套管及套管柱汇总课件.ppt

1、第二节第二节 套管及套管柱套管及套管柱API标准套管：标准套管：4 1/2“，5”，5 1/2“，6 5/8”，7“，7 5/8”，8 5/8“，9 5/8，10 3/4，11 3/4，13 3/8，16，18 5/8，20；共共14种。种。壁厚：壁厚：5.2116.13 mm。套管的钢级套管的钢级APIAPI标准：标准：H-40，J-55，K-55，C-75，L-80，N-80，C-90，C-95，P-110，Q-125。（数字。（数字1000为套管的最小屈服强度为套管的最小屈服强度 kpsi）。）。连接螺纹的类型连接螺纹的类型APIAPI标准：标准：短圆（短圆（STC）、长圆（）、长圆（L

2、TC）、梯形（）、梯形（BTC）、直连型）、直连型（XL）图图 单根套管示意图单根套管示意图1 1接箍接箍 2 2套管本体套管本体第二节第二节 套管及套管柱套管及套管柱套管柱：套管柱：由同一外径、不同钢级、不同壁厚的套管用接箍连接组由同一外径、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。成的管柱。特殊情况下也使用无接箍套管柱。二、套管柱受力分析及破坏二、套管柱受力分析及破坏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。时、后期开采等过程中）套管柱的受

3、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。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。套管柱设计时按最危险情况考虑。1、轴向拉力、轴向拉力1）套管的轴向拉力）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、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。动载、摩阻等。第二节第二节 套管及套管柱套管及套管柱 qmi 第第I I种套管在钻井液中的单位长度重力，种套管在钻井液中的单位长度重力，N N；L i-第第I I种套管的长度，种套管的长度，m m；n 组成套管柱的套管种类

4、（钢级、壁厚）。组成套管柱的套管种类（钢级、壁厚）。2 2）外挤压力）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、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。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：常规情况下按套管全淘空时的管外压力计算：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。压力的当量密度进行计算。31311010)1(sniiminiiimkLqLqFsdHpmoc81.9第二节第二节

5、 套管及套管柱套管及套管柱3）内压力）内压力 内压力是径向力，其方向是由套管轴线垂直指向内壁，它取决于地层流体内压力是径向力，其方向是由套管轴线垂直指向内壁，它取决于地层流体压力和挤注作业时挤入的流体压力。压力和挤注作业时挤入的流体压力。4）双向应力下的套管强度）双向应力下的套管强度 从套管内部取一微小单元（如图），从套管内部取一微小单元（如图），分析可知，在外载作用下产生三个方向分析可知，在外载作用下产生三个方向的应力的应力t、r、z ，对于薄壁管，对于薄壁管，t t r r ,r r 可以忽略。变为双向应可以忽略。变为双向应力问题。力问题。由第四强度理论：由第四强度理论：z z2 2 +t

6、 t2 2 -z zt t =s s2 2 变换为椭圆方程：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。按拉为正、压为负，根据以上方程可画出椭圆图形。t tz zr r1222stzstsz第二节第二节 套管及套管柱套管及套管柱第二节第二节 套管及套管柱套管及套管柱 在椭圆图上，在椭圆图上，t/s 的百分比为纵坐标，的百分比为纵坐标，z/s 的百分比为横坐的百分比为横坐标。标。由强度条件的双向应力椭圆可以看出：由强度条件的双向应力椭圆可以看出：第一象限：第一象限：拉伸与内压联合作用。拉伸与内压联合作用。轴向拉力的存在下使套管的抗内压强度增加。轴向拉力的存在下使套管的抗内压强度

7、增加。第二象限：第二象限：轴向压缩与内压联合作用。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。在轴向受压条件下套管抗内压强度降低。第三象限：第三象限：轴向压应力与外挤压力联合作用。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。在轴向受压条件下套管抗外挤强度增加。第四象限：第四象限：轴向拉应力与外挤压力联合作用。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。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。考虑

8、轴向拉力对抗挤强度的影响。第二节第二节 套管及套管柱套管及套管柱2.套管的破坏套管的破坏1）拉伸破坏）拉伸破坏2）挤压破坏）挤压破坏三、套管柱附件三、套管柱附件在实际施工过程中，安装在套管柱上的一些附加部件统称为套管柱在实际施工过程中，安装在套管柱上的一些附加部件统称为套管柱附件。附件。1.引鞋引鞋 作用：引导套管入井，防止套管插入井壁或刮削井壁作用：引导套管入井，防止套管插入井壁或刮削井壁类型：引鞋、浮鞋、差压灌注鞋类型：引鞋、浮鞋、差压灌注鞋第二节第二节 套管及套管柱套管及套管柱2.回压阀回压阀作用：作用：阻止水泥浆回流，保证水泥浆的上返高度；阻止水泥浆回流，保证水泥浆的上返高度；阻止钻井

9、液进入套管内，减轻套管柱的重量。阻止钻井液进入套管内，减轻套管柱的重量。类型：浮箍、差压充满浮箍及带挡圈的浮箍类型：浮箍、差压充满浮箍及带挡圈的浮箍3.套管扶正器套管扶正器作用：扶正套管，提高固井质量。作用：扶正套管，提高固井质量。4.磁性定位套管磁性定位套管5.联顶节联顶节作用：用来在下套管后到固井作业结束之前，悬挂套管柱的套管短节。作用：用来在下套管后到固井作业结束之前，悬挂套管柱的套管短节。联顶节方入：联顶节在转盘面以下的长度，它要保证四通、防喷器等装联顶节方入：联顶节在转盘面以下的长度，它要保证四通、防喷器等装置安装的拆卸的要求。置安装的拆卸的要求。套管柱附件由下到而上一般顺序：引鞋、

10、回压阀、扶正器、泥饼刷、联套管柱附件由下到而上一般顺序：引鞋、回压阀、扶正器、泥饼刷、联顶节。顶节。第三节第三节 油井水泥油井水泥一、油井水泥的分类和水化作用一、油井水泥的分类和水化作用1.API水泥的分类水泥的分类A级：级：深度范围深度范围 01828.8 m，温度，温度76.7。B级：级：深度范围深度范围 01828.8 m，属中热水泥，温度至，属中热水泥，温度至 76.7，有中抗硫和，有中抗硫和高抗硫两种。高抗硫两种。C级：级：深度范围深度范围01828.8 m，温度至，温度至 76.7，高早期强度水泥，分普通、，高早期强度水泥，分普通、中抗硫及高抗硫三种。中抗硫及高抗硫三种。D级：级：

11、深度范围深度范围1828.83050 m，温度，温度76127，用于中温、中压条件，用于中温、中压条件，分为中抗硫及高抗硫两种。分为中抗硫及高抗硫两种。E级：级：深度范围深度范围 30504270 m，温度，温度76143，用于高温、高压条件，用于高温、高压条件，分为中抗硫及高抗硫两种。分为中抗硫及高抗硫两种。F级：级：深度范围为深度范围为 30504880 m，温度，温度 110160，用于超高温和超高，用于超高温和超高压条件，分为中抗硫及高抗硫两种。压条件，分为中抗硫及高抗硫两种。G级及级及H级：级：深度范围为深度范围为 02440 m，温度，温度093，分为中抗硫及高抗硫，分为中抗硫及高

12、抗硫两种。两种。J级：级：深度范围为深度范围为 36604880 m，温度，温度49160。第三节第三节 油井水泥油井水泥2、油井水泥的主要成分、油井水泥的主要成分 油井水泥属于硅酸盐类水泥，它的主要原料是石灰石、粘土和油井水泥属于硅酸盐类水泥，它的主要原料是石灰石、粘土和少量铁矿石。少量铁矿石。1）水泥熟料主要成分）水泥熟料主要成分（1）硅酸三钙）硅酸三钙3CaOSiO2（简称（简称C3S）水泥的主要成份，一般的含量为水泥的主要成份，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。对水泥的强度，尤其是早期强度有较大的影响。高早期强度水泥高早期强度水泥中含量可达中含量可达60

13、65，缓凝水泥中含量在缓凝水泥中含量在4045。（2）硅酸二钙）硅酸二钙2CaOSiO2（简称（简称C2S），），含量一般在含量一般在2430之间；之间；水化反应缓慢，强度增长慢；水化反应缓慢，强度增长慢；对水泥的最终强度有影响。对水泥的最终强度有影响。第三节第三节 油井水泥油井水泥2）水泥的水化）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。产物。逐渐由液态变为固态，使水泥硬化和凝结，形成水泥石。水泥的硬化分为三个阶段：水泥的硬化分为三个阶段：溶胶期：溶胶期：水泥与

14、水混合成胶体液，开始发生水化反应，水化产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。体析出，形成胶溶体系。此时水泥浆仍有流动性。凝结期：凝结期：水化反应由水泥颗粒表面向内部深入，溶胶粒子及微水化反应由水泥颗粒表面向内部深入，溶胶粒子及微晶体大量增加，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。泥浆变绸，直到失去流动性。硬化期：硬化期：水化物形成晶体状态，互相紧密连接成

15、一个整体，强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。度增加，硬化成为水泥石。第三节第三节 油井水泥油井水泥二、水泥浆物理性能及调节二、水泥浆物理性能及调节1.油田现场对水泥浆性能的具体要求油田现场对水泥浆性能的具体要求（1）水泥能配成流动性良好的水泥浆，且在规定的时间内，）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。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；）水泥浆在井下的温度及压力条件下保持性能稳定；（3）水泥浆应在规定的时间内凝固并达到一定的强度；）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

16、应能和外加剂相配合，可调节各种性能；）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。）形成的水泥石应有很低的渗透性能等。第三节第三节 油井水泥及注水泥油井水泥及注水泥2.水泥浆的性能水泥浆的性能水泥浆密度水泥浆密度干水泥密度干水泥密度 3.053.20 gcm3，水泥完全水化需要的水为水泥重量的水泥完全水化需要的水为水泥重量的20左右；左右；使水泥浆能流动加水量应达到水泥重量的使水泥浆能流动加水量应达到水泥重量的4550；水泥浆密度水泥浆密度1.80 1.90 gcm3之间。之间。水灰比水灰比：水与干水泥重量之比水与干水泥重量之比。水泥浆的稠化时间水泥浆的稠

17、化时间 水泥浆从配制开始到其稠度达到其规定值所用的时间。水泥浆从配制开始到其稠度达到其规定值所用的时间。API标准：从开始混拌到水泥浆稠度达到标准：从开始混拌到水泥浆稠度达到 100 BC（水泥稠度单位）所（水泥稠度单位）所用的时间。用的时间。API标准中规定在初始的标准中规定在初始的 1530 min时间内，稠化值应当小于时间内，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。以内。第三节第三节 油井水泥油井水泥水泥浆的失水水泥浆的失水 一般用一般用30分钟的失水量表示。分钟的失水量表示。水泥浆的

18、稠化时间水泥浆的稠化时间从液态转变为固态的时间。从液态转变为固态的时间。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。以便于尽快开始下一道工序。通常希望固完井候凝始下一道工序。通常希望固完井候凝 8hr.左右，水泥浆开始凝结成水泥石，左右，水泥浆开始凝结成水泥石，其抗压强度可达其抗压强度可达2.3MPa以上即可开始下一次开钻。以上即可开始下一次开钻。水泥石强度水泥石强度能支撑和加强套管。能支撑和加强套管。能承受钻柱的冲击载荷。能承受钻柱的冲击载荷。能承受酸化、压裂等增产措施作业的压力。能承受酸化、压裂等增产措施作业的压力。水

19、泥石的抗蚀性水泥石的抗蚀性主要应抗硫酸盐腐蚀。主要应抗硫酸盐腐蚀。三、前置液三、前置液 将水泥浆与钻井液隔开，起到隔离、缓冲、清洗的作用，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。可提高固井质量。1、冲洗液：、冲洗液：低粘度、低剪切速率、低密度。用于有效冲洗低粘度、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。井壁及套管壁，清洗残存的钻井液及泥饼。2、隔离液：、隔离液：有效隔开钻井液与水泥浆，以便形成平面推进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。型的顶替效果。通常为粘稠液体。第三节第三节 油井水泥油井水泥概述概述（

20、a a）（b b）（c c）（d d）（e e）图图5-12 5-12 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1 1压力表压力表 2 2上胶塞上胶塞 3 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7 7水泥浆水泥浆 8 8隔离液隔离液 9 9钻井液钻井液第三节第三节 油井水泥油井水泥四、提高注水泥质量的措施四、提高注水泥质量的措施1、对注水泥质量的基本要求、对注水泥质量的基本要求（l）对固井质量的基本要求）对固井质量的基本要求

21、 水泥浆返高和水泥塞高度必须符合设计要求；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；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。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）在固井中常出现的固井质量问题 井口有冒油、气、水的现象。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。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，

22、使井报废等。因固结质量不良在生产中引起套管变形，使井报废等。第三节第三节 油井水泥油井水泥2、影响注水泥质量的因素、影响注水泥质量的因素（1）顶替效率低，产生窜槽。）顶替效率低，产生窜槽。注水泥段：注水泥段：注水泥段任一截面：注水泥段任一截面：窜槽：窜槽：由于水泥浆不能将环空中的钻井液完全替走，而使环形空间局由于水泥浆不能将环空中的钻井液完全替走，而使环形空间局部出现未被水泥浆封固住的这种现象。部出现未被水泥浆封固住的这种现象。形成窜槽的原因：形成窜槽的原因：套管不居中；套管不居中；井眼不规则；井眼不规则；水泥浆性能及顶替措施不当。水泥浆性能及顶替措施不当。接触时间、顶替速度及流态、水泥浆流变

23、性等。接触时间、顶替速度及流态、水泥浆流变性等。%环形空间截面积环形水泥浆面积顶替效率环形空间体积环形水泥浆体积顶替效率（2）水泥浆凝结过程中油气水上窜）水泥浆凝结过程中油气水上窜引起油气水上窜的原因：引起油气水上窜的原因：水泥浆失重：水泥浆失重：水泥浆柱在凝结过程中对其下部或地层所作用的压力水泥浆柱在凝结过程中对其下部或地层所作用的压力 逐渐减小的现象。逐渐减小的现象。桥堵引起失重桥堵引起失重，从而引起油气水上窜；，从而引起油气水上窜；水泥浆凝结后体积收缩水泥浆凝结后体积收缩；收缩率小于；收缩率小于0.2%0.2%。套管内原来有压力，放压后使套管收缩。套管内原来有压力，放压后使套管收缩。泥饼

24、的存在泥饼的存在，影响地层，影响地层水泥间（第二界面）的胶结。水泥间（第二界面）的胶结。3 3、提高注水泥质量的措施、提高注水泥质量的措施（1 1）提高顶替效率，防止窜槽；）提高顶替效率，防止窜槽；采用套管扶正器，改善套管居中条件；采用套管扶正器，改善套管居中条件；注水泥过程中活动套管；注水泥过程中活动套管；调节注水泥速度，使水泥浆在环空呈紊流状态；调节注水泥速度，使水泥浆在环空呈紊流状态；调整水泥浆性能。加大钻井液与水泥浆的密度差；调整水泥浆性能。加大钻井液与水泥浆的密度差；降低钻井液粘度和切力。降低钻井液粘度和切力。（2）防止油气水上窜）防止油气水上窜 采用多级注水泥或两种凝速（上慢下快）的水泥；采用多级注水泥或两种凝速（上慢下快）的水泥；注完水泥后及时使套管内卸压，并在环空加回压；注完水泥后及时使套管内卸压，并在环空加回压；使用膨胀性水泥，防止水泥收缩；使用膨胀性水泥，防止水泥收缩；使用刮泥器，清除井壁泥饼。使用刮泥器，清除井壁泥饼。