一口井套管柱设计大作业

[套管柱及注水泥设计]——井身结构设计具课件 (一)套管柱及注水泥设计——井身结构设计具课件在石油采掘行业中，钻井是至关重要的一步。

在钻井时，为了保障井壁稳定，防止钻头卡在井内，需要进行套管柱及注水泥设计，这是井身结构设计中的一项重要内容。

下面我们来详细探讨一下。

一、什么是套管柱及注水泥设计？套管柱及注水泥设计是指钻井过程中，根据井深、岩层特性、井口直径等因素，确定需要采用的套管类型及尺寸，以及设计注水泥分层的深度和泥浆配制。

二、套管柱的设计套管是沿着井壁下降的钢管，一般分为衬、外、段、封四种类型。

套管的设计需要根据以下因素来确定：1、井深和井口直径：井深越深，套管直径就需要越大；井口直径越大，套管直径就可以相应调整，但是要注意防止套管卡在井口。

2、岩层特性：岩层强度越大，套管壁厚度就需要越厚；岩层中存在易崩塌的层位时，需要选择合适的套管接头类型和安装方式，避免井壁坍塌。

3、井下环境：井下环境复杂，可能存在高温、高压、腐蚀等影响套管使用寿命的因素，需要选择具有耐腐蚀、耐高温、耐压试验等性能的材料。

三、水泥注入设计注水泥分为塞钻泥浆、中间泥浆、油层泥浆和终水泥浆四种类型，需要根据井壁状态、砂层特性、油层渗透性等因素来确定深度和配比。

1、塞钻泥浆：用于堵住井口以下的空隙，避免钻头卡在井内。

2、中间泥浆：在套管上端注入，用于加固套管与井壁间的空隙。

3、油层泥浆：在沉积物基质与岩石之间的空隙中注入，既可以防止油层水进入钻井中，也避免有害物质进入油层。

4、终水泥浆：用于井壁加固和产层保护，需要从井底开始注入，注入深度通常为井深的70%~90%。

设计注水泥分层的深度和泥浆配合是一个复杂的过程，需要综合考虑各种因素，设计出既能防止井壁坍塌又能产生良好的水泥固化效果的注水泥方案。

本文简单介绍了套管柱及注水泥设计——井身结构设计具课件的相关内容和设计原理，涉及到的专业知识比较复杂，需要根据实际情况做出详细的设计方案。

已知数据井深D=3233.3 m 钻井液密度ρd=1.15 g/cm3套管外径d=139.7mm 油管线重q=25.3 Kg/m 水密度ρW =1.0 g/cm3抗外挤强度Sc=43.3 MP 抗拉强度St=1548 KN抗内压屈服强度Si=53.4 MP 管体屈服强度1766 KN各安全系数：抗外挤强度Sc=1.0 抗拉强度St=1.8N抗内压屈服强度Si=1.1强度校核1. 校核抗外挤强度井底外挤压力最大Poc=9.81×ρd×D×10-3=9.81×1.15×3233.3×10-3=36.48 KPSc=σ/ Poc=43.3/36.48=1.19＞1.0符合要求Poc—套管外挤压力，kPa；D —计算点深度，m；ρd—管外钻井液密度，g/cm3；2. 校核抗拉强度井口处受拉应力最大Fo=q×L×10-3=25.3×9.81×3233.3×10-3=802.48 KNSt=σ/ Fo=1548/802.48=1.93 ＞1.8符合要求Q—套管单位长度的名义重力，N/m；L—套管长度，m；Fa—井口处套管的轴向拉力，KN；3.校核抗内压强度关井时井口最易受内压力破坏此时井口压力等于井底压力（净水柱压力）Pgas=9.81×ρW×D×10-6=9.81×1000×3233.3×10-6=312.72Pi=P gas/e1.1155×10-4GD= P gas/e0.00011155GD=31.10Si=Pri/Pi=53.4/31.10=1.72＞1.1符合要求Pgas —井底天然气压力， MPa；Pi—井口内压力，MPa；D—井深，m；G—天然气与口气密度之比，一般取0.55；4.对油管水泥返高处进行抗外挤强度校核Pcc=Pc×（1.03-0.74×Fm/Fs）=43.3×（1.03-0.74×802.48/1766）=30.04 MPSc=σ/ Pcc=43.3/30.04=1.44＞1.0Pcc—存在轴向拉力时的最大允许抗外挤强度，MPa；Pc—无轴向拉力时套管的强度外挤强度，MPa；Fm—轴向拉力，kN；Fs—套管管体屈服强度 kN；；。

⼀⼝井套管柱设计完井⼯程⼤作业⼆⼀⼝井套管柱设计班级：油⼯101学号：004姓名：王涛课程：完井⼯程任课教师：孙展利1基本数据1)井号：⼴斜-1井；2)井别：开发井；3)井型：定向井3井⾝结构如图所⽰4套管柱设计有关数据和要求表层套管：下深150m，外径Φ339.7mm，⼀开钻井液密度1.1g/cm3，防喷器额定压⼒21Mpa,安全系数:抗挤S c=，抗拉S t=，抗内压S i=。

要求表层套管的抗内压强度接近防喷器的额定压⼒，套管钢级⽤J-55，套管性能见下表。

油层套管：下深3574m，外径Φ139.7mm，⼆开最⼤钻井液密度1.32g/cm3，安全系数:抗挤S c=，抗拉S t=(考虑浮⼒)，抗内压S i=。

由于地层主要为盐岩、泥岩，易塑性流动和膨胀，外挤载荷要求按上覆岩层压⼒的当量密度2.3g/cm3来计算，按直井(井斜⾓⼩)和单向应⼒来设计，套管钢级选N-80、P-110。

要求要有明确的步骤和四步计算过程(已知条件、计算公式、数据带⼊、计算结油层套管设计：已知条件：= cm3，安全系油层套管下深H=3574m，外径Φ139.7mm，⼆开最⼤钻井液密度ρm数:抗挤Sc =，抗拉St=(考虑浮⼒)，抗内压Si=。

上覆岩层压⼒的当量密度ρo=cm3，按直井(井斜⾓⼩)和单向应⼒来设计，解：根据题⽬要求，本定向井按照直井(井斜⾓⼩)和单向应⼒来设计，根据题⽬要求外挤载荷要求按上覆岩层压⼒的当量密度ρo=2.3g/cm3来计算第⼀段套管设计：1.计算第⼀段套管应具有的抗挤强度（即第⼀段套管底端的抗挤强度）1）按抗挤强度设计第⼀段套管，因为套管底端的外挤压⼒最⼤，所以以套管底端的外挤压⼒作为第⼀段套管应具有的抗挤强度，按全掏空计算井底外挤压⼒，P b =*ρo*H=**3574=2）第⼀段套管应具有的抗挤强度应为P c1= Pb*Sc=*=2.根据第⼀段套管应具有的抗挤强度，查套管性能表选⽤P-110，壁厚套管，其抗挤强度为Pc’= Mpa，抗拉强度为Tt1=，重量W1=m第⼆段套管设计：1. 第⼀段套管的顶截⾯位置取决于第⼆段套管的可下深度，第⼆段套管选⽤抗挤强度⽐第⼀段套管低⼀级的套管，查套管性能表可选P-110，壁厚套管，其抗挤强度为Pc’’= MPa，抗拉强度Tt2=，重量为W2=m2. 按抗挤强度计算第⼆段套管的可下深度：H 2= Pc’’/*ρo* Sc)=**=3023m3.实际套管因为是10m⼀根，因此要对可下深度取整，再加上数据误差的安全考虑，实际第⼆段套管的深度为H2=3000m，则第⼀段套管的段长为L1=3574-3000=574m4.校核第⼀段套管的安全系数：1）校核第⼀段套管的抗挤安全系数第⼀段套管实际抗挤安全系数为：S c1= Pc’/ Pb==>(安全)2）校核第⼀段套管的抗拉安全系数（因为套管上端受到的拉⼒最⼤，所以第⼀段套管的拉⼒强度就是第⼀段套管上端所受的拉⼒）①计算第⼀段套管的浮⼒系数Bf=1-ρm/ρs==②计算第⼀段套管的段重（空⽓中）T 1=L1*W1=574*=③计算第⼀段套管的浮重（钻井液中）T 1’= L1*W1*Bf=574**=④第⼀段套管的抗拉系数（题⽬要求考虑浮⼒影响，因此⽤浮重计算）S t1= Tt1/ T1’==>（安全）第三段套管设计：1.第⼆段套管的顶截⾯位置取决于第三段套管的可下深度，第三段套管选⽤抗挤强度低⼀级的套管，查套管性能表可选P-110，壁厚套管，其抗挤强度为Pc’’’=MPa，抗拉强度Tt3=，抗内压强度Pi= Mpa，重量W3= KN/m2.按抗挤强度计算第三段套管的可下深度：H 3= Pc’’’/*ρo* Sc)=**=3.由于第三段套管要承受其下第⼀段和第⼆段套管的重量，其抗挤强度下降，因此要减少第三段套管的下⼊深度，另外在取整的前提下考虑⼀定的安全误差，我们假设第三段套管实际下⾄H3=1900m，则第⼆段套管的段长为L 2= H2- H3=3000-1900=1100m4. 校核第⼆段套管的安全系数：1）校核第⼆段套管的抗挤安全系数第⼆段套管实际抗挤安全系数为：（下端⾯）S c2= Pc’’/*ρo*H2)=**3000)=>(安全) 2）校核第⼆段套管的抗拉安全系数（上端⾯）①计算第⼆段套管的浮⼒系数B f =1-ρm/ρs==②计算第⼆段套管的段重（空⽓中）T 2= L2*W2=1100*=③计算第⼆段套管的浮重（钻井液中）T 2’= L2*W2*Bf=1100**=④第⼆段套管上端⾯的拉⼒（钻井液中）T 1’+ T2’=+=⑤第⼆段套管的抗拉系数（题⽬要求考虑浮⼒影响，因此⽤浮重计算）S t2=Tt2/( T1’+ T2’)= +=>(安全)5. 校核第三段套管的安全系数：1）校核第三段套管的抗挤安全系数第三段套管实际抗挤安全系数为：（下端⾯）S c3= Pc’’’/*ρo*H3)=**1900=>(安全)2）校核第三段套管的抗拉安全系数（上端⾯）①计算第三段套管的浮⼒系数B f =1-ρm/ρs==②计算第三段套管的段重（空⽓中）T 3= H3* W3=1900*=③计算第三段套管的浮重（钻井液中）T 3’= H3* W3f=1900**=④第三段套管上端⾯的拉⼒（钻井液中）T 1’+ T2’+T3’=++=⑤第三段套管的抗拉系数（题⽬要求考虑浮⼒影响，因此⽤浮重计算）S t3=Tt3/( T1’+ T2’+T3’)= ++==>(安全)6.由校核数据可知第三段套管的抗拉系数已经接近题⽬要求的最⼩抗拉系数，因此我们设计三段套管，第三段套管即为最后⼀段油层套管，延伸⾄井⼝。

《管柱力学》大作业报告1.问题描述编制一个利用软模型计算摩阻扭矩的程序，已知参数如下：（1）钻柱：φ158.75mm钻铤（内径φ57.15mm，线重135.11kg/m）200m+φ127钻杆（内径φ108.6mm，线重29.03kg/m）（2）井眼轨迹（3）摩阻系数取0.25，滑动钻进工况下钻压30kN，钻头扭矩2kN-m；旋转钻进工况下钻压50kN，钻头扭矩3.5kN-m要求：①计算出起钻、下钻、滑动钻进和旋转钻进四种工况下的井口轴向力、摩阻和井口扭矩；②根据你对降摩减扭的认识，提出一种降摩减扭的方法，通过对比采用该降摩减扭方法前、后摩阻扭矩的大小来说明其有效性。

2.编程思路1)首先将题目表格中数据导入到matlab一个矩阵变量中便于后续的处理2)由于钻柱分钻铤和钻杆两部分，线重不相同，因此要将钻铤和钻杆分开考虑，首先确定钻杆与钻铤的交界点深度，根据定向井中的轨迹计算方法，利用插值法在交界点增加一个数据点。

3)利用课件中的软模型将每一测段作为一微元段进行研究，利用微元浮重和下端轴向力计算每个微元的接触正压力（Nn、Nb），摩阻力（F），扭矩（M）和上端轴向力。

每一微元段的上端轴向力等于上一段微元的下端轴向力，按照此方法从井底逐渐向井口迭代，按不同工况进行计算，得到起钻、下钻、滑动钻进、旋转钻进四种工况下井口轴向力、摩阻和井口扭矩的数值。

4)将起钻、下钻、滑动钻进、旋转钻进四种工况下井口轴向力、摩阻和井口扭矩深度的关系绘制出相应曲线3.程序演示（1）程序运行计算得到起钻、下钻、滑动钻进和旋转钻进工况下的井口轴向力分别为10919.83KN 755.717KN 732.811KN 854.634KN。

曲线如图3-1所示。

(2)程序运行计算得到起钻、下钻、滑动钻进和旋转钻进工况下的井口扭矩分别为0KN*m 0 KN*m 0 KN*m 1.3223KN*m。

曲线如图3-1所示。

(3)程序运行计算得到起钻、下钻、滑动钻进工况下的摩阻力分别为18.7349KN 148.916KN 141.822KN。

一口复杂井大修施工方案一、初次套管处理经过2006年6月，该井完钻后正常固井，固井刚完成发生套外井喷，井架整体下陷并发生倾斜，井架底座全部没入地表，经过及时采取措施控制住了井喷，并把地面部分井架拆卸移走。

投产做压准下封隔器时发现距井口10米处封隔器下不去，找钻井队处理，钻井队雇人用钩机挖开一个10余米深的一个大坑，露出第一根套管和第二根套管的1米多部分，第二根套管上部本体被井架底座顶部的槽钢顶弯，施工人员卸下第一根套管，割掉施力井架底座的槽钢，把第二根套管的上部1.2米左右用火焊切割掉，重新焊上相同长度的一截新套管，然后又接上一根新套管，回填土方至原样（注：在我们到现在时没有看到表套）。

后来再次投产施工，封隔器还是下不去，我们怀疑第二根套管本体中下部还有被井架底座顶变形的地方，当时该井旁边还有一口新井待投产，又逢雨季，领导决定先回填大坑，施工下一口井，因此该井作为遗留问题一直搁置至今。

来源某公司信息：2013年3月份，某小修作业队下入27/8″TBG油管至井底，下入时没有遇阻现象，起出时，发现油管串几乎全部变弯。

二、基本数据（简介）2006年1月6日开钻，完钻日期为20061月12日。

钻头程序：∮333.15mm×71.00m +∮228.00mm×899.00m +∮215.9mm×2003.00m 。

设计井深1930m，完钻井深2003m，。

人工井底：1919.93 m，补心高2.75m，联入：2.45m.油层套管结构：∮139.7mm×1931.2m，壁厚(mm)：7.72/9.17,特殊套管位置（m）：1273.57～1274.57；1746.60～1747.60，表套管结构：（10 3/4"）∮215.9mm。

据调研表层套管头距地面1.5m处，∮114封隔器没有通过变形点（段），变形段顶点距地面位置长度预计在：11.51m，深度在13.96m。