1、碩士2002級 現代完井工程石油鉆探固井技術1第1頁，共91頁。概述井身結構設計套管及套管柱設計油井水泥及水泥漿設計影響注水泥質量的因素2第2頁，共91頁。概述1.固井的概念 固井在井眼中下入適當尺寸及強度的套管柱，然后用水泥漿封固套管與井壁之間的環形空間的作業。 包括： 套管與下套管 水泥與注水泥3第3頁，共91頁。概述2.固井的目的封隔易塌、易漏等復雜地層，保證鉆井順利進行；封隔油氣水層，建立油氣流出通道，防止產層間互竄；進行增產措施；安裝井口。4第4頁，共91頁。概述3.固井的內容套管及下套管 水泥與注水泥5第5頁，共91頁。概述4.對固井質量的要求套管有足夠的強度能承受井下各種外力作用

2、，抗腐蝕、不斷、不裂、不變形。水泥環有可靠的密封環空封固段不竄、不漏、能經受高壓擠注的考驗。 6第6頁，共91頁。概述5.固井工藝流程(1) 井眼準備；鉆井至預定井深后測井、通井并清洗井眼(循環鉆井液12周)起鉆、下套管、安裝水泥頭及注水泥地面管匯再循環鉆井液12周；(2) 打隔離液或前置液(一般用量為環空高度100m左右)；(3) 釋放下膠塞注水泥(領漿、中漿、尾漿)；(4) 釋放上膠塞替鉆井液;(5) 碰壓(上膠塞下行至套管承托環,泵壓突然升高,通常 5.0 MPa)，注水泥結束。7第7頁，共91頁。概述6.工藝介紹下套管注水泥候凝檢測評價8第8頁，共91頁。概述7.固井的特點(1) 固井

3、作業施工時間短。例：3500m 9-5/8 套管固井作業，下套管約12:0016:00，注水泥約3:004:00 ；(2) 作業屬一次性工程，且質量要求高，事后補救困難(補救質量可控性差、成功率低、費用高)。據資料(美國、海洋)，補救作業費用與基本注水泥作業費的比值為: 表層套管固井：55 技術套管固井：15 尾 管 固 井 ：120 產 層 固 井 ：84(3) 材料用量大，成本高。 一般為鉆井總成本的1530。9第9頁，共91頁。第一節 井身結構設計一.井身結構設計的內容套管的層次；各層套管的尺寸與下入深度；井眼尺寸(鉆頭尺寸)與深度；水泥返高。10第10頁，共91頁。二.井身結構確定的原

4、則能有效的保護油氣層，使不同壓力梯度的油氣層不受鉆井液的污染。應避免漏、噴、塌、卡等復雜情況發生，為全井順利鉆進創造條件。鉆下部高壓地層時，所用較高密度鉆井液形成的液柱壓力，不壓裂上層套管鞋處薄弱的裸露地層。下套管過程中，應不發生壓差卡套管。套管與井眼、下次鉆進的鉆頭與套管內徑之間，應有合理的間隙。11第11頁，共91頁。三.井身結構設計中所需的基礎數據 1.地質方面的數據 巖性剖面及故障提示； 地層孔隙壓力剖面； 地層破裂壓力剖面。2.工程類數據 抽吸壓力與激動壓力允許值； 地層壓裂安全增值； 井涌條件； 壓差允許值。12第12頁，共91頁。四.套管與井眼尺寸的選擇與配合 生產套管的尺寸應滿

5、足采油的要求；據產能、油管大小、增產措施以及井下作業等要求。 對于探井，要考慮設計原井深是否需要加深；實際地與層原地質預報有可能存在差異，是否留可增加中間套管層次的余地。 要考慮到工藝技術水平以及管材、鉆頭等的庫存情況。地質復雜情況、取巖心尺寸要求、井眼曲率等。13第13頁，共91頁。第二節 套管柱設計一、套管規范簡介套管受到各種類型外力作用，須具有一定強度。外載大小、類型不同，所需的強度要求也不同，須有一系列不同尺寸、不同強度的套管。即套管系列。對所用的套管系列作一個統一規定，叫套管規范。規定了套管生產的尺寸、鋼級、壁厚、連接方式等。目前一般使用的美國API套管規范。其規定的有關性能主要有。

6、14第14頁，共91頁。1、尺寸系列（又叫名義外徑或公稱直徑）41/2，5，51/2，65/8，7，75/8， 85/8，95/8，103/4，113/4，16, 285/8，20，30.15第15頁，共91頁。2、鋼級系列API鋼級有10種：H,J,K,N,C,L,P,Q,X.非標準的鋼級，也較廣泛使用，如NKK,S,SS,V等。API規定鋼級代號后面的數字乘以1000 psi(6894.8Pa)即為該鋼材的最小屈服強度。如:N-80 801000psi但也有個別例外:S-80 55KpsiSS-95 80Kpsi16第16頁，共91頁。3、套管螺紋類型與螺紋連接API標準螺紋類型：短園螺紋

7、，STC, CSG, C1長園螺紋，LTC,LCSG, C2梯型螺紋，BTC,BCSG, C33直連型螺紋，XL, XCSG, C11X與螺紋類型相對應的螺紋連接也有四種。 螺紋連接指套管本體與結箍之間的連接。 另有一些非標準螺紋由廠家定義。17第17頁，共91頁。如何選用這些套管，選擇原則：外載安全系數 套管強度18第18頁，共91頁。二、套管外載分析與套管強度計算（一）載荷分類與特點1 靜載特點：長期作用、聯合作用在套管上。類型：軸向拉力徑向外擠壓力徑向內壓力彎曲附加拉力溫差應力19第19頁，共91頁。(1)軸向拉力：T 自重：W 浮力：F T = W - FWTF20第20頁，共91頁。

8、(2)徑向外擠壓力：管外液柱壓力P1地層擠壓P2環空加壓P3P3P2P121第21頁，共91頁。(3)徑向內壓力：管內流體壓力壓裂作業等壓力P2P122第22頁，共91頁。2 動載特點：瞬時地、單一地作用在套管上。起下鉆時速度變化產生的動載阻、卡套管時提拉動載摩擦動載碰壓動載密度差產生的附加拉力套管柱在井下所受的主要外力有哪些？23第23頁，共91頁。作用在套管上的主要載荷是：軸向拉力 Tb= W - F外擠壓力 Pc內壓力 PiWTbFPiPc24第24頁，共91頁。（二）軸向拉力與套管抗拉強度1、軸向拉力計算1.1套管自重產生的軸向拉力 浮力對軸向載荷有減小作用，因此，設計時考慮與不考慮浮

9、力時的選用的安全系數應有一定區別。25第25頁，共91頁。(1)不考慮浮力時套管自重拉力分布規律：在套管柱上由下向上逐漸增大。最大值位置：井口處。計算公式：T 井口處套管軸向拉力, KNq 單位長度套管的重量，N/mL 套管長度，m26第26頁，共91頁。(2) 考慮浮力時套管自重拉力 浮力考慮方法： 浮力系數法，臺階力法(按集中力考慮)計算式(浮力系數法 )：Tb套管在鉆井液中的重量，KNBF 浮力系數在空氣中在鉆井液中Tb27第27頁，共91頁。1.2彎曲附加拉力 如果井眼存在較大的井斜變化或狗腿度時，由于套管彎曲效應的影響將增大套管的拉力負荷，特別是在靠近絲扣嚙合處，易形成裂縫損壞，由于

10、API套管的連接強度沒有考慮彎曲應力，所以設計時應從套管的連接強度中扣除彎曲效應的影響，其計算公式見有關資料。28第28頁，共91頁。1.3 其它附加拉力 在一般的套管設計中，沒有具體考慮附加拉力，而是通過安全系數的選用，將它們包括在內。29第29頁，共91頁。2 軸向拉力作用下的套管強度(抗拉強度）2.1 軸向拉力作用下套管的失效形式(1)絲扣（接箍）滑脫(2)絲扣斷裂(3)管體斷裂(4)氫脆30第30頁，共91頁。2.2 套管抗拉強度的選用抗拉強度min絲扣部分抗拉強度，管體抗拉強度31第31頁，共91頁。（三） 外擠壓力與套管抗擠強度1 外擠壓力計算1.1外擠壓力的計算考慮方法：管內按全

11、掏空的 最危險狀態考慮。計算方法：Pe外擠壓力，MPaH 計算點深度，mm 管外泥漿(或鹽水)密度，g/cm3Pe32第32頁，共91頁。外擠力分布：沿井深增加，最大在井底。說明：a.水泥環有一定的承載能力，實際的外擠力在水泥面以下要小得多，可分段考慮；b.在有易流動塑性地層的情況下（如鹽巖層、泥鹽層），套管所受的外擠力應按上覆巖層的壓力梯度計算；c.在很多井中，并不可能發生全掏空的外擠狀態，故按上面方法計算出的外擠力偏大，這樣便可能造成選擇套管的浪費?，F行的方法是：根據各層套管具體可能出現的最大工況，按有效載荷計算。33第33頁，共91頁。1.2有效外擠壓力計算計算方法：Pe=Pc- Pi

12、其中Pi的計算方法不同，也使得Pe有多種算法。PiPc34第34頁，共91頁。2 套管的抗擠強度（單一外力作用）2.1 套管在外擠力下的失效形式套管徑厚比的范圍不同，套管破壞的形式也有所不同，其變化相似于受壓直桿件的破壞。細長桿壓彎（失穩）短粗桿塑性變形破壞35第35頁，共91頁。套管按徑厚比分類為：厚壁：D/t 10中厚壁：10 30 D 套管直徑； t 套管壁厚。套管失效形式：主要是失穩破壞，而不是強度破壞。失穩后的套管被擠扁或破裂。36第36頁，共91頁。2.2 套管抗擠強度計算 API根據上面套管的不同失效形式，給出了一套抗擠強度計算公式，即：最小屈服抗擠強度最小塑性抗擠強度最小塑彈性

13、抗擠強度最小彈性抗擠強度具體公式見有關教材。37第37頁，共91頁。3 套管在多向載荷作用下的強度變化與計算3.1套管雙軸應力橢圓a.方程建立 由材料力學理論可知，套管在外載作用下，其單元體上受三個正應力作用，z軸向應力t周向應力r徑向應力ztr38第38頁，共91頁。這三個應力共同作用時合成應力為（Mises方程）：根據第四強度理論，可得套管在多向應力下的強度條件為：c s其平衡方程有：39第39頁，共91頁。在這三個應力中，r 0 0 拉伸內壓 z，t 0 壓縮內壓 z，t 000 拉伸外擠 z，t42第42頁，共91頁。3.2軸向拉力作用下套管抗擠強度的計算a.計算公式43第43頁，共9

14、1頁。b. 計算K直接由Tb/Ts計算K查表求K法44第44頁，共91頁。（四） 內壓力與套管抗內壓強度1 內壓力計算考慮狀態：內壓力最大一般為井噴關井后或酸化壓裂時。內壓分布：以井口為最大(無外擠壓力)。計算方法：按井口關閉，全井充滿天然氣計算：井口壓力Ps為：Pb地層壓力45第45頁，共91頁。以井口裝置的許用最高壓力作為井口壓力以有效內壓力計算有效內壓力有效內壓力井口壓力管內壓力管外壓力46第46頁，共91頁。2 套管的抗內壓強度2.1套管在內壓作用下的失效形式套管在內壓力下的破壞一般屬于強度破壞。2.2抗內壓強度的計算 套管管體和接箍處的抗內壓強度可能不一致，故需同時計算套管管體與絲扣

15、處的抗內壓強度。公式：薄壁圓筒理論0.875允許套管壁厚12.5%的變化W接箍直徑d1管末端的接箍扣根直徑47第47頁，共91頁。三、套管柱設計方法(一)設計原理套管柱設計，實際上就是怎樣選擇套管，使其能滿足井下各種外載狀態的方法。1.選擇依據外載安全系數 套管可用強度48第48頁，共91頁。選擇原則：應能滿足鉆井、開發和產層改造的工藝要求，能滿足各種條件下各種作業情況以及地層的要求；考慮一定的安全儲備；經濟性。49第49頁，共91頁。工程上對選擇套管的有關限制： 在要求抗腐蝕的條件下，應先選用抗硫套管或高一鋼級的套管； 套管段數和種類的數量不應太多，一般應小于45段； 井口一根套管應為全井最

16、大壁厚； 對復雜井要計算井口的瞬時最大載荷。50第50頁，共91頁。2 選擇步驟a.確定套管在井下可能遇到的最大外載情況；b.確定使用的安全系數范圍： 根據套管強度的計算方法和室內套管強度的試驗，井下套管受力狀態的考慮以及使用的套管設計方法等因素，確定一個可用的安全系數范圍.抗擠：1.00-1.50，一般為1.00-1.125抗拉：1.60-2.00，一般為1.8-1.9抗內壓：1.00-1.75,一般為1.10-1.33,常用1.1051第51頁，共91頁。c.計算出不同井深下套管所需的各種強度，從現有套管中選擇出滿足這些要求的套管；d.對所選套管進行校核和調整52第52頁，共91頁。3 等

17、安全系數設計法3.1設計原則 即要求所設計的各段套管的最小安全系數應等于規定的安全系數值。實際安全系數套管強度/計算外載53第53頁，共91頁。3.2設計考慮的外載狀態軸向力：考慮浮力作用下的套管自重（彎曲段加彎曲應力）外擠力：管內全掏空時的最危險狀態，有特殊地層段單獨按上覆巖層壓力梯度設計內壓力：以有效內壓力考慮54第54頁，共91頁。3.3設計順序：外載特點:井底位置主要受外擠壓力作用最大；在井口部位主要受拉力與內壓力作用較大。設計順序:自下而上，先抗擠后抗拉55第55頁，共91頁。3.4設計步驟：確定設計條件：安全系數、外載計算方式按內壓篩選套管求井底外擠力，選第一段套管選第二段套管，計

18、算其可下深度計算第一段套管長度和有關安全系數選第三段套管選套管，按套管抗拉強度計算其可下深度注意：抗擠應按雙軸應力進行計算56第56頁，共91頁。第三節 油井水泥及水泥漿設計水泥與水混合配成的水泥漿，注入到套管與井眼的環空中，經一定時間的凝結和硬化封固環形空間。固井質量的基本要求之一，是要有可靠的密封性。這便要求使用的水泥在強度等性能方面均具備較高的指標。而影響油井水泥這些性能的因素與它內部的礦物成分的含量是密切相關的。57第57頁，共91頁。油井水泥生產過程 水泥生料(碳酸鹽礦物、粘土質原料和調節材料)經粉碎、磨細、混合，在1450高溫下焙燒，加入一定量的石膏磨細。 水泥熟料 加石膏、粉碎

19、油井水泥58第58頁，共91頁。一、油井水泥組成與水化凝結過程 1 油井水泥的主要礦物成分硅酸三鈣：3CaOSiO2 簡寫：C3S硅酸二鈣：2CaOSiO2 簡寫：C2S鋁酸三鈣：3CaOAl2O3 簡寫：C3A鐵鋁酸四鈣：4CaOAl2O3Fe2O3簡寫：C4AF這四種礦物成分占總量的87以上，各種組分在水泥的水化過程中有不同的特性。故組成水泥的各種組分的比例不同，其水泥的性能也有所不同，即不同類型的水泥。59第59頁，共91頁。2 礦物成分對水泥性能的影響(1)硅酸三鈣：在一般硅酸鹽水泥中含量最高，是水泥產生強度的主要化合物。 水化反應速度快，早期強度發展快、最終強度大。(2)硅酸二鈣：水

20、化反應慢，強度增長慢，能在長時間內逐漸增大水泥石的強度。60第60頁，共91頁。(3)鋁酸三鈣：是促進水泥快速水化的化合物，是決定水泥初凝和稠化時間的主要因素。對水泥漿的流動性有顯著影響，并對硫酸鹽的侵蝕十分敏感，因此，高抗硫酸鹽水泥必須控制其含量3%或更低。(4)鐵鋁酸四鈣：水化速度僅次于鋁酸三鈣，早期強度增長快，但早期強度與最終強度差別不大，且強度的絕對值不大，對水泥強度貢獻很小，含量過大可使強度過早減退。 C3A和C4AF的生成，主要是為降低水泥生產的燒結溫度，加入了Al2O3、Fe2O3。61第61頁，共91頁。凝結硬化時間C2SC3SC3AC4AF水泥石強度(4)礦物成分對強度的影響

21、62第62頁，共91頁。通過調節水泥礦物成分的含量，便可獲得各種適用于不同要求的油井水泥，如：性能要求實現方法高的早期強度 增加C3A、C3S含量、細磨緩凝性能好 控制C3A、C2S含量、粗磨低水化熱 限制C3A、C3S含量高抗硫能力 限制C3A3，C3A+2C4AF2463第63頁，共91頁。油井水泥的類型(1)API標準 A、B、C、D、E、F、G、H、J九個級別。其中，G、H兩級為基本水泥。即可通過加入外加劑和/或外摻料達到其它類型的特性，J級水泥目前已有逐步被取消的趨勢。(2)現行國家標準 按API標準，目前主要有G、H級。J級質量控制標準不嚴，實際質量不穩定。(3)原國產標準 45、

22、75、95、120。已不使用64第64頁，共91頁。3 水泥的凝結與硬化(1)水化反應水泥礦物與水混合后，發生水化反應，生成各種水化產物。水泥漿將逐漸由液態轉變為固態，這個過程叫水泥的凝結與硬化過程。65第65頁，共91頁。水泥的水化反應：a.C3A的水化反應b.C3S,C2S,及C4AF的水化反應c.水化的C3A和二水石膏的水化反應隨著水化的不斷進行，水泥漿中的硅酸鹽水化合物，鋁酸鹽水化合物、鐵鋁酸鹽水化物等在容液中的濃度不斷增加，逐漸使微小晶體形成凝聚結構，從而促成水泥的凝結和硬化。66第66頁，共91頁。 (2)水泥的凝結與硬化“凝聚結晶”理論基本思想認為水泥在凝結和硬化過程要形成兩種不

23、同類型的三維空間網，即凝聚網和結晶網。由于凝聚結晶網的不斷增強，最后形成水泥的硬化。67第67頁，共91頁。a.凝結過程水化由顆粒表面深入 膠態粒子增多 晶體開始聯結 凝聚網。b.硬化過程水化深入 晶體析出 相互聯結 結晶網 硬化成微晶結構。68第68頁，共91頁。二、油井水泥及水泥漿的物理性能1 概念：描述水泥或水泥漿特性的有關參量。2 標準：API標準、國家標準、原國家標準。69第69頁，共91頁。水泥的性能 自由水 抗壓強度 安定性 細度 稠化時間水泥漿的性能 (現行)國家和API標準 密度 自由水(析水) 濾失量(失水) 稠化時間 流變性能 水泥石抗壓強度 水泥石滲透率3 水泥及水泥漿

24、的性能描述性能的參數水泥漿的性能 (原)國家標準 密度 流動度 凝結時間 水泥石抗折強度70第70頁，共91頁。(1)密度s：單位體積水泥漿的質量，g/cm3。 基本要求：注水泥過程中，既要壓穩地層不發生流體的侵入，也不壓裂地層造成井漏。(2)稠化時間Tt：在指定溫度和壓力條件下，自水泥與水混合開始至配成的水泥漿的稠度值達到100BC所經歷的時間，叫該水泥漿在此條件下的稠化時間。 基本要求：整個注水泥過程應在稠化時間以內完成，并包含一定的安全因數。通常：施工時間 稠化時間 - 1小時 3.1水泥漿的性能71第71頁，共91頁。(3)濾失量Q30：水泥漿中的自由水在壓差作用下，通過井壁滲入到地層

25、中的現象叫濾失，濾失的多少叫濾失量，ml/30min。 基本要求：在保證注水泥施工順利安全的前提下，盡量降低濾失量。(注意：這與對鉆井液的要求有區別在鉆井安全和不損害儲層的前提下，可放寬。)(4)自由水(析水)：在一定條件下，水泥漿靜置一定時間后分離出的游離水。常用250ml量筒滿刻度水泥漿，靜止2小時分離出的游離水度量，體積%。 基本要求：規定G、H級水泥在標準水灰比下 1.4%。實際工程中，在施工安全的前提下，應盡量降低。如，用于大斜度和水平井固井的水泥漿，應等于零或近于零。72第72頁，共91頁。(5)流變性能：描述水泥漿在外力作用下，產生流動的特點的參數。常用流變模式參數有：PV、YP

26、(賓漢)，n、K(冪律)，YP、n、K(赫巴)等。 基本要求：在保證漿體穩定性的前提下，盡量改善。(6)抗壓強度：在一定溫度、壓力條件下，水泥漿在一定時間內凝結硬化形成的水泥石抵抗壓力破壞的能力，MPa。 基本要求：支撐和懸掛套管的一部分重量；承受繼續鉆井的沖擊載荷或油氣層改造的壓力。一般要求在井底靜止溫度下48小時的值 14MPa。73第73頁，共91頁。(7)水泥石滲透率：一定壓力下，水泥石允許流體通過的特性叫水泥石的滲透性，其大小叫滲透率，m2。 基本要求：一般情況下不作要求，用于封固腐蝕性地層應盡量降低滲透率。(8)流動度：水泥漿自重作用下攤開流動的能力，cm 或mm。建筑上稱作坍落度

27、。 基本要求：在保證水泥漿穩定性的前提下，應盡量提高水泥漿的流動能力。實際工程中，一般要求流動度20cm。74第74頁，共91頁。(9)凝結時間：一定溫度、壓力條件下，自水泥與水混合開始至水泥漿失去流動性所經歷的時間。包括： 初凝時間：自配漿開始至水泥漿部分失去塑性所經歷的時間。 終凝時間：自配漿開始至水泥漿凝結硬化能承受一定壓力時所經歷的時間。 基本要求：整個注水泥過程應在初凝時間以內完成，并包含一定的安全因數。一般：施工時間 75%初凝時間75第75頁，共91頁。(10)其它：抗折強度、安定性、細度。 抗折強度：在一定溫度、壓力條件下，水泥漿在一定時間內凝結硬化形成的水泥石抵抗剪切破壞的能

28、力，MPa。 安定性:水泥石的熱壓膨脹特性，常用線膨脹率表示。要求0.8%。 細度：水泥灰顆粒的大小，一般不作要求。常用篩于量比表面表示。(如原國產0.08mm方孔15%，現行基本水泥G、H級不作要求) 。76第76頁，共91頁。4.1混合材料對水泥性能的影響減輕材料：降低水泥漿的密度；加重材料：提高水泥漿的密度；熱穩定材料：提高水泥石的耐高溫能力(大于110)。4.2溫度壓力對水泥性能的影響溫度：顯著影響水泥漿的性能。壓力：一般情況下，影響很小。 4 影響水泥漿性能的主要因素77第77頁，共91頁。5 水泥性能的調節油井水泥外加劑調節水泥漿性能的外加劑可分為： 三大主劑：降失水劑、分散劑(減阻劑)、調凝劑(緩凝劑和促凝劑)。 其它外加劑：早強劑、防竄劑、膨脹劑、不滲透劑消泡劑、穩定劑等。 密度調節：減輕劑、加重劑。78第78頁，共91頁。三、固井水泥漿的設計1.國內常用水泥外加劑及特性2.水泥漿設計的一般程序3.基本材料的選擇4.制約條件5.外加劑配伍性79第79頁，共91頁。第四節 注水泥與影響 注