1、井身結構設計與固井1 鉆開儲集層（生產層）； 下套管、注水泥固井，射孔、生產管柱、完井測試、防砂排液； 確定完井井底結構，使井眼與產層連通； 安裝井底和井口裝置，投產措施等； 完井工程內容: 完井是使井眼與油氣儲集層（產層、生產層）完井是使井眼與油氣儲集層（產層、生產層） 連通的工序，是銜接鉆井工程和采油工程而連通的工序，是銜接鉆井工程和采油工程而 又相對獨立的工程，包括從鉆開油氣層開始，又相對獨立的工程，包括從鉆開油氣層開始， 到下生產套管、注水泥固井、射孔、下生產到下生產套管、注水泥固井、射孔、下生產 管柱、排液，直至投產的系統工程。管柱、排液，直至投產的系統工程。 完井概念： 課程回顧課

2、程回顧 井身結構設計與固井2 主要碎屑巖和碳酸巖主要碎屑巖和碳酸巖 少量巖漿巖和變質巖，甚至頁巖少量巖漿巖和變質巖，甚至頁巖 孔隙度、滲透率、孔隙結構、潤濕性孔隙度、滲透率、孔隙結構、潤濕性 油、氣、水；稠油粘度大于油、氣、水；稠油粘度大于50mps 孔隙、裂縫、裂縫孔隙、孔隙裂縫、洞隙孔隙、裂縫、裂縫孔隙、孔隙裂縫、洞隙 塊狀、層狀、斷塊、透鏡體油藏塊狀、層狀、斷塊、透鏡體油藏 常規油、稠油、高凝油藏常規油、稠油、高凝油藏 二、儲層巖性特征：二、儲層巖性特征： 三、儲層物性：三、儲層物性： 四、儲層流體：四、儲層流體： 五、油氣藏分類：五、油氣藏分類： 六、地應力概念與確定：六、地應力概念與

3、確定： 巖層內部產生反抗變形、并作用巖層內部產生反抗變形、并作用 在地殼單位面積上的力在地殼單位面積上的力 一、巖石分類：一、巖石分類： 形成原因：沉積巖、變質巖、巖漿巖形成原因：沉積巖、變質巖、巖漿巖 課程回顧課程回顧 井身結構設計與固井3 oil zone 中間套管中間套管 (技術套管技術套管) 表層套管表層套管 生產套管生產套管 (油層套管油層套管) 主要內容主要內容: 井身結構設計井身結構設計 套管柱設計套管柱設計 注水泥技術注水泥技術 套管損壞與防護套管損壞與防護 一開一開 二開二開 三開三開 第二章第二章 井身結構設計與固井井身結構設計與固井 井身結構設計與固井4 井身結構井身結構

4、油井基礎，全井骨架油井基礎，全井骨架 固井工程固井工程套管柱設計和注水泥套管柱設計和注水泥 不僅關系全井能否順利鉆進完井，不僅關系全井能否順利鉆進完井， 而且關系能否順利生產和壽命。而且關系能否順利生產和壽命。 2006年年3月月25日，重慶開縣羅家日，重慶開縣羅家2井，井， 套管破損，地下井漏，套管破損，地下井漏， H2S噴出，噴出， 12000人緊急疏散，人緊急疏散，2口井報廢口井報廢。 第二章第二章 井身結構設計與固井井身結構設計與固井 井身結構設計與固井5 70年代以來，我國油氣田套管損壞現象十分嚴重。 1998年底大慶、吉林、中原、勝利、遼河等10多油田套損 井達14000多口，若按

5、每口井較低成本150萬元計，僅套損直 接損失210億元，還不計油井損壞停產損失。 2005年，套損嚴重油田累計套損井數和占投產井數比例： 大慶：8976口，占16%以上； 吉林：2861口，占30%以上； 勝利：3000多口，占多口，占10%以上以上； 中原：占投產井數投產井數23.3%； 并且各油田套損井數有上升趨勢。 第二章第二章 井身結構設計與固井井身結構設計與固井 井身結構設計與固井6 第一節第一節 井身結構設計井身結構設計 內容：內容：套管層次；套管層次； 每層套管下深；每層套管下深； 套管和井眼尺寸配合。套管和井眼尺寸配合。 一、套管的分類及作用一、套管的分類及作用 二、井身結構設

6、計原則二、井身結構設計原則 三、井身結構設計基礎數據三、井身結構設計基礎數據 四、裸眼井段應滿足力學平衡四、裸眼井段應滿足力學平衡 五、井身結構設計方法（舉例）五、井身結構設計方法（舉例） 六、套管尺寸和井眼尺寸選擇六、套管尺寸和井眼尺寸選擇 第二章第二章 井身結構設計與固井井身結構設計與固井 井身結構設計與固井7 1、表層套管、表層套管Surface casing 封隔封隔地表淺水層及淺部疏松和復雜層地表淺水層及淺部疏松和復雜層 安裝安裝井口、懸掛及支撐后續各層套管井口、懸掛及支撐后續各層套管 下深：根據目的層深度和地表狀況而下深：根據目的層深度和地表狀況而 定，一般為上百米甚至上千米定，一

7、般為上百米甚至上千米 2、生產套管、生產套管Production casing 鉆達目的層后下入的鉆達目的層后下入的最后一層套管最后一層套管 用以保護生產層，提供用以保護生產層，提供油氣生產通道油氣生產通道 下深：由目的層位置及完井方式而定下深：由目的層位置及完井方式而定 一、套管的分類及作用一、套管的分類及作用 第二章第二章 井身結構設計與固井井身結構設計與固井 井身結構設計與固井8 3 3、中間套管、中間套管Technical Casing 表層和生產套管間因技術要求而下，表層和生產套管間因技術要求而下， 可以是一層、兩層或更多層可以是一層、兩層或更多層 主要用來封隔不同地層壓力層系或易主

8、要用來封隔不同地層壓力層系或易 漏、噴、塌、卡等復雜地層漏、噴、塌、卡等復雜地層 4 4、尾管（襯管）、尾管（襯管）Liner 在已下入一層技術套管后采用，只對在已下入一層技術套管后采用，只對 裸眼井段下套管裸眼井段下套管( (注水泥注水泥) )，而套管柱，而套管柱 不延伸至井口。減輕下套管時鉆機的不延伸至井口。減輕下套管時鉆機的 負荷和固井后套管頭的負荷；節省套負荷和固井后套管頭的負荷；節省套 管和水泥；一般深井和超深井管和水泥；一般深井和超深井 一、套管的分類及作用一、套管的分類及作用 第二章第二章 井身結構設計與固井井身結構設計與固井 井身結構設計與固井9 例：克拉例：克拉2 2氣田井身

9、結構實施方案氣田井身結構實施方案 第二章第二章 井身結構設計與固井井身結構設計與固井 2828導管導管 26x300m 26x300m 18-5/8x300m18-5/8x300m 16x2600m 16x2600m 13-3/813-3/8x2600mx2600m 12-1/4x 12-1/4x 封白云巖封白云巖 10-3/4x100m+9-7/8x10-3/4x100m+9-7/8x封白云巖封白云巖 8-1/28-1/2* *目的層目的層 77尾管尾管* *目的層目的層 井身結構設計與固井10 第二章第二章 井身結構設計與固井井身結構設計與固井 井身結構設計與固井11 二、井身結構設計原則

10、二、井身結構設計原則 有效保護油氣層，避免儲層污染傷害 避免漏、噴、塌、卡等井下事故，安全、快速鉆井 鉆下部地層采用重鉆井液時產生的井內壓力，不至于 壓裂上層套管鞋處的薄弱地層 當實際地層壓力超過預測值而發生井涌時，在一定壓 力范圍內，具有壓井處理溢流能力 1. 下套管順利，井內鉆井液液柱壓力和地層壓力間的壓 差不至于壓差卡套管 第二章第二章 井身結構設計與固井井身結構設計與固井 井身結構設計與固井12 抽吸壓力系數抽吸壓力系數 ： ：0.0240.048 g/cm3 激動壓力系數激動壓力系數 ： ：0.0240.048 g/cm3 壓裂安全系數壓裂安全系數 ： ：0.030.06 g/cm3

11、 井涌允量井涌允量 ： ：0.050.08 g/cm3 壓差允值壓差允值P P： PN = 1518 MPa P A = 2123 MPa 6 個設計系數個設計系數： 孔隙壓力剖面孔隙壓力剖面 破裂壓力剖面破裂壓力剖面 坍塌壓力剖面坍塌壓力剖面 漏失壓力剖面漏失壓力剖面 4個剖面：個剖面： 三、井身結構設計基礎數據三、井身結構設計基礎數據 第二章第二章 井身結構設計與固井井身結構設計與固井 井身結構設計與固井13 鉆井液靜液柱壓力鉆井液靜液柱壓力 : :鉆井液密度鉆井液密度, ,（g/cmg/cm3 3）；H:H:液柱垂直高度，液柱垂直高度，m m Ph )MP(H.P ah 009810 1

12、.1.基本壓力概念基本壓力概念 h P d 壓力梯度壓力梯度/當量密度當量密度 單位高度（或深度）增加的壓力值單位高度（或深度）增加的壓力值 有時直接用當量密度有時直接用當量密度 表示表示 mMP H P G a h h /00981.0 e e 井身結構設計與固井14 地層壓力地層壓力(Formation Pressure) 作用在巖石孔隙流體作用在巖石孔隙流體( (油氣水油氣水) )上的壓力，上的壓力， 也叫地層孔隙壓力也叫地層孔隙壓力 當量鉆井液密度：當量鉆井液密度： 1.1.基本壓力概念基本壓力概念 p P p p p H P 00981. 0 地層破裂壓力地層破裂壓力(Fractur

13、e Pressure) 當地層壓力達到某一值時會使地層破裂當地層壓力達到某一值時會使地層破裂 當量鉆井液密度：當量鉆井液密度： f P p f f H P 00981. 0 當量鉆井液密度當量鉆井液密度 井井 深深 地層孔 隙壓力 地層破 裂壓力 井身結構設計與固井15 地層坍塌壓力地層坍塌壓力(Collapse Pressure) 當井內液柱壓力低于某一值時，地層出現坍塌當井內液柱壓力低于某一值時，地層出現坍塌 物理化學耦合作用？物理化學耦合作用？ 1.1.基本壓力概念基本壓力概念 水化 疏松疏松 地層地層 井塌井塌 井身結構設計與固井16 地層漏失壓力地層漏失壓力(Leakage Pres

14、sure) 當鉆井液柱壓力高于某一臨界值時地層發生漏失，當鉆井液柱壓力高于某一臨界值時地層發生漏失， 可分為自然漏失和壓裂漏失。可分為自然漏失和壓裂漏失。 與鉆井液性能、地層孔隙類型等有關。與鉆井液性能、地層孔隙類型等有關。 1.1.基本壓力概念基本壓力概念 井身結構設計與固井17 1.1.基本壓力概念基本壓力概念 鉆井液靜液柱壓力鉆井液靜液柱壓力(Hydrostatic Pressure) 壓力梯度壓力梯度(Pressure Gradient) 當量密度（當量密度（Equivalent Circulating Density） 地層孔隙壓力地層孔隙壓力( Formation Pressure

15、) 地層破裂壓力地層破裂壓力(Fracture Pressure) 地層坍塌壓力地層坍塌壓力(Collapse Pressure) 地層漏失壓力地層漏失壓力(Leakage Pressure) 4個剖面個剖面 井身結構設計與固井18 當量密度當量密度 井井 深深 （1）抽吸壓力系數抽吸壓力系數 Sb 2.2.關鍵設計參數關鍵設計參數 上提鉆柱時，由于抽吸作用使井內液柱壓力的上提鉆柱時，由于抽吸作用使井內液柱壓力的降低值降低值， 用當量密度表示；用當量密度表示；Sb =0.0240.048 g/cm3 pbd S bpd S bpd S maxmax 裸眼段內使用的裸眼段內使用的 最大鉆井液密度

16、最大鉆井液密度 防止裸眼井段井防止裸眼井段井 涌的鉆井液密度涌的鉆井液密度 井身結構設計與固井19 （2）激動壓力系數激動壓力系數 Sg 下放鉆柱時，由于產生壓力激動使井內壓力的下放鉆柱時，由于產生壓力激動使井內壓力的增加值增加值， 當量密度當量密度 Sg =0.0240.048 g/cm3 最大井內壓力梯度最大井內壓力梯度 gde S maxe 井筒內最大壓力梯度，當量密度 gde S maxmax 2.2.關鍵設計參數關鍵設計參數 下鉆時井筒壓力梯度下鉆時井筒壓力梯度 gbpe SS maxmax 井身結構設計與固井20 （3）井涌允量井涌允量 Sk 由于地層壓力預測的誤差，在鉆遇的最大地

17、層壓力處發生溢流，由于地層壓力預測的誤差，在鉆遇的最大地層壓力處發生溢流， 一定量的地層流體涌入井筒，在該井深處井筒壓力增加的允許一定量的地層流體涌入井筒，在該井深處井筒壓力增加的允許 值值 Sk，用當量密度表示；，用當量密度表示；Sk =0.050.08 g/cm3 kde S maxmax 任意井深處的任意井深處的最大井內壓力梯度（最大井內壓力梯度（發生溢流關井后）：發生溢流關井后）： 1maxmaxmaxcpkde DDS 最大井內壓力梯度最大井內壓力梯度（最大地層壓力所在井深最大地層壓力所在井深 處處）：）：maxp D 2.2.關鍵設計參數關鍵設計參數 井身結構設計與固井21 （4）

18、壓裂安全系數壓裂安全系數 Sf 由于地層破裂壓力預測誤差而引入的安全系數，與預測由于地層破裂壓力預測誤差而引入的安全系數，與預測 精度有關，精度有關， Sf = 0.030.06 g/cm3 套管下深的臨界條件套管下深的臨界條件-不壓裂裸眼地層而發生井漏不壓裂裸眼地層而發生井漏 裸眼井段內最大井筒壓力梯度應滿足裸眼井段內最大井筒壓力梯度應滿足 minmaxffe S 正常工況防井漏正常工況防井漏 minmaxffgbp SSS 防溢流關防溢流關 井時井漏井時井漏 min1maxmaxffcpkbp SDDSS 2.2.關鍵設計參數關鍵設計參數 井身結構設計與固井22 （5）壓差允值壓差允值P

19、P 為了在下套管過程中，不發生壓差粘卡套管的事故，應為了在下套管過程中，不發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。該限制井內鉆井液液柱壓力與地層壓力的壓力差值。 即裸眼井段所用最大鉆井液密度與最小地層孔隙壓力之即裸眼井段所用最大鉆井液密度與最小地層孔隙壓力之 間實際的間實際的最大靜止壓差最大靜止壓差應小于一個允許值應小于一個允許值P。 在正常壓力地層：在正常壓力地層： PPN N=15-18MPa=15-18MPa 在異常壓力井段：在異常壓力井段： PPa a=21-23MPa=21-23MPa PDp pd 00981. 0)( minminmax 2.2.

20、關鍵設計參數關鍵設計參數 井身結構設計與固井23 bpd S maxmax 裸眼段內最大鉆井液密度裸眼段內最大鉆井液密度 最大井筒壓力梯度最大井筒壓力梯度gde S maxmax 1maxmaxmaxcpkde DDS minmaxffe S PDp pd 00981. 0)( minminmax 四、裸眼井段應滿足的力學平衡四、裸眼井段應滿足的力學平衡 第二章第二章 井身結構設計與固井井身結構設計與固井 防壓裂裸露地層防壓裂裸露地層-井漏井漏 防壓差卡套管防壓差卡套管 正常鉆進正常鉆進 溢流關井溢流關井 井身結構設計與固井24 其中：其中： 鉆井液密度，鉆井液密度， 裸眼段內使用的最大鉆井液

21、密度，裸眼段內使用的最大鉆井液密度， 裸眼段鉆遇最大地層壓力的當量泥漿密度，裸眼段鉆遇最大地層壓力的當量泥漿密度， 最大地層孔隙壓力所處的井深，最大地層孔隙壓力所處的井深，m 裸眼段鉆遇最小地層壓力的當量泥漿密度，裸眼段鉆遇最小地層壓力的當量泥漿密度， 最小地層孔隙壓力所處的井深，最小地層孔隙壓力所處的井深，m 裸眼段最小地層破裂壓力的當量泥漿密度，裸眼段最小地層破裂壓力的當量泥漿密度， 套管鞋處地層破裂壓力的當量泥漿密度，套管鞋處地層破裂壓力的當量泥漿密度， 套管下入深度，套管下入深度，m 3 /cmg 3 /cmg 3 /cmg 3 /cmg 3 /cmg 3 /cmg 1 1 min m

22、in min max max max c fc f p p p p d d D D D 第二章第二章 井身結構設計與固井井身結構設計與固井 井身結構設計與固井25 五、井身結構設計方法五、井身結構設計方法 生產套管下深取決于油氣層位置和完生產套管下深取決于油氣層位置和完 井方法。井方法。 1.求中間套管下入深度初選點求中間套管下入深度初選點 D21 依據（防井漏）：鉆下部地層時，井依據（防井漏）：鉆下部地層時，井 筒內最大液柱壓力不會壓裂裸眼井段地筒內最大液柱壓力不會壓裂裸眼井段地 層的最薄弱處，即井內液柱最大壓力不層的最薄弱處，即井內液柱最大壓力不 超過中間套管鞋處地層破裂壓力。超過中間套管

23、鞋處地層破裂壓力。 第二章第二章 井身結構設計與固井井身結構設計與固井 minmaxffe S pmax pmin 井身結構設計與固井26 （1）正常鉆進，不考慮發生井涌）正常鉆進，不考慮發生井涌 第二章第二章 井身結構設計與固井井身結構設計與固井 計算出計算出f2 f2 ，在破裂壓力曲線 ，在破裂壓力曲線 查出查出f 2所在的井深所在的井深 D21 ， 即為中間套管下入井深初選點。即為中間套管下入井深初選點。 gbpgde SSS maxmaxmax minmaxffgbp SSS minmaxffe S fgbpf SSS max2 26 pmax 井身結構設計與固井27 （2）異常情況，

24、發生井涌）異常情況，發生井涌 試算法求試算法求f 試取一個試取一個D21 ，計算，計算f 與查圖與查圖f 比較；比較； 若若f f ，D21為中間套管初選點，為中間套管初選點， 否則，重新試算。否則，重新試算。 一般情況下，在新探區，取以上兩種一般情況下，在新探區，取以上兩種 條件下較大值。條件下較大值。 第二章第二章 井身結構設計與固井井身結構設計與固井 1maxmaxmaxcpkde DDS min21maxmaxffpkbp SDDSS fpkbpf SDDSS 21maxmax2 pmax f D21 井身結構設計與固井28 2.驗證中間套管下到驗證中間套管下到 深度深度D21是否被卡

25、是否被卡 （1）首先求裸眼可能存在的最大靜壓差：）首先求裸眼可能存在的最大靜壓差： pmax pmax ：鉆進至 ：鉆進至D21遇到的遇到的 最大地層壓力當量泥漿密度。最大地層壓力當量泥漿密度。 Dpmin ：最小地層孔隙壓力所處的井深，：最小地層孔隙壓力所處的井深，m 若若 ，不卡，不卡，D21為中間套管下入深度為中間套管下入深度D2。 若若 ，會卡，中間套管應小于初選點深度，會卡，中間套管應小于初選點深度，需采需采 用尾管解決用尾管解決 。需根據壓差卡鉆條件確定中間套管的下深需根據壓差卡鉆條件確定中間套管的下深。 N N PP PP 第二章第二章 井身結構設計與固井井身結構設計與固井 PD

26、p pd 00981. 0)( minminmax 00981. 0)( minminmax ppbp DSP 井身結構設計與固井29 在地層壓力曲線上找出在地層壓力曲線上找出 深度即為中間套管的下深深度即為中間套管的下深 D2 。 pper （2）求壓差）求壓差 條件下允許的最條件下允許的最 大地層壓力大地層壓力 N P pper bpperd pdN S DP 00981. 0)( minmin 第二章第二章 井身結構設計與固井井身結構設計與固井 bp N pper S D P min min 00981.0 D21 pper 井身結構設計與固井30 2f pper 3.求鉆井尾管下入深度

27、初選點求鉆井尾管下入深度初選點D31 根據根據 D2 處地層破裂壓力處地層破裂壓力 ， 求出繼續向下鉆進時求出繼續向下鉆進時 裸眼段允許最大地層壓力裸眼段允許最大地層壓力 試算法：試算法：先試取一個先試取一個 D31，計算，計算 ， 若計算若計算 與實際值接近且略大，與實際值接近且略大， 則則 D31 為尾管初選點，否則重試。為尾管初選點，否則重試。 pper pper 31 2 2 pperfbfk D SSS D 2312 /DDSSS kfbpperf 第二章第二章 井身結構設計與固井井身結構設計與固井 30 pmax 井身結構設計與固井31 4.校核尾管下到校核尾管下到 D31 是否被

28、卡是否被卡 校核方法同校核方法同 2 2，P N 換成換成P A 5.計算表層套管下入深度計算表層套管下入深度 D1 根據根據 D2 處地層壓力處地層壓力 ， 計算若鉆進到計算若鉆進到 D2 發生井涌關井，發生井涌關井， 表層套管鞋處承受壓力當量密度：表層套管鞋處承受壓力當量密度： 2p 試算：試取試算：試取 D1， 計算計算 查得查得 , ,確定確定 D1 否則重試。否則重試。 1f 第二章第二章 井身結構設計與固井井身結構設計與固井 1221 /DDSSS kfbpf , 1f p2 井身結構設計與固井32 井身結構設計方法：井身結構設計方法： 由內而外，自下而上；由內而外，自下而上； 已

29、知下層套管下深，求上層套管已知下層套管下深，求上層套管 下深（中間，表層）；下深（中間，表層）； 已知上層套管下深，求下層套管已知上層套管下深，求下層套管 下深（如尾管）；下深（如尾管）； 第二章第二章 井身結構設計與固井井身結構設計與固井 設計準則：設計準則： 1.不井涌不井涌 2.鉆下部地層時不壓裂上部薄弱地層；鉆下部地層時不壓裂上部薄弱地層； 3.不壓差卡管柱；不壓差卡管柱； 井身結構設計與固井33 設計舉例設計舉例 某井設計井深為某井設計井深為 4400 m； 地層孔隙壓力梯度和破裂地層孔隙壓力梯度和破裂 壓力梯度壓力梯度 剖面如圖剖面如圖 。 試進行該井井身結構設計。試進行該井井身結

30、構設計。 給定設計系數：給定設計系數： Sb = 0.036 ； Sg = 0.04 ； Sk = 0.06 ； Sf = 0.03 ； PN = 12 Mpa ; PA = 18 MPa ; 第二章第二章 井身結構設計與固井井身結構設計與固井 井身結構設計與固井34 解：解： 由圖上查得由圖上查得 （1）中間套管下入深度初選點）中間套管下入深度初選點 由由 試取試取 D21 =3400 m，代入上式得：，代入上式得： 由破裂壓力曲線查得由破裂壓力曲線查得 且接近，故確定且接近，故確定 D21 = 3400 m 。 mDcmg pp 4250,/04. 2 max 3 max 21 D max

31、max21 / fpbfkp SSSDD 3 2.04 0.036 0.03 0.06 4250/3400 2.181 / f g cm 3400 3 3400 ,/19. 2 fff cmg 第二章第二章 井身結構設計與固井井身結構設計與固井 生生 產產 套套 管管 4400 井身結構設計與固井35 （2）校核中間套管是否會被卡）校核中間套管是否會被卡 由由P P曲線，鉆進到深度曲線，鉆進到深度 D21 =3400 m時，時， 遇到最大地層壓力遇到最大地層壓力 因因 由由 因因P PN = 12 MPa, 故中間套管下深應淺于初選點。故中間套管下深應淺于初選點。 查得查得 =1.435 對應

32、對應 D2 = 3200 m。 3 3400 = 1.57 g/cm p 3 minmin 1.07/,3050 p g cmDm 3 min 3 min 12 1.07 0.036 1.435 / 9.81 100.00981 3050 N pperpb P Sg cm D maxminmin ()0.00981 pbp PSD (1.570.0361.07)30500.0098116.037PMPa pper 第二章第二章 井身結構設計與固井井身結構設計與固井 井身結構設計與固井36 （3）確定尾管下深的初選點）確定尾管下深的初選點 D31 由由f曲線查得：曲線查得： 由：由： 試取試取

33、D D31 31 =3900m =3900m，得，得 由由p曲線，曲線， 故確定初選點故確定初選點 D31 = 3900 m. 31 2 2 31 2.15 0.036 0.030.06 3200 pperfbfk D SSS D D 3 3200 2.15 / f g cm 3 2.01 / pper g cm 3 3900 1.942.01 / ppper g cm 第二章第二章 井身結構設計與固井井身結構設計與固井 井身結構設計與固井37 （4）校核是否會卡尾管）校核是否會卡尾管 計算壓差：計算壓差： 因為因為 ， 故確定尾管下深為故確定尾管下深為 D3 = D31 = 3900m 。

34、maxminmin ()0.00981 (1.940.0361.435) 32000.0098116.98 pbp PSD MPa 18 A PPMPa 第二章第二章 井身結構設計與固井井身結構設計與固井 井身結構設計與固井38 （5）確定表層套管下深）確定表層套管下深 D1 由：由：2 2 1 1 3200 1.4350.0360.030.06 fEpbfk D SSS D D 試取試取 D1 = 850 m , 代入上式計算得代入上式計算得 由由f曲線查得曲線查得 故確定故確定 D1 = 850 m。 3 /737. 1cmg fE 3 850850 1.74 /, ffEf g cm 第

35、二章第二章 井身結構設計與固井井身結構設計與固井 井身結構設計與固井39 六、套管尺寸和井眼尺寸選擇六、套管尺寸和井眼尺寸選擇 目前我國使用最多的套管目前我國使用最多的套管/鉆頭系列是：鉆頭系列是： 2 1 4) 8 7 5(7) 2 1 8( 8 5 9) 4 1 12( 8 3 13) 2 1 17(20) 26( 套管和井眼尺寸確定一般是由內到外進行套管和井眼尺寸確定一般是由內到外進行 根據采油要求根據采油要求 油層套管尺寸油層套管尺寸 匹配鉆頭匹配鉆頭 套管與井眼間間隙與井身質量、固井水泥環強度要求、下套套管與井眼間間隙與井身質量、固井水泥環強度要求、下套 管時井內波動壓力、套管尺寸等

36、因素有關。管時井內波動壓力、套管尺寸等因素有關。 間隙最小：間隙最小：9.5mm 9.5mm 12.7mm12.7mm，最好：最好：19.0mm19.0mm。 目前，根據套管層次不同，已基本形成了較穩定的系列。目前，根據套管層次不同，已基本形成了較穩定的系列。 第二章第二章 井身結構設計與固井井身結構設計與固井 井身結構設計與固井40 第二章第二章 井身結構設計與固井井身結構設計與固井 81/2 井身結構設計與固井41 2828導管導管 26x300m 26x300m 18-5/8x300m18-5/8x300m 16x2600m 16x2600m 13-3/813-3/8x2600mx260

37、0m 12-1/4x 12-1/4x 封白云巖封白云巖 10-3/4x100m+9-7/8x10-3/4x100m+9-7/8x封白云封白云 巖巖 8-1/28-1/2* *目的層目的層 77尾管尾管* *目的層目的層 克拉克拉2 2氣田典型井身結構氣田典型井身結構 第二章第二章 井身結構設計與固井井身結構設計與固井 井身結構設計與固井42 30 20 16 10-3/4 13-3/8 9-5/8 2.16 2.18 2.30 泥線泥線90m 第二章第二章 井身結構設計與固井井身結構設計與固井 井身結構設計與固井43 maxminmin ()0.00981 dpp DP maxmax11 /

38、dfkpcfc SSDD HOMEWORK: 1.如何理解防壓差卡井關系防壓差卡井關系： 2.如何理解防關井井漏關系防關井井漏關系： 3. 某井油層位于2600m，預測p=1.30 ，鉆至200m下 表層套管，液壓實驗測得套管鞋處 ，問不下中 間套管能否順利鉆達油層？ 已知：Sb = 0.036 ； Sg = 0.04 ； Sk = 0.06 ； Sf = 0.03 3 /cmg 3 /85. 1cmg f 第二章第二章 井身結構設計與固井井身結構設計與固井 井身結構設計與固井44 oil zone 中間套管中間套管 (技術套管技術套管) 表層套管表層套管 生產套管生產套管 (油層套管油層套管

39、) 主要內容主要內容: 井身結構設計井身結構設計 套管柱設計套管柱設計 注水泥技術注水泥技術 套管損壞與防護套管損壞與防護 一開一開 二開二開 三開三開 第二章第二章 井身結構設計與固井井身結構設計與固井 井身結構設計與固井45 一、套管和套管柱一、套管和套管柱 套管：套管：優質鋼材制成的無縫管或焊接管，一端為公扣，直接優質鋼材制成的無縫管或焊接管，一端為公扣，直接 車在管體上；一端為帶母扣的套管接箍。車在管體上；一端為帶母扣的套管接箍。 表征套管的主要特性參數有表征套管的主要特性參數有套管尺寸、鋼級和壁厚套管尺寸、鋼級和壁厚 第二節第二節 套管柱設計套管柱設計 井身結構設計與固井46 第二節

40、第二節 套管柱設計套管柱設計 井身結構設計與固井47 一、套管和套管柱一、套管和套管柱 套管尺寸：套管尺寸： 又稱名義外徑、公稱直徑等，是指套管本體的外又稱名義外徑、公稱直徑等，是指套管本體的外 徑；徑；API標準，共標準，共14 種尺寸。種尺寸。 第二節第二節 套管柱設計套管柱設計 井身結構設計與固井48 一、套管和套管柱一、套管和套管柱 套管的鋼級套管的鋼級: API標準規定套管本體的鋼材應達到規定的強度，標準規定套管本體的鋼材應達到規定的強度， API標準，標準， 8種種10級級 H-40, J-55, K-55, C-75, L-80, N-80, C- 90, C-95, P-110

41、, Q-125 其中，其中，字母字母只是標識，只是標識，數字數字代表套管的強度。代表套管的強度。 如：如： N-80套管，最小屈服強度套管，最小屈服強度=80 kpsi=551.58MPa 套管的壁厚套管的壁厚: 套管本體處管體的厚度，壁厚：套管本體處管體的厚度，壁厚： 5.2116.13 mm 關系套管的線重，指套管單位長度的質量關系套管的線重，指套管單位長度的質量 第二節第二節 套管柱設計套管柱設計 井身結構設計與固井49 APIAPI套管規范及強度套管規范及強度(5(5寸套管寸套管) )甲方鉆井手冊甲方鉆井手冊P192P192 第二節第二節 套管柱設計套管柱設計 井身結構設計與固井50

42、一、套管和套管柱一、套管和套管柱 套管柱：套管柱：由同一外徑、不同鋼級、不同壁厚的套管用接箍聯接由同一外徑、不同鋼級、不同壁厚的套管用接箍聯接 組成的管柱，組成的管柱， 特殊情況下也使用無接箍套管柱特殊情況下也使用無接箍套管柱 聯接是由螺紋來實現的，是套管質量和強度檢驗的聯接是由螺紋來實現的，是套管質量和強度檢驗的 重點。重點。 套管螺紋都是錐形螺紋，套管螺紋都是錐形螺紋，API規范中分為五大類，規范中分為五大類，API 標準和標準和 非非API標準標準。 第二節第二節 套管柱設計套管柱設計 類數類數標準標準名稱名稱符號或代號符號或代號 1 API標準標準 短圓螺紋短圓螺紋STC/ CSG/

43、C1 2長圓螺紋長圓螺紋LTC/ LCSG/ C2 3梯形螺紋梯形螺紋BTC/ BCSG/ C33 4直連形螺紋直連形螺紋XL/ XCSG/ CHX 5非非API標準標準特殊螺紋特殊螺紋 / 井身結構設計與固井51 二、套管柱載荷分析及套管強度二、套管柱載荷分析及套管強度 第二節第二節 套管柱設計套管柱設計 套管柱在井內所受外載復雜，不同時期（下套管、注水泥、套管柱在井內所受外載復雜，不同時期（下套管、注水泥、 后期開采等）、不同地層和地質條件下套管柱受力也不同。后期開采等）、不同地層和地質條件下套管柱受力也不同。 鹽巖層對套管柱的壓力梯度要按上覆巖石的壓力梯度計算；鹽巖層對套管柱的壓力梯度要

44、按上覆巖石的壓力梯度計算； 在酸化壓裂時承受的內壓力與正常采油時的壓力就不同；在酸化壓裂時承受的內壓力與正常采油時的壓力就不同； 在易坍塌油層生產的前、中、后期對套管柱的外擠壓力也不同在易坍塌油層生產的前、中、后期對套管柱的外擠壓力也不同 長期生產實踐證明，影響套管柱的基本載荷主要有以下幾長期生產實踐證明，影響套管柱的基本載荷主要有以下幾 種：種： 軸向載荷；外擠壓力；內壓力。 其它載荷如套管彎曲載荷、振動載荷等都考慮至安全系數中 井身結構設計與固井52 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 種套管在鉆井液中單位長度的重力，N/m ; Li 第 I 種

45、套管的長度， m ； n 組成套管柱的套管種類（鋼級、厚度）。 套管彎曲引起的附加拉力套管彎曲引起的附加拉力 Fbd， ，在井斜狗腿較大 在井斜狗腿較大 經驗公式經驗公式 ： KN Dco套管外徑，cm ；Ac 套管截面積，cm2 ； 每25m 井斜角的變化，0/ 25m 定向井、水平井及大狗腿直井中，應考慮彎曲附加拉力。定向井、水平井及大狗腿直井中，應考慮彎曲附加拉力。 33 11 (1)1010 nn d miimii ii s Fq LqLKN 0.073 bdcoc FDA 第二節第二節 套管柱設計套管柱設計 1、軸向載荷及套管抗拉強度、軸向載荷及套管抗拉強度 井身結構設計與固井53

46、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 上提或下放套管的動載、井壁摩擦力等；上提或下放套管的動載、井壁摩擦力等； 一般在安全系數中考慮。一般在安全系數中考慮。 n套管的抗拉強度套管的抗拉強度 套管所受軸向拉力一般在井口最大套管所受軸向拉力一般在井口最大 拉應力破壞形式：拉應力破壞形式：脫扣、本體拉斷脫扣、本體拉斷 通常用套管抗滑扣力表示套管抗拉強度通常用套管抗滑扣力表示套管抗拉強度 h 管內水泥漿高管內水泥漿高，m； m水泥漿密度，水泥漿密度，g/cmg/cm3 3； d鉆井液密度，鉆井液密度，g/cm3； dci 套管內徑，套管內徑，cm。 ci dm

47、 c d h F 2 41000 )( 第二節第二節 套管柱設計套管柱設計 井身結構設計與固井54 2、外擠載荷及套管抗外擠強度、外擠載荷及套管抗外擠強度 （1）外擠壓力）外擠壓力主要載荷：主要載荷： 一般情況下按套管內部全掏空時管外壓力計算：一般情況下按套管內部全掏空時管外壓力計算： MPa 高塑性巖石，按上覆巖層壓力計算，梯度高塑性巖石，按上覆巖層壓力計算，梯度 2327kPa/m。 0.00981 ocd pD 管外液柱壓力管外液柱壓力 地層中流體壓力地層中流體壓力 高塑性巖石側向擠壓力高塑性巖石側向擠壓力 地質構造應力等地質構造應力等 第二節第二節 套管柱設計套管柱設計 井身結構設計與

48、固井55 套管內全掏空 載荷 井 深 套管內載荷套管內載荷套管外載荷套管外載荷 載荷 井 深 有效外載荷有效外載荷 套管內液面套管內液面 載荷 井 深 井身結構 第二節第二節 套管柱設計套管柱設計 井身結構設計與固井56 2、外擠載荷及套管抗外擠強度、外擠載荷及套管抗外擠強度 （2）套管抗擠強度：）套管抗擠強度：指擠毀套管試件需要的最大外擠壓力。指擠毀套管試件需要的最大外擠壓力。 外擠作用下破壞形式：外擠作用下破壞形式： 根據現有套管尺寸，絕大部分是失穩破壞，其根據現有套管尺寸，絕大部分是失穩破壞，其抗擠強度抗擠強度可可 在鉆井手冊或套管手冊中查得。在鉆井手冊或套管手冊中查得。 徑厚比大時，失

49、穩破壞徑厚比大時，失穩破壞( (失圓、擠扁失圓、擠扁) ) 徑厚比小時，強度破壞徑厚比小時，強度破壞 第二節第二節 套管柱設計套管柱設計 失穩后的套管被擠扁（輕者）或破裂，使鉆頭或其它井下工 作不能通過，地層封隔遭到破壞，將被迫停鉆或停產，套管 損壞嚴重者油氣井報廢。 井身結構設計與固井57 （3）有軸向載荷時的套管抗擠強度（雙向應力）有軸向載荷時的套管抗擠強度（雙向應力） 套管內微小單元，外載作用下產生三向應力套管內微小單元，外載作用下產生三向應力 由第四強度理論：由第四強度理論： 對于薄壁管，對于薄壁管， 可忽略，變為雙向應力問題。可忽略，變為雙向應力問題。 變換為橢圓方程：變換為橢圓方程

50、： 按拉為正、壓為負，橢圓形方程。按拉為正、壓為負，橢圓形方程。 , zrt rrt , 222 stztz 1 2 22 s tz s t s z 橢圓圖上橢圓圖上, , 百分比為縱坐標百分比為縱坐標, , 百分比為橫坐標百分比為橫坐標. . st / sz / )()()( 2 1 222 rzztrts 第二節第二節 套管柱設計套管柱設計 井身結構設計與固井58 軸向受壓軸向受壓 抗內壓強度降低抗內壓強度降低 軸向拉力軸向拉力 抗內壓強度增加抗內壓強度增加 軸向受壓軸向受壓 抗擠強度增加抗擠強度增加 軸向拉力軸向拉力 抗擠強度降低抗擠強度降低 第二節第二節 套管柱設計套管柱設計 井身結構

51、設計與固井59 由強度條件的雙向應力橢圓可以看出由強度條件的雙向應力橢圓可以看出: 第一象限第一象限: 軸向拉伸與內壓聯合作用軸向拉伸與內壓聯合作用 軸向拉力軸向拉力 抗內壓強度增加抗內壓強度增加. 第二象限第二象限: 軸向壓縮與內壓聯合作用軸向壓縮與內壓聯合作用 軸向受壓軸向受壓 抗內壓強度降低抗內壓強度降低. 第三象限第三象限: 軸向壓縮與外擠聯合作用軸向壓縮與外擠聯合作用 軸向受壓軸向受壓 抗外擠強度增加抗外擠強度增加. 第四象限第四象限: 軸向拉伸與外擠聯合作用軸向拉伸與外擠聯合作用 軸向拉力軸向拉力 抗外擠強度降低抗外擠強度降低（需考慮）（需考慮） 第二節第二節 套管柱設計套管柱設計

52、 井身結構設計與固井60 考慮軸向拉力影響時的抗外擠強度公式考慮軸向拉力影響時的抗外擠強度公式 PCC的推導的推導: 如圖如圖: t dp ccc t 2 由雙向應力橢圓方程，當由雙向應力橢圓方程，當Z =0時時, 22 st 根據上式則有根據上式則有: t dp cc s 2 由上由上2式代入雙向應力橢圓方程，簡化得式代入雙向應力橢圓方程，簡化得 (1.030.74) m ccc s F pp F Fm軸向拉力，軸向拉力， KN； Fs管體屈服強度，管體屈服強度，KN； ，MPa 第二節第二節 套管柱設計套管柱設計 井身結構設計與固井61 井身結構設計與固井62 考慮管外平衡壓力，一般井口內

53、壓最大。考慮三種最危險情況：考慮管外平衡壓力，一般井口內壓最大。考慮三種最危險情況： 套管內完全充滿天然氣并關井時的內壓力；套管內完全充滿天然氣并關井時的內壓力； 以井口裝置承壓能力作為套管在井口所受的內壓力；以井口裝置承壓能力作為套管在井口所受的內壓力； 以套管鞋處的地層破裂壓力值確定井口內壓力。以套管鞋處的地層破裂壓力值確定井口內壓力。 實際設計時，通常按套管內完全充滿天然氣時計算。實際設計時，通常按套管內完全充滿天然氣時計算。 4 1.1155 10 gas i GD p p e 井底氣壓，井底氣壓，Mpa G 天然氣與空氣密度比天然氣與空氣密度比,0.55 gas p )( ffi G

54、GDp f f G G 套管鞋處破裂壓力梯度，套管鞋處破裂壓力梯度，Mpa/m ； 附加系數，取附加系數，取0.0012 Mpa/m 。 3、內壓載荷及套管抗內壓強度、內壓載荷及套管抗內壓強度 第二節第二節 套管柱設計套管柱設計 井身結構設計與固井63 第二節第二節 套管柱設計套管柱設計 套管內全掏空 載荷 井 深 載荷 井 深 套管內壓載荷套管內壓載荷套管外載荷套管外載荷 載荷 井 深 有效內壓載荷有效內壓載荷 套管內液面套管內液面 井身結構 井身結構設計與固井64 第二節第二節 套管柱設計套管柱設計 套管內部分掏空 載荷 井 深 載荷 井 深 套管內壓載荷套管內壓載荷套管外載荷套管外載荷

55、載荷 井 深 有效內壓載荷有效內壓載荷 套管內液面 井底 井身結構 井身結構設計與固井65 （2）套管抗內壓強度）套管抗內壓強度 內壓載荷下的主要破壞形式：爆裂、絲扣密封失效內壓載荷下的主要破壞形式：爆裂、絲扣密封失效 抗內壓強度可由鉆井手冊或套管手冊查得抗內壓強度可由鉆井手冊或套管手冊查得 （3）套管的腐蝕）套管的腐蝕 原因：原因：在地下與腐蝕性流體接觸在地下與腐蝕性流體接觸 破壞形式：破壞形式：管體的有效厚度減小，套管承載力降低，鋼材管體的有效厚度減小，套管承載力降低，鋼材 性質變化性質變化 引起套管腐蝕的引起套管腐蝕的主要介質主要介質有：氣體或液體中的硫化氫、溶有：氣體或液體中的硫化氫、

56、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級套管。級套管。 第二節第二節 套管柱設計套管柱設計 井身結構設計與固井66 第二節第二節 套管柱設計套管柱設計 井身結構設計與固井67 三、套管柱強度設計三、套管柱強度設計 目的：目的： 確定合理套管確定合理套管鋼級鋼級、壁厚壁厚以及每種套管以及每種套管井深區間井深區間。 1、設計原則、設計原則 滿足強度要求，在任何危險截面上都應滿足下式：滿足強度要求，在任何危險截面上都應滿足下式： 套管強度套管強度 外載外載安全系數安全系數 應滿足鉆井作業、油氣開發和產層改造需要應滿足鉆井作業、油氣開發

57、和產層改造需要 承受外載時應有一定儲備能力承受外載時應有一定儲備能力 經濟性要好，多選擇經濟性要好，多選擇23種鋼級、種鋼級、23種壁厚，不能過多種壁厚，不能過多 安全系數安全系數 抗外擠安全系數抗外擠安全系數 Sc=1.0 抗內壓安全系數抗內壓安全系數 Si=1.1 套管抗拉強度（抗滑扣）安全系數套管抗拉強度（抗滑扣）安全系數St=1.8 第二節第二節 套管柱設計套管柱設計 井身結構設計與固井68 2、常用套管柱設計方法、常用套管柱設計方法 （1）等安全系數法）等安全系數法 各危險截面最小安全系數等于或大于規定的安全系數。各危險截面最小安全系數等于或大于規定的安全系數。 下部抗擠設計，水泥面

58、上按雙向應力；上部滿足抗拉和抗內壓下部抗擠設計，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）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。在抗拉設計時，套管柱上下考慮同一個拉力余量。 （3）另最大載荷法、）另最大載荷法、AMOCO法、西德法、西德BEB法及前蘇聯方法等。法及前蘇聯方法等。 第二節第二節 套管柱設計套管柱設計 井身結構設計與固井69 3、各層套管柱的設計特點、各層套管柱的設計特點 特點：下入的深度淺；在其頂部安裝有套管頭，要承受以 下各層套管的部分或全部重量；安裝有防噴器、采油樹等。 側重點：主要考慮內壓設計。（井噴關井時情況最

59、為嚴重） 表套表套 特點：下入的深度較深；隔離和封隔各種復雜地層；在井 噴時承受較大內壓；具有較強的耐磨性。 側重點：抗拉（下入較淺），抗內壓（井噴關井），抗外 擠（下入井深） 技套技套 特點：下入深度大，在其中下入油管，特別注意后期生產 可能出現的 各種情況。 側重點：抗拉（下入深），抗外擠（下入深），抗內壓 （后期生產） 油套油套 第二節第二節 套管柱設計套管柱設計 井身結構設計與固井70 （1）基本設計思路（自下而上）基本設計思路（自下而上） 計算可能出現最大內壓力，篩選符合抗內壓強度套管計算可能出現最大內壓力，篩選符合抗內壓強度套管 下部套管段按抗擠設計，上部按抗拉設計，各危險斷下部套

60、管段按抗擠設計，上部按抗拉設計，各危險斷 面最小安全系數要大于或等于規定值。面最小安全系數要大于或等于規定值。 通式：通式：套管強度套管強度 外載外載安全系數安全系數 水泥面以上套管抗擠強度考慮雙向應力影響水泥面以上套管抗擠強度考慮雙向應力影響 軸向拉力通常按套管在空氣中的重力計算；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。當考慮雙向應力時，按浮重計算。 第二節第二節 套管柱設計套管柱設計 4、套管柱設計的等安全系數法、套管柱設計的等安全系數法 井身結構設計與固井71 （2）設計步驟：）設計步驟： 例題：例題：某井某井177.8 mm （7 ”）油層套管下至）油層套