第一章鉆井工藝技術(shù)(第一節(jié))講稿

1、石油工程與裝備機(jī)自02級(jí) 2005.10.112006.16-17周：周二5,6節(jié)，4212；周四1,2節(jié)，4310共46學(xué)時(shí)，必修課引言 “石油工程與裝備”包括兩大部分，石油工程（開發(fā)）和石油裝備（機(jī)械）。石油工程：包括鉆井工程（工藝），采油工程（工藝），即如何打井，如何采油。在油田現(xiàn)場(chǎng)學(xué)機(jī)械的需要了解鉆、采工藝過程知識(shí)，本課包括石油工程的內(nèi)容，所占比重較少。石油裝備：是鉆井、采油機(jī)械的概括。裝備可認(rèn)為是機(jī)械工程（機(jī)械系統(tǒng)），并應(yīng)包括電器設(shè)備。本課主要內(nèi)容鉆井、采油機(jī)械各半。教材：石油鉆采機(jī)械概論35元；參考書：采油機(jī)械設(shè)計(jì)計(jì)算考試：學(xué)校統(tǒng)一安排考試，閉卷，側(cè)重概念性、知識(shí)性內(nèi)容，涉及面廣。

2、考試以筆記內(nèi)容為準(zhǔn)，平常注意聽課，最后集中總結(jié)即可。本課程用電子文檔形式講課，聽課筆記注意只記標(biāo)題、彩色標(biāo)識(shí)字體。作業(yè)甚少，算總成績(jī)，一次作業(yè)510分。第一章 鉆井工藝技術(shù)鉆井的目的是探明和開采原油、天然氣。第一節(jié) 井身結(jié)構(gòu)必須從井談起，油井的井眼細(xì)而深。一、套管套管是加固井壁形成井筒所用的鋼管。石油套管要耗費(fèi)一口井資金的2030%。（油井報(bào)廢，套管鋼材將成為地下廢物。）1. 套管的材料：高合金鋼，含C，Mn，Mo，Cr，Ni，Cu，P，S，Si（硅）。2. 鋼級(jí)：API標(biāo)準(zhǔn)套管（API 5CT美國(guó)石油學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)）。按強(qiáng)度高低分為不同鋼級(jí)套管，有：H-40，J-55，K-55，C-75，N-80

3、，L-80，C-95，P-105，P-110，C-125等。字母：含不同化學(xué)成份的分類代號(hào)；數(shù)字：管材的最小屈服極限，單位是KSI（）?！? PSi（）=6.89kPa=0.00689MPa】3. 制造方法：無縫套管，用熱軋鋼制造。（上海寶鋼熱軋）焊接套管，用鋼板卷筒直焊縫。（寶雞鋼管廠焊接）4. 套管尺寸規(guī)格：均用外徑表示。有， in等。5. 套管連接（1）三角螺紋連接承載面：齒側(cè)角30°斜面，產(chǎn)生較大徑向分力。連接強(qiáng)度：只有管體強(qiáng)度的6075%。密封方式：齒間干涉及絲扣油的堵塞實(shí)現(xiàn)密封，密封性差。（2） 偏梯形螺紋連接承載面： 3°斜面，導(dǎo)向面：10°斜面，增

4、強(qiáng)了齒形，減少了徑向力。連接強(qiáng)度：達(dá)到管體強(qiáng)度的85%。密封方式：靠齒間干涉和絲扣油堵塞實(shí)現(xiàn)密封，密封性差。二、井身結(jié)構(gòu)下不同層次的套管固結(jié)井壁就構(gòu)成了井身結(jié)構(gòu)。（圖參看P11, 圖1-15）1. 導(dǎo)管：防止表土坍塌，引入鉆頭。一口井中最大尺寸的套管（2040m）。2. 表層套管：加固上部疏松巖層的井壁；封隔淺層水；安裝防噴器（30100m）。3. 技術(shù)套管：封隔上部油、水、氣層；漏失層；坍塌層。根據(jù)地質(zhì)情況下n層技術(shù)套管。4. 油層套管（生產(chǎn)套管）：最后一層套管，形成井筒，使油氣入內(nèi)。內(nèi)放油管。5. 固井：注水泥加固套管與井壁的環(huán)空?！酒胀ň蛯犹坠芗庸痰接蛯影倜滓陨?，熱采井加固到井口（防止

5、熱應(yīng)力膨脹舉升井口）?！咳⑻坠茉诰碌某休d情況套管在下井、固井、完井（射孔）過程中，承受復(fù)雜載荷。1. 外擠壓力地層對(duì)套管施加的靜水壓力（均勻外壓）。管外泥漿和水泥漿液柱壓力；地層中的油、氣、水壓力；地層側(cè)壓力。【受外擠力最危險(xiǎn)在油井生產(chǎn)的后期，由于油層壓力枯竭，套管內(nèi)壓下降?！吭O(shè)計(jì)套管外擠壓力時(shí)，認(rèn)為管內(nèi)掏空，管外按泥漿柱計(jì)算外擠壓力。對(duì)于高塑性地層（如膨脹性頁(yè)巖）和巖鹽層，外擠壓力以上覆巖層壓力為計(jì)算依據(jù)。2. 內(nèi)壓力井口開時(shí)，等于管內(nèi)液柱或氣柱壓力; 井口關(guān)時(shí)，等于井口壓力與管內(nèi)液柱或氣柱壓力之和。井噴和壓裂時(shí)受內(nèi)壓。注水和注熱蒸汽內(nèi)壓（從套管內(nèi)注入）。3. 拉力載荷主要由套管自重引起

6、。泥漿浮力、注水泥流動(dòng)阻力；下套遇卡提力；下套剎車動(dòng)載等。 4.擊震載荷：完井時(shí)，射孔。（固井后射孔使油流入井筒） 5.熱應(yīng)力、腐蝕應(yīng)力(硫化氫氫脆、電化學(xué)腐蝕、環(huán)氧霉菌腐蝕)。四、套管設(shè)計(jì)1. 決定下套管層數(shù)。（根據(jù)地質(zhì)情況）2. 確定套管尺寸確定完井最小井眼，各層套管尺寸；選不同鋼級(jí)、不同壁厚的套管組成管柱。3. 設(shè)計(jì)原則按三準(zhǔn)則計(jì)算：抗拉安全系數(shù)：n安=1.622.0抗擠安全系數(shù)：n安=1.01.25抗內(nèi)壓安全系數(shù)：n安=1.01.33管柱載荷：頂部受拉力最大，下部受內(nèi)、外壓最大，應(yīng)合理設(shè)計(jì)管柱。4. 等安全系數(shù)法普遍用等安全系數(shù)法設(shè)計(jì)套管柱。即：管柱由數(shù)段不同強(qiáng)度套管組成，各段安全系數(shù)

7、相同。（具有的強(qiáng)度能力/實(shí)際承擔(dān)載荷能力）（1）抗外擠強(qiáng)度計(jì)算看管能承受多大外擠壓力。外擠計(jì)算法：按管內(nèi)掏空（無內(nèi)壓），計(jì)算一定深度管柱所承受的外壓力。外擠壓力值：按（打井時(shí)）泥漿密度計(jì)算。 （確定所受外壓力）外擠壓力，Pa；環(huán)空泥漿密度，kg/m3；L管柱長(zhǎng)（井深）。設(shè)為不同套管許用抗擠強(qiáng)度（考慮了安全系數(shù)）。具有抗擠強(qiáng)度的套管可下到Hc1深； 可下到Hc2 可下到Hc3以<<為前提?！菊f明套管的壁厚<套管的壁厚<套管的壁厚】從套管可下深的合理性分析：對(duì)而言，下0Hc2深，不合理；對(duì)而言，下0Hc3深，更不合理。應(yīng)該用：的套管下0Hc1深；的套管下Hc1Hc2深；的套

8、管下Hc2Hc3深。結(jié)果：三段套管抗擠強(qiáng)度不同，安全系數(shù)相同（，中安全系數(shù)相同）。分段越多從抗擠強(qiáng)度的合理利用來說越合理。原則：低抗擠能力的管放在管柱上段。（2）抗拉強(qiáng)度計(jì)算設(shè)某段上部危險(xiǎn)斷面； 套管在泥漿中線密度； 該段長(zhǎng)度 許用抗拉強(qiáng)度；具有抗拉強(qiáng)度的套管，可懸掛長(zhǎng)度LT1。即：本段上部套管斷面A1,可承擔(dān)管柱重；具有的套管可懸掛LT2長(zhǎng)，管重（）；的套管可懸掛LT3長(zhǎng)，管重（）。原則：低抗拉強(qiáng)度套管放在管柱下段。用同一管柱下井，不合理，需分段。實(shí)際分段后以本段上部抗拉強(qiáng)度為準(zhǔn)，本段下部強(qiáng)度未充分利用。合理性考慮：從LT2中取出一段用LT1代替，并非用的套管直接下LT2段。也如此，從LT3

9、中取出一段用L T1和L T2代替。（3）校核計(jì)算抗擠強(qiáng)度：從井口到井底逐段計(jì)算，下部抗擠強(qiáng)度最大。計(jì)算抗拉強(qiáng)度：從井底到井口逐段計(jì)算，上部抗拉強(qiáng)度最大?？刹捎枚呖煞謩e計(jì)算的方法。目前用法：先用抗擠計(jì)算設(shè)計(jì)各段，再用抗拉強(qiáng)度校核。分段：不同強(qiáng)度段，越多越經(jīng)濟(jì)，受套管品種限制，目前分四五段為宜。例，井深3000m。泥漿密度，求127mm（5”） 設(shè)計(jì)油層套管的強(qiáng)度，水泥返高500m。庫(kù)存套管J-55，N-80參數(shù)如下：外徑鋼級(jí)壁厚mm線密度kg/m抗擠強(qiáng)度MPa抗拉強(qiáng)度kN127mmJ-556.4319.3428.5809.67.5222.3238.3992N-807.5222.3250.01

10、3849.1926.7872.31760解（1）按抗擠計(jì)算下深，安全系數(shù)n擠1.125選J-55, 許用抗擠壓力： 可下深： 由 （泥漿柱壓力） =2168m選：N-80, 許用抗擠壓力： 可下深：=2832m選：N-80, 許用抗擠壓力： 可下深：=4100m按抗擠計(jì)算結(jié)果：由上到下J-55, ，下深2168m（滿足強(qiáng)度要求的下深）。N-80,，加長(zhǎng)2832-2168=664m （減去上部已下深，到2832m）N-80, ，加長(zhǎng)3000-2832=168m (可下到4100m,只有3000m)（2）按抗拉強(qiáng)度校核，安全系數(shù)n拉2（自下而上校核）能夠承受的拉力N-80, （最下段）泥漿密度許用

11、抗拉力：鋼的密度在泥漿中每米質(zhì)量： （空氣中每米質(zhì)量）（減去泥漿在鋼中占的比例）本段許用拉力（重力）可懸掛長(zhǎng)： （最下段） 【每米重（力）】本段管柱質(zhì)量：21.4×168=3600 （kg）能夠承受的拉力N-80, （中間段）許用抗拉力： 在泥漿中每米質(zhì)量： （空氣中每米質(zhì)量）（減去泥漿在鋼中占的比例）下段已掛重量（力）可懸掛長(zhǎng)： （中間段）本段管柱質(zhì)量：17.9×664=11900 （kg）J-55, 許用抗拉力：下兩段已掛重量在泥漿中每米質(zhì)量： （空氣中每米質(zhì)量）（減去泥漿在鋼中占的比例）可懸掛長(zhǎng)： 井口段抗拉強(qiáng)度不夠（只能下1960m深）；余者改用N-80, 下三段已

12、掛重量LT3段管柱質(zhì)量：17.9×1960=35100 （kg）N-80, 可懸掛長(zhǎng)：只需下深：2168-1960=208m （井口段下深）（3）設(shè)計(jì)結(jié)果將最上部一根管子用最小內(nèi)徑一種，以防止以后下井下工具外徑太大，下到中途下不去。（按上段小徑選擇相應(yīng)的工具，無問題，且強(qiáng)度有保證。）自上而下：N-80, ，10mN-80, ,198mJ-55, ，1960mN-80, ，664mN-80, ，168m。五、固井注水泥 （第二次課）下完套管后注水泥。普通井水泥返高至油層段高100m，熱采井水泥返到井口。為了工作順利，開鉆方便，套管柱下部要有附加裝置。1. 套管柱下部結(jié)構(gòu)（1）引鞋：在管

13、柱最下端，錐形。作用：防止套管下端插入井壁。易鉆材料（水泥）。（2）套管鞋：在引鞋上部，一厚壁短節(jié)。內(nèi)下部有錐面，防止起鉆時(shí)，鉆頭、鉆桿拉住。（3）回壓閥：引套管鞋之上。作用：防止泥漿倒流入套管內(nèi)。（下套管時(shí)，把泥漿擠出）（4）阻流環(huán)（承托環(huán)）：承托下膠塞。（5）扶正器：彈簧鋼片做成。（6）泥漿刷：刮去井壁泥餅，提高水泥膠結(jié)強(qiáng)度。注水泥時(shí)，要用下膠塞和上膠塞。（7）下膠塞：中間為空，上部有層隔膜，外層為橡膠。注水泥時(shí)，先放下膠塞，再注水泥，下塞與水泥一起下行。下塞遇承托環(huán)不動(dòng)，升壓使隔膜破裂，使水泥形成通道。（8）上膠塞（實(shí)心）注足水泥后，放入上膠塞，上塞上方注泥漿，上塞下部注水泥。上塞與水泥一起下行，上塞使水泥和泥漿分開。上塞遇到下塞，將循環(huán)通路堵塞，泵壓升高，稱碰壓，注水泥