钻井工程管志川第七章固井和完井

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1、第七章第七章 固井和完井固井和完井1、学时分配：、学时分配：10学时。学时。2、本章重点：、本章重点： （1） 井身结构的概念及设计方法；井身结构的概念及设计方法；（2）套管柱强度设计；）套管柱强度设计；（3）常用的固井方法；）常用的固井方法；（4）提高固井质量的技术措施。）提高固井质量的技术措施。3、难点：、难点：（1）井身结构设计方法；）井身结构设计方法；（2）套管柱强度设计。）套管柱强度设计。4、解决方法：、解决方法： （1）重点讲情设计的思路和步骤；）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；）利用课堂例题讲解设计方法；（3）布置相应的作业加深理解。）布置相应的作业加深

2、理解。5、作业：、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 主主要要包包括括套套管管层层次次和和每每层层套套管管的的下下深深，以以及及套套管管和和井井眼眼尺尺寸寸的的配合。配合。一、套管的分类及作用一、套管的分类及作用1、表层套管、表层套管封隔地表浅水层及浅部疏松和复杂地层；封隔地表浅水层及浅部疏松和复杂地层；安装井口、悬挂和支撑后续各层套管。安装井口、悬挂和支撑后续各层套管。2、生产套管（油层套管）、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，提供钻达目的层后下入的最后一层套管，用以保护生产层，提供

3、油气生产通道。油气生产通道。3、中间套管（技术套管）、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。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）、尾管（衬管）二、井身结构设计的原则二、井身结构设计的原则1、有效地保护油气层；、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、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；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，、当实际地层压

4、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具有压井处理溢流的 能力。能力。三、井身结构设计的基础数据三、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。力剖面。 6 6个设计系数：个设计系数： 抽系压力系数抽系压力系数 Sb：0.024 0.048 g/cm3 激动压力系数激动压力系数 Sg：0.024 0.048 g/cm3 压裂安全系数压裂安全系数 Sf： 0.03 0.06 g/cm3 井涌允量井涌允量 Sk： 0.05 0.08 g/cm3 压差允值压差允值 p：

5、PN: 1518 MPa ， PA： 2123 MPa四、裸眼井段应满足的力学平衡条件四、裸眼井段应满足的力学平衡条件（1） dpmax+ Sb 防井涌防井涌（2） (dmax- -pmin)Dpmin0.00981P 防压差卡钻防压差卡钻（3） dmax+ Sg + Sf fmin 防井漏防井漏（4 4） dmax+ Sf + Sk Dpmax/ Dc1fc1 防关井井漏防关井井漏 其中：其中： d 钻井液密度，钻井液密度， g/cm3； dmax 裸眼井段内使用的最大钻井液密度，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，裸眼井段钻遇的

6、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，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，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，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，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，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，套管鞋处地层破裂压力的当量泥浆密度， g/cm3； p f pmaxDpmax fc1Dc1 pminDpmin

7、五、井身结构设计方法五、井身结构设计方法1、求中间套管下入深度的初选点、求中间套管下入深度的初选点（1）不考虑发生井涌）不考虑发生井涌 由由 f =pmax+ Sb + Sg + Sf 计算出计算出f ，在破裂压力曲线上查出，在破裂压力曲线上查出f 所在的井深所在的井深D21 ，即为中间套，即为中间套管下深初选点。管下深初选点。（2）考虑可能发生井涌）考虑可能发生井涌 由由 f =pmax+Sb+ Sf + Sk Dpmax/ D21 用用试试算算法法求求 D21；先先试试取取一一个个D21，计计算算f ；将将计计算算出出的的f 与与D21处处查查得得的的f 进进行行比比较较，若若计计算算值值

8、与与实实际际值值相相差差不不大大且且略略小小于于实实际际值值，可以确定可以确定D21为中间套管初选点。否则，重新进行试算。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（一般情况下，在新探区，取以上（1）、（）、（2）两种条件下）两种条件下D21较较大的值。大的值。D3D2D1 f p f1 f22、验证中间套管下到深度、验证中间套管下到深度D21是否有被卡的危险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：首先求出裸眼中可能存在的最大静压差： P=(pmax1+Sb - -pmin)Dmin0.00981 pmax1：钻进至：钻进至D21遇到的最大地层压力当量密度

9、，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，：最小地层孔隙压力所对应的井深，m；（当有多个最小；（当有多个最小 地层压力点时，取最大井深。）地层压力点时，取最大井深。）若若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，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。件确定中间套管下深。求在压差求在压差PN 下所允许的最大地层压力：下所允许的最大地层压力： 在地层压力曲线上找出在地层压力曲线上找出pper 所在的深度即为中间套管下深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、求钻井尾管下入深度的初选

10、点D31 根根据据中中间间套套管管鞋鞋处处的的地地层层破破裂裂压压力力当当量量密密度度f2 ，求求出出继继续续向向下下钻钻进时裸眼井段所允许的最大地层压力当量密度：进时裸眼井段所允许的最大地层压力当量密度： 用试算法求用试算法求D31。试取一个。试取一个D31，计算出，计算出pper ，与，与D31处的实际地层处的实际地层压力当量密度比较，若计算值与实际值接近，且略大于实际值，压力当量密度比较，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，另取则确定为尾管下深初选点；否则，另取D31进行试算进行试算 。4、校核尾管下入到、校核尾管下入到D31是否有被卡的危险是否有被卡的危

11、险 校核方法与中间套管的校核方法相同。只是将压差允值校核方法与中间套管的校核方法相同。只是将压差允值PN 变为变为PA 。5、计算表层套管下入深度、计算表层套管下入深度D1 根根据据中中间间套套管管鞋鞋处处的的地地层层压压力力当当量量密密度度p2 ，计计算算出出若若钻钻进进到到深深度度D2发发生生井井涌涌关关井井时时，表表层层套套管管鞋鞋D1处处所所承承受受的的井井内内压压力力的的当当量量密度：密度： 根据上式，用试算法确定根据上式，用试算法确定D1。 试取一个试取一个D1，计算，计算fE ，计算值与，计算值与D1处的地层破裂压力当量密度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

12、裂压力值，则确定值比较；若计算值接近且小于地层破裂压力值，则确定D1为表层为表层套管下深。否则，重新试取套管下深。否则，重新试取D1进行试算。进行试算。五、设计举例五、设计举例 某某井井设设计计井井深深为为 4400 m，地地层层孔孔隙隙压压力力梯梯度度和和地地层层破破裂裂压压力力梯梯度度剖剖面面如如图图7-2。给给定定设设计计系系数数： Sb=0.036 ；Sg=0.04 ； Sk=0.06 ；Sf=0.03；PA =12 MPa；PN=18 MPa，试试进进行行该该井井的的井井身身结结构构设计。设计。 解：解：由图上查得，由图上查得， pmax=2.04 gcm3， Dpmax=4250

13、m（1）确定中间套管下深初选点）确定中间套管下深初选点D21 由：由： f =pmax+Sb+ Sf + Sk Dpmax/ D21 试取试取 D21=3400m 并代入上式得：并代入上式得： f =2.04+0.036+0.03+0.06 4250/3400=2.181 g/cm3 由由破破裂裂压压力力曲曲线线上上查查得得f3400=2.19 g/cm3， f PN =12MPa，故中间套管下深应浅于初选点。，故中间套管下深应浅于初选点。由：由：在地层压力曲线上查得对应在地层压力曲线上查得对应pper=1.435的深度为的深度为3200m。最后确定中间套管下。最后确定中间套管下深为深为D2=

14、3200m。（3）确定尾管下入深度初选点）确定尾管下入深度初选点D31由破裂压力曲线上查得由破裂压力曲线上查得： f3200=2.15g/cm3；由：由： 试试取取D31=3900m，代代入入上上式式算算得得：pper=2.011g/cm3；由由地地层层压压力力曲曲线线查查得得p3900=1.94 pper=2.011 g/cm3 ，且且相相差差不不大大，故故确确定定初选点初选点D31=3900m。（4）校核是否会卡尾管）校核是否会卡尾管 计算压差：计算压差： P=（1.94+0.036 - - 1.435）32000.00981=16.98 MPa 因为因为P PA，故确定尾管下深为，故确定

15、尾管下深为D3=D31=3900m。（5）确定表层套管下深）确定表层套管下深D1由：由：试取试取 D1=850m，代入上式计算得：，代入上式计算得： fE=1.737 g/cm3 。由破裂压力曲线查得由破裂压力曲线查得f850=1.74 g/cm3 ， fE r r , , r r 可以忽略。变为双向应可以忽略。变为双向应力问题。力问题。由第四强度理论：由第四强度理论： z z2 2 +t t2 2 -z zt t =s s2 2 变换为椭圆方程：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。按拉为正、压为负，根据以上方程可画出椭圆图形。t tz zr r 在椭圆图上，在椭圆

16、图上， t/s 的百分比为纵坐标，的百分比为纵坐标，z /s 的百分比为横坐标。的百分比为横坐标。由强度条件的双向应力椭圆可以看出：由强度条件的双向应力椭圆可以看出：第一象限：第一象限：拉伸与内压联合作用。拉伸与内压联合作用。 轴向拉力的存在下使套管的抗轴向拉力的存在下使套管的抗 内压强度增加。内压强度增加。第二象限：第二象限：轴向压缩与内压联合作用。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。在轴向受压条件下套管抗内压强度降低。第三象限：第三象限：轴向压应力与外挤压力联合作用。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。在轴向受压条件下套管抗外挤强度

17、增加。第四象限：第四象限：轴向拉应力与外挤压力联合作用。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。轴向拉力的存在使套管的抗挤强度降低。由由于于这这种种情情况况在在套套管管柱柱中中是是经经常常出出现现的的。因因此此在在套套管管柱柱设设计计中中应应当当考虑轴向拉力对抗挤强度的影响。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：考虑轴向拉力影响时的抗外挤强度公式推导：如图：如图： 由双向应力椭圆方程，当由双向应力椭圆方程，当z z=0=0时：时： t2 =s2根据上式，则有：根据上式，则有：将将t t和和s s的的表表达达式式代代入入双双向向应应力

18、力椭椭圆圆方方程程，并并进进行行适适当当简简化化，即即可可得到得到考虑轴向拉力影响时的抗外挤强度近似公式：考虑轴向拉力影响时的抗外挤强度近似公式：dcipcct tt t3、内压力及抗内压强度、内压力及抗内压强度（1）内压力）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。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。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；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

19、鞋处的地层破裂压力值确定井口内压力：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。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）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。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。抗内压强度可由钻井手册或套管手册查到。（3）套管的腐蚀）套管的腐蚀原因：原因：在地下与腐蚀性流体接触。在地下与腐蚀性流体接触。破坏形式：破坏形式：管体有效厚度减少，套管承载力降低；钢材性质变化。管体有效厚度减少，套管承载力降低；钢材性质变化。引起套管腐

20、蚀的引起套管腐蚀的主要介质主要介质有：气体或液体中的硫化氢、溶解氧、有：气体或液体中的硫化氢、溶解氧、 二氧化碳。二氧化碳。抗硫套管：抗硫套管： API套管系列中的套管系列中的H级、级、K级、级、J级、级、C级、级、L级套管。级套管。 三、套管柱强度设计三、套管柱强度设计 目的：目的：确定合理的套管钢级、壁厚、以及每种套管的井深区间。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、设计原则满足强度要求，在任何危险截面上都应满足下式：满足强度要求，在任何危险截面上都应满足下式： 套管强度外载套管强度外载安全系数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；应能满足钻井作业

21、、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；在承受外载时应有一定的储备能力；经济性要好。经济性要好。安全系数：安全系数：抗外挤安全系数抗外挤安全系数 Sc=1.0；抗内压安全系数抗内压安全系数 Si=1.1；套管抗拉力强度（抗滑扣）安全系数套管抗拉力强度（抗滑扣）安全系数 St=1.8。2、常用套管柱设计方法、常用套管柱设计方法（1）等安全系数法）等安全系数法 该该方方法法基基本本的的设设计计思思路路是是使使各各个个危危险险截截面面上上的的最最小小安安全全系系数数等等于于或或大大于规定的安全系数。于规定的安全系数。（2）边界载荷法（拉力余量法）边界载荷法（拉力余量法） 在抗拉

22、设计时，套管柱上下考虑同一个拉力余量。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、另外还有最大载荷法、AMOCO法、西德法、西德BEB方法及前苏联的方法等。方法及前苏联的方法等。3、各层套管柱的设计特点、各层套管柱的设计特点表层套管：表层套管：主要考虑内压载荷。主要考虑内压载荷。技术套管：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。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：油层套管：上部抗内压，下部抗外挤。上部抗内压，下部抗外挤。o轴向载荷轴向载荷o外挤载荷外挤载荷o有效内压力管外管内4、套管柱设计的等安全系数法、套管柱设计的等安全系

23、数法（1）基本设计思路）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；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于或等于规定安全系数；的最小安全系数要大于或等于规定安全系数； 通式：通式： 套管强度外载套管强度外载安全系数安全系数水泥面以上套管强度要考虑双向应力的影响；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，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。

24、按浮重计算。（2）设计步骤）设计步骤例例题题：某某井井177.8mm（7英英寸寸）油油层层套套管管下下至至3500m，下下套套管管时时的的钻钻井井液液密密度度为为1.30g/cm3，水水泥泥返返至至2800m，预预计计井井内内最最大大内压力内压力35MPa，试设计该套管柱（规定最小段长，试设计该套管柱（规定最小段长500m）。）。解：规定的安全系数：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计算最大内压力，筛选符合抗内压要求的套管 抗内压强度抗内压强度PPimaximax Si =38500 kPa筛选套管：筛选套管：C-75-

25、75，L-80L-80，N-80N-80，C-90C-90，C-95C-95，P-110P-110。按成本排序：按成本排序：N-80 N-80 C-75 -75 L-80 L-80 C-90 C-90 C-95 C-95 P-110P-110按抗挤设计下部套管段，水泥面以上进行双向应力校核按抗挤设计下部套管段，水泥面以上进行双向应力校核1 1）计算最大外挤力，选择第一段套管；）计算最大外挤力，选择第一段套管；查表：查表：N-80，t1=10.36 mm，q1=0.4234kN/m，pc1=48401kPa，Fs1=3007 kN， Fst1= 2611.1 kN 。2 2）选择第二段套管）选择

26、第二段套管；（选择强度低一级的套管；确定第一段套管的长；（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）度，进行第一段的抗拉强度校核）查表：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计算第二段套管可下深度D D2 2, ,确定第一段套管长度确定第一段套管长度L L1 1；双向应力强度校核，最终确定双向应力强度校核，最终确定D2，L1； D D2 2=2900m =2900m 2800m，超过水泥面，考虑双向应力影响；，超过水泥面，考虑

27、双向应力影响；危险截面：水泥面危险截面：水泥面2800m处处解决办法：解决办法：将第一段套管向上延伸至水泥面以上。将第一段套管向上延伸至水泥面以上。 预定：预定：D D2 2=2700m=2700m，L L1 1=800m=800m。重新进行双向应力强度校核：重新进行双向应力强度校核： （按照以上同样的方法进行）（按照以上同样的方法进行） 套管套管1 1：危险截面为危险截面为2800m处，处，S Sc c=1.29 =1.29 1.0 安全安全 套管套管2：危险截面为危险截面为2700m处，处，Sc=1.02 1.0 安全安全计算套管抗拉安全系数：计算套管抗拉安全系数： 最终结果：最终结果：D

28、2=2700m，L1=800m。3 3）选择第三段套管，确定第二段套管长度）选择第三段套管，确定第二段套管长度查表：查表： N-80，t3=8.05 mm，q3=0.3358kN/m，pc3=26407kPa，Fs3=2366.5 kN，Fst3= 1966.1 kN 。 考虑双向应力影响，确定第三段套管可下深度；考虑双向应力影响，确定第三段套管可下深度； 由：由： 采用试算法，取采用试算法，取D3=1700m，计算得：，计算得：Sc=1.03，安全。，安全。计算第二段顶部的抗拉安全系数计算第二段顶部的抗拉安全系数最终结果：最终结果：D3=1700m，L2=1000m。还有上部还有上部1700

29、m的套管需进行设计，转为抗拉设计的套管需进行设计，转为抗拉设计1）计算第三段套管按抗拉要求的允许使用长度）计算第三段套管按抗拉要求的允许使用长度 L3； 由：由： 实取：实取：L3=1100m， 则：则： Fm3=718+1100 0.3357=1087 kN2）确定第四段套管的使用长度）确定第四段套管的使用长度查表：应比第三段套管的抗拉强度高，查表：应比第三段套管的抗拉强度高， N-80，t4=10.36 mm，q4=0.4234kN/m，pc4=48401kPa，Fs4=3007 kN， Fst4= 2611.1 kN 。 与第一段所用套管相同。与第一段所用套管相同。计算第四段套管的许用长

30、度：计算第四段套管的许用长度： 实际距井口还有实际距井口还有600m，取，取L4=600m。校核第四段下部的抗挤强度：校核第四段下部的抗挤强度：最终确定最终确定L4=600m，D4=600m。最终设计结果最终设计结果第三节第三节 注水泥技术注水泥技术注水泥目的：注水泥目的：固定套管、有效封隔井内的油气水层。固定套管、有效封隔井内的油气水层。本节内容：本节内容：油井水泥；水泥浆性能；提高注水泥质量的措施。油井水泥；水泥浆性能；提高注水泥质量的措施。注水泥的基本要求：注水泥的基本要求：（l）水泥浆返高和套管内水泥塞高度必须符合设计要求；）水泥浆返高和套管内水泥塞高度必须符合设计要求；（2）注注水水

31、泥泥井井段段环环形形空空间间内内的的钻钻井井液液全全部部被被水水泥泥浆浆替替走走，不不存存在残留现象；在残留现象；（3）水水泥泥石石与与套套管管及及井井壁壁岩岩石石有有足足够够的的胶胶结结强强度度，能能经经受受住住酸酸化压裂及下井管柱的冲击；化压裂及下井管柱的冲击；（4）水水泥泥凝凝固固后后管管外外不不冒冒油油、气气、水水，环环空空内内各各种种压压力力体体系系不不能互窜；能互窜；（5）水泥石能经受油、气、水长期的侵蚀。）水泥石能经受油、气、水长期的侵蚀。一、油井水泥一、油井水泥 油井水泥是波特兰水泥（硅酸盐水泥）的一种。油井水泥是波特兰水泥（硅酸盐水泥）的一种。对油井水泥的基本要求：对油井水泥

32、的基本要求：（1）水泥能配成流动性良好的水泥浆，且在规定的时间内，）水泥能配成流动性良好的水泥浆，且在规定的时间内， 能始终保持这种流动性。能始终保持这种流动性。（2）水泥浆在井下的温度及压力条件下保持性能稳定；）水泥浆在井下的温度及压力条件下保持性能稳定；（3）水泥浆应在规定的时间内凝固并达到一定的强度；）水泥浆应在规定的时间内凝固并达到一定的强度；（4）水泥浆应能和外加剂相配合，可调节各种性能；）水泥浆应能和外加剂相配合，可调节各种性能；（5）形成的水泥石应有很低的渗透性能等。）形成的水泥石应有很低的渗透性能等。1、油井水泥的主要成分、油井水泥的主要成分（1）硅酸三钙）硅酸三钙3CaOSi

33、O2（简称（简称C3S） 水泥的主要成份，一般的含量为水泥的主要成份，一般的含量为 4065。 对水泥的强度，尤其是早期强度有较大的影响。对水泥的强度，尤其是早期强度有较大的影响。 高早期强度水泥高早期强度水泥中含量可达中含量可达6065，缓凝水泥中含量在缓凝水泥中含量在4045。（2）硅酸二钙）硅酸二钙2CaOSiO2（简称（简称C2S），）， 含量一般在含量一般在2430之间；之间； 水化反应缓慢，强度增长慢；水化反应缓慢，强度增长慢； 对水泥的最终强度有影响。对水泥的最终强度有影响。（3）铝酸三钙）铝酸三钙3CaOAl2O3（简称（简称C3A） 促进水泥快速水化；促进水泥快速水化； 其含

34、量是决定水泥初凝和稠化时间的主要因素；其含量是决定水泥初凝和稠化时间的主要因素； 对水泥浆的流变性及早期强度有较大影响；对水泥浆的流变性及早期强度有较大影响； 对硫酸盐极为敏感；对硫酸盐极为敏感； 对于有较高早期强度的水泥，其含量可达对于有较高早期强度的水泥，其含量可达15。（4）铁铝酸四钙）铁铝酸四钙4CaO2Al2O3Fe2O3（简称（简称C4AF），）， 对强度影响较小，水化速度仅次于对强度影响较小，水化速度仅次于C3A， 早期强度增长较快，含量为早期强度增长较快，含量为 812。 除了以上四种主要成份之外，还有石膏、碱金属的氧化物等除了以上四种主要成份之外，还有石膏、碱金属的氧化物等。

35、2、水泥的水化、水泥的水化水水泥泥与与水水混混合合成成水水泥泥浆浆后后，与与水水发发生生化化学学反反应应，生生成成各各种种水水化化产产物。逐渐由液态变为固态，使水泥硬化和凝结，形成水泥石。物。逐渐由液态变为固态，使水泥硬化和凝结，形成水泥石。（1）水泥的水化反应）水泥的水化反应 水泥的主要成分与水发生的水化反应为：水泥的主要成分与水发生的水化反应为：3CaO SiO22H2O2CaO SiO2 H2O十十Ca(OH)22CaO SiO2H2O 2CaO SiO2 H2O3CaO Al2O36H2O 3CaO Al2O3 6H2O4CaOAl2O3Fe2O36H2O3CaOAl2O36H2OaO

36、Fe2O3H2O 除除此此之之外外还还发发生生其其他他二二次次反反应应，生生成成物物中中有有大大量量的的硅硅酸酸盐盐水水化化产产物物及及氢氢氧氧化化钙钙等等。在在反反应应的的过过程程中中，各各种种水水化化产产物物均均逐逐渐渐凝凝聚聚，使水泥硬化。使水泥硬化。（2）水泥凝结与硬化）水泥凝结与硬化 水泥的硬化分为三个阶段：水泥的硬化分为三个阶段：溶溶胶胶期期：水水泥泥与与水水混混合合成成胶胶体体液液，开开始始发发生生水水化化反反应应，水水化化产产物物的的浓浓度度开开始始增增加加，达达到到饱饱和和状状态态时时部部分分水水化化物物以以胶胶态态或或微微晶晶体体析析出出，形形成成胶胶溶溶体系。此时水泥浆仍

37、有流动性。体系。此时水泥浆仍有流动性。凝凝结结期期：水水化化反反应应由由水水泥泥颗颗粒粒表表面面向向内内部部深深入入，溶溶胶胶粒粒子子及及微微晶晶体体大大量量增增加加，晶晶体体开开始始互互相相连连接接，逐逐渐渐絮絮凝凝成成凝凝胶胶体体系系。水水泥泥浆浆变变绸绸，直直到到失失去流动性。去流动性。硬硬化化期期：水水化化物物形形成成晶晶体体状状态态，互互相相紧紧密密连连接接成成一一个个整整体体，强强度度增增加加，硬化成为水泥石。硬化成为水泥石。水泥石主要由三部分组成：水泥石主要由三部分组成：无无定定性性物物质质（水水泥泥胶胶），它它具具有有晶晶体体的的结结构构，颗颗粒粒尺尺寸寸大大体体在在0lmm左

38、右，互相连接成一个整体。左右，互相连接成一个整体。氢氧化钙晶体，是水化反应的产物。氢氧化钙晶体，是水化反应的产物。未水化的水泥颗粒。未水化的水泥颗粒。3、油井水泥的分类、油井水泥的分类（1）API水泥的分类水泥的分类A级：级：深度范围深度范围 01828.8 m，温度，温度76.7。B级级：深深度度范范围围 01828.8 m，属属中中热热水水泥泥，温温度度至至 76.7，有有中中抗抗硫和高抗硫两种。硫和高抗硫两种。C级级：深深度度范范围围01828.8 m，温温度度至至 76.7，高高早早期期强强度度水水泥泥，分分普通、中抗硫及高抗硫三种。普通、中抗硫及高抗硫三种。D级级：深深度度范范围围1

39、828.83050 m，温温度度76127，用用于于中中温温、中中压压条件，分为中抗硫及高抗硫两种。条件，分为中抗硫及高抗硫两种。E级级：深深度度范范围围 30504270 m，温温度度76143，用用于于高高温温、高高压压条件，分为中抗硫及高抗硫两种。条件，分为中抗硫及高抗硫两种。F级级：深深度度范范围围为为 30504880 m，温温度度 110160，用用于于超超高高温温和和超高压条件，分为中抗硫及高抗硫两种。超高压条件，分为中抗硫及高抗硫两种。G级级及及H级级：深深度度范范围围为为 02440 m，温温度度093，分分为为中中抗抗硫硫及及高抗硫两种。高抗硫两种。J级：级：深度范围为深度

40、范围为 36604880 m，温度，温度49160。 （2）国产以温度系列为标准的油井水泥）国产以温度系列为标准的油井水泥二、水泥浆性能与固井工程的关系二、水泥浆性能与固井工程的关系1 1、水泥浆性能、水泥浆性能水泥浆密度水泥浆密度干水泥密度干水泥密度 3.053.20 gcm3，水泥完全水化需要的水为水泥重量的水泥完全水化需要的水为水泥重量的20左右；左右；使水泥浆能流动加水量应达到水泥重量的使水泥浆能流动加水量应达到水泥重量的4550；水泥浆密度水泥浆密度1.80 1.90 gcm3之间。之间。水灰比水灰比：水与干水泥重量之比水与干水泥重量之比。水泥浆的稠化时间水泥浆的稠化时间 水泥浆从配

41、制开始到其稠度达到其规定值所用的时间。水泥浆从配制开始到其稠度达到其规定值所用的时间。API标标准准：从从开开始始混混拌拌到到水水泥泥浆浆稠稠度度达达到到 100 BC（水水泥泥稠稠度度单单位位）所用的时间。所用的时间。API标标准准中中规规定定在在初初始始的的 1530 min时时间间内内，稠稠化化值值应应当当小小于于 30 BC。好好的的稠稠化化情情况况是是在在现现场场总总的的施施工工时时间间内内，水水泥泥浆浆的的稠稠度度在在50 BC以内。以内。水泥浆的失水水泥浆的失水 一般用一般用30分钟的失水量表示。分钟的失水量表示。水泥浆的凝结时间水泥浆的凝结时间从液态转变为固态的时间。从液态转变

42、为固态的时间。对对于于封封固固表表层层及及技技术术套套管管，希希望望水水泥泥能能有有早早期期较较高高的的强强度度。以以便便于于尽尽快快开开始始下下一一道道工工序序。通通常常希希望望固固完完井井候候凝凝 8hr.左左右右，水水泥泥浆浆开开始始凝结成水泥石，其抗压强度可达凝结成水泥石，其抗压强度可达2.3MPa以上即可开始下一次开钻。以上即可开始下一次开钻。水泥石强度水泥石强度能支撑和加强套管。能支撑和加强套管。能承受钻柱的冲击载荷。能承受钻柱的冲击载荷。能承受酸化、压裂等增产措施作业的压力。能承受酸化、压裂等增产措施作业的压力。水泥石的抗蚀性水泥石的抗蚀性主要应抗硫酸盐腐蚀。主要应抗硫酸盐腐蚀。

43、2、水泥的外加剂、水泥的外加剂（1）加重剂：）加重剂：重晶石、赤铁粉等。可使水泥浆密度达到重晶石、赤铁粉等。可使水泥浆密度达到 2.3 gcm3。（2）减减轻轻剂剂：硅硅藻藻土土、粘粘土土粉粉、沥沥青青粉粉、玻玻璃璃微微珠珠、火火山山灰灰等等。可可使水泥浆的密度降到使水泥浆的密度降到l 45 gm3。（3）缓缓凝凝剂剂：丹丹宁宁酸酸钠钠、酒酒石石酸酸、硼硼酸酸、铁铁铬铬木木质质素素磺磺酸酸盐盐、羧羧甲甲基羟乙基纤维素等。基羟乙基纤维素等。（4）促凝剂：）促凝剂：氯化钙、硅酸钠、氯化钾等。氯化钙、硅酸钠、氯化钾等。（5）减减阻阻剂剂： 奈奈磺磺酸酸甲甲醛醛的的缩缩合合物物、铁铁铬铬木木质质素素磺

44、磺酸酸盐盐、木木质质素磺化钠等。素磺化钠等。（6）降失水剂：）降失水剂：羧甲基羟乙基纤维素、丙烯酸胺、粘土等。羧甲基羟乙基纤维素、丙烯酸胺、粘土等。（7）防漏失剂：）防漏失剂：沥青粒、纤维材料等。沥青粒、纤维材料等。3、特种水泥、特种水泥（1）触变性水泥：当水泥浆静止时，形成胶凝状态，但在流动时，胶凝）触变性水泥：当水泥浆静止时，形成胶凝状态，但在流动时，胶凝 状态被破坏，它的流动性是良好的。状态被破坏，它的流动性是良好的。（2）膨胀水泥：水泥浆凝固时，体积略有膨胀。一般用于高压气井。）膨胀水泥：水泥浆凝固时，体积略有膨胀。一般用于高压气井。（3）防冻水泥：用于地表温度较低地区的表层套管固井。

45、）防冻水泥：用于地表温度较低地区的表层套管固井。（4）抗盐水泥）抗盐水泥（5）抗高温水泥）抗高温水泥（6）轻质水泥）轻质水泥三、前置液三、前置液 将水泥浆与钻井液隔开，起到隔离、缓冲、清洗的作用，可提高固井将水泥浆与钻井液隔开，起到隔离、缓冲、清洗的作用，可提高固井质量。质量。1、冲洗液：、冲洗液：低粘度、低剪切速率、低密度。用于有效冲洗井壁及套管壁，低粘度、低剪切速率、低密度。用于有效冲洗井壁及套管壁，清洗残存的钻井液及泥饼。清洗残存的钻井液及泥饼。2、隔离液：、隔离液：有效隔开钻井液与水泥浆，以便形成平面推进型的顶替效果。有效隔开钻井液与水泥浆，以便形成平面推进型的顶替效果。通常为粘稠液体

46、。通常为粘稠液体。四、提高注水泥质量的措施四、提高注水泥质量的措施1、对注水泥质量的基本要求、对注水泥质量的基本要求（l）对固井质量的基本要求）对固井质量的基本要求水泥浆返高和水泥塞高度必须符合设计要求；水泥浆返高和水泥塞高度必须符合设计要求；注水泥井段环空内的钻井液顶替干净；注水泥井段环空内的钻井液顶替干净；水泥石与套管及井壁岩石胶结良好；水泥石与套管及井壁岩石胶结良好；水泥凝固后管外不冒油、气、水，不互窜；水泥凝固后管外不冒油、气、水，不互窜；水泥石能经受油、气、水长期的侵蚀。水泥石能经受油、气、水长期的侵蚀。（2）在固井中常出现的固井质量问题）在固井中常出现的固井质量问题井口有冒油、气、

47、水的现象。井口有冒油、气、水的现象。不能有效地封隔各种层位，开采时各种压力互窜。不能有效地封隔各种层位，开采时各种压力互窜。因固结质量不良在生产中引起套管变形，使井报废等。因固结质量不良在生产中引起套管变形，使井报废等。2、影响注水泥质量的因素、影响注水泥质量的因素（1）顶替效率低，产生窜槽。）顶替效率低，产生窜槽。 注水泥段：注水泥段： 注水泥段任一截面：注水泥段任一截面：窜窜槽槽：由由于于水水泥泥浆浆不不能能将将环环空空中中的的钻钻井井液液完完全全替替走走，而而使使环环形形空空间间局局部出现未被水泥浆封固住的这种现象。部出现未被水泥浆封固住的这种现象。形成窜槽的原因：形成窜槽的原因：套管不

48、居中；套管不居中；井眼不规则；井眼不规则；水泥浆性能及顶替措施不当。水泥浆性能及顶替措施不当。接触时间、顶替速度及流态、水泥浆流变性等。接触时间、顶替速度及流态、水泥浆流变性等。（2）水泥浆凝结过程中油气水上窜）水泥浆凝结过程中油气水上窜引起油气水上窜的原因：引起油气水上窜的原因： 水泥浆失重：水泥浆失重：水泥浆柱在凝结过程中对其下部或地层所作用的压力水泥浆柱在凝结过程中对其下部或地层所作用的压力 逐渐减小的现象。逐渐减小的现象。 桥堵引起失重桥堵引起失重，从而引起油气水上窜；，从而引起油气水上窜； 水泥浆凝结后体积收缩水泥浆凝结后体积收缩；收缩率小于；收缩率小于0.2%0.2%。 套管内原来

49、有压力，放压后使套管收缩。套管内原来有压力，放压后使套管收缩。 泥饼的存在泥饼的存在，影响地层，影响地层水泥间（第二界面）的胶结。水泥间（第二界面）的胶结。3 3、提高注水泥质量的措施、提高注水泥质量的措施（1 1）提高顶替效率，防止窜槽；）提高顶替效率，防止窜槽； 采用套管扶正器，改善套管居中条件；采用套管扶正器，改善套管居中条件； 注水泥过程中活动套管；注水泥过程中活动套管； 调节注水泥速度，使水泥浆在环空呈紊流状态；调节注水泥速度，使水泥浆在环空呈紊流状态； 调整水泥浆性能。加大钻井液与水泥浆的密度差；调整水泥浆性能。加大钻井液与水泥浆的密度差； 降低钻井液粘度和切力。降低钻井液粘度和切

50、力。（2）防止油气水上窜）防止油气水上窜 采用多级注水泥或两种凝速（上慢下快）的水泥；采用多级注水泥或两种凝速（上慢下快）的水泥； 注完水泥后及时使套管内卸压，并在环空加回压；注完水泥后及时使套管内卸压，并在环空加回压； 使用膨胀性水泥，防止水泥收缩；使用膨胀性水泥，防止水泥收缩； 使用刮泥器，清除井壁泥饼。使用刮泥器，清除井壁泥饼。第四节第四节 完井技术完井技术 完井工艺过程：完井工艺过程： 钻钻开开生生产产层层、确确定定完完井井井井底底结结构构、安安装装井井底底（下下套套管管固固井井或或下下入筛管）、使井眼与产层连通并安装井口装置等。入筛管）、使井眼与产层连通并安装井口装置等。一、钻开储集

51、层一、钻开储集层储集层的两个突出特点：储集层的两个突出特点：储集有一定压力的油气水；储集有一定压力的油气水；地层孔隙和裂缝比较发育，具有较好的原始渗透率。地层孔隙和裂缝比较发育，具有较好的原始渗透率。对钻开储集层的技术要求：对钻开储集层的技术要求：保护油气层，防止钻井液污染；保护油气层，防止钻井液污染；控制油气层，防止不必要的井喷，安全钻开储集层。控制油气层，防止不必要的井喷，安全钻开储集层。1 1、钻开后储集层储油性质的变化、钻开后储集层储油性质的变化 一一般般，井井内内液液柱柱压压力力大大于于地地层层压压力力。在在毛毛细细管管力力和和正正压压差差作作用用下下，钻钻井井液液中中的的液液相相和

52、和固固相相进进入入储储层层岩岩石石孔孔隙隙或或裂裂缝缝之之中中，造造成成孔孔道道堵堵塞塞，使储集层受到污染。使储集层受到污染。水侵：水侵：钻井液中的自由水侵入储层的现象。钻井液中的自由水侵入储层的现象。泥侵：泥侵：钻井液中固相物质侵入储层的现象。钻井液中固相物质侵入储层的现象。（1）水侵对油气层的损害）水侵对油气层的损害 使储层中的粘土成分膨胀，使油流通道缩小；使储层中的粘土成分膨胀，使油流通道缩小； 破坏油流的连续性，使单相流动变为多相流动，增加油流阻力；破坏油流的连续性，使单相流动变为多相流动，增加油流阻力； 产生水锁效应，增加油流阻力；产生水锁效应，增加油流阻力； 在地层孔隙中生成沉淀物

53、。在地层孔隙中生成沉淀物。（2 2）泥侵对油气层的损害）泥侵对油气层的损害 钻井液直接进入较大的储层孔隙，形成堵塞；钻井液直接进入较大的储层孔隙，形成堵塞； 形成内泥饼，造成永久性损害；形成内泥饼，造成永久性损害；2 2、钻开后储集层岩石力学性质的变化、钻开后储集层岩石力学性质的变化 储储集集层层被被钻钻开开之之后后，打打破破了了原原来来的的力力学学平平衡衡状状态态，岩岩石石发发生生侧侧向向变变形形，从而对储集层结构造成影响。从而对储集层结构造成影响。对于孔隙较多、较大的砂岩储层，影响不太明显；对于孔隙较多、较大的砂岩储层，影响不太明显；对对于于裂裂缝缝性性储储集集层层，影影响响明明显显。当当

54、产产生生侧侧向向变变形形时时，有有些些微微小小裂裂缝缝的的张张开程度明显减小。使储集层的渗透率降低。开程度明显减小。使储集层的渗透率降低。长长期期的的采采油油生生产产，使使储储层层内内压压力力下下降降，砂砂岩岩的的骨骨架架受受力力增增加加，砂砂岩岩会会被被压碎而造成出砂。压碎而造成出砂。3 3、钻开储集层的方法、钻开储集层的方法 采用合理的钻井液体系，避免水侵和泥侵的危害；采用合理的钻井液体系，避免水侵和泥侵的危害； 采用合理的钻井液密度，采用平衡或欠平衡压力钻井；采用合理的钻井液密度，采用平衡或欠平衡压力钻井； 采用良好的井身结构，减少储集层浸泡时间；采用良好的井身结构，减少储集层浸泡时间；

55、 在其他生产环节中也尽量防止污染在其他生产环节中也尽量防止污染使用低失水、低密度水泥浆；使用低失水、低密度水泥浆；减少试油或其他作业中的关井、压井次数。减少试油或其他作业中的关井、压井次数。二、油气井完井井底结构类型二、油气井完井井底结构类型1 1、对完井的要求、对完井的要求（1）最大限度地保护储集层，防止对储集层造成伤害。）最大限度地保护储集层，防止对储集层造成伤害。（2）减少油气流进入井筒时的流动阻力。）减少油气流进入井筒时的流动阻力。（3）有效地封隔油气水层，防止各层之间的互相干扰。）有效地封隔油气水层，防止各层之间的互相干扰。（4）克服井塌或产层出砂，保障油气井长期稳产，延长井的寿命。

56、）克服井塌或产层出砂，保障油气井长期稳产，延长井的寿命。（5）可以实施注水、压裂、酸化等增产措施。）可以实施注水、压裂、酸化等增产措施。（6）工艺简单、成本低。）工艺简单、成本低。2 2、完井井底结构、完井井底结构（1）裸眼完井法）裸眼完井法 让储集层裸露，只在储集层以上用套管封固的完井方法。让储集层裸露，只在储集层以上用套管封固的完井方法。 先期裸眼完井：先期裸眼完井：先固井，后打开储集层。先固井，后打开储集层。 后期裸眼完井：后期裸眼完井：先打开储集层，后固井。先打开储集层，后固井。裸眼完井的适用范围：裸眼完井的适用范围：只只适适用用于于在在孔孔隙隙型型、裂裂缝缝型型、裂裂缝缝-孔孔隙隙型

57、型或或孔孔隙隙-裂裂缝缝型型坚坚固固的均质储集层中使用。的均质储集层中使用。适适合合于于井井中中只只有有单单一一的的储储集集层层，不不需需分分层层开开采采，无无含含水水含含气气夹夹层层的井。的井。裸眼完井法的优点：裸眼完井法的优点：排排除除了了上上部部地地层层的的干干扰扰，可可以以在在受受污污染染最最小小的的情情况况下下打打开开储储集集层层（先期裸眼完井先期裸眼完井）。）。在在打打开开储储集集层层的的阶阶段段如如遇遇到到复复杂杂情情况况，可可及及时时提提起起钻钻具具到到套套管管内内进行处理，避免事故的进一步复杂化。进行处理，避免事故的进一步复杂化。缩缩短短了了储储集集层层在在洗洗井井液液中中的

58、的浸浸泡泡时时间间，减减少少了了储储集集层层的的受受伤伤害害程程度。度。由由于于是是在在产产层层以以上上固固井井，消消除除了了高高压压油油气气对对封封固固地地层层的的影影响响，提提高了固井质量。储集层段无固井中的污染。高了固井质量。储集层段无固井中的污染。裸眼完井法的缺点裸眼完井法的缺点适适应应面面窄窄，不不适适应应于于非非均均质质、弱弱胶胶结结的的产产层层，不不能能克克服服井井壁壁坍坍塌塌、产产层层出出砂砂对对油油井井生产的影响。生产的影响。不不能能克克服服产产层层间间的的干干扰扰，如如油油、气气、水水的的互相影响和不同压力体系的互相干扰。互相影响和不同压力体系的互相干扰。油油井井投投产产后

59、后难难以以实实施施酸酸化化、压压裂裂等等增增产产措措施。施。先先期期裸裸眼眼完完井井法法是是在在打打开开产产层层之之前前封封固固地地层层，但但此此时时尚尚不不了了解解生生产产层层的的真真实实情情况况，如如果果在在打打开开产产层层的的阶阶段段出出现现特特殊殊情情况况，会会给后一步的生产带来被动。给后一步的生产带来被动。后后期期裸裸眼眼完完井井没没有有避避免免洗洗井井液液和和水水泥泥浆浆对对产层的污染和不利影响。产层的污染和不利影响。（2 2）射孔完井法）射孔完井法 是使用最多的完井方法。是使用最多的完井方法。主要优点：主要优点：能比较有效地封隔和支持疏松易塌的生能比较有效地封隔和支持疏松易塌的生

60、产层。产层。能够分隔不同压力和不同特点的油气层。能够分隔不同压力和不同特点的油气层。可进行无油管完井和多油管完井。可进行无油管完井和多油管完井。主要不足：主要不足：打开生产层和固井的过程中，钻井液和打开生产层和固井的过程中，钻井液和水泥浆对生产层的侵害较严重。水泥浆对生产层的侵害较严重。油气流入井内的阻力较大。油气流入井内的阻力较大。 分为单管射孔完成、多管射孔完成、尾分为单管射孔完成、多管射孔完成、尾管射孔完成、封隔器射孔完成等方法。管射孔完成、封隔器射孔完成等方法。（3 3）防砂完井）防砂完井裸眼砾石充填完井裸眼砾石充填完井 在在钻钻开开产产层层之之前前下下套套管管固固井井，然然后后钻钻开

61、开产产层层并并在在产产层层段段扩扩眼眼，下下入入筛筛管管，在在井井眼眼与与筛筛管管间间的的环环空空中中充充填填砾砾石石。砾砾石石和和筛筛管管对对地地层层的的出出砂砂起起阻阻挡作用。挡作用。管内砾石充填完井管内砾石充填完井 在出砂井段下筛管，在筛管和油层套管之间的环空中充填砾石。在出砂井段下筛管，在筛管和油层套管之间的环空中充填砾石。人工井壁完井人工井壁完井 利用渗透性的可凝固材料注入到出砂层，形成阻挡砂粒的人工井壁。利用渗透性的可凝固材料注入到出砂层，形成阻挡砂粒的人工井壁。渗渗透透性性固固井井射射孔孔完完井井法法：用用渗渗透透性性良良好好的的材材料料注注入入套套管管和和地地层层之之间间，再再用小功率射孔弹射开套管但不破坏注入的渗透层；用小功率射孔弹射开套管但不破坏注入的渗透层；渗透性衬管完井法：渗透性衬管完井法：在衬管与裸眼之间注入渗透性材料；在衬管与裸眼之间注入渗透性材料；渗透性工人井壁完井法：渗透性工人井壁完井法：在裸眼井段注入渗透性材料形成人工井壁。在裸眼井段注入渗透性材料形成人工井壁。3、完井井口装置、完井井口装置1油管悬挂器；油管悬挂器；2油管头；油管头；3油管；油管；4套管悬挂器；套管悬挂器；5套管头；套管头；6油层套管；油层套管；7技术套管；技术套管；8密封圈；密封圈；9套管悬挂器；套管悬挂器；10套管头；套管头；11表层套管。表层套管。