中国石油大学《钻井工程》课件第七章

第七章连接和完成本章的主要内容是：连接：套管、水泥注入-井结构设计-套管柱设计-水泥注入技术连接质量的核心问题是套管柱的强度和环空间的密封和连接质量问题。完成-生产层钻孔-底部结构完成-完成井口装置，第一节主体结构设计内容：套管层；每层套管下的深度；调整套管和钻孔大小。第一，套管分类及作用1，阻止表面套管-浅表层和松散浅层次和复杂地层。-安装顶部、悬挂和后续衬套。2、生产套管(油层套管)钻取目标层后向下进入的最后一层套管。用于保护生产层，提供油气生产渠道。3、中间套管(技术套管)因技术要求而进入曲面套管和生产套管之间的套管可以是第一层、第二层或更高层。主要用于分离地下复合地层。4、尾管(内衬)、二、井结构设计原则1、有效保护油气层；2、有效防止泄漏、喷射、崩塌、卡等地下复合事故，确保安全快速的钻探；3、井喷时，能处理溢流的井；4、套管过程中不发生压差卡套管现象。三、井结构设计的基本数据4剖面：地层岩性剖面；地层孔隙压力剖面图；地层破裂压力剖面图；地层崩塌压力剖面。6个设计系数：吸气压力系数sb: 0.024至0.048兴奋压力系数SG: 0.024至0.048压裂安全系数SF: 0.03至0.06允许井喷sk: 0.05至0.08差压容限 p: 开口孔段中使用的最大钻井液密度，开口孔段中钻孔的最大形成压力的等效泥浆密度，最大形成孔压力的井深度，m开口孔段中钻孔的最小形成压力的等效泥浆密度，最小形成孔压力的井深度，m开口孔段中最小形成破裂压力的对应泥浆密度，套管计算时不考虑找到中间套管下深度的初步选择点(1)井流入，在破裂压力曲线中发现的井深度是中间套管下的第一选择点。 (2)考虑测试算法可能产生的井。如果计算值与实际值之间的差异不大，略小于实际值，则确定中间套管的第一个选择点，否则，将尝试再次使用电子表格进行计算。通常，在新的探索区域中，以上(1)、(2)两个条件都取较大的值。2，确定从中间套管到深度是否存在卡危险，首先肉眼可能存在的最大静态压力差：对遇到的最大形成压力的等效泥浆密度。具有最小地层孔隙压力的井深度，m(如果有多个最小地层压力点，则为最大井深度)由中间套管的凹陷深度确定。如果是，则中间套管必须小于第一选择点的深度，并且必须根据差压卡扣钻孔条件确定中间套管的下部深度。差压条件下允许的最大成形压力为：在地层压力曲线中发现的深度是中间套管的底部深度。3、钻孔尾管深度的第一选择点根据中间套管鞋的形成破裂压力等效密度，继续向下钻时，找到开口孔段允许的最大形成压力等效密度：通过测试算法；与实际地层压力等效密度相比，如果计算值接近实际值，略大于实际值，则确定为尾管的第一选择点，否则重新测试。4、检查是否有与中间套管相同的方法进入尾管下的卡危险检查方法。差压容限将PN替换为PA。，使用测试算法确定其中一个测试，计算，计算值与地层破裂压力等效密度相比较，计算值接近和小于地层破裂压力值，确定为表面套管的下深度，否则重新计算。5，根据中间套管鞋的形成压力等效密度计算表面套管鞋底压力等效密度：5，设计实例：井设计深度4400m；地层孔隙压力梯度和地层破裂压力梯度的剖面如图7-2所示。给定的设计系数：Sb=0.036；Sg=0.04；Sk=0.06；Sf=0.03；=12Mpa=18MPa尝试井的井结构设计。解决方案：可以在图中看到，(1)确定中间套管下的入口深度第一个选择点来自测试=3400m，自上而下接近：在破裂压力曲线中确认并接近。确定=3400m。(2)验证中间套管是否被地层压力曲线识别。深度=3400m时，最大地层压力为3400m。确定=1.57；=1.07；中间套管下=12Mpa，因此必须比第一个选择点浅。在地层压力曲线中，确定=1.435的深度为3200米，最后，中间套管的底部深度为3200米。(3)通过爆破压力曲线确认了尾管以下深度的第一个选择点：开始于=3900m，通过地层压力曲线确认，差异不大，第一个选择点=3900m。(4)确认差压由卡尾管计算：因此尾管以下深度为3900米。(5)表面套管下深度确定：检查=850m，代替上部计算，在破裂压力曲线中确定并相似，确定=850m。6、套管尺寸和钻孔尺寸选择目前我国最常用或唯一的套管钻孔系列如下：套管和钻孔尺寸的确定通常在内部和外部进行，首先，油层套管的尺寸由石油生产项目的要求确定，然后确定与油层套管相匹配的钻头。套管和钻孔之间的间距为接头质量、接头水泥环强度要求、套管中轴的波动压力、套管大小因素、最小间距为9.5mm。最大间距为76mm。根据目前套管的水平，基本形成了相对稳定的系列。第二节套管柱设计1，套管和套管柱套管：所有高质量钢管，一端为公共扣，车辆直接进入管内；一端是带臂扣的套管联接。套管的尺寸系列：-API标准：总计14个。-壁厚：5.21-16.13毫米；套管的钢等级(8个10个等级)-API标准：h-40、j-55、k-55、c-75、l-80、n-80、c-90、c-90(数字*1000是套管的最小屈服强度kpsi)。连接螺纹类型API标准：短圆(STC)、长圆(LTC)、梯形(BTC)、直接连接(XL)。套管柱：使用具有相同外径、不同钢等级、不同墙厚度的套管通过卡箍连接的柱，在特殊情况下使用不带卡箍连接的套管柱。其次，套管柱的应力分析和套管强度套管柱在井内外部载荷复杂。套管柱在不同时期(下套管中、水泥注入时、后采矿等)的应力不同。基本负载在分析和设计中主要被视为轴向力、外部挤压压力和内部压力。套管柱是根据最危险的情况设计的。1、轴向力和套管的拉伸强度(1)套管的轴向力磁力引起的拉伸、弯曲引起的额外拉伸、水泥注入时产生的额外拉伸、动态载荷、摩擦等。自重感应张力第I套管钻井液单位长度重力，N/m；第I套管长度，m；构成N套管柱的套管类型(钢等级、厚度)套管弯曲的其他拉力经验公式：KN在定向井、水平井和开口度较高的直井中设计套管柱时，需要考虑弯曲的其他拉力。dco套管外径，cm；Ac-套管切割区域， 25m轴角度变化，水泥引起的附加张力kn其他附加张力向上提升或向下提升套筒时的动态载荷，轴摩擦等；通常在安全系数中考虑。(2)套管的抗拉强度套筒产生的轴向拉力通常是顶部最大抗拉应力引起的破坏形式。主体被拉，卸塞一般为套管的抗拉强度、2、外部挤压压力和套管的挤压强度(1)外部挤压压力主要载荷：管外部流体压力、地层中的流体压力、高塑性岩石(盐膏层、页岩)的侧向挤压压力等。一般情况下，计算套管完全空时的外部压力。kPa在具有大型盐膏层的特殊情况下，由下而上钻井液密度替换为上层地层压力的等效密度，也进行了计算。(2)套管的未压缩强度外部挤压载荷作用下的断裂形式：-直径厚度大时的不稳定性破坏(损失圆，挤压)-在比较直径厚度时，强度破坏大部分是不稳定性破坏，这取决于现有套管的大小，其未压缩强度在钻孔手册或套管手册中进行了说明。(3)在双向应力下，套管强度在套管内部取小单位，在外部载荷下产生三向应力的分析可以忽略薄壁管，如图所示。双向应力问题。第四强度理论：转换为椭圆方程：正，负，可以根据上述方程绘制椭圆图。轴向压缩耐压强度下降，轴向拉伸耐压强度增加，轴向压缩耐压强度增加，轴向张力耐压强度减少，在椭圆图中，比率是纵坐标，百分比是横坐标。强度条件下的双向应力椭圆表明，在： 1象限：拉伸和内部压力耦合轴向拉伸的存在下，套管的内部压力强度增加。在2象限：轴压缩和内部压力耦合轴压缩条件下，套管的内部压力强度减小。三象限：轴压缩应力与外部挤压压力相结合，在轴向压缩条件下，套管的外部挤压强度减小。四象限：轴拉伸应力和外部挤压压力相结合，在轴向拉伸的存在下，套管的外部挤压强度减小。这种情况经常发生在套管柱上，因此在套管柱设计中，需要考虑轴向张力对挤压强度的影响。考虑轴向张力的影响，外部挤压强度公式推导为：图：双向应力椭圆方程=0，自下而上为：在双向应力椭圆方程中替换合意表达式并适当简化，在考虑轴向张力的影响时，得到内外挤压强度的近似公式：Fm轴向张力，kn。Fs-管屈服强度，kn；Mpa、3、内部压力和内部压力强度(1)内部压力考虑套管外部的平衡压力，通常油井中套管的内部压力最大。计算时考虑三种最危险的情况。套管完全充满天然气，关闭井时的内部压力。井口装置的压力容量由井口套管引起的内部压力；套管鞋的形成破裂压力值确定顶部内部压力。-地板压力、Mpa气体与空气密度之比、0.55，在实际设计中，通常在套管内完全充满气体时计算。套管鞋地层破裂压力梯度，MPa/m；附加系数，通常为0.0012 MPa/m；(2)套管的耐压强度内压载荷下的主要损伤形式：爆裂、攻丝密封失效耐压强度可在钻井手册或套管手册中确定，(3)套管腐蚀原因：与地下腐蚀性流体的接触破坏形式：降低管的有效厚度、降低套管轴承容量、改变钢的特性、引起套管腐蚀的主要介质是气体或液体的硫化氢、防硫套管：API套管系列的HKJCL级套管。第三，套管柱强度设计目的：确定合适的套管钢等级、壁厚和每个套管深度区间。1、设计原则满足强度要求，在所有危险截面中必须满足以下条件：套管强度外部载荷安全系数必须满足钻井作业、油气层开发和生产层改造的要求。外部负载时，必须具有具有特定备用能力的经济高效的安全系数。外部挤压安全系数Sc=1.0内部压力安全系数Si=1.1套管抗拉强度(防滑扣)安全系数St=1.8，2，公用套管柱设计方法(1)安全系数方法是使每个风险部分的最小安全系数大于或等于指定的安全系数的默认设计方法。下套管设计为满足拉伸和耐压的水泥面上的双向应力。(2)边界载荷方法(张力调整方法)拉伸设计中，套管柱相同的拉伸余量上下考虑。还有最大负荷法、AMOCO法、西德BEB法、前苏联法。3、各层套管柱的设计特征表面套管：主要考虑内压载荷；技术套管：耐压强度高，具有钻孔工具的抗冲击磨损功能。油套管：顶内压，防止底挤压。4，套管柱设计的其他安全系数方法(1)基本设计理念是计算此井可能发生的最大内部压力，选择与耐压强度匹配的套管下套管段进行抗挤压设计，将上部套管段作为拉伸设计，确保每个风险剖面的最小安全系数大于或等于指定的安全系数。贯通：套管强度外部载荷安全系数必须考虑水泥面以上套管强度双向应力的影响轴向张力通常在考虑双向应力时计算为流动重量，在空气中根据套管重力计算。(2)设计阶段：井177.8毫米(7英寸)油层套管3500米，下部套管中钻井液密度1.30米，从水泥返回2800米，最大内压35Mpa，套管柱设计(需要最小分段长度500米)。解决方案：法规安全系数：Sc=1.0，Si=1.1，St=1.8最大内部压力计算，满足内部压力要求的套管内部压力强度过滤器套管过滤：c-75、l-80、n-80、c-90、c-95、p-110成本基准对齐：N-801.0安全计算套管拉伸安全系数3)选择第三个套管，然后确定第二个套管长度查找表。考虑双向应力影响，确定第三根套管的深度。例如：使用测试算法，使用=1700m，计算Sc=1.03安全计算第二段顶部的拉伸安全系数，安全，最终结果=1700m，=10000m和上方1700米处设计套管。转换为张力设计1)根据套管对第三段的拉伸要求，允许长度由实际：=1100m，2)套管对第四段的使用长度确认表确定。必须高于第三段套管的抗拉强度，并且必须与第一段中使用的套管相同。第四段的套管的可用长度：为实际顶方向600米，选择=600米，第四段下部的挤压强度：安全，最终结果，=600米，=600米最终设计结果：第三段水泥注入技术水泥注入的目的：套管，密封井内的油气泥浆性能；提高水泥注入质量的措施。水泥注入的基本要求：(1)泥浆回流和套管内水泥塞高度为设计要求；(2)水泥注入井段环空的钻井液应替换为泥浆，没有残留现象。(3)水泥石、套管、竖井岩石的连接强度足够承受酸化压裂和下井管柱的冲击。(4)水泥凝固后，管道外就不会有油、气、水，环内的各种压力系统也不能相互通道。(。(5)水泥石能经受油、气、水的长期侵蚀。第一，油井水泥油井水泥是波特兰水泥(波特兰水泥)的一种。油井水泥的基本要求：(1)水泥可以用流动性好的水泥浆配制，在规定的时间内保持这种流动性。(2)泥浆在井下温度和压力条件下能保持性能稳定。(3)泥浆要在规定的时间内凝固，达到一定的强度。(4)泥浆应与外加剂协同工作，调节各种性能。(5)形成的水泥石必须具有很低的渗透性。，1，油井水泥的主要成分为(1)硅酸钙水泥的主要成分，一般含量为40 65%，影响水泥的强度，特别是初期强度为60