石油工程与装备机自02级 2005.10.112006.16-17周：周二5,6节，4212；周四1,2节，4310共46学时，必修课引言 “石油工程与装备”包括两大部分，石油工程（开发）和石油装备（机械）。石油工程：包括钻井工程（工艺），采油工程（工艺），即如何打井，如何采油。在油田现场学机械的需要了解钻、采工艺过程知识，本课包括石油工程的内容，所占比重较少。石油装备：是钻井、采油机械的概括。装备可认为是机械工程（机械系统），并应包括电器设备。本课主要内容钻井、采油机械各半。教材：石油钻采机械概论35元；参考书：采油机械设计计算考试：学校统一安排考试，闭卷，侧重概念性、知识性内容，涉及面广。考试以笔记内容为准，平常注意听课，最后集中总结即可。本课程用电子文档形式讲课，听课笔记注意只记标题、彩色标识字体。作业甚少，算总成绩，一次作业510分。第一章 钻井工艺技术钻井的目的是探明和开采原油、天然气。第一节 井身结构必须从井谈起，油井的井眼细而深。一、套管套管是加固井壁形成井筒所用的钢管。石油套管要耗费一口井资金的2030%。（油井报废，套管钢材将成为地下废物。）1. 套管的材料：高合金钢，含C，Mn，Mo，Cr，Ni，Cu，P，S，Si（硅）。2. 钢级：API标准套管（API 5CT美国石油学会标准）。按强度高低分为不同钢级套管，有：H-40，J-55，K-55，C-75，N-80，L-80，C-95，P-105，P-110，C-125等。字母：含不同化学成份的分类代号；数字：管材的最小屈服极限，单位是KSI（）。【1 PSi（）=6.89kPa=0.00689MPa】3. 制造方法：无缝套管，用热轧钢制造。（上海宝钢热轧）焊接套管，用钢板卷筒直焊缝。（宝鸡钢管厂焊接）4. 套管尺寸规格：均用外径表示。有， in等。5. 套管连接（1）三角螺纹连接承载面：齿侧角30斜面，产生较大径向分力。连接强度：只有管体强度的6075%。密封方式：齿间干涉及丝扣油的堵塞实现密封，密封性差。（2） 偏梯形螺纹连接承载面： 3斜面，导向面：10斜面，增强了齿形，减少了径向力。连接强度：达到管体强度的85%。密封方式：靠齿间干涉和丝扣油堵塞实现密封，密封性差。二、井身结构下不同层次的套管固结井壁就构成了井身结构。（图参看P11, 图1-15）1. 导管：防止表土坍塌，引入钻头。一口井中最大尺寸的套管（2040m）。2. 表层套管：加固上部疏松岩层的井壁；封隔浅层水；安装防喷器（30100m）。3. 技术套管：封隔上部油、水、气层；漏失层；坍塌层。根据地质情况下n层技术套管。4. 油层套管（生产套管）：最后一层套管，形成井筒，使油气入内。内放油管。5. 固井：注水泥加固套管与井壁的环空。【普通井油层套管加固到油层百米以上，热采井加固到井口（防止热应力膨胀举升井口）。】三、套管在井下的承载情况套管在下井、固井、完井（射孔）过程中，承受复杂载荷。1. 外挤压力地层对套管施加的静水压力（均匀外压）。管外泥浆和水泥浆液柱压力；地层中的油、气、水压力；地层侧压力。【受外挤力最危险在油井生产的后期，由于油层压力枯竭，套管内压下降。】设计套管外挤压力时，认为管内掏空，管外按泥浆柱计算外挤压力。对于高塑性地层（如膨胀性页岩）和岩盐层，外挤压力以上覆岩层压力为计算依据。2. 内压力井口开时，等于管内液柱或气柱压力; 井口关时，等于井口压力与管内液柱或气柱压力之和。井喷和压裂时受内压。注水和注热蒸汽内压（从套管内注入）。3. 拉力载荷主要由套管自重引起。泥浆浮力、注水泥流动阻力；下套遇卡提力；下套刹车动载等。 4.击震载荷：完井时，射孔。（固井后射孔使油流入井筒） 5.热应力、腐蚀应力(硫化氢氢脆、电化学腐蚀、环氧霉菌腐蚀)。四、套管设计1. 决定下套管层数。（根据地质情况）2. 确定套管尺寸确定完井最小井眼，各层套管尺寸；选不同钢级、不同壁厚的套管组成管柱。3. 设计原则按三准则计算：抗拉安全系数：n安=1.622.0抗挤安全系数：n安=1.01.25抗内压安全系数：n安=1.01.33管柱载荷：顶部受拉力最大，下部受内、外压最大，应合理设计管柱。4. 等安全系数法普遍用等安全系数法设计套管柱。即：管柱由数段不同强度套管组成，各段安全系数相同。（具有的强度能力/实际承担载荷能力）（1）抗外挤强度计算看管能承受多大外挤压力。外挤计算法：按管内掏空（无内压），计算一定深度管柱所承受的外压力。外挤压力值：按（打井时）泥浆密度计算。 （确定所受外压力）外挤压力，Pa；环空泥浆密度，kg/m3；L管柱长（井深）。设为不同套管许用抗挤强度（考虑了安全系数）。具有抗挤强度的套管可下到Hc1深； 可下到Hc2 可下到Hc3以为前提。【说明套管的壁厚套管的壁厚套管的壁厚】从套管可下深的合理性分析：对而言，下0Hc2深，不合理；对而言，下0Hc3深，更不合理。应该用：的套管下0Hc1深；的套管下Hc1Hc2深；的套管下Hc2Hc3深。结果：三段套管抗挤强度不同，安全系数相同（，中安全系数相同）。分段越多从抗挤强度的合理利用来说越合理。原则：低抗挤能力的管放在管柱上段。（2）抗拉强度计算设某段上部危险断面； 套管在泥浆中线密度； 该段长度 许用抗拉强度；具有抗拉强度的套管，可悬挂长度LT1。即：本段上部套管断面A1,可承担管柱重；具有的套管可悬挂LT2长，管重（）；的套管可悬挂LT3长，管重（）。原则：低抗拉强度套管放在管柱下段。用同一管柱下井，不合理，需分段。实际分段后以本段上部抗拉强度为准，本段下部强度未充分利用。合理性考虑：从LT2中取出一段用LT1代替，并非用的套管直接下LT2段。也如此，从LT3中取出一段用L T1和L T2代替。（3）校核计算抗挤强度：从井口到井底逐段计算，下部抗挤强度最大。计算抗拉强度：从井底到井口逐段计算，上部抗拉强度最大。可采用二者可分别计算的方法。目前用法：先用抗挤计算设计各段，再用抗拉强度校核。分段：不同强度段，越多越经济，受套管品种限制，目前分四五段为宜。例，井深3000m。泥浆密度，求127mm（5”） 设计油层套管的强度，水泥返高500m。库存套管J-55，N-80参数如下：外径钢级壁厚mm线密度kg/m抗挤强度MPa抗拉强度kN127mmJ-556.4319.3428.5809.67.5222.3238.3992N-807.5222.3250.013849.1926.7872.31760解（1）按抗挤计算下深，安全系数n挤1.125选J-55, 许用抗挤压力： 可下深： 由 （泥浆柱压力） =2168m选：N-80, 许用抗挤压力： 可下深：=2832m选：N-80, 许用抗挤压力： 可下深：=4100m按抗挤计算结果：由上到下J-55, ，下深2168m（满足强度要求的下深）。N-80,，加长2832-2168=664m （减去上部已下深，到2832m）N-80, ，加长3000-2832=168m (可下到4100m,只有3000m)（2）按抗拉强度校核，安全系数n拉2（自下而上校核）能够承受的拉力N-80, （最下段）泥浆密度许用抗拉力：钢的密度在泥浆中每米质量： （空气中每米质量）（减去泥浆在钢中占的比例）本段许用拉力（重力）可悬挂长： （最下段） 【每米重（力）】本段管柱质量：21.4168=3600 （kg）能够承受的拉力N-80, （中间段）许用抗拉力： 在泥浆中每米质量： （空气中每米质量）（减去泥浆在钢中占的比例）下段已挂重量（力）可悬挂长： （中间段）本段管柱质量：17.9664=11900 （kg）J-55, 许用抗拉力：下两段已挂重量在泥浆中每米质量： （空气中每米质量）（减去泥浆在钢中占的比例）可悬挂长： 井口段抗拉强度不够（只能下1960m深）；余者改用N-80, 下三段已挂重量LT3段管柱质量：17.91960=35100 （kg）N-80, 可悬挂长：只需下深：2168-1960=208m （井口段下深）（3）设计结果将最上部一根管子用最小内径一种，以防止以后下井下工具外径太大，下到中途下不去。（按上段小径选择相应的工具，无问题，且强度有保证。）自上而下：N-80, ，10mN-80, ,198mJ-55, ，1960mN-80, ，664mN-80, ，168m。五、固井注水泥 （第二次课）下完套管后注水泥。普通井水泥返高至油层段高100m，热采井水泥返到井口。为了工作顺利，开钻方便，套管柱下部要有附加装置。1. 套管柱下部结构（1）引鞋：在管柱最下端，锥形。作用：防止套管下端插入井壁。易钻材料（水泥）。（2）套管鞋：在引鞋上部，一厚壁短节。内下部有锥面，防止起钻时，钻头、钻杆拉住。（3）回压阀：引套管鞋之上。作用：防止泥浆倒流入套管内。（下套管时，把泥浆挤出）（4）阻流环（承托环）：承托下胶塞。（5）扶正器：弹簧钢片做成。（6）泥浆刷：刮去井壁泥饼，提高水泥胶结强度。注水泥时，要用下胶塞和上胶塞。（7）下胶塞：中间为空，上部有层隔膜，外层为橡胶。注水泥时，先放下胶塞，再注水泥，下塞与水泥一起下行。下塞遇承托环不动，升压使隔膜破裂，使水泥形成通道。（8）上胶塞（实心）注足水泥后，放入上胶塞，上塞上方注泥浆，上塞下部注水泥。上塞与水泥一起下行，上塞使水泥和泥浆分开。上塞遇到下塞，将循环通路堵塞，泵压升高，称碰压，注水泥完成。2注水泥流程（1）下套管后，循环水洗井壁；（2）放下胶塞，注水泥；（3）注完水泥，下放上胶塞，替泥浆；（4）替泥浆到上、下胶塞相碰结束。路线：水泥混合水泥泵套管内环空（十几分钟完成，快凝水泥）。3. 注水泥设备：水泥车、高压泵；灰罐车；混合漏斗。4. 水泥：用石灰石、粘土、页岩、铁矿石按比例混合，在14001600下烧成熟料，冷后磨细。油井使用硅酸盐水泥，凝速快，有较高早期强度。耐地下腐蚀，射孔时不开裂。1