第二章 套管柱设计与固井
第2章 套管柱设计与固井
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
最新整理固井技术规定.doc
固井技术规定第一章总则第一条固井是钻井工程的关键环节，其质量好坏不仅关系到钻井工程的成败和油气井的寿命，而且影响到油气田勘探开发的整体效果。
为保证固井工程质量，特制定本规定。
第二条固井工程必须从设计、准备、施工、检验四个环节严格把关，采用适合地质特点及各种井型的先进固井工艺技术，确保质量，达到安全、可靠、经济。
第三条固井作业必须按固井设计执行，否则不得施工。
第二章固井设计第一节设计格式与审批第四条固井设计格式按勘探与生产分公司发布的《xx井xx套（尾）管固井设计》要求执行。
第五条固井审批程序按勘探与生产分公司发布的《中油股份公司勘探与生产工程技术管理办法》执行。
第二节套管柱强度要求第六条套管柱强度设计方法SY/5322- 执行。
其中，在高压气井和超深井的强度设计时，必须考虑密封因素。
对安全系数的要求见下表数据。
第七章套管柱抗挤载荷计算在正常情况下按已知产层压力梯度、钻井液压力梯度或预测地层孔隙压力值计算。
遇到盐岩层等特殊地层时，该井段套管抗挤载荷计算取上覆地层压力梯度值，且该段高强度套管柱长度在盐岩层段上下至少附加50m第八条套管柱强度设计应考虑热采高温注蒸汽过程中套管受循环热应力的影响。
第九条对含有硫化氢等酸性气体井的套管柱强度设计，在材质选择上应明确提出抗酸性气体腐蚀的要求。
有关压裂酸化、注水、开采方面对套管柱的技术要求，应由采油和地质部门在区块开发方案中提出，作为设计依据。
第三节冲洗液、隔离液和水泥浆要求第十条冲洗液及隔离液1、使用量：在不造成油气侵及垮塌的原则下，一般占环空高度的300～500m。
2、性能要求：冲洗液和隔离液能有效冲洗、稀释、隔离、缓冲钻井液，与钻井液及水泥浆具有良好的相容性，并能控制失水量，不腐蚀套管，不影响水泥环的胶结强度。
第十一条水泥浆试验按SY/T5546-92执行，试验内容主要包括：密度、稠化时间、滤失水、流变性能、抗压强度等。
对于定向井的自由水测定，应先将水泥浆置于井底循环温度条件下，测试装置倾斜至实际井下斜度或45°，然后测定自由水。
第6讲 注水泥技术(二)
一级胶塞 过分级箍 时，投二 级打开塞， 并注二级 隔离液体
一级碰压， 同时打开 分级箍
压二级关 闭塞，顶 替钻井液
关闭分级 箍，完成 注水泥
长江大学石油工程学院油气井工程系
2、分级注水泥
分级注水泥作业注意事项：
1、一般情况下尽可能使用正规非连续分级注水泥方法。 2、关闭塞关闭压力：二级碰压后，关闭分级箍压力=关
长江大学石油工程学院油气井工程系
1、定向井、水平井固井技术
（1）固井工艺难点
弯曲井段，曲率大，套管不易下入。 斜井段套管与井壁发生长段面积的多处接触；井斜越大，摩阻力越大。 当超过70°时，管柱重量的90%作用于井眼下侧，若方位变化大，情 况更为严重。环空的严重偏心度使窄边钻井液不能有效清除。 易形成集中的水带，尤其是水平井，游离水易集中与井眼上方，使油 气窜通。 普通API螺纹受弯曲应力后，容易发生螺纹密封能力下降。
结部分所占套管周长的百分数之间存在线性关系，即与套管胶结的水泥越多，所接收 的声幅越小，而当管外全为钻井液时，所接收的声幅最大。
由测量线路把所接收的声幅大小转变成与之成比例的电压大小，加以记录。沿井
深由下而上进行测试，就可得到一条沿井深反映水泥与套管胶结情况的声幅测井曲线。 应用声幅测井曲线检测水泥环质量是通过相对幅度进行的（以环空内全为钻井液的自 由套管段的声幅值为基准）。 相对幅度＝目的段声幅曲线幅度／自由套管段声幅曲线幅度×100% 。
长江大学石油工程学院油气井工程系
1、注水泥的质量要求
2）水泥环质量鉴定
目前我国水泥环质量鉴定一般以声幅测井（CBL，水泥胶结测井）为准。 声幅相对值在15%（油田现场有的也采用10%）以内为优，
30%为合格；
第6讲-[第二章-套管柱及注水泥设计]——套管柱强度设计方法
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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。
固井工程技术基础复习过程
固井工程技术基础目录前言第一章固井概论第一节固井概念第二节固井的目的和要求第二章套管、固井工具、附件和材料第一节API套管标准和规范第二节固井工具、附件第三节固井材料第三章固井工程技术基础第一节固井工艺第二节固井水泥浆第三节注水泥施工程序第一章固井概述一、固井概念为了达到加固井壁，保证继续安全钻进，封隔油、气和水层，保证勘探期间的封层测试及整个开采过程中合理的油气生产等目的而下入优质钢管，并在井筒于钢管环空充填好水泥的作业，称为固井工程。
因此固井包括了两部分：下入套管的工艺和注入水泥浆的工艺叫做固井工艺。
固井作业固井作业是通过固井设计，应用配套的固井设备、辅助设备及工具，将油井水泥、水和添加剂按一定的比例混合后，通过固井泵泵注入井，并顶替到预定深度的井壁与套管、（套管与套管）的环形空间内，使套管与井壁、（套管与套管）之间形成牢固粘结。
固井设备总体示意图二、固井目的和要求1、固井的目的一口油井深达数千米，在钻井过程中常常遇到井漏、井塌、井喷等复杂情况，影响正常钻进，严重时甚至导致井眼报废。
遇到上述情况就应下套管固井，封隔好复杂地层后，再继续钻进，直到建立稳定的油气通道为止。
因此,为了优质快速钻达目的层，保证油气田的开采，就要采用固井，固井工程的主要目的为：1）、在钻进过程中封隔易坍塌、易漏失等复杂地层，巩固所钻过的井眼保证钻井顺利进行。
（如图1-1所示），当从A点钻进至B点，如果在A点井深处没下套管固井，那么随着井深的变化，钻达B点所用泥浆密度在A点产生的压力就会大于A点地层破裂压力，造成A点地层破裂，发生井漏。
同理，当从B点钻进至C点，如果在B点井深处没下套管固井，那么随着井深的变化，钻达C点所用泥浆密度在B点产生的压力就会大于B点地层破裂压力，造成B点地层破裂，发生井漏。
2）、封隔油、气、水层，防止层间互窜。
固井工程不仅关系到钻进的速度和成本，还影响到油气田的开发。
（如图1-2所示），如果油、气层与水层间水泥固结不好，层间互相窜通，那么会给油气田开发带来很大困难。
固井讲稿
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
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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
pN fw Sb 0.00981 Dmin
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
1 940 N
1s
2 245 E
2-3a
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？
D2
2
950
E
1-2z
或者说对表套的下入深度有没有影响？
3
570 K
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
（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 :
ff pmax Sb S f Dpmax D2 x Sk
●
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
（二）中间套管设计
（1）正常作业时（不会发生井涌时）：
ff pmax Sb Sg 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
实例分析
解：由图上查得最大地层孔隙压力梯度 为2.04g/cm3，位于4250m。
第二章套管柱设计与固井
如： N-80套管，最小屈服强度=80 kpsi=551.58MPa
•
套管的壁厚: 套管本体处管体的厚度，壁厚：
5.21~16.13 mm
关系套管的线重，指套管单位长度的质量
第二章套管柱设计与固井
7
第一节 套管柱设计
API套管规范及强度(5寸套管)《甲方钻井手册》P192
第二章套管柱设计与固井
8
第一节 套管柱设计
抗内压强度增加.
• 第二象限: 轴向压缩与内压联合作用
轴向受压
抗内压强度降低.
• 第三象限: 轴向压缩与外挤联合作用
轴向受压
抗外挤强度增加.
• 第四象限: 轴向拉伸与外挤联合作用
轴向拉力
抗外挤强度降低（需考虑）
第二章套管柱设计与固井
18
第一节 套管柱设计
当存在轴向拉应力时，套管抗挤强度可采用近似公式：
❖套管弯曲引起的附加拉力 Fbd，在井斜狗腿较大
经验公式 ： F bd0.073D co A c KN
Dco—套管外径，cm ；Ac — 套管截面积，cm2 ； θ—每25m 井斜角的变化，0/ 25m
定向井、水平井及大第狗二腿章套直管柱井设计中与，固井应考虑弯曲附加拉力1。1
第一节 套管柱设计
性质变化
• 引起套管腐蚀的主要介质有：气体或液体中的硫化氢、溶 解氧、二氧化碳
• 抗硫套管：API套管系第二列章中套管的柱设H计与K固井J C L级套管。
23
第一节 套管柱设计
第二章套管柱设计与固井
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
• 拉应力破坏形式：脱扣、本体拉断
固井工艺技术
固井工艺技术（张明昌）第一章概念：常用固井方法，固井的主要目的，固井的重要性。
第二章各套管的作用：表层套管，技术套管，油层套管第三章常用注水泥工艺一、常规固井工艺[一]概念[二]常规固井基本条件[三]水泥量的计算[四]环空液柱压力的计算1.静液柱压力计算;2.动液柱压力计算3.固井压力平衡设计的基本条件[五]下套管速度的计算[六]地面及井下管串附件（常规注水泥的~附件表）二、插入法固井工艺[一]概述[二]插入法固井工艺流程[三]插入法固井的有关计算：1.套管串浮力计算；2.钻柱做封压力的计算三、尾管固井工艺[一]概述[二]尾管悬挂器类型[三]尾管固井工艺流程（以液压式尾管悬挂器类型为例）[四]尾管送入钻杆回缩距的计算：1.回缩距计算公式 2.方余的计算[五]各类尾管的特点及使用目的[六]常用尾管与井眼和上层套管尺寸的搭配[七]提高尾管固井质量的主要技术措施13条[八]尾管的回接固井工艺；1.回接套管贯串结构；2尾管回接固井工艺流程。
四、分级固井工艺[一]概述[二]分级箍分类[三]分级固井适用范围[四]分级固井工艺分类[五]双级固井工艺流程：1.非连续打开式双级注水泥工艺；2.连续打开式双级注水泥工艺：(1)机械式分级箍（用打开塞或重力塞）;(2)压差式分级箍。
3.双级连续注水泥工艺：(1)机械式分级箍；(2)压差式分级箍。
[六]分级固井注意事项五、预应力固井工艺[一]概述[二]热应力计算[三]预应力计算[四]预拉力计算[五]套管伸长的计算[六]预应力固井的水泥及材料[七]预应力的固件方法及特点[八]预应力固井的技术要点六、外插法固井工艺：[一]概述[二]特点七、先注水泥后下套管固井工艺：[一]概述[二]特点八、反注水泥法固井工艺：[一]概述[二]特点九、选择式注水泥固井工艺：[一]概述特点[二]选择式注水泥施工流程。
十、筛管顶部注水泥固井工艺：[一]概述特点[二]选择式注水泥施工流程。
十一、封隔器完井及水泥填充封隔器工艺：[一]概述特点[二]选择式注水泥施工流程。
固井作业.ppt
3300m 3500m
4
三、套管柱强度设计(油层套管)
第二段套管的顶截面取决于第三段套管的可 下深度，第三段套管选N-80,壁厚9.10套管 (386.9N/m,抗拉强度2354kN,Ts=2740kN)， 抗挤强度为38.03MPa.,按抗挤计算第三段套 管的可下深度：
三、套管柱设计方法
①确定设计条件：安全系数、外载计算方式 ②按内压筛选套管 ③求井底外挤力，选第一段套管 ④选第二段套管，计算其可下深度 ⑤计算第一段套管长度和有关安全系数 ⑥选第三段套管
……
<当套管的抗拉安全系数不满足时，改为抗拉设计>
或<当抗挤强度设计套管柱超过水泥面或轴向力0点后>
……
⑦选套管，按套管抗拉强度计算其可下深度 ⑧ 抗内压安全系数校核
3300m
井口抗拉系数小于1.8,抗拉强度不符 合要求。
3500m
8
三、套管柱强度设计(油层套管)
(4) 按抗拉设计确定第三段套管的许用
长度Li
1 qi
Pji
ST
i1 Tn
n1
1 0.3869
2354 1.8
(95.24
431.5)
2019(m)
2000m 2300m
➢实际取L3=2000m
2300m
第二段套管在钻井液中的重量： T2’=0.833*431.5=359.4kN
水泥面2800m
第三段套管下端面的拉力
3300m
T1’+T2’=79.3+359.4=438.7kN
考虑双轴应力后第三段套管的抗挤强度为 Pcc3=Pc3*K’=34.67MPa
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 )
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4、套管伸长与缩回计算
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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
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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
套管设计
pi dco 2 c
2 S c I 0.875 d co
一般套管管体与螺纹连接处抗内压强度是一致的，但是有的同一外径套管随着壁厚增 加，套管抗内压强度增加，而接箍壁厚并未增加，因此接箍强度相对较低，考虑接箍 后的套管抗内压强度计算式为
1 S (
d c d1 ) dc
3、套管抗内压强度
套管抗破裂能力和抗挤强度一样，取决于套管横截面的几何形状、材料强度和所承受载 荷的状况。套管在内压力下的破坏是属于强度破坏。 抗内压强度计算公式是在把套管视为两端开口薄壁圆筒、筒内受到均匀分布压力作用的 假设条件下导出的。由材料力学可知两端开口薄壁圆筒受均匀内压pi时，周向应力σψ为
管外钻井液液柱压力
挤水泥和压裂时的挤压力
易流动岩层侧压力
外 挤 压 力
地层中流体压力
目前API套管柱设计中仍按钻井液液柱压力计算，我国一些油田按盐水柱压力 （压力梯度为10.7～11.52kPa/m）计算。 在具有高塑性的岩层，如盐岩层、泥岩层段，在一定条件下，垂直方向的岩层压 力能全部加给套管。此时，套管柱的外挤压力应按上覆岩层压力计算，其压力梯度为 23～27kPa/m。 计算外挤压力时，在API常规套管柱设计中都按最危险情况考虑，即认为套管内 没有液柱压力的全掏空状态。
一、套管柱外载分析
从套管柱入井、注水泥到以后生产的不同时期，套管柱的受力是变化的，且在 不同的地层和地质条件下，套管柱所受的外载是不相同的。人们经过长期大量 生产实践和分析表明：虽然套管柱受力是复杂的，但是影响套管柱设计的基本 载荷是轴向拉力、外挤压力和内压力。在设计中应根据不同情况按该井最危险 情况来考虑套管柱所承受的基本载荷。 Wc=qcLcs×10-3 Wcd q c Lcs (1 d ) 103 s
套管和固井
套管和固井单元2第4课目录简介第一部分：套管分类导管表层套管生产套管中间套管尾管套管柱设计套管选择套管尺寸的考虑下套管准备工作下套管对扣、上扣、下井套管柱的坐定API标准套管丝扣和接箍第二部分：注水泥配浆固井套管附件水泥体积固井后需考虑的问题粘合剂和添加剂粘合剂的API等级添加剂特殊粘合剂专业术语简介近几年来套管和固井工艺技术发展迅猛，越来越完善。
为了寻找新的油气资源，井在逐渐加深，但现有套管和固井工艺技术已能够处理在深井中可能遇到的各种复杂情况。
固井实践1903年起始于加里弗尼亚，但现代使用的套管、固井方法开始于1920年，哈里巴顿公司固了一口井。
当时混合水泥浆所用的哈里巴顿射流混合器仍是现在最基本的混合水泥浆设备。
早在1903年，仅有一种类型的水泥，没有任何添加剂。
现在已拥有8种常用类型的水泥和40多种水泥添加剂。
水泥性能及混浆技术均能满足特殊工作要求。
现在候凝时间已由二十世纪二十年代的10天缩短到不足24小时。
挤水泥技术开始于二十世纪三十年代，现在向裂隙挤水泥或挤水泥封堵水层已是一项常规技术。
使用刮泥器和扶正器来提高固井质量开始于1940年，第二次世界大战后得到了工程界普遍关注。
最早的顿钻钻井，要求每钻完一小时就下套管。
但对旋转钻井就可以钻很长的裸眼井段。
旋转钻井，由于使用了优质泥浆来控制井内压力、维持井壁稳定，因此能钻大段裸眼，下套管是有特殊作用，不再是随意或盲目的。
最早的固井是在一大坑内混合水泥浆，再用倾倒筒向井内灌注水泥浆。
到1905年，在加里弗尼亚油井固井已开始使用油管将水泥浆注入井底，水泥浆被上部水柱替出套管，注完水泥浆，利用管鞋单流作用和管内蹩压候凝这两种方式防止回流，随后较先进的固井方法是在钻井液与水泥浆间投放顶替塞隔开。
以后又开始使用上下两顶替塞技术。
底塞在注水泥浆之前投入，顶塞在注完水泥浆后投入，双塞技术大大减少了水泥浆的污染。
第一部分套管套管是用在油井中从油气藏至地表间建立起一个耐压密闭带的钢管。
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套管弯曲引起的附加拉力 Fbd，在井斜狗腿较大 经验公式 ：
Fbd 0.073Dco Ac
KN
Dco—套管外径，cm ；Ac — 套管截面积，cm2 ； θ—每25m 井斜角的变化，0/ 25m
11 定向井、水平井及大狗腿直井中，应考虑弯曲附加拉力。
第一节 套管柱设计
注水泥引起的附加拉力 Fc
• 高塑性岩石，按上覆岩层压力计算，梯度 23～27kPa/m。
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第一节 套管柱设计
套管内全掏空
载荷 载荷
载荷
井身结构
井 深
井 深
井 深
套管内液面
套管外载荷
套管内载荷
有效外载荷
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第一节 套管柱设计
2、外挤载荷及套管抗外挤强度
（2）套管抗挤强度：指挤毁套管试件需要的最大外挤压力。 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
盐岩层对套管柱的压力梯度要按上覆岩石的压力梯度计算；
在酸化压裂时承受的内压力与正常采油时的压力就不同； 在易坍塌油层生产的前、中、后期对套管柱的外挤压力也不同
• 长期生产实践证明，影响套管柱的基本载荷主要有以下几种：
①轴向载荷；②外挤压力；③内压力。
其它载荷如套管弯曲载荷、振动载荷等都考虑至安全系数中
损坏严重者油气井报废。
• 外挤作用下破坏形式： — 径厚比大时，失稳破坏(失圆、挤扁)
— 径厚比小时，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 在钻井手册或套管手册中查得。
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第一节 套管柱设计
（3）有轴向载荷时的套管抗挤强度（双向应力）
套管内微小单元，外载作用下产生三向应力
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第二节 注水泥技术
注水泥基本要求
（1）水泥浆返高和管内水泥塞高度符合设计要求 （2）注水泥段环空钻井液全被水泥浆替换，无残留
（3）水泥石与套管及井壁胶结强度足够，耐酸化
压裂及冲击。
（4）凝固后管外不冒油、气、水，环空内各压力
体系不互窜。 （5）水泥石能经受油、气、水长期侵蚀。
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第二节 注水泥技术
短圆螺纹 长圆螺纹 梯形螺纹 直连形螺纹 特殊螺纹
符号或代号
STC/ CSG/ C1 LTC/ LCSG/ C2 BTC/ BCSG/ C33 XL/ XCSG/ CHX /
9
API标准
非API标准
第一节 套管柱设计
二、套管柱载荷分析及套管强度
• 套管柱在井内所受外载复杂，不同时期（下套管、注水泥、 后期开采等）、不同地层和地质条件下套管柱受力也不同。
技套
油套
特点：下入深度大，在其中下入油管，特别注意后期生产 可能出现的各种情况。 侧重点：抗拉（下入深），抗外挤（下入深），抗内压 27 （后期生产）
第二节 套管柱设计
4、套管柱设计的等安全系数法
（1）基本设计思路（自下而上）
计算可能出现最大内压力，筛选符合抗内压强度套管 下部套管段按抗挤设计，上部按抗拉设计，各危险断 面最小安全系数要大于或等于规定值。 通式：套管强度 ≥ 外载×安全系数 水泥面以上套管抗挤强度考虑双向应力影响 轴向拉力通常按套管在空气中的重力计算； 当考虑双向应力时，按浮重计算。
• 对油井水泥的基本要求：
（1）配浆性好，在规定时间内保持流动性； （2）在井下温度及压力下性能稳定； （3）在规定时间内凝固并达到一定强度； （4）能和外加剂相配合，调节各种性能； （5）水泥石具有很低的渗透性。
石油工程本科班
完井工程
Well Completion Engineering
石油工程学院
1
第二章
主要内容: — 1.套管柱设计 — 2.油井水泥和注 水泥 — 3.生产套管的损 坏与防护
套管柱设计与固井
一开 表层套管 二开 中间套管
(技术套管)
三开
oil zone 生产套管
(油层套管 ) 2
第二章
20
实际设计时，通常按套管内完全充满天然气时计算。
第一节 套管柱设计
套管内全掏空
载荷 载荷 载荷 井身结构
井 深
井 深
井 深
套管内液面
套管内压载荷
套管外载荷
有效内压载荷
第一节 套管柱设计
套管内部分掏空
载荷 载荷 载荷 井身结构
套管内液面
井 深
套管内压载荷
井 深
套管外载荷
井 深
井底 有效内压载荷
第一节 套管柱设计
2
按拉为正、压为负，椭圆形方程。 椭圆图上, 百分比为纵坐标, 百分比为横坐标 16 .
第一节 套管柱设计
轴向受压 抗内压强度降低
轴向拉力 抗内压强度增加
轴向受压 抗挤强度增加
轴向拉力 抗挤强度降低
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第一节 套管柱设计
由强度条件的双向应力椭圆可以看出: • 第一象限: 轴向拉伸与内压联合作用
轴向拉力
26
第一节 套管柱设计
3、各层套管柱的设计特点
表套
特点：下入的深度浅；在其顶部安装有套管头，要承受以 下各层套管的部分或全部重量；安装有防喷器、采油树等。 侧重点：主要考虑内压设计。（井喷关井时情况最为严重） 特点：下入的深度较深；隔离和封隔各种复杂地层；在井 喷时承受较大内压；具有较强的耐磨性。 侧重点：抗拉，抗内压（井喷关井），抗外挤（下入井深）
• 拉应力破坏形式：脱扣、本体拉断 • 通常用套管抗滑扣力表示套管抗拉强度
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第一节 套管柱设计
2、外挤载荷及套管抗外挤强度
（1）外挤压力—主要载荷： 管外液柱压力 地层中流体压力 高塑性岩石侧向挤压力 地质构造应力等
• 一般情况下按套管内部全掏空时管外压力计算：
poc 0.00981d D MPa
（2）套管抗内压强度 • 内压载荷下的主要破坏形式：爆裂、丝扣密封失效 • 抗内压强度可由钻井手册或套管手册查得 （3）套管的腐蚀 • 原因：在地下与腐蚀性流体接触 • 破坏形式：管体的有效厚度减小，套管承载力降低，钢材 性质变化
• 引起套管腐蚀的主要介质有：气体或液体中的硫化氢、溶
解氧、二氧化碳 • 抗硫套管：API套管系列中的 H K J C L级套管。
( m d )h 2 KN Fc d ci 1000 4
其它附加拉力 • 一般在安全系数中考虑。 套管的抗拉强度
h —管内水泥浆高，m； ρm—水泥浆密度，g/cm3； ρd—钻井液密度，g/cm3； dci —套管内径，cm。
• 上提或下放套管的动载、井壁摩擦力等；
• 套管所受轴向拉力一般在井口最大
28
第二章
套管柱设计与固井
第二节 注水泥技术
• 注水泥：从井口经套管柱将水泥浆注入井壁与套管柱
环空，将套管柱和地层岩石固结起来的过程
• 注水泥目的：固定套管+封隔井内的油气水层
注 水 泥 技 术 内 容
选择水泥 设计水泥浆性能 选择水泥外加剂 井眼准备 注水泥工艺设计
本 节 内 容
油井水泥 水泥浆性能 注水泥设备与工艺 注水泥设计与计算 提高注水泥质量措施
8
第一节 套管柱设计
一、套管和套管柱
• 套管柱：由同一外径、不同钢级、不同壁厚的套管用接箍联接 组成的管柱， 特殊情况下也使用无接箍套管柱
• 联接是由螺纹来实现的，是套管质量和强度检验的重点。
• 套管螺纹都是锥形螺纹，API规范中分为五大类，API 标准和非API标准。
类数
1 2 3 4 5
标准
名称
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
—抗内压安数St=1.8
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第一节 套管柱设计
2、常用套管柱设计方法
（1）等安全系数法
各危险截面最小安全系数等于或大于规定的安全系数。 下部抗挤设计，水泥面上按双向应力；上部满足抗拉和抗内压
（2）边界载荷法（拉力余量法）
在抗拉设计时，套管柱上下考虑同一个拉力余量。 （3）另最大载荷法、AMOCO法、西德BEB法及前苏联方法等。
，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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第一节 套管柱设计
3、内压载荷及套管抗内压强度
考虑管外平衡压力，一般井口内压最大。考虑三种最危险情况： • 套管内完全充满天然气并关井时的内压力；
固井的特点
（1）是一次性工程（经常无法采取补救措施） （2）是隐蔽性工程（看不见摸不着） （3）一项复杂工程（工期短，工序多，技术强） （4）花钱多的工程（投入大） （5）是钻井工程和完井工程中的一道关键工序
（油井百年大计，固井质量第一）
第二节 注水泥技术
一、油井水泥
波特兰(Portland)水泥（硅酸盐水泥）的一种。
套管柱设计与固井
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。
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