一口井的设计毕业论文.doc

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1、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： 学号： 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： 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

2、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一、 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

3、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。主要用途：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。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

4、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。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；0.024 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

5、Dp；DPN: 1518 MPa ， DPA： 2123 MPa四、裸眼井段应满足的力学平衡条件1、dmaxpmax+ Sb （防井涌）2、(dmax-pmin)Dpmin0.00981P （ 防压差卡钻）3、dmax + Sg + Sf fmin （防井漏)4、dmax+ Sf + Sk Dpmax/ Dc1fc1 （防关井井漏)其中：dmax-裸眼井段内使用的最大钻井液密度，g/cm3；pmax-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；pmin-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

6、最大井深，m；fmin-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；fc1-套管鞋处地层破裂压力的当量泥浆密度， g/cm3；五、井身结构设计方法1、求中间套管下入深度的假定点（1）不考虑发生井涌由f =pmax+ Sb + Sg + Sfdmax计算出f ，在破裂压力曲线上查出f 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f =pmax+Sb+ Sf + Sk Dpmax/ D21用试算法求 D21；先试取一个D21，计算f ；将计算出的f 与D21处查得的f 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

7、管假定点。否则，重新进行试算。 一般情况下，在新探区，取以上（1）、（2）两种条件下D21较大的值。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=(pmax1+Sb -pmin)Dmin0.00981pmax1-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。）l 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：在地层压力曲线上找出pper 所在的深度即为中间套管下深D2。3、求钻井尾管下入深度

8、的假定点D31 根据中间套管鞋处的地层破裂压力当量密度f2 ，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：用试算法求D31。试取一个D31，计算出pper ，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 。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p2 ，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：根据上式，用试算法确定D1。 试取一个D1

9、，计算fE ，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，重新试算。第二节钻杆柱设计钻具和钻塔是钻进（井）设备中重要的组成部分。钻具一般是指钻头以上，水接头以下的全部钢管柱，它由岩心管、异径接头、取粉管、扶正器（或扩孔器）、钻铤、钻杆和主动钻杆等组成。钻杆是钻具组成中的主要成员，多根钻杆借助接头或接箍连接成相当于孔深长度的钻杆柱。钻塔的主要任务是升降钻具和套管。钻塔的高度应与钻杆立根的长度相匹配。 钻杆柱是连通地面钻进设备与地下破岩工具的枢纽。钻杆柱把钻压和扭矩传递给钻头，实现连续给进；钻杆柱为清洁孔底和冷却钻头提供输送冲洗介质

10、的通道；钻杆柱还是更换钻头、提取岩心管和进行事故打捞的工作载体。同时，在绳索取心钻进和水力反循环连续取心钻进中，钻杆柱还是提取岩心的通道；用孔底动力机钻进时，靠钻杆柱把动力机送至孔底，输送高压液体或气体并承担反扭矩。 随着钻井深度的增加，对钻杆柱的要求也越来越高。例如，当用50钻杆钻进孔深达1 000m的钻孔时，钻杆柱是一根细长比（直径与长度之比）达120 000的细长轴。它在非常恶劣的孔内工作条件下承受着复杂的交变应力，因此往往是钻进设备与工具中最薄弱的环节。在日常生产中，钻杆脱扣、刺漏、折断是常见的孔内事故，并常导致孔内情况进一步复杂化。因此研究钻杆柱在孔内的工作条件与工艺要求，合理地设计

11、和使用钻杆柱，对于预防恶性事故，实现快速优质钻进具有重要的意义。 二、钻杆柱的材质 常规的钻杆是由不同成分的合金无缝钢管制成，现用合金成分有Mn、MnSi、MnB、MnMo、MnMoVB等，并且限制磷、硫等有害成分不得大于0.04%，按照GB3423-82的规定，用作钻杆柱的钢管力学性能如表2-1所列，钻杆的钢级越高，其屈服强度越大。 表2-1 钻杆钢管的力学性能(不小于表中数据)表钢 级屈服点s(MPa)抗拉强度p(MPa)伸长率s(%)DZ40DZ50DZ55DZ60DZ65DZ75400500550600650750650700750780800850141212121210 为了确保钻

12、杆质量，轧制的钢管必须经正火、回火处理或调质处理。由于钻杆柱在回转过程中，经常与孔壁摩擦，为了强化其表面抗磨能力，必须对钻杆表层进行高频淬火。但是为了不影响钻杆抗疲劳破坏的性能，淬火加硬的表层深度必须控制在1mm以内。 钻杆连接螺纹是钻杆柱中最薄弱的部位。为了克服该弱点，常常须把钻杆端部管壁向外或向内镦厚，成为外加厚或内加厚的钻杆。但是在镦厚的过程中对钻杆会造成热损伤，所以镦厚的钻杆必须进行正火、淬火和高温回火处理。钻探管材螺纹是专门设计的，并已定为国家标准（GB3423-82）。一般钻杆采用螺距48mm每边倾斜5的梯形螺纹，为了防止应力集中，螺纹根部有规定的圆弧角。螺纹部分承受着交变应力，所

13、以它既要有足够的强度，又要能在经常拧卸中耐磨。同时钻管中承受着冲洗液流的高压作用，要求在钻杆接头端部有专门的端面密封。钻杆柱的结构：1. 主动钻杆 主动钻杆（又称机上钻杆）位于钻杆柱的最上部，由钻机立轴或动力头的卡盘夹持，或由转盘内非圆形卡套带动回转，向其下端连接的孔内钻杆传递回转力矩和轴向力。主动钻杆上端连接水笼头，以便向孔内输送冲洗液。主动钻杆的断面尺寸大，便于卡盘夹持回转，不易弯曲，其断面形状有圆形、两方、四方、六方和双键槽形。主动钻杆的长度应比钻杆的定尺长度与回转器通孔长度之和略长一些，常用的长度是4.5m或6m。2. 钻铤 在大口径钻进中常会用到钻铤。钻铤直径大于钻杆，位于钻杆柱的最

14、下部。其主要特点是壁厚大（相当于钻杆壁厚的46倍），具有较大的质量、强度和刚度。钻铤的主要作用是： 给钻头施加钻压； 保证复杂应力条件下的必要强度； 减轻钻头的振动，使其工作定； 控制孔斜。图2-1 钻杆柱的连接方式1-内丝钻杆; 2-外丝钻杆; 3-公锁接头;4-母锁接头; 5-接箍 3. 钻杆柱的连接方式（图2-1）3.1 内丝钻杆 用接头连接的内丝钻杆两端内壁车有扁梯形螺纹。我国金刚石岩心钻进（非绳索取心）均采用内丝钻杆，这是金刚石钻进的特点所决定的。因为金刚石钻进孔径小、转速高，必须使钻杆外径和孔壁之间的环状间隙很小。因此要求整个钻杆柱的外表面基本是平滑一致的，从而决定了其只能用内丝钻

15、杆连接方式。3.2 外丝钻杆 用接箍连接的外丝钻杆两端管壁有内、外加厚，并车有带锥度的三角螺纹。接箍外径较钻杆大，可减少钻杆磨损和其在孔内的弯曲程度，但却占用了较大的钻杆外环状间隙。在合金和钻粒钻进中，基本是采用外丝钻杆。3.3 用焊接接头连接 这种钻杆的两端与钻杆接头之间用焊接的方法连接起来，接头之间再用螺纹。在水井、地热井钻进中常采用烘装焊接连接方式的钻杆，在金刚石绳索取心钻进中则采用对焊连接的钻杆。 为减少升降工序中拧卸钻杆的次数与时间，由24根钻杆连接成立根，一次升降一个立根，在钻孔过程中不再卸开。为便于拧卸，立根之间用两个一组的公母锁接头连接（图2-1），其外径与接箍相同。为了升降钻

16、具拧卸与挂提引器方便，公母锁接头上均开有方切口。公母锁接头上的连接螺纹锥度大、螺距大，自动对中好，拧卸省力又省时。 常用的普通钻杆及其连接件的规格如表2-2所列，用于大口径工程施工的钻杆可查阅原石油部的规范，而金刚石岩心钻探用的钻杆规格可查阅GB3423-82。 目前国外已推广铝合金钻杆，国内也在试制。使用铝合金钻杆可以减小钻杆柱的质量，减少回转和提升钻杆柱所消耗的功率，所以在同样的条件下可以增大钻机的可钻深度，提高转速，同时可以减少升降钻杆柱的时间。 表2-2 普通钻杆及其连接的主要规格YB235-70 加厚方式 钻 杆 接 箍 锁 接 头外径内径长度(m)每米质量(kg/m)附加量(kg/

17、根)外径长度质量(kg/个外径内径切口宽公锁接头长母锁接头长连接后全长内加厚4250603239483.04.54.54.566.047.990.650.961.445765751301401401.41.72.04576575222838404550165190215230255290355395445外加厚6073894859696.06.08.07.9911.419.481.52.53.5861051181401651652.74.75.28610512144.5 6850 50241 355310 280481 533 除单独说明者外，单位均为mm。钻杆柱的工作状态： 钻杆柱在孔内的工

18、况随钻进方法、钻进工序的不同而异。钻杆柱主要是在起下钻和钻进这两种条件下工作。 在起下钻时，钻杆柱不接触孔底，整个钻杆柱处于悬持状态，在自重作用下，钻杆柱处于受拉伸的稳定状态。图2-2 钻杆在孔内的波形弯曲 在正常钻进时，由于钻杆柱自身的偏心和由于自重失稳而产生的某些弯曲，造成钻杆柱有一定的质量偏离回转中心。这些偏心质量在回转运动中则产生离心力，更促使钻杆柱弯曲。与此同时，钻杆柱给孔底工作的钻头传送所需钻压主要依赖于钻杆柱自身的质量，多余的部分由钻机提拉而减压；如果压力不足，则需靠钻机补充（即所谓加压钻进）。因此，钻杆柱上还有由自重、钻机给进力及摩擦力合成的纵向压力。在离心力、纵向压力和扭矩的

19、联合作用下，钻杆柱轴线一般呈变节距的空间螺旋弯曲曲线形状。弯曲程度取决于这三种力作用的大小。由于钻杆柱愈往下，所受重力愈大，因此，弯曲的钻杆柱轴线在孔底螺距最小，往上逐渐加大。如图2-2所示。 我们把钻杆柱中心线和钻孔的轴线相交两点间的一段纵向长度称为半波长，以l表示。根据萨尔基索夫的理论推导，距零断面（零断面的概念见本节后续内容）距离为Z处的半波长可按式（2-1）计算。 (m) (2-1)式中： q-钻杆柱在冲洗液中单位长度的质量，kg/m； -钻杆柱转速，r/min；Z-所求断面距零断面的距离，在零断面以下压缩部分取负号，反之取正号，m；J-钻杆柱横断面的轴惯性矩，cm4。 萨尔基索夫公式

20、的前提条件是理想的钻杆柱在孔壁完整的钻孔中以钻孔轴线为中心作公转运动，并呈平面弯曲，该公式仅表示了钻杆柱在孔内弯曲的基本状态。 螺旋弯曲的钻杆柱在孔内是怎样旋转的呢?这是一个极为复杂的问题。钻杆柱在孔内的旋转运动可能有三种形式。 （1）钻杆柱围绕自身弯曲轴线旋转（自转）。钻杆柱自转时在整个圆周上与孔壁接触，产生均匀的磨损，但受到交变弯曲应力的作用。 （2）钻杆柱围绕钻孔轴线旋转并沿着孔壁滑动（公转）。钻杆柱公转时不受交变弯曲应力的作用，但产生一边偏磨。 （3）钻杆柱围绕钻孔轴线旋转，但不是沿着孔壁滑动而是沿着孔壁反向滚动（公转与自转的结合），钻杆柱同时围绕自身轴线和钻孔轴线旋转。其磨损均匀，也

21、受到交变弯曲应力的作用，但循环次数比第一种形式低得多。 从理论上讲，如果钻杆柱的刚度各方向是均匀一致的，那么钻杆柱以何种形式旋转就取决于外界阻力的大小，按照常规是以消耗能量最小的形式转动。当钻杆柱自转时，旋转经过的行程比其他运动形式都小，克服泥浆阻力及孔壁摩擦力所消耗的能量也较小。因此，一般认为呈半波弯曲的钻杆柱的主要形式是自转，但也可能产生两种形式的结合，即有时以自转为主+公转，有时以公转为主+自转。钻柱的受力： 在钻进过程中，钻杆柱承受着各种载荷的作用。1. 轴向压力和拉力 当钻孔达到一定深度时，孔内钻杆柱的重力已超过了钻头所能承受的钻压值，则必须减压钻进。即上部钻杆柱受拉，其中孔口处拉力

22、最大，向下逐渐减小；下部钻杆柱受压，孔底压力最大（图2-3）。在某一深处轴向力等于零，称之为零断面或中和点。在施工中我们应该设计使中和点落在刚度大、抗弯能力强的钻铤上，保证上部的钻杆处于受拉伸的稳定状态。即使在小口径的条件下不可能使用钻铤，也应避免落在强度和刚度较弱的旧钻杆上，以免加剧其受压弯曲，在自转中造成疲劳破坏。 图2-3 轴向力分布示意图 2. 扭矩 钻进中钻杆柱受到扭矩的作用，在钻杆柱各个截面上都产生剪应力。 钻杆柱在孔口处承受的扭矩最大，在孔底最小。3. 弯矩与离心力 已经弯曲的钻杆柱在轴向力的作用下，将受到弯矩的作用，如绕自身轴旋转则会产生交变的弯曲应力。如钻杆柱公转，则产生离心

23、力。离心力又将加剧钻杆柱的弯曲变形。4. 纵振、扭振与摆振 孔底跳跃式的破碎岩石（尤其是冲击钻进、牙轮钻进或钻进破碎岩石的条件下）会引起钻杆柱的纵向振动，在中和点附近产生交变的轴向应力。当产生共振时，钻杆柱容易疲劳破坏。当孔底岩石对钻头的回转阻力不断变化时，会引起钻杆柱的扭转振动，从而产生交变的剪应力。在某一临界转速下，钻杆柱会出现摆振，其结果是迫使钻杆柱公转，引起钻杆柱严重的偏磨。 由以上分析不难看出，钻杆柱受力严重部位是下部、孔口处和零断面附近。第三节套管设计l 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。l 套管的尺寸系列：API标准套管：4 1/2，5，5

24、1/2，6 5/8，7，75/8，8 5/8，9 5/8，10 3/4，11 3/4，13 3/8，16，18 5/8，20；共14种。壁厚：5.2116.13 mm。小直径的套管壁厚小一些，大直径的套管壁厚大一些。另外有非标准的钢级和壁厚。 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是抗硫的。连接螺纹的类型API标准：短圆（STC）、长圆（LTC）、梯形（BTC）、

25、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。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。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。自重引起的拉力 F0=qL10-3 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；n-组成套管柱的套管种类（钢级、壁厚）

26、。套管弯曲引起的附加拉力 经验公式： kN 在为定向井、水平井以及狗腿度严引起的附加拉力。注水泥引起的附加拉力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。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： 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

27、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）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t 、r 、z ，对于薄壁管，t r , r 可以忽略。变为双向应力问题。由第四强度理论：z2 +t2 -zt =s2 变换为椭圆方程： 按拉为正、压为负，根据以上方程可画出椭圆图形。在椭圆图上， t/s 的百分比为纵坐标，z /s 的百分比为横坐标。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

28、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。 将t和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：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

29、力；以井口装置的承压能力作为套管在井口所受的内压力；以套管鞋处的地层破裂压力值确定井口内压力：实际设计时，通常按套管内完全充满天然气时进行计算。（2）套管的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到。4、套管的腐蚀原因：在地下与腐蚀性流体接触。破坏形式：管体有效厚度减少，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级、K级、J级、C级、L级套管。三、套管柱强度设计 目的：确定合理的套管钢级、壁厚、以及每种套管的井深区间。1、设计原则满足强度要求，在任何危险截面上

30、都应满足下式：套管强度外载安全系数应能满足钻井作业、油气层开发和产层改造的需要；在承受外载时应有一定的储备能力；经济性要好。安全系数：抗外挤安全系数 Sc=1.0；抗内压安全系数 Si=1.1；套管抗拉力强度（抗滑扣）安全系数 St=1.8。2、常用套管柱设计方法（1）等安全系数法 该方法基本的设计思路是使各个危险截面上的最小安全系数等于或大于规定的安全系数。（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。 另外还有最大载荷法、AMOCO法、西德BEB方法及前苏联的方法等。3、各层套管柱的设计特点表层套管：主要考虑内压载荷。技术套管：既要有较高的抗内压强度，又要有抗钻

31、具冲击磨损的能力。油层套管：上部抗内压、抗拉，下部抗外挤。4、套管柱设计的等安全系数法（1） 基本设计思路 计算本井可能出现的最大内压力，筛选符合抗内压强度的套管； 下部套管段按抗挤设计，上部套管段按抗拉设计，各危险断面上的最小安全系数要大于或等于规定安全系数； 通式： 套管强度外载安全系数 水泥面以上套管强度要考虑双向应力的影响； 轴向拉力通常按套管在空气中的重量计算；当考虑双向应力时，按浮重计算。第四节 注水泥技术固井目的：固定套管、有效封隔井内的油气水层。固井：在已打好的井眼内下入套管，并在套管与井壁之间注水泥封固的工作。一、油井水泥 油井水泥是波特兰水泥（硅酸盐水泥）的一种。对油井水泥

32、的基本要求：（1）水泥能配成流动性良好的水泥浆，且在规定的时间内，能始终保持这种流动性。（2）水泥浆在井下的温度及压力条件下保持性能稳定性；（3）水泥浆应在规定的时间内凝固并达到一定的强度；（4）水泥浆应能和外加剂相配合，可调节各种性能；（5）形成的水泥石应有很低的渗透性能等。1、油井水泥的主要成分（1）硅酸三钙3CaOSiO2。（简称C3S）水泥的主要成份，一般的含量为4065。对水泥的强度，尤其是早期强度有较大的影响。高早期强度水泥中含量可达6065，缓凝水泥中含量在4045。（2）硅酸二钙2CaOSiO2（简称C2S），含量一般在2430之间；水化反应缓慢，强度增长慢；对水泥的最终强度有

33、影响。（3）铝酸三钙3CaOAl2O3（简称C3A）促进水泥快速水化；其含量是决定水泥初凝和稠化时间的主要因素；对水泥浆的流变性及早期强度有较大影响；对硫酸盐极为敏感；对于有较高早期强度的水泥，其含量可达15。（4）铁铝酸四钙4CaOAl2O3Fe2O3（简称C4AF），对强度影响较小，水化速度仅次于C3A，早期强度增长较快，含量为812。 除了以上四种主要成份之外，还有石膏、碱金属的氧化物等。2、水泥的水化水泥与水混合成水泥浆后，与水发生化学反应，生成各种水化产物。逐渐由液态变为固态，使水泥硬化和凝结，形成水泥石。（1）水泥的水化反应 水泥的主要成分与水发生的水化反应为：3CaO SiO22

34、H2O 2CaO SiO2 H2O十Ca(OH)22CaO SiO2H2O 2 CaO SiO2 H2O3CaO Al2O36H2O 3CaO Al2O3 6H2O4CaOAl2O3Fe2O36H2O 3CaOAl2O36H2OCaOFe2O3H2O除此之外还发生其他二次反应，生成物中有大量的硅酸盐水化产物及氢氧化钙等。在反应的过程中，各种水化产物均逐渐凝聚，使水泥硬化。（2） 水泥凝结与硬化溶胶期：水泥与水混合成胶体液，开始发生水化反应，水化产物的浓度开始增加，达到饱和状态时部分水化物以胶态或微晶体析出，形成胶溶体系。此时水泥浆仍有流动性。凝结期：水化反应由水泥颗粒表面向内部深入，溶胶粒子及

35、微晶体大量增加，晶体开始互相连接，逐渐絮凝成凝胶体系。水泥浆变绸，直到失去流动性。硬化期：水化物形成晶体状态，互相紧密连接成一个整体，强度增加，硬化成为水泥石。（3） 水泥石组成无定性物质（水泥胶），它具有晶体的结构，颗粒尺寸大体在0lmm左右，互相连接成一个整体。氢氧化钙晶体，是水化反应的产物。未水化的水泥颗粒。3、油井水泥的分类（1）API水泥的分类A级：深度范围 01828.8 m，温度76.7。 B级：深度范围 01828.8 m，属中热水泥，温度至 76.7，有中抗硫和高抗硫两种。 C级：深度范围01828.8 m，温度至 76.7，高早期强度水泥，分普通、中抗硫及高抗硫三种。D级：

36、深度范围1828.83050 m，温度76127，用于中温、中压条件，分为中抗硫及高抗硫两种。E级：深度范围 30504270 m，温度76143，用于高温、高压条件，分为中抗硫及高抗硫两种。F级：深度范围为 30504880 m，温度 110160，用于超高温和超高压条件，分为中抗硫及高抗硫两种。G级及H级：深度范围为 02440 m，温度093，分为中抗硫及高抗硫两种。J级：深度范围为 36604880 m，温度49160。 （2）国产以温度系列为标准的油井水泥二、水泥浆性能与固井工程的关系1、水泥浆性能水泥浆密度l干水泥密度 3.053.20 gcm3，l水泥完全水化需要的水为水泥重量的

37、20左右；l使水泥浆能流动加水量应达到水泥重量的4550；l水泥浆密度1.80 1.90 gcm3之间。l水灰比：水与干水泥重量之比。水泥浆的稠化时间l水泥浆从配制开始到其稠度达到其规定值所用的时间。lAPI标准：从开始混拌到水泥浆调度达到 100 BC（水泥稠度单位）所用的时间。lAPI标准中规定在初始的 1530 min时间内，稠化值应当小于 30 BC。好的稠化情况是在现场总的施工时间内，水泥浆的稠度在50 BC以内。水泥浆的失水 一般用30分钟的失水量表示。待添加的隐藏文字内容2水泥浆的凝结时间从液态转变为固态的时间。l对于封固表层及技术套管，希望水泥能有早期较高的强度。以便于尽快开始

38、下一道工序。通常希望固完井候凝 8 左右，水泥浆开始凝结成水泥石，其抗压强度可达2.3MPa以上即可开始下一次开钻。水泥石强度l能支撑和加强套管。l能承受钻柱的冲击载荷。l能承受酸化、压裂等增产措施作业的压力。水泥石的抗蚀性lC3A3%，C4AF+2C3A 24%l加入矿渣、石英砂等提高抗硫能力。2、水泥的外加剂（1）加重剂：重晶石、赤铁粉等。可使水泥浆密度达到 2.3 gcm3。（2）减轻剂：硅藻土、粘土粉、沥青粉、玻璃微珠、火山灰等。可使水泥浆的密度降到l 45 gm3。（3）缓凝剂：丹宁酸钠、酒石酸、硼酸、铁铬木质素磺酸盐、羧甲基羟乙基纤维素等。（4）促凝剂：氯化钙、硅酸钠、氯化钾等。（

39、5）减阻剂：b奈磺酸甲醛的缩合物、铁铬木质素磺酸盐、木质素磺化钠等。（6）降失水剂：羧甲基羟乙基纤维素、丙烯酸胺、粘土等。（7）防漏失剂：沥青粒、纤维材料等。3、特种水泥（1）触变性水泥：当水泥浆静止时，形成胶凝状态，但在流动时，胶凝状态被破坏，它的流动性是良好的。（2）膨胀水泥：水泥浆凝固时，体积略有膨胀。一般用于高压气井。（3）防冻水泥：用于地表温度较低地区的表层套管固井。（4）抗盐水泥（5）抗高温水泥（6）轻质水泥三、前置液 将水泥浆与钻井液隔开，起到隔离、缓冲、清洗的作用，可提高固井质量。1、冲洗液：低粘度、低剪切速率、低密度。用于有效冲洗井壁及套管壁，清洗残存的钻井液及泥饼。2、隔离液：有效隔开钻井液与水泥浆，以便形成平面推进型的顶替效果。通常为粘稠液体。四、提高注水泥质量的措施1、对注水泥质量的基本要求（l）对固井质量的基本要求水泥浆返高和水泥塞高度必须符合设计要求；注水泥井段环空内的钻井液顶替干净；水泥石与套管及井壁岩石胶结良好；水泥凝固后管外不冒油、气、水，不互窜；水泥石能经受油、气、水长期的侵蚀。（2）在固井中常出现的固井质量问题井口有冒油、气、水的现象。不能有效地封隔各种层位，开采时各种压力互窜。因固结质量不良在生产中引起套管变形，使井报废等。2、影响注水泥质量的因素（1