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1、 本章需要本章需要8 8学时学时一、套管的分类作用一、套管的分类作用二、井身结构设计的原则二、井身结构设计的原则三、井身结构设计的基础数据三、井身结构设计的基础数据四、裸眼井段应满足的力学平衡条件四、裸眼井段应满足的力学平衡条件五、井身结构设计方法五、井身结构设计方法六、设计举例六、设计举例七、套管尺寸与钻头尺寸的选择七、套管尺寸与钻头尺寸的选择 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。一、套管的分类作用一、套管的分类作用1、表层套管、表层套管主要用途：封隔地表浅水层及浅部疏松和复杂地层；安装井口、悬挂和支撑后续各层套管。下深位置：根据钻井的目的层深度和
2、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）、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）、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）、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。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二、井身结构设计的原则1、有效地保护油气层；2
3、、有效避免漏、喷、塌、卡等井下复杂事故的发生，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：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
4、/cm3 井涌允量Sk；：0.05 0.08 g/cm3 压差允值 p；PN:1518 MPa ，PA：2123 MPa四、裸眼井段应满足的力学平衡条件四、裸眼井段应满足的力学平衡条件（1）dmaxpmax+Sb 防井涌防井涌（2）(dmax-pmin)Dpmin0.00981P 防压差卡钻防压差卡钻（3）dmax+Sg+Sf fmin 防井漏防井漏（4 4）dmax+Sf+Sk Dpmax/Dc1fc1 防关井井漏防关井井漏其中：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，
5、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、井身结构设计方法五、井身结构设计方法1、求中间套管下入深度的假定点、求中间套管下入深度的假定点（1）不考虑发生井涌）不考虑发生井涌 由 f=pmax+Sb+Sg+Sf dmax 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）考虑可能发生井涌 由 f=pmax+Sb+Sf+Sk Dp
6、max/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、验证中间套管下到深度D21是否有被卡的危险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
7、 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。bpDppperSNmin00981.0min3、求钻井尾管下入深度的假定点、求钻井尾管下入深度的假定点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、校核尾管下入到D
8、31是否有被卡的危险是否有被卡的危险 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。kDDfbfpperSSS23125、计算表层套管下入深度、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，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，重新试取D1进行试算。kDDfbpfESSS122五、设计举例五、设计举例 某井设计井深为 4400 m，地层孔隙压力梯度和地层
9、破裂压力梯度剖面如图7-2。给定设计系数：Sb=0.036；Sg=0.04；Sk=0.06；Sf=0.03；PN=12 MPa；PA=18 MPa，试进行该井的井身结构设计。解：解：由图上查得，pmax=2.04 gcm3，Dpmax=4250 m（1）确定中间套管下深初选点）确定中间套管下深初选点D21 由：f=pmax+Sb+Sf+Sk Dpmax/D21 试取D21=3400m并代入上式得：f=2.04+0.036+0.03+0.06 4250/3400=2.181 g/cm3由破裂压力曲线上查得f3400=2.19 g/cm3，f PN=12MPa，故中间套管下深应浅于初选点。由：bp
10、DppperSNmin00981.0min3305000981.012/435.1036.007.1cmgpper在地层压力曲线上查得对应pper=1.435的深度为3200m。最后确定中间套管下深为D2=3200m。（3）确定尾管下入深度初选点）确定尾管下入深度初选点D31由破裂压力曲线上查得：f3200=2.15g/cm3；由：试取D31=3900m，代入上式算得：pper=2.011g/cm3；由地层压力曲线查得p3900=1.94 pper=2.011 g/cm3，且相差不大，故确定初选点D31=3900m。（4）校核是否会卡尾管）校核是否会卡尾管计算压差：P=（1.94+0.036-
11、1.435）32000.00981=16.98 MPa因为P PA，故确定尾管下深为D3=D31=3900m。06.003.0036.015.23200231231DkDDfbfpperSSS（5）确定表层套管下深）确定表层套管下深D1由试取D1=850m，代入上式计算得：fE=1.737 g/cm3。由破裂压力曲线查得f850=1.74 g/cm3，fE r r,r r 可以忽略。变为双向应力问题。由第四强度理论：z z2 2 +t t2 2 -z zt t=s s2 2 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。1222stzstsz 在椭圆图上，t t/s s 的百分
12、比为纵坐标，z z/s 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：由强度条件的双向应力椭圆可以看出：l第一象限：第一象限：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。l第二象限：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。l第三象限：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。l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。考虑轴向拉力影响时的抗外挤强度公式推导：考虑轴向拉力影响时
13、的抗外挤强度公式推导：由双向应力椭圆方程，当z z=0=0时：时：t t2 2 =s s2 2根据上式，则有：将t t和s 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：smFFcccpp74.003.1tdptccc2tdpscc23、内压力及抗内压强度、内压力及抗内压强度（1）内压力）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。l套管内完全充满天然气并关井时的内压力；l以井口装置的承压能力作为套管在井口所受的内压力；l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
14、完全充满天然气时进行计算。GDgasiepp4101155.1)(ffiGGDp（2）套管的抗内压强度）套管的抗内压强度l内压载荷下的主要破坏形式：爆裂、丝扣密封失效。l抗内压强度可由钻井手册或套管手册查到。4、套管的腐蚀、套管的腐蚀l原因：原因：在地下与腐蚀性流体接触。l破坏形式：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。l引起套管腐蚀的主要介质主要介质有：气体或液体中的硫化氢、溶解氧、二氧化碳。l抗硫套管：抗硫套管：API套管系列中的H级、K级、J级、C级、L级套管。三、套管柱强度设计三、套管柱强度设计 目的：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
15、原则、设计原则l满足强度要求，在任何危险截面上都应满足下式：套管强度外载套管强度外载安全系数安全系数l应能满足钻井作业、油气层开发和产层改造的需要；l在承受外载时应有一定的储备能力；l经济性要好。l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、常用套管柱设计方法（1）等安全系数法）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）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
16、、西德BEB方法及前苏联的方法等。3、各层套管柱的设计特点、各层套管柱的设计特点l表层套管：表层套管：主要考虑内压载荷。l技术套管：技术套管：既要有较高的抗内压强度，又要有抗钻具冲击磨损的能力。l油层套管：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、套管柱设计的等安全系数法（1）基本设计思路）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：通式：套管强度外载套管强度外载安全系数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。（2）设计步骤）设计步骤例题：某井177.8mm（7英寸）油层套管下至3500m，下套管时的钻井液密度为1.30g/cm3，水泥返至2800m，预计井内最大内压力35MPa，试设计该套管柱（规定最小段长500m）。解：规定的安全系数：Sc=1.0，Si=1.1，St=1.8。计算最大内压力，筛选符合抗内压要求的套管，计算最大内压力，筛选符合抗内压要求的套
