《完井工程》PPT课件.ppt

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1、固井与完井固井与完井本章主要内容本章主要内容 井深结构设计井深结构设计 固井固井 完井完井概述概述1.固井：固井：是油气井建井过程中的一个重要环节，它包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。括下套管和注水泥两个过程。2.下套管：下套管：在已钻成的井眼中按规定深度下入一定直径、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。由某种或几种不同钢级及壁厚的套管组成的套管柱。3.注水泥注水泥在地面上将水泥浆通过套管柱注入到井眼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，将套管柱与井壁岩与套管柱之间环形空间中，将套管柱与井壁

2、岩石牢固地固结的过程。石牢固地固结的过程。固井目的：固井目的：将油气水层及复杂地层封固起来以利于进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。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.完井完井也称油井完成，包括钻开生产层，确定完也称油井完成，包括钻开生产层，确定完井的井底结构，使井眼与产层连通，安装井底井的井底结构，使井眼与产层连通，安装井底及井口等环节。及井口等环节。第一章井身结构设计第一章井身结构设计一、井身结构定义一、井身结构定义 套管层次、套管下入深度以及井眼尺套管层

3、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。寸（钻头尺寸）与套管尺寸的配合。目的目的 保证安全、优质、快速和经济地钻达目的层 内容 下入套管层数下入套管层数 各层套管的下入深度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选择合适的套管尺寸与钻头尺寸组合井身结构海平面23米MSL 23m339.75mm套管下深1853.46米13-3/8 CSG 1853.46m444.50mm井眼钻深1860米17-1/2 HOLE 1860m转盘面(深度基准面)RKB(Datum Plane)海底泥线109.66米MUD LINE 109.66m244.48mm套管下深2884.95米

4、9-5/8 CSG 2884.95m311.15mm井眼钻深2900米12-1/4 HOLE 2900m762mm导管下深163.36米30 CSG 163.36m914.40mm井眼钻深166.66米36 HOLE 166.66m508mm套管下深549米20 CSG 549m660.40mm井眼钻深556米26 HOLE 556mP256 1.1.导管导管 钻表层井眼时，将钻井液从地表引导到钻钻表层井眼时，将钻井液从地表引导到钻台平面上来。台平面上来。2.2.表层套管表层套管 (1)(1)防止浅层水受污染，封闭浅层流砂、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。砾石层及浅层

5、气等复杂地层。(2)(2)在井口安装套管头，并通过套管头悬在井口安装套管头，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。层压漏，产生井下井喷。二、套管类型二、套管类型 l l3.3.技术套管（中间套管）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。是一层，也可两层或多层。l l封隔坍塌、易漏等复杂地层封隔坍塌、易漏等复杂地层l l封隔不同的压力体系封隔不同的压力体系 l4.4.衬

6、衬管（管（尾管尾管）：技术尾管技术尾管 生产尾管（图）生产尾管（图）在已下入一层中间套管后采用，在裸眼井段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。下套管注水泥，套管不延伸至井口。尾管挂深 m技套2水泥返深 m技套1水泥返深 m表层 钻头 mm m套管 mm m技套2 钻头 mm m 套管 mm m技套1 钻头 mm m 套管 mm m生产层 钻头 mm m 套管 mm ml l钻井衬管的优点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减轻下套管时钻机的负荷及固井后套管头的负荷荷可节省大量套管和水泥，降低固井成本。可节省大量套管和水泥，降低固井成本。减少压

7、差卡套管减少压差卡套管l l5.5.油层套管（生产套管）油层套管（生产套管）为油气生产提供流通通道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、井喷等井下复杂情能避免产生井漏、井塌、井喷等井下复杂情况况,为全井安全、优质、快速和经济地钻进为全井安全、优质、快速和经济地钻进创造条件；创造条件；下套管时，井内钻井液柱的压力和地层压力下套管时，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。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

8、压力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；不致压裂上层套管处最薄弱的裸露地层；能有效保护油气层能有效保护油气层，使不同压力地层免受钻，使不同压力地层免受钻井液的损害。井液的损害。井井深深l1.1.四个压力剖面四个压力剖面地层压力地层压力(当量密度当量密度)地层破裂压力地层破裂压力(当量密度当量密度)坍塌压力剖面坍塌压力剖面漏失压力剖面漏失压力剖面2.2.五个工程参数（设计系数）五个工程参数（设计系数）四、井身结构设计基础数据四、井身结构设计基础数据四、井身结构设计系数四、井身结构设计系数1.1.公用系数：公用系数：抽吸压力系数抽吸压力系数S Sb b b b

9、地层压裂安全增值地层压裂安全增值S Sf f f f2.2.正常作业：正常作业：激动压力系数激动压力系数S Sg g g g3.3.出现溢流：出现溢流：地层压力增加值地层压力增加值 S SK K 4.4.最大允许压差最大允许压差P(PP(PN N、PaPa)井身结构设计系数井身结构设计系数抽吸压力系数抽吸压力系数S Sb b b b 上提钻柱时，由于抽吸作用使井内液柱压力降上提钻柱时，由于抽吸作用使井内液柱压力降低的值，用低的值，用当量密度当量密度表示；表示；激动压力系数激动压力系数S Sg g g g 下放钻柱时，由于钻柱向下运动产生激动压下放钻柱时，由于钻柱向下运动产生激动压力使井内液柱压

10、力的增加值，用当量密度表示；力使井内液柱压力的增加值，用当量密度表示；地层压裂安全增值地层压裂安全增值S Sf f f f 为了避免上部套管鞋处裸露地层被压裂的地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；与预测层破裂压力安全增值，用当量密度表示；与预测精度有关。精度有关。井身结构设计系数井身结构设计系数井涌允值井涌允值S SK K K K由于地层压力预测误差所产生的井涌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；量允值，（增加值），用当量密度表示；与地层压力预测精度有关。与地层压力预测精度有关。最大允许压差最大允许压差 PPN N N N

11、：正常压力井段；正常压力井段；P Pa a：异常压力井段。异常压力井段。l l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 l l在正常压力地层：PN=11-17MPa l l在异常压力井段：Pa=14-22MPa井身结构设计系数井身结构设计系数五、井身结构设计关键参数五、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：l lmmaxmmax: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；l lpmax:该

12、井段的最大地层压力当量密度；l lSb: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 b=0.024-0.048 g/cm3.2.最大井内压力当量密度（梯度）最大井内压力当量密度（梯度）a.正常作业（起下钻、钻进）：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压力增高，设由于压力激动使井内的压力增加值为加值为Sg，则最大井内压力当量密度为：则最大井内压力当量密度为：Sg:激动

13、压力梯度当量密度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 k,则最大井内压力梯度为：S Sk k=0.060 g/cm=0.060 g/cm3 3 上式只适用于最大地层压力所对应的井深上式只适用于最大地层压力所对应的井深D Dpmaxpmax处，处，而对于井深为而对于井深为D D2121的任意井深处的井内压力当量的任意井深处的井内压力当量密度为：密度为：井身结构设计关键参数3.套管下深的临界条件 l l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

14、一井段的最大地层破裂压力满足：l lf f:上一层套管下入深度处裸露地层的破裂压力梯度；g/cm3 l lSf f：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 f=0.03-0.06 g/cm3井身结构设计关键参数l l井身结构设计关键参数(不发生井涌)l l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五、井身结构设计关键参数（一）油层套管设计（一）油层套管设计油层套管油层套管下深下深取决于油气层的位置取决于油气层的位置和完井方法，和完井方法，直径直径一般由甲方来定。一般由甲方来定。六、井身结构设计六、井身结构设计二、中间套管设计步骤和方法二、中间套管设计步骤和方法 l

15、1.1.中间技术套管下入深度初选点中间技术套管下入深度初选点D D21212121的确定的确定(1)(1)不发生井涌时：不发生井涌时：f f:在设计套管层所在的裸眼井段内，在最大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，裂所应有的地层破裂压力梯度，g/cmg/cm3 3;PmaxPmaxPmaxPmax:裸露井段预计的最大地层压力梯度，裸露井段预计的最大地层压力梯度，g/cmg/cm3 3;通过作图确定初选点通过作图确定初选点D D21212121中间套管下入深度初选点中间套管下入深度初选点D21

16、D21的确定的确定D21（2 2）发生井涌时：发生井涌时：f f:在设计套管层所在的裸眼井段发生溢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裸露地层不致破裂所应有的地层破裂压力梯度，梯度，g/cmg/cm3 3;D D D D21212121:设计层套管的初始下入深度，设计层套管的初始下入深度，m;m;D Dpmaxpmax:最大地层压力所对应的井深最大地层压力所对应的井深,m,m。通过试算确定通过试算确定初选点初选点D21D21中间套管下入深度初选点中间套管下入深度初选点D21D21的确定的确定

17、下入深度初选点下入深度初选点D21D21的确定注意事项的确定注意事项 l l比较正常钻井情况下和发生溢流情况下的最小地比较正常钻井情况下和发生溢流情况下的最小地比较正常钻井情况下和发生溢流情况下的最小地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，溢流时层破裂压力，一般地，溢流时层破裂压力，一般地，溢流时层破裂压力，一般地，溢流时f f f f 不会发生液流不会发生液流不会发生液流不会发生液流f f f f,因此通常按溢流时因此通常按溢流时因此通常按溢流时因此通常按溢流时f f f f计算，只有在肯定不会发计算，只有在肯定不会发计算，只有在肯定不会发计算，只有在肯定不会发生液流

18、的情况下，才按不溢流时生液流的情况下，才按不溢流时生液流的情况下，才按不溢流时生液流的情况下，才按不溢流时f f f f计算。计算。计算。计算。l l l l对于技术套管，首先计算出对于技术套管，首先计算出对于技术套管，首先计算出对于技术套管，首先计算出f f f f，然后然后然后然后通过作图通过作图通过作图通过作图或或或或数字计算数字计算数字计算数字计算的方法找到地层破裂压力为的方法找到地层破裂压力为的方法找到地层破裂压力为的方法找到地层破裂压力为f f f f的井深，的井深，的井深，的井深，该井深即为技术套管下入的初选点该井深即为技术套管下入的初选点该井深即为技术套管下入的初选点该井深即为

19、技术套管下入的初选点D D D D21212121 。中间套管下入深度初选点中间套管下入深度初选点D21D21的确定的确定2.2.校核套管在下入井深校核套管在下入井深(初选点初选点)D)D21212121过过程中是否会发生程中是否会发生压差卡套管压差卡套管校核是否会发生压差卡套管校核是否会发生压差卡套管 压差公式压差公式 l l所用最大钻井液密度与最小地层压力之间实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：际的最大静止压差：PPmaxmaxmaxmax：套管所受到的最大静压差，套管所受到的最大静压差，MPaMPa；PminPmin：该井段内最下地层压力该井段内最下地层压力,g/c

20、m,g/cm3 3;D DmaxmaxmaxmaxPminPmin：最小地层压力所对应的最大井深：最小地层压力所对应的最大井深,m,m。校核是否会发生压差卡套管校核是否会发生压差卡套管 比较比较PP与与P P N N(P(P a a)PPPP P P P PN N N N（或或或或 P P P Pa a a a），），），），则假定深度则假定深度则假定深度则假定深度D D D D21212121为中间套管为中间套管为中间套管为中间套管下入深度。下入深度。下入深度。下入深度。若若若若 P P P P P P P PN N N N（或或或或 P P P Pa a a a），），），），则中间套管下

21、至则中间套管下至则中间套管下至则中间套管下至D D D D21212121过程过程过程过程中有被卡危险中有被卡危险中有被卡危险中有被卡危险,必须采取下尾管的方法解决。必须采取下尾管的方法解决。必须采取下尾管的方法解决。必须采取下尾管的方法解决。若若 P P P PN N（或或 P Pa a）,如何确定如何确定D21D21？校核是否会发生压差卡套管校核是否会发生压差卡套管 l l中间套管下深确定。中间套管下深确定。中间套管下深确定。中间套管下深确定。l l l l计算不发生压差卡套管的最大地层压力的当量密计算不发生压差卡套管的最大地层压力的当量密计算不发生压差卡套管的最大地层压力的当量密计算不发

22、生压差卡套管的最大地层压力的当量密度度度度PPerPPerPPerPPer，g/cmg/cmg/cmg/cm3 3 3 3;l l与与与与PPerPPerPPerPPer对应的井深即为经过校核的套管下深对应的井深即为经过校核的套管下深对应的井深即为经过校核的套管下深对应的井深即为经过校核的套管下深D2D2D2D2再次确定套管下深再次确定套管下深 分析分析l l在压力剖面图上找出在压力剖面图上找出 pperpper值，该值所对应值，该值所对应的深度即为中间套管下入深度。的深度即为中间套管下入深度。井身结构设计井身结构设计新问题的出现新问题的出现在技术套管下入深度浅于初选点的情况下，在技术套管下入

23、深度浅于初选点的情况下，D DD21D21这一井段有可能被压裂，属危险井段，这一井段有可能被压裂，属危险井段，必须被封住！必须被封住！尾管下入深度确定尾管下入深度确定3.3.尾管下入深度计算尾管下入深度计算尾管下入深度确定尾管下入深度确定l l确定尾管的下入深度确定尾管的下入深度D D31 31 l l确定尾管下入深度的初选确定尾管下入深度的初选确定尾管下入深度的初选确定尾管下入深度的初选点点点点D D D D31313131l l由技术套管鞋处的地层破由技术套管鞋处的地层破由技术套管鞋处的地层破由技术套管鞋处的地层破裂压力梯度裂压力梯度裂压力梯度裂压力梯度f f f f可求得允可求得允可求得

24、允可求得允许的最大地层压力梯度许的最大地层压力梯度许的最大地层压力梯度许的最大地层压力梯度pperpperpperpper:尾管下入深度确定尾管下入深度确定通过通过数字计算数字计算或或作图法作图法找到与找到与pperpperpperpper相等的地层相等的地层压力梯度所对应的井深，该井深即为尾管下入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深度的初选点D D3131 。l校核尾管的下入深度校核尾管的下入深度D31D31初选初选点是否会发生卡套管点是否会发生卡套管校核是否会发生压差卡尾管校核是否会发生压差卡尾管l l校核尾管的下入深度校核尾管的下入深度校核尾管的下入深度校核尾管的下入深

25、度D D D D31313131初选点是否会发初选点是否会发初选点是否会发初选点是否会发生卡套管生卡套管生卡套管生卡套管l l P PP PN N（或或 P Pa a），），则假定深度则假定深度D D31313131为为尾管下入深度。尾管下入深度。校核是否会发生压差卡尾管校核是否会发生压差卡尾管三、表层套管设计三、表层套管设计l l设计步骤和方法设计步骤和方法 表层套管下入深度初选点表层套管下入深度初选点D D21212121的确定的确定 l l根据中间套管管鞋处根据中间套管管鞋处(D(D2 2 2 2)地层压力梯度，地层压力梯度，给定井涌条件给定井涌条件S SK K K K，用试算法计算表层

26、套管下用试算法计算表层套管下入深度。每次给定入深度。每次给定D D1 1 1 1，并代入计算。并代入计算。l l通过数字计算或作图法找到与通过数字计算或作图法找到与通过数字计算或作图法找到与通过数字计算或作图法找到与fEfEfEfE相等的地层压相等的地层压相等的地层压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力密度所对应的井深，该井深即为表层套管下入力密度所对应的井深，该井深即为表层套管下入力密度所对应的井深，该井深即为表层套管下入深度深度深度深度D D D D1 1 1 1 。考虑复杂情况考虑复杂情况套管下入深度的设计是以压力剖面为依据，套管下入深度的设计是以压力剖面为依据，但是

27、地下的许多复杂情况无法在压力剖面上得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，这些地层以反映，如易漏、易塌、盐岩层等，这些地层必须进行及时封隔。必须进行及时封隔。井身结构设计小结井身结构设计小结l l油层套管油层套管从井底到井口从井底到井口（对于射孔完井）（对于射孔完井）当量泥浆密度当量泥浆密度GpGf井身结构设计井身结构设计中间套管设计步骤中间套管设计步骤 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当量泥浆密度GpGf井身结构设计井身结构设计2.2.验证中间套管是否有验证中间套管是否有卡套管的危险。卡套管的危险。如

28、有，则应减小下深如有，则应减小下深 3 3、加下一层尾管、加下一层尾管当量泥浆密度当量泥浆密度GpGf井身结构设计井身结构设计 表层套管表层套管下入深度。下入深度。当量泥浆密度当量泥浆密度GpGf井身结构设计井身结构设计套管尺寸和井眼尺寸的选择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。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

29、中间套管的尺寸等，依次类推，直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。到表层套管的井眼尺寸，最后确定导管的尺寸。固井固井固井固井固井固井工程包括两个生产过程工程包括两个生产过程：1.1.下套管；下套管；2.2.注水泥。注水泥。下套管：下套管：在已钻成井眼中按规定下入一定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直径、由某种或几种不同钢级及壁厚的套管组成的套管柱管组成的套管柱注水泥：注水泥：在地表将水泥浆通过套管柱注入到井眼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与套管柱之间环空中的过程举例举例某井设计井深为某井

30、设计井深为44004400米，地层孔隙压力、地层破米，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：裂压力梯度剖面如下图所示。给定设计系数：=0.036=0.036；=0.04=0.04；=0.06=0.06；=0.03=0.03；PN=12MPa，PA=18MPa，试进行该井的井深结构试进行该井的井深结构设计？设计？例图例图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。试进行该井井身结构设计。试进行该井井身结构设计。给定设计系数：给定设计系数：Sb=0.036；Sg=0.04；Sk=0

31、.06 ；Sf=0.03；PN=12 Mpa;PA=18 MPa;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。（2）校核中间套管是否会被卡）校核中间套管是否会被卡 由由P 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=

32、3200 m。（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 D D31 31=3900m=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.（4）校核是否会卡尾管校核是否会卡尾管 计算压差：计算压差：因为因为 ，故确定尾管下深为故确定尾管下深为 D3=D31=3900m。（5）确定表层套管下深）确定表层套管下深 D1 由：由：试取试取 D1=850 m,代入上式计算得代入上式计算得由由f曲线查得曲线查得故确定故确定 D1=850 m。六、套管尺寸和井眼尺寸选择六、套管尺寸和井眼尺寸选择 目前我国使用最多

33、的套管目前我国使用最多的套管/钻头系列是：钻头系列是：套管和井眼尺寸确定一般是由内到外进行套管和井眼尺寸确定一般是由内到外进行 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身质量、固井水泥环强度要求、下套管时井内波动压力、套管尺寸等因素有关，管时井内波动压力、套管尺寸等因素有关，9.5mm 9.5mm 19mm19mm。目前，根据套管层次不同，已基本形成了较稳定的系列。目前，根据套管层次不同，已基本形成了较稳定的系列。第二章套管柱设计第二章套管柱设计第一节套管及套管柱第一节套管及套管柱一、制成一、

34、制成优质钢材制成的无缝管或焊接管优质钢材制成的无缝管或焊接管 二、套管柱的定义及作用二、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、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套管柱作用：套管柱用于封固井壁的裸露岩石石 三、套管柱分类及钢级三、套管柱分类及钢级1.套管柱分类套管柱分类分分API(美国石油学会美国石油学会)标准及非标准及非API标准。标准。我国现用的套管标准与美国我国现用的套管标准与美国API(美国石油学美国石油学会会)标准类似。标准类似。2.套管柱钢级套管柱钢级

35、（1）定义：）定义：API标准规定套管本体的钢标准规定套管本体的钢材应达到规定的强度，即为钢级。材应达到规定的强度，即为钢级。注意：注意：API标准中不要求套管钢材的化学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，性质，但应保证钢材的最小屈服强度，(2)钢级分类钢级分类 API标准把套管钢级分为：标准把套管钢级分为：H、J、K、N、C、L、P、Q八种共计八种共计10级。级。(3)钢级的表示钢级的表示表示：字母数码表示：字母数码字母：无特殊含意。字母：无特殊含意。数码：最小屈服强度数码：最小屈服强度，它的，它的1000倍为最小屈倍为最小屈服强度的大小（服强度的大小（Psi=lbf

36、/in2）。）。如：如：J55551000Psi=5510004.450.02542 =379.21MPa1Psi=1lbf/in2=4.450.02542=6894.7（Pa）(4)钢级的种类及级别钢级的种类及级别1）种类：八种）种类：八种2）级别：十个级别）级别：十个级别例外：例外：K55（5）抗硫套管）抗硫套管H-40,J-55,K-55,C-75,L-80,C-90(四四)非非API套管套管1.背景：背景：HTHP井、超深井、水平井、大斜度井、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。热采井及腐蚀环境下的油气井的出现。2.特点：特点：品种多，能满足不同类型条件要求

37、。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。螺纹连接效率高，密封结构优良。（五（五)套管尺寸套管尺寸套管外径：套管外径：1.常用范围：常用范围：2.套管壁厚：套管壁厚：（1）同一外径，有多种壁厚。）同一外径，有多种壁厚。2.壁厚范围在壁厚范围在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。套管的壁厚大一些。4.除标准的钢级和壁厚之外，尚有非标准的除标准的钢级和壁厚之外，尚有非标准的钢级和壁厚存在钢级和壁厚存在.（六）连接螺纹（六）连接螺纹1.螺纹分类螺纹分类API标准：标准：短圆（短圆（STC）:Sho

38、rt thread connection长圆（长圆（LTC）:Long thread connection梯形（梯形（BTC）:Butt thread connection直连形（直连形（XL）:Extreme line螺纹螺纹 （a a）（b b）（c c）图图APIAPI螺纹连接示意图螺纹连接示意图 （a a）圆螺纹连接圆螺纹连接 （b b）梯形螺纹连接梯形螺纹连接 （c c）直连型螺纹连接直连型螺纹连接2.锥度锥度圆螺纹圆螺纹锥度：锥度：1：16；螺距：螺距：3.175mm(8扣每英寸扣每英寸)。梯形螺纹梯形螺纹 锥度：锥度：1:16(外径外径16in）1:12(外径外径16in)，螺距

39、：螺距：5.08mm(5扣每英寸扣每英寸)。3.非非API标准螺纹标准螺纹1.VAM特殊螺纹：法国互鲁瑞克公司开发特殊螺纹：法国互鲁瑞克公司开发2.NSCC特殊螺纹：日本日铁公司开发特殊螺纹：日本日铁公司开发3.FOX特殊螺纹特殊螺纹:日本川崎公司开发日本川崎公司开发4.NK3SB特殊螺纹：日本特殊螺纹：日本NKK公司开发公司开发公司开发公司开发前三种采用偏梯形扣前三种采用偏梯形扣第二节套管柱受力分析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、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

40、柱受力也不同。注水泥、后期开采等）套管柱受力也不同。一、套管外载总体分类一、套管外载总体分类1.静载；静载；2.动载动载(一一)静载静载轴向拉力轴向拉力外挤压力外挤压力内压力内压力弯曲附加应力弯曲附加应力温度应力温度应力(二二)动载动载1.起下钻速度变化产生的动载起下钻速度变化产生的动载 加速上提套管加速上提套管 减速下放（刹车）减速下放（刹车）2.套管阻卡提动动载套管阻卡提动动载3.摩擦动载摩擦动载4.注水泥注水泥5.碰压碰压（三）受力及计算结果处理（三）受力及计算结果处理动载中大部分力难以精确计算动载中大部分力难以精确计算处理：温度应力较大时，通过工艺解决处理：温度应力较大时，通过工艺解决

41、浮力减轻，加大安全系数。浮力减轻，加大安全系数。基本荷载：基本荷载：1.轴向拉力轴向拉力2.外挤压力外挤压力3.内压力内压力二、轴向拉力及套管抗拉强度二、轴向拉力及套管抗拉强度1.轴向拉力轴向拉力1）套管自重）套管自重引起的拉力引起的拉力 Ft式中式中:qi套管线重，套管线重，N/m；Li 套管长度，套管长度，m;Ft 套管承受轴向拉力，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）考虑浮力时套管自重所产生的轴向拉力式中：式中：d钻井液密度，；钻井液密度，；s 套管钢材密度，。套管钢材密度，。q套管单位长度的名义重力，套管单位长度的名义重力，N/m；Li套管长度，套管长度，m

42、；Fm套管在钻井液中的轴向拉力，套管在钻井液中的轴向拉力，kN。:浮力系数，其大小计算式为：浮力系数，其大小计算式为：qm:单位长度浮重。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

43、轻下的套管重力。力下的抗挤压强度时采用浮力减轻下的套管重力。3 3）套管弯曲引起的附加拉力）套管弯曲引起的附加拉力 F Fbdbd当套管随井眼弯曲时，由于套管的弯曲变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。曲引起的附加力。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，井斜角的变化，/25m 定向井、水平井及大狗腿直井中，应考虑弯定向井、水平井及大狗腿直井中，应考虑弯曲附加拉力

44、。曲附加拉力。4）套管内注入水泥引起的套管柱附加应力）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：拉应力，可近似按下式计算：FcFc注水泥时产生的附加轴向拉力，注水泥时产生的附加轴向拉力，KNKNh h 管内水泥浆高管内水泥浆高，m；m m水泥浆密度，水泥浆密度，g/cmg/cm3 3；d d钻井液的密度，钻井液的密度，g/cmg/cm3 3；d

45、dcincin 套管内径，套管内径，cmcm。2.2.轴向拉力作用下的套管强度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，是危险套管柱受轴向拉力一般为井口处最大，是危险截面。截面。1）套管柱受拉应力引起的破坏形式有两种：）套管柱受拉应力引起的破坏形式有两种：a.套管本体被拉断套管本体被拉断 （拉力小于丝扣连接强度，大于本体强度（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（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）。拉力大于丝扣连接强度，小于本体强度）。2 2）失效统计）失效统计经大量的室内研究及现场应用表明，套

46、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的情况为多，尤其是使用最常见的圆扣套管时更是如此。时更是如此。圆扣套管的螺纹滑脱负荷比套管本体的屈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）来表示。在设计中可以直接从有关套管手册中查用。手册中查用。3）滑扣原理）滑扣原理 在下部套管柱自重（在下部套管柱自

47、重（T）作用下，通过丝扣）作用下，通过丝扣斜面把下部载荷（斜面把下部载荷（T）传递到上部套管上，在每）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，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。从接箍中滑脱出来。脱扣分析脱扣分析接箍接箍套管套管4)套管抗拉强度套管抗拉强度a.套管抗拉强度套管抗拉强度 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

48、套管抗拉强度按套管螺纹连接强度计算b.抗拉安全系数抗拉安全系数St 套管理论上能承受的最大拉力套管理论上能承受的最大拉力(接头抗拉强接头抗拉强度度)与计算点以下井段套管在空气中重力之比，与计算点以下井段套管在空气中重力之比，即：即：St=Ft/Ft S St t安全系数，安全系数，1.61.62.0之间，常取之间，常取1.81.8FFt t 套管理论上能承受的最大拉力，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，计算点以下井段套管在空气中重力，kN；三、套管外挤压力三、套管外挤压力p pc c及抗挤强度及抗挤强度1.来源来源 a.套管外流体；套管外流体；b.地层中流

49、体；地层中流体；c.高塑性岩石，其压力梯度为高塑性岩石，其压力梯度为2327kPa/m;d.其它作业时产生的压力，挤水泥、压裂。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常规套管柱设计中外挤压力计算 极端情况：全掏空，即极端情况：全掏空，即Casing内没有液柱内没有液柱poc外挤压力外挤压力,kPa；dCasing外钻井液的密度，外钻井液的密度，g/cm3；H计算点井深，计算点井深，m。2）特殊情况下套管柱设计中外挤压力计算）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）特殊情况：坍

50、塌、膨胀缩径、滑移、地层蠕动。层蠕动。（2）计算：管内全掏空，管外以上覆岩层压）计算：管内全掏空，管外以上覆岩层压力计算。力计算。poc外挤压力外挤压力,kPa；Go上覆岩层压力梯度，上覆岩层压力梯度，23-27kPa/m；rkCasing外钻井液的密度，外钻井液的密度，g/cm3；H计算点井深，计算点井深，m。总结外挤压力总结外挤压力自上而下逐渐增大。自上而下逐渐增大。3.套管抗挤强度套管抗挤强度1）失效形式）失效形式套管受外挤作用时，其破坏形式主要是套管受外挤作用时，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强度破坏（小直径和小壁厚的套管容易发生强度破坏）。发生强度破坏）。b.