1、<p>　　克拉瑪依職業(yè)技術(shù)學(xué)院</p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)論文（一口井的設(shè)計(jì)）</p><p>　　系部： 石油工程系</p><p>　　專業(yè)： 鉆井工程 </p><p>　　姓名： 王 星 </p><p>　　學(xué)號(hào)： 08050059</p><p

2、>　　設(shè)計(jì)題目：一口井的設(shè)計(jì)</p><p>　　起訖日期： 2013年3月1日—2013年5月31日</p><p>　　設(shè)計(jì)地點(diǎn)： 克拉瑪依職業(yè)技術(shù)學(xué)院 </p><p><b>　　指導(dǎo)老師： 劉鵬</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><

3、;p>　　一口井的設(shè)計(jì)包括井身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，套管柱的設(shè)計(jì)，鉆桿柱的設(shè)計(jì)。井身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)又是整個(gè)鉆井設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，也是保證一口井能順利鉆進(jìn)的前提。合理的井身結(jié)構(gòu)可以保證一口井能順利鉆達(dá)預(yù)定的井深，能夠保證鉆進(jìn)過程的安全，能夠防止鉆進(jìn)中的產(chǎn)層污染，并能花費(fèi)最少的費(fèi)用。</p><p>　　套管柱設(shè)計(jì)既要考慮到套管柱的受力分析又要考慮到套管的強(qiáng)度，套管柱的受力分析是套管柱強(qiáng)度設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，在設(shè)計(jì)套管柱是應(yīng)當(dāng)根據(jù)套管的最

4、危險(xiǎn)情況來(lái)考慮套管的基本載荷。套管柱的強(qiáng)度設(shè)計(jì)又是根據(jù)套管所受的外載，根據(jù)套管的強(qiáng)度建立一個(gè)安全的平衡關(guān)系：</p><p>　　套管強(qiáng)度≥外載×安全系數(shù)</p><p>　　合理的鉆桿柱設(shè)計(jì)是確保優(yōu)質(zhì)、快速、安全鉆井的重要條件。尤其是對(duì)深井鉆井，鉆柱在井下的工作條件十分復(fù)雜與惡劣，鉆桿柱設(shè)計(jì)在整個(gè)過程中就顯得更加重要。</p><p>　　【關(guān)鍵詞】：井

5、身結(jié)構(gòu);鉆具;鉆機(jī);套管;固井</p><p><b>　　第一章</b></p><p>　　第一節(jié) 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　井身結(jié)構(gòu)主要包括套管層次和每層套管的下深，各層套管外水泥返高，以及套管和井眼尺寸的配合。</p><p>　　依據(jù)：地層壓力和地層破裂壓力剖面</p><p>

6、;　　套管的分類各類型作用</p><p><b>　　1、表層套管</b></p><p><b>　　主要用途：</b></p><p>　?。?）封隔地表淺水層及淺部疏松和復(fù)雜地層；</p><p>　?。?）安裝井口、懸掛和支撐后續(xù)各層套管。</p><p><

7、b>　　下深位置：</b></p><p>　　根據(jù)鉆井的目的層深度和地表狀況而定，一般為上百米甚至上千米。</p><p>　　2、生產(chǎn)套管（油層套管）</p><p>　　主要用途：用以保護(hù)生產(chǎn)層，提供油氣生產(chǎn)通道。</p><p>　　下深位置：由目的層位置及完井方式而定。</p><p>　　

8、3、中間套管（技術(shù)套管）</p><p>　　在表層套管和生產(chǎn)套管之間由于技術(shù)要求下入的套管，可以是一層、兩層或更多層。</p><p>　　主要用來(lái)封隔不同地層壓力層系或易漏、易塌、易卡等井下復(fù)雜地層。</p><p><b>　　4、尾管（襯管）</b></p><p>　　是在已下入一層技術(shù)套管后采用，即在裸眼井段

9、下套管、注水泥，而套管柱不延伸到井口。</p><p>　　主要用途：減輕下套管時(shí)鉆機(jī)的負(fù)荷和固井后套管頭負(fù)荷；節(jié)省套管和水泥。 </p><p><b>　　一般深井和超深井。</b></p><p>　　二、井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則</p><p>　　1、有效地保護(hù)油氣層；</p><p>　　

10、2、有效避免漏、噴、塌、卡等井下復(fù)雜事故的發(fā)生，保證安全、快速鉆進(jìn)；</p><p>　　3、鉆下部地層采用重鉆井液時(shí)產(chǎn)生的井內(nèi)壓力，不致壓裂上層套管鞋處最薄弱的裸露地層；</p><p>　　4、下套管過程中，井內(nèi)鉆井液液柱壓力和地層壓力間的壓差不致于壓差卡套管；</p><p>　　5、當(dāng)實(shí)際地層壓力超過預(yù)測(cè)值而發(fā)生井涌時(shí)，在一定壓力范圍內(nèi)，具有壓井處理溢流的能

11、力。</p><p>　　三、井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)</p><p>　　地層巖性剖面、地層孔隙壓力剖面、地層破裂壓力剖面、地層坍塌壓力剖面。</p><p><b>　　6個(gè)設(shè)計(jì)系數(shù)：</b></p><p><b>　　抽吸壓力系數(shù)Sb；</b></p><p>　　0.

12、024 ～0.048 g/cm3 </p><p><b>　　激動(dòng)壓力系數(shù)Sg；</b></p><p>　　0.024 ～0.048 g/cm3 </p><p>　　壓裂安全系數(shù)Sf； </p><p>　　0.03 ～0.06 g/cm3 </p><p>　　井涌允量Sk；： <

13、;/p><p>　　0.05 ～0.08 g/cm3 </p><p><b>　　壓差允值p；</b></p><p>　　PN: 15～18 MPa ， PA： 21～23 MPa</p><p>　　四、裸眼井段應(yīng)滿足的力學(xué)平衡條件</p><p>　　1、ρdmax≥ρpmax+

14、 Sb （防井涌）</p><p>　　2、(ρdmax-ρpmin)×Dpmin×0.00981≤△P （ 防壓差卡鉆）</p><p>　　3、ρdmax + Sg + Sf ≤ρfmin （防井漏)</p><p>　　4、ρdmax+ Sf + S

15、k ×Dpmax/ Dc1≤ρfc1 （防關(guān)井井漏)</p><p>　　其中：ρdmax----裸眼井段內(nèi)使用的最大鉆井液密度，g/cm3；</p><p>　　ρpmax----裸眼井段鉆遇的最大地層壓力的當(dāng)量泥漿密度，g/cm3；</p><p>　　Dpmax----最大地層孔隙壓力所處的井深，m；</p><p

16、>　　ρpmin----裸眼井段鉆遇的最小地層壓力的當(dāng)量泥漿密度，g/cm3；</p><p>　　Dpmin----最小地層孔隙壓力所處的最大井深，m；</p><p>　　ρfmin----裸眼井段最小地層破裂壓力的當(dāng)量泥漿密度，g/cm3；</p><p>　　Dc1----套管下入深度，m；</p><p>　　ρfc1----

17、套管鞋處地層破裂壓力的當(dāng)量泥漿密度， g/cm3；</p><p>　　五、井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法</p><p>　　1、求中間套管下入深度的假定點(diǎn)</p><p>　　（1）不考慮發(fā)生井涌</p><p>　　由ρf =ρpmax+ Sb + Sg + Sf</p><p>　　ρdmax計(jì)算出ρf ，在破裂壓力曲線上查

18、出ρf 所在的井深D21 ，即為中間套管下深假定點(diǎn)。</p><p>　?。?）考慮可能發(fā)生井涌</p><p>　　由ρf =ρpmax+Sb+ Sf + Sk ×Dpmax/ D21用試算法求 D21；先試取一個(gè)D21，計(jì)算ρf ；將計(jì)算出的ρf 與D21處查得的ρf 進(jìn)行比較，若計(jì)算值與實(shí)際值相差不大且略小于實(shí)際值，可以確定D21為中間套管假定點(diǎn)。否則，重新進(jìn)行試算。<

19、;/p><p>　　一般情況下，在新探區(qū)，取以上（1）、（2）兩種條件下D21較大的值。</p><p>　　2、驗(yàn)證中間套管下到深度D21是否有被卡的危險(xiǎn)</p><p>　　首先求出裸眼中可能存在的最大靜壓差：</p><p>　　△P=(ρpmax1+Sb -ρpmin)×Dmin×0.00981</p>

20、<p>　　ρpmax1----鉆進(jìn)至D21遇到的最大地層壓力當(dāng)量密度，g/cm3。</p><p>　　Dmin----最小地層孔隙壓力所對(duì)應(yīng)的井深，m；（當(dāng)有多個(gè)最小地層壓力點(diǎn)時(shí)，取最大井深。）</p><p>　　? 若△P < △PN ，則確定D21為中間套管的下入深度D2。</p><p><b>　　? </b>

21、</p><p>　　若△P > △PN ，則中間套管深度應(yīng)小于假定點(diǎn)深度。需根據(jù)壓差卡鉆條件確定中間套管下深。</p><p>　　求在壓差△PN 下所允許的最大地層壓力：</p><p>　　在地層壓力曲線上找出ρpper </p><p>　　所在的深度即為中間套管下深D2。</p><p>　　3、求鉆井

22、尾管下入深度的假定點(diǎn)D31</p><p>　　根據(jù)中間套管鞋處的地層破裂壓力當(dāng)量密度ρf2 ，求出繼續(xù)向下鉆進(jìn)時(shí)裸眼井段所允許的最大地層壓力當(dāng)量密度：</p><p><b>　　用試算法求D31。</b></p><p>　　試取一個(gè)D31，計(jì)算出ρpper ，與D31處的實(shí)際地層壓力當(dāng)量密度比較，若計(jì)算值與實(shí)際值接近，且略大于實(shí)際值，則確

23、定為尾管下深假定點(diǎn)；否則，另取D31進(jìn)行試算 。</p><p>　　4、校核尾管下入到D31是否有被卡的危險(xiǎn)</p><p>　　校核方法與中間套管的校核方法相同。只是將壓差允值△PN 變?yōu)椤鱌A 。</p><p>　　5、計(jì)算表層套管下入深度D1</p><p>　　根據(jù)中間套管鞋處的地層壓力當(dāng)量密度ρp2 ，計(jì)算出若鉆進(jìn)到深度D2發(fā)生

24、井涌關(guān)井時(shí)，表層套管鞋D1處所承受的井內(nèi)壓力的當(dāng)量密度：</p><p>　　根據(jù)上式，用試算法確定D1。</p><p>　　試取一個(gè)D1，計(jì)算ρfE ，計(jì)算值與D1處的地層破裂壓力當(dāng)量密度值比較；若計(jì)算值接近且小于地層破裂壓力值，則確定D1為表層套管下深。否則，重新試算。</p><p><b>　　第二節(jié)</b></p>&

25、lt;p><b>　　鉆桿柱設(shè)計(jì)</b></p><p>　　鉆具和鉆塔是鉆進(jìn)（井）設(shè)備中重要的組成部分。鉆具一般是指鉆頭以上，水接頭以下的全部鋼管柱，它由巖心管、異徑接頭、取粉管、扶正器（或擴(kuò)孔器）、鉆鋌、鉆桿和主動(dòng)鉆桿等組成。鉆桿是鉆具組成中的主要成員，多根鉆桿借助接頭或接箍連接成相當(dāng)于孔深長(zhǎng)度的鉆桿柱。鉆塔的主要任務(wù)是升降鉆具和套管。鉆塔的高度應(yīng)與鉆桿立根的長(zhǎng)度相匹配?！?鉆

26、桿柱是連通地面鉆進(jìn)設(shè)備與地下破巖工具的樞紐。鉆桿柱把鉆壓和扭矩傳遞給鉆頭，實(shí)現(xiàn)連續(xù)給進(jìn)；鉆桿柱為清潔孔底和冷卻鉆頭提供輸送沖洗介質(zhì)的通道；鉆桿柱還是更換鉆頭、提取巖心管和進(jìn)行事故打撈的工作載體。同時(shí)，在繩索取心鉆進(jìn)和水力反循環(huán)連續(xù)取心鉆進(jìn)中，鉆桿柱還是提取巖心的通道；用孔底動(dòng)力機(jī)鉆進(jìn)時(shí)，靠鉆桿柱把動(dòng)力機(jī)送至孔底，輸送高壓液體或氣體并承擔(dān)反扭矩。　 隨著鉆井深度的增加，對(duì)鉆桿柱的要求也越來(lái)越高。例如，當(dāng)用ф50鉆桿鉆進(jìn)孔深達(dá)1 000

27、m的鉆孔時(shí)，鉆桿柱是一根細(xì)長(zhǎng)比（直徑與長(zhǎng)度之比）達(dá)1∶20 000的細(xì)長(zhǎng)軸。它在非常惡劣的孔內(nèi)工作條件下承受著復(fù)雜的交變應(yīng)力，因此往往是鉆進(jìn)設(shè)備與工具中最薄弱的環(huán)節(jié)。在日常生產(chǎn)中，鉆桿脫扣、刺漏、折斷是常見的孔內(nèi)事故，并常導(dǎo)致孔內(nèi)情況</p><p>　　為了確保鉆桿質(zhì)量，軋制的鋼管必須經(jīng)正火、回火處理或調(diào)質(zhì)處理。由于鉆桿柱在回轉(zhuǎn)過程中，經(jīng)常與孔壁摩擦，為了強(qiáng)化其表面抗磨能力，必須對(duì)鉆桿表層進(jìn)行高頻淬火。但是為了

28、不影響鉆桿抗疲勞破壞的性能，淬火加硬的表層深度必須控制在1mm以內(nèi)?！?鉆桿連接螺紋是鉆桿柱中最薄弱的部位。為了克服該弱點(diǎn)，常常須把鉆桿端部管壁向外或向內(nèi)鐓厚，成為外加厚或內(nèi)加厚的鉆桿。但是在鐓厚的過程中對(duì)鉆桿會(huì)造成熱損傷，所以鐓厚的鉆桿必須進(jìn)行正火、淬火和高溫回火處理。鉆探管材螺紋是專門設(shè)計(jì)的，并已定為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB3423-82）。一般鉆桿采用螺距4～8mm每邊傾斜5°的梯形螺紋，為了防止應(yīng)力集中，螺紋根部有規(guī)定的圓弧

29、角。螺紋部分承受著交變應(yīng)力，所以它既要有足夠的強(qiáng)度，又要能在經(jīng)常擰卸中耐磨。同時(shí)鉆管中承受著沖洗液流的高壓作用，要求在鉆桿接頭端部有專門的端面密封。</p><p><b>　　鉆桿柱的結(jié)構(gòu)：</b></p><p><b>　　鉆桿柱的工作狀態(tài)：</b></p><p><b>　　鉆柱的受力：</b&g

30、t;</p><p><b>　　第三節(jié)</b></p><p><b>　　套管設(shè)計(jì)</b></p><p>　　? 套管：優(yōu)質(zhì)無(wú)縫鋼管。一端為公扣，直接車在管體上；一端為帶母扣的套管接箍。</p><p>　　? 套管的尺寸系列：</p><p>　　API標(biāo)準(zhǔn)套管：4

31、1/2"，5"，5 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種。</p><p>　　壁厚：5.21～16.13 mm。</p><p>

32、;　　小直徑的套管壁厚小一些，大直徑的套管壁厚大一些。</p><p>　　另外有非標(biāo)準(zhǔn)的鋼級(jí)和壁厚。</p><p><b>　　套管的鋼級(jí)：</b></p><p>　　API標(biāo)準(zhǔn)：H-40，J-55，K-55，C-75，L-80，N-80，C-90，C-95，P-110，Q-125。（數(shù)字×1000為套管的最小屈服強(qiáng)度 kpsi

33、）。</p><p>　　1kpsi=6.8947MPa</p><p>　　其中， H-40，J-55，K-55，C-75，L-80，C-90是抗硫的。</p><p><b>　　連接螺紋的類型</b></p><p>　　API標(biāo)準(zhǔn)：短圓（STC）、長(zhǎng)圓（LTC）、梯形（BTC）、直連型（XL）</p>

34、<p>　　套管柱：由同一內(nèi)徑、不同鋼級(jí)、不同壁厚的套管用接箍連接組成的管柱。特殊情況下也使用無(wú)接箍套管柱。</p><p>　　二、套管柱受力分析及套管強(qiáng)度</p><p>　　套管柱在井內(nèi)所受外載復(fù)雜。在不同時(shí)期（下套管過程中、注水泥時(shí)、后期開采等過程中）套管柱的受力也不同。</p><p>　　在分析和設(shè)計(jì)中主要考慮基本載荷：軸向拉力、外擠壓力及

35、內(nèi)壓力。</p><p>　　套管柱設(shè)計(jì)時(shí)按最危險(xiǎn)情況考慮。</p><p>　　1、軸向拉力及套管的抗拉強(qiáng)度</p><p>　?。?）套管的軸向拉力</p><p>　　自重產(chǎn)生的拉力、彎曲產(chǎn)生的附加拉力、注水泥時(shí)產(chǎn)生的附加力、動(dòng)載、摩阻等。</p><p><b>　?、僮灾匾鸬睦?lt;/b>

36、;</p><p>　　F0=ΣqL×10-3 </p><p>　　qmi----第I種套管在鉆井液中的單位長(zhǎng)度重力，N；</p><p>　　Li----第I種套管的長(zhǎng)度，m；</p><p>　　n----組成套管柱的套管種類（鋼級(jí)、壁厚）。</p><p>　?、谔坠軓澢鸬母郊永?lt;/p&

37、gt;<p><b>　　經(jīng)驗(yàn)公式： kN</b></p><p>　　在為定向井、水平井以及狗腿度嚴(yán)引起的附加拉力。</p><p>　?、圩⑺嘁鸬母郊永?lt;/p><p><b>　　④其它附加拉力</b></p><p>　　上提或下放套管時(shí)的動(dòng)載、井壁摩擦力等。</p

38、><p>　　一般在安全系數(shù)中考慮。</p><p>　?。?）套管的抗拉強(qiáng)度</p><p>　　套管所受軸向拉力一般在井口最大。</p><p>　　由拉應(yīng)力引起的破壞形式：</p><p>　　–本體被拉斷、脫扣。</p><p>　　通常用套管的抗滑扣力表示套管的抗拉強(qiáng)度。</p>

39、;<p>　　2、外擠壓力及套管的抗擠強(qiáng)度</p><p><b>　?。?）外擠壓力</b></p><p>　　主要載荷：管外液柱的壓力、地層中流體的壓力、高塑性巖石（鹽膏層、泥巖層）的側(cè)向擠壓力等。</p><p>　　常規(guī)情況下按套管全淘空時(shí)的管外壓力計(jì)算：</p><p><b>　　k

40、Pa</b></p><p>　　有大段鹽膏層的特殊情況下，有時(shí)將上式中的鉆井液密度替換為上覆巖層壓力的當(dāng)量密度進(jìn)行計(jì)算。</p><p>　　（2）套管的抗擠強(qiáng)度</p><p>　　外擠載荷作用下的破壞形式：</p><p>　　徑厚比較大時(shí)，失穩(wěn)破壞（失圓、擠扁）；</p><p>　　徑厚比較小時(shí)，

41、強(qiáng)度破壞。</p><p>　　根據(jù)現(xiàn)有套管尺寸，絕大部分是失穩(wěn)破壞。其抗擠強(qiáng)度可以在鉆井手冊(cè)或套管手冊(cè)中查到。</p><p>　　（3）雙向應(yīng)力下的套管強(qiáng)度</p><p>　　從套管內(nèi)部取一微小單元，分析可知，在外載作用下產(chǎn)生三個(gè)方向的應(yīng)力σt 、σr 、σz ，對(duì)于薄壁管，σt >>σr , σr 可以忽略。變?yōu)殡p向應(yīng)力問題。</p>

42、<p><b>　　由第四強(qiáng)度理論：</b></p><p>　　σz2 +σt2 -σzσt =σs2 </p><p><b>　　變換為橢圓方程：</b></p><p>　　按拉為正、壓為負(fù)，根據(jù)以上方程可畫出橢圓圖形。</p><p>　　在橢圓圖上， σt/σs 的百分比為

43、縱坐標(biāo)，σz /σs 的百分比為橫坐標(biāo)。</p><p>　　由強(qiáng)度條件的雙向應(yīng)力橢圓可以看出：</p><p>　　第一象限：拉伸與內(nèi)壓聯(lián)合作用，軸向拉力的存在下使套管的抗內(nèi)壓強(qiáng)度增加。</p><p>　　第二象限：軸向壓縮與內(nèi)壓聯(lián)合作用。在軸向受壓條件下套管抗內(nèi)壓強(qiáng)度降低。</p><p>　　第三象限：軸向壓應(yīng)力與外擠壓力聯(lián)合作用。在

44、軸向受壓條件下套管抗外擠強(qiáng)度增加。</p><p>　　第四象限：軸向拉應(yīng)力與外擠壓力聯(lián)合作用。軸向拉力的存在使套管的抗擠強(qiáng)度降低。由于這種情況在套管柱中是經(jīng)常出現(xiàn)的。因此在套管柱設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)考慮軸向拉力對(duì)抗擠強(qiáng)度的影響。 </p><p>　　將σt和σs的表達(dá)式代入雙向應(yīng)力橢圓方程，并進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，即可得到考慮軸向拉力影響時(shí)的抗外擠強(qiáng)度近似公式：</p><p>

45、　　3、內(nèi)壓力及抗內(nèi)壓強(qiáng)度</p><p><b>　?。?）內(nèi)壓力</b></p><p>　　考慮到套管外的平衡壓力，一般情況下，套管在井口所受的內(nèi)壓力最大。計(jì)算時(shí)，考慮三種最危險(xiǎn)的情況。</p><p>　　套管內(nèi)完全充滿天然氣并關(guān)井時(shí)的內(nèi)壓力；以井口裝置的承壓能力作為套管在井口所受的內(nèi)壓力；</p><p>　　

46、以套管鞋處的地層破裂壓力值確定井口內(nèi)壓力：</p><p>　　實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，通常按套管內(nèi)完全充滿天然氣時(shí)進(jìn)行計(jì)算。</p><p>　?。?）套管的抗內(nèi)壓強(qiáng)度</p><p>　　內(nèi)壓載荷下的主要破壞形式：爆裂、絲扣密封失效。</p><p>　　抗內(nèi)壓強(qiáng)度可由鉆井手冊(cè)或套管手冊(cè)查到。</p><p><b>

47、;　　4、套管的腐蝕</b></p><p>　　原因：在地下與腐蝕性流體接觸。</p><p>　　破壞形式：管體有效厚度減少，套管承載力降低；鋼材性質(zhì)變化。</p><p>　　引起套管腐蝕的主要介質(zhì)有：氣體或液體中的硫化氫、溶解氧、二氧化碳。</p><p>　　抗硫套管： API套管系列中的H級(jí)、K級(jí)、J級(jí)、C級(jí)、L級(jí)套管

48、。</p><p><b>　　三、套管柱強(qiáng)度設(shè)計(jì)</b></p><p>　　目的：確定合理的套管鋼級(jí)、壁厚、以及每種套管的井深區(qū)間。</p><p><b>　　1、設(shè)計(jì)原則</b></p><p>　?、贊M足強(qiáng)度要求，在任何危險(xiǎn)截面上都應(yīng)滿足下式：</p><p>　　

49、套管強(qiáng)度＞外載×安全系數(shù)</p><p>　?、趹?yīng)能滿足鉆井作業(yè)、油氣層開發(fā)和產(chǎn)層改造的需要；</p><p>　?、墼诔惺芡廨d時(shí)應(yīng)有一定的儲(chǔ)備能力；</p><p><b>　?、芙?jīng)濟(jì)性要好。</b></p><p><b>　?、莅踩禂?shù)：</b></p><p&g

50、t;　　–抗外擠安全系數(shù) Sc=1.0；</p><p>　　–抗內(nèi)壓安全系數(shù) Si=1.1；</p><p>　　–套管抗拉力強(qiáng)度（抗滑扣）安全系數(shù) St=1.8。</p><p>　　2、常用套管柱設(shè)計(jì)方法</p><p><b>　　（1）等安全系數(shù)法</b></p><p>　　該方法基本

51、的設(shè)計(jì)思路是使各個(gè)危險(xiǎn)截面上的最小安全系數(shù)等于或大于規(guī)定的安全系數(shù)。</p><p>　?。?）邊界載荷法（拉力余量法）</p><p>　　在抗拉設(shè)計(jì)時(shí)，套管柱上下考慮同一個(gè)拉力余量。</p><p>　　另外還有最大載荷法、AMOCO法、西德BEB方法及前蘇聯(lián)的方法等。</p><p>　　3、各層套管柱的設(shè)計(jì)特點(diǎn)</p>

52、<p>　　表層套管：主要考慮內(nèi)壓載荷。</p><p>　　技術(shù)套管：既要有較高的抗內(nèi)壓強(qiáng)度，又要有抗鉆具沖擊磨損的能力。</p><p>　　油層套管：上部抗內(nèi)壓、抗拉，下部抗外擠。</p><p>　　4、套管柱設(shè)計(jì)的等安全系數(shù)法</p><p><b>　　基本設(shè)計(jì)思路</b></p>&

53、lt;p>　　計(jì)算本井可能出現(xiàn)的最大內(nèi)壓力，篩選符合抗內(nèi)壓強(qiáng)度的套管；</p><p>　?、?下部套管段按抗擠設(shè)計(jì)，上部套管段按抗拉設(shè)計(jì)，各危險(xiǎn)斷面上的最小安全系數(shù)要大于或等于規(guī)定安全系數(shù)；</p><p>　　通式： 套管強(qiáng)度＞外載×安全系數(shù)</p><p>　?、?水泥面以上套管強(qiáng)度要考慮雙向應(yīng)力的影響；</p>

54、;<p>　　軸向拉力通常按套管在空氣中的重量計(jì)算；當(dāng)考慮雙向應(yīng)力時(shí)，按浮重計(jì)算。</p><p><b>　　注水泥技術(shù)</b></p><p>　　固井目的：固定套管、有效封隔井內(nèi)的油氣水層。</p><p>　　固井：在已打好的井眼內(nèi)下入套管，并在套管與井壁之間注水泥封固的工作。</p><p>&l

55、t;b>　　一、油井水泥</b></p><p>　　油井水泥是波特蘭水泥（硅酸鹽水泥）的一種。</p><p>　　對(duì)油井水泥的基本要求：</p><p>　　（1）水泥能配成流動(dòng)性良好的水泥漿，且在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，能始終保持這種流動(dòng)性。</p><p>　　（2）水泥漿在井下的溫度及壓力條件下保持性能穩(wěn)定性；</p&

56、gt;<p>　?。?）水泥漿應(yīng)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)凝固并達(dá)到一定的強(qiáng)度；</p><p>　?。?）水泥漿應(yīng)能和外加劑相配合，可調(diào)節(jié)各種性能；</p><p>　　（5）形成的水泥石應(yīng)有很低的滲透性能等。</p><p>　　1、油井水泥的主要成分</p><p>　?。?）硅酸三鈣3CaO·SiO2。（簡(jiǎn)稱C3S）<

57、;/p><p>　　水泥的主要成份，一般的含量為40％～65％。對(duì)水泥的強(qiáng)度，尤其是早期強(qiáng)度有較大的影響。高早期強(qiáng)度水泥中含量可達(dá)60％～65％，緩凝水泥中含量在40％～45％。</p><p>　?。?）硅酸二鈣2CaO·SiO2（簡(jiǎn)稱C2S），</p><p>　　含量一般在24％～30％之間；水化反應(yīng)緩慢，強(qiáng)度增長(zhǎng)慢；對(duì)水泥的最終強(qiáng)度有影響。</p

58、><p>　?。?）鋁酸三鈣3CaO·Al2O3（簡(jiǎn)稱C3A）</p><p><b>　　促進(jìn)水泥快速水化；</b></p><p>　　其含量是決定水泥初凝和稠化時(shí)間的主要因素；</p><p>　　對(duì)水泥漿的流變性及早期強(qiáng)度有較大影響；</p><p><b>　　對(duì)硫酸鹽極

59、為敏感；</b></p><p>　　對(duì)于有較高早期強(qiáng)度的水泥，其含量可達(dá)15％。</p><p>　?。?）鐵鋁酸四鈣4CaO·Al2O3·Fe2O3（簡(jiǎn)稱C4AF），</p><p>　　對(duì)強(qiáng)度影響較小，水化速度僅次于C3A，早期強(qiáng)度增長(zhǎng)較快，含量為8％～12％。</p><p>　　除了以上四種主要成份之

60、外，還有石膏、堿金屬的氧化物等。</p><p><b>　　2、水泥的水化</b></p><p>　　水泥與水混合成水泥漿后，與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成各種水化產(chǎn)物。逐漸由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，使水泥硬化和凝結(jié)，形成水泥石。</p><p>　　（1）水泥的水化反應(yīng)</p><p>　　水泥的主要成分與水發(fā)生的水化反應(yīng)為：<

61、;/p><p>　　3CaO· SiO2＋2H2O </p><p>　　2CaO· SiO2· H2O十Ca(OH)2</p><p>　　2CaO· SiO2＋H2O </p><p>　　2 CaO· SiO2· H2O</p><p>　　3

62、CaO· Al2O3＋6H2O 3CaO· Al2O3· 6H2O</p><p>　　4CaO·Al2O3＋Fe2O3＋6H2O </p><p>　　3CaO·Al2O3·6H2O＋CaO·Fe2O3·H2O</p><p>　　除此之外還發(fā)生其他二次反應(yīng)，生成物中有大

63、量的硅酸鹽水化產(chǎn)物及氫氧化鈣等。在反應(yīng)的過程中，各種水化產(chǎn)物均逐漸凝聚，使水泥硬化。</p><p><b>　　水泥凝結(jié)與硬化</b></p><p>　　溶膠期：水泥與水混合成膠體液，開始發(fā)生水化反應(yīng)，水化產(chǎn)物的濃度開始增加，達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)部分水化物以膠態(tài)或微晶體析出，形成膠溶體系。此時(shí)水泥漿仍有流動(dòng)性。</p><p>　　凝結(jié)期：水化反

64、應(yīng)由水泥顆粒表面向內(nèi)部深入，溶膠粒子及微晶體大量增加，晶體開始互相連接，逐漸絮凝成凝膠體系。水泥漿變綢，直到失去流動(dòng)性。</p><p>　　硬化期：水化物形成晶體狀態(tài)，互相緊密連接成一個(gè)整體，強(qiáng)度增加，硬化成為水泥石。</p><p><b>　　水泥石組成</b></p><p>　　①無(wú)定性物質(zhì)（水泥膠），它具有晶體的結(jié)構(gòu)，顆粒尺寸大體在

65、0．lmm左右，互相連接成一個(gè)整體。</p><p>　?、跉溲趸}晶體，是水化反應(yīng)的產(chǎn)物。</p><p>　?、畚此乃囝w粒。</p><p><b>　　3、油井水泥的分類</b></p><p>　?。?）API水泥的分類</p><p>　　A級(jí)：深度范圍 0～1828.8 m，溫度

66、76.7℃。</p><p>　　B級(jí)：深度范圍 0～1828.8 m，屬中熱水泥，溫度至 76.7℃，有中抗硫和高抗硫兩種。</p><p>　　C級(jí)：深度范圍0～1828.8 m，溫度至 76.7℃，高早期強(qiáng)度水泥，分普通、中抗硫及高抗硫三種。</p><p>　　D級(jí)：深度范圍1828.8～3050 m，溫度76～127℃，用于中溫、中壓條件，分為中抗硫及高抗

67、硫兩種。</p><p>　　E級(jí)：深度范圍 3050～4270 m，溫度76～143℃，用于高溫、高壓條件，分為中抗硫及高抗硫兩種。</p><p>　　F級(jí)：深度范圍為 3050～4880 m，溫度 110～160℃，用于超高溫和超高壓條件，分為中抗硫及高抗硫兩種。</p><p>　　G級(jí)及H級(jí)：深度范圍為 0～2440 m，溫度0～93℃，分為中抗硫及高抗硫

68、兩種。</p><p>　　J級(jí)：深度范圍為 3660～4880 m，溫度49～160。 </p><p>　　（2）國(guó)產(chǎn)以溫度系列為標(biāo)準(zhǔn)的油井水泥</p><p>　　二、水泥漿性能與固井工程的關(guān)系</p><p><b>　　1、水泥漿性能</b></p><p><b>　?、偎?/p>

69、漿密度</b></p><p>　　?干水泥密度 3.05～3.20 g／cm3，</p><p>　　?水泥完全水化需要的水為水泥重量的20％左右；</p><p>　　?使水泥漿能流動(dòng)加水量應(yīng)達(dá)到水泥重量的45％～50％；</p><p>　　?水泥漿密度1.80～ 1.90 g／cm3之間。</p><p

70、>　　?水灰比：水與干水泥重量之比。</p><p><b>　?、谒酀{的稠化時(shí)間</b></p><p>　　?水泥漿從配制開始到其稠度達(dá)到其規(guī)定值所用的時(shí)間。</p><p>　　?API標(biāo)準(zhǔn)：從開始混拌到水泥漿調(diào)度達(dá)到 100 BC（水泥稠度單位）所用的時(shí)間。</p><p>　　?API標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定在初始的

71、 15～30 min時(shí)間內(nèi)，稠化值應(yīng)當(dāng)小于 30 BC。好的稠化情況是在現(xiàn)場(chǎng)總的施工時(shí)間內(nèi)，水泥漿的稠度在50 BC以內(nèi)。</p><p><b>　　③水泥漿的失水</b></p><p>　　一般用30分鐘的失水量表示。</p><p>　?、芩酀{的凝結(jié)時(shí)間從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的時(shí)間。</p><p>　　?對(duì)于封固

72、表層及技術(shù)套管，希望水泥能有早期較高的強(qiáng)度。以便于盡快開始下一道工序。通常希望固完井候凝 8 左右，水泥漿開始凝結(jié)成水泥石，其抗壓強(qiáng)度可達(dá)2.3MPa以上即可開始下一次開鉆。</p><p><b>　　⑤水泥石強(qiáng)度</b></p><p>　　?能支撐和加強(qiáng)套管。</p><p>　　?能承受鉆柱的沖擊載荷。</p><p

73、>　　?能承受酸化、壓裂等增產(chǎn)措施作業(yè)的壓力。</p><p><b>　　⑥水泥石的抗蝕性</b></p><p>　　?C3A3%，C4AF+2C3A 24%</p><p>　　?加入礦渣、石英砂等提高抗硫能力。</p><p><b>　　2、水泥的外加劑</b></p>

74、<p>　　（1）加重劑：重晶石、赤鐵粉等?？墒顾酀{密度達(dá)到 2.3 g／cm3。</p><p>　?。?）減輕劑：硅藻土、粘土粉、瀝青粉、玻璃微珠、火山灰等?？墒顾酀{的密度降到l· 45 g／m3。</p><p>　?。?）緩凝劑：丹寧酸鈉、酒石酸、硼酸、鐵鉻木質(zhì)素磺酸鹽、羧甲基羥乙基纖維素等。</p><p>　?。?）促凝劑：氯化

75、鈣、硅酸鈉、氯化鉀等。</p><p>　?。?）減阻劑：—奈磺酸甲醛的縮合物、鐵鉻木質(zhì)素磺酸鹽、木質(zhì)素磺化鈉等。</p><p>　?。?）降失水劑：羧甲基羥乙基纖維素、丙烯酸胺、粘土等。</p><p>　?。?）防漏失劑：瀝青粒、纖維材料等。</p><p><b>　　3、特種水泥</b></p>

76、<p>　?。?）觸變性水泥：當(dāng)水泥漿靜止時(shí)，形成膠凝狀態(tài)，但在流動(dòng)時(shí)，膠凝狀態(tài)被破壞，它的流動(dòng)性是良好的。</p><p>　　（2）膨脹水泥：水泥漿凝固時(shí)，體積略有膨脹。一般用于高壓氣井。</p><p>　?。?）防凍水泥：用于地表溫度較低地區(qū)的表層套管固井。</p><p><b>　?。?）抗鹽水泥</b></p>

77、;<p><b>　?。?）抗高溫水泥</b></p><p><b>　?。?）輕質(zhì)水泥</b></p><p><b>　　三、前置液</b></p><p>　　將水泥漿與鉆井液隔開，起到隔離、緩沖、清洗的作用，可提高固井質(zhì)量。</p><p>　　1、沖洗

78、液：低粘度、低剪切速率、低密度。用于有效沖洗井壁及套管壁，清洗殘存的鉆井液及泥餅。</p><p>　　2、隔離液：有效隔開鉆井液與水泥漿，以便形成平面推進(jìn)型的頂替效果。通常為粘稠液體。</p><p>　　四、提高注水泥質(zhì)量的措施</p><p>　　1、對(duì)注水泥質(zhì)量的基本要求</p><p>　?。╨）對(duì)固井質(zhì)量的基本要求</p&g

79、t;<p>　　–水泥漿返高和水泥塞高度必須符合設(shè)計(jì)要求；</p><p>　　–注水泥井段環(huán)空內(nèi)的鉆井液頂替干凈；</p><p>　　–水泥石與套管及井壁巖石膠結(jié)良好；</p><p>　　–水泥凝固后管外不冒油、氣、水，不互竄；</p><p>　　–水泥石能經(jīng)受油、氣、水長(zhǎng)期的侵蝕。</p><p&g

80、t;　　（2）在固井中常出現(xiàn)的固井質(zhì)量問題</p><p>　　–井口有冒油、氣、水的現(xiàn)象。</p><p>　　–不能有效地封隔各種層位，開采時(shí)各種壓力互竄。</p><p>　　–因固結(jié)質(zhì)量不良在生產(chǎn)中引起套管變形，使井報(bào)廢等。</p><p>　　2、影響注水泥質(zhì)量的因素</p><p>　?。?）頂替效率低，產(chǎn)

81、生竄槽。</p><p><b>　　注水泥段：</b></p><p><b>　　注水泥段任一截面：</b></p><p>　　竄槽：由于水泥漿不能將環(huán)空中的鉆井液完全替走，而使環(huán)形空間局部出現(xiàn)未被水泥漿封固住的這種現(xiàn)象。</p><p><b>　　形成竄槽的原因：</b&g

82、t;</p><p><b>　　a.套管不居中；</b></p><p><b>　　b.井眼不規(guī)則；</b></p><p>　　c.水泥漿性能及頂替措施不當(dāng)。</p><p>　　接觸時(shí)間、頂替速度及流態(tài)、水泥漿流變性等。</p><p>　?。?）水泥漿凝結(jié)過程中油氣

83、水上竄</p><p>　　引起油氣水上竄的原因：</p><p>　?、偎酀{失重：水泥漿柱在凝結(jié)過程中對(duì)其下部或地層所作用的壓力逐漸減小的現(xiàn)象。</p><p>　?、跇蚨乱鹗е?，從而引起油氣水上竄；</p><p>　?、鬯酀{凝結(jié)后體積收縮；收縮率小于0.2%。</p><p>　　④套管內(nèi)原來(lái)有壓力，放壓后

84、使套管收縮。</p><p>　?、菽囡灥拇嬖?，影響地層——水泥間（第二界面）的膠結(jié)。</p><p>　　3、提高注水泥質(zhì)量的措施</p><p>　?。?）提高頂替效率，防止竄槽；</p><p>　?、俨捎锰坠芊稣?，改善套管居中條件；</p><p>　?、谧⑺噙^程中活動(dòng)套管，增大水泥漿流動(dòng)的牽引力</

85、p><p>　?、壅{(diào)整水泥漿性能，使其容易頂替鉆井液；</p><p>　?、茏⑺噙^程中使水泥漿在環(huán)空的流動(dòng)形成紊流或塞流，有利于水泥漿的頂替；</p><p>　　⑤在注水泥前，打入一定量的隔離液或清洗液，增加二者的密度差，形成有利的“漂浮”。 </p><p>　?。?）防止油氣水上竄</p><p>　　①采用多級(jí)

86、注水泥或兩種凝速（上慢下快）的水泥；</p><p>　?、谧⑼晁嗪蠹皶r(shí)使套管內(nèi)卸壓，并在環(huán)空加回壓；</p><p>　?、凼褂门蛎浶运?，防止水泥收縮；</p><p>　　用刮泥器，清除井壁泥餅。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1 ]劉希圣 鉆井工藝原

87、理 北京；石油工業(yè)出版社 1988</p><p>　　[2 ]武漢地質(zhì)學(xué)院 鉆探工藝學(xué) 北京：地質(zhì)出版社 1980 </p><p>　　[3 ]徐小荷 余靜 巖石破碎學(xué) 北京；煤炭工業(yè)出版社 1984</p><p>　　[4 ]史立涅爾 巖石力學(xué)的物理基礎(chǔ) 北京：石油工業(yè)出版社 1957</p><p>　　[5 ]沈忠厚 油井設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

88、和計(jì)算 北京：石油工業(yè)出版社 1988</p><p>　　[6 ]王瑞和 鉆井工藝技術(shù)基礎(chǔ) 東營(yíng)：石油大學(xué)出版社 1995</p><p><b>　　結(jié) 論</b></p><p>　　通過對(duì)一口井的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)，可以更好地對(duì)井的井身結(jié)構(gòu)進(jìn)一步的深入了解和分析，從而更好地掌握地層各種復(fù)雜情況。</p><p>　　

89、在通過井的調(diào)整設(shè)計(jì)更好地設(shè)計(jì)井身結(jié)構(gòu),并為此做出合理的調(diào)整方案,了解地層壓力做出預(yù)測(cè).</p><p>　　采用有效合理設(shè)計(jì)方案，并結(jié)合當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況設(shè)計(jì)出適應(yīng)于當(dāng)?shù)氐你@具組合、選用合理的鉆頭及合理的鉆井參數(shù)。</p><p>　　采用全掏空設(shè)計(jì)，視情況決定固井設(shè)計(jì),即：套管柱強(qiáng)度的設(shè)計(jì)、固井參數(shù)的設(shè)計(jì)。</p><p>　　通過對(duì)一口井的設(shè)計(jì)為更好地掌握一口井開施