第3讲 [第二章 套管柱及注水泥设计]——井身结构设计--具.
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第2章 套管柱设计与固井
（一）套管轴向力
如果套管柱在水泥凝固前轴向拉伸强度是足够的，有水泥环的套管在水泥凝固 后就不会出现因轴向拉伸引起的破坏。但无水泥环的套管实际上是上下被固 定，当温度和内、外压力改变时就会引起轴力的改变。
1、水泥凝固前的轴力
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
力过大时只能放压，井内液、气分布复杂。其内压力分布作这样的处理：在井
口处取设备允许压力，套管鞋处取地层破裂压力，两者之间呈线性关系。任意
深度的内压力：
pi
=
p gp
+
p f − pgp Hf
⋅H
式中：pgp——井口设备允许内压力，帕。
2、油层套管的内压力
（1）油管带封隔器时：
典型的完井方法如右图所示，油层套管与油管之间 充满完井液。受内压力最严重的情况是生产初期， 气通过油管丝扣进入油管与油层套管的环空，在环 空封闭的条件下(套管闸门常闭)，气泡运移到井口 仍保持产层压力。内压力分布：
以套管内全掏空计算。
①单纯抗挤可下深度
进行套管抗外挤强度设计时，应该考虑套管内压力的平衡效果，以有效 外挤压力来设计。不过这时的内压力应取可能出现的最小值。技术套管应以 固井后钻进中严重漏失来考虑，可能出现套管内全掏空或部分套管掏空。油 层套管在生产末期地层压力枯竭，套管内全掏空。
表层套管只有在下得很深时才考虑抗挤问题，做法与技术套管相同。
¾套管柱设计：抗挤、抗拉、抗内压设计。 ¾“自由套管”：双向应力设计，有时须考虑内外压力和温度改变引起的附 加拉力。 ¾等安全系数法：设计套管柱一项强度时要使各段受力最严重的部位安 全系数相等，并以其它各项强度满足要求为前提。
（一）安全系数的选取
如果套管柱在水泥凝固前轴向拉伸强度是足够的，有水泥环的套管在水泥凝固 后就不会出现因轴向拉伸引起的破坏。但无水泥环的套管实际上是上下被固 定，当温度和内、外压力改变时就会引起轴力的改变。
1、水泥凝固前的轴力
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
力过大时只能放压，井内液、气分布复杂。其内压力分布作这样的处理：在井
口处取设备允许压力，套管鞋处取地层破裂压力，两者之间呈线性关系。任意
深度的内压力：
pi
=
p gp
+
p f − pgp Hf
⋅H
式中：pgp——井口设备允许内压力，帕。
2、油层套管的内压力
（1）油管带封隔器时：
典型的完井方法如右图所示，油层套管与油管之间 充满完井液。受内压力最严重的情况是生产初期， 气通过油管丝扣进入油管与油层套管的环空，在环 空封闭的条件下(套管闸门常闭)，气泡运移到井口 仍保持产层压力。内压力分布：
以套管内全掏空计算。
①单纯抗挤可下深度
进行套管抗外挤强度设计时，应该考虑套管内压力的平衡效果，以有效 外挤压力来设计。不过这时的内压力应取可能出现的最小值。技术套管应以 固井后钻进中严重漏失来考虑，可能出现套管内全掏空或部分套管掏空。油 层套管在生产末期地层压力枯竭，套管内全掏空。
表层套管只有在下得很深时才考虑抗挤问题，做法与技术套管相同。
¾套管柱设计：抗挤、抗拉、抗内压设计。 ¾“自由套管”：双向应力设计，有时须考虑内外压力和温度改变引起的附 加拉力。 ¾等安全系数法：设计套管柱一项强度时要使各段受力最严重的部位安 全系数相等，并以其它各项强度满足要求为前提。
（一）安全系数的选取
第5讲 [第二章 套管柱及注水泥设计]——套管柱载荷分析
![第5讲 [第二章 套管柱及注水泥设计]——套管柱载荷分析](https://img.taocdn.com/s3/m/08cd826c1eb91a37f1115c95.png)
2、外挤压载荷及套管的抗挤强度
计 算
实
例
3、内压载荷及套管的抗内压强度
（1）内压载荷 （假设管外的水泥已凝固，管外的压力用地层流体计算）
内压力的来源：地层流体进入套管产生压力；生产中的特殊作业（ 注水、压裂）时的压力。 内压力的确定：在老区可以参考邻近的资料，但在新区，内压少就 很难确定。当井口开时，内压力易于计算，且数值较小，但当井涌 关井时则内压力就显的十分突出。
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。 失稳后的套管被挤扁（轻者）或破裂，使钻头或其它井下 工作不能通过，地层封隔遭到破坏，将被迫停钻或停产，套 管损坏严重者油气井报废。 套管抗挤强度取决于材料性能、横截面的几何形状和套 管所承受负荷的状况。理论分析和实验研究表明，
1、轴向载荷及套管的抗拉强度
（1）轴向载荷种类
实际设计中，一般不考虑浮力对 轴向载荷的作用，则设计结果偏于安 全。 但在计算精度要求较高的情况下 （如高温高压井），为了更好的发挥 管材强度性能，此时往往不能简单的 给予忽略。
1、轴向载荷及套管的抗拉强度
（2）轴向载荷下套管抗拉强度
目前我国现场中所用的套管绝大多数为API标准圆扣 套管：扣为V型，扣根与扣尖为圆孤形。 从API的套管抗拉强度试验和现场的实际可以看出， 绝大部分套管的破坏形式是滑扣，特别是对于圆螺纹，
不容易在现场配接短节，要求严格的操作条件和成本高。 具有扭矩台肩，满足上扣扭矩强度要求，可控制过大的圆周应力( 周向应力)。 联接处(或接箍)的外径能够达到尽可能小的程度。
[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 (一)](https://img.taocdn.com/s3/m/398ff6f459f5f61fb7360b4c2e3f5727a5e924c9.png)
[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。
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。
第二章井身结构设计
第二章 井身结构设计井身结构设计是钻井工程的基础设计。
它的主要任务是确定套管的下入层次、下入深度、水泥浆返深、水泥环厚度、生产套管尺寸及钻头尺寸。
基础设计的质量是关系到油气井能否安全、优质、高速和经济钻达目的层及保护储层防止损害的重要措施。
由于地区及钻探目的层的不同，钻井工艺技术水平的高低，国内外各油田井身结构设计变化较大。
选择井身结构的客观依据是地层岩性特征、地层压力、地层破裂压力。
主观条件是钻头、钻井工艺技术水平等。
井身结构设计应满足以下主要原则：1．能有效地保护储集层；2．避免产生井漏、井塌、卡钻等井下复杂情况和事故。
为安全、优质、高速和经济钻井创造条件； 3．当实际地层压力超过预测值发生溢流时，在一定范围内，具有处理溢流的能力。
本章着重阐明地下各种压力概念及评价方法，井身结构设计原理、方法、步骤及应用。
第一节 地层压力理论及预测方法地层压力理论和评价技术对天然气及石油勘探开发有着重要意义。
钻井工程设计、施工中，地层压力、破裂压力、井眼坍塌压力是合理钻井密度设计；井身结构设计；平衡压力钻井；欠平衡压力钻井及油气井压力控制的基础。
一、几个基本概念 1．静液柱压力静液柱压力是由液柱自身重量产生的压力，其大小等于液体的密度乘以重力加速度与液柱垂直深度的乘积，即0.00981h P H r = （2-1）式中：P h ——静液柱压力，MPa ； ——液柱密度，g/cm 3； H ——液柱垂直高度，m 。
静液柱压力的大小取决于液柱垂直高度H 和液体密度，钻井工程中，井愈深，静液柱压力越大。
2．压力梯度指用单位高度（或深度）的液柱压力来表示液柱压力随高度（或深度）的变化。
ρ00981.0==HP G hh （2-2） 式中：G h ——液柱压力梯度，MPa/m ； P h ——液柱压力，MPa ； H ——液柱垂直高度，m 。
石油工程中压力梯度也常采用当量密度来表示，即HP h00981.0=ρ （2-3）式中：——当量密度梯度，g/cm 3； 3．有效密度钻井流体在流动或被激励过程中有效地作用在井内的总压力为有效液柱压力，其等效（或当量）密度定义为有效密度。
《井身结构设计》课件
井身材料
常用井身材料包括钢筋混凝 土、混凝土、钢和玻璃钢等。
井身结构设计的目的
提高井身稳定性
井身结构设计的目的是为了提高 井身的稳定性，确保石油井的平 稳生产。
降低事故风险
合理的井身结构设计可以减少石 油井事故的概率，保障工人的生 命安全。
提高生产效率
通过优化井身结构设计，可以提 高石油井的生产效率，降低维护 成本。
1
基础工程
进行基础开挖、标出基坑轮廓线、安置钢筋骨架等。
2
混凝土浇筑
进行钢筋模板组装、浇筑混凝土等。
3
砼强度与养护
根据测量计算、检验、养护高强度混凝土的质量。
预应力混凝土结构井的施工
预应力钢筋制作
预应力混凝土井筒需要应用预应 力钢筋，进行钢筋的制作和预应 力张拉。
施工工艺
构件之间的连接
进行预制整体与预制分段两种工 艺，将预制件安装到已完成地基 的基础上，进行钢束拉紧与固定。
井身结构设计实例分享
பைடு நூலகம்
1
长江三峡水电站井身设计
针对高水压和高岸坡等复杂工况，设计了多层钢筋混凝土结构的井身，确保水电 站的正常运行。
2
渤海海洋油田厂房井身设计
针对海洋环境的复杂性，设计高强度钢结构井身，提高了设施稳定性和运行效率。
3
南海油田纯海上井身设计
针对纯海上井身不稳定等特点，设计了预制单元式混凝土井身结构，解决了海上 施工难度大的问题。
井身结构的安全性检查
1 验收检查
在施工完成后，进行对井身结构的检查，确认是否符合设计要求。
2 日常检查
对井身结构进行日常管护与维修，确保井身结构的稳定性和安全性。
3 保护检查
固井讲稿
如何选用这些套管，选择原则：
外载×安全系数 套管强度
第二节 套管柱设计
二、套管外载分析与套管强度计算 （一）载荷分类与特点 1、静载 特点：长期作用、联合作用在套管上。 类型：
轴向拉力 径向外挤压力 径向内压力 弯曲附加拉力 温差应力
二、套管外载分析 与套管强度计算
(1)轴向拉力：T
二、套管外载分析与套管强度计算
套管按径厚比分类为： 厚壁： D/t 10 中厚壁： 10< D/t 30 薄壁： D/t > 30
D 套管直径； t 套管壁厚。
套管失效形式：主要是失稳破坏，而不是强度破坏。 失稳后的套管被挤扁或破裂。
二、套管外载分析与套管强度计算
2.2 套管抗挤强度计算
Tb qL / 1000
T 井口处套管轴向拉力, KN q 单位长度套管的重量，N/m L 套管长度，m
二、套管外载分析与套管强度计算
(2). 考虑浮力时套管自重拉力
浮力考虑方法：
浮力系数法，台阶力法(按集中力考虑)
在钻井液中
Tb
计算式(浮力系数法
)：
m Tb qL1 103 qBF L 103 s
第二节 套管柱设计
一、套管规范简介
套管受到各种类型外力作用，须具有一定强度。 外载大小、类型不同，所需的强度要求也不同， 须有一系列不同尺寸、不同强度的套管。即套管 系列。 对所用的套管系列作一个统一规定，叫套管规范 。规定了套管生产的尺寸、钢级、壁厚、连接方 式等。 目前一般使用的美国API套管规范。其规定的有关 性能主要有。
（二）轴向拉力与套管抗拉强度 1、轴向拉力计算 1.1套管自重产生的轴向拉力
浮力对轴向载荷有减小作用，因此，设计时
外载×安全系数 套管强度
第二节 套管柱设计
二、套管外载分析与套管强度计算 （一）载荷分类与特点 1、静载 特点：长期作用、联合作用在套管上。 类型：
轴向拉力 径向外挤压力 径向内压力 弯曲附加拉力 温差应力
二、套管外载分析 与套管强度计算
(1)轴向拉力：T
二、套管外载分析与套管强度计算
套管按径厚比分类为： 厚壁： D/t 10 中厚壁： 10< D/t 30 薄壁： D/t > 30
D 套管直径； t 套管壁厚。
套管失效形式：主要是失稳破坏，而不是强度破坏。 失稳后的套管被挤扁或破裂。
二、套管外载分析与套管强度计算
2.2 套管抗挤强度计算
Tb qL / 1000
T 井口处套管轴向拉力, KN q 单位长度套管的重量，N/m L 套管长度，m
二、套管外载分析与套管强度计算
(2). 考虑浮力时套管自重拉力
浮力考虑方法：
浮力系数法，台阶力法(按集中力考虑)
在钻井液中
Tb
计算式(浮力系数法
)：
m Tb qL1 103 qBF L 103 s
第二节 套管柱设计
一、套管规范简介
套管受到各种类型外力作用，须具有一定强度。 外载大小、类型不同，所需的强度要求也不同， 须有一系列不同尺寸、不同强度的套管。即套管 系列。 对所用的套管系列作一个统一规定，叫套管规范 。规定了套管生产的尺寸、钢级、壁厚、连接方 式等。 目前一般使用的美国API套管规范。其规定的有关 性能主要有。
（二）轴向拉力与套管抗拉强度 1、轴向拉力计算 1.1套管自重产生的轴向拉力
浮力对轴向载荷有减小作用，因此，设计时
关于_套管柱及注水泥设计]井身结构设计--具体设计共30页
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1、最灵繁的人也看不见自己的背脊。——非洲 2、最困难的事情就是认识自己。——希腊 3、有勇气承担命运这才是英雄好汉。——黑塞 4、与肝胆人共事，无字句处读书。——周恩来 5、阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作使人精确。——培根
关于_套管柱及注水泥设计] 井身结构设计--具体设计
26、机遇对于有准备的头脑最必要的力 量泉源 之一， 也是成 功的利 器之一 。没有 它，天 才也会 在矛盾 无定的 迷径中 ，徒劳 无功。- -查士 德斐尔 爵士。 29、困难就是机遇。--温斯顿．丘吉 尔。 30、我奋斗，所以我快乐。--格林斯 潘。
第二章 套管柱设计与固井
23
第一节 套管柱设计
24
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。
4
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
5
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。
81/2
6
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。
19
第一节 套管柱设计
24
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。
4
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
5
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。
81/2
6
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。
19
第二章井身结构设计与固井-2013
Dpmax ——最大地层孔隙压力所处的井深，m
pmin ——裸眼段钻遇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
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
试算法求ρf 试取一个D21 ，计算ρf 与查图ρf’ 比较； 若ρf ≤ ρf’ ，D21为中间套管初选点， D21 否则，重新试算。 一般情况下，在新探区，取以上两种 条件下较大值。
ρf’
ρpmax
27
第二章 井身结构设计与固井
2.验证中间套管下到 深度D21是否被卡
（1）首先求裸眼可能存在的最大静压差：
• 压力梯度/当量密度 e
–单位高度（或深度）增加的压力值
Gh
Ph H
0.00981
MPa / m
–有时直接用当量密度 e 表示
Ph
1.基本压力概念
• 地层压力(Formation Pressure) Pp
–作用在岩石孔隙流体(油气水)上的压力，
也叫地层孔隙压力
–当量钻井液密度：
p
Pp
0.00981 H p
查出ρf 2所在的井深 D21 ， 即为中间套管下入井深初选点。
ρpmax
26
第二章 井身结构设计与固井
（2）异常情况，发生井涌
emax d max Sk Dp max Dc1
pmax Sb Sk Dpmax D21 S f f min
f 2 pmax Sb Sk Dpmax D21 S f
压裂安全系数Ｓｆ：0.03~0.06 g/cm3
井涌允量 Ｓｋ：0.05~0.08 g/cm3
pmin ——裸眼段钻遇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
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
试算法求ρf 试取一个D21 ，计算ρf 与查图ρf’ 比较； 若ρf ≤ ρf’ ，D21为中间套管初选点， D21 否则，重新试算。 一般情况下，在新探区，取以上两种 条件下较大值。
ρf’
ρpmax
27
第二章 井身结构设计与固井
2.验证中间套管下到 深度D21是否被卡
（1）首先求裸眼可能存在的最大静压差：
• 压力梯度/当量密度 e
–单位高度（或深度）增加的压力值
Gh
Ph H
0.00981
MPa / m
–有时直接用当量密度 e 表示
Ph
1.基本压力概念
• 地层压力(Formation Pressure) Pp
–作用在岩石孔隙流体(油气水)上的压力，
也叫地层孔隙压力
–当量钻井液密度：
p
Pp
0.00981 H p
查出ρf 2所在的井深 D21 ， 即为中间套管下入井深初选点。
ρpmax
26
第二章 井身结构设计与固井
（2）异常情况，发生井涌
emax d max Sk Dp max Dc1
pmax Sb Sk Dpmax D21 S f f min
f 2 pmax Sb Sk Dpmax D21 S f
压裂安全系数Ｓｆ：0.03~0.06 g/cm3
井涌允量 Ｓｋ：0.05~0.08 g/cm3
井身结构设计与固井PPT教案
重点：套管柱组成及规范、套管柱的受力及强度分析、 注水泥工艺过程。
难点：套管柱的受力及强度分析。
2
3
主要内容: — 井身结构设计 — 套管柱设计 — 注水泥技术 — 套管损坏与防护
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)
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。 2006年3月25日，重庆开县罗家2井， 套管破损，地下井漏， H2S喷出， 12000人紧急疏散，2口井报废。
16"
13-3/8" 10-3/4" 9-5/8"
27
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。
• 套管尺寸： API标准，共14 种尺寸； 壁厚：5.21~16.13 mm
4
1 2
",5",5
1
2
",6
5
8
",7",7
5
8
",8
12")13
3 8
"(12
14")9
5
8
"(8
12")7"(5
7
8
")4
1 2
"
套管和井眼尺寸确定一般是由内到外进行
根据采油要求
油层套管尺寸
匹配钻头
……
套管与井眼间间隙与井身质量、固井水泥环强度要求、下套管时井内波动压力、 套管尺寸等因素有关，9.5mm ～ 19mm。
难点：套管柱的受力及强度分析。
2
3
主要内容: — 井身结构设计 — 套管柱设计 — 注水泥技术 — 套管损坏与防护
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)
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。 2006年3月25日，重庆开县罗家2井， 套管破损，地下井漏， H2S喷出， 12000人紧急疏散，2口井报废。
16"
13-3/8" 10-3/4" 9-5/8"
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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。
• 套管尺寸： API标准，共14 种尺寸； 壁厚：5.21~16.13 mm
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1 2
",5",5
1
2
",6
5
8
",7",7
5
8
",8
12")13
3 8
"(12
14")9
5
8
"(8
12")7"(5
7
8
")4
1 2
"
套管和井眼尺寸确定一般是由内到外进行
根据采油要求
油层套管尺寸
匹配钻头
……
套管与井眼间间隙与井身质量、固井水泥环强度要求、下套管时井内波动压力、 套管尺寸等因素有关，9.5mm ～ 19mm。
井身结构设计
主要内容
确定套管的层数 确定各层套管的下深 确定套管尺寸与井眼尺寸的配合
影响因素
地层压力（地层压力、破裂压力、地层坍塌压力） 工程参数 地层必封点
地层压力理论及预测方法
静液柱压力（Hydrostatic pressure） Ph
定义
静液压力是由液柱重力引起的 压力。
计算
Ph 0.00981 H (MPa )
地层压力理论及预测方法
声波时差法预测地层压力
预测步骤
在标准声波时差测井资料上选择泥质含量大于 80%的泥页岩层段，以5m为间隔点读出井深相 应的声波时差值，并在半对数坐标上描点；
建立正常压实趋势线及正常压实趋势线方程； 将测井曲线上的声波时差值代入趋势线方程，
求出等效深度HE； 用等效深度法计算地层压力PP。
岩石强度参数的确定
内聚力 内摩擦角 抗拉伸强度
静态弹性参数的确定
泊松比 弹性模量
地层有效应力系数α的确定
利用声波时差测井参数
井身结构设计
定义
套管层次、套管下入深度以及井眼 尺寸（钻头尺寸）与套管尺寸的配 合。
目的
保证安全、优质、快速和经济地钻达 目的层
内容
下入套管层数 各层套管的下入深度 选择合适的套管尺寸与钻头尺寸组合
第二章：井身结构设计
第一节：地层压力理论及预测方法
Dc指数 声波时差 地震层速度法
第二节：地层破裂压力预测
理论计算 地破试验
第三节：地层坍塌压力预测 第四节：井身结构设计 第五节：生产套管尺寸设计（自学）
井身结构
定义
套管层次、套管下入深度以及井眼尺寸（钻头尺寸 ）与套管尺寸的配合。
地层压力理论及预测方法
Dc指数法预测的原理
确定套管的层数 确定各层套管的下深 确定套管尺寸与井眼尺寸的配合
影响因素
地层压力（地层压力、破裂压力、地层坍塌压力） 工程参数 地层必封点
地层压力理论及预测方法
静液柱压力（Hydrostatic pressure） Ph
定义
静液压力是由液柱重力引起的 压力。
计算
Ph 0.00981 H (MPa )
地层压力理论及预测方法
声波时差法预测地层压力
预测步骤
在标准声波时差测井资料上选择泥质含量大于 80%的泥页岩层段，以5m为间隔点读出井深相 应的声波时差值，并在半对数坐标上描点；
建立正常压实趋势线及正常压实趋势线方程； 将测井曲线上的声波时差值代入趋势线方程，
求出等效深度HE； 用等效深度法计算地层压力PP。
岩石强度参数的确定
内聚力 内摩擦角 抗拉伸强度
静态弹性参数的确定
泊松比 弹性模量
地层有效应力系数α的确定
利用声波时差测井参数
井身结构设计
定义
套管层次、套管下入深度以及井眼 尺寸（钻头尺寸）与套管尺寸的配 合。
目的
保证安全、优质、快速和经济地钻达 目的层
内容
下入套管层数 各层套管的下入深度 选择合适的套管尺寸与钻头尺寸组合
第二章：井身结构设计
第一节：地层压力理论及预测方法
Dc指数 声波时差 地震层速度法
第二节：地层破裂压力预测
理论计算 地破试验
第三节：地层坍塌压力预测 第四节：井身结构设计 第五节：生产套管尺寸设计（自学）
井身结构
定义
套管层次、套管下入深度以及井眼尺寸（钻头尺寸 ）与套管尺寸的配合。
地层压力理论及预测方法
Dc指数法预测的原理
井身结构设计
5、井身结构设计方法及步骤 图解法：
依据两个压力剖面， 以保证钻进时井内最大压
力不压裂最薄弱的裸露地
层为原则，从全井最大地
层压力梯度开始，由下向
上确定套管的层次和各层 套管的下深，同时考虑地 质必封点。
28
5、井身结构设计方法及步骤 图解法：
① 各层套管（油层套管除外）下入深度初选点Dn的确定
② 校核各层套管下到初选点深度Dni时是否发生压差卡钻
③ 当中间套管下入深度浅于初选点（Dn<Dni）时，
则需要下尾管并要确定尾管下入深度Dn+1
④ 必封点的确定
29
5、井身结构设计方法及步骤
1、求中间套管下入深度初选点D21 最大钻井液密度ρmmax→由起钻时的压力平衡条件确定
依据：起钻时，井内压力要大于地层压力。
m Sb p
取临界状态
•三个剖面：
孔隙压力剖面(坍塌压力剖面) 破裂压力剖面(漏失压力剖面) 地层岩性剖面及其故障提示
19
4、井身结构设计中所需要的基础数据 2）工程类数据
•六个设计系数：
抽吸压力系数Ｓｂ：上提钻柱时，由于抽吸作用使井内液 体 压力降低的值，用当量密度表示， （0.024~0.048 g/cm3） 激动压力系数Ｓｇ：下放钻柱时，由于钻柱向下运动产生 的激动压力使井内液柱压力的增加值，用当量密度表示， （0.024~0.048g/cm3）
从地区大量的抽吸和激动压力数据统计而来： --由该地区所有井每趟起下钻所产生的抽吸和激动压力，折 合成当量密度，然后进行统计分析来确定取值范围； 建立抽吸和激动压力计算模型。 20
4、井身结构设计中所需要的基础数据
压裂安全系数Ｓｆ：为避免上部套管鞋处裸露地层被压 裂的地层破裂压力安全增值，用当量密度表示；
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。
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3.1、套管柱弯曲半径与套管安全入井的条件
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关键曲线）；
② 确定待钻井的井身结构各设计系数； ③ 确定生产套管的下入深度； ④ 确定中间套管或尾管的下入深度； ⑤ 确定表层套管的下入深度；
⑥ 确定各层套管的尺寸和套管外水泥的
返深及相应的钻头尺寸。
设计顺序： 由下向上、由内向外进行逐层设计
四、依据两条压力曲线进行井身结构设计的具体方法
地层Q 350ຫໍສະໝຸດ 井身结构◆设计顺序： 由下向上、由内向外。
N2d 940
生产套管→技术套管→表层套管
N1t 1940
N1s 2245
◆
设计关键：中间套管设计
E2-3a 2950
E1-2z 3570
K2d 3600 （未穿）
四、依据两条压力曲线进行井身结构设计的具体方法
（一）设计基本原理
确定套管下入深度的依据，是在钻下部井段的过
第五节 复杂类型井套管柱设计和注水泥技术简介
第一节 井身结构设计
一、套管的类型（套管的层次） 二、井身结构设计的原则
三、依据两条压力曲线进行设计
四、依据两条压力曲线进行井身结构设计的具体方法 五、套管尺寸和井眼尺寸的选择 六、水泥返深设计 七、现场井身结构设计方法 参考文献：SY/T5431-1996 井身结构设计
三、依据两条压力曲线进行设计
（一）井身结构设计内容
◆ ◆
套管层次和下入深度； 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。它不仅关系到钻井技术经 济指标和钻井工作的成效，也关系
到生产层的保护和产能的维持。
技术套管
油层尾管
三、依据两条压力曲线进行设计
（二）井身结构设计的步骤 ① 绘制待钻井的压力梯度曲线图(两条
ff p max Sb S g S f
ff f
（b）从该点向上引垂线与破裂
压力线相交，交点所在的深度及为
中间套管下入深度的初始假定点 D21。
（二）中间套管设计
（2）发生溢流（井涌）时
假设当钻至最大地层压力点对应深度（ Dpmax ）处时，发生一个大小为 S k 的溢流，此时需要停泵并关闭防喷器。若假设套管下深为D2x，同时考虑到地 层破裂压力评价误差，容易导出此时地层设计破裂压力当量密度ρff :
D3
（二）中间套管设计
1、求初始下入深度的假定点
利用地层压力剖面图中最大地层压力梯度，计算：钻进中不至于压 裂上部地层的当量密度 ρff （ρff 称为地层设计破裂压力当量密度）。
ff f
根据上式确定套管的最大下深。
●
分两种情况计算ρff ：
（1）正常作业（不会发生井涌）时 （2）发生溢流（井涌）时
完井工程
绪 论 第一章 完井工程的基础 课 程 内 容 及 课 时 分 布 第二章 套管柱及注水泥设计 第三章 完井液和完井方式
第四章 射孔
第五章 投产措施 第六章 完井管柱及井口装置 课程总结
第二章 套管柱及注水泥设计
第一节 井身结构设计 第二节 生产套管尺寸的确定 第三节 套管柱设计 第四节 注水泥技术
（一）设计基本原理
钻下部井段的过程中，所预计的最大井内压力不至
地层
Q 350
井身结构
于压裂本层套管鞋处的裸露地层。
假设三开井身结构，技套下深为D2，则： 1）当钻达D2之前，从表套套管鞋到钻头所在位置
对 于 表 套 下 入 深 度
N2d 940
D1
N1t 1940
都是裸眼，薄弱地层是表套套管鞋。
N1s
（二）中间套管设计
（1）正常作业时（不会发生井涌时）：
ff p max Sb S g S f
激动压力系数 抽汲压力系数 破裂压力安全增值
图中（裸眼段）最大地层压力对应的当量密度值
地层设计破裂压力当量密度
* 只有在确认不会发生溢流的情况下才会使用公式。
（二）中间套管设计
（a）在压力剖面图的横坐标上找 出地层设计破裂压力当量密度ρff ;
（二）中间套管设计
2、验证初始设计下入深度是否会发生卡钻
计算正常孔隙压力地层最大深度Dmin处的钻井液柱压力与地层孔隙 压力的差值：
p 0.00981( m fw ) Dmin
（ 3）
（二）中间套管设计
当有可能发生压差卡钻时，用下式重新计算中间套管下入深度：
pper
p N fw Sb 0.00981Dmin
D3
四、依据两条压力曲线进行井身结构设计的具体方法
（一）设计基本原理
钻下部井段的过程中，所预计的最大井内压力不至
地层
Q 350
井身结构
于压裂本层套管鞋处的裸露地层。
假设三开井身结构，技套下深为D2，则： 2）当钻达D2之后，再进行钻进，实际上是进行三
对 于 技 套 下 入 深 度
N2d 940
D1
抽汲压力系数
深度为Dmin处对应的地层压力当量密度 在压差允许值下最大地层压力当量密度
地层
Q 350
井身结构
程中所预计的最大井内压力不至于压裂上层套管鞋
处的裸露地层。
N2d 940
N1t 1940
N1s 2245 E2-3a 2950
E1-2z 3570
K2d 3600 （未穿）
四、依据两条压力曲线进行井身结构设计的具体方法
（一）设计基本原理
套管鞋处 地层最容易压 破，为什么？
四、依据两条压力曲线进行井身结构设计的具体方法
ff p max Sb S f D pmax D2 x Sk
ff f
由于（2）式中包含有未知数 D2x，所以解这
个方程使用迭代（试算）法求解；
（ 2）
Dpmax—裸眼段最大地层压力点对应的深度（m）； D2x—中间套管下入深度的初始假定点深度（m）； Sk—井涌条件允许值（g/cm3）。
N1t 1940
开钻进，D2之上地层都已经用套管封隔，薄弱地层是 技套套管鞋。 这里的设计重点应该是进行三开钻进时不要压破 技套套管鞋处地层。 所以对技套下入深度有影响的井段为D2 ～D3;
N1s 2245 E2-3a 2950
E1-2z 3570
D2
K2d 3600 （未穿）
此时还考虑表层套管套管鞋出的薄弱地层吗？
这里的设计重点应该是进行二开钻进时不要压破 表套套管鞋处地层。
2245 E2-3a 2950
决定表套是否被压破取决于钻进D1 ～D2井段时井
内最大压力（或最大当量泥浆密度）; D2 ～D3井段对表套套管鞋薄弱地层有没有影响？
E1-2z 3570
D2
K2d 3600 （未穿）
或者说对表套的下入深度有没有影响？