钻进工程理论与技术固井和完井教学课件PPT

②套管弯曲引起的附加拉力
经验公式： Fbd 0.073 dcoAc kN
在为定向井、水平井以及狗腿度严重的直井中设计套管柱时，应考 虑弯曲引起的附加拉力。
③注水泥引起的附加拉力
Fc
h d ( m d )
4000
cin
kN
④其它附加拉力
•上提或下放套管时的动载、井壁摩擦力等。 •一般在安全系数中考虑。
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。
①自重引起的拉力
n
n
Fm
qi Li (1
d s
) 10 3
qmi Li 10 3 kN
i 1
i 1
qmi—— 第I种套管在钻井液中的单位长度重力，N； L i---- 第I种套管的长度，m； n —— 组成套管柱的套管种类（钢级、壁厚）。
（3）双向应力下的套管强度
从套管内部取一微小单元（如图），
分析可知，在外载作用下产生三个方向
的应力σt 、σr 、σz ，对于薄壁管， σt >>σr , σr 可以忽略。变为双向应 力问题。
由第四强度理论：
σz2 +σt2 -σzσt =σs2
σr
变换为椭圆方程：
1 z 2 s
t 2 s
pper
f 2 Sb S f
S D31
D2
k
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 确定为尾管下深初选点；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 。
•若△P > △PN ，则中间套管深度应小于初选点深度。需根据压差卡钻条件确
S 定中间套管下深。
pN
求在压差△PN 下p所p允er许的最0.大00地9层81压D力mi：n
p min
b
3、求钻井尾管下入深度的初选点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压力当量密度：
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为中间套管初选点。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。
f1
D1
f
p
f2
D2
D3
2、验证中间套管下到深度D21是否有被卡的危险
压差允值 p： PN: 15～18 MPa ， PA： 21～23 MPa
四、裸眼井段应满足的力学平衡条件
（1） ρd≥ρpmax+ Sb
（2） (ρdmax-ρpmin)×Dpmin×0.00981≤△P
（3） ρdmax+ Sg + Sf ≤ρfmin （4） ρdmax+ Sf + Sk ×Dpmax/ Dc1≤ρfc1
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；△PA =12 MPa；△PN=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
（2）套管的抗拉强度
•套管所受轴向拉力一般在井口最大。
•由拉应力引起的破坏形式：本体被拉断、脱扣。
•通常用套管的抗滑扣力表示套管的抗拉强度。
2、外挤压力及套管的抗挤强度 （1）外挤压力
•主要载荷：管外液柱的压力、地层中流体的压力、高塑性岩石（盐 膏层、泥岩层）的侧向挤压力等。
•常规情况下按套管全淘空时的管外压力计算：
（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
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。
目前，根据套管层次不同，已基本形成了较稳定的系列。
第二节 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。
因 △P > △PN =12MPa，故中间套管下深应浅于初选点。 由：
S pper
pN 0.00981Dmin
p min
b
pper
12 0.009813050
1.07 0.036 1.435g
/
cm3
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。
z t
2 s
σz σt
按拉为正、压为负，根据以上方程可画出椭圆图形。
在椭圆图上， σt/σs 的百分比为纵坐标，σz /σs 的百分比为横坐标。 由强度条件的双向应力椭圆可以看出： •第一象限：拉伸与内压联合作用。
轴向拉力的存在下使套管的抗 内压强度增加。 •第二象限：轴向压缩与内压联合作用。
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
p2 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。
在轴向受压条件下套管抗内压强度降低。 •第三象限：轴向压应力与外挤压力联合作用。
在轴向受压条件下套管抗外挤强度增加。 •第四象限：轴向拉应力与外挤压力联合作用。
轴向拉力的存在使套管的抗挤强度降低。 由于这种情况在套管柱中是经常出现的。因此在套管柱设计中应当 考虑轴向拉力对抗挤强度的影响。
其中：
防井涌
防压差卡钻 防井漏 防关井井漏
ρd —— 钻井液密度， g/cm3； 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；
Dpmin
pmin
Dc1
p
Dpmax
pmax
fc1
f
五、井身结构设计方法
1、求中间套管下入深度的初选点
（1）不考虑发生井涌
由 ρf =ρpmax+ Sb + Sg + Sf
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 管下深初选点。
（2）考虑可能发生井涌
由 ρf =ρpmax+Sb+ Sf + Sk ×Dpmax/ D21
0.06
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。
设计结果
套管层次
表层套管 中间套管 尾管 生产套管
套管下深（m） 850
3200 3900 4400
六、套管尺寸与钻头尺寸的选择
第一节 井身结构设计
主要包括套管层次和每层套管的下深，以及套管和井眼尺寸的 配合。
一、套管的分类及作用
1、表层套管
C封隔地表浅水层及浅部疏松和复杂地层； C安装井口、悬挂和支撑后续各层套管。
2、生产套管（油层套管）
钻达目的层后下入的最后一层套管，用以保护生产层，提供 油气生产通道。
3、中间套管（技术套管）
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。
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。主要用来封隔井下复杂地层。
4、尾管（衬管）
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、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。
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。
套管的钢级 API标准：H-40，J-55，K-55，C-75，L-80，N-80，C-90，C-95，P-110， Q-125。（数字×1000为套管的最小屈服强度 kpsi、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：
抽系压力系数 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
•
•
poc 9.81d D kPa
•有大段盐膏层的特殊情况下，有时将上式中的钻井液密度替换为上 覆岩层压力的当量密度进行计算。
（2）套管的抗挤强度
•外挤载荷作用下的破坏形式：
–径厚比较大时，失稳破坏（失圆、挤扁）；
–径厚比较小时，强度破坏。
•根据现有套管尺寸，绝大部分是失稳破坏。其抗挤强度可以在钻井 手册或套管手册中查到。
（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。
（5）确定表层套管下深D1
由：
fE
p2 Sb S f
S D2
D1
k
1.435
0.036
0.03
3200 D1
（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：
pper
f 2 Sb S f
S D31
D2
k
2 .15
0.036
0.03
D31 3200
0.06
试取D31=3900m，代入上式算得：ρpper=2.011g/cm3；由地层压 力曲线查得ρp3900=1.94 < ρpper=2.011 g/cm3 ，且相差不大，故确定初 选点D31=3900m。
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。
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：由同一外径、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。
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。