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1、第七章 固 井,概述,第一节 套管及套管柱强度设计,第二节 油井水泥,第三节 影响注水泥质量的因素,概述,1、固井工程的概念 为了加固井壁，保证继续钻进，封隔油、气和水层，保证勘探期间的分层试油及在整个开采中合理的油气生产，为此下入优质钢管，并在井筒与钢管环空充填好水泥的作业，称为固井工程。,概述,2、工艺介绍 下套管 注水泥 候凝 检测评价,概述,3、固井目的 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,概述,4、内容 套管与下套管 水泥与注水泥,概述,5、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
2、蚀、不断、不裂、不变形 水泥环有可靠的密封 环空封固段不窜、不漏、能经受高压挤注的考验,概述,6、固井工程的特殊性 (1)是一次性工程,如果质量不好,一般情况下难以补救; (2)是隐蔽性工程,主要流程在井下,施工时不能直接观察,质量控制往往决定于设计的准确性和准备工作的好坏,受多种因素的综合影响; (3)影响后续工程的进行; (4)是一项花钱多的工程; (5)施工时间短,工序内容多,作业量大,是技术强的工程.,第1节 套管及套管柱强度设计,第1节 套管柱设计,套管柱的主要功能： 抗挤 抗拉 抗内压 密封,第1节 套管柱设计,套管柱的辅助功能： 圆度 壁厚均匀性 抗腐蚀 最小的流动阻力 良好的上
3、扣性能及重复互换性能 耐磨（硬度指标）,第1节 套管柱设计,套管柱的组成 由不同强度的套管段组成 原因： 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。,第1节 套管柱设计,套管柱的类型 表层套管 技术套管（中间套管） 生产套管（油层套管） 尾管（技术尾管、生产尾管）,第1节 套管柱设计,一、套管规范简介 对所用套管系列的统一规定，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。,一、套管规范简介,1、尺寸系列（又叫名义外径或公称直径） 4
4、-1/2”, 5”, 5 1/2”, 6 5/8”, 7”, 7-5/8”, 8-5/8”, 9-5/8”, 10-3/4”, 11-3/4”, 16”, 28-5/8”, 20”, 30”,一、套管规范简介,套管尺寸的选择 与钻头尺寸相配合！ - 井身结构设计,一、套管规范简介,2、钢级系列 API钢级有10种：H-40,J-55,K-55,N-80 , C-75, L-80,C-90,C-95,P-110,Q-125. 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1000PSi(6894.8Pa)即为该钢材的最小屈服强度。 如: N-80-80*
5、1000Psi 但也有个别例外: S-80-55Kpsi SS-95-80Kpsi,一、套管规范简介,2、钢级系列 API钢级有10种： H-40,J-55,K-55,N-80, C-75, L-80,C-90,C-95,P-110,Q-125. 套管钢材的抗硫能力： 有抗硫能力的套管钢级 H-40, J-55, K-55, X-52, C-75, L-80, C-90,一、套管规范简介,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 直连型螺纹，XL, XCSG, C11X 与
6、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。,一、套管规范简介,套管强度系列：,套管,一、套管规范简介,如何选用这些套管，选择原则： 外载安全系数 套管强度,第1节 套管柱设计,二、套管外载分析与套管强度计算 （一）、套管所受载荷分类与特点,二、套管外载分析与套管强度计算,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,二、套管外载分析与套管强度计算,轴向拉力： 自重、浮力,W,二、套管外载分析与套管强度计算,径向外挤压力： 管外液柱压力 地层挤压 环空加压,二、套管外
7、载分析与套管强度计算,径向内压力： 管内流体压力 压裂作业等压力,二、套管外载分析与套管强度计算,2、动载 特点：瞬时地、单一地作用在套管上。 产生原因： 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,二、套管外载分析与套管强度计算,轴向拉力 外挤压力 内压力,作用在套管上的主要载荷应是：,二、套管外载分析与套管强度计算,（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选用的安全系数应有一定区别,二、套管外载分析与套管强度计算,(1). 不考虑浮力时套管自重拉
8、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 计算方法：,T井口处套管轴向拉力, KN q单位长度套管的重量，N/m L套管长度，m,H,T,二、套管外载分析与套管强度计算,(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,二、套管外载分析与套管强度计算,用浮力系数法计算： 考虑套管单位长度重量被泥浆的浮力所减少！,Tb套管在泥浆中的重量，KN BF浮力系数 BF = 1-m/g,二、套管外载分析与套管强度计算,考虑浮力后的轴向力分布 (浮力系数法),H,T,我国现场套管柱设计一般不考虑浮力，认为在下套管或活动套管时，浮力被套管柱与井壁摩擦产生的附加力所抵
9、消。,二、套管外载分析与套管强度计算,1.2 弯曲附加拉力 如果井眼存在较大的井斜变化或狗腿时，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。,二、套管外载分析与套管强度计算,1.2 弯曲附加拉力 影响： 使套管在弯曲井段增加了一附加拉力。 应用： 定向井、水平井、大位移井。,二、套管外载分析与套管强度计算,1.2 弯曲附加拉力,Z(+), Z(-),max,E钢的弹性模量，E= 2.1*108千帕 D套管外径，厘米 井斜变化角，度 A套管截面积，平方厘米 L弯曲段长
10、度，米 T弯曲产生的附加力，千牛,1.3 套管内水泥浆使套管柱产生的附加拉力 在深井或超深井注水泥过程中，由于注水泥浆量大，水泥密度比井内泥浆密度大得多时，在水泥浆未返出套管鞋，将使套管柱产生一个较大得附加轴向拉力。,千牛,H,管内水泥浆柱高度，米； , 水泥浆密度，克/厘米3 泥浆密度，克/厘米3；d，套管内径，厘米,二、套管外载分析与套管强度计算,1.4 其它附加拉力 1)下套管过程中的冲击载荷产生的附加拉力 2)遇卡时由于井壁摩擦产生的附加拉力； 3)注水泥过程中，套管往复运动刮泥饼产生的附 加拉力 . 在一般的套管设计中，没有具体考虑这些附加拉力，而是通过安全系数的选用将其概括在内。,
11、二、套管外载分析与套管强度计算,1.5 有效轴向拉力 考虑套管在井内所受各种轴力的综合状态。 考虑方法： 考虑套管在泥浆中的浮重 在弯曲井段加上弯曲载荷 其它轴向力考虑在安全系数之内,二、套管外载分析与套管强度计算,2、轴向拉力作用下的套管强度(抗拉强度） 2.1 轴向拉力作用下套管的失效形式 原因：轴向载荷过大 失效形式: (1) 丝扣（接箍）滑脱 (2) 丝扣断裂 (3) 管体断裂 (4) 氢脆,（a） （b） （c） 图7-6 API螺纹连接示意图 （a）圆螺纹连接 （b）梯形螺纹连接 （c）直连型螺纹连接,二、套管外载分析与套管强度计算,(1)丝扣（接箍）滑脱 对圆扣套管是常见的 失效
12、形式。,二、套管外载分析与套管强度计算,(2) 丝扣断裂 条件： 拉力大于丝扣连接强度，小于本体强度。 位置： 丝扣最后一个啮合螺纹处（扣根） （直径最小）,二、套管外载分析与套管强度计算,(3) 管体断裂 条件： 拉力小于丝扣连接强度，大于本体强度。,二、套管外载分析与套管强度计算,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 （1）圆螺纹套管 丝扣抗拉强度=min抗滑脱强度，丝扣拉断强度 （2）梯形扣和直连型套管 以丝扣或管体抗拉强度为标准,二、套管外载分析与套管强度计算,（三）、外挤压力与套管抗挤强度 外挤压力的产生： 泥浆、水泥浆液柱压力 地层流体压力 易流
13、动岩层侧压力,二、套管外载分析与套管强度计算,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/cm3,二、套管外载分析与套管强度计算,外挤力分布： 沿井深增加，最大在井底。,H,Pe,二、套管外载分析与套管强度计算,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没有这么大，可分段考虑； b.在有易流动地层的情况下（如盐岩层、泥盐层），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
14、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。,二、套管外载分析与套管强度计算,分段计算外挤力： 水泥面以上按泥浆密度； 水泥面以下按盐水密度。,H,Pe,水泥面,二、套管外载分析与套管强度计算,有塑性流动地层： 该地层段按上覆岩层压力计算,H,Pe,塑性地层,二、套管外载分析与套管强度计算,1.2 有效外挤压力计算 原则： 考虑管外实际的外挤力情况和管内压力对它的抵销作用。 计算方法： Pe=Pc-Pi 其中Pi内压力 Pi的计算方法不同，也使得Pe有多种算法。,二、套管外载分析与套管强度计算,（1）探井或套管内压力可能下降很低的井 考虑状态：最危险状
15、态-管内全掏空 具体算法: 管外水泥面上按泥浆密度 管外水泥面以下按盐水压力 特殊地层（塑性地层）按实际外挤力计算,二、套管外载分析与套管强度计算,（2）生产井或管内液面只可能降到一定深度的井 考虑状态：管内有一定内压存在 具体算法: Pe=Pc-Pi,二、套管外载分析与套管强度计算,（2）生产井或管内液面只可能降到一定深度的井,h,H,计算举例: 计算方法： 分段计算 计算深度为Z, 0 Z h h Z H H Z,Z,二、套管外载分析与套管强度计算,（2）生产井或管内液面只可能降到一定深度的井,h,H,Z,Pe,Pi,H,二、套管外载分析与套管强度计算,管内液面深度的确定： 根据现场具体井
16、况确定。 技术套管： 以下次开钻后发生井漏，井内管中泥浆液面降至平衡地层压力的情况来考虑。 生产套管： 可按地层流体在地层压力下进入管内的高度计算。,二、套管外载分析与套管强度计算,2.套管的抗挤强度（单一外力作用） 目的：利用材料强度计算抗挤强度,二、套管外载分析与套管强度计算,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,二、套管外载分析与套管强度计算,套管按径厚比分类为： 厚壁： D/t 10 中厚壁： 10 30 失效形式： 薄壁套管： 弹性失稳 厚壁套管： 强度破坏 中厚壁套管：塑性变形,
