminminmin0098.0)(0098.0bPPapperPPbpperaSDPDSPminminminmin0098.0)(0098.0KfbfpperKbpperffKeeKSDDSSSDDSSSDDSgDSgDS231231231231minmin31maxminminmaxmax)(00981.0)(00981.0PPbpDPPmDSPDPKfbPfESDDSS122考虑复杂情况考虑复杂情况套管下入深度的设计是以压力剖面为依据，但是地下的许多复杂情况无法在压力剖面上得以反映，如易漏、易塌、盐岩层等，这些地层必须进行及时封隔。当量泥浆密度GpGf中间套管设计步骤 1.
6、定中间套管最大下入深度假定点。当量泥浆密度GpGf当量泥浆密度GpGf当量泥浆密度GpGf套管尺寸和井眼尺寸的选择套管层次和每层套管的下入深度确定之后，相应的套管尺寸和井眼直径也就确定了。套管尺寸的确定一般由内向外依次进行，首先确定生产套管的尺寸，再确定下入生产套管的井眼的尺寸然后确定中间套管的尺寸等，依次类推，直到表层套管的井眼尺寸，最后确定导管的尺寸。PN=12MPa，PA=18MPa，sbbSgSkSfS例图例图5000425040003050300020008501000340039003200pf2.152.191.071.21.4351.571.41.62.01.941.741.8
7、2.042.22.4设计举例某井设计井深为 4400 m；地层孔隙压力梯度和破裂压力梯度 剖面如图。试进行该井井身结构设计。给定设计系数：Sb=0.036；Sg=0.04；Sk=0.06 ；Sf=0.03；PN=12 Mpa;PA=18 MPa;解：由图上查得 （1）中间套管下入深度初选点 由 试取 D21=3400 m，代入上式得：由破裂压力曲线查得 且接近，故确定 D21=3400 m。mDcmgpp4250,/04.2max3max21Dmaxmax21/fpbfkpSSSDD32.04 0.036 0.03 0.06 4250/34002.181/fg cm340033400,/19.
8、2fffcmg（2）校核中间套管是否会被卡 由P曲线，钻进到深度 D21=3400 m时，遇到最大地层压力 因 由 因P PN=12 MPa,故中间套管下深应浅于初选点。查得 =1.435 对应 D2=3200 m。33400=1.57 g/cm p3minmin1.07/,3050pg cmDm3min3min121.07 0.036 1.435/9.81 100.00981 3050NpperpbPSg cmDmaxminmin()0.00981pbpPSD(1.570.0361.07)30500.0098116.037PMPapper （3）确定尾管下深的初选点 D31 由f曲线查得：由
9、：试取 D31=3900m，得 由p曲线，故确定初选点 D31=3900 m.3122312.15 0.036 0.030.063200pperfbfkDSSSDD332002.15/fg cm32.01/pperg cm339001.942.01/ppperg cm（4）校核是否会卡尾管 计算压差：因为 ，故确定尾管下深为 D3=D31=3900m。maxminmin()0.00981(1.940.036 1.435)3200 0.0098116.98pbpPSDMPa18APPMPa（5）确定表层套管下深 D1 由：221132001.4350.0360.030.06fEpbfkDSSSD
10、D试取 D1=850 m,代入上式计算得由f曲线查得故确定 D1=850 m。3/737.1cmgfE38508501.74/,ffEfg cm六、套管尺寸和井眼尺寸选择 目前我国使用最多的套管/钻头系列是：214)875(7)218(859)4112(8313)2117(20)26(套管和井眼尺寸确定一般是由内到外进行 根据采油要求 油层套管尺寸 匹配钻头 套管与井眼间间隙与井身质量、固井水泥环强度要求、下套管时井内波动压力、套管尺寸等因素有关，9.5mm 19mm。目前，根据套管层次不同，已基本形成了较稳定的系列。第二章套管柱设计第二章套管柱设计第一节套管及套管柱第一节套管及套管柱一、制成
11、优质钢材制成的无缝管或焊接管 二、套管柱的定义及作用1.定义：通常是由同一外径、相同或不同壁厚、钢级的套管用接箍连接而成的管柱 2.套管柱作用：套管柱用于封固井壁的裸露岩石 三、套管柱分类及钢级三、套管柱分类及钢级1.套管柱分类分API(美国石油学会)标准及非API标准。我国现用的套管标准与美国API(美国石油学会)标准类似。2.套管柱钢级（1）定义：API标准规定套管本体的钢材应达到规定的强度，即为钢级。注意：API标准中不要求套管钢材的化学性质，但应保证钢材的最小屈服强度，(2)(2)钢级分类钢级分类 API标准把套管钢级分为：H、J、K、N、C、L、P、Q八种共计10级。(3)(3)钢级
12、的表示钢级的表示表示：字母数码字母：无特殊含意。数码：最小屈服强度，它的1000倍为最小屈服强度的大小（Psi=lbf/in2）。如：J55551000Psi=5510004.450.02542 =379.21MPa1Psi=1lbf/in2=4.450.02542=6894.7（Pa）(4)(4)钢级的种类及级别钢级的种类及级别1）种类：八种2）级别：十个级别例外：K55（5）抗硫套管H-40,J-55,K-55,C-75,L-80,C-90(四四)非非APIAPI套管套管1.背景：HTHP井、超深井、水平井、大斜度井、热采井及腐蚀环境下的油气井的出现。2.特点：品种多，能满足不同类型条件要
13、求。螺纹连接效率高，密封结构优良。（五（五)套管尺寸套管尺寸套管外径：1.常用范围：2.套管壁厚：（1）同一外径，有多种壁厚。2.壁厚范围在5.2116.13mm 3.通常是小直径的套管璧厚小一些，大直径套管的壁厚大一些。4.除标准的钢级和壁厚之外，尚有非标准的钢级和壁厚存在.（六）连接螺纹（六）连接螺纹1.螺纹分类API标准：短圆（STC）:Short thread connection长圆（LTC）:Long thread connection梯形（BTC）:Butt thread connection直连形（XL）:Extreme line螺纹螺纹 （a）（b）（c）图API螺纹连接示意
14、图（a）圆螺纹连接 （b）梯形螺纹连接 （c）直连型螺纹连接2.2.锥度锥度圆螺纹锥度：1：16；螺距：3.175mm(8扣每英寸)。梯形螺纹 锥度：1:16(外径16in）1:12(外径16in)，螺距：5.08mm(5扣每英寸)。3.3.非非APIAPI标准螺纹标准螺纹1.VAM特殊螺纹：法国互鲁瑞克公司开发2.NSCC特殊螺纹：日本日铁公司开发3.FOX特殊螺纹:日本川崎公司开发4.NK3SB特殊螺纹：日本NKK公司开发公司开发前三种采用偏梯形扣第二节套管柱受力分析第二节套管柱受力分析套管柱在井内所受外载复杂，不同类型的井受力不同，同一口井在不同时期（下套管、注水泥、后期开采等）套管柱受
15、力也不同。一、套管外载总体分类1.静载；2.动载(一一)静载静载轴向拉力外挤压力内压力弯曲附加应力温度应力(二二)动载动载1.起下钻速度变化产生的动载 加速上提套管 减速下放（刹车）2.套管阻卡提动动载3.摩擦动载4.注水泥5.碰压（三）受力及计算结果处理（三）受力及计算结果处理动载中大部分力难以精确计算处理：温度应力较大时，通过工艺解决浮力减轻，加大安全系数。基本荷载：1.轴向拉力2.外挤压力3.内压力二、轴向拉力及套管抗拉强度二、轴向拉力及套管抗拉强度1.轴向拉力1）套管自重引起的拉力 Ft式中:qi套管线重，N/m；Li 套管长度，m;Ft 套管承受轴向拉力，kN。niitLqF1310
16、2）考虑浮力时套管自重所产生的轴向拉力nsdiimLqF1310)1(nBiiKLq1310nimLq1310式中：d钻井液密度，；s 套管钢材密度，。q套管单位长度的名义重力，N/m；Li套管长度，m；Fm套管在钻井液中的轴向拉力，kN。sdBK1BK:浮力系数，其大小计算式为：qKqBmqm:单位长度浮重。注意：虽说泥浆浮力有减轻套管自重的作用，但由于套管与井壁之间有摩擦力的作用，一般不考虑在钻井液中的浮力减轻作用，通常是用套管在空气中的重力来考虑轴向拉力，认为浮力被套管柱与井壁的摩擦力所抵消。但在考虑套管双向应力下的抗挤压强度时采用浮力减轻下的套管重力。3 3）套管弯曲引起的附加拉力）套
17、管弯曲引起的附加拉力 F Fbdbd当套管随井眼弯曲时，由于套管的弯曲变形增大了套管的拉力载荷，当弯曲的角度及弯曲变化率不太大时，可用简化经验公式计算弯曲引起的附加力。ccobdAdF0733.0dco套管外径，cm；Ac 套管截面积，cm2；每25m 井斜角的变化，/25m 定向井、水平井及大狗腿直井中，应考虑弯曲附加拉力。4 4）套管内注入水泥引起的套管柱附加应力）套管内注入水泥引起的套管柱附加应力 在注入水泥浆时，当水泥浆量较大，水泥浆与管外液体密度相差较大，水泥浆末返出套管底部时，管内液体较重，将使套管产生一个拉应力，可近似按下式计算：Fc注水泥时产生的附加轴向拉力，KNh 管内水泥浆
18、高，m；m水泥浆密度，g/cm3；d钻井液的密度，g/cm3；dcin 套管内径，cm。410002cindmCdhF2.2.轴向拉力作用下的套管强度轴向拉力作用下的套管强度套管柱受轴向拉力一般为井口处最大，是危险截面。1）套管柱受拉应力引起的破坏形式有两种：a.套管本体被拉断 （拉力小于丝扣连接强度，大于本体强度)；b.螺纹处滑脱，称为滑扣（thread slipping）(拉力大于丝扣连接强度，小于本体强度）。2 2）失效统计）失效统计经大量的室内研究及现场应用表明，套管在受到拉应力时，螺纹处滑脱比本体拉断的情况为多，尤其是使用最常见的圆扣套管时更是如此。圆扣套管的螺纹滑脱负荷比套管本体的
19、屈服拉力要小，因此在套管使用中给出了各种套管的滑扣负荷，通常是用螺纹滑脱时的总拉力（kN）来表示。在设计中可以直接从有关套管手册中查用。3）滑扣原理 在下部套管柱自重（T）作用下，通过丝扣斜面把下部载荷（T）传递到上部套管上，在每个丝扣的斜面上的载荷，在径向产生一个水平分力，这个径向分力将使管径缩小，接箍胀大，当载荷增大到某一定值（滑脱负荷），套管就从接箍中滑脱出来。脱扣分析脱扣分析接箍套管4)4)套管抗拉强度套管抗拉强度a.套管抗拉强度 套管在拉伸条件下抵抗失效能力的大小，套管抗拉强度按套管螺纹连接强度计算b.抗拉安全系数St 套管理论上能承受的最大拉力(接头抗拉强度)与计算点以下井段套管在
20、空气中重力之比，即：St=Ft/Ft St安全系数，1.62.0之间，常取1.8Ft套管理论上能承受的最大拉力，kN；Ft 计算点以下井段套管在空气中重力，kN；三、套管外挤压力三、套管外挤压力p pc c及抗挤强度及抗挤强度1.来源 a.套管外流体；b.地层中流体；c.高塑性岩石，其压力梯度为2327kPa/m;d.其它作业时产生的压力，挤水泥、压裂。2.套管承受外挤压力计算 1）API常规套管柱设计中外挤压力计算 极端情况：全掏空，即Casing内没有液柱poc外挤压力,kPa；dCasing外钻井液的密度，g/cm3；H计算点井深，m。Hpdoc81.9 2）特殊情况下套管柱设计中外挤压
21、力计算 （1）特殊情况：坍塌、膨胀缩径、滑移、地层蠕动。（2）计算：管内全掏空，管外以上覆岩层压力计算。poc外挤压力,kPa；Go上覆岩层压力梯度，23-27kPa/m；rkCasing外钻井液的密度，g/cm3；H计算点井深，m。HHGprkooc81.9总结外挤压力总结外挤压力自上而下逐渐增大。3.3.套管抗挤强度套管抗挤强度1）失效形式套管受外挤作用时，其破坏形式主要是a.强度破坏（小直径和小壁厚的套管容易发生强度破坏）。b.丧失稳定性.丧失稳定性的形式主要是在压力作用下失圆、挤扁：失效图失效图2 2）CasingCasing抗挤强度、抗挤安全系数抗挤强度、抗挤安全系数（1）抗挤强度套
22、管抵抗外挤压力破坏的能力。（2）抗挤安全系数ScSc=pc/pocpc：理论上能承受的最大外挤压力；Sc：抗挤安全系数，1.01.25，常取1.0。4.4.有轴向力时的抗挤强度有轴向力时的抗挤强度1）问题的提出在实际应用中，套管是处于双向应力的作用，即在轴向上套管承受有下部套管的拉应力，在径向上存在有套管内的压力或管外液体的外挤压力。由于轴向拉力的存在，使套管承受内压或外挤的能力会发生变化。2）套管抗内压或抗外挤强度分析2 2）套管抗内压或抗外挤强度分析）套管抗内压或抗外挤强度分析设轴向力为z，由poc或pi引起套管周向应力为t(tangential)，径向力为r(radial)，套管内微小单
23、元，外载作用下产生三向应力，z，t，r在外压力与轴向力或内压力与轴向力作用下，管柱内的应力状态为三向应力状态，三个主应力分别为轴向应力、周向应力和径向应力：方程反映了材料屈服强度不变的条件下，各应力之间的关系 1234轴向受压抗内压强度降低轴向拉力抗内压强度增加轴向受压抗挤强度增加轴向拉力抗挤强度降低椭圆图上,百分比为纵坐标,百分比为横坐标.由强度条件的双向应力椭圆可以看出:第一象限:拉伸与内压联合作用 轴向拉力 抗内压强度增加.第二象限:轴向压缩与内压联合作用 轴向受压 抗内压强度降低.第三象限:轴向压应力与外挤压力联合作用 轴向受压 抗外挤强度增加.第四象限:轴向拉应力与外挤压力联合作用
24、轴向拉力 抗外挤强度降低（需考虑）st/sz/对IV象限，表明轴 向拉伸对套管的抗挤能 力有影响。考虑轴向拉力影响时的抗外挤强度公式 PCC的推导:如图:tdpccct2由双向应力椭圆方程，当Z=0时,22st根据上式则有:tdpccs2由上2式代入双向应力椭圆方程，简化得(1.0 30.7 4)mc ccsFppF Fm轴向拉力，KN；Fs管体屈服强度，KN；，MPapcc存在轴向拉力时的抗外挤强度，MPa；pc不存在轴向拉力时的抗外挤强度，MPa。其中pc及Fs均可由套管手册查出，该公式在 的范围内计算误差与理论计算值相比在2以内，满足工程需要。5.0/1.0smFF四、套管内压力四、套管
25、内压力p pi i及抗内压强度及抗内压强度1.来源 a.地层流体(油、气、水)进入套管产生的压力 b.生产中特殊作业(酸化、压裂、注水)时的外来压力。在一个新地区，由于在钻开地层之前，地层压力是难以确定的，故内压力也是难以确定的。对已探明的油区，地层压力可参考邻井的资料。2.2.不同工况下内压力计算不同工况下内压力计算1）井口敞开，套管内压力等于管内流体产生的压力。pi=9.81H=ph2）当井涌井口关闭时，内压力等于井口压力与流体压力之和。pi=ps+ph=ps+9.81H3)3)井口压力及内压力的确定井口压力及内压力的确定内压力计算因套管类型不同、井别不同而不同技术套管井口压力及内压力的计
26、算（1）假定套管内完全充满天然气，则井口处的内压力近似为：DgasDgassepepp0001155.0101155.14)(0001155.0)(101155.1)(4ififDDpfDDfieppepp(2)(2)井涌关井后既有井涌关井后既有mudmud又有又有gasgas1井口压力pssskkTpTpkkssskkspHTTTTTpp273273pk:井涌处流体所具有的压强；Ts:井口温度；T：地温梯度，/100m;2任一井深处（Hi）的内压力等于井口压力与该点以上钻井液液柱所产生的压强。FkimsiCVHpp81.9FkimsiCVHpp81.9Vk侵入井内气体的体积，经验值，m3CF
27、环空比容，1m3气体在环空中当量高度，m/m3。如果Hi 外载安全系数 应满足钻井作业、油气开发和产层改造需要；承受外载时应有一定储备能力 经济性要好选好安全系数、采用复合套管等。受力不等采用复合套管受力不等采用复合套管二、设计方法(一)方法种类各国根据各自的条件都规定了自己的套管柱强度设计方法，最常见的有：1.等安全系数法 2.边界载荷法 3.最大载荷法 4.AMOCO法 5.西德BEB方法 6.前苏联的方法等。（二）常用套管柱设计方法 1.安全系数法 各危险截面最小安全系数等于或大于规定的安全系数。下部抗挤设计，水泥面上按双向应力，上部满足抗拉和抗内压 2.边界载荷法（拉力余量法）在抗拉设
28、计时，套管柱上下考虑同一个拉力余量。三、各层套管柱的设计特点三、各层套管柱的设计特点1.表层套管：表层套管是为巩固地表疏松层并为了安装井口防喷装置而下入的一层套管。表层套管还要承受下部各层套管的部分重量。因此，表层套管的设计特点是要承受井下气侵或井喷时的地层压力，套管在设计中主要考虑抗内压力，防止在关井时，套管承受高压而被压爆裂。主要考虑内压载荷；2.2.技术套管设计特点技术套管设计特点 技术套管是为封隔复杂地层而下入的，在后续的钻进中要承受井喷时的内压力和钻具的碰撞和磨损。技术套管的设计持点是既要有较高的抗内压强度，又要有抗钻具冲击磨损的能力。3.3.油层套管设计特点油层套管设计特点油层套管
29、是在油、气井中最后下入的，并在其中下入油管，用于采油生产的层套管。由于该套管下入深度较大，抗外挤是下部套管应考虑的重点。该层套管应按其可能在生产中遇到的问题分别考虑，如有的井是用来注水的，有的在采油中要进行压裂或酸化等，套管内也可能承受较大内压力，对这种井的油层套管应严格校核抗内压强度。有的主要是注热蒸汽等进行热力开采，套管长期受热力作用会膨胀，引起较大的压应力，设计中应考虑施加预拉应力时的拉力安全系数等。四、套管柱设计的等安全系数法四、套管柱设计的等安全系数法（一）特点：安全、简单、可靠（使用时间久）受力图受力图在不同的井段，套管柱应当有不同的强度。为什么？在设计中为了达到即经济又安全的原则
30、，设计出的套管柱是由不同钢级及不同壁厚的套管组成。（二）基本设计思路（二）基本设计思路计算可能出现最大内压力，筛选符合抗内压强度套管下部套管段按抗挤设计，上部按抗拉设计，各危险断面最小安全系数要大于或等于规定值。通式：套管强度 外载安全系数水泥面以上套管强度考虑双向应力影响轴向拉力通常按套管在空气中的重力计算，当考虑双向应力时，按浮重计算。(三三)等安全系数法设计具体方法和步骤等安全系数法设计具体方法和步骤1.搜集资料，掌握已知条件套管尺寸和下入深度、安全系数、泥浆密度、水泥返高、套管强度性能表、邻井pp 及pf、孔隙介质特性（H2S、CO2、是否高压)、地层复杂情况等。2.确定安全系数Sc=
31、1.0,Si=1.1,St=1.8 3.计算本井所能出现的最大内压值，筛选套管。如果是一般的井，可以在套管全部设计完后进行抗内压校核。4.按全井的最大外挤载荷初选第一段套管。最大外挤载荷可按下式计算 100981.0Dpdoc5.确定第二段套管可下深度和第一段套管的使用长度，校核第一段套管的抗拉强度。第二段套管可选择壁厚或钢级低一级(也可二者都低即抗挤强度小一级)的套管为第二段套管。按抗挤确定下深。cdcSpD00981.022确定第一段套管的许用长度L1为：211DDL根据第一段的长度计算出该段套管在空气中的重力为L1q1，校核该段套管顶部的抗拉安全系数St11.8。6.当按抗挤强度设计的套
32、管柱超过水泥面或中性点（由于泥浆浮力使套管柱中不受轴向力的截面）时，应考虑下部套管的浮重引起的抗挤强度的降低，可按双向应力设计套管柱。7.计算轴向拉力，按抗拉设计确定上部各段套管。8.抗内压安全系数校核。(四)设计步骤具体实例某井177.8mm(7)油层套管下至3500 m，下套管时的钻井液密度为1.30g/cm3，水泥返至2800m,预计井内最大内压力35MPa，试设计该套管柱(规定最小段长500m)解：规定的安全系数：Sc=1.0,Si=1.1,St=1.8;计算最大内压力，筛选符合抗内压要求的套管 抗内压强度 筛选套管：C-75,L-80 ,N-80 ,C-90 ,C-95 ,P-110
33、 按成本排序：N-80 C-75 L-80 C-90 C-95 1.0 安全103.127003.181.923.35521)(23.35521)74.003.1(105.07.268615.282)(15.2828004234.0833.0833.0128001222211ccccsmcccsmBmsdBppSkPaFFppFFkNLqKFK套管2：危险截面 2700 m 处，Sc=1.03 1.0 安全套管2危险截面:2700 m 处安全 计算套管抗拉安全系数 最终结果：D2=2700 m；L1=800m 3）选择第三段套管，确定第二段套管长度 L2 查表：3333380,8.05,0.3
34、358/,26407,2366.5,1966.1csstNtmm qKN mpkPaFKN FKN8.185.78004234.01.261111tsttFFs 考虑双向应力影响，确定第三段套管可下深度：0.181.9)(74.003.1()74.003.1()(333221133233322112DFDDqLqKpSFFppDDqLqKFdsBccsmcccBm取 D3=1700m,计算得Sc=1.03 安全D3=1756m计算第二段顶部的抗拉安全系数计算第二段顶部的抗拉安全系数安全最终结果 D3=1700 m,L2=1000m8.12.37186.2308)(71810003794.080
35、04234.02222tstttFFskNFw 上部1700 m处套管需进行设计，转为抗拉设计 1）计算第三段套管按抗拉要求的允许使用长度 L3 由：实取：L3=1100 m,则 mqFSFLSLqFFttstttst11173357.07188.11.196632333323371811000.33571087mFKN2）确定第四段套管使用长度 查表得：应比第三段套管抗拉强度高，与第一段套管相同4444480,10.36,0.4234/,48401,3007,2611.1csstNtm mqK NmpkPaFK NFK N 计算第四段套管许用长度 L4:实际距井口还有600m,取L4=600
36、 m;校核第四段下部的抗挤强度：mqFSFLttst7.8584234.010878.11.261143440.182.481.9)74.003.1(4434DFFpSdsmcc安全 最终结果：L4=600 m,D4=600 m 最终设计结果井口压力及套管柱设计例题井口压力及套管柱设计例题某井在直径为0.4445mm的井中下入直径为0.3397mm表层套管120m，下表套时钻井液密度为1.15g/cm3。其后，用直径为0.311mm钻头和0.127mm钻杆钻至2439m，下入直径为0.2445mm中间套管，管鞋处深度为2439m，水泥面深度100m，后用直径为0.2159mm钻头和0.127m
37、m钻杆继续钻进至3658m产层，钻井液密度增至1.62g/cm3，下0.1778mm生产套管。根据该地区经验，在3658m附近会产生井涌，气层压力为4.65104kPa，气体侵入量为7.948m3，井涌时地面钻井液温度为38，地温梯度为2.91/100m，另在2439处钻井液密度1.2g/cm3，地层流体密度1.0782g/cm3，地层破裂压力（中间套管管鞋）为3.86104kPa（破裂压力梯度为15.83kPa/m），地层气体中含少量H2S。试计算中间套管在几种情况下的内压力解：一：气体充满全部环空1.井口：2.管鞋处：)(101155.14IfHHfepp0iH)(1032.31086.3
38、42439554.0101155.14101155.144kPaeepppfHfSmHHfi2439初选套管初选套管钢级 壁厚螺纹 抗内压强度C-75 11.99LTC44402kPaL-80 11.05LTC43644kPaN-75 11.05LTC43644kPaC-75(11.99)C-75(11.99)性能性能钢级 壁厚螺纹 抗内压强度C-75 11.99LTC 44402(kPa)抗外挤强度 抗拉强度 平均线重31785(kPa)3789.9(kN)685.9(N/m)C-75(11.05)C-75(11.05)性能性能钢级 壁厚螺纹 抗内压强度C-75 11.05LTC 40886
39、(kPa)抗外挤强度 抗拉强度 平均线重25717(kPa)3451.8(kN)634.8(N/m)C-75(10.03)C-75(10.03)性能性能钢级 壁厚螺纹 抗内压强度C-75 10.03LTC 37163(kPa)抗外挤强度 抗拉强度 平均线重20615(kPa)3087.1(kN)583.8(N/m)设计结果设计结果段号井深段长钢级 壁厚螺纹 ST Sc SI 1 0-280 280 C-75 10.03LTC 2.326.26 1.12 2 280-1800 1520 C-75 11.05LTC 2.96 1.21 1.107 3 1800-2439 639 C-75 11.9
40、5LTC 20.28 1.107 1.107第三章注水泥技术第三章注水泥技术1油井水泥1 1油井水泥油井水泥基本概念回顾基本概念回顾注水泥在地面上将水泥浆通过套管柱注入到井眼与套管柱之间环形空间中，将套管柱与井壁岩石牢固地固结的过程。固井目的：1.将油、气、水层及复杂地层封固起来以利于进一步开采或钻进。2.固定套管。注水泥方法注水泥方法1.常规注水泥方法2.双级或多级注水泥方法3.内管法4.反循环注水泥方法5.延迟凝固注水泥方法一、基本概念一、基本概念1.油井水泥硅酸盐水泥中的一种，经特殊加工适用于油、气井固井专用的水泥。2.水泥浆二、对油井水泥的基本要求二、对油井水泥的基本要求(重点重点)1
41、.水泥浆应能与外加剂配合，可调节各种性能；2.水泥浆具有良好的流动性，该性能从配制开始到注入套管被顶替到环空内一段时间内始终保持；3.水泥浆在井下的温度及压力条件下保持稳定性;4.水泥浆在规定时间内凝固并达到一定的强度；5.形成水泥石应有很低的渗透性能等。三、水泥矿物成分三、水泥矿物成分(重点重点)分子式水化反应速度含量范围对早期强度的影响对最终强度的影响其它贡献中(40-65)%较大较大慢(24-30)%不大较大快较大不大慢次快(8-12)%不大次之不大 高早强水泥：(60-65)%缓凝水泥：(40-45)%抗硫酸盐水泥：3%以下(因对硫酸盐敏感)。较高早强度水泥：15%各矿物成分含量各矿物
42、成分含量附加作用附加作用C3A：决定水泥浆初凝、稠化时间；对流变性能有影响 对硫酸盐极为敏感。C4AF：降低水泥烧结温度四、水泥凝结与硬化（一）水泥的水化反应（一）水泥的水化反应水化产物水化产物（二）水泥凝结与硬化理论（二）水泥凝结与硬化理论1.1.基本概念基本概念2.2.水泥凝结与硬化理论水泥凝结与硬化理论1）结晶理论2）胶体理论3）凝固理论4）凝聚结晶理论均不完善，不统一。但凝聚结晶理论能较好地解释固井过程中发生的一些重要现象。3.3.凝聚结晶理论凝聚结晶理论1）凝聚网(两种可能)a.水泥水化和分散作用，使水泥在分散介质高度分散，表面积剧增，具有较大表面能，有自发减小的倾向，产生聚结形成网
43、架结构。b.高度分散的胶体粒子（水化铁酸钙、水化硅酸盐、胶体大小的水泥细颗粒）在布朗运动作用下产生接触与碰撞，在一些适当接触点上粘接起来，由于胶体粒子足够，形成一个弱而具有可塑性的凝聚网，水泥浆变稠，直到失去流动性。凝聚结晶理论（续）凝聚结晶理论（续）2）结晶网随着水泥水化反应不断进行，硅酸盐、铝酸盐在过饱和溶液中以微小晶体析出。此后，聚结产生结晶，形成结晶网。由于微晶直接连接，之间无液膜，通过化学键连接，强度比凝聚网强度高几个数量级，其结构是不可逆的。凝结过程：在凝聚结晶网开始较弱，且具有触变性阶段。凝结过程：结晶网结构发展到不可逆的阶段。水化反应说明(重点)(重点)水化反应说明水化反应说明
44、(续续)2 2油井水泥分类油井水泥分类一、分类背景一、分类背景1.井深不同，从几百米到几千米；2.温度变化；3.压力变化；4.固井施工时间不同，从几十分钟到几个小时；显然单一品种油井水泥无法满足工程需要。故品种繁多，要进行分类。以便二、分类二、分类级别类 型备注普通型中抗硫酸盐型高抗硫酸盐型A普通水泥B抗硫水泥C具有高早期强度D适于中温条件E适于高温条件F适于超高温条件G基本油井水泥H基本油井水泥3 3油井水泥物理性质油井水泥物理性质水泥浆配成后，随着水化反应的不断进行，流动性变差，水泥浆流动越来越困难，直到不能被泵入。此时虽没有凝固，但已无法注入及顶替。因此，注水泥的全过程必须在稠化以前完成
45、。水泥浆从配制开始到其稠度达到其规定值所用的时间。API规定从配制开始到 5.e.及时地进行下一道工序，对施工有影响1.1.提出背景提出背景2.2.水泥浆凝结时间定义水泥浆凝结时间定义 水和干水泥混合后发生水化，随着水化反应的不断进行，水泥浆由液态变化固态。水泥浆由液态变化固态所用的时间，即为水泥浆凝固时间。从注水泥到套管被封固后可承担一定负荷的这一段时间，决定固井完成到进行下一道工序所用时间。3.3.初凝、终凝初凝、终凝 初凝：水与干水泥混合开始到丧失流动性开始所经历的时间。终凝：从水与水泥混合开始到具有一定强度所经历的时间。4.4.稠化时间与凝固时间的区别稠化时间与凝固时间的区别a.凝固时
46、间反应的是静态特性，与水泥失重有非常重要的关系，对水泥早期强度有一定的影响；稠化时间反应的是动态特性，与安全注水泥施工有密切关系。b.凝固时间一般大于稠化时间。五、水泥石强度五、水泥石强度1.1.定义定义 目前是通过测试水泥石的抗压强度来检验水泥石的力学性能。在压力作用下，单位面积水泥石破坏时所能承受的力称为水泥石的抗压强度。2.2.要求要求六、水泥石的腐蚀六、水泥石的腐蚀1.1.水泥石腐蚀机理水泥石腐蚀机理4 4油井水泥外加剂油井水泥外加剂油井水泥外加剂类型油井水泥外加剂类型4 4前置液前置液一、提出背景一、提出背景背景背景(续续)窜槽定义 在注水泥过程中，由于水泥浆不能将环空中的钻井液全替
47、走，使环空局部出现末被水泥封固的现象二、定义二、定义三、前置液分类三、前置液分类(重点重点)(一一)冲洗液冲洗液1.1.作用作用(1)稀释和分散钻井液，防止钻井液胶凝、絮凝；(2)有效冲洗井壁与套管，清洗残存钻井液及泥饼，提高水泥环与井壁、套管的胶结质量；(3)在水泥浆及钻井液间起缓冲作用；2.2.冲洗液性能特点冲洗液性能特点1.具有较低的密度，接近水的密度，1.011.03；2.较低的粘度，良好的流动性，低剪切速率，低流动阻力；3.能在较低速度下达到紊流流动状态；4.与水泥浆及钻井液有良好的相容性；5.具有一定的悬浮能力，能防止钻井液固相颗粒及冲洗下来的泥饼堆积；(二二)隔离液隔离液 1.1
48、.作用作用(1)侧重于隔离钻井液与水泥浆，防止其直接接触，发生污染；(2)具有较高的浮力及拖曳力，悬浮固相颗粒，以加强顶替效果；(3)防塌，抑制井漏；(4)平面推进型的顶替效果；(5)缓冲作用。2.2.隔离液性能特点隔离液性能特点 隔离液的顶替有紊流顶替及塞流顶替两种方式，不同方式要求隔离液有不同性能。1.紊流隔离液适用于紊流顶替，具有低粘度及临界流速，易实现紊流；2.粘性隔离液适合于塞流顶替，具有较大的粘性及切力；3.密度在较大范围内调节；2.2.隔离液性能特点隔离液性能特点(续续)4.隔离液，尤其是加重隔离液，有悬浮加重剂及固相颗粒的能力；5.有控制失水能力；5 5注水泥方法注水泥方法注水
49、泥方法注水泥方法1.常规套管注水泥2.分级注水泥3.尾管注水泥4.内管注水泥5.管外注水泥6.反循环注水泥7.延迟凝固注水泥8.多管注水泥6 6 注水泥设计注水泥设计见板述注水泥设计例题注水泥设计例题某井在直径为0.4445mm的井中下入直径为0.3397mm表层套管120m，下表套时钻井液密度为1.15g/cm3。其后，用直径为311.2mm钻头和127mm钻杆钻至2439m，下入直径为244.5mm中间套管，管鞋处深度为2439m，水泥面深度100m，在2439处钻井液密度1.2g/cm3，后用直径为0.2159mm钻头和0.127mm钻杆继续钻进至3658m产层，钻井液密度增至1.62g
50、/cm3，下0.1778mm生产套管。根据该地区经验，在3658m附近会产生井涌，气层压力为4.65104kPa，气体侵入量为7.948m3，井涌时地面钻井液温度为38，地温梯度为2.91/100m，地层流体密度1.0782g/cm3，地层破裂压力（中间套管管鞋）为3.86104kPa（破裂压力梯度为15.83kPa/m），地层气体中含少量H2S。试计算中间套管在几种情况下的内压力设计结果设计结果段号井深段长钢级 壁厚螺纹 ST Sc SI 1 0-280 280 C-75 10.03LTC 2 280-1800 1520 C-75 11.05LTC 3 1800-2439 639 C-75
