钻井工程试题及答案(第七章).doc

第七章 试题及答案
一、名词解释
1．何谓双向应力椭圆？
答：
在轴向上套管承受有下部套管的拉应力，在径向上存在有套管内的压力或管外液体的外挤力，套管处于双向应力的作用中。根据第四强度理论，列套管破坏的强度条件方程：
σz2+σt2-σtσz=σs2
改写为: (σz/σs)2-(σzσt)/ σs2+(σt/σs)2=1
得一椭圆方程。
用σz/σs的百分比为横坐标，用σt/σs的百分比为纵坐标，绘出的应力图，称为双向应力椭圆。

2．何谓前置液体系？
答：
前置液是注水泥过程中所用的各种前置液体的总称。前置液体系是用于在注水泥之前，向井中注入的各种专门液体。

二、简答题
1． 简述套管的的种类及其功用。
答：
（1）表层套管，表层套管是开始下入的最短最浅的一层套管，表层套管主要有两个作用：一是在其顶部安装套管头，并通过套管头悬挂和支承后续各层套管；二是隔离地表浅水层和浅部复杂地层，使淡水层不受钻井液污染。
（2）中间套管，亦称技术套管。介于表层套管和生产套管之间的套管都称中间套管，中间套管的作用是隔离不同地层孔隙压力的层系戒易塌易漏等复杂地层。
（3）生产套管。生产套管是钻达目的层后下入的最后一层套管，其作用是保护生产层，并给油气从产层流到地面提供通道。
（4）钻井衬管，亦称钻井尾管。钻井衬管常在已下入一层中间套管后采用，即只要裸眼井段下套管注水泥，套管柱不延伸至井口。采用钻井衬管可以减轻下套管时钻机的负荷和固井后套管头的负荷，同时又可节省大量套管和水泥，降低固井成本。

2． 井身结构设计的原则是什么？
答：
进行井身结构设计所遵循的原则主要有：
（1）有效地保护油气层，使不同地层压力的油气层免受钻井液的损害。
（2）应避免漏、喷、塌、卡等井下复杂情况的发生，为全井顺利钻进创造条件，以获得最短建井周期。
（3）钻下部地层采用重钻井液时产生的井内压力不致压裂上层套管外最薄弱的裸露地层。
（4）下套管过程中，井内钻井液柱的压力和地层压力之间的压力差，不致产生压差卡套管现象。
3． 套管柱设计包括哪些内容？设计原则是什么？
答：套管柱设计包括套管的强度计算；有效外在计算；及套管柱强度设计。

套管柱设计原则：
（1） 应能满足钻井作业、油气层开发和产层改造的需要；
（2） 在承受外载时应有一定的储备能力；
（3） 经济性要好。

4． 套管柱在井下可能受到哪些力的作用？主要有哪几种力？
答：套管柱在井下可能受到的力包括：
（1） 轴向拉力：套管本身自重产生的轴向拉力、套管弯曲引起的附加应力、套管内注入水泥引起的套管柱附加应力及动载和泵压变化等引起的附加应力。
（2） 外挤压力：主要有套管外液柱的压力，地层中流体的压力、高塑性岩石的侧向挤压力及其他作业时产生的压力。
（3） 内压力：主要来自地层流体（油、气、水）进入套管产生的压力及生产中特殊作业（压裂、酸化、注水）时的外来压力。
主要受：轴向拉力、外挤压力及内压力。
5． 目前主要有几种套管柱的设计方法？各有何特点？
答：
（1） 等安全系数法：它的设计思路是使各个危险截面上的最小安全系数等于或大于规定的安全系数。
（2） 边界载荷法：它的优点是套管柱各段的边界载荷相等，使套管在受拉时，各段的拉力余量是相等的，这样可避免套管浪费。
（3） 最大载荷法：其设计方法是先按内压力筛选套管，再按有效外挤力及拉应力进行强度设计。该方法对外载荷考虑细致，设计精确。
（4） AMOCO设计方法：该方法在抗挤设计中考虑拉力影响，按双轴应力设计，在计算外载时考虑到接箍处的受力，在计算内压力时也考虑拉应力的影响。
（5） BEB设计方法：设计特点是将套管分类进行设计。
（6） 前苏联的设计方法：设计思想是考虑外载按不同时期的变化，考虑不同井段的抗拉安全系数不同，不考虑双向应力，但是当拉应力达到管体屈服强度的50%时，把抗拉安全系数增加到10%。

6． 何谓双向应力椭圆？何时考虑双向应力？
答：
在轴向上套管承受有下部套管的拉应力，在径向上存在有套管内的压力或管外液体的外挤力，套管处于双向应力的作用中。根据第四强度理论，列套管破坏的强度条件方程：
σz2+σt2-σtσz=σs2
改写为: (σz/σs)2-(σzσt)/ σs2+(σt/σs)2=1
得一椭圆方程。
用σz/σs的百分比为横坐标，用σt/σs的百分比为纵坐标，绘出的应力图，称为双向应力椭圆。
轴向拉应力与外挤压力的联合作用，由于轴向拉力的存在使套管强度降低，因此此时考虑双向应力。

7． 油井水泥的主要成分和性能是什么？
答：
油井水泥的主要要成分有：
（1）硅酸三钙3CaO•SiO2(简称C3S)是水泥的主要成分，一般的含量为40%～65%，它对水泥的强度，尤其是早期强度有较大的影响。高早期强度水泥中C3S的含量可达60%～65%，缓凝水泥中含量在40%～45%。
（2）硅酸二钙2CaO•SiO2(简称C2S)，其含量一般在24%～30%之间。C2S的水化反应缓慢，强度增长慢，但能在很长一段时间内增加水泥强度，对水泥的最终强度有影响。不影响水泥的初凝时间。
（3）铝酸三钙3CaO•Al2O3（简称C3A），是促进水泥快速水化的化合物，是决定水泥初凝和稠化时间的主要因素。对水泥的最终强度影响不大，但对水泥浆的流变性及早期强度有较大影响。它对硫酸盐极为敏感，因此抗硫酸盐的水泥，应控制其含量在3%以下，但对于有较高早期强度的水泥，其含量可达15%。
（4）铁铝酸四钙4CaO2•Al2O3•Fe2O3（简称C4AF），它对强度影响较小，水化速度仅次于C3A，早期强度增长较快，含量为8%～12%。
除了以上四种主要成分之外，还有石膏、碱金属的氧化物等。

8． 水泥浆性能与固井质量有何关系？
答：
水泥浆性能与固井质量关系密切：
水泥浆密度为1.80～1.90g/cm3之间时对固井质量最好；水泥浆的稠化时间因不同的井而时间长短要合理；水泥浆的失水应当通过加入处理剂的方法使之尽量降低；水泥石强度应满足支撑和加强套管，承受钻柱的冲击载荷，承受酸化、压裂等增产措施作业的能力以及应能抵抗各种流体的腐蚀。

9． 何谓前置液体系？有何作用？
答：
前置液是注水泥过程中所用的各种前置液体的总称。前置液体系是用于在注水泥之前，向井中注入的各种专门液体。其作用是将水泥浆与钻井液隔开，起到隔离、缓冲、清洗

10． 油井完成有几种方法？各有何特点？
答：
（1） 裸眼完井法：完井时井底的储集层是裸露的，只在储集层以上用套管封固的完井方法。这种方法的优点是储集层直接与井眼连通，油气流进入井眼的阻力最小。但缺点是适应面狭窄，投产后难以实施酸化、压裂等增产措施。
（2） 射孔完井法：下入油层套管固产层后再用射孔弹将套管、水泥环、部分产层射穿，形成油气流通道的完井方法。它适合于各种储集层，但最适用于非均质储集层，是目前主要的完井方法。
（3） 防砂完井：某些砂岩储集层在生产过程中，由于砂岩胶结不良等原因导致出砂，严重时会影响产量，使井报废，所以必须采用防砂完井。常见的方式有：裸眼砾石充填完井、管内砾石充填完井、人工井壁完井。
11． 简述水泥浆失重的原因，提高注水泥顶替效率的措施有哪些？
答：
水泥浆柱在凝结过程中对其下部或地层所作用的压力逐渐减小的现象称为水泥浆失重。引起失重的原因有两个：一是胶凝失重，即水泥与水混合后，在水泥浆水化、凝结、硬化过程中，在浆体内部形成两种不同类型的三维空间网“凝聚结晶网”，正是由于这种网架的作用（胶凝作用），使水泥浆柱的一部分重量悬挂在井壁和套管上，从而降低了水泥浆柱作用在下部地层的有效压力；二是桥堵失重，即注水泥过程中，由于水泥浆失水形成的水泥饼、钻井时井下未带出的岩屑、注水泥时高速冲蚀下的岩块以及水泥颗粒的下沉等因素，在渗透层或井径和间隙较小的井段形成堵塞（即桥堵）,使得桥堵段上部浆柱压力不能继续有效地传递至桥堵段下部的地层，而下部浆柱由于体积的减小（水泥水化体积收缩和失水），桥堵前上部浆柱作用的压力就失去了一部分（或全部），此时作用在下部地层的有效静液压力就减小了。
提高注水泥顶替效率的措施有：
（1）采用套管扶正器，改善套管居中条件；
（2）注水泥过程中活动套管；
（3）调整水泥浆性能，提高顶替效率；
（4）调整水泥浆在环空中的流速。

12． 水灰比对水泥浆性能有什么影响？
答：
水灰比就是水与水泥的重量之比。在现场施工时反映的是水泥浆的密度。在固井施工中，水灰比要求的一般范围是0.50～0.42，其相应的密度范围为1.80～1.92 g/cm3。
水灰比过小，则水泥浆密度过大，水泥浆流动性变差，泵送困难。
水灰比过大，则水泥浆密度过小，将使泥浆颗粒下沉或析出大量自由水，出现串槽现象，不利于水泥石的密封效果。

13． 完井方法选择的依据是什么？
答：
油、气井的完井方法，主要依据油、气层的岩性特征及储集层性质决定的，完井方法是否合理直接关系到能否顺利投产和以后长期正常生产的大问题。因此，油气井完井方法选择的原则应该是：
（1）能有效地连通油、气层与井眼，油、气流入井内的阻力要小；
（2）能有效地封隔油、气、水层，防止互相串扰，并能满足分层开采和管理的要求；
（3）有利于井壁稳固，保证油、气井长期稳定生产；
（4）所采用的完井方法工艺简单，完井速度快，成本低。

三、计算题
14． 某井油层信于2600m，预测地层压力的当量钻井液密度为1.30g/cm3，钻至200 m下表层套管，液压实验测得套管鞋外地层破裂压力的当量钻井液密度为1.85 g/cm3，问不下技术套管是否可以顺利钻达油层？已知：Sb=0.038 g/cm3, Sk=0.05 g/cm3, Sf=0.036 g/cm3, Sg=0.04 g/cm3。
答：
15． 某井用139.7mm，N-80钢级、9.17mm的套管，其额定抗外挤强度pc=60881kPa，管体抗拉屈服强度为2078kN，其下部悬挂194 kN的套管，试计算pcc。
答：
Pcc=Pc(1.03-0.74Fm/Fs)
=60881×(1.03-0.74×194/2078)=57023kMPa

16．
17． 已知直径为139.7mm的P-110套管，壁厚7.72mm，管体屈服强度为2428.7kN ,抗挤强度为51.57MPa。试计算该套管受轴向拉力分别为500、1000 kN时的抗挤强度(单位：MPa)。
答：
轴向拉力为500 kN时的抗挤强度
Pcc=Pc（1.03-0.74W/Q）
=51.57(1.03-0.74X500/2428.7)
=45.26Mpa
或：

=45.43 Mpa
轴向拉力为1000 kN时的抗挤强度
Pcc=Pc（1.03-0.74W/Q）
=51.57(1.03-0.74X1000/2428.7)
=37.40Mpa
或:

=37.56Mpa
18． 一井深4000米，固井过程中因意外停止了泥浆循环，这时环空中由比重1.4的钻井液1200米，1.5 的隔离液400米，1.7的水泥浆1400米以及密度为1.8 g/cm3 的水泥浆充满，计算井底压力的当量密度。
解：
首先分别计算出各段液体的压降，则井底压力为

根据当量泥浆密度的概念计算井底压力当量泥浆密度：