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1、第七章 固 井1第七章 固 井 概概 述述第一节第一节 套管及套管柱强度设计套管及套管柱强度设计第二节第二节 油井水泥油井水泥第三节第三节 影响注水泥质量的因素影响注水泥质量的因素2概述1 1 1 1、固井工程的概念、固井工程的概念、固井工程的概念、固井工程的概念 为为为为了了了了加加加加固固固固井井井井壁壁壁壁，保保保保证证证证继继继继续续续续钻钻钻钻进进进进，封封封封隔隔隔隔油油油油、气气气气和和和和水水水水层层层层，保保保保证证证证勘勘勘勘探探探探期期期期间间间间的的的的分分分分层层层层试试试试油油油油及及及及在在在在整整整整个个个个开开开开采采采采中中中中合合合合理理理理的的的的油油油
2、油气气气气生生生生产产产产，为为为为此此此此下下下下入入入入优优优优质质质质钢钢钢钢管管管管，并并并并在在在在井井井井筒筒筒筒与与与与钢钢钢钢管管管管环环环环空空空空充填好水泥的作业，称为充填好水泥的作业，称为充填好水泥的作业，称为充填好水泥的作业，称为固井工程固井工程固井工程固井工程。向向向向井井井井内内内内下下下下入入入入套套套套管管管管，并并并并向向向向井井井井眼眼眼眼和和和和套套套套管管管管之之之之间间间间的的的的环环环环形形形形空空空空间间间间注注注注入入入入水水水水泥泥泥泥的的的的施施施施工工工工作作作作业业业业称称称称之之之之为为为为固固固固井井井井。包包包包括括括括下下下下套套
3、套套管管管管和和和和注水泥。注水泥。注水泥。注水泥。3概述2 2、工艺介绍、工艺介绍 下套管 注水泥 候凝 检测评价4概述3 3、固井工程的步骤、固井工程的步骤l l下套管下套管下套管下套管 套管由接箍和本体组成。套管由接箍和本体组成。套管由接箍和本体组成。套管由接箍和本体组成。套管柱由单根套管套管柱由单根套管套管柱由单根套管套管柱由单根套管+浮箍浮箍浮箍浮箍+引鞋引鞋引鞋引鞋 图图7-1 7-1 单根套管示意图单根套管示意图11接箍接箍 2 2套管本体套管本体5概述3 3 3 3、固井工程步骤、固井工程步骤、固井工程步骤、固井工程步骤l l注水泥注水泥注水泥注水泥下下下下完完完完套套套套管管
4、管管之之之之后后后后，把把把把水水水水泥泥泥泥浆浆浆浆泵泵泵泵入入入入套套套套管管管管内内内内，再再再再用用用用钻钻钻钻井井井井液液液液把把把把水水水水泥泥泥泥浆浆浆浆顶顶顶顶替到管外替到管外替到管外替到管外环环环环形空形空形空形空间设计间设计间设计间设计位置的作位置的作位置的作位置的作业业业业称之称之称之称之为为为为注水泥注水泥注水泥注水泥。水泥头：安装在套管柱的最上端，内装有上、下胶塞。水泥头：安装在套管柱的最上端，内装有上、下胶塞。水泥头：安装在套管柱的最上端，内装有上、下胶塞。水泥头：安装在套管柱的最上端，内装有上、下胶塞。uu下下下下胶胶胶胶塞塞塞塞的的的的作作作作用用用用是是是是与
5、与与与隔隔隔隔离离离离液液液液（一一一一种种种种专专专专门门门门配配配配制制制制的的的的液液液液体体体体，用用用用以以以以隔隔隔隔离离离离钻钻钻钻井井井井液液液液与与与与水水水水泥泥泥泥浆浆浆浆）一一一一道道道道，将将将将水水水水泥泥泥泥浆浆浆浆与与与与钻钻钻钻井井井井液液液液隔隔隔隔离离离离开开开开，防防防防止止止止钻钻钻钻井井井井液液液液接接接接触触触触水水水水泥泥泥泥浆浆浆浆后后后后影影影影响响响响水水水水泥泥泥泥浆浆浆浆的的的的性性性性能能能能。下下下下胶胶胶胶塞塞塞塞为为为为中中中中空空空空，顶顶顶顶部部部部有有有有一一一一层层层层橡橡橡橡胶胶胶胶膜膜膜膜，该该该该膜膜膜膜在压力作用
6、下可压破在压力作用下可压破在压力作用下可压破在压力作用下可压破 uu上胶塞为实心，其作用是隔离顶替用的钻井液与水泥浆；上胶塞为实心，其作用是隔离顶替用的钻井液与水泥浆；上胶塞为实心，其作用是隔离顶替用的钻井液与水泥浆；上胶塞为实心，其作用是隔离顶替用的钻井液与水泥浆；l l破膜：下胶塞坐落在浮箍上后，在压力作用下破膜破膜：下胶塞坐落在浮箍上后，在压力作用下破膜破膜：下胶塞坐落在浮箍上后，在压力作用下破膜破膜：下胶塞坐落在浮箍上后，在压力作用下破膜6概述3 3 3 3、固井工程步骤、固井工程步骤、固井工程步骤、固井工程步骤l l碰碰碰碰压压压压：当当当当其其其其坐坐坐坐落落落落在在在在已已已已坐
7、坐坐坐于于于于浮浮浮浮箍箍箍箍上上上上的的的的下下下下胶胶胶胶塞塞塞塞上上上上之之之之后后后后，地地地地面面面面压压压压力力力力将将将将很很很很快快快快上上上上升升升升一一一一定定定定值值值值（称称称称为为为为碰碰碰碰压压压压），该该该该信信信信号号号号说说说说明明明明水水水水泥泥泥泥浆浆浆浆已已已已顶顶顶顶替替替替到到到到位位位位，施工结束。施工结束。施工结束。施工结束。l l侯凝：侯凝：侯凝：侯凝：注注注注入入入入井井井井内内内内的的的的水水水水泥泥泥泥浆浆浆浆要要要要凝凝凝凝固固固固并并并并达达达达到到到到一一一一定定定定强强强强度度度度后后后后才才才才能能能能进进进进行行行行后后后后续
8、续续续的的的的钻钻钻钻井井井井施施施施工工工工或或或或是是是是其其其其它它它它施施施施工工工工，因因因因此此此此，注注注注水水水水泥泥泥泥施施施施工工工工结结结结束束束束后后后后，要要要要等待水泥浆在井内凝固，该过程称为等待水泥浆在井内凝固，该过程称为等待水泥浆在井内凝固，该过程称为等待水泥浆在井内凝固，该过程称为候凝候凝候凝候凝；候候候候凝凝凝凝时时时时间间间间通通通通常常常常为为为为24242424小小小小时时时时或或或或48484848小小小小时时时时，也也也也有有有有72727272小小小小时时时时或或或或几几几几小小小小时时时时的的的的，候候候候凝凝凝凝时时时时间间间间的的的的长长长
9、长短短短短视视视视水水水水泥泥泥泥浆浆浆浆凝凝凝凝固固固固及及及及强强强强度度度度增增增增长长长长的的的的快快快快慢慢慢慢而而而而定定定定。候候候候凝期满后。凝期满后。凝期满后。凝期满后。l l测井进行固井质量检测和评价测井进行固井质量检测和评价测井进行固井质量检测和评价测井进行固井质量检测和评价 7概述（a a）（b b）（c c）（d d）（e e）图图7-2 7-2 注水泥工艺流程示意图注水泥工艺流程示意图（a a）循环钻井液）循环钻井液 （b b）注隔离液和水泥浆）注隔离液和水泥浆 （c c）替浆）替浆 （d d）替浆）替浆 （e e）碰压）碰压11压力表压力表 2 2上胶塞上胶塞 3
10、 3下胶塞下胶塞 4 4钻井液钻井液 5 5浮箍浮箍 6 6引鞋引鞋77水泥浆水泥浆 8 8隔离液隔离液 9 9钻井液钻井液8概述4 4 4 4、固井目的、固井目的、固井目的、固井目的封封封封隔隔隔隔易易易易塌塌塌塌、易易易易漏漏漏漏等等等等复复复复杂杂杂杂地地地地层层层层，保保保保证证证证钻钻钻钻井井井井顺顺顺顺利利利利进进进进行行行行封封封封隔隔隔隔油油油油气气气气水水水水层层层层，建建建建立立立立油油油油气气气气流流流流出出出出通通通通道道道道，防防防防止止止止产产产产层层层层间互窜间互窜间互窜间互窜进行增产措施进行增产措施进行增产措施进行增产措施安装井口安装井口安装井口安装井口9概述5
11、、固井内容套管与下套管水泥与注水泥10概述6 6、对固井质量的要求、对固井质量的要求l套管有足够的强度套管有足够的强度能承受井下各种外力作用，抗能承受井下各种外力作用，抗腐蚀、不断、不裂、不变形腐蚀、不断、不裂、不变形l水泥环有可靠的密封水泥环有可靠的密封环环空空封封固固段段不不窜窜、不不漏漏、胶胶结结良好，能经受高压挤注的考验良好，能经受高压挤注的考验11概述7 7 7 7、固井工程的特殊性、固井工程的特殊性、固井工程的特殊性、固井工程的特殊性(1)(1)(1)(1)是一次性工程是一次性工程是一次性工程是一次性工程,如果质量不好如果质量不好如果质量不好如果质量不好,一般情况下难以补救一般情况
12、下难以补救一般情况下难以补救一般情况下难以补救;(2)(2)(2)(2)是是是是隐隐隐隐蔽蔽蔽蔽性性性性工工工工程程程程,主主主主要要要要流流流流程程程程在在在在井井井井下下下下,施施施施工工工工时时时时不不不不能能能能直直直直接接接接观观观观察察察察,质质质质量量量量控控控控制制制制往往往往往往往往决决决决定定定定于于于于设设设设计计计计的的的的准准准准确确确确性性性性和和和和准准准准备备备备工工工工作作作作的的的的好好好好坏坏坏坏,受多种因素的综合影响受多种因素的综合影响受多种因素的综合影响受多种因素的综合影响;(3)(3)(3)(3)影响后续工程的进行影响后续工程的进行影响后续工程的进行
13、影响后续工程的进行;(4)(4)(4)(4)是一项花钱多的工程是一项花钱多的工程是一项花钱多的工程是一项花钱多的工程;(5)(5)(5)(5)施工时间短施工时间短施工时间短施工时间短,工序内容多工序内容多工序内容多工序内容多,作业量大作业量大作业量大作业量大,是技术强的工程是技术强的工程是技术强的工程是技术强的工程.12第一节第一节 套管及套管柱强度设计套管及套管柱强度设计13序言套管柱的主要功能 抗挤抗挤 抗拉抗拉 抗内压抗内压 密封密封对套管的要求圆度圆度圆度圆度壁厚均匀性壁厚均匀性壁厚均匀性壁厚均匀性抗腐蚀抗腐蚀抗腐蚀抗腐蚀最小的流动阻力最小的流动阻力最小的流动阻力最小的流动阻力良好的上
14、扣性能及重复互良好的上扣性能及重复互良好的上扣性能及重复互良好的上扣性能及重复互换性能换性能换性能换性能耐磨（硬度指标）耐磨（硬度指标）耐磨（硬度指标）耐磨（硬度指标）14套管柱的组成套管柱的组成 由不同强度的套管段组成由不同强度的套管段组成原因：原因：套管受到各种类型外力作用，须具有一定套管受到各种类型外力作用，须具有一定强度。强度。外载大小、类型不同，所需的强度要求也外载大小、类型不同，所需的强度要求也不同，须有一系列不同尺寸、不同强度的不同，须有一系列不同尺寸、不同强度的套管。即套管系列。套管。即套管系列。序言15套管柱的类型套管柱的类型l表层套管表层套管l技术套管（中间套管）技术套管（
15、中间套管）l生产套管（油层套管）生产套管（油层套管）l尾管（技术尾管、生产尾管）尾管（技术尾管、生产尾管）l回接套管回接套管序言16一、套管外载分析与计算1 1、静载、静载特点：特点：长期作用、联合作用在套管上。长期作用、联合作用在套管上。长期作用、联合作用在套管上。长期作用、联合作用在套管上。类型：类型：s 轴向拉力轴向拉力s 径向外挤压力径向外挤压力s 径向内压力径向内压力s 弯曲附加拉力弯曲附加拉力s 温差应力温差应力172 2 2 2、动载动载动载动载特点：瞬时地、单一地作用在套管上特点：瞬时地、单一地作用在套管上特点：瞬时地、单一地作用在套管上特点：瞬时地、单一地作用在套管上。产生原
16、因：产生原因：产生原因：产生原因：l l起下钻时速度变化产生的动载起下钻时速度变化产生的动载起下钻时速度变化产生的动载起下钻时速度变化产生的动载l l阻、卡套管时提拉动载阻、卡套管时提拉动载阻、卡套管时提拉动载阻、卡套管时提拉动载l l摩擦动载摩擦动载摩擦动载摩擦动载l l碰压动载碰压动载碰压动载碰压动载l l密度差产生的附加拉力密度差产生的附加拉力密度差产生的附加拉力密度差产生的附加拉力一、套管外载分析与计算18轴向力：自重、浮力外挤压力内压力作用在套管上的主要载荷应是：作用在套管上的主要载荷应是：一、套管外载分析与计算191.1.1.1.外挤压力外挤压力外挤压力外挤压力l l管外钻井液液柱
17、压力管外钻井液液柱压力管外钻井液液柱压力管外钻井液液柱压力:（水泥不返到（水泥不返到（水泥不返到（水泥不返到井口时，上部有一段套管外为钻井井口时，上部有一段套管外为钻井井口时，上部有一段套管外为钻井井口时，上部有一段套管外为钻井液。该段套管称为液。该段套管称为液。该段套管称为液。该段套管称为自由套管自由套管自由套管自由套管）l l水泥浆液柱压力水泥浆液柱压力水泥浆液柱压力水泥浆液柱压力l l地层中流体压力地层中流体压力地层中流体压力地层中流体压力l l易流动岩层的侧压力等易流动岩层的侧压力等易流动岩层的侧压力等易流动岩层的侧压力等一、套管外载分析与计算201.1.1.1.外挤压力外挤压力外挤压
18、力外挤压力l l有效外压力：有效外压力：有效外压力：有效外压力：式中式中式中式中 P Poeoe有效外压力；有效外压力；有效外压力；有效外压力；P Po o外压力；外压力；外压力；外压力；P Pibib支撑内压力。支撑内压力。支撑内压力。支撑内压力。一、套管外载分析与计算211.1.1.1.径向外挤压力径向外挤压力径向外挤压力径向外挤压力l l有效外压力：有效外压力：有效外压力：有效外压力：表层套管：井漏造成表层套管：井漏造成表层套管：井漏造成表层套管：井漏造成全掏空全掏空全掏空全掏空技术套管：井漏发生，但技术套管：井漏发生，但技术套管：井漏发生，但技术套管：井漏发生，但不可能造成发生全漏空不
19、可能造成发生全漏空不可能造成发生全漏空不可能造成发生全漏空的情况，的情况，的情况，的情况，因此技术套管的下部还有支撑内压力作用因此技术套管的下部还有支撑内压力作用因此技术套管的下部还有支撑内压力作用因此技术套管的下部还有支撑内压力作用油层套管：一般在采油后期产层压力降得很低的时候产油层套管：一般在采油后期产层压力降得很低的时候产油层套管：一般在采油后期产层压力降得很低的时候产油层套管：一般在采油后期产层压力降得很低的时候产生最大有效外压力（开发后期可能抽油或气举采油），生最大有效外压力（开发后期可能抽油或气举采油），生最大有效外压力（开发后期可能抽油或气举采油），生最大有效外压力（开发后期可能
20、抽油或气举采油），因为这时套管内的内压力会降得很低。若近似认为内压因为这时套管内的内压力会降得很低。若近似认为内压因为这时套管内的内压力会降得很低。若近似认为内压因为这时套管内的内压力会降得很低。若近似认为内压力为零，则其受载情况与表层套管类似，即为力为零，则其受载情况与表层套管类似，即为力为零，则其受载情况与表层套管类似，即为力为零，则其受载情况与表层套管类似，即为全掏空全掏空全掏空全掏空。一、套管外载分析与计算221.1.1.1.外挤压力外挤压力外挤压力外挤压力（1 1 1 1）外压力）外压力）外压力）外压力l l在水泥面（环空内水泥的顶面）以上应按钻井液液柱压力计算在水泥面（环空内水泥的
21、顶面）以上应按钻井液液柱压力计算在水泥面（环空内水泥的顶面）以上应按钻井液液柱压力计算在水泥面（环空内水泥的顶面）以上应按钻井液液柱压力计算l l对于水泥封固段，当发生上述最大有效外压力时，管外环空中对于水泥封固段，当发生上述最大有效外压力时，管外环空中对于水泥封固段，当发生上述最大有效外压力时，管外环空中对于水泥封固段，当发生上述最大有效外压力时，管外环空中的水泥已经凝固，水泥环（水泥浆在环空内凝固后的环状水泥的水泥已经凝固，水泥环（水泥浆在环空内凝固后的环状水泥的水泥已经凝固，水泥环（水泥浆在环空内凝固后的环状水泥的水泥已经凝固，水泥环（水泥浆在环空内凝固后的环状水泥石称为水泥环）应有助于
22、套管承受外压力，但难于准确计算，石称为水泥环）应有助于套管承受外压力，但难于准确计算，石称为水泥环）应有助于套管承受外压力，但难于准确计算，石称为水泥环）应有助于套管承受外压力，但难于准确计算，因此从安全角度考虑现场上因此从安全角度考虑现场上因此从安全角度考虑现场上因此从安全角度考虑现场上一般将水泥面以下水泥环段的外压一般将水泥面以下水泥环段的外压一般将水泥面以下水泥环段的外压一般将水泥面以下水泥环段的外压力也按钻井液液柱压力计算。力也按钻井液液柱压力计算。力也按钻井液液柱压力计算。力也按钻井液液柱压力计算。一、套管外载分析与计算231.1.1.1.外挤压力外挤压力外挤压力外挤压力（2 2 2
23、 2）支撑内压力）支撑内压力）支撑内压力）支撑内压力l l对于表层套管、油层套管这种可能全掏空的情况，支撑内压力对于表层套管、油层套管这种可能全掏空的情况，支撑内压力对于表层套管、油层套管这种可能全掏空的情况，支撑内压力对于表层套管、油层套管这种可能全掏空的情况，支撑内压力为零。为零。为零。为零。l l对于技术套管非全掏空的情况，在漏失面以上（即井深小于漏对于技术套管非全掏空的情况，在漏失面以上（即井深小于漏对于技术套管非全掏空的情况，在漏失面以上（即井深小于漏对于技术套管非全掏空的情况，在漏失面以上（即井深小于漏失面深度的套管段），支撑内压力为零，在漏失面以下（即井失面深度的套管段），支撑内
24、压力为零，在漏失面以下（即井失面深度的套管段），支撑内压力为零，在漏失面以下（即井失面深度的套管段），支撑内压力为零，在漏失面以下（即井深大于漏失面深度的套管段）作用有管内钻井液液柱压力。深大于漏失面深度的套管段）作用有管内钻井液液柱压力。深大于漏失面深度的套管段）作用有管内钻井液液柱压力。深大于漏失面深度的套管段）作用有管内钻井液液柱压力。l l因此，因此，因此，因此，要计算支撑内压力，首先要知道漏失面的深度。要计算支撑内压力，首先要知道漏失面的深度。要计算支撑内压力，首先要知道漏失面的深度。要计算支撑内压力，首先要知道漏失面的深度。一、套管外载分析与计算241.1.1.1.径向外挤压力径向
25、外挤压力径向外挤压力径向外挤压力（2 2 2 2）支撑内压力）支撑内压力）支撑内压力）支撑内压力l l漏失面深度确定：假设下一次钻进钻至下漏失面深度确定：假设下一次钻进钻至下漏失面深度确定：假设下一次钻进钻至下漏失面深度确定：假设下一次钻进钻至下一层套管的下入深度（下一井段的目的井一层套管的下入深度（下一井段的目的井一层套管的下入深度（下一井段的目的井一层套管的下入深度（下一井段的目的井深）时发生井漏，并假设漏失层的孔隙压深）时发生井漏，并假设漏失层的孔隙压深）时发生井漏，并假设漏失层的孔隙压深）时发生井漏，并假设漏失层的孔隙压力为地层盐水柱压力，根据压力平衡关系力为地层盐水柱压力，根据压力平
26、衡关系力为地层盐水柱压力，根据压力平衡关系力为地层盐水柱压力，根据压力平衡关系可得漏失面深度为：可得漏失面深度为：可得漏失面深度为：可得漏失面深度为：一、套管外载分析与计算钻井液盐水HnHL251.1.外挤压力外挤压力（2 2）支撑内压力）支撑内压力l l对于技术套管非全掏空的情况，支撑内压力的计对于技术套管非全掏空的情况，支撑内压力的计对于技术套管非全掏空的情况，支撑内压力的计对于技术套管非全掏空的情况，支撑内压力的计算式为算式为算式为算式为（0HHL）（HLHHB）一、套管外载分析与计算261.1.1.1.外挤压力外挤压力外挤压力外挤压力（3 3 3 3）有效外压力）有效外压力）有效外压力
27、）有效外压力l l对于表层套管、油层套管这种可能全掏空的情况，需要按全掏对于表层套管、油层套管这种可能全掏空的情况，需要按全掏对于表层套管、油层套管这种可能全掏空的情况，需要按全掏对于表层套管、油层套管这种可能全掏空的情况，需要按全掏空考虑的技术套管，有效外压力为空考虑的技术套管，有效外压力为空考虑的技术套管，有效外压力为空考虑的技术套管，有效外压力为l l对于技术套管非全掏空的情况，有效外压力为对于技术套管非全掏空的情况，有效外压力为对于技术套管非全掏空的情况，有效外压力为对于技术套管非全掏空的情况，有效外压力为 （0HHL）（HLHHB）一、套管外载分析与计算27（a a）全掏空）全掏空
28、（b b）非全掏空）非全掏空图图7-3 7-3 有效外挤压力对比示意图有效外挤压力对比示意图11外压力外压力 2 2支撑内压力支撑内压力 3 3有效外压力有效外压力全掏空与非全掏空两种不同的情况下，套管柱所受的有效外压力不一样。全掏空与非全掏空两种不同的情况下，套管柱所受的有效外压力不一样。全掏空与非全掏空两种不同的情况下，套管柱所受的有效外压力不一样。全掏空与非全掏空两种不同的情况下，套管柱所受的有效外压力不一样。对于全掏空情况，有效外压力是井底最大，井口最小（为零）；对于全掏空情况，有效外压力是井底最大，井口最小（为零）；对于全掏空情况，有效外压力是井底最大，井口最小（为零）；对于全掏空情
29、况，有效外压力是井底最大，井口最小（为零）；对于非全掏空情况，有效外压力是中间大，井口和井底小。对于非全掏空情况，有效外压力是中间大，井口和井底小。对于非全掏空情况，有效外压力是中间大，井口和井底小。对于非全掏空情况，有效外压力是中间大，井口和井底小。显然，这种不同的外载情况会使套管柱设计的结果不同。显然，这种不同的外载情况会使套管柱设计的结果不同。显然，这种不同的外载情况会使套管柱设计的结果不同。显然，这种不同的外载情况会使套管柱设计的结果不同。一、套管外载分析与计算282.2.2.2.内压力内压力内压力内压力l l套管柱所受的内压力主要来自于钻井液、地层流体（油、气、套管柱所受的内压力主要
30、来自于钻井液、地层流体（油、气、套管柱所受的内压力主要来自于钻井液、地层流体（油、气、套管柱所受的内压力主要来自于钻井液、地层流体（油、气、水）压力以及特殊作业（如压井、酸化压裂、挤水泥等）时水）压力以及特殊作业（如压井、酸化压裂、挤水泥等）时水）压力以及特殊作业（如压井、酸化压裂、挤水泥等）时水）压力以及特殊作业（如压井、酸化压裂、挤水泥等）时所施加的压力。与外挤压力类似，对内压力也是分析计算危所施加的压力。与外挤压力类似，对内压力也是分析计算危所施加的压力。与外挤压力类似，对内压力也是分析计算危所施加的压力。与外挤压力类似，对内压力也是分析计算危险工况时的有效内压力。有效内压力为险工况时的
31、有效内压力。有效内压力为险工况时的有效内压力。有效内压力为险工况时的有效内压力。有效内压力为 P Pie ie P Pi i P Pobob 对于表层套管和技术套管，如果在下一井段钻进过程中发对于表层套管和技术套管，如果在下一井段钻进过程中发对于表层套管和技术套管，如果在下一井段钻进过程中发对于表层套管和技术套管，如果在下一井段钻进过程中发生井涌而进行生井涌而进行生井涌而进行生井涌而进行压井压井压井压井时，套管柱所受的有效内压力最大。时，套管柱所受的有效内压力最大。时，套管柱所受的有效内压力最大。时，套管柱所受的有效内压力最大。而对于油层套管，油井和气井的情况不一样，要根据采油、而对于油层套管
32、，油井和气井的情况不一样，要根据采油、而对于油层套管，油井和气井的情况不一样，要根据采油、而对于油层套管，油井和气井的情况不一样，要根据采油、采气工艺情况考虑相关的危险工况。采气工艺情况考虑相关的危险工况。采气工艺情况考虑相关的危险工况。采气工艺情况考虑相关的危险工况。一、套管外载分析与计算29径向内压力：径向内压力：管内流体压力管内流体压力压裂作业等增产压裂作业等增产措施时的压力措施时的压力一、套管外载分析与计算302.2.2.2.内压力内压力内压力内压力（1 1 1 1）内压力）内压力）内压力）内压力l l对于表层套管和技术套管，当在下一井段钻进过程中发生井涌对于表层套管和技术套管，当在下
33、一井段钻进过程中发生井涌对于表层套管和技术套管，当在下一井段钻进过程中发生井涌对于表层套管和技术套管，当在下一井段钻进过程中发生井涌而进行压井时，套管的内压力为而进行压井时，套管的内压力为而进行压井时，套管的内压力为而进行压井时，套管的内压力为井口内压力与管内流体井口内压力与管内流体井口内压力与管内流体井口内压力与管内流体（钻井（钻井（钻井（钻井液与涌入流体液与涌入流体液与涌入流体液与涌入流体气、水、油或混合物）气、水、油或混合物）气、水、油或混合物）气、水、油或混合物）的液柱压力之和的液柱压力之和的液柱压力之和的液柱压力之和。由。由。由。由于井涌情况的多样性，所以关于套管内压力的计算有多种方
34、法，于井涌情况的多样性，所以关于套管内压力的计算有多种方法，于井涌情况的多样性，所以关于套管内压力的计算有多种方法，于井涌情况的多样性，所以关于套管内压力的计算有多种方法，常用方法是：常用方法是：常用方法是：常用方法是：一、套管外载分析与计算312.2.2.2.内压力内压力内压力内压力（1 1 1 1）内压力）内压力）内压力）内压力确定井口内压力的三种方法是：确定井口内压力的三种方法是：确定井口内压力的三种方法是：确定井口内压力的三种方法是：uu1 1 1 1）井口防喷装置（防喷器及压井管线等）许用最高压力。）井口防喷装置（防喷器及压井管线等）许用最高压力。）井口防喷装置（防喷器及压井管线等）
35、许用最高压力。）井口防喷装置（防喷器及压井管线等）许用最高压力。uu2 2 2 2）套管鞋处附近地层破裂压力所决定的许用井口压力。）套管鞋处附近地层破裂压力所决定的许用井口压力。）套管鞋处附近地层破裂压力所决定的许用井口压力。）套管鞋处附近地层破裂压力所决定的许用井口压力。uu3 3 3 3）下部高压油气喷出时可能出现的井口内压力。）下部高压油气喷出时可能出现的井口内压力。）下部高压油气喷出时可能出现的井口内压力。）下部高压油气喷出时可能出现的井口内压力。一、套管外载分析与计算32l l对于油层套管，分油井与气井采用不同的计算方法。以下是关对于油层套管，分油井与气井采用不同的计算方法。以下是关
36、对于油层套管，分油井与气井采用不同的计算方法。以下是关对于油层套管，分油井与气井采用不同的计算方法。以下是关于油层套管内压力的计算方法之一于油层套管内压力的计算方法之一于油层套管内压力的计算方法之一于油层套管内压力的计算方法之一 。对于油井，认为采油初期，产层压力较高，井口有内压力作对于油井，认为采油初期，产层压力较高，井口有内压力作对于油井，认为采油初期，产层压力较高，井口有内压力作对于油井，认为采油初期，产层压力较高，井口有内压力作用于套管，套管的内压力为井口内压力与原油的液柱压力之用于套管，套管的内压力为井口内压力与原油的液柱压力之用于套管，套管的内压力为井口内压力与原油的液柱压力之用于
37、套管，套管的内压力为井口内压力与原油的液柱压力之和（式中括号项即为井口内压力）和（式中括号项即为井口内压力）和（式中括号项即为井口内压力）和（式中括号项即为井口内压力）对于气井，井口也有内压力作用于套管。当考虑气体自重及对于气井，井口也有内压力作用于套管。当考虑气体自重及对于气井，井口也有内压力作用于套管。当考虑气体自重及对于气井，井口也有内压力作用于套管。当考虑气体自重及其压缩性后，套管内任意深度处的内压力为（式中令井深其压缩性后，套管内任意深度处的内压力为（式中令井深其压缩性后，套管内任意深度处的内压力为（式中令井深其压缩性后，套管内任意深度处的内压力为（式中令井深Z Z Z Z为零即得井
38、口内压力）为零即得井口内压力）为零即得井口内压力）为零即得井口内压力）一、套管外载分析与计算332.2.2.2.内压力内压力内压力内压力（2 2 2 2）支撑外压力）支撑外压力）支撑外压力）支撑外压力l l在无水泥段，因钻井液降解及固相沉降，其液柱压力可能降低在无水泥段，因钻井液降解及固相沉降，其液柱压力可能降低在无水泥段，因钻井液降解及固相沉降，其液柱压力可能降低在无水泥段，因钻井液降解及固相沉降，其液柱压力可能降低l l对水泥封固段，可能水泥环并不完整，地层压力可能作用于管对水泥封固段，可能水泥环并不完整，地层压力可能作用于管对水泥封固段，可能水泥环并不完整，地层压力可能作用于管对水泥封固
39、段，可能水泥环并不完整，地层压力可能作用于管柱上，按盐水柱计算支撑外压力可能比实际外压力偏小，但可柱上，按盐水柱计算支撑外压力可能比实际外压力偏小，但可柱上，按盐水柱计算支撑外压力可能比实际外压力偏小，但可柱上，按盐水柱计算支撑外压力可能比实际外压力偏小，但可使有效内压力偏大而使管柱趋于安全。所以，使有效内压力偏大而使管柱趋于安全。所以，使有效内压力偏大而使管柱趋于安全。所以，使有效内压力偏大而使管柱趋于安全。所以，在支撑外压力计在支撑外压力计在支撑外压力计在支撑外压力计算中一般无论是水泥面以上还是水泥面以下均按地层盐水柱压算中一般无论是水泥面以上还是水泥面以下均按地层盐水柱压算中一般无论是水
40、泥面以上还是水泥面以下均按地层盐水柱压算中一般无论是水泥面以上还是水泥面以下均按地层盐水柱压力计算力计算力计算力计算，即，即，即，即 ：一、套管外载分析与计算342.2.2.2.内压力内压力内压力内压力（3 3 3 3）有效内压力）有效内压力）有效内压力）有效内压力由上所述，可得套管柱有效内压力的计算方法：由上所述，可得套管柱有效内压力的计算方法：由上所述，可得套管柱有效内压力的计算方法：由上所述，可得套管柱有效内压力的计算方法：l l对于表层套管和技术套管：对于表层套管和技术套管：对于表层套管和技术套管：对于表层套管和技术套管：l l对于油层套管对于油层套管对于油层套管对于油层套管 油井：油
41、井：油井：油井：气井：气井：气井：气井：一、套管外载分析与计算35 （a）（b）（c）图图7-4 7-4 有效内压力对比示意图有效内压力对比示意图（a a）表层或技术套管）表层或技术套管 （b b）油井油层套管）油井油层套管 （c c）气井油层套管）气井油层套管11内压力内压力 2 2支撑外压力支撑外压力 3 3有效内压力有效内压力l l注意图中，支撑外压和内压曲线的斜率变化。注意图中，支撑外压和内压曲线的斜率变化。注意图中，支撑外压和内压曲线的斜率变化。注意图中，支撑外压和内压曲线的斜率变化。l l对于表层套管或技术套管，有效内压力是井口最小，井底最大；对于油层套对于表层套管或技术套管，有效
42、内压力是井口最小，井底最大；对于油层套对于表层套管或技术套管，有效内压力是井口最小，井底最大；对于油层套对于表层套管或技术套管，有效内压力是井口最小，井底最大；对于油层套管，有效内压力是井口最大，井底最小。可见，不同类型的井、不同类型的管，有效内压力是井口最大，井底最小。可见，不同类型的井、不同类型的管，有效内压力是井口最大，井底最小。可见，不同类型的井、不同类型的管，有效内压力是井口最大，井底最小。可见，不同类型的井、不同类型的套管，所受外载是不一样的。套管，所受外载是不一样的。套管，所受外载是不一样的。套管，所受外载是不一样的。l l现场有时还采用直接用井口压力现场有时还采用直接用井口压力
43、现场有时还采用直接用井口压力现场有时还采用直接用井口压力P Ps s作为整个套管柱有效内压力的方法（即假设作为整个套管柱有效内压力的方法（即假设作为整个套管柱有效内压力的方法（即假设作为整个套管柱有效内压力的方法（即假设从井口到井底有效内压力均为从井口到井底有效内压力均为从井口到井底有效内压力均为从井口到井底有效内压力均为P Ps s）。从图可见，对于油层套管，采用这种方法）。从图可见，对于油层套管，采用这种方法）。从图可见，对于油层套管，采用这种方法）。从图可见，对于油层套管，采用这种方法显然是安全的，不过可能有点不经济，但可使内压力计算、进而使套管柱的显然是安全的，不过可能有点不经济，但可
44、使内压力计算、进而使套管柱的显然是安全的，不过可能有点不经济，但可使内压力计算、进而使套管柱的显然是安全的，不过可能有点不经济，但可使内压力计算、进而使套管柱的抗内压设计更简捷抗内压设计更简捷抗内压设计更简捷抗内压设计更简捷一、套管外载分析与计算swnswosw曲线曲线363.3.3.3.轴向拉力轴向拉力轴向拉力轴向拉力l l一般情况下，套管柱在入井过程中（即下套管过程中）承受的一般情况下，套管柱在入井过程中（即下套管过程中）承受的一般情况下，套管柱在入井过程中（即下套管过程中）承受的一般情况下，套管柱在入井过程中（即下套管过程中）承受的拉力最大。这时，除了套管柱的自重外，还有上提下放时的动拉
45、力最大。这时，除了套管柱的自重外，还有上提下放时的动拉力最大。这时，除了套管柱的自重外，还有上提下放时的动拉力最大。这时，除了套管柱的自重外，还有上提下放时的动载、上提时弯曲井段处的阻力、或者是遇卡上提时多提的拉力载、上提时弯曲井段处的阻力、或者是遇卡上提时多提的拉力载、上提时弯曲井段处的阻力、或者是遇卡上提时多提的拉力载、上提时弯曲井段处的阻力、或者是遇卡上提时多提的拉力等附加拉力。在计算时，一般只计算套管的自重，将动载、遇等附加拉力。在计算时，一般只计算套管的自重，将动载、遇等附加拉力。在计算时，一般只计算套管的自重，将动载、遇等附加拉力。在计算时，一般只计算套管的自重，将动载、遇卡上提多
46、提的拉力等附加拉力用设计安全系数考虑，或以其它卡上提多提的拉力等附加拉力用设计安全系数考虑，或以其它卡上提多提的拉力等附加拉力用设计安全系数考虑，或以其它卡上提多提的拉力等附加拉力用设计安全系数考虑，或以其它方式考虑。方式考虑。方式考虑。方式考虑。l l套管柱一般是由几段套管组成。在计算套管自重所产生的轴向套管柱一般是由几段套管组成。在计算套管自重所产生的轴向套管柱一般是由几段套管组成。在计算套管自重所产生的轴向套管柱一般是由几段套管组成。在计算套管自重所产生的轴向拉力时，通常需要计算的是各段套管顶、底端的轴向拉力。显拉力时，通常需要计算的是各段套管顶、底端的轴向拉力。显拉力时，通常需要计算的
47、是各段套管顶、底端的轴向拉力。显拉力时，通常需要计算的是各段套管顶、底端的轴向拉力。显然，某段套管顶端的拉力即是其上面一段套管底端的拉力，其然，某段套管顶端的拉力即是其上面一段套管底端的拉力，其然，某段套管顶端的拉力即是其上面一段套管底端的拉力，其然，某段套管顶端的拉力即是其上面一段套管底端的拉力，其底端的拉力即是其下面一端套管顶端的拉力。底端的拉力即是其下面一端套管顶端的拉力。底端的拉力即是其下面一端套管顶端的拉力。底端的拉力即是其下面一端套管顶端的拉力。一、套管外载分析与计算37轴向拉力轴向拉力：自重自重浮力浮力W一、套管外载分析与计算383.3.3.3.轴向拉力轴向拉力轴向拉力轴向拉力l
48、 l轴向拉力计算方法：轴向拉力计算方法：轴向拉力计算方法：轴向拉力计算方法：当不考虑钻井液的浮力时，计算的是套管在空气中的重量；当不考虑钻井液的浮力时，计算的是套管在空气中的重量；当不考虑钻井液的浮力时，计算的是套管在空气中的重量；当不考虑钻井液的浮力时，计算的是套管在空气中的重量；当考虑钻井液的浮力时，计算的是套管在钻井液中的重量，当考虑钻井液的浮力时，计算的是套管在钻井液中的重量，当考虑钻井液的浮力时，计算的是套管在钻井液中的重量，当考虑钻井液的浮力时，计算的是套管在钻井液中的重量，常简称为浮重。一般可用台阶法和浮力系数法计算常简称为浮重。一般可用台阶法和浮力系数法计算常简称为浮重。一般可
49、用台阶法和浮力系数法计算常简称为浮重。一般可用台阶法和浮力系数法计算 其中其中其中其中一、套管外载分析与计算39用台阶力法计算用台阶力法计算：考虑浮力是集中作用在套管界考虑浮力是集中作用在套管界面变化的位置！面变化的位置！浮力的大小：浮力的大小：T Tf f=P=Ph h*A*A轴向力为轴向力为：一、套管外载分析与计算40考虑浮力后的轴向力分布考虑浮力后的轴向力分布(台阶力法台阶力法)HT一、套管外载分析与计算41l l很显然，套管柱自重所产生的轴向拉力的分布很显然，套管柱自重所产生的轴向拉力的分布很显然，套管柱自重所产生的轴向拉力的分布很显然，套管柱自重所产生的轴向拉力的分布规律是井底最小（
50、为零），往上逐渐增大，井规律是井底最小（为零），往上逐渐增大，井规律是井底最小（为零），往上逐渐增大，井规律是井底最小（为零），往上逐渐增大，井口拉力最大口拉力最大口拉力最大口拉力最大 图图7-5 7-5 套管轴向拉力沿井深分布示意图套管轴向拉力沿井深分布示意图 1-1-不考虑浮力不考虑浮力 2-2-考虑浮力考虑浮力一、套管外载分析与计算424.4.4.4.弯曲附加拉力弯曲附加拉力弯曲附加拉力弯曲附加拉力 如如如如果果果果井井井井眼眼眼眼存存存存在在在在较较较较大大大大的的的的井井井井斜斜斜斜变变变变化化化化或或或或狗狗狗狗腿腿腿腿时时时时，由由由由于于于于套套套套管管管管弯弯弯弯曲曲曲曲效效