套管柱设计
钻井工程-19-井身结构讲解
Sf
D31 D2
Sk
2.15 0.036 0.03 D31 0.06 3200
试取 D31 =3900m，得 pper 2.01g / cm3
由ρp曲线，p3900 1.94 pper 2.01g / cm3
故确定初选点 D31 = 3900 m.
21
（4）校核是否会卡尾管 计算压差：
钻井工程
井身结构
中国石油大学（北京）
1
oil zone
一开 表层套管
二开 中间套管
(技术套管)
三开 生产套管
(油层套管)
2
井身结构—油井基础，全井骨架 固井工程—套管柱设计和注水泥 不仅关系全井能否顺利钻进完井， 而且关系能否顺利生产和寿命。
3
井身结构设计 内容：套管层次； 每层套管下深； 套管和井眼尺寸配合。
Dpmin ——最小地层孔隙压力所处的井深，m
f min ——裸眼段最小地层破裂压力的当量泥浆密度， g / cm3
fc1 ——套管鞋处地层破裂压力的当量泥浆密度， g / cm3
Dc1 ——套管下入深度，m
11
五、井身结构设计方法
1、求中间套管下入深度初选点 D21 （1）不考虑发生井涌
一、套管的分类及作用 二、井身结构设计原则 三、井身结构设计基础数据 四、裸眼井段应满足力学平衡 五、井身结构设计方法（举例） 六、套管尺寸和井眼尺寸选择
4
一、套管的分类及作用
1、表层套管—Surface casing 封隔地表浅水层及浅部疏松和复杂层 安装井口、悬挂及支撑后续各层套管
2、中间套管—Intermediate casing 表层和生产套管间因技术要求下套管 可以是一层、两层或更多层 主要用来分隔井下复杂地层
套管及套管柱汇总
形成窜槽的原因：
• 套管不居中； • 井眼不规则；
• 水泥浆性能及顶替措施不当。
– 接触时间、顶替速度及流态、水泥浆流变性等。
（2）水泥浆凝结过程中油气水上窜
引起油气水上窜的原因： ①水泥浆失重：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。 ②桥堵引起失重，从而引起油气水上窜； ③水泥浆凝结后体积收缩；收缩率小于0.2%。 ④套管内原来有压力，放压后使套管收缩。 ⑤泥饼的存在，影响地层——水泥间（第二界面）的胶结。
第三节
2、油井水泥的主要成分
油井水泥
油井水泥属于硅酸盐类水泥，它的主要原料是石灰石、粘土和 少量铁矿石。
1）水泥熟料主要成分
（1）硅酸三钙3CaO· SiO2（简称C3S）
• 水泥的主要成份，一般的含量为 40％～65％。 • 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）， • 含量一般在24％～30％之间；
第二节
一、套管规范
套管及套管柱
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：
图
单根套管示意图
1——接箍
2——套管本体
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）。 连接螺纹的类型 API标准：短圆（STC）、长圆（LTC）、梯形（BTC）、直连型 （XL）
套管设计的力学基础
第二节套管设计的力学基础一、套管设计的力学基础1.压力法定计量单位规定，压力是作用在每平方米面积上以N(牛顿)为单位的力，国际单位为MPa，英制单位为psi。
横截面积为1m2时的lm高的液柱，作用在底部的压力数值上等于体积为1m3液体的重力。
2.静水压力由均质流体作用于一点处的压力。
静水压力是一种全方位的力，各个方向大小均匀一致。
静水压力增大，会使受力物体的体积缩小，但不会改变其形状。
某点的静水压力等于作用玉该点以上无附加压力液柱重量。
如钻井液密度为×103k g/m3，重力加速度为s2，则在3000米井深位置的静水压力为p=×103×3000×10=(2-1-1)3.静水压力梯度某点的静水压力梯度等于此点的静水压力除以深度，也等于液柱密度乘以重力加速度，单位为MPa/m，常用g/cm3表示，数值等于钻井液密度。
某井，在3000米处压力为，钻井液密度为×103k g/m3，则静水压力梯度为静水压力梯度=3000=m=cm34.浮力浮力是由套管钢材所排开的液体体积产生的力。
该力作用在套管底部，方向向上。
一般情况下，浮力在数值上等于套管底部的静水压力乘以套管的横截面积,按下式计算（单位kN）。
浮力=-10γc L A s(3-2-1)式中γc一一压力梯度，g/cm3；L一一套管深度，m；A s一一管体横截面积，m2。
例：深度为1000m的(7in)，平均重为m的套管柱，在密度为cm3的钻井液中的浮力是多少？浮力=-10×钻井液密度×1000××10-4=在井内充满钻井液的套管柱，钻井液浮力作用在套管下部，产生向上的压应力。
作用在套管柱上的轴向拉力随套管长度增加，在井口轴向拉力最大。
如套管在空气中，则浮力为零，底部轴向应力也为零。
上述情况的轴向应力分布如图3-2-1所示。
浮力随套管深度而变化，在顶部的最大轴向载荷等于套管浮重，下套管时轴向应力计算是以浮重为基础的(见图3-3。
第6讲-[第二章-套管柱及注水泥设计]——套管柱强度设计方法
![第6讲-[第二章-套管柱及注水泥设计]——套管柱强度设计方法](https://img.taocdn.com/s3/m/8e98958c85254b35eefdc8d376eeaeaad1f316a5.png)
由套管性能表查得N－80、壁厚11.51mm套管，其抗挤强度为: 泥
σD1 =60.5MPa。
返 高
因此，实际安全系数为:
SD1
D1
Pco1
60.46 45.5
1.33
D1=3500
4.6.设计举例
3）确定第二段套管可下深度和第一段套管的使用长度。
由于外挤压力愈往上愈小, 根据既安全又经济的原则, 第
②N-80、10.36mm 水
泥
D2=3300
返
高①
D1=3500
4.6.设计举例
4）确定第三段套管可下深度和第二段套管的使用长度。
显然第三段套管底部由于承受其下部套管
可下深的度重:量, 其抗挤强度必定下降, 下入深度就
不可能达到2600m, 否则其底部安全系数必 ＜1.125。
由于第二段比第三段强度大, 应将第二段套 管长度增长, 即减少第三段的下入深度, 提 高其底部的抗挤系数, 以补偿双向应力的影 响。
③
D3=2300
2800
第二章 套管柱及注水泥设计
第1节 井身结构设计 第2节 生产套管尺寸的确定 第3节 套管柱强度设计 第4节 注水泥技术 第5节 复杂类型井套管柱设计和注水泥技术简介
第3节 套管柱强度设计
1. 套管、套管柱 2. 套管柱的载荷分析及套管强度 3. 定向井套管柱载荷计算 4. 套管柱强度设计
4.套管柱强度设计
特殊情况考虑；
API规定的安全系S数i : 1.10 ~ 1.33，一般取1.10 Sc 1.00 ~ 1.25，一般取1.00 St 1.60 ~ 2.00，一般取1.80
4.5.具体的设计步骤
Step3 计算内压载荷, 筛选符合内压强度的套管； 内压载荷由套管内外的流体综合产生。内压最大的情况一般出现在井 涌关井和特殊作业（压裂、…、注水）时, 内压的计算中间套管与生 产套管是不同的。 中间套管的计算方法如我们教材上P263介绍； 生产套管的计算方法在按补充方法进行。
套管柱及其强度设计
Step2 确定安全系数；
载荷计算的精确性↑ ，安全系数↓ ； 计算公式精确性↑，安全系数↓： 对于特别情况（如含有腐蚀性气体H2S、CO2）则安全系数需按特殊情 况考虑； API规定的安全系数：
◆ API规定，钢级代号后面的数值乘以1000，即为套管（以kpsi为单 位）的最小屈服强度。这一规定除了极少数例外，也适应于非API 标准的套管。（1MPa=145.04psi；psi：磅/英寸2）
◆ 只有屈服强度 s 105 psi对H2S提敏感的，但对CO2则影响很小，
可以数年内不破坏，而在H2S～盐的环境中会在一小时内破坏。
• 地质构造力的影响
•
一般情况下，外挤载荷按最危险的情况考虑，即按套管内全部掏空 来计算套管承受的外挤载荷。
2、外挤压载荷及套管的抗挤强度
套管内全掏空
载荷
载荷
载荷
井身结构
井 深
套管内载荷
井 深
套管外载荷
井 深
套管内液面
有效载荷
2、外挤压载荷及套管的抗挤强度
（2）套管的API抗挤强度
抗外挤强度是指挤毁套管试件需要的最大外挤压力。套管 受外挤作用时，其破坏形式主要是丧失稳定性而不是强度破 坏。
1、基本概念
（1）套管的尺寸 （又称名义外径、公称直径等）是指套管本体的外 径，实际上套管尺寸已经标准化了。
套管尺寸的确定是井身结构设计的重要内容之一，前面已经介绍过。
1、基本概念
（2）套管的钢级 API标准规定套管本体的钢材应达到规定的强度， 用钢级表示。
□ 套管钢级由字母及其后面的数码组成，字母没有特殊含义，但数码 代表套管的强度。
1、轴向载荷及套管的抗拉强度
第2讲_井身结构设计
测技术得到发展，特别是近平衡钻井的推广和井控技术的掌
握，使井身结构中套管层次和下入深度的设计，逐步总结出 一套较为科学的设计方法。
在“六五”期间，我国开始应用这套方法．首先在中原
油田取得很大效益。如在3500到4700m深井中，使平均事故 时间大幅度下降、建井周期缩短、钻井成本下降。
长江大学石油工程学院钻井工程研究所
5.1、中间套管设计
2.2、发生溢流（井涌）时
f 2
剖面图中最大地层压力梯度点对应的深度（m）
p m ax
Sb S
f
D p m ax D 21
Sk
井涌条件允许值
地层设计破裂压当量密度
激动压力系数
剖面图中最大地层压力对应的当量密度值 破裂压力安全增值 中间套管下入深度的初始假定点深度（m）
长江大学石油工程学院钻井工程研究所
3、井身结构设计中所需要的基础数据
地层破裂安全增值Sf由地区统计资料得到，一般取 0.031 g/cm3； 井涌条件允许值Sk由地区统计资料得到，一般取 0.051-0.10 g/cm3； 最大回压pwh由工艺条件决定，一般取2.0-4.0MPa；
. 钻压差允许值 卡
7、水泥返深设计
对于油层，生产套管的管外水泥返深至少应该在油 层顶部200m以上。对于气层，生产套管的管外水泥 返深至少应该在油层顶部300m以上；
中间套管的管外水泥返深至少应该在复杂或大断层
100m以上； 尾管的管外水泥返深至少在尾管的悬挂器以上；
表层套管的管外水泥返到地面。
长江大学石油工程学院钻井工程研究所
长江大学石油工程学院钻井工程研究所
5.1、中间套管设计
（2）中间套管下入深度 的初始假定点D21 在压力剖面图的横坐标 上，找出前面已经确定的
《完井工程》复习题及答案_95051426570640013
课程编号：中国石油大学（北京）远程教育学院《完井工程》期末复习题学习中心：姓名：学号：专业：考场号：座位号：一、名词解释1. 泥侵2. 井身结构3. 后期裸眼完井4. 射孔孔眼参数5. 石油井口装置6.地应力7.水浸8.水灰比9.水泥浆稠化时间10.窜槽11.射孔12.正压射孔13.完井14. 出砂15.砂桥16.端部脱砂二、判断正误（正确的打√，错误的打×）1.地应力是地壳外部作用力（）2.轴向拉力作用下，套管的抗外挤强度提高（）3.套管柱的设计通常是由下而上分段设计的（）4.通常用套管的抗滑扣力表示套管的抗拉强度（）5.中间套管的作用主要是封隔地表浅水层及浅部疏松和复杂层安装井口（）6.固井时前置液的作用是将水泥浆与钻井液隔开（）7.无枪身射孔器的使用容易受到井下温度、压力的影响（）8.铅模通井应该快速下钻（）9.套管头用来安装采油树的井口装置（）10.偏心配水器可保持管柱有较大的通道，便于井下工具通过（）11.套管所受轴向拉力一般在井口最大。
（）12.由拉应力引起的破坏形式：本体被拉断、脱扣（）13.外挤作用下破坏形式有失稳破坏和强度破坏（）14.通常以套管鞋处的地层破裂压力值确定井口内压力。
（）15.以井口装置承压能力作为套管在井口所受的内压力。
（）16.API套管系列中的抗硫套管有:H K J C L级套管。
（）17.套管柱设计表层套管的设计特点：主要考虑内压载荷。
（）18.套管柱设计技术套管的设计特点：既要高抗内压强度，又要抗钻具冲击磨损。
（）19.套管柱设计油层套管的设计特点：上部抗内压，下部抗外挤。
（）20.大位移井是指井的水平位移与垂深之比等于或大于2的定向井。
大位移井具有很长斜度稳斜段，大斜度稳斜角大于60°（）21.射孔器按结构可以分两类：有枪身射孔器和无枪身射孔器。
（）22.裸眼完井法是国内外最为广泛的一种完井方法。
（）23.表层套管柱设计时主要考虑抗拉载荷（）24.地层流体高于临界流速时容易形成砂桥（）25.水泥面以下套管强度计算时应考虑双向应力影响（）26.砾石充填完井法是国内外最为广泛的一种完井方法（）27.偏心配水器相对于常规配水器可以增加内通孔直径（）28.在加重钻井液中，无枪身射孔器比有枪身射孔器更容易下井（）29.套管轴向拉力一般井底最大（）30.油管头上法兰以上的所有装备称为采油树（）三、不定项选择题（每题3分，共24分）1.井身结构中常见的套管的分类有A.表层套管B.中间套管C.生产套管D.尾管（衬管）2.储层流体包括A.油B.岩石C.气D.水3.套管受力分析中，主要考虑：A.轴向拉力B.外挤压力C.振动载荷D.内压力4.井身结构设计的主要依据是A.地应力剖面B.地层压力剖面C.地层破裂压裂压力剖面D.产层压力剖面5.引起套管腐蚀的主要介质有：A.气体或液体中的硫化氢B.溶解氧C.二氧化碳D.地层水6.注水泥目的：A.固定套管B.稳定井壁C.封隔井内的油气水层D.保护油气层7.对油井水泥的基本要求：A.配浆性好，在规定时间内保持流动性。
国内外油层套管柱计算方法及设计对比
收 稿 日 期 :2020-09-15 作者简介:何可(1982- ),重庆璧山人,2012年毕业于西南石油大学石油工程专业,获硕士学位,现从事钻井技术工作。
50
内蒙古石油化工
2020 年 第 12 期
油 层 套 管 的 设 计 结 果 见 表 3。 其 中 chevron、
SLB 方法 的 设 计 结 果 相 同,其 余 方 法 设 计 结 果 不 同。SY 方法设 计 的 套 管 强 度 较 低,shell方 法 设 计 的套管强度较高。
因此,根据不同 方 法 设 计 出 的 套 管 结 果 有 几 种 情况,见 表 3。SLB、shell 方 法 在 《SY/T 64172009套管、油 管 和 钻 杆 使 用 性 能》中 无 满 足 要 求 套 管,SY 方 法 套 管 强 度 较 低。 这 是 由 于 蠕 变 地 层 挤 压载荷、气 侵、漏 失 液 面 位 置 或 者 掏 空 的 计 算 方 法 不同引起的。
掏空系数 抗挤安全系数 抗内压安全系数 抗拉安全系数 是否蠕变地层 是否泊松系数 封 隔 液 密 度 ,g/cm3
1 1.0 1.1 1.65
是 0.35 1.15
图1 油层套管有效外挤载荷
图2 油层套管有效内压载荷
2020 年 第 12 期
何 可 国内外油层套管柱计算方法及设计对比
51
图3 油层套管拉伸载荷
2.1 油层套管设计 油层套管载荷计算方法 见 表 1。表 1 中 给 出 了
不同加载情况下套管内载荷和外载荷的计算方法。 根据表1中油 层 套 管 载 荷 计 算 方 法,结 合 设 计
套管柱优化设计面临的问题及发展趋势
于地层 蠕 动 变 形 而 造成 大 量 套 管 挤 扁 、缩 径 、错 段 、损 坏 。对 于深部 复杂 地质条 件下 的深井 、超 深 井 ，盐 岩层是影 响油气 井 寿命 的关 键＿ 。 １ Ｊ 造成 套管挤 毁 的原 因很 多 ，但 根本原 因是在 地 应力 作用 下 套 管 所 受 外 载 超 过 了 套 管 的 抗 外 载 强 度 。在常规 的套 管柱设 计 中 ，多年 以来都 是按照 固 井前 的静液 柱压 力或者 上覆岩 层压 力来计算 套管 外 挤载 荷 ，但 是在盐 膏层 等蠕 变地层井 段 ，这样得 到 的外 载荷 与套管所 处 的环境不 符 ，油气井 投产后套 管承 受 的外 载要 比完井 时大得 多 ，这 就是 由于蠕 变 造成 的［ 。蠕 变地层 对套 管柱科 学设计 和可 靠性提 ２ ］
套管 柱设计 中 ，对地 层情 况及井 下环境 认识不
清 ，将使 套管柱设 计不合 理 ；套 管外 载荷超 过套管 的抗 外载 强度 ，套 管被挤 毁 ；在 高含硫 气井 中 ，套
包 括 ：套 管 材 质 、 固井 质 量 、射 孔 、注 水 、压 裂 等 。从套 管 的破 坏 形 式 上来 看 ，主 要 有错 断 、缩 径 、变形 、腐蚀 、泄 漏等多种 形式 ，其 中套管挤 毁
实践 证 明腐 蚀从 两个方 面来 降低套 管 的强度 ：一 是
改变 套管 的几何 结构 和几何 尺寸 ；二是 改变套管 管 材 的力学性 能 ，如氢脆破 坏等 。但是 ，现在 国内外 对套 管腐蚀 的研究 并不 系统 ，研究集 中在 不同条件 下腐 蚀对套 管 的腐 蚀规 律及 防腐措施 上 ，腐 蚀对套 管强度 的影 响规 律研 究 不 多 ，对 于 Ｃ Ｈ Ｓ腐 Ｏ 和
带来 的诸多 问题 ，使套管 柱 的可靠性难 以保证 。虽
套管柱结构与强度设计
套管柱结构与强度设计套管柱结构是石油工程中常用的一种结构形式，它由多个套管组合而成，通常用于油井的钻探和生产过程中。
套管柱的设计需要考虑到其承受外部压力和内部流体压力时的强度问题，以确保其能够在复杂的地质条件下安全地运行。
首先，我们需要了解套管柱结构的基本组成。
一般来说，套管柱由多个套管和接头组合而成。
每个套管都有自己的内径、外径、壁厚等参数，而接头则用于连接不同大小或类型的套管。
在实际应用中，还需要考虑到其他因素如防腐、防爆等问题。
接下来，我们需要考虑到套管柱在承受外部压力时所需具备的强度。
这主要包括两个方面：弯曲强度和挤压强度。
对于弯曲强度来说，我们需要计算出套管在受到侧向载荷时所能承受的最大应力值。
这需要考虑到材料本身的性质、壁厚、长度等因素，并采用相关公式进行计算。
同时，在实际应用中，还需要考虑到套管的支撑方式、地质条件等因素。
对于挤压强度来说，我们需要计算出套管在承受内部流体压力时所能承受的最大应力值。
这同样需要考虑到材料本身的性质、壁厚、长度等因素，并采用相关公式进行计算。
同时，在实际应用中，还需要考虑到套管的接头、防爆措施等因素。
除了以上两个方面，我们还需要考虑到套管柱在复杂地质条件下所需具备的其他强度。
例如，在遇到断层或者地震等情况时，套管柱需要具备足够的抗震和抗变形能力。
这需要在设计时考虑到不同情况下套管柱结构的变化和调整。
总之，套管柱结构设计是石油工程中非常重要的一环。
它不仅涉及到工程安全和效率问题，还涉及到环境保护和资源利用问题。
因此，在进行设计时，我们需要充分考虑各种因素，并采用科学合理的方法进行计算和优化。
只有如此，才能确保套管柱结构在实际应用中具备足够的强度和稳定性。
钻井导管层次及深度设计
常规压力钻井的套管柱分为：导管、表层套管、技术套管（中间套管）、油层套管（生产油管）等。
表层固井通常使用20~13 3/8英寸的套管，多数是采用钢级低的“J”级套管。
技术套管通常使用13 3/8~7英寸的套管，采用的钢级较高。
油层套管固井通常使用7~5英寸的套管，钢级强度与技术套管相同。
一、套管深度设计1、套管层次和下入深度的确定1）液体压力体系的压力梯度分布套管层次和下入深度是以力学为基础的，因此首先要分析井内压力体系的压力梯度分布。
2）最大泥浆密度ρmax某一层套管的钻进井段中所用的最大泥浆密度和该井段中的最大地层压力有关。
即： ρmax=ρpmax+S b （4）式中 ρmax ——某层套管钻进井段中所用最大泥浆密度，g/cm3；ρpmax ——该井段中的最大地层孔隙压力梯度等效密度，g/cm3；S b ——抽吸压力允许值，g/cm3。
3）最大井内压力梯度ρB为了避免将井段内的地层压裂，应求得最大井内压力梯度。
在正常作业时和井涌压井时，井内压力梯度有所不同。
（1）正常作业情况最大井内压力梯度发生在下放钻柱时，由于产生激动压力而使井内压力升高。
如增高值为S g ，则最大井内压力梯度ρBr 为：ρBr=ρmax+S g （5）（2）发生井涌情况（关封井器并加回压）为了平衡地层孔隙压力制止井涌而压井时，也将产生最大井内压力梯度。
压井时井内压力增高值以等效密度表示为S b ，则最大井内压力梯度等效密度ρBk 为：ρBk=ρmax+S k （6）但（6）式只适用于发生井涌时最大地层孔隙压力所在井深H pmax 的井底处。
而对于井深为H n 处，则：由上式可见，当H n 值小时（即深度较浅时）ρBk 值大，即压力梯度大，反之当H n值大（7）时，ρBk 小。
如图3-8-1-2所示。
ρak 值随H n 变化呈双曲线分布。
为了确保上一层套管鞋处裸露地层不被压裂，则应有：ρBr=ρf －Sf或 ρBk=ρf －Sf （8）式中 ρf ——为上一层套管鞋处薄弱地层破裂压力等效密度值，g/cm3；Sf ——地层压裂安全增值，g/cm3。
井深结构设计
井身结构包括套管层次和下入深度以及井眼尺寸（钻头尺寸）与套管尺寸的配合。
井身结构设计是钻井工程设计的基础。
一、套管柱类型（1） 表层套管；（2） 中间套管（技术套管）（3） 生产套管（油层套管）（4） 尾管。
二、井眼中压力体系在裸眼井段中存在着地层孔隙压力、泥浆液柱压力、地层破裂压力。
三个压力体系必须同时满足于以下情况：p m f p p p ≥≥ （1－1） 式中 f p －地层的破裂压力，MPa ；m p －钻井液的液柱压力，MPa ；p p －地层孔隙压力，MPa 。
即泥浆液柱压力应稍大于孔隙压力以防止井涌，但必须小于破裂压力以防止压裂地层发生井漏。
由于在非密闭的洗井液压力体系中（即不关封井器憋回压时），压力随井深是呈线性变化的，所以使用压力梯度概念是较方便的。
式（1－1）可写成：p m t G G G ≥≥ （1－2）式中 t G －破裂压力梯度，MPa/m ；m G －液柱压力梯度，MPa/m ；p G －孔隙压力梯度，MPa/m 。
一、井身结设计所需基础资料（一） 地质资料（1） 岩性剖面及事故提示（2） 地层压力数据（3） 地层破裂压力数据（二） 工程资料（1） 抽吸压力与激动压允许值（g b S S 与）各油田应根据各自的情况来确定。
（2） 地层压裂安全增值（f S ）。
该值是为了避免将上层套管鞋处地层压裂的安全增值，它与预测破裂压力值的精度有关，可以根据该地区的统计数据来确定。
以等效密度表示g/cm 3。
美国现场将f S 取值为0.024，中原油田取值为0.03。
（3） 井涌条件允许值（k S ）。
此值是衡量井涌的大小，用泥浆等效密度差表示（用于压井计算，另一种计量方法是以进入井眼的流体的总体积来表示，多用于报警）。
美国现场取值为0.06。
该值可由各油田根据出现井涌的数据统计和分析后得出。
中源油田将k S 值定为0.06~0.14。
（4） 压差允值（a N P P ∆∆与）。
裸眼中，泥浆液柱压力与地层孔隙压力的差值过大，除使机械钻速降低外，而且也是造成压差钻的直接原因，这会使下套管过程中，发生卡套管事故，使已钻成的井眼无法进行地固井和完井工作。
套管及套管柱
•API标准：从开始混拌到水泥浆稠度达到 100 BC（水泥稠度单位）所 用的时间。
•API标准中规定在初始的 15～30 min时间内，稠化值应当小于 30 BC。 好的稠化情况是在现场总的施工时间内，水泥浆的稠度在50 BC以内。
第三节
③水泥浆的失水 一般用30分钟的失水量表示。 ④水泥浆的稠化时间 • • 从液态转变为固态的时间。
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）。 2）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：
p oc 9 . 81 m H
•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。
套管柱附件由下到而上一般顺序：引鞋、回压阀、扶正器、泥饼刷、 联顶节。
第三节
• • • • • • • •
油井水泥
一、油井水泥的分类和水化作用 1.API水泥的分类
A级：深度范围 0～1828.8 m，温度76.7℃。 B级：深度范围 0～1828.8 m，属中热水泥，温度至 76.7℃，有中抗硫和 高抗硫两种。 C级：深度范围0～1828.8 m，温度至 76.7℃，高早期强度水泥，分普通、 中抗硫及高抗硫三种。 D级：深度范围1828.8～3050 m，温度76～127℃，用于中温、中压条件， 分为中抗硫及高抗硫两种。 E级：深度范围 3050～4270 m，温度76～143℃，用于高温、高压条件， 分为中抗硫及高抗硫两种。 F级：深度范围为 3050～4880 m，温度 110～160℃，用于超高温和超高 压条件，分为中抗硫及高抗硫两种。 G级及H级：深度范围为 0～2440 m，温度0～93℃，分为中抗硫及高抗硫 两种。 J级：深度范围为 3660～4880 m，温度49～160。
套管柱设计
42下 3450 40 盐岩、油浸泥岩、泥岩组
成的韵律层段
43 3500 50
灰色泥岩夹粉砂岩
潜4下 3525 (25) 盐岩、油浸泥岩、泥岩组
成的韵律层段
注：1）井深为垂直井深，井深、厚度单位均为米；
3井身结构如图所示
4套管柱设计有关数据和要求
表层套管：下深150m，外径Φ339.7mm，一开钻井液密度 1.1g/cm3，防喷器额定压力21Mpa,安全系数:抗挤Sc=1.0，抗 拉St=1.6，抗内压Si=1.0。要求表层套管的抗内压强度接近防 喷器的额定压力，套管钢级用J-55，套管性能见下表。
139.7 LTC
139.7 LTC 139.7 LTC
套管性能表
钢扣 级型
壁厚 /mm
外径 /mm
名义重 量 /N/m
抗内压 强度 /MPa
抗外挤强 度 /MPa
抗拉强 度 /KN
J- STC 9.65 339.7 795.4 18.823 7.791 2286.4 55
J55
STC 10.92 339.7 890.2 21.305
油层套管：下深3574m，外径Φ139.7mm，二开最大钻井液 密度1.32g/cm3，安全系数:抗挤Sc=1.125，抗拉St=1.80(考虑 浮力)，抗内压Si=1.10。由于地层主要为盐岩、泥岩，易塑性 流动和膨胀，外挤载荷要求按上覆岩层压力的当量密度 2.3g/cm3来计算，按直井(井斜角小)和单向应力来设计，套管 钢级选N-80、P-110。
要求要有明确的步骤和四步计算过程(已知条件、计算公 式、数据带入、计算结果)，最后按下表给出全井设计结果：
套 管井 程段 序m
规范
长 度
重量
《石油钻探固井技术》PPT课件精选全文
t/s >0
>0 <0 <0
载荷状态 拉伸－内压 压缩－内压 压缩－外挤 拉伸－外挤
影响 z，t z，t z，t z，t
42
3.2 轴向拉力作用下套管抗挤强度的计算 a. 计算公式
z
10Tb A
s
10Ts A
t
Pccdc 2t
s
Pcd c 2t
Pcc
Ps
Pc
1
3 4
Tb Ts
2
1 2
Tb Ts
补救作业费用与基本注水泥作业费的比值为:
表层套管固井：55％
技术套管固井：15％
尾 管 固 井 ：120％ 产 层 固 井 ：84％
(3) 材料用量大，成本高。 一般为钻井总成本的1530％。
9
第一节 井身结构设计
一.井身结构设计的内容
套管的层次； 各层套管的尺寸与下入深度； 井眼尺寸(钻头尺寸)与深度； 水泥返高。
6
概述
5.固井工艺流程
(1) 井眼准备；钻井至预定井深后测井、通井并清洗井眼(循 环钻井液12周)起钻、下套管、安装水泥头及注水泥地面管 汇再循环钻井液12周；
(2) 打隔离液或前置液(一般用量为环空高度100m左右)； (3) 释放下胶塞注水泥(领浆、中浆、尾浆)； (4) 释放上胶塞替钻井液; (5) 碰压(上胶塞下行至套管承托环,泵压突然升高,通常 5.0
在钻井液中
Tb
在空气中
27
1.2 弯曲附加拉力
如果井眼存在较大的井斜变化 或狗腿度时，由于套管弯曲效应 的影响将增大套管的拉力负荷， 特别是在靠近丝扣啮合处，易形 成 裂 缝 损 坏 ， 由 于 API 套 管 的 连 接强度没有考虑弯曲应力，所以 设计时应从套管的连接强度中扣 除弯曲效应的影响，其计算公式 见有关资料。
套管强度设计
（3）
对于技术套管非全掏空的情况，在漏失面以上（即井深小于漏失面深度的套管段） ，支 撑内压力为零，在漏失面以下（即井深大于漏失面深度的套管段）作用有管内钻井液液柱压 力。要计算支撑内压力，首先要知道漏失面的深度。在实际生产中，漏失是人们尽量要避免 的，但由于各种原因井漏还是时有发生；就是对于开发井，尽管根据以往井或邻井的钻井情 况， 估计在很大程度上都不会发生井漏， 人们在套管柱设计时往往还是要按井漏的情况进行 设计。但是，不管那种情况，事先都不可能知道下次钻进时的实际漏失程度，因此，在套管 柱设计时， 人们往往是根据情况对漏失程度进行一定的假设和预计， 然后按假设和预计的情 况进行设计。 对漏失程度的预计具体体现就是对漏失面深度的预计。 下面是所提出的预计方 法中的一种。 这种方法是假设下一次钻进钻至下一层套管的下入深度 （下一钻进井段的目的 井深）时发生井漏，并假设漏失层的孔隙压力为地层盐水柱压力，于是根据压力平衡关系可 得漏失面深度为：
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南方海相探区重点钻井技术研究及软件开发------套管强度设计
第一节
套管柱外载分析与计算
套管柱从入井开始就受有各种外载的作用，而且，在以后的不同生产工序（或工作）情 况（简称工况）下其所受的外载大小是不一样的。为了使设计出的套管柱安全，必须对各种 可能出现的工况下的外载作用情况及外载大小进行分析， 找出最危险 （即外载最大） 的工况， 按最危险工况计算套管柱所受外载值，以此进行套管柱强度设计。 套管柱在井下的受力是复杂的， 但经过长期生产实践的分析和证明， 其所受的基本外载 可分为三种， 即作用在管柱外壁上的外挤压力、 作用在管柱内壁上的内压力和作用在管柱内 方向与管柱轴线平行的轴向拉力。 一. 外挤压力 套管柱所受的外挤压力主要来自管外钻井液液柱压力 （水泥不返到井口时， 上部有一段 套管外为钻井液。该段套管称为自由套管） 、水泥浆液柱压力、地层中流体压力、易流动岩 层的侧压力等。套管柱在受有外压力（外挤压力常简称为外压力）作用时，管内可能还作用 有内压力，该内压力要抵消一部分外压力（该内压力习惯上称为支撑内压力） ，因此实际对 套管起挤压作用的是减去该内压力后所剩余的外压力， 称为有效外压力。 对外挤压力分析计 算也就是要分析计算其有效外压力。有效外压力为：
固井基础知识
第二部分固井基础知识第一章基本概念1、什么叫固井？固井是指向井内下入一定尺寸的套管串，并在其周围注以水泥浆，把套管与井壁紧固起来的工作。
2、什么叫挤水泥？是水泥浆在压力作用下注入井中某一特定位置的施工方法。
3、固井后套管试压的标准是什么?5英寸、5 1/2英寸试压15MPa，30分钟降压不超过 0.5MPa,7英寸，9 5/8英寸分别为10MPa和8MPa，30分钟不超过0.5MPa；10 3/4—13 3/8英寸不超过6MPa，30分钟压降不超0。
5MPa。
4、什么叫调整井？为挽回死油区的储量损失，改善断层遮挡地区的注水开发效果以及调整平面矛盾严重地段的开发效果所补钻井叫调整井.5、什么叫开发井?亦属于生产井的一种，是指在发现的储油构造上第一批打的生产井。
6、什么叫探井？在有储油气的构造上为探明地下岩层生储油气的特征而打的井。
7、简述大庆油田有多少种不同井别的井？有探井、探气井、资料井、检查井、观察井、标准井、生产井、调整井、更新井、定向井、泄压井等。
8、什么叫表外储层？是指储量公报表以外的储层（即未计算储量的油层).包括：含油砂岩和未划含油砂岩的所有含没产状的储层。
9、固井质量要求油气层底界距人工井底不少于多少米？探井不少于多少米？固井质量要求,调整井、开发井油、气层底界距人工井底不少于25米（探井不少于15米）.10、调整井（小于等于1500米）按质量标准井斜不大于多少度？探井（小于等于3000米）按质量标准井斜不大于多少度？调整井按质量标准井斜不大于3度。
探井按质量标准井斜不大于5度.11、调整井（小于等于1500米)井底最大水平位移是多少？探井（小于等于3000米）井底最大水平位移是多少?调整井井底最大水平位移是40米。
探井井底最大水平位移80米。
12、目前大庆油田常用的固井方法有哪几种？（1）常规固井（2）双密度固井(变密度固井）(3）双级注固井（4）低密度固井（5)尾管固井13、目前大庆油田形成几套固井工艺？（1)多压力层系调整井固井工艺技术。
钻井工程理论与技术 第七章 固井和完井
∆PN = + ρ p min − Sb 0.00981Dmin
在地层压力曲线上找出 的下深 D 。 2
ρpper 所在的深度即为中间套管
3、求钻井尾管下入深度的初选点 D 、 31
根据中间套管鞋处的地层破裂压力当量密度 ρ f 2 ，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： 裸眼井段所允许的最大地层压力当量密度：
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 = ρpm + Sb + Sg + S f ax 计算出 ρf ，在破裂压力曲线上查出 ρf 所在的井 即为中间套管下入井深的初选点。 深 D ，即为中间套管下入井深的初选点。 21 （2）考虑可能发生井涌 ） 由 ρf = ρpm + Sb + S f + Sk * Dpm / D ax ax 21 用试算法求 D ；先试取一个 D ，计算 ρf ， 21 21 比较， 将计算出的 ρf 与 D 所查得的 ρf 比较，若计算值与实 21 际值相差不大且略小于实际值， 际值相差不大且略小于实际值，可以确定 D 为中间套管 21 的初选点，否则，重新进行试算。 的初选点，否则，重新进行试算。 一般情况下，在新探区，取以上（ ）、（ ）、（2） 一般情况下，在新探区，取以上（1）、（ ）两 的较大值。 种条件下的 D 的较大值。 21
：最小地层孔隙压力所处的井深，m （当有多个最小 最小地层孔隙压力所处的井深， 地层压力点时，取最大井深） 地层压力点时，取最大井深） • 若 ∆P < ∆P ，则确定 D 为中间套管的下入深度 D 。 21 2 N • 若 ∆P > ∆P ，则中间套管应小于初选点的深度，需根据压 则中间套管应小于初选点的深度， N 差卡钻条件确定中间套管的下深。 差卡钻条件确定中间套管的下深。 求在压差 ∆P 条件下所允许的最大地层压力为： N 条件下所允许的最大地层压力为：
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2) 第二段套管设计以及第一段套管校核 选取与第一段壁厚相同，钢级低一级的套管，
即N-80 LTC 壁厚 10.54mm 查表知[pc2]=76.945Mpa,可推算出第二段套管
下深： D2==3031m
取实际下深为3000m 实际抗挤安全系数:
SC2=[pc2]/pc2==1.136>1.125(安全) 校核第一段抗拉强度： 第一段长度L1=D1-D2=3574-3000=574m 浮力系数KB=1-ρm2/ρo= 则第一段套管顶部拉力载荷：
1) 第一段套管设计 二开钻井液密度ρm2=1.32g/cm3。上覆岩层当量 密度ρo=2.3g/cm3
故取上覆岩层密度计算套管全体最大外挤 压力;套管下深为3574m，则套管全体最大外挤压 力：
Pc1=0.00981×ρoD1Sc=90.72Mpa 查表后选取P-110 LTC 壁厚10.54mm的套管
Φ241.3×1000m
广斜－1井井身结构示意图
套管柱设计
一.表套设计
设计方法：由于表套仅须下150m，故无需分
段设计。表套主要左右为封固表层平原组和部分
广华寺组的疏松浅层，并要在其上安装井口防喷
装置，因此表层套管可能的最大载荷是溢流关井
时的井口内压力，井口是危险断面。设计应主要
考虑井口抗内压，防止溢流关井时井口套管承受
139.7 LTC
139.7 LTC 139.7 LTC
套管性能表
钢扣 级型
壁厚 /mm
外径 /mm
名义重 量 /N/m
抗内压 强度 /MPa
抗外挤强 度 /MPa
抗拉强 度 /KN
J- STC 9.65 339.7 795.4 18.823 7.791 2286.4 55
J55
STC 10.92 339.7 890.2 21.305
KB=1-=1-=0.86 查表知套管线重：q=0.8902KN/m 则在井口断面的轴向拉力载荷 Tb==0.86×0.8902×150=114.83KN
实际抗拉安全系数St= [Tb]/Tb=2646.7/114.83=178.46>1.6(安
全) 二.油套设计
设计方法：油套下深太大，因此需分段设计。 对于抗内压无要求，故只需在设计完毕之后进行 校核即可。下部套管在底层深处，主要受外挤压 力，故按抗挤强度设计，以抗拉强度校核。套管 上部主要受轴向拉力作用，故当设计段变为自由 套管时要以抗拉强度为设计标准。
根据第三段下深可知第二段长度L2=D2D3=700m 则第二段顶端拉力载荷： 第三段实际抗拉安全系数：
(安全) 由于第三段的下深已在水泥面以上，故是时 候考虑抗拉强度了 4) 按抗拉强度设计第三段套管 按抗拉强度设计计算第三段套管长度： 取L3=2900m 则三段套管总长L=L1+L2+L3=4171>3574m 故按抗挤强度计算的第三段套管以满足要 求，对第三段进行抗拉强度校核：
3120 50
灰色泥岩夹粉砂岩
41下 3160 40 盐岩、油浸泥岩、泥岩组
成的韵律层段 潜 四 40 3180 20 盐岩、油浸泥岩、泥岩组
上
成的韵律层段
40中 3330 150 盐岩、油浸泥岩、泥岩组
成的韵律层段
40下 3380 50 盐岩、油浸泥岩、泥岩组
成的韵律层段
42 3410 30
灰色泥岩夹粉砂岩
完井工程大作业二
一口井套管柱设计
班级：油工10801班
姓名： 李 彪
学号： 200806866
序号：
17
完井工程大作业二：一口井套管柱设计
1基本数据
1)井号：广斜-1井； 2)井别：开发井； 3)井型：定向井
2设计地层剖面
地层时代
设计地层/m
岩性简述
界 系 组 段 层 井深 厚度
第四系平原组 90 90 黄色粘土、砾石、流砂层
10.618
2646.7
J55
STC 12.19 339.7 992.4 23.787
13.445
3002.5
N80
LTC
7.72
139.7 248.1 5N- LTC 9.17 139.7 291.9 63.363 60.881 1903.8 80
N- LTC 10.54 139.7 335.7 68.120 76.945 2233.0 80
高压而爆裂，然后再校核抗挤和抗拉。
1)抗内压强度设计 按设计要求以防喷器额定压力为井口压力，
则表套在井口内压载荷为21Mpa,pi=21Mpa 。 根据已给套管性能表，取表套为J-55 STC
壁厚10.92mm的套管。[pi]=21.305MPa 则实际安全系数Si=
[pi]/pi=21.305/21=1.01>1(安全) 2)抗挤校核 一开钻井液密度：ρm1=1.10g/cm3，套 管下深：D=150m，则套管底部的外挤压 力：pc =0.00981ρm1D=1.62Mpa 实际抗挤安全系Sc=[pc]/p c=10.618/1.62=6.55>1.0(安全) 3)抗拉校核 已知钻井液密度和钢材密度可求得浮力 系数：
套
规范
长
重量
安全系数
管井
度 钢 壁厚
程段 序m
m 级 mm
尺 寸 mm
扣 型
单位 段 累 重
重力 N/m
重 104N
104N
抗 拉
表0～ 套150
339.7 STC 150
J55 10.92 890.2 13.3 13.35 178.5
0～ 2300
139.7
LTC
2300
N80
9.17 291.9 67.1 109.9 2.08
油～ 套3000
139.7
LTC
700
N80 10.54 335.7 23.5 42.8
6.29
～ 3574
139.7
LTC
574
P110 10.54 335.7 19.3
19.3
17.88
L3=D-L1-L2=2300m Tb3=Tb2+KBq3L3=912.21KN ST3=[Tb3]/Tb3=2.08>1.8(安全) 5) 全套管抗内压强度校核 以井口防喷器额定压力作为全套管内压力可 算作内压力极限情况，故取pr=21Mpa,则： Si1=[pri1]/pr=4.32>1.10(安全)； Si2=[pri2]/pr=3.24>1.10(安全)； Si3=[pri3]/pr=3.01>1.10(安全)。
P- LTC 110
7.72
139.7 248.1 73.360
51.573
1979.5
P- LTC 9.17 139.7
110
291.9 87.150 76.532 2437.6
P110
LTC
10.54
139.7
335.7
90.735
100.250
2860.2
一开 井眼外径：Φ444.5㎜ 钻达井深：153m 套管外径：Φ339.7㎜ 套管下深：150m 水泥返深： 地面 二开 井眼外径：Φ215.9㎜ 钻达井深：3579m 套管外径：Φ139.7㎜ 套管下深：3574m 水泥返深： 2850m
要求要有明确的步骤和四步计算过程(已知条件、计算公 式、数据带入、计算结果)，最后按下表给出全井设计结果：
套 管井 程段 序m
规范
长 度
重量
安全系 数
m 钢壁
尺 寸 mm
扣 型
级厚 单 mm 位
段 重
累 重
抗
抗
抗 内
重 N/m
104N
104N
拉
挤
压
表0 套～
339.7 STC
J55
0 油～ 套～
～
上第三系广华寺组 930 840 杂色粘土岩、砾状砂岩、
砂砾岩
荆河镇组 1760 830 灰、绿灰色泥岩底部夹油 页岩
新 生 界下
第 三潜 系江
组
潜一段 潜二段 潜三段
41
2170 410 膏岩韵律层段及砂泥岩互 层段
2570 400 盐岩、油浸泥岩、石膏质 泥岩、泥岩组成的韵律层
3070 500 灰色泥岩夹粉砂岩、盐 岩、油浸泥岩、泥岩
42下 3450 40 盐岩、油浸泥岩、泥岩组
成的韵律层段
43 3500 50
灰色泥岩夹粉砂岩
潜4下 3525 (25) 盐岩、油浸泥岩、泥岩组
成的韵律层段
注：1）井深为垂直井深，井深、厚度单位均为米；
3井身结构如图所示
4套管柱设计有关数据和要求
表层套管：下深150m，外径Φ339.7mm，一开钻井液密度 1.1g/cm3，防喷器额定压力21Mpa,安全系数:抗挤Sc=1.0，抗 拉St=1.6，抗内压Si=1.0。要求表层套管的抗内压强度接近防 喷器的额定压力，套管钢级用J-55，套管性能见下表。
Tb1=L1×q1×KB=159.93KN 实际安全系数ST1=
[Tb1]/Tb1=2860.2/159.93=17.88>1.8(安全) 3) 按抗挤强度选择第三段及校核第二段 根据第二段套管的选材选取第三段套管， 故选取与第二段套管同钢级，壁厚稍薄的N80 LTC 壁厚9.17mm的套管。 可知[pc3]=60.88Mpa，则第三段下深： 取第三段下深D3=2300m 则实际抗挤安全系数SC3= [pc3]/pc3=1.173>1.125(安全) 校核第二段：