水平井钻井技术

§5-2 套管柱设计
一、套管和套管柱
二、套管柱受力分析及套管强度
三、套管柱强度设计
第五章 固井 §5-2 套管柱设计
一、套管和套管柱
套管：优质无缝钢管。一端为公扣，直接车在 管体上；一端为带母扣的套管接箍。 套管的尺寸系列： – API标准套管：4 1/2"，5"，5 1/2"，6 5/8"， 7"， 7 5/8"，8 5/8"，9 5/8"，10 3/4"，11 3/4"，13 3/8"，16"，18 5/8"，20"；共14种。 – 壁厚：5.21～16.13 mm。 – 小直径的套管直径小一些，大直径的套管直 径大一些。 – 另外有非标准的钢级和壁厚。
第五章 固井
§5-1 井身结构设计
§5-2
§5-3
套管柱设计
注水泥技术
本章需要8学时
§5-1 井身结构设计
一、套管的分类作用 二、井身结构设计的原则 三、井身结构设计的基础数据 四、裸眼井段应满足的力学平衡条件 五、井身结构设计方法 六、设计举例 七、套管尺寸与钻头尺寸的选择
第五章 固井 §5-1 井身结构设计
第五章 固井 §5-2 套管柱设计
二、套管柱受力分析及套管强度
套管柱在井内所受外载复杂。在不同时期（下 套管过程中、注水泥时、后期开采等过程中） 套管柱的受力也不同。 在分析和设计中主要考虑基本载荷：轴向拉力、 外挤压力及内压力。 套管柱设计时按最危险情况考虑。 1、轴向拉力及套管的抗拉强度 （1）套管的轴向拉力 自重产生的拉力、弯曲产生的附加拉力、注 水泥时产生的附加力、动载、摩阻等。
第五章 固井 §5-1 井身结构设计
三、井身结构设计的基础数据
•地层岩性剖面、地层孔隙压力剖面、地层破裂压 力剖面、地层坍塌压力剖面。 •6个设计系数： 抽吸压力系数Sb；0.024 ～0.048 g/cm3 激动压力系数Sg；0.024 ～0.048 g/cm3 压裂安全系数Sf； 0.03 ～0.06 g/cm3 井涌允量Sk；： 0.05 ～0.08 g/cm3 压差允值p； PN: 15～18 MPa ，
PA： 21～23 MPa
第五章 固井 §5-1 井身结构设计
四、裸眼井段应满足的力学平衡条件
（1） ρdmax≥ρpmax+ Sb 防井涌 （2） (ρdmax-ρpmin)×Dpmin×0.00981≤△P 防压差卡钻 （3） ρdmax+ Sg + Sf ≤ρfmin 防井漏 （4） ρdmax+ Sf + Sk ×Dpmax/ Dc1≤ρfc1 防关井井漏 其中：
（3）确定尾管下入深度初选点D31 由破裂压力曲线上查得： ρf3200=2.15g/cm3； 由：
第五章 固井 §5-1 井身结构设计
pper f 2 Sb S f
D31 D2
Sk 0.06
2.15 0.036 0.03
D31 3200
试取D31=3900m，代入上式算得： pper=2.011g/cm3 ；由 地层压力曲线查得ρp3900=1.94 < pper=2.011 g/cm3 ，且 相差不大，故确定初选点D31=3900m。 （4）校核是否会卡尾管 计算压差： △P=（1.94+0.036 - 1.435）×3200×0.00981=16.98 MPa 因为△P< △PA，故确定尾管下深为D3=D31=3900m。
套管层次 套管下深（m）
表层套管 中间套管 850 3200
尾管 3900
生产套管 4400
七、套管尺寸与钻头尺寸的选择
第五章 固井 §5-1 井身结构设计
目前我国使用最多或者说是唯一的套管钻头系列是： （26"）20" —（17 1/2"）13 3/8"—（12 1/4"）9 5/8"—（8 1/2"）7"—（5 7/8"）4 1/2" 套管和井眼尺寸的确定一般是由内到外进行，首先 根据采油工程等方面的要求确定油层套管的尺寸，然后 确定与油层套管相匹配的钻头。----。 套管与井眼之间的间隙与井身质量、固井水泥环强 度要求、下套管时的井内波动压力、套管尺寸等因素有 关。最小间隙为9.5mm，最大间隙达76mm。 每次开钻钻头直径与上层套管最小内径之间保持 6.4～13mm（1/4～1/2英寸）的间隙。 目前，根据套管层次不同，已基本形成了较稳定的 系列。
3、求钻井尾管下入深度的假定点D31 根据中间套管鞋处的地层破裂压力当量密度ρf2 ，求出 继续向下钻进时裸眼井段所允许的最大地层设计
pper f 2 Sb S f
D31 D2
Sk
用试算法求D31。试取一个D31，计算出ρpper ，与D31处 的实际地层压力当量密度比较，若计算值与实际值接 近，且略大于实际值，则确定为尾管下深假定点；否 则，另取D31进行试算 。 4、校核尾管下入到D31是否有被卡的危险 校核方法与中间套管的校核方法相同。只是将压差允 值△PN 变为△PA 。
主要用途：用以保护生产层，提供油气生产通道。 下深位置：由目的层位置及完井方式而定。
3、中间套管（技术套管） 在表层套管和生产套管之间由于技术要求下入的套管，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漏、易塌、易卡等井下 复杂地层。 4、尾管（衬管） 是在已下入一层技术套管后采用，即在裸眼井段下套管、注 水泥，而套管柱不延伸到井口。 减轻下套管时钻机的负荷和固井后套管头负荷；节省套管 和水泥。 一般深井和超深井。
第五章 固井 §5-1 井身结构设计
五、设计举例
某井设计井深为 4400 m，地层孔隙压力梯度和地层破 裂压力梯度剖面如图7-2。给定设计系数： Sb=0.036 ； Sg=0.04 ； Sk=0.06 ； Sf=0.03 ； △ PN =12 MPa ； △PA=18 MPa，试进行该井的井身结构设计。 解：由图上查得， ρpmax=2.04 g／cm3， Dpmax=4250 m． （1）确定中间套管下深初选点D21 由： ρf =ρpmax+Sb+ Sf + Sk ×Dpmax/ D21 试取D21=3400m并代入上式得： ρf =2.04+0.036+0.03+0.06 × 4250/3400=2.181 g/cm3 由破裂压力曲线上查得ρf3400=2.19 g/cm3， ρf < ρf3400且相 近。故确定D21=3400m。
第五章 固井 §5-1 井身结构设计
5、计算表层套管下入深度D1 根据中间套管鞋处的地层压力当量密度ρp2 ，计算出若 钻进到深度D2发生井涌关井时，表层套管鞋D1处所承 受的井内压力的当量密度：
fE p 2 Sb S f
D2 D1
Sk
根据上式，用试算法确定D1。 试取一个D1，计算ρfE ，计算值与D1处的地层破裂压力 当量密度值比较；若计算值接近且小于地层破裂压力 值，则确定D1为表层套管下深。否则，重新试取D1进 行试算。
2、验证中间套管下到深度D21是否有被卡的危险 首先求出裸眼中可能存在的最大静压差： △P=(ρpmax1+Sb -ρpmin)×Dmin×0.00981 ρpmax1----钻进至D21遇到的最大地层压力当量密度，g/cm3。 Dmin----最小地层孔隙压力所对应的井深，m；（当有多个最小 地层压力点时，取最大井深。） 若△P < △PN ，则确定D21为中间套管的下入深度D2。
ρdmax----裸眼井段内使用的最大钻井液密度，g/cm3； ρpmax----裸眼井段钻遇的最大地层压力的当量泥浆密度，g/cm3； Dpmax----最大地层孔隙压力所处的井深，m； ρpmin----裸眼井段钻遇的最小地层压力的当量泥浆密度，g/cm3； Dpmin----最小地层孔隙压力所处的最大井深，m； ρfmin----裸眼井段最小地层破裂压力的当量泥浆密度，g/cm3； Dc1----套管下入深度，m； ρfc1----套管鞋处地层破裂压力的当量泥浆密度， g/cm3；
第五章 固井 §5-1 井身结构设计
pper
p N 0.00981Dmin
p min Sb
pper
12 0.00981 3050
1.07 0.036 1.435 g / cm
3
在地层压力曲线上查得对应pper=1.435的深度为3200m。最 后确定中间套管下深为D2=3200m。
第五章 固井 §5-1 井身结构设计
二、井身结构设计的原则
1、有效地保护油气层； 2、有效避免漏、喷、塌、卡等井下复杂事故的发 生，保证安全、快速钻进； 3、钻下部地层采用重钻井液时产生的井内压力， 不致压裂上层套管鞋处最薄弱的裸露地层； 4、下套管过程中，井内钻井液液柱压力和地层压 力间的压差不致于压差卡套管； 5、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，具有压井处理溢流的 能力。

第五章 固井 §5-1 井身结构设计
若△P > △PN ，则中间套管深度应小于假定点深度。需根据 压差卡钻条件确定中间套管下深。 求在压差△PN 下所允许的最大地层压力：
pper
p N 0.00981Dmin
p min Sb
在地层压力曲线上找出ρpper 所在的深度即为中间套管下 深D2。
五、井身结构设计方法
第五章 固井 §5-1 井身结构设计
1、求中间套管下入深度的假定点 （1）不考虑发生井涌 由 ρf =ρpmax+ Sb + Sg + Sf ρdmax 计算出ρf ，在破裂压力曲线上查出ρf 所在的井深D21 ，即 为中间套管下深假定点。 （2）考虑可能发生井涌 由 ρf =ρpmax+Sb+ Sf + Sk ×Dpmax/ D21 用试算法求 D21；先试取一个D21，计算ρf ；将计算 出的ρf 与D21处查得的ρf 进行比较，若计算值与实际值相 差不大且略小于实际值，可以确定D21为中间套管假定点。 否则，重新进行试算。 一般情况下，在新探区，取以上（1）、（2）两种 条件下D21较大的值。
第五章 固井 §5-1 井身结构设计
（2）校核中间套管是否会被卡 由地层压力曲线上看出，钻进到深度D21=3400m时，遇到 的最大地层压力就在3400m处。查得： ρp3400=1.57g/cm3， ρpmin=1.07g/cm3，Dmin=3050m。 由 △P=(ρpmax1+Sb -ρpmin)×Dmin×0.00981 △P=（1.57+0.036 - 1.07）×3050×0.00981=16.037 MPa 因 △P > △PN =12MPa，故中间套管下深应浅于初选点。 由：

第五章 固井 §5-2 套管柱设计 •套管的钢级 –API标准：H-40，J-55，K-55，C-75，L-80，N80，C-90，C-95，P-110，Q-125。（数字×1000为 套管的最小屈服强度 kpsi）。 –1kpsi=6.8947MPa –其中， H-40，J-55，K-55，C-75，L-80，C-90 是抗硫的。 •连接螺纹的类型 –API标准：短圆（STC）、长圆（LTC）、梯形 （BTC）、直连型（XL） •套管柱：由同一内径、不同钢级、不同壁厚的套管用 接箍连接组成的管柱。特殊情况下也使用无接箍套管 柱。
主要包括套管层次和每层套管的 下深，各层套管外水泥返高，以及 套管和井眼尺寸的配合。
一、套管的分类作用
1、表层套管
主要用途： 封隔地表浅水层及浅部疏松和复杂地层； 安装井口、悬挂和支撑后续各层套管。 下深位置： 根据钻井的目的层深度和地表状况而定， 一般为上百米甚至上千米
第五章 固井 §5-1 井身结构设计 2、生产套管（油层套管）
第五章 固井§5-1 井身结构设计
（5）确定表层套管下深D1 由
fE p 2 Sb S f
D2 D1
Sk
1.435 0.036 0.03 3200 0.06 D1
试取D1=850m，代入上式计算得： ρfE=1.737 g/cm3 。
由破裂压力曲线查得ρf850=1.74 g/cm3 ， ρfE < ρf850 ，且相 近，故确定D1=850m。 最后设计结果：