表层套管&技术套管&油层套管

井身结构设计一、套管的分类作用1、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）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）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）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。

一般在深井和超深井。

二、井身结构设计的原则1、有效地保护油气层；2、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•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：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/cm3井涌允量Sk；：0.05 ～0.08 g/cm3压差允值∆p；∆P N: 15～18 MPa ，∆P A：21～23 MPa 四、井身结构设计方法套管层次和下入深度设计的实质是确定两相邻套管下入深度之差，它取决于裸眼井段的长度。

在这裸眼井段中，应使钻进过程中及井涌压井时不会压裂地层而发生井漏，并在钻进和下套管时不发生压差卡钻事故。

设计前必须有所设计地区的地层压力剖面和破裂压力剖面图，图中纵坐标表示深度，横坐标表示地层孔隙压力和破裂压力梯度，皆以等效密度表示。

］井名词解释1.固井：在井内下入一定尺寸的套管，并在井壁与套管环空注入水泥的工艺流程。

2.固井质量：固井结果满足固井目的的程度。

3.低返：环空实际水泥面未达设计深度。

4.套管程序：一口井下入的套管层数、类型、直径及深度等。

5.表层套管：用于封固上部浅气层、坍塌层和流沙层，安装井口装置及悬挂依次下入的各层套管的套管。

6.技术套管：用于封隔不同的压力层系、封隔易坍塌及漏失层等技术复杂层位的套管。

7.生产套管：为生产层建立一条牢固通道、保护井壁、满足分层开采、测试及改造作业而下入的最后一层套管。

8.尾管：用于裸眼井段，乎悬挂在上层套管上而又不延伸到井口的套管。

9.套管强度：指套管承受外载能力的总和（包括抗挤强度、抗内压强度和抗拉强度）。

10.套管柱：由不同钢级、壁厚、材质和螺纹的多根套管所连接起来下入井中的管柱。

11.前置液：为提高水泥浆顶替钻井液的效率，在钻井液与水泥浆之间注入的一段“液体”。

12.注水泥：通过专用设备将一定密度的水泥浆注到井内的过程。

13.压胶塞：当注入的水泥浆数量达到设计要求时，将胶塞压入井内的过程。

14.替钻井液：用顶替液推动胶塞，将套管内的水泥浆替到套管外的环形空间的过程。

15.碰压：当顶替液量达到套管串浮箍以上的容积时，胶塞座在浮箍上，使套管内压力突然升高的现象。

16.套管试压：为了验证套管串的密封情况而进行的压力试验。

17.敞压候凝：试压结束后，将管内的压力释放掉，等待水泥浆凝结的过程。

18.顶替量：常规套管固井时浮箍以上套管串的内容积。

19.水泥返深：环空水泥面在井下的深度。

20.分级箍：在分级注水泥时，装在套管预定位置具有开启和关闭功能的特殊接箍。

21.浮箍：用于控制胶塞的下行位置并防止水泥浆倒流的装置。

22.浮鞋：引导套管柱顺利入井，减少下入阻力并防止钻井液倒流的装置。

23.尾管悬挂器：用来将尾管悬挂在上一层套管底部并进行注水泥的特殊工具。

24.水泥伞：装在套管下部防止水泥浆下沉的伞状物。

标准套管头安装使用程序1．下表层套管和固井前，调整表层下深，使得表层套管的井口第一根套管母接箍上端面与地平面间高度，再加上双公短节的长度（送井的双公短节长度在下表层前要丈量），能保证：无轨道钻机安装标准套管头后，法兰上端面高度低于地面20cm以上；有轨道钻机安装标准套管头后，法兰上端面与地平面持平。

2．表层固完井后侯凝6-8小时搞井口。

卸掉表层固井联顶节，装双公短节，再安装标准套管头（双公短节一端接第一根表层套管母扣，另一端接标准套管头下端母扣）；若高度太高，可不安装双公短节，直接卸掉表层第一根套管母接箍，直接安装标准套管头。

3．标准套管头内的防磨衬套必须安装在内（防磨衬套只能在完井下技术套管前用附带的专用取送工具从套管头内捞出），并上紧套管头顶丝，防止二开后钻具偏磨造成套管头内部结构磨损。

标准套管头安装好后，用紧扣法兰统一紧扣。

紧扣后，再安装占位法兰、钻井四通和封井器。

注意：固井后安装封井器时，必须选择合适的防溢管内径，要求防溢管通径、防溢管与封井器连接的保护法兰通径均大于套管悬挂器附件萝卜头的外径，以确保下技术套管时萝卜头能正常通过。

4．完井下技术套管前后操作程序。

（1）下套管前，取出套管头内的防磨套。

先松掉套管头顶丝，方钻杆接一根5〞钻杆单根至钻台面，钻杆公扣端连接好萝卜头专用取送工具，缓慢下入井口，下至防磨套上端面后，用链钳缓慢转动方钻杆，使取送工具落入防磨套卡槽，并继续转动，确保取送工具与防磨套卡槽卡牢，游车缓慢上提钻杆，提出防磨套。

（2）套管头试座挂。

计算好套管下深，套管编号，开始下套管前，按照萝卜头上所标识的方向，将萝卜头与最后一根套管母扣连接好并紧扣（有双公短节时，若双公短节与套管钢级一致，可使用双公短节连接套管与萝卜头，若无双公短节，需将最后一根套管母接箍卸掉后与萝卜头直接连接），接方钻杆后下入标准套管头内进行萝卜头试坐挂，并记录好联入。

若萝卜头在套管头座挂座上能可靠座挂，起出后将连接萝卜头的第一根套管整体绷下场地放置管架备用，并使用毛毡将萝卜头包好，防止胶皮破损。

井身结构及完井方法1井身结构所谓井身结构，就是在已钻成的裸眼井内下入直径不同、长度不等的几层套管，然后注入水泥浆封固环形空间间隙，最终形成由轴心线重合的一组套管和水泥环的组合。

如图1所示。

图1井身结构示意图1—导管；2—表层套管；3—技术套管；4—油层套管；5—水泥环1.1导管井身结构中靠近裸眼井壁的第一层套管称为导管。

导管的作用是：钻井开始时保护井口附近的地表层不被冲垮，建立起泥浆循环，引导钻具的钻进，保证井眼钻凿的垂直等，对于不同的油田或地层，导管的下入要求也不同。

钻井时是否需要下入导管，要依据地表层的坚硬程度与结构状况来确定。

下入导管的深度一般取决于地表层的深度。

通常导管下入的深度为2～40m。

下导管的方法较简单，是把导管对准井位的中心铅垂直方向下入，导管与井壁中间填满石子，然后用水泥浆封固牢。

1.2表层套管井身结构中的第二层套管叫做表层套管。

表层套管的下入深度一般为300～400m，其管外用水泥浆封固牢，水泥上返至地面。

表层套管的作用是加固上部疏松岩层的井壁，供井口安装封井器用。

1.3技术套管在表层套管里面下入的一层套管(即表层套管和油层套管之间)叫做技术套管。

下入技术套管的目的主要是为了处理钻进过程中遇到的复杂情况，如隔绝上部高压油(气、水)层、漏失层或坍塌层，以保证钻进的顺利进行。

下入技术套管的层次应依据钻遇地层的复杂程度以及钻井队的技术水平来决定。

一般为了加速钻进和节省费用，钻进过程中可以通过采取调整泥浆性能的办法控制复杂层的喷、坍塌和卡钻等，尽可能不下或少下技术套管。

下入技术套管的层次、深度以及水泥上返高度，以能够封住复杂地层为基本原则。

技术套管的技术规范应根据油层套管的规范来确定。

1.4油层套管油井内最后下入的一层套管称为油层套管，也称为完井套管，简称套管，油层套管的作用是封隔住油、气、水层，建立一条封固严密的永久性通道，保证石油井能够进行长时期的生产。

油层套管下入深度必须满足封固住所有油、气、水层。

石油钻井下套管操作规程5.1 下表层套管5.1.1 井眼准备（1）下套管前应进行大排量洗井，同时核查钻具长度，保证井眼深度正确无误。

（2）洗井工作一定要进行到钻井液各项性能指标均符合固井设计要求，井眼干净无沉砂才能起钻。

（3）起钻过程中及时灌好钻井液，防止井壁坍塌。

5.1.2 套管及工具准备（1）场地按标准检查每一根表套，并丈量长度。

清洗检查丝扣，戴好公扣护丝。

（2）将套管按下井顺序编号后将套管排列在管架及平滑道上，滚到大门坡道前，用“直套绳结”拴牢在距套管母扣1.5~2米处，戴上套管帽子，挂在气动绞车上。

（3）将套管引鞋、套管鞋等按规定顺序连接在套管公扣端。

（4）套管上钻台应在大门方向加挡绳，避免碰撞。

5.1.3 下表层套管操作（1）内钳工看外钳工手势，启动气动绞车，吊套管上大门坡道，待母扣端高出钻台面2米停止启动，外钳工摘套管帽及绳套。

（2）司钻待内外钳工将吊环推进吊卡耳内，插上吊卡销后，合低速离合器将空吊卡提离转盘面1.5 2米刹车。

（3）内外钳工配合司钻和猫头操作者，将吊卡扣在套管上，关上吊卡活门。

（4）经检查确认无误后，司钻合低速上提套管，此时内钳工应站在水龙头下或2号井架大腿处，外钳工站在靠近井架1号大腿一边。

（5）内外钳工上前扶稳套管，外钳工卸掉套管护丝。

（6）双钳将引鞋或套管鞋丝扣拧紧后用点焊法将其焊牢在套管上。

（7）司钻抬刹把，第一根套管入井。

内外钳工配合将吊环挂入空吊卡耳环内，插上保险销，重复以上动作将第二根套管提起至公扣高出母接头0.2米时刹车。

（8）内外钳工卸下护丝后，涂抹丝扣油，司钻慢抬刹把对扣。

（9）内外钳工托举旋绳至公扣端，绳头交于外钳工，内钳工用大钳咬紧在母扣接头上。

（10）旋绳上扣、大钳紧扣等操作同下钻程序。

双钳紧扣时，不留余扣。

（11）表层套管的沉砂口袋不得大于2m。

（12）下完套管，确保套管居中，套管中心和井口中心偏差不得大于10毫米。

（13）将大小头连接在套管与方钻杆之间，顶通钻井液循环两周，作好固表层准备。

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。

完井方法1、裸眼完井裸眼完井是油气井套管下至到生产层顶部然后固井，生产层段完全裸露，油气流动效率高，一般分为先期裸眼完井、后期裸眼完井。

先期裸眼完井是钻头钻至油层顶界附近后，下套管柱水泥固井。

水泥浆上返至预定设计高度后，再从套管中下入直径较小的钻头，钻穿水泥塞，钻开油层至设计井身完井。

先期裸眼完井示意图1—表层套管2—生产套管3—水泥环4—裸眼井壁5—油层后期裸眼完井方式是不更换钻头，直接钻穿油层至设计井深，然后下套管至油层顶界附近，注水泥固井。

固井时，为防止水泥浆损害套管鞋以下的油层，通常在油层段垫砂或者换入低失水、高粘度的钻井液，以防水泥浆下沉。

后期裸眼完井示意图1－表层套管2－生产套管3－水泥环4－套管外封隔器5－井眼6－油层先期裸眼比后期裸完经优越在于：排除了上部地层的干扰，为采用清水或符合产层特点的洗井液打开油气层创造了条件；缩短了洗井液对对产层的浸泡时间，减少油气层污染；钻开产层后，如遇到复杂情况，可将钻柱起到套管内进行处理；消除高压油气层对固井质量带来的影响。

优点：1)油层完全裸露，整个油层段井径都可以开采；2)成本预算低；3)气井完善系数高；4)储层不受水泥浆侵蚀伤害，减少油气层污染；5)一般不需要射孔，减少射孔污染；6)井眼容易再加深，并可转为衬管完井；后期采用砾石充填可保持高产。

缺点：1)生产过程时容易产生井壁坍塌、堵塞、埋没或者部分埋没生产层；2)气井后期的修井工作艰难；3)不利于分层测试和开采；增产措施效率低长裸眼井段不利于实施分段酸化、分段注水；4)不能克服井壁垮塌和油层出砂对油井生产的影响；5)不能产层范围内不同压力油、气、水层的相互干扰；6)先期裸眼完井在未打开油气层时就固井，对油层情况还不够清楚，7)打开油气层时遇到特殊情况，会给钻井和生产造成麻烦；8)后期裸眼完井不能消除泥浆对产层的污染。

适应地质条件：1)岩性坚硬、致密，井壁稳定不易坍塌的碳酸岩盐岩、砂岩储层；2)单层开采的储层或岩性一致的多层储层；3)无气顶、无底水、无含水夹层及易跨塌的夹层储层；4)不需要实施分隔层段及选择性处理的油层。

1、套管基本知识
海洋油气田开发工程中常规的套管程序包括：隔水导管、表层套管、中间技术套管(1～3层，视井深和工程情况而定)和生产套管。

生产套管(又称油层套管)是为地下储集层中的石油或天然气流至地面创造良好的流动通道,用以保护井壁、隔离各层流体，以利于油气井分层测试、分层开采和分层改造。

按照API标准划分，API 准套管有十个钢级，即H40、J55、K55、T95、N80、C90、C95、L80、P110、125Q。

API规范中，钢级代号后面的数值乘以6894．757kPa(1000psi)，即为套管以kPa(或psi)为单位的最小屈服强度。

这一规定除了极少数例外，也适应于非API 标准的套管，非API 标准套管是根据钻井和采油工程需要而超出API 标准的进一步发展。

API 套管钢级的强度指标表
非API 标准套管各种钢级的强度指标表
常见套管螺纹扣型分类：
螺纹最高泄漏压力（Mpa）
硫化氢使钢体脆性断裂，即发生氢脆，在低温下API 高强度钢中氢脆现象更严重，而非API钢级套管如NKK 系列套管较宜于有硫化氢存在的环境下使用。

在存在CO2环境下宜选用API 无缝钢管而不宜选用电阻焊钢管，或选用抗腐蚀合金钢如Cr不锈钢管。

2、API 油管相关知识
根据油管的强度，API 油管以分为H40、J55、N80、L80、C90、T95 和P110，共七个钢级。

钢级代号的物理意义跟套管钢级中的规定相同。

数字越大，表示该钢级油管的强度越高。

油管钢级颜色标记见下表。

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。

表层套管及有放气管井取换套技术1小表层套管套损井取换套工艺1.1套铣参数钻压：钻压为40～100KN。

排量：1.2～16m3/min。

转速：500m以下,70～90r/min；500m～650m,60～80r/min；650m以上,50～80r/min。

三参数匹配值见表1和表2。

表1套铣头参数选择表井段m钻压KN转数r/min排量m3/min300以上30～40100 1.4～1.6300～55040～6070～90 1.4～1.6 550～水泥返高60～8060～80 1.4～1.6水泥返高以下80～10050～80 1.4～1.6水泥面控制器、扶正器、变点40～5040～60 1.2～1.5表2喇叭口套铣头参数选择表井段m钻压KN转数r/min排量m3/min 套损部位、水泥面控制器、扶正器30～4070～90 1.0～1.2套损部位以下5～10m80～10050～80 1.2～1.51.2取出牺牲阳极保护器大庆油田采油六厂和采油三厂有一部分井为了防止浅层套管腐蚀，完井时在地面以100m的油层套管上连接10个外径为φ165mm牺牲阳极保护器。

套铣筒内径φ172mm，与保护器之间的环隙只有7mm，致使套铣速度慢，憋泵严重。

解决这一问题的方法是套铣之前先将保护器取出，然后再套铣。

为了防止丢鱼头，切割打捞工具下部接加长管柱，使套管内始终留有示踪。

取出保护器后下引鱼管柱，使油层套管顺利进入套铣筒。

1.3套铣水泥面控制接头水泥面控制器是采油厂为了控制水泥返高，要求完井下套管时下的一种水泥面控制工具，其外径φ200mm，本体上镶焊硬质合金，与套管连接处有没有水泥封固的套管扶正器。

套损点位于水泥面控制接头以下时，需要套铣水泥面控制接头。

套铣水泥面控制接头需要专用的套铣钻头，常规的套铣钻头是不能胜任的。

专用套铣头是一种集套铣岩层、水泥环和套管扶正器、水泥面接头器为一体的多功能套铣钻头，结构尺寸为：φ245mmxφ170mmx350mm。

、石油套管1）定义：石油套管是用于支撑油、气井井壁的钢管，以保证钻井过程进行和（1完井后整个油井的正常运行。

每一口井根据不同的钻井深度和地质情况，要使用几层套管。

套管下井后要采用水泥固井，它与油管、钻杆不同，不可以重复使用，属以上。

套管按使用情70%于一次性消耗材料。

所以，套管的消耗量占全部油井管的况可分为：导管、表层套管、技术套管和油层套管。

保护表层石油套管 - （2）分类：在石油开采过程中使用的不同类型的套管：钻井，使其避免受浅水层及浅气层污染，支撑井口设备并保持套管的其他层重量。

以- 分隔不同层面的压力，以便钻液额度正常流通并保护生产套管，技术石油套管将石油层石油套管（生产套管） - 便在钻井内安装反爆裂装置、防漏装置及尾管。

油和天然气从地表下的储藏层里导出，用于保护钻井，将钻探泥浆分层。

石油套管毫米。

生产时，外径通常为毫米到508导套：主要用于海洋、沙漠中钻井，用以隔开海水和砂子，保证钻井顺利①进行，这层套管的主要规格为：?762mm(30in ) ×、?762mm(30in) ×。

表层套管：主要用于第一次开钻，钻开地表松软地层到基岩，为了封隔这②：要主规格固封。

表层套管的管用坍地部分层不致塌，需表层套进行等。

下管深度取决于(9-5/8in)、、(16in)(13-3/8in)、(10-3/4in)、508mm(20in)K5580~1500m。

其承受的外压和内压都不大，一般多采用松软地层的深度，一般为N80钢级。

钢级或③技术套管：用在复杂地层的钻进过程中，当遇到坍塌层、油层、气层、水层、漏失层、盐膏层等复杂部位时，都需要技术套管封固，否则钻井就无法进行。

有的井地层深而复杂，而且下井深度达数千米，这种深井需要下好几层技术套管，其力N80学性能和密封性能要求都很高，采用的钢级也较高，除K55以外，更多是采用。

技术套管的主钢级，有些深井还采用P110Q125甚至更高的非API钢级如V150和(7in)、、(8-5/8in)、(7-?5/8in)?(10-3/4in)要规格有：(13-3/8in)、、(9-5/8in)等，需用油层套管将油气层(含油、气的层位)?④?油层套管：当钻井钻到目的层及上部裸露地层全部封住，油层套管内部是油管。