《钻井工程》ppt课件第七章.ppt
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1、第七章 固井和完井 本章主要内容: 固井: 下套管、注水泥 井身结构设计 套管柱设计 注水泥技术 固井质量的核心问题就是套管柱的强度和环形空间的密封及胶结质量问题。 完井 钻开生产层 完井井底结构 完井井口装置,第一节 井身结构设计 内容:套管层次; 每层套管的下深; 套管和井眼尺寸的配合。一、套管的分类及作用 1、表层套管 封隔地表浅水层及浅部疏松和复杂地层。 安装井口、悬挂及支撑后续各层套管。 2、生产套管(油层套管) 钻达目的层后下入的最后一层套管。 用以保护生产层,提供油气生产通道。 3、中间套管(技术套管) 在表层套管和生产套管之间由于技术要求下入的套管,可以是一层、两层或更多层。
2、主要用来分隔井下复杂地层。 4、尾管(衬管),二、井身结构设计的原则 1、有效地保护油气层; 2、有效地避免漏、喷、塌、卡等井下复杂事故, 保证安全、快速钻井; 3、当发生井涌时,具有压井处理溢流的能力; 4、下套管过程中,不产生压差卡套管现象。 三、井身结构设计的基础数据 4个剖面:地层岩性剖面; 地层孔隙压力剖面; 地层破裂压力剖面; 地层坍塌压力剖面。 6 个设计系数: 抽吸压力系数:0.0240.048 激动压力系数:0.0240.048 压裂安全系数:0.030.06 井涌允量:0.050.08 压差允值P : P N = 1518MPa P A = 2123MPa,四、裸眼井段应满
3、足的力学平衡 (1) 防井涌 (2) 防压差卡井 (3) 防井漏 (4) 防关井井漏其中: 钻井液密度, 裸眼井段内使用的最大钻井液密度, 裸眼井段钻遇的最大地层压力的当量泥浆密度, 最大地层孔隙压力所处的井深,m 裸眼井段钻遇的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,m 裸眼井段最小地层破裂压力的当量泥浆密度, 套管下入深度,m 套管鞋处地层破裂压力的当量泥浆密度,,五、井身结构设计方法 1、求中间套管下入深度的初选点 (1)不考虑发生井涌 由 计算出 ,在破裂压力曲线上查出 所在的井深 ,即为中间套管下入井深的初选点。 (2)考虑可能发生井涌 由 用试算法求 ;先试取一个
4、 ,计算 ,将计算出的 与 所查得的 比较,若计算值与实际值相差不大且略小于实际值,可以确定 为中间套管的初选点,否则,重新进行试算。 一般情况下,在新探区,取以上(1)、(2)两种条件下的 的较大值。,2、验证中间套管下到 深度 是否有被卡危险 首先求出裸眼可能存在的最大静压差: :钻进至 遇到的 最大地层压力的当量泥浆密度。 :最小地层孔隙压力所处的井深,m (当有多个最小地层压力点时,取最大井深) 若 ,则确定 为中间套管的下入深度 。 若 ,则中间套管应小于初选点的深度,需根据压差卡钻条件确定中间套管的下深。 求在压差 条件下所允许的最大地层压力为:,在地层压力曲线上找出 所在的深度即
5、为中间套管的下深 。,3、求钻井尾管下入深度的初选点 根据中间套管鞋处的地层破裂压力当量密度 ,求出继续向下钻进时 裸眼井段所允许的最大地层压力当量密度: 用试算法求 ;先试取一个 ,计算 ,与 处的实际地层压力当量密度比较,若计算值与实际值相接近,且略大于实际值,则确定 为尾管的初选点,否则,另取 重新进行试算。4、校核尾管下入到 是否有被卡危险 校核方法与中间套管的校核方法相同。只是将压差允值 P N 换成P A。,根据上式,用试算法确定 试取一个 ,计算 ,计算值与 处地层破裂压力当量密度比较,若计算值接近且小于地层破裂压力值,则确定 为表层套管的下深,否则,重新试取 进行试算。,5、计
6、算表层套管下入深度 根据中间套管鞋处的地层压力当量密度 ,计算出若钻进到深度 发生井涌关井时,表层套管鞋 处所承受的井内压力当量密度:,五、设计举例 某井设计井深为 4400 m;地层孔隙压力梯度和地层破裂压力梯度的 剖面如图 7-2 。给定设计系数: Sb = 0.036 ; Sg =0.04 ;Sk = 0.06 ;Sf = 0.03 ; = 12 Mpa ; = 18MPa ;试进行该井的井身结构设计。 解: 由图上查得, (1)确定中间套管下入深度初选点 由 试取 =3400 m,并带入上式得: 由破裂压力曲线上查得 且接近。 故确定 = 3400 m 。,(2)校核中间套管是否会被卡
7、 由地层压力曲线上看出,钻进到深度 =3400 m,遇到最大地层压力就在3400 m处,查得 = 1.57 ; =1.07 ; 由,因 =12 Mpa , 故中间套管下深应浅于初选点。由,在地层压力曲线上查得 =1.435对应的深度为3200m,最后确定中间套管的下深 =3200 m。,(3)确定尾管下深的初选点 由破裂压力曲线上查得: 由: 试取 =3900m,带入上式算得, 由地层压力曲线查得, ,且相差不大,故确定初选点 =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 =3900m 。,(5)确定表层套管下深 由:,试取 = 850 m ,代入上式计算得,由
8、破裂压力曲线查得且相近,故确定 =850 m。,六、套管尺寸和井眼尺寸的选择 目前我国使用最多或者说是唯一的套管钻头系列是:,套管和井眼尺寸确定一般是由内到外进行,首先根据采油工程等方面得要求来确定油层套管的尺寸,然后确定与油层套管相匹配的钻头。 套管与井眼之间的间隙与井身质量、固井水泥环强度要求、下套管时井内的波动压力、套管尺寸的因素有关,最小间隙为9.5 mm ;最大间隙达76 mm。 目前,根据套管的层次不同,已基本形成了较稳定的系列。,第二节 套管柱的设计一、套管和套管柱套管:优质无逢钢管,一端为公扣,直接车在管体上;一端为带母扣的套管接箍。套管的尺寸系列: API标准: 共14 种。
9、 壁厚:5.2116.13 mm;套管的钢级 (8种10级) API标准:H-40 ,J-55 ,K-55 ,C-75 ,L-80 ,N-80 ,C- 90 ,C-95 ,P-110,Q-125。(数字*1000为套管的最小屈服强度 kpsi)。连接螺纹的类型 API标准:短圆(STC)、长圆(LTC)、梯形(BTC)、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连接组成的管柱,特殊情况下也使用无接箍套管柱。二、套管柱的受力分析及套管强度 套管柱在井内所受外载复杂。在不同时期(下套管过程中、注水泥时、后期开采等过程中)套管柱受力也不同。 在分析和设计中主要考虑基本载荷:
10、轴向拉力、外挤压力、内压力。 套管柱设计时按最危险情况考虑。 1、轴向拉力及套管的抗拉强度 (1)套管的轴向拉力 自重产生的拉力、弯曲产生的附加拉力、注水泥时产生的附加拉力、动载、摩阻等。,自重引起的拉力 第 I 种套管在钻井液中单位长度的重力,N/m ; 第 I 种套管的长度, m ; n 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 经验公式 : KN 在为定向井、水平井以及狗腿度严重的直井中设计套管柱时,应考虑弯曲引起的附加拉力。 Dco套管外径,cm ;Ac 套管截面积, 每25m 井斜角的变化,,注水泥引起的附加拉力 KN其它附加拉力 上提或下放套管时的动载、井壁摩擦力等
11、; 一般在安全系数中考虑。(2)套管的抗拉强度 套管所受轴向拉力一般在井口最大 由拉应力引起的破坏形式: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,2、外挤压力及套管的抗挤强度 (1)外挤压力 主要载荷:管外液柱压力、地层中流体的压力、高塑性 岩石(盐膏层、泥页岩)的侧向挤压力等。 常规情况下按套管全掏空时的管外压力计算: kPa 有大段盐膏层的特殊情况下,有时将上式中的钻井液密 度替换为上覆岩层压力的当量密度进行计算。 (2)套管的抗挤强度 外挤载荷作用下的破坏形式: 径厚比较大时,失稳破坏(失圆、挤扁) 径厚比较小时,强度破坏 根据现有的套管尺寸,绝大部分是失稳破坏,其抗挤强
12、度可以在钻井手册或套管手册中查得。,(3)双向应力下的套管强度 从套管内部取微小单元(如图),分析可知,在外载作用下产生三个方向的应力 对于薄壁管, 可以忽略。变为双向应力问题。 由第四强度理论: 变换为椭圆方程:,按拉为正、压为负,根据以上方程可画出椭圆图形。,轴向受压抗内压强度降低,轴向拉力抗内压强度增加,轴向受压抗外挤强度增加,轴向拉力抗挤强度降低,在椭圆图上, 的百分比为纵坐标, 的百分比为横坐标.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 轴向拉力的存在下使套管的抗内压强度增加. 第二象限: 轴向压缩与内压联合作用 在轴向受压的条件下套管的抗内压强度降低. 第
13、三象限: 轴向压应力与外挤压力联合作用 在轴向受压的条件下套管的抗外挤强度增加. 第四象限:轴向拉应力与外挤压力联合作用 轴向拉力的存在下使套管的抗外挤强度降低. 由于这种情况在套管柱中经常出现的,因此在套管柱设计中应当考虑轴向拉力对抗挤强度的影响.,考虑轴向拉力影响时的抗外挤强度公式的推导: 如图:,由双向应力椭圆方程,当 =0时,根据上式则有:,将 和 的表达式代入双向应力椭圆方程,并进行适当的简化,即可得到考虑轴向拉力影响时抗外挤强度近似公式:,Fm轴向拉力, KN; Fs管体屈服强度,KN;,,Mpa,3、内压力及抗内压强度 (1)内压力 考虑到套管外的平衡压力,一般情况下,套管在井口
14、所受的内压力最大。计算时,考虑三种最危险情况。 套管内完全充满天然气并关井时的内压力; 以井口装置的承压能力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。,井底气压,Mpa天然气与空气密度比,0.55,实际设计时,通常按套管内完全充满天然气时计算。 套管鞋处地层破裂压力梯度,Mpa/m ; 附加系数,一般取0.0012 Mpa/m ;,(2)套管的抗内压强度 内压载荷下的主要破坏形式: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(3)套管的腐蚀 原因:在地下与腐蚀性流体接触 破坏形式:管体的有效厚度减小,套管承载力降低,钢材性质变化, 引起套管腐蚀的主要介
15、质有:气体或液体中的硫化氢、溶解氧、二氧化碳; 抗硫套管:API套管系列中的 H K J C L级套管。,三、套管柱强度设计目的: 确定合理的套管钢级、壁厚以及每种套管井深区间。 1、设计原则 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 应能满足钻井作业、油气层开发和产层改造的需要; 在承受外载时应有一定的储备能力 经济性要好 安全系数 抗外挤安全系数 Sc = 1.0 抗内压安全系数 Si = 1.1 套管抗拉强度(抗滑扣)安全系数St = 1.8,2、常用套管柱设计方法 (1)安全系数法 该方法的基本设计思路是使各个危险截面上的最小安全系数等于或大于规定的安全系数
16、。 下部套管按抗挤设计,水泥面以上考虑双向应力,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。 另外还有最大载荷法、AMOCO法、西德BEB法及前苏联的方法等。3、各层套管柱的设计特点 表层套管:主要考虑内压载荷; 技术套管:既要有较高的抗内压强度,又要有抗钻具冲击磨损的能力。 油层套管:上部抗内压,下部抗外挤。,4、套管柱设计的等安全系数法 (1)基本设计思路 计算本井可能出现的最大内压力,筛选符合抗内压强度的套管 下部套管段按抗挤设计,上部套管段按抗拉设计,各危险断面上的最小安全 系数要大于或等于规定的安全系数。 通式:套管强度 外载安
17、全系数 水泥面以上的套管强度要考虑双向应力的影响 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。,(2)设计步骤: 例题:某井177.8 mm (7 英寸)油层套管下至3500 m,下套管时的钻井液密度为1.30 ,水泥返至2800 m ,预计井内最大内压力 35 Mpa ,试设计该套管柱 (规定最小段长500 m ). 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
18、 C-75 L-80 C-90 C-95 P-110,按抗挤设计下部套管段,水泥面以上进行双向应力校核 1) 计算最大外挤力, 选择第一段套管 查表: 2) 选择第二段套管;(选择强度低一级的套管,确定第一段套管强度,进行第一段的抗拉强度校核) 查表: 计算第二段套管可下入深度 ,确定第一段套管长度 。,取 = 2900 m, 双向应力强度校核,最终确定 和 =2900 m 2800 m ,超过水泥面,考虑双向应力影响。 危险截面 : 水泥面 2800 m 处,不安全,解决办法: 将第一段套管向上延伸至水泥面以上。 预定 =2700 m , = 800 m ;, 重新进行双向应力强度校核: (
19、按照以上同样的方法进行) 套管1 : 危险截面为 2800 m 处,Sc= 1.29 1.0 安全 套管2: 危险截面为 2700 m 处,Sc = 1.02 1.0 安全 计算套管抗拉安全系数,安全,最终结果: = 2700 m , =800 m;3)选择第三段套管,确定第二段套管长度 查表:, 考虑双向应力影响,确定第三段套管可下深度: 由 :,采用试算法,取 =1700 m , 计算得 Sc= 1.03 安全计算第二段顶部的抗拉安全系数,安全, 最终结果 =1700 m , =1000m,还有上部1700 米处的套管需进行设计,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
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