鉆井與完井7固井new

鉆井與完井7固井new第一頁，共180頁。第七章固井第二頁，共180頁。

概述第一節(jié)套管及套管柱強度設計第二節(jié)油井水泥第三節(jié)影響注水泥質(zhì)量的因素第三頁，共180頁。1、固井工程的概念為了加固井壁，保證繼續(xù)鉆進，封隔油、氣和水層，保證勘探期間的分層試油及在整個開采中合理的油氣生產(chǎn)，為此下入優(yōu)質(zhì)鋼管，并在井筒與鋼管環(huán)空充填好水泥的作業(yè)，稱為固井工程。向井內(nèi)下入套管，并向井眼和套管之間的環(huán)形空間注入水泥的施工作業(yè)稱之為固井。包括下套管和注水泥。

第四頁，共180頁。2、工藝介紹下套管注水泥候凝檢測評價第五頁，共180頁。3、固井工程的步驟下套管套管由接箍和本體組成。套管柱由單根套管+浮箍+引鞋

圖7-1單根套管示意圖1——接箍2——套管本體第六頁，共180頁。3、固井工程步驟注水泥下完套管之后，把水泥漿泵入套管內(nèi)，再用鉆井液把水泥漿頂替到管外環(huán)形空間設計位置的作業(yè)稱之為注水泥。水泥頭：安裝在套管柱的最上端，內(nèi)裝有上、下膠塞。下膠塞的作用是與隔離液（一種專門配制的液體，用以隔離鉆井液與水泥漿）一道，將水泥漿與鉆井液隔離開，防止鉆井液接觸水泥漿后影響水泥漿的性能。下膠塞為中空，頂部有一層橡膠膜，該膜在壓力作用下可壓破上膠塞為實心，其作用是隔離頂替用的鉆井液與水泥漿；破膜：下膠塞坐落在浮箍上后，在壓力作用下破膜第七頁，共180頁。3、固井工程步驟碰壓：當其坐落在已坐于浮箍上的下膠塞上之后，地面壓力將很快上升一定值（稱為碰壓），該信號說明水泥漿已頂替到位，施工結(jié)束。侯凝：注入井內(nèi)的水泥漿要凝固并達到一定強度后才能進行后續(xù)的鉆井施工或是其它施工，因此，注水泥施工結(jié)束后，要等待水泥漿在井內(nèi)凝固，該過程稱為候凝；候凝時間通常為24小時或48小時，也有72小時或幾小時的，候凝時間的長短視水泥漿凝固及強度增長的快慢而定。候凝期滿后。測井進行固井質(zhì)量檢測和評價第八頁，共180頁。（a）（b）（c）（d）（e）圖7-2注水泥工藝流程示意圖（a）循環(huán)鉆井液（b）注隔離液和水泥漿（c）替漿（d）替漿（e）碰壓1——壓力表2——上膠塞3——下膠塞4——鉆井液5——浮箍6——引鞋7——水泥漿8——隔離液9——鉆井液第九頁，共180頁。第十頁，共180頁。第十一頁，共180頁。4、固井目的封隔易塌、易漏等復雜地層，保證鉆井順利進行封隔油氣水層，建立油氣流出通道，防止產(chǎn)層間互竄進行增產(chǎn)措施安裝井口第十二頁，共180頁。5、固井內(nèi)容套管與下套管水泥與注水泥第十三頁，共180頁。6、對固井質(zhì)量的要求套管有足夠的強度 能承受井下各種外力作用，抗腐蝕、不斷、不裂、不變形水泥環(huán)有可靠的密封 環(huán)空封固段不竄、不漏、膠結(jié)良好，能經(jīng)受高壓擠注的考驗第十四頁，共180頁。7、固井工程的特殊性(1)是一次性工程,如果質(zhì)量不好,一般情況下難以補救;(2)是隱蔽性工程,主要流程在井下,施工時不能直接觀察,質(zhì)量控制往往決定于設計的準確性和準備工作的好壞,受多種因素的綜合影響;(3)影響后續(xù)工程的進行;(4)是一項花錢多的工程;(5)施工時間短,工序內(nèi)容多,作業(yè)量大,是技術強的工程.第十五頁，共180頁。第十六頁，共180頁。套管柱的主要功能

抗擠抗拉抗內(nèi)壓密封對套管的要求圓度壁厚均勻性抗腐蝕最小的流動阻力良好的上扣性能及重復互換性能耐磨（硬度指標）第十七頁，共180頁。套管柱的組成 由不同強度的套管段組成原因：套管受到各種類型外力作用，須具有一定強度。外載大小、類型不同，所需的強度要求也不同，須有一系列不同尺寸、不同強度的套管,即套管系列。第十八頁，共180頁。套管柱的類型

表層套管 技術套管（中間套管） 生產(chǎn)套管（油層套管） 尾管（技術尾管、生產(chǎn)尾管） 回接套管第十九頁，共180頁。1、靜載 特點：長期作用、聯(lián)合作用在套管上。

類型：

軸向拉力徑向外擠壓力徑向內(nèi)壓力彎曲附加拉力溫差應力第二十頁，共180頁。2、動載 特點：瞬時地、單一地作用在套管上。 產(chǎn)生原因：起下鉆時速度變化產(chǎn)生的動載阻、卡套管時提拉動載摩擦動載碰壓動載密度差產(chǎn)生的附加拉力第二十一頁，共180頁。軸向力：自重、浮力外擠壓力:管外液體對套管產(chǎn)生的壓力內(nèi)壓力：管內(nèi)液體對套管產(chǎn)生的壓力作用在套管上的主要載荷應是：第二十二頁，共180頁。1.外擠壓力管外鉆井液液柱壓力:（水泥不返到井口時，上部套管外為鉆井液。該段套管稱為自由套管）水泥漿液柱壓力地層中流體壓力易流動巖層的側(cè)壓力等第二十三頁，共180頁。1.外擠壓力有效外壓力：

式中

Poe——有效外壓力；

Po——外壓力；

Pib——支撐內(nèi)壓力。第二十四頁，共180頁。1.徑向外擠壓力有效外壓力：表層套管：井漏造成全掏空技術套管：井漏發(fā)生，但不可能造成發(fā)生全漏空的情況，因此技術套管的下部還有支撐內(nèi)壓力作用油層套管：一般在采油后期產(chǎn)層壓力降得很低的時候產(chǎn)生最大有效外壓力（開發(fā)后期可能抽油或氣舉采油），因為這時套管內(nèi)的內(nèi)壓力會降得很低。若近似認為內(nèi)壓力為零，則其受載情況與表層套管類似，即為全掏空。第二十五頁，共180頁。1.外擠壓力（1）外壓力在水泥面（環(huán)空內(nèi)水泥的頂面）以上應按鉆井液液柱壓力計算對于水泥封固段，當發(fā)生上述最大有效外壓力時，管外環(huán)空中的水泥已經(jīng)凝固，水泥環(huán)（水泥漿在環(huán)空內(nèi)凝固后的環(huán)狀水泥石稱為水泥環(huán)）應有助于套管承受外壓力，但難于準確計算，因此從安全角度考慮現(xiàn)場上一般將水泥面以下水泥環(huán)段的外壓力也按鉆井液液柱壓力計算。第二十六頁，共180頁。1.外擠壓力（2）支撐內(nèi)壓力對于表層套管、油層套管這種可能全掏空的情況，支撐內(nèi)壓力為零。對于技術套管非全掏空的情況，在漏失面以上（即井深小于漏失面深度的套管段），支撐內(nèi)壓力為零，在漏失面以下（即井深大于漏失面深度的套管段）作用有管內(nèi)鉆井液液柱壓力。因此，要計算支撐內(nèi)壓力，首先要知道漏失面的深度。第二十七頁，共180頁。1.徑向外擠壓力（2）支撐內(nèi)壓力漏失面深度確定：假設下一次鉆進鉆至下一層套管的下入深度Hn（下一井段的目的井深）時發(fā)生井漏，并假設漏失層的孔隙壓力為地層鹽水柱壓力，根據(jù)壓力平衡關系可得漏失面深度為：（n：下次鉆井時所用的最高鉆井液密度）鉆井液鹽水HnHLn鉆井液套管第二十八頁，共180頁。1.外擠壓力（2）支撐內(nèi)壓力對于技術套管非全掏空的情況，支撐內(nèi)壓力的計算式為:Hb——套管下入深度，m（0≤H≤HL）

（HL＜H≤HB）

第二十九頁，共180頁。1.外擠壓力（3）有效外壓力對于表層套管、油層套管這種可能全掏空的情況，需要按全掏空考慮的技術套管，有效外壓力為:對于技術套管非全掏空的情況，有效外壓力為:（0≤H≤HL）

（HL＜H≤HB）

鉆井液鉆井液mHnHLn鉆井液套管HB第三十頁，共180頁。（a）全掏空（b）非全掏空圖7-3有效外擠壓力對比示意圖1——外壓力2——支撐內(nèi)壓力3——有效外壓力第三十一頁，共180頁。全掏空與非全掏空兩種不同的情況下，套管柱所受的有效外壓力不一樣。對于全掏空情況，有效外壓力是井底最大，井口最?。榱悖?；對于非全掏空情況，有效外壓力是中間大，井口和井底小。顯然，這種不同的外載情況會使套管柱設計的結(jié)果不同。第三十二頁，共180頁。2.內(nèi)壓力套管柱所受的內(nèi)壓力主要來自于鉆井液、地層流體（油、氣、水）壓力以及特殊作業(yè)（如壓井、酸化壓裂、擠水泥等）時所施加的壓力。與外擠壓力類似，對內(nèi)壓力也是分析計算危險工況時的有效內(nèi)壓力。有效內(nèi)壓力為：

Pie

＝

Pi

－

Pob

對于表層套管和技術套管，如果在下一井段鉆進過程中發(fā)生井涌而進行壓井時，套管柱所受的有效內(nèi)壓力最大。而對于油層套管，油井和氣井的情況不一樣，要根據(jù)采油、采氣工藝情況考慮相關的危險工況。

第三十三頁，共180頁。徑向內(nèi)壓力：

(1)管內(nèi)流體壓力

(2)井涌關井時，管內(nèi)的內(nèi)壓力

(3)壓裂作業(yè)等增產(chǎn)措施時的壓力第三十四頁，共180頁。2.內(nèi)壓力 有效內(nèi)壓力：（1）內(nèi)壓力計算對于表層套管和技術套管，當在下一井段鉆進過程中發(fā)生井涌而進行壓井時，套管的內(nèi)壓力為井口內(nèi)壓力與管內(nèi)流體（鉆井液與涌入流體——氣、水、油或混合物）的液柱壓力之和。即：Ps：井口內(nèi)壓力n：下次鉆井時所用的最高鉆井液密度Pie:有效內(nèi)壓力，MPaPi：內(nèi)壓力，MPaPob：支撐外壓力,MPa第三十五頁，共180頁。2.內(nèi)壓力（1）內(nèi)壓力確定井口內(nèi)壓力PS的三種方法是：1）井口防噴裝置（防噴器及壓井管線等）許用最高壓力。2）套管鞋處附近地層破裂壓力所決定的許用井口壓力。n：下次鉆井時所用的最高鉆井液密度3）下部高壓油氣噴出時可能出現(xiàn)的井口內(nèi)壓力。套管HB鉆井液密度為n的鉆井液第三十六頁，共180頁。內(nèi)壓力計算（續(xù)）對于油層套管，分油井與氣井采用不同的計算方法。對于油井，認為采油初期，產(chǎn)層壓力較高，井口有內(nèi)壓力作用于套管，套管的內(nèi)壓力為井口內(nèi)壓力與原油的液柱壓力之和（式中括號項即為關井井口內(nèi)壓力）HBH適合：油層套管、油井第三十七頁，共180頁。2.內(nèi)壓力（1）內(nèi)壓力計算對于氣井的生產(chǎn)套管，井口也有內(nèi)壓力作用于套管。當考慮氣體自重及其壓縮性后，套管內(nèi)任意深度處的內(nèi)壓力為（式中令井深H為零即得井口內(nèi)壓力）第三十八頁，共180頁。2.內(nèi)壓力（2）支撐外壓力在無水泥段，因鉆井液降解及固相沉降，其液柱壓力可能降低對水泥封固段，可能水泥環(huán)并不完整，地層壓力可能作用于管柱上，按鹽水柱計算支撐外壓力可能比實際外壓力偏小，但可使有效內(nèi)壓力偏大而使管柱趨于安全。所以，在支撐外壓力計算中一般無論是水泥面以上還是水泥面以下均按地層鹽水柱壓力計算，即：第三十九頁，共180頁。2.內(nèi)壓力（3）有效內(nèi)壓力由上所述，可得套管柱有效內(nèi)壓力的計算方法：對于表層套管和技術套管：對于油層套管油井：氣井：第四十頁，共180頁。

有效內(nèi)壓力對比示意圖1——內(nèi)壓力2——支撐外壓力3——有效內(nèi)壓力ρswρnρswρoρsw曲線表層或技術套管油井油層套管氣井油層套管注意圖中，支撐外壓和內(nèi)壓曲線的斜率變化。對于表層套管或技術套管，有效內(nèi)壓力是井口最小，井底最大；對于油層套管，有效內(nèi)壓力是井口最大，井底最小?？梢?，不同類型的井、不同類型的套管，所受外載是不一樣的。

現(xiàn)場有時還采用直接用井口壓力Ps作為整個套管柱有效內(nèi)壓力的方法（即假設從井口到井底有效內(nèi)壓力均為Ps）。從圖可見，對于油層套管，采用這種方法顯然是安全的，不過可能有點不經(jīng)濟，但可使內(nèi)壓力計算更簡捷第四十一頁，共180頁。3.軸向拉力一般情況下，套管柱在入井過程中（即下套管過程中）承受的拉力最大。這時，除了套管柱的自重外，還有上提下放時的動載、上提時彎曲井段處的阻力、或者是遇卡上提時多提的拉力等附加拉力。在計算時，一般只計算套管的自重，將動載、遇卡上提多提的拉力等附加拉力用設計安全系數(shù)考慮，或以其它方式考慮。套管柱一般是由幾段套管組成。在計算套管自重所產(chǎn)生的軸向拉力時，通常需要計算的是各段套管頂、底端的軸向拉力。顯然，某段套管頂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頂端的拉力。第四十二頁，共180頁。軸向拉力：自重浮力W第四十三頁，共180頁。3.軸向拉力軸向拉力計算方法：當不考慮鉆井液的浮力時，計算的是套管在空氣中的重量；當考慮鉆井液的浮力時，計算的是套管在鉆井液中的重量，常簡稱為浮重。一般可用臺階法和浮力系數(shù)法計算其中第四十四頁，共180頁。用臺階力法計算： 考慮浮力是集中作用在套管界面變化的位置！浮力的大?。?/p>

Tf=Ph*A軸向力為：HT浮力系數(shù)法臺階力法第四十五頁，共180頁。很顯然，套管柱自重所產(chǎn)生的軸向拉力的分布規(guī)律是井底最小（為零），往上逐漸增大，井口拉力最大

圖7-5套管軸向拉力沿井深分布示意圖

1-不考慮浮力2-考慮浮力第四十六頁，共180頁。4.彎曲附加拉力

如果井眼存在較大的井斜變化或狗腿時，由于套管彎曲效應的影響將增大套管的拉力負荷，特別是在靠近絲扣嚙合處易形成裂縫損壞，由于API套管的連接強度沒有考慮彎曲應力，所以設計時應從套管的連接強度中考慮彎曲效應的影響。Z(+)

Z(-)maxK:井眼曲率，rad/mE：彈性模量,PaA：套管截面積,m2Tba:彎曲附加拉力,N第四十七頁，共180頁。對所用套管系列的統(tǒng)一規(guī)定，叫套管規(guī)范。規(guī)定了套管生產(chǎn)的尺寸、鋼級、壁厚、連接方式等；目前一般使用的美國API套管規(guī)范。其規(guī)定的有關性能主要有：套管尺寸、套管壁厚、螺紋類型與套管鋼級二、套管強度第四十八頁，共180頁。1、套管基本參數(shù)

套管的基本參數(shù)為套管尺寸、套管壁厚（或單位長度名義重量）、螺紋類型與套管鋼級。（1）套管尺寸（又叫名義外徑或公稱直徑）：本體外徑

4-1/2”,5”,51/2”,65/8”,7”,7-5/8”,8-5/8”,

9-5/8”,10-3/4”,11-3/4”,16”,28-5/8”,20”,30”....

套管尺寸的選擇 與鉆頭尺寸相配合！

------井身結(jié)構(gòu)設計第四十九頁，共180頁。

目前國內(nèi)外所生產(chǎn)的套管尺寸及鉆頭及尺寸已標準系列化。套管與其相應井眼的尺寸配合基本確定或在較小范圍內(nèi)變化。第五十頁，共180頁。1、套管基本參數(shù)（2）套管壁厚與套管單位長度名義重量套管壁厚指的是套管本體處套管壁的厚度，套管壁厚有時又稱為套管名義壁厚。套管壁厚也已標準系列化

套管單位長度名義重量又稱為套管公稱重量，指的是包括接箍在內(nèi)的、套管單位長度上的平均重量

套管壁厚、套管單位長度名義重量二者是直接相關的第五十一頁，共180頁。1、套管基本參數(shù)（3）螺紋類型

套管螺紋及螺紋連接是套管質(zhì)量的關鍵所在，與套管的強度和密封性能密切相關。API標準的螺紋類型有4種：短圓螺紋（英文縮寫STC）長圓螺紋（英文縮寫LTC）梯形螺紋（英文縮寫B(tài)TC）直連型螺紋（英文縮寫XL，用于無接箍套管）第五十二頁，共180頁。

（a）（b）（c）圖7-6API螺紋連接示意圖（a）圓螺紋連接（b）梯形螺紋連接（c）直連型螺紋連接第五十三頁，共180頁。（4）套管鋼級API鋼級有10種：H,J,K,N,C,L,P,Q,X.

非標準的鋼級，也較廣泛使用，如NKK,S,SS,V等。

API規(guī)定鋼級代號后面的數(shù)字乘以1000PSi(6894.8Pa)即為該鋼材的最小屈服強度。 如: N-80---->80*1000Psi

但也有個別例外: S-80----->55Kpsi SS-95---->80Kpsi套管鋼材的抗硫能力：有抗硫能力的套管鋼級

H-40,J-55,K-55,X-52,C-75,L-80,C-90第五十四頁，共180頁。采用非API標準有兩種情況：一是套管的尺寸、鋼級與壁厚按照API規(guī)范，只是在螺紋連接上采用非API標準的特殊螺紋連接型式，這主要是為了解決螺紋連接的高密封要求問題；二是套管的尺寸、壁厚與螺紋連接型式按照API規(guī)范，但使用特殊的套管鋼級，這是為了解決套管腐蝕和高應力問題。

第五十五頁，共180頁。2、套管強度（1）套管強度

外載可分為三種，即作用在管柱外壁上的外擠壓力、作用在管柱內(nèi)壁上的內(nèi)壓力和作用在管柱內(nèi)方向與管柱軸線平行的軸向拉力。套管所具有的抵抗外載的能力稱為套管強度套管所能承受的最大外擠壓力稱為套管的抗擠強度套管所能承受的最大內(nèi)壓力稱為套管的抗內(nèi)壓強度套管所能承受的最大軸向拉力稱為套管的抗拉強度。因為在軸向拉力的作用下，套管的破壞一般是發(fā)生在套管本體與接箍的螺紋連接處，因此套管的抗拉強度又常稱為連接強度或接頭拉伸強度。第五十六頁，共180頁。套管強度系列：套管外徑1外徑2…...鋼級…...壁厚…...扣型…...強度…...強度系列第五十七頁，共180頁。2、套管強度（4）軸向拉力作用下套管的抗擠強度API所公布的套管強度數(shù)據(jù)是套管受相應的單一外載作用時的強度，如抗擠強度是套管僅受外擠壓力作用時套管所能承受的最大外擠壓力值；套管柱在井下一般是處于復合外載作用狀態(tài)（兩種及兩種以上外載同時作用狀態(tài)）。在復合外載作用下，套管的強度要發(fā)生變化，有時套管的強度增加，有時套管的強度降低。

套管強度怎么變化？？第五十八頁，共180頁。

在外壓力與軸向力或內(nèi)壓力與軸向力作用下，管柱內(nèi)的應力狀態(tài)為三向應力狀態(tài)，三個主應力分別為軸向應力、周向應力和徑向應力：根據(jù)第四強度理論，可得套管在多向應力下的強度條件為：

第四強度理論變?yōu)椋旱谖迨彭?，?80頁。由于套管為薄壁或中厚壁管，在這三個應力中，r<<t,故在上面方程中忽略其影響后可得出方程：

式中，z/s和t/s分別表示軸向應力和周向應力在屈服應力中占的比例。第六十頁，共180頁。

用σz/σs的百分數(shù)為橫坐標，用σt/σs的百分數(shù)為縱坐標，可繪出如圖所示的橢圓圖，稱為雙向應力橢圓圖

z為正：受拉z為負：受壓t為正：內(nèi)壓t為負：外擠t/sz/

s1234第六十一頁，共180頁。從該橢圓中，可看出z與t的變化關系為象限z/s

t/s

載荷狀態(tài) 影響

Ⅰ >0 >0 拉伸－內(nèi)壓z，t Ⅱ <0 >0 壓縮－內(nèi)壓z，t Ⅲ <0 <0 壓縮－外擠z，t Ⅳ >0 <0 拉伸－外擠z，tt/sz/

s1234I：在軸向拉力作用下，套管抗內(nèi)壓強度增加，偏安全II：在軸向壓縮力作用下，套管抗內(nèi)壓降低，影響小Ⅲ：在軸向壓縮力作用下，套管抗擠強度增加Ⅳ：在軸向拉力作用下，套管抗擠強度降低，危險－100100－100100第六十二頁，共180頁。軸向應力管體抗拉強度：

（4）軸向拉力作用下套管的抗擠強度軸向載荷與軸向應力計算第六十三頁，共180頁。（4）軸向拉力作用下套管的抗擠強度周向應力與外擠力（內(nèi)壓力）的關系

設在軸向拉力T作用下套管發(fā)生外擠破壞的臨界（有效）外壓力為Pcc，該臨界外壓力即為軸向拉力作用下套管的抗擠強度。利用薄壁圓筒理論可得出周向應力計算公式：PccDc第六十四頁，共180頁。（4）軸向拉力作用下套管的抗擠強度周向應力與外擠力（內(nèi)壓力）的關系

當無軸向拉力時，套管發(fā)生破壞的臨界外壓力即為套管的抗擠強度，用Pc表示。按薄壁筒模型，這時套管內(nèi)的周向應力達到套管鋼材的屈服強度σsPccDc第六十五頁，共180頁。（4）軸向拉力作用下套管的抗擠強度載荷方程第六十六頁，共180頁。Pcc為考慮軸向力影響后套管實際的抗擠強度第六十七頁，共180頁。1、套管柱強度設計方法目前套管柱強度設計中所采用的方法基本上均是安全系數(shù)法，即要求：套管強度／外載≥設計安全系數(shù)設計安全系數(shù)確定：與外載和強度相對應，也有三種：抗擠設計安全系數(shù)、抗內(nèi)壓設計安全系數(shù)、抗拉設計安全系數(shù)，分別以Sc、Sb、St表示。套管類型抗擠設計安全系數(shù)Sc抗內(nèi)壓設計安全系數(shù)Sb抗拉設計安全系數(shù)St表層套管1.0～1.11.1～1.21.6～1.8技術套管1.0～1.1251.1～1.331.6～2.0生產(chǎn)套管1.0～1.21.1～1.41.6～1.9第六十八頁，共180頁。1、套管柱強度設計方法如果令：

設計外載

=外載×設計安全系數(shù)

則按安全系數(shù)法設計套管柱也就是要求：

套管強度≥設計外載所設計出的套管柱應該是既滿足抗擠要求，又滿足抗內(nèi)壓要求和抗拉要求。從前述的套管柱受力分析中可見，套管柱所受的各種外載沿管柱的分布規(guī)律是不一樣的。如技術套管，若下次鉆進中井漏未漏空，則其有效外壓力為中間大，井口和井底小；而其軸向拉力是井口最大，井底最小。為滿足這二者的同時要求，同時考慮經(jīng)濟性，則整個管柱應由強度不同的幾段管柱組成，在不同部位的管柱滿足不同主要矛盾的要求。這種由幾段強度不同的管柱組成的套管柱稱為復合套管柱。第六十九頁，共180頁。

（a）（b）（c）圖7-8套管柱強度設計示意圖（a）抗擠設計（b）抗拉設計（c）復合套管柱1——外載2——設計外載3——套管強度第七十頁，共180頁。套管強度設計的基本步驟先下后上每段套管同時做抗拉、抗擠、抗內(nèi)壓設計下部抗擠設計，作抗拉校核下部按抗拉設計，抗擠校核全井按雙軸應力設計不同類型套管、不同井型（油井、氣井）外載計算各不相同（本頁為新加頁）第七十一頁，共180頁。技術套管柱設計一般步驟：

外載按以下條件計算：有效外壓力按非全掏空情況，有效內(nèi)壓力按井口內(nèi)壓力為套管鞋處附近地層破裂壓力所決定的許用井口壓力情況，軸向拉力計算考慮鉆井液浮力。1）掌握已知條件

進行套管柱設計所需的數(shù)據(jù)包括套管尺寸和下入深度、設計安全系數(shù)、固井時鉆井液密度、套管鞋處附近地層破裂壓力的當量鉆井液密度、地層鹽水密度、下次鉆進目的井深、下次鉆進所用最高鉆井液密度、以及套管強度數(shù)據(jù)表。第七十二頁，共180頁。技術套管柱設計一般步驟：2）進行套管柱抗擠強度設計計算漏失面深度。計算設計外壓力。有效外擠壓力第七十三頁，共180頁。技術套管柱設計一般步驟：2）進行套管柱抗擠強度設計據(jù)設計外壓力選擇抗擠強度滿足要求的套管（要考慮軸向拉力對套管抗擠強度的影響），選擇條件將套管柱抗擠設計結(jié)果列表，并給出本段套管抗擠設計圖。第七十四頁，共180頁。

圖7-9套管柱抗擠設計圖（技術套管）第七十五頁，共180頁。技術套管柱設計一般步驟：3)進行套管柱抗內(nèi)壓設計計算設計內(nèi)壓

Pid=PieSb選擇抗內(nèi)壓強度滿足要求的套管

Pb>Pid對比抗擠設計結(jié)果與抗內(nèi)壓設計結(jié)果，在各井段內(nèi)選擇強度高的套管；將套管柱抗擠強度設計與抗內(nèi)壓強度設計綜合結(jié)果列表。第七十六頁，共180頁。技術套管柱設計一般步驟：4）進行套管柱抗拉強度根據(jù)抗擠設計和抗內(nèi)壓設計的綜合結(jié)果，計算套管柱的設計拉力，即將套管的抗拉強度與設計拉力進行比較，對抗拉強度不滿足要求的井段的套管進行更換，以滿足抗拉強度的要求，即（Tt接頭拉伸強度）第七十七頁，共180頁。技術套管柱設計一般步驟：4）進行套管柱抗拉強度設計需要注意的是，如果因抗拉強度不夠而更換套管時更換了套管的壁厚，則套管柱的拉力要重新計算，再按新計算的拉力校核抗拉強度。如果這樣更換的套管是在套管柱的中部或下部，還要重新校核一下套管柱的抗擠強度，因為由于拉力的變化會導致軸向拉力下套管抗擠強度的變化。水泥面之上進行雙軸應力校核5）將套管柱強度設計結(jié)果列表。

第七十八頁，共180頁。①確定設計條件：安全系數(shù)、外載計算方式②按內(nèi)壓篩選套管③求井底外擠力，選第一段套管④選第二段套管，計算其可下深度⑤計算第一段套管長度和有關安全系數(shù)⑥選第三段套管……<當套管的抗拉安全系數(shù)不滿足時，改為抗拉設計>或<當抗擠強度設計套管柱超過水泥面或軸向力0點后>……⑦選套管，按套管抗拉強度計算其可下深度⑧抗內(nèi)壓安全系數(shù)校核[注意：抗擠應按雙軸應力進行計算]第七十九頁，共180頁。某井177.8mm油層套管，下入深度3500m,井內(nèi)鉆井液密度1.30g/cm3,水泥返至井深2800m?？箶D安全系數(shù)為1.125,抗拉安全系數(shù)為1.8(不考慮浮力影響)，井口抗內(nèi)壓安全系數(shù)為1.1.解（1）按抗擠強度設計第一段套管按全掏空計算井底外擠壓力Pb=0.0098*1.3*3500=45.5(MPa)

第一段套管應具有的抗擠強度為Pc1=Pb*sc=45.5*1.125=51.19(MPa)由套管性能表查得N-80，壁厚11.51mm套管，其抗擠強度為60.46MPa實際抗擠安全系數(shù)為：Sc1=60.46/51.19=1.181N-80，壁厚11.51mm第八十頁，共180頁。（2）第一段套管的頂截面位置取決于第二段套管的可下深度，第二段套管選用抗擠強度低一級的套管，可選N-80,壁厚10.36mm套管，其抗擠強度為49.35MPa,抗拉強度Tt=2708kN,Ts=3066kN,重量為431.5N/m.第二段套管的可下深度為：實取第二段套管的深度為3300m,則第一段套管的段長為L1=3500-3300=200m3500m3300m第八十一頁，共180頁。（3）校核第一段套管的抗拉系數(shù)（上端面）和第二段套管的抗擠系數(shù)（下端面）第一段套管的重量為476kN/m，抗拉強度為3048kN,浮力系數(shù)為：Bf=1-1.3/7.8=0.833第一段套管的浮重為：T1=200*0.476=95.24kN(空氣中的重量)T1’=200*0.476*0.833=79.33kN(鉆井液中的重量)第一段套管的抗拉系數(shù)St1=3048/95.24=32(安全)第二段套管的抗擠系數(shù)Sc1=49.35/(0.0098*1.30*3300)=1.15(安全)3500m3300m第八十二頁，共180頁。第二段套管的頂截面取決于第三段套管的可下深度，第三段套管選N-80,壁厚9.10套管(386.9N/m,抗拉強度2354kN,Ts=2740kN)，抗擠強度為38.03MPa.,按抗擠計算第三段套管的可下深度：H3=38.03/(0.0098*1.3*1.125)=2600m由于第三段套管要承受其下第一和第二段套管的重量，其抗擠強度下降，因此要減小第三段套管的下入深度，（如果不減小，抗擠強度不夠）水泥面處套管柱的軸向力為T1’+T2’=79.33+500*0.4315*0.833=259kN3500m3300m水泥面2800m第八十三頁，共180頁。校核水泥面的抗擠強度3500m3300m水泥面2800m第八十四頁，共180頁。計算第三段套管的可下深度（采用雙軸應力設計）找到一個井深，使第三段套管的下截面在拉力作用下，其抗擠安全系數(shù)接近1.125假設第三段套管下至2300m,則第二段套管的段長為L2=1000m第二段套管在空氣中的重量：

T2=1000*0.4315=431.5kN第二段套管在鉆井液中的重量：

T2’=0.833*431.5=359.4kN第三段套管下端面的拉力

T1’+T2’=79.3+359.4=438.7kN考慮雙軸應力后第三段套管的抗擠強度為Pcc3=Pc3*K’=34.67MPa第三段套管的抗擠安全系數(shù)為

Sc3=34.67/(0.0098*1.3*2300)=1.159(安全)3500m3300m水泥面2800m2300m第八十五頁，共180頁。校核第二段套管頂截面的抗拉安全系數(shù)（Tt2=2708kN）St2=Tt2/(T1+T2)=2708/(95.24+431.5)=5.14(安全)校核第三段套管頂部（井口）的抗拉強度因為T3=2354kN,W3=386.9N/mST3=2354/(T1+T2+T3)=1.66井口抗拉系數(shù)小于1.8,抗拉強度不符合要求。3500m3300m水泥面2800m2300m第八十六頁，共180頁。(4)按抗拉設計確定第三段套管的許用長度實際取L3=2000mT3=2000*0.3869=774kN第三段套管頂截面的安全系數(shù)為：St3=2354/(95.24+431.5+774)=1.813500m3300m水泥面2800m2300m2000m第八十七頁，共180頁。第四段套管選用N-80,壁厚10.36mm，長度為300m,井口的抗拉安全系數(shù)為：ST4=2708/(T1+T2+T3+T4)=2708/(95+431.5+779+129)=1.89(5)校核井口內(nèi)壓Si=Pi/ps=57.36/ps=57.36/(45.5e-(1.115*1e-4*0.55*3500))=1.563500m3300m水泥面2800m2300m300m第八十八頁，共180頁。段號井深m段長m鋼級壁厚mm扣型段重kN累重kN安全系數(shù)抗拉抗擠抗內(nèi)壓40-300300N-8010.36長圓12914301.891.563300-23002000N-809.19長圓77413101.811.1522300-33001000N-8010.36長圓4325275.141.1513300-3500200N-8011.51長圓959532.01.18第八十九頁，共180頁。以上介紹了套管柱外載分析與計算、套管柱強度設計的基本原理和方法，同時以油層套管為例介紹了套管柱強度設計的步驟，并給出了設計例子。在現(xiàn)場的套管柱設計中，還會遇到一些特殊的問題：如在腐蝕性環(huán)境中要考慮井內(nèi)流體對套管的腐蝕問題，如硫化氫氣體、酸性氣體（如二氧化碳）、腐蝕性地層水中的碳酸根和碳酸氫根等對套管的腐蝕問題，這時除強度考慮外，在套管材質(zhì)上還應選用具有抗腐蝕能力的套管。第九十頁，共180頁。又如對高壓氣井，為防止氣體在螺紋連接處泄露，應選用密封性能良好的特殊螺紋套管。如果管外存在有易流動地層（如塑性鹽層），則在該地層附近的外壓力要按上覆巖層壓力計算，或根據(jù)巖石蠕變理論計算巖石蠕變所產(chǎn)生的擠壓力。更為嚴重的是，塑性蠕變地層對套管所產(chǎn)生的擠壓力在周向上往往是非均布的，而套管抵抗非均布外壓力的能力很低。已有許多理論（包括實驗）來計算這種非均布載荷和在這種非均布載荷下套管的承壓能力。第九十一頁，共180頁。其它套管強度設計方法 邊界載荷法 最大載荷法

AMOCO

西德BEB方法第九十二頁，共180頁。大作業(yè)：已知：油層套管下深H=3500m

套管外徑D=139.7mm,

水泥面深h=2500m,

管外鉆井液密度1.2g/cm3,

地層鹽水密度1.07g/cm3,

取設計安全系數(shù)：

St=1.8Sc=1.0Si=1.1現(xiàn)有N80,K55兩種鋼級套管，試設計套管柱。第九十三頁，共180頁。第九十四頁，共180頁。1.油井水泥級別和類型目前國內(nèi)外使用的油井水泥主要是硅酸鹽水泥，是由水硬性硅酸鈣為主要成分，加入適量石膏和助磨劑（或是加入適量的石膏或石膏和水），磨細制成的產(chǎn)品。水泥漿：干水泥與水（經(jīng)常還要加入外加劑）混合而成的漿體稱為。水泥石：水泥漿凝結(jié)硬化后形成水泥環(huán)：在井下環(huán)形空間中的水泥石第九十五頁，共180頁。1.油井水泥級別和類型水泥級別：適應不同井深的需要和防止地層流體中硫酸鹽對水泥石的腐蝕，有多種級別、類型的油井水泥可供選用。美國石油學會（API）規(guī)定了8種級別的油井水泥，我國也參照API標準制定了油井水泥的標準。表7-5API油井水泥使用范圍

級別類型備注普通型中抗硫酸鹽型高抗硫酸鹽型A√——普通水泥B—√√抗硫水泥C√√√具有高早期強度D—√√適于中溫條件E—√√適于高溫條件F—√√適于超高溫條件G—√√基本油井水泥H—√√基本油井水泥第九十六頁，共180頁。2.水泥的水化反應凝結(jié)過程（硬化過程）：水泥與水混合后，迅速與水發(fā)生水化反應，生成各種水化產(chǎn)物，水泥漿也逐漸由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程，并形成的四種礦物成分：硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣和鐵鋁酸四鈣。硅酸三鈣：3CaOSiO2（簡寫C3S）。是水泥產(chǎn)生強度的主要化合物，它強度增長快，最后強度也大。硅酸二鈣：β型2CaOSiO2（簡寫C2S）。水化反應慢，強度增長慢，但能在長時間內(nèi)逐漸增大水泥的強度第九十七頁，共180頁。2.水泥的水化反應鋁酸三鈣：3CaOAl2O3（簡寫C3A）。水化反應速度最快，是決定水泥漿初凝時間和稠化時間的主要因素，對水泥漿的流變性也有很大影響。鋁酸三鈣對硫酸鹽類侵蝕最敏感，因此在抗硫水泥中對鋁酸三鈣含量有限制。中抗硫酸鹽型水泥中鋁酸三鈣的含量不能超過8%，高抗硫酸鹽型的水泥中鋁酸三鈣的含量不能超過3%。鐵鋁酸四鈣：4CaOAl2O3Fe2O3（簡寫C4AF）。水化速度僅次于鋁酸三鈣，早期強度增長快，硬化三天和28天的強度值差別不大，強度的絕對值也不大。第九十八頁，共180頁。2.水泥的水化反應三類水化反應：1）C3A的水化反應

3CaOAl2O3+6H2O→3CaOAl2O36H2O2）C3S、C2S及C4AF的水化反應

2(3CaOSiO2)+6H2O→3CaO2SiO23H2O+3Ca(OH)2

2(2CaOSiO2)+4H2O→3CaO2SiO23H2O+Ca(OH)2

4CaOAl2O3Fe2O3+2Ca(OH)2+10H2O→3CaOAl2O36H2O+3CaOFe2O36H2O3）水化的C3A與二水石膏的水化反應

3CaOAl2O36H2O+3(CaSO42H2O)+20H2O→3CaOAl2O33CaSO432H2O第九十九頁，共180頁。2.水泥的水化反應有關水化反應的說明：水泥的水化反應是一個不斷進行的過程。隨著水化的不斷進行，水泥漿從凝膠態(tài)逐漸向結(jié)晶態(tài)發(fā)展，最后形成硬化的水泥石。水泥的水化反應是一放熱反應，在工程上可利用這一特點來探測水泥漿在環(huán)形空間內(nèi)的上返高度。另外，水泥在水化過程中要發(fā)生體積收縮（水化后生成物的總體積小于水化前反應物的總體積），在一定條件下該體積收縮對固井質(zhì)量有著重要的影響第一百頁，共180頁。2.水泥的水化反應有關水化反應的說明：在油氣井固井中，水泥的水化反應是在井下一定的溫度壓力條件下進行的。溫度壓力對水泥的水化速度有很大的影響，一般隨溫度壓力的增加，水泥水化速度加快，其中溫度的影響更顯著。正因為如此，水泥漿的有關性能一般均是在模擬井下溫度壓力的情況下測定的。第一百零一頁，共180頁。為了保證施工安全并提高固井質(zhì)量，水泥漿以及最終所形成的水泥石必須滿足一定的性能要求。性能包括：水泥漿密度水泥漿稠化時間水泥漿流變性水泥漿失水量水泥漿穩(wěn)定性水泥石抗壓強度水泥石滲透率其中常測定的是前六項性能第一百零二頁，共180頁。1.水泥漿密度

作用：滿足平衡壓力要求保證獲得最好的水泥漿性能

基本要求：注水泥期間既不井漏又不井噴

測量：用泥漿密度計（國外還有加壓密度計）影響因素：水灰比；外摻料（指密度調(diào)節(jié)劑）用量第一百零三頁，共180頁。

1.水泥漿密度

水灰比指的是配制水泥漿時配漿水的重量與干水泥的重量之比。水泥漿密度與水灰比直接相關，關系為:注意：干水泥的密度為3.14g/cm3～3.15g/cm3，故當水泥漿的密度為1.85g/cm3～1.90g/cm3時，水灰比約為0.48～0.44。當干水泥中所混合的外加劑加量較大、尤其是為了調(diào)節(jié)水泥漿密度摻了加重劑或減輕劑（又稱為外摻料）時，上式中干水泥密度c取水泥和這些外加劑及/或外摻料混合后的固相混合物平均密度。這時，m為水固比。第一百零四頁，共180頁。2.水泥漿的稠化時間定義：在井下溫度壓力條件下，從給水泥漿加溫加壓時起至水泥漿稠度達100Bc（Bc為稠度單位）所經(jīng)歷的時間稱為水泥漿的稠化時間。作用：保證施工安全。要求：整個注水泥施工作業(yè)能夠在稠化時間以內(nèi)完成，并包含一定的安全系數(shù)。一般：施工時間+1小時<稠化時間。測量：常壓稠度儀；高溫高壓稠度儀測定“稠度-時間”曲線，當稠度達到100Bc時的時間。Bc為稠度單位。影響因素：水灰比、溫度與壓力、外加劑第一百零五頁，共180頁。

水泥漿的稠化時間

稠度時間第一百零六頁，共180頁。3.水泥漿失水概念：水泥漿中自由水通過井壁向地層滲入的現(xiàn)象危害：水泥漿大量失水將造成水泥漿急劇變稠，大大影響其流動性，從而不利于水泥漿對鉆井液的頂替。水泥漿大量失水進入油氣層也將對油氣層產(chǎn)生損害。第一百零七頁，共180頁。3.水泥漿失水要求：根據(jù)不同的井況和施工條件規(guī)定。水泥漿失水量指的是水泥漿失水的快慢程度，失水量大小用30分鐘內(nèi)的失水總體積表示。原則上說，水泥漿失水量越小越好，但控制水泥漿失水的外加劑通常對水泥漿的流變性、稠化時間、抗壓強度等有影響，因此應權衡考慮。

一般套管注水泥100ml/30min～200ml/30min；擠水泥或尾管注水泥50ml/30min～150ml/30min；防氣竄20ml/30min～

40ml/30min；高密度水泥應低于50ml/30min。

測量：失水儀，（常溫與高溫、7MPa,30min）影響因素：水灰比、壓差、地層的滲透性、外加劑、泥漿的泥餅質(zhì)量第一百零八頁，共180頁。4.水泥漿流變性概念：水泥漿在外加剪切應力作用下流動變形的特性。作用：計算流動阻力，選擇施工裝置和設備，防止井壓漏，保證施工安全實現(xiàn)紊流或塞流頂替，提高頂替效率要求：有利于提高頂替效率測量：旋轉(zhuǎn)粘度計、高溫高壓流變儀（模擬井下溫度壓力測定）計算：流變參數(shù)；臨界流速，用流變參數(shù)衡量影響因素：水灰比；溫度與壓力；外加劑第一百零九頁，共180頁。5.水泥漿穩(wěn)定性水泥漿的穩(wěn)定性測試包括自由水含量測試和沉降穩(wěn)定性測試，目前現(xiàn)場常測試的是自由水含量。在靜止過程中，水泥漿中的自由水自水泥漿中析出而形成連續(xù)水相的現(xiàn)象稱為析水。單位體積水泥漿所析出的自由水體積即為水泥漿自由水含量（也稱析水量），為百分數(shù)。沉降穩(wěn)定性指的是在靜止狀態(tài)下，由于顆粒沉降而導致水泥漿上下密度不一致的現(xiàn)象。第一百一十頁，共180頁。5.水泥漿穩(wěn)定性析水和沉降穩(wěn)定性的關系：水泥漿有析水實際上就有沉降穩(wěn)定性問題，但水泥漿無析水不一定沉降穩(wěn)定性就好。危害：水泥漿析水量過大和沉降穩(wěn)定性不好，將導致水泥漿密度分布不均，所形成的水泥石強度不一致，影響對地層的封隔。如果在井下，由于析水而形成縱向水槽，將影響環(huán)空的封隔在定向井、水平井中，如果不控制析水，容易在環(huán)空的上側(cè)形成連續(xù)水槽，嚴重影響封固質(zhì)量。要求：原則上析水越小越好、沉降穩(wěn)定性中水泥漿上下密度的差別越小越好，在定向井和水平井中要使用零析水水泥漿。第一百一十一頁，共180頁。6.水泥石抗壓強度

目前是通過測試水泥石的抗壓強度來檢驗水泥石的力學性能。概念：水泥石在壓力作用下達到破壞前單位面積上所能承受的力稱為水泥石的抗壓強度。

要求：1）能支承住井內(nèi)的套管

2）能承受住鉆進時的沖擊載荷

3）能承受酸化壓裂：注水泥井段在承受酸化壓裂時的壓力的最薄弱環(huán)節(jié)不是水泥石本身，而應是水泥環(huán)與井壁膠結(jié)處（或水泥環(huán)與套管膠結(jié)處），水泥石強度遠大于水泥環(huán)與井壁的膠結(jié)強度。

測量：抗壓強度——萬能材料試驗機影響因素：水灰比、溫度與壓力、外加劑第一百一十二頁，共180頁。7.水泥石滲透率概念：水泥石的滲透率指的是在一定壓差下，水泥石允許流體通過的能力。

要求：盡可能低測量：水泥滲透率儀注意該指標有時間性影響因素：水灰比；溫度與壓力；外加劑注意：

為實現(xiàn)封隔，水泥石的滲透率越低越好，而水泥石的滲透率都低于1×10-5平方微米，因此水泥環(huán)基體（即水泥石）可實現(xiàn)層間封隔；但如果水泥環(huán)與套管或水泥環(huán)與井壁間存在微環(huán)隙、或膠結(jié)強度不夠高，則對層間封隔有嚴重影響。問題又回到了水泥與套管和水泥與井壁的膠結(jié)上。第一百一十三頁，共180頁。為了滿足不同情況下固井施工和固井質(zhì)量的要求，注水泥時在水泥漿中一般均加有各種外加劑來調(diào)節(jié)水泥漿的性能。常規(guī)的水泥外加劑有緩凝劑、速凝劑、減阻劑、降失水劑、減輕劑、加重劑。緩凝劑和速凝劑用來調(diào)節(jié)水泥漿的稠化時間，有的速凝劑還能提高水泥石的早期強度。加入減阻劑的目的是為了改善水泥漿的流動性能、降低流動摩阻降失水劑的作用是降低水泥漿的失水量，防止水泥漿脫水。在井下有低壓易漏失層時，為了防止注水泥時發(fā)生井漏，常加入本身密度低的減輕材料（如硅藻土、漂珠）以降低水泥漿的密度。當?shù)貙訅毫Ω叩揭欢ㄖ禃r，需要加入密度大的添加劑（如鐵礦粉）提高水泥漿的密度以平衡地層壓力。第一百一十四頁，共180頁。第一百一十五頁，共180頁。注水泥的目的在于提供良好的環(huán)空封隔。為實現(xiàn)這一目的，要解決以下二個方面的的問題：一是如何使環(huán)形空間充滿水泥漿；二是如何使水泥漿在凝結(jié)過程中壓穩(wěn)油、氣、水層和封隔好油、氣、水層。第一百一十六頁，共180頁。一次性注水泥第一百一十七頁，共180頁。大直徑套管固井存在的問題環(huán)空面積大，難以避免殘留鉆井液上部地層一般是比較軟的未固結(jié)地層，造成井壁沖蝕缺少高泵排量的頂替設備環(huán)空容量不準內(nèi)管注水泥法大尺寸套管固井可用鉆桿進行，在引鞋或浮箍上裝入一個插入鞋或插入箍；插入箍上有一個供鉆桿下面的插入短節(jié)插入的插座；插入短節(jié)上有便于與插入箍內(nèi)面密封的密封圈。管外注水泥第一百一十八頁，共180頁。第一百一十九頁，共180頁。第一百二十頁，共180頁。第一百二十一頁，共180頁。雙級注水泥第一百二十二頁，共180頁。第一百二十三頁，共180頁。尾管注水泥第一百二十四頁，共180頁。注水泥質(zhì)量要求：水泥漿返高和套管內(nèi)水泥塞必須符合設計要求；注水泥段環(huán)空的泥漿應全部被水泥漿頂替干凈，不竄槽； 水泥環(huán)有足夠的連接強度和封固性能，不發(fā)生油氣水竄，能經(jīng)受住酸化壓裂；水泥石能抗腐蝕。第一百二十五頁，共180頁。

頂替效率概念：水泥漿在環(huán)形空間頂替鉆井液的程度，用η表示

注水泥段： 環(huán)形水泥漿體積=——————————

環(huán)空體積注水泥漿段任一截面積： 環(huán)形水泥漿面積=——————————

環(huán)空截面積η等于1（即100%）時，水泥漿全部頂替走了鉆井液；當η小于1時鉆井液沒有被水泥漿完全替走，稱為發(fā)生了鉆井液竄槽；η值越大，頂替效率越高。第一百二十六頁，共180頁。提高注水泥頂替效率的措施:(1)加扶正器降低套管在井眼中的偏心程度(2)注水泥時活動套管、(3)采用紊流或塞流流態(tài)注水泥、(4)采用前置液、(5)注水泥前調(diào)整鉆井液性能、(6)增加紊流接觸時間等。第一百二十七頁，共180頁。1.加扶正器降低套管在井眼中的偏心程度

套管在井眼中不居中的現(xiàn)象稱為套管偏心。注水泥頂替效率與套管在井眼中的偏心程度密切相關。在定向井和水平井中，由于套管的自重，管柱將偏向井眼下側(cè)，形成偏心。即使是直井，由于實際所鉆成的井眼不可能是一個完全垂直的井眼，因此也存在套管偏心的情況。一、提高注水泥頂替效率的措施第一百二十八頁，共180頁。1.加扶正器降低套管在井眼中的偏心程度套管居中 流動阻力分布：各間隙一樣！

泥漿流動條件：影響： 泥漿流變性； 間隙大??；

套管居中時，頂替效率的高低主要取決于頂替時的流態(tài)。第一百二十九頁，共180頁。1.加扶正器降低套管在井眼中的偏心程度套管偏心 流動阻力分布：各間隙不一樣！ 各間隙泥漿流動阻力：套管偏心越嚴重，這種流速分布不均的程度越大。曾經(jīng)實測了液體在偏心環(huán)空中的流速分布情況，當偏心程度為69%時，實驗中測量到最寬與最窄間隙的平均流速差別達到了70倍。在水泥漿頂替鉆井液的過程中，水泥漿在寬間隙處頂替鉆井液的速度快一些，而在窄間隙處的頂替速度則較慢，導致寬窄間隙水泥漿返高不一致。若套管偏心嚴重，則可能出現(xiàn)窄間隙的鉆井液根本不能被頂走而滯留在原處的竄槽現(xiàn)象。

因此要盡量降低套管在井眼中的偏心程度。目前所采取的措施是在套管上安裝套管扶正器。

一、提高注水泥頂替效率的措施第一百三十頁，共180頁。2.注水泥時活動套管在注水泥過程中，旋轉(zhuǎn)或上下活動套管是提高頂替效率的有效措施。機理：當環(huán)空窄間隙處有滯留（或流動較慢）的鉆井液時，旋轉(zhuǎn)套管可依靠套管壁拖弋力將鉆井液帶入進環(huán)空的較寬間隙處，從而被流動的水泥漿頂替走。結(jié)論：一般認為旋轉(zhuǎn)效果較好；上下活動套管可能在上提套管后發(fā)生卡套管從而使套管不能下放到設計放置，給安裝井口造成困難。一、提高注水泥頂替效率的措施第一百三十一頁，共180頁。

（a）（b）（c）圖7-16旋轉(zhuǎn)套管提高頂替效率示意圖（a）套管不動（b）套管開始轉(zhuǎn)動（c）鉆井液將被替完1——井眼2——套管3——流動的水泥漿4——鉆井液1234第一百三十二頁，共180頁。3.采用紊流或塞流流態(tài)注水泥在層流流態(tài)，斷面流速分布呈尖峰形態(tài)；在紊流和塞流流態(tài)，斷面流速分布相對平緩，因而有利于水泥漿均勻推進頂替鉆井液。在偏心環(huán)空中，當采用塞流流態(tài)時，雖然在本間隙內(nèi)水泥漿可均勻推進，由于在軸向上流速分布不均，可能存在軸向上嚴重推進不均的后果。一、提高注水泥頂替效率的措施第一百三十三頁，共180頁。

（a）（b）（c）圖7-17不同流態(tài)時流速分布示意圖（a）塞流（b）層流（c）紊流一、提高注水泥頂替效率的措施第一百三十四頁，共180頁。頂替過程中的流態(tài)影響層流塞流紊流第一百三十五頁，共180頁。3.采用紊流或塞流流態(tài)注水泥紊流頂替機理：紊流頂替斷面流速分布比較均勻；紊流頂替液中的紊流旋渦在頂替液與鉆井液的交界面上可產(chǎn)生沖蝕、擾動、攜帶的作用，從而有利于對鉆井液的頂替。在偏心環(huán)空中，這種沖蝕、擾動、攜帶作用可逐漸頂替走窄間隙處的鉆井液。在偏心環(huán)空中，紊流時軸向上的流速分布不均的程度也要大大低于層流時的流速分布不均程度（塞流本質(zhì)上也屬于層流），實驗中曾測量到可降低27%～76%，因而有利于對窄間隙的頂替。另外，紊流時，單位長度上的摩阻壓降大，該摩阻壓降對滯留鉆井液而言是驅(qū)使其流動的動力，因此也有利于頂替。結(jié)論：只要井下條件許可（不會壓漏地層），人們首選紊流頂替。一、提高注水泥頂替效率的措施第一百三十六頁，共180頁。4.使用注水泥前置液不用前置液的危害：由于水泥漿與鉆井液的化學成分不同，當用水泥漿直接頂替鉆井液時，在二者交界面附近鉆井液要與水泥漿混合。水泥漿和鉆井液混合的后果：一方面，鉆井液與水泥漿混合后，可能使水泥漿增稠，導致環(huán)空流動摩阻增大，嚴重時造成井漏，或造成泵送不動而導致不能把水泥漿全部從套管內(nèi)替出的嚴重后果。另一方面，鉆井液與水泥漿相互混合形成的混合物可能很稠，不容易被隨后的水泥漿所頂替，造成這種混合物竄槽，影響注水泥質(zhì)量。不管是哪種情況，均稱鉆井液與水泥漿不相容。一、提高注水泥頂替效率的措施第一百三十七頁，共180頁。4.使用注水泥前置液解決措施：在水泥漿前面通常要注入一段或幾段與鉆井液及水泥漿均相容的特殊配制的液體，這些液體稱為注水泥前置液（簡稱前置液）。前置液分為兩種：沖洗液。沖洗液主要起稀釋鉆井液、沖洗井壁與套管壁的作用（也能隔開鉆井液與水泥漿），主要用于紊流注水泥。當與隔離液同時使用時，位于隔離液之前。隔離液：隔離液的主要作用是隔離鉆井液與水泥漿。有兩種類型的隔離液，一種是用于塞流注水泥的粘稠型隔離液，一種是用于紊流注水泥的紊流型隔離液。一、提高注水泥頂替效率的措施第一百三十八頁，共180頁。4.使用注水泥前置液施工措施：在注水泥過程中，實際頂替鉆井液的是前置液。顯然，如果水泥漿的流變性能能調(diào)節(jié)到滿足紊流或塞流的要求則更好。但由于調(diào)整水泥漿的流變性能時，往往對水泥漿的其它性能有影響，所以在很多情況下水泥漿的流變性不能調(diào)整到要求值（尤其是紊流要求）。因此，現(xiàn)場上實際使用的常常是前置液紊流或塞流的注水泥頂替技術。一、提高注水泥頂替效率的措施第一百三十九頁，共180頁。5.注水泥前調(diào)整鉆井液性能鉆井中鉆井液的性能是為了滿足鉆井作業(yè)的需要，但從提高注水泥頂替效率方面來看，這些性能往往是不適宜的。因此，在注水泥前，一般都要對鉆井液的性能進行調(diào)整。調(diào)整鉆井液性能（密度、流變性）的原則是，在保證井下安全的前提下，盡量降低鉆井液的密度、粘度和觸變性（靜切力）。理論和實驗研究均表明，其中降低觸變性尤為重要，因觸變性太強，鉆井液的內(nèi)部結(jié)構(gòu)力大，非常不利于頂替。一、提高注水泥頂替效率的措施第一百四十頁，共180頁。6.增加紊流接觸時間紊流頂替最重要的是對鉆井液的沖蝕、擾動、攜帶作用。顯然，這種沖蝕、擾動、攜帶的頂替，需要一定的時間。一部分人認為4分鐘的接觸時間就夠了，但目前為大部分人接受的觀點是需要10分鐘的接觸時間才能達到有效的頂替。因此要合理設計前置液和水泥漿的用量。一、提高注水泥頂替效率的措施第一百四十一頁，共180頁。7.頂替液與鉆井液的密度差一般要求鉆井液、前置液、水泥漿的密度應逐級增大（所謂正密度差），因正密度差將對鉆井液產(chǎn)生浮力作用，有利于頂替。但對沖洗液可以例外，因沖洗液所起的主要是稀釋鉆井液、沖洗井壁與套管壁的作用。一、提高注水泥頂替效率的措施第一百四十二頁，共180頁。

注水泥剛結(jié)束時，水泥漿還是液態(tài)，這時環(huán)空內(nèi)液體對地層作用的壓力為作用點以上各漿柱的靜液壓力之和；因為水泥漿密度一般大于鉆井液的密度，因此能夠起到壓住地層的作用。失重：由于一定的原因，水泥漿柱在凝結(jié)過程中對其下部或地層所作用的壓力將逐漸降低，就好象失掉了一部分重量一樣。這種現(xiàn)象稱為水泥漿在凝結(jié)過程中的失重（簡稱失重）。失重的后果：當漿柱的壓力失重到低于油、氣、水層的壓力時，地層中的油、氣、水就竄入環(huán)空內(nèi)，繼而或是發(fā)生層間互竄或是沿環(huán)空竄至井口。在有高壓油、氣、水層或?qū)娱g壓差大（如注水開發(fā)井網(wǎng)）的井內(nèi)，這種竄的可能性更大。第一百四十三頁，共180頁。失重的種類（膠凝失重和橋堵失重）1）膠凝失重定義：凝聚-結(jié)晶網(wǎng)的形成，使水泥漿柱的重量部分懸掛在井壁和套管壁上。膠凝失重與水泥漿性能、井眼尺寸和溫度等有關。原理：水泥漿在水化凝結(jié)的過程中，在水泥顆粒之間及它們與井壁和套管之間要形成具有一定膠凝強度的空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)；當下部漿柱由于水泥水化體積收縮和失水而發(fā)生體積減小時，水泥漿柱要向下移動以彌補下部的體積減小從而向下傳遞壓力，但水泥漿中的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)將使水泥漿柱的一部分重量懸掛在井壁和套管上，使壓力不能有效向下傳遞，從而降低了作用在下部地層的有效壓力，即導致失重。第一百四十四頁，共180頁。失重的種類：2）橋堵失重注水泥結(jié)束水泥漿靜止后，水泥漿在高滲透率地層處的快速失水將使該處的水泥漿迅速變稠和致密，形成堵塞（即橋堵）；由于注水泥時高速沖蝕下來的巖塊和水泥顆粒的下沉等因素，也可能在井徑和環(huán)空間隙較小處堆積形成堵塞。當下部漿柱由于水泥水化體積收縮和失水而發(fā)生體積減小時，由于橋堵使得上部漿柱的壓力不能有效向下傳遞，從而也會降低作用在下部地層的有效壓力，造成失重。第一百四十五頁，共180頁。失重的防止：

在充氣水泥漿中，加有發(fā)氣劑（KQ）。在水泥漿失重時，發(fā)氣劑發(fā)氣，形成分散在水泥漿內(nèi)的微小氣泡。利用充氣水泥漿以上漿柱（鉆井液柱或水泥漿柱）的靜液壓力和結(jié)構(gòu)力所形成的“塞子”作用，或者利用橋堵段的“塞子”作用，依靠發(fā)氣劑產(chǎn)生的微小氣泡，使充氣水泥漿內(nèi)憋上一個附加的壓力，以補償水泥漿失重所減少的壓力，從而使得水泥漿柱的最終壓力能大于油、氣、水層的壓力，達到預防失重及防竄的目的。第一百四十六頁，共180頁。油氣水竄的基本原因頂替效率不好，有竄槽環(huán)空壓力+流動阻力<地層壓力

造成這一情況的原因主要有：環(huán)空實際靜液柱壓力不夠

（如水泥返高不夠造成的壓力過低）環(huán)空水泥漿失重其它原因泥餅干裂水泥石外觀體積收縮形成微環(huán)隙管內(nèi)憋壓候凝造成的微環(huán)隙

二、水泥漿在凝結(jié)過程中的失重與油、氣、水竄問題第一百四十七頁，共180頁。防止環(huán)空油氣水竄的措施

從工藝上：限制水泥返高，防止失重過大；采用多種凝結(jié)時間的水泥漿結(jié)構(gòu)；環(huán)空憋壓候凝使用多級注水泥

從水泥漿設計上：使用充氣或膨脹水泥漿使用不滲透水泥控制水泥漿的失水二、水泥漿在凝結(jié)過程中的失重與油、氣、水竄問題第一百四十八頁，共180頁。1.水泥用量與替漿量計算替漿量：在注水泥施工中，用來將水泥漿從套管內(nèi)頂替到環(huán)空所需要的頂替液體積。水泥用量：指的是固井所需干水泥的重量（1）水泥用量

為計算水泥用量需先計算出固井所需的水泥漿量（水泥漿體積）。第一百四十九頁，共180頁。1.水泥用量與替漿量計算（1）水泥用量

1）水泥漿量根據(jù)電測井徑，將環(huán)空水泥漿封固段分為若干段（設為n段），環(huán)空水泥漿量為：管內(nèi)水泥塞體積為：管內(nèi)：Vslp環(huán)空：Vsla第一百五十頁，共180頁。1.水泥用量與替漿量計算（1）水泥用量2）水泥用量3）配漿水用量在現(xiàn)場，井場實際水泥準備量和配漿用水準備量都要在理論計算的基礎上附加一定數(shù)量，具體附加量據(jù)油田經(jīng)驗定。外加劑用量，當知道水泥用量和水泥漿配方后即可計算出來。m:水灰比第一百五十一頁，共180頁。1.水泥用量與替漿量計算（2）替漿量

替漿量用下式計算：第一百五十二頁，共180頁。2.注水泥流變學設計注水泥流變學設計是注水泥設計中的非常重要的部分，提高注水泥頂替效率、保證注水泥施工中井內(nèi)壓力平衡，是注水泥流變學設計的主要目的。水泥流變學設計的基本內(nèi)容：水泥漿流變參數(shù)計算紊流臨界排量設計平衡壓力固井基本概念。

第一百五十三頁，共180頁。2.注水泥流變學設計（1）水泥漿流變參數(shù)計算水泥漿流變性測量仍采用旋轉(zhuǎn)粘度計，但測量方法上與鉆井液稍有差別，水泥漿只測量300r/min、200r/min、100r/min、6r/min和3r/min轉(zhuǎn)速下的剪切應力值，不測量600r/min轉(zhuǎn)速下的剪切應力值。水泥漿流變參數(shù)計算式如下：為了提高注水泥頂替效率，要求水泥漿的流性指數(shù)比鉆井液的流性指數(shù)低。

第一百五十四頁，共180頁。2.注水泥流變學設計（2）紊流臨界排量設計紊流頂替是提高注水泥頂替效率的有效措施之一，如果在條件允許下水泥漿能達到紊流則最好。水泥漿在環(huán)空中的流態(tài)通過施工排量控制。水泥漿在環(huán)空中的雷諾數(shù)計算式為：第一百五十五頁，共180頁。2.注水泥流變學設計（2）紊流臨界排量設計冪律液體的臨界雷諾數(shù)為：由式（7-58）與（7-59）可得水泥漿達到紊流時的臨界環(huán)空流速計算式為因此，水泥漿紊流的臨界排量為（按現(xiàn)場常用單位“方/分”）第一百五十六頁，共180頁。2.注水泥流變學設計（3）平衡壓力固井基本概念在注水泥施工中，保證井內(nèi)壓力平衡，實現(xiàn)平衡壓力固井，是最基本的要求之一。在注水泥設計中，壓力平衡設計也是最基本的設計內(nèi)容之一。實現(xiàn)平衡壓力固井，就是要求在整個施工過程中，井內(nèi)的壓力滿足如下關系（即既不井涌也不井漏），即

Pp<

Pa＜

Pf

第一百五十七頁，共180頁。2.注水泥流變學設計（3）平衡壓力固井基本概念

要求對井下每一個地層都能保證滿足上述關系。顯然，防止井涌，高壓層是重點對象；防止井漏，則低壓易漏層是重點對象。在注水泥過程中，即使排量不變，由于進入環(huán)空的液體要發(fā)生變化（鉆井液、前置液、水泥漿），這些變化包括密度變化和/或流變性能變化，因此，對地層作用的環(huán)空流體壓力也會發(fā)生變化。第一百五十八頁，共180頁。2.注水泥流變學設計（3）平衡壓力固井基本概念

防止井涌，通過計算環(huán)空內(nèi)靜液壓力核算。一般情況下，水泥漿的密度高于鉆井液的密度，但前置液密度經(jīng)常低于鉆井液的（如采用清水作為沖洗液），因此，當前置液底部處于研究層位時，液體對地層作用的靜液壓力最小，以此條件來進行防井涌核算。防止井漏，通過計算環(huán)空內(nèi)動壓力（靜液壓力與流動摩阻壓降之和）核算。一般情況下，頂替終了時環(huán)空內(nèi)動壓力最大，以此條件進行核算。第一百五十九頁，共180頁。

平衡壓力固井設計是采用流變學理論，以防止固井漏