《石油钻探固井技术》PPT课件

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1、1,硕士2002级 现代完井工程,石油钻探固井技术,2,概述 井身结构设计 套管及套管柱设计 油井水泥及水泥浆设计 影响注水泥质量的因素,3,概述,1.固井的概念 固井在井眼中下入适当尺寸及强度的套管柱，然后用水泥浆封固套管与井壁之间的环形空间的作业。 包括： 套管与下套管 水泥与注水泥,4,概述,2.固井的目的 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。,5,概述,3.固井的内容 套管及下套管,水泥与注水泥,6,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

2、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。,7,概述,5.固井工艺流程 (1) 井眼准备；钻井至预定井深后测井、通井并清洗井眼(循环钻井液12周)起钻、下套管、安装水泥头及注水泥地面管汇再循环钻井液12周； (2) 打隔离液或前置液(一般用量为环空高度100m左右)； (3) 释放下胶塞注水泥(领浆、中浆、尾浆)； (4) 释放上胶塞替钻井液; (5) 碰压(上胶塞下行至套管承托环,泵压突然升高,通常 5.0 MPa)，注水泥结束。,概述,6.工艺介绍 下套管 注水泥 候凝 检测评价,9,概述,7.固井的特点 (1) 固井作业施工时间短。例：3500m 9-5/8 套管固井

3、作业，下套管约12:0016:00，注水泥约3:004:00 ； (2) 作业属一次性工程，且质量要求高，事后补救困难(补救质量可控性差、成功率低、费用高)。据资料(美国、海洋)，补救作业费用与基本注水泥作业费的比值为: 表层套管固井：55 技术套管固井：15 尾 管 固 井 ：120 产 层 固 井 ：84 (3) 材料用量大，成本高。 一般为钻井总成本的1530。,10,第一节 井身结构设计,一.井身结构设计的内容 套管的层次； 各层套管的尺寸与下入深度； 井眼尺寸(钻头尺寸)与深度； 水泥返高。,11,二.井身结构确定的原则 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。

4、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。 钻下部高压地层时，所用较高密度钻井液形成的液柱压力，不压裂上层套管鞋处薄弱的裸露地层。 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径之间，应有合理的间隙。,12,三.井身结构设计中所需的基础数据 1.地质方面的数据 岩性剖面及故障提示； 地层孔隙压力剖面； 地层破裂压力剖面。 2.工程类数据 抽吸压力与激动压力允许值； 地层压裂安全增值； 井涌条件； 压差允许值。,13,四.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； 据产能、油管大小、增产措施以及井下作业等要求。 对于探井，要考虑设计原

5、井深是否需要加深； 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。 要考虑到工艺技术水平以及管材、钻头等的库存情况。 地质复杂情况、取岩心尺寸要求、井眼曲率等。,14,第二节 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。,15,1、尺寸系列（又叫名义外径或公称直径） 41/2，5，51/2，65/8，7，

6、75/8， 85/8，95/8，103/4，113/4，16, 285/8，20，30,16,2、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1000 psi(6894.8Pa)即为该钢材的最小屈服强度。 如: N-80 801000psi 但也有个别例外: S-80 55Kpsi SS-95 80Kpsi,17,3、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

7、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。,18,如何选用这些套管，选择原则： 外载安全系数 套管强度,19,二、套管外载分析与套管强度计算 （一）载荷分类与特点 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,20,(1)轴向拉力：T 自重：W 浮力：F T = W - F,21,(2)径向外挤压力： 管外液柱压力P1 地层挤压P2 环空加压P3,22,(3)径向内压力： 管内流体压力 压裂作业等压力,23,2 动载 特点：瞬时地

8、、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,套管柱在井下所受的 主要外力有哪些？,24,作用在套管上 的主要载荷是： 轴向拉力 Tb= W - F 外挤压力 Pc 内压力 Pi,25,（二）轴向拉力与套管抗拉强度 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。,26,(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。 计算公式：,T 井口处套管轴向拉力, KN q 单位长度套管的重量，N/m

9、L 套管长度，m,27,(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(按集中力考虑) 计算式(浮力系数法 )：,Tb套管在钻井液中的重量，KN BF 浮力系数,28,1.2 弯曲附加拉力 如果井眼存在较大的井斜变化或狗腿度时，由于套管弯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，其计算公式见有关资料。,29,1.3 其它附加拉力 在一般的套管设计中，没有具体考虑附加拉力，而是通过安全系数的选用，将它们包括在内。,30,2 轴向拉力作用下的套管强度(抗

10、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,31,2.2 套管抗拉强度的选用 抗拉强度min丝扣部分抗拉强度，管体抗拉强度,32,（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，MPa H 计算点深度，m m 管外泥浆(或盐水)密度，g/cm3,33,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要小得多，可分段考虑； b.在有易流动塑性地层的情况下（如盐岩层、泥盐层）

11、，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：根据各层套管具体可能出现的最大工况，按有效载荷计算。,34,1.2 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。,35,2 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,36,套管按径厚比分类为： 厚壁： D/t 10 中厚壁： 10 3

12、0 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。,37,2.2 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 具体公式见有关教材。,38,3 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,39,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

13、强度条件为： c s 其平衡方程有：,40,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。,41,b. 方程意义 反映z 、t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。,42,从该椭圆中，可看出z与t的变化关系为 象限 z/s t/s 载荷状态 影响 0 0 拉伸内压 z，t 0 压缩内压 z，t 0 0 拉伸外挤 z，t,43,3.2 轴向拉力作用下套管抗挤强度的计算 a. 计算公式,44,b. 计算K 直接由Tb/Ts计算K 查表求K法,45,（四） 内压力与套管抗内压强度 1

14、内压力计算 考虑状态：内压力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(无外挤压力)。 计算方法： 按井口关闭，全井充满天然气计算： 井口压力Ps为：,Pb地层压力,46,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,47,2 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：,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

15、直径,48,三、套管柱设计方法 (一)设计原理 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。 1.选择依据,外载安全系数 套管可用强度,49,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。,50,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。,51,2 选择步骤 a.确定套管在井下可能遇到的最大外载情况； 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1.10,52,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； d.对所选套管进行校核和调整,53,3 等安全系数设计法 3.1 设计原则 即要求所设计的各段套管的最小