井身结构设计与固井.pptx

1主要碎屑岩和碳酸岩主要碎屑岩和碳酸岩 少量岩浆岩和变质岩，甚至页岩少量岩浆岩和变质岩，甚至页岩孔隙度、渗透率、孔隙结构、润湿性孔隙度、渗透率、孔隙结构、润湿性油、气、水；稠油粘度大于油、气、水；稠油粘度大于50mps孔隙、裂缝、裂缝孔隙、孔隙裂缝、洞隙孔隙、裂缝、裂缝孔隙、孔隙裂缝、洞隙块状、层状、断块、透镜体油藏块状、层状、断块、透镜体油藏常规油、稠油、高凝油藏常规油、稠油、高凝油藏二、储层岩性特征：二、储层岩性特征：三、储层物性：三、储层物性：四、储层流体：四、储层流体：五、油气藏分类：五、油气藏分类：六、地应力概念与确定：六、地应力概念与确定：岩层内部产生反抗变形、并作用岩层内部产生反抗变形、并作用在地壳单位面积上的力在地壳单位面积上的力一、岩石分类：一、岩石分类：形成原因：沉积岩、变质岩、岩浆岩形成原因：沉积岩、变质岩、岩浆岩课程回顾课程回顾2oil zone 中间套管中间套管(技术套管技术套管)表层套管表层套管生产套管生产套管(油层套管油层套管)主要内容主要内容:井身结构设计井身结构设计 套管柱设计套管柱设计 注水泥技术注水泥技术 套管损坏与防护套管损坏与防护一开一开二开二开三开三开第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井3井身结构井身结构油井基础，全井骨架油井基础，全井骨架固井工程固井工程套管柱设计和注水泥套管柱设计和注水泥不仅关系全井能否顺利钻进完井，不仅关系全井能否顺利钻进完井，而且关系能否顺利生产和寿命。而且关系能否顺利生产和寿命。2006年年3月月25日，重庆开县罗家日，重庆开县罗家2井，井，套管破损，地下井漏，套管破损，地下井漏，H2S喷出，喷出，12000人紧急疏散，人紧急疏散，2口井报废口井报废。第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井470年代以来，我国油气田套管损坏现象十分严重。1998年底大庆、吉林、中原、胜利、辽河等10多油田套损井达14000多口，若按每口井较低成本150万元计，仅套损直接损失210亿元，还不计油井损坏停产损失。2005年，套损严重油田累计套损井数和占投产井数比例：大庆：8976口，占16%以上；吉林：2861口，占30%以上；胜利：3000多口，占多口，占10%以上以上；中原：占投产井数投产井数23.3%；并且各油田套损井数有上升趋势。第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井5 第一节第一节 井身结构设计井身结构设计 内容：内容：套管层次；套管层次；每层套管下深；每层套管下深；套管和井眼尺寸配合。套管和井眼尺寸配合。一、套管的分类及作用一、套管的分类及作用二、井身结构设计原则二、井身结构设计原则三、井身结构设计基础数据三、井身结构设计基础数据四、裸眼井段应满足力学平衡四、裸眼井段应满足力学平衡五、井身结构设计方法（举例）五、井身结构设计方法（举例）六、套管尺寸和井眼尺寸选择六、套管尺寸和井眼尺寸选择 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井6 1、表层套管、表层套管Surface casing封隔封隔地表浅水层及浅部疏松和复杂层地表浅水层及浅部疏松和复杂层安装安装井口、悬挂及支撑后续各层套管井口、悬挂及支撑后续各层套管下深：根据目的层深度和地表状况而下深：根据目的层深度和地表状况而定，一般为上百米甚至上千米定，一般为上百米甚至上千米 2、生产套管、生产套管Production casing钻达目的层后下入的钻达目的层后下入的最后一层套管最后一层套管用以保护生产层，提供用以保护生产层，提供油气生产通道油气生产通道下深：由目的层位置及完井方式而定下深：由目的层位置及完井方式而定一、套管的分类及作用一、套管的分类及作用第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井73 3、中间套管、中间套管Technical Casing表层和生产套管间因技术要求而下，表层和生产套管间因技术要求而下，可以是一层、两层或更多层可以是一层、两层或更多层主要用来封隔不同地层压力层系或易主要用来封隔不同地层压力层系或易漏、喷、塌、卡等复杂地层漏、喷、塌、卡等复杂地层4 4、尾管（衬管）、尾管（衬管）Liner 在已下入一层技术套管后采用，只对裸在已下入一层技术套管后采用，只对裸眼井段下套管眼井段下套管(注水泥注水泥)，而套管柱不延伸，而套管柱不延伸至井口。减轻下套管时钻机的负荷和固井至井口。减轻下套管时钻机的负荷和固井后套管头的负荷；节省套管和水泥；一般后套管头的负荷；节省套管和水泥；一般深井和超深井深井和超深井一、套管的分类及作用一、套管的分类及作用第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井8例：克拉例：克拉2 2气田井身结构实施方案气田井身结构实施方案第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井2828导管导管26x300m 26x300m 18-5/8x300m18-5/8x300m16x2600m 16x2600m 13-3/813-3/8x2600mx2600m12-1/4x 12-1/4x 封白云岩封白云岩10-3/4x100m+9-7/8x10-3/4x100m+9-7/8x封白云岩封白云岩8-1/2*8-1/2*目的层目的层77尾管尾管*目的层目的层9第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井10二、井身结构设计原则二、井身结构设计原则1.有效保护油气层，避免储层污染伤害2.避免漏、喷、塌、卡等井下事故，安全、快速钻井3.钻下部地层采用重钻井液时产生的井内压力，不至于压裂上层套管鞋处的薄弱地层4.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，具有压井处理溢流能力5.下套管顺利，井内钻井液液柱压力和地层压力间的压差不至于压差卡套管第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井11抽吸压力系数抽吸压力系数：0.0240.048 g/cm3激动压力系数激动压力系数：0.0240.048 g/cm3压裂安全系数压裂安全系数：0.030.06 g/cm3井涌允量井涌允量：0.050.08 g/cm3压差允值压差允值P P：PN=1518 MPa P A=2123 MPa 6 个设计系数个设计系数：孔隙压力剖面孔隙压力剖面 破裂压力剖面破裂压力剖面 坍塌压力剖面坍塌压力剖面 漏失压力剖面漏失压力剖面 4个剖面：个剖面：三、井身结构设计基础数据三、井身结构设计基础数据第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井钻井液静液柱压力钻井液静液柱压力 :钻井液密钻井液密度度,（g/cmg/cm3 3）；H H:液柱垂直高度，液柱垂直高度，m mPh1.1.基本压力概念基本压力概念压力梯度压力梯度/当量密度当量密度单位高度（或深度）增加的压力值单位高度（或深度）增加的压力值有时直接用当量密度有时直接用当量密度 表示表示地层压力地层压力(Formation Pressure)作用在岩石孔隙流体作用在岩石孔隙流体(油气水油气水)上的压力，上的压力，也叫地层孔隙压力也叫地层孔隙压力当量钻井液密度：当量钻井液密度：1.1.基本压力概念基本压力概念地层破裂压力地层破裂压力(Fracture Pressure)当地层压力达到某一值时会使地层破裂当地层压力达到某一值时会使地层破裂当量钻井液密度：当量钻井液密度：当量钻井液密度当量钻井液密度井井深深地层孔隙压力地层破裂压力地层坍塌压力地层坍塌压力(Collapse Pressure)当井内液柱压力低于某一值时，地层出现坍塌当井内液柱压力低于某一值时，地层出现坍塌物理化学耦合作用？物理化学耦合作用？1.1.基本压力概念基本压力概念水化疏松疏松地层地层井塌井塌 地层漏失压力地层漏失压力(Leakage Pressure)当钻井液柱压力高于某一临界值时地层发生漏失，当钻井液柱压力高于某一临界值时地层发生漏失，可分为自然漏失和压裂漏失。可分为自然漏失和压裂漏失。与钻井液性能、地层孔隙类型等有关。与钻井液性能、地层孔隙类型等有关。1.1.基本压力概念基本压力概念1.1.基本压力概念基本压力概念钻井液静液柱压力钻井液静液柱压力(Hydrostatic Pressure)压力梯度压力梯度(Pressure Gradient)当量密度（当量密度（Equivalent Circulating Density）地层孔隙压力地层孔隙压力(Formation Pressure)地层破裂压力地层破裂压力(Fracture Pressure)地层坍塌压力地层坍塌压力(Collapse Pressure)地层漏失压力地层漏失压力(Leakage Pressure)4个剖面个剖面当量密度当量密度井井深深17（1）抽吸压力系数抽吸压力系数 Sb2.2.关键设计参数关键设计参数上提钻柱时，由于抽吸作用使井内液柱压力的上提钻柱时，由于抽吸作用使井内液柱压力的降低值降低值，用当量密度表示；用当量密度表示；Sb=0.0240.048 g/cm3裸眼段内使用的裸眼段内使用的最大钻井液密度最大钻井液密度防止裸眼井段井防止裸眼井段井涌的钻井液密度涌的钻井液密度（2）激动压力系数激动压力系数 Sg下放钻柱时，由于产生压力激动使井内压力的下放钻柱时，由于产生压力激动使井内压力的增加值增加值，当量密度当量密度 Sg=0.0240.048 g/cm3最大井内压力梯度最大井内压力梯度井筒内最大压力梯度，当量密度2.2.关键设计参数关键设计参数下钻时井筒压力梯度下钻时井筒压力梯度19（3）井涌允量井涌允量 Sk由于地层压力预测的误差，在钻遇的最大地层压力处发生溢流，由于地层压力预测的误差，在钻遇的最大地层压力处发生溢流，一定量的地层流体涌入井筒，在该井深处井筒压力增加的允许一定量的地层流体涌入井筒，在该井深处井筒压力增加的允许值值 Sk，用当量密度表示；，用当量密度表示；Sk=0.050.08 g/cm3任意井深处的任意井深处的最大井内压力梯度（最大井内压力梯度（发生溢流关井后）：发生溢流关井后）：最大井内压力梯度最大井内压力梯度（最大地层压力所在井深最大地层压力所在井深 处处）：）：2.2.关键设计参数关键设计参数20（4）压裂安全系数压裂安全系数 Sf由于地层破裂压力预测误差而引入的安全系数，与预测由于地层破裂压力预测误差而引入的安全系数，与预测精度有关，精度有关，Sf=0.030.06 g/cm3套管下深的临界条件套管下深的临界条件-不压裂裸眼地层而发生井漏不压裂裸眼地层而发生井漏裸眼井段内最大井筒压力梯度应满足裸眼井段内最大井筒压力梯度应满足正常工况防井漏正常工况防井漏防溢流关防溢流关井时井漏井时井漏2.2.关键设计参数关键设计参数21（5）压差允值压差允值P P为了在下套管过程中，不发生压差粘卡套管的事故，应为了在下套管过程中，不发生压差粘卡套管的事故，应该限制井内钻井液液柱压力与地层压力的压力差值。该限制井内钻井液液柱压力与地层压力的压力差值。即裸眼井段即裸眼井段所用最大钻井液密度与最小地层孔隙压力之所用最大钻井液密度与最小地层孔隙压力之间实际的间实际的最大静止压差最大静止压差应小于一个允许值应小于一个允许值P。在正常压力地层：在正常压力地层：PPN N=15-18MPa=15-18MPa在异常压力井段：在异常压力井段：PPa a=21-23MPa=21-23MPa2.2.关键设计参数关键设计参数22裸眼段内最大钻井液密度裸眼段内最大钻井液密度最大井筒压力梯度最大井筒压力梯度四、裸眼井段应满足的力学平衡四、裸眼井段应满足的力学平衡第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井防压裂裸露地层防压裂裸露地层-井漏井漏防压差卡套管防压差卡套管正常钻进正常钻进溢流关井溢流关井23其中：其中：钻井液密度，钻井液密度，裸眼段内使用的最大钻井液密度，裸眼段内使用的最大钻井液密度，裸眼段钻遇最大地层压力的当量泥浆密度，裸眼段钻遇最大地层压力的当量泥浆密度，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 裸眼段钻遇最小地层压力的当量泥浆密度，裸眼段钻遇最小地层压力的当量泥浆密度，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 裸眼段最小地层破裂压力的当量泥浆密度，裸眼段最小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，套管鞋处地层破裂压力的当量泥浆密度，套管下入深度，套管下入深度，m第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井24五、井身结构设计方法五、井身结构设计方法 生产套管下深取决于油气层位置和完生产套管下深取决于油气层位置和完井方法。井方法。1.求中间套管下入深度初选点求中间套管下入深度初选点 D21 依据（防井漏）：钻下部地层时，井依据（防井漏）：钻下部地层时，井筒内最大液柱压力不会压裂裸眼井段地筒内最大液柱压力不会压裂裸眼井段地层的最薄弱处，即井内液柱最大压力不层的最薄弱处，即井内液柱最大压力不超过中间套管鞋处地层破裂压力。超过中间套管鞋处地层破裂压力。第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井pmaxpmin25（1）正常钻进，不考虑发生井涌）正常钻进，不考虑发生井涌第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井计算出计算出f2f2 ，在破裂压力曲线，在破裂压力曲线查出查出f 2所在的井深所在的井深 D21，即为中间套管下入井深初选点。即为中间套管下入井深初选点。25pmax26（2）异常情况，发生井涌）异常情况，发生井涌 试算法求试算法求f 试取一个试取一个D21，计算，计算f 与查图与查图f 比较；比较；若若f f，D21为中间套管初选点，为中间套管初选点，否则，重新试算。否则，重新试算。一般情况下，在新探区，取以上两种一般情况下，在新探区，取以上两种条件下较大值。条件下较大值。第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井pmaxf D21272.验证中间套管下到验证中间套管下到 深度深度D21是否被卡是否被卡（1）首先求裸眼可能存在的最大静压差：）首先求裸眼可能存在的最大静压差：pmaxpmax：钻进至：钻进至D21遇到的遇到的 最大地层压力当量泥浆密度。最大地层压力当量泥浆密度。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 若若 ，不卡，不卡，D21为中间套管下入深度为中间套管下入深度D2。若若 ，会卡，中间套管应小于初选点深度，会卡，中间套管应小于初选点深度，需采需采用尾管解决用尾管解决。需根据压差卡钻条件确定中间套管的下深需根据压差卡钻条件确定中间套管的下深。第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井28在地层压力曲线上找出在地层压力曲线上找出 深度即为中间套管的下深深度即为中间套管的下深 D2。（2）求压差）求压差 条件下允许的最条件下允许的最大地层压力大地层压力 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井D21293.求钻井尾管下入深度初选点求钻井尾管下入深度初选点D31 根据根据 D2 处地层破裂压力处地层破裂压力 ，求出继续向下钻进时求出继续向下钻进时 裸眼段允许最大地层压力裸眼段允许最大地层压力 试算法：试算法：先试取一个先试取一个 D31，计算，计算 ，若计算若计算 与实际值接近且略大，与实际值接近且略大，则则 D31 为尾管初选点，否则重试。为尾管初选点，否则重试。第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井29pmax304.校核尾管下到校核尾管下到 D31 是否被卡是否被卡 校核方法同校核方法同 2 2，P N 换成换成P A5.计算表层套管下入深度计算表层套管下入深度 D1 根据根据 D2 处地层压力处地层压力 ，计算若钻进到计算若钻进到 D2 发生井涌关井，发生井涌关井，表层套管鞋处承受压力当量密度：表层套管鞋处承受压力当量密度：试算：试取试算：试取 D1，计算计算 查得查得 ,确定确定 D1否则重试。否则重试。第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井p231井身结构设计方法：井身结构设计方法：1.由内而外，自下而上；由内而外，自下而上；2.已知下层套管下深，求上层套管下已知下层套管下深，求上层套管下深（中间，表层）；深（中间，表层）；3.已知上层套管下深，求下层套管下已知上层套管下深，求下层套管下深（如尾管）；深（如尾管）；第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井设计准则：设计准则：1.不井涌不井涌2.钻下部地层时不压裂上部薄弱地层；钻下部地层时不压裂上部薄弱地层；3.不压差卡管柱；不压差卡管柱；32设计举例设计举例某井设计井深为某井设计井深为 4400 m；地层孔隙压力梯度和破裂地层孔隙压力梯度和破裂压力梯度压力梯度 剖面如图剖面如图。试进行该井井身结构设计。试进行该井井身结构设计。给定设计系数：给定设计系数：Sb=0.036；Sg=0.04；Sk=0.06 ；Sf=0.03；PN=12 Mpa;PA=18 MPa;第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井33解：解：由图上查得由图上查得 （1）中间套管下入深度初选点）中间套管下入深度初选点 由由 试取试取 D21=3400 m，代入上式得：，代入上式得：由破裂压力曲线查得由破裂压力曲线查得 且接近，故确定且接近，故确定 D21=3400 m。第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井生生产产套套管管440034（2）校核中间套管是否会被卡）校核中间套管是否会被卡 由由P P曲线，钻进到深度曲线，钻进到深度 D21=3400 m时，时，遇到最大地层压力遇到最大地层压力 因因 由由 因因P PN=12 MPa,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。查得查得 =1.435 对应对应 D2=3200 m。第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井35 （3）确定尾管下深的初选点）确定尾管下深的初选点 D31 由由f曲线查得：曲线查得：由：由：试取试取 D D31 31=3900m=3900m，得，得 由由p曲线，曲线，故确定初选点故确定初选点 D31=3900 m.第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井36（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：因为因为 ，故确定尾管下深为故确定尾管下深为 D3=D31=3900m。第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井37（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=850 m,代入上式计算得代入上式计算得由由f曲线查得曲线查得故确定故确定 D1=850 m。第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井38六、套管尺寸和井眼尺寸选择六、套管尺寸和井眼尺寸选择 目前我国使用最多的套管目前我国使用最多的套管/钻头系列是：钻头系列是：套管和井眼尺寸确定一般是由内到外进行套管和井眼尺寸确定一般是由内到外进行 根据采油要求根据采油要求 油层套管尺寸油层套管尺寸 匹配钻头匹配钻头 套管与井眼间间隙与井身质量、固井水泥环强度要求、下套套管与井眼间间隙与井身质量、固井水泥环强度要求、下套管时井内波动压力、套管尺寸等因素有关。管时井内波动压力、套管尺寸等因素有关。间隙最小：间隙最小：9.5mm 9.5mm 12.7mm12.7mm，最好：最好：19.0mm19.0mm。目前，根据套管层次不同，已基本形成了较稳定的系列。目前，根据套管层次不同，已基本形成了较稳定的系列。第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井81/2402828导管导管26x300m 26x300m 18-5/8x300m18-5/8x300m16x2600m 16x2600m 13-3/813-3/8x2600mx2600m12-1/4x 12-1/4x 封白云岩封白云岩10-3/4x100m+9-7/8x10-3/4x100m+9-7/8x封白云封白云岩岩8-1/2*8-1/2*目的层目的层77尾管尾管*目的层目的层克拉克拉2 2气田典型井身结构气田典型井身结构第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井4130201610-3/413-3/89-5/82.162.182.30泥线泥线90m第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井42HOMEWORK:1.如何理解防压差卡井关系防压差卡井关系：2.如何理解防关井井漏关系防关井井漏关系：3.某井油层位于2600m，预测p=1.30 ，钻至200m下表层套管，液压实验测得套管鞋处 ，问不下中间套管能否顺利钻达油层？已知：Sb=0.036；Sg=0.04；Sk=0.06 ；Sf=0.03 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井43oil zone 中间套管中间套管(技术套管技术套管)表层套管表层套管生产套管生产套管(油层套管油层套管)主要内容主要内容:井身结构设计井身结构设计 套管柱设计套管柱设计 注水泥技术注水泥技术 套管损坏与防护套管损坏与防护一开一开二开二开三开三开第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井44一、套管和套管柱一、套管和套管柱 套管：套管：优质钢材制成的无缝管或焊接管，一端为公扣，直接优质钢材制成的无缝管或焊接管，一端为公扣，直接车在管体上；一端为带母扣的套管接箍。车在管体上；一端为带母扣的套管接箍。表征套管的主要特性参数有表征套管的主要特性参数有套管尺寸、钢级和壁厚套管尺寸、钢级和壁厚第二节第二节 套管柱设计套管柱设计45第二节第二节 套管柱设计套管柱设计46一、套管和套管柱一、套管和套管柱 套管尺寸：套管尺寸：又称名义外径、公称直径等，是指套管本体的外又称名义外径、公称直径等，是指套管本体的外径；径；API标准，共标准，共14 种尺寸。种尺寸。第二节第二节 套管柱设计套管柱设计47一、套管和套管柱一、套管和套管柱 套管的钢级套管的钢级:API标准规定套管本体的钢材应达到规定的强度，标准规定套管本体的钢材应达到规定的强度，API标准，标准，8种种10级级H-40,J-55,K-55,C-75,L-80,N-80,C-90,C-95,P-110,Q-125其中，其中，字母字母只是标识，只是标识，数字数字代表套管的强度。代表套管的强度。如：如：N-80套管，最小屈服强度套管，最小屈服强度=80 kpsi=551.58MPa 套管的壁厚套管的壁厚:套管本体处管体的厚度，壁厚：套管本体处管体的厚度，壁厚：5.2116.13 mm 关系套管的线重，指套管单位长度的质量关系套管的线重，指套管单位长度的质量第二节第二节 套管柱设计套管柱设计48APIAPI套管规范及强度套管规范及强度(5(5寸套管寸套管)甲方钻井手册甲方钻井手册P192P192第二节第二节 套管柱设计套管柱设计49一、套管和套管柱一、套管和套管柱 套管柱：套管柱：由同一外径、不同钢级、不同壁厚的套管用接箍联接由同一外径、不同钢级、不同壁厚的套管用接箍联接组成的管柱，组成的管柱，特殊情况下也使用无接箍套管柱特殊情况下也使用无接箍套管柱联接是由螺纹来实现的，是套管质量和强度检验的重点。联接是由螺纹来实现的，是套管质量和强度检验的重点。套管螺纹都是锥形螺纹，套管螺纹都是锥形螺纹，API规范中分为五大类，规范中分为五大类，API 标准和非标准和非API标准标准。第二节第二节 套管柱设计套管柱设计类数类数标准标准名称名称符号或代号符号或代号1API标准标准短圆螺纹短圆螺纹STC/CSG/C12长圆螺纹长圆螺纹LTC/LCSG/C23梯形螺纹梯形螺纹BTC/BCSG/C334直连形螺纹直连形螺纹XL/XCSG/CHX5非非API标准标准特殊螺纹特殊螺纹/50二、套管柱载荷分析及套管强度二、套管柱载荷分析及套管强度第二节第二节 套管柱设计套管柱设计 套管柱在井内所受外载复杂，不同时期（下套管、注水泥、套管柱在井内所受外载复杂，不同时期（下套管、注水泥、后期开采等）、不同地层和地质条件下套管柱受力也不同。后期开采等）、不同地层和地质条件下套管柱受力也不同。盐岩层对套管柱的压力梯度要按上覆岩石的压力梯度计算；盐岩层对套管柱的压力梯度要按上覆岩石的压力梯度计算；在酸化压裂时承受的内压力与正常采油时的压力就不同；在酸化压裂时承受的内压力与正常采油时的压力就不同；在易坍塌油层生产的前、中、后期对套管柱的外挤压力也不同在易坍塌油层生产的前、中、后期对套管柱的外挤压力也不同长期生产实践证明，影响套管柱的基本载荷主要有以下几种：长期生产实践证明，影响套管柱的基本载荷主要有以下几种：轴向载荷；外挤压力；内压力。其它载荷如套管弯曲载荷、振动载荷等都考虑至安全系数中51自重引起的拉力自重引起的拉力 Fm，在井口最大在井口最大 qmi 第 I 种套管在钻井液中单位长度的重力，N/m;Li 第 I 种套管的长度，m；n 组成套管柱的套管种类（钢级、厚度）。套管弯曲引起的附加拉力套管弯曲引起的附加拉力 Fbd，在井斜狗腿较大在井斜狗腿较大 经验公式经验公式：KN Dco套管外径，cm；Ac 套管截面积，cm2；每25m 井斜角的变化，0/25m 定向井、水平井及大狗腿直井中，应考虑弯曲附加拉力。定向井、水平井及大狗腿直井中，应考虑弯曲附加拉力。第二节第二节 套管柱设计套管柱设计1、轴向载荷及套管抗拉强度、轴向载荷及套管抗拉强度52注水泥引起的附加拉力注水泥引起的附加拉力 Fc KN其它附加拉力其它附加拉力 上提或下放套管的动载、井壁摩擦力等；上提或下放套管的动载、井壁摩擦力等；一般在安全系数中考虑。一般在安全系数中考虑。n套管的抗拉强度套管的抗拉强度 套管所受轴向拉力一般在井口最大套管所受轴向拉力一般在井口最大 拉应力破坏形式：拉应力破坏形式：脱扣、本体拉断脱扣、本体拉断 通常用套管抗滑扣力表示套管抗拉强度通常用套管抗滑扣力表示套管抗拉强度h 管内水泥浆高管内水泥浆高，m；m水泥浆密度，水泥浆密度，g/cmg/cm3 3；d钻井液密度，钻井液密度，g/cm3；dci 套管内径，套管内径，cm。第二节第二节 套管柱设计套管柱设计532、外挤载荷及套管抗外挤强度、外挤载荷及套管抗外挤强度（1）外挤压力）外挤压力主要载荷：主要载荷：一般情况下按套管内部全掏空时管外压力计算：一般情况下按套管内部全掏空时管外压力计算：MPa 高塑性岩石，按上覆岩层压力计算，梯度高塑性岩石，按上覆岩层压力计算，梯度 2327kPa/m。管外液柱压力管外液柱压力地层中流体压力地层中流体压力高塑性岩石侧向挤压力高塑性岩石侧向挤压力地质构造应力等地质构造应力等第二节第二节 套管柱设计套管柱设计54套管内全掏空载荷井深套管内载荷套管内载荷套管外载荷套管外载荷载荷井深有效外载荷有效外载荷套管内液面套管内液面载荷井深井身结构第二节第二节 套管柱设计套管柱设计552、外挤载荷及套管抗外挤强度、外挤载荷及套管抗外挤强度（2）套管抗挤强度：）套管抗挤强度：指挤毁套管试件需要的最大外挤压力。指挤毁套管试件需要的最大外挤压力。外挤作用下破坏形式：外挤作用下破坏形式：根据现有套管尺寸，绝大部分是失稳破坏，其根据现有套管尺寸，绝大部分是失稳破坏，其抗挤强度抗挤强度可可 在钻井手册或套管手册中查得。在钻井手册或套管手册中查得。径厚比大时，失稳破坏径厚比大时，失稳破坏(失圆、挤扁失圆、挤扁)径厚比小时，强度破坏径厚比小时，强度破坏第二节第二节 套管柱设计套管柱设计失稳后的套管被挤扁（轻者）或破裂，使钻头或其它井下工作不能通过，地层封隔遭到破坏，将被迫停钻或停产，套管损坏严重者油气井报废。56（3）有轴向载荷时的套管抗挤强度（双向应力）有轴向载荷时的套管抗挤强度（双向应力）套管内微小单元，外载作用下产生三向应力套管内微小单元，外载作用下产生三向应力由第四强度理论：由第四强度理论：对于薄壁管，对于薄壁管，可忽略，变为双向应力问题。可忽略，变为双向应力问题。变换为椭圆方程：变换为椭圆方程：按拉为正、压为负，椭圆形方程。按拉为正、压为负，椭圆形方程。椭圆图上椭圆图上,百分比为纵坐标百分比为纵坐标,百分比为横坐标百分比为横坐标.第二节第二节 套管柱设计套管柱设计57轴向受压轴向受压抗内压强度降低抗内压强度降低轴向拉力轴向拉力抗内压强度增加抗内压强度增加轴向受压轴向受压抗挤强度增加抗挤强度增加轴向拉力轴向拉力抗挤强度降低抗挤强度降低第二节第二节 套管柱设计套管柱设计58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:轴向拉伸与内压联合作用轴向拉伸与内压联合作用 轴向拉力轴向拉力 抗内压强度增加抗内压强度增加.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 轴向受压轴向受压 抗内压强度降低抗内压强度降低.第三象限第三象限:轴向压缩与外挤联合作用轴向压缩与外挤联合作用 轴向受压轴向受压 抗外挤强度增加抗外挤强度增加.第四象限第四象限:轴向拉伸与外挤联合作用轴向拉伸与外挤联合作用 轴向拉力轴向拉力 抗外挤强度降低抗外挤强度降低（需考虑）（需考虑）第二节第二节 套管柱设计套管柱设计59 考虑轴向拉力影响时的抗外挤强度公式考虑轴向拉力影响时的抗外挤强度公式 PCC的推导的推导: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=0时时,根据上式则有根据上式则有:由上由上2式代入双向应力椭圆方程，简化得式代入双向应力椭圆方程，简化得 Fm轴向拉力，轴向拉力，KN；Fs管体屈服强度，管体屈服强度，KN；，MPa第二节第二节 套管柱设计套管柱设计6061考虑管外平衡压力，一般井口内压最大。考虑三种最危险情况：考虑管外平衡压力，一般井口内压最大。考虑三种最危险情况：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；以井口装置承压能力作为套管在井口所受的内压力；以井口装置承压能力作为套管在井口所受的内压力；以套管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计算。实际设计时，通常按套管内完全充满天然气时计算。井底气压，井底气压，MpaG 天然气与空气密度比天然气与空气密度比,0.55套管鞋处破裂压力梯度，套管鞋处破裂压力梯度，Mpa/m；附加系数，取附加系数，取0.0012 Mpa/m。3、内压载荷及套管抗内压强度、内压载荷及套管抗内压强度第二节第二节 套管柱设计套管柱设计第二节第二节 套管柱设计套管柱设计套管内全掏空载荷井深载荷井深套管内压载荷套管内压载荷套管外载荷套管外载荷载荷井深有效内压载荷有效内压载荷套管内液面套管内液面井身结构第二节第二节 套管柱设计套管柱设计套管内部分掏空载荷井深载荷井深套管内压载荷套管内压载荷套管外载荷套管外载荷载荷井深有效内压载荷有效内压载荷套管内液面井底井身结构64（2）套管抗内压强度）套管抗内压强度 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得抗内压强度可由钻井手册或套管手册查得（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：管体的有效厚度减小，套管承载力降低，钢材管体的有效厚度减小，套管承载力降低，钢材性质变化性质变化 引起套管腐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、溶有：气体或液体中的硫化氢、溶解氧、二氧化碳解氧、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 K J C L级套管。级套管。第二节第二节 套管柱设计套管柱设计65第二节第二节 套管柱设计套管柱设计66三、套管柱强度设计三、套管柱强度设计目的：目的：确定合理套管确定合理套管钢级钢级、壁厚壁厚以及每种套管以及每种套管井深区间井深区间。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：套管强度套管强度 外载外载安全系数安全系数 应满足钻井作业、油气开发和产层改造需要应满足钻井作业、油气开发和产层改造需要 承受外载时应有一定储备能力承受外载时应有一定储备能力 经济性要好，多选择经济性要好，多选择23种钢级、种钢级、23种壁厚，不能过多种壁厚，不能过多 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 套管抗拉强度（抗滑扣）安全系数套管抗拉强度（抗滑扣）安全系数St=1.8第二节第二节 套管柱设计套管柱设计672、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 各危险截面最小安全系数等于或大于规定的安全系数。各危险截面最小安全系数等于或大于规定的安全系数。下部抗挤设计，水泥面上按双向应力；上部满足抗拉和抗内压下部抗挤设计，水泥面上按双向应力；上部满足抗拉和抗内压 （2）边界载荷法（拉力余量法）边界载荷法（拉力余量法）在抗拉设计时，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。（3）另最大载荷法、）另最大载荷法、AMOCO法、西德法、西德BEB法及前苏联方法等。法及前苏联方法等。第二节第二节 套管柱设计套管柱设计683、各层套管柱的设计特点、各层套管柱的设计特点特点：下入的深度浅；在其顶部安装有套管头，要承受以下各层套管的部分或全部重量；安装有防喷器、采油树等。侧重点：主要考虑内压设计。（井喷关井时情况最为严重）表套表套特点：下入的深度较深；隔离和封隔各种复杂地层；在井喷时承受较大内压；具有较强的耐磨性。侧重点：抗拉（下入较浅），抗内压（井喷关井），抗外挤（下入井深）技套技套特点：下入深度大，在其中下入油管，特别注意后期生产可能出现的 各种情况。侧重点：抗拉（下入深），抗外挤（下入深），抗内压（后期生产）油套油套第二节第二节 套管柱设计套管柱设计69（1）基本设计思路（自下而上）基本设计思路（自下而上）计算可能出现最大内压力，筛选符合抗内压强度套管计算可能出现最大内压力，筛选符合抗内压强度套管 下部套管段按抗挤设计，上部按抗拉设计，各危险断下部套管段按抗挤设计，上部按抗拉设计，各危险断面最小安全系数要大于或等于规定值。面最小安全系数要大于或等于规定值。通式：通式：套管强度套管强度 外载外载安全系数安全系数 水泥面以上套管抗挤强度考虑双向应力影响水泥面以上套管抗挤强度考虑双向应力影响x 轴向拉力通常按套管在空气中的重力计算；轴向拉力通常按套管在空气中的重力计算；当考虑双向应力时，按浮重计算。当考虑双向应力时，按浮重计算。第二节第二节 套管柱设计套管柱设计4、套管柱设计的等安全系数法、套管柱设计的等安全系数法70（2）设计步骤：）设计步骤：例题：例题：某井某井177.8 mm（7”）油层套管下至）油层套管下至3500 m，下套管，下套管时钻井液密度为时钻井液密度为1.30 ，水泥返至，水泥返至2800 m，预计井内最大，预计井内最大内压力内压力 35 MPa，试设计该套管柱，试设计该套管柱（规定最小段长（规定最小段长500 m）.解：解：安全系数安全系数：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 查手册查手册筛选套管钢级：筛选套管钢级：C-75 ,L-80 ,N-80 ,C-90 ,C-95 ,P-110 将钢级按成本排序：将钢级按成本排序：N-80 C-75 L-80 C-90 C-95 1.0 安全安全 套管套管2：危险截面危险截面 2700 m 处，处，Sc=1.02 1.0 安全安全试算？试算？第二节第二节 套管柱设计套管柱设计75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：D2=2700 m,L1=800 m 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 L2 查表：查表：第二节第二节 套管柱设计套管柱设计76 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：试算法，取试算法，取 D3=1700 m,计算得计算得 Sc=1.03 安全安全第二节第二节 套管柱设计套管柱设计77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