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:完井是使井眼与油气储集层（产层、生产层）连通的工序，是衔接钻井工程和采油工程而又相对独立的工程，包括从钻开油气层开始，到下生产套管、注水泥固井、射孔、下生产管柱、排液，直至投产的系统工程。完井概念：

课程回顾第1页，共127页。2主要碎屑岩和碳酸岩少量岩浆岩和变质岩，甚至页岩孔隙度、渗透率、孔隙结构、润湿性油、气、水；稠油粘度大于50mps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

常规油、稠油、高凝油藏二、储层岩性特征：三、储层物性：四、储层流体：五、油气藏分类：六、地应力概念与确定：岩层内部产生反抗变形、并作用

在地壳单位面积上的力一、岩石分类：形成原因：沉积岩、变质岩、岩浆岩课程回顾第2页，共127页。3oilzone中间套管(技术套管)表层套管生产套管(油层套管)主要内容:

—

井身结构设计—套管柱设计—注水泥技术—套管损坏与防护一开二开三开第二章井身结构设计与固井第3页，共127页。4井身结构—油井基础，全井骨架固井工程—套管柱设计和注水泥不仅关系全井能否顺利钻进完井，

而且关系能否顺利生产和寿命。2006年3月25日，重庆开县罗家2井，

套管破损，地下井漏，H2S喷出，

12000人紧急疏散，2口井报废。

第二章井身结构设计与固井第4页，共127页。570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：2861口，占30%以上；

胜利：3000多口，占10%以上；

中原：占投产井数23.3%；

并且各油田套损井数有上升趋势。第二章井身结构设计与固井第5页，共127页。6

第一节井身结构设计内容：套管层次；每层套管下深；套管和井眼尺寸配合。一、套管的分类及作用二、井身结构设计原则三、井身结构设计基础数据四、裸眼井段应满足力学平衡五、井身结构设计方法（举例）六、套管尺寸和井眼尺寸选择

第二章井身结构设计与固井第6页，共127页。71、表层套管—Surfacecasing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下深：根据目的层深度和地表状况而定，一般为上百米甚至上千米

2、生产套管—Productioncasing钻达目的层后下入的最后一层套管用以保护生产层，提供油气生产通道下深：由目的层位置及完井方式而定一、套管的分类及作用第二章井身结构设计与固井第7页，共127页。83、中间套管—TechnicalCasing表层和生产套管间因技术要求而下，可以是一层、两层或更多层主要用来封隔不同地层压力层系或易漏、喷、塌、卡等复杂地层4、尾管（衬管）—Liner

在已下入一层技术套管后采用，只对裸眼井段下套管(注水泥)，而套管柱不延伸至井口。减轻下套管时钻机的负荷和固井后套管头的负荷；节省套管和水泥；一般深井和超深井一、套管的分类及作用第二章井身结构设计与固井第8页，共127页。9例：克拉2气田井身结构实施方案第二章井身结构设计与固井

28″导管26″x300m18-5/8″x300m16″x2600m13-3/8″x2600m12-1/4″x封白云岩10-3/4″x100m+9-7/8″x封白云岩8-1/2″*目的层7″尾管*目的层第9页，共127页。10第二章井身结构设计与固井第10页，共127页。11二、井身结构设计原则有效保护油气层，避免储层污染伤害避免漏、喷、塌、卡等井下事故，安全、快速钻井钻下部地层采用重钻井液时产生的井内压力，不至于压裂上层套管鞋处的薄弱地层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，具有压井处理溢流能力下套管顺利，井内钻井液液柱压力和地层压力间的压差不至于压差卡套管第二章井身结构设计与固井第11页，共127页。12抽吸压力系数Ｓｂ：0.024~0.048g/cm3激动压力系数Ｓｇ：0.024~0.048g/cm3压裂安全系数Ｓｆ：0.03~0.06g/cm3井涌允量Ｓｋ：0.05~0.08g/cm3压差允值△P：△PN=15~18MPa

△P

A=

21~23MPa

6个设计系数：

孔隙压力剖面

破裂压力剖面

坍塌压力剖面

漏失压力剖面•4个剖面：三、井身结构设计基础数据第二章井身结构设计与固井第12页，共127页。钻井液静液柱压力:钻井液密度,（g/cm3）；H:液柱垂直高度，mPh1.基本压力概念压力梯度/当量密度单位高度（或深度）增加的压力值有时直接用当量密度表示第13页，共127页。地层压力(FormationPressure)作用在岩石孔隙流体(油气水)上的压力，也叫地层孔隙压力当量钻井液密度：1.基本压力概念地层破裂压力(FracturePressure)当地层压力达到某一值时会使地层破裂当量钻井液密度：当量钻井液密度井深地层孔隙压力地层破裂压力第14页，共127页。地层坍塌压力(CollapsePressure)当井内液柱压力低于某一值时，地层出现坍塌物理化学耦合作用？1.基本压力概念水化疏松地层井塌第15页，共127页。地层漏失压力(LeakagePressure)当钻井液柱压力高于某一临界值时地层发生漏失，可分为自然漏失和压裂漏失。与钻井液性能、地层孔隙类型等有关。1.基本压力概念第16页，共127页。1.基本压力概念钻井液静液柱压力(HydrostaticPressure)压力梯度(PressureGradient)当量密度（EquivalentCirculatingDensity）地层孔隙压力(FormationPressure)地层破裂压力(FracturePressure)地层坍塌压力(CollapsePressure)地层漏失压力(LeakagePressure)4个剖面第17页，共127页。当量密度井深18（1）抽吸压力系数Sb2.关键设计参数上提钻柱时，由于抽吸作用使井内液柱压力的降低值，用当量密度表示；Sb=0.024~0.048g/cm3裸眼段内使用的最大钻井液密度防止裸眼井段井涌的钻井液密度第18页，共127页。（2）激动压力系数Sg下放钻柱时，由于产生压力激动使井内压力的增加值，当量密度Sg=0.024~0.048g/cm3最大井内压力梯度井筒内最大压力梯度，当量密度2.关键设计参数下钻时井筒压力梯度第19页，共127页。20（3）井涌允量Sk由于地层压力预测的误差，在钻遇的最大地层压力处发生溢流，一定量的地层流体涌入井筒，在该井深处井筒压力增加的允许值

Sk，用当量密度表示；Sk=0.05~0.08g/cm3任意井深处的最大井内压力梯度（发生溢流关井后）：最大井内压力梯度（最大地层压力所在井深处）：2.关键设计参数第20页，共127页。21（4）压裂安全系数Sf由于地层破裂压力预测误差而引入的安全系数，与预测精度有关，Sf=0.03~0.06g/cm3套管下深的临界条件-不压裂裸眼地层而发生井漏裸眼井段内最大井筒压力梯度应满足正常工况防井漏防溢流关井时井漏2.关键设计参数第21页，共127页。22（5）压差允值△P为了在下套管过程中，不发生压差粘卡套管的事故，应该限制井内钻井液液柱压力与地层压力的压力差值。即裸眼井段所用最大钻井液密度与最小地层孔隙压力之间实际的最大静止压差应小于一个允许值△P。在正常压力地层：ΔPN=15-18MPa在异常压力井段：

ΔPa=21-23MPa2.关键设计参数第22页，共127页。23裸眼段内最大钻井液密度最大井筒压力梯度四、裸眼井段应满足的力学平衡第二章井身结构设计与固井防压裂裸露地层-井漏防压差卡套管正常钻进溢流关井第23页，共127页。24其中：

——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，

——最大地层孔隙压力所处的井深，m——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，m——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，

——套管下入深度，m第二章井身结构设计与固井第24页，共127页。25五、井身结构设计方法

生产套管下深取决于油气层位置和完井方法。1.求中间套管下入深度初选点D21

依据（防井漏）：钻下部地层时，井筒内最大液柱压力不会压裂裸眼井段地层的最薄弱处，即井内液柱最大压力不超过中间套管鞋处地层破裂压力。第二章井身结构设计与固井ρpmaxρpmin第25页，共127页。26（1）正常钻进，不考虑发生井涌第二章井身结构设计与固井计算出ρf2

，在破裂压力曲线

查出ρf2所在的井深D21

，

即为中间套管下入井深初选点。

26ρpmax第26页，共127页。27（2）异常情况，发生井涌

试算法求ρf

试取一个D21

，计算ρf

与查图ρf’

比较；若ρf≤ρf’

，D21为中间套管初选点，否则，重新试算。一般情况下，在新探区，取以上两种条件下较大值。第二章井身结构设计与固井ρpmaxρf’

D21第27页，共127页。282.验证中间套管下到深度D21是否被卡（1）首先求裸眼可能存在的最大静压差：

ρpmax

：钻进至D21遇到的最大地层压力当量泥浆密度。

Dpmin：最小地层孔隙压力所处的井深，m•若，不卡，D21为中间套管下入深度D2。

•若，会卡，中间套管应小于初选点深度，需采用尾管解决。需根据压差卡钻条件确定中间套管的下深。第二章井身结构设计与固井第28页，共127页。29在地层压力曲线上找出深度即为中间套管的下深D2

。（2）求压差条件下允许的最大地层压力第二章井身结构设计与固井D21第29页，共127页。303.求钻井尾管下入深度初选点D31

根据D2处地层破裂压力，求出继续向下钻进时裸眼段允许最大地层压力

试算法：先试取一个

D31，计算，若计算与实际值接近且略大，则D31为尾管初选点，否则重试。第二章井身结构设计与固井30ρpmax第30页，共127页。314.校核尾管下到D31是否被卡

校核方法同2，△PN

换成△PA5.计算表层套管下入深度D1

根据D2

处地层压力，计算若钻进到D2

发生井涌关井，表层套管鞋处承受压力当量密度：

试算：试取D1，计算≤查得,确定

D1否则重试。第二章井身结构设计与固井ρp2第31页，共127页。32井身结构设计方法：由内而外，自下而上；已知下层套管下深，求上层套管下深（中间，表层）；已知上层套管下深，求下层套管下深（如尾管）；第二章井身结构设计与固井设计准则：1.不井涌2.钻下部地层时不压裂上部薄弱地层；3.不压差卡管柱；第32页，共127页。33设计举例某井设计井深为4400m；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；

ΔPN

=12Mpa;

ΔPA

=18MPa;第二章井身结构设计与固井第33页，共127页。34解：由图上查得

（1）中间套管下入深度初选点

由试取D21=3400m，代入上式得：由破裂压力曲线查得且接近，故确定D21=3400m。第二章井身结构设计与固井生产套管4400第34页，共127页。35（2）校核中间套管是否会被卡

由ρP曲线，钻进到深度D21=3400m时，

遇到最大地层压力

因由因ΔP＞ΔPN=12MPa,故中间套管下深应浅于初选点。查得=1.435对应D2=3200m。第二章井身结构设计与固井第35页，共127页。36

（3）确定尾管下深的初选点D31

由ρf曲线查得：由：

试取D31=3900m，得由ρp曲线，故确定初选点D31=3900m.第二章井身结构设计与固井第36页，共127页。37（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

。第二章井身结构设计与固井第37页，共127页。38（5）确定表层套管下深D1

由：试取D1=850m,代入上式计算得由ρf曲线查得故确定D1=850m。第二章井身结构设计与固井第38页，共127页。39六、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：

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。

间隙最小：9.5mm～12.7mm，最好：19.0mm。目前，根据套管层次不同，已基本形成了较稳定的系列。第二章井身结构设计与固井第39页，共127页。第二章井身结构设计与固井81/2第40页，共127页。41

28″导管26″x300m18-5/8″x300m16″x2600m13-3/8″x2600m12-1/4″x封白云岩10-3/4″x100m+9-7/8″x封白云岩8-1/2″*目的层7″尾管*目的层克拉2气田典型井身结构第二章井身结构设计与固井第41页，共127页。4230"20"16"10-3/4"13-3/8"9-5/8"2.162.182.30泥线90m第二章井身结构设计与固井第42页，共127页。43HOMEWORK:1.如何理解防压差卡井关系：2.如何理解防关井井漏关系：3.某井油层位于2600m，预测ρp=1.30，钻至200m下表层套管，液压实验测得套管鞋处，问不下中间套管能否顺利钻达油层？已知：Sb=0.036；

Sg=0.04；Sk

=0.06；Sf=0.03

第二章井身结构设计与固井第43页，共127页。44oilzone中间套管(技术套管)表层套管生产套管(油层套管)主要内容:

—

井身结构设计—套管柱设计—注水泥技术—套管损坏与防护一开二开三开第二章井身结构设计与固井第44页，共127页。45一、套管和套管柱•套管：优质钢材制成的无缝管或焊接管，一端为公扣，直接车在管体上；一端为带母扣的套管接箍。•表征套管的主要特性参数有套管尺寸、钢级和壁厚第二节套管柱设计第45页，共127页。46第二节套管柱设计第46页，共127页。47一、套管和套管柱•套管尺寸：又称名义外径、公称直径等，是指套管本体的外径；API标准，共14种尺寸。

第二节套管柱设计第47页，共127页。48一、套管和套管柱•套管的钢级:API标准规定套管本体的钢材应达到规定的强度，API标准，8种10级H-40,J-55,K-55,C-75,L-80,N-80,C-90,C-95,P-110,Q-125其中，字母只是标识，数字代表套管的强度。如：N-80套管，最小屈服强度=80

kpsi=551.58MPa套管的壁厚:

套管本体处管体的厚度，壁厚：5.21~16.13mm关系套管的线重，指套管单位长度的质量第二节套管柱设计第48页，共127页。49API套管规范及强度(5寸套管)《甲方钻井手册》P192第二节套管柱设计第49页，共127页。50一、套管和套管柱•套管柱：由同一外径、不同钢级、不同壁厚的套管用接箍联接组成的管柱，特殊情况下也使用无接箍套管柱联接是由螺纹来实现的，是套管质量和强度检验的重点。套管螺纹都是锥形螺纹，API规范中分为五大类，API标准和非API标准。第二节套管柱设计类数标准名称符号或代号1API标准短圆螺纹STC/CSG/C12长圆螺纹LTC/LCSG/C23梯形螺纹BTC/BCSG/C334直连形螺纹XL/XCSG/CHX5非API标准特殊螺纹/第50页，共127页。51二、套管柱载荷分析及套管强度第二节套管柱设计•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）、不同地层和地质条件下套管柱受力也不同。盐岩层对套管柱的压力梯度要按上覆岩石的压力梯度计算；在酸化压裂时承受的内压力与正常采油时的压力就不同；在易坍塌油层生产的前、中、后期对套管柱的外挤压力也不同长期生产实践证明，影响套管柱的基本载荷主要有以下几种：①轴向载荷；②外挤压力；③内压力。其它载荷如套管弯曲载荷、振动载荷等都考虑至安全系数中第51页，共127页。52自重引起的拉力Fm，在井口最大

qmi—第I种套管在钻井液中单位长度的重力，N/m;Li—第I种套管的长度，m；

n—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Fbd，在井斜狗腿较大

经验公式：KN

Dco—套管外径，cm；Ac—套管截面积，cm2

；

θ—每25m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。第二节套管柱设计1、轴向载荷及套管抗拉强度第52页，共127页。53注水泥引起的附加拉力Fc

KN其它附加拉力•上提或下放套管的动载、井壁摩擦力等；•一般在安全系数中考虑。套管的抗拉强度

•套管所受轴向拉力一般在井口最大•拉应力破坏形式：脱扣、本体拉断•通常用套管抗滑扣力表示套管抗拉强度h—管内水泥浆高，m；ρm—水泥浆密度，g/cm3；ρd—钻井液密度，g/cm3；dci—套管内径，cm。第二节套管柱设计第53页，共127页。542、外挤载荷及套管抗外挤强度

（1）外挤压力—主要载荷：•一般情况下按套管内部全掏空时管外压力计算：MPa•高塑性岩石，按上覆岩层压力计算，梯度23～27kPa/m。管外液柱压力地层中流体压力高塑性岩石侧向挤压力地质构造应力等第二节套管柱设计第54页，共127页。55套管内全掏空载荷井深套管内载荷套管外载荷载荷井深有效外载荷套管内液面载荷井深井身结构第二节套管柱设计第55页，共127页。562、外挤载荷及套管抗外挤强度（2）套管抗挤强度：指挤毁套管试件需要的最大外挤压力。•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

在钻井手册或套管手册中查得。—径厚比大时，失稳破坏(失圆、挤扁)—径厚比小时，强度破坏第二节套管柱设计失稳后的套管被挤扁（轻者）或破裂，使钻头或其它井下工作不能通过，地层封隔遭到破坏，将被迫停钻或停产，套管损坏严重者油气井报废。第56页，共127页。57（3）有轴向载荷时的套管抗挤强度（双向应力）套管内微小单元，外载作用下产生三向应力由第四强度理论：对于薄壁管，可忽略，变为双向应力问题。变换为椭圆方程：

按拉为正、压为负，椭圆形方程。椭圆图上,百分比为纵坐标,百分比为横坐标.第二节套管柱设计第57页，共127页。58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第二节套管柱设计第58页，共127页。59由强度条件的双向应力椭圆可以看出:•第一象限:

轴向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:

轴向压缩与外挤联合作用轴向受压抗外挤强度增加.•第四象限:轴向拉伸与外挤联合作用轴向拉力抗外挤强度降低（需考虑）第二节套管柱设计第59页，共127页。60

考虑轴向拉力影响时的抗外挤强度公式PCC的推导:

如图:

由双向应力椭圆方程，当σZ

=0时,根据上式则有:

由上2式代入双向应力椭圆方程，简化得

Fm—轴向拉力，KN；Fs—管体屈服强度，KN；，MPa第二节套管柱设计第60页，共127页。61第61页，共127页。62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；•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。

实际设计时，通常按套管内完全充满天然气时计算。

—井底气压，MpaG—天然气与空气密度比,0.55—套管鞋处破裂压力梯度，Mpa/m；—附加系数，取0.0012Mpa/m。3、内压载荷及套管抗内压强度第二节套管柱设计第62页，共127页。第二节套管柱设计套管内全掏空载荷井深载荷井深套管内压载荷套管外载荷载荷井深有效内压载荷套管内液面井身结构第63页，共127页。第二节套管柱设计套管内部分掏空载荷井深载荷井深套管内压载荷套管外载荷载荷井深有效内压载荷套管内液面井底井身结构第64页，共127页。65（2）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•抗内压强度可由钻井手册或套管手册查得（3）套管的腐蚀•原因：在地下与腐蚀性流体接触•破坏形式：管体的有效厚度减小，套管承载力降低，钢材性质变化•引起套管腐蚀的主要介质有：气体或液体中的硫化氢、溶解氧、二氧化碳•抗硫套管：API套管系列中的HKJCL级套管。第二节套管柱设计第65页，共127页。66第二节套管柱设计第66页，共127页。67三、套管柱强度设计目的：确定合理套管钢级、壁厚以及每种套管井深区间。

1、设计原则•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×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，多选择2～3种钢级、2～3种壁厚，不能过多•安全系数—抗外挤安全系数Sc=1.0—抗内压安全系数Si=1.1—套管抗拉强度（抗滑扣）安全系数St=1.8第二节套管柱设计第67页，共127页。682、常用套管柱设计方法

（1）等安全系数法

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）

在抗拉设计时，套管柱上下考虑同一个拉力余量。（3）另最大载荷法、AMOCO法、西德BEB法及前苏联方法等。第二节套管柱设计第68页，共127页。693、各层套管柱的设计特点特点：下入的深度浅；在其顶部安装有套管头，要承受以下各层套管的部分或全部重量；安装有防喷器、采油树等。侧重点：主要考虑内压设计。（井喷关井时情况最为严重）表套特点：下入的深度较深；隔离和封隔各种复杂地层；在井喷时承受较大内压；具有较强的耐磨性。侧重点：抗拉（下入较浅），抗内压（井喷关井），抗外挤（下入井深）技套特点：下入深度大，在其中下入油管，特别注意后期生产可能出现的各种情况。侧重点：抗拉（下入深），抗外挤（下入深），抗内压（后期生产）油套第二节套管柱设计第69页，共127页。70（1）基本设计思路（自下而上）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抗挤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。第二节套管柱设计4、套管柱设计的等安全系数法第70页，共127页。71（2）设计步骤：

例题：某井177.8mm（7”）油层套管下至3500m，下套管时钻井液密度为1.30，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：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查手册筛选套管钢级：

C-75,L-80,N-80,C-90,C-95,P-110

将钢级按成本排序：

N-80<C-75<L-80<C-90<C-95<P-110第二节套管柱设计第71页，共127页。72按抗挤设计下部套管段，水泥面以上双向应力校核（1）计算最大外挤力，选择第一段套管

查表：

第二节套管柱设计第72页，共127页。73（2）选择第二段套管；

选低一级套管，第一段抗拉强度校核查表：

第二段套管可下深度D2，第一段套管长度L1取D2=2900m

第二节套管柱设计第73页，共127页。74•双向应力强度校核，最终确定D2

和L1D2=2900m＞2800m,超过水泥面，考虑双向应力

危险截面：水泥面2800m处

不安全第二节套管柱设计第74页，共127页。75解决办法：将第一段套管向上延伸至水泥面以上。预定D2=2700m,L1

=800m；重新双向应力强度校核：（按以上同样方法）套管1：危险截面2800m处，Sc=1.29>1.0安全套管2：危险截面2700m处，Sc=1.02>1.0安全试算？第二节套管柱设计第75页，共127页。76安全•

计算套管抗拉安全系数

最终结果：D2=2700m,L1

=800m3）选择第三段套管，确定第二段套管长度L2•查表：第二节套管柱设计第76页，共127页。77•

考虑双向应力影响，确定第三段套管可下深度：试算法，取D3=1700m,计算得Sc=1.03安全第二节套管柱设计第77页，共127页。78计算第二段顶部的抗拉安全系数安全最终结果D3=1700m,L2=1000m第二节套管柱设计第78页，共127页。79

上部1700m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=1100m,则

第二节套管柱设计第79页，共127页。802）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，

与第一段套管相同第二节套管柱设计第80页，共127页。81•

计算第四段套管许用长度L4:

实际距井口还有600m,取L4=600m;•校核第四段下部的抗挤强度：安全•最终结果：L4=600m,D4=600m第二节套管柱设计第81页，共127页。82最终设计结果：下深（m）段长（m）钢级壁厚（mm）StSc0~600600N8010.361.94600~17001100N808.051.814.821700~27001000N809.193.21.022700~3500800N8010.367.851.08第二节套管柱设计第82页，共127页。83HOMEWORK:某井用139.7mm，N-80、壁厚9.17mm套管，额定抗挤强度

,管体抗拉屈服强度其下部悬挂194KN的套管，试计算2.178mm、N-80、壁厚9.19mm的套管允许抗外挤强度为37.30MPa，如果Sc=1.125，求在密度1.23g/cm3的钻井液中的允许下入深度。3.套管所受基本载荷有哪几种？各种载荷的来源和计算方法？各载荷沿井深的分布规律？如何计算双向应力下抗挤强度？第二章井身结构设计与固井第83页，共127页。84第三节注水泥技术•注水泥：从井口经套管柱将水泥浆注入井壁与套管柱

环空，将套管柱和地层岩石固结起来的过程

注水泥目的：固定套管+封隔井内的油气水层油井水泥

水泥浆性能

注水泥设备与工艺注水泥设计与计算

提高注水泥质量措施本节内容注水泥技术内容选择水泥

设计水泥浆性能

选择水泥外加剂

井眼准备

注水泥工艺设计第二章井身结构设计与固井第84页，共127页。85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（2）注水泥段环空钻井液全被水泥浆替换，无残留（3）水泥石与套管及井壁胶结强度足够，耐酸化

压裂及冲击。（4）凝固后管外不冒油、气、水，环空内各压力

体系不互窜。（5）水泥石能经受油、气、水长期侵蚀。第三节注水泥技术第85页，共127页。固井的特点（1）是一次性工程（经常无法采取补救措施）（2）是隐蔽性工程（看不见摸不着）（3）一项复杂工程（工期短，工序多，技术强）（4）花钱多的工程（投入大）（5）是钻井工程和完井工程中的一道关键工序（油井百年大计，固井质量第一）第三节注水泥技术第86页，共127页。87一、油井水泥波特兰(Portland)水泥（硅酸盐水泥）的一种。

•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；（2）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；（4）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。第三节注水泥技术第87页，共127页。881、油井水泥的主要成分（1）硅酸三钙

•水泥的主要成分，一般的含量为40%~65%•对水泥强度，尤其是早期强度有较大影响•

高早期强度水泥中含60%~65%，缓凝水泥中含40%~45%（2）硅酸二钙•含量一般在24%~30%之间•水化反应慢，强度增长慢；对水泥最终强度有影响。第三节注水泥技术第88页，共127页。89（3）铝酸三钙•促进水泥快速水化，决定水泥初凝和稠化时间•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•对于有较高的早期强度的水泥，其含量可达15%（4）铁铝酸四钙•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8%~12%

除了以上四种成分外，还有石膏、碱金属的氧化物等。第三节注水泥技术第89页，共127页。902、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，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

水泥的主要成分与水发生的水化反应为：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。第三节注水泥技术第90页，共127页。91（2）水泥凝结与硬化

水泥硬化分为三个阶段：溶胶期，凝结期，硬化期•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。

—氢氧化钙晶体，是水化反应的产物

—未水化的水泥颗粒第三节注水泥技术第91页，共127页。923、油井水泥分类（1）API水泥分类：A-H八级•A级：

0~1828.8m,中热，温度76.70C•B级：

0~1828.8m,中热，温度76.70C，中高抗硫两种•C级：

0~1828.8m,76.70C，高早期强度，普通、中高抗硫•D级：

1828.8~3050m,76~1270C

，中温中压，中高抗硫•E级：

3050~4270m,76~1430C

，高温高压，中高抗硫两种•F级：3050~4880m,110~1600C

，超高温超高压，中高抗硫•G级和H级：0~2440m,0~930C

，中、高抗硫两种第三节注水泥技术第92页，共127页。93API级别

使用深度范围m类型

备注普通抗硫酸盐型中高A0～1830●－－普通水泥，无特殊性能要求B－●●中热水泥，中和高抗硫酸盐型C●●●早强水泥，分普通、中和高抗硫酸盐型D1830～3050－●●用于中温中压条件，分中和高抗硫酸盐型E3050～4270－●●基质水泥加缓凝剂，高温高压条件，分中和高抗硫酸盐型F3050～4880－●●基质水泥加缓凝剂，超高压、高温用，分中和高抗硫酸盐型G0～2440－●●基质水泥，分中和高抗硫酸盐型H－●●API水泥使用范围第三节注水泥技术第93页，共127页。94（2）国产以温度系列为标准的油井水泥检验项目及类别水泥分类45ºC水泥75ºC水泥95ºC水泥120ºC水泥适用井深/m0～15001500～25002500～35003500～5000Mg含量/％5556SO33.53.533细度(0.08mm筛)/％筛余15151515安定性(沸煮法)合格合格合格合格静止流动度/mm>200>200>180>180水泥浆流动度/mm>240>240>220>220水泥浆密度/(g·cm-3)1.85±0.021.85±0.021.85±0.021.85±0.02自由水(析水)/％«1.0<1.0<1.0<1.0凝结时间温度/ºC45±275±295±5120±5时间范围/min初凝90～150终凝不迟于90初凝115～180终凝不迟于90初凝180～270终凝不迟于90(初凝)以稠化时间(终凝)30BC190强度/MPa不低于3.5常压48h>4.0（抗折）不低于4.0～3.5常压48h（抗折）不低于3.5常压48h（抗折）120ºC养护压力2.1MPa抗压强度48h>15MPa第三节注水泥技术第94页，共127页。95第三节注水泥技术二、水泥浆性能1、水泥浆基本参数水泥浆密度水泥浆稠化时间水泥浆的失水水泥浆凝结时间水泥石强度和抗蚀性水泥石渗透率第95页，共127页。96水泥浆密度

•干水泥密度3.05~3.20•水泥完全水化所需要的水为水泥重量的20%左右

•使水泥浆能流动加水量应达到水泥重量45%~50%•水泥浆密度1.80~1.90之间

•水灰比：水与干水泥重量之比。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。

•API标准：开始混拌到稠度达100BC所用时间。

初始15~30min内，稠化值应小于30BC，

现场总施工时间内，稠度在50BC以内。第三节注水泥技术第96页，共127页。97水泥浆的失水：一般用30min失水量表示。水泥浆凝结时间：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；

•侯凝8h左右，开始凝结为水泥石，抗压强度2.3MPa以上。水泥石强度

•能支撑和加强套管；能承受钻柱的冲击载荷

•能承受射孔、酸化压裂等增产措施作业压力水泥石的抗蚀性

•主要应能抗硫酸盐腐蚀第三节注水泥技术第97页，共127页。982、水泥外加剂

（1）加重剂：重晶石、赤铁粉等，使水泥浆密度达2.3

（2）减轻剂：硅藻土、粘土粉、沥青粉、玻璃微珠、火山灰等。

可使水泥浆的密度降到1.05

（3）缓凝剂：丹宁酸钠、酒石酸、硼酸、铁铬木质素磺酸钠、

羧甲基羟乙基纤维素等。（4）促凝剂：氯化钙、硅酸钠、氯化钾等（5）减阻剂：β—奈磺酸甲醛的缩合物、铁铬木质素磺酸钠、

木质素磺酸钠等。（6）降失水剂：羧甲基羟乙基纤维素、丙烯酸胺、粘土等。（7）防漏失剂：沥青粒、纤维材料等第三节注水泥技术第98页，共127页。993、特种水泥

（1）触变性水泥：水泥浆静止时，形成胶凝状态，但流动时胶凝状态被破坏，流动性良好。（2）膨胀水泥：凝固时体积略膨胀。用于高压气井。（3）防冻水泥：地表温度较低地区表层套管固井。

（4）抗盐水泥（5）抗高温水泥（6）轻质水泥第三节注水泥技术第99页，共127页。1004、前置液将水泥浆与钻井液隔开，起隔离、缓冲、冲洗作用，可提高固井质量。包括：冲洗液+隔离液

（1）冲洗液：低粘度、低剪切速率、低密度，用于有效冲洗井壁及套管壁，清洗残存钻井液及泥饼。

密度≈1.03g/cm3，环空高度≥250m

（2）隔离液：有效隔开钻井液与水泥浆；形成平面推进型顶替；对低压漏失层起缓冲；较高浮力拖曳力。较黏稠、较高密度、较大静切力；环空高度≈200m第三节注水泥技术第100页，共127页。三、注水泥设备与工艺1、注水泥浆主要设备水泥车、水泥罐车、供液车

管汇车、压塞车等2、主要工具水泥头、浮箍、浮鞋、

承托环、回压凡尔、

扶正器、碰压塞等第三节注水泥技术第101页，共127页。第102页，共127页。下套管水泥头：套管柱最上端，上、下胶塞.下胶塞为中空，在压力作用下可压破上胶塞为实心，隔离钻井液与水泥浆破膜：下胶塞坐落在浮箍上后，在压力作用下破膜碰压侯凝：24小时或48小时，也有72小时或几小时的，候凝时间的长短视水泥浆凝固及强度增长的快慢而定。第三节注水泥技术第103页，共127页。概述（a）循环钻井液（b）注隔离液和水泥浆（c）替浆（d）替浆（e）碰压1—压力表2—上胶塞3—下胶塞4—钻井液5—浮箍6—引鞋7—水泥浆8—隔离液9—钻井液第104页，共127页。105四、注水泥设计与计算1.水泥浆密度：单位体积的水泥浆内各种成分的质量总和。即：2.水泥量的计算：水泥浆总量：—注入水泥浆体积，—环空水泥浆体积，—管内水泥塞体积，第三节注水泥技术第105页，共127页。106环空水泥浆量：—环空水泥浆体积，—井眼直径或外层套管内径，m

—套管外径，m

—对应环空水泥段长度，m管内水泥浆量：—管内水泥塞体积，—套管内径，—水泥塞长度，干水泥量：

—干水泥质量，kg

—水泥浆总体积，—每千克水泥配成水泥浆后的体积，第三节注水泥技术第106页，共127页。107配浆用水量：—理论用水量，—水灰比

—总水泥量，kg井场实际备水量应在理论用水量的基础上附加50%～100%。实际注水泥要依据测井井径资料，平均井径的计算要取段准确。对于不测井径的井，井径一般按钻头尺寸附加15%～30%计算水泥量。实际注水泥量的确定

在固井施工中，实际注水泥量的确定在水泥浆量设计的基础上还要参考下面几种因素。

（1）实测井径的准确性

（2）邻井固井施工情况

（3）钻井施工情况

（4）固井前循环洗井情况

第三节注水泥技术第107页，共127页。1083、顶替设计顶替就是有效驱替环空钻井液，使水泥浆达到预定位置并充满环空的过程。顶替量计算：

—顶替液总量，—不同壁厚段套管长度，—不同壁厚段套管内径，—不同壁厚段压缩系数，一般取1.02～1.03。顶替时间计算：

计算顶替时间时，首先要考虑顶替排量。同时也要考虑井眼的实际条件和钻井泵的类型。第三节注水泥技术第108页，共127页。1094、顶替钻井液压力计算环空静液柱压力：—环空静液柱压力，MPa

—钻井液段长度，

—隔离液段长度，

—领浆水泥段长度，—尾随水泥段长度，—钻井液密度，—隔离液密度，—领浆水泥浆密度，—尾随水泥浆密度，

组合为：尾浆、前导浆、前置液、钻井液公式：第三节注水泥技术第109页，共127页。110流动阻力

流动阻力的计算公式：

流动阻力也可以按循环钻井液时钻井泵不同排量下的泵压计算。

顶替钻井液最高施工压力

由于采用了不同密度的流体，在套管内外形成的压差，顶替最高泵压出现在泵压前，其计算公式：—最高泵压，MPa

—环空最大静液柱压力，MPa

—管内外流动阻力，MPa

—套管内静液柱压力，MPa

第三节注水泥技术第110页，共127页。1115、水泥浆完全“失重”时静液柱压力水泥浆失重是指水泥浆发生物理、化学变化时不能对地层传递有效压力。水泥浆失重主要是由于水泥浆胶凝成水泥浆网状结构和水泥浆体积收缩引起。计算公式：

—水泥柱完全失重时的静液柱压力，MPa

—水泥浆失重时的