一口油井設(shè)計(jì)論文

1、 . . . 克拉瑪依職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文（一口井的設(shè)計(jì)）系部： 石油工程系專業(yè)： 鉆井工程 ： 王 星 學(xué)號(hào)： 08050059設(shè)計(jì)題目：一口井的設(shè)計(jì)起訖日期： 2013年3月1日2013年5月31日設(shè)計(jì)地點(diǎn)： 克拉瑪依職業(yè)技術(shù)學(xué)院 指導(dǎo)老師： 鵬摘 要一口井的設(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(guò)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。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)

2、的基礎(chǔ)，在設(shè)計(jì)套管柱是應(yīng)當(dāng)根據(jù)套管的最危險(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： 套管強(qiáng)度外載安全系數(shù)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(guò)程中就顯得更加重要。關(guān)鍵詞：井身結(jié)構(gòu);鉆具;鉆機(jī);套管;固井第一章第一節(jié) 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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，以與套管和井眼尺寸的配合。依據(jù)：地層壓力和地層破裂壓力剖面一、 套管的分類各類型作用1、表層套管主要用途：（1）封隔地表淺水層與淺部疏松和復(fù)雜地層；（2）安裝

3、井口、懸掛和支撐后續(xù)各層套管。下深位置：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。2、生產(chǎn)套管（油層套管）主要用途：用以保護(hù)生產(chǎn)層，提供油氣生產(chǎn)通道。 下深位置：由目的層位置與完井方式而定。3、中間套管（技術(shù)套管） 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。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。4、尾管（襯管）是在已下入一層技術(shù)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：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。 一般深井和超深井。二、井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則1、有效地保護(hù)油氣層；2

4、、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)；3、鉆下部地層采用重鉆井液時(shí)產(chǎn)生的井壓力，不致壓裂上層套管鞋處最薄弱的裸露地層；4、下套管過(guò)程中，井鉆井液液柱壓力和地層壓力間的壓差不致于壓差卡套管；5、當(dāng)實(shí)際地層壓力超過(guò)預(yù)測(cè)值而發(fā)生井涌時(shí)，在一定壓力圍，具有壓井處理溢流的能力。三、井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)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。6個(gè)設(shè)計(jì)系數(shù)：抽吸壓力系數(shù)Sb；0.024 0.048 g/cm3 激動(dòng)壓力系數(shù)Sg；0.024 0.048 g/cm3 壓裂安全系數(shù)Sf； 0.03 0.06 g/cm3 井涌允量Sk；： 0.05 0.08

5、 g/cm3 壓差允值Dp；DPN: 1518 MPa ， DPA：2123 MPa四、裸眼井段應(yīng)滿足的力學(xué)平衡條件1、dmaxpmax+ Sb （防井涌）2、(dmax-pmin)Dpmin0.00981P （ 防壓差卡鉆）3、dmax + Sg + Sf fmin （防井漏)4、dmax+ Sf + SkDpmax/ Dc1fc1 （防關(guān)井井漏)其中：dmax-裸眼井段使用的最大鉆井液密度，g/cm3；pmax-裸眼井段鉆遇的最層壓力的當(dāng)量泥漿密度，g/cm3；Dpmax-最層孔隙壓力所處的井深，m；pmin-裸眼井段鉆遇的最小地層壓力的當(dāng)量泥漿密度，g/cm3；Dpmin-最小地層孔隙壓

6、力所處的最大井深，m；fmin-裸眼井段最小地層破裂壓力的當(dāng)量泥漿密度，g/cm3；Dc1-套管下入深度，m；fc1-套管鞋處地層破裂壓力的當(dāng)量泥漿密度， g/cm3；五、井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法1、求中間套管下入深度的假定點(diǎn)（1）不考慮發(fā)生井涌由f =pmax+ Sb + Sg + Sfdmax計(jì)算出f ，在破裂壓力曲線上查出f 所在的井深D21 ，即為中間套管下深假定點(diǎn)。（2）考慮可能發(fā)生井涌由f =pmax+Sb+ Sf + SkDpmax/ D21用試算法求 D21；先試取一個(gè)D21，計(jì)算f ；將計(jì)算出的f 與D21處查得的f 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

7、中間套管假定點(diǎn)。否則，重新進(jìn)行試算。 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。2、驗(yàn)證中間套管下到深度D21是否有被卡的危險(xiǎn)首先求出裸眼中可能存在的最大靜壓差：P=(pmax1+Sb -pmin)Dmin0.00981pmax1-鉆進(jìn)至D21遇到的最層壓力當(dāng)量密度，g/cm3。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。）l 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。求在壓差PN 下所允許的最層壓力：在地層壓力曲線上找出pper所在的深度即為中間套管下深D2。3、求鉆井尾管下入深度的假定

8、點(diǎn)D31根據(jù)中間套管鞋處的地層破裂壓力當(dāng)量密度f(wàn)2 ，求出繼續(xù)向下鉆進(jìn)時(shí)裸眼井段所允許的最層壓力當(dāng)量密度：用試算法求D31。試取一個(gè)D31，計(jì)算出pper ，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，則確定為尾管下深假定點(diǎn)；否則，另取D31進(jìn)行試算 。4、校核尾管下入到D31是否有被卡的危險(xiǎn)校核方法與中間套管的校核方法一樣。只是將壓差允值PN 變?yōu)镻A 。5、計(jì)算表層套管下入深度D1根據(jù)中間套管鞋處的地層壓力當(dāng)量密度p2 ，計(jì)算出若鉆進(jìn)到深度D2發(fā)生井涌關(guān)井時(shí)，表層套管鞋D1處所承受的井壓力的當(dāng)量密度：根據(jù)上式，用試算法確定D1。 試取一個(gè)D1，計(jì)算fE ，計(jì)

9、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。第二節(jié)鉆桿柱設(shè)計(jì)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

10、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50鉆桿鉆進(jìn)孔深達(dá)1 000m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)120 000的細(xì)長(zhǎng)軸。它在非常惡劣的孔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、折斷是常見的孔事故，并常導(dǎo)致孔情況進(jìn)一步復(fù)雜化。因此研究鉆桿柱在孔的工作條件與工藝要求，合理地設(shè)計(jì)和使用鉆桿柱，對(duì)于預(yù)防惡

11、性事故，實(shí)現(xiàn)快速優(yōu)質(zhì)鉆進(jìn)具有重要的意義。 二、鉆桿柱的材質(zhì)常規(guī)的鉆桿是由不同成分的合金無(wú)縫鋼管制成，現(xiàn)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的規(guī)定，用作鉆桿柱的鋼管力學(xué)性能如表2-1所列，鉆桿的鋼級(jí)越高，其屈服強(qiáng)度越大。 表2-1 鉆桿鋼管的力學(xué)性能(不小于表中數(shù)據(jù))表鋼 級(jí)屈服點(diǎn)s(MPa)抗拉強(qiáng)度p(MPa)伸長(zhǎng)率s(%)DZ40DZ50DZ55DZ60DZ65DZ75400500550600650750650700750780800850141212121210 為了確保鉆桿質(zhì)量，軋制的鋼管必須經(jīng)正

12、火、回火處理或調(diào)質(zhì)處理。由于鉆桿柱在回轉(zhuǎn)過(guò)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。 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鐓厚，成為外加厚或加厚的鉆桿。但是在鐓厚的過(guò)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48mm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)

13、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。鉆桿柱的結(jié)構(gòu)：1. 主動(dòng)鉆桿 主動(dòng)鉆桿（又稱機(jī)上鉆桿）位于鉆桿柱的最上部，由鉆機(jī)立軸或動(dòng)力頭的卡盤夾持，或由轉(zhuǎn)盤非圓形卡套帶動(dòng)回轉(zhuǎn)，向其下端連接的孔鉆桿傳遞回轉(zhuǎn)力矩和軸向力。主動(dòng)鉆桿上端連接水籠頭，以便向孔輸送沖洗液。主動(dòng)鉆桿的斷面尺寸大，便于卡盤夾持回轉(zhuǎn)，不易彎曲，其斷面形狀有圓形、兩方、四方、六方和雙鍵槽形。主動(dòng)鉆桿的長(zhǎng)度應(yīng)比鉆桿的定尺長(zhǎng)度與回轉(zhuǎn)器通孔長(zhǎng)度之和略長(zhǎng)一些，常用的長(zhǎng)度是4.5m或6m。2. 鉆鋌 在大口徑鉆進(jìn)中常會(huì)用到鉆鋌。鉆鋌直徑大于鉆桿，位于鉆桿柱的最下部。其主要特點(diǎn)是壁厚大（相當(dāng)于鉆桿壁

14、厚的46倍），具有較大的質(zhì)量、強(qiáng)度和剛度。鉆鋌的主要作用是： 給鉆頭施加鉆壓； 保證復(fù)雜應(yīng)力條件下的必要強(qiáng)度； 減輕鉆頭的振動(dòng)，使其工作定； 控制孔斜。圖2-1 鉆桿柱的連接方式1-絲鉆桿; 2-外絲鉆桿; 3-公鎖接頭;4-母鎖接頭; 5-接箍 3. 鉆桿柱的連接方式（圖2-1）3.1 絲鉆桿 用接頭連接的絲鉆桿兩端壁車有扁梯形螺紋。我國(guó)金剛石巖心鉆進(jìn)（非繩索取心）均采用絲鉆桿，這是金剛石鉆進(jìn)的特點(diǎn)所決定的。因?yàn)榻饎偸@進(jìn)孔徑小、轉(zhuǎn)速高，必須使鉆桿外徑和孔壁之間的環(huán)狀間隙很小。因此要求整個(gè)鉆桿柱的外表面基本是平滑一致的，從而決定了其只能用絲鉆桿連接方式。3.2 外絲鉆桿 用接箍連接的外絲鉆桿

15、兩端管壁有、外加厚，并車有帶錐度的三角螺紋。接箍外徑較鉆桿大，可減少鉆桿磨損和其在孔的彎曲程度，但卻占用了較大的鉆桿外環(huán)狀間隙。在合金和鉆粒鉆進(jìn)中，基本是采用外絲鉆桿。3.3 用焊接接頭連接 這種鉆桿的兩端與鉆桿接頭之間用焊接的方法連接起來(lái)，接頭之間再用螺紋。在水井、地?zé)峋@進(jìn)中常采用烘裝焊接連接方式的鉆桿，在金剛石繩索取心鉆進(jìn)中則采用對(duì)焊連接的鉆桿。 為減少升降工序中擰卸鉆桿的次數(shù)與時(shí)間，由24根鉆桿連接成立根，一次升降一個(gè)立根，在鉆孔過(guò)程中不再卸開。為便于擰卸，立根之間用兩個(gè)一組的公母鎖接頭連接（圖2-1），其外徑與接箍一樣。為了升降鉆具擰卸與掛提引器方便，公母鎖接頭上均開有方切口。公母鎖

16、接頭上的連接螺紋錐度大、螺距大，自動(dòng)對(duì)中好，擰卸省力又省時(shí)。 常用的普通鉆桿與其連接件的規(guī)格如表2-2所列，用于大口徑工程施工的鉆桿可查閱原石油部的規(guī)，而金剛石巖心鉆探用的鉆桿規(guī)格可查閱GB3423-82。 目前國(guó)外已推廣鋁合金鉆桿，國(guó)也在試制。使用鋁合金鉆桿可以減小鉆桿柱的質(zhì)量，減少回轉(zhuǎn)和提升鉆桿柱所消耗的功率，所以在同樣的條件下可以增大鉆機(jī)的可鉆深度，提高轉(zhuǎn)速，同時(shí)可以減少升降鉆桿柱的時(shí)間。 表2-2 普通鉆桿與其連接的主要規(guī)格YB235-70 加厚方式 鉆 桿 接 箍 鎖 接 頭外徑徑長(zhǎng)度(m)每米質(zhì)量(kg/m)附加量(kg/根)外徑長(zhǎng)度質(zhì)量(kg/個(gè)外徑徑切口寬公鎖接頭長(zhǎng)母鎖接頭長(zhǎng)連

17、接后全長(zhǎng)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 除單獨(dú)說(shuō)明者外，單位均為mm。鉆桿柱的工作狀態(tài)：鉆桿柱在孔的工況隨鉆進(jìn)方法、鉆進(jìn)工序的不同而異。鉆桿柱主要是在起下鉆和鉆進(jìn)這兩種條

18、件下工作。 在起下鉆時(shí)，鉆桿柱不接觸孔底，整個(gè)鉆桿柱處于懸持狀態(tài)，在自重作用下，鉆桿柱處于受拉伸的穩(wěn)定狀態(tài)。圖2-2 鉆桿在孔的波形彎曲在正常鉆進(jìn)時(shí)，由于鉆桿柱自身的偏心和由于自重失穩(wěn)而產(chǎn)生的某些彎曲，造成鉆桿柱有一定的質(zhì)量偏離回轉(zhuǎn)中心。這些偏心質(zhì)量在回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中則產(chǎn)生離心力，更促使鉆桿柱彎曲。與此同時(shí)，鉆桿柱給孔底工作的鉆頭傳送所需鉆壓主要依賴于鉆桿柱自身的質(zhì)量，多余的部分由鉆機(jī)提拉而減壓；如果壓力不足，則需靠鉆機(jī)補(bǔ)充（即所謂加壓鉆進(jìn)）。因此，鉆桿柱上還有由自重、鉆機(jī)給進(jìn)力與摩擦力合成的縱向壓力。在離心力、縱向壓力和扭矩的聯(lián)合作用下，鉆桿柱軸線一般呈變節(jié)距的空間螺旋彎曲曲線形狀。彎曲程度取決于

19、這三種力作用的大小。由于鉆桿柱愈往下，所受重力愈大，因此，彎曲的鉆桿柱軸線在孔底螺距最小，往上逐漸加大。如圖2-2所示。 我們把鉆桿柱中心線和鉆孔的軸線相交兩點(diǎn)間的一段縱向長(zhǎng)度稱為半波長(zhǎng)，以l表示。根據(jù)薩爾基索夫的理論推導(dǎo)，距零斷面（零斷面的概念見本節(jié)后續(xù)容）距離為Z處的半波長(zhǎng)可按式（2-1）計(jì)算。 (m) (2-1)式中： q-鉆桿柱在沖洗液中單位長(zhǎng)度的質(zhì)量，kg/m； -鉆桿柱轉(zhuǎn)速，r/min；Z-所求斷面距零斷面的距離，在零斷面以下壓縮部分取負(fù)號(hào)，反之取正號(hào)，m；J-鉆桿柱橫斷面的軸慣性矩，cm4。 薩爾基索夫公式的前提條件是理想的鉆桿柱在孔壁完整的鉆孔中以鉆孔軸線為中心作公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并呈

20、平面彎曲，該公式僅表示了鉆桿柱在孔彎曲的基本狀態(tài)。 螺旋彎曲的鉆桿柱在孔是怎樣旋轉(zhuǎn)的呢?這是一個(gè)極為復(fù)雜的問(wèn)題。鉆桿柱在孔的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)可能有三種形式。 （1）鉆桿柱圍繞自身彎曲軸線旋轉(zhuǎn)（自轉(zhuǎn)）。鉆桿柱自轉(zhuǎn)時(shí)在整個(gè)圓周上與孔壁接觸，產(chǎn)生均勻的磨損，但受到交變彎曲應(yīng)力的作用。 （2）鉆桿柱圍繞鉆孔軸線旋轉(zhuǎn)并沿著孔壁滑動(dòng)（公轉(zhuǎn)）。鉆桿柱公轉(zhuǎn)時(shí)不受交變彎曲應(yīng)力的作用，但產(chǎn)生一邊偏磨。 （3）鉆桿柱圍繞鉆孔軸線旋轉(zhuǎn)，但不是沿著孔壁滑動(dòng)而是沿著孔壁反向滾動(dòng)（公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)的結(jié)合），鉆桿柱同時(shí)圍繞自身軸線和鉆孔軸線旋轉(zhuǎn)。其磨損均勻，也受到交變彎曲應(yīng)力的作用，但循環(huán)次數(shù)比第一種形式低得多。 從理論上講，如果鉆桿柱的

21、剛度各方向是均勻一致的，那么鉆桿柱以何種形式旋轉(zhuǎn)就取決于外界阻力的大小，按照常規(guī)是以消耗能量最小的形式轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)鉆桿柱自轉(zhuǎn)時(shí)，旋轉(zhuǎn)經(jīng)過(guò)的行程比其他運(yùn)動(dòng)形式都小，克服泥漿阻力與孔壁摩擦力所消耗的能量也較小。因此，一般認(rèn)為呈半波彎曲的鉆桿柱的主要形式是自轉(zhuǎn)，但也可能產(chǎn)生兩種形式的結(jié)合，即有時(shí)以自轉(zhuǎn)為主+公轉(zhuǎn)，有時(shí)以公轉(zhuǎn)為主+自轉(zhuǎn)。鉆柱的受力： 在鉆進(jìn)過(guò)程中，鉆桿柱承受著各種載荷的作用。1. 軸向壓力和拉力 當(dāng)鉆孔達(dá)到一定深度時(shí)，孔鉆桿柱的重力已超過(guò)了鉆頭所能承受的鉆壓值，則必須減壓鉆進(jìn)。即上部鉆桿柱受拉，其中孔口處拉力最大，向下逐漸減小；下部鉆桿柱受壓，孔底壓力最大（圖2-3）。在某一深處軸向力等于

22、零，稱之為零斷面或中和點(diǎn)。在施工中我們應(yīng)該設(shè)計(jì)使中和點(diǎn)落在剛度大、抗彎能力強(qiáng)的鉆鋌上，保證上部的鉆桿處于受拉伸的穩(wěn)定狀態(tài)。即使在小口徑的條件下不可能使用鉆鋌，也應(yīng)避免落在強(qiáng)度和剛度較弱的舊鉆桿上，以免加劇其受壓彎曲，在自轉(zhuǎn)中造成疲勞破壞。 圖2-3 軸向力分布示意圖 2. 扭矩 鉆進(jìn)中鉆桿柱受到扭矩的作用，在鉆桿柱各個(gè)截面上都產(chǎn)生剪應(yīng)力。 鉆桿柱在孔口處承受的扭矩最大，在孔底最小。3. 彎矩與離心力 已經(jīng)彎曲的鉆桿柱在軸向力的作用下，將受到彎矩的作用，如繞自身軸旋轉(zhuǎn)則會(huì)產(chǎn)生交變的彎曲應(yīng)力。如鉆桿柱公轉(zhuǎn)，則產(chǎn)生離心力。離心力又將加劇鉆桿柱的彎曲變形。4. 縱振、扭振與擺振 孔底跳躍式的破碎巖石（

23、尤其是沖擊鉆進(jìn)、牙輪鉆進(jìn)或鉆進(jìn)破碎巖石的條件下）會(huì)引起鉆桿柱的縱向振動(dòng)，在中和點(diǎn)附近產(chǎn)生交變的軸向應(yīng)力。當(dāng)產(chǎn)生共振時(shí)，鉆桿柱容易疲勞破壞。當(dāng)孔底巖石對(duì)鉆頭的回轉(zhuǎn)阻力不斷變化時(shí)，會(huì)引起鉆桿柱的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，從而產(chǎn)生交變的剪應(yīng)力。在某一臨界轉(zhuǎn)速下，鉆桿柱會(huì)出現(xiàn)擺振，其結(jié)果是迫使鉆桿柱公轉(zhuǎn)，引起鉆桿柱嚴(yán)重的偏磨。 由以上分析不難看出，鉆桿柱受力嚴(yán)重部位是下部、孔口處和零斷面附近。第三節(jié)套管設(shè)計(jì)l 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。l 套管的尺寸系列：API標(biāo)準(zhǔn)套管：4 1/2，5，5 1/2，6 5/8，7，75/8，8 5/8，9 5/8，10 3/4，11 3/

24、4，13 3/8，16，18 5/8，20；共14種。壁厚：5.2116.13 mm。小直徑的套管壁厚小一些，大直徑的套管壁厚大一些。另外有非標(biāo)準(zhǔn)的鋼級(jí)和壁厚。套管的鋼級(jí)：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）。1kpsi=6.8947MPa其中， H-40，J-55，K-55，C-75，L-80，C-90是抗硫的。連接螺紋的類型API標(biāo)準(zhǔn)：短圓（STC）、長(zhǎng)圓（LTC）、梯形（BTC）、直連型（XL）套管柱：由同一徑、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

25、況下也使用無(wú)接箍套管柱。二、套管柱受力分析與套管強(qiáng)度套管柱在井所受外載復(fù)雜。在不同時(shí)期（下套管過(guò)程中、注水泥時(shí)、后期開采等過(guò)程中）套管柱的受力也不同。在分析和設(shè)計(jì)中主要考慮基本載荷：軸向拉力、外擠壓力與壓力。套管柱設(shè)計(jì)時(shí)按最危險(xiǎn)情況考慮。1、軸向拉力與套管的抗拉強(qiáng)度（1）套管的軸向拉力自重產(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。自重引起的拉力 F0=qL10-3qmi-第I種套管在鉆井液中的單位長(zhǎng)度重力，N；Li-第I種套管的長(zhǎng)度，m；n-組成套管柱的套管種類（鋼級(jí)、壁厚）。套管彎曲引起的附加拉力經(jīng)驗(yàn)公式： kN在為定向井、水平井以與狗腿度嚴(yán)引起的附加拉力。注水泥引

26、起的附加拉力其它附加拉力上提或下放套管時(shí)的動(dòng)載、井壁摩擦力等。一般在安全系數(shù)中考慮。（2）套管的抗拉強(qiáng)度套管所受軸向拉力一般在井口最大。由拉應(yīng)力引起的破壞形式：本體被拉斷、脫扣。通常用套管的抗滑扣力表示套管的抗拉強(qiáng)度。2、外擠壓力與套管的抗擠強(qiáng)度（1）外擠壓力 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。常規(guī)情況下按套管全淘空時(shí)的管外壓力計(jì)算：kPa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。（2）套管的抗擠強(qiáng)度外擠載荷作用下的破壞形式：徑厚比較大時(shí)，失穩(wěn)破壞（失圓、擠扁）；徑厚比較小時(shí)，強(qiáng)度破壞。根據(jù)現(xiàn)有

27、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。（3）雙向應(yīng)力下的套管強(qiáng)度從套管部取一微小單元，分析可知，在外載作用下產(chǎn)生三個(gè)方向的應(yīng)力t 、r 、z ，對(duì)于薄壁管，t r , r 可以忽略。變?yōu)殡p向應(yīng)力問(wèn)題。由第四強(qiáng)度理論：z2+t2-zt =s2變換為橢圓方程：按拉為正、壓為負(fù)，根據(jù)以上方程可畫出橢圓圖形。在橢圓圖上， t/s 的百分比為縱坐標(biāo)，z /s 的百分比為橫坐標(biāo)。由強(qiáng)度條件的雙向應(yīng)力橢圓可以看出：第一象限：拉伸與壓聯(lián)合作用，軸向拉力的存在下使套管的抗壓強(qiáng)度增加。第二象限：軸向壓縮與壓聯(lián)合作用。在軸向受壓條件下套管抗壓強(qiáng)度降低。第三象限：軸向壓應(yīng)力與外擠壓力

28、聯(lián)合作用。在軸向受壓條件下套管抗外擠強(qiáng)度增加。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。將t和s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：3、壓力與抗壓強(qiáng)度（1）壓力 考慮到套管外的平衡壓力，一般情況下，套管在井口所受的壓力最大。計(jì)算時(shí)，考慮三種最危險(xiǎn)的情況。套管完全充滿天然氣并關(guān)井時(shí)的壓力；以井口裝置的承壓能力作為套管在井口所受的壓力；以套管鞋處的地層破裂壓力值確定井口壓力：實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，通常按套管完全充滿天然氣時(shí)進(jìn)行計(jì)算

29、。（2）套管的抗壓強(qiáng)度壓載荷下的主要破壞形式：爆裂、絲扣密封失效?？箟簭?qiáng)度可由鉆井手冊(cè)或套管手冊(cè)查到。4、套管的腐蝕原因：在地下與腐蝕性流體接觸。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。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?？沽蛱坠埽?API套管系列中的H級(jí)、K級(jí)、J級(jí)、C級(jí)、L級(jí)套管。三、套管柱強(qiáng)度設(shè)計(jì) 目的：確定合理的套管鋼級(jí)、壁厚、以與每種套管的井深區(qū)間。1、設(shè)計(jì)原則滿足強(qiáng)度要求，在任何危險(xiǎn)截面上都應(yīng)滿足下式：套管強(qiáng)度外載安全系數(shù)應(yīng)能滿足鉆井作業(yè)、油氣層開發(fā)和產(chǎn)層改造的需要；在承受外載時(shí)應(yīng)有一定的儲(chǔ)備能力；經(jīng)濟(jì)性要好。安全系數(shù)：抗外擠安全系數(shù)

30、 Sc=1.0；抗壓安全系數(shù) Si=1.1；套管抗拉力強(qiáng)度（抗滑扣）安全系數(shù) St=1.8。2、常用套管柱設(shè)計(jì)方法（1）等安全系數(shù)法 該方法基本的設(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)。（2）邊界載荷法（拉力余量法）在抗拉設(shè)計(jì)時(shí)，套管柱上下考慮同一個(gè)拉力余量。 另外還有最大載荷法、AMOCO法、西德BEB方法與前聯(lián)的方法等。3、各層套管柱的設(shè)計(jì)特點(diǎn)表層套管：主要考慮壓載荷。技術(shù)套管：既要有較高的抗壓強(qiáng)度，又要有抗鉆具沖擊磨損的能力。油層套管：上部抗壓、抗拉，下部抗外擠。4、套管柱設(shè)計(jì)的等安全系數(shù)法（1） 基本設(shè)計(jì)思路 計(jì)算本井可能出現(xiàn)的最大壓力，篩選符合抗壓強(qiáng)度的套管

31、； 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)； 通式： 套管強(qiáng)度外載安全系數(shù) 水泥面以上套管強(qiáng)度要考慮雙向應(yīng)力的影響； 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。第四節(jié) 注水泥技術(shù)固井目的：固定套管、有效封隔井的油氣水層。固井：在已打好的井眼下入套管，并在套管與井壁之間注水泥封固的工作。一、油井水泥油井水泥是波特蘭水泥（硅酸鹽水泥）的一種。對(duì)油井水泥的基本要求：（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，能始終保持這種流動(dòng)性。（2）水泥漿在井下的溫度與壓力條件下保持性能穩(wěn)定性；（3）水泥漿應(yīng)在規(guī)定的時(shí)間凝固

32、并達(dá)到一定的強(qiáng)度；（4）水泥漿應(yīng)能和外加劑相配合，可調(diào)節(jié)各種性能；（5）形成的水泥石應(yīng)有很低的滲透性能等。1、油井水泥的主要成分（1）硅酸三鈣3CaOSiO2。（簡(jiǎn)稱C3S）水泥的主要成份，一般的含量為4065。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)6065，緩凝水泥中含量在4045。（2）硅酸二鈣2CaOSiO2（簡(jiǎn)稱C2S），含量一般在2430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。（3）鋁酸三鈣3CaOAl2O3（簡(jiǎn)稱C3A）促進(jìn)水泥快速水化；其含量是決定水泥初凝和稠化時(shí)間的主要因素；對(duì)水泥漿的流變性與早期強(qiáng)度有較大影響；對(duì)硫酸鹽極為敏感；對(duì)于

33、有較高早期強(qiáng)度的水泥，其含量可達(dá)15。（4）鐵鋁酸四鈣4CaOAl2O3Fe2O3（簡(jiǎn)稱C4AF），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812。 除了以上四種主要成份之外，還有石膏、堿金屬的氧化物等。2、水泥的水化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。（1）水泥的水化反應(yīng)水泥的主要成分與水發(fā)生的水化反應(yīng)為：3CaO SiO22H2O 2CaO SiO2 H2O十Ca(OH)22CaO SiO2H2O 2 CaO SiO2 H2O3CaO Al2O36H2O 3CaO Al2O3 6H2O4CaOA

34、l2O3Fe2O36H2O 3CaOAl2O36H2OCaOFe2O3H2O除此之外還發(fā)生其他二次反應(yīng)，生成物中有大量的硅酸鹽水化產(chǎn)物與氫氧化鈣等。在反應(yīng)的過(guò)程中，各種水化產(chǎn)物均逐漸凝聚，使水泥硬化。（2） 水泥凝結(jié)與硬化溶膠期：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。凝結(jié)期：水化反應(yīng)由水泥顆粒表面向部深入，溶膠粒子與微晶體大量增加，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。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。（3） 水泥石組

35、成無(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0lmm左右，互相連接成一個(gè)整體。氫氧化鈣晶體，是水化反應(yīng)的產(chǎn)物。未水化的水泥顆粒。3、油井水泥的分類（1）API水泥的分類A級(jí)：深度圍 01828.8 m，溫度76.7。 B級(jí)：深度圍 01828.8 m，屬中熱水泥，溫度至 76.7，有中抗硫和高抗硫兩種。 C級(jí)：深度圍01828.8 m，溫度至 76.7，高早期強(qiáng)度水泥，分普通、中抗硫與高抗硫三種。D級(jí)：深度圍1828.83050 m，溫度76127，用于中溫、中壓條件，分為中抗硫與高抗硫兩種。E級(jí)：深度圍 30504270 m，溫度76143，用于高溫、高壓條件，分為中抗硫與高抗硫

36、兩種。F級(jí)：深度圍為 30504880 m，溫度 110160，用于超高溫和超高壓條件，分為中抗硫與高抗硫兩種。G級(jí)與H級(jí)：深度圍為 02440 m，溫度093，分為中抗硫與高抗硫兩種。J級(jí)：深度圍為 36604880 m，溫度49160。 （2）國(guó)產(chǎn)以溫度系列為標(biāo)準(zhǔn)的油井水泥二、水泥漿性能與固井工程的關(guān)系1、水泥漿性能水泥漿密度l干水泥密度 3.053.20 gcm3，l水泥完全水化需要的水為水泥重量的20左右；l使水泥漿能流動(dòng)加水量應(yīng)達(dá)到水泥重量的4550；l水泥漿密度1.80 1.90 gcm3之間。l水灰比：水與干水泥重量之比。水泥漿的稠化時(shí)間l水泥漿從配制開始到其稠度達(dá)到其規(guī)定值所用

37、的時(shí)間。lAPI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。lAPI標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定在初始的 1530 min時(shí)間，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，水泥漿的稠度在50 BC以。水泥漿的失水 一般用30分鐘的失水量表示。水泥漿的凝結(jié)時(shí)間從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的時(shí)間。l對(duì)于封固表層與技術(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。水泥石強(qiáng)度l能支撐和加強(qiáng)套管。l能承受鉆柱的沖擊載荷。l能承受酸化、壓裂等增產(chǎn)措施作業(yè)的壓力。水泥石的抗

38、蝕性lC3A3%，C4AF+2C3A 24%l加入礦渣、石英砂等提高抗硫能力。2、水泥的外加劑（1）加重劑：重晶石、赤鐵粉等?？墒顾酀{密度達(dá)到 2.3 gcm3。（2）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 gm3。（3）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。（4）促凝劑：氯化鈣、硅酸鈉、氯化鉀等。（5）減阻劑：b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。（6）降失水劑：羧甲基羥乙基纖維素、丙烯酸胺、粘土等。（7）防漏失劑：瀝青粒、纖維材料等。3、特種水泥（1）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。（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。（3）防凍水泥：用于地表溫度較低地區(qū)的表層套管固井。（4）抗鹽水泥（5）抗高溫水泥（6）輕質(zhì)水泥三、前置液