套管柱设计

第二节套管设计的力学基础一、套管设计的力学基础1.压力法定计量单位规定，压力是作用在每平方米面积上以N(牛顿)为单位的力，国际单位为MPa，英制单位为psi。

横截面积为1m2时的lm高的液柱，作用在底部的压力数值上等于体积为1m3液体的重力。

2.静水压力由均质流体作用于一点处的压力。

静水压力是一种全方位的力，各个方向大小均匀一致。

静水压力增大，会使受力物体的体积缩小，但不会改变其形状。

某点的静水压力等于作用玉该点以上无附加压力液柱重量。

如钻井液密度为×103k g/m3，重力加速度为s2，则在3000米井深位置的静水压力为p=×103×3000×10=(2-1-1)3.静水压力梯度某点的静水压力梯度等于此点的静水压力除以深度，也等于液柱密度乘以重力加速度，单位为MPa/m，常用g/cm3表示，数值等于钻井液密度。

某井，在3000米处压力为，钻井液密度为×103k g/m3，则静水压力梯度为静水压力梯度=3000=m=cm34.浮力浮力是由套管钢材所排开的液体体积产生的力。

该力作用在套管底部，方向向上。

一般情况下，浮力在数值上等于套管底部的静水压力乘以套管的横截面积,按下式计算（单位kN）。

浮力=-10γc L A s(3-2-1)式中γc一一压力梯度，g/cm3；L一一套管深度，m；A s一一管体横截面积，m2。

例：深度为1000m的(7in)，平均重为m的套管柱，在密度为cm3的钻井液中的浮力是多少？浮力=-10×钻井液密度×1000××10-4=在井内充满钻井液的套管柱，钻井液浮力作用在套管下部，产生向上的压应力。

作用在套管柱上的轴向拉力随套管长度增加，在井口轴向拉力最大。

如套管在空气中，则浮力为零，底部轴向应力也为零。

上述情况的轴向应力分布如图3-2-1所示。

浮力随套管深度而变化，在顶部的最大轴向载荷等于套管浮重，下套管时轴向应力计算是以浮重为基础的(见图3-3。

课程编号：中国石油大学（北京）远程教育学院《完井工程》期末复习题学习中心：姓名：学号：专业：考场号：座位号：一、名词解释1. 泥侵2. 井身结构3. 后期裸眼完井4. 射孔孔眼参数5. 石油井口装置6.地应力7.水浸8.水灰比9.水泥浆稠化时间10.窜槽11.射孔12.正压射孔13.完井14. 出砂15.砂桥16.端部脱砂二、判断正误（正确的打√，错误的打×）1.地应力是地壳外部作用力（）2.轴向拉力作用下，套管的抗外挤强度提高（）3.套管柱的设计通常是由下而上分段设计的（）4.通常用套管的抗滑扣力表示套管的抗拉强度（）5.中间套管的作用主要是封隔地表浅水层及浅部疏松和复杂层安装井口（）6.固井时前置液的作用是将水泥浆与钻井液隔开（）7.无枪身射孔器的使用容易受到井下温度、压力的影响（）8.铅模通井应该快速下钻（）9.套管头用来安装采油树的井口装置（）10.偏心配水器可保持管柱有较大的通道，便于井下工具通过（）11.套管所受轴向拉力一般在井口最大。

（）12.由拉应力引起的破坏形式：本体被拉断、脱扣（）13.外挤作用下破坏形式有失稳破坏和强度破坏（）14.通常以套管鞋处的地层破裂压力值确定井口内压力。

（）15.以井口装置承压能力作为套管在井口所受的内压力。

（）16.API套管系列中的抗硫套管有:H K J C L级套管。

（）17.套管柱设计表层套管的设计特点：主要考虑内压载荷。

（）18.套管柱设计技术套管的设计特点：既要高抗内压强度，又要抗钻具冲击磨损。

（）19.套管柱设计油层套管的设计特点：上部抗内压，下部抗外挤。

（）20.大位移井是指井的水平位移与垂深之比等于或大于2的定向井。

大位移井具有很长斜度稳斜段，大斜度稳斜角大于60°（）21.射孔器按结构可以分两类：有枪身射孔器和无枪身射孔器。

（）22.裸眼完井法是国内外最为广泛的一种完井方法。

（）23.表层套管柱设计时主要考虑抗拉载荷（）24.地层流体高于临界流速时容易形成砂桥（）25.水泥面以下套管强度计算时应考虑双向应力影响（）26.砾石充填完井法是国内外最为广泛的一种完井方法（）27.偏心配水器相对于常规配水器可以增加内通孔直径（）28.在加重钻井液中，无枪身射孔器比有枪身射孔器更容易下井（）29.套管轴向拉力一般井底最大（）30.油管头上法兰以上的所有装备称为采油树（）三、不定项选择题（每题3分，共24分）1.井身结构中常见的套管的分类有A.表层套管B.中间套管C.生产套管D.尾管（衬管）2.储层流体包括A.油B.岩石C.气D.水3.套管受力分析中，主要考虑：A.轴向拉力B.外挤压力C.振动载荷D.内压力4.井身结构设计的主要依据是A.地应力剖面B.地层压力剖面C.地层破裂压裂压力剖面D.产层压力剖面5.引起套管腐蚀的主要介质有：A.气体或液体中的硫化氢B.溶解氧C.二氧化碳D.地层水6.注水泥目的：A.固定套管B.稳定井壁C.封隔井内的油气水层D.保护油气层7.对油井水泥的基本要求：A.配浆性好，在规定时间内保持流动性。

套管柱结构与强度设计套管柱结构是石油工程中常用的一种结构形式，它由多个套管组合而成，通常用于油井的钻探和生产过程中。

套管柱的设计需要考虑到其承受外部压力和内部流体压力时的强度问题，以确保其能够在复杂的地质条件下安全地运行。

首先，我们需要了解套管柱结构的基本组成。

一般来说，套管柱由多个套管和接头组合而成。

每个套管都有自己的内径、外径、壁厚等参数，而接头则用于连接不同大小或类型的套管。

在实际应用中，还需要考虑到其他因素如防腐、防爆等问题。

接下来，我们需要考虑到套管柱在承受外部压力时所需具备的强度。

这主要包括两个方面：弯曲强度和挤压强度。

对于弯曲强度来说，我们需要计算出套管在受到侧向载荷时所能承受的最大应力值。

这需要考虑到材料本身的性质、壁厚、长度等因素，并采用相关公式进行计算。

同时，在实际应用中，还需要考虑到套管的支撑方式、地质条件等因素。

对于挤压强度来说，我们需要计算出套管在承受内部流体压力时所能承受的最大应力值。

这同样需要考虑到材料本身的性质、壁厚、长度等因素，并采用相关公式进行计算。

同时，在实际应用中，还需要考虑到套管的接头、防爆措施等因素。

除了以上两个方面，我们还需要考虑到套管柱在复杂地质条件下所需具备的其他强度。

例如，在遇到断层或者地震等情况时，套管柱需要具备足够的抗震和抗变形能力。

这需要在设计时考虑到不同情况下套管柱结构的变化和调整。

总之，套管柱结构设计是石油工程中非常重要的一环。

它不仅涉及到工程安全和效率问题，还涉及到环境保护和资源利用问题。

因此，在进行设计时，我们需要充分考虑各种因素，并采用科学合理的方法进行计算和优化。

只有如此，才能确保套管柱结构在实际应用中具备足够的强度和稳定性。

常规压力钻井的套管柱分为：导管、表层套管、技术套管（中间套管）、油层套管（生产油管）等。

表层固井通常使用20~13 3/8英寸的套管，多数是采用钢级低的“J”级套管。

技术套管通常使用13 3/8~7英寸的套管，采用的钢级较高。

油层套管固井通常使用7~5英寸的套管，钢级强度与技术套管相同。

一、套管深度设计1、套管层次和下入深度的确定1）液体压力体系的压力梯度分布套管层次和下入深度是以力学为基础的，因此首先要分析井内压力体系的压力梯度分布。

2）最大泥浆密度ρmax某一层套管的钻进井段中所用的最大泥浆密度和该井段中的最大地层压力有关。

即： ρmax=ρpmax+S b （4）式中 ρmax ——某层套管钻进井段中所用最大泥浆密度，g/cm3；ρpmax ——该井段中的最大地层孔隙压力梯度等效密度，g/cm3；S b ——抽吸压力允许值，g/cm3。

3）最大井内压力梯度ρB为了避免将井段内的地层压裂，应求得最大井内压力梯度。

在正常作业时和井涌压井时，井内压力梯度有所不同。

（1）正常作业情况最大井内压力梯度发生在下放钻柱时，由于产生激动压力而使井内压力升高。

如增高值为S g ，则最大井内压力梯度ρBr 为：ρBr=ρmax+S g （5）（2）发生井涌情况（关封井器并加回压）为了平衡地层孔隙压力制止井涌而压井时，也将产生最大井内压力梯度。

压井时井内压力增高值以等效密度表示为S b ，则最大井内压力梯度等效密度ρBk 为：ρBk=ρmax+S k （6）但（6）式只适用于发生井涌时最大地层孔隙压力所在井深H pmax 的井底处。

而对于井深为H n 处，则：由上式可见，当H n 值小时（即深度较浅时）ρBk 值大，即压力梯度大，反之当H n值大（7）时，ρBk 小。

如图3-8-1-2所示。

ρak 值随H n 变化呈双曲线分布。

为了确保上一层套管鞋处裸露地层不被压裂，则应有：ρBr=ρf －Sf或 ρBk=ρf －Sf （8）式中 ρf ——为上一层套管鞋处薄弱地层破裂压力等效密度值，g/cm3；Sf ——地层压裂安全增值，g/cm3。

井身结构包括套管层次和下入深度以及井眼尺寸（钻头尺寸）与套管尺寸的配合。

井身结构设计是钻井工程设计的基础。

一、套管柱类型（1） 表层套管；（2） 中间套管（技术套管）（3） 生产套管（油层套管）（4） 尾管。

二、井眼中压力体系在裸眼井段中存在着地层孔隙压力、泥浆液柱压力、地层破裂压力。

三个压力体系必须同时满足于以下情况：p m f p p p ≥≥ （1－1） 式中 f p －地层的破裂压力，MPa ；m p －钻井液的液柱压力，MPa ；p p －地层孔隙压力，MPa 。

即泥浆液柱压力应稍大于孔隙压力以防止井涌，但必须小于破裂压力以防止压裂地层发生井漏。

由于在非密闭的洗井液压力体系中（即不关封井器憋回压时），压力随井深是呈线性变化的，所以使用压力梯度概念是较方便的。

式（1－1）可写成：p m t G G G ≥≥ （1－2）式中 t G －破裂压力梯度，MPa/m ；m G －液柱压力梯度，MPa/m ；p G －孔隙压力梯度，MPa/m 。

一、井身结设计所需基础资料（一） 地质资料（1） 岩性剖面及事故提示（2） 地层压力数据（3） 地层破裂压力数据（二） 工程资料（1） 抽吸压力与激动压允许值（g b S S 与）各油田应根据各自的情况来确定。

（2） 地层压裂安全增值（f S ）。

该值是为了避免将上层套管鞋处地层压裂的安全增值，它与预测破裂压力值的精度有关，可以根据该地区的统计数据来确定。

以等效密度表示g/cm 3。

美国现场将f S 取值为0.024，中原油田取值为0.03。

（3） 井涌条件允许值（k S ）。

此值是衡量井涌的大小，用泥浆等效密度差表示（用于压井计算，另一种计量方法是以进入井眼的流体的总体积来表示，多用于报警）。

美国现场取值为0.06。

该值可由各油田根据出现井涌的数据统计和分析后得出。

中源油田将k S 值定为0.06~0.14。

（4） 压差允值（a N P P ∆∆与）。

裸眼中，泥浆液柱压力与地层孔隙压力的差值过大，除使机械钻速降低外，而且也是造成压差钻的直接原因，这会使下套管过程中，发生卡套管事故，使已钻成的井眼无法进行地固井和完井工作。

第二部分固井基础知识第一章基本概念1、什么叫固井？固井是指向井内下入一定尺寸的套管串，并在其周围注以水泥浆，把套管与井壁紧固起来的工作。

2、什么叫挤水泥？是水泥浆在压力作用下注入井中某一特定位置的施工方法。

3、固井后套管试压的标准是什么?5英寸、5 1/2英寸试压15MPa，30分钟降压不超过 0.5MPa,7英寸，9 5/8英寸分别为10MPa和8MPa，30分钟不超过0.5MPa；10 3/4—13 3/8英寸不超过6MPa，30分钟压降不超0。

5MPa。

4、什么叫调整井？为挽回死油区的储量损失，改善断层遮挡地区的注水开发效果以及调整平面矛盾严重地段的开发效果所补钻井叫调整井.5、什么叫开发井?亦属于生产井的一种，是指在发现的储油构造上第一批打的生产井。

6、什么叫探井？在有储油气的构造上为探明地下岩层生储油气的特征而打的井。

7、简述大庆油田有多少种不同井别的井？有探井、探气井、资料井、检查井、观察井、标准井、生产井、调整井、更新井、定向井、泄压井等。

8、什么叫表外储层？是指储量公报表以外的储层（即未计算储量的油层).包括：含油砂岩和未划含油砂岩的所有含没产状的储层。

9、固井质量要求油气层底界距人工井底不少于多少米？探井不少于多少米？固井质量要求,调整井、开发井油、气层底界距人工井底不少于25米（探井不少于15米）.10、调整井（小于等于1500米）按质量标准井斜不大于多少度？探井（小于等于3000米）按质量标准井斜不大于多少度？调整井按质量标准井斜不大于3度。

探井按质量标准井斜不大于5度.11、调整井（小于等于1500米)井底最大水平位移是多少？探井（小于等于3000米）井底最大水平位移是多少?调整井井底最大水平位移是40米。

探井井底最大水平位移80米。

12、目前大庆油田常用的固井方法有哪几种？（1）常规固井（2）双密度固井(变密度固井）(3）双级注固井（4）低密度固井（5)尾管固井13、目前大庆油田形成几套固井工艺？（1)多压力层系调整井固井工艺技术。