《完井工程》課件

固井與完井本章主要內容井深結構設計固井完井固井與完井本章主要內容概述1.固井： 是油氣井建井過程中的一個重要環(huán)節(jié)，它包括下套管和注水泥兩個過程。2.下套管： 在已鉆成的井眼中按規(guī)定深度下入一定直徑、由某種或幾種不同鋼級及壁厚的套管組成的套管柱。概述1.固井：2.下套管：3.注水泥在地面上將水泥漿通過套管柱注入到井眼與套管柱之間環(huán)形空間中，將套管柱與井壁巖石牢固地固結的過程。固井目的：將油氣水層及復雜地層封固起來以利于進一步鉆進或開采。3.注水泥下套管和注水泥漿固井下套管和注水泥漿固井固井水泥漿系統(tǒng)混合器空氣水泥漿混合池空氣水泥粉壓力罐水泥粉壓力罐柴油機柴油機水泥泵水泥泵下灰器去井口水去井口注入泵固井水泥漿系統(tǒng)混合器空氣水泥漿混合池空氣水泥粉壓力罐水泥粉壓4.完井也稱油井完成，包括鉆開生產層，確定完井的井底結構，使井眼與產層連通，安裝井底及井口等環(huán)節(jié)。4.完井第一章井身結構設計一、井身結構定義套管層次、套管下入深度以及井眼尺寸（鉆頭尺寸）與套管尺寸的配合。目的保證安全、優(yōu)質、快速和經濟地鉆達目的層內容下入套管層數(shù)各層套管的下入深度選擇合適的套管尺寸與鉆頭尺寸組合第一章井身結構設計一、井身結構定義井身結構海平面23米MSL@23m339.75mm套管下深1853.46米13-3/8"CSG@1853.46m444.50mm井眼鉆深1860米17-1/2"HOLE@1860m轉盤面(深度基準面)RKB(DatumPlane)海底泥線109.66米MUDLINE@109.66m244.48mm套管下深2884.95米9-5/8"CSG@2884.95m311.15mm井眼鉆深2900米12-1/4"HOLE@2900m762mm導管下深163.36米30"CSG@163.36m914.40mm井眼鉆深166.66米36"HOLE@166.66m508mm套管下深549米20"CSG@549m660.40mm井眼鉆深556米26"HOLE@556mP256井身結構海平面23米MSL@23m339.75mm套管下1.導管鉆表層井眼時，將鉆井液從地表引導到鉆臺平面上來。2.表層套管

(1)防止淺層水受污染，封閉淺層流砂、礫石層及淺層氣等復雜地層。

(2)在井口安裝套管頭，并通過套管頭懸掛和支撐后續(xù)各層套管。管鞋下在有足夠強度地層上，以免井涌關井后將套管鞋處的地層壓漏，產生井下井噴。二、套管類型1.導管二、套管類型《完井工程》課件3.技術套管（中間套管）

介于表層套管與生產套管之間的套管?？梢允且粚?，也可兩層或多層。封隔坍塌、易漏等復雜地層封隔不同的壓力體系4.襯管（尾管）：技術尾管生產尾管（圖）在已下入一層中間套管后采用，在裸眼井段下套管注水泥，套管不延伸至井口。3.技術套管（中間套管）尾管掛深m技套2水泥返深m技套1水泥返深m表層鉆頭фmm×m套管фmm×m技套2鉆頭фmm×m

套管фmm×m技套1鉆頭фmm×m

套管фmm×m生產層鉆頭фmm×m

套管фmm×m尾管掛深m技套2水泥返深m技套1水《完井工程》課件鉆井襯管的優(yōu)點減輕下套管時鉆機的負荷及固井后套管頭的負荷可節(jié)省大量套管和水泥，降低固井成本。減少壓差卡套管5.油層套管（生產套管）為油氣生產提供流通通道保護產層、分層測試、分層采油、分層改造鉆井襯管的優(yōu)點三、井身結構設計的主要原則能避免產生井漏、井塌、井噴等井下復雜情況,為全井安全、優(yōu)質、快速和經濟地鉆進創(chuàng)造條件；下套管時，井內鉆井液柱的壓力和地層壓力之間的壓差，不產生壓差卡套管現(xiàn)象。鉆下部地層采用重鉆井液時產生的井內壓力不致壓裂上層套管處最薄弱的裸露地層；能有效保護油氣層，使不同壓力地層免受鉆井液的損害。三、井身結構設計的主要原則井深1.四個壓力剖面地層壓力(當量密度)地層破裂壓力(當量密度)坍塌壓力剖面

漏失壓力剖面2.五個工程參數(shù)（設計系數(shù)）四、井身結構設計基礎數(shù)據(jù)井深1.四個壓力剖面四、井身結構設計基礎數(shù)據(jù)《完井工程》課件四、井身結構設計系數(shù)1.公用系數(shù)：抽吸壓力系數(shù)Sb地層壓裂安全增值Sf2.正常作業(yè)：激動壓力系數(shù)Sg3.出現(xiàn)溢流：地層壓力增加值SK4.最大允許壓差ΔP(ΔPN、ΔPa)四、井身結構設計系數(shù)1.公用系數(shù)：井身結構設計系數(shù)抽吸壓力系數(shù)Sb

上提鉆柱時，由于抽吸作用使井內液柱壓力降低的值，用當量密度表示；激動壓力系數(shù)Sg

下放鉆柱時，由于鉆柱向下運動產生激動壓力使井內液柱壓力的增加值，用當量密度表示；地層壓裂安全增值Sf

為了避免上部套管鞋處裸露地層被壓裂的地層破裂壓力安全增值，用當量密度表示；與預測精度有關。井身結構設計系數(shù)抽吸壓力系數(shù)Sb井身結構設計系數(shù)井涌允值SK由于地層壓力預測誤差所產生的井涌量允值，（增加值），用當量密度表示；與地層壓力預測精度有關。最大允許壓差

ΔPN：正常壓力井段；

ΔPa：異常壓力井段。井身結構設計系數(shù)井涌允值SK最大允許壓差ΔP在下套管過程中，為了避免發(fā)生壓差粘卡套管的事故，應該限制井內鉆井液液柱壓力與地層壓力的壓力差值，即規(guī)定最大允許壓差。最大允許壓差的取值在正常壓力地層：ΔPN=11-17MPa在異常壓力井段：ΔPa=14-22MPa井身結構設計系數(shù)最大允許壓差ΔP井身結構設計系數(shù)《完井工程》課件五、井身結構設計關鍵參數(shù)1.最大鉆井液密度某一層套管的鉆進井段中所用的最大鉆井液密度，和該井段中的最大地層壓力有關：

ρmmax:將來要下某層套管的鉆進井段中所使用的最大鉆井液密度，g/cm3；ρpmax:該井段的最大地層壓力當量密度；Sb:考慮到上提鉆柱時抽吸作用使井底壓力降低，為了平衡地層壓力所加的附加鉆井液密度，g/cm3。Sb=0.024-0.048g/cm3.五、井身結構設計關鍵參數(shù)1.最大鉆井液密度2.最大井內壓力當量密度（梯度）

a.正常作業(yè)（起下鉆、鉆進）：正常鉆井條件下，井內最大壓力梯度是發(fā)生在下放鉆柱時，由于產生壓力激動使得井內壓力增高，設由于壓力激動使井內的壓力增加值為Sg，則最大井內壓力當量密度為：

Sg:激動壓力梯度當量密度,g/cm3；

Sg=0.024-0.048g/cm3五、井身結構設計關鍵參數(shù)2.最大井內壓力當量密度（梯度）五、井身結構設計關鍵參數(shù)

b.發(fā)生井涌：

為了制止溢流，如壓井時井內壓力增高值為Sk,則最大井內壓力梯度為：

Sk=0.060g/cm3

上式只適用于最大地層壓力所對應的井深Dpmax處，而對于井深為D21的任意井深處的井內壓力當量密度為：井身結構設計關鍵參數(shù)b.發(fā)生井涌：井身結構設計關鍵參數(shù)3.套管下深的臨界條件為了確保上一層套管鞋處的裸露地層不被壓裂，應該保證，某一井段的最大地層破裂壓力滿足：ρf:上一層套管下入深度處裸露地層的破裂壓力梯度；g/cm3Sf：為避免將上一層套管下入深度處裸露地層壓裂的安全值，Sf=0.03-0.06g/cm3井身結構設計關鍵參數(shù)3.套管下深的臨界條件井身結構設計關鍵參數(shù)井身結構設計關鍵參數(shù)(不發(fā)生井涌)井身結構設計關鍵參數(shù)(發(fā)生井涌)五、井身結構設計關鍵參數(shù)井身結構設計關鍵參數(shù)(不發(fā)生井涌)五、井身結構設計關鍵參數(shù)（一）油層套管設計油層套管下深取決于油氣層的位置和完井方法，直徑一般由甲方來定。六、井身結構設計（一）油層套管設計油層套管下深取決于油氣層的位置和完井方二、中間套管設計步驟和方法二、中間套管設計步驟和方法1.中間技術套管下入深度初選點D21的確定(1)不發(fā)生井涌時：

ρf:在設計套管層所在的裸眼井段內，在最大井內壓力梯度作用下，上部裸露地層不致破裂所應有的地層破裂壓力梯度，g/cm3;ρPmax:裸露井段預計的最大地層壓力梯度，g/cm3;

通過作圖確定初選點D21中間套管下入深度初選點D21的確定1.中間技術套管下入深度初選點D21的確定中間套管下入深度初D21D21（2）發(fā)生井涌時：ρf:在設計套管層所在的裸眼井段發(fā)生溢流時，在最大井內壓力梯度作用下，上部裸露地層不致破裂所應有的地層破裂壓力梯度，g/cm3;D21:設計層套管的初始下入深度，m;Dpmax:最大地層壓力所對應的井深,m。通過試算確定初選點D21中間套管下入深度初選點D21的確定（2）發(fā)生井涌時：中間套管下入深度初選點D21的確定下入深度初選點D21的確定注意事項比較正常鉆井情況下和發(fā)生溢流情況下的最小地層破裂壓力，一般地，溢流時ρf>不會發(fā)生液流ρf,因此通常按溢流時ρf計算，只有在肯定不會發(fā)生液流的情況下，才按不溢流時ρf計算。

對于技術套管，首先計算出ρf，然后通過作圖或數(shù)字計算的方法找到地層破裂壓力為ρf的井深，該井深即為技術套管下入的初選點D21

。中間套管下入深度初選點D21的確定下入深度初選點D21的確定注意事項中間套管下入深度初選點D2.校核套管在下入井深(初選點)D21過程中是否會發(fā)生壓差卡套管校核是否會發(fā)生壓差卡套管2.校核套管在下入井深(初選點)D21過程中是否會發(fā)生壓差卡壓差公式所用最大鉆井液密度與最小地層壓力之間實際的最大靜止壓差：ΔPmax：套管所受到的最大靜壓差，MPa；ρPmin：該井段內最下地層壓力,g/cm3;DmaxPmin：最小地層壓力所對應的最大井深,m。校核是否會發(fā)生壓差卡套管壓差公式校核是否會發(fā)生壓差卡套管比較ΔP與ΔPN(ΔPa)

P≤PN（或Pa），則假定深度D21為中間套管下入深度。

若P＞PN（或Pa），則中間套管下至D21過程中有被卡危險,必須采取下尾管的方法解決。

若P＞PN（或Pa）,如何確定D21？校核是否會發(fā)生壓差卡套管比較ΔP與ΔPN(ΔPa)校核是否會發(fā)生壓差卡套管中間套管下深確定。

計算不發(fā)生壓差卡套管的最大地層壓力的當量密度ρPPer，g/cm3;與ρPPer對應的井深即為經過校核的套管下深D2再次確定套管下深分析中間套管下深確定。再次確定套管下深分析在壓力剖面圖上找出

ρpper值，該值所對應的深度即為中間套管下入深度。井身結構設計井身結構設計新問題的出現(xiàn)在技術套管下入深度淺于初選點的情況下，D－D21這一井段有可能被壓裂，屬危險井段，必須被封住！尾管下入深度確定新問題的出現(xiàn)尾管下入深度確定3.尾管下入深度計算尾管下入深度確定尾管下入深度確定確定尾管的下入深度D31確定尾管下入深度的初選點D31由技術套管鞋處的地層破裂壓力梯度ρf可求得允許的最大地層壓力梯度ρpper:尾管下入深度確定通過數(shù)字計算或作圖法找到與ρpper相等的地層壓力梯度所對應的井深，該井深即為尾管下入深度的初選點D31

。確定尾管的下入深度D31尾管下入深度確定通過數(shù)字計算或作圖校核尾管的下入深度D31初選點是否會發(fā)生卡套管校核是否會發(fā)生壓差卡尾管校核尾管的下入深度D31初選點是否會發(fā)生卡套管校核是否會發(fā)生校核尾管的下入深度D31初選點是否會發(fā)生卡套管PPN（或Pa），則假定深度D31為尾管下入深度。校核是否會發(fā)生壓差卡尾管校核是否會發(fā)生壓差卡尾管三、表層套管設計三、表層套管設計設計步驟和方法表層套管下入深度初選點D21的確定根據(jù)中間套管管鞋處(D2)地層壓力梯度，給定井涌條件SK，用試算法計算表層套管下入深度。每次給定D1，并代入計算。通過數(shù)字計算或作圖法找到與ρfE相等的地層壓力密度所對應的井深，該井深即為表層套管下入深度D1

。設計步驟和方法考慮復雜情況套管下入深度的設計是以壓力剖面為依據(jù)，但是地下的許多復雜情況無法在壓力剖面上得以反映，如易漏、易塌、鹽巖層等，這些地層必須進行及時封隔?？紤]復雜情況套管下入深度的設計是以壓力剖面為依據(jù)，但是地井身結構設計小結井身結構設計小結油層套管從井底到井口（對于射孔完井）當量泥漿密度GpGf井身結構設計油層套管從井底到井口（對于射孔完井）當量泥漿密度GpGf井身中間套管設計步驟1.定中間套管最大下入深度假定點。

根據(jù)可能鉆遇的最大地層壓力求設計破裂壓力梯度當量泥漿密度GpGf井身結構設計中間套管設計步驟當量泥漿密度GpGf井身結構設計2.驗證中間套管是否有卡套管的危險。如有，則應減小下深3、加下一層尾管當量泥漿密度GpGf井身結構設計3、加下一層尾管當量泥漿密度GpGf井身結構設計

表層套管下入深度。

當量泥漿密度GpGf井身結構設計當量泥漿密度GpGf井身結構設計套管尺寸和井眼尺寸的選擇套管層次和每層套管的下入深度確定之后，相應的套管尺寸和井眼直徑也就確定了。套管尺寸的確定一般由內向外依次進行，首先確定生產套管的尺寸，再確定下入生產套管的井眼的尺寸．然后確定中間套管的尺寸等，依次類推，直到表層套管的井眼尺寸，最后確定導管的尺寸。套管尺寸和井眼尺寸的選擇套管層次和每層套管的下入深度確定之《完井工程》課件固井固井固井工程包括兩個生產過程：1.下套管；2.注水泥。下套管：在已鉆成井眼中按規(guī)定下入一定直徑、由某種或幾種不同鋼級及壁厚的套管組成的套管柱注水泥：在地表將水泥漿通過套管柱注入到井眼與套管柱之間環(huán)空中的過程固井固井固井工程包括兩個生產過程：下套管：在已鉆成井眼中按規(guī)舉例某井設計井深為4400米，地層孔隙壓力、地層破裂壓力梯度剖面如下圖所示。給定設計系數(shù)：

=0.036；=0.04；=0.06；=0.03；△PN=12MPa，△PA=18MPa，試進行該井的井深結構設計？

舉例某井設計井深為4400米，地層孔隙壓力、地層破裂壓力梯度例圖例圖設計舉例某井設計井深為4400m；地層孔隙壓力梯度和破裂壓力梯度剖面如圖。試進行該井井身結構設計。給定設計系數(shù)：Sb=0.036；

Sg=0.04；

Sk=0.06；

Sf=0.03；

ΔPN=12Mpa;

ΔPA=18MPa;設計舉例解：由圖上查得

（1）中間套管下入深度初選點

由試取D21=3400m，代入上式得：由破裂壓力曲線查得且接近，故確定D21=3400m。解：由圖上查得（2）校核中間套管是否會被卡

由ρP曲線，鉆進到深度D21=3400m時，

遇到最大地層壓力

因由因ΔP＞ΔPN=12MPa,故中間套管下深應淺于初選點。查得=1.435對應D2=3200m。（2）校核中間套管是否會被卡

（3）確定尾管下深的初選點D31

由ρf曲線查得：由：

試取D31=3900m，得由ρp曲線，故確定初選點D31=3900m.（3）確定尾管下深的初選點D31（4）校核是否會卡尾管

計算壓差：

因為，故確定尾管下深為D3=D31

=3900m

。（4）校核是否會卡尾管（5）確定表層套管下深D1

由：試取D1=850m,代入上式計算得由ρf曲線查得故確定D1=850m。（5）確定表層套管下深D1試取D1=850m,六、套管尺寸和井眼尺寸選擇目前我國使用最多的套管/鉆頭系列是：

套管和井眼尺寸確定一般是由內到外進行

根據(jù)采油要求油層套管尺寸匹配鉆頭……

套管與井眼間間隙與井身質量、固井水泥環(huán)強度要求、下套管時井內波動壓力、套管尺寸等因素有關，9.5mm～19mm。目前，根據(jù)套管層次不同，已基本形成了較穩(wěn)定的系列。六、套管尺寸和井眼尺寸選擇套管和井眼尺寸確定一般是由內到外《完井工程》課件第二章套管柱設計第二章套管柱設計《完井工程》課件第一節(jié)套管及套管柱一、制成優(yōu)質鋼材制成的無縫管或焊接管二、套管柱的定義及作用1.定義：通常是由同一外徑、相同或不同壁厚、鋼級的套管用接箍連接而成的管柱2.套管柱作用：套管柱用于封固井壁的裸露巖石第一節(jié)套管及套管柱一、制成二、套管柱的定義及作用2.套管柱三、套管柱分類及鋼級1.套管柱分類分API(美國石油學會)標準及非API標準。我國現(xiàn)用的套管標準與美國API(美國石油學會)標準類似。2.套管柱鋼級（1）定義：API標準規(guī)定套管本體的鋼材應達到規(guī)定的強度，即為鋼級。注意：API標準中不要求套管鋼材的化學性質，但應保證鋼材的最小屈服強度，三、套管柱分類及鋼級1.套管柱分類2.套管柱鋼級(2)鋼級分類API標準把套管鋼級分為：H、J、K、N、C、L、P、Q八種共計10級。(2)鋼級分類API標準把套管鋼級分為：H、J(3)鋼級的表示表示：字母＋數(shù)碼字母：無特殊含意。數(shù)碼：最小屈服強度，它的1000倍為最小屈服強度的大?。≒si=lbf/in2）。如：J5555×1000Psi=55×1000×4.45÷0.02542

=379.21MPa1Psi=1lbf/in2=4.45÷0.02542=6894.7（Pa）(3)鋼級的表示表示：字母＋數(shù)碼(4)鋼級的種類及級別1）種類：八種2）級別：十個級別例外：K－55（5）抗硫套管H-40,J-55,K-55,C-75,L-80,C-90(4)鋼級的種類及級別1）種類：八種例外：K－55（5）抗硫(四)非API套管1.背景：

HTHP井、超深井、水平井、大斜度井、熱采井及腐蝕環(huán)境下的油氣井的出現(xiàn)。2.特點：品種多，能滿足不同類型條件要求。螺紋連接效率高，密封結構優(yōu)良。(四)非API套管1.背景：2.特點：（五)套管尺寸套管外徑：1.常用范圍：2.套管壁厚：（1）同一外徑，有多種壁厚。（五)套管尺寸套管外徑：2.套管壁厚：2.壁厚范圍在5.21～16.13mm3.通常是小直徑的套管璧厚小一些，大直徑套管的壁厚大一些。4.除標準的鋼級和壁厚之外，尚有非標準的鋼級和壁厚存在.2.壁厚范圍在5.21～16.13mm（六）連接螺紋1.螺紋分類API標準：短圓（STC）:Shortthreadconnection長圓（LTC）:Longthreadconnection梯形（BTC）:Buttthreadconnection直連形（XL）:Extremeline（六）連接螺紋1.螺紋分類螺紋

（a）（b）（c）

圖API螺紋連接示意圖（a）圓螺紋連接（b）梯形螺紋連接（c）直連型螺紋連接螺紋（a）2.錐度圓螺紋錐度：1：16；螺距：3.175mm(8扣每英寸)。梯形螺紋錐度：1:16(外徑＜16in）

1:12(外徑＞16in)，螺距：5.08mm(5扣每英寸)。2.錐度圓螺紋3.非API標準螺紋1.VAM特殊螺紋：法國互魯瑞克公司開發(fā)2.NSCC特殊螺紋：日本日鐵公司開發(fā)3.FOX特殊螺紋:日本川崎公司開發(fā)4.NK3SB特殊螺紋：日本NKK公司開發(fā)公司開發(fā)前三種采用偏梯形扣3.非API標準螺紋1.VAM特殊螺紋：法國互魯瑞克公司開發(fā)第二節(jié)套管柱受力分析套管柱在井內所受外載復雜，不同類型的井受力不同，同一口井在不同時期（下套管、注水泥、后期開采等）套管柱受力也不同。一、套管外載總體分類

1.靜載；2.動載第二節(jié)套管柱受力分析套管柱在井內所受外載復雜，不同類型(一)靜載軸向拉力外擠壓力內壓力彎曲附加應力溫度應力(一)靜載軸向拉力(二)動載1.起下鉆速度變化產生的動載加速上提套管減速下放（剎車）2.套管阻卡提動動載3.摩擦動載4.注水泥5.碰壓(二)動載1.起下鉆速度變化產生的動載（三）受力及計算結果處理動載中大部分力難以精確計算處理：溫度應力較大時，通過工藝解決浮力減輕，加大安全系數(shù)?；竞奢d：

1.軸向拉力

2.外擠壓力

3.內壓力（三）受力及計算結果處理動載中大部分力難以精確計算二、軸向拉力及套管抗拉強度1.軸向拉力1）套管自重引起的拉力Ft式中:

qi─套管線重，N/m；

Li─套管長度，m;

Ft─套管承受軸向拉力，kN。二、軸向拉力及套管抗拉強度1.軸向拉力式中:2）考慮浮力時套管自重所產生的軸向拉力式中：ρd－鉆井液密度，；

ρs

－套管鋼材密度，。

q－套管單位長度的名義重力，N/m；

Li－套管長度，m；

Fm－套管在鉆井液中的軸向拉力，kN。2）考慮浮力時套管自重所產生的軸向拉力式中：ρd－鉆井液密度:浮力系數(shù)，其大小計算式為：qm:單位長度浮重。注意：雖說泥漿浮力有減輕套管自重的作用，但由于套管與井壁之間有摩擦力的作用，一般不考慮在鉆井液中的浮力減輕作用，通常是用套管在空氣中的重力來考慮軸向拉力，認為浮力被套管柱與井壁的摩擦力所抵消。但在考慮套管雙向應力下的抗擠壓強度時采用浮力減輕下的套管重力。:浮力系數(shù)，其大小計算式為：qm:單位長度浮重。注意：雖說泥3）套管彎曲引起的附加拉力Fbd當套管隨井眼彎曲時，由于套管的彎曲變形增大了套管的拉力載荷，當彎曲的角度及彎曲變化率不太大時，可用簡化經驗公式計算彎曲引起的附加力。dco—套管外徑，cm；Ac—套管截面積，cm2

；

θ—每25m井斜角的變化，°/25m

定向井、水平井及大狗腿直井中，應考慮彎曲附加拉力。3）套管彎曲引起的附加拉力Fbd當套管隨井眼彎曲時，由4）套管內注入水泥引起的套管柱附加應力

在注入水泥漿時，當水泥漿量較大，水泥漿與管外液體密度相差較大，水泥漿末返出套管底部時，管內液體較重，將使套管產生一個拉應力，可近似按下式計算：Fc－注水泥時產生的附加軸向拉力，KNh—管內水泥漿高，m；ρm—水泥漿密度，g/cm3；ρd—鉆井液的密度，g/cm3；dcin—套管內徑，cm。4）套管內注入水泥引起的套管柱附加應力在注入水泥漿時，2.軸向拉力作用下的套管強度套管柱受軸向拉力一般為井口處最大，是危險截面。1）套管柱受拉應力引起的破壞形式有兩種：

a.套管本體被拉斷（拉力小于絲扣連接強度，大于本體強度)；

b.螺紋處滑脫，稱為滑扣（threadslipping）

(拉力大于絲扣連接強度，小于本體強度）。2.軸向拉力作用下的套管強度套管柱受軸向拉力一般為井口處2）失效統(tǒng)計經大量的室內研究及現(xiàn)場應用表明，套管在受到拉應力時，螺紋處滑脫比本體拉斷的情況為多，尤其是使用最常見的圓扣套管時更是如此。

圓扣套管的螺紋滑脫負荷比套管本體的屈服拉力要小，因此在套管使用中給出了各種套管的滑扣負荷，通常是用螺紋滑脫時的總拉力（kN）來表示。在設計中可以直接從有關套管手冊中查用。2）失效統(tǒng)計經大量的室內研究及現(xiàn)場應用表明，套管在受到拉3）滑扣原理

在下部套管柱自重（T）作用下，通過絲扣斜面把下部載荷（T）傳遞到上部套管上，在每個絲扣的斜面上的載荷，在徑向產生一個水平分力，這個徑向分力將使管徑縮小，接箍脹大，當載荷增大到某一定值（滑脫負荷），套管就從接箍中滑脫出來。3）滑扣原理在下部套管柱自重（T）作用下，通脫扣分析接箍套管脫扣分析接箍套管4)套管抗拉強度a.套管抗拉強度套管在拉伸條件下抵抗失效能力的大小，套管抗拉強度按套管螺紋連接強度計算b.抗拉安全系數(shù)St

套管理論上能承受的最大拉力(接頭抗拉強度)與計算點以下井段套管在空氣中重力之比，即：

St=[Ft]/Ft4)套管抗拉強度a.套管抗拉強度b.抗拉安全系數(shù)StSt－安全系數(shù)，1.6～2.0之間，常取1.8[Ft]—套管理論上能承受的最大拉力，kN；

Ft—計算點以下井段套管在空氣中重力，kN；St－安全系數(shù)，1.6～2.0之間，常取1.8三、套管外擠壓力pc及抗擠強度1.來源

a.套管外流體；

b.地層中流體；

c.高塑性巖石，其壓力梯度為23－27kPa/m;

d.其它作業(yè)時產生的壓力，擠水泥、壓裂。三、套管外擠壓力pc及抗擠強度1.來源2.套管承受外擠壓力計算

1）API常規(guī)套管柱設計中外擠壓力計算極端情況：全掏空，即Casing內沒有液柱poc－外擠壓力,kPa；ρd－Casing外鉆井液的密度，g/cm3；H－計算點井深，m。2.套管承受外擠壓力計算poc－外擠壓力,kPa；2）特殊情況下套管柱設計中外擠壓力計算（1）特殊情況：坍塌、膨脹縮徑、滑移、地層蠕動。（2）計算：管內全掏空，管外以上覆巖層壓力計算。poc－外擠壓力,kPa；Go－上覆巖層壓力梯度，23-27kPa/m；ρrk－Casing外鉆井液的密度，g/cm3；H－計算點井深，m。2）特殊情況下套管柱設計中外擠壓力計算poc－外擠壓總結外擠壓力自上而下逐漸增大?？偨Y外擠壓力自上而下逐漸增大。3.套管抗擠強度1）失效形式套管受外擠作用時，其破壞形式主要是

a.強度破壞（小直徑和小壁厚的套管容易發(fā)生強度破壞）。

b.喪失穩(wěn)定性.

喪失穩(wěn)定性的形式主要是在壓力作用下失圓、擠扁：3.套管抗擠強度1）失效形式失效圖失效圖2）Casing抗擠強度、抗擠安全系數(shù)（1）抗擠強度套管抵抗外擠壓力破壞的能力。（2）抗擠安全系數(shù)ScSc=[pc]/poc[pc]：理論上能承受的最大外擠壓力；Sc：抗擠安全系數(shù)，1.0～1.25，常取1.0。2）Casing抗擠強度、抗擠安全系數(shù)（1）抗擠強度4.有軸向力時的抗擠強度1）問題的提出在實際應用中，套管是處于雙向應力的作用，即在軸向上套管承受有下部套管的拉應力，在徑向上存在有套管內的壓力或管外液體的外擠壓力。由于軸向拉力的存在，使套管承受內壓或外擠的能力會發(fā)生變化。2）套管抗內壓或抗外擠強度分析4.有軸向力時的抗擠強度1）問題的提出2）套管抗內壓或抗外擠強度分析設軸向力為σz，由poc或pi引起套管周向應力為σt(tangential)，徑向力為σr(radial)，套管內微小單元，外載作用下產生三向應力，σz，σt，σr2）套管抗內壓或抗外擠強度分析設軸向力為σz，由poc或pi

在外壓力與軸向力或內壓力與軸向力作用下，管柱內的應力狀態(tài)為三向應力狀態(tài)，三個主應力分別為軸向應力、周向應力和徑向應力：根據(jù)第四強度理論，可得套管在多向應力下的強度條件為：

c

s第四強度理論變?yōu)椋?/p>

方程反映了材料屈服強度不變的條件下，各應力之間的關系二、套管強度在外壓力與軸向力或內壓力與軸向力作用下，管柱內的應力狀態(tài)由于套管為薄壁或中厚壁管，在這三個應力中，r<<t,故在上面方程中忽略其影響后可得出方程：

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。二、套管強度由于套管為薄壁或中厚壁管，在這三個應力中，r<<t,用σz/σs的百分數(shù)為橫坐標，用σt/σs的百分數(shù)為縱坐標，可繪出如圖所示的橢圓圖，稱為雙向應力橢圓圖

z為正：受拉z為負：受壓t為正：內壓t為負：外擠t/sz/

s1234用σz/σs的百分數(shù)為橫坐標，用σt/σs的百分數(shù)為縱坐標，軸向受壓抗內壓強度降低軸向拉力抗內壓強度增加軸向受壓抗擠強度增加軸向拉力抗擠強度降低軸向受壓抗內壓強度降低軸向拉力抗內壓強度增加軸向受壓抗擠強度橢圓圖上,百分比為縱坐標,百分比為橫坐標.由強度條件的雙向應力橢圓可以看出:?

第一象限:

拉伸與內壓聯(lián)合作用

軸向拉力抗內壓強度增加.?

第二象限:

軸向壓縮與內壓聯(lián)合作用軸向受壓抗內壓強度降低.?

第三象限:

軸向壓應力與外擠壓力聯(lián)合作用軸向受壓抗外擠強度增加.?

第四象限:軸向拉應力與外擠壓力聯(lián)合作用軸向拉力抗外擠強度降低（需考慮）橢圓圖上,百分比為縱坐標,百從該橢圓中，可看出z與t的變化關系為象限z/s

t/s

載荷狀態(tài) 影響

Ⅰ >0 >0 拉伸－內壓z，t Ⅱ <0 >0 壓縮－內壓z，t Ⅲ <0 <0 壓縮－外擠z，t Ⅳ >0 <0 拉伸－外擠z，t

對IV象限，表明軸向拉伸對套管的抗擠能力有影響。二、套管強度軸向拉力作用下對套管抗擠強度的影響有多大？？從該橢圓中，可看出z與t的變化關系為對I

考慮軸向拉力影響時的抗外擠強度公式PCC的推導:

如圖:

由雙向應力橢圓方程，當σZ=0時,根據(jù)上式則有:

由上2式代入雙向應力橢圓方程，簡化得Fm—軸向拉力，KN；Fs—管體屈服強度，KN；，MPa考慮軸向拉力影響時的抗外擠強度公式PCC的推導:由雙向pcc－存在軸向拉力時的抗外擠強度，MPa；pc－不存在軸向拉力時的抗外擠強度，MPa。其中pc及Fs均可由套管手冊查出，該公式在的范圍內計算誤差與理論計算值相比在2％以內，滿足工程需要。pcc－存在軸向拉力時的抗外擠強度，MPa；四、套管內壓力pi及抗內壓強度1.來源

a.地層流體(油、氣、水)進入套管產生的壓力

b.生產中特殊作業(yè)(酸化、壓裂、注水)時的外來壓力。在一個新地區(qū)，由于在鉆開地層之前，地層壓力是難以確定的，故內壓力也是難以確定的。對已探明的油區(qū)，地層壓力可參考鄰井的資料。四、套管內壓力pi及抗內壓強度1.來源2.不同工況下內壓力計算1）井口敞開，套管內壓力等于管內流體產生的壓力。pi=9.81ρH=ph2）當井涌井口關閉時，內壓力等于井口壓力與流體壓力之和。pi=ps+ph=ps+9.81ρH2.不同工況下內壓力計算1）井口敞開，套管內壓力等于管內流體3)井口壓力及內壓力的確定內壓力計算因套管類型不同、井別不同而不同技術套管井口壓力及內壓力的計算（1）假定套管內完全充滿天然氣，則井口處的內壓力近似為：3)井口壓力及內壓力的確定內壓力計算因套管類型不同、井別不《完井工程》課件(2)井涌關井后既有mud又有gas[1]井口壓力pspk:井涌處流體所具有的壓強；Ts:井口溫度；ΔT：地溫梯度，℃/100m;[2]任一井深處（Hi）的內壓力等于井口壓力與該點以上鉆井液液柱所產生的壓強。(2)井涌關井后既有mud又有gas[1]井口壓力pspk:Vk－侵入井內氣體的體積，經驗值，m3CF－環(huán)空比容，1m3氣體在環(huán)空中當量高度，m/m3。如果Hi<VkCF，有：pi=ps。以上計算前提是井內壓強尤其是套管鞋處壓強小于地層破裂壓力。如果地層被壓裂，部分鉆井液進入地層，管口氣體膨脹到VK′,氣體壓力下降為ps′那么井內任一點的壓強為：Vk－侵入井內氣體的體積，經驗值，m3《完井工程》課件

(3)以井口防噴裝置（防噴器及壓井管線等）的承壓能力為井口壓力。(3)以井口防噴裝置（防噴器及壓井管線等）的承壓能力為（4）以套管鞋處的地層破裂壓力值決定井口內壓力式中：

Df－井深，m；

pi－井口內壓力，MPa；

Gf－套管鞋處地層破裂壓力梯度，MPa/m；

ΔGf

－附加系數(shù)，一般取1.2kPa/m。（4）以套管鞋處的地層破裂壓力值決定井口內壓力式中：內壓力計算選用對于探井，用方法3來確定井口壓力，因pp及pf未知。對于老井，pp可參照鄰井，內壓力可按方法1或2來確定內壓力計算選用對于探井，用方法3來確定井口壓力，因pp及生產套管與完井方式有關，典型的完井方式是：生產套管和油層套管底部環(huán)空用封隔器封隔，封隔器上部環(huán)空充滿完井液，利用油管生產。受內壓最嚴重情況如下：油管接頭泄漏，氣體油螺紋裂縫進入環(huán)空，在環(huán)空封閉時，氣體運行到井口仍保持氣體在井底的原有壓力，此時環(huán)空底部內壓力為：生產套管與完井方式有關，典型的完井方式是：生產套管和油層套管(四）抗內壓強度1.失效形式套管受內壓力作用時，其破壞形式主要是

a.Casing爆裂；

b.螺紋連接處密封失效。2.失效受力比較螺紋密封失效壓力比爆裂壓力小，但其難以計算，可通過采用優(yōu)質潤滑密封油脂涂在螺紋處，并按規(guī)定力矩上緊螺紋。(四）抗內壓強度1.失效形式3.抗內壓安全系數(shù)SiSi＝[pi]/piSi：1.1～1.3之間，通常采用1.1。3.抗內壓安全系數(shù)SiSi＝[pi]/pi第三節(jié)套管柱強度設計一、套管強度設計原則安全經濟滿足強度要求，在任何危險截面上都應滿足下式：套管強度>外載×安全系數(shù)?應滿足鉆井作業(yè)、油氣開發(fā)和產層改造需要；?承受外載時應有一定儲備能力?經濟性要好選好安全系數(shù)、采用復合套管等。第三節(jié)套管柱強度設計一、套管強度設計原則受力不等采用復合套管受力不等采用復合套管二、設計方法

(一)方法種類各國根據(jù)各自的條件都規(guī)定了自己的套管柱強度設計方法，最常見的有：

1.等安全系數(shù)法

2.邊界載荷法

3.最大載荷法

4.AMOCO法

5.西德BEB方法

6.前蘇聯(lián)的方法等。二、設計方法（二）常用套管柱設計方法

1.安全系數(shù)法各危險截面最小安全系數(shù)等于或大于規(guī)定的安全系數(shù)。下部抗擠設計，水泥面上按雙向應力，上部滿足抗拉和抗內壓

2.邊界載荷法（拉力余量法）在抗拉設計時，套管柱上下考慮同一個拉力余量。

（二）常用套管柱設計方法三、各層套管柱的設計特點1.表層套管：表層套管是為鞏固地表疏松層并為了安裝井口防噴裝置而下入的一層套管。表層套管還要承受下部各層套管的部分重量。因此，表層套管的設計特點是要承受井下氣侵或井噴時的地層壓力，套管在設計中主要考慮抗內壓力，防止在關井時，套管承受高壓而被壓爆裂。主要考慮內壓載荷；?三、各層套管柱的設計特點1.表層套管：2.技術套管設計特點

技術套管是為封隔復雜地層而下入的，在后續(xù)的鉆進中要承受井噴時的內壓力和鉆具的碰撞和磨損。技術套管的設計持點是既要有較高的抗內壓強度，又要有抗鉆具沖擊磨損的能力。2.技術套管設計特點3.油層套管設計特點油層套管是在油、氣井中最后下入的，并在其中下入油管，用于采油生產的—層套管。由于該套管下入深度較大，抗外擠是下部套管應考慮的重點。該層套管應按其可能在生產中遇到的問題分別考慮，如有的井是用來注水的，有的在采油中要進行壓裂或酸化等，套管內也可能承受較大內壓力，對這種井的油層套管應嚴格校核抗內壓強度。有的主要是注熱蒸汽等進行熱力開采，套管長期受熱力作用會膨脹，引起較大的壓應力，設計中應考慮施加預拉應力時的拉力安全系數(shù)等。3.油層套管設計特點油層套管是在油、氣井中最后下入的，并四、套管柱設計的等安全系數(shù)法（一）特點：安全、簡單、可靠（使用時間久）四、套管柱設計的等安全系數(shù)法（一）特點：安全、簡單、可靠（使受力圖在不同的井段，套管柱應當有不同的強度。為什么？在設計中為了達到即經濟又安全的原則，設計出的套管柱是由不同鋼級及不同壁厚的套管組成。受力圖在不同的井段，套管柱應當有不同的強度。（二）基本設計思路⑴計算可能出現(xiàn)最大內壓力，篩選符合抗內壓強度套管⑵下部套管段按抗擠設計，上部按抗拉設計，各危險斷面最小安全系數(shù)要大于或等于規(guī)定值。通式：套管強度>外載×安全系數(shù)⑶水泥面以上套管強度考慮雙向應力影響⑷軸向拉力通常按套管在空氣中的重力計算，當考慮雙向應力時，按浮重計算。（二）基本設計思路⑴計算可能出現(xiàn)最大內壓力，篩選符合抗內(三)等安全系數(shù)法設計具體方法和步驟1.搜集資料，掌握已知條件套管尺寸和下入深度、安全系數(shù)、泥漿密度、水泥返高、套管強度性能表、鄰井pp

及pf、孔隙介質特性（H2S、CO2、是否高壓)、地層復雜情況等。2.確定安全系數(shù)Sc=1.0,Si=1.1,St=1.83.計算本井所能出現(xiàn)的最大內壓值，篩選套管。如果是一般的井，可以在套管全部設計完后進行抗內壓校核。(三)等安全系數(shù)法設計具體方法和步驟1.搜集資料，掌握已知條4.按全井的最大外擠載荷初選第一段套管。最大外擠載荷可按下式計算5.確定第二段套管可下深度和第一段套管的使用長度，校核第一段套管的抗拉強度。第二段套管可選擇壁厚或鋼級低一級(也可二者都低～即抗擠強度小一級)的套管為第二段套管。按抗擠確定下深。4.按全井的最大外擠載荷初選第一段套管。最大外擠載荷可按下式確定第一段套管的許用長度L1為：根據(jù)第一段的長度計算出該段套管在空氣中的重力為L1×q1，校核該段套管頂部的抗拉安全系數(shù)St1≥1.8。確定第一段套管的許用長度L1為：根據(jù)第一段的長度計算出該段6.當按抗擠強度設計的套管柱超過水泥面或中性點（由于泥漿浮力使套管柱中不受軸向力的截面）時，應考慮下部套管的浮重引起的抗擠強度的降低，可按雙向應力設計套管柱。7.計算軸向拉力，按抗拉設計確定上部各段套管。8.抗內壓安全系數(shù)校核。6.當按抗擠強度設計的套管柱超過水泥面或中性點（由于泥漿浮力《完井工程》課件(四)設計步驟具體實例(四)設計步驟具體實例某井177.8mm(7″)油層套管下至3500m，下套管時的鉆井液密度為1.30g/cm3，水泥返至2800m,預計井內最大內壓力35MPa，試設計該套管柱(規(guī)定最小段長500m)

解：規(guī)定的安全系數(shù)：Sc=1.0,Si=1.1,St=1.8;

計算最大內壓力，篩選符合抗內壓要求的套管抗內壓強度篩選套管：

C-75,L-80,N-80,C-90,C-95,P-110

按成本排序：

N-80<C-75<L-80<C-90<C-95<P-110某井177.8mm(7″)油層套管下至3500m，下套管按抗擠設計下部套管段，水泥面以上雙向應力校核

1）計算最大外擠壓力，選擇第一段套管

=44635.5×1.0＝44635.5(kPa)查表：按抗擠設計下部套管段，水泥面以上雙向應力校核取D2=2900m

2）選擇第二段套管

選低一級套管，校核第一段抗拉強度查表：

第二段套管可下深度D2，第一段套管長度L1取D2=2900m2）選擇第二段套管

?雙向應力強度校核，最終確定D2

和L1D2=2900m＞2800m,超過水泥面，考慮雙向應力危險截面：水泥面2800m處不安全290028003500?雙向應力強度校核，最終確定D2和L1不安全29002解決辦法：將第一段套管向上延伸至水泥面以上。預定D2=2700m。L1=800m；重新雙向應力強度校核：（按以上同樣方法）解決辦法：將第一段套管向上延伸至水泥面以上。

校核改變長度套管1抗外擠強度：危險截面2800m處。Sc1=1.31>1.0安全校核改變長度套管1抗外擠強度：套管2：危險截面2700m處，Sc=1.03>1.0安全套管2危險截面:2700m處套管2：危險截面2700m處，Sc=1.03>安全?計算套管抗拉安全系數(shù)

最終結果：D2=2700m；L1=800m3）選擇第三段套管，確定第二段套管長度L2?查表：安全?計算套管抗拉安全系數(shù)最終結果：D2=27?考慮雙向應力影響，確定第三段套管可下深度：取D3=1700m,計算得Sc=1.03安全D3=1756m?考慮雙向應力影響，確定第三段套管可下深度：取D3=計算第二段頂部的抗拉安全系數(shù)安全最終結果D3=1700m,L2=1000m計算第二段頂部的抗拉安全系數(shù)安全最終結果D3=1700

上部1700m處套管需進行設計，轉為抗拉設計

1）計算第三段套管按抗拉要求的允許使用長度L3

由：

實?。篖3=1100m,則

上部1700m處套管需進行設計，轉為抗拉設計2）確定第四段套管使用長度

?查表得：應比第三段套管抗拉強度高，

與第一段套管相同2）確定第四段套管使用長度?計算第四段套管許用長度L4:

實際距井口還有600m,取L4=600m;?校核第四段下部的抗擠強度：安全?最終結果：L4=600m,D4=600m?計算第四段套管許用長度L4:安全?最終結果：L最終設計結果最終設計結果井口壓力及套管柱設計例題某井在直徑為0.4445mm的井中下入直徑為0.3397mm表層套管120m，下表套時鉆井液密度為1.15g/cm3。其后，用直徑為0.311mm鉆頭和0.127mm鉆桿鉆至2439m，下入直徑為0.2445mm中間套管，管鞋處深度為2439m，水泥面深度100m，后用直徑為0.2159mm鉆頭和0.127mm鉆桿繼續(xù)鉆進至3658m產層，鉆井液密度增至1.62g/cm3，下0.1778mm生產套管。根據(jù)該地區(qū)經驗，在3658m附近會產生井涌，氣層壓力為4.65×104kPa，氣體侵入量為7.948m3，井涌時地面鉆井液溫度為38℃，地溫梯度為2.91℃/100m，另在2439處鉆井液密度1.2g/cm3

，地層流體密度1.0782g/cm3

，地層破裂壓力（中間套管管鞋）為3.86×104kPa（破裂壓力梯度為15.83kPa/m），地層氣體中含少量H2S。試計算中間套管在幾種情況下的內壓力井口壓力及套管柱設計例題某井在直徑為0.4445mm的井中下

解：

一：氣體充滿全部環(huán)空

1.井口：

2.管鞋處：

解：

一：氣體充滿全部環(huán)空

1.井口：

2.管鞋處：初選套管鋼級壁厚螺紋抗內壓強度C-75

11.99

LTC

44402kPaL-80

11.05

LTC

43644kPaN-75

11.05

LTC

43644kPa初選套管鋼級壁厚螺紋抗內壓強度C-75(11.99)性能鋼級壁厚螺紋抗內壓強度C-75

11.99

LTC

44402(kPa)抗外擠強度抗拉強度平均線重31785(kPa)3789.9(kN)

685.9(N/m)C-75(11.99)性能鋼級壁厚螺紋抗C-75(11.05)性能鋼級壁厚螺紋抗內壓強度C-75

11.05

LTC

40886(kPa)抗外擠強度抗拉強度平均線重25717(kPa)3451.8(kN)

634.8(N/m)C-75(11.05)性能鋼級壁厚螺紋抗C-75(10.03)性能鋼級壁厚螺紋抗內壓強度C-75

10.03

LTC

37163(kPa)抗外擠強度抗拉強度平均線重20615(kPa)

3087.1(kN)

583.8(N/m)C-75(10.03)性能鋼級壁厚螺紋抗設計結果段號井深段長鋼級壁厚螺紋ST

ScSI

10-280280C-7510.03

LTC

2.32

6.261.122280-18001520C-7511.05

LTC

2.96

1.211.10731800-2439639C-7511.95

LTC

20.281.1071.107設計結果段號井深段長鋼級壁厚螺紋STSc第三章注水泥技術§1油井水泥第三章注水泥技術§1油井水泥§1油井水泥§1油井水泥基本概念回顧注水泥在地面上將水泥漿通過套管柱注入到井眼與套管柱之間環(huán)形空間中，將套管柱與井壁巖石牢固地固結的過程。固井目的：

1.將油、氣、水層及復雜地層封固起來以利于進一步開采或鉆進。

2.固定套管?；靖拍罨仡欁⑺嘧⑺喾椒?.常規(guī)注水泥方法2.雙級或多級注水泥方法3.內管法4.反循環(huán)注水泥方法5.延遲凝固注水泥方法注水泥方法1.常規(guī)注水泥方法一、基本概念1.油井水泥硅酸鹽水泥中的一種，經特殊加工適用于油、氣井固井專用的水泥。2.水泥漿干水泥與水混合后（經常還要加入外加劑）形成的均質漿體。3.水泥石（水泥漿凝結硬化后的產物）水泥漿由液態(tài)變成固態(tài),形成具有一定強度的固體狀物質。一、基本概念1.油井水泥二、對油井水泥的基本要求(重點)1.水泥漿應能與外加劑配合，可調節(jié)各種性能；2.水泥漿具有良好的流動性，該性能從配制開始到注入套管被頂替到環(huán)空內一段時間內始終保持；3.水泥漿在井下的溫度及壓力條件下保持穩(wěn)定性;4.水泥漿在規(guī)定時間內凝固并達到一定的強度；5.形成水泥石應有很低的滲透性能等。二、對油井水泥的基本要求(重點)1.水泥漿應能與外加劑配合，三、水泥礦物成分(重點)分子式水化反應速度含量范圍對早期強度的影響對最終強度的影響其它貢獻3CaOSiO2（C3S）中(40-65)%較大較大2CaOSiO2（C2S）慢(24-30)%不大較大3CaOAl2O3（C3A）快較大不大①4CaOAl2O3Fe2O3（C4AF）慢次快(8-12)%不大次之不大②三、水泥礦物成分(重點)分子式水化反應速度含量對早期強度的影①3CaOSiO2（簡寫C3S）：(40-65)%

高早強水泥：(60-65)%

緩凝水泥：(40-45)%

②2CaOSiO2（C2S）:(24-30)%③3CaOAl2O3（C3A）:

抗硫酸鹽水泥：3%以下(因對硫酸鹽敏感)。較高早強度水泥：15%④4CaOAl2O3Fe2O3（C4AF）:(8-12)%各礦物成分含量①3CaOSiO2（簡寫C3S）：(40-65)%各礦物附加作用C3A：決定水泥漿初凝、稠化時間；對流變性能有影響對硫酸鹽極為敏感。C4AF：降低水泥燒結溫度附加作用C3A：決定水泥漿初凝、稠化時間；四、水泥凝結與硬化

（一）水泥的水化反應1）C3S的水化反應

3CaOSiO2+2H2O→2CaOSiO2H2O+Ca(OH)22）C2S、C3A及C4AF的水化反應

2CaOSiO2+H2O→2CaOSiO2H2O3CaOAl2O3+6H2O→3CaOAl2O36H2O

4CaOAl2O3Fe2O3+6H2O→3CaOAl2O36H2O+CaOFe2O3H2O3）水化的C3A與二水石膏的水化反應

3CaOAl2O36H2O+3(CaSO42H2O)+20H2O→3CaOAl2O33CaSO432H2O四、水泥凝結與硬化

（一）水泥的水化反應1）C3S的水化反應水化產物

水化產物：氫氧化鈣、水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣、水化鐵酸鈣、水化硫鋁酸鈣。氫氧化鈣：析出為巨大的晶體水化硫鋁酸鈣：較小晶體水化鋁酸鈣：更小晶體狀態(tài)含水硅酸鈣和含水鐵酸鈣：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)狀結構，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，使水泥強度不斷提高。

水化產物水化產物：氫氧化鈣、水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣、（二）水泥凝結與硬化理論

1.基本概念1）水泥凝結與硬化：水泥與水混合后，迅速與水發(fā)生水化反應，生成各種水化產物。水泥漿逐漸由液態(tài)轉變成固態(tài)，即為水泥的凝結與硬化2）水泥石：水泥與水混合后，迅速與水發(fā)生水化反應，生成各種水化產物。水泥漿逐漸由液態(tài)轉變成固態(tài)，形成具有一定強度的固體狀物質，即水泥石。3）水泥環(huán)：在井下環(huán)形空間中的水泥石。（二）水泥凝結與硬化理論

1.基本概念1）水泥凝結與硬化：水2.水泥凝結與硬化理論1）結晶理論2）膠體理論3）凝固理論4）凝聚－結晶理論均不完善，不統(tǒng)一。但凝聚－結晶理論能較好地解釋固井過程中發(fā)生的一些重要現(xiàn)象。2.水泥凝結與硬化理論1）結晶理論3.凝聚－結晶理論1）凝聚網(wǎng)(兩種可能)a.水泥水化和分散作用，使水泥在分散介質高度分散，表面積劇增，具有較大表面能，有自發(fā)減小的傾向，產生聚結形成網(wǎng)架結構。b.高度分散的膠體粒子（水化鐵酸鈣、水化硅酸鹽、膠體大小的水泥細顆粒）在布朗運動作用下產生接觸與碰撞，在一些適當接觸點上粘接起來，由于膠體粒子足夠，形成一個弱而具有可塑性的凝聚網(wǎng)，水泥漿變稠，直到失去流動性。3.凝聚－結晶理論1）凝聚網(wǎng)(兩種可能)凝聚－結晶理論（續(xù)）2）結晶網(wǎng)隨著水泥水化反應不斷進行，硅酸鹽、鋁酸鹽在過飽和溶液中以微小晶體析出。此后，聚結產生結晶，形成結晶網(wǎng)。由于微晶直接連接，之間無液膜，通過化學鍵連接，強度比凝聚網(wǎng)強度高幾個數(shù)量級，其結構是不可逆的。凝結過程：在凝聚－結晶網(wǎng)開始較弱，且具有觸變性階段。凝結過程：結晶網(wǎng)結構發(fā)展到不可逆的階段。凝聚－結晶理論（續(xù)）2）結晶網(wǎng)水化反應說明水泥的水化反應是一個不斷進行的過程。隨著水化的不斷進行，水泥漿從凝膠態(tài)逐漸向結晶態(tài)發(fā)展，最后形成硬化的水泥石。水泥水化反應是一放熱反應，可利用這一特點來探測水泥漿在環(huán)形空間內上返高度。(重點)

水泥在水化過程中要發(fā)生體積收縮（水化后生成物總體積小于水化前反應物的總體積），在一定條件下該體積收縮對固井質量有著重要的影響。(重點)

水化反應說明水泥的水化反應是一個不斷進行的過程。隨著水化

在油氣井固井中，水泥的水化反應是在井下一定的溫度、壓力條件下進行的。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，其中溫度的影響更顯著。正因為如此，水泥漿的有關性能一般均是在模擬井下溫度、壓力的情況下測定的。水化反應說明(續(xù))在油氣井固井中，水泥的水化反應是在井下一定的溫度、壓§2油井水泥分類§2油井水泥分類一、分類背景1.井深不同，從幾百米到幾千米；2.溫度變化；3.壓力變化；4.固井施工時間不同，從幾十分鐘到幾個小時；5.地層流體中硫酸鹽對水泥石的腐蝕。顯然單一品種油井水泥無法滿足工程需要。故品種繁多，要進行分類。以便有多種級別、類型的油井水泥可供選用。一、分類背景1.井深不同，從幾百米到幾千米；二、分類

1.美國石油學會（API）規(guī)定有8種級別油氣井水泥，分別是：A、B、C、D、E、F、G、HD:適用深度：1830-3050m2439m:選用之。

2.我國參照API標準制定了油井水泥分類標準。即以溫度系列為標準進行了分類，共四類：45℃、75℃、95℃、120℃二、分類1.美國石油學會（API）規(guī)定有8種級別油氣井水API油井水泥使用范圍級別類

型備注普通型中抗硫酸鹽型高抗硫酸鹽型A√——普通水泥B—√√抗硫水泥C√√√具有高早期強度D—√√適于中溫條件E—√√適于高溫條件F—√√適于超高溫條件G—√√基本油井水泥H—√√基本油井水泥API油井水泥使用范圍級別類型備注普通型中抗硫酸鹽型§3油井水泥物理性質為了保證施工安全并提高固井質量，水泥漿以及最終所形成的水泥石必須滿足一定的性能要求。性能包括：水泥漿密度水泥漿稠化時間水泥漿失水量水泥漿凝結時間水泥石抗壓強度水泥石的腐蝕水泥石滲透率§3油井水泥物理性質為了保證施工安全并提高固井質量，水一、水泥漿密度(ρsl)（一）水泥漿（重點）水和水泥混合配成的均質漿體；（二）良好水泥漿具有的特性（重點）：

1.較好的流動性；

2.漿體穩(wěn)定性；

3.較快的早期強度；

4.長期的穩(wěn)定性，能滿足后期作業(yè)要求。一、水泥漿密度(ρsl)（一）水泥漿（重點）水泥漿密度(要求、測量)(三)基本要求：注水泥期間既不發(fā)生井漏又不井噴,故密度不能太高，也不能太低。太高：壓漏地層、流動性差、混拌泵送困難、壓力高，給施工帶來隱患。太低：可能發(fā)生井噴，抗壓強度達不到要求。(四)測量：用泥漿密度計（國外還有加壓密度計）水泥漿密度(要求、測量)(三)基本要求：水泥漿密度(因素、水灰比)(五)影響因素：水灰比、外摻料（指密度調節(jié)劑）用量。(六)水灰比(m)(重點)配制水泥漿時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，關系為：水泥漿密度(因素、水灰比)(五)影響因素：水泥漿密度(定量)注意：干水泥的密度為3.05g/cm3～3.2g/cm3，正常水泥漿密度：1.78g/cm3～1.98g/cm3，水灰比約為0.55～0.44。當干水泥中所混合的外加劑加量較大、尤其是為了調節(jié)水泥漿密度摻了加重劑或減輕劑（又稱為外摻料）時，c取水泥和這些外加劑及/或外摻料混合后的固相混合物平均密度。m為水固比。水泥漿密度(定量)注意：二、水泥漿稠化時間二、水泥漿稠化時間1.提出背景水泥漿配成后，隨著水化反應的不斷進行，流動性變差，水泥漿流動越來越困難，直到不能被泵入。此時雖沒有凝固，但已無法注入及頂替。因此，注水泥的全過程必須在稠化以前完成。1.提出背景水泥漿配成后，隨著水化反應的不斷進行，流動性2.定義2.定義：在井下溫度壓力條件下，從給水泥漿加溫加壓時起至水泥漿稠度達100Bc（Bc為稠度單位）所經歷的時間稱為水泥漿的稠化時間。

定義：水泥漿從配制開始到其稠度達到其規(guī)定值所用的時間。API規(guī)定從配制開始到水泥漿稠度達100Bc所用的時間為水泥漿的稠化時間。稠度為100BC時，水泥漿已喪失流動性。實際應用取50BC。2.定義2.定義：在井下溫度壓力條件下，從給水