《石油鉆探固井技術》ppt課件

1、碩士碩士20022002級級 現(xiàn)代完井工程現(xiàn)代完井工程石油鉆探固井技術概述概述井身構(gòu)造設計井身構(gòu)造設計套管及套管柱設計套管及套管柱設計油井水泥及水泥漿設計油井水泥及水泥漿設計影響注水泥質(zhì)量的要素影響注水泥質(zhì)量的要素1.1.固井的概念固井的概念 固井在井眼中下入適當尺寸及強度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的套管柱，然后用水泥漿封固套管與井壁之間的環(huán)形空間的作業(yè)。井壁之間的環(huán)形空間的作業(yè)。 包括包括： 套管與下套管套管與下套管 水泥與注水泥水泥與注水泥2.2.固井的目的固井的目的封隔易塌、易漏等復雜地層，保證鉆封隔易塌、易漏等復雜地層，保證鉆井順利進展；井順利進展；

2、封隔油氣水層，建立油氣流出通道，封隔油氣水層，建立油氣流出通道，防止產(chǎn)層間互竄；防止產(chǎn)層間互竄；進展增產(chǎn)措施；進展增產(chǎn)措施；安裝井口。安裝井口。3.3.固井的內(nèi)容固井的內(nèi)容套管及下套管套管及下套管 n水泥與注水泥水泥與注水泥4.4.對固井質(zhì)量的要求對固井質(zhì)量的要求套管有足夠的強度套管有足夠的強度能接受井下各種外力作能接受井下各種外力作用，抗腐蝕、不斷、不用，抗腐蝕、不斷、不裂、不變形。裂、不變形。水泥環(huán)有可靠的密封水泥環(huán)有可靠的密封環(huán)空封固段不竄、不漏環(huán)空封固段不竄、不漏、能經(jīng)受高壓擠注的考、能經(jīng)受高壓擠注的考驗。驗。 5.5.固井工藝流程固井工藝流程(1) (1) 井眼預備；鉆井至預定井深后

3、測井、井眼預備；鉆井至預定井深后測井、通井并清洗井眼通井并清洗井眼( (循環(huán)鉆井液循環(huán)鉆井液1 12 2周周) )起起鉆、下套管、安裝水泥頭及注水泥地面鉆、下套管、安裝水泥頭及注水泥地面管匯再循環(huán)鉆井液管匯再循環(huán)鉆井液1 12 2周；周；(2) (2) 打隔離液或前置液打隔離液或前置液( (普通用量為環(huán)空普通用量為環(huán)空高度高度100m100m左右左右) )；(3) (3) 釋放下膠塞注水泥釋放下膠塞注水泥( (領漿、中漿、尾領漿、中漿、尾漿漿) )；(4) (4) 釋放上膠塞替鉆井液釋放上膠塞替鉆井液; ;(5) (5) 碰壓碰壓( (上膠塞下行至套管承托環(huán)上膠塞下行至套管承托環(huán), ,泵壓泵壓

4、忽然升高忽然升高, ,通常通常 5.0 MPa) 5.0 MPa)，注水泥終，注水泥終了。了。6.6.工藝引見工藝引見下套管下套管注水泥注水泥候凝候凝檢測評價檢測評價7.7.固井的特點固井的特點(1) (1) 固井作業(yè)施工時間短。例：固井作業(yè)施工時間短。例：3500m 9-3500m 9-5 / 85 / 8 套 管 固 井 作 業(yè) ， 下 套 管 約套 管 固 井 作 業(yè) ， 下 套 管 約12:0012:0016:0016:00，注水泥約，注水泥約3:003:004:00 4:00 ；(2) (2) 作業(yè)屬一次性工程，且質(zhì)量要求高，作業(yè)屬一次性工程，且質(zhì)量要求高，事后補救困難事后補救困難(

5、 (補救質(zhì)量可控性差、勝補救質(zhì)量可控性差、勝利率低、費用高利率低、費用高) )。據(jù)資料。據(jù)資料( (美國、海洋美國、海洋) )，補救作業(yè)費用與根本注水泥作業(yè)費，補救作業(yè)費用與根本注水泥作業(yè)費的比值為的比值為: : 表層套管固井：表層套管固井：5555 技技術套管固井：術套管固井：1515 尾尾 管管 固固 井井 ：120120 產(chǎn)產(chǎn) 層層 固固 井井 ：8484(3) (3) 資料用量大，本錢高。資料用量大，本錢高。 普通為鉆普通為鉆井總本錢的井總本錢的15153030。一一. .井身構(gòu)造設計的內(nèi)容井身構(gòu)造設計的內(nèi)容套管的層次；套管的層次；各層套管的尺寸與下入深度；各層套管的尺寸與下入深度；井

6、眼尺寸井眼尺寸( (鉆頭尺寸鉆頭尺寸) )與深度；與深度；水泥返高。水泥返高。二二. .井身構(gòu)造確定的原那么井身構(gòu)造確定的原那么能有效的維護油氣層，使不同壓力梯度能有效的維護油氣層，使不同壓力梯度的油氣層不受鉆井液的污染。的油氣層不受鉆井液的污染。應防止漏、噴、塌、卡等復雜情況發(fā)生應防止漏、噴、塌、卡等復雜情況發(fā)生，為全井順利鉆進發(fā)明條件。，為全井順利鉆進發(fā)明條件。鉆下部高壓地層時，所用較高密度鉆井鉆下部高壓地層時，所用較高密度鉆井液構(gòu)成的液柱壓力，不壓裂上層套管鞋液構(gòu)成的液柱壓力，不壓裂上層套管鞋處薄弱的裸露地層。處薄弱的裸露地層。下套管過程中，應不發(fā)生壓差卡套管。下套管過程中，應不發(fā)生壓差

7、卡套管。套管與井眼、下次鉆進的鉆頭與套管內(nèi)套管與井眼、下次鉆進的鉆頭與套管內(nèi)徑之間，應有合理的間隙。徑之間，應有合理的間隙。三三. .井身構(gòu)造設計中所需的根底數(shù)據(jù)井身構(gòu)造設計中所需的根底數(shù)據(jù) 1.1.地質(zhì)方面的數(shù)據(jù)地質(zhì)方面的數(shù)據(jù) 巖性剖面及缺點提示；巖性剖面及缺點提示； 地層孔隙壓力剖面；地層孔隙壓力剖面； 地層破裂壓力剖面。地層破裂壓力剖面。2.2.工程類數(shù)據(jù)工程類數(shù)據(jù) 抽吸壓力與激動壓力允許值；抽吸壓力與激動壓力允許值； 地層壓裂平安增值；地層壓裂平安增值； 井涌條件；井涌條件； 壓差允許值。壓差允許值。四四. .套管與井眼尺寸的選擇與配合套管與井眼尺寸的選擇與配合 消費套管的尺寸應滿足采

8、油的要求；消費套管的尺寸應滿足采油的要求；據(jù)產(chǎn)能、油管大小、增產(chǎn)措施以及井下作據(jù)產(chǎn)能、油管大小、增產(chǎn)措施以及井下作業(yè)等要求。業(yè)等要求。 對于探井，要思索設計原井深能否需求對于探井，要思索設計原井深能否需求加深；加深；實踐地與層原地質(zhì)預告有能夠存在差別，實踐地與層原地質(zhì)預告有能夠存在差別，能否留可添加中間套管層次的余地。能否留可添加中間套管層次的余地。 要思索到工藝技術程度以及管材、鉆頭要思索到工藝技術程度以及管材、鉆頭等的庫存情況。等的庫存情況。地質(zhì)復雜情況、取巖心尺寸要求、井眼曲地質(zhì)復雜情況、取巖心尺寸要求、井眼曲率等。率等。一、套管規(guī)范簡介一、套管規(guī)范簡介套管遭到各種類型外力作用，須具有一

9、定強度套管遭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，須有一系列不同尺寸、不同強度的套管。即套管系列。套管系列。對所用的套管系列作一個一致規(guī)定，叫套管規(guī)對所用的套管系列作一個一致規(guī)定，叫套管規(guī)范。規(guī)定了套管消費的尺寸、鋼級、壁厚、銜范。規(guī)定了套管消費的尺寸、鋼級、壁厚、銜接方式等。接方式等。目前普通運用的美國目前普通運用的美國APIAPI套管規(guī)范。其規(guī)定的有套管規(guī)范。其規(guī)定的有關性能主要有。關性能主要有。1 1、尺寸系列又叫名義外徑或公稱直徑、尺寸系列又叫名義外徑或公稱直徑41/

10、241/2，5 5，51/251/2，65/865/8，7 7，75/875/8， 85/885/8，95/895/8，103/4103/4，113/4113/4，1616, , 285/8 285/8，2020，3030.2 2、鋼級系列、鋼級系列APIAPI鋼級有鋼級有1010種：種：H,J,K,N,C,L,P,Q,X.H,J,K,N,C,L,P,Q,X.非規(guī)范的鋼級，也較廣泛運用，如非規(guī)范的鋼級，也較廣泛運用，如NKK,S,SS,VNKK,S,SS,V等。等。APIAPI規(guī)定鋼級代號后面的數(shù)字乘以規(guī)定鋼級代號后面的數(shù)字乘以1000 1000 psi(6894.8Pa)psi(6894.8

11、Pa)即為該鋼材的最小屈服強度即為該鋼材的最小屈服強度。如如: :N-80 N-80 80 801000psi1000psi但也有個別例外但也有個別例外: :S-80 S-80 55Kpsi 55KpsiSS-95 SS-95 80Kpsi 80Kpsi3 3、套管螺紋類型與螺紋銜接、套管螺紋類型與螺紋銜接APIAPI規(guī)范螺紋類型：規(guī)范螺紋類型：短園螺紋，短園螺紋，STC, CSG, C1STC, CSG, C1長園螺紋，長園螺紋，LTC,LTC,LCSG, C2LCSG, C2梯型螺紋，梯型螺紋，BTC,BTC,BCSG, C33BCSG, C33直連型螺紋，直連型螺紋，XL, XCSG,

12、C11XXL, XCSG, C11X與螺紋類型相對應的螺紋銜接也有四種。與螺紋類型相對應的螺紋銜接也有四種。 螺紋銜接指套管本體與結(jié)箍之間的銜接螺紋銜接指套管本體與結(jié)箍之間的銜接。 另有一些非規(guī)范螺紋由廠家定義。另有一些非規(guī)范螺紋由廠家定義。如何選用這些套管，選擇原那么：如何選用這些套管，選擇原那么：外載外載平安系數(shù)平安系數(shù) 套管強度套管強度二、套管外載分析與套管強度計算二、套管外載分析與套管強度計算一載荷分類與特點一載荷分類與特點1 1 靜載靜載特點：長期作用、結(jié)協(xié)作用在套管上。特點：長期作用、結(jié)協(xié)作用在套管上。類型：類型：軸向拉力軸向拉力徑向外擠壓力徑向外擠壓力徑向內(nèi)壓力徑向內(nèi)壓力彎曲附加

13、拉力彎曲附加拉力溫差應力溫差應力(1)(1)軸向拉力：軸向拉力：T T 自重：自重：W W 浮力：浮力：F F T = W - F T = W - F(2)(2)徑向外擠壓力：徑向外擠壓力：管外液柱壓力管外液柱壓力P1P1地層擠壓地層擠壓P2P2環(huán)空加壓環(huán)空加壓P3P3(3)(3)徑向內(nèi)壓力：徑向內(nèi)壓力：管內(nèi)流體壓力管內(nèi)流體壓力壓裂作業(yè)等壓力壓裂作業(yè)等壓力2 2 動載動載特點：瞬時地、單一地作用在套管上特點：瞬時地、單一地作用在套管上。起下鉆時速度變化產(chǎn)生的動載起下鉆時速度變化產(chǎn)生的動載阻、卡套管時提拉動載阻、卡套管時提拉動載摩擦動載摩擦動載碰壓動載碰壓動載密度差產(chǎn)生的附加拉力密度差產(chǎn)生的附加

14、拉力套管柱在井下所受的套管柱在井下所受的主要外力有哪些？主要外力有哪些？作用在套管上作用在套管上的主要載荷是：的主要載荷是：軸向拉力軸向拉力 Tb= W - FTb= W - F外擠壓力外擠壓力 PcPc內(nèi)壓力內(nèi)壓力 PiPi二軸向拉力與套管抗拉強度二軸向拉力與套管抗拉強度1 1、軸向拉力計算、軸向拉力計算1.11.1套管自重產(chǎn)生的軸向拉力套管自重產(chǎn)生的軸向拉力 浮力對軸向載荷有減小作用，因此，設計浮力對軸向載荷有減小作用，因此，設計時思索與不思索浮力時的選用的平安系數(shù)應有時思索與不思索浮力時的選用的平安系數(shù)應有一定區(qū)別。一定區(qū)別。(1)(1) 不思索浮力時套管自重拉力不思索浮力時套管自重拉力

15、分布規(guī)律：在套管柱上由下向上逐漸分布規(guī)律：在套管柱上由下向上逐漸增大。增大。最大值位置：井口處。最大值位置：井口處。計算公式：計算公式：1000/qLTbT 井口處套管軸向拉力, KNq 單位長度套管的分量，N/mL 套管長度，m(2) (2) 思索浮力時套管自重拉力思索浮力時套管自重拉力 浮力思索方法：浮力思索方法： 浮力系數(shù)法，臺階力法浮力系數(shù)法，臺階力法( (按集按集中力思索中力思索) )計算式計算式( (浮力系數(shù)法浮力系數(shù)法 ) )：Tb套管在鉆井液中的分量，KNBF 浮力系數(shù)3310101LqBqLTFsmb在空氣中在空氣中在鉆井液中在鉆井液中Tb1.21.2 彎曲附加拉力彎曲附加拉

16、力 假設井眼存在較大的假設井眼存在較大的井斜變化或狗腿度時，井斜變化或狗腿度時，由于套管彎曲效應的影由于套管彎曲效應的影響將增大套管的拉力負響將增大套管的拉力負荷，特別是在接近絲扣荷，特別是在接近絲扣嚙合處，易構(gòu)成裂痕損嚙合處，易構(gòu)成裂痕損壞，由于壞，由于APIAPI套管的銜接套管的銜接強度沒有思索彎曲應力強度沒有思索彎曲應力，所以設計時應從套管，所以設計時應從套管的銜接強度中扣除彎曲的銜接強度中扣除彎曲效應的影響，其計算公效應的影響，其計算公式見有關資料。式見有關資料。1.3 1.3 其它附加拉力其它附加拉力 在普通的套管設計中，沒有詳細思在普通的套管設計中，沒有詳細思索附加拉力，而是經(jīng)過平

17、安系數(shù)的選索附加拉力，而是經(jīng)過平安系數(shù)的選用，將它們包括在內(nèi)。用，將它們包括在內(nèi)。2 2 軸向拉力作用下的套管強度軸向拉力作用下的套管強度( (抗拉強度抗拉強度2.12.1 軸向拉力作用下套管的失效方式軸向拉力作用下套管的失效方式(1)(1) 絲扣接箍滑脫絲扣接箍滑脫(2)(2) 絲扣斷裂絲扣斷裂(3)(3) 管體斷裂管體斷裂(4)(4) 氫脆氫脆2.22.2 套管抗拉強度的選用套管抗拉強度的選用抗拉強度抗拉強度minmin絲扣部分抗拉強度，管體抗絲扣部分抗拉強度，管體抗拉強度拉強度 三三 外擠壓力與套管抗擠強度外擠壓力與套管抗擠強度1 1 外擠壓力計算外擠壓力計算1.11.1外擠壓力的計算外

18、擠壓力的計算思索方法：管內(nèi)按全掏空的思索方法：管內(nèi)按全掏空的 最危險形狀思索。最危險形狀思索。計算方法：計算方法：HPme00981. 0Pe外擠壓力，MPaH 計算點深度，mm 管外泥漿(或鹽水)密度，g/cm3外擠力分布：沿井深添加，最大在井底。外擠力分布：沿井深添加，最大在井底。闡明：闡明：a.a.水泥環(huán)有一定的承載才干，實踐的外擠水泥環(huán)有一定的承載才干，實踐的外擠力在水泥面以下要小得多，可分段思索力在水泥面以下要小得多，可分段思索；b.b.在有易流動塑性地層的情況下如鹽巖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層、泥鹽層，套管所受的外擠力應按上覆巖層的壓力梯度計

19、算；上覆巖層的壓力梯度計算；c.c.在很多井中，并不能夠發(fā)生全掏空的外在很多井中，并不能夠發(fā)生全掏空的外擠形狀，故按上面方法計算出的外擠力擠形狀，故按上面方法計算出的外擠力偏大，這樣便能夠呵斥選擇套管的浪費偏大，這樣便能夠呵斥選擇套管的浪費?，F(xiàn)行的方法是：根據(jù)各層套管詳細能?，F(xiàn)行的方法是：根據(jù)各層套管詳細能夠出現(xiàn)的最大工況，按有效載荷計算。夠出現(xiàn)的最大工況，按有效載荷計算。1.21.2 有效外擠壓力計算有效外擠壓力計算計算方法：計算方法：Pe=Pc- PiPe=Pc- Pi 其中其中PiPi的計算方法不的計算方法不同，也使得同，也使得PePe有多種算有多種算法。法。2 2 套管的抗擠強度單一外

20、力作用套管的抗擠強度單一外力作用2.12.1 套管在外擠力下的失效方式套管在外擠力下的失效方式套管徑厚比的范圍不同，套管破壞的套管徑厚比的范圍不同，套管破壞的方式也有所不同，其變化類似于受壓直方式也有所不同，其變化類似于受壓直桿件的破壞。桿件的破壞。細長桿壓彎失穩(wěn)細長桿壓彎失穩(wěn)短粗桿塑性變形破壞短粗桿塑性變形破壞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。套管失效方式：主要是失穩(wěn)破壞，而不是強度破壞。失穩(wěn)后的套管被擠扁或破裂。2.2 2.2 套管抗擠強度計算套管抗擠強度計算 APIAPI根據(jù)上面套管的不同失效方式，給出了一套根據(jù)上面套管的不同失效方式

21、，給出了一套抗擠強度計算公式，即：抗擠強度計算公式，即：最小屈服抗擠強度最小屈服抗擠強度最小塑性抗擠強度最小塑性抗擠強度最小塑彈性抗擠強度最小塑彈性抗擠強度最小彈性抗擠強度最小彈性抗擠強度詳細公式見有關教材。詳細公式見有關教材。3 3 套管在多向載荷作用下的強度變化與計算套管在多向載荷作用下的強度變化與計算3.13.1 套管雙軸應力橢圓套管雙軸應力橢圓a.a. 方程建立方程建立 由資料力學實際可知，套管在外載作用下由資料力學實際可知，套管在外載作用下，其單元體上受三個正應力作用，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ztr這三個應力共同作用時合成應力為這三個應力共同作用時合

22、成應力為MisesMises方程：方程：22221zrrttzc根據(jù)第四強度實際，可得套管在多向應力下的強度條件為：根據(jù)第四強度實際，可得套管在多向應力下的強度條件為：c c s s其平衡方程有：其平衡方程有：22222szrrttz在這三個應力中，在這三個應力中，r r t,t,故在上面方程中忽略其影響后故在上面方程中忽略其影響后可得出方程：可得出方程：122ststszsz 式中，z/s和t/s分別表示軸向應力和周向應力在屈服應力中占的比例。b.b.方程意義方程意義反映反映z z 、t t與與s s之關系，表示套管所受多向之關系，表示套管所受多向載荷時，套管內(nèi)軸向應力與周向應力的關系。載荷

23、時，套管內(nèi)軸向應力與周向應力的關系。t /sz/ s3.23.2軸向拉力作用下套管抗擠強度的計算軸向拉力作用下套管抗擠強度的計算a.a. 計算公式計算公式ATbz10ATss10tdPccct2tdPccs2csbsbcsccPKTTTTPPP214312b. b. 計算計算K K直接由直接由Tb/TsTb/Ts計算計算K K查表求查表求K K法法四四 內(nèi)壓力與套管抗內(nèi)壓強度內(nèi)壓力與套管抗內(nèi)壓強度1 1 內(nèi)壓力計算內(nèi)壓力計算思索形狀：內(nèi)壓力最大普通為井噴關井思索形狀：內(nèi)壓力最大普通為井噴關井后或酸化壓裂時。后或酸化壓裂時。內(nèi)壓分布：以井口為最大內(nèi)壓分布：以井口為最大( (無外擠壓力無外擠壓力)

24、 )。計算方法：計算方法：按井口封鎖，全井充溢天然氣計算：按井口封鎖，全井充溢天然氣計算：井口壓力井口壓力PsPs為：為：LGbePPs410115. 1Pb地層壓力以井口安裝的許用最高壓力作為井口壓力以有效內(nèi)壓力計算有效內(nèi)壓力有效內(nèi)壓力有效內(nèi)壓力井口壓力管內(nèi)壓力管外壓力有效內(nèi)壓力井口壓力管內(nèi)壓力管外壓力2 2 套管的抗內(nèi)壓強度套管的抗內(nèi)壓強度2.12.1套管在內(nèi)壓作用下的失效方式套管在內(nèi)壓作用下的失效方式套管在內(nèi)壓力下的破壞普通屬于強度破壞。套管在內(nèi)壓力下的破壞普通屬于強度破壞。2.22.2抗內(nèi)壓強度的計算抗內(nèi)壓強度的計算 套管管體和接箍處的抗內(nèi)壓強度能夠不一致，套管管體和接箍處的抗內(nèi)壓強度

25、能夠不一致，故需同時計算套管管體與絲扣處的抗內(nèi)壓強度。故需同時計算套管管體與絲扣處的抗內(nèi)壓強度。公式：公式：csidtP2875. 0WdWPsi1薄壁圓筒實際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三、套管柱設計方法三、套管柱設計方法( (一一) )設計原理設計原理套管柱設計，實踐上就是怎樣選擇套管，套管柱設計，實踐上就是怎樣選擇套管，使其能滿足井下各種外載形狀的方法。使其能滿足井下各種外載形狀的方法。1.1.選擇根據(jù)選擇根據(jù)外載外載平安系數(shù)平安系數(shù) 套管可用強度套管可用強度選擇原那么：選擇原那么：應能滿足鉆井、開發(fā)和產(chǎn)層改造的工藝應能滿足鉆井、開發(fā)和產(chǎn)層改造

26、的工藝要求，能滿足各種條件下各種作業(yè)情況要求，能滿足各種條件下各種作業(yè)情況以及地層的要求；以及地層的要求；思索一定的平安貯藏；思索一定的平安貯藏；經(jīng)濟性。經(jīng)濟性。工程上對選擇套管的有關限制：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；抗硫套管或高一鋼級的套管； 套管段數(shù)和種類的數(shù)量不應太多，套管段數(shù)和種類的數(shù)量不應太多，普通應小于普通應小于4 45 5段；段； 井口一根套管應為全井最大壁厚；井口一根套管應為全井最大壁厚； 對復雜井要計算井口的瞬時最大載對復雜井要計算井口的瞬時最大載荷。荷。2 2 選擇步驟選擇步驟a.a.確

27、定套管在井下能夠遇到的最大外載情況；確定套管在井下能夠遇到的最大外載情況；b.b.確定運用的平安系數(shù)范圍：確定運用的平安系數(shù)范圍： 根據(jù)套管強度的計算方法和室內(nèi)套管強度根據(jù)套管強度的計算方法和室內(nèi)套管強度的實驗，井下套管受力形狀的思索以及運用的的實驗，井下套管受力形狀的思索以及運用的套管設計方法等要素，確定一個可用的平安系套管設計方法等要素，確定一個可用的平安系數(shù)范圍數(shù)范圍. .抗擠：抗擠：1.00-1.501.00-1.50，普通為，普通為1.00-1.1251.00-1.125抗拉：抗拉：1.60-2.001.60-2.00，普通為，普通為1.8-1.91.8-1.9抗內(nèi)壓：抗內(nèi)壓：1.0

28、0-1.75,1.00-1.75,普通為普通為1.10-1.33,1.10-1.33,常用常用1.101.10c.c.計算出不同井深下套管所需的各種強計算出不同井深下套管所需的各種強度，從現(xiàn)有套管中選擇出滿足這些要度，從現(xiàn)有套管中選擇出滿足這些要求的套管；求的套管；d.d.對所選套管進展校核和調(diào)整對所選套管進展校核和調(diào)整3 3 等平安系數(shù)設計法等平安系數(shù)設計法3.13.1 設計原那么設計原那么 即要求所設計的各段套管的最小平安即要求所設計的各段套管的最小平安系數(shù)應等于規(guī)定的平安系數(shù)值。系數(shù)應等于規(guī)定的平安系數(shù)值。實踐平安系數(shù)套管強度實踐平安系數(shù)套管強度/ /計算外載計算外載3.23.2 設計思

29、索的外載形狀設計思索的外載形狀軸向力：軸向力： 思索浮力作用下的套管自重彎曲思索浮力作用下的套管自重彎曲段加彎曲應力段加彎曲應力外擠力：外擠力： 管內(nèi)全掏空時的最危險形狀，有特管內(nèi)全掏空時的最危險形狀，有特殊地層段單獨按上覆巖層壓力殊地層段單獨按上覆巖層壓力梯度梯度設計設計內(nèi)壓力：內(nèi)壓力： 以有效內(nèi)壓力思索以有效內(nèi)壓力思索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(nèi)壓力作用較大。設計順序:自下而上，先抗擠后抗拉自下而上，先抗擠后抗拉3.43.4 設計步驟：設計步驟：確定設計條件：平安系數(shù)、外載計算方式確定設計條件：平安系數(shù)、外載計算方式按內(nèi)壓挑選套管按內(nèi)

30、壓挑選套管求井底外擠力，選第一段套管求井底外擠力，選第一段套管選第二段套管，計算其可下深度選第二段套管，計算其可下深度計算第一段套管長度和有關平安系數(shù)計算第一段套管長度和有關平安系數(shù)選第三段套管選第三段套管選套管，按套管抗拉強度計算其可下深度選套管，按套管抗拉強度計算其可下深度留意：抗擠應按雙軸應力進展計算留意：抗擠應按雙軸應力進展計算水泥與水混合配成的水泥漿，注入到套管與井眼的環(huán)空中，經(jīng)一定時間的凝結(jié)和硬化封固環(huán)形空間。固井質(zhì)量的根本要求之一，是要有可靠的密封性。這便要求運用的水泥在強度等性能方面均具備較高的目的。而影響油井水泥這些性能的要素與它內(nèi)部的礦物成分的含量是親密相關的。一、油井水泥

31、組成與水化凝結(jié)過程一、油井水泥組成與水化凝結(jié)過程 1 1 油井水泥的主要礦物成分油井水泥的主要礦物成分硅酸三鈣：硅酸三鈣：3CaO3CaOSiO2SiO2 簡寫：簡寫：C3SC3S硅酸二鈣：硅酸二鈣：2CaO2CaOSiO2SiO2 簡寫：簡寫：C2SC2S鋁酸三鈣：鋁酸三鈣：3CaO3CaOAl2O3Al2O3 簡寫：簡寫：C3AC3A鐵鋁酸四鈣：鐵鋁酸四鈣：4CaO4CaOAl2O3Al2O3Fe2O3Fe2O3簡簡寫：寫：C4AFC4AF這四種礦物成分占總量的這四種礦物成分占總量的8787以上，各以上，各種組分在水泥的水化過程中有不同的特性種組分在水泥的水化過程中有不同的特性。故組成水泥

32、的各種組分的比例不同，其。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，即不同類型的水水泥的性能也有所不同，即不同類型的水泥。泥。2 2 礦物成分對水泥性能的影響礦物成分對水泥性能的影響(1)(1)硅酸三鈣：在普通硅酸鹽水泥中含硅酸三鈣：在普通硅酸鹽水泥中含量最高，是水泥產(chǎn)生強度的主要化合量最高，是水泥產(chǎn)生強度的主要化合物。物。 水化反響速度快，早期強度開水化反響速度快，早期強度開展快、最終強度大。展快、最終強度大。(2)(2)硅酸二鈣：水化反響慢，強度增長硅酸二鈣：水化反響慢，強度增長慢，能在長時間內(nèi)逐漸增大水泥石的慢，能在長時間內(nèi)逐漸增大水泥石的強度。強度。(3)(3)鋁酸三鈣：

33、是促進水泥快速水化的化合鋁酸三鈣：是促進水泥快速水化的化合物，是決議水泥初凝和稠化時間的主要要物，是決議水泥初凝和稠化時間的主要要素。對水泥漿的流動性有顯著影響，并對素。對水泥漿的流動性有顯著影響，并對硫酸鹽的侵蝕非常敏感，因此，高抗硫酸硫酸鹽的侵蝕非常敏感，因此，高抗硫酸鹽水泥必需控制其含量鹽水泥必需控制其含量3%3%或更低?；蚋?。(4)(4)鐵鋁酸四鈣：水化速度僅次于鋁酸三鈣鐵鋁酸四鈣：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，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，對水度差別不大，且強度的絕對值不大，對水泥強度奉獻很小，含量過大可使強度過早泥

34、強度奉獻很小，含量過大可使強度過早減退。減退。 C3AC3A和和C4AFC4AF的生成，主要是為降低水泥消的生成，主要是為降低水泥消費的燒結(jié)溫度，參與了費的燒結(jié)溫度，參與了Al2O3Al2O3、Fe2O3Fe2O3。凝結(jié)硬化時間凝結(jié)硬化時間C2SC3SC3AC4AF水水泥泥石石強強度度(4)(4)礦物成分對強度的影響礦物成分對強度的影響經(jīng)過調(diào)理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(xiàn)方法高的早期強度 添加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含量高抗硫才干 限制C3A3，C3A+2C4AF24油井水泥的類型

35、油井水泥的類型(1)API(1)API規(guī)范規(guī)范 A A、B B、C C、D D、E E、F F、G G、H H、J J九個級別。九個級別。其中，其中，G G、H H兩級為根本水泥。即可經(jīng)過參與兩級為根本水泥。即可經(jīng)過參與外加劑和外加劑和/ /或外摻料到達其它類型的特性，或外摻料到達其它類型的特性，J J級水泥目前已有逐漸被取消的趨勢。級水泥目前已有逐漸被取消的趨勢。(2)(2)現(xiàn)行國家規(guī)范現(xiàn)行國家規(guī)范 按按APIAPI規(guī)范，目前主要有規(guī)范，目前主要有G G、H H級。級。J J級質(zhì)量級質(zhì)量控制規(guī)范不嚴，實踐質(zhì)量不穩(wěn)定?？刂埔?guī)范不嚴，實踐質(zhì)量不穩(wěn)定。(3)(3)原國產(chǎn)規(guī)范原國產(chǎn)規(guī)范 4545、7

36、575、9595、120120。已不運用。已不運用3 3 水泥的凝結(jié)與硬化水泥的凝結(jié)與硬化(1)(1)水化反響水化反響水泥礦物與水混合后，發(fā)生水化反響水泥礦物與水混合后，發(fā)生水化反響，生成各種水化產(chǎn)物。水泥漿將逐漸由，生成各種水化產(chǎn)物。水泥漿將逐漸由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，這個過程叫水泥的凝液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，這個過程叫水泥的凝結(jié)與硬化過程。結(jié)與硬化過程。水泥的水化反響：水泥的水化反響：a.a. C3AC3A的水化反響的水化反響b.b. C3S,C2S,C3S,C2S,及及C4AFC4AF的水化反響的水化反響c.c. 水化的水化的C3AC3A和二水石膏的水化反響和二水石膏的水化反響隨著水化的不斷進展，水泥

37、漿中的硅酸鹽隨著水化的不斷進展，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添加，逐漸使微小物等在容液中的濃度不斷添加，逐漸使微小晶體構(gòu)成凝聚構(gòu)造，從而促成水泥的凝結(jié)和晶體構(gòu)成凝聚構(gòu)造，從而促成水泥的凝結(jié)和硬化。硬化。 (2)(2)水泥的凝結(jié)與硬化水泥的凝結(jié)與硬化“凝聚結(jié)晶實際根本思想凝聚結(jié)晶實際根本思想以為水泥在凝結(jié)和硬化過程要構(gòu)成兩種以為水泥在凝結(jié)和硬化過程要構(gòu)成兩種不同類型的三維空間網(wǎng)，即凝聚網(wǎng)和結(jié)晶不同類型的三維空間網(wǎng)，即凝聚網(wǎng)和結(jié)晶網(wǎng)。由于凝聚結(jié)晶網(wǎng)的不斷加強，最后網(wǎng)。由于凝聚結(jié)晶網(wǎng)的不斷加強，最后構(gòu)成水泥的硬化。

38、構(gòu)成水泥的硬化。a.凝結(jié)過程水化由顆粒外表深化 膠態(tài)粒子增多 晶體開場結(jié)合 凝聚網(wǎng)。b.硬化過程水化深化 晶體析出 相互結(jié)合 結(jié)晶網(wǎng) 硬化成微晶構(gòu)造。二、油井水泥及水泥漿的物理性能二、油井水泥及水泥漿的物理性能1 概念：描畫水泥或水泥漿特性的有關參量。2 規(guī)范：API規(guī)范、國家規(guī)范、原國家規(guī)范。水泥的性能水泥的性能 自在水自在水 抗壓強度抗壓強度 安定性安定性 細度細度 稠化時間稠化時間水泥漿的性能水泥漿的性能 (現(xiàn)行現(xiàn)行)國家和國家和API規(guī)范規(guī)范 密度密度 自在水自在水(析水析水) 濾失量濾失量(失水失水) 稠化時間稠化時間 流變性能流變性能 水泥石抗壓強度水泥石抗壓強度 水泥石浸透率水泥

39、石浸透率3 3 水泥及水泥漿的性能水泥及水泥漿的性能描畫性能的參數(shù)描畫性能的參數(shù)水泥漿的性能水泥漿的性能 (原原)國家規(guī)范國家規(guī)范 密度密度 流動度流動度 凝結(jié)時間凝結(jié)時間 水泥石抗折強水泥石抗折強度度(1)(1)密度密度ss：單位體積水泥漿的質(zhì)量，：單位體積水泥漿的質(zhì)量，g/cm3g/cm3。 根本要求：注水泥過程中，既要壓穩(wěn)地層不發(fā)生流體的侵入根本要求：注水泥過程中，既要壓穩(wěn)地層不發(fā)生流體的侵入，也不壓裂地層呵斥井漏。，也不壓裂地層呵斥井漏。(2)(2)稠化時間稠化時間TtTt：在指定溫度和壓力條件下，自水泥與水混合開：在指定溫度和壓力條件下，自水泥與水混合開場至配成的水泥漿的稠度值到達場

40、至配成的水泥漿的稠度值到達100BC100BC所閱歷的時間，叫該水所閱歷的時間，叫該水泥漿在此條件下的稠化時間。泥漿在此條件下的稠化時間。 根本要求：整個注水泥過程應在稠化時間以內(nèi)完成，并包含根本要求：整個注水泥過程應在稠化時間以內(nèi)完成，并包含一定的平安因數(shù)。通常：一定的平安因數(shù)。通常：施工時間施工時間 稠化時間稠化時間 - 1- 1小時小時 3.13.1水泥漿的性能水泥漿的性能(3)(3)濾失量濾失量Q30Q30：水泥漿中的自在水在壓差作用下，經(jīng)過井壁滲：水泥漿中的自在水在壓差作用下，經(jīng)過井壁滲入到地層中的景象叫濾失，濾失的多少叫濾失量，入到地層中的景象叫濾失，濾失的多少叫濾失量，ml/30

41、minml/30min。 根本要求：在保證注水泥施工順利平安的前提下，盡量降低根本要求：在保證注水泥施工順利平安的前提下，盡量降低濾失量。濾失量。( (留意：這與對鉆井液的要求有區(qū)別留意：這與對鉆井液的要求有區(qū)別在鉆井平安在鉆井平安和不損害儲層的前提下，可放寬。和不損害儲層的前提下，可放寬。) )(4)(4)自在水自在水( (析水析水) )：在一定條件下，水泥漿靜置一定時間后分別：在一定條件下，水泥漿靜置一定時間后分別出的游離水。常用出的游離水。常用250ml250ml量筒滿刻度水泥漿，靜止量筒滿刻度水泥漿，靜止2 2小時分別小時分別出的游離水度量，體積出的游離水度量，體積% %。 根本要求：

42、規(guī)定根本要求：規(guī)定G G、H H級水泥在規(guī)范水灰比下級水泥在規(guī)范水灰比下 1.4% 1.4%。實踐工。實踐工程中，在施工平安的前提下，應盡量降低。如，用于大斜度程中，在施工平安的前提下，應盡量降低。如，用于大斜度和程度井固井的水泥漿，應等于零或近于零。和程度井固井的水泥漿，應等于零或近于零。(5)(5)流變性能：描畫水泥漿在外力作用下，產(chǎn)生流動的特點的參流變性能：描畫水泥漿在外力作用下，產(chǎn)生流動的特點的參數(shù)。常用流變方式參數(shù)有：數(shù)。常用流變方式參數(shù)有：PVPV、YP(YP(賓漢賓漢) )，n n、K(K(冪律冪律) )，YPYP、n n、K(K(赫赫巴巴) )等。等。 根本要求：在保證漿體穩(wěn)定

43、性的前提下，盡量改善。根本要求：在保證漿體穩(wěn)定性的前提下，盡量改善。(6)(6)抗壓強度：在一定溫度、壓力條件下，水泥漿在一定時間內(nèi)抗壓強度：在一定溫度、壓力條件下，水泥漿在一定時間內(nèi)凝結(jié)硬化構(gòu)成的水泥石抵抗壓力破壞的才干，凝結(jié)硬化構(gòu)成的水泥石抵抗壓力破壞的才干，MPaMPa。 根本要求：支撐和懸掛套管的一部分分量；接受繼續(xù)鉆井的根本要求：支撐和懸掛套管的一部分分量；接受繼續(xù)鉆井的沖擊載荷或油氣層改造的壓力。普通要求在井底靜止溫度下沖擊載荷或油氣層改造的壓力。普通要求在井底靜止溫度下4848小時的值小時的值 14MPa 14MPa。(7)(7)水泥石浸透率：一定壓力下，水泥石允許流體經(jīng)過的特性

44、叫水泥石浸透率：一定壓力下，水泥石允許流體經(jīng)過的特性叫水泥石的浸透性，其大小叫浸透率，水泥石的浸透性，其大小叫浸透率，m2m2。 根本要求：普通情況下不作要求，用于封固腐蝕性地層應盡根本要求：普通情況下不作要求，用于封固腐蝕性地層應盡量降低浸透率。量降低浸透率。(8)(8)流動度：水泥漿自重作用下攤開流動的才干，流動度：水泥漿自重作用下攤開流動的才干，cm cm 或或mmmm。建。建筑上稱作坍落度。筑上稱作坍落度。 根本要求：在保證水泥漿穩(wěn)定性的前提下，應盡量提高水泥根本要求：在保證水泥漿穩(wěn)定性的前提下，應盡量提高水泥漿的流動才干。實踐工程中，普通要求流動度漿的流動才干。實踐工程中，普通要求流

45、動度20cm20cm。(9)(9)凝結(jié)時間：一定溫度、壓力條件下，自水泥與水混合開場至凝結(jié)時間：一定溫度、壓力條件下，自水泥與水混合開場至水泥漿失去流動性所閱歷的時間。包括：水泥漿失去流動性所閱歷的時間。包括： 初凝時間：自配漿開場至水泥漿部分失去塑性所閱歷的時間初凝時間：自配漿開場至水泥漿部分失去塑性所閱歷的時間。 終凝時間：自配漿開場至水泥漿凝結(jié)硬化能接受一定壓力時終凝時間：自配漿開場至水泥漿凝結(jié)硬化能接受一定壓力時所閱歷的時間。所閱歷的時間。 根本要求：整個注水泥過程應在初凝時間以內(nèi)完成，并包含根本要求：整個注水泥過程應在初凝時間以內(nèi)完成，并包含一定的平安因數(shù)。普通：一定的平安因數(shù)。普通

46、：施工時間施工時間 75% 75%初凝時間初凝時間(10)(10)其它：抗折強度、安定性、細度。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(nèi)凝抗折強度：在一定溫度、壓力條件下，水泥漿在一定時間內(nèi)凝結(jié)硬化構(gòu)成的水泥石抵抗剪切破壞的才干，結(jié)硬化構(gòu)成的水泥石抵抗剪切破壞的才干，MPaMPa。 安定性安定性: :水泥石的熱壓膨脹特性，常用線膨脹率表示。要求水泥石的熱壓膨脹特性，常用線膨脹率表示。要求0.8%0.8%。 細度：水泥灰顆粒的大小，普通不作要求。常用篩于量比外表細度：水泥灰顆粒的大小，普通不作要求。常用篩于量比外表表示。表示。( (如原國產(chǎn)如原國產(chǎn)0.

47、08mm0.08mm方孔方孔15%15%，現(xiàn)行根本水泥，現(xiàn)行根本水泥G G、H H級不級不作要求作要求) ) 。4 4 影響水泥漿性能的主要要素影響水泥漿性能的主要要素5 5 水泥性能的調(diào)理水泥性能的調(diào)理油井水泥外加劑油井水泥外加劑調(diào)理水泥漿性能的外加劑可分為：調(diào)理水泥漿性能的外加劑可分為： 三大主劑：降失水劑、分散劑三大主劑：降失水劑、分散劑( (減阻劑減阻劑) )、調(diào)凝劑調(diào)凝劑( (緩凝劑和促凝劑緩凝劑和促凝劑) )。 其它外加劑：早強劑、防竄劑、膨脹劑、其它外加劑：早強劑、防竄劑、膨脹劑、不浸透劑消泡劑、穩(wěn)定劑等。不浸透劑消泡劑、穩(wěn)定劑等。 密度調(diào)理：減輕劑、加重劑。密度調(diào)理：減輕劑、加重劑。三、固井水泥漿的設計三、固井水泥漿的設計1.1.國內(nèi)常用水泥外加劑及特性國內(nèi)常用水泥外加劑及特性2.2.水泥漿設計的普通程序水泥漿設計的普通程序3.3.根本資料的