固井和完井

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。
套管的基本类型
第一节 井身结构设计
2、生产套管（油层套管）
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。
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 。
第一节 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 S b S f
pper
p N 0.00981 Dmin
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。
第一节 井身结构设计
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压力当量密度：
第一节 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: 0.02Biblioteka Baidu ～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 ，
pcc pc 1.03 0.74

Fm Fs

第二节 套管柱设计
3、内压力及抗内压强度
（1）内压力 考虑到套管外的平衡压力，一般情况下，套管在井口所受的 内压力最大。计算时，考虑三种最危险的情况。 • 套管内完全充满天然气并关井时的内压力：
固井和完井技术
第一节 井身结构设计
第二节 套管柱设计
第三节 固井技术
第四节 完井技术
第一节 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、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，
n----组成套管柱的套管种类（钢级、壁厚）。 ②套管弯曲引起的附加拉力 经验公式： F 0.073 d A kN
bd co

c
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。
第二节 套管柱设计 ③注水泥引起的附加拉力
Fc
( m d )
4000
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。
第二节 套管柱设计 •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）。 –1kpsi=6.8947MPa –其中， H-40，J-55，K-55，C-75，L-80，C-90是抗硫d 。
z
/σ s 的百分
第二节 套管柱设计 考虑轴向拉力影响时的抗外挤强度公式推导：
pcc d c t 2t 由双向应力椭圆方程，当σ z=0时： σ t2 = σ s2 根据上式，则有：

s
pc d c 2t
将σ t和σ s的表达式代入双向应力椭圆方程，并进行适当 简化，即可得到考虑轴向拉力影响时的抗外挤强度近似公式：
PA： 21～23 MPa
第一节 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 （2） (ρdmax-ρpmin)×Dpmin×0.00981≤△P （3） ρdmax+ Sg + Sf ≤ρfmin （4） ρdmax+ Sf + Sk ×Dpmax/ Dc1≤ρfc1 防井涌 防压差卡钻 防井漏 防关井井漏
•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。
第二节 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。
第二节 套管柱设计
（3）双向应力下的套管强度
从套管内部取一微小单元，分析 可知，在外载作用下产生三个方向的 应力σ t 、σ r 、σ z ，对于薄壁管， σ t >>σ r , σ r 可以忽略。变为双向 应力问题。 由第四强度理论： σ
z 2
σz
σr
s 2
σt
+σ
t
2
- σ zσ t = σ
t 2 s
变换为椭圆方程：
z 2 s

z t 2 s
1
按拉为正、压为负，根据以上方程可画出椭圆图形。
第二节 套管柱设计
双向应力椭圆
第二节 套管柱设计 在椭圆图上， σ t/σ s 的百分比为纵坐标，σ 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。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。
五、井身结构设计方法
1、求中间套管下入深度的假定点
第一节 井身结构设计
（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。
第一节 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。
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
h dcin 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。 （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。
第二节 套管柱设计 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： 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。
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。
第二节
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。 • 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"，
一般情况下，在新探区，取以上（1）、（2）两种 条件下D21较大的值。
第一节 井身结构设计
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。 • 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：
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。
第二节 套管柱设计 ①自重引起的拉力
Fm qi Li (1
i 1
n
d s
) 103 qmi Li 103
i 1
n
kN
qmi----第I种套管在钻井液中的单位长度重力，N； Li----第I种套管的长度，m；
根据上式，用试算法确定D1。
D2 D1
Sk
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。
第一节 井身结构设计
井身结构设计图
第一节 井身结构设计
六、套管尺寸与钻头尺寸的选择
目前我国使用最多的套管钻头系列是：
其中：
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；
（ 26〞 ） 20 〞 － (17½ 〞)133/8 〞 － (12¼ 〞)95/8 〞－(8½ 〞)5-1/2 “. 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。