6井身结构设计及固井.ppt课件

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钻开储集层消费层；下套管、注水泥固井，射孔、消费管柱、完井测试、防砂排液；确定完井井底构造，使井眼与产层连通；安装井底和井口安装，投产措施等；完井工程内容:使井眼与油气储集层产层、消费层使井眼与油气储集层产层、消费层连通的工序连通的工序Well Completion，联络钻井和采油消费的一个关键环节。联络钻井和采油消费的一个关键环节。完井概念： 前次课内容回想：前次课内容回想： 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井内容回想：第一章内容回想：第一章 完井的工程地质根底完井的工程地质根底主要碎屑岩和碳酸岩主要碎屑岩和碳酸岩 少量岩浆

2、岩和蜕变岩，甚至页岩少量岩浆岩和蜕变岩，甚至页岩孔隙度、浸透率、孔隙构造、润湿性孔隙度、浸透率、孔隙构造、润湿性油、气、水油、气、水孔隙、裂痕、裂痕孔隙、孔隙裂痕、洞隙孔隙、裂痕、裂痕孔隙、孔隙裂痕、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：岩层内部产生对抗变形、并作用岩层内部产生对抗变形、并作用在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

3、井井身结构设计与固井oil zone 中间套管中间套管(技术套技术套管管)表层套管表层套管消费套管消费套管(油层套油层套管管)主要内容主要内容: 井身构造设计井身构造设计 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井身构造井身构造油井根底，全井骨架油井根底，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，而且关系能否顺利消费和寿命。而且关系能否顺利消费和寿命。2019年年3月月25日，重庆开县罗家日，重庆开县罗家2井，

4、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70年代以来，我国油气田套管损坏景象非常严重。2019年底大庆、吉林、中原、胜利、辽河等10多油田套损井达14000多口，假设按每口井较低本钱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。2019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。

5、 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井 第一节 井身构造设计 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、井身构造设计原那么三、井身构造设计根底数据四、裸眼井段应满足力学平衡五、井身构造设计方法举例六、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 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 表层和消费套管间因技术要求下

6、套管表层和消费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、消费套管、消费套管Production casing 钻达目的层后下入的最后一层套管钻达目的层后下入的最后一层套管 用以维护消费层，提供油气消费通道用以维护消费层，提供油气消费通道 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例：克拉例：克拉2 2气田井身构造实施方案气田井身构造实施方案2828导管导管26x300m 26x300m 18-5/8x300m18-5/8x30

7、0m16x2600m 16x2600m 13-3/8x2600m13-3/8x2600m12-1/4x 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 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井二、井身构造设计原那么二、井身构造设计原那么 1、有效维护油气层、有效维护油气层 2、有效防止漏、喷、塌、卡等井、有效防止漏、喷、塌、卡等井 下复杂事故，平安、快速钻井下复杂事故，平安、快速钻井 3、井涌

8、时，有压井处置溢流才干、井涌时，有压井处置溢流才干 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抽吸压力系数：抽吸压力系数：0.0240.048 g/cm3激动压力系数：激动压力系数：0.0240.048 g/cm3压裂平安系数：压裂平安系数：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： 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

9、剖面：个剖面：三、井身构造设计根底数据三、井身构造设计根底数据 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井四、裸眼井段应满足的力学平衡四、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maxdpbSmaxminmin()0.00981dppDPmaxmindgffSSmaxmax11/dfkpcfcSSDD 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井其中：其中： 钻井液密度，钻井液密度， 裸眼段内运用的最大钻井液密度，裸眼段内运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

10、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，m3/cmg3/cmg3/cmg3/cmg3/cmg3/cmg11minminminmaxmaxmaxcfcfppppddDDD 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井五、井身构造设计方法五、井身构造

11、设计方法 1、求中间套管下入深度初选、求中间套管下入深度初选点点 D21 1不思索发生井涌不思索发生井涌 由由 计算出计算出f ，在破裂压力曲，在破裂压力曲线线 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即为中间套管下入井深初选点。点。 fgbpfSSSmax 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思索能够发生井涌思索能够发生井涌 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 否那么，重新试算。否那么，重新试算。 普通情况下，在新

12、探区，取以上普通情况下，在新探区，取以上 两种条件下较大值。两种条件下较大值。 maxmax21/fpbfkpSSSDD 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、验证中间套管下到、验证中间套管下到 深度深度D21能否被卡能否被卡1首先求裸眼能够存在的最大静压差：首先求裸眼能够存在的最大静压差： 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 假设假设 ，不卡，不卡，D21为中间套管下入深度为中间套管下入深度D2。 假设假设 ，会卡，中间套管应小于初选点深度

13、，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()0.00981pbpPSDNNPPPP 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 。NPbpNpperSDPminmin00981. 0pperpper 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井3122pperfbfkDSSSD3、求钻井尾管下入深度初选点、求钻井尾管下入深度初选点

14、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 ，假设计算假设计算 与实践值接近且略大，与实践值接近且略大，那么那么 D31 为尾管初选点，否那么重为尾管初选点，否那么重试。试。2fpperpperpper 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 4、校核尾管下到、校核尾管下到 D31 D31 能否被卡能否被卡 校核方法同校核方法同 2 2，P N P N 换成换成P AP A5 5、计算表层套管下入深度、计算表层套管下入深度

15、D1 D1 根据根据 D2 D2 处地层压力处地层压力 ， 计算假设钻进到计算假设钻进到 D2 D2 发生井涌关发生井涌关井，井， 表层套管鞋处接受压力当量密度：表层套管鞋处接受压力当量密度： 2p221fEpbfkDSSSD试算：试取试算：试取 D1，计算计算 查得查得fE,确定确定 D1否那么重试。否那么重试。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压力梯度压力梯度 剖面如图剖面如图 。试进展该井井身构造设计。试进展该井井身构造设计。给定设计系数：给定设计系数： Sb =

16、 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 。mDcmgpp4250,/04. 2max3max21Dmaxmax21/fpbfkpSSSDD32.04 0.036 0.03 0.06 4250/34002

17、.181 /fg cm340033400,/19. 2fffcmg 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校核中间套管能否会被卡校核中间套管能否会被卡 由由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 =1.435 对应对应 D2 = 3200 m。33400= 1.57 g/cm p3minmin1.07/,3050pg cmDm3min3min121.07 0.036 1.435 /9.81 100.0098

18、1 3050NpperpbPSg cmDmaxminmin()0.00981pbpPSD(1.570.0361.07)30500.0098116.037PMPapper 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 D31 =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.3122312.15 0.036 0.030.063200pperfbfkDSSSDD332002.15 /fg cm32.01 /pperg cm339001.942.01 /

19、ppperg 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4校核能否会卡尾管校核能否会卡尾管 计算压差：计算压差： 由于由于 ， 故确定尾管下深为故确定尾管下深为 D3 = D31 = 3900m 。maxminmin()0.00981(1.940.0361.435) 32000.0098116.98pbpPSDMPa18APPMPa 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确定表层套管下深确定表层套管下深 D1 由：由：221132001.4350.0360.030.06fEpbfkDSSSDD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

20、查得曲线查得故确定故确定 D1 = 850 m。3/737. 1cmgfE38508501.74 /,ffEfg 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 目前我国运用最多的套管目前我国运用最多的套管/钻头系列是：钻头系列是：214) 875(7) 218(859) 4112(8313) 2117(20) 26( 套管和井眼尺寸确定普通是由内到外进展套管和井眼尺寸确定普通是由内到外进展 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

21、身质量、固井水泥环强度要求、下套管时井内动摇压力、套管尺寸等要素有关，管时井内动摇压力、套管尺寸等要素有关，9.5mm 9.5mm 19mm 19mm。 目前，根据套管层次不同，已根本构成了较稳定的系列。目前，根据套管层次不同，已根本构成了较稳定的系列。 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井2828导管导管26x300m 26x300m 18-5/8x300m18-5/8x300m16x2600m 16x2600m 13-3/8x2600m13-3/8x2600m12-1/4x 12-1/4x 封白云岩封白云岩10-3/4x10

22、0m+9-7/8x10-3/4x100m+9-7/8x封白云封白云岩岩8-1/28-1/2* *目的层目的层77尾管尾管* *目的层目的层克拉克拉2 2气田典型井身构造气田典型井身构造 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井30201610-3/413-3/89-5/82.162.182.30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 级别级别1:1:裸眼裸眼/ /无支撑衔接无支撑衔接主井眼和程度井眼主井眼和程度井眼都是裸眼段或在两个井眼中用悬挂器悬挂割缝衬都是裸眼段或在两个井眼中用悬挂器悬挂割缝衬管。管。 级别级别2:2:主井眼下套管并固井主井眼下套管并固

23、井, ,程度井眼或裸眼或程度井眼或裸眼或以悬挂方式下割缝衬管。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, ,程度井眼下套管但程度井眼下套管但不固井。用悬挂器将程度尾管锚定在主井眼上不固井。用悬挂器将程度尾管锚定在主井眼上, ,但不固井。但不固井。 级别级别4:4:主井眼和程度井眼都下套管并注水泥。主井眼和程度井眼都下套管并注水泥。主井眼和程度井眼在联接处都注水泥。主井眼和程度井眼在联接处都注水泥。 级别级别5:5:在衔接处进展压力密封。在不能固井的在衔接处进展压力密封。在不能固井的情况下情况下, ,用完井方法到达密封。用完井方法到达密封。 级别级别6:6:在

24、衔接处进展压力密封。在不能固井的在衔接处进展压力密封。在不能固井的情况下情况下, ,用套管进展密封用套管进展密封 。 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：优质无缝钢管，一端为公扣，直接车在管体上；套管：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规范，共规范，共14 种尺寸；种尺寸； 壁厚：壁厚：5.2116.13 mm ;20,8518,16,8313,4311,4310,859,858 ,857,7,856,2

25、15,5,214 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井 套管钢级：套管钢级： API规范规范 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规范：短圆规范：短圆STC、长圆、长圆LTC、梯形、梯形BTC、直连形、直连形XL。 套管柱：由同一外径、不同钢级、不同壁厚的套管用接箍套管柱：由同一外径、不同钢级、不同壁厚的套管用接箍衔接组成的管柱，特殊

26、情况下也运用无接箍套管柱。衔接组成的管柱，特殊情况下也运用无接箍套管柱。 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、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。注水泥、后期开采等套管柱受力也不同。 分析和设计中主要思索根本载荷：分析和设计中主要思索根本载荷： 套管柱设计时按最危险情况思索。套管柱设计时按最危险情况思索。 1、轴向拉力及套管抗拉强度、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

27、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自重引起的拉力自重引起的拉力 Fm qmi 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弯曲引起的附加拉力 Fbd 阅历公式阅历公式 ： 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

28、的变化，0/ 25m 定向井、程度井及大狗腿直井中，应思索弯曲附加拉力。定向井、程度井及大狗腿直井中，应思索弯曲附加拉力。3311(1)1010nndmiimiiiisFq LqLKN0.073bdcocFDA 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井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、井壁摩擦力等； 普通在平安系数中思索。普通在平安系数中思索。2套管的抗拉强度套管的抗拉强度 套管所受轴向拉力普通在井口最大套管所受轴向拉力普通在井口最大 由拉应力引起的破坏方式：本体被拉断、脱扣由拉

29、应力引起的破坏方式：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cindmchdF4000)(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/cm3；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2、外挤压力及套管抗挤强度、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： MPa 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 232

30、7kPa/m。2套管抗挤强度套管抗挤强度 外挤作用下破坏方式：外挤作用下破坏方式： 根据现有套管尺寸，绝大部分是失稳破坏，其抗挤根据现有套管尺寸，绝大部分是失稳破坏，其抗挤强度可强度可 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。0.00981ocdpD管外液柱压力管外液柱压力地层中流体压力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

31、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。 由第四强度实际：由第四强度实际： 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。,zrtrrt,222stztz1222stzstsz 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井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添加压强度添加轴向受压抗轴向受压抗挤强度添加挤强度添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

32、固井椭圆图上椭圆图上, , 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: : 拉伸与内压结协作用拉伸与内压结协作用 轴向拉力轴向拉力 抗内压强度添加抗内压强度添加. . 第二象限第二象限: : 轴向紧缩与内压结协作用轴向紧缩与内压结协作用 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结协作用轴向压应力与外挤压力结协作用 轴向受压轴向受压 抗外挤强度添加抗外挤强度添加. . 第四象限第四象限: : 轴向拉应力与外挤压力结协作用轴

33、向拉应力与外挤压力结协作用 轴向拉力轴向拉力 抗外挤强度降低需思索抗外挤强度降低需思索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 思索轴向拉力影响时的抗外挤强度公式思索轴向拉力影响时的抗外挤强度公式 PCC的推导的推导: 如图如图: tdpccct2由双向应力椭圆方程，当由双向应力椭圆方程，当Z =0时时,22st根据上式那么有根据上式那么有: tdpccs2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)mc ccsFppF Fm轴向拉力， KN； Fs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

34、结构设计与固井3、内压力及抗内压强度、内压力及抗内压强度 1内压力内压力思索管外平衡压力，普通井口内压最大。思索三种最危思索管外平衡压力，普通井口内压最大。思索三种最危险情况：险情况： 套管内完全充溢天然气并关井时的内压力；套管内完全充溢天然气并关井时的内压力； 以井口安装承压才干作为套管在井口所受的内压力；以井口安装承压才干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。 实践设计时，通常按套管内完全充溢天然气时计算。实践设计时，通常按套管内完全充溢天然气时计算。41.1155 10gasiGDppe 井底气压，井底气压，Mp

35、aG 天然气与空气密度比天然气与空气密度比,0.55gasp)(ffiGGDpffGG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方式：爆裂、丝扣密封失效内压载荷下的主要破坏方式：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套管的腐蚀套管的腐蚀 缘由：在地下与腐蚀性流体接触缘由：在地下与腐蚀性流体接触 破坏方式：管体的有效厚度减小，套管承载力降低，钢材破坏方式：管体的有效厚度减

36、小，套管承载力降低，钢材性量变化，性量变化， 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、二氧化碳解氧、二氧化碳 抗硫套管：抗硫套管：API套管系列中的套管系列中的 H 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 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井三、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确定合理套管钢级、壁厚以及每种套管井深区间。间。 1、设计原那么、设计原那么 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

37、险截面上都应满足下式： 套管强度套管强度 外载外载平安系数平安系数 应满足钻井作业、油气开发和产层改造需求；应满足钻井作业、油气开发和产层改造需求； 接受外载时应有一定贮藏才干接受外载时应有一定贮藏才干 经济性要好经济性要好 平安系数平安系数 抗外挤平安系数抗外挤平安系数 Sc = 1.0 抗内压平安系数抗内压平安系数 Si = 1.1 套管抗拉强度抗滑扣平安系数套管抗拉强度抗滑扣平安系数St = 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2、常用套管柱设计方法、常用套管柱设计方法 1平安系数法平安系数法 各危险截面最小平安系数等于或大于规定的平安系数。各危险截面最小平安系数等

38、于或大于规定的平安系数。 下部抗挤设计，水泥面上按双向应力，上部满足抗拉下部抗挤设计，水泥面上按双向应力，上部满足抗拉和抗内压和抗内压 2边境载荷法拉力余量法边境载荷法拉力余量法 在抗拉设计时，套管柱上下思索同一个拉力余量。在抗拉设计时，套管柱上下思索同一个拉力余量。 另最大载荷法、另最大载荷法、AMOCO法、西德法、西德BEB法及前苏联法及前苏联方法等。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：主要思索内压载荷；表层套管：主要思索内压载荷； 技术套管：既要高抗内压强度，又要抗钻具冲击磨技术套管：既要高抗内压强度，又要抗钻具冲击磨损。损。 油层套管：上部抗内压，下部抗外

39、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4、套管柱设计的等平安系数法、套管柱设计的等平安系数法 1根本设计思绪根本设计思绪 计算能够出现最大内压力，挑选符合抗内压强度计算能够出现最大内压力，挑选符合抗内压强度套管套管 下部套管段按抗挤设计，上部按抗拉设计，各危下部套管段按抗挤设计，上部按抗拉设计，各危险断面险断面 最小平安系数要大于或等于规定值。最小平安系数要大于或等于规定值。 通式：套管强度通式：套管强度 外载外载平安系数平安系数 水泥面以上套管强度思索双向应力影响水泥面以上套管强度思索双向应力影响 轴向拉力通常按套管在空气中的重力计算，当思

40、索轴向拉力通常按套管在空气中的重力计算，当思索双向应力时，按浮重计算。双向应力时，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2设计步骤：设计步骤： 例题：某井例题：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 ,估计井内最估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： 规定的平安系数规定的平安系数 ： Sc=1.0 , Si = 1.1 , St =1.8 ; 计算最大内压力，挑选符

41、合抗内压要求的套管计算最大内压力，挑选符合抗内压要求的套管 抗内压强度抗内压强度 挑选套管：挑选套管： C-75 , L-80 , N-80 , C-90 ,C-95 , P-110 按本钱排序：按本钱排序： N-80 C-75 L-80 C-90 C-95 1.0 平安平安 套管套管2： 危险截面危险截面 2700 m 处，处，Sc = 1.02 1.0 平安平安 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井平安平安 计算套管抗拉平安系数计算套管抗拉平安系数112611.17.85 1.80.4234 800sttmFSF 最终结果： D2 = 2700 m , L1 = 800 m

42、3选择第三段套管，确定第二段套管长度 L2 查表：3333380,8.05,0.3358/,26407,2366.5,1966.1csstNtmm qKN mpkPaFKN 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 思索双向应力影响，确定第三段套管可下深度：思索双向应力影响，确定第三段套管可下深度：0 . 181. 9)(74. 003. 1 ()74. 003. 1 ()(333221133233322112DFDDqLqKpSFFppDDqLqKFdsBccsmcccBm试算法，取试算法，取 D3 =1700 m , 计算得计算得 Sc= 1.03 平安平安 第二章第二章

43、 井身结构设计与固井井身结构设计与固井计算第二段顶部的抗拉平安系数计算第二段顶部的抗拉平安系数2220.42348000.3794 10007182308.63.21.8718msttmFKNFSF平安平安最终结果最终结果 D3 =1700 m , L2=1000m 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井 上部上部1700 m处套管需进展设计，转为抗拉设计处套管需进展设计，转为抗拉设计 1 计算第三段套管按抗拉要求的允许运用长度计算第三段套管按抗拉要求的允许运用长度 L3 由：由： 实取：实取：L3 = 1100 m , 那么那么 mqFSFLSLqFFmtsttmst111733

44、57.07188 .11 .196632333323371811000.33571087mFKN 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确定第四段套管运用长度确定第四段套管运用长度 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， 与第一段套管一样与第一段套管一样4444480,10.36,0.4234/,48401,3007,2611.1csstNtm mqK NmpkPaFK NFK 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 计算第四段套管许用长度 L4: 实践距井口还有600 m, 取 L4 = 600 m ; 校核第四段下部的抗挤强度：m

45、qFSFLmtst7 .8584234.010878 .11 .261143340 .182.481.9)74.003.1 (4434DFFpSdsmcc平安平安 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 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 第三节第三节 注水泥技术注水泥技术 注水泥目的：固定套管注水泥目的：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。 第二章第二章

46、 井身结构设计与固井井身结构设计与固井 注水泥根本要求：注水泥根本要求： 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交换，注水泥段环空钻井液全部被水泥浆交换， 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 井身结构设计与固井井身结构设计与固井一、油井水泥一、油

47、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。 对油井水泥的根本要求：对油井水泥的根本要求： 1配浆性好，在规定时间内坚持流动性。配浆性好，在规定时间内坚持流动性。 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到达一定强度。在规定时间内凝固并到达一定强度。 4能和外加剂相配合，调理各种性能。能和外加剂相配合，调理各种性能。 5水泥石具有很低的浸透性。水泥石具有很低的浸透性。 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井1、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，普通的含量为水泥的

48、主要成分，普通的含量为40%65% 对水泥强度，尤其是早期强度有较大影响对水泥强度，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 含量普通在含量普通在24%30%之间之间 水化反响慢水化反响慢 ，强度增长慢，强度增长慢 对水泥的最终强度有影响。对水泥的最终强度有影响。)(332SCSiOCaO简称)(222SCSiOCaO简称 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 其含量是决议水泥初凝和稠化时间的主要要素其含量是决议水泥

49、初凝和稠化时间的主要要素 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 早期强度添加较快，含量为早期强度添加较快，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，还有石膏、碱金属的氧化物等。)(3332ACOAlCaO简称)(4432322AFCOFeOAlCaO简称AC3 第二章第二章 井身结构设计与固井井

50、身结构设计与固井2、水泥的水化、水泥的水化 水泥与水混成水泥浆后，发生化学反响，生成各种水化物，水泥与水混成水泥浆后，发生化学反响，生成各种水化物， 逐渐由液态变为固态，使水泥硬化和凝结，构成水泥石。逐渐由液态变为固态，使水泥硬化和凝结，构成水泥石。 1水泥的水化反响水泥的水化反响 水泥的主要成分与水发生的水化反响为：水泥的主要成分与水发生的水化反响为：OHOFeCaOOHOAlCaOOHOFeOAlCaOOHOAlCaOOHOAlCaOOHSiOCaOOHSiOCaOOHCaOHSiOCaOOHSiOCaO232232232322322322222222226364636322)(223 其

51、他二次反响，生成物有硅酸盐水化产物及氢氧化钙等。其他二次反响，生成物有硅酸盐水化产物及氢氧化钙等。 在反响过程中，各种水化产物均逐渐凝聚，使水泥硬化。在反响过程中，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：水泥与水混合成胶体液，开场水化反响，溶胶期：水泥与水混合成胶体液，开场水化反响， 构成胶溶体系，此时水泥浆仍有流动性。构成胶溶体系，此时水泥浆仍有流动性。 凝结期：水化反响由水泥颗粒外表向内部深化，凝结期：水化反响由水泥颗粒外表向内部深化， 絮凝成溶胶体系，水泥

52、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：水化物构成晶体形状，相互衔接成严密一个硬化期：水化物构成晶体形状，相互衔接成严密一个 整体，强度添加，硬化成为水泥石。整体，强度添加，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，晶体构造，互连成整体。无定性物质水泥胶，晶体构造，互连成整体。 氢氧化钙晶体，是水化反响的产物氢氧化钙晶体，是水化反响的产物 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3、油井水泥分类、油井水泥分类 1API水泥分类：水泥分类： A-J九级九级 A级级 ： 01828

53、.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，中高抗硫两种两种 C级：级： 01828.8 m , 76.7 0C ，高早期强度，普通、，高早期强度，普通、中高抗硫中高抗硫 D级级 ： 1828.8 3050m , 76127 0C ，中温中压，中，中温中压，中高抗硫高抗硫 E级级 ： 3050 4270m , 76143 0C ，高温高压，中高，高温高压，中高抗硫两种抗硫两种 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 ：0 244

54、0m , 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 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国产以温度系列为规范的油井水泥国产以温度系列为规范的油井水泥 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 水泥完全水化所需求的水为水泥分量的水泥完全水化所需求的水为水泥分量的20%左右左右 使水泥浆能流动

55、加水量应到达水泥分量使水泥浆能流动加水量应到达水泥分量45% 50% 水泥浆密度水泥浆密度 1.80 1.90 之间之间 水灰比：水与干水泥分量之比。水灰比：水与干水泥分量之比。 水泥浆稠化时间水泥浆稠化时间 水泥浆从配制开场到其稠度到达其规定值所用的时间。水泥浆从配制开场到其稠度到达其规定值所用的时间。 API规范：开场混拌到稠度达规范：开场混拌到稠度达 100 BC 所用时间。所用时间。 API规范：初始规范：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/cmg3/cmg 第二章第二章 井身结

56、构设计与固井井身结构设计与固井水泥浆的失水：水泥浆的失水： 普通用普通用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，以便下道封固表层及技术套管，需早期较高强度，以便下道工序；工序； 侯凝侯凝 8 h左右，开场凝结为水泥石，抗压强度左右，开场凝结为水泥石，抗压强度 2.3 MPa 以上。以上。 水泥石强度水泥石强度 能支撑和加强套管能支撑和加强套管 能接受钻柱的冲击载荷能接受钻柱的冲击载荷 能接受、酸化压裂等增产措施作业压力能接受、酸化压裂等增产措施作业压力水泥石的抗蚀性水泥石的抗蚀

57、性 主要应能抗硫酸盐腐蚀主要应能抗硫酸盐腐蚀 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、水泥的外加剂、水泥的外加剂 1加重剂：重晶石加重剂：重晶石 、赤铁粉等，使水泥浆密度达、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、火减轻剂：硅藻土、粘土粉、沥青粉、玻璃微珠、火山灰等。山灰等。 可使水泥可使水泥 浆的密度降到浆的密度降到 1.45 3缓凝剂：丹宁酸钠、酒石酸、硼酸、铁铬木质素磺缓凝剂：丹宁酸钠、酒石酸、硼酸、铁铬木质素磺酸钠、酸钠、 羧甲基羟乙羧甲基羟乙 基纤维素等。基纤维素等。 4促凝剂：氯化钙、硅酸钠、氯化钾等促凝剂：氯化钙、硅酸钠、氯化钾

58、等 5减阻剂：减阻剂：奈磺酸甲醛的缩合物、铁铬木质素磺奈磺酸甲醛的缩合物、铁铬木质素磺酸钠、酸钠、 木质素磺酸木质素磺酸 钠等。钠等。 6降失水剂：羧甲基羟乙基纤维素、丙烯酸胺、粘土降失水剂：羧甲基羟乙基纤维素、丙烯酸胺、粘土等。等。 7防漏失剂：沥青粒、纤维资料等防漏失剂：沥青粒、纤维资料等3/cmg3/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3、特种水泥、特种水泥 1触变性水泥：水泥浆静止时，构成胶凝形状，触变性水泥：水泥浆静止时，构成胶凝形状，但流动时胶凝形状被破坏，流动性良好。但流动时胶凝形状被破坏，流动性良好。 2膨胀水泥：膨胀水泥： 凝固时体积略膨胀。用于高压气井

59、。凝固时体积略膨胀。用于高压气井。 3防冻水泥防冻水泥 ：地表温度较低地域表层套管固井。：地表温度较低地域表层套管固井。 4抗盐水泥：抗盐水泥： 5抗高温水泥：抗高温水泥： 6轻质水泥：轻质水泥： 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井三、前置液三、前置液 将水泥浆与钻井液隔开，起隔离、缓冲、冲洗作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。用，可提高固井质量。 前置液在环空中高度不超越前置液在环空中高度不超越250m。 1、冲洗液：低粘度、低剪切速率、冲洗液：低粘度、低剪切速率 、低密度，用于、低密度，用于有效冲洗井壁及套管壁，清洗残存的钻井液及泥饼。有效冲洗井

60、壁及套管壁，清洗残存的钻井液及泥饼。 2、隔离液：、隔离液： 有效隔开钻井液与水泥浆，以便构成有效隔开钻井液与水泥浆，以便构成平面推进型的顶替效果，通常为粘稠液体。平面推进型的顶替效果，通常为粘稠液体。 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井四、注水泥工艺四、注水泥工艺水泥头：水泥头：1销子销子2盘根盘根3胶塞胶塞4销子盘根压盖销子盘根压盖 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井a下套管、装井口、循环泥浆b注水泥c顶胶塞、替钻井液、碰压d候凝注水泥工序表示图注水泥工序表示图 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、注水泥： 在水泥浆泵入井内之前，先用一部水