石油钻探固井技术优秀PPT.ppt
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1、硕士硕士 级级 现代完井工程现代完井工程石油钻探固井技术概述概述井身结构设计井身结构设计套管及套管柱设计套管及套管柱设计油井水泥及水泥浆设计油井水泥及水泥浆设计影响注水泥质量的因素影响注水泥质量的因素概述概述1.1.固井的概念固井的概念 固固井井在在井井眼眼中中下下入入适适当当尺尺寸寸及及强强度度的的套套管管柱柱,然然后后用用水水泥泥浆浆封封固固套套管管与与井壁之间的环形空间的作业。井壁之间的环形空间的作业。包括:包括:套管与下套管套管与下套管 水泥与注水泥水泥与注水泥概述概述2.2.固井的目的固井的目的封封隔隔易易塌塌、易易漏漏等等复复杂杂地地层层,保保证证钻钻井顺利进行;井顺利进行;封封隔
2、隔油油气气水水层层,建建立立油油气气流流出出通通道道,防止产层间互窜;防止产层间互窜;进行增产措施;进行增产措施;安装井口。安装井口。概述概述3.3.固井的内容固井的内容套管及下套管套管及下套管 n水泥与注水泥水泥与注水泥概述概述4.4.对固井质量的要求对固井质量的要求套管有足够的强度套管有足够的强度能能承承受受井井下下各各种种外外力力作作用用,抗抗腐腐蚀蚀、不不断断、不不裂、不变形。裂、不变形。水泥环有可靠的密封水泥环有可靠的密封环环空空封封固固段段不不窜窜、不不漏漏、能经受高压挤注的考验。能经受高压挤注的考验。概述概述5.5.固井工艺流程固井工艺流程(1)(1)井井眼眼准准备备;钻钻井井至
3、至预预定定井井深深后后测测井井、通通井井并并清清洗洗井井眼眼(循循环环钻钻井井液液1 1 2 2周周)起起钻钻、下下套套管管、安安装装水水泥泥头头及及注注水水泥泥地地面面管汇再循环钻井液管汇再循环钻井液1 1 2 2周;周;(2)(2)打打隔隔离离液液或或前前置置液液(一一般般用用量量为为环环空空高度高度100m100m左右左右);(3)(3)释释放放下下胶胶塞塞注注水水泥泥(领领浆浆、中中浆浆、尾尾浆浆);(4)(4)释放上胶塞替钻井液释放上胶塞替钻井液;(5)(5)碰碰压压(上上胶胶塞塞下下行行至至套套管管承承托托环环,泵泵压压突突然然升升高高,通通常常 5.0 5.0 MPa)MPa),
4、注注水水泥泥结结束。束。概述概述6.6.工艺介绍工艺介绍下套管下套管注水泥注水泥候凝候凝检测评价检测评价概述概述7.7.固井的特点固井的特点(1)(1)固固井井作作业业施施工工时时间间短短。例例:3500m 3500m 9-9-5/85/8 套套 管管 固固 井井 作作 业业,下下 套套 管管 约约12:0012:00 16:0016:00,注水泥约,注水泥约3:003:00 4:00 4:00;(2)(2)作作业业属属一一次次性性工工程程,且且质质量量要要求求高高,事事后后补补救救困困难难(补补救救质质量量可可控控性性差差、成成功功率率低低、费费用用高高)。据据资资料料(、海海洋洋),补补救
5、救作作业业费费用用与与基基本本注注水水泥泥作作业业费费的的比值为比值为:表表层层套套管管固固井井:5555 技技术术套管固井:套管固井:1515 尾尾 管管 固固 井井 :120120 产产 层层 固固 井井 :8484(3)(3)材材料料用用量量大大,成成本本高高。一一般般为为钻钻井总成本的井总成本的1515 3030。第一节第一节 井身结构设计井身结构设计一一.井身结构设计的内容井身结构设计的内容套管的层次;套管的层次;各层套管的尺寸与下入深度;各层套管的尺寸与下入深度;井眼尺寸井眼尺寸(钻头尺寸钻头尺寸)与深度;与深度;水泥返高。水泥返高。二二.井身结构确定的原则井身结构确定的原则 能有
6、效的保护油气层,使不同压力梯度能有效的保护油气层,使不同压力梯度的油气层不受钻井液的污染。的油气层不受钻井液的污染。应避免漏、喷、塌、卡等复杂情况发生,应避免漏、喷、塌、卡等复杂情况发生,为全井顺利钻进创造条件。为全井顺利钻进创造条件。钻下部高压地层时,所用较高密度钻井钻下部高压地层时,所用较高密度钻井液形成的液柱压力,不压裂上层套管鞋液形成的液柱压力,不压裂上层套管鞋处薄弱的裸露地层。处薄弱的裸露地层。下套管过程中,应不发生压差卡套管。下套管过程中,应不发生压差卡套管。套管与井眼、下次钻进的钻头与套管内套管与井眼、下次钻进的钻头与套管内径之间,应有合理的间隙。径之间,应有合理的间隙。三三.井
7、身结构设计中所需的基础数据井身结构设计中所需的基础数据 1.1.地质方面的数据地质方面的数据 岩性剖面及故障提示;岩性剖面及故障提示;地层孔隙压力剖面;地层孔隙压力剖面;地层破裂压力剖面。地层破裂压力剖面。2.2.工程类数据工程类数据 抽吸压力与激动压力允许值;抽吸压力与激动压力允许值;地层压裂安全增值;地层压裂安全增值;井涌条件;井涌条件;压差允许值。压差允许值。四四.套管与井眼尺寸的选择与配合套管与井眼尺寸的选择与配合 生产套管的尺寸应满足采油的要求;生产套管的尺寸应满足采油的要求;据产能、油管大小、增产措施以及井下作据产能、油管大小、增产措施以及井下作业等要求。业等要求。对于探井,要考虑
8、设计原井深是否需要对于探井,要考虑设计原井深是否需要加深;加深;实际地与层原地质预报有可能存在差异,实际地与层原地质预报有可能存在差异,是否留可增加中间套管层次的余地。是否留可增加中间套管层次的余地。要考虑到工艺技术水平以及管材、钻头要考虑到工艺技术水平以及管材、钻头等的库存情况。等的库存情况。地质复杂情况、取岩心尺寸要求、井眼曲地质复杂情况、取岩心尺寸要求、井眼曲率等。率等。第二节第二节 套管柱设计套管柱设计一、套管规范简介一、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。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,外载大小、类型不同,所需的
9、强度要求也不同,须有一系列不同尺寸、不同强度的套管。即套须有一系列不同尺寸、不同强度的套管。即套管系列。管系列。对所用的套管系列作一个统一规定,叫套管规范。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、连接方规定了套管生产的尺寸、钢级、壁厚、连接方式等。式等。目前一般使用的目前一般使用的 API API套管规范。其规定的有关套管规范。其规定的有关性能主要有。性能主要有。1 1、尺寸系列又叫名义外径或公称直径)、尺寸系列又叫名义外径或公称直径)41/241/2,5 5,51/251/2,65/865/8,7 7,75/875/8,85/8 85/8,95/895/
10、8,103/4103/4,113/4113/4,1616,285/8 285/8,2020,3030.2 2、钢级系列、钢级系列APIAPI钢级有钢级有1010种:种:H,J,K,N,C,L,P,Q,X.H,J,K,N,C,L,P,Q,X.非标准的钢级,也较广泛使用,如非标准的钢级,也较广泛使用,如NKK,S,SS,VNKK,S,SS,V等。等。APIAPI规定钢级代号后面的数字乘以规定钢级代号后面的数字乘以1000 1000 psi(6894.8Pa)psi(6894.8Pa)即为该钢材的最小屈服强度。即为该钢材的最小屈服强度。如如:N-80 N-80 80 80 1000psi1000ps
11、i但也有个别例外但也有个别例外:S-80 S-80 55Kpsi 55KpsiSS-95 SS-95 80Kpsi 80Kpsi3 3、套管螺纹类型与螺纹连接、套管螺纹类型与螺纹连接APIAPI标准螺纹类型:标准螺纹类型:短园螺纹,短园螺纹,STC,CSG,C1STC,CSG,C1长园螺纹,长园螺纹,LTC,LTC,LCSG,C2LCSG,C2梯型螺纹,梯型螺纹,BTC,BTC,BCSG,C33BCSG,C33直连型螺纹,直连型螺纹,XL,XCSG,C11XXL,XCSG,C11X与螺纹类型相对应的螺纹连接也有四种。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。螺纹连
12、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。另有一些非标准螺纹由厂家定义。如何选用这些套管,选择原则:如何选用这些套管,选择原则:外载外载安全系数安全系数 套管强度套管强度二、套管外载分析与套管强度计算二、套管外载分析与套管强度计算(一载荷分类与特点(一载荷分类与特点1 1 静载静载特点:长期作用、联合作用在套管上。特点:长期作用、联合作用在套管上。类型:类型:轴向拉力轴向拉力径向外挤压力径向外挤压力径向内压力径向内压力弯曲附加拉力弯曲附加拉力温差应力温差应力(1)(1)轴向拉力:轴向拉力:T T 自重:自重:W W 浮力:浮力:F F T=W-F T=W-FWWT TF F(
13、2)(2)径向外挤压力:径向外挤压力:管外液柱压力管外液柱压力P1P1地层挤压地层挤压P2P2环空加压环空加压P3P3P3P2P1(3)(3)径向内压力:径向内压力:管内流体压力管内流体压力压裂作业等压力压裂作业等压力P2P12 2 动载动载特点:瞬时地、单一地作用在套管上。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起下钻时速度变化产生的动载阻、卡套管时提拉动载阻、卡套管时提拉动载摩擦动载摩擦动载碰压动载碰压动载密度差产生的附加拉力密度差产生的附加拉力套管柱在井下所受的套管柱在井下所受的主要外力有哪些?主要外力有哪些?作用在套管上作用在套管上的主要载荷是:的主要载荷是:轴向拉
14、力轴向拉力 Tb=W-F Tb=W-F外挤压力外挤压力 Pc Pc内压力内压力 Pi PiWWTbTbF FPiPc(二轴向拉力与套管抗拉强度(二轴向拉力与套管抗拉强度1 1、轴向拉力计算、轴向拉力计算1.11.1套管自重产生的轴向拉力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时考虑与不考虑浮力时的选用的安全系数应有一定区别。一定区别。(1)(1)不考虑浮力时套管自重拉力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分布规律:在套管柱上由下向上逐渐增大。增大。最大值位置:井口处。最大值位置:
15、井口处。计算公式:计算公式: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(2)(2)考虑浮力时套管自重拉力考虑浮力时套管自重拉力 浮力考虑方法:浮力考虑方法:浮力系数法,台阶力法浮力系数法,台阶力法(按集按集中力考虑中力考虑)计算式计算式(浮力系数法浮力系数法):Tb套管在钻井液中的重量,KNBF 浮力系数在空气中在空气中在钻井液中在钻井液中Tb1 油井水泥的主要矿物成分基本要求:在保证浆体稳定性的前提下,尽量改善。厚壁:D/t 10加石膏、粉碎(留意:这与对钻井液的要求有区别在钻井安全和不损害储层的前提下,可放宽。三大主剂:降失水剂、分散剂(减阻剂)、调凝剂(缓
16、凝剂和促凝剂)。关键:提高注水泥顶替效率与螺纹类型相对应的螺纹连接也有四种。=套管柱设计,实际上就是怎样选择套管,使其能满足井下各种外载状态的方法。如何选用这些套管,选择原则:3 套管在多向载荷作用下的强度变化与计算环空实际静液柱压力不够薄壁:D/t 30D 套管直径;(2)硅酸二钙:水化反应慢,强度增长慢,能在长时间内逐渐增大水泥石的强度。(3)材料用量大,成本高。1.21.2 弯曲附加拉力弯曲附加拉力 如如果果井井眼眼存存在在较较大大的的井井斜斜变变化化或或狗狗腿腿度度时时,由由于于套套管管弯弯曲曲效效应应的的影影响响将将增增大大套套管管的的拉拉力力负负荷荷,特特别别是是在在靠靠近近丝丝扣
17、扣啮啮合合处处,易易形形成成裂裂缝缝损损坏坏,由由于于APIAPI套套管管的的连连接接强强度度没没有有考考虑虑弯弯曲曲应应力力,所所以以设设计计时时应应从从套套管管的的连连接接强强度度中中扣扣除除弯弯曲曲效效应应的的影影响响,其其计计算算公公式式见有关资料。见有关资料。1.3 1.3 其它附加拉力其它附加拉力 在在一一般般的的套套管管设设计计中中,没没有有具具体体考考虑虑附附加加拉拉力力,而而是是通通过过安安全全系系数数的的选选用,将它们包括在内。用,将它们包括在内。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(抗拉强度)抗拉强度)2.12.1 轴向拉力作用下套管的失效形式轴向拉力
18、作用下套管的失效形式(1)(1)丝扣接箍滑脱丝扣接箍滑脱(2)(2)丝扣断裂丝扣断裂(3)(3)管体断裂管体断裂(4)(4)氢脆氢脆2.22.2 套管抗拉强度的选用套管抗拉强度的选用 抗抗拉拉强强度度minmin丝丝扣扣部部分分抗抗拉拉强强度度,管管体体抗抗拉强度拉强度 (三)(三)外挤压力与套管抗挤强度外挤压力与套管抗挤强度1 1 外挤压力计算外挤压力计算1.11.1外挤压力的计算外挤压力的计算考虑方法:管内按全掏空的考虑方法:管内按全掏空的 最危险状态考虑。最危险状态考虑。计算方法: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/cm3Pe外挤力分布:沿井深
19、增加,最大在井底。外挤力分布:沿井深增加,最大在井底。阐明:阐明:a.a.水水泥泥环环有有一一定定的的承承载载能能力力,实实际际的的外外挤挤力在水泥面以下要小得多,可分段考虑;力在水泥面以下要小得多,可分段考虑;b.b.在在有有易易流流动动塑塑性性地地层层的的情情况况下下如如盐盐岩岩层层、泥泥盐盐层层),套套管管所所受受的的外外挤挤力力应应按按上覆岩层的压力梯度计算;上覆岩层的压力梯度计算;c.c.在在很很多多井井中中,并并不不可可能能发发生生全全掏掏空空的的外外挤挤状状态态,故故按按上上面面方方法法计计算算出出的的外外挤挤力力偏偏大大,这这样样便便可可能能造造成成选选择择套套管管的的浪浪费费
20、。现现行行的的方方法法是是:根根据据各各层层套套管管具具体体可可能能出现的最大工况,按有效载荷计算。出现的最大工况,按有效载荷计算。1.21.2 有效外挤压力计算有效外挤压力计算计算方法:计算方法:Pe=Pc-PiPe=Pc-Pi 其其中中PiPi的的计计算算方方法法不不同同,也使得也使得PePe有多种算法。有多种算法。PiPc2 2 套管的抗挤强度单一外力作用)套管的抗挤强度单一外力作用)2.12.1 套管在外挤力下的失效形式套管在外挤力下的失效形式套套管管径径厚厚比比的的范范围围不不同同,套套管管破破坏坏的的形形式式也也有有所所不不同同,其其变变化化相相似似于于受受压压直直杆件的破坏。杆件
21、的破坏。细长杆压弯失稳)细长杆压弯失稳)短粗杆塑性变形破坏短粗杆塑性变形破坏 套管按径厚比分类为:厚壁:D/t 10中厚壁:10 30 D 套管直径;t 套管壁厚。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。2.2 2.2 套管抗挤强度计算套管抗挤强度计算 APIAPI根根据据上上面面套套管管的的不不同同失失效效形形式式,给给出出了了一一套套抗挤强度计算公式,即:抗挤强度计算公式,即:最小屈服抗挤强度最小屈服抗挤强度最小塑性抗挤强度最小塑性抗挤强度最小塑弹性抗挤强度最小塑弹性抗挤强度最小弹性抗挤强度最小弹性抗挤强度具体公式见有关教材。具体公式见有关教材。3 3 套管
22、在多向载荷作用下的强度变化与计算套管在多向载荷作用下的强度变化与计算3.13.1 套管双轴应力椭圆套管双轴应力椭圆a.a.方程建立方程建立 由由材材料料力力学学理理论论可可知知,套套管管在在外外载载作作用用下下,其单元体上受三个正应力作用,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ztr这三个应力共同作用时合成应力为这三个应力共同作用时合成应力为MisesMises方程):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: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 c s s其平衡方程有:其平衡方程有:在这三个应力中,在这三个应力中,r r 0 0 0 0
23、 0 0 0 0 拉伸内压拉伸内压拉伸内压拉伸内压 z z z z ,t t t t 0 0 0 0000 紧缩内压紧缩内压紧缩内压紧缩内压 z z z z ,t t t t 0 0 0 00000 0 0 00000 拉伸外挤拉伸外挤拉伸外挤拉伸外挤 z z z z ,t t t t 3.23.2轴向拉力作用下套管抗挤强度的计算轴向拉力作用下套管抗挤强度的计算a.a.计算公式计算公式b.b.计算计算K K 直接由直接由Tb/TsTb/Ts计算计算K K 查表求查表求K K 法法(四)(四)内压力与套管抗内压强度内压力与套管抗内压强度1 1 内压力计算内压力计算考虑状态:内压力最大一般为井喷关
24、井考虑状态:内压力最大一般为井喷关井后或酸化压裂时。后或酸化压裂时。内压分布:以井口为最大内压分布:以井口为最大(无外挤压力无外挤压力)。计算方法:计算方法:按井口关闭,全井充满天然气计算:按井口关闭,全井充满天然气计算:井口压力井口压力PsPs为:为:Pb地层压力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有效内压力井口压力管内压力管外压力有效内压力井口压力管内压力管外压力2 2 套管的抗内压强度套管的抗内压强度2.12.1套管在内压作用下的失效形式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。套管在内压力下的破坏一般属于强度破坏。2.22.2抗
25、内压强度的计算抗内压强度的计算 套套管管管管体体和和接接箍箍处处的的抗抗内内压压强强度度可可能能不不一一致致,故需同时计算套管管体与丝扣处的抗内压强度。故需同时计算套管管体与丝扣处的抗内压强度。公式:公式:薄壁圆筒理论0.875允许套管壁厚12.5%的变化W接箍直径d1管末端的接箍扣根直径三、套管柱设计方法三、套管柱设计方法(一一)设计原理设计原理套管柱设计,实际上就是怎样选择套管,套管柱设计,实际上就是怎样选择套管,使其能满足井下各种外载状态的方法。使其能满足井下各种外载状态的方法。1.1.选择依据选择依据外载外载安全系数安全系数 套管可用强度套管可用强度选择原则:选择原则:应能满足钻井、开
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