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1 第七章固井 2 第七章固井 概述 第一节套管及套管柱强度设计 第二节油井水泥 第三节影响注水泥质量的因素 3 概述 1 固井工程的概念为了加固井壁 保证继续钻进 封隔油 气和水层 保证勘探期间的分层试油及在整个开采中合理的油气生产 为此下入优质钢管 并在井筒与钢管环空充填好水泥的作业 称为固井工程 向井内下入套管 并向井眼和套管之间的环形空间注入水泥的施工作业称之为固井 包括下套管和注水泥 4 概述 2 工艺介绍下套管注水泥候凝检测评价 5 概述 3 固井工程的步骤下套管套管由接箍和本体组成 套管柱由单根套管 浮箍 引鞋 图7 1单根套管示意图1 接箍2 套管本体 6 概述 3 固井工程步骤注水泥下完套管之后 把水泥浆泵入套管内 再用钻井液把水泥浆顶替到管外环形空间设计位置的作业称之为注水泥 水泥头 安装在套管柱的最上端 内装有上 下胶塞 下胶塞的作用是与隔离液 一种专门配制的液体 用以隔离钻井液与水泥浆 一道 将水泥浆与钻井液隔离开 防止钻井液接触水泥浆后影响水泥浆的性能 下胶塞为中空 顶部有一层橡胶膜 该膜在压力作用下可压破上胶塞为实心 其作用是隔离顶替用的钻井液与水泥浆 破膜 下胶塞坐落在浮箍上后 在压力作用下破膜 7 概述 3 固井工程步骤碰压 当其坐落在已坐于浮箍上的下胶塞上之后 地面压力将很快上升一定值 称为碰压 该信号说明水泥浆已顶替到位 施工结束 侯凝 注入井内的水泥浆要凝固并达到一定强度后才能进行后续的钻井施工或是其它施工 因此 注水泥施工结束后 要等待水泥浆在井内凝固 该过程称为候凝 候凝时间通常为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 候凝期满后 测井进行固井质量检测和评价 8 概述 a b c d e 图7 2注水泥工艺流程示意图 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 10 11 概述 4 固井目的封隔易塌 易漏等复杂地层 保证钻井顺利进行封隔油气水层 建立油气流出通道 防止产层间互窜进行增产措施安装井口 12 概述 5 固井内容套管与下套管水泥与注水泥 13 概述 6 对固井质量的要求套管有足够的强度能承受井下各种外力作用 抗腐蚀 不断 不裂 不变形水泥环有可靠的密封环空封固段不窜 不漏 胶结良好 能经受高压挤注的考验 14 概述 7 固井工程的特殊性 1 是一次性工程 如果质量不好 一般情况下难以补救 2 是隐蔽性工程 主要流程在井下 施工时不能直接观察 质量控制往往决定于设计的准确性和准备工作的好坏 受多种因素的综合影响 3 影响后续工程的进行 4 是一项花钱多的工程 5 施工时间短 工序内容多 作业量大 是技术强的工程 15 第一节套管及套管柱强度设计 16 序言 套管柱的主要功能抗挤抗拉抗内压密封 对套管的要求圆度壁厚均匀性抗腐蚀最小的流动阻力良好的上扣性能及重复互换性能耐磨 硬度指标 17 套管柱的组成由不同强度的套管段组成原因 套管受到各种类型外力作用 须具有一定强度 外载大小 类型不同 所需的强度要求也不同 须有一系列不同尺寸 不同强度的套管 即套管系列 序言 18 套管柱的类型表层套管技术套管 中间套管 生产套管 油层套管 尾管 技术尾管 生产尾管 回接套管 序言 19 一 套管外载分析与计算 1 静载特点 长期作用 联合作用在套管上 类型 轴向拉力径向外挤压力径向内压力弯曲附加拉力温差应力 20 2 动载特点 瞬时地 单一地作用在套管上 产生原因 起下钻时速度变化产生的动载阻 卡套管时提拉动载摩擦动载碰压动载密度差产生的附加拉力 一 套管外载分析与计算 21 轴向力 自重 浮力外挤压力 管外液体对套管产生的压力内压力 管内液体对套管产生的压力 作用在套管上的主要载荷应是 一 套管外载分析与计算 22 1 外挤压力管外钻井液液柱压力 水泥不返到井口时 上部套管外为钻井液 该段套管称为自由套管 水泥浆液柱压力地层中流体压力易流动岩层的侧压力等 一 套管外载分析与计算 23 1 外挤压力有效外压力 式中Poe 有效外压力 Po 外压力 Pib 支撑内压力 一 套管外载分析与计算 24 1 径向外挤压力有效外压力 表层套管 井漏造成全掏空技术套管 井漏发生 但不可能造成发生全漏空的情况 因此技术套管的下部还有支撑内压力作用油层套管 一般在采油后期产层压力降得很低的时候产生最大有效外压力 开发后期可能抽油或气举采油 因为这时套管内的内压力会降得很低 若近似认为内压力为零 则其受载情况与表层套管类似 即为全掏空 一 套管外载分析与计算 25 1 外挤压力 1 外压力在水泥面 环空内水泥的顶面 以上应按钻井液液柱压力计算对于水泥封固段 当发生上述最大有效外压力时 管外环空中的水泥已经凝固 水泥环 水泥浆在环空内凝固后的环状水泥石称为水泥环 应有助于套管承受外压力 但难于准确计算 因此从安全角度考虑现场上一般将水泥面以下水泥环段的外压力也按钻井液液柱压力计算 一 套管外载分析与计算 26 1 外挤压力 2 支撑内压力对于表层套管 油层套管这种可能全掏空的情况 支撑内压力为零 对于技术套管非全掏空的情况 在漏失面以上 即井深小于漏失面深度的套管段 支撑内压力为零 在漏失面以下 即井深大于漏失面深度的套管段 作用有管内钻井液液柱压力 因此 要计算支撑内压力 首先要知道漏失面的深度 一 套管外载分析与计算 27 1 径向外挤压力 2 支撑内压力漏失面深度确定 假设下一次钻进钻至下一层套管的下入深度Hn 下一井段的目的井深 时发生井漏 并假设漏失层的孔隙压力为地层盐水柱压力 根据压力平衡关系可得漏失面深度为 n 下次钻井时所用的最高钻井液密度 一 套管外载分析与计算 钻井液 盐水 Hn HL n钻井液 套管 28 1 外挤压力 2 支撑内压力对于技术套管非全掏空的情况 支撑内压力的计算式为 Hb 套管下入深度 m 0 H HL HL H HB 一 套管外载分析与计算 29 1 外挤压力 3 有效外压力对于表层套管 油层套管这种可能全掏空的情况 需要按全掏空考虑的技术套管 有效外压力为 对于技术套管非全掏空的情况 有效外压力为 0 H HL HL H HB 一 套管外载分析与计算 钻井液 钻井液 m Hn HL n钻井液 套管 HB 30 a 全掏空 b 非全掏空图7 3有效外挤压力对比示意图1 外压力2 支撑内压力3 有效外压力 一 套管外载分析与计算 31 一 套管外载分析与计算 全掏空与非全掏空两种不同的情况下 套管柱所受的有效外压力不一样 对于全掏空情况 有效外压力是井底最大 井口最小 为零 对于非全掏空情况 有效外压力是中间大 井口和井底小 显然 这种不同的外载情况会使套管柱设计的结果不同 32 2 内压力套管柱所受的内压力主要来自于钻井液 地层流体 油 气 水 压力以及特殊作业 如压井 酸化压裂 挤水泥等 时所施加的压力 与外挤压力类似 对内压力也是分析计算危险工况时的有效内压力 有效内压力为 Pie Pi Pob对于表层套管和技术套管 如果在下一井段钻进过程中发生井涌而进行压井时 套管柱所受的有效内压力最大 而对于油层套管 油井和气井的情况不一样 要根据采油 采气工艺情况考虑相关的危险工况 一 套管外载分析与计算 33 径向内压力 1 管内流体压力 2 井涌关井时 管内的内压力 3 压裂作业等增产措施时的压力 一 套管外载分析与计算 34 2 内压力有效内压力 1 内压力计算对于表层套管和技术套管 当在下一井段钻进过程中发生井涌而进行压井时 套管的内压力为井口内压力与管内流体 钻井液与涌入流体 气 水 油或混合物 的液柱压力之和 即 一 套管外载分析与计算 Ps 井口内压力 n 下次钻井时所用的最高钻井液密度 Pie 有效内压力 MPaPi 内压力 MPaPob 支撑外压力 MPa 35 2 内压力 1 内压力确定井口内压力PS的三种方法是 1 井口防喷装置 防喷器及压井管线等 许用最高压力 2 套管鞋处附近地层破裂压力所决定的许用井口压力 n 下次钻井时所用的最高钻井液密度3 下部高压油气喷出时可能出现的井口内压力 一 套管外载分析与计算 套管 HB 钻井液 密度为 n的钻井液 36 内压力计算 续 对于油层套管 分油井与气井采用不同的计算方法 对于油井 认为采油初期 产层压力较高 井口有内压力作用于套管 套管的内压力为井口内压力与原油的液柱压力之和 式中括号项即为关井井口内压力 一 套管外载分析与计算 HB H 适合 油层套管 油井 37 2 内压力 1 内压力计算对于气井的生产套管 井口也有内压力作用于套管 当考虑气体自重及其压缩性后 套管内任意深度处的内压力为 式中令井深H为零即得井口内压力 一 套管外载分析与计算 38 2 内压力 2 支撑外压力在无水泥段 因钻井液降解及固相沉降 其液柱压力可能降低对水泥封固段 可能水泥环并不完整 地层压力可能作用于管柱上 按盐水柱计算支撑外压力可能比实际外压力偏小 但可使有效内压力偏大而使管柱趋于安全 所以 在支撑外压力计算中一般无论是水泥面以上还是水泥面以下均按地层盐水柱压力计算 即 一 套管外载分析与计算 39 2 内压力 3 有效内压力由上所述 可得套管柱有效内压力的计算方法 对于表层套管和技术套管 对于油层套管油井 气井 一 套管外载分析与计算 40 有效内压力对比示意图1 内压力2 支撑外压力3 有效内压力 一 套管外载分析与计算 sw n sw o sw 曲线 表层或技术套管 油井油层套管 气井油层套管 注意图中 支撑外压和内压曲线的斜率变化 对于表层套管或技术套管 有效内压力是井口最小 井底最大 对于油层套管 有效内压力是井口最大 井底最小 可见 不同类型的井 不同类型的套管 所受外载是不一样的 现场有时还采用直接用井口压力Ps作为整个套管柱有效内压力的方法 即假设从井口到井底有效内压力均为Ps 从图可见 对于油层套管 采用这种方法显然是安全的 不过可能有点不经济 但可使内压力计算更简捷 41 3 轴向拉力一般情况下 套管柱在入井过程中 即下套管过程中 承受的拉力最大 这时 除了套管柱的自重外 还有上提下放时的动载 上提时弯曲井段处的阻力 或者是遇卡上提时多提的拉力等附加拉力 在计算时 一般只计算套管的自重 将动载 遇卡上提多提的拉力等附加拉力用设计安全系数考虑 或以其它方式考虑 套管柱一般是由几段套管组成 在计算套管自重所产生的轴向拉力时 通常需要计算的是各段套管顶 底端的轴向拉力 显然 某段套管顶端的拉力即是其上面一段套管底端的拉力 其底端的拉力即是其下面一端套管顶端的拉力 一 套管外载分析与计算 42 轴向拉力 自重浮力 W 一 套管外载分析与计算 43 3 轴向拉力轴向拉力计算方法 当不考虑钻井液的浮力时 计算的是套管在空气中的重量 当考虑钻井液的浮力时 计算的是套管在钻井液中的重量 常简称为浮重 一般可用台阶法和浮力系数法计算其中 一 套管外载分析与计算 44 用台阶力法计算 考虑浮力是集中作用在套管界面变化的位置 浮力的大小 Tf Ph A轴向力为 一 套管外载分析与计算 H T 浮力系数法 台阶力法 45 很显然 套管柱自重所产生的轴向拉力的分布规律是井底最小 为零 往上逐渐增大 井口拉力最大 图7 5套管轴向拉力沿井深分布示意图1 不考虑浮力2 考虑浮力 一 套管外载分析与计算 46 4 弯曲附加拉力如果井眼存在较大的井斜变化或狗腿时 由于套管弯曲效应的影响将增大套管的拉力负荷 特别是在靠近丝扣啮合处易形成裂缝损坏 由于API套管的连接强度没有考虑弯曲应力 所以设计时应从套管的连接强度中考虑弯曲效应的影响 Z Z max 一 套管外载分析与计算 K 井眼曲率 rad mE 弹性模量 PaA 套管截面积 m2Tba 弯曲附加拉力 N 47 对所用套管系列的统一规定 叫套管规范 规定了套管生产的尺寸 钢级 壁厚 连接方式等 目前一般使用的美国API套管规范 其规定的有关性能主要有 套管尺寸 套管壁厚 螺纹类型与套管钢级 二 套管强度 48 1 套管基本参数套管的基本参数为套管尺寸 套管壁厚 或单位长度名义重量 螺纹类型与套管钢级 1 套管尺寸 又叫名义外径或公称直径 本体外径4 1 2 5 51 2 65 8 7 7 5 8 8 5 8 9 5 8 10 3 4 11 3 4 16 28 5 8 20 30 套管尺寸的选择与钻头尺寸相配合 井身结构设计 二 套管强度 49 目前国内外所生产的套管尺寸及钻头及尺寸已标准系列化 套管与其相应井眼的尺寸配合基本确定或在较小范围内变化 二 套管强度 50 1 套管基本参数 2 套管壁厚与套管单位长度名义重量套管壁厚指的是套管本体处套管壁的厚度 套管壁厚有时又称为套管名义壁厚 套管壁厚也已标准系列化套管单位长度名义重量又称为套管公称重量 指的是包括接箍在内的 套管单位长度上的平均重量套管壁厚 套管单位长度名义重量二者是直接相关的 二 套管强度 51 1 套管基本参数 3 螺纹类型套管螺纹及螺纹连接是套管质量的关键所在 与套管的强度和密封性能密切相关 API标准的螺纹类型有4种 短圆螺纹 英文缩写STC 长圆螺纹 英文缩写LTC 梯形螺纹 英文缩写BTC 直连型螺纹 英文缩写XL 用于无接箍套管 二 套管强度 52 二 套管强度 a b c 图7 6API螺纹连接示意图 a 圆螺纹连接 b 梯形螺纹连接 c 直连型螺纹连接 53 4 套管钢级API钢级有10种 H J K N C L P Q X 非标准的钢级 也较广泛使用 如NKK S SS V等 API规定钢级代号后面的数字乘以1000PSi 6894 8Pa 即为该钢材的最小屈服强度 如 N 80 80 1000Psi但也有个别例外 S 80 55KpsiSS 95 80Kpsi套管钢材的抗硫能力 有抗硫能力的套管钢级H 40 J 55 K 55 X 52 C 75 L 80 C 90 二 套管强度 54 采用非API标准有两种情况 一是套管的尺寸 钢级与壁厚按照API规范 只是在螺纹连接上采用非API标准的特殊螺纹连接型式 这主要是为了解决螺纹连接的高密封要求问题 二是套管的尺寸 壁厚与螺纹连接型式按照API规范 但使用特殊的套管钢级 这是为了解决套管腐蚀和高应力问题 二 套管强度 55 2 套管强度 1 套管强度外载可分为三种 即作用在管柱外壁上的外挤压力 作用在管柱内壁上的内压力和作用在管柱内方向与管柱轴线平行的轴向拉力 套管所具有的抵抗外载的能力称为套管强度套管所能承受的最大外挤压力称为套管的抗挤强度套管所能承受的最大内压力称为套管的抗内压强度套管所能承受的最大轴向拉力称为套管的抗拉强度 因为在轴向拉力的作用下 套管的破坏一般是发生在套管本体与接箍的螺纹连接处 因此套管的抗拉强度又常称为连接强度或接头拉伸强度 二 套管强度 56 套管强度系列 套管 二 套管强度 57 2 套管强度 4 轴向拉力作用下套管的抗挤强度API所公布的套管强度数据是套管受相应的单一外载作用时的强度 如抗挤强度是套管仅受外挤压力作用时套管所能承受的最大外挤压力值 套管柱在井下一般是处于复合外载作用状态 两种及两种以上外载同时作用状态 在复合外载作用下 套管的强度要发生变化 有时套管的强度增加 有时套管的强度降低 二 套管强度 套管强度怎么变化 58 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 根据第四强度理论 可得套管在多向应力下的强度条件为 第四强度理论变为 二 套管强度 59 由于套管为薄壁或中厚壁管 在这三个应力中 r t 故在上面方程中忽略其影响后可得出方程 式中 z s和 t s分别表示轴向应力和周向应力在屈服应力中占的比例 二 套管强度 60 用 z s的百分数为横坐标 用 t s的百分数为纵坐标 可绘出如图所示的椭圆图 称为双向应力椭圆图 z为正 受拉 z为负 受压 t为正 内压 t为负 外挤 二 套管强度 从该椭圆中 可看出 z与 t的变化关系为象限 z s t s载荷状态影响 0 0拉伸 内压 z t 0压缩 内压 z t 0 0拉伸 外挤 z t I 在轴向拉力作用下 套管抗内压强度增加 偏安全II 在轴向压缩力作用下 套管抗内压降低 影响小 在轴向压缩力作用下 套管抗挤强度增加 在轴向拉力作用下 套管抗挤强度降低 危险 100 100 100 100 62 轴向应力 管体抗拉强度 二 套管强度 4 轴向拉力作用下套管的抗挤强度轴向载荷与轴向应力计算 63 4 轴向拉力作用下套管的抗挤强度周向应力与外挤力 内压力 的关系 设在轴向拉力T作用下套管发生外挤破坏的临界 有效 外压力为Pcc 该临界外压力即为轴向拉力作用下套管的抗挤强度 利用薄壁圆筒理论可得出周向应力计算公式 二 套管强度 Pcc Dc 64 4 轴向拉力作用下套管的抗挤强度周向应力与外挤力 内压力 的关系 当无轴向拉力时 套管发生破坏的临界外压力即为套管的抗挤强度 用Pc表示 按薄壁筒模型 这时套管内的周向应力达到套管钢材的屈服强度 s 二 套管强度 Pcc Dc 65 4 轴向拉力作用下套管的抗挤强度载荷方程 二 套管强度 66 Pcc为考虑轴向力影响后套管实际的抗挤强度 二 套管强度 67 1 套管柱强度设计方法目前套管柱强度设计中所采用的方法基本上均是安全系数法 即要求 套管强度 外载 设计安全系数设计安全系数确定 与外载和强度相对应 也有三种 抗挤设计安全系数 抗内压设计安全系数 抗拉设计安全系数 分别以Sc Sb St表示 三 套管柱强度设计 68 1 套管柱强度设计方法如果令 设计外载 外载 设计安全系数则按安全系数法设计套管柱也就是要求 套管强度 设计外载所设计出的套管柱应该是既满足抗挤要求 又满足抗内压要求和抗拉要求 从前述的套管柱受力分析中可见 套管柱所受的各种外载沿管柱的分布规律是不一样的 如技术套管 若下次钻进中井漏未漏空 则其有效外压力为中间大 井口和井底小 而其轴向拉力是井口最大 井底最小 为满足这二者的同时要求 同时考虑经济性 则整个管柱应由强度不同的几段管柱组成 在不同部位的管柱满足不同主要矛盾的要求 这种由几段强度不同的管柱组成的套管柱称为复合套管柱 三 套管柱强度设计 69 三 套管柱强度设计 a b c 图7 8套管柱强度设计示意图 a 抗挤设计 b 抗拉设计 c 复合套管柱1 外载2 设计外载3 套管强度 70 三 套管柱强度设计 套管强度设计的基本步骤先下后上每段套管同时做抗拉 抗挤 抗内压设计下部抗挤设计 作抗拉校核下部按抗拉设计 抗挤校核全井按双轴应力设计不同类型套管 不同井型 油井 气井 外载计算各不相同 本页为新加页 71 三 套管柱强度设计 技术套管柱设计一般步骤 外载按以下条件计算 有效外压力按非全掏空情况 有效内压力按井口内压力为套管鞋处附近地层破裂压力所决定的许用井口压力情况 轴向拉力计算考虑钻井液浮力 1 掌握已知条件进行套管柱设计所需的数据包括套管尺寸和下入深度 设计安全系数 固井时钻井液密度 套管鞋处附近地层破裂压力的当量钻井液密度 地层盐水密度 下次钻进目的井深 下次钻进所用最高钻井液密度 以及套管强度数据表 72 三 套管柱强度设计 技术套管柱设计一般步骤 2 进行套管柱抗挤强度设计计算漏失面深度 计算设计外压力 有效外挤压力 73 三 套管柱强度设计 技术套管柱设计一般步骤 2 进行套管柱抗挤强度设计据设计外压力选择抗挤强度满足要求的套管 要考虑轴向拉力对套管抗挤强度的影响 选择条件将套管柱抗挤设计结果列表 并给出本段套管抗挤设计图 74 三 套管柱强度设计 图7 9套管柱抗挤设计图 技术套管 75 三 套管柱强度设计 技术套管柱设计一般步骤 3 进行套管柱抗内压设计计算设计内压Pid PieSb选择抗内压强度满足要求的套管Pb Pid对比抗挤设计结果与抗内压设计结果 在各井段内选择强度高的套管 将套管柱抗挤强度设计与抗内压强度设计综合结果列表 76 三 套管柱强度设计 技术套管柱设计一般步骤 4 进行套管柱抗拉强度根据抗挤设计和抗内压设计的综合结果 计算套管柱的设计拉力 即将套管的抗拉强度与设计拉力进行比较 对抗拉强度不满足要求的井段的套管进行更换 以满足抗拉强度的要求 即 Tt接头拉伸强度 77 三 套管柱强度设计 技术套管柱设计一般步骤 4 进行套管柱抗拉强度设计需要注意的是 如果因抗拉强度不够而更换套管时更换了套管的壁厚 则套管柱的拉力要重新计算 再按新计算的拉力校核抗拉强度 如果这样更换的套管是在套管柱的中部或下部 还要重新校核一下套管柱的抗挤强度 因为由于拉力的变化会导致轴向拉力下套管抗挤强度的变化 水泥面之上进行双轴应力校核5 将套管柱强度设计结果列表 78 三 套管柱设计方法 确定设计条件 安全系数 外载计算方式 按内压筛选套管 求井底外挤力 选第一段套管 选第二段套管 计算其可下深度 计算第一段套管长度和有关安全系数 选第三段套管 或 选套管 按套管抗拉强度计算其可下深度 抗内压安全系数校核 注意 抗挤应按双轴应力进行计算 79 三 套管柱强度设计 油层套管 某井177 8mm油层套管 下入深度3500m 井内钻井液密度1 30g cm3 水泥返至井深2800m 抗挤安全系数为1 125 抗拉安全系数为1 8 不考虑浮力影响 井口抗内压安全系数为1 1 解 1 按抗挤强度设计第一段套管按全掏空计算井底外挤压力Pb 0 0098 1 3 3500 45 5 MPa 第一段套管应具有的抗挤强度为Pc1 Pb sc 45 5 1 125 51 19 MPa 由套管性能表查得N 80 壁厚11 51mm套管 其抗挤强度为60 46MPa实际抗挤安全系数为 Sc1 60 46 51 19 1 181 N 80 壁厚11 51mm 80 三 套管柱强度设计 油层套管 2 第一段套管的顶截面位置取决于第二段套管的可下深度 第二段套管选用抗挤强度低一级的套管 可选N 80 壁厚10 36mm套管 其抗挤强度为49 35MPa 抗拉强度Tt 2708kN Ts 3066kN 重量为431 5N m 第二段套管的可下深度为 实取第二段套管的深度为3300m 则第一段套管的段长为L1 3500 3300 200m 3500m 3300m 81 三 套管柱强度设计 油层套管 3 校核第一段套管的抗拉系数 上端面 和第二段套管的抗挤系数 下端面 第一段套管的重量为476kN m 抗拉强度为3048kN 浮力系数为 Bf 1 1 3 7 8 0 833第一段套管的浮重为 T1 200 0 476 95 24kN 空气中的重量 T1 200 0 476 0 833 79 33kN 钻井液中的重量 第一段套管的抗拉系数St1 3048 95 24 32 安全 第二段套管的抗挤系数Sc1 49 35 0 0098 1 30 3300 1 15 安全 3500m 3300m 82 三 套管柱强度设计 油层套管 第二段套管的顶截面取决于第三段套管的可下深度 第三段套管选N 80 壁厚9 10套管 386 9N m 抗拉强度2354kN Ts 2740kN 抗挤强度为38 03MPa 按抗挤计算第三段套管的可下深度 H3 38 03 0 0098 1 3 1 125 2600m由于第三段套管要承受其下第一和第二段套管的重量 其抗挤强度下降 因此要减小第三段套管的下入深度 如果不减小 抗挤强度不够 水泥面处套管柱的轴向力为T1 T2 79 33 500 0 4315 0 833 259kN 3500m 3300m 水泥面2800m 83 三 套管柱强度设计 油层套管 校核水泥面的抗挤强度 3500m 3300m 水泥面2800m 84 三 套管柱强度设计 油层套管 计算第三段套管的可下深度 采用双轴应力设计 找到一个井深 使第三段套管的下截面在拉力作用下 其抗挤安全系数接近1 125假设第三段套管下至2300m 则第二段套管的段长为L2 1000m第二段套管在空气中的重量 T2 1000 0 4315 431 5kN第二段套管在钻井液中的重量 T2 0 833 431 5 359 4kN第三段套管下端面的拉力T1 T2 79 3 359 4 438 7kN考虑双轴应力后第三段套管的抗挤强度为Pcc3 Pc3 K 34 67MPa第三段套管的抗挤安全系数为Sc3 34 67 0 0098 1 3 2300 1 159 安全 3500m 3300m 水泥面2800m 2300m 85 三 套管柱强度设计 油层套管 校核第二段套管顶截面的抗拉安全系数 Tt2 2708kN St2 Tt2 T1 T2 2708 95 24 431 5 5 14 安全 校核第三段套管顶部 井口 的抗拉强度因为T3 2354kN W3 386 9N mST3 2354 T1 T2 T3 1 66井口抗拉系数小于1 8 抗拉强度不符合要求 3500m 3300m 水泥面2800m 2300m 86 三 套管柱强度设计 油层套管 4 按抗拉设计确定第三段套管的许用长度实际取L3 2000mT3 2000 0 3869 774kN第三段套管顶截面的安全系数为 St3 2354 95 24 431 5 774 1 81 3500m 3300m 水泥面2800m 2300m 2000m 87 三 套管柱强度设计 油层套管 第四段套管选用N 80 壁厚10 36mm 长度为300m 井口的抗拉安全系数为 ST4 2708 T1 T2 T3 T4 2708 95 431 5 779 129 1 89 5 校核井口内压Si Pi ps 57 36 ps 57 36 45 5e 1 115 1e 4 0 55 3500 1 56 3500m 3300m 水泥面2800m 2300m 300m 88 设计结果 89 以上介绍了套管柱外载分析与计算 套管柱强度设计的基本原理和方法 同时以油层套管为例介绍了套管柱强度设计的步骤 并给出了设计例子 在现场的套管柱设计中 还会遇到一些特殊的问题 如在腐蚀性环境中要考虑井内流体对套管的腐蚀问题 如硫化氢气体 酸性气体 如二氧化碳 腐蚀性地层水中的碳酸根和碳酸氢根等对套管的腐蚀问题 这时除强度考虑外 在套管材质上还应选用具有抗腐蚀能力的套管 三 套管柱强度设计 90 又如对高压气井 为防止气体在螺纹连接处泄露 应选用密封性能良好的特殊螺纹套管 如果管外存在有易流动地层 如塑性盐层 则在该地层附近的外压力要按上覆岩层压力计算 或根据岩石蠕变理论计算岩石蠕变所产生的挤压力 更为严重的是 塑性蠕变地层对套管所产生的挤压力在周向上往往是非均布的 而套管抵抗非均布外压力的能力很低 已有许多理论 包括实验 来计算这种非均布载荷和在这种非均布载荷下套管的承压能力 三 套管柱强度设计 91 三 套管柱设计方法 其它套管强度设计方法边界载荷法最大载荷法AMOCO西德BEB方法 92 三 套管柱设计方法 大作业 已知 油层套管下深H 3500m套管外径D 139 7mm 水泥面深h 2500m 管外钻井液密度1 2g cm3 地层盐水密度1 07g cm3 取设计安全系数 St 1 8Sc 1 0Si 1 1现有N80 K55两种钢级套管 试设计套管柱 93 第二节油井水泥 94 一 油井水泥 1 油井水泥级别和类型目前国内外使用的油井水泥主要是硅酸盐水泥 是由水硬性硅酸钙为主要成分 加入适量石膏和助磨剂 或是加入适量的石膏或石膏和水 磨细制成的产品 水泥浆 干水泥与水 经常还要加入外加剂 混合而成的浆体称为 水泥石 水泥浆凝结硬化后形成水泥环 在井下环形空间中的水泥石 一 油井水泥 1 油井水泥级别和类型水泥级别 适应不同井深的需要和防止地层流体中硫酸盐对水泥石的腐蚀 有多种级别 类型的油井水泥可供选用 美国石油学会 API 规定了8种级别的油井水泥 我国也参照API标准制定了油井水泥的标准 表7 5API油井水泥使用范围 96 一 油井水泥 2 水泥的水化反应凝结过程 硬化过程 水泥与水混合后 迅速与水发生水化反应 生成各种水化产物 水泥浆也逐渐由液态转变为固态的过程 并形成的四种矿物成分 硅酸三钙 硅酸二钙 铝酸三钙和铁铝酸四钙 硅酸三钙 3CaO SiO2 简写C3S 是水泥产生强度的主要化合物 它强度增长快 最后强度也大 硅酸二钙 型2CaO SiO2 简写C2S 水化反应慢 强度增长慢 但能在长时间内逐渐增大水泥的强度 97 一 油井水泥 2 水泥的水化反应铝酸三钙 3CaO Al2O3 简写C3A 水化反应速度最快 是决定水泥浆初凝时间和稠化时间的主要因素 对水泥浆的流变性也有很大影响 铝酸三钙对硫酸盐类侵蚀最敏感 因此在抗硫水泥中对铝酸三钙含量有限制 中抗硫酸盐型水泥中铝酸三钙的含量不能超过8 高抗硫酸盐型的水泥中铝酸三钙的含量不能超过3 铁铝酸四钙 4CaO Al2O3 Fe2O3 简写C4AF 水化速度仅次于铝酸三钙 早期强度增长快 硬化三天和28天的强度值差别不大 强度的绝对值也不大 98 一 油井水泥 2 水泥的水化反应三类水化反应 1 C3A的水化反应3CaO Al2O3 6H2O 3CaO Al2O3 6H2O2 C3S C2S及C4AF的水化反应2 3CaO SiO2 6H2O 3CaO 2SiO2 3H2O 3Ca OH 22 2CaO SiO2 4H2O 3CaO 2SiO2 3H2O Ca OH 24CaO Al2O3 Fe2O3 2Ca OH 2 10H2O 3CaO Al2O3 6H2O 3CaO Fe2O3 6H2O3 水化的C3A与二水石膏的水化反应3CaO Al2O3 6H2O 3 CaSO4 2H2O 20H2O 3CaO Al2O3 3CaSO4 32H2O 99 一 油井水泥 2 水泥的水化反应有关水化反应的说明 水泥的水化反应是一个不断进行的过程 随着水化的不断进行 水泥浆从凝胶态逐渐向结晶态发展 最后形成硬化的水泥石 水泥的水化反应是一放热反应 在工程上可利用这一特点来探测水泥浆在环形空间内的上返高度 另外 水泥在水化过程中要发生体积收缩 水化后生成物的总体积小于水化前反应物的总体积 在一定条件下该体积收缩对固井质量有着重要的影响 100 一 油井水泥 2 水泥的水化反应有关水化反应的说明 在油气井固井中 水泥的水化反应是在井下一定的温度压力条件下进行的 温度压力对水泥的水化速度有很大的影响 一般随温度压力的增加 水泥水化速度加快 其中温度的影响更显著 正因为如此 水泥浆的有关性能一般均是在模拟井下温度压力的情况下测定的 101 二 油井水泥的物理性能 为了保证施工安全并提高固井质量 水泥浆以及最终所形成的水泥石必须满足一定的性能要求 性能包括 水泥浆密度水泥浆稠化时间水泥浆流变性水泥浆失水量水泥浆稳定性水泥石抗压强度水泥石渗透率其中常测定的是前六项性能 102 二 油井水泥的物理性能 1 水泥浆密度作用 满足平衡压力要求保证获得最好的水泥浆性能基本要求 注水泥期间既不井漏又不井喷测量 用泥浆密度计 国外还有加压密度计 影响因素 水灰比 外掺料 指密度调节剂 用量 103 二 水泥浆性能与固井工程的关系 1 水泥浆密度水灰比指的是配制水泥浆时配浆水的重量与干水泥的重量之比 水泥浆密度与水灰比直接相关 关系为 注意 干水泥的密度为3 14g cm3 3 15g cm3 故当水泥浆的密度为1 85g cm3 1 90g cm3时 水灰比约为0 48 0 44 当干水泥中所混合的外加剂加量较大 尤其是为了调节水泥浆密度掺了加重剂或减轻剂 又称为外掺料 时 上式中干水泥密度 c取水泥和这些外加剂及 或外掺料混合后的固相混合物平均密度 这时 m为水固比 104 二 油井水泥的物理性能 2 水泥浆的稠化时间定义 在井下温度压力条件下 从给水泥浆加温加压时起至水泥浆稠度达100Bc Bc为稠度单位 所经历的时间称为水泥浆的稠化时间 作用 保证施工安全 要求 整个注水泥施工作业能够在稠化时间以内完成 并包含一定的安全系数 一般 施工时间 1小时 稠化时间 测量 常压稠度仪 高温高压稠度仪测定 稠度 时间 曲线 当稠度达到100Bc时的时间 Bc为稠度单位 影响因素 水灰比 温度与压力 外加剂 105 二 油井水泥的物理性能 水泥浆的稠化时间 稠度 时间 106 二 油井水泥的物理性能 3 水泥浆失水概念 水泥浆中自由水通过井壁向地层渗入的现象危害 水泥浆大量失水将造成水泥浆急剧变稠 大大影响其流动性 从而不利于水泥浆对钻井液的顶替 水泥浆大量失水进入油气层也将对油气层产生损害 107 二 油井水泥的物理性能 3 水泥浆失水要求 根据不同的井况和施工条件规定 水泥浆失水量指的是水泥浆失水的快慢程度 失水量大小用30分钟内的失水总体积表示 原则上说 水泥浆失水量越小越好 但控制水泥浆失水的外加剂通常对水泥浆的流变性 稠化时间 抗压强度等有影响 因此应权衡考虑 一般套管注水泥100ml 30min 200ml 30min 挤水泥或尾管注水泥50ml 30min 150ml 30min 防气窜20ml 30min 40ml 30min 高密度水泥应低于50ml 30min 测量 失水仪 常温与高温 7MPa 30min 影响因素 水灰比 压差 地层的渗透性 外加剂 泥浆的泥饼质量 108 二 油井水泥的物理性能 4 水泥浆流变性概念 水泥浆在外加剪切应力作用下流动变形的特性 作用 计算流动阻力 选择施工装置和设备 防止井压漏 保证施工安全实现紊流或塞流顶替 提高顶替效率要求 有利于提高顶替效率测量 旋转粘度计 高温高压流变仪 模拟井下温度压力测定 计算 流变参数 临界流速 用流变参数衡量影响因素 水灰比 温度与压力 外加剂 109 二 油井水泥的物理性能 5 水泥浆稳定性水泥浆的稳定性测试包括自由水含量测试和沉降稳定性测试 目前现场常测试的是自由水含量 在静止过程中 水泥浆中的自由水自水泥浆中析出而形成连续水相的现象称为析水 单位体积水泥浆所析出的自由水体积即为水泥浆自由水含量 也称析水量 为百分数 沉降稳定性指的是在静止状态下 由于颗粒沉降而导致水泥浆上下密度不一致的现象 110 二 油井水泥的物理性能 5 水泥浆稳定性析水和沉降稳定性的关系 水泥浆有析水实际上就有沉降稳定性问题 但水泥浆无析水不一定沉降稳定性就好 危害 水泥浆析水量过大和沉降稳定性不好 将导致水泥浆密度分布不均 所形成的水泥石强度不一致 影响对地层的封隔 如果在井下 由于析水而形成纵向水槽 将影响环空的封隔在定向井 水平井中 如果不控制析水 容易在环空的上侧形成连续水槽 严重影响封固质量 要求 原则上析水越小越好 沉降稳定性中水泥浆上下密度的差别越小越好 在定向井和水平井中要使用零析水水泥浆 111 二 油井水泥的物理性能 6 水泥石抗压强度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 概念 水泥石在压力作用下达到破坏前单位面积上所能承受的力称为水泥石的抗压强度 要求 1 能支承住井内的套管2 能承受住钻进时的冲击载荷3 能承受酸化压裂 注水泥井段在承受酸化压裂时的压力的最薄弱环节不是水泥石本身 而应是水泥环与井壁胶结处 或水泥环与套管胶结处 水泥石强度远大于水泥环与井壁的胶结强度 测量 抗压强度 万能材料试验机影响因素 水灰比 温度与压力 外加剂 112 二 油井水泥的物理性能 7 水泥石渗透率概念 水泥石的渗透率指的是在一定压差下 水泥石允许流体通过的能力 要求 尽可能低测量 水泥渗透率仪注意该指标有时间性影响因素 水灰比 温度与压力 外加剂注意 为实现封隔 水泥石的渗透率越低越好 而水泥石的渗透率都低于1 10 5平方微米 因此水泥环基体 即水泥石 可实现层间封隔 但如果水泥环与套管或水泥环与井壁间存在微环隙 或胶结强度不够高 则对层间封隔有严重影响 问题又回到了水泥与套管和水泥与井壁的胶结上 113 三 油井水泥外加剂 为了满足不同情况下固井施工和固井质量的要求 注水泥时在水泥浆中一般均加有各种外加剂来调节水泥浆的性能 常规的水泥外加剂有缓凝剂 速凝剂 减阻剂 降失水剂 减轻剂 加重剂 缓凝剂和速凝剂用来调节水泥浆的稠化时间 有的速凝剂还能提高水泥石的早期强度 加入减阻剂的目的是为了改善水泥浆的流动性能 降低流动摩阻降失水剂的作用是降低水泥浆的失水量 防止水泥浆脱水 在井下有低压易漏失层时 为了防止注水泥时发生井漏 常加入本身密度低的减轻材料 如硅藻土 漂珠 以降低水泥浆的密度 当地层压力高到一定值时 需要加入密度大的添加剂 如铁矿粉 提高水泥浆的密度以平衡地层压力 114 第三节注水泥 115 注水泥的目的在于提供良好的环空封隔 为实现这一目的 要解决以下二个方面的的问题 一是如何使环形空间充满水泥浆 二是如何使水泥浆在凝结过程中压稳油 气 水层和封隔好油 气 水层 注水泥 116 一次性注水泥 117 一次性注水泥 大直径套管固井存在的问题环空面积大 难以避免残留钻井液上部地层一般是比较软的未固结地层 造成井壁冲蚀缺少高泵排量的顶替设备环空容量不准内管注水泥法大尺寸套管固井可用钻杆进行 在引鞋或浮箍上装入一个插入鞋或插入箍 插入箍上有一个供钻杆下面的插入短节插入的插座 插入短节上有便于与插入箍内面密封的密封圈 管外注水泥 118 119 120 121 双级注水泥 122 123 尾管注水泥 124 注水泥质量要求 水泥浆返高和套管内水泥塞必须符合设计要求 注水泥段环空的泥浆应全部被水泥浆顶替干净 不窜槽 水泥环有足够的连接强度和封固性能 不发生油气水窜 能经受住酸化压裂 水泥石能抗腐蚀 一 提高注水泥顶替效率的措施 125 顶替效率概念 水泥浆在环形空间顶替钻井液的程度 用 表示 注水泥段 环形水泥浆体积 环空体积 注水泥浆段任一截面积 环形水泥浆面积 环空截面积 一 提高注水泥顶替效率的措施 等于1 即100 时 水泥浆全部顶替走了钻井液 当 小于1时钻井液没有被水泥浆完全替走 称为发生了钻井液窜槽 值越大 顶替效率越高 126 一 提高注水泥顶替效率的措施 提高注水泥顶替效率的措施 1 加扶正器降低套管在井眼中的偏心程度 2 注水泥时活动套管 3 采用紊流或塞流流态注水泥 4 采用前置液 5 注水泥前调整钻井液性能 6 增加紊流接触时间等 127 1 加扶正器降低套管在井眼中的偏心程度套管在井眼中不居中的现象称为套管偏心 注水泥顶替效率与套管在井眼中的偏心程度密切相关 在定向井和水平井中 由于套管的自重 管柱将偏向井眼下侧 形成偏心 即使是直井 由于实际所钻成的井眼不可能是一个完全垂直的井眼 因此也存在套管偏心的情况 一 提高注水泥顶替效率的措施 128 1 加扶正器降低套管在井眼中的偏心程度套管居中流动阻力分布 各间隙一样 泥浆流动条件 影响 泥浆流变性 间隙大小 套管居中时 顶替效率的高低主要取决于顶替时的流态 一 提高注水泥顶替效率的措施 129 1 加扶正器降低套管在井眼中的偏心程度套管偏心流动阻力分布 各间隙不一样 各间隙泥浆流动阻力 套管偏心越严重 这种流速分布不均的程度越大 曾经实测了液体在偏心环空中的流速分布情况 当偏心程度为69 时 实验中测量到最宽与最窄间隙的平均流速差别达到了70倍 在水泥浆顶替钻井液的过程中 水泥浆在宽间隙处顶替钻井液的速度快一些 而在窄间隙处的顶替速度则较慢 导致宽窄间隙水泥浆返高不一致 若套管偏心严重 则可能出现窄间隙的钻井液根本不能被顶走而滞留在原处的窜槽现象 因此要尽量降低套管在井眼中的偏心程度 目前所采取的措施是在套管上安装套管扶正器 一 提高注水泥顶替效率的措施 130 2 注水泥时活动套管在注水泥过程中 旋转或上下活动套管是提高顶替效率的有效措施 机理 当环空窄间隙处有滞留 或流动较慢 的钻井液时 旋转套管可依靠套管壁拖弋力将钻井液带入进环空的较宽间隙处 从而被流动的水泥浆顶替走 结论 一般认为旋转效果较好 上下活动套管可能在上提套管后发生卡套管从而使套管不能下放到设计放置 给安装井口造成困难 一 提高注水泥顶替效率的措施 a b c 图7 16旋转套管提高顶替效率示意图 a 套管不动 b 套管开始转动 c 钻井液将被替完1 井眼2 套管3 流动的水泥浆4 钻井液 1 2 3 4 132 3 采用紊流或塞流流态注水泥在层流流态 断面流速分布呈尖峰形态 在紊流和塞流流态 断面流速分布相对平缓 因而有利于水泥浆均匀推进顶替钻井液 在偏心环空中 当采用塞流流态时 虽然在本间隙内水泥浆可均匀推进 由于在轴向上流速分布不均 可能存在轴向上严重推进不均的后果 一 提高注水泥顶替效率的措施 133 a b c 图7 17不同流态时流速分布示意图 a 塞流 b 层流 c 紊流 一 提高注水泥顶替效率的措施 134 顶替过程中的流态影响 层流 塞流 紊流 一 提高注水泥顶替效率的措施 135 3 采用紊流或塞流流态注水泥紊流顶替机理 紊流顶替断面流速分布比较均匀 紊流顶替液中的紊流旋涡在顶替液与钻井液的交界面上可产生冲蚀 扰动 携带的作用 从而有利于对钻井液的顶替 在偏心环空中 这种冲蚀 扰动 携带作用可逐渐顶替走窄间隙处的钻井液 在偏心环空中 紊流时轴向上的流速分布不均的程度也要大大低于层流时的流速分布不均程度 塞流本质上也属于层流 实验中曾测量到可降低27 76 因而有利于对窄间隙的顶替 另外 紊流时 单位长度上的摩阻压降大 该摩阻压降对滞留钻井液而言是驱使其流动的动力 因此也有利于顶替 结论 只要井下条件许可 不会压漏地层 人们首选紊流顶替 一 提高注水泥顶替效率的措施 136 4 使用注水泥前置液不用前置液的危害 由于水泥浆与钻井液的化学成分不同 当用水泥浆直接顶替钻井液时 在二者交界面附近钻井液要与水泥浆混合 水泥浆和钻井液混合的后果 一方面 钻井液与水泥浆混合后 可能使水泥浆增稠 导致环空流动摩阻增大 严重时造成井漏 或造成泵送不动而导致不能把水泥浆全部从套管内替出的严重后果 另一方面 钻井液与水泥浆相互混合形成的混合物可能很稠 不容易被随后的水泥浆所顶替 造成这种混合物窜槽 影响注水泥质量 不管是哪种情况 均称钻井液与水泥浆不相容 一 提高注水泥顶替效率的措施 137 4 使用注水泥前置液解决措施 在水泥浆前面通常要注入一段或几段与钻井液及水泥浆均相容的特殊配制的液体 这些液体称为注水泥前置液 简称前置液 前置液分为两种 冲洗液 冲洗液主要起稀释钻井液 冲洗井壁与套管壁的作用 也能隔开钻井液与水泥浆 主要用于紊流注水泥 当与隔离液同时使用时 位于隔离液之前 隔离液 隔离液的主要作用是隔离钻井液与水泥浆 有两种类型的隔离液 一种是用于塞流注水泥的粘稠型隔离液 一种是用于紊流注水泥的紊流型隔离液 一 提高注水泥顶替效率的措施 138 4 使用注水泥前置液施工措施 在注水泥过程中 实际顶替钻井液的是前置液 显然 如果水泥浆的流变性能能调节到满足紊流或塞流的要求则更好 但由于调整水泥浆的流变性能时 往往对水泥浆的其它性能有影响 所以在很多情况下水泥浆的流变性不能调整到要求值 尤其是紊流要求 因此 现场上实际使用的常常