套管和固井单元2第4课目录简介第一部分：套管分类导管表层套管生产套管中间套管尾管套管柱设计套管选择套管尺寸的考虑下套管准备工作下套管对扣、上扣、下井套管柱的坐定API标准套管丝扣和接箍第二部分：注水泥配浆固井套管附件水泥体积固井后需考虑的问题粘合剂和添加剂粘合剂的API等级添加剂特殊粘合剂专业术语简介近几年来套管和固井工艺技术发展迅猛，越来越完善。

为了寻找新的油气资源，井在逐渐加深，但现有套管和固井工艺技术已能够处理在深井中可能遇到的各种复杂情况。

固井实践1903年起始于加里弗尼亚，但现代使用的套管、固井方法开始于1920年，哈里巴顿公司固了一口井。

当时混合水泥浆所用的哈里巴顿射流混合器仍是现在最基本的混合水泥浆设备。

早在1903年，仅有一种类型的水泥，没有任何添加剂。

现在已拥有8种常用类型的水泥和40多种水泥添加剂。

水泥性能及混浆技术均能满足特殊工作要求。

现在候凝时间已由二十世纪二十年代的10天缩短到不足24小时。

挤水泥技术开始于二十世纪三十年代，现在向裂隙挤水泥或挤水泥封堵水层已是一项常规技术。

使用刮泥器和扶正器来提高固井质量开始于1940年，第二次世界大战后得到了工程界普遍关注。

最早的顿钻钻井，要求每钻完一小时就下套管。

但对旋转钻井就可以钻很长的裸眼井段。

旋转钻井，由于使用了优质泥浆来控制井内压力、维持井壁稳定，因此能钻大段裸眼，下套管是有特殊作用，不再是随意或盲目的。

最早的固井是在一大坑内混合水泥浆，再用倾倒筒向井内灌注水泥浆。

到1905年，在加里弗尼亚油井固井已开始使用油管将水泥浆注入井底，水泥浆被上部水柱替出套管，注完水泥浆，利用管鞋单流作用和管内蹩压候凝这两种方式防止回流，随后较先进的固井方法是在钻井液与水泥浆间投放顶替塞隔开。

以后又开始使用上下两顶替塞技术。

底塞在注水泥浆之前投入，顶塞在注完水泥浆后投入，双塞技术大大减少了水泥浆的污染。

第一部分套管套管是用在油井中从油气藏至地表间建立起一个耐压密闭带的钢管。

套管作用主要有以下七项：1、防止井塌、防止钻井液对井壁的过度冲蚀。

2、防止淡水层、低压力层带被污染。

3、防止油气泄漏。

4、控制油气入井量。

5、为控制井内压力提供条件。

6、以便安装采油人工举升装置。

7、为油气流动提供通道。

套管类别典型的油气井需要三种套管：导管、表层套管、油层套管。

根据可能钻遇地层的状况，可能还需下入中间技术套管。

有时还需下尾管，也可能下入两层技术套管。

任何情况下，下入每层套管都有特殊作用，对顺利钻完油井很重要。

导管导管是用来作为循环通道，将钻井液导向泥浆池。

它能防止钻井液对钻机地基的冲刷。

有时为了防止浅层气，还要在导管上安装分流防喷装置。

导管还可保护以后下入的套管不受腐蚀，而在地面支撑能力不足的地方还可用来支承部分井口设备的负荷，下导管的井眼可用钻成，并按常用的方法把它下入井内，但是对沼泽和近海区的井，通常是用打桩机将导管打入。

当用打柱机时，采用无螺纹平头管子焊接成导管柱，下导管有时由负责钻鼠洞的服务公司完成。

导管外径常为16英寸－48英寸，下深为300英尺左右。

表层套管表层套管下入的深度要足以防止这些地层的坍塌，防止钻井液对地表疏松地层的冲刷，表层套管是按装套管头和其它井口装置的立足点，完井后这些设备就留在井上。

表层套管的直径必须小于导管直径，下入深度可能仅为200英尺左右，但有时可以长达几千英尺。

具体下深由该井的地层情况决定，通常下深为300－400英尺。

表层套管的另一项重要功能是防止淡水层受钻井液、油气、盐水的浸污。

为保护地下水资源，各州政府及联邦政府对表层套管下深都有明确的法律规定。

生产套管下入生产套管或油层套管是钻一口油气井主要目的之一，其它各层套管只起辅助作用，油层套管用来把产油层与油层中不需要的液体以及其它钻穿的地层隔开，对于油管和井下其它产油工具来讲，油层套管是它们的保护套。

油管可以从井内取出进行更换或检查，但油层套管却被水泥固定在井眼内。

因此，应当特别注意，油层套管的固井质量，使地层与套管间形成一层绝对密闭的水泥环。

油层套管必须用优质的管子，并能适应各种复杂的条件，油层套管常常又是最后下入井的套管，因此也是最长和最重的套管柱。

在大多数情况下，油层套管可能要承受最大的油井压力，因而必须用质量最好的套管下入井内。

同时，套管柱中任何一点小小的漏泄都可能会发展成井喷，所以油层套管的螺纹连接部分必须能承受可能出现的井内高压力。

当下入油层套管时，套管丝扣应向钻杆那样严格紧扣到位，以防以后漏泄。

中间套管中间套管柱的主要用途是保护井眼，有时把这种管柱称为“保护套管”或“盐层套管”。

当油井加深通常需要用重泥浆的时候，常常采用中间套管封住脆弱地层不被重泥浆压裂，有时，钻至岩层或硬石膏层可能造成钻井液的污染，或者钻井液渗漏引起卡钻或井壁产生键槽。

有时中间套管柱也用来封闭老的生产层，以便往下钻更深的油气层。

当钻较深的井时，通常遇到较高的地层压力，因而需要高比重泥浆，在此情况下，中间套管的另一作用是防止浅地层井漏，因为中间套管直径较小，能承受更大的压力，同时，它不易受钻柱的磨擦而损坏，所以抗井壁压力的能力优于表层套管。

中间套管下入的深度，应该使套管以下的地层能够承受继续钻深时预计采用的泥浆比重，中间套管有时在通过高压地层后再下入，因此，继续往深钻时，便能使用较低比重的钻井液。

中间套管可以下至5000英尺深，中间套管类型选择由井深和可能钻遇的地层情况决定，中间套管常用外径为5英寸－13 3/8英寸，从地面下至井底来封固薄弱地层和高压地层。

尾管尾管是一种缩短了的套管柱，它从井底向上超过中间套管底部或油层套管100英尺，有时还要高些。

尾管几乎都用尾管柱在上部套管柱内悬挂，并常常用水泥封固。

但油层尾管有时不用水泥固定而悬挂于井内。

使用尾管的主要优点是费用低，因为仅要下入一段很短的管柱就代替了从井底到地面的完整管柱。

深井使用尾管有几点好处：下尾管施工时间短，从而减少了卡套管柱的可能性；若上层套管被钻柱磨坏，不可能从尾管顶端至井口下入内衬管。

但由于衬管密封处有时漏泄会带来不少麻烦；个别情况甚至难以或不能将送入工具从尾管处御脱。

尾管与上一层套管的间隙能小于其它套管与套管间间隙。

套管柱设计设计工程师习惯上选择几种常用重量，钢级的套管，利用井深，地层压力，泥浆液柱压力这些数据来设计套管柱。

工程师所设计的套管柱要能在正常的油井条件下承受三种主要外力：拉伸力，外挤力和内压力。

套管选择拉伸力是主要由套管的自重对套管本体及接箍产生的向下作用力，上部套管必须能承受下部套管的总重量。

除导管外，抗拉设计是套管设计中很重要的一项。

很显然，抗拉强度在的套管必须放在井段上部。

为确保留出足够的安全余量，在设计时常取抗拉安全系数为 1.5 - 2.0,习惯上取1.8。

抗拉安全系数是套管抗拉强度与实际轴向载荷的比值。

抗拉强度是套管不被破坏所能承受的最大拉伸力， N－80，外径7 5/8英寸、26.4磅/英尺的套管最大许可悬挂负荷为490000磅，考虑安全系数则允许最大悬挂重量为272222磅（490000÷1.8＝272222）。

设计安全系数时，还要考虑套管的接箍强度，它常低于套管的本体强度，计算以单位横截面承载为准。

当套管外的压力大于内部压力时，就表现出外挤压力。

外挤压力来自管外静液柱压力。

除导管不考虑外挤力。

因下入浅，其它各层套管柱的设计均要计算外挤力。

最常见的外挤力破坏管柱发生在挤水泥过程中。

N－80套管能承受3400PSI外挤力，若不考虑安全系数，在压力梯度为0.5PSI/英尺的地层中，该型号套管极限下深为6800英尺。

若安全系数取1.125，则最大许可下深为 6044英尺（6800÷1.125=6044）。

加在套管上的有效外挤力应为管外管内压力之差。

轴向拉力的存在会降低套管的抗挤强度。

轴向压力的存在会提高套管的抗挤强度。

对于薄壁管柱，若其圆形载面有1％部分被破坏，则整个所能承受的外挤力将下降25％，因此大钳、卡瓦、井壁碰撞对套管壁造成的任何轻微损伤都将大大降低套管的抗挤强度。

当管内压力高于管外压力时，将表现为内压力。

由于上部套管所受外挤力小，因此最大有效内压力出现在上部套管段。

井口处所受内压力相对较高，所选择的套管必须能承受压力梯度为 0.6~1.0PSI/英尺。

N－80套管的内压力强度或最小内屈服强度是6020PSI。

取安全系数1.1，则许可最大内压力为5470PSI。

计算内压力大小可能是套管柱设计中最困难的工作。

最大井口关井压力常被用作套管设计内压力，井口关井压力的取值常凭经验选取。

许多情况下，井口装置的最大允许工作内压力作为套管设计内压力值。

正常情况下，若以井口作为套管内压力极限值，需假定井内充满泥浆且套管内外泥浆比重相等。

即就是从井底到井口套管任一点的内处泥浆液柱压力相等。

大钳印或其它对外壁的损伤都将严重消弱套管抗内压强度。

除拉力、外挤力、内压力外，管串设计工程师还要考虑套管所受的弯曲应力，轴向压力、扭曲应务。

在有斜度的井段狗腿处将使套管弯曲、承受弯力。

在海上或沼泽地钻井，必须考虑套管的弯曲应力，导管及表层套管必须允许受弯曲力，因此这种情况下其它各层套管也要考虑弯曲力。

在套管下放过程中，若井眼弯曲或易卡井段遇阻时，套管就可能受轴向压力。

在地热井或注蒸气施工，因温度的升高，钢材膨胀、套管内部挤压也将产生轴向压力。

扭曲力发生于当某一段套管旋转或沿一定方向被扭转而另一部分套管固定或沿反方向转动时，套管外用水泥封固后能防止产生扭曲力。

设计套管柱时，必须考虑每一种套管柱的特殊情况。

表层套管主要是在井喷起保护作用。

因此这种管柱通常是按承受1PSI/英尺的破裂压力来设计。

但是在这个深度上，挤坏套管的危险性较小，一般可以不予考虑。

蹭套管的主要作用是在钻深井采用重泥浆时防止泥浆循环漏失。

以及处理井涌时控制井口的压力。

这层套管柱的设计要考虑到入井后，整个产油期内均承受力的作用。

因而在设计时应考虑能否经得住预期的内压力。

如果油管带封隔器下井，一旦油管柱在接头处漏油，井内油气压力就会施加于封隔器以上的液柱顶部。

因此会产生比油气压力更大的破裂压力，当采用深井泵进行气举或采油时，生产套管内几乎是空的，这时管外静液柱压力将会产生相当大的外挤毁力，易使套管挤坏。

为此，设计时我们通常假设生产套管外存在压力梯度为0.5PSI/英尺的盐水，有时也假定管外受1PSI/英尺的上覆岩层压力。

近几年来，套管试验已显得更为重要，因为必须考虑套管可以承受较高的压力，因此井的成本很高，一旦出问题，花费将更大。

在一口123000英尺的抽油井中，损坏要油管是一回事，而在一口压力为10000PSI的海洋油井、套管柱的损坏却完全是另外一回事了。

导致新套管破坏的因素有：（1）套管制造过程中的卸陷（2）装卸时造成的损伤（3）应力集中而破裂套管上任何尖锐的凹痕都能造成该处的应力集中和最终导致损坏。