中海油固井学习班概要ppt课件.ppt

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1、固 井,概述,第一部分 套管柱设计,第二部分 油井水泥,第三部分 影响注水泥质量的因素,概述,1、工艺介绍下套管注水泥候凝检测评价,概述,2、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,概述,3、内容套管与下套管水泥与注水泥,概述,4、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、能经受高压挤注的考验,第1部分 套管柱设计,一、套管规范简介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

2、的套管。即套管系列。对所用的套管系列作一个统一规定，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。,一、套管规范简介,1、尺寸系列（又叫名义外径或公称直径）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”.,一、套管规范简介,2、钢级系列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

3、(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,一、套管规范简介,3、套管螺纹类型与螺纹连接API标准螺纹类型：短园螺纹，STC, CSG, C1长园螺纹，LTC,LCSG, C2梯型螺纹，BTC,BCSG, C33直连型螺纹，XL, XCSG, C11X与螺纹类型相对应的螺纹连接也有四种。 螺纹连接指套管本体与结箍之间的连接。 另有一些非标准螺纹由厂家定义。,一、套管规范简介,如何选用这些套管，选择原则：外载安全系数 套管强度,第1部分 套管柱设计,二、套管外载分析与套管强度计算（一）、载荷分类与

4、特点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,二、套管外载分析与套管强度计算,轴向拉力：自重、浮力,W,二、套管外载分析与套管强度计算,径向外挤压力：管外液柱压力地层挤压环空加压,二、套管外载分析与套管强度计算,径向内压力：管内流体压力压裂作业等压力,二、套管外载分析与套管强度计算,2、动载特点：瞬时地、单一地作用在套管上。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,二、套管外载分析与套管强度计算,作用在套管上的主要载荷应是：轴向拉力外挤压力内压力,二、套管外载分析与套管强度计算,（二）、轴向拉力

5、与套管抗拉强度1、轴向拉力计算1.1套管自重产生的轴向拉力,浮力对轴向载荷有减小作用，因此，设计时考虑与不考虑浮力时的选用的安全系数应有一定区别,二、套管外载分析与套管强度计算,(1).不考虑浮力时套管自重拉力分布规律：在套管柱上由下向上逐渐增大最大值位置：井口处计算方法：,T井口处套管轴向拉力, KNq单位长度套管的重量，N/mL套管长度，m,二、套管外载分析与套管强度计算,(2). 考虑浮力时套管自重拉力浮力考虑方法：浮力系数法， 台阶力法计算方法：,Tb套管在泥浆中的重量，KNBF浮力系数,二、套管外载分析与套管强度计算,1.2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

6、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扣除弯曲效应的影响，其计算公式见课本，P.78.,二、套管外载分析与套管强度计算,1.3 其它附加拉力 在一般的套管设计中，没有具体考虑这些附加拉力，而是通过安全系数的选用将其概括在内。,二、套管外载分析与套管强度计算,2、轴向拉力作用下的套管强度(抗拉强度）2.1 轴向拉力作用下套管的失效形式(1)丝扣（接箍）滑脱(2)丝扣断裂(3)管体断裂(4)氢脆,二、套管外载分析与套管强度计算,2.2 套管抗拉强度的选用抗拉强度min丝扣部分抗拉强度，管体抗拉

7、强度,二、套管外载分析与套管强度计算,（三）、外挤压力与套管抗挤强度1.外挤压力计算1.1外挤压力的计算考虑方法：管内按全掏空的最危险状态考虑计算方法：,Pe外挤压力，MpaH计算点深度，mm管外泥浆（或盐水）密度，g/cm3,二、套管外载分析与套管强度计算,外挤力分布：沿井深增加，最大在井底。说明：a.水泥环有一定的承载能力，实际的外挤力在水泥面以下没有这么大，可分段考虑；b.在有易流动地层的情况下（如盐岩层、泥盐层），套管所受的外挤力应按上覆岩层的压力梯度计算；c.在很多井中，并不可能发生全掏空的外挤状态，故按上面方法计算出的外挤力偏大，这样便可能造成选择套管的浪费。现行的方法是根据各层套

8、管具体可能出现的最大工况，按有效载荷计算。,二、套管外载分析与套管强度计算,1.2有效外挤压力计算计算方法：Pe=Pc-Pi 其中Pi的计算方法不同，也使得Pe有多种算法。,二、套管外载分析与套管强度计算,2.套管的抗挤强度（单一外力作用）2.1套管在外挤力下的失效形式套管径厚比的范围不同，套管破坏的形式也有所不同，其变化相似于受压直杆件的破坏。细长杆压弯（失稳）短粗杆塑性变形破坏,二、套管外载分析与套管强度计算,套管按径厚比分类为：厚壁：D/t 10中厚壁：10 30 套管失效形式主要是失稳破坏，而不是强度破坏。失稳后的套管被挤扁或破裂，P.82 图93,二、套管外载分析与套管强度计算,2.

9、2套管抗挤强度计算 API根据上面套管的不同失效形式，给出了一套抗挤强度计算公式，即：最小屈服抗挤强度最小塑性抗挤强度最小塑弹性抗挤强度最小弹性抗挤强度具体公式见书P.82,式9-10至9-13,二、套管外载分析与套管强度计算,3.套管在多向载荷作用下的强度变化与计算3.1套管双轴应力椭圆a.方程建立 由材料力学理论可知，套管在外载作用下，其单元体上受三个正应力作用，,z轴向应力t周向应力r径向应力,z,t,r,二、套管外载分析与套管强度计算,这三个应力共同作用时合成应力为（Mises方程）：,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其平衡方程有：,二、套管外载分析与套管强度

10、计算,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、套管外载分析与套管强度计算,b.方程意义反映z与s之关系，表示套管所受多向载荷时，套管内轴向应力与周向应力的关系。,t /s,z/ s,二、套管外载分析与套管强度计算,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 0 0 拉伸内压 z，t 0 压缩内压 z，t 00 拉伸外挤 z，t,二、套管外载分析与套管强度计算,3.2轴向拉力作用下套管抗挤强度的计算a.计算公式,二、套管外载分析与套管强度计算,b.计算举例直接由Tb/Ts

11、计算K查表求K法,二、套管外载分析与套管强度计算,（四）、内压力与套管抗内压强度1.内压力计算考虑状态：内压力为最大一般为井喷关井后或酸化压裂时。内压分布：以井口为最大计算方法：按井口关闭，全井充气计算：井口压力Ps为：,Pb地层压力,二、套管外载分析与套管强度计算,以井口装置的许用最高压力作为井口压力以有效内压力计算,有效内压力有效内压力井口压力管内压力管外压力,二、套管外载分析与套管强度计算,2.套管的抗内压强度2.1套管在内压作用下的失效形式套管在内压力下的破坏一般属于强度破坏。2.2抗内压强度的计算 套管管体和接箍处的抗内压强度可能不一致，故需同时计算套管管体与丝扣处的抗内压强度。公式

12、：,薄壁圆筒理论,第1部分 套管柱设计,三、套管柱设计方法(一).设计原理套管柱设计实际上是如何选择套管使之能满足井下各种外载状态的方法。1.选择依据外载安全系数 套管可用强度,三、套管柱设计方法,选择原则：应能满足钻井、开发和产层改造的工艺要求，能满足各种条件下各种作业情况以及地层的要求；考虑一定的安全储备；经济性。,三、套管柱设计方法,工程上对选择套管的有关限制：在要求抗腐蚀的条件下，应先选用抗硫套管或高一钢级的套管；套管段数和种类的数量不应太多，一般应小于45段；井口一根套管应为全井最大壁厚；对复杂井要计算井口的瞬时最大载荷。,三、套管柱设计方法,2.选择步骤a.确定套管在井下可能遇到的

13、最大外载情况；,三、套管柱设计方法,b.确定使用的安全系数范围： 根据套管强度的计算方法和室内套管强度的试验，井下套管受力状态的考虑以及使用的套管设计方法等因素，确定一个可用的安全系数范围.抗挤：1.00-1.50，一般为1.00-1.125抗拉：1.60-2.00，一般为1.8-1.9抗内压：1.00-1.75,一般为1.10-1.33,常用1.10,三、套管柱设计方法,c.计算出不同井深下套管所需的各种强度，从现有套管中选择出满足这些要求的套管；,三、套管柱设计方法,d.对所选套管进行校核和调整,三、套管柱设计方法,3.等安全系数设计法3.1设计原则 要求所设计的各段套管的最小安全系数应等

14、于规定的安全系数值。安全系数套管强度/计算外载,三、套管柱设计方法,3.2设计考虑的外载状态轴向力：考虑浮力作用下的套管自重（弯曲段加弯曲应力）外挤力：管内全掏空时的最危险状态，有特殊地层段单独按上覆岩层压力梯度设计；内压力：以有效内压力考虑,三、套管柱设计方法,3.3设计方法：外载特点:井底位置主要受外挤压力作用最大，在井口部位主要受拉力与内压力作用较大设计方法:从下往上，先抗挤后抗拉,三、套管柱设计方法,3.4设计步骤：,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选套管，按套管抗拉强度

15、计算其可下深度注意：抗挤应按双轴应力进行计算,第2部分油井水泥,一、油井水泥组成与水化凝结过程水泥生料（碳酸盐矿物、粘土质原料和调节材料）经粉碎、磨细、混合在1450度高温下焙烧加入一定量的石膏磨细油井水泥,第2部分油井水泥,它与水混合后配制成水泥浆，注入到套管与井眼的环空中，经一定时间的水化、凝结和硬化后达到封固环空的目的。固井质量的一个方面是有可靠的密封，这便要求使用的水泥在强度等性能方面均具备较高的指标。而影响油井水泥这些性能的因素与它内部的矿物成分的含量是密切有关的。,一、油井水泥组成与水化凝结过程,1.油井水泥的主要矿物成分硅酸三钙：3CaOSiO2,简写：C3S硅酸二钙：2CaOS

16、iO2,简写：C2S铝酸三钙：3CaOAl2O3,简写：C3A铁铝酸四钙：4CaOAl2O3Fe2O3,简写：C4AF这四种矿物成本占总量的87以上，各种成分在水泥的水化过程中有不同的特点，故各种成分的含量不同，其水泥的性能也有所不同。,一、油井水泥组成与水化凝结过程,2.水泥的凝结与硬化2.1水化反映水泥矿物与水混合后，发生水化反映，生成各种水化产物。水泥浆将逐渐由液态转变为固态，这个过程叫水泥的凝结与硬化过程。,一、油井水泥组成与水化凝结过程,水泥的水化反映：a.C3A的水化反映b.C3S,C2S,及C4AF的水化反映c.水化的C3A和二水石膏的水化反映（水化式见P.99)随着水化的不断进

17、行，水泥浆中的硅酸盐水化合物，铝酸盐水化合物、铁铝酸盐水化物等在容液中的浓度不断增加，逐渐使微小晶体形成凝聚结构，从而促成水泥的凝结和硬化。,一、油井水泥组成与水化凝结过程,2.2水泥的凝结与硬化“凝聚结晶”理论基本思想认为水泥在凝结和硬化过程要形成两种不同类型的三维空间网，及凝聚网和结晶网。由于凝聚结晶网的不断增强，最后形成水泥的硬化。凝聚网的形成：结晶网的形成：水泥的凝固过程：,一、油井水泥组成与水化凝结过程,a.凝结过程水化由颗粒表面深入胶态粒子增多晶体开始联结-凝聚网b.硬化过程水化深入晶体析出相互联结结晶网-硬化成微晶结构,一、油井水泥组成与水化凝结过程,3.油井水泥分类依据：适用温

18、度区别：矿物成本含量与细度不同,二、油井水泥的物理性能,1.概念：水泥配成水泥浆后，衡量水泥浆特性的有关参量。2.标准：API标准10,二、油井水泥的物理性能,3.具体性能：水泥浆密度水泥颗粒的细度水泥浆的凝结时间水泥浆的稠化时间水泥浆失水水泥浆流变性水泥浆自由液水泥石强度水泥石渗透性,二、油井水泥的物理性能,4.影响油井水泥性能的因素4.1矿物成分对水泥性能的影响：硅酸三钙：含量最高，40-60，水化反映速度快，128天早期强度高、最终强度大；,二、油井水泥的物理性能,硅酸二钙：含量中等，20-40%水化反映速度慢，强度增长慢，后期强度可达到较高值；,二、油井水泥的物理性能,铝酸三钙：含量低

19、，10%水化反映非常强烈、是促进水泥快速水化的物质，但最终强度不大。,二、油井水泥的物理性能,铁铝酸四钙：含量低，10左右水化速度仅次于铝酸三钙，早期强度增长快，但早期强度与晚期强度差值不大，且绝对强度值不大。对水泥强度影响很小，含量过大可使强度过早减退。,二、油井水泥的物理性能,通过调节水泥矿物成分的含量，便可获得各种适用于不同要求的油井水泥，如：要求实现方法高的早期强度增加C3A含量、细磨缓凝性能好控制C3A和C3S含量、粗磨低水化热限制C3A和C3S含量高抗硫能力限制C3AS含量3,二、油井水泥的物理性能,强度,时间,C2S,C3S,C3A,C4AF,二、油井水泥的物理性能,4.2混合材

20、料对水泥性能的影响4.3温度压力对水泥性能的影响,二、油井水泥的物理性能,5.水泥性能的调节油井水泥外加剂缓凝剂速凝剂减阻剂降失水剂降密度剂加重剂防漏剂,第3部分 注水泥设计与影响注水泥质量的因素,引言：注水泥过程介绍；注水泥设计内容简介,一、注水泥质量要求,水泥浆返高和套管内水泥塞必须符号设计要求；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；水泥石能抗腐蚀,一、注水泥质量要求,顶替效率概念,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、注水泥质量要求,关键：提高注水泥顶替效率防止水泥浆候凝

21、期间油气水窜,二、提高注水泥顶替效率,1.影响注水泥顶替效率的因素套管在井内的居中情况驱替力与阻力情况，偏心影响水泥浆在顶替过程中的流动状态紊流与塞流顶替原理紊流顶替时，液体流过封隔层的接触时间泥浆的触变性水泥浆与泥浆的密度差,二、提高注水泥顶替效率,2.提高顶替效率的措施 a.加扶正器，保证套管居中度b.活动套管c.调整泥浆性能,二、提高注水泥顶替效率,d.使用紊流或塞流顶替调整水泥浆流变性能使用前置液和稀水泥浆实现紊流顶替e.增加接触时间使用前置液增加水泥浆量,三、防止水泥浆凝结期间油气水窜,1.油气水窜的基本原因1.1顶替效率不好，有窜槽,三、防止水泥浆凝结期间油气水窜,1.2环空压力 + 流动阻力 地层压力造成这一情况的原因主要有：a.环空实际静液柱压力不够（如水泥返高不够造成的压力过低）b.环空水泥浆失重（主要介绍）失重原因：胶凝、桥堵,三、防止水泥浆凝结期间油气水窜,1.3其它原因a.泥饼干裂b.水泥石外观体积收缩形成微环隙c.管内憋压候凝造成的微环隙,三、防止水泥浆凝结期间油气水窜,2.防止环空油气水窜的措施从工艺上：限制水泥返高，防止失重过大；采用多种凝结时间的水泥浆结构；环空憋压候凝使用多级注水泥,三、防止水泥浆凝结期间油气水窜,从水泥浆设计上使用充气或膨胀水泥浆使用不渗透水泥控制水泥浆的失水,