井身结构设计及固井

1、 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井 1 钻开储集层（生产层）； 下套管、注水泥固井，射孔、生产管柱、完井测试、防砂排液； 确定完井井底结构，使井眼与产层连通； 安装井底和井口装置，投产措施等； 完井工程内容: 使井眼与油气储集层（产层、生产层）使井眼与油气储集层（产层、生产层） 连通的工序连通的工序（Well Completion）， 联系钻井和采油生产的一个关键环节。联系钻井和采油生产的一个关键环节。 完井概念： 前次课内容回顾：前次课内容回顾： 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井 2 内容回顾：内容回顾：第一章第一章 完井的工程地质基础完井的工程地质基础

2、主要碎屑岩和碳酸岩主要碎屑岩和碳酸岩 少量岩浆岩和变质岩，甚至页岩少量岩浆岩和变质岩，甚至页岩 孔隙度、渗透率、孔隙结构、润湿性孔隙度、渗透率、孔隙结构、润湿性 油、气、水油、气、水 孔隙、裂缝、裂缝孔隙、孔隙裂缝、洞隙孔隙、裂缝、裂缝孔隙、孔隙裂缝、洞隙 块状、层状、断块、透镜体油藏块状、层状、断块、透镜体油藏 常规油、稠油、高凝油藏常规油、稠油、高凝油藏 一、储层岩性特征：一、储层岩性特征： 二、储层物性：二、储层物性： 三、储层流体：三、储层流体： 四、油气藏分类：四、油气藏分类： 五、地应力概念与确定：五、地应力概念与确定： 岩层内部产生反抗变形、并作用岩层内部产生反抗变形、并作用 在

3、地壳单位面积上的力在地壳单位面积上的力 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井 3 oil zone 中间套管中间套管 (技术套管技术套管) 表层套管表层套管 生产套管生产套管 (油层套管油层套管) 主要内容主要内容: 井身结构设计井身结构设计 套管柱设计套管柱设计 注水泥技术注水泥技术 套管损坏与防护套管损坏与防护 一开一开 二开二开 三开三开 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井 4 井身结构井身结构油井基础，全井骨架油井基础，全井骨架 固井工程固井工程套管柱设计和注水泥套管柱设计和注水泥 不仅关系全井能否顺利钻进完井，不仅关系全井能否顺利钻进完井， 而且关系能否

4、顺利生产和寿命。而且关系能否顺利生产和寿命。 2006年年3月月25日，重庆开县罗家日，重庆开县罗家2井，井， 套管破损，地下井漏，套管破损，地下井漏， H2S喷出，喷出， 12000人紧急疏散，人紧急疏散，2口井报废口井报废。 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井 5 70年代以来，我国油气田套管损坏现象十分严重。 1998年底大庆、吉林、中原、胜利、辽河等10多油田套损 井达14000多口，若按每口井较低成本150万元计，仅套损直 接损失210亿元，还不计油井损坏停产损失。 2005年，套损严重油田累计套损井数和占投产井数比例： 大庆：8976口，占16%以上； 吉林：286

5、1口，占30%以上； 胜利：3000多口，占多口，占10%以上以上； 中原：占投产井数投产井数23.3%； 并且各油田套损井数有上升趋势。 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井 6 第一节第一节 井身结构设计井身结构设计 内容：内容：套管层次；套管层次； 每层套管下深；每层套管下深； 套管和井眼尺寸配合。套管和井眼尺寸配合。 一、套管的分类及作用一、套管的分类及作用 二、井身结构设计原则二、井身结构设计原则 三、井身结构设计基础数据三、井身结构设计基础数据 四、裸眼井段应满足力学平衡四、裸眼井段应满足力学平衡 五、井身结构设计方法（举例）五、井身结构设计方法（举例） 六、套管尺寸

6、和井眼尺寸选择六、套管尺寸和井眼尺寸选择 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井 7 1、表层套管、表层套管Surface casing 封隔地表浅水层及浅部疏松和复杂层封隔地表浅水层及浅部疏松和复杂层 安装井口、悬挂及支撑后续各层套管安装井口、悬挂及支撑后续各层套管 2、中间套管、中间套管Intermediate casing 表层和生产套管间因技术要求下套管表层和生产套管间因技术要求下套管 可以是一层、两层或更多层可以是一层、两层或更多层 主要用来分隔井下复杂地层主要用来分隔井下复杂地层 3、生产套管、生产套管Production casing 钻达目的层后下入的最后一层套管钻

7、达目的层后下入的最后一层套管 用以保护生产层，提供油气生产通道用以保护生产层，提供油气生产通道 4、尾管（衬管）、尾管（衬管） Liner 一、套管的分类及作用一、套管的分类及作用 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井 8 例：克拉例：克拉2 2气田井身结构实施方案气田井身结构实施方案 2828导管导管 26x300m 26x300m 18-5/8x300m18-5/8x300m 16x2600m 16x2600m 13-3/813-3/8x2600mx2600m 12-1/4x 12-1/4x 封白云岩封白云岩 10-3/4x100m+9-7/8x10-3/4x100m+9-7

8、/8x封白云岩封白云岩 8-1/28-1/2* *目的层目的层 77尾管尾管* *目的层目的层 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井 9 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井 10 二、井身结构设计原则二、井身结构设计原则 1、有效保护油气层、有效保护油气层 2、有效避免漏、喷、塌、卡等井、有效避免漏、喷、塌、卡等井 下复杂事故，安全、快速钻井下复杂事故，安全、快速钻井 3、井涌时，有压井处理溢流能力、井涌时，有压井处理溢流能力 4、下套管顺利，不压差卡套管、下套管顺利，不压差卡套管 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井 11 抽吸压力系数抽吸压力系数

9、 ： ：0.0240.048 g/cm3 激动压力系数激动压力系数 ： ：0.0240.048 g/cm3 压裂安全系数压裂安全系数 ： ：0.030.06 g/cm3 井涌允量井涌允量 ： ：0.050.08 g/cm3 压差允值压差允值P P： PN = 1518 MPa P A = 2123 MPa 6 个设计系数个设计系数： 孔隙压力剖面孔隙压力剖面 破裂压力剖面破裂压力剖面 坍塌压力剖面坍塌压力剖面 漏失压力剖面漏失压力剖面 4个剖面：个剖面： 三、井身结构设计基础数据三、井身结构设计基础数据 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井 12 四、裸眼井段应满足的力学平衡四、

10、裸眼井段应满足的力学平衡 （1）防井涌）防井涌 （2）防压差卡套管）防压差卡套管 （3）防井漏）防井漏 （4）防关井井漏）防关井井漏 maxdpb S maxminmin ()0.00981 dpp DP maxmindgff SS maxmax11 / dfkpcfc SSDD 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井 13 其中：其中： 钻井液密度，钻井液密度， 裸眼段内使用的最大钻井液密度，裸眼段内使用的最大钻井液密度， 裸眼段钻遇最大地层压力的当量泥浆密度，裸眼段钻遇最大地层压力的当量泥浆密度， 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 裸眼段钻遇最小地层压

11、力的当量泥浆密度，裸眼段钻遇最小地层压力的当量泥浆密度， 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 裸眼段最小地层破裂压力的当量泥浆密度，裸眼段最小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，套管鞋处地层破裂压力的当量泥浆密度， 套管下入深度，套管下入深度，m 3 /cmg 3 /cmg 3 /cmg 3 /cmg 3 /cmg 3 /cmg 1 1 min min min max max max c fc f p p p p d d D D D 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井 14 五、井身结构设计方法五、井身结构设计方法 1、求中

12、间套管下入深度初选点、求中间套管下入深度初选点 D21 （1）不考虑发生井涌）不考虑发生井涌 由由 计算出计算出f f ，在破裂压力曲线，在破裂压力曲线 查出查出f 所在的井深所在的井深 D21 ， 即为中间套管下入井深初选点。即为中间套管下入井深初选点。 fgbpf SSS max 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井 15 （2）考虑可能发生井涌）考虑可能发生井涌 由由 试算法求试算法求f 先试取一个先试取一个D21 ，计算，计算f ， 将计算将计算f 与查图与查图f 比较，比较， f f ，D21为中间套管初选点为中间套管初选点 否则，重新试算。否则，重新试算。 一般情况下

13、，在新探区，取以上一般情况下，在新探区，取以上 两种条件下较大值。两种条件下较大值。 maxmax21 / fpbfkp SSSDD 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井 16 2、验证中间套管下到、验证中间套管下到 深度深度D21是否被卡是否被卡 （1）首先求裸眼可能存在的最大静压差：）首先求裸眼可能存在的最大静压差： pmax pmax ：钻进至 ：钻进至D21遇到的遇到的 最大地层压力当量泥浆密度。最大地层压力当量泥浆密度。 Dmin ：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 若若 ，不卡，不卡，D21为中间套管下入深度为中间套管下入深度D2。 若若

14、，会卡，中间套管应小于初选点深度，会卡，中间套管应小于初选点深度， 需根据压差卡钻条件确定中间套管的下深。需根据压差卡钻条件确定中间套管的下深。 maxminmin ()0.00981 pbp PSD N N PP PP 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井 17 （2）求压差）求压差 条件下允许条件下允许 的最大地层压力的最大地层压力 在地层压力曲线上找出在地层压力曲线上找出 深度即为中间套管的下深深度即为中间套管的下深 D2 。 N P bp N pper S D P min min 00981. 0 pper pper 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井 1

15、8 31 2 2 pperfbfk D SSS D 3、求钻井尾管下入深度初选点、求钻井尾管下入深度初选点 D31 根据根据 D2 处地层破裂压力处地层破裂压力 ， 求出继续向下钻进时求出继续向下钻进时 裸眼段允许最大地层压力裸眼段允许最大地层压力 试算法：试算法： 先试取一个先试取一个 D31，计算，计算 ， 若计算若计算 与实际值接近且略大，与实际值接近且略大， 则则 D31 为尾管初选点，否则重试。为尾管初选点，否则重试。 2f pper pper pper 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井 19 4 4、校核尾管下到、校核尾管下到 D D31 31 是否被卡 是否被卡

16、 校核方法同校核方法同 2 2，P N 换成换成P A 5、计算表层套管下入深度、计算表层套管下入深度 D1 根据根据 D2 处地层压力处地层压力 ， 计算若钻进到计算若钻进到 D2 发生井涌关井，发生井涌关井， 表层套管鞋处承受压力当量密度：表层套管鞋处承受压力当量密度： 2p 2 2 1 fEpbfk D SSS D 试算：试取试算：试取 D1， 计算计算 查得查得fE fE, ,确定 确定 D1 否则重试。否则重试。 fE 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井 20 设计举例设计举例 某井设计井深为某井设计井深为 4400 m； 地层孔隙压力梯度和破裂地层孔隙压力梯度和破裂

17、 压力梯度压力梯度 剖面如图剖面如图 。 试进行该井井身结构设计。试进行该井井身结构设计。 给定设计系数：给定设计系数： Sb = 0.036 ； Sg = 0.04 ； Sk = 0.06 ； Sf = 0.03 ； PN = 12 Mpa ; PA = 18 MPa ; 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井 21 解：解： 由图上查得由图上查得 （1）中间套管下入深度初选点）中间套管下入深度初选点 由由 试取试取 D21 =3400 m，代入上式得：，代入上式得： 由破裂压力曲线查得由破裂压力曲线查得 且接近，故确定且接近，故确定 D21 = 3400 m 。 mDcmg p

18、p 4250,/04. 2 max 3 max 21 D maxmax21 / fpbfkp SSSDD 3 2.04 0.036 0.03 0.06 4250/3400 2.181 / f g cm 3400 3 3400 ,/19. 2 fff cmg 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井 22 （2）校核中间套管是否会被卡）校核中间套管是否会被卡 由由P P曲线，钻进到深度曲线，钻进到深度 D21 =3400 m时，时， 遇到最大地层压力遇到最大地层压力 因因 由由 因因P PN = 12 MPa, 故中间套管下深应浅于初选点。故中间套管下深应浅于初选点。 查得查得 =1.

19、435 对应对应 D2 = 3200 m。 3 3400 = 1.57 g/cm p 3 minmin 1.07/,3050 p g cmDm 3 min 3 min 12 1.07 0.036 1.435 / 9.81 100.00981 3050 N pperpb P Sg cm D maxminmin ()0.00981 pbp PSD (1.570.0361.07) 30500.0098116.037PMPa pper 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井 23 （3）确定尾管下深的初选点）确定尾管下深的初选点 D31 由由f曲线查得：曲线查得： 由：由： 试取试取 D

20、D31 31 =3900m =3900m，得，得 由由p曲线，曲线， 故确定初选点故确定初选点 D31 = 3900 m. 31 2 2 31 2.15 0.036 0.030.06 3200 pperfbfk D SSS D D 3 3200 2.15 / f g cm 3 2.01 / pper g cm 3 3900 1.942.01 / ppper g cm 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井 24 （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： 因为因为 ， 故确定尾管下深为故确定尾管下深为 D3 = D31 = 3900m 。 maxminmin (

21、)0.00981 (1.940.036 1.435) 3200 0.0098116.98 pbp PSD MPa 18 A PPMPa 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井 25 （5）确定表层套管下深）确定表层套管下深 D1 由：由：2 2 1 1 3200 1.4350.0360.030.06 fEpbfk D SSS D D 试取试取 D1 = 850 m , 代入上式计算得代入上式计算得 由由f曲线查得曲线查得 故确定故确定 D1 = 850 m。 3 /737. 1cmg fE 3 850850 1.74 /, ffEf g cm 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结

22、构设计与固井 26 六、套管尺寸和井眼尺寸选择六、套管尺寸和井眼尺寸选择 目前我国使用最多的套管目前我国使用最多的套管/钻头系列是：钻头系列是： 2 1 4) 8 7 5(7) 2 1 8( 8 5 9) 4 1 12( 8 3 13) 2 1 17(20) 26( 套管和井眼尺寸确定一般是由内到外进行套管和井眼尺寸确定一般是由内到外进行 根据采油要求根据采油要求 油层套管尺寸油层套管尺寸 匹配钻头匹配钻头 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，管时井内波动压力、套管尺寸等因素有关，9.5

23、mm 9.5mm 19mm19mm。 目前，根据套管层次不同，已基本形成了较稳定的系列。目前，根据套管层次不同，已基本形成了较稳定的系列。 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井 27 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井 28 2828导管导管 26x300m 26x300m 18-5/8x300m18-5/8x300m 16x2600m 16x2600m 13-3/813-3/8x2600mx2600m 12-1/4x 12-1/4x 封白云岩封白云岩 10-3/4x100m+9-7/8x10-3/4x100m+9-7/8x封白云封白云 岩岩 8-1/28-1/2

24、* *目的层目的层 77尾管尾管* *目的层目的层 克拉克拉2 2气田典型井身结构气田典型井身结构 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井 29 30 20 16 10-3/4 13-3/8 9-5/8 2.16 2.18 2.30 泥线泥线90m 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井 30 级别级别1:1:裸眼裸眼/ /无支撑连接无支撑连接主井眼和水平主井眼和水平 井眼都是裸眼段或在两个井眼中用悬挂器悬井眼都是裸眼段或在两个井眼中用悬挂器悬 挂割缝衬管。挂割缝衬管。 级别级别2:2:主井眼下套管并固井主井眼下套管并固井, ,水平井眼或裸水平井眼或裸 眼或以悬挂方式下

25、割缝衬管。眼或以悬挂方式下割缝衬管。 级别级别3:3:主井眼下套管并固井主井眼下套管并固井, ,水平井眼下套水平井眼下套 管但不固井。用悬挂器将水平尾管锚定在主管但不固井。用悬挂器将水平尾管锚定在主 井眼上井眼上, ,但不固井。但不固井。 级别级别4:4:主井眼和水平井眼都下套管并注水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。泥。主井眼和水平井眼在联接处都注水泥。 级别级别5:5:在连接处进行压力密封。在不能固在连接处进行压力密封。在不能固 井的情况下井的情况下, ,用完井方法达到密封。用完井方法达到密封。 级别级别6:6:在连接处进行压力密封。在不能固在连接处进行

26、压力密封。在不能固 井的情况下井的情况下, ,用套管进行密封用套管进行密封 。 分支井固井完井 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井 31 第二节第二节 套管柱设计套管柱设计 一、套管和套管柱一、套管和套管柱 套管：套管：优质无缝钢管，一端为公扣，直接车在管体上；优质无缝钢管，一端为公扣，直接车在管体上； 一端为带母扣的套管接箍。一端为带母扣的套管接箍。 套管尺寸：套管尺寸： API标准，共标准，共14 种尺寸；种尺寸； 壁厚：壁厚：5.2116.13 mm ;20, 8 5 18,16, 8 3 13, 4 3 11 , 4 3 10, 8 5 9, 8 5 8 , 8 5 7

27、,7, 8 5 6, 2 1 5,5, 2 1 4 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井 32 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井 33 套管钢级：套管钢级： API标准标准 8种种10级级 H-40, J-55, K-55, C-75, L-80, N-80, C- 90, C-95, P-110, Q-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）。）。 螺纹类型：螺纹类型： API标准：短圆（标准：短圆（STC）、长圆（）、长圆（LTC）、梯形）、梯形 （BTC）、直连形（）、直连形（XL）。）。 套管柱：套管柱：由同一外径

28、、不同钢级、不同壁厚的套管用接箍由同一外径、不同钢级、不同壁厚的套管用接箍 连接组成的管柱，特殊情况下也使用无接箍套管柱。连接组成的管柱，特殊情况下也使用无接箍套管柱。 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井 34 二、套管柱受力分析及套管强度二、套管柱受力分析及套管强度 套管柱在井内所受外载复杂，不同时期（下套管、注水泥、套管柱在井内所受外载复杂，不同时期（下套管、注水泥、 后期开采等）套管柱受力也不同。后期开采等）套管柱受力也不同。 分析和设计中主要考虑基本载荷：分析和设计中主要考虑基本载荷： 套管柱设计时按最危险情况考虑。套管柱设计时按最危险情况考虑。 1、轴向拉力及套管抗拉

29、强度、轴向拉力及套管抗拉强度 （1）套管轴向拉力）套管轴向拉力 轴向拉力轴向拉力 外挤压力外挤压力 内压力内压力 自重产生的拉力自重产生的拉力 弯曲产生附加拉力弯曲产生附加拉力 注水泥产生附加拉力注水泥产生附加拉力 动载、摩阻等动载、摩阻等 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井 35 自重引起的拉力自重引起的拉力 Fm q qmi mi 第 第 I 种套管在钻井液中单位长度的重力，种套管在钻井液中单位长度的重力，N/m ; Li 第第 I 种套管的长度，种套管的长度， m ； n 组成套管柱的套管种类（钢级、厚度）。组成套管柱的套管种类（钢级、厚度）。 套管弯曲引起的附加拉力套管

30、弯曲引起的附加拉力 Fbd 经验公式经验公式 ： KN Dco套管外径，套管外径，cm ；Ac 套管截面积，套管截面积，cm2 ； 每每25m 井斜角的变化，井斜角的变化，0/ 25m 定向井、水平井及大狗腿直井中，应考虑弯曲附加拉力。定向井、水平井及大狗腿直井中，应考虑弯曲附加拉力。 33 11 (1)1010 nn d miimii ii s Fq LqLKN 0.073 bdcoc FDA 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井 36 注水泥引起的附加拉力注水泥引起的附加拉力 Fc KN 其它附加拉力其它附加拉力 上提或下放套管时的动载、井壁摩擦力等；上提或下放套管时的动载、

31、井壁摩擦力等； 一般在安全系数中考虑。一般在安全系数中考虑。 （2）套管的抗拉强度）套管的抗拉强度 套管所受轴向拉力一般在井口最大套管所受轴向拉力一般在井口最大 由拉应力引起的破坏形式：本体被拉断、脱扣由拉应力引起的破坏形式：本体被拉断、脱扣 通常用套管的抗滑扣力表示套管的抗拉强度通常用套管的抗滑扣力表示套管的抗拉强度 cin dm c hdF 4000 )( h 管内水泥浆高管内水泥浆高，m； m水泥浆密度，水泥浆密度，g/cmg/cm3 3； d水泥浆密度，水泥浆密度，g/cm3； dcin 套管内径，套管内径，cm。 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井 37 2、外挤压力

32、及套管抗挤强度、外挤压力及套管抗挤强度 （1）外挤压力）外挤压力 主要载荷：主要载荷： 常规情况按套管全掏空时管外压力计算：常规情况按套管全掏空时管外压力计算： MPaMPa 高塑性岩石，按上覆岩层压力计算，梯度高塑性岩石，按上覆岩层压力计算，梯度 232327kPa/m27kPa/m。 （2 2）套管抗挤强度）套管抗挤强度 外挤作用下破坏形式：外挤作用下破坏形式： 根据现有套管尺寸，绝大部分是失稳破坏，其抗挤强度可根据现有套管尺寸，绝大部分是失稳破坏，其抗挤强度可 在钻井手册或套管手册中查得。在钻井手册或套管手册中查得。 0.00981 ocd pD 管外液柱压力管外液柱压力 地层中流体压力

33、地层中流体压力 高塑性岩石侧向挤压力等高塑性岩石侧向挤压力等 径厚比大时，失稳破坏径厚比大时，失稳破坏(失圆、挤扁失圆、挤扁) 径厚比小时，强度破坏径厚比小时，强度破坏 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井 38 （3）双向应力下套管强度）双向应力下套管强度 套管内微小单元，外载作用下产生三向应力套管内微小单元，外载作用下产生三向应力 对于薄壁管，对于薄壁管， 可忽略，变为双向应力问题。可忽略，变为双向应力问题。 由第四强度理论：由第四强度理论： 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按拉为正、压为负，根据以上方程可画出 椭圆图形。椭圆图形。 ,

34、zrt rrt , 222 stztz 1 2 22 s tz s t s z 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井 39 轴向受压抗内轴向受压抗内 压强度降低压强度降低 轴向拉力抗内轴向拉力抗内 压强度增加压强度增加 轴向受压抗轴向受压抗 挤强度增加挤强度增加 轴向拉力抗轴向拉力抗 挤强度降低挤强度降低 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井 40 椭圆图上椭圆图上, , 百分比为纵坐标百分比为纵坐标, , 百分比为横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拉伸与内压

35、联合作用 轴向拉力轴向拉力 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轴向压缩与内压联合作用 轴向受压轴向受压 抗内压强度降低抗内压强度降低. . 第三象限第三象限: : 轴向压应力与外挤压力联合作用轴向压应力与外挤压力联合作用 轴向受压轴向受压 抗外挤强度增加抗外挤强度增加. . 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应力与外挤压力联合作用 轴向拉力轴向拉力 抗外挤强度降低抗外挤强度降低（需考虑）（需考虑） st / sz / 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井 41 考虑轴向拉力影响时的抗外挤强度公式考虑轴向拉力影

36、响时的抗外挤强度公式 PCC的推导的推导: 如图如图: t dp ccc t 2 由双向应力椭圆方程，当由双向应力椭圆方程，当Z =0时时, 22 st 根据上式则有根据上式则有: t dp cc s 2 由上由上2式代入双向应力椭圆方程，简化得式代入双向应力椭圆方程，简化得 (1 .0 30 .7 4) m c cc s F pp F Fm轴向拉力，轴向拉力， KN； Fs管体屈服强度，管体屈服强度，KN； ，Mpa 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井 42 3、内压力及抗内压强度、内压力及抗内压强度 （1）内压力）内压力 考虑管外平衡压力，一般井口内压最大。考虑三种最危险情

37、况：考虑管外平衡压力，一般井口内压最大。考虑三种最危险情况： 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； 以井口装置承压能力作为套管在井口所受的内压力；以井口装置承压能力作为套管在井口所受的内压力； 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计算。实际设计时，通常按套管内完全充满天然气时计算。 4 1.1155 10 gas i GD p p e 井底气压，井底气压，Mpa G 天然气与空气密度比天然气与空气密度比,0.55 gas p )( ffi GGDp f f G G

38、套管鞋处破裂压力梯度，套管鞋处破裂压力梯度，Mpa/m ； 附加系数，取附加系数，取0.0012 Mpa/m 。 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井 43 （2）套管抗内压强度）套管抗内压强度 内压载荷下的主要破坏形式：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 抗内压强度可由钻井手册或套管手册查得抗内压强度可由钻井手册或套管手册查得 （3 3）套管的腐蚀）套管的腐蚀 原因：原因：在地下与腐蚀性流体接触在地下与腐蚀性流体接触 破坏形式：破坏形式：管体的有效厚度减小，套管承载力降低，钢管体的有效厚度减小，套管承载力降低，钢 材性质变化，材性质变化， 引起套管腐

39、蚀的引起套管腐蚀的主要介质主要介质有：气体或液体中的硫化氢、有：气体或液体中的硫化氢、 溶解氧、二氧化碳溶解氧、二氧化碳 抗硫套管：抗硫套管：APIAPI套管系列中的套管系列中的 H K J C LH K J C L级套管。级套管。 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井 44 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井 45 三、套管柱强度设计三、套管柱强度设计 目的：目的： 确定合理套管钢级、壁厚以及每种套管井深区间。确定合理套管钢级、壁厚以及每种套管井深区间。 1 1、设计原则、设计原则 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

40、足下式： 套管强度套管强度 外载外载安全系数安全系数 应满足钻井作业、油气开发和产层改造需要；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承受外载时应有一定储备能力 经济性要好经济性要好 安全系数安全系数 抗外挤安全系数抗外挤安全系数 Sc = 1.0Sc = 1.0 抗内压安全系数抗内压安全系数 Si = 1.1Si = 1.1 套管抗拉强度（抗滑扣）安全系数套管抗拉强度（抗滑扣）安全系数St = 1.8St = 1.8 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井 46 2、常用套管柱设计方法、常用套管柱设计方法 （1）安全系数法）安全系数法 各危险截面最小安

41、全系数等于或大于规定的安全系数。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）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。 另最大载荷法、另最大载荷法、AMOCO法、西德法、西德BEB法及前苏联方法等。法及前苏联方法等。 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：既要高抗内压强度，又要抗钻具冲击磨损。技术套管：

42、既要高抗内压强度，又要抗钻具冲击磨损。 油层套管：上部抗内压，下部抗外挤。油层套管：上部抗内压，下部抗外挤。 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井 47 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 计算可能出现最大内压力，筛选符合抗内压强度套管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。最小安全系数要大于或等于规定值。 通式：通式：套管强度套管强度 外载外载安全系数安全系数 水泥面以上套管强度考虑双

43、向应力影响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。应力时，按浮重计算。 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井 48 （2）设计步骤：）设计步骤： 例题：例题：某井某井177.8 mm （7 英寸）油层套管下至英寸）油层套管下至3500 m，下套，下套 管时的钻井液密度为管时的钻井液密度为1.30 ，水泥返至，水泥返至2800 m ,预计井内最预计井内最 大内压力大内压力 35 Mpa，试设计该套管柱，试设计该套管柱 （规定最小段长（规定最小段长500 m ）. 解：解

44、： 规定的安全系数规定的安全系数 ： 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 筛选套管：筛选套管： C-75 , L-80 , N-80 , C-90 ,C-95 , P-110 按成本排序：按成本排序： N-80 C-75 L-80 C-90 C-95 1.0 安全安全 套管套管2： 危险截面危险截面 2700 m 处，处，Sc = 1.02 1.0 安全安全 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井 53 安全安全 计算套管抗拉安全系数计算套管抗拉安全系数

45、1 1 2611.1 7.851.8 0.4234 800 st t m F S F 最终结果：最终结果： D2 = 2700 m , L1 = 800 m 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 L2 查表：查表： 33 3 33 80,8.05,0.3358/, 26407, 2366.5,1966.1 c sst Ntmm qKN m pkPa FKN FKN 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井 54 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： 0 . 1 81. 9 ) )( 74. 003.

46、 1 ( )74. 003. 1 ( )( 3 3 32211 3 3 2 33 322112 D F DDqLqK p S F F pp DDqLqKF d s B c c s m ccc Bm 试算法，取试算法，取 D3 =1700 m , 计算得计算得 Sc= 1.03 安全安全 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井 55 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 2 2 2 0.42348000.3794 1000718 2308.6 3.21.8 718 m st t m FKN F S F 安全安全 最终结果最终结果 D3 =1700 m , L2=1

47、000m 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井 56 上部上部1700 m处套管需进行设计，转为抗拉设计处套管需进行设计，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计算第三段套管按抗拉要求的允许使用长度 L3 由：由： 实取：实取：L3 = 1100 m , 则则 m q F S F L S LqF F m t st t m st 1117 3357.0 718 8 .1 1 .1966 3 2 3 3 332 3 3 71811000.33571087 m FKN 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井 57 2）确定第四段套管使用长度）确定第四段套

48、管使用长度 查表得：应比第三段套管抗拉强度高，查表得：应比第三段套管抗拉强度高， 与第一段套管相同与第一段套管相同 4 4 4 4 4 80,10.36, 0.4234/, 48401, 3007, 2611.1 c s st Ntm m qK Nm pkPa FK N FK N 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井 58 计算第四段套管许用长度计算第四段套管许用长度 L4: 实际距井口还有实际距井口还有600 m, 取取 L4 = 600 m ; 校核第四段下部的抗挤强度：校核第四段下部的抗挤强度： m q F S F L m t st 7 .858 4234.0 1087 8

49、 .1 1 .2611 4 3 3 4 0 .182.4 81.9 )74.003.1 ( 4 4 3 4 D F F p S d s m c c 安全安全 最终结果最终结果 ：L4= 600 m , D4=600 m 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井 59 最终设计结果：最终设计结果： 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井 60 第三节第三节 注水泥技术注水泥技术 注水泥目的：注水泥目的：固定套管固定套管 封隔井内的油气水层封隔井内的油气水层 本节内容：本节内容： 油井水泥；油井水泥； 水泥浆性能；水泥浆性能； 提高注水泥质量措施。提高注水泥质量措施。 第二章

50、第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井 61 注水泥基本要求：注水泥基本要求： （1）水泥浆返高和管内水泥塞高度符合设计要求）水泥浆返高和管内水泥塞高度符合设计要求 （2）注水泥段环空钻井液全部被水泥浆替换，）注水泥段环空钻井液全部被水泥浆替换， 不存残留。不存残留。 （3）水泥石与套管及井壁胶结强度足够，耐酸化）水泥石与套管及井壁胶结强度足够，耐酸化 压裂及冲击。压裂及冲击。 （4）凝固后管外不冒油、气、水，环空内各压力）凝固后管外不冒油、气、水，环空内各压力 体系不互窜。体系不互窜。 （5）水泥石能经受油、气、水长期侵蚀。）水泥石能经受油、气、水长期侵蚀。 第二章第二章 井身结构设计

51、与固井井身结构设计与固井 62 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）配浆性好，在规定时间内保持流动性。）配浆性好，在规定时间内保持流动性。 （2）在井下温度及压力下性能稳定。）在井下温度及压力下性能稳定。 （3）在规定时间内凝固并达到一定强度。）在规定时间内凝固并达到一定强度。 （4）能和外加剂相配合，调节各种性能。）能和外加剂相配合，调节各种性能。 （5）水泥石具有很低的渗透性。）水泥石具有很低的渗透性。 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井 63 1

52、、油井水泥的主要成分、油井水泥的主要成分 （1）硅酸三钙）硅酸三钙 水泥的主要成分，一般的含量为水泥的主要成分，一般的含量为40%65% 对水泥强度，尤其是对水泥强度，尤其是早期早期强度有较大影响强度有较大影响 高早期强度水泥中含量可达高早期强度水泥中含量可达60%65%， 缓凝水泥中含量在缓凝水泥中含量在40%45% （2）硅酸二钙）硅酸二钙 含量一般在含量一般在24%30%之间之间 水化反应慢水化反应慢 ，强度增长慢，强度增长慢 对水泥的对水泥的最终最终强度有影响。强度有影响。 )(3 32 SCSiOCaO简称 )(2 22 SCSiOCaO简称 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构

53、设计与固井 64 （3）铝酸三钙）铝酸三钙 促进水泥快速水化促进水泥快速水化 其含量是决定其含量是决定水泥初凝和稠化时间水泥初凝和稠化时间的主要因素的主要因素 对水泥浆的流变性及早期的强度有较大的影响，对水泥浆的流变性及早期的强度有较大的影响， 对硫酸盐极为敏感对硫酸盐极为敏感 对于有较高的早期强度的水泥，其含量可达对于有较高的早期强度的水泥，其含量可达15% 。 （4）铁铝酸四钙）铁铝酸四钙 对强度影响较小，水化速度仅次于对强度影响较小，水化速度仅次于 早期强度增加较快，含量为早期强度增加较快，含量为8% 12% 。 除了以上四种成分外，还有石膏、碱金属的氧化物等。除了以上四种成分外，还有石

54、膏、碱金属的氧化物等。 )(3 332 ACOAlCaO简称 )(4 432322 AFCOFeOAlCaO简称 AC3 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井 65 2、水泥的水化、水泥的水化 水泥与水混成水泥浆后，发生化学反应，生成各种水化物，水泥与水混成水泥浆后，发生化学反应，生成各种水化物， 逐渐由液态变为固态，使水泥硬化和凝结，形成水泥石。逐渐由液态变为固态，使水泥硬化和凝结，形成水泥石。 （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为：水泥的主要成分与水发生的水化反应为： OHOFeCaOOHOAlCaOOHOFeOAlCaO OHOAlCaO

55、OHOAlCaO OHSiOCaOOHSiOCaO OHCaOHSiOCaOOHSiOCaO 23223223232 232232 2222 22222 6364 6363 22 )(223 其他二次反应，生成物有硅酸盐水化产物及氢氧化钙等。其他二次反应，生成物有硅酸盐水化产物及氢氧化钙等。 在反应过程中，各种水化产物均逐渐凝聚，使水泥硬化。在反应过程中，各种水化产物均逐渐凝聚，使水泥硬化。 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井 66 （2）水泥凝结与硬化）水泥凝结与硬化 水泥硬化分为三个阶段：水泥硬化分为三个阶段： 溶胶期：溶胶期：水泥与水混合成胶体液，开始水化反应，水泥与水混

56、合成胶体液，开始水化反应， 形成胶溶体系，此时水泥浆仍有流动性。形成胶溶体系，此时水泥浆仍有流动性。 凝结期：凝结期：水化反应由水泥颗粒表面向内部深入，水化反应由水泥颗粒表面向内部深入， 絮凝成溶胶体系，水泥浆变稠，失去流动性。絮凝成溶胶体系，水泥浆变稠，失去流动性。 硬化期：硬化期：水化物形成晶体状态，互相连接成紧密一个水化物形成晶体状态，互相连接成紧密一个 整体，强度增加，硬化成为水泥石。整体，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： 无定性物质（水泥胶），晶体结构，互连成整体。无定性物质（水泥胶），晶体结构，互连成整体。 氢氧化钙晶体，是水化反应的产物

57、氢氧化钙晶体，是水化反应的产物 未水化的水泥颗粒未水化的水泥颗粒 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井 67 3、油井水泥分类、油井水泥分类 （1）API水泥分类：水泥分类： A-J九级九级 A级级 ： 01828.8 m ,中热，温度中热，温度76.7 0C B级：级： 01828.8 m ,中热，温度中热，温度76.7 0C，中高抗硫两种，中高抗硫两种 C级：级： 01828.8 m , 76.7 0C ，高早期强度，普通、中高抗硫，高早期强度，普通、中高抗硫 D级级 ： 1828.8 3050m , 76127 0C ，中温中压，中高抗硫，中温中压，中高抗硫 E级级 ： 3

58、050 4270m , 76143 0C ，高温高压，中高抗硫两种，高温高压，中高抗硫两种 F级级 ：3050 4880m , 110160 0C ，超高温超高压，超高温超高压， 中高抗硫中高抗硫 G级和级和H级级 ：0 2440m , 093 0C ， 中、高抗硫两种中、高抗硫两种 J级级 ：3660 4880m , 49160 0C ，普通型。，普通型。 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井 68 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井 69 （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 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井

59、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、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 3.053.20 水泥完全水化所需要的水为水泥重量的水泥完全水化所需要的水为水泥重量的20%左右左右 使水泥浆能流动加水量应达到水泥重量使水泥浆能流动加水量应达到水泥重量45% 50% 水泥浆密度水泥浆密度 1.80 1.90 之间之间 水灰比水灰比：水与干水泥重量之比。：水与干水泥重量之比。 水泥浆稠化时间水泥浆稠化时间 水泥浆从配制开始到其稠度达到其规定值所用的时间。水泥浆从配制开始到其稠度达到其规定值所用的时间。 API标准：开始混拌到稠度达标准：开

60、始混拌到稠度达 100 BC 所用时间。所用时间。 API标准：初始标准：初始15 30 min 内，稠化值应小于内，稠化值应小于30 BC， 现场总施工时间内，稠度在现场总施工时间内，稠度在50 BC以内。以内。 3 /cmg 3 /cmg 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井 71 水泥浆的失水：水泥浆的失水： 一般用一般用30 min 失水量表示。失水量表示。 水泥浆凝结时间：水泥浆凝结时间： 从液态转变为固态的时间。从液态转变为固态的时间。 封固表层及技术套管，需早期较高强度，以便下道工序；封固表层及技术套管，需早期较高强度，以便下道工序； 侯凝侯凝 8 h左右，开始凝结