1、第七章第七章 固井和完井固井和完井n固井：下套管、注水泥固井：下套管、注水泥n井身结构设计井身结构设计n套管柱设计套管柱设计n注水泥技术注水泥技术 固井质量的核心问题就是套管柱的强度和环形空间的固井质量的核心问题就是套管柱的强度和环形空间的密封及水泥环的胶结质量问题。密封及水泥环的胶结质量问题。n完井完井n钻开生产层钻开生产层n完井井底结构完井井底结构n完井井口装置完井井口装置n试油试油1第一节第一节 井身结构设计井身结构设计 主要包括套管下入层次和每层套管的下深，以及套管和井眼主要包括套管下入层次和每层套管的下深，以及套管和井眼尺寸的配合。尺寸的配合。一、套管的分类作用一、套管的分类作用 1
2、 1、表层套管、表层套管 主要用途：主要用途：封隔地表浅水层及浅部疏松和复杂地层；安装井口、悬挂和封隔地表浅水层及浅部疏松和复杂地层；安装井口、悬挂和支撑后续各层套管。支撑后续各层套管。下深位置：下深位置：根据钻井的目的层深度和地表状况而定，一般为上百米甚至根据钻井的目的层深度和地表状况而定，一般为上百米甚至上千米。上千米。2 2 2、生产套管（油层套管）、生产套管（油层套管）主要用途：用以保护生产层，主要用途：用以保护生产层，提供油气生产通道。提供油气生产通道。下深位置：由目的层位置及完井下深位置：由目的层位置及完井方式而定。方式而定。3 3 3、中间套管（技术套管）、中间套管（技术套管）在
3、表层套管和生产套管之间由于技术要求下入的套管，可在表层套管和生产套管之间由于技术要求下入的套管，可以是一层、两层或更多层。以是一层、两层或更多层。主要用来封隔不同地层压力层系或易漏、易塌、易卡等井主要用来封隔不同地层压力层系或易漏、易塌、易卡等井下复杂地层。下复杂地层。4 4 4、尾管（衬管）、尾管（衬管）是在已下入一层技术套管后采用，即在裸眼井段下套管、是在已下入一层技术套管后采用，即在裸眼井段下套管、注水泥，而套管柱不延伸到井口。注水泥，而套管柱不延伸到井口。减轻下套管时钻机的负荷和固井后套管头负荷；节省套管减轻下套管时钻机的负荷和固井后套管头负荷；节省套管和水泥。一般深井和超深井中用。和
4、水泥。一般深井和超深井中用。5 二、井身结构设计的原则二、井身结构设计的原则 1 1、有效地保护油气层；、有效地保护油气层；2 2、有效避免漏、喷、塌、卡等井下复杂事故的发生，保证安全、有效避免漏、喷、塌、卡等井下复杂事故的发生，保证安全、快速钻进；快速钻进；3 3、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、钻下部地层采用重钻井液时产生的井内压力，不致压裂上层套管鞋处最薄弱的裸露地层；套管鞋处最薄弱的裸露地层；4 4、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、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压差卡套管；致于压差卡套管；5 5、当实际地层压力超过预
5、测值而发生井涌时，在一定压力范围、当实际地层压力超过预测值而发生井涌时，在一定压力范围内，具有压井处理溢流的内，具有压井处理溢流的 能力。能力。6 三、井身结构设计的基础数据三、井身结构设计的基础数据 地层岩性剖面、地层孔隙压力剖面、地层破裂压力剖面、地层岩性剖面、地层孔隙压力剖面、地层破裂压力剖面、地层坍塌压力剖面。地层坍塌压力剖面。6 6个设计系数：个设计系数：抽吸压力系数抽吸压力系数SbSb；0.024 0.024 0.048 g/cm0.048 g/cm3 3 激动压力系数激动压力系数SgSg；0.024 0.024 0.048 g/cm0.048 g/cm3 3 压裂安全系数压裂安全
6、系数SfSf；0.03 0.03 0.06 g/cm0.06 g/cm3 3 井涌允量井涌允量SkSk；：；：0.05 0.05 0.08 g/cm0.08 g/cm3 3 压差允值压差允值 p p：P PN N:15151818 MPa MPa ，P PA A：21212323 MPa MPa7四、裸眼井段应满足的力学平衡条件四、裸眼井段应满足的力学平衡条件（1 1）dmaxdmaxpmaxpmax+S Sb b 防井涌防井涌（2 2）(dmaxdmax-pminpmin)D Dpminpmin0.009810.00981P P 防压差卡钻防压差卡钻（3 3）dmaxdmax+S Sg g+
7、S Sf f fmin fmin 防井漏防井漏（4 4）dmaxdmax+S Sf f+S Sk k D Dpmaxpmax/D/Dc1c1fc1 fc1 防关井井漏防关井井漏8其中：其中：dmaxdmax-裸眼井段内使用的最大钻井液密度，裸眼井段内使用的最大钻井液密度，g/cmg/cm3 3；pmaxpmax-裸眼井段钻遇的最大地层压力的当量泥浆密度，裸眼井段钻遇的最大地层压力的当量泥浆密度，g/cmg/cm3 3；D Dpmaxpmax-最大地层孔隙压力所处的井深，最大地层孔隙压力所处的井深，m m；pminpmin-裸眼井段钻遇的最小地层压力的当量泥浆密度，裸眼井段钻遇的最小地层压力的当
8、量泥浆密度，g/cmg/cm3 3；D Dpminpmin-最小地层孔隙压力所处的井深，最小地层孔隙压力所处的井深，m m；fminfmin-裸眼井段最小地层破裂压力的当量泥浆密度，裸眼井段最小地层破裂压力的当量泥浆密度，g/cmg/cm3 3；D Dc1c1-套管下入深度，套管下入深度，m m；fc1fc1-套管鞋处地层破裂压力的当量泥浆密度，套管鞋处地层破裂压力的当量泥浆密度，g/cmg/cm3 3；9 五、井身结构设计方法五、井身结构设计方法 1 1、求中间套管下入深度的假定点、求中间套管下入深度的假定点 （1 1）不考虑发生井涌）不考虑发生井涌 由由 f f=pmaxpmax+S Sb
9、 b +S Sg g+S Sf f dmaxdmax 计算出计算出f f，在破裂压力曲线上查出在破裂压力曲线上查出f f 所在的井深所在的井深D D2121 ，即为中间套管下深假定点。即为中间套管下深假定点。10 （2 2）考虑可能发生井涌）考虑可能发生井涌 由由 f f=pmaxpmax+S Sb b+S Sf f+S Sk k D Dpmaxpmax/D/D2121 用试算法求用试算法求 D D2121；先试取一个先试取一个D D2121，计算计算f f ；将计算出的将计算出的f f 与与D D2121处查得的处查得的f f 进行比较，若计算值与实际值相差不大进行比较，若计算值与实际值相差
10、不大且略小于实际值，可以确定且略小于实际值，可以确定D D2121为中间套管假定点。否则，重新为中间套管假定点。否则，重新进行试算。进行试算。一般情况下，在新探区，取以上（一般情况下，在新探区，取以上（1 1）、（）、（2 2）两种条件下）两种条件下D D2121较大的值。较大的值。11 2 2、验证中间套管下到深度、验证中间套管下到深度D D2121是否有被卡的危险是否有被卡的危险 首先求出裸眼中可能存在的最大静压差：首先求出裸眼中可能存在的最大静压差：P=P=(pmax1pmax1+S Sb b-pminpmin)D Dminmin0.009810.00981 pmax1pmax1-钻进至
11、钻进至D D2121遇到的最大地层压力当量密度，遇到的最大地层压力当量密度，g/cm3g/cm3。D Dminmin-最小地层孔隙压力所对应的井深，最小地层孔隙压力所对应的井深，m m；（；（当有多个最小当有多个最小地层压力点时，取最大井深。）地层压力点时，取最大井深。）12 若若P P P PN N ，则中间套管深度应小于假定点深度。需则中间套管深度应小于假定点深度。需根据压差卡钻条件确定中间套管下深。根据压差卡钻条件确定中间套管下深。求在压差求在压差P PN N 下所允许的最大地层压力：下所允许的最大地层压力：在地层压力曲线上找出在地层压力曲线上找出pperpper 所在的深度即为中间套管
12、下所在的深度即为中间套管下深深D D2 2。bpDppperSNmin00981.0min13 3 3、求钻井尾管下入深度的假定点、求钻井尾管下入深度的假定点D D3131 根据中间套管鞋处的地层破裂压力当量密度根据中间套管鞋处的地层破裂压力当量密度f2f2 ，求出继续向下钻求出继续向下钻进时裸眼井段所允许的最大地层压力当量密度：进时裸眼井段所允许的最大地层压力当量密度：用试算法求用试算法求D D3131。试取一个试取一个D D3131，计算出计算出pperpper ，与与D D3131处的实际地层压处的实际地层压力当量密度比较，若计算值与实际值接近，且略大于实际值，则确定为力当量密度比较，若
13、计算值与实际值接近，且略大于实际值，则确定为尾管下深假定点；否则，另取尾管下深假定点；否则，另取D D3131进行试算进行试算 。kDDfbfpperSSS231214 4 4、校核尾管下入到、校核尾管下入到D D3131是否有被卡的危险是否有被卡的危险 校核方法与中间套管的校核方法相同。只是将压差允值校核方法与中间套管的校核方法相同。只是将压差允值P PN N 变为变为P PA A 。15 5 5、计算表层套管下入深度、计算表层套管下入深度D D1 1 根据中间套管鞋处的地层压力当量密度根据中间套管鞋处的地层压力当量密度p2p2 ，计算出若钻进计算出若钻进到深度到深度D D2 2发生井涌关井
14、时，表层套管鞋发生井涌关井时，表层套管鞋D D1 1处所承受的井内压力的当处所承受的井内压力的当量密度：量密度：根据上式，用试算法确定根据上式，用试算法确定D D1 1。试取一个试取一个D D1 1，计算计算fEfE ，计算值与计算值与D D1 1处的地层破裂压力当量处的地层破裂压力当量密度值比较；若计算值接近且小于地层破裂压力值，则确定密度值比较；若计算值接近且小于地层破裂压力值，则确定D D1 1为为表层套管下深。否则，重新试取表层套管下深。否则，重新试取D D1 1进行试算。进行试算。kDDfbpfESSS12216 五、设计举例五、设计举例 某井设计井深为某井设计井深为 4400 44
15、00 m m，地层孔隙压力梯度和地层破裂压地层孔隙压力梯度和地层破裂压力梯度剖面如图力梯度剖面如图7-27-2。给定设计系数：。给定设计系数：S Sb b=0.036=0.036；S Sg g=0.04=0.04；S Sk k=0.06=0.06；S Sf f=0.03=0.03；P PA A=12=12 MPa MPa；P PN N=18=18 MPa MPa，试进行该井试进行该井的井身结构设计。的井身结构设计。1718解：由图上查得，解：由图上查得，pmaxpmax=2.04 g=2.04 gcmcm3 3，D Dpmaxpmax=4250 m=4250 m（1 1）确定中间套管下深初选点
16、确定中间套管下深初选点D D2121 由：由：f f=pmaxpmax+S Sb b+S Sf f+S Sk k D Dpmaxpmax/D/D2121 试取试取D D2121=3400m=3400m并代入上式得：并代入上式得：f f=2.04+0.036+0.03+0.06 =2.04+0.036+0.03+0.06 4250/3400=2.181 g/cm 4250/3400=2.181 g/cm3 3 由破裂压力曲线上查得由破裂压力曲线上查得f3400f3400=2.19 g/cm=2.19 g/cm3 3，f f P P PN N =12MPa=12MPa，故中间套管下深应浅于初选点。
17、故中间套管下深应浅于初选点。20由：由：在地层压力曲线上查得对应在地层压力曲线上查得对应p pperper=1.435=1.435的深度为的深度为32003200m m。最后确最后确定中间套管下深为定中间套管下深为D D2 2=3200m=3200m。bpDppperSNmin00981.0min3305000981.012/435.1036.007.1cmgpper21 （3 3）确定尾管下入深度初选点）确定尾管下入深度初选点D D3131 由破裂压力曲线上查得：由破裂压力曲线上查得：f3200f3200=2.15g/cm=2.15g/cm3 3；试取试取D D3131=3900m=3900
18、m，代入上式算得：代入上式算得：p pperper=2.011g/cm=2.011g/cm3 3；由地层压力由地层压力曲线查得曲线查得p3900p3900=1.94 =1.94 p pperper=2.011 g/cm=2.011 g/cm3 3，且相差不大，故确定初且相差不大，故确定初选点选点D D3131=3900m=3900m。06.003.0036.015.23200231231DkDDfbfpperSSS22 （4 4）校核是否会卡尾管校核是否会卡尾管 计算压差：计算压差：P P=（1.94+0.036-1.4351.94+0.036-1.435）320032000.00981=16
19、.980.00981=16.98 MPa MPa 因为因为P P P PA A，故确定尾管下深为故确定尾管下深为D D3 3=D=D3131=3900m=3900m。23 （5 5）确定表层套管下深）确定表层套管下深D D1 1 试取试取D D1 1=850m=850m，代入上式计算得：代入上式计算得：fEfE=1.737 g/cm=1.737 g/cm3 3。由破裂压力曲线查得由破裂压力曲线查得f850f850=1.74 g/cm=1.74 g/cm3 3，fEfE r r,r r 可以忽略。变为双向应力问题。可以忽略。变为双向应力问题。36 由第四强度理论：由第四强度理论：z z2 2 +
20、t t2 2 -z zt t=s s2 2 变换为椭圆方程：变换为椭圆方程：按拉为正、压为负，根据以上方程可画出椭圆图形。按拉为正、压为负，根据以上方程可画出椭圆图形。1222stzstsz3738 在椭圆图上，在椭圆图上，t t/s s 的百分比为纵坐标，的百分比为纵坐标，z z/s s 的百分比的百分比为横坐标。为横坐标。由强度条件的双向应力椭圆可以看出：由强度条件的双向应力椭圆可以看出：第一象限第一象限：拉伸与内压联合作用，轴向拉力的存在下使套管的：拉伸与内压联合作用，轴向拉力的存在下使套管的抗内压强度增加。抗内压强度增加。第二象限第二象限：轴向压缩与内压联合作用。在轴向受压条件下套管：
21、轴向压缩与内压联合作用。在轴向受压条件下套管抗内压强度降低。抗内压强度降低。39 第三象限第三象限：轴向压应力与外挤压力联合作用。在轴向受压：轴向压应力与外挤压力联合作用。在轴向受压条件下套管抗外挤强度增加。条件下套管抗外挤强度增加。第四象限第四象限：轴向拉应力与外挤压力联合作用。轴向拉力的：轴向拉应力与外挤压力联合作用。轴向拉力的存在使套管的抗挤强度降低。由于这种情况在套管柱中是经常存在使套管的抗挤强度降低。由于这种情况在套管柱中是经常出现的。因此在套管柱设计中应当考虑轴向拉力对抗挤强度的出现的。因此在套管柱设计中应当考虑轴向拉力对抗挤强度的影响。影响。40smFFcccpp74.003.1
22、tdptccc2tdpscc2 考虑轴向拉力影响时的抗外挤强度公式推导：考虑轴向拉力影响时的抗外挤强度公式推导：由双向应力椭圆方程，当由双向应力椭圆方程，当z z=0=0时：时：t t2 2 =s s2 2 根据上式，则有：根据上式，则有：将将t t和和s s的表达式代入双向应力椭圆方程，并进行适当的表达式代入双向应力椭圆方程，并进行适当简化，即可得到考虑轴向拉力影响时的抗外挤强度近似公式：简化，即可得到考虑轴向拉力影响时的抗外挤强度近似公式：41GDgasiepp4101155.1 3 3、内压力及抗内压强度、内压力及抗内压强度 （1 1）内压力）内压力 考虑到套管外的平衡压力，一般情况下，
23、套管在井口所受的考虑到套管外的平衡压力，一般情况下，套管在井口所受的内压力最大。计算时，考虑三种最危险的情况。内压力最大。计算时，考虑三种最危险的情况。a.a.套管内完全充满天然气并关井时的内压力；套管内完全充满天然气并关井时的内压力；42b.b.以井口装置的承压能力作为套管在井口所受的内压力；以井口装置的承压能力作为套管在井口所受的内压力；c.c.以套管鞋处的地层破裂压力值确定井口内压力：以套管鞋处的地层破裂压力值确定井口内压力：实际设计时，通常按套管内完全充满天然气时进行计算。实际设计时，通常按套管内完全充满天然气时进行计算。（2 2）套管的抗内压强度）套管的抗内压强度n内压载荷下的主要破
24、坏形式：爆裂、丝扣密封失效。内压载荷下的主要破坏形式：爆裂、丝扣密封失效。n抗内压强度可由钻井手册或套管手册查到。抗内压强度可由钻井手册或套管手册查到。)(ffiGGDp434 4、套管的腐蚀、套管的腐蚀n原因：在地下与腐蚀性流体接触。原因：在地下与腐蚀性流体接触。n破坏形式：管体有效厚度减少，套管承载力降低；钢材性质变化。破坏形式：管体有效厚度减少，套管承载力降低；钢材性质变化。n引起套管腐蚀的主要介质有：硫化氢引起套管腐蚀的主要介质有：硫化氢、溶解氧、二氧化碳。溶解氧、二氧化碳。n抗硫套管：抗硫套管：APIAPI套管系列中的套管系列中的H H级、级、K K级、级、J J级、级、C C级、级
25、、L L级套管。级套管。44 三、套管柱强度设计三、套管柱强度设计 目的：确定合理的套管钢级、壁厚、以及每种套管的井深区间。目的：确定合理的套管钢级、壁厚、以及每种套管的井深区间。1 1、设计原则、设计原则 a.a.满足强度要求，在任何危险截面上都应满足下式：满足强度要求，在任何危险截面上都应满足下式：套管强度外载套管强度外载安全系数安全系数 b.b.应能满足钻井作业、油气层开发和产层改造的需要；应能满足钻井作业、油气层开发和产层改造的需要；c.c.在承受外载时应有一定的储备能力；在承受外载时应有一定的储备能力；d.d.经济性要好。经济性要好。安全系数：安全系数：n抗外挤安全系数抗外挤安全系数
26、 Sc=1.0Sc=1.0；n抗内压安全系数抗内压安全系数 SiSi=1.1=1.1；n套管抗拉力强度（抗滑扣）安全系数套管抗拉力强度（抗滑扣）安全系数 St=1.8St=1.8。45 2 2、常用套管柱设计方法常用套管柱设计方法 （1 1）等安全系数法）等安全系数法 该方法基本的设计思路是使各个危险截面上的最小安全系数等该方法基本的设计思路是使各个危险截面上的最小安全系数等于或大于规定的安全系数。于或大于规定的安全系数。（2 2）边界载荷法（拉力余量法）边界载荷法（拉力余量法）在抗拉设计时，套管柱上下考虑同一个拉力余量。在抗拉设计时，套管柱上下考虑同一个拉力余量。另外还有最大载荷法、另外还有
27、最大载荷法、AMOCOAMOCO法、西德法、西德BEBBEB方法及前苏联的方法方法及前苏联的方法等。等。46 3 3、各层套管柱的设计特点、各层套管柱的设计特点 表层套管：主要考虑内压载荷。表层套管：主要考虑内压载荷。技术套管：既要有较高的抗内压强度，又要有抗钻具冲击技术套管：既要有较高的抗内压强度，又要有抗钻具冲击磨损的能力。磨损的能力。油层套管：上部抗内压、抗拉，下部抗外挤。油层套管：上部抗内压、抗拉，下部抗外挤。47 4 4、套管柱设计的等安全系数法、套管柱设计的等安全系数法 （1 1）基本设计思路）基本设计思路 计算本井可能出现的最大内压力，筛选符合抗内压强度的计算本井可能出现的最大内
28、压力，筛选符合抗内压强度的套管；套管；下部套管段按抗挤设计，上部套管段按抗拉设计，各危险下部套管段按抗挤设计，上部套管段按抗拉设计，各危险断面上的最小安全系数要大于或等于规定安全系数；断面上的最小安全系数要大于或等于规定安全系数；通式：通式：套管强度外载安全系数套管强度外载安全系数 水泥面以上套管强度要考虑双向应力的影响；水泥面以上套管强度要考虑双向应力的影响；轴向拉力通常按套管在空气中的重量计算；当考虑双向应轴向拉力通常按套管在空气中的重量计算；当考虑双向应力时，按浮重计算。力时，按浮重计算。48 （2 2）设计步骤）设计步骤 例题：某井例题：某井177.8177.8mmmm（7 7英寸）油
29、层套管下至英寸）油层套管下至35003500m m，下套管下套管时的钻井液密度为时的钻井液密度为1.301.30g/cmg/cm3 3，水泥返至水泥返至28002800m m，预计井内最大内预计井内最大内压力压力3535MPaMPa，试设计该套管柱（规定最小段长试设计该套管柱（规定最小段长500500m m）。）。49解：规定的安全系数：解：规定的安全系数：S Sc c=1.0=1.0，S Si i=1.1=1.1，S St t=1.8=1.8。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P Pimaximax S Si i=3850
30、0=38500 kPakPan筛选套管：筛选套管：C-75C-75，L-80L-80，N-80N-80，C-90C-90，C-95C-95，P-110P-110。n按成本排序：按成本排序：N-80 C-75 L-80 C-90 C-95 P-110N-80 C-75 L-80 C-90 C-95 P-11050 按抗挤设计下部套管段，水泥面以上进行双向应力校核；按抗挤设计下部套管段，水泥面以上进行双向应力校核；1 1）计算最大外挤力，选择第一段套管；）计算最大外挤力，选择第一段套管；查表：查表：N-80N-80，t t1 1=10.36 mm=10.36 mm，q q1 1=0.4234kN/
31、m=0.4234kN/m，p pc1c1=48401kPa=48401kPa，F Fs1s1=3007=3007 kNkN，F Fst1st1=2611.1=2611.1 kNkN 。coccdocSppkPaDp1max5.4463581.951 2 2）选择第二段套管；（选择强度低一级的套管；确定第一段选择第二段套管；（选择强度低一级的套管；确定第一段套管的长度，进行第一段的抗拉强度校核）套管的长度，进行第一段的抗拉强度校核）查表：查表：N-80N-80，t t2 2=9.19 mm=9.19 mm，q q2 2=0.3795kN/m=0.3795kN/m，p pc2c2=37301kPa
32、=37301kPa，F Fs2s2=2686.7=2686.7 kN kN，F Fst2st2=2308.6=2308.6 kN kN 。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,确定第一段套管长度确定第一段套管长度L L1 1；mDDLmDmDcdcSp6002900350029002925211281.922取52 双向应力强度校核，最终确定双向应力强度校核，最终确定D D2 2，L L1 1；D D2 2=2900m=2900m 2800m2800m，超过水泥面，考虑双向应力影响；超过水泥面，考虑双向应力影响；危险截面：水泥面危险截面：水泥面28002800m m处处 不
33、安全199.035492)74.003.1(091.02.243)2800(833.0128003.181.935492227.26862.2432211280022occcsmsmsdppcFFcccFFBmBSkPappkNDqLqKFK53 解决办法：将第一段套管向上延伸至水泥面以上。解决办法：将第一段套管向上延伸至水泥面以上。预定：预定：D D2 2=2700m=2700m，L L1 1=800m=800m。重新进行双向应力强度校核：（按照以上同样的方法进行）重新进行双向应力强度校核：（按照以上同样的方法进行）套管套管1 1：危险截面为：危险截面为28002800m m处，处，S Sc
34、 c=1.29=1.29 1.0 1.0 安全安全 套管套管2 2：危险截面为：危险截面为27002700m m处，处，S Sc c=1.02=1.02 1.0 1.0 安全安全 计算套管抗拉安全系数：计算套管抗拉安全系数：最终结果：最终结果：D D2 2=2700m=2700m，L L1 1=800m=800m。安全8.185.78004234.01.261111mstFFtS54 3 3）选择第三段套管，确定第二段套管长度选择第三段套管，确定第二段套管长度 查表：查表：N-80N-80，t t3 3=8.05 mm=8.05 mm，q q3 3=0.3358kN/m=0.3358kN/m，
35、p pc3c3=26407kPa=26407kPa，F Fs3s3=2366.5=2366.5 kN kN，F Fst3st3=1966.1=1966.1 kN kN 。考虑双向应力影响，确定第三段套管可下深度；考虑双向应力影响，确定第三段套管可下深度；由：由：0.181.9)74.003.1()74.003.1()(3)(33332211233221132DpSppDDqLqKFdFDDqLqKccFFcccBmsBsm55 采用试算法，取采用试算法，取D D3 3=1700m=1700m，计算得：计算得：S Sc c=1.03=1.03，安全。安全。计算第二段顶部的抗拉安全系数：计算第二段
36、顶部的抗拉安全系数：最终结果：最终结果：D D3 3=1700m=1700m，L L2 2=1000m=1000m。安全8.12.371810003794.08004234.07186.2308222mstFFtmSkNF56 还有上部还有上部17001700m m的套管需进行设计，转为抗拉设计；的套管需进行设计，转为抗拉设计；1 1）计算第三段套管按抗拉要求的允许使用长度）计算第三段套管按抗拉要求的允许使用长度L L3 3；实取：实取：L L3 3=1100m=1100m，则：则：F Fm3m3=718+1100=718+1100 0.3357=1087 0.3357=1087 kNkNmL
37、SqFtLqFFmtSstFmst11173357.071838.11.19663233323由57 2 2）确定第四段套管的使用长度确定第四段套管的使用长度 查表：应比第三段套管的抗拉强度高，查表：应比第三段套管的抗拉强度高，N-80N-80，t t4 4=10.36 mm=10.36 mm，q q4 4=0.4234kN/m=0.4234kN/m，p pc4c4=48401kPa=48401kPa，F Fs4s4=3007=3007 kN kN，F Fst4st4=2611.1=2611.1 kN kN (与第一段所用套管相同与第一段所用套管相同)。计算第四段套管的许用长度：计算第四段套管
38、的许用长度：实际距井口还有实际距井口还有600600m m，取取L L4 4=600m=600m。mLqFmtSstF7.8584234.0108748.11.261143458安全0.182.481.9)74.003.1(4443DpSdFFccsm下 深（m）段 长（m）钢 级壁 厚（mm）StSc0 600600N-8010.361.94600 17001100N-808.051.814.821700 27001000N-809.193.21.022700 3500800N-8010.367.851.08 校核第四段下部的抗挤强度：校核第四段下部的抗挤强度：最终确定最终确定L L4 4=
39、600m=600m，D D4 4=600m=600m。最终设计结果最终设计结果59第三节第三节 注水泥技术注水泥技术n固井目的：固定套管、有效封隔井内的油气水层。固井目的：固定套管、有效封隔井内的油气水层。n注水泥：从井口经套管再将水泥浆注入井壁与套管柱之间的环空注水泥：从井口经套管再将水泥浆注入井壁与套管柱之间的环空中。中。n注水泥技术的内容：油井水泥的选择；水泥浆性能设计；水泥外注水泥技术的内容：油井水泥的选择；水泥浆性能设计；水泥外加剂的选择；井眼准备；注水泥工艺设计。加剂的选择；井眼准备；注水泥工艺设计。n本节内容：油井水泥、水泥浆性能、水泥外加剂、前置液体系、本节内容：油井水泥、水泥
40、浆性能、水泥外加剂、前置液体系、提高注水泥质量的措施。提高注水泥质量的措施。60 一、油井水泥一、油井水泥 油井水泥是波特兰水泥（硅酸盐水泥）的一种。油井水泥是波特兰水泥（硅酸盐水泥）的一种。对油井水泥的基本要求：对油井水泥的基本要求：（1 1）水泥能配成流动性良好的水泥浆，且在规定的时间内，）水泥能配成流动性良好的水泥浆，且在规定的时间内，能始终保持这种流动性；能始终保持这种流动性；（2 2）水泥浆在井下的温度及压力条件下保持性能稳定性；）水泥浆在井下的温度及压力条件下保持性能稳定性；（3 3）水泥浆应在规定的时间内凝固并达到一定的强度；）水泥浆应在规定的时间内凝固并达到一定的强度；（4 4
41、）水泥浆应能和外加剂相配合，可调节各种性能；）水泥浆应能和外加剂相配合，可调节各种性能；（5 5）形成的水泥石应有很低的渗透性能等。）形成的水泥石应有很低的渗透性能等。61 1 1、油井水泥的主要成分、油井水泥的主要成分 （1 1）硅酸三钙）硅酸三钙3 3CaOCaOSiOSiO2 2。（。（简称简称C C3 3S S）它是水泥的主要成份，一般的含量为它是水泥的主要成份，一般的含量为 40 406565。该成分对。该成分对水泥的强度，尤其是早期强度有较大的影响。高早期强度水泥中含水泥的强度，尤其是早期强度有较大的影响。高早期强度水泥中含量可达量可达60606565，缓凝水泥中含量在，缓凝水泥中
42、含量在40404545。（2 2）硅酸二钙）硅酸二钙2 2CaOCaOSiOSiO2 2（简称简称C C2 2S S），），它在水泥中的含量一般在它在水泥中的含量一般在24243030之间；其水化反应缓慢，之间；其水化反应缓慢，使水泥强度增长慢；但对水泥的最终强度有影响。使水泥强度增长慢；但对水泥的最终强度有影响。62 （3 3）铝酸三钙）铝酸三钙3 3CaOCaOAlAl2 2O O3 3（简称简称C C3 3A A）它能促进水泥快速水化；其含量是决定水泥初凝和稠化时间的它能促进水泥快速水化；其含量是决定水泥初凝和稠化时间的主要因素；它对水泥浆的流变性及早期强度有较大影响；对硫酸盐主要因素；
43、它对水泥浆的流变性及早期强度有较大影响；对硫酸盐极为敏感；对于有较高早期强度的水泥，其含量可达极为敏感；对于有较高早期强度的水泥，其含量可达1515。（4 4）铁铝酸四钙）铁铝酸四钙4 4CaOCaOAlAl2 2O O3 3FeFe2 2O O3 3（简称简称C C4 4AFAF），），它对水泥强度影响较小，但其水化速度仅次于它对水泥强度影响较小，但其水化速度仅次于C C3 3A A，能使水泥的早期能使水泥的早期强度增长较快，其含量为强度增长较快，其含量为8 81212。除了以上四种主要成份之外，还有石膏、碱金属的氧化物等。除了以上四种主要成份之外，还有石膏、碱金属的氧化物等。63 2 2、
44、水泥的水化、水泥的水化 水泥与水混合成水泥浆后，与水发生化学反应，生成各种水水泥与水混合成水泥浆后，与水发生化学反应，生成各种水化产物。逐渐由液态变为固态，使水泥硬化和凝结，形成水泥石。化产物。逐渐由液态变为固态，使水泥硬化和凝结，形成水泥石。（1 1）水泥的水化反应）水泥的水化反应 水泥的主要成分与水发生的水化反应有：水泥的主要成分与水发生的水化反应有：3 3CaOCaO SiO SiO2 22H2H2 2O O2CaO SiO2CaO SiO2 2 H H2 2O O十十Ca(OH)Ca(OH)2 2 2CaO SiO 2CaO SiO2 2H H2 2O O 2CaO SiO 2CaO
45、SiO2 2 H H2 2O O 3CaO Al 3CaO Al2 2O O3 36H6H2 2O O 3CaO Al 3CaO Al2 2O O3 3 6H 6H2 2O O 4CaOAl 4CaOAl2 2O O3 3FeFe2 2O O3 36H6H2 2O O 3CaOAl 3CaOAl2 2O O3 36H6H2 2O OCaOCaOFeFe2 2O O3 3HH2 2O O 64 除此之外还发生其他二次反应，生成物中有大量的硅除此之外还发生其他二次反应，生成物中有大量的硅酸盐水化产物及氢氧化钙等。在反应的过程中，各种水化产酸盐水化产物及氢氧化钙等。在反应的过程中，各种水化产物均逐渐
46、凝聚，使水泥硬化。物均逐渐凝聚，使水泥硬化。65 （2 2）水泥凝结与硬化）水泥凝结与硬化 水泥的硬化分为三个阶段：水泥的硬化分为三个阶段：溶胶期：水泥与水混合成胶体液，开始发生水化反应，水化溶胶期：水泥与水混合成胶体液，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。此时水泥浆仍有流动性。体析出，形成胶溶体系。此时水泥浆仍有流动性。凝结期：水化反应由水泥颗粒表面向内部深入，溶胶粒子及凝结期：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加，晶体开始互相连接，逐渐絮凝成凝胶体系
47、。水微晶体大量增加，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。泥浆变绸，直到失去流动性。66 硬化期：水化物形成晶体状态，互相紧密连接成一个整体，硬化期：水化物形成晶体状态，互相紧密连接成一个整体，强度增加，硬化成为水泥石。强度增加，硬化成为水泥石。水泥石主要由三部分组成：水泥石主要由三部分组成：n无定性物质（水泥胶），它具有晶体的结构，颗粒尺寸大无定性物质（水泥胶），它具有晶体的结构，颗粒尺寸大体在体在0.0.lmmlmm左右，互相连接成一个整体。左右，互相连接成一个整体。n氢氧化钙晶体，是水化反应的产物。氢氧化钙晶体，是水化反应的产物。n未水化的水泥颗粒。未水化的水
48、泥颗粒。67 3 3、油井水泥的分类、油井水泥的分类 （1 1）APIAPI水泥的分类水泥的分类 A A级：深度范围级：深度范围 0 01828.8 1828.8 m m，温度温度76.776.7。B B级：深度范围级：深度范围 0 01828.8 1828.8 m m，属中热水泥，温度至属中热水泥，温度至 76.776.7，有中抗硫和高抗硫两种。，有中抗硫和高抗硫两种。C C级：深度范围级：深度范围0 01828.8 1828.8 m m，温度至温度至 76.7 76.7，高早期强，高早期强度水泥，分普通、中抗硫及高抗硫三种。度水泥，分普通、中抗硫及高抗硫三种。D D级：深度范围级：深度范围
49、1828.81828.83050 3050 m m，温度温度7676127127，用于中，用于中温、中压条件，分为中抗硫及高抗硫两种。温、中压条件，分为中抗硫及高抗硫两种。68 E E级：深度范围级：深度范围 3050 30504270 4270 m m，温度温度7676143143，用于高温、，用于高温、高压条件，分为中抗硫及高抗硫两种。高压条件，分为中抗硫及高抗硫两种。F F级：深度范围为级：深度范围为 3050 30504880 4880 m m，温度温度 110 110160160，用于，用于超高温和超高压条件，分为中抗硫及高抗硫两种。超高温和超高压条件，分为中抗硫及高抗硫两种。G G
50、级及级及H H级：深度范围为级：深度范围为 0 02440 2440 m m，温度温度0 09393，分为中，分为中抗硫及高抗硫两种。抗硫及高抗硫两种。J J级：深度范围为级：深度范围为 3660 36604880 4880 m m，温度温度4949160160。69 （2 2）国产以温度系列为标准的油井水泥）国产以温度系列为标准的油井水泥70 二、水泥浆性能与固井工程的关系二、水泥浆性能与固井工程的关系 1 1、水泥浆性能、水泥浆性能 水泥浆密度水泥浆密度 干水泥密度干水泥密度 3.05 3.053.20 3.20 g gcmcm3 3。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
