第七章 固井与完井

第一节 井身结构设计
二、设计内容、原则及依据
1. 设计内容
（1）套管层次和下入深度 （2）套管和井眼尺寸的配合 （3）水泥返高
2. 设计原则
（1）有效地保护油气层； （2）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）钻下部高压层采用重钻井液所产生的井内压力，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。
第二节 套管柱强度设计
一、套管和套管柱
1. 套 管
（1）结构特点 优质无缝钢管，一端为在管体上车制的公扣，一端为带母扣的套管接箍。 （2）尺寸系列（API 标准） 直径：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。 （3）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。
★ 在定向井、大斜度井、水平井的弯曲井段，要加上弯曲应力引起的附加 拉力。
由（7-2）式或（7-3）式，结合地层破裂压力剖面图可确定技套下入深度 的初选点 D21 。 注意：根据（7-3）式计算初选点时，要采用试算法。
第一节 井身结构设计
三、套管层次和下深的设计计算方法
2. 计算方法及步骤
（2）验算技套下到初选点 D21 时是否卡套管 卡套管的条件是：在下套管的井段内，钻井液液柱压力与最小地层压力的 差（最大压差）大于压差允值，即：
第一节 井身结构设计
三、套管层次和下深的设计计算方法
2. 计算方法及步骤
（3）计算尾管下入深度的初选点并校核是否压差卡套管
在技套实际下入深度小于初选点的情况下，需要下一层尾管（称为钻井尾 管），其下入深度初选点确定如下：
由破裂压力曲线，可得到技套套管鞋 D2处的破裂压力当量密度 f 2。按 照 “钻进套管以下井段的最大井内压力不能压裂上一层套管鞋处的裸露地层 ” 的原则，由（7-3）式可求得钻进下尾管井段时所允许的最大地层压力梯度 ： D pper f 2 Sb S f 31 S k .......... .......... ......(7 6) D2
△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：
pper
pper
p N 0.00981Dmin
p min Sb
12 0.009813050
1.07 0.036 1.435g / cm3
第七章 固井和完井
本章主要内容：
● 井身结构设计 ● 套管柱强度设计
● 注水泥工艺技术
● 钻开生产层技术 ● 完井方法及井底结构
第一节 井身结构设计
一、套管的类型
1. 表层套管
☆ 用途：1）封隔地表浅水层及浅部疏松和 复杂地层，防止井漏。2）安装井口、悬挂和支 撑后续各层套管。 ☆下深：根据地表状况和地层压力特性确定。
D31 D2
Sk
D31 3200
0.06
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。
结合地层压力剖面图，用试算法可得到尾管下深的初选点D31 。 校核是否发生压差卡尾管，方法同（2）。若不卡套管，则： 当 D31 D21，取： D3 D21 ； 当 D31 D21，按上述方法再设计一层尾管。
第一节 井身结构设计
三、套管层次和下深的设计计算方法
2. 计算方法及步骤
（4）计算表层套管下入深度 设计计算方法与技术套管的相同。 需要说明： 1）根据两个压力剖面设计套管层次和下深，可能出现不需要表套的情况 。此时应根据地表地层情况、井深和地层压力特性等，根据经验和要求确定 表套深度。
发生溢流关井 后，井口回压 在溢流井深处 的当量钻井液 密度。
压 差 允 值 p ： PN = 15～18 MPa ，
PA = 21～23 MPa
第一节 井身结构设计
三、套管层次和下深的设计计算方法
1. 基本思路
依据两个压力剖面，以保证 钻进套管以下的井段时的最大井 内压力梯度不压裂该套管鞋出最 薄弱的裸露地层为原则，从全井 最大地层压力梯度处开始，由下 向上确定套管的层次（技术套管 和表层套管）和各层套管的下入 ）确定表层套管下深 D1
fE p 2 Sb S f
1.435 0.036 0.03
D2 D1
Sk 0.06
3200 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：
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
第一节 井身结构设计
五、套管与钻头尺寸的配合
1. 原则：
（1）套管能顺利下入井眼内，并具有一定的环空间隙柱水泥。固井质量 要求最小环空间隙不能小于 9.5 mm（3/8 in），最好为19mm（3/4 in)，且套 管直径越大，间隙应越大。 （2）钻头能够顺利通过上一层套管。
井 深 表套
破裂压力 技套
地层压力
油套 1.6
1.0
1.3
1.8
当量密度，g/cm3
第一节 井身结构设计
三、套管层次和下深的设计计算方法
2. 计算方法及步骤
（1）计算技套下入深度的初选点 钻进技套以下井段时，井内压力系统应满足以下条件：
平衡地层压力： d max p max Sb .......... .......... .......... .......... ........( 7 1) 防止下钻压裂地层： d max S g S f f min .......... .......... .......... .(7 2) 防止溢流关井时压裂地 层： d max S k D p max D21 S f f min ......(7 3)
（4）螺纹类型（API标准） 短圆（STC）、长圆（LTC）、梯形（BTC）、直连型（XL）
第二节 套管柱强度设计
一、套管和套管柱
2. 套 管 柱
通常由同一外径、同一钢级或不同钢级、不同壁厚的套管组成的管柱，套 管之间靠节箍连接。
二、套管柱的受力分析
轴向拉力：自重、弯曲应力、注水泥附加拉力、动 载 、摩阻等。 井下套管柱的受 力
2. 经验配合关系
★ 长期实践形成的经验配合关系（P 256，图7-3） ★ 国内常用的配合关系：
(17 ½) 13 3/8——(12 ¼) 9 5/8——(8 ½) 5 1/2
（26）20 —（17 1/2）13 3/8—（12 1/4）9 5/8—（8 1/2）7—（5 7/8） 4 1/2 或 5
2）表层套管通常下在正常压力层段，一般不会发生压差卡套管，因此可 不较核。
3. 必封点的确定
对于压力剖面上无法反映的复杂情况，如：易漏易塌层、盐层等，应根据 岩性剖面和钻井经验人为确定。层次和下深视复杂地层的多少和位置确定。
第一节 井身结构设计
四、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．
2. 生产套管（油层套管）
☆ 用途：保护生产层，提供油气流动通道。 ☆下深：根据目的层位置及完井方式而定。
3. 技术套管（中间套管）
☆ 用途：封隔复杂地层，确保安全顺利钻井。 ☆下深：根据复杂层位和地层压力特性确定。
4. 尾管（衬管）
悬挂在上一层套管底部的套管，不延伸到井 口，可减小负荷和降低成本。深井超深井常用。
PN 9.81103 ( pper Sb p min ) Dmin
可得到不发生压差卡套管所允许的最大地层压力的当量密度：
pper
PN
9.8110 Dmin
3
p min Sb .......... .......... (7 5)
在地层压力剖面图上，可找出允许的最大地层压力当量密度对应的最小井 深，即为技套的下入深度 D2（小于 D21）。
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。
第一节 井身结构设计
四、设计举例
（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；
pper f 2 Sb S f
2.15 0.036 0.03