固井作业4.ppt

Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,Click to edit Master title style,三、套管柱设计方法,确定设计条件：安全系数、外载计算方式,按内压筛选套管,求井底外挤力，选第一段套管,选第二段套管，计算其可下深度,计算第一段套管长度和有关安全系数,选第三段套管,或,选套管，按套管抗拉强度计算其可下深度,抗内压安全系数校核,注意：抗挤应按双轴应力进行计算,1,三、套管柱强度设计,(,油层套管,),某井,177.8mm,套管，下入深度,3500m井内钻井液密度,1.30g/cm3,水泥返至井深,2800m,。,抗挤安全系数为,1.125,抗拉安全系数为,1.8(,不考虑浮力影响,),，井口抗内压安全系数为,1.1.,解（,1,）按抗挤强度设计第一段套管,按全掏空计算井底地外挤压力,Pb,=0.0098*1.3*3500=45.5(MPa),第一段套管应具有的抗挤强度为,Pc1=,Pb,*sc=45.5*1.125=51.19(MPa),由套管性能表查得,N-80,，,壁厚,11.51mm,套管，其抗挤强度为,60.46MPa,实际抗挤安全系数为：,Sc1=60.46/51.19=1.181,N-80,，,壁厚,11.51mm,2,三套管柱强度设计,(,油层套管,),（,2,）第一段套管得顶截面位置取决于第二段套管得可下深度，第二段套管选用抗挤强度低低一级的套管，可选,N-80,壁厚,10.36mm,套管，其抗挤强度为,49.35MPa,抗拉强度,Tt,=2708kN,Ts=3066kN,重量为,431.5N/m.,第二段套管的可下深度为：,实取第二段套管的深度为,3300m,则第一段套管的段长为,L1=3500-3300=200m,3500m,3300m,3,三、套管柱强度设计,(,油层套管,),（,3,）校核第一段套管的抗拉系数（上端面）和第二段套管的抗挤系数（下端面）,第一段套管的重量为,476kN/m,，,抗拉强度为,3048kN,浮力系数为：,Bf=1-1.3/7.8=0.833,第一段套管的浮重为：,T1=200*0.476=95.24kN(,空气中的重量,),T1=200*0.476*0.833=79.33kN(,钻井液中的重量,),第一段套管的抗拉系数,St1=3048/95.24=32(,安全,),第二段套管的抗挤系数,Sc1=49.35/(0.0098*1.30*3300)=1.15(,安全,),3500m,3300m,4,三、套管柱强度设计,(,油层套管,),第二段套管的顶截面取决于第三段套管的可下深度，第三段套管选,N-80,壁厚,9.10,套管,(386.9N/m,抗拉强度,2354kN,Ts=2740kN),，,抗挤强度为,38.03MPa.,按抗挤计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，其抗挤强度下降，因此要减小第三段套管的下入深度，（如果不减小，抗挤强度不够）,水泥面处套管柱的轴向力为,T1+T2=79.33+500*0.4315*0.833=259kN,3500m,3300m,水泥面,2800m,5,三、套管柱强度设计,(,油层套管,),校核水泥面的抗挤强度,3500m,3300m,水泥面,2800m,6,三、套管柱强度设计,(,油层套管,),计算第三段套管的可下深度（采用双轴应力设计）,找到一个井深，使第三段套管的下截面在拉力作用下，其抗挤安全系数接近,1.125,假设第三段套管下至,2300 m,则第二段套管的段长为,L2=1000m,第二段套管在空气中的重量：,T2=1000*0.4315=431.5kN,第二段套管在钻井液中的重量：,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,考虑双轴应力后第三段套管的抗挤强度为,Pcc3=Pc3*K=34.67MPa,第三段套管的抗挤安全系数为,Sc3=34.67/(0.0098*1.3*2300)=1.159(,安全,),3500m,3300m,水泥面,2800,m,2300,m,7,三、套管柱强度设计,(,油层套管,),校核第二段套管顶截面的抗拉安全系数（,Tt2=2708kN,）,St2=Tt2/(T1+T2),=2708/(95.24+431.5),=5.14 (,安全,),校核第三段套管顶部（井口）的抗拉强度,因为,T3=2354kN,W3=386.9N/m,ST3=2354/(T1+T2+T3)=1.66,井口抗拉系数小于,1.8,抗拉强度不符合要求。,3500,m,3300,m,水泥面,2800,m,2300,m,8,三、套管柱强度设计,(,油层套管,),(4),按抗拉设计确定第三段套管的许用长度,实际取L3=2000m,T3=2000*0.3869=774kN,第三段套管顶截面的安全系数为：,St3=2354/(95.24+431.5+774)=1.81,3500,m,3300,m,水泥面,2800,m,2300,m,2000,m,9,三、套管柱强度设计,(,油层套管,),第四段套管选用,N-80,壁厚,10,。,36,mm,，,长度为,300,m,井口的抗拉安全系数为：,ST4=2708/(T1+T2+T3+T4),=2708/(95+431.5+779+129),=1.89,(5),校核井口内压,Si,=Pi/,ps,=57.36/,ps,=1.56,3500,m,3300,m,水泥面2800,m,2300,m,300,m,10,以上介绍了套管柱外载分析与计算、套管柱强度设计的基本原理和方法，同时以技术套管为例介绍了套管柱强度设计的步骤，并给出了设计例子。,在现场的套管柱设计中，还会遇到一些特殊的问题：,如在腐蚀性环境中要考虑井内流体对套管的腐蚀问题，如硫化氢气体、酸性气体（如二氧化碳）、腐蚀性地层水中的碳酸根和碳酸氢根等对套管的腐蚀问题，这时除强度考虑外，在套管材质上还应选用具有抗腐蚀能力的套管。,三、套管柱强度设计,11,又如对高压气井，为防止气体在螺纹连接处泄露，应选用密封性能良好的特殊螺纹套管。,如果管外存在有易流动地层（如塑性盐层），则在该地层附近的外压力要按上覆岩层压力计算，或根据岩石蠕变理论计算岩石蠕变所产生的挤压力。,更为严重的是，塑性蠕变地层对套管所产生的挤压力在周向上往往是非均布的，而套管抵抗非均布外压力的能力很低。已有许多理论（包括实验）来计算这种非均布载荷和在这种非均布载荷下套管的承压能力。,三、套管柱强度设计,12,三、套管柱设计方法,其它套管强度设计方法,边界载荷法,最大载荷法,AMOCO,西德,BEB,方法,13,三、套管柱设计方法,大作业：,已知：套管下深,H=3100m,设计,外径,D=139.7mm,水泥面深,h=2500m,管外泥浆密度,1.2,g/cm3,管外泥浆密度,1.07,g/cm3,取设计安全系数：,St=1.8 Sc=1.0,Si,=1.1,现有,N80,K55,两种钢级套管，试设计套管柱。,14,第二节,油 井 水 泥,15,一、油井水泥,1.,油井水泥级别和类型,目前国内外使用的油井水泥主要是硅酸盐水泥，是由水硬性硅酸钙为主要成分，加入适量石膏和助磨剂（或是加入适量的石膏或石膏和水），磨细制成的产品,。,水泥浆：干水泥与水（经常还要加入外加剂）混合而成的浆体称为。,水泥石：水泥浆凝结硬化后形成,水泥环：在井下环形空间中的水泥石,16,一、油井水泥,1.,油井水泥级别和类型,目前国内外使用的油井水泥主要是硅酸盐水泥，是由水硬性硅酸钙为主要成分，加入适量石膏和助磨剂（或是加入适量的石膏或石膏和水），磨细制成的产品。,水泥浆：干水泥与水（经常还要加入外加剂）混合而成的浆体称为。,水泥石：水泥浆凝结硬化后形成,水泥环：在井下环形空间中的水泥石,17,一、油井水泥,1.,油井水泥级别和类型,水泥级别：适应不同井深的需要和防止地层流体中硫酸盐对水泥石的腐蚀，有多种级别、类型的油井水泥可供选用。美国石油学会（,API,）,规定了,8,种级别的油井水泥，我国也参照,API,标准制定了油井水泥的标准。,表,7-5,API,油井水泥使用范围,级别,类 型,备注,普通型,中抗硫酸盐型,高抗硫酸盐型,A,普通水泥,B,抗硫水泥,C,具有高早期强度,D,适于中温条件,E,适于高温条件,F,适于超高温条件,G,基本油井水泥,H,基本油井水泥,18,一、油井水泥,2.,水泥的水化反应,凝结过程（硬化过程）：水泥与水混合后，迅速与水发生水化反应，生成各种水化产物，水泥浆也逐渐由液态转变为固态的过程，并形成的四种矿物成分：硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙和铁铝酸四钙。,硅酸三钙：,3,CaO,SiO,2,（,简写,C,3,S,）。,是水泥产生强度的主要化合物，它强度增长快，最后强度也大。,硅酸二钙：,型,2,CaO,SiO,2,（,简写,C,2,S,）。,水化反应慢，强度增长慢，但能在长时间内逐渐增大水泥的强度,19,一、油井水泥,2.,水泥的水化反应,铝酸三钙：,3,CaO,Al,2,O,3,（,简写,C,3,A,）。,水化反应速度最快，是决定水泥浆初凝时间和稠化时间的主要因素，对水泥浆的流变性也有很大影响。铝酸三钙对硫酸盐类侵蚀最敏感，因此在抗硫水泥中对铝酸三钙含量有限制。中抗硫酸盐型水泥中铝酸三钙的含量不能超过,8%,，高抗硫酸盐型的水泥中铝酸三钙的含量不能超过,3%,。,铁铝酸四钙：,4,CaO,Al,2,O,3,Fe,2,O,3,（,简写,C,4,AF,）。,水化速度仅次于铝酸三钙，早期强度增长快，硬化三天和,28,天的强度值差别不大，强度的绝对值也不大。,20,一、油井水泥,2.,水泥的水化反应,三类水化反应：,1,）,C,3,A,的水化反应,3,CaO,Al,2,O,3,+6H,2,O 3CaO,Al,2,O,3,6H,2,O,2,）,C3S,、,C2S,及,C4AF,的水化反应,2(3,CaO,SiO,2,)+6H,2,O,3CaO,2SiO,2,3H,2,O+3Ca(OH),2,2(2CaO,SiO,2,)+4H,2,O,3CaO,2SiO,2,3H,2,O+Ca(OH),2,4CaO,Al,2,O,3,Fe,2,O,3,+2Ca(OH),2,+10H,2,O 3CaO,Al,2,O,3,6H,2,O+3CaO,Fe,2,O,3,6H,2,O,3,）,水化的,C3A,与二水石膏的水化反应,3,CaO,Al,2,O,3,6H,2,O+3(CaSO,4,2H,2,O)+20H,2,O 3CaO,Al,2,O,3,3CaSO,4,3,2H,2,O,21,一、油井水泥,2.,水泥的水化反应,有关水化反应的说明：,水泥的水化反应是一个不断进行的过程。随着水化的不断进行，水泥浆从凝胶态逐渐向结晶态发展，最后形成硬化的水泥石。,水泥的水化反应是一放热反应，在工程上可利用这一特点来探测水泥浆在环形空间内的上返高度。,另外，水泥在水化过程中要发生体积收缩（水化后生成物的总体积小于水化前反应物的总体积），在一定条件下该体积收缩对固井质量有着重要的影响,22,一、油井水泥,2.,水泥的水化反应,有关水化反应的说明：,在油气井固井中，水泥的水化反应是在井下一定的温度压力条件下进行的。温度压力对水泥的水化速度有很大的影响，一般随温度压力的增加，水泥水化速度加快，其中温度的影响更显著。正因为如此，水泥浆的有关性能一般均是在模拟井下温度压力的情况下测定的。,23,一、油井水泥,2.,水泥的水化反应,水化反应产物,氢氧化钙,、,水化硅酸钙凝胶,、,水化铝酸钙,、,水化铁酸钙,、,水化硫铝酸钙,。,在这些水化产物中，,氢氧化钙,析出为巨大的晶体，,水化硫铝酸钙,为较小晶体，水化铝酸钙为更小晶体状态，,含水硅酸钙和含水铁酸钙,为无定形体呈胶体状态。,水化硅酸钙凝胶,为纤维状薄片，从矿物颗粒上向外伸展出去，逐渐形成一连续的网状结构，与水化硫铝酸钙、氢氧化钙等晶体互相穿插，填充于水泥颗粒的空间，增加它们之间的粘结，使水泥强度不断提高。,24,二、油井水泥的物理性能,为了保证施工安全并提高固井质量，水泥浆以及最终所形成的水泥石必须满足一定的性能要求。性能包括：,水泥浆密度,水泥浆稠化时间,水泥浆流变性,水泥浆失水量,水泥浆稳定性,水泥石抗压强度,水泥石渗透率,其中常测定的是前六项性能,25,二、油井水泥的物理性能,1.,水泥浆密度,作用：,满足平衡压力要求,保证获得最好的水泥浆性能,基本要求：,注水泥期间既不井漏又不井喷,测 量：,用泥浆密度计（国外还有加压密度计）,影响因素：,水灰比；外掺料（指密度调节剂）用量,26,二、水泥浆性能与固井工程的关系,1.,水泥浆密度,水灰比,指的是配制水泥浆时配浆水的重量与干水泥的重量之比。,水泥浆密度与水灰比,直接相关，,关系为,注意：,干水泥的密度为,3.14,g/cm3,3.15 g/cm3,，,故当水泥浆的密度为,1.85,g/cm3,1.90g/cm3,时，水灰比约为,0.48,0.44,。,当干水泥中所混合的外加剂加量较大、尤其是为了调节水泥浆密度掺了,加重剂或减轻剂,（又称为外掺料）时，上式中干水泥密度,c,取水泥和这些外加剂及,/,或外掺料混合后的固相混合物平均密度。这时，,m,为水固比,。,27,二、油井水泥的物理性能,2.,水泥浆的稠化时间,定义,：在,井下温度压力条件下，从给水泥浆加温加压时起至水泥浆稠度达,100,Bc,（,Bc,为稠度单位）所经历的时间称为,水泥浆的稠化时间,。,作用,：,保证施工安全。,要求,：整个注水泥施工作业能够在稠化时间以内完成，并包含一定的安全系数。一般：施工时间,+1,小时,稠化时间。,测量,：常压稠度仪；高温高压稠度仪,测定,“,稠度,-,时间,”,曲线，当稠度达到,100,Bc,时的时间。,Bc,为稠度单位。,影响因素：,水灰比；温度与压力；外加剂,28,二、油井水泥的物理性能,水泥浆的稠化时间,稠度,时间,29,二、油井水泥的物理性能,3.,水泥浆失水,概念：,水泥浆中自由水通过井壁向地层渗入的现象,危害：,水泥浆大量失水将造成水泥浆急剧变稠，大大影响其流动性，从而不利于水泥浆对钻井液的顶替。,水泥浆大量失水进入油气层也将对油气层产生损害。,作用：,保证水泥浆的稳定性,保证施工安全、防止桥堵,有利于防气窜,30,二、油井水泥的物理性能,3.,水泥浆失水,要求：,根据不同的井况和施工条件规定。,水泥浆失水量,指的是水泥浆失水的快慢程度，失水量大小用,30,分钟内的失水总体积表示。原则上说，水泥浆失水量越小越好，但控制水泥浆失水的外加剂通常对水泥浆的流变性、稠化时间、抗压强度等有影响，因此应权衡考虑。,一般套管注水泥,100,ml/30min,200 ml/30min,；,挤水泥或尾管注水泥,50,ml/30min,150 ml/30min,；防,气窜,20,ml/30min,40ml/30min,；,高密度水泥应低于,50,ml/30min,。,测量：,失水仪，（常温与高温、,7,MPa,30min,）,影响因素：,水灰比；压差；地层的渗透性；外加剂；泥浆的泥饼,31,二、油井水泥的物理性能,4.,水泥浆流变性,概念：,水泥浆在外加剪切应力作用下流动变形的特性。,作用：,计算流动阻力，选择施工装置和设备，防止井压漏，保证施工安全,实现紊流或塞流顶替，提高顶替效率,要求：,有利于提高顶替效率,测量：,旋转粘度计、高温高压流变仪（,模拟井下温度压力测定,）,计算：,流变参数；临界流速，,用流变参数衡量,影响因素：,水灰比；温度与压力；外加剂,32,二、油井水泥的物理性能,5.,水泥浆稳定性,水泥浆的稳定性测试包括,自由水含量测试,和,沉降稳定性测试,，目前现场常测试的是自由水含量。,在静止过程中，水泥浆中的自由水自水泥浆中析出而形成连续水相的现象称为,析水,。单位体积水泥浆所析出的自由水体积即为水泥浆自由水含量（也称,析水量,），为百分数。,沉降稳定性,指的是在静止状态下，由于颗粒沉降而导致水泥浆上下密度不一致的现象。,33,二、油井水泥的物理性能,5.,水泥浆稳定性,析水和沉降稳定性的关系：,水泥浆有析水实际上就有沉降稳定性问题，但水泥浆无析水不一定沉降稳定性就好。,危害：,水泥浆析水量过大和沉降稳定性不好,，将导致水泥浆密度分布不均，所形成的水泥石强度不一致，影响对地层的封隔。,如果在井下，由于析水而形成纵向水槽，将影响环空的封隔,在定向井、水平井中，如果不控制析水，容易在环空的上侧形成连续水槽，严重影响封固质量。,要求：,原则上,析水越小越好,、,沉降稳定性中水泥浆上下密度的差别越小越好,，在定向井和水平井中要使用零析水水泥浆。,34,二、油井水泥的物理性能,6.,水泥石抗压强度,目前是通过测试水泥石的抗压强度来检验水泥石的力学性能。,概念：,水泥石在压力作用下达到破坏前单位面积上所能承受的力称为水泥石的,抗压强度,。,要求：,1,）,能支承住井内的套管,2,）,能承受住钻进时的冲击载荷,3,）,能承受酸化压裂：,注水泥井段在承受酸化压裂时的压力的最薄弱环节不是水泥石本身，而应是水泥环与井壁胶结处（或水泥环与套管胶结处），水泥石强度远大于水泥环与井壁的胶结强度。,测量：,国内：抗折强度,抗折试验机,API,：,抗压强度,万能材料试验机,影响因素：,水灰比；温度与压力；外加剂,35,二、油井水泥的物理性能,7.,水泥石渗透率,概念：,水泥石的渗透率指的是在一定压差下，水泥石允许流体通过的能力。,要求：,尽可能低,测量：,水泥渗透率仪,注意该指标有时间性,影响因素：,水灰比；温度与压力；外加剂,注意：,为实现封隔，水泥石的渗透率越低越好，而水泥石的渗透率都低于,1,10,-5,平方微米，因此水泥环基体即水泥石）可实现层间封隔；但如果水泥环与套管或水泥环与井壁间存在,微环隙、或胶结强度不够高,，则对层间封隔有严重影响。问题又回到了水泥与套管和水泥与井壁的胶结上。,36,三、油井水泥外加剂,为了满足不同情况下固井施工和固井质量的要求，注水泥时在水泥浆中一般均加有各种外加剂来调节水泥浆的性能。,常规的水泥外加剂有缓凝剂、速凝剂、减阻剂、降失水剂、减轻剂、加重剂。,缓凝剂,和,速凝剂,用来调节水泥浆的稠化时间，有的速凝剂还能提高水泥石的早期强度。,加入,减阻剂,的目的是为了改善水泥浆的流动性能、降低流动摩阻,降失水剂,的作用是降低水泥浆的失水量，防止水泥浆脱水。在井下有低压易漏失层时，为了防止注水泥时发生井漏，常加入本身密度低的减轻材料（如硅藻土、漂珠）以降低水泥浆的密度。,当地层压力高到一定值时，需要加入密度大的添加剂（如铁矿粉）提高水泥浆的密度以平衡地层压力。,37,第三节,注 水 泥,38,注水泥的目的在于提供良好的环空封隔。为实现这一目的，要解决以下二个方面的的问题：,一是如何使环形空间充满水泥浆；,二是如何使水泥浆在凝结过程中压稳油、气、水层和封隔好油、气、水层。,39,注水泥质量要求：,水泥浆返高和套管内水泥塞必须符合设计要求；,注水泥段环空的泥浆应全部被水泥浆顶替干净，不窜槽；,水泥环有足够的连接强度和封固性能，不发生油气水窜，能经受住酸化压裂；,水泥石能抗腐蚀。,一、提高注水泥顶替效率的措施,40,