某大学石油工程电子教案（7-8章）.ppt

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1、第一节第一节 井身结构设计井身结构设计 第二节第二节 套管柱设计套管柱设计 第三节第三节 水泥及注水泥水泥及注水泥 第四节第四节 完井方式完井方式 第五节第五节 试试 油油 第七章第七章 固井与完井技术固井与完井技术 檄 浪 辞 剩 疵 悼 锡 鸽 因 庭 戊 诀 扛 莉 营 绎 试 殿 声 娱 送 愁 锰 絮 毕 他 蛔 颤 挝 拆 阻 怠 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 （ 7 - 8 章 ） 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 （ 7 - 8 章 ） 2020/1/3第一节1 图3-8-1-1 套管类型 （a）正常压力井；（b）异常压力井 一、套管柱类型及作用 第一节

2、 井身结构设计 募 蚀 雅 调 贮 炯 淘 柳 裂 信 丽 譬 陌 舶 鹰 硝 僵 疾 匈 厕 鹃 准 硅 憾 杯 劳 足 琴 驼 锑 烬 宾 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 （ 7 - 8 章 ） 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 （ 7 - 8 章 ） 在裸眼井段中存在着地层孔隙压力、泥浆液柱压力、地层破裂压 力。 三个压力体系必须同时满足于以下情况： PfPmPp （1） 式中 Pf地层的破裂压力，MPa； Pm钻井液的液柱压力，MPa； Pp地层孔隙压力，MPa。 即泥浆液柱压力应稍大于孔隙压力以防止井涌，但必须小于破裂 压力以防止压裂地层发生井漏。使用压力梯度写

3、成： GfGmGp （2） 式中 Gf破裂压力梯度，MPa/m； Gm液柱压力梯度，MPa/m； Gp孔隙压力梯度，MPa/m。 二、井眼中的压力体系 匪 折 父 叼 掳 陛 苑 益 燥 寸 式 载 匿 路 优 寄 台 撮 休 办 滓 绊 铁 讼 他 涡 壹 呼 怕 葱 萧 乍 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 （ 7 - 8 章 ） 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 （ 7 - 8 章 ） 考虑到井壁的稳定，还需要补充另一个与时间关系有关的不等 式，即： Gm（t）Gs（t） （3） 式中 Gs（t）某截面岩石的坍塌压力梯度，MPa/m，即岩层不发生坍塌，缩径 等情况的最

4、小井内压力梯度。 以上条件的存在是钻进工艺中所必须的，是在施工中所 要遵守的，否则会导致钻井事故，以致钻井失败及破坏油藏 。当这些压力体系能共存于一个井段时，即在一系列截面上 能满足以上条件时，则这些截面间不需套管分隔，否则就需 要用套管去分隔开这些不能共存的压力体系。井身结构中， 相邻套管深度间隔的井段应满足以上要求并依此来确定。只 有充分掌握上述压力体系的分布规律才能做出合理的井身结 构设计。 艳 灶 椽 蘸 呀 惟 华 诱 柄 砒 身 纳 卸 顾 判 矮 鳃 枝 瘪 举 毕 苏 虐 仁 抡 吗 舰 粒 段 磅 彝 涂 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 （ 7 - 8 章 ） 某

5、 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 （ 7 - 8 章 ） 1、能有效的保护油层，使不同压力梯度的油气层不受泥浆污 染损害。 2、应避免漏、喷、塌、卡等复杂情况产生，为全井顺利钻进 创造条件，使钻井周期最短。 3、钻下部高压地层是所用的较高密度泥浆产生的液柱压力， 不致压裂上一层套管鞋处薄弱的裸露地层。 4、下套管过程中，井内泥浆液柱压力和地层压力之间的压差 ，不致产生压差卡套管事故 三、井身结构确定的原则及依据 驾 美 搭 牟 蛆 迎 爹 愚 申 做 卑 钨 涅 釉 淹 椭 土 乎 撕 驾 被 浩 唇 哟 嚷 酣 藐 画 芋 胁 拯 姜 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 （

6、7 - 8 章 ） 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 （ 7 - 8 章 ） 1、地质方面的数据 岩性剖面及其故障提示 地层孔隙压力剖面 地层破裂压力剖面 四、井身结构设计中所需要的基础数据 缚 侩 她 致 吕 甄 悦 么 册 瘴 皋 阐 箔 绊 庐 苔 寨 冯 元 炮 况 券 矣 寡 口 捣 别 又 荷 驮 之 钥 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 （ 7 - 8 章 ） 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 （ 7 - 8 章 ） 2、 工 程 类 数 据 抽吸压力与激动压力允许值（Sb或Sg） 地层压裂安全增值（Sf） 井涌条件允许值（Sb） 压差允值（PN与P

7、a） 美 国：Sb或Sg取0.06 中原油田：Sb=0.050.08；Sg=0.070.10 该值是为了避免将上层套管鞋处地层压裂的安全增 值，它与预测破裂压力值的精度有关，可以根据该 地区的统计数据来确定。以等效密度表示gcm3。 美国现场将Sf取值为0.024，中原油田取值为0.03 此值是衡量井涌的大小，用泥浆等效密度差表示（用 于压井计算，另一种计量方法是以进入井眼的流体的 总体积来表示，多用于报警）。美国现场取值为0.06 。该值可由各油田根据出现井涌的数据统计和分析后 得出。中原油田将Sk值定为0.060.14。 裸眼中，泥浆液柱压力与地层孔隙压力的差值过大， 除使机械钻速降低外，

8、而且也是造成压差卡钻的直接 原因，这会使下套管过程中，发生卡套管事故，使已 钻成的井眼无法进行固井和完井工作。压差允值的确 定，各油田可以从卡钻资料中（卡点深度，当时泥浆 密度、卡点地层孔隙压力等）反算出当时的压差值。 再由大量的压差值进行统计分析得出该地区适合的压 差允值。 闰 戌 封 贱 犊 臣 摈 匆 有 鲤 巴 豹 痕 磐 君 使 凹 琵 臀 解 急 炽 钨 爬 酱 侍 苔 辑 雁 谜 讹 潜 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 （ 7 - 8 章 ） 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 （ 7 - 8 章 ） 1）液体压力体系的压力梯度分布 套管层次和下入深度是以力学

9、为基础的，因此首先要分析 井内压力体系的压力梯度分布。 2）最大泥浆密度max 某一层套管的钻进井段中所用的最大泥浆密度和该井段中 的最大地层压力有关。 即： max=pmax+Sb （4） 式中 max某层套管钻进井段中所用最大泥浆密度，g/cm3； pmax该井段中的最大地层孔隙压力梯度等效密度，g/cm3； Sb抽吸压力允许值，g/cm3。 1、套管层次和下入深度的确定 五、井身结构设计方法及步骤 孙 荤 楷 锨 跺 棚 靠 睫 吵 弹 讲 批 制 担 祖 磐 趋 摈 奸 殖 婪 件 奈 鸵 绢 蔓 松 盐 焕 宵 族 滥 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 （ 7 - 8 章

10、） 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 （ 7 - 8 章 ） 3）最大井内压力梯度B 为了避免将井段内的地层压裂，应求得最大井内压力梯 度。在正常作业时和井涌压井时，井内压力梯度有所不 同。 （1）正常作业情况 最大井内压力梯度发生在下放钻柱时，由于产生激动压 力而使井内压力升高。如增高值为Sg，则最大井内压力 梯度Br为： Br=max+Sg （5） （2）发生井涌情况（关封井器并加回压） 为了平衡地层孔隙压力制止井涌而压井时，也将产生最 大井内压力梯度。压井时井内压力增高值以等效密度表 示为Sb，则最大井内压力梯度等效密度Bk为： Bk=max+Sk （6） 阀 雇 蝗 娇 郭

11、桐 佑 廖 授 时 贾 习 灿 升 坐 篙 绪 兴 购 郭 卯 替 髓 如 约 济 锤 槽 户 犁 下 脊 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 （ 7 - 8 章 ） 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 （ 7 - 8 章 ） 但（6）式只适用于发生井涌时最大地层孔隙压力所在井深 Hpmax的井底处。而对于井深为Hn处，则： Br=fSf 或 Bk=fSf （8） 式中 f为上一层套管鞋处薄弱地层 破裂压力等效密度值，g/cm3； Sf地层压裂安全增值，g/cm3。 （7） 由上式可见，当Hn值小时（即深度较浅时）Bk值大，即压力梯度 大，反之当Hn值大时，Bk小。如图3-8-

12、1-2所示。ak值随Hn变化 呈双曲线分布。 图3-8-1-2 井内压力 梯度与井深关系 为了确保上一层套管鞋处裸露地层不被 压裂，则应有： 酮 蝴 忘 古 夸 吮 窑 镁 阵 斥 署 抛 也 侗 椅 董 兴 白 幂 傍 缠 酌 企 胃 签 绪 慧 若 漆 吃 效 孽 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 （ 7 - 8 章 ） 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 （ 7 - 8 章 ） 套管层次和下入深度设计的实质是确定两相邻套管下入深度之 差，它取决于裸眼井段的长度。在这裸眼井段中，应使钻进过程中 及井涌压井时不会压裂地层而发生井漏，并在钻进和下套管时不发 生压差卡钻事故。

13、设计前必须有所设计地区的地层压力剖面和破裂压力剖面图， 图中纵坐标表示深度，横坐标表示地层孔隙压力和破裂压力梯度， 皆以等效密度表示。 设计时由下而上逐层确定下入深度。 油层套管的下入深度主要决定于完井方法和油气层的位置。因此设 计的步骤是由中间套管开始。 2、设计方法及步骤 圃 酒 磅 屑 耶 慑 耶 褒 丽 情 史 页 椰 办 盘 待 括 孝 拿 贯 貉 箔 烛 比 诗 钓 苗 估 税 捧 英 推 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 （ 7 - 8 章 ） 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 （ 7 - 8 章 ） 1）、各层套管（油层套管除外）下入深度初选点Hn的确定。

14、套管下入深度的依据是，其下部井段钻进过程中预计的最大 井内压力梯度不致使套管鞋处裸露地层被压裂。 根据最大井内压力梯度可求得上部地层不致被压裂所应有的 地层破裂压力梯度fnr。 正常作业下钻时，由（4），（5），（8）式，有： fnr=pmax+Sb+Sg+Sf （9） 式中 fnr第n层套管以下井段下钻时，在最大井内压力梯度 作用下， 上部裸露地层不被压裂所应有的地层破 裂压力梯度，g/cm3； pmax第n层套管以下井段预计最大地层孔隙压力等效 密度，g/cm3。 斑 奸 健 楼 唆 寞 蜂 庚 池 凳 降 棉 淹 悸 牙 细 无 唇 殴 尺 扫 官 供 饵 照 薪 泳 察 哆 振 双 噶

15、 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 （ 7 - 8 章 ） 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 （ 7 - 8 章 ） 发生井涌情况时，由（4）、（7）（8）式，有： (10 ) 式中 fnk第n层套管以下井段发生井涌时，在井内最大压力 梯度作用下，上部地层不被压裂所应有的地层破裂 压力梯度，g/cm3； Hni第n层套管下入深度初选点，m。 对比（9）、（10）两式，显然，fnkfnr，所以，一般用fnk计算 ，在肯定不会发生井涌时，用fnr计算。 对中间套管，可用试算法试取Hni值代入式中求fnk，然后由设计 井的地层破裂压力梯度曲线上求得Hni深度时实际的地层破裂压力梯

16、 度。如计算的值fnk与实际相差不多且略小于实际值时，则Hni即为 下入初选点。否则另取一Hni值计算，直到满足要求为止。 掣 垦 洒 溜 耐 细 遵 黎 祭 篮 畔 咎 蔷 掉 蕉 钟 殷 凝 誊 浚 贷 衅 捻 泻 拱 怕 所 匈 喻 占 显 暮 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 （ 7 - 8 章 ） 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 （ 7 - 8 章 ） 2）、校核各层套管下到初选点深度Hni时是否会发生压差卡钻。 先求出该井段中最大泥浆密度与最小地层孔隙压力之间的最 大静止压差Prn为： Prn=9.81Hmm（pmin+Sb-min）10-3 （11） 式中

17、Prn第n层套管钻进井段内实际的井内最大静止 压差，MPa； pmin该井段内最小地层孔隙压力梯度效密度，g/cm3； Hmin该井段内最小地层孔隙压力梯度的最大深度，m。 墓 揩 可 侧 峙 墩 它 贞 尿 砂 粟 仰 馋 搓 泰 怪 乱 痈 楞 翌 打 拷 瞎 增 织 霄 粤 酋 廖 毕 己 煮 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 （ 7 - 8 章 ） 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 （ 7 - 8 章 ） 比较Prn和P（压差允值，正常压力地层用PN，异常压 力地层用Pa）。 当PrnP时，则不易发生压差卡钻，Hm即为该层套管 下入深度。 当PrnP时，则可能发生压

18、差卡钻，这时，该层套管下 深Hn应浅于初选点Hni。Hn的计算如下： 令Prn=P，则允许的最大地层孔隙压力pper为： 由地层孔隙压力梯度曲面图上查pper所在井深即该层套管下入 深度Hn。 地 窗 斥 倦 钻 岔 敢 挫 按 姓 焕 诗 政 轩 逝 娘 友 冻 舵 谢 晓 渊 魂 术 径 毛 虑 旗 轧 龚 仪 第 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 （ 7 - 8 章 ） 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 （ 7 - 8 章 ） 3）、当中间套管下入深度浅于初选点HnHni时，则需要下尾管 并要确定尾管下入深度Hn+1 （i）确定尾管下入深度初选点H(n+1)i。 由中

19、间套管鞋处的地层破裂压力梯度fn可求得允许的最大地层孔 隙压力梯度pper，由（2-90）式，有： 式中 fn中间套管鞋处地层破裂压力梯度，g/cm3； pper中间套管鞋处地层破裂压力梯度为fn时，其下井段所允许 的最大地 层孔隙压力梯度，g/cm3； Hn中层套管下深，m； H(n+1)i尾管下入深度初选点，m。 其他符号代表意义同前。 （13） （ii）校核尾管下入到深度初选点H(n+1)i时，是否会发生压差下 钻。 校核方法同前所述。 嫉 遭 诀 使 恳 谓 雷 携 进 巧 优 课 彰 话 逆 琅 医 唯 尹 派 嵌 网 屎 坷 法 矽 锈 跳 焉 牺 上 洼 某 大 学 石 油 工

20、程 电 子 教 案 （ 7 - 8 章 ） 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 （ 7 - 8 章 ） 4）、必封点的确定。 以上套管层次、下入深度的确定是以井内压力 系统平衡为基础，以压力剖面为依据的。但某些影 响钻进的复杂情况因素目前还不能反映到压力剖面 上。如吸水膨胀易塌泥页岩、含蒙脱石的泥页岩、 岩膏层、盐岩层蠕变、胶结不良的砂岩等。某些复 杂情况的产生又与时间因素有关，如钻进速度快， 浸泡水时间短，复杂情况并不显示出来，反之钻速 慢，上部某些地层裸露时间长或在长时间浸泡下， 则发生坍塌、膨胀、缩径等情况。这需要根据已钻 过井的经验来确定某些应及时封隔的地层即必封点 。某些地区

21、没有复杂情况则不必确定必封点。另外 ，为了求得控制复杂情况所需的坍塌压力梯度值是 非常必要的，这样可以在确定必封点上不必凭经验 来进行。如中原油田对盐膏层引起的缩径复杂情况 与石油大学合作研究，得出了控制井眼面积收缩率 小于0.1%h所需的泥浆密度值。图3-8-1-3表示盐膏层 在该面积收缩率下随井深变化所需的泥浆密度值。 图3-8-1-3 井眼收缩率在 0.1%/h下， 不同井深所需泥浆密度值 疵 莲 绣 宦 刊 疫 伤 燕 佐 浊 资 瓢 穷 故 敢 烯 锚 谢 泻 氖 锨 胚 靴 荒 千 般 目 兽 谢 宁 灭 凋 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 （ 7 - 8 章 ） 某

22、大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 （ 7 - 8 章 ） 套管尺寸及井眼（钻头）尺寸的选择和配合涉及到采油、勘探以 及钻井工程的顺利进行和成本。 1、设计中考虑的因素 1）、生产套管尺寸应满足采油方面要求。根据生产层的产能、油 管大小、增产措施及井下作业等要求来确定。 2）、对于探井，要考虑原设计井深是否要加深，地质上的变化会 使原来预告难于准确，是否要本井眼尺寸上留有余量以便增下中间 套管，以及对岩心尺寸要求等。 3）、要考虑到工艺水平，如井眼情况、曲率大小、井斜角以及地 质复杂情况带来的问题。并应考虑管材、钻头等库存规格的限制 2、套管和井眼尺寸的选择和确定方法 1）、确定井身结构尺

23、寸一般由内向外依次进行，首先确定生产套 管尺寸，再确定下入生产套管的井眼尺寸，然后确定中层套管尺寸 等，依此类推，直到表层套管的井眼尺寸，最后确定导管尺寸。 六、套管尺寸与井眼尺寸选择及配合 捐 吩 烧 忆 烙 芍 怎 荚 膨 旬 末 钳 廉 糜 鸵 助 亨 缉 益 亭 附 畸 拴 王 贮 纶 坐 净 罚 葱 尘 瞩 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 （ 7 - 8 章 ） 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 （ 7 - 8 章 ） 3、套管及井眼尺寸标准组合 目前国内外所生产的套管尺寸及钻头尺寸已标准系列化。套管 与其相应井眼的尺寸配合基本确定或在较小范围内变化。图3-8-

24、1-4 给出了套管和井眼尺寸选择表。使用该表时，先确定最后一层套管 （或尾管）尺寸。表的流程表明要下该层套管可能需要的井眼尺寸 。实线表明套管与井眼尺寸的常用配合，它有足够的间隙以下入该 套管及注水泥。虚线表示不常用的尺寸配合（间隙较小）。如选用 虚线所示的组合时，则须对套管接箍、泥浆密度、注水泥及井眼曲 率大小等应予注意。 2）、生产套管根据采油方面要求来定。勘探井则按照勘探方面 要求来定。 3）、套管与井眼之间有一定间隙，间隙过大则不经济，过小会 导致下套管困难及注水泥后水泥过早脱水形成水泥桥。间隙值 一般最小在9.512.7mm（3/81/2in）范围，最好为19mm（ 3/4in）。

25、青 桓 嵌 遂 淀 沾 汹 铝 雷 崎 擦 只 迹 燥 榷 瞩 脚 竣 衔 兼 晦 貌 伯 弥 崎 承 筒 逊 挞 宰 拣 扶 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 （ 7 - 8 章 ） 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 （ 7 - 8 章 ） 图3-8-1-5 例题井的压力 剖面及井身结构 例1某井井深H=4400m，地层孔隙压力梯度及破裂压力梯度剖 面见图3-8-1-5。 设计给定： Sb=0.036g/cm3；Sg=0.04g/cm3； Sk=0.06g/cm3；Sf=0.03g/cm3； PN=12MPa；Pa=18MPa。 油层套管采用139.7mm（51/2in）

26、套管。 解：由图上查得最大地层孔隙压力梯度为 2.04g/cm3，位于4250m。 确定中间套管下入深度。 （i）确定下入深度初选点H2i。 由（10）式 遥 仪 顾 气 猴 们 议 覆 爬 厚 邓 动 飘 奸 棋 浪 轮 剑 害 将 赴 滚 糖 均 湘 饼 瓶 纹 忆 舀 店 驹 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 （ 7 - 8 章 ） 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 （ 7 - 8 章 ） 试取H2i=3400m，将3400m代入上式得： 由图上查得3400m处f3400=2.19g/cm3 因为f2kf3400且相似，所以确定中 间套管下入深度初选点为2i=3400

27、m。 图3-8-1-5 例题井的 压力剖面及井身结构 将各值代入得： 溃 占 脸 晕 庄 升 垢 怜 温 组 松 赢 轩 对 父 秩 厢 冕 篓 馁 言 着 岁 钝 烩 缄 性 瑶 奠 梦 甭 虹 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 （ 7 - 8 章 ） 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 （ 7 - 8 章 ） 因为Pr2PN，所以中间套管下深应浅于初选点。 令Pr2=Ppper由（1-12）式得： 由图中地层孔隙压力梯度曲线上查出与=1.435g/cm3对应的井深 为3200m，则中间套管下入深度H2=3200m。 由于H2H2i，所以还必须下入尾套管。 （ii）校核中间

28、套管下入到初选点3400m过程中是否会发生差卡套 管。 由图上查得：3400m处，f3400=1.57g/cm3；Hmm=3050m， min=1.07g/cm3 则由（1-11）式得： Pr2=9.813050（1.57+0.036-1.07）10-3=16.037MPa 返 吩 捂 蒜 雅 桩 镣 垄 嫌 貉 詹 雀 严 培 牵 仆 悍 固 熔 以 佰 杖 柒 凄 教 滔 宠 玄 腮 坦 贰 愁 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 （ 7 - 8 章 ） 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 （ 7 - 8 章 ） 确定表层套管下深H1。 由（10）式，将各值代入有： 试取H

29、1=850m，代入上式得 ： 由剖面图查得井深850m处f850=1.740g/cm3，因flkf850， 且相近，所以满足设计要求。 图3-8-1-5 例题井的压力剖 面及井身结构 行 映 哈 蜡 输 每 撼 谁 阵 江 姬 垦 炼 疫 在 健 莫 圈 新 亮 闭 心 何 推 褐 季 它 溺 得 微 电 恭 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 （ 7 - 8 章 ） 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 （ 7 - 8 章 ） 确定各层套管及相应井眼尺寸。 已知油层套管规定为114.3mm（41/2in），由图（3-8-1-4）套管和 井眼尺寸选择，按常用的尺寸配（按实线）可得

30、出114.3mm套管相 应井眼尺寸为155.5mm（67/8in），尾管用196.9mm（73/4in）相应井 眼为241.3mm（91/2in）。中层套管选用273mm（103/4in），相应井 眼尺寸为347.6mm（143/4in）。表层套管用406.4mm （16in），相 应井眼尺寸用508mm（20in）。以上所选用的配合还要结合库存的 套管及钻头规格以及钻机负责情况来考虑，否则要作适当修改。 疚 携 熔 甲 笼 崇 湖 胡 盟 懒 唬 皆 邱 运 侨 附 肩 伴 俗 熊 瑰 裔 娱 铆 挫 尼 锦 瘟 豆 歧 舔 祝 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 （ 7 - 8 章

31、 ） 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 （ 7 - 8 章 ） 例2 具有异常低破裂压力 漏失层的井身结构设计如图 （3-8-1-6）所示。设计时， 同样由压力剖面上最大地层 孔隙压力处开始，向上逐层 确定，设计方法及步骤同前 。向下在封隔高压层后，用 低密度泥浆钻到预定井深度 下尾管。如果下边地层有油 气时，也可将尾管回接作为 油层套管。 详 老 姿 忽 赎 持 遁 薯 娟 诫 右 稚 综 热 唉 漳 惋 垣 浸 帝 炮 敝 写 费 晴 亏 某 倒 玄 睦 茵 淤 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 （ 7 - 8 章 ） 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 （ 7

32、 - 8 章 ） 第二节第二节 套管柱设计套管柱设计 套管柱设计的主要内容是根据套管柱在井内所受的外 载，正确选择套管的钢级和壁厚，使之既要有足够的强度 ，以保证下入井内的套管不断、不裂、不变形，又要符合 节约钢材、降低成本的要求。由于对套管柱在井下的受力 和设计方法的不同考虑，所设计出的套管柱是不相同的， 究竟哪一种设计最佳，要经过长期的生产和各种作业考验 后才能做出正确的判断。这里着重介绍经过长期生产实践 考验的API常规设计理论与方法。 四 治 蒜 炒 氢 嗓 裙 窍 币 离 迸 战 请 清 杠 惋 槐 裳 刻 哆 退 酋 抱 掸 痔 燃 描 拷 赁 郁 疵 谤 某 大 学 石 油 工

33、程 电 子 教 案 （ 7 - 8 章 ） 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 （ 7 - 8 章 ） 一、套管柱外载分 从套管柱入井、注水泥到以后生产的不同时期，套管柱的受 力是变化的，且在不同的地层和地质条件下，套管柱所受的 外载是不相同的。人们经过长期大量生产实践和分析表明： 虽然套管柱受力是复杂的，但是影响套管柱设计的基本载荷 是轴向拉力、外挤压力和内压力。在设计中应根据不同情况 按该井最危险情况来考虑套管柱所承受的基本载荷。 轴轴 向向 拉拉 力力 （1）套管本身自重产生的轴向拉力 Wc=qcLcs10-3 （2）井眼弯曲产生的附加拉力 WCb=0.0733dAcs （3）套

34、管内的水泥浆使套管柱产生的附加拉力 （4）其它附加拉力 蛛 褪 权 醋 剧 藏 肖 貉 市 捂 碧 接 狭 插 坪 怕 淋 崭 解 迈 荆 早 遂 们 磕 观 群 韵 麓 屎 芭 蔼 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 （ 7 - 8 章 ） 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 （ 7 - 8 章 ） 目前API套管柱设计中仍按钻井液液柱压力计算，我国一些 油田按盐水柱压力（压力梯度为10.711.52kPa/m）计算。 在具有高塑性的岩层，如盐岩层、泥岩层段，在一定条件下 ，垂直方向的岩层压力能全部加给套管。此时，套管柱的外挤 压力应按上覆岩层压力计算，其压力梯度为2327k

35、Pa/m。 计算外挤压力时，在API常规套管柱设计中都按最危险情况 考虑，即认为套管内没有液柱压力的全掏空状态。 外挤压力计算式为 p=dgDW10-6 管外钻井液液柱压力管外钻井液液柱压力 地层中流体压力 易流动岩层侧压力易流动岩层侧压力 挤水泥和压裂时的挤压力挤水泥和压裂时的挤压力 外外 挤挤 压压 力力 搞 当 尝 符 柴 俊 咆 妖 疫 讲 摈 伪 趟 犀 辈 狱 邦 琵 式 济 泛 歧 遇 煮 具 览 鳖 布 蛀 萝 功 则 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 （ 7 - 8 章 ） 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 （ 7 - 8 章 ） 套管柱内压力的来源主要是

36、地层流体（油、气、水）压力以及 特殊作业时所施加的压力（如酸化压裂、挤水泥等）。因地层压 力难以预先准确确定，所以准确确定套管柱内压力是困难的。 井深较小时，地层压力相对较低，一般中、薄壁厚套管的抗内 压强度都相应地大于抗挤强度，因此内压力的确定及套管柱抗内 压设计的问题不突出。随着井深和井底压力的增加，由内压力引 起的套管柱强度问题和经济问题，已引起人们的重视。目前对内 压力的考虑和计算方法主要有下述三种： 1）最大地表内压力按套管内完全充满天然气考虑。一般按井 口处内压力作用于整个套管柱考虑。由于井口以下有外挤压力同 时作用，所以认为井口是最危险的。 2）以井口装置承压能力作为控制套管内压

37、力的依据。当井口 内压力超过井口装置允许压力时，应放喷。很显然这种情况是井 口内压力和套管抗内压强度大于井口装置承压能力。 3 3、内压力、内压力 智 奏 柴 皆 近 卒 尽 混 啮 蚊 显 粘 畏 扁 厌 诞 俱 衔 辗 行 今 拽 呀 怔 诉 悼 辉 橙 秒 猪 熊 剔 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 （ 7 - 8 章 ） 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 （ 7 - 8 章 ） 3）以井口压力及套管内、外压差之和来计算有效内压力。当 套管内、外钻井液密度相等时，套管柱上、下内压力也相等，即为 井口压力；当套管柱内、外钻井液密度不相等时，则套管内压力为 井口压力及套

38、管内、外压差之和。在井深DW1处套管内压力pcin1 的计算式为 pcin1=GDoDW-GDg（DW-DW1）-dgDW110-6 （2-7） 式中 pcin1井深DW1处套管的内压力，MPa； GDo上覆岩层压力梯度，MPa/m； DW井深，m； DW1计算点井深，m； GDg天然气压力梯度，MPa/m； d套管外钻井液密度，kg/m3。 为了设计安全，套管的内压力以上覆岩层压力为依据，同是还考虑 套管内是完全充满天然气，即按套管内右能达到的最大内压力考虑 。在理论上很难确定实际井内是否完全充满天然气或有一定高度液 柱（钻井液或油），一般是根据经验确定。 伯 伴 聚 梧 吾 诣 蒋 吮 蒙

39、 泽 翟 顷 凤 缺 狙 碰 坦 嚷 民 碗 草 詹 祈 暇 劲 峪 庶 沸 品 茄 百 还 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 （ 7 - 8 章 ） 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 （ 7 - 8 章 ） 目前我国现场所用套管绝大多数为API标准的圆螺纹套管。螺纹 形状为V型，螺纹根和螺纹尖为圆弧形，每英寸8扣，如图3-8-2-1所 示。 二、套管柱强度计算二、套管柱强度计算 1、套管抗拉强度 为了准确掌握套管抗拉强度，美国石油学会曾用162根API标准 长、短圆螺纹套管作拉伸试验，其中包括三种钢级（K-55，N-80， P-110）和各种不同尺寸及壁厚的套管。试验结果

40、是14次管体拉断 ，符合半经验公式（2-8）式：148次螺纹滑脱，符合半经验公式（2 -9）。 Fj=0.095Ajpmin （2-8） （2-9） 佯 垒 轨 夜 掣 摈 岂 舅 花 氨 祈 鸯 嚷 篆 弧 算 读 哈 约 腆 向 攻 陌 臆 列 沛 捎 常 字 斌 绣 专 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 （ 7 - 8 章 ） 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 （ 7 - 8 章 ） 螺纹滑脱为圆螺纹套管在轴向拉力作用下的主要破坏形式。在 下部套管柱自重（Wc）的作用下（见图3-8-2-2），通过螺纹斜面把 下部载荷（Wc）传递到上部套管上，在每个螺纹的斜面上的轴向截

41、 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，当轴向载荷增大到某一定值 （即滑脱负荷）时，套管就从接箍中滑 脱出来。 图3-8-2-2 套管螺纹连接图 1套管；2接箍 圆螺纹套管滑脱负荷小于套管本 体趋服拉力负荷，为了充分利用 管体强度，API标准还有梯形螺纹 和无接箍螺纹套管。 值得注意，在轴向载荷作用下， 不仅存在套管连接强度问题，而 且常引起螺纹密封性的破坏。 产生丝扣滑脱的原因产生丝扣滑脱的原因 瓶 蔚 让 毗 经 锯 旗 惶 妹 涕 铭 弛 捍 准 吼 钵 盈 贸 哭 哀 忠 鞠 杜 鲁 贾 渴 按 融 汞 秩 痉 脱 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案

42、 （ 7 - 8 章 ） 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 （ 7 - 8 章 ） 2 2、套管抗挤强度、套管抗挤强度 （1）无轴向载荷作用时套管的抗挤强度 套管柱在外挤压力作用下的破坏形式，除少数 小直径和厚壁的套管外，主要是失稳破坏，而不是 强度破坏。 失稳后的套管被挤扁（轻者）或破裂，使钻头 或其它井下工作不能通过，地层封隔遭到破坏，将 被迫停钻或停产，套管损坏严重者油气井报废。 套管抗挤强度取决于材料性能、横截面的几何 形状和套管所承受负荷的状况。理论分析和实验研 究表明，套管径厚比d/c（外径/壁厚，无量纲 ）较大时，属于失稳破坏，即当外挤压力达到套管 抗挤强度时，套管管壁

43、产生弯曲变形（挤扁）或破 裂。当套管径厚比较小，外挤压力达到套管抗挤强 度时，套管将发生强度破坏。 图3-8-2-3 套管 截面的挤毁 步 腥 僵 诧 据 喧 亲 买 戊 走 论 侧 岂 址 素 隋 旭 榴 疲 叶 脑 衬 哭 边 霜 手 梗 彩 涵 姨 殿 甸 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 （ 7 - 8 章 ） 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 （ 7 - 8 章 ） 无轴向载荷条件下，不同径厚比的相应抗挤强度 当d/c不大于表8-2-1中所列数值时，套管发生屈服破坏 当d/c为表3-8-2-2中所列数值时，套管发生塑性失稳破坏 吱 典 蒂 诲 砧 扶 培 货 屑

44、咆 宅 藐 稀 仁 镀 赤 谰 谰 目 末 轩 晌 询 幼 饮 绅 辉 扬 让 债 榜 朴 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 （ 7 - 8 章 ） 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 （ 7 - 8 章 ） 当d/c为表3-8-2-3中所列数值时，套管将在弹塑性过渡区发生 失稳破坏 当d/c大于或等于表3-8-2-4中所列数值时，套管发生弹性失稳 破坏 碟 报 爬 梯 霜 邢 绕 该 布 下 哨 虹 搏 戏 憾 贤 具 臂 毋 悉 挤 赫 垛 影 倍 落 轩 纫 思 叭 盘 克 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 （ 7 - 8 章 ） 某 大 学 石 油 工 程

45、电 子 教 案 （ 7 - 8 章 ） （2）有轴向载荷作用时套管的抗挤强度 有轴向载荷作用时套管的抗挤强度分两种情况讨论。 1）套管双向应力椭圆。套管柱在井内处于复杂受力状态，有 的处于同时受外挤压力与轴向拉伸载荷；有的处于同时受内压力 与轴向压缩载荷（如同时有内外压力存在时，可看为抵消后剩余 内压力或外挤压力的单项作用）。由于轴向载荷的存在，对套管 的抗挤强度将发生重要的影响。 设套管自重引起的轴向拉应力为z，外挤压力或内压力引 起的周向应力为及径向应力为r。由于套管为薄壁或中厚壁 管，r比小得多，可忽略不计。故只考虑套管受轴向拉应力 z及周向应力的两向应力作用。根据第四强度理论，套管破

46、坏的强度条件为 z2+2-z=s2 恃 亩 裹 肯 嗡 晓 谩 蛰 矗 浅 胃 狂 仑 坍 磕 锄 开 芯 蛇 襟 飘 筹 务 劫 阑 秉 郝 先 摧 无 焊 磁 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 （ 7 - 8 章 ） 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 （ 7 - 8 章 ） 双向应力椭圆双向应力椭圆 第一象限是拉伸与内压的联合作用，表明 在轴向拉力作用下能使套管抗内压强度增加 ，在套管柱设计中一般不考虑将更为安全。 第二象限是轴向压缩与内压力的联合作用 ，从曲线中可以看出，当套管受到轴向压力 作用时会降低套管抗内压强度。这种情况在 井下只可能发生在套管柱下部，而套管柱下

47、 部的主要载荷是外挤压力，所以一般不予考 虑。 第三象限是轴向压缩与外挤压力的联合作 用，从图上可知轴向压力能提高套管抗外挤 强度，在套管柱设计中不考虑更为安全。 第四象限是拉伸与外挤的联合作用，从曲 线可看出，轴向拉力的存在使套管的抗挤强 度降低，因此在套管柱设计中应考虑进去。 在API常规套管柱设计中一般都考虑这一影响 。 撅 饶 奋 兹 算 少 墩 促 公 瞳 将 刷 寂 贰 余 染 扁 螟 裹 狸 毁 恢 捅 褐 虐 蜡 毗 狈 蒂 察 窿 泞 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 （ 7 - 8 章 ） 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 （ 7 - 8 章 ） 2）轴

48、向拉力作用下套管抗挤强度的计算公式 为了便于计算，国内提出了线性化套管双向应力计算方法， 其计算公式为 理论上已证明，在 范围内线性化双向应力计算法误差小于2%。另外，为了简化 Dc的计算，可使计算式写为 Dc=KD K称为双向应力外挤压力系数，其值随套管轴向拉力与管体 屈服强度的比值而变化，可查有关数据表 尘 仆 潮 竞 所 宴 熏 划 帝 洛 禾 膝 史 陷 再 郊 埠 萌 汝 妹 协 仑 都 溃 荐 隧 捻 哇 难 酗 夸 惊 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 （ 7 - 8 章 ） 某 大 学 石 油 工 程 电 子 教 案 （ 7 - 8 章 ） 图3-8-2-5 有轴向负荷时的挤毁曲线 （图中未明确画出弹、塑性抗挤 强度曲线）。纵坐标为挤毁压力 ，横坐标为给定某种钢级套管的 径厚比。曲线0没有轴向负荷，随 曲线序号增加，轴向拉力增加， 曲线4的轴向拉力最大。虚线为一 种给定的套管截面下轴各负荷为 零时呈现塑性挤毁，但随着轴向 负荷增大到某一定值时，失效模 式（形式）变成极限强度挤毁（ 即屈服强度挤毁，把原初始屈服 强度换成极限强度为条件得出） 。 套管挤毁压力随轴向负荷增加的变化曲线套管挤毁压力随轴向负荷增加