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1、第七章 固井和完井 1、学时分配：10学时。 2、本章重点： （1） 井身结构的概念及设计方法； （2）套管柱强度设计； （3）常用的固井方法； （4）提高固井质量的技术措施。 3、难点： （1）井身结构设计方法； （2）套管柱强度设计。 4、解决方法： （1）重点讲情设计的思路和步骤； （2）利用课堂例题讲解设计方法； （3）布置相应的作业加深理解。 5、作业： P299，1；4；5； P300，7；9；11； 15；16。 第一节第一节 井身结构设计井身结构设计 主要包括套管层次和每层套管的下深，以及套管和井眼尺寸的 配合。 一、套管的分类及作用 1、表层套管 C封隔地表浅水层及浅部疏松和
2、复杂地层； C安装井口、悬挂和支撑后续各层套管。 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。主要用来封隔井下复杂地层。 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、有效避免漏、喷、塌、卡等井下复杂事故的发生，保证安全、快速钻 进； 3、当实际地层压力超过预测值而发生井涌时，在一定压力范围内，具有 压井处理溢流的 能力。 三、井身结构设计的基础数据 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。
3、 6个设计系数： 抽系压力系数 Sb：0.024 0.048 g/cm3 激动压力系数 Sg：0.024 0.048 g/cm3 压裂安全系数 Sf： 0.03 0.06 g/cm3 井涌允量 Sk： 0.05 0.08 g/cm3 压差允值 p： PN: 1518 MPa ， PA： 2123 MPa四、裸眼井段应满足的力学平衡条件 （1） dpmax+ Sb 防井涌 （2） (dmax-pmin)Dpmin0.00981P 防压差卡钻 （3） dmax+ Sg + Sf fmin 防井漏 （4） dmax+ Sf + Sk Dpmax/ Dc1fc1 防关井井漏 其中： d 钻井液密度，
4、g/cm3； dmax 裸眼井段内使用的最大钻井液密度，g/cm3； pmax 裸眼井段钻遇的最大地层压力的当量泥浆密度，g/cm3； Dpmax 最大地层孔隙压力所处的井深，m； pmin 裸眼井段钻遇的最小地层压力的当量泥浆密度，g/cm3； Dpmin 最小地层孔隙压力所处的井深，m； fmin 裸眼井段最小地层破裂压力的当量泥浆密度，g/cm3； Dc1 套管下入深度，m； fc1 套管鞋处地层破裂压力的当量泥浆密度， g/cm3； p f pmax Dpmax fc1 Dc1 pmin Dpmin 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 f =
5、pmax+ Sb + Sg + Sf 计算出f ，在破裂压力曲线上查出f 所在的井深D21 ，即为中间套管下深初选点。 （2）考虑可能发生井涌 由 f =pmax+Sb+ Sf + Sk Dpmax/ D21 用试算法求 D21；先试取一个D21，计算f ；将计算出的f 与D21处查得的f 进行比较，若计算值与实际值相差不大且略小于实际值，可以确定D21为中间套管初选点。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D21较大的值。D3 D2 D1 fpf1f22、验证中间套管下到深度D21是否有被卡的危险 首先求出裸眼中可能存在的最大静压差： P=(pmax1+S
6、b -pmin)Dmin0.00981 pmax1：钻进至D21遇到的最大地层压力当量密度，g/cm3。 Dmin ：最小地层孔隙压力所对应的井深，m；（当有多个最小 地层压力点时，取最大井深。） 若P PN ，则中间套管深度应小于初选点深度。需根据压差卡钻条件确定中间套管下深。 求在压差PN 下所允许的最大地层压力： 在地层压力曲线上找出pper 所在的深度即为中间套管下深D2。3、求钻井尾管下入深度的初选点D31 根据中间套管鞋处的地层破裂压力当量密度f2 ，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D31。试取一个D31，计算出pper ，与D31处的实际地层压
7、力当量密度比较，若计算值与实际值接近，且略大于实际值，则 确定为尾管下深初选点；否则，另取D31进行试算 。 4、校核尾管下入到D31是否有被卡的危险 校核方法与中间套管的校核方法相同。只是将压差允值PN 变为PA 。5、计算表层套管下入深度D1 根据中间套管鞋处的地层压力当量密度p2 ，计算出若钻进到深度D2发生井涌关井时，表层套管鞋D1处所承受的井内压力的当量密度： 根据上式，用试算法确定D1。 试取一个D1，计算fE ，计算值与D1处的地层破裂压力当量密度值比较；若计算值接近且小于地层破裂压力值，则确定D1为表层套管下深。否则，重新试取D1进行试算。 五、设计举例 某井设计井深为 440
8、0 m，地层孔隙压力梯度和地层破裂压力梯度剖面如图7-2。给定设计系数： Sb=0.036 ；Sg=0.04 ； Sk=0.06 ；Sf=0.03；PA =12 MPa；PN=18 MPa，试进行该井的井身结构设计。 解：由图上查得， pmax=2.04 gcm3， Dpmax=4250 m （1）确定中间套管下深初选点D21 由： f =pmax+Sb+ Sf + Sk Dpmax/ D21 试取 D21=3400m 并代入上式得： f =2.04+0.036+0.03+0.06 4250/3400=2.181 g/cm3 由破裂压力曲线上查得f3400=2.19 g/cm3， f PN =
9、12MPa，故中间套管下深应浅于初选点。 由： 在地层压力曲线上查得对应pper=1.435的深度为3200m。最后确定中间套管下深为D2=3200m。 （3）确定尾管下入深度初选点D31 由破裂压力曲线上查得： f3200=2.15g/cm3； 由： 试取D31=3900m，代入上式算得：pper=2.011g/cm3；由地层压 力曲线查得p3900=1.94 r , r 可以忽略。变为双向应 力问题。 由第四强度理论： z2 +t2 -zt =s2 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。t z r 在椭圆图上， t/s 的百分比为纵坐标，z /s 的百分比为横坐标
10、。 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。 在轴向受压条件下套管抗内压强度降低。 第三象限：轴向压应力与外挤压力联合作用。 在轴向受压条件下套管抗外挤强度增加。 第四象限：轴向拉应力与外挤压力联合作用。 轴向拉力的存在使套管的抗挤强度降低。 由于这种情况在套管柱中是经常出现的。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推导： 如图： 由双向应力椭圆方程，当z=0时： t2 =s2 根据上式，则有： 将t和s的表达式代入双向应力椭圆方程，并进
11、行适当简化，即可 得到考虑轴向拉力影响时的抗外挤强度近似公式： dci pcc tt 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，套管在井口所受的内压力最大。计算时，考虑三种最危险的情况。 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： 实际设计时，通常按套管内完全充满天然气时进行计算。（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到。 （3）套管的腐蚀 原因：在地下与腐蚀性流体接触。 破坏形式：管体有效厚度减少，套管承
12、载力降低；钢材性质变化。 引起套管腐蚀的主要介质有：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级、K级、J级、C级、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、以及每种套管的井深区间。 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； 套管抗拉力强度（抗滑扣）安全系数 St=1.8。2、常用套管柱设计方法 （1）等安全系数法 该方法基本的设
13、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。 （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方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。o 轴向载荷o 外挤载荷o 有效内压力 管外 管内 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
14、于或等于规定安全系数； 通式： 套管强度外载安全系数 水泥面以上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量计算；当考虑双向应力时，按浮重计算。 （2）设计步骤 例题：某井177.8mm（7英寸）油层套管下至3500m，下套管时的钻井液密度为1.30g/cm3，水泥返至2800m，预计井内最大内压力35MPa，试设计该套管柱（规定最小段长500m）。 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Pimax Si =38500 kPa 筛选套管： C-75，L-80，N-80，C-90，C-95，P
15、-110。 按成本排序： N-80 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：N-80，t1=10.36 mm，q1=0.4234kN/m，pc1=48401kPa，Fs1=3007 kN， Fst1= 2611.1 kN 。 2）选择第二段套管；（选择强度低一级的套管；确定第一段套管的长度，进行第一段的抗拉强度校核） 查表： N-80，t2=9.19 mm，q2=0.3795kN/m，pc2=37301kPa，Fs2=2686.7 kN，Fst2= 2308.6 kN 。 计算第二段套管可下深度D2,确定第一段套管长度L1； 双向应力强度校核，最终确定D2，L1； D2=2900m 2800m，超过水泥面，考虑双向应力影响； 危险截面：水泥面2800m处 解决办法：将第一段套管向上延伸至水泥面以上。 预定：D2=2700m，L
