一口井套管柱设计大作业
[套管柱及注水泥设计]——井身结构设计具课件 (一)
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[套管柱及注水泥设计]——井身结构设计具课件 (一)套管柱及注水泥设计——井身结构设计具课件在石油采掘行业中，钻井是至关重要的一步。
在钻井时，为了保障井壁稳定，防止钻头卡在井内，需要进行套管柱及注水泥设计，这是井身结构设计中的一项重要内容。
下面我们来详细探讨一下。
一、什么是套管柱及注水泥设计？套管柱及注水泥设计是指钻井过程中，根据井深、岩层特性、井口直径等因素，确定需要采用的套管类型及尺寸，以及设计注水泥分层的深度和泥浆配制。
二、套管柱的设计套管是沿着井壁下降的钢管，一般分为衬、外、段、封四种类型。
套管的设计需要根据以下因素来确定：1、井深和井口直径：井深越深，套管直径就需要越大；井口直径越大，套管直径就可以相应调整，但是要注意防止套管卡在井口。
2、岩层特性：岩层强度越大，套管壁厚度就需要越厚；岩层中存在易崩塌的层位时，需要选择合适的套管接头类型和安装方式，避免井壁坍塌。
3、井下环境：井下环境复杂，可能存在高温、高压、腐蚀等影响套管使用寿命的因素，需要选择具有耐腐蚀、耐高温、耐压试验等性能的材料。
三、水泥注入设计注水泥分为塞钻泥浆、中间泥浆、油层泥浆和终水泥浆四种类型，需要根据井壁状态、砂层特性、油层渗透性等因素来确定深度和配比。
1、塞钻泥浆：用于堵住井口以下的空隙，避免钻头卡在井内。
2、中间泥浆：在套管上端注入，用于加固套管与井壁间的空隙。
3、油层泥浆：在沉积物基质与岩石之间的空隙中注入，既可以防止油层水进入钻井中，也避免有害物质进入油层。
4、终水泥浆：用于井壁加固和产层保护，需要从井底开始注入，注入深度通常为井深的70%~90%。
设计注水泥分层的深度和泥浆配合是一个复杂的过程，需要综合考虑各种因素，设计出既能防止井壁坍塌又能产生良好的水泥固化效果的注水泥方案。
本文简单介绍了套管柱及注水泥设计——井身结构设计具课件的相关内容和设计原理，涉及到的专业知识比较复杂，需要根据实际情况做出详细的设计方案。
套管柱设计
已知数据井深D=3233.3 m 钻井液密度ρd=1.15 g/cm3套管外径d=139.7mm 油管线重q=25.3 Kg/m 水密度ρW =1.0 g/cm3抗外挤强度Sc=43.3 MP 抗拉强度St=1548 KN抗内压屈服强度Si=53.4 MP 管体屈服强度1766 KN各安全系数：抗外挤强度Sc=1.0 抗拉强度St=1.8N抗内压屈服强度Si=1.1强度校核1. 校核抗外挤强度井底外挤压力最大Poc=9.81×ρd×D×10-3=9.81×1.15×3233.3×10-3=36.48 KPSc=σ/ Poc=43.3/36.48=1.19＞1.0符合要求Poc—套管外挤压力，kPa；D —计算点深度，m；ρd—管外钻井液密度，g/cm3；2. 校核抗拉强度井口处受拉应力最大Fo=q×L×10-3=25.3×9.81×3233.3×10-3=802.48 KNSt=σ/ Fo=1548/802.48=1.93 ＞1.8符合要求Q—套管单位长度的名义重力，N/m；L—套管长度，m；Fa—井口处套管的轴向拉力，KN；3.校核抗内压强度关井时井口最易受内压力破坏此时井口压力等于井底压力（净水柱压力）Pgas=9.81×ρW×D×10-6=9.81×1000×3233.3×10-6=312.72Pi=P gas/e1.1155×10-4GD= P gas/e0.00011155GD=31.10Si=Pri/Pi=53.4/31.10=1.72＞1.1符合要求Pgas —井底天然气压力， MPa；Pi—井口内压力，MPa；D—井深，m；G—天然气与口气密度之比，一般取0.55；4.对油管水泥返高处进行抗外挤强度校核Pcc=Pc×（1.03-0.74×Fm/Fs）=43.3×（1.03-0.74×802.48/1766）=30.04 MPSc=σ/ Pcc=43.3/30.04=1.44＞1.0Pcc—存在轴向拉力时的最大允许抗外挤强度，MPa；Pc—无轴向拉力时套管的强度外挤强度，MPa；Fm—轴向拉力，kN；Fs—套管管体屈服强度 kN；；。
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
套管设计例题解读
St
Sc1
Fst 1 F01
2611.1 0.4234 7.85 1.8 800
2
pcc1 poc2800
1.29 1.0
D2
水泥面
2800米 1
L1800
第二节
套管柱强度设计
（三）套管柱强度设计方法
L31100 D3 L21000 D2
查表选择抗拉强度高一级的套管： N-80，t4=10.36 mm，q4=0.4234 kN/m，
pc4=48.4 MPa，Fs4=3007 kN，Fst4= 2611.1 kN 。
水泥面 2800米
2
计算第四段套管的许用长度：
L4
Fst 4 F03 St
1
D4 L31100 D3 L21000 D2
2
St
q3
L1800
L3
Fst 3 F02 St
1966 .1 718 1.8
0.3357
1117m
实取：L3=1100m
第二节
套管柱强度设计
L4600 D4
3
（三）套管柱强度设计方法
设计方法——等安全系数法
2. 设计计算步骤
（8）选择抗拉强度比第三段高一级的套管为第四 段套管，确定其使用长度L4。
（2）自下而上进行设计，先按抗挤强度选择第一段套管； （3）选择更小抗挤强度第二段的套管，确定其下深；如果下深超过水泥顶 面，按双轴抗挤强度进行设计, 确定其下深，同时对第一段套管进行抗拉 强度校核； （4）用同样的方法依次向上选择套管，到达一定深度后，改为抗拉强度设 计，进行相应的抗挤强度校核。
第二章 套管柱设计与固井
第一节 套管柱设计
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第一节 套管柱设计
三、套管柱强度设计
目的： 确定合理套管钢级、壁厚以及每种套管井深区间。
1、设计原则
• 满足强度要求，在任何危险截面上都应满足下式： 套管强度 ≥ 外载×安全系数 • 应满足钻井作业、油气开发和产层改造需要
• 承受外载时应有一定储备能力
• 经济性要好，多选择2～3种钢级、2～3种壁厚，不能过多 • 安全系数 —抗外挤安全系数 Sc=1.0
大庆：8976口，占16%以上； 吉林：2861口，占30%以上； 胜利：3000多口，占10%以上； 中原：占投产井数23.3%； 并且各油田套损井数有上升趋势。
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第一节 套管柱设计
一、套管和套管柱
• 套管：优质钢材制成的无缝管或焊接管，一端为公扣，直接 车在管体上；一端为带母扣的套管接箍。
表征套管的主要特性参数有套管尺寸、钢级和壁厚
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第一节 套管柱设计
一、套管和套管柱
• 套管尺寸： 又称名义外径、公称直径等，是指套管本体的外 径；API标准，共14 种尺寸。
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第一节 套管柱设计
一、套管和套管柱
• 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， API标准， 8种10级
H-40, J-55, K-55, C-75, L-80, N-80, C- 90, C-95, P-110, Q-125
，MPa
Fm—轴向拉力， KN； Fs—管体屈服强度，KN；
Pcc—存在轴向拉应力时的最大允许抗挤强度。
Pc和Fs均可由套管手册查出，当Fm/Fs在0.1-0.5范围内，
上式计算值与理论值相比误差在2%以内。
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井下管柱图讲稿(绘制井下管柱图)
＊图幅清洁、整齐，各部比例适当。 ＊选择下井工具的特殊符号要正确。 ＊图中各工具次序、位置准确。 ＊技术要求要写清楚。
XXX 生 产 管 柱 图
ⅹⅹ井封上采下生产管柱图
抽油杆Φ22mm× m＋Φ19mm×m 油管Φ73mm 套管Φ139.7mm 水泥返高
ⅹⅹ井封下采上生产管柱图
抽油杆Φ22mm× m＋Φ19mm×m 油管Φ73mm 套管Φ139.7mm 水泥返高
＊在靠表示井身图形的上部适当位置，画上断裂
线。并在表示井壁和套管的垂线之对称画上线， 表示水泥返高。
＊在表示井壁的右侧垂线上与表示水泥返高、目前
人工井壁、套管深度、井深等平齐的位置引出标 注线，并标注名称及深度。
＊沿轴线两侧，间距约5mm~6mm向下画两条垂
线，长度适当，代表下井管柱，其下端点位置为 设计完成管柱位置。
液压 下工具
Y111-114封隔器
Y211-114封隔器
Y341-114封隔器
Y211-114封隔器
配产器
偏心配产器
配水器
偏心配水器
固定球座（或单流阀）
活动球座
撞击接头
活动接头
泄油器
回音标
中间丝堵
导向丝堵
深井泵
筛管
人工井底
抽油杆
油管
套管
射孔套管
套管鞋
＊在白纸上部适当位置写上名称：
ⅹ ⅹ井生产（注水）管柱图
＊在下井管柱的名称下面适当位置，居中画一长约
50mm~60mm的细实横线。在横线中央垂直画一 条点画线（代表井筒轴线）。
＊在竖线两侧对称向下画4条垂线，长度适当。且
内侧两条垂线比外侧两条垂线短10mm。内侧两条 线代表套管，其间距一般为14mm左右。外侧两条 垂线代表井壁，其间距一般为18mm左右。
一口井套管柱设计
⼀⼝井套管柱设计完井⼯程⼤作业⼆⼀⼝井套管柱设计班级：油⼯101学号：004姓名：王涛课程：完井⼯程任课教师：孙展利1基本数据1)井号：⼴斜-1井；2)井别：开发井；3)井型：定向井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S c=，抗拉S t=，抗内压S i=。
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。
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S c=，抗拉S t=(考虑浮⼒)，抗内压S i=。
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、计算结油层套管设计：已知条件：= cm3，安全系油层套管下深H=3574m，外径Φ139.7mm，⼆开最⼤钻井液密度ρm数:抗挤Sc =，抗拉St=(考虑浮⼒)，抗内压Si=。
上覆岩层压⼒的当量密度ρo=cm3，按直井(井斜⾓⼩)和单向应⼒来设计，解：根据题⽬要求，本定向井按照直井(井斜⾓⼩)和单向应⼒来设计，根据题⽬要求外挤载荷要求按上覆岩层压⼒的当量密度ρo=2.3g/cm3来计算第⼀段套管设计：1.计算第⼀段套管应具有的抗挤强度（即第⼀段套管底端的抗挤强度）1）按抗挤强度设计第⼀段套管，因为套管底端的外挤压⼒最⼤，所以以套管底端的外挤压⼒作为第⼀段套管应具有的抗挤强度，按全掏空计算井底外挤压⼒，P b =*ρo*H=**3574=2）第⼀段套管应具有的抗挤强度应为P c1= Pb*Sc=*=2.根据第⼀段套管应具有的抗挤强度，查套管性能表选⽤P-110，壁厚套管，其抗挤强度为Pc’= Mpa，抗拉强度为Tt1=，重量W1=m第⼆段套管设计：1. 第⼀段套管的顶截⾯位置取决于第⼆段套管的可下深度，第⼆段套管选⽤抗挤强度⽐第⼀段套管低⼀级的套管，查套管性能表可选P-110，壁厚套管，其抗挤强度为Pc’’= MPa，抗拉强度Tt2=，重量为W2=m2. 按抗挤强度计算第⼆段套管的可下深度：H 2= Pc’’/*ρo* Sc)=**=3023m3.实际套管因为是10m⼀根，因此要对可下深度取整，再加上数据误差的安全考虑，实际第⼆段套管的深度为H2=3000m，则第⼀段套管的段长为L1=3574-3000=574m4.校核第⼀段套管的安全系数：1）校核第⼀段套管的抗挤安全系数第⼀段套管实际抗挤安全系数为：S c1= Pc’/ Pb==>(安全)2）校核第⼀段套管的抗拉安全系数（因为套管上端受到的拉⼒最⼤，所以第⼀段套管的拉⼒强度就是第⼀段套管上端所受的拉⼒）①计算第⼀段套管的浮⼒系数Bf=1-ρm/ρs==②计算第⼀段套管的段重（空⽓中）T 1=L1*W1=574*=③计算第⼀段套管的浮重（钻井液中）T 1’= L1*W1*Bf=574**=④第⼀段套管的抗拉系数（题⽬要求考虑浮⼒影响，因此⽤浮重计算）S t1= Tt1/ T1’==>（安全）第三段套管设计：1.第⼆段套管的顶截⾯位置取决于第三段套管的可下深度，第三段套管选⽤抗挤强度低⼀级的套管，查套管性能表可选P-110，壁厚套管，其抗挤强度为Pc’’’=MPa，抗拉强度Tt3=，抗内压强度Pi= Mpa，重量W3= KN/m2.按抗挤强度计算第三段套管的可下深度：H 3= Pc’’’/*ρo* Sc)=**=3.由于第三段套管要承受其下第⼀段和第⼆段套管的重量，其抗挤强度下降，因此要减少第三段套管的下⼊深度，另外在取整的前提下考虑⼀定的安全误差，我们假设第三段套管实际下⾄H3=1900m，则第⼆段套管的段长为L 2= H2- H3=3000-1900=1100m4. 校核第⼆段套管的安全系数：1）校核第⼆段套管的抗挤安全系数第⼆段套管实际抗挤安全系数为：（下端⾯）S c2= Pc’’/*ρo*H2)=**3000)=>(安全) 2）校核第⼆段套管的抗拉安全系数（上端⾯）①计算第⼆段套管的浮⼒系数B f =1-ρm/ρs==②计算第⼆段套管的段重（空⽓中）T 2= L2*W2=1100*=③计算第⼆段套管的浮重（钻井液中）T 2’= L2*W2*Bf=1100**=④第⼆段套管上端⾯的拉⼒（钻井液中）T 1’+ T2’=+=⑤第⼆段套管的抗拉系数（题⽬要求考虑浮⼒影响，因此⽤浮重计算）S t2=Tt2/( T1’+ T2’)= +=>(安全)5. 校核第三段套管的安全系数：1）校核第三段套管的抗挤安全系数第三段套管实际抗挤安全系数为：（下端⾯）S c3= Pc’’’/*ρo*H3)=**1900=>(安全)2）校核第三段套管的抗拉安全系数（上端⾯）①计算第三段套管的浮⼒系数B f =1-ρm/ρs==②计算第三段套管的段重（空⽓中）T 3= H3* W3=1900*=③计算第三段套管的浮重（钻井液中）T 3’= H3* W3f=1900**=④第三段套管上端⾯的拉⼒（钻井液中）T 1’+ T2’+T3’=++=⑤第三段套管的抗拉系数（题⽬要求考虑浮⼒影响，因此⽤浮重计算）S t3=Tt3/( T1’+ T2’+T3’)= ++==>(安全)6.由校核数据可知第三段套管的抗拉系数已经接近题⽬要求的最⼩抗拉系数，因此我们设计三段套管，第三段套管即为最后⼀段油层套管，延伸⾄井⼝。
管柱力学大作业
《管柱力学》大作业报告1.问题描述编制一个利用软模型计算摩阻扭矩的程序，已知参数如下：（1）钻柱：φ158.75mm钻铤（内径φ57.15mm，线重135.11kg/m）200m+φ127钻杆（内径φ108.6mm，线重29.03kg/m）（2）井眼轨迹（3）摩阻系数取0.25，滑动钻进工况下钻压30kN，钻头扭矩2kN-m；旋转钻进工况下钻压50kN，钻头扭矩3.5kN-m要求：①计算出起钻、下钻、滑动钻进和旋转钻进四种工况下的井口轴向力、摩阻和井口扭矩；②根据你对降摩减扭的认识，提出一种降摩减扭的方法，通过对比采用该降摩减扭方法前、后摩阻扭矩的大小来说明其有效性。
2.编程思路1)首先将题目表格中数据导入到matlab一个矩阵变量中便于后续的处理2)由于钻柱分钻铤和钻杆两部分，线重不相同，因此要将钻铤和钻杆分开考虑，首先确定钻杆与钻铤的交界点深度，根据定向井中的轨迹计算方法，利用插值法在交界点增加一个数据点。
3)利用课件中的软模型将每一测段作为一微元段进行研究，利用微元浮重和下端轴向力计算每个微元的接触正压力（Nn、Nb），摩阻力（F），扭矩（M）和上端轴向力。
每一微元段的上端轴向力等于上一段微元的下端轴向力，按照此方法从井底逐渐向井口迭代，按不同工况进行计算，得到起钻、下钻、滑动钻进、旋转钻进四种工况下井口轴向力、摩阻和井口扭矩的数值。
4)将起钻、下钻、滑动钻进、旋转钻进四种工况下井口轴向力、摩阻和井口扭矩深度的关系绘制出相应曲线3.程序演示（1）程序运行计算得到起钻、下钻、滑动钻进和旋转钻进工况下的井口轴向力分别为10919.83KN 755.717KN 732.811KN 854.634KN。
曲线如图3-1所示。
(2)程序运行计算得到起钻、下钻、滑动钻进和旋转钻进工况下的井口扭矩分别为0KN*m 0 KN*m 0 KN*m 1.3223KN*m。
曲线如图3-1所示。
(3)程序运行计算得到起钻、下钻、滑动钻进工况下的摩阻力分别为18.7349KN 148.916KN 141.822KN。
第4讲 套管柱设计(大部分)
长江大学石油工程学院油气井工程系
3.4、上提管柱安全系数计算公式
套管抗拉强度 Y Y s = = 轴向载荷 Q+F (W+ w A)+ (fw sin )
长江大学石油工程学院油气井工程系
4、套管伸长与缩回计算
长江大学石油工程学院油气井工程系
4.1、套管在外力作用下伸长计算
（1）在自重作用下伸长量计算公式： （2）在钻井液中的伸长计算经验公式：
原有的压
2.3、内压力及抗内压强度
长江大学石油工程学院油气井工程系
长江大学石油工程学院油气井工程系
2.4、套管的（腐蚀）损坏
H 2 S 氢脆 化学的腐蚀损坏 CO2 盐物质 NaC1 盐层的流动导致变形 地层力断层区间的非均匀力 断层的滑移 物理损坏 摩擦力如定向井中 流体的动静力 施加的外力 注水诱发力 人为的损坏
（1）套管柱的弯曲半径(R)：套管管体允许的弯曲半径称为套管柱弯曲 半径。
ED R K1K2 200Yp
（单位：(ο)/100m）
E——钢材弹性模量（206×103MPa）；D——套管的外径（cm）； Yp——钢材的屈服强度（KPa）；K1——抗弯安全系数(K1=1.8)； K2——螺纹连接处的安全系数(K2=3)。
长江大学石油工程学院油气井工程系
套管的 损坏从 总体上
来分
3、定向井套管柱载荷计算及其强度设计
定向井套管柱强度设计总体上与直井相同。
在弯曲井段，由于弯曲效应增大了套管柱的拉力 载荷，套管的弯曲应力对套管柱抗拉强度影响较大。
长江大学石油工程学院油气井工程系
3.1、套管柱弯曲半径与套管安全入井的条件
一口井下大修作业复杂井设计
一口复杂井大修施工方案一、初次套管处理经过2006年6月，该井完钻后正常固井，固井刚完成发生套外井喷，井架整体下陷并发生倾斜，井架底座全部没入地表，经过及时采取措施控制住了井喷，并把地面部分井架拆卸移走。
投产做压准下封隔器时发现距井口10米处封隔器下不去，找钻井队处理，钻井队雇人用钩机挖开一个10余米深的一个大坑，露出第一根套管和第二根套管的1米多部分，第二根套管上部本体被井架底座顶部的槽钢顶弯，施工人员卸下第一根套管，割掉施力井架底座的槽钢，把第二根套管的上部1.2米左右用火焊切割掉，重新焊上相同长度的一截新套管，然后又接上一根新套管，回填土方至原样（注：在我们到现在时没有看到表套）。
后来再次投产施工，封隔器还是下不去，我们怀疑第二根套管本体中下部还有被井架底座顶变形的地方，当时该井旁边还有一口新井待投产，又逢雨季，领导决定先回填大坑，施工下一口井，因此该井作为遗留问题一直搁置至今。
来源某公司信息：2013年3月份，某小修作业队下入27/8″TBG油管至井底，下入时没有遇阻现象，起出时，发现油管串几乎全部变弯。
二、基本数据（简介）2006年1月6日开钻，完钻日期为20061月12日。
钻头程序：∮333.15mm×71.00m +∮228.00mm×899.00m +∮215.9mm×2003.00m 。
设计井深1930m，完钻井深2003m，。
人工井底：1919.93 m，补心高2.75m，联入：2.45m.油层套管结构：∮139.7mm×1931.2m，壁厚(mm)：7.72/9.17,特殊套管位置（m）：1273.57～1274.57；1746.60～1747.60，表套管结构：（10 3/4"）∮215.9mm。
据调研表层套管头距地面1.5m处，∮114封隔器没有通过变形点（段），变形段顶点距地面位置长度预计在：11.51m，深度在13.96m。
一口油井设计毕业
克拉玛依职业技术学院毕业设计论文（一口井的设计）系部：石油工程系专业：钻井工程姓名：王星学号： 08050059设计题目：一口井的设计起讫日期： 2013年3月1日—2013年5月31日设计地点：克拉玛依职业技术学院指导老师：刘鹏摘要一口井的设计包括井身结构的设计，套管柱的设计，钻杆柱的设计。
井身结构的设计又是整个钻井设计的基础，也是保证一口井能顺利钻进的前提。
合理的井身结构可以保证一口井能顺利钻达预定的井深，能够保证钻进过程的安全，能够防止钻进中的产层污染，并能花费最少的费用。
套管柱设计既要考虑到套管柱的受力分析又要考虑到套管的强度，套管柱的受力分析是套管柱强度设计的基础，在设计套管柱是应当根据套管的最危险情况来考虑套管的基本载荷。
套管柱的强度设计又是根据套管所受的外载，根据套管的强度建立一个安全的平衡关系：套管强度≥外载×安全系数合理的钻杆柱设计是确保优质、快速、安全钻井的重要条件。
尤其是对深井钻井，钻柱在井下的工作条件十分复杂与恶劣，钻杆柱设计在整个过程中就显得更加重要。
【关键词】：井身结构;钻具;钻机;套管;固井第一章第一节井身结构设计井身结构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。
依据：地层压力和地层破裂压力剖面套管的分类各类型作用1、表层套管主要用途：（1）封隔地表浅水层及浅部疏松和复杂地层；（2）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。
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。
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。
井身结构与套管柱设计
（11）投产措施
根据油层损害程度及油气层类 型，采用不同的投产措施。投产 措施往往用抽汲、N2气举、气化 水或泡沫来助排，必要时用盐酸 或土酸酸浸解堵，有的井则必须 采取酸化压裂措施后才能投产。
完井工程定义、理论基础、内容和操作程序等，构成了完井 工程系统。但此工程（或称工程系统）并非工作系统，而是从油 田开发的宏观出发，立足于油藏工程，近、远期结合，按完井工 程系统的要求，将钻井、完井、采油工程有机地联系起来，而不 是用完井工程去代替钻井和采油工程，还需要钻井、完井、采油 工程搞好各自的工作。在高科技时代的今天，各项工程都是互相 渗透而又共同发展的。强调提出完井工程概念和形成完井工程系 统的目的是： 1）尽量减少对油气层的损害，使其自然产能能更好地发挥。 2）提供必要条件来调节生产压差，以提高单井产量。 3）有利于提高储量的动用程度。 4）为采用不同的采油工艺技术措施提供必要的条件。 5）利于保护套、油管，减少井下作业量，延长油气井寿命。 6）近期与远期相结合， 尽可能做到最低的投资和最少的操作 费用，有利于提高综合经济效益。
Sk
式中的D21可用试算法求得，试取D21值代入式中求ρf ，然
后在设计井的地层破裂压力梯度曲线上求得D21所对应的地层 破裂压力梯度。如计算值ρf与实际值相差不多且略小于实际值 时，则D21即为中间套管下入深度的假定点。否则另取一D21 值计算，直到满足要求为止。
2.校核中间套管下到深度D21时是否会发生压差卡套管
现代完井工程的终极目的就是在生产层与 井筒之间建立一个良好的通道，并使油气井能 长期高产稳产。
B.现代完井工程的理论基础
●通过对油气储层及其潜在损害因素的研究和评 价，要求从钻开油层到投产全程实施储层保护，形
成油气层与井筒之间的良好的连通。
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完井工程大作业二
一口井套管柱设计
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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
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S c=1.0，抗拉S t=1.6，抗内压S i=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。
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S c=1.125，抗拉S t=1.80(考虑浮力)，抗内压S i=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
一、表层套管设计
已知条件：下深D=150m ，外径Φ339.7mm ，一开钻井液密度ρm 表=1.1g/cm 3，防喷器额定压力21Mpa,安全系数:抗挤S c =1.0，抗拉S t =1.6，抗内压S i =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。
1、抗内压设计
1）确定井口内压力
设计要求表层套管的抗内压强度接近防喷器的额定压力，则表层套管在井口的内压力为P i =21MPa ，设计内压载荷为P i S i =21×1.0=21MPa 2）依据井口内压力选套管钢级及壁厚
表层套管的抗内压强度应接近设计内压载荷21MPa ，套管钢级用J-55。
根据抗内压强套管度，由套管性能表，可选J-55，壁厚10.92mm 的套管，其名义重力q=890.2N/m ，抗内压强度[P i ]=21.305MPa ，抗外挤强度[P c ]=10.618MPa ，抗拉强度[T b ]=2646.7KN 。
3）校核井口危险截面的实际抗内压安全系数 S i =[P i ]/P i =21.305/21=1.015>1.0（安全） 2、抗挤校核
1）计算表层套管底部的外挤压力
P c =0.00981ρm 表D=0.00981×1.1×150=1.619MPa 2）校核表层套管底部的实际抗挤安全系数
S c =[P c ]/P c =10.618/1.619=6.558>1.0（安全） 3、抗拉校核
1）计算一开的浮力系数
已知套管钢材密度ρS =7.8g/cm3
则浮力系数K B =1-ρm 表/ρS =1-1.1/7.8=0.859 2）计算表层套管口的段重
T b =qDK B =0.8902×150×0.86=114.702KN 3）校核表层套管口的实际抗拉安全系数
S t =[T b ]/T b =2646.7/114.702=23.075>1.6（安全）
二、油层套管设计
已知条件：下深D 1=3574m ，外径Φ139.7mm ，二开最大钻井液密度ρm 油=1.32g/cm 3，安全系数:抗挤S c =1.125，抗拉S t =1.80(考虑浮力)，抗内压S i =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 ρO =2.3g/cm 3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。
1、计算二开的浮力系数
K B =1-ρm 油/ρS =1-1.32/7.8=0.831 2、按抗挤强度选第一段套管
1）计算套管底部的最大外挤载荷
P c1=0.00981ρO D 1=0.00981×2.3×3574=80.640MPa 2）选第一段套管钢级及壁厚
依据套管底部的最大外挤载荷，由套管性能表，可选P-110，壁厚10.54mm 的套管，其名义重力q 1=335.7N/m ，抗内压强度[P i1]=90.735MPa ，抗外挤强度[P c1]=100.250MPa ，抗拉强度[T b1]=2860.2KN 3）校核套管底部的实际抗挤安全系数
S c1=[P c1]/P c1=100.250/80.640=1.243>1.125（安全）
3、按抗挤强度选第二段套管
1）选第二段套管
第一段套管的顶截面位置取决于第二段套管的可下深度，第二段套管选用抗挤强度比第一段套管低一级的套管，由套管性能表，可选P-110，壁厚9.17mm的套管，
其名义重力q
2=291.9N/m，抗内压强度[P
i2
]=87.150MPa，抗外挤强度[P
c2
]=76.532MPa，
抗拉强度[T
b2
]=2437.6KN
2）计算第二段套管的可下深度
D
2=[P
c2
]/（0.00981ρ
O
S
c
）=76.532/（0.00981×2.3×1.125）=3015m
实取第二段套管下深D2=3000m
3）校核第二段套管底部的实际抗挤安全系数
S
c2=[P
c2
]/P
c2
=[P
c2
]/（0.00981ρ
O
D
2
）
=76.532/（0.00981×2.3×3000）=1.131>1.125（安全）4、校核第一段套管
1）计算第一段套管的段长L
1=D
1
-D
2
=3574-3000=574m
2）计算第一段套管的段重T
b1=L
1
q
1
K
B
=574×0.3357×0.831=160.13KN
3）校核第一段套管顶部的抗拉安全系数
S
t1=[T
b1
]/T
b1
=2860.2/160.13=17.862>1.8（安全）
5、按抗挤强度选第三段套管
1）选第三段套管
第二段套管的顶截面位置取决于第三段套管的可下深度，第三段套管选用抗挤强度低一级的套管，由套管性能表，可选P-110，壁厚7.72mm的套管，其名义重力
q 3=248.1N/m，抗内压强度[P
i3
]=73.360MPa，抗外挤强度[P
c3
]=51.573MPa，抗拉强度
[T
b3
]=1979.5KN
2）计算第三段套管的下深
D
3=[P
c3
]/（0.00981ρ
O
S
c
）=51.573/(0.00981×2.3×1.125)=2032m
实取第二段套管下深D3=2000m
3）校核第三段套管底部的实际抗挤安全系数
S
c3=[P
c3
]/P
c3
=[P
c3
]/（0.00981ρ
O
D
3
）
=51.573/（0.00981×2.3×2000）=1.143>1.125（安全）6、校核第二段套管
1）计算第二段套管的段长L
2=D
2
-D
3
=3000-2000=1000m
2）计算第二段套管的段重T
b2=L
2
q
2
K
B
=1000×0.2919×0.831=242.57KN
3）计算第二段套管的累重T
b ’=T
b2
+T
b1
=242.57+160.13=402.7KN
3）校核第二段套管顶部的抗拉安全系数
S
t2=[T
b2
]/T
b
’=2437.6/402.7=6.053>1.8（安全）
7、按抗拉强度确定第三段套管的许用长度
由于第二段套管顶部的抗拉安全系数（6.053）已比较接近规定的抗拉安全系数（1.8），且已有两段按抗挤强度设计的油层套管，则第三段套管即为最后一段油层套管，延伸至井口，其顶部可转为抗拉设计。
1）按抗拉强度设计第三段套管长度
L
3=(([T
b3
]/S
t
)-T
b
’)/q
3
K
B
=（（1979.5/1.8）-402.7.96）/0.2481×0.831=3381m
由于L
1+L
2
+L
3
=574+1000+3381=4955m>D1=3574m，故按抗拉强度设计的第三段套
管长度已满足要求。
应取L
3=D
1
-L
1
-L
2
=3574-574-1000=2000m
2）第三段套管段重T
b3=L
3
q
3
K
B
=2000×0.2481×0.831=412.34KN
3）第三段套管累重T
b ”=T
b3
+T
b
’=412.34+402.7=815.04KN
4）校核第三段套管口的实际抗拉安全系数
S
t3=[T
b3
]/T
b
”=1979.5/815.04=2.429>1.8（安全）
8、校核井口内压力
S
i ’=[P
i3
]/P
s
=73.360/21=3.493>1.10（安全）。