鉆井與完井工程課件07固井

1、12第七章 固 井 概 述3概述1、固井工程的概念 為了加固井壁，保證繼續(xù)鉆進(jìn)，封隔油、氣和水層，保證勘探期間的分層試油及在整個(gè)開采中合理的油氣生產(chǎn)，為此下入優(yōu)質(zhì)鋼管，并在井筒與鋼管環(huán)空充填好水泥的作業(yè)，稱為固井工程。 向井內(nèi)下入套管，并向井眼和套管之間的環(huán)形空間注入水泥的施工作業(yè)稱之為固井。包括下套管和注水泥。 4概述2、工藝介紹 下套管 注水泥 候凝 檢測評價(jià)5概述3、固井工程的步驟 下套管 套管由接箍和本體組成。 套管柱由單根套管+浮箍+引鞋 圖圖7-1 7-1 單根套管示意圖單根套管示意圖1 1接箍接箍 2 2套管本體套管本體6概述3、固井工程步驟 注水泥下完套管之后，把水泥漿泵入套管

2、內(nèi)，再用鉆井液把水泥漿頂替到管外環(huán)形空間設(shè)計(jì)位置的作業(yè)稱之為注水泥。水泥頭：安裝在套管柱的最上端，內(nèi)裝有上、下膠塞。 下膠塞的作用是與隔離液（一種專門配制的液體，用以隔離鉆井液與水泥漿）一道，將水泥漿與鉆井液隔離開，防止鉆井液接觸水泥漿后影響水泥漿的性能。下膠塞為中空，頂部有一層橡膠膜，該膜在壓力作用下可壓破 上膠塞為實(shí)心，其作用是隔離頂替用的鉆井液與水泥漿； 破膜：下膠塞坐落在浮箍上后，在壓力作用下破膜7概述3、固井工程步驟 碰壓：當(dāng)其坐落在已坐于浮箍上的下膠塞上之后，地面壓力將很快上升一定值（稱為碰壓），該信號說明水泥漿已頂替到位，施工結(jié)束。 侯凝： 注入井內(nèi)的水泥漿要凝固并達(dá)到一定強(qiáng)度后

3、才能進(jìn)行后續(xù)的鉆井施工或是其它施工，因此，注水泥施工結(jié)束后，要等待水泥漿在井內(nèi)凝固，該過程稱為候凝； 候凝時(shí)間通常為24小時(shí)或48小時(shí)，也有72小時(shí)或幾小時(shí)的，候凝時(shí)間的長短視水泥漿凝固及強(qiáng)度增長的快慢而定。候凝期滿后。 測井進(jìn)行固井質(zhì)量檢測和評價(jià) 8概述（a a） （b b） （c c） （d d） （e e）圖圖7-2 7-2 注水泥工藝流程示意圖注水泥工藝流程示意圖（a a）循環(huán)鉆井液）循環(huán)鉆井液 （b b）注隔離液和水泥漿）注隔離液和水泥漿 （c c）替漿）替漿 （d d）替漿）替漿 （e e）碰壓）碰壓1 1壓力表壓力表 2 2上膠塞上膠塞 3 3下膠塞下膠塞 4 4鉆井液鉆井液 5

4、 5浮箍浮箍 6 6引鞋引鞋7 7水泥漿水泥漿 8 8隔離液隔離液 9 9鉆井液鉆井液9概述4、固井目的封隔易塌、易漏等復(fù)雜地層，保證鉆井順利進(jìn)行封隔油氣水層，建立油氣流出通道，防止產(chǎn)層間互竄進(jìn)行增產(chǎn)措施安裝井口10概述5、固井內(nèi)容套管與下套管水泥與注水泥11概述6、對固井質(zhì)量的要求l套管有足夠的強(qiáng)度能承受井下各種外力作用，抗腐蝕、不斷、不裂、不變形l水泥環(huán)有可靠的密封環(huán)空封固段不竄、不漏、膠結(jié)良好，能經(jīng)受高壓擠注的考驗(yàn)12概述7、固井工程的特殊性(1)是一次性工程,如果質(zhì)量不好,一般情況下難以補(bǔ)救;(2)是隱蔽性工程,主要流程在井下,施工時(shí)不能直接觀察,質(zhì)量控制往往決定于設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和準(zhǔn)備工

5、作的好壞,受多種因素的綜合影響;(3)影響后續(xù)工程的進(jìn)行;(4)是一項(xiàng)花錢多的工程;(5)施工時(shí)間短,工序內(nèi)容多,作業(yè)量大,是技術(shù)強(qiáng)的工程.13第一節(jié) 套管及套管柱強(qiáng)度設(shè)計(jì)14序言套管柱的主要功能 抗擠 抗拉 抗內(nèi)壓 密封15套管柱的組成 由不同強(qiáng)度的套管段組成原因：套管受到各種類型外力作用，須具有一定強(qiáng)度。外載大小、類型不同，所需的強(qiáng)度要求也不同，須有一系列不同尺寸、不同強(qiáng)度的套管。即套管系列。序言16套管柱的類型表層套管技術(shù)套管（中間套管）生產(chǎn)套管（油層套管）尾管（技術(shù)尾管、生產(chǎn)尾管）回接套管序言17一、套管外載分析與計(jì)算1、靜載特點(diǎn)：長期作用、聯(lián)合作用在套管上。類型：182、動載特點(diǎn)：瞬

6、時(shí)地、單一地作用在套管上。產(chǎn)生原因：l起下鉆時(shí)速度變化產(chǎn)生的動載l阻、卡套管時(shí)提拉動載l摩擦動載l碰壓動載l密度差產(chǎn)生的附加拉力一、套管外載分析與計(jì)算19軸向力：自重、浮力外擠壓力內(nèi)壓力一、套管外載分析與計(jì)算201.外擠壓力 管外鉆井液液柱壓力:（水泥不返到井口時(shí)，上部有一段套管外為鉆井液。該段套管稱為自由套管） 水泥漿液柱壓力 地層中流體壓力 易流動巖層的側(cè)壓力等一、套管外載分析與計(jì)算211.外擠壓力 有效外壓力：式中 poe有效外壓力； po外壓力； pib支撐內(nèi)壓力。 ibooeppp一、套管外載分析與計(jì)算221.徑向外擠壓力 有效外壓力：表層套管：井漏造成全掏空技術(shù)套管：井漏發(fā)生，但不

7、可能造成發(fā)生全漏空的情況，因此技術(shù)套管的下部還有支撐內(nèi)壓力作用油層套管：一般在采油后期產(chǎn)層壓力降得很低的時(shí)候產(chǎn)生最大有效外壓力（開發(fā)后期可能抽油或氣舉采油），因?yàn)檫@時(shí)套管內(nèi)的內(nèi)壓力會降得很低。若近似認(rèn)為內(nèi)壓力為零，則其受載情況與表層套管類似，即為全掏空。 一、套管外載分析與計(jì)算231.外擠壓力（1）外壓力 在水泥面（環(huán)空內(nèi)水泥的頂面）以上應(yīng)按鉆井液液柱壓力計(jì)算 對于水泥封固段，當(dāng)發(fā)生上述最大有效外壓力時(shí)，管外環(huán)空中的水泥已經(jīng)凝固，水泥環(huán)（水泥漿在環(huán)空內(nèi)凝固后的環(huán)狀水泥石稱為水泥環(huán)）應(yīng)有助于套管承受外壓力，但難于準(zhǔn)確計(jì)算，因此從安全角度考慮現(xiàn)場上一般將水泥面以下水泥環(huán)段的外壓力也按鉆井液液柱壓力

8、計(jì)算。 zpmo0098. 0一、套管外載分析與計(jì)算241.外擠壓力（2）支撐內(nèi)壓力 對于表層套管、油層套管這種可能全掏空的情況，支撐內(nèi)壓力為零。 對于技術(shù)套管非全掏空的情況，在漏失面以上（即井深小于漏失面深度的套管段），支撐內(nèi)壓力為零，在漏失面以下（即井深大于漏失面深度的套管段）作用有管內(nèi)鉆井液液柱壓力。 因此，要計(jì)算支撐內(nèi)壓力，首先要知道漏失面的深度。一、套管外載分析與計(jì)算251.徑向外擠壓力（2）支撐內(nèi)壓力 漏失面深度確定：假設(shè)下一次鉆進(jìn)鉆至下一層套管的下入深度（下一井段的目的井深）時(shí)發(fā)生井漏，并假設(shè)漏失層的孔隙壓力為地層鹽水柱壓力，根據(jù)壓力平衡關(guān)系可得漏失面深度為：)1 (nswnlh

9、h一、套管外載分析與計(jì)算鉆井液鹽水hnhlswnnlnhhh)(261.外擠壓力（2）支撐內(nèi)壓力 對于技術(shù)套管非全掏空的情況，支撐內(nèi)壓力的計(jì)算式為0ibp)(0098. 0lnibhhp（0hhl） （hlhhb） 一、套管外載分析與計(jì)算271.外擠壓力（3）有效外壓力 對于表層套管、油層套管這種可能全掏空的情況，需要按全掏空考慮的技術(shù)套管，有效外壓力為 對于技術(shù)套管非全掏空的情況，有效外壓力為 （0hhl） （hlhhb） hpmoe0098. 0hpmoe0098. 0)(0098. 0hhpmnlnoe一、套管外載分析與計(jì)算28（a a）全掏空）全掏空 （b b）非全掏空）非全掏空圖圖7

10、-3 7-3 有效外擠壓力對比示意圖有效外擠壓力對比示意圖1 1外壓力外壓力 2 2支撐內(nèi)壓力支撐內(nèi)壓力 3 3有效外壓力有效外壓力全掏空與非全掏空兩種不同的情況下，套管柱所受的有效外壓力不一樣。對于全掏空情況，有效外壓力是井底最大，井口最小（為零）；對于非全掏空情況，有效外壓力是中間大，井口和井底小。顯然，這種不同的外載情況會使套管柱設(shè)計(jì)的結(jié)果不同。 一、套管外載分析與計(jì)算292.內(nèi)壓力 套管柱所受的內(nèi)壓力主要來自于鉆井液、地層流體（油、氣、水）壓力以及特殊作業(yè)（如壓井、酸化壓裂、擠水泥等）時(shí)所施加的壓力。與外擠壓力類似，對內(nèi)壓力也是分析計(jì)算危險(xiǎn)工況時(shí)的有效內(nèi)壓力。有效內(nèi)壓力為 pie pi

11、 pob 對于表層套管和技術(shù)套管，如果在下一井段鉆進(jìn)過程中發(fā)生井涌而進(jìn)行壓井時(shí)，套管柱所受的有效內(nèi)壓力最大。而對于油層套管，油井和氣井的情況不一樣，要根據(jù)采油、采氣工藝情況考慮相關(guān)的危險(xiǎn)工況。 一、套管外載分析與計(jì)算30徑向內(nèi)壓力：管內(nèi)流體壓力壓裂作業(yè)等增產(chǎn)措施時(shí)的壓力一、套管外載分析與計(jì)算312.內(nèi)壓力（1）內(nèi)壓力 對于表層套管和技術(shù)套管，當(dāng)在下一井段鉆進(jìn)過程中發(fā)生井涌而進(jìn)行壓井時(shí)，套管的內(nèi)壓力為井口內(nèi)壓力與管內(nèi)流體（鉆井液與涌入流體氣、水、油或混合物）的液柱壓力之和。由于井涌情況的多樣性，所以關(guān)于套管內(nèi)壓力的計(jì)算有多種方法，常用方法是： hppnsi0098. 0一、套管外載分析與計(jì)算32

12、2.內(nèi)壓力（1）內(nèi)壓力確定井口內(nèi)壓力的三種方法是： 1）井口防噴裝置（防噴器及壓井管線等）許用最高壓力。 2）套管鞋處附近地層破裂壓力所決定的許用井口壓力。 3）下部高壓油氣噴出時(shí)可能出現(xiàn)的井口內(nèi)壓力。 bnfshp)(0098. 0一、套管外載分析與計(jì)算33 對于油層套管，分油井與氣井采用不同的計(jì)算方法。以下是關(guān)于油層套管內(nèi)壓力的計(jì)算方法之一 。對于油井，認(rèn)為采油初期，產(chǎn)層壓力較高，井口有內(nèi)壓力作用于套管，套管的內(nèi)壓力為井口內(nèi)壓力與原油的液柱壓力之和（式中括號項(xiàng)即為井口內(nèi)壓力） 對于氣井，井口也有內(nèi)壓力作用于套管。當(dāng)考慮氣體自重及其壓縮性后，套管內(nèi)任意深度處的內(nèi)壓力為（式中令井深z為零即得井

13、口內(nèi)壓力） hhppobopi0098. 0)0098. 0()(10115.14/hhpibepp一、套管外載分析與計(jì)算342.內(nèi)壓力（2）支撐外壓力 在無水泥段，因鉆井液降解及固相沉降，其液柱壓力可能降低 對水泥封固段，可能水泥環(huán)并不完整，地層壓力可能作用于管柱上，按鹽水柱計(jì)算支撐外壓力可能比實(shí)際外壓力偏小，但可使有效內(nèi)壓力偏大而使管柱趨于安全。所以，在支撐外壓力計(jì)算中一般無論是水泥面以上還是水泥面以下均按地層鹽水柱壓力計(jì)算，即 ：hpswob0098. 0一、套管外載分析與計(jì)算352.內(nèi)壓力（3）有效內(nèi)壓力由上所述，可得套管柱有效內(nèi)壓力的計(jì)算方法： 對于表層套管和技術(shù)套管： 對于油層套管

14、 油井：氣井： hppswnsie)(0098. 0hhpposwoopie)(0098. 0)0098. 0(heppswhhpib0098. 0/)(10115. 14一、套管外載分析與計(jì)算36 （a） （b） （c）圖圖7-4 7-4 有效內(nèi)壓力對比示意圖有效內(nèi)壓力對比示意圖（a a）表層或技術(shù)套管）表層或技術(shù)套管 （b b）油井油層套管）油井油層套管 （c c）氣井油層套管）氣井油層套管1 1內(nèi)壓力內(nèi)壓力 2 2支撐外壓力支撐外壓力 3 3有效內(nèi)壓力有效內(nèi)壓力注意圖中，支撐外壓和內(nèi)壓曲線的斜率變化。對于表層套管或技術(shù)套管，有效內(nèi)壓力是井口最小，井底最大；對于油層套管，有效內(nèi)壓力是井口最

15、大，井底最小?？梢?，不同類型的井、不同類型的套管，所受外載是不一樣的。 現(xiàn)場有時(shí)還采用直接用井口壓力ps作為整個(gè)套管柱有效內(nèi)壓力的方法（即假設(shè)從井口到井底有效內(nèi)壓力均為ps）。從圖可見，對于油層套管，采用這種方法顯然是安全的，不過可能有點(diǎn)不經(jīng)濟(jì)，但可使內(nèi)壓力計(jì)算、進(jìn)而使套管柱的抗內(nèi)壓設(shè)計(jì)更簡捷一、套管外載分析與計(jì)算swnswosw曲線曲線373.軸向拉力 一般情況下，套管柱在入井過程中（即下套管過程中）承受的拉力最大。這時(shí)，除了套管柱的自重外，還有上提下放時(shí)的動載、上提時(shí)彎曲井段處的阻力、或者是遇卡上提時(shí)多提的拉力等附加拉力。在計(jì)算時(shí)，一般只計(jì)算套管的自重，將動載、遇卡上提多提的拉力等附加拉力

16、用設(shè)計(jì)安全系數(shù)考慮，或以其它方式考慮。 套管柱一般是由幾段套管組成。在計(jì)算套管自重所產(chǎn)生的軸向拉力時(shí)，通常需要計(jì)算的是各段套管頂、底端的軸向拉力。顯然，某段套管頂端的拉力即是其上面一段套管底端的拉力，其底端的拉力即是其下面一端套管頂端的拉力。 一、套管外載分析與計(jì)算38軸向拉力：自重浮力w一、套管外載分析與計(jì)算393.軸向拉力 軸向拉力計(jì)算方法：當(dāng)不考慮鉆井液的浮力時(shí)，計(jì)算的是套管在空氣中的重量；當(dāng)考慮鉆井液的浮力時(shí)，計(jì)算的是套管在鉆井液中的重量，常簡稱為浮重。一般可用臺階法和浮力系數(shù)法計(jì)算 其中kiiklqt1kibiklqt1fbqbq smfb1一、套管外載分析與計(jì)算40用臺階力法計(jì)算：

17、考慮浮力是集中作用在套管界面變化的位置！浮力的大?。簍f=ph*a軸向力為：一、套管外載分析與計(jì)算41ht一、套管外載分析與計(jì)算42 很顯然，套管柱自重所產(chǎn)生的軸向拉力的分布規(guī)律是井底最?。榱悖?，往上逐漸增大，井口拉力最大 圖圖7-5 7-5 套管軸向拉力沿井深分布示意圖套管軸向拉力沿井深分布示意圖 1-1-不考慮浮力不考慮浮力 2-2-考慮浮力考慮浮力一、套管外載分析與計(jì)算434.彎曲附加拉力 如果井眼存在較大的井斜變化或狗腿時(shí)，由于套管彎曲效應(yīng)的影響將增大套管的拉力負(fù)荷，特別是在靠近絲扣嚙合處易形成裂縫損壞，由于api套管的連接強(qiáng)度沒有考慮彎曲應(yīng)力，所以設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)從套管的連接強(qiáng)度中扣除彎曲

18、效應(yīng)的影響。z(+) z(-)max一、套管外載分析與計(jì)算44對所用套管系列的統(tǒng)一規(guī)定，叫套管規(guī)范。規(guī)定了套管生產(chǎn)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(guī)范。其規(guī)定的有關(guān)性能主要有：套管尺寸、套管壁厚、螺紋類型與套管鋼級 451、套管基本參數(shù) 套管的基本參數(shù)為套管尺寸、套管壁厚（或單位長度名義重量）、螺紋類型與套管鋼級。 （1）套管尺寸（又叫名義外徑或公稱直徑）：本體外徑4-1/2”, 5”, 51/2”, 65/8”, 7”, 7-5/8”, 8-5/8”, 9-5/8”, 10-3/4”, 11-3/4”, 16”, 28-5/8”, 20”, 30”. 套管尺寸的選

19、擇與鉆頭尺寸相配合！- 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)二、套管強(qiáng)度46 目前國內(nèi)外所生產(chǎn)的套管尺寸及鉆頭及尺寸已標(biāo)準(zhǔn)系列化。套管與其相應(yīng)井眼的尺寸配合基本確定或在較小范圍內(nèi)變化。二、套管強(qiáng)度471、套管基本參數(shù)（2）套管壁厚與套管單位長度名義重量 套管壁厚指的是套管本體處套管壁的厚度，套管壁厚有時(shí)又稱為套管名義壁厚。套管壁厚也已標(biāo)準(zhǔn)系列化 套管單位長度名義重量又稱為套管公稱重量，指的是包括接箍在內(nèi)的、套管單位長度上的平均重量 套管壁厚、套管單位長度名義重量二者是直接相關(guān)的 二、套管強(qiáng)度481、套管基本參數(shù)（3）螺紋類型 套管螺紋及螺紋連接是套管質(zhì)量的關(guān)鍵所在，與套管的強(qiáng)度和密封性能密切相關(guān)。api標(biāo)準(zhǔn)的螺紋類型

20、有4種：短圓螺紋（英文縮寫stc）長圓螺紋（英文縮寫ltc）梯形螺紋（英文縮寫btc）直連型螺紋（英文縮寫xl，用于無接箍套管）二、套管強(qiáng)度49二、套管強(qiáng)度 （a） （b） （c）圖7-6 api螺紋連接示意圖（a）圓螺紋連接 （b）梯形螺紋連接 （c）直連型螺紋連接50（4）套管鋼級 api鋼級有10種：h,j,k,n,c,l,p,q,x.非標(biāo)準(zhǔn)的鋼級，也較廣泛使用，如nkk,s,ss,v等。api規(guī)定鋼級代號后面的數(shù)字乘以1000psi(6894.8pa)即為該鋼材的最小屈服強(qiáng)度。如:n-80-80*1000psi但也有個(gè)別例外:s-80-55kpsiss-95-80kpsi 套管鋼材的抗

21、硫能力： 有抗硫能力的套管鋼級 h-40, j-55, k-55, x-52, c-75, l-80, c-90二、套管強(qiáng)度51 采用非api標(biāo)準(zhǔn)有兩種情況：一是套管的尺寸、鋼級與壁厚按照api規(guī)范，只是在螺紋連接上采用非api標(biāo)準(zhǔn)的特殊螺紋連接型式，這主要是為了解決螺紋連接的高密封要求問題；二是套管的尺寸、壁厚與螺紋連接型式按照api規(guī)范，但使用特殊的套管鋼級，這是為了解決套管腐蝕和高應(yīng)力問題。 二、套管強(qiáng)度522、套管強(qiáng)度（1）套管強(qiáng)度 外載可分為三種，即作用在管柱外壁上的外擠壓力、作用在管柱內(nèi)壁上的內(nèi)壓力和作用在管柱內(nèi)方向與管柱軸線平行的軸向拉力。 套管所具有的抵抗外載的能力稱為套管強(qiáng)度

22、 套管所能承受的最大外擠壓力稱為套管的抗擠強(qiáng)度 套管所能承受的最大內(nèi)壓力稱為套管的抗內(nèi)壓強(qiáng)度 套管所能承受的最大軸向拉力稱為套管的抗拉強(qiáng)度。因?yàn)樵谳S向拉力的作用下，套管的破壞一般是發(fā)生在套管本體與接箍的螺紋連接處，因此套管的抗拉強(qiáng)度又常稱為連接強(qiáng)度或接頭拉伸強(qiáng)度。 二、套管強(qiáng)度53套管強(qiáng)度系列：二、套管強(qiáng)度542、套管強(qiáng)度（2）軸向拉力作用下套管的失效形式原因：軸向載荷過大 失效形式:(1)絲扣（接箍）滑脫(2)絲扣斷裂(3)管體斷裂(4)氫脆二、套管強(qiáng)度552、套管強(qiáng)度（2）軸向拉力作用下套管的失效形式 絲扣（接箍）滑脫 對圓扣套管是常見的失效形式。二、套管強(qiáng)度562、套管強(qiáng)度（2）軸向拉力

23、作用下套管的失效形式 絲扣斷裂條件：拉力大于絲扣連接強(qiáng)度，小于本體強(qiáng)度。位置：絲扣最后一個(gè)嚙合螺紋處（扣根）（直徑最?。┒?、套管強(qiáng)度572、套管強(qiáng)度（2）軸向拉力作用下套管的失效形式 管體斷裂條件：拉力小于絲扣連接強(qiáng)度，大于本體強(qiáng)度。二、套管強(qiáng)度582、套管強(qiáng)度（3）套管抗拉強(qiáng)度的選用抗拉強(qiáng)度min絲扣部分抗拉強(qiáng)度，管體抗拉強(qiáng)度（1）圓螺紋套管絲扣抗拉強(qiáng)度=min抗滑脫強(qiáng)度，絲扣拉斷強(qiáng)度（2）梯形扣和直連型套管以絲扣或管體抗拉強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)二、套管強(qiáng)度59絲扣抗拉強(qiáng)度的計(jì)算目的：根據(jù)材料的強(qiáng)度計(jì)算出絲扣抗拉強(qiáng)度抗滑脫強(qiáng)度絲扣拉斷強(qiáng)度二、套管強(qiáng)度602、套管強(qiáng)度（4）軸向拉力作用下套管的抗擠強(qiáng)度 a

24、pi所公布的套管強(qiáng)度數(shù)據(jù)是套管受相應(yīng)的單一外載作用時(shí)的強(qiáng)度，如抗擠強(qiáng)度是套管僅受外擠壓力作用時(shí)套管所能承受的最大外擠壓力值； 套管柱在井下一般是處于復(fù)合外載作用狀態(tài)（兩種及兩種以上外載同時(shí)作用狀態(tài)）。在復(fù)合外載作用下，套管的強(qiáng)度要發(fā)生變化，有時(shí)套管的強(qiáng)度增加，有時(shí)套管的強(qiáng)度降低。二、套管強(qiáng)度61 在外壓力與軸向力或內(nèi)壓力與軸向力作用下，管柱內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)為三向應(yīng)力狀態(tài)，三個(gè)主應(yīng)力分別為軸向應(yīng)力、周向應(yīng)力和徑向應(yīng)力 ：二、套管強(qiáng)度62由于套管為薄壁或中厚壁管，在這三個(gè)應(yīng)力中，r 00 拉伸內(nèi)壓 z，t 0 壓縮內(nèi)壓 z，t 00pid對比抗擠設(shè)計(jì)結(jié)果與抗內(nèi)壓設(shè)計(jì)結(jié)果，在各井段內(nèi)選擇強(qiáng)度高的套管；將

25、套管柱抗擠強(qiáng)度設(shè)計(jì)與抗內(nèi)壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)綜合結(jié)果列表。78三、套管柱強(qiáng)度設(shè)計(jì) 技術(shù)套管柱設(shè)計(jì)一般步驟：4）進(jìn)行套管柱抗拉強(qiáng)度 根據(jù)抗擠設(shè)計(jì)和抗內(nèi)壓設(shè)計(jì)的綜合結(jié)果，計(jì)算套管柱的設(shè)計(jì)拉力，即 將套管的抗拉強(qiáng)度與設(shè)計(jì)拉力進(jìn)行比較，對抗拉強(qiáng)度不滿足要求的井段的套管進(jìn)行更換，以滿足抗拉強(qiáng)度的要求，即 （tt接頭拉伸強(qiáng)度）79三、套管柱強(qiáng)度設(shè)計(jì) 技術(shù)套管柱設(shè)計(jì)一般步驟：4）進(jìn)行套管柱抗拉強(qiáng)度 需要注意的是，如果因抗拉強(qiáng)度不夠而更換套管時(shí)更換了套管的壁厚，則套管柱的拉力要重新計(jì)算，再按新計(jì)算的拉力校核抗拉強(qiáng)度。如果這樣更換的套管是在套管柱的中部或下部，還要重新校核一下套管柱的抗擠強(qiáng)度，因?yàn)橛捎诶Φ淖兓瘯?dǎo)致軸向

26、拉力下套管抗擠強(qiáng)度的變化。 水泥面之上進(jìn)行雙軸應(yīng)力校核5）將套管柱強(qiáng)度設(shè)計(jì)結(jié)果列表。 80三、套管柱設(shè)計(jì)方法81三、套管柱強(qiáng)度設(shè)計(jì)(油層套管) 某井177.8mm套管，下入深度3500m, 井內(nèi)鉆井液密度1.30g/cm3,水泥返至井深2800m。抗擠安全系數(shù)為1.125,抗拉安全系數(shù)為1.8(不考慮浮力影響)，井口抗內(nèi)壓安全系數(shù)為1.1. 解（1）按抗擠強(qiáng)度設(shè)計(jì)第一段套管 按全掏空計(jì)算井底地外擠壓力pb=0.0098*1.3*3500=45.5(mpa) 第一段套管應(yīng)具有的抗擠強(qiáng)度為pc1=pb*sc=45.5*1.125=51.19(mpa) 由套管性能表查得n-80，壁厚11.51mm套

27、管，其抗擠強(qiáng)度為60.46mpa 實(shí)際抗擠安全系數(shù)為：sc1=60.46/51.19=1.18182三、套管柱強(qiáng)度設(shè)計(jì)(油層套管) （2）第一段套管得頂截面位置取決于第二段套管得可下深度，第二段套管選用抗擠強(qiáng)度低低一級的套管，可選n-80,壁厚10.36mm套管，其抗擠強(qiáng)度為49.35mpa,抗拉強(qiáng)度tt=2708kn,ts=3066kn,重量為431.5n/m. 第二段套管的可下深度為： 實(shí)取第二段套管的深度為3300m,則第一段套管的段長為 l1=3500-3300=200m)(3374125. 1*30. 1*0098. 035.492mh3500m3300m83三、套管柱強(qiáng)度設(shè)計(jì)(油層

28、套管) （3）校核第一段套管的抗拉系數(shù)（上端面）和第二段套管的抗擠系數(shù)（下端面） 第一段套管的重量為476kn/m，抗拉強(qiáng)度為3048kn,浮力系數(shù)為：bf=1-1.3/7.8=0.833第一段套管的浮重為：t1=200*0.476=95.24kn (空氣中的重量)t1=200*0.476*0.833=79.33kn (鉆井液中的重量)第一段套管的抗拉系數(shù)st1=3048/95.24=32 (安全)第二段套管的抗擠系數(shù)sc1=49.35/(0.0098*1.30*3300)=1.15 (安全)3500m3300m84三、套管柱強(qiáng)度設(shè)計(jì)(油層套管) 第二段套管的頂截面取決于第三段套管的可下深度，

29、第三段套管選n-80,壁厚9.10套管(386.9n/m,抗拉強(qiáng)度2354kn,ts=2740kn)，抗擠強(qiáng)度為38.03mpa.,按抗擠計(jì)算第三段套管的可下深度： h3=38.03/(0.0098*1.3*1.125) =2600m 由于第三段套管要承受其下第一和第二段套管的重量，其抗擠強(qiáng)度下降，因此要減小第三段套管的下入深度，（如果不減小，抗擠強(qiáng)度不夠） 水泥面處套管柱的軸向力為 t1+t2=79.33+500*0.4315*0.833=259kn3500m3300m水泥面2800m85三、套管柱強(qiáng)度設(shè)計(jì)(油層套管) 校核水泥面的抗擠強(qiáng)度3500m3300m水泥面2800m86三、套管柱強(qiáng)

30、度設(shè)計(jì)(油層套管) 計(jì)算第三段套管的可下深度（采用雙軸應(yīng)力設(shè)計(jì)） 找到一個(gè)井深，使第三段套管的下截面在拉力作用下，其抗擠安全系數(shù)接近1.125 假設(shè)第三段套管下至2300 m,則第二段套管的段長為l2=1000m 第二段套管在空氣中的重量： t2=1000*0.4315=431.5kn 第二段套管在鉆井液中的重量： t2=0.833*431.5=359.4kn 第三段套管下端面的拉力 t1+t2=79.3+359.4=438.7kn 考慮雙軸應(yīng)力后第三段套管的抗擠強(qiáng)度為pcc3=pc3*k=34.67mpa 第三段套管的抗擠安全系數(shù)為 sc3=34.67/(0.0098*1.3*2300)=1

31、.159 ( 安全)3500m3300m水泥面2800m2300m87三、套管柱強(qiáng)度設(shè)計(jì)(油層套管) 校核第二段套管頂截面的抗拉安全系數(shù)（tt2=2708kn） st2=tt2/(t1+t2) =2708/(95.24+431.5) =5.14 (安全) 校核第三段套管頂部（井口）的抗拉強(qiáng)度 因?yàn)閠3=2354kn,w3=386.9n/m st3=2354/(t1+t2+t3)=1.66 井口抗拉系數(shù)小于1.8,抗拉強(qiáng)度不符合要求。3500m3300m水泥面2800m2300m88三、套管柱強(qiáng)度設(shè)計(jì)(油層套管) (4) 按抗拉設(shè)計(jì)確定第三段套管的許用長度 實(shí)際取l3=2000m t3=2000

32、*0.3869=774kn 第三段套管頂截面的安全系數(shù)為： st3=2354/(95.24+431.5+774)=1.813500m3300m水泥面2800m2300m)(2019)5 .43124.95(8 . 123543869. 01111mtspqlinntjiii2000m89三、套管柱強(qiáng)度設(shè)計(jì)(油層套管) 第四段套管選用n-80,壁厚10。36mm，長度為300m, 井口的抗拉安全系數(shù)為： st4=2708/(t1+t2+t3+t4) =2708/(95+431.5+779+129) =1.89 (5) 校核井口內(nèi)壓 si=pi/ps=57.36/ps=1.563500m3300m

33、水泥面2800m2300m300m90以上介紹了套管柱外載分析與計(jì)算、套管柱強(qiáng)度設(shè)計(jì)的基本原理和方法，同時(shí)以技術(shù)套管為例介紹了套管柱強(qiáng)度設(shè)計(jì)的步驟，并給出了設(shè)計(jì)例子。在現(xiàn)場的套管柱設(shè)計(jì)中，還會遇到一些特殊的問題：如在腐蝕性環(huán)境中要考慮井內(nèi)流體對套管的腐蝕問題，如硫化氫氣體、酸性氣體（如二氧化碳）、腐蝕性地層水中的碳酸根和碳酸氫根等對套管的腐蝕問題，這時(shí)除強(qiáng)度考慮外，在套管材質(zhì)上還應(yīng)選用具有抗腐蝕能力的套管。三、套管柱強(qiáng)度設(shè)計(jì)91又如對高壓氣井，為防止氣體在螺紋連接處泄露，應(yīng)選用密封性能良好的特殊螺紋套管。如果管外存在有易流動地層（如塑性鹽層），則在該地層附近的外壓力要按上覆巖層壓力計(jì)算，或根據(jù)

34、巖石蠕變理論計(jì)算巖石蠕變所產(chǎn)生的擠壓力。更為嚴(yán)重的是，塑性蠕變地層對套管所產(chǎn)生的擠壓力在周向上往往是非均布的，而套管抵抗非均布外壓力的能力很低。已有許多理論（包括實(shí)驗(yàn)）來計(jì)算這種非均布載荷和在這種非均布載荷下套管的承壓能力。 三、套管柱強(qiáng)度設(shè)計(jì)92三、套管柱設(shè)計(jì)方法93三、套管柱設(shè)計(jì)方法94第二節(jié)油 井 水 泥95一、油井水泥1. 油井水泥級別和類型 目前國內(nèi)外使用的油井水泥主要是硅酸鹽水泥，是由水硬性硅酸鈣為主要成分，加入適量石膏和助磨劑（或是加入適量的石膏或石膏和水），磨細(xì)制成的產(chǎn)品。水泥漿：干水泥與水（經(jīng)常還要加入外加劑）混合而成的漿體稱為。水泥石：水泥漿凝結(jié)硬化后形成水泥環(huán)：在井下環(huán)形

35、空間中的水泥石96一、油井水泥1. 油井水泥級別和類型目前國內(nèi)外使用的油井水泥主要是硅酸鹽水泥，是由水硬性硅酸鈣為主要成分，加入適量石膏和助磨劑（或是加入適量的石膏或石膏和水），磨細(xì)制成的產(chǎn)品。水泥漿：干水泥與水（經(jīng)常還要加入外加劑）混合而成的漿體稱為。水泥石：水泥漿凝結(jié)硬化后形成水泥環(huán)：在井下環(huán)形空間中的水泥石一、油井水泥1. 油井水泥級別和類型水泥級別：適應(yīng)不同井深的需要和防止地層流體中硫酸鹽對水泥石的腐蝕，有多種級別、類型的油井水泥可供選用。美國石油學(xué)會（api）規(guī)定了8種級別的油井水泥，我國也參照api標(biāo)準(zhǔn)制定了油井水泥的標(biāo)準(zhǔn)。表7-5 api油井水泥使用范圍 級別級別類類 型型備注備

36、注普通型普通型中抗硫酸鹽型中抗硫酸鹽型高抗硫酸鹽型高抗硫酸鹽型a普通水泥普通水泥b抗硫水泥抗硫水泥c具有高早期強(qiáng)度具有高早期強(qiáng)度d適于中溫條件適于中溫條件e適于高溫條件適于高溫條件f適于超高溫條件適于超高溫條件g基本油井水泥基本油井水泥h基本油井水泥基本油井水泥98一、油井水泥2. 水泥的水化反應(yīng)凝結(jié)過程（硬化過程）：水泥與水混合后，迅速與水發(fā)生水化反應(yīng)，生成各種水化產(chǎn)物，水泥漿也逐漸由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程，并形成的四種礦物成分：硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣和鐵鋁酸四鈣。硅酸三鈣：3caosio2（簡寫c3s）。是水泥產(chǎn)生強(qiáng)度的主要化合物，它強(qiáng)度增長快，最后強(qiáng)度也大。 硅酸二鈣：型2caosi

37、o2（簡寫c2s）。水化反應(yīng)慢，強(qiáng)度增長慢，但能在長時(shí)間內(nèi)逐漸增大水泥的強(qiáng)度99一、油井水泥2. 水泥的水化反應(yīng)鋁酸三鈣：3caoal2o3（簡寫c3a）。水化反應(yīng)速度最快，是決定水泥漿初凝時(shí)間和稠化時(shí)間的主要因素，對水泥漿的流變性也有很大影響。鋁酸三鈣對硫酸鹽類侵蝕最敏感，因此在抗硫水泥中對鋁酸三鈣含量有限制。中抗硫酸鹽型水泥中鋁酸三鈣的含量不能超過8%，高抗硫酸鹽型的水泥中鋁酸三鈣的含量不能超過3%。 鐵鋁酸四鈣：4caoal2o3fe2o3（簡寫c4af）。水化速度僅次于鋁酸三鈣，早期強(qiáng)度增長快，硬化三天和28天的強(qiáng)度值差別不大，強(qiáng)度的絕對值也不大。 100一、油井水泥2. 水泥的水化反

38、應(yīng)三類水化反應(yīng)：1）c3a的水化反應(yīng)3caoal2o3 + 6h2o 3caoal2o36h2o 2）c3s、c2s及c4af的水化反應(yīng) 2(3caosio2) + 6h2o 3cao2sio23h2o + 3ca(oh)22(2caosio2) + 4h2o 3cao2sio23h2o + ca(oh)24caoal2o3fe2o3 + 2ca(oh)2 + 10h2o 3caoal2o36h2o + 3caofe2o36h2o 3）水化的c3a與二水石膏的水化反應(yīng) 3caoal2o36h2o + 3(caso42h2o) + 20h2o 3caoal2o33caso432h2o 101一、

39、油井水泥2. 水泥的水化反應(yīng)有關(guān)水化反應(yīng)的說明：水泥的水化反應(yīng)是一個(gè)不斷進(jìn)行的過程。隨著水化的不斷進(jìn)行，水泥漿從凝膠態(tài)逐漸向結(jié)晶態(tài)發(fā)展，最后形成硬化的水泥石。 水泥的水化反應(yīng)是一放熱反應(yīng)，在工程上可利用這一特點(diǎn)來探測水泥漿在環(huán)形空間內(nèi)的上返高度。 另外，水泥在水化過程中要發(fā)生體積收縮（水化后生成物的總體積小于水化前反應(yīng)物的總體積），在一定條件下該體積收縮對固井質(zhì)量有著重要的影響 102一、油井水泥2. 水泥的水化反應(yīng)有關(guān)水化反應(yīng)的說明：在油氣井固井中，水泥的水化反應(yīng)是在井下一定的溫度壓力條件下進(jìn)行的。溫度壓力對水泥的水化速度有很大的影響，一般隨溫度壓力的增加，水泥水化速度加快，其中溫度的影響更

40、顯著。正因?yàn)槿绱?，水泥漿的有關(guān)性能一般均是在模擬井下溫度壓力的情況下測定的。 103一、油井水泥2. 水泥的水化反應(yīng)水化反應(yīng)產(chǎn)物氫氧化鈣、水化硅酸鈣凝膠、水化鋁酸鈣、水化鐵酸鈣、水化硫鋁酸鈣。在這些水化產(chǎn)物中，氫氧化鈣析出為巨大的晶體，水化硫鋁酸鈣為較小晶體，水化鋁酸鈣為更小晶體狀態(tài)，含水硅酸鈣和含水鐵酸鈣為無定形體呈膠體狀態(tài)。水化硅酸鈣凝膠為纖維狀薄片，從礦物顆粒上向外伸展出去，逐漸形成一連續(xù)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，與水化硫鋁酸鈣、氫氧化鈣等晶體互相穿插，填充于水泥顆粒的空間，增加它們之間的粘結(jié)，使水泥強(qiáng)度不斷提高。 104二、油井水泥的物理性能105二、油井水泥的物理性能1. 水泥漿密度作用： 滿足平

41、衡壓力要求 保證獲得最好的水泥漿性能基本要求：注水泥期間既不井漏又不井噴 測 量：用泥漿密度計(jì)（國外還有加壓密度計(jì)） 影響因素：水灰比；外摻料（指密度調(diào)節(jié)劑）用量106二、水泥漿性能與固井工程的關(guān)系 1. 水泥漿密度 水灰比指的是配制水泥漿時(shí)配漿水的重量與干水泥的重量之比。 水泥漿密度與水灰比直接相關(guān)，關(guān)系為 注意：干水泥的密度為3.14 g/cm33.15 g/cm3，故當(dāng)水泥漿的密度為1.85g/cm31.90g/cm3時(shí)，水灰比約為0.480.44。當(dāng)干水泥中所混合的外加劑加量較大、尤其是為了調(diào)節(jié)水泥漿密度摻了加重劑或減輕劑（又稱為外摻料）時(shí)，上式中干水泥密度c取水泥和這些外加劑及/或外

42、摻料混合后的固相混合物平均密度。這時(shí)，m為水固比。107二、油井水泥的物理性能2. 水泥漿的稠化時(shí)間 定義：在井下溫度壓力條件下，從給水泥漿加溫加壓時(shí)起至水泥漿稠度達(dá)100bc（bc為稠度單位）所經(jīng)歷的時(shí)間稱為水泥漿的稠化時(shí)間。 作用：保證施工安全。 要求：整個(gè)注水泥施工作業(yè)能夠在稠化時(shí)間以內(nèi)完成，并包含一定的安全系數(shù)。一般：施工時(shí)間+1小時(shí) 稠化時(shí)間。 測量：常壓稠度儀；高溫高壓稠度儀 測定“稠度-時(shí)間”曲線，當(dāng)稠度達(dá)到100bc時(shí)的時(shí)間。bc為稠度單位。 影響因素：水灰比；溫度與壓力；外加劑108二、油井水泥的物理性能 水泥漿的稠化時(shí)間稠度時(shí)間109二、油井水泥的物理性能3. 水泥漿失水概

43、念：水泥漿中自由水通過井壁向地層滲入的現(xiàn)象危害：水泥漿大量失水將造成水泥漿急劇變稠，大大影響其流動性，從而不利于水泥漿對鉆井液的頂替。水泥漿大量失水進(jìn)入油氣層也將對油氣層產(chǎn)生損害。 作用：l 保證水泥漿的穩(wěn)定性l 保證施工安全、防止橋堵l 有利于防氣竄110二、油井水泥的物理性能3. 水泥漿失水要求：根據(jù)不同的井況和施工條件規(guī)定。水泥漿失水量指的是水泥漿失水的快慢程度，失水量大小用30分鐘內(nèi)的失水總體積表示。原則上說，水泥漿失水量越小越好，但控制水泥漿失水的外加劑通常對水泥漿的流變性、稠化時(shí)間、抗壓強(qiáng)度等有影響，因此應(yīng)權(quán)衡考慮。 一般套管注水泥100 ml/30min200 ml/30min；

44、擠水泥或尾管注水泥50 ml/30min150 ml/30min；防氣竄20 ml/30min 40ml/30min；高密度水泥應(yīng)低于50 ml/30min。 測量：失水儀，（常溫與高溫、 7mpa, 30min）影響因素：水灰比；壓差；地層的滲透性；外加劑；泥漿的泥餅111二、油井水泥的物理性能 4. 水泥漿流變性概念：水泥漿在外加剪切應(yīng)力作用下流動變形的特性。作用：l 計(jì)算流動阻力，選擇施工裝置和設(shè)備，防止井壓漏，保證施工安全l 實(shí)現(xiàn)紊流或塞流頂替，提高頂替效率要求：有利于提高頂替效率測量：旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)、高溫高壓流變儀（模擬井下溫度壓力測定）計(jì)算：流變參數(shù)；臨界流速，用流變參數(shù)衡量 影響因素

45、：水灰比；溫度與壓力；外加劑112二、油井水泥的物理性能 5. 水泥漿穩(wěn)定性 水泥漿的穩(wěn)定性測試包括自由水含量測試和沉降穩(wěn)定性測試，目前現(xiàn)場常測試的是自由水含量。 在靜止過程中，水泥漿中的自由水自水泥漿中析出而形成連續(xù)水相的現(xiàn)象稱為析水。單位體積水泥漿所析出的自由水體積即為水泥漿自由水含量（也稱析水量），為百分?jǐn)?shù)。 沉降穩(wěn)定性指的是在靜止?fàn)顟B(tài)下，由于顆粒沉降而導(dǎo)致水泥漿上下密度不一致的現(xiàn)象。113二、油井水泥的物理性能 5. 水泥漿穩(wěn)定性析水和沉降穩(wěn)定性的關(guān)系：水泥漿有析水實(shí)際上就有沉降穩(wěn)定性問題，但水泥漿無析水不一定沉降穩(wěn)定性就好。危害：水泥漿析水量過大和沉降穩(wěn)定性不好，將導(dǎo)致水泥漿密度分布

46、不均，所形成的水泥石強(qiáng)度不一致，影響對地層的封隔。如果在井下，由于析水而形成縱向水槽，將影響環(huán)空的封隔在定向井、水平井中，如果不控制析水，容易在環(huán)空的上側(cè)形成連續(xù)水槽，嚴(yán)重影響封固質(zhì)量。要求：原則上析水越小越好、沉降穩(wěn)定性中水泥漿上下密度的差別越小越好，在定向井和水平井中要使用零析水水泥漿。114二、油井水泥的物理性能6. 水泥石抗壓強(qiáng)度 目前是通過測試水泥石的抗壓強(qiáng)度來檢驗(yàn)水泥石的力學(xué)性能。概念：水泥石在壓力作用下達(dá)到破壞前單位面積上所能承受的力稱為水泥石的抗壓強(qiáng)度。 要求：1）能支承住井內(nèi)的套管 2）能承受住鉆進(jìn)時(shí)的沖擊載荷 3）能承受酸化壓裂：注水泥井段在承受酸化壓裂時(shí)的壓力的最薄弱環(huán)節(jié)

47、不是水泥石本身，而應(yīng)是水泥環(huán)與井壁膠結(jié)處（或水泥環(huán)與套管膠結(jié)處），水泥石強(qiáng)度遠(yuǎn)大于水泥環(huán)與井壁的膠結(jié)強(qiáng)度。 測量：國內(nèi)：抗折強(qiáng)度抗折試驗(yàn)機(jī) api：抗壓強(qiáng)度萬能材料試驗(yàn)機(jī)影響因素：水灰比；溫度與壓力；外加劑115二、油井水泥的物理性能7. 水泥石滲透率概念：水泥石的滲透率指的是在一定壓差下，水泥石允許流體通過的能力。 要求：盡可能低測量：水泥滲透率儀 注意該指標(biāo)有時(shí)間性影響因素：水灰比；溫度與壓力；外加劑注意： 為實(shí)現(xiàn)封隔，水泥石的滲透率越低越好，而水泥石的滲透率都低于110-5平方微米，因此水泥環(huán)基體（即水泥石）可實(shí)現(xiàn)層間封隔；但如果水泥環(huán)與套管或水泥環(huán)與井壁間存在微環(huán)隙、或膠結(jié)強(qiáng)度不夠高，

48、則對層間封隔有嚴(yán)重影響。問題又回到了水泥與套管和水泥與井壁的膠結(jié)上。116三、油井水泥外加劑 為了滿足不同情況下固井施工和固井質(zhì)量的要求，注水泥時(shí)在水泥漿中一般均加有各種外加劑來調(diào)節(jié)水泥漿的性能。 常規(guī)的水泥外加劑有緩凝劑、速凝劑、減阻劑、降失水劑、減輕劑、加重劑。緩凝劑和速凝劑用來調(diào)節(jié)水泥漿的稠化時(shí)間，有的速凝劑還能提高水泥石的早期強(qiáng)度。加入減阻劑的目的是為了改善水泥漿的流動性能、降低流動摩阻降失水劑的作用是降低水泥漿的失水量，防止水泥漿脫水。在井下有低壓易漏失層時(shí)，為了防止注水泥時(shí)發(fā)生井漏，常加入本身密度低的減輕材料（如硅藻土、漂珠）以降低水泥漿的密度。當(dāng)?shù)貙訅毫Ω叩揭欢ㄖ禃r(shí)，需要加入密度

49、大的添加劑（如鐵礦粉）提高水泥漿的密度以平衡地層壓力。 117第三節(jié) 注 水 泥118 注水泥的目的在于提供良好的環(huán)空封隔。為實(shí)現(xiàn)這一目的，要解決以下二個(gè)方面的的問題：一是如何使環(huán)形空間充滿水泥漿；二是如何使水泥漿在凝結(jié)過程中壓穩(wěn)油、氣、水層和封隔好油、氣、水層。注 水 泥119注水泥質(zhì)量要求：水泥漿返高和套管內(nèi)水泥塞必須符合設(shè)計(jì)要求；注水泥段環(huán)空的泥漿應(yīng)全部被水泥漿頂替干凈，不竄槽；水泥環(huán)有足夠的連接強(qiáng)度和封固性能，不發(fā)生油氣水竄，能經(jīng)受住酸化壓裂；水泥石能抗腐蝕。一、提高注水泥頂替效率的措施120頂替效率概念：水泥漿在環(huán)形空間頂替鉆井液的程度，用表示 一、提高注水泥頂替效率的措施等于等于1

50、（即（即100%）時(shí)，水泥漿全部頂替走了鉆井液；）時(shí)，水泥漿全部頂替走了鉆井液；當(dāng)當(dāng)小于小于1時(shí)鉆井液沒有被水泥漿完全替走，稱為發(fā)生了鉆井液竄槽；時(shí)鉆井液沒有被水泥漿完全替走，稱為發(fā)生了鉆井液竄槽；值越大，頂替效率越高。值越大，頂替效率越高。 為提高頂替效率，所采取的主要措施有：為提高頂替效率，所采取的主要措施有：加扶正器降低套管在井眼中的偏心程度、加扶正器降低套管在井眼中的偏心程度、注水泥時(shí)活動套管、注水泥時(shí)活動套管、采用紊流或塞流流態(tài)注水泥、采用紊流或塞流流態(tài)注水泥、采用前置液、采用前置液、注水泥前調(diào)整鉆井液性能、注水泥前調(diào)整鉆井液性能、增加紊流接觸時(shí)間等。增加紊流接觸時(shí)間等。 1211.

51、 加扶正器降低套管在井眼中的偏心程度 套管在井眼中不居中的現(xiàn)象稱為套管偏心。注水泥頂替效率與套管在井眼中的偏心程度密切相關(guān)。 在定向井和水平井中，由于套管的自重，管柱將偏向井眼下側(cè)，形成偏心。就是直井，由于實(shí)際所鉆成的井眼不可能是一個(gè)完全垂直的井眼，因此也存在套管偏心的情況。 1221. 加扶正器降低套管在井眼中的偏心程度 套管居中流動阻力分布：各間隙一樣！泥漿流動條件：一、提高注水泥頂替效率的措施1231. 加扶正器降低套管在井眼中的偏心程度 套管偏心流動阻力分布：各間隙不一樣！各間隙泥漿流動阻力： 套管偏心越嚴(yán)重，這種流速分布不均的程度越大。曾經(jīng)實(shí)測了液體在偏心環(huán)空中的流速分布情況，當(dāng)偏心

52、程度為69%時(shí)，實(shí)驗(yàn)中測量到最寬與最窄間隙的平均流速差別達(dá)到了70倍。在水泥漿頂替鉆井液的過程中，水泥漿在寬間隙處頂替鉆井液的速度快一些，而在在水泥漿頂替鉆井液的過程中，水泥漿在寬間隙處頂替鉆井液的速度快一些，而在窄間隙處的頂替速度則較慢，導(dǎo)致寬窄間隙水泥漿返高不一致。若套管偏心嚴(yán)重，窄間隙處的頂替速度則較慢，導(dǎo)致寬窄間隙水泥漿返高不一致。若套管偏心嚴(yán)重，則可能出現(xiàn)窄間隙的鉆井液根本不能被頂走而滯留在原處的則可能出現(xiàn)窄間隙的鉆井液根本不能被頂走而滯留在原處的竄槽竄槽現(xiàn)象?，F(xiàn)象。 因此要盡量降低套管在井眼中的偏心程度。目前所采取的措施是在套管上安裝因此要盡量降低套管在井眼中的偏心程度。目前所采取

53、的措施是在套管上安裝套套管扶正器管扶正器。 1242. 注水泥時(shí)活動套管 在注水泥過程中，旋轉(zhuǎn)或上下活動套管是提高頂替效率的有效措施。 機(jī)理：當(dāng)環(huán)空窄間隙處有滯留（或流動較慢）的鉆井液時(shí)，旋轉(zhuǎn)套管可依靠套管壁拖弋力將鉆井液帶入進(jìn)環(huán)空的較寬間隙處，從而被流動的水泥漿頂替走。 結(jié)論：一般認(rèn)為旋轉(zhuǎn)效果較好；上下活動套管可能在上提套管后發(fā)生卡套管從而使結(jié)論：一般認(rèn)為旋轉(zhuǎn)效果較好；上下活動套管可能在上提套管后發(fā)生卡套管從而使套管不能下放到設(shè)計(jì)放置，給安裝井口造成困難。套管不能下放到設(shè)計(jì)放置，給安裝井口造成困難。125 （a a） （b b） （c c）圖圖7-16 7-16 旋轉(zhuǎn)套管提高頂替效率示意圖旋

54、轉(zhuǎn)套管提高頂替效率示意圖（a a）套管不動）套管不動 （b b）套管開始轉(zhuǎn)動）套管開始轉(zhuǎn)動 （c c）鉆井液將被替完）鉆井液將被替完1 1井眼井眼 2 2套管套管 3 3流動的水泥漿流動的水泥漿 4 4鉆井液鉆井液1263. 采用紊流或塞流流態(tài)注水泥 在層流流態(tài)，斷面流速分布呈尖峰形態(tài)；在紊流和塞流流態(tài)，斷面流速分布相對平緩，因而有利于水泥漿均勻推進(jìn)頂替鉆井液。 在偏心環(huán)空中，當(dāng)采用塞流流態(tài)時(shí)，雖然在本間隙內(nèi)水泥漿可均勻推進(jìn)，由于在周向上流速分布不均，可能存在周向上嚴(yán)重推進(jìn)不均的后果。127 （a a） （b b） （c c）圖圖7-17 7-17 不同流態(tài)時(shí)流速分布示意圖不同流態(tài)時(shí)流速分布示

55、意圖（a a）塞流）塞流 （b b）層流）層流 （c c）紊流）紊流128 頂替過程中的流態(tài)影響層流塞流紊流一、提高注水泥頂替效率的措施1293. 采用紊流或塞流流態(tài)注水泥 紊流頂替機(jī)理：紊流頂替斷面流速分布比較均勻；紊流頂替液中的紊流旋渦在頂替液與鉆井液的交界面上可產(chǎn)生沖蝕、擾動、攜帶的作用，從而有利于對鉆井液的頂替。在偏心環(huán)空中，這種沖蝕、擾動、攜帶作用可逐漸頂替走窄間隙處的鉆井液。在偏心環(huán)空中，紊流時(shí)周向上的流速分布不均的程度也要大大低于層流時(shí)的流速分布不均程度（塞流本質(zhì)上也屬于層流），實(shí)驗(yàn)中曾測量到可降低27%76%，因而有利于對窄間隙的頂替。另外，紊流時(shí)，單位長度上的摩阻壓降大，該摩

56、阻壓降對滯留鉆井液而言是驅(qū)使其流動的動力，因此也有利于頂替。結(jié)論：只要井下條件許可（不會壓漏地層），人們首選紊流頂替。結(jié)論：只要井下條件許可（不會壓漏地層），人們首選紊流頂替。 1304. 使用注水泥前置液 不用前置液的危害：由于水泥漿與鉆井液的化學(xué)成分不同，當(dāng)用水泥漿直接頂替鉆井液時(shí)，在二者交界面附近鉆井液要與水泥漿混合。水泥漿和鉆井液混合的后果： 一方面，鉆井液與水泥漿混合后，可能使水泥漿增稠，導(dǎo)致環(huán)空流動摩阻增大，嚴(yán)重時(shí)造成井漏，或造成泵送不動而導(dǎo)致不能把水泥漿全部從套管內(nèi)替出的嚴(yán)重后果。 另一方面，鉆井液與水泥漿相互混合形成的混合物可能很稠，不容易被隨后的水泥漿所頂替，造成這種混合物竄

57、槽，影響注水泥質(zhì)量。不管是哪種情況，均稱鉆井液與水泥漿不相容。1314. 使用注水泥前置液 解決措施：在水泥漿前面通常要注入一段或幾段與鉆井液及水泥漿均相容的特殊配制的液體，這些液體稱為注水泥前置液（簡稱前置液）。 前置液分為兩種：沖洗液。沖洗液主要起稀釋鉆井液、沖洗井壁與套管壁的作用（也能隔開鉆井液與水泥漿），主要用于紊流注水泥。當(dāng)與隔離液同時(shí)使用時(shí)，位于隔離液之前。隔離液：隔離液的主要作用是隔離鉆井液與水泥漿。有兩種類型的隔離液，一種是用于塞流注水泥的粘稠型隔離液，一種是用于紊流注水泥的紊流型隔離液。1324. 使用注水泥前置液 施工措施： 在注水泥過程中，實(shí)際頂替鉆井液的是前置液。顯然，

58、如果水泥漿的流變性能能調(diào)節(jié)到滿足紊流或塞流的要求則更好。但由于調(diào)整水泥漿的流變性能時(shí)，往往對水泥漿的其它性能有影響，所以在很多情況下水泥漿的流變性能不能調(diào)整到要求值（尤其是紊流要求）。因此，現(xiàn)場上實(shí)際使用的常常是前置液紊流或塞流的注水泥頂替技術(shù)。關(guān)于紊流、塞流的注水泥流變性設(shè)計(jì)，我國相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中給出了有關(guān)設(shè)計(jì)理論與方法。1335. 注水泥前調(diào)整鉆井液性能 鉆井中鉆井液的性能是為了滿足鉆井作業(yè)的需要，但從提高注水泥頂替效率方面來看，這些性能往往是不適宜的。因此，在注水泥前，一般都要對鉆井液的性能進(jìn)行調(diào)整。這一點(diǎn)非常重要。 調(diào)整鉆井液性能（密度、流變性）的原則是，在保證井下安全的前提下，盡量降低鉆井

59、液的密度、粘度和觸變性（靜切力）。理論和實(shí)驗(yàn)研究均表明，其中降低觸變性尤為重要，因觸變性太強(qiáng)，鉆井液的內(nèi)部結(jié)構(gòu)力大，非常不利于頂替。1346. 增加紊流接觸時(shí)間 紊流頂替最重要的是對鉆井液的沖蝕、擾動、攜帶作用。顯然，這種沖蝕、擾動、攜帶的頂替，需要一定的時(shí)間。一部分人認(rèn)為4分鐘的接觸時(shí)間就夠了，但目前為大部分人接受的觀點(diǎn)是需要10分鐘的接觸時(shí)間才能達(dá)到有效的頂替。因此要合理設(shè)計(jì)前置液和水泥漿的用量。1357. 頂替液與鉆井液的密度差 一般要求鉆井液、前置液、水泥漿的密度應(yīng)逐級增大（所謂正密度差），因正密度差將對鉆井液產(chǎn)生浮力作用，有利于頂替。但對沖洗液可以例外，因沖洗液所起的主要是稀釋鉆井液

60、、沖洗井壁與套管壁的作用。136 注水泥剛結(jié)束時(shí)，水泥漿還是液態(tài)，這時(shí)環(huán)空內(nèi)液體對地層作用的壓力為作用點(diǎn)以上各漿柱的靜液壓力之和；因?yàn)樗酀{密度一般大于鉆井液的密度，因此能夠起到壓住地層的作用。 失重：由于一定的原因，水泥漿柱在凝結(jié)過程中對其下部或地層所作用的壓力將逐漸降低，就好象失掉了一部分重量一樣。這種現(xiàn)象稱為水泥漿在凝結(jié)過程中的失重（簡稱失重）。 失重的后果：當(dāng)漿柱的壓力失重到低于油、氣、水層的壓力時(shí)，地層中的油、氣、水就竄入環(huán)空內(nèi)，繼而或是發(fā)生層間互竄或是沿環(huán)空竄至井口。在有高壓油、氣、水層或?qū)娱g壓差大（如注水開發(fā)井網(wǎng)）的井內(nèi)，這種竄的可能性更大。二、水泥漿在凝結(jié)過程中的失重與油、氣、