《完井工程》PPT课件.ppt

固井与完井,本章主要内容 井深结构设计 固井 完井,概述,1.固井：是油气井建井过程中的一个重要环节，它包括下套管和注水泥两个过程。,2.下套管：在已钻成的井眼中按规定深度下入一定直径、由某种或几种不同钢级及壁厚的套管组成的套管柱。,3.注水泥在地面上将水泥浆通过套管柱注入到井眼与套管柱之间环形空间中，将套管柱与井壁岩石牢固地固结的过程。固井目的：将油气水层及复杂地层封固起来以利于进一步钻进或开采。,下套管和注水泥浆固井,固井水泥浆系统,混合器,空气,水泥浆混合池,空气,水泥粉压力罐,水泥粉压力罐,柴油机,柴油机,水泥泵,水泥泵,下灰器,去井口,水,去井口,注入泵,4.完井也称油井完成，包括钻开生产层，确定完井的井底结构，使井眼与产层连通，安装井底及井口等环节。,第一章井身结构设计,一、井身结构定义 套管层次、套管下入深度以及井眼尺寸（钻头尺寸）与套管尺寸的配合。目的 保证安全、优质、快速和经济地钻达目的层 内容 下入套管层数 各层套管的下入深度 选择合适的套管尺寸与钻头尺寸组合,井身结构,P256,1.导管 钻表层井眼时，将钻井液从地表引导到钻台平面上来。2.表层套管(1)防止浅层水受污染，封闭浅层流砂、砾石层及浅层气等复杂地层。(2)在井口安装套管头，并通过套管头悬挂和支撑后续各层套管。管鞋下在有足够强度地层上，以免井涌关井后将套管鞋处的地层压漏，产生井下井喷。,二、套管类型,3.技术套管（中间套管）介于表层套管与生产套管之间的套管。可以是一层，也可两层或多层。封隔坍塌、易漏等复杂地层封隔不同的压力体系 4.衬管（尾管）：技术尾管 生产尾管（图）在已下入一层中间套管后采用，在裸眼井段下套管注水泥，套管不延伸至井口。,钻井衬管的优点减轻下套管时钻机的负荷及固井后套管头的负荷可节省大量套管和水泥，降低固井成本。减少压差卡套管5.油层套管（生产套管）为油气生产提供流通通道 保护产层、分层测试、分层采油、分层改造,三、井身结构设计的主要原则,能避免产生井漏、井塌、井喷等井下复杂情况,为全井安全、优质、快速和经济地钻进创造条件；下套管时，井内钻井液柱的压力和地层压力之间的压差，不产生压差卡套管现象。钻下部地层采用重钻井液时产生的井内压力不致压裂上层套管处最薄弱的裸露地层；能有效保护油气层，使不同压力地层免受钻井液的损害。,井深,1.四个压力剖面地层压力(当量密度)地层破裂压力(当量密度)坍塌压力剖面漏失压力剖面2.五个工程参数（设计系数）,四、井身结构设计基础数据,四、井身结构设计系数,1.公用系数：抽吸压力系数Sb地层压裂安全增值Sf2.正常作业：激动压力系数Sg3.出现溢流：地层压力增加值 SK 4.最大允许压差P(PN、Pa),井身结构设计系数,抽吸压力系数Sb 上提钻柱时，由于抽吸作用使井内液柱压力降低的值，用当量密度表示；激动压力系数Sg 下放钻柱时，由于钻柱向下运动产生激动压力使井内液柱压力的增加值，用当量密度表示；地层压裂安全增值Sf 为了避免上部套管鞋处裸露地层被压裂的地层破裂压力安全增值，用当量密度表示；与预测精度有关。,井身结构设计系数,井涌允值SK由于地层压力预测误差所产生的井涌量允值，（增加值），用当量密度表示；与地层压力预测精度有关。最大允许压差 PN：正常压力井段；Pa：异常压力井段。,最大允许压差P在下套管过程中，为了避免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，即规定最大允许压差。最大允许压差的取值 在正常压力地层：PN=11-17MPa 在异常压力井段：Pa=14-22MPa,井身结构设计系数,五、井身结构设计关键参数,1.最大钻井液密度 某一层套管的钻进井段中所用的最大钻井液密度，和该井段中的最大地层压力有关：mmax:将来要下某层套管的钻进井段中所使用的最大钻井液密度，g/cm3；pmax:该井段的最大地层压力当量密度；Sb:考虑到上提钻柱时抽吸作用使井底压力降低，为了平衡地层压力所加的附加钻井液密度，g/cm3。Sb=0.024-0.048 g/cm3.,2.最大井内压力当量密度（梯度）a.正常作业（起下钻、钻进）：正常钻井条件下，井内最大压力梯度是发生在下放钻柱时，由于产生压力激动使得井内压力增高，设由于压力激动使井内的压力增加值为Sg，则最大井内压力当量密度为：Sg:激动压力梯度当量密度,g/cm3；Sg=0.024-0.048 g/cm3,五、井身结构设计关键参数,b.发生井涌：为了制止溢流，如压井时井内压力增高值为Sk,则最大井内压力梯度为：Sk=0.060 g/cm3 上式只适用于最大地层压力所对应的井深Dpmax处，而对于井深为D21的任意井深处的井内压力当量密度为：,井身结构设计关键参数,3.套管下深的临界条件 为了确保上一层套管鞋处的裸露地层不被压裂，应该保证，某一井段的最大地层破裂压力满足：f:上一层套管下入深度处裸露地层的破裂压力梯度；g/cm3 Sf：为避免将上一层套管下入深度处裸露地层压裂的安全值，Sf=0.03-0.06 g/cm3,井身结构设计关键参数,井身结构设计关键参数(不发生井涌)井身结构设计关键参数(发生井涌),五、井身结构设计关键参数,（一）油层套管设计,油层套管下深取决于油气层的位置和完井方法，直径一般由甲方来定。,六、井身结构设计,二、中间套管设计步骤和方法,1.中间技术套管下入深度初选点D21的确定(1)不发生井涌时：f:在设计套管层所在的裸眼井段内，在最大井内压力梯度作用下，上部裸露地层不致破裂所应有的地层破裂压力梯度，g/cm3;Pmax:裸露井段预计的最大地层压力梯度，g/cm3;通过作图确定初选点D21,中间套管下入深度初选点D21的确定,D21,（2）发生井涌时：f:在设计套管层所在的裸眼井段发生溢流时，在最大井内压力梯度作用下，上部裸露地层不致破裂所应有的地层破裂压力梯度，g/cm3;D21:设计层套管的初始下入深度，m;Dpmax:最大地层压力所对应的井深,m。通过试算确定初选点D21,中间套管下入深度初选点D21的确定,下入深度初选点D21的确定注意事项 比较正常钻井情况下和发生溢流情况下的最小地层破裂压力，一般地，溢流时f不会发生液流f,因此通常按溢流时f计算，只有在肯定不会发生液流的情况下，才按不溢流时f计算。对于技术套管，首先计算出f，然后通过作图或数字计算的方法找到地层破裂压力为f的井深，该井深即为技术套管下入的初选点D21。,中间套管下入深度初选点D21的确定,2.校核套管在下入井深(初选点)D21过程中是否会发生压差卡套管,校核是否会发生压差卡套管,压差公式 所用最大钻井液密度与最小地层压力之间实际的最大静止压差：Pmax：套管所受到的最大静压差，MPa；Pmin：该井段内最下地层压力,g/cm3;DmaxPmin：最小地层压力所对应的最大井深,m。,校核是否会发生压差卡套管,比较P与P N(P a)PPN（或Pa），则假定深度D21为中间套管下入深度。若PPN（或Pa），则中间套管下至D21过程中有被卡危险,必须采取下尾管的方法解决。若PPN（或Pa）,如何确定D21？,校核是否会发生压差卡套管,中间套管下深确定。计算不发生压差卡套管的最大地层压力的当量密度PPer，g/cm3;与PPer对应的井深即为经过校核的套管下深D2,再次确定套管下深,分析,在压力剖面图上找出 pper值，该值所对应的深度即为中间套管下入深度。,井身结构设计,新问题的出现在技术套管下入深度浅于初选点的情况下，DD21这一井段有可能被压裂，属危险井段，必须被封住！,尾管下入深度确定,3.尾管下入深度计算,尾管下入深度确定,确定尾管的下入深度D31 确定尾管下入深度的初选点D31由技术套管鞋处的地层破裂压力梯度f可求得允许的最大地层压力梯度pper:,尾管下入深度确定,通过数字计算或作图法找到与pper相等的地层压力梯度所对应的井深，该井深即为尾管下入深度的初选点D31。,校核尾管的下入深度D31初选点是否会发生卡套管,校核是否会发生压差卡尾管,校核尾管的下入深度D31初选点是否会发生卡套管PPN（或Pa），则假定深度D31为尾管下入深度。,校核是否会发生压差卡尾管,三、表层套管设计,设计步骤和方法 表层套管下入深度初选点D21的确定 根据中间套管管鞋处(D2)地层压力梯度，给定井涌条件SK，用试算法计算表层套管下入深度。每次给定D1，并代入计算。通过数字计算或作图法找到与fE相等的地层压力密度所对应的井深，该井深即为表层套管下入深度D1。,考虑复杂情况,套管下入深度的设计是以压力剖面为依据，但是地下的许多复杂情况无法在压力剖面上得以反映，如易漏、易塌、盐岩层等，这些地层必须进行及时封隔。,井身结构设计小结,油层套管从井底到井口（对于射孔完井）,当量泥浆密度,Gp,Gf,井身结构设计,中间套管设计步骤 1.定中间套管最大下入深度假定点。根据可能钻遇的最大地层压力求设计破裂压力梯度,当量泥浆密度,Gp,Gf,井身结构设计,2.验证中间套管是否有卡套管的危险。如有，则应减小下深,3、加下一层尾管,当量泥浆密度,Gp,Gf,井身结构设计,表层套管下入深度。,当量泥浆密度,Gp,Gf,井身结构设计,套管尺寸和井眼尺寸的选择,套管层次和每层套管的下入深度确定之后，相应的套管尺寸和井眼直径也就确定了。套管尺寸的确定一般由内向外依次进行，首先确定生产套管的尺寸，再确定下入生产套管的井眼的尺寸然后确定中间套管的尺寸等，依次类推，直到表层套管的井眼尺寸，最后确定导管的尺寸。,固井,固井,固井工程包括两个生产过程：1.下套管；2.注水泥。,下套管：在已钻成井眼中按规定下入一定直径、由某种或几种不同钢级及壁厚的套管组成的套管柱,注水泥：在地表将水泥浆通过套管柱注入到井眼与套管柱之间环空中的过程,举例,某井设计井深为4400米，地层孔隙压力、地层破裂压力梯度剖面如下图所示。给定设计系数：=0.036；=0.04；=0.06；=0.03；PN=12MPa，PA=18MPa，试进行该井的井深结构设计？,例图,设计举例某井设计井深为 4400 m；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；PN=12 Mpa;PA=18 MPa;,解：由图上查得（1）中间套管下入深度初选点 由 试取 D21=3400 m，代入上式得：由破裂压力曲线查得 且接近，故确定 D21=3400 m。,（2）校核中间套管是否会被卡 由P曲线，钻进到深度 D21=3400 m时，遇到最大地层压力 因 由 因P PN=12 MPa,故中间套管下深应浅于初选点。查得=1.435 对应 D2=3200 m。,（3）确定尾管下深的初选点 D31 由f曲线查得：由：试取 D31=3900m，得 由p曲线，故确定初选点 D31=3900 m.,（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。,（5）确定表层套管下深 D1 由：,试取 D1=850 m,代入上式计算得由f曲线查得故确定 D1=850 m。,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：,第二章套管柱设计,第一节套管及套管柱,一、制成优质钢材制成的无缝管或焊接管,二、套管柱的定义及作用1.定义：通常是由同一外径、相同或不同壁厚、钢级的套管用接箍连接而成的管柱,2.套管柱作用：套管柱用于封固井壁的裸露岩石,三、套管柱分类及钢级,1.套管柱分类分API(美国石油学会)标准及非API标准。我国现用的套管标准与美国API(美国石油学会)标准类似。,2.套管柱钢级（1）定义：API标准规定套管本体的钢材应达到规定的强度，即为钢级。注意：API标准中不要求套管钢材的化学性质，但应保证钢材的最小屈服强度，,(2)钢级分类,API标准把套管钢级分为：H、J、K、N、C、L、P、Q八种共计10级。,(3)钢级的表示,表示：字母数码字母：无特殊含意。数码：最小屈服强度，它的1000倍为最小屈服强度的大小（Psi=lbf/in2）。如：J55551000Psi=5510004.450.02542=379.21MPa1Psi=1lbf/in2=4.450.02542=6894.7（Pa）,(4)钢级的种类及级别,1）种类：八种2）级别：十个级别,例外：K55,（5）抗硫套管,H-40,J-55,K-55,C-75,L-80,C-90,(四)非API套管,1.背景：HTHP井、超深井、水平井、大斜度井、热采井及腐蚀环境下的油气井的出现。,2.特点：品种多，能满足不同类型条件要求。螺纹连接效率高，密封结构优良。,（五)套管尺寸,套管外径：1.常用范围：,2.套管壁厚：（1）同一外径，有多种壁厚。,2.壁厚范围在5.2116.13mm 3.通常是小直径的套管璧厚小一些，大直径套管的壁厚大一些。4.除标准的钢级和壁厚之外，尚有非标准的钢级和壁厚存在.,（六）连接螺纹,1.螺纹分类API标准：短圆（STC）:Short thread connection长圆（LTC）:Long thread connection梯形（BTC）:Butt thread connection直连形（XL）:Extreme line,螺纹,（a）（b）（c）图API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,2.锥度,圆螺纹锥度：1：16；螺距：3.175mm(8扣每英寸)。梯形螺纹 锥度：1:16(外径16in）1:12(外径16in)，螺距：5.08mm(5扣每英寸)。,3.非API标准螺纹,1.VAM特殊螺纹：法国互鲁瑞克公司开发2.NSCC特殊螺纹：日本日铁公司开发3.FOX特殊螺纹:日本川崎公司开发4.NK3SB特殊螺纹：日本NKK公司开发公司开发前三种采用偏梯形扣,第二节套管柱受力分析,套管柱在井内所受外载复杂，不同类型的井受力不同，同一口井在不同时期（下套管、注水泥、后期开采等）套管柱受力也不同。一、套管外载总体分类1.静载；2.动载,(一)静载,轴向拉力外挤压力内压力弯曲附加应力温度应力,(二)动载,1.起下钻速度变化产生的动载 加速上提套管 减速下放（刹车）2.套管阻卡提动动载3.摩擦动载4.注水泥5.碰压,（三）受力及计算结果处理,动载中大部分力难以精确计算处理：温度应力较大时，通过工艺解决浮力减轻，加大安全系数。基本荷载：1.轴向拉力2.外挤压力3.内压力,二、轴向拉力及套管抗拉强度,1.轴向拉力1）套管自重引起的拉力 Ft,式中:qi套管线重，N/m；Li 套管长度，m;Ft 套管承受轴向拉力，kN。,2）考虑浮力时套管自重所产生的轴向拉力,式中：d钻井液密度，；s 套管钢材密度，。q套管单位长度的名义重力，N/m；Li套管长度，m；Fm套管在钻井液中的轴向拉力，kN。,:浮力系数，其大小计算式为：,qm:单位长度浮重。,注意：虽说泥浆浮力有减轻套管自重的作用，但由于套管与井壁之间有摩擦力的作用，一般不考虑在钻井液中的浮力减轻作用，通常是用套管在空气中的重力来考虑轴向拉力，认为浮力被套管柱与井壁的摩擦力所抵消。但在考虑套管双向应力下的抗挤压强度时采用浮力减轻下的套管重力。,3）套管弯曲引起的附加拉力 Fbd,当套管随井眼弯曲时，由于套管的弯曲变形增大了套管的拉力载荷，当弯曲的角度及弯曲变化率不太大时，可用简化经验公式计算弯曲引起的附加力。,dco套管外径，cm；Ac 套管截面积，cm2；每25m 井斜角的变化，/25m 定向井、水平井及大狗腿直井中，应考虑弯曲附加拉力。,4）套管内注入水泥引起的套管柱附加应力,在注入水泥浆时，当水泥浆量较大，水泥浆与管外液体密度相差较大，水泥浆末返出套管底部时，管内液体较重，将使套管产生一个拉应力，可近似按下式计算：,Fc注水泥时产生的附加轴向拉力，KNh 管内水泥浆高，m；m水泥浆密度，g/cm3；d钻井液的密度，g/cm3；dcin 套管内径，cm。,2.轴向拉力作用下的套管强度,套管柱受轴向拉力一般为井口处最大，是危险截面。1）套管柱受拉应力引起的破坏形式有两种：a.套管本体被拉断（拉力小于丝扣连接强度，大于本体强度)；b.螺纹处滑脱，称为滑扣（thread slipping）(拉力大于丝扣连接强度，小于本体强度）。,2）失效统计,经大量的室内研究及现场应用表明，套管在受到拉应力时，螺纹处滑脱比本体拉断的情况为多，尤其是使用最常见的圆扣套管时更是如此。,圆扣套管的螺纹滑脱负荷比套管本体的屈服拉力要小，因此在套管使用中给出了各种套管的滑扣负荷，通常是用螺纹滑脱时的总拉力（kN）来表示。在设计中可以直接从有关套管手册中查用。,3）滑扣原理,在下部套管柱自重（T）作用下，通过丝扣斜面把下部载荷（T）传递到上部套管上，在每个丝扣的斜面上的载荷，在径向产生一个水平分力，这个径向分力将使管径缩小，接箍胀大，当载荷增大到某一定值（滑脱负荷），套管就从接箍中滑脱出来。,脱扣分析,接箍,套管,4)套管抗拉强度,a.套管抗拉强度 套管在拉伸条件下抵抗失效能力的大小，套管抗拉强度按套管螺纹连接强度计算,b.抗拉安全系数St 套管理论上能承受的最大拉力(接头抗拉强度)与计算点以下井段套管在空气中重力之比，即：St=Ft/Ft,St安全系数，1.62.0之间，常取1.8Ft套管理论上能承受的最大拉力，kN；Ft 计算点以下井段套管在空气中重力，kN；,三、套管外挤压力pc及抗挤强度,1.来源 a.套管外流体；b.地层中流体；c.高塑性岩石，其压力梯度为2327kPa/m;d.其它作业时产生的压力，挤水泥、压裂。,2.套管承受外挤压力计算 1）API常规套管柱设计中外挤压力计算 极端情况：全掏空，即Casing内没有液柱,poc外挤压力,kPa；dCasing外钻井液的密度，g/cm3；H计算点井深，m。,2）特殊情况下套管柱设计中外挤压力计算（1）特殊情况：坍塌、膨胀缩径、滑移、地层蠕动。（2）计算：管内全掏空，管外以上覆岩层压力计算。,poc外挤压力,kPa；Go上覆岩层压力梯度，23-27kPa/m；rkCasing外钻井液的密度，g/cm3；H计算点井深，m。,总结外挤压力,自上而下逐渐增大。,3.套管抗挤强度,1）失效形式套管受外挤作用时，其破坏形式主要是a.强度破坏（小直径和小壁厚的套管容易发生强度破坏）。b.丧失稳定性.丧失稳定性的形式主要是在压力作用下失圆、挤扁：,失效图,2）Casing抗挤强度、抗挤安全系数,（1）抗挤强度套管抵抗外挤压力破坏的能力。（2）抗挤安全系数ScSc=pc/pocpc：理论上能承受的最大外挤压力；Sc：抗挤安全系数，1.01.25，常取1.0。,4.有轴向力时的抗挤强度,1）问题的提出在实际应用中，套管是处于双向应力的作用，即在轴向上套管承受有下部套管的拉应力，在径向上存在有套管内的压力或管外液体的外挤压力。由于轴向拉力的存在，使套管承受内压或外挤的能力会发生变化。2）套管抗内压或抗外挤强度分析,2）套管抗内压或抗外挤强度分析,设轴向力为z，由poc或pi引起套管周向应力为t(tangential)，径向力为r(radial)，套管内微小单元，外载作用下产生三向应力，z，t，r,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：c s第四强度理论变为：,方程反映了材料屈服强度不变的条件下，各应力之间的关系,二、套管强度,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,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,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,椭圆图上,百分比为纵坐标,百分比为横坐标.由强度条件的双向应力椭圆可以看出:第一象限: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:轴向压应力与外挤压力联合作用 轴向受压 抗外挤强度增加.第四象限:轴向拉应力与外挤压力联合作用 轴向拉力 抗外挤强度降低（需考虑）,从该椭圆中，可看出z与t的变化关系为 象限 z/st/s 载荷状态 影响 00 拉伸内压 z，t 0 压缩内压 z，t 00 拉伸外挤 z，t,对IV象限，表明轴 向拉伸对套管的抗挤能 力有影响。,二、套管强度,轴向拉力作用下对套管抗挤强度的影响有多大？,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Z=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,pcc存在轴向拉力时的抗外挤强度，MPa；pc不存在轴向拉力时的抗外挤强度，MPa。其中pc及Fs均可由套管手册查出，该公式在 的范围内计算误差与理论计算值相比在2以内，满足工程需要。,四、套管内压力pi及抗内压强度,1.来源 a.地层流体(油、气、水)进入套管产生的压力 b.生产中特殊作业(酸化、压裂、注水)时的外来压力。在一个新地区，由于在钻开地层之前，地层压力是难以确定的，故内压力也是难以确定的。对已探明的油区，地层压力可参考邻井的资料。,2.不同工况下内压力计算,1）井口敞开，套管内压力等于管内流体产生的压力。,pi=9.81H=ph,2）当井涌井口关闭时，内压力等于井口压力与流体压力之和。,pi=ps+ph=ps+9.81H,3)井口压力及内压力的确定,内压力计算因套管类型不同、井别不同而不同,技术套管井口压力及内压力的计算（1）假定套管内完全充满天然气，则井口处的内压力近似为：,(2)井涌关井后既有mud又有gas,1井口压力ps,pk:井涌处流体所具有的压强；Ts:井口温度；T：地温梯度，/100m;2任一井深处（Hi）的内压力等于井口压力与该点以上钻井液液柱所产生的压强。,Vk侵入井内气体的体积，经验值，m3CF环空比容，1m3气体在环空中当量高度，m/m3。如果HiVkCF，有：pi=ps。以上计算前提是井内压强尤其是套管鞋处压强小于地层破裂压力。如果地层被压裂，部分钻井液进入地层，管口气体膨胀到VK,气体压力下降为ps 那么井内任一点的压强为：,(3)以井口防喷装置（防喷器及压井管线等）的承压能力为井口压力。,（4）以套管鞋处的地层破裂压力值决定井口内压力,式中：Df井深，m；pi井口内压力，MPa；Gf套管鞋处地层破裂压力梯度，MPa/m；Gf 附加系数，一般取1.2kPa/m。,内压力计算选用,对于探井，用方法3来确定井口压力，因pp及pf未知。对于老井，pp可参照邻井，内压力可按方法1或2来确定,生产套管,与完井方式有关，典型的完井方式是：生产套管和油层套管底部环空用封隔器封隔，封隔器上部环空充满完井液，利用油管生产。受内压最严重情况如下：油管接头泄漏，气体油螺纹裂缝进入环空，在环空封闭时，气体运行到井口仍保持气体在井底的原有压力，此时环空底部内压力为：,(四）抗内压强度,1.失效形式套管受内压力作用时，其破坏形式主要是a.Casing爆裂；b.螺纹连接处密封失效。2.失效受力比较螺纹密封失效压力比爆裂压力小，但其难以计算，可通过采用优质润滑密封油脂涂在螺纹处，并按规定力矩上紧螺纹。,3.抗内压安全系数Si,Sipi/piSi：1.11.3之间，通常采用1.1。,第三节套管柱强度设计,一、套管强度设计原则 安全经济满足强度要求，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 经济性要好选好安全系数、采用复合套管等。,受力不等采用复合套管,二、设计方法(一)方法种类各国根据各自的条件都规定了自己的套管柱强度设计方法，最常见的有：1.等安全系数法 2.边界载荷法 3.最大载荷法 4.AMOCO法 5.西德BEB方法 6.前苏联的方法等。,（二）常用套管柱设计方法 1.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。,三、各层套管柱的设计特点,1.表层套管：表层套管是为巩固地表疏松层并为了安装井口防喷装置而下入的一层套管。表层套管还要承受下部各层套管的部分重量。因此，表层套管的设计特点是要承受井下气侵或井喷时的地层压力，套管在设计中主要考虑抗内压力，防止在关井时，套管承受高压而被压爆裂。主要考虑内压载荷；,2.技术套管设计特点,技术套管是为封隔复杂地层而下入的，在后续的钻进中要承受井喷时的内压力和钻具的碰撞和磨损。技术套管的设计持点是既要有较高的抗内压强度，又要有抗钻具冲击磨损的能力。,3.油层套管设计特点,油层套管是在油、气井中最后下入的，并在其中下入油管，用于采油生产的层套管。由于该套管下入深度较大，抗外挤是下部套管应考虑的重点。该层套管应按其可能在生产中遇到的问题分别考虑，如有的井是用来注水的，有的在采油中要进行压裂或酸化等，套管内也可能承受较大内压力，对这种井的油层套管应严格校核抗内压强度。有的主要是注热蒸汽等进行热力开采，套管长期受热力作用会膨胀，引起较大的压应力，设计中应考虑施加预拉应力时的拉力安全系数等。,四、套管柱设计的等安全系数法,（一）特点：安全、简单、可靠（使用时间久）,受力图,在不同的井段，套管柱应当有不同的强度。为什么？在设计中为了达到即经济又安全的原则，设计出的套管柱是由不同钢级及不同壁厚的套管组成。,（二）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。,(三)等安全系数法设计具体方法和步骤,1.搜集资料，掌握已知条件套管尺寸和下入深度、安全系数、泥浆密度、水泥返高、套管强度性能表、邻井pp 及pf、孔隙介质特性（H2S、CO2、是否高压)、地层复杂情况等。2.确定安全系数Sc=1.0,Si=1.1,St=1.8 3.计算本井所能出现的最大内压值，筛选套管。如果是一般的井，可以在套管全部设计完后进行抗内压校核。,4.按全井的最大外挤载荷初选第一段套管。最大外挤载荷可按下式计算,5.确定第二段套管可下深度和第一段套管的使用长度，校核第一段套管的抗拉强度。第二段套管可选择壁厚或钢级低一级(也可二者都低即抗挤强度小一级)的套管为第二段套管。按抗挤确定下深。,确定第一段套管的许用长度L1为：,根据第一段的长度计算出该段套管在空气中的重力为L1q1，校核该段套管顶部的抗拉安全系数St11.8。,6.当按抗挤强度设计的套管柱超过水泥面或中性点（由于泥浆浮力使套管柱中不受轴向力的截面）时，应考虑下部套管的浮重引起的抗挤强度的降低，可按双向应力设计套管柱。,7.计算轴向拉力，按抗拉设计确定上部各段套管。8.抗内压安全系数校核。,(四)设计步骤具体实例,某井177.8mm(7)油层套管下至3500 m，下套管时的钻井液密度为1.30g/cm3，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：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 抗内压强度 筛选套管：C-75,L-80,N-80,C-90,C-95,P-110 按成本排序：N-80 C-75 L-80 C-90 C-95 P-110,按抗挤设计下部套管段，水泥面以上双向应力校核 1）计算最大外挤压力，选择第一段套管=44635.51.044635.5(kPa)查表：,取 D2=2900 m,2）选择第二段套管 选低一级套管，校核第一段抗拉强度查表：第二段套管可下深度D2，第一段套管长度L1,双向应力强度校核，最终确定D2 和 L1 D2=2900 m 2800 m,超过水泥面，考虑双向应力 危险截面：水泥面 2800m处,不安全,2900,2800,3500,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）,校核改变长度套管1抗外挤强度：危险截面 2800 m 处。,Sc1=1.31 1.0 安全,套管2：危险截面 2700 m 处，Sc=1.03 1.0 安全,套管2危险截面:2700 m 处,安全,计算套管抗拉安全系数,最终结果：D2=2700 m；L1=800m 3）选择第三段套管，确定第二段套管长度 L2 查表：,考虑双向应力影响，确定第三段套管可下深度：,取 D3=1700m,计算得Sc=1.03 安全,D3=1756m,计算第二段顶部的抗拉安全系数,安全,最终结果 D3=1700 m,L2=1000m,上部1700 m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=1100 m,则,2）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,计算第四段套管许用长度 L4:实际距井口还有600m,取L4=600 m;校核第四段下部的抗挤强度：,安全,最终结果：L4=600 m,D4=600 m,最终设计结果,井口压力及套管柱设计例题,某井在直径为0.4445mm的井中下入直径为0.3397mm表层套管120m，下表套时钻井液密度为1.15g/cm3。其后，用直径为0.311mm钻头和0.127mm钻杆钻至2439m，下入直径为0.2445mm中间套管，管鞋处深度为2439m，水泥面深度100m，后用直径为0.2159mm钻头和0.127mm钻杆继续钻进至3658m产层，钻井液密度增至1.62g/cm3，下0.1778mm生产套管。根据该地区经验，在3658m附近会产生井涌，气层压力为4.65104kPa，气体侵入量为7.948m3，井涌时地面钻井液温度为38，地温梯度为2.91/100m，另在2439处钻井液密度1.2g/cm3，地层流体密度1.0782g/cm3，地层破裂压力（中间套管管鞋）为3.86104kPa（破裂压力梯度为15.83kPa/m），地层气体中含少量H2S。试计算中间套管在几种情况下的内压力,解：一：气体充满全部环空1.井口：2.管鞋处：,初选套管,钢级 壁厚螺纹 抗内压强度C-75 11.99LTC44402kPaL-80 11.05LTC43644kPaN-75 11.05LTC43644kPa,C-75(11.99)性能,钢级 壁厚螺纹 抗内压强度C-75 11.99LTC 44402(kPa)抗外挤强度 抗拉强度 平均线重31785(kPa)3789.9(kN)685.9(N/m),C-75(11.05)性能,钢级 壁厚螺纹 抗内压强度C-75 11.05LTC 40886(kPa)抗外挤强度 抗拉强度 平均线重25717(kPa)3451.8(kN)634.8(N/m),C-75(10.03)性能,钢级 壁厚螺纹 抗内压强度C-75 10.03LTC 37163(kPa)抗外挤强度 抗拉强度 平均线重20615(kPa)3087.1(kN)583.8(N/m),设计结果,段号井深段长钢级 壁厚螺纹 ST Sc SI 1 0-280 280 C-75 10.03LTC 2.326.26 1.12 2 280-1800 1520 C-75 11.05LTC 2.96 1.21 1.107 3 1800-2439 639 C-75 11.95LTC 20.28 1.107 1.107,第三章注水泥技术,1油井水泥,1油井水泥,基本概念回顾,注水泥在地面上将水泥浆通过套管柱注入到井眼与套管柱之间环形空间中，将套管柱与井壁岩石牢固地固结的过程。固井目的：1.将油、气、水层及复杂地层封固起来以利于进一步开采或钻进。2.固定套管。,注水泥方法,1.常规注水泥方法2.双级或多级注水泥方法3.内管法4.反循环注水泥方法5.延迟凝固注水泥方法,一、基本概念,1.油井水泥硅酸盐水泥中的一种，经特殊加工适用于油、气井固井专用的水泥。2.水泥浆 干水泥与水混合后（经常还要加入外加剂）形成的均质浆体。3.水泥石（水泥浆凝结硬化后的产物）水泥浆由液态变成固态,形成具有一定强度的固体状物质。,二、对油井水泥的基本要求(重点),1.水泥浆应能与外加剂配合，可调节各种性能；2.水泥浆具有良好的流动性，该性能从配制开始到注入套管被顶替到环空内一段时间内始终保持；3.水泥浆在井下的温度及压力条件下保持稳定性;4.水泥浆在规定时间内凝固并达到一定的强度；5.形成水泥石应有很低的渗透性能等。,三、水泥矿物成分(重点),3CaOSiO2（简写C3S）：(40-65)%高早强水泥：(60-65)%缓凝水泥：(40-45)%2CaOSiO2（C2S）:(24-30)%3CaOAl2O3（C3A）:抗硫酸盐水泥：3%以下(因对硫酸盐敏感)。较高早强度水泥：15%4CaOAl2O3Fe2O3（C4AF）:(8-12)%,各矿物成分含量,附加作用,C3A：决定水泥浆初凝、稠化时间；对流变性能有影响 对硫酸盐极为敏感。C4AF：降低水泥烧结温度,四、水泥凝结与硬化（一）水泥的水化反应,1）C3S的水化反应 3CaOSiO2+2H2O 2CaOSiO2H2O+Ca(OH)22）C2S、C3A及C4AF的水化反应 2CaOSiO2+H2O 2CaOSiO2H2O 3CaOAl2O3+6H2O 3CaOAl2O36H2O 4CaOAl2O3Fe2O3+6H2O 3CaOAl2O36H2O+CaOFe2O3H2O3）水化的C3A与二水石膏的水化反应 3CaOAl2O36H2O+3(CaSO42H2O)+20H2O 3CaOAl2O33CaSO432H2O,水化产物,水化产物：氢氧化钙、水化硅酸钙、水化铝酸钙、水化铁酸钙、水化硫铝酸钙。氢氧化钙：析出为巨大的晶体水化硫铝酸钙：较小晶体水化铝酸钙：更小晶体状态含水硅酸钙和含水铁酸钙：无定形体呈胶体状态。水化硅酸钙凝胶为纤维状薄片，从矿物颗粒上向外伸展出去，逐渐形成一连续的网状结构，与水化硫铝酸钙、氢氧化钙等晶体互相穿插，填充于水泥颗粒的空间，增加它们之间的粘结，使水泥强度不断提高。,（二）水泥凝结与硬化理论1.基本概念,1）水泥凝结与硬化：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。水泥浆逐渐由液态转变成固态，即为水泥的凝结与硬化2）水泥石：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。水泥浆逐渐由液态转变成固态，形成具有一定强度的固体状物质，即水泥石。3）水泥环：在井下环形空间中的水泥石。,2.水泥凝结与硬化理论,1）结晶理论2）胶体理论3）凝固理论4）凝聚结晶理论均不完善，不统一。但凝聚结晶理论能较好地解释固井过程中发生的一些重要现象。,3.凝聚结晶理论,1）凝聚网(两种可能)a.水泥水化和分散作用，使水泥在分散介质高度分散，表面积剧增，具有较大表面能，有自发减小的倾向，产生聚结形成网架结构。b.高度分散的胶体粒子（水化铁酸钙、水化硅酸盐、胶体大小的水泥细颗粒）在布朗运动作用下产生接触与碰撞，在一些适当接触点上粘接起来，由于胶体粒子足够，形成一个弱而具有可塑性的凝聚网，水泥浆变稠，直到失去流动性。,凝聚结晶理论（续）,2）结晶网随着水泥水化反应不断进行，硅酸盐、铝酸盐在过饱和溶液中以微小晶体析出。此后，聚结产生结晶，形成结晶网。由于微晶直接连接，之间无液膜，通过化学键连接，强度比凝聚网强度高几个数量级，其结构是不可逆的。凝结过程：在凝聚结晶网开始较弱，且具有触变性阶段。凝结过程：结晶网结构发展