第七章 固 井1第七章 固 井 概概 述述第一节第一节 套管及套管柱强度设计套管及套管柱强度设计第二节第二节 油井水泥油井水泥第三节第三节 影响注水泥质量的因素影响注水泥质量的因素2概述1 1 1 1、固井工程的概念、固井工程的概念、固井工程的概念、固井工程的概念 为为为为了了了了加加加加固固固固井井井井壁壁壁壁，保保保保证证证证继继继继续续续续钻钻钻钻进进进进，封封封封隔隔隔隔油油油油、气气气气和和和和水水水水层层层层，保保保保证证证证勘勘勘勘探探探探期期期期间间间间的的的的分分分分层层层层试试试试油油油油及及及及在在在在整整整整个个个个开开开开采采采采中中中中合合合合理理理理的的的的油油油油气气气气生生生生产产产产，为为为为此此此此下下下下入入入入优优优优质质质质钢钢钢钢管管管管，并并并并在在在在井井井井筒筒筒筒与与与与钢钢钢钢管管管管环环环环空空空空充填好水泥的作业，称为充填好水泥的作业，称为充填好水泥的作业，称为充填好水泥的作业，称为固井工程固井工程固井工程固井工程。 向向向向井井井井内内内内下下下下入入入入套套套套管管管管，并并并并向向向向井井井井眼眼眼眼和和和和套套套套管管管管之之之之间间间间的的的的环环环环形形形形空空空空间间间间注注注注入入入入水水水水泥泥泥泥的的的的施施施施工工工工作作作作业业业业称称称称之之之之为为为为固固固固井井井井。包包包包括括括括下下下下套套套套管管管管和和和和注水泥。注水泥。注水泥。注水泥。 3概述2 2、工艺介绍、工艺介绍 下套管 注水泥 候凝 检测评价4概述3 3、固井工程的步骤、固井工程的步骤l l下套管下套管下套管下套管 套管由接箍和本体组成。套管由接箍和本体组成。套管由接箍和本体组成。套管由接箍和本体组成。 套管柱由单根套管套管柱由单根套管套管柱由单根套管套管柱由单根套管+ + + +浮箍浮箍浮箍浮箍+ + + +引鞋引鞋引鞋引鞋 图图7-1 7-1 单根套管示意图单根套管示意图11接箍接箍 2 2套管本体套管本体5概述3 3 3 3、固井工程步骤、固井工程步骤、固井工程步骤、固井工程步骤l l注水泥注水泥注水泥注水泥下下下下完完完完套套套套管管管管之之之之后后后后，把把把把水水水水泥泥泥泥浆浆浆浆泵泵泵泵入入入入套套套套管管管管内内内内，再再再再用用用用钻钻钻钻井井井井液液液液把把把把水水水水泥泥泥泥浆浆浆浆顶顶顶顶替到管外替到管外替到管外替到管外环环环环形空形空形空形空间设计间设计间设计间设计位置的作位置的作位置的作位置的作业业业业称之称之称之称之为为为为注水泥注水泥注水泥注水泥。水泥头：安装在套管柱的最上端，内装有上、下胶塞。水泥头：安装在套管柱的最上端，内装有上、下胶塞。水泥头：安装在套管柱的最上端，内装有上、下胶塞。水泥头：安装在套管柱的最上端，内装有上、下胶塞。uu下下下下胶胶胶胶塞塞塞塞的的的的作作作作用用用用是是是是与与与与隔隔隔隔离离离离液液液液（一一一一种种种种专专专专门门门门配配配配制制制制的的的的液液液液体体体体，用用用用以以以以隔隔隔隔离离离离钻钻钻钻井井井井液液液液与与与与水水水水泥泥泥泥浆浆浆浆）一一一一道道道道，将将将将水水水水泥泥泥泥浆浆浆浆与与与与钻钻钻钻井井井井液液液液隔隔隔隔离离离离开开开开，防防防防止止止止钻钻钻钻井井井井液液液液接接接接触触触触水水水水泥泥泥泥浆浆浆浆后后后后影影影影响响响响水水水水泥泥泥泥浆浆浆浆的的的的性性性性能能能能。下下下下胶胶胶胶塞塞塞塞为为为为中中中中空空空空，顶顶顶顶部部部部有有有有一一一一层层层层橡橡橡橡胶胶胶胶膜膜膜膜，该该该该膜膜膜膜在压力作用下可压破在压力作用下可压破在压力作用下可压破在压力作用下可压破 uu上胶塞为实心，其作用是隔离顶替用的钻井液与水泥浆；上胶塞为实心，其作用是隔离顶替用的钻井液与水泥浆；上胶塞为实心，其作用是隔离顶替用的钻井液与水泥浆；上胶塞为实心，其作用是隔离顶替用的钻井液与水泥浆；l l破膜：下胶塞坐落在浮箍上后，在压力作用下破膜破膜：下胶塞坐落在浮箍上后，在压力作用下破膜破膜：下胶塞坐落在浮箍上后，在压力作用下破膜破膜：下胶塞坐落在浮箍上后，在压力作用下破膜6概述3 3 3 3、固井工程步骤、固井工程步骤、固井工程步骤、固井工程步骤l l碰碰碰碰压压压压：当当当当其其其其坐坐坐坐落落落落在在在在已已已已坐坐坐坐于于于于浮浮浮浮箍箍箍箍上上上上的的的的下下下下胶胶胶胶塞塞塞塞上上上上之之之之后后后后，地地地地面面面面压压压压力力力力将将将将很很很很快快快快上上上上升升升升一一一一定定定定值值值值（称称称称为为为为碰碰碰碰压压压压），该该该该信信信信号号号号说说说说明明明明水水水水泥泥泥泥浆浆浆浆已已已已顶顶顶顶替替替替到到到到位位位位，施工结束。施工结束。施工结束。施工结束。l l侯凝：侯凝：侯凝：侯凝：注注注注入入入入井井井井内内内内的的的的水水水水泥泥泥泥浆浆浆浆要要要要凝凝凝凝固固固固并并并并达达达达到到到到一一一一定定定定强强强强度度度度后后后后才才才才能能能能进进进进行行行行后后后后续续续续的的的的钻钻钻钻井井井井施施施施工工工工或或或或是是是是其其其其它它它它施施施施工工工工，因因因因此此此此，注注注注水水水水泥泥泥泥施施施施工工工工结结结结束束束束后后后后，要要要要等待水泥浆在井内凝固，该过程称为等待水泥浆在井内凝固，该过程称为等待水泥浆在井内凝固，该过程称为等待水泥浆在井内凝固，该过程称为候凝候凝候凝候凝；候候候候凝凝凝凝时时时时间间间间通通通通常常常常为为为为24242424小小小小时时时时或或或或48484848小小小小时时时时，也也也也有有有有72727272小小小小时时时时或或或或几几几几小小小小时时时时的的的的，候候候候凝凝凝凝时时时时间间间间的的的的长长长长短短短短视视视视水水水水泥泥泥泥浆浆浆浆凝凝凝凝固固固固及及及及强强强强度度度度增增增增长长长长的的的的快快快快慢慢慢慢而而而而定定定定。候候候候凝期满后。凝期满后。凝期满后。凝期满后。l l测井进行固井质量检测和评价测井进行固井质量检测和评价测井进行固井质量检测和评价测井进行固井质量检测和评价 7概述（a a） （b b） （c c） （d d） （e e）图图7-2 7-2 注水泥工艺流程示意图注水泥工艺流程示意图（a a）循环钻井液循环钻井液 （b b）注隔离液和水泥浆注隔离液和水泥浆 （c c）替浆替浆 （d d）替浆替浆 （e e）碰压碰压11压力表压力表 2 2上胶塞上胶塞 3 3下胶塞下胶塞 4 4钻井液钻井液 5 5浮箍浮箍 6 6引鞋引鞋77水泥浆水泥浆 8 8隔离液隔离液 9 9钻井液钻井液8概述4 4 4 4、固井目的、固井目的、固井目的、固井目的封封封封隔隔隔隔易易易易塌塌塌塌、易易易易漏漏漏漏等等等等复复复复杂杂杂杂地地地地层层层层，保保保保证证证证钻钻钻钻井井井井顺顺顺顺利利利利进进进进行行行行封封封封隔隔隔隔油油油油气气气气水水水水层层层层，建建建建立立立立油油油油气气气气流流流流出出出出通通通通道道道道，防防防防止止止止产产产产层层层层间互窜间互窜间互窜间互窜进行增产措施进行增产措施进行增产措施进行增产措施安装井口安装井口安装井口安装井口9概述5、固井内容套管与下套管水泥与注水泥10概述6 6、对固井质量的要求、对固井质量的要求l套管有足够的强度套管有足够的强度能承受井下各种外力作用，抗能承受井下各种外力作用，抗腐蚀、不断、不裂、不变形腐蚀、不断、不裂、不变形l水泥环有可靠的密封水泥环有可靠的密封环环空空封封固固段段不不窜窜、不不漏漏、胶胶结结良好，能经受高压挤注的考验良好，能经受高压挤注的考验11概述7 7 7 7、固井工程的特殊性、固井工程的特殊性、固井工程的特殊性、固井工程的特殊性(1)(1)(1)(1)是一次性工程是一次性工程是一次性工程是一次性工程, , , ,如果质量不好如果质量不好如果质量不好如果质量不好, , , ,一般情况下难以补救一般情况下难以补救一般情况下难以补救一般情况下难以补救; ; ; ;(2)(2)(2)(2)是是是是隐隐隐隐蔽蔽蔽蔽性性性性工工工工程程程程, , , ,主主主主要要要要流流流流程程程程在在在在井井井井下下下下, , , ,施施施施工工工工时时时时不不不不能能能能直直直直接接接接观观观观察察察察, , , ,质质质质量量量量控控控控制制制制往往往往往往往往决决决决定定定定于于于于设设设设计计计计的的的的准准准准确确确确性性性性和和和和准准准准备备备备工工工工作作作作的的的的好好好好坏坏坏坏, , , ,受多种因素的综合影响受多种因素的综合影响受多种因素的综合影响受多种因素的综合影响; ; ; ;(3)(3)(3)(3)影响后续工程的进行影响后续工程的进行影响后续工程的进行影响后续工程的进行; ; ; ;(4)(4)(4)(4)是一项花钱多的工程是一项花钱多的工程是一项花钱多的工程是一项花钱多的工程; ; ; ;(5)(5)(5)(5)施工时间短施工时间短施工时间短施工时间短, , , ,工序内容多工序内容多工序内容多工序内容多, , , ,作业量大作业量大作业量大作业量大, , , ,是技术强的工程是技术强的工程是技术强的工程是技术强的工程. .12第一节第一节 套管及套管柱强度设计套管及套管柱强度设计13序言套管柱的主要功能 抗挤抗挤 抗拉抗拉 抗内压抗内压 密封密封对套管的要求圆度圆度圆度圆度壁厚均匀性壁厚均匀性壁厚均匀性壁厚均匀性抗腐蚀抗腐蚀抗腐蚀抗腐蚀最小的流动阻力最小的流动阻力最小的流动阻力最小的流动阻力良好的上扣性能及重复互良好的上扣性能及重复互良好的上扣性能及重复互良好的上扣性能及重复互换性能换性能换性能换性能耐磨（硬度指标）耐磨（硬度指标）耐磨（硬度指标）耐磨（硬度指标）14套管柱的组成套管柱的组成 由不同强度的套管段组成由不同强度的套管段组成原因：原因：套管受到各种类型外力作用，须具有一定套管受到各种类型外力作用，须具有一定强度。强度。外载大小、类型不同，所需的强度要求也外载大小、类型不同，所需的强度要求也不同，须有一系列不同尺寸、不同强度的不同，须有一系列不同尺寸、不同强度的套管。即套管系列。套管。即套管系列。序言15套管柱的类型套管柱的类型l表层套管表层套管l技术套管（中间套管）技术套管（中间套管）l生产套管（油层套管）生产套管（油层套管）l尾管（技术尾管、生产尾管）尾管（技术尾管、生产尾管）l回接套管回接套管序言16一、套管外载分析与计算1 1、静载、静载特点：特点：长期作用、联合作用在套管上。长期作用、联合作用在套管上。长期作用、联合作用在套管上。长期作用、联合作用在套管上。类型：类型：s 轴向拉力轴向拉力s 径向外挤压力径向外挤压力s 径向内压力径向内压力s 弯曲附加拉力弯曲附加拉力s 温差应力温差应力172 2 2 2、动载动载动载动载特点：瞬时地、单一地作用在套管上特点：瞬时地、单一地作用在套管上特点：瞬时地、单一地作用在套管上特点：瞬时地、单一地作用在套管上。产生原因：产生原因：产生原因：产生原因：l l起下钻时速度变化产生的动载起下钻时速度变化产生的动载起下钻时速度变化产生的动载起下钻时速度变化产生的动载l l阻、卡套管时提拉动载阻、卡套管时提拉动载阻、卡套管时提拉动载阻、卡套管时提拉动载l l摩擦动载摩擦动载摩擦动载摩擦动载l l碰压动载碰压动载碰压动载碰压动载l l密度差产生的附加拉力密度差产生的附加拉力密度差产生的附加拉力密度差产生的附加拉力一、套管外载分析与计算18轴向力：自重、浮力外挤压力内压力作用在套管上的主要载荷应是：作用在套管上的主要载荷应是：一、套管外载分析与计算191.1.1.1.外挤压力外挤压力外挤压力外挤压力l l管外钻井液液柱压力管外钻井液液柱压力管外钻井液液柱压力管外钻井液液柱压力: : : :（水泥不返到（水泥不返到（水泥不返到（水泥不返到井口时，上部有一段套管外为钻井井口时，上部有一段套管外为钻井井口时，上部有一段套管外为钻井井口时，上部有一段套管外为钻井液。该段套管称为液。该段套管称为液。该段套管称为液。该段套管称为自由套管自由套管自由套管自由套管）l l水泥浆液柱压力水泥浆液柱压力水泥浆液柱压力水泥浆液柱压力l l地层中流体压力地层中流体压力地层中流体压力地层中流体压力l l易流动岩层的侧压力等易流动岩层的侧压力等易流动岩层的侧压力等易流动岩层的侧压力等一、套管外载分析与计算201.1.1.1.外挤压力外挤压力外挤压力外挤压力l l有效外压力：有效外压力：有效外压力：有效外压力：式中式中式中式中 P Poeoe有效外压力有效外压力有效外压力有效外压力； P Po o外压力外压力外压力外压力； P Pibib支撑内压力支撑内压力支撑内压力支撑内压力。 一、套管外载分析与计算211.1.1.1.径向外挤压力径向外挤压力径向外挤压力径向外挤压力l l有效外压力：有效外压力：有效外压力：有效外压力：表层套管：井漏造成表层套管：井漏造成表层套管：井漏造成表层套管：井漏造成全掏空全掏空全掏空全掏空技术套管：井漏发生，但技术套管：井漏发生，但技术套管：井漏发生，但技术套管：井漏发生，但不可能造成发生全漏空不可能造成发生全漏空不可能造成发生全漏空不可能造成发生全漏空的情况，的情况，的情况，的情况，因此技术套管的下部还有支撑内压力作用因此技术套管的下部还有支撑内压力作用因此技术套管的下部还有支撑内压力作用因此技术套管的下部还有支撑内压力作用油层套管：一般在采油后期产层压力降得很低的时候产油层套管：一般在采油后期产层压力降得很低的时候产油层套管：一般在采油后期产层压力降得很低的时候产油层套管：一般在采油后期产层压力降得很低的时候产生最大有效外压力（开发后期可能抽油或气举采油），生最大有效外压力（开发后期可能抽油或气举采油），生最大有效外压力（开发后期可能抽油或气举采油），生最大有效外压力（开发后期可能抽油或气举采油），因为这时套管内的内压力会降得很低。若近似认为内压因为这时套管内的内压力会降得很低。若近似认为内压因为这时套管内的内压力会降得很低。若近似认为内压因为这时套管内的内压力会降得很低。若近似认为内压力为零，则其受载情况与表层套管类似，即为力为零，则其受载情况与表层套管类似，即为力为零，则其受载情况与表层套管类似，即为力为零，则其受载情况与表层套管类似，即为全掏空全掏空全掏空全掏空。 一、套管外载分析与计算221.1.1.1.外挤压力外挤压力外挤压力外挤压力（1 1 1 1）外压力）外压力）外压力）外压力l l在水泥面（环空内水泥的顶面）以上应按钻井液液柱压力计算在水泥面（环空内水泥的顶面）以上应按钻井液液柱压力计算在水泥面（环空内水泥的顶面）以上应按钻井液液柱压力计算在水泥面（环空内水泥的顶面）以上应按钻井液液柱压力计算l l对于水泥封固段，当发生上述最大有效外压力时，管外环空中对于水泥封固段，当发生上述最大有效外压力时，管外环空中对于水泥封固段，当发生上述最大有效外压力时，管外环空中对于水泥封固段，当发生上述最大有效外压力时，管外环空中的水泥已经凝固，水泥环（水泥浆在环空内凝固后的环状水泥的水泥已经凝固，水泥环（水泥浆在环空内凝固后的环状水泥的水泥已经凝固，水泥环（水泥浆在环空内凝固后的环状水泥的水泥已经凝固，水泥环（水泥浆在环空内凝固后的环状水泥石称为水泥环）应有助于套管承受外压力，但难于准确计算，石称为水泥环）应有助于套管承受外压力，但难于准确计算，石称为水泥环）应有助于套管承受外压力，但难于准确计算，石称为水泥环）应有助于套管承受外压力，但难于准确计算，因此从安全角度考虑现场上因此从安全角度考虑现场上因此从安全角度考虑现场上因此从安全角度考虑现场上一般将水泥面以下水泥环段的外压一般将水泥面以下水泥环段的外压一般将水泥面以下水泥环段的外压一般将水泥面以下水泥环段的外压力也按钻井液液柱压力计算。力也按钻井液液柱压力计算。力也按钻井液液柱压力计算。力也按钻井液液柱压力计算。 一、套管外载分析与计算231.1.1.1.外挤压力外挤压力外挤压力外挤压力（2 2 2 2）支撑内压力）支撑内压力）支撑内压力）支撑内压力l l对于表层套管、油层套管这种可能全掏空的情况，支撑内压力对于表层套管、油层套管这种可能全掏空的情况，支撑内压力对于表层套管、油层套管这种可能全掏空的情况，支撑内压力对于表层套管、油层套管这种可能全掏空的情况，支撑内压力为零。为零。为零。为零。l l对于技术套管非全掏空的情况，在漏失面以上（即井深小于漏对于技术套管非全掏空的情况，在漏失面以上（即井深小于漏对于技术套管非全掏空的情况，在漏失面以上（即井深小于漏对于技术套管非全掏空的情况，在漏失面以上（即井深小于漏失面深度的套管段），支撑内压力为零，在漏失面以下（即井失面深度的套管段），支撑内压力为零，在漏失面以下（即井失面深度的套管段），支撑内压力为零，在漏失面以下（即井失面深度的套管段），支撑内压力为零，在漏失面以下（即井深大于漏失面深度的套管段）作用有管内钻井液液柱压力。深大于漏失面深度的套管段）作用有管内钻井液液柱压力。深大于漏失面深度的套管段）作用有管内钻井液液柱压力。深大于漏失面深度的套管段）作用有管内钻井液液柱压力。l l因此，因此，因此，因此，要计算支撑内压力，首先要知道漏失面的深度。要计算支撑内压力，首先要知道漏失面的深度。要计算支撑内压力，首先要知道漏失面的深度。要计算支撑内压力，首先要知道漏失面的深度。一、套管外载分析与计算241.1.1.1.径向外挤压力径向外挤压力径向外挤压力径向外挤压力（2 2 2 2）支撑内压力）支撑内压力）支撑内压力）支撑内压力l l漏失面深度确定：假设下一次钻进钻至下漏失面深度确定：假设下一次钻进钻至下漏失面深度确定：假设下一次钻进钻至下漏失面深度确定：假设下一次钻进钻至下一层套管的下入深度（下一井段的目的井一层套管的下入深度（下一井段的目的井一层套管的下入深度（下一井段的目的井一层套管的下入深度（下一井段的目的井深）时发生井漏，并假设漏失层的孔隙压深）时发生井漏，并假设漏失层的孔隙压深）时发生井漏，并假设漏失层的孔隙压深）时发生井漏，并假设漏失层的孔隙压力为地层盐水柱压力，根据压力平衡关系力为地层盐水柱压力，根据压力平衡关系力为地层盐水柱压力，根据压力平衡关系力为地层盐水柱压力，根据压力平衡关系可得漏失面深度为：可得漏失面深度为：可得漏失面深度为：可得漏失面深度为：一、套管外载分析与计算钻井液盐水HnHL251.1.外挤压力外挤压力（2 2）支撑内压力）支撑内压力l l对于技术套管非全掏空的情况，支撑内压力的计对于技术套管非全掏空的情况，支撑内压力的计对于技术套管非全掏空的情况，支撑内压力的计对于技术套管非全掏空的情况，支撑内压力的计算式为算式为算式为算式为（0HHL） （HLHHB） 一、套管外载分析与计算261.1.1.1.外挤压力外挤压力外挤压力外挤压力（3 3 3 3）有效外压力）有效外压力）有效外压力）有效外压力l l对于表层套管、油层套管这种可能全掏空的情况，需要按全掏对于表层套管、油层套管这种可能全掏空的情况，需要按全掏对于表层套管、油层套管这种可能全掏空的情况，需要按全掏对于表层套管、油层套管这种可能全掏空的情况，需要按全掏空考虑的技术套管，有效外压力为空考虑的技术套管，有效外压力为空考虑的技术套管，有效外压力为空考虑的技术套管，有效外压力为l l对于技术套管非全掏空的情况，有效外压力为对于技术套管非全掏空的情况，有效外压力为对于技术套管非全掏空的情况，有效外压力为对于技术套管非全掏空的情况，有效外压力为 （0HHL） （HLHHB） 一、套管外载分析与计算27（a a）全掏空全掏空 （b b）非全掏空非全掏空图图7-3 7-3 有效外挤压力对比示意图有效外挤压力对比示意图11外压力外压力 2 2支撑内压力支撑内压力 3 3有效外压力有效外压力全掏空与非全掏空两种不同的情况下，套管柱所受的有效外压力不一样。全掏空与非全掏空两种不同的情况下，套管柱所受的有效外压力不一样。对于全掏空情况，有效外压力是井底最大，井口最小（为零）；对于全掏空情况，有效外压力是井底最大，井口最小（为零）；对于非全掏空情况，有效外压力是中间大，井口和井底小。对于非全掏空情况，有效外压力是中间大，井口和井底小。显然，这种不同的外载情况会使套管柱设计的结果不同。显然，这种不同的外载情况会使套管柱设计的结果不同。 一、套管外载分析与计算282.2.2.2.内压力内压力内压力内压力l l套管柱所受的内压力主要来自于钻井液、地层流体（油、气、套管柱所受的内压力主要来自于钻井液、地层流体（油、气、套管柱所受的内压力主要来自于钻井液、地层流体（油、气、套管柱所受的内压力主要来自于钻井液、地层流体（油、气、水）压力以及特殊作业（如压井、酸化压裂、挤水泥等）时水）压力以及特殊作业（如压井、酸化压裂、挤水泥等）时水）压力以及特殊作业（如压井、酸化压裂、挤水泥等）时水）压力以及特殊作业（如压井、酸化压裂、挤水泥等）时所施加的压力。与外挤压力类似，对内压力也是分析计算危所施加的压力。与外挤压力类似，对内压力也是分析计算危所施加的压力。与外挤压力类似，对内压力也是分析计算危所施加的压力。与外挤压力类似，对内压力也是分析计算危险工况时的有效内压力。有效内压力为险工况时的有效内压力。有效内压力为险工况时的有效内压力。有效内压力为险工况时的有效内压力。有效内压力为 P Pie ie P Pi i P Pobob 对于表层套管和技术套管，如果在下一井段钻进过程中发对于表层套管和技术套管，如果在下一井段钻进过程中发对于表层套管和技术套管，如果在下一井段钻进过程中发对于表层套管和技术套管，如果在下一井段钻进过程中发生井涌而进行生井涌而进行生井涌而进行生井涌而进行压井压井压井压井时，套管柱所受的有效内压力最大。时，套管柱所受的有效内压力最大。时，套管柱所受的有效内压力最大。时，套管柱所受的有效内压力最大。而对于油层套管，油井和气井的情况不一样，要根据采油、而对于油层套管，油井和气井的情况不一样，要根据采油、而对于油层套管，油井和气井的情况不一样，要根据采油、而对于油层套管，油井和气井的情况不一样，要根据采油、采气工艺情况考虑相关的危险工况。采气工艺情况考虑相关的危险工况。采气工艺情况考虑相关的危险工况。采气工艺情况考虑相关的危险工况。 一、套管外载分析与计算29径向内压力：径向内压力：管内流体压力管内流体压力压裂作业等增产措压裂作业等增产措施时的压力施时的压力一、套管外载分析与计算302.2.2.2.内压力内压力内压力内压力（1 1 1 1）内压力）内压力）内压力）内压力l l对于表层套管和技术套管，当在下一井段钻进过程中发生井涌对于表层套管和技术套管，当在下一井段钻进过程中发生井涌对于表层套管和技术套管，当在下一井段钻进过程中发生井涌对于表层套管和技术套管，当在下一井段钻进过程中发生井涌而进行压井时，套管的内压力为而进行压井时，套管的内压力为而进行压井时，套管的内压力为而进行压井时，套管的内压力为井口内压力与管内流体井口内压力与管内流体井口内压力与管内流体井口内压力与管内流体（钻井（钻井（钻井（钻井液与涌入流体液与涌入流体液与涌入流体液与涌入流体气、水、油或混合物）气、水、油或混合物）气、水、油或混合物）气、水、油或混合物）的液柱压力之和的液柱压力之和的液柱压力之和的液柱压力之和。由。由。由。由于井涌情况的多样性，所以关于套管内压力的计算有多种方法，于井涌情况的多样性，所以关于套管内压力的计算有多种方法，于井涌情况的多样性，所以关于套管内压力的计算有多种方法，于井涌情况的多样性，所以关于套管内压力的计算有多种方法，常用方法是：常用方法是：常用方法是：常用方法是： 一、套管外载分析与计算312.2.2.2.内压力内压力内压力内压力（1 1 1 1）内压力）内压力）内压力）内压力确定井口内压力的三种方法是：确定井口内压力的三种方法是：确定井口内压力的三种方法是：确定井口内压力的三种方法是：uu1 1 1 1）井口防喷装置（防喷器及压井管线等）许用最高压力。）井口防喷装置（防喷器及压井管线等）许用最高压力。）井口防喷装置（防喷器及压井管线等）许用最高压力。）井口防喷装置（防喷器及压井管线等）许用最高压力。 uu2 2 2 2）套管鞋处附近地层破裂压力所决定的许用井口压力。）套管鞋处附近地层破裂压力所决定的许用井口压力。）套管鞋处附近地层破裂压力所决定的许用井口压力。）套管鞋处附近地层破裂压力所决定的许用井口压力。 uu3 3 3 3）下部高压油气喷出时可能出现的井口内压力。）下部高压油气喷出时可能出现的井口内压力。）下部高压油气喷出时可能出现的井口内压力。）下部高压油气喷出时可能出现的井口内压力。 一、套管外载分析与计算32l l对于油层套管，分油井与气井采用不同的计算方法。以下是关对于油层套管，分油井与气井采用不同的计算方法。以下是关对于油层套管，分油井与气井采用不同的计算方法。以下是关对于油层套管，分油井与气井采用不同的计算方法。以下是关于油层套管内压力的计算方法之一于油层套管内压力的计算方法之一于油层套管内压力的计算方法之一于油层套管内压力的计算方法之一 。对于油井，认为采油初期，产层压力较高，井口有内压力作对于油井，认为采油初期，产层压力较高，井口有内压力作对于油井，认为采油初期，产层压力较高，井口有内压力作对于油井，认为采油初期，产层压力较高，井口有内压力作用于套管，套管的内压力为井口内压力与原油的液柱压力之用于套管，套管的内压力为井口内压力与原油的液柱压力之用于套管，套管的内压力为井口内压力与原油的液柱压力之用于套管，套管的内压力为井口内压力与原油的液柱压力之和（式中括号项即为井口内压力）和（式中括号项即为井口内压力）和（式中括号项即为井口内压力）和（式中括号项即为井口内压力） 对于气井，井口也有内压力作用于套管。当考虑气体自重及对于气井，井口也有内压力作用于套管。当考虑气体自重及对于气井，井口也有内压力作用于套管。当考虑气体自重及对于气井，井口也有内压力作用于套管。当考虑气体自重及其压缩性后，套管内任意深度处的内压力为（式中令井深其压缩性后，套管内任意深度处的内压力为（式中令井深其压缩性后，套管内任意深度处的内压力为（式中令井深其压缩性后，套管内任意深度处的内压力为（式中令井深Z Z Z Z为零即得井口内压力）为零即得井口内压力）为零即得井口内压力）为零即得井口内压力） 一、套管外载分析与计算332.2.2.2.内压力内压力内压力内压力（2 2 2 2）支撑外压力）支撑外压力）支撑外压力）支撑外压力l l在无水泥段，因钻井液降解及固相沉降，其液柱压力可能降低在无水泥段，因钻井液降解及固相沉降，其液柱压力可能降低在无水泥段，因钻井液降解及固相沉降，其液柱压力可能降低在无水泥段，因钻井液降解及固相沉降，其液柱压力可能降低l l对水泥封固段，可能水泥环并不完整，地层压力可能作用于管对水泥封固段，可能水泥环并不完整，地层压力可能作用于管对水泥封固段，可能水泥环并不完整，地层压力可能作用于管对水泥封固段，可能水泥环并不完整，地层压力可能作用于管柱上，按盐水柱计算支撑外压力可能比实际外压力偏小，但可柱上，按盐水柱计算支撑外压力可能比实际外压力偏小，但可柱上，按盐水柱计算支撑外压力可能比实际外压力偏小，但可柱上，按盐水柱计算支撑外压力可能比实际外压力偏小，但可使有效内压力偏大而使管柱趋于安全。所以，使有效内压力偏大而使管柱趋于安全。所以，使有效内压力偏大而使管柱趋于安全。所以，使有效内压力偏大而使管柱趋于安全。所以，在支撑外压力计在支撑外压力计在支撑外压力计在支撑外压力计算中一般无论是水泥面以上还是水泥面以下均按地层盐水柱压算中一般无论是水泥面以上还是水泥面以下均按地层盐水柱压算中一般无论是水泥面以上还是水泥面以下均按地层盐水柱压算中一般无论是水泥面以上还是水泥面以下均按地层盐水柱压力计算力计算力计算力计算，即，即，即，即 ：一、套管外载分析与计算342.2.2.2.内压力内压力内压力内压力（3 3 3 3）有效内压力）有效内压力）有效内压力）有效内压力由上所述，可得套管柱有效内压力的计算方法：由上所述，可得套管柱有效内压力的计算方法：由上所述，可得套管柱有效内压力的计算方法：由上所述，可得套管柱有效内压力的计算方法：l l对于表层套管和技术套管：对于表层套管和技术套管：对于表层套管和技术套管：对于表层套管和技术套管：l l对于油层套管对于油层套管对于油层套管对于油层套管 油井：油井：油井：油井：气井：气井：气井：气井： 一、套管外载分析与计算35 （a） （b） （c）图图7-4 7-4 有效内压力对比示意图有效内压力对比示意图（a a）表层或技术套管表层或技术套管 （b b）油井油层套管油井油层套管 （c c）气井油层套管气井油层套管11内压力内压力 2 2支撑外压力支撑外压力 3 3有效内压力有效内压力l注意图中，支撑外压和内压曲线的斜率变化。注意图中，支撑外压和内压曲线的斜率变化。l对于表层套管或技术套管，有效内压力是井口最小，井底最大；对于油层套对于表层套管或技术套管，有效内压力是井口最小，井底最大；对于油层套管，有效内压力是井口最大，井底最小。可见，不同类型的井、不同类型的管，有效内压力是井口最大，井底最小。可见，不同类型的井、不同类型的套管，所受外载是不一样的。套管，所受外载是不一样的。 l现场有时还采用直接用井口压力现场有时还采用直接用井口压力Ps作为整个套管柱有效内压力的方法（即假设作为整个套管柱有效内压力的方法（即假设从井口到井底有效内压力均为从井口到井底有效内压力均为Ps）。）。从图可见，对于油层套管，采用这种方法从图可见，对于油层套管，采用这种方法显然是安全的，不过可能有点不经济，但可使内压力计算、进而使套管柱的显然是安全的，不过可能有点不经济，但可使内压力计算、进而使套管柱的抗内压设计更简捷抗内压设计更简捷一、套管外载分析与计算swnswosw曲线曲线363.3.3.3.轴向拉力轴向拉力轴向拉力轴向拉力l l一般情况下，套管柱在入井过程中（即下套管过程中）承受的一般情况下，套管柱在入井过程中（即下套管过程中）承受的一般情况下，套管柱在入井过程中（即下套管过程中）承受的一般情况下，套管柱在入井过程中（即下套管过程中）承受的拉力最大。这时，除了套管柱的自重外，还有上提下放时的动拉力最大。这时，除了套管柱的自重外，还有上提下放时的动拉力最大。这时，除了套管柱的自重外，还有上提下放时的动拉力最大。这时，除了套管柱的自重外，还有上提下放时的动载、上提时弯曲井段处的阻力、或者是遇卡上提时多提的拉力载、上提时弯曲井段处的阻力、或者是遇卡上提时多提的拉力载、上提时弯曲井段处的阻力、或者是遇卡上提时多提的拉力载、上提时弯曲井段处的阻力、或者是遇卡上提时多提的拉力等附加拉力。在计算时，一般只计算套管的自重，将动载、遇等附加拉力。在计算时，一般只计算套管的自重，将动载、遇等附加拉力。在计算时，一般只计算套管的自重，将动载、遇等附加拉力。在计算时，一般只计算套管的自重，将动载、遇卡上提多提的拉力等附加拉力用设计安全系数考虑，或以其它卡上提多提的拉力等附加拉力用设计安全系数考虑，或以其它卡上提多提的拉力等附加拉力用设计安全系数考虑，或以其它卡上提多提的拉力等附加拉力用设计安全系数考虑，或以其它方式考虑。方式考虑。方式考虑。方式考虑。l l套管柱一般是由几段套管组成。在计算套管自重所产生的轴向套管柱一般是由几段套管组成。在计算套管自重所产生的轴向套管柱一般是由几段套管组成。在计算套管自重所产生的轴向套管柱一般是由几段套管组成。在计算套管自重所产生的轴向拉力时，通常需要计算的是各段套管顶、底端的轴向拉力。显拉力时，通常需要计算的是各段套管顶、底端的轴向拉力。显拉力时，通常需要计算的是各段套管顶、底端的轴向拉力。显拉力时，通常需要计算的是各段套管顶、底端的轴向拉力。显然，某段套管顶端的拉力即是其上面一段套管底端的拉力，其然，某段套管顶端的拉力即是其上面一段套管底端的拉力，其然，某段套管顶端的拉力即是其上面一段套管底端的拉力，其然，某段套管顶端的拉力即是其上面一段套管底端的拉力，其底端的拉力即是其下面一端套管顶端的拉力。底端的拉力即是其下面一端套管顶端的拉力。底端的拉力即是其下面一端套管顶端的拉力。底端的拉力即是其下面一端套管顶端的拉力。 一、套管外载分析与计算37轴向拉力轴向拉力：自重自重浮力浮力W一、套管外载分析与计算383.3.3.3.轴向拉力轴向拉力轴向拉力轴向拉力l l轴向拉力计算方法：轴向拉力计算方法：轴向拉力计算方法：轴向拉力计算方法：当不考虑钻井液的浮力时，计算的是套管在空气中的重量；当不考虑钻井液的浮力时，计算的是套管在空气中的重量；当不考虑钻井液的浮力时，计算的是套管在空气中的重量；当不考虑钻井液的浮力时，计算的是套管在空气中的重量；当考虑钻井液的浮力时，计算的是套管在钻井液中的重量，当考虑钻井液的浮力时，计算的是套管在钻井液中的重量，当考虑钻井液的浮力时，计算的是套管在钻井液中的重量，当考虑钻井液的浮力时，计算的是套管在钻井液中的重量，常简称为浮重。一般可用台阶法和浮力系数法计算常简称为浮重。一般可用台阶法和浮力系数法计算常简称为浮重。一般可用台阶法和浮力系数法计算常简称为浮重。一般可用台阶法和浮力系数法计算 其中其中其中其中一、套管外载分析与计算39用台阶力法计算用台阶力法计算：考虑浮力是集中作用在套管界考虑浮力是集中作用在套管界面变化的位置！面变化的位置！浮力的大小：浮力的大小：T Tf f=P=Ph h*A*A轴向力为轴向力为：一、套管外载分析与计算40考虑浮力后的轴向力分布考虑浮力后的轴向力分布(台阶力法台阶力法)HT一、套管外载分析与计算41l l很显然，套管柱自重所产生的轴向拉力的分布很显然，套管柱自重所产生的轴向拉力的分布很显然，套管柱自重所产生的轴向拉力的分布很显然，套管柱自重所产生的轴向拉力的分布规律是井底最小（为零），往上逐渐增大，井规律是井底最小（为零），往上逐渐增大，井规律是井底最小（为零），往上逐渐增大，井规律是井底最小（为零），往上逐渐增大，井口拉力最大口拉力最大口拉力最大口拉力最大 图图7-5 7-5 套管轴向拉力沿井深分布示意图套管轴向拉力沿井深分布示意图 1- 1-不考虑浮力不考虑浮力 2- 2-考虑浮力考虑浮力一、套管外载分析与计算424.4.4.4.弯曲附加拉力弯曲附加拉力弯曲附加拉力弯曲附加拉力 如如如如果果果果井井井井眼眼眼眼存存存存在在在在较较较较大大大大的的的的井井井井斜斜斜斜变变变变化化化化或或或或狗狗狗狗腿腿腿腿时时时时，由由由由于于于于套套套套管管管管弯弯弯弯曲曲曲曲效效效效应应应应的的的的影影影影响响响响将将将将增增增增大大大大套套套套管管管管的的的的拉拉拉拉力力力力负负负负荷荷荷荷，特特特特别别别别是是是是在在在在靠靠靠靠近近近近丝丝丝丝扣扣扣扣啮啮啮啮合合合合处处处处易易易易形形形形成成成成裂裂裂裂缝缝缝缝损损损损坏坏坏坏，由由由由于于于于APIAPIAPIAPI套套套套管管管管的的的的连连连连接接接接强强强强度度度度没没没没有有有有考考考考虑虑虑虑弯弯弯弯曲曲曲曲应应应应力力力力，所所所所以以以以设设设设计时应从套管的连接强度中扣除弯曲效应的影响。计时应从套管的连接强度中扣除弯曲效应的影响。计时应从套管的连接强度中扣除弯曲效应的影响。计时应从套管的连接强度中扣除弯曲效应的影响。Z(+) Z(-)max一、套管外载分析与计算43对对对对所所所所用用用用套套套套管管管管系系系系列列列列的的的的统统统统一一一一规规规规定定定定，叫叫叫叫套套套套管管管管规规规规范范范范。规规规规定定定定了套管生产的了套管生产的了套管生产的了套管生产的尺寸尺寸尺寸尺寸、钢级钢级钢级钢级、壁厚、连接方式等；壁厚、连接方式等；壁厚、连接方式等；壁厚、连接方式等；目目目目前前前前一一一一般般般般使使使使用用用用的的的的美美美美国国国国APIAPIAPIAPI套套套套管管管管规规规规范范范范。其其其其规规规规定定定定的的的的有有有有关关关关性性性性能能能能主主主主要要要要有有有有：套套套套管管管管尺尺尺尺寸寸寸寸、套套套套管管管管壁壁壁壁厚厚厚厚、螺螺螺螺纹纹纹纹类类类类型型型型与与与与套管钢级套管钢级套管钢级套管钢级 二、套管强度441 1、套管基本参数、套管基本参数 套管的基本参数为套管尺寸、套管壁厚（或单位套管的基本参数为套管尺寸、套管壁厚（或单位套管的基本参数为套管尺寸、套管壁厚（或单位套管的基本参数为套管尺寸、套管壁厚（或单位长度名义重量）、螺纹类型与套管钢级。长度名义重量）、螺纹类型与套管钢级。长度名义重量）、螺纹类型与套管钢级。长度名义重量）、螺纹类型与套管钢级。 （1 1 1 1）套管尺寸）套管尺寸）套管尺寸）套管尺寸（又叫名义外径或公称直径）：本体外径（又叫名义外径或公称直径）：本体外径（又叫名义外径或公称直径）：本体外径（又叫名义外径或公称直径）：本体外径4-1/2”, 5”, 51/2”, 65/8”, 7”, 7-5/8”, 8-4-1/2”, 5”, 51/2”, 65/8”, 7”, 7-5/8”, 8-4-1/2”, 5”, 51/2”, 65/8”, 7”, 7-5/8”, 8-4-1/2”, 5”, 51/2”, 65/8”, 7”, 7-5/8”, 8-5/8”, 5/8”, 5/8”, 5/8”, 9-5/8”, 10-3/4”, 11-3/4”, 16”, 28-5/8”, 9-5/8”, 10-3/4”, 11-3/4”, 16”, 28-5/8”, 9-5/8”, 10-3/4”, 11-3/4”, 16”, 28-5/8”, 9-5/8”, 10-3/4”, 11-3/4”, 16”, 28-5/8”, 20”, 30”.20”, 30”.20”, 30”.20”, 30”. 套管尺寸的选择套管尺寸的选择套管尺寸的选择套管尺寸的选择与钻头尺寸相配合！与钻头尺寸相配合！与钻头尺寸相配合！与钻头尺寸相配合！- - - - 井身结构设计井身结构设计井身结构设计井身结构设计二、套管强度45 目目目目前前前前国国国国内内内内外外外外所所所所生生生生产产产产的的的的套套套套管管管管尺尺尺尺寸寸寸寸及及及及钻钻钻钻头头头头及及及及尺尺尺尺寸寸寸寸已已已已标标标标准准准准系系系系列列列列化化化化。套套套套管管管管与与与与其其其其相相相相应应应应井井井井眼眼眼眼的的的的尺尺尺尺寸寸寸寸配配配配合合合合基基基基本本本本确确确确定定定定或或或或在在在在较较较较小小小小范围内变化。范围内变化。范围内变化。范围内变化。二、套管强度461 1、套管基本参数、套管基本参数（2 2 2 2）套管壁厚与套管单位长度名义重量套管壁厚与套管单位长度名义重量套管壁厚与套管单位长度名义重量套管壁厚与套管单位长度名义重量l l套管壁厚套管壁厚套管壁厚套管壁厚指的是套管本体处套管壁的厚度，套管壁厚指的是套管本体处套管壁的厚度，套管壁厚指的是套管本体处套管壁的厚度，套管壁厚指的是套管本体处套管壁的厚度，套管壁厚有时又称为套管名义壁厚。套管壁厚也已标准系列化有时又称为套管名义壁厚。套管壁厚也已标准系列化有时又称为套管名义壁厚。套管壁厚也已标准系列化有时又称为套管名义壁厚。套管壁厚也已标准系列化 l l套管单位长度名义重量套管单位长度名义重量套管单位长度名义重量套管单位长度名义重量又称为套管公称重量，指的是又称为套管公称重量，指的是又称为套管公称重量，指的是又称为套管公称重量，指的是包括接箍在内的、套管单位长度上的平均重量包括接箍在内的、套管单位长度上的平均重量包括接箍在内的、套管单位长度上的平均重量包括接箍在内的、套管单位长度上的平均重量 l l套管壁厚、套管单位长度名义重量二者是直接相关的套管壁厚、套管单位长度名义重量二者是直接相关的套管壁厚、套管单位长度名义重量二者是直接相关的套管壁厚、套管单位长度名义重量二者是直接相关的 二、套管强度471 1、套管基本参数、套管基本参数（3 3）螺纹类型）螺纹类型）螺纹类型）螺纹类型 套管螺纹及螺纹连接是套管质量的关键所在，与套管的套管螺纹及螺纹连接是套管质量的关键所在，与套管的套管螺纹及螺纹连接是套管质量的关键所在，与套管的套管螺纹及螺纹连接是套管质量的关键所在，与套管的强度和密封性能密切相关。强度和密封性能密切相关。强度和密封性能密切相关。强度和密封性能密切相关。APIAPIAPIAPI标准的螺纹类型有标准的螺纹类型有标准的螺纹类型有标准的螺纹类型有4 4 4 4种：种：种：种：短圆螺纹（英文缩写短圆螺纹（英文缩写短圆螺纹（英文缩写短圆螺纹（英文缩写STCSTCSTCSTC）长圆螺纹（英文缩写长圆螺纹（英文缩写长圆螺纹（英文缩写长圆螺纹（英文缩写LTCLTCLTCLTC）梯形螺纹（英文缩写梯形螺纹（英文缩写梯形螺纹（英文缩写梯形螺纹（英文缩写BTCBTCBTCBTC）直连型螺纹（英文缩写直连型螺纹（英文缩写直连型螺纹（英文缩写直连型螺纹（英文缩写XLXLXLXL，用于无接箍套管）用于无接箍套管）用于无接箍套管）用于无接箍套管）二、套管强度48二、套管强度 （a a） （b b） （c c）图图7-6 7-6 APIAPI螺纹连接示意图螺纹连接示意图（a a）圆螺纹连接圆螺纹连接 （b b）梯形螺纹连接梯形螺纹连接 （c c）直连型螺纹连接直连型螺纹连接49（4 4 4 4）套管钢级）套管钢级）套管钢级）套管钢级l lAPIAPIAPIAPI钢级有钢级有钢级有钢级有10101010种：种：种：种：H,J,K,N,C,L,P,Q,XH,J,K,N,C,L,P,Q,XH,J,K,N,C,L,P,Q,XH,J,K,N,C,L,P,Q,X. . . .非标准的钢级，也较广泛使用，如非标准的钢级，也较广泛使用，如非标准的钢级，也较广泛使用，如非标准的钢级，也较广泛使用，如NKK,S,SS,VNKK,S,SS,VNKK,S,SS,VNKK,S,SS,V等。等。等。等。APIAPIAPIAPI规定钢级代号后面的数字乘以规定钢级代号后面的数字乘以规定钢级代号后面的数字乘以规定钢级代号后面的数字乘以1000100010001000PSiPSiPSiPSi(6894.8Pa)(6894.8Pa)(6894.8Pa)(6894.8Pa)即为该即为该即为该即为该钢材的最小屈服强度钢材的最小屈服强度钢材的最小屈服强度钢材的最小屈服强度。如如如如: : : :N-80-80*1000PsiN-80-80*1000PsiN-80-80*1000PsiN-80-80*1000Psi但也有个别例外但也有个别例外但也有个别例外但也有个别例外: : : :S-80-55KpsiS-80-55KpsiS-80-55KpsiS-80-55KpsiSS-95-80KpsiSS-95-80KpsiSS-95-80KpsiSS-95-80Kpsil l套管钢材的抗硫能力：套管钢材的抗硫能力：套管钢材的抗硫能力：套管钢材的抗硫能力： 有抗硫能力的套管钢级有抗硫能力的套管钢级有抗硫能力的套管钢级有抗硫能力的套管钢级 H-40, J-55, K-55, X-52, C-75, L-80, C-90H-40, J-55, K-55, X-52, C-75, L-80, C-90H-40, J-55, K-55, X-52, C-75, L-80, C-90H-40, J-55, K-55, X-52, C-75, L-80, C-90二、套管强度50l l采用非采用非采用非采用非APIAPI标准有两种情况：标准有两种情况：标准有两种情况：标准有两种情况：一是套管的尺寸、钢级与壁厚按照一是套管的尺寸、钢级与壁厚按照一是套管的尺寸、钢级与壁厚按照一是套管的尺寸、钢级与壁厚按照APIAPI规范，只是在螺纹规范，只是在螺纹规范，只是在螺纹规范，只是在螺纹连接上采用非连接上采用非连接上采用非连接上采用非APIAPI标准的特殊螺纹连接型式，这主要是标准的特殊螺纹连接型式，这主要是标准的特殊螺纹连接型式，这主要是标准的特殊螺纹连接型式，这主要是为了解决螺纹连接的高密封要求问题；为了解决螺纹连接的高密封要求问题；为了解决螺纹连接的高密封要求问题；为了解决螺纹连接的高密封要求问题；二是套管的尺寸、壁厚与螺纹连接型式按照二是套管的尺寸、壁厚与螺纹连接型式按照二是套管的尺寸、壁厚与螺纹连接型式按照二是套管的尺寸、壁厚与螺纹连接型式按照APIAPI规范，但规范，但规范，但规范，但使用特殊的套管钢级，这是为了解决套管腐蚀和高应力使用特殊的套管钢级，这是为了解决套管腐蚀和高应力使用特殊的套管钢级，这是为了解决套管腐蚀和高应力使用特殊的套管钢级，这是为了解决套管腐蚀和高应力问题。问题。问题。问题。 二、套管强度512 2、套管强度、套管强度（1 1 1 1）套管强度）套管强度）套管强度）套管强度 外载可分为三种，即作用在管柱外壁上的外挤压力、作用外载可分为三种，即作用在管柱外壁上的外挤压力、作用外载可分为三种，即作用在管柱外壁上的外挤压力、作用外载可分为三种，即作用在管柱外壁上的外挤压力、作用在管柱内壁上的内压力和作用在管柱内方向与管柱轴线平在管柱内壁上的内压力和作用在管柱内方向与管柱轴线平在管柱内壁上的内压力和作用在管柱内方向与管柱轴线平在管柱内壁上的内压力和作用在管柱内方向与管柱轴线平行的轴向拉力行的轴向拉力行的轴向拉力行的轴向拉力。l l套管所具有的抵抗外载的能力称为套管所具有的抵抗外载的能力称为套管所具有的抵抗外载的能力称为套管所具有的抵抗外载的能力称为套管强度套管强度套管强度套管强度 l l套管所能承受的最大外挤压力称为套管的套管所能承受的最大外挤压力称为套管的套管所能承受的最大外挤压力称为套管的套管所能承受的最大外挤压力称为套管的抗挤强度抗挤强度抗挤强度抗挤强度 l l套管所能承受的最大内压力称为套管的抗套管所能承受的最大内压力称为套管的抗套管所能承受的最大内压力称为套管的抗套管所能承受的最大内压力称为套管的抗内压强度内压强度内压强度内压强度 l l套管所能承受的最大轴向拉力称为套管的套管所能承受的最大轴向拉力称为套管的套管所能承受的最大轴向拉力称为套管的套管所能承受的最大轴向拉力称为套管的抗拉强度。抗拉强度。抗拉强度。抗拉强度。因为因为因为因为在轴向拉力的作用下，套管的破坏一般是发生在套管本体在轴向拉力的作用下，套管的破坏一般是发生在套管本体在轴向拉力的作用下，套管的破坏一般是发生在套管本体在轴向拉力的作用下，套管的破坏一般是发生在套管本体与接箍的螺纹连接处，因此套管的抗拉强度又常称为连接与接箍的螺纹连接处，因此套管的抗拉强度又常称为连接与接箍的螺纹连接处，因此套管的抗拉强度又常称为连接与接箍的螺纹连接处，因此套管的抗拉强度又常称为连接强度或接头拉伸强度。强度或接头拉伸强度。强度或接头拉伸强度。强度或接头拉伸强度。 二、套管强度52套管强度系列：套管套管套管套管外径外径外径外径1 1外径外径外径外径2 2.钢级钢级钢级钢级.壁厚壁厚壁厚壁厚.扣型扣型扣型扣型.强度强度强度强度.强度系列强度系列强度系列强度系列二、套管强度532 2 2 2、套管强度、套管强度、套管强度、套管强度（2 2 2 2）轴向拉力作用下套管的失效形式）轴向拉力作用下套管的失效形式）轴向拉力作用下套管的失效形式）轴向拉力作用下套管的失效形式原因：轴向载荷过大原因：轴向载荷过大原因：轴向载荷过大原因：轴向载荷过大 失效形式失效形式失效形式失效形式: : : :(1)(1)(1)(1)丝扣（接箍）滑脱丝扣（接箍）滑脱丝扣（接箍）滑脱丝扣（接箍）滑脱(2)(2)(2)(2)丝扣断裂丝扣断裂丝扣断裂丝扣断裂(3)(3)(3)(3)管体断裂管体断裂管体断裂管体断裂(4)(4)(4)(4)氢脆氢脆氢脆氢脆二、套管强度542 2、套管强度、套管强度（2 2）轴向拉力作用下套管的失效形式）轴向拉力作用下套管的失效形式l l丝扣（接箍）滑脱丝扣（接箍）滑脱 对圆扣套管是常见的对圆扣套管是常见的失效形式。失效形式。二、套管强度552 2、套管强度、套管强度（2 2 2 2）轴向拉力作用下套管的失效形式）轴向拉力作用下套管的失效形式）轴向拉力作用下套管的失效形式）轴向拉力作用下套管的失效形式l l丝扣断裂丝扣断裂丝扣断裂丝扣断裂条件条件条件条件：拉力大于丝扣连接强度，小于本体强度。拉力大于丝扣连接强度，小于本体强度。拉力大于丝扣连接强度，小于本体强度。拉力大于丝扣连接强度，小于本体强度。位置位置位置位置：丝扣最后一个啮合螺纹处（扣根）丝扣最后一个啮合螺纹处（扣根）丝扣最后一个啮合螺纹处（扣根）丝扣最后一个啮合螺纹处（扣根）（直径最小）（直径最小）（直径最小）（直径最小）二、套管强度562 2、套管强度、套管强度（2 2 2 2）轴向拉力作用下套管的失效形式）轴向拉力作用下套管的失效形式）轴向拉力作用下套管的失效形式）轴向拉力作用下套管的失效形式l l管体断裂管体断裂条件条件：拉拉力力小小于于丝丝扣扣连连接接强强度度，大大于于本本体体强强度度。二、套管强度572 2、套管强度、套管强度（3 3 3 3）套管抗拉强度的选用）套管抗拉强度的选用）套管抗拉强度的选用）套管抗拉强度的选用抗拉强度抗拉强度抗拉强度抗拉强度minminminmin丝扣部分抗拉强度，管体抗拉强度丝扣部分抗拉强度，管体抗拉强度丝扣部分抗拉强度，管体抗拉强度丝扣部分抗拉强度，管体抗拉强度 （1 1 1 1）圆螺纹套管）圆螺纹套管）圆螺纹套管）圆螺纹套管丝扣抗拉强度丝扣抗拉强度丝扣抗拉强度丝扣抗拉强度= = = =minminminmin抗滑脱强度，丝扣拉断强度抗滑脱强度，丝扣拉断强度抗滑脱强度，丝扣拉断强度抗滑脱强度，丝扣拉断强度 （2 2 2 2）梯形扣和直连型套管）梯形扣和直连型套管）梯形扣和直连型套管）梯形扣和直连型套管以丝扣或管体抗拉强度为标准以丝扣或管体抗拉强度为标准以丝扣或管体抗拉强度为标准以丝扣或管体抗拉强度为标准 二、套管强度58丝扣抗拉强度的计算丝扣抗拉强度的计算目的：根据材料的强度计算出丝扣抗拉强度目的：根据材料的强度计算出丝扣抗拉强度目的：根据材料的强度计算出丝扣抗拉强度目的：根据材料的强度计算出丝扣抗拉强度抗滑脱强度抗滑脱强度抗滑脱强度抗滑脱强度丝扣拉断强度丝扣拉断强度丝扣拉断强度丝扣拉断强度 二、套管强度592 2、套管强度、套管强度（4 4 4 4）轴向拉力作用下套管的抗挤强度）轴向拉力作用下套管的抗挤强度）轴向拉力作用下套管的抗挤强度）轴向拉力作用下套管的抗挤强度 l lAPIAPIAPIAPI所公布的套管强度数据是套管受相应的单一外载作用时所公布的套管强度数据是套管受相应的单一外载作用时所公布的套管强度数据是套管受相应的单一外载作用时所公布的套管强度数据是套管受相应的单一外载作用时的强度，如抗挤强度是套管仅受外挤压力作用时套管所能的强度，如抗挤强度是套管仅受外挤压力作用时套管所能的强度，如抗挤强度是套管仅受外挤压力作用时套管所能的强度，如抗挤强度是套管仅受外挤压力作用时套管所能承受的最大外挤压力值；承受的最大外挤压力值；承受的最大外挤压力值；承受的最大外挤压力值；l l套管柱在井下一般是处于复合外载作用状态（两种及两种套管柱在井下一般是处于复合外载作用状态（两种及两种套管柱在井下一般是处于复合外载作用状态（两种及两种套管柱在井下一般是处于复合外载作用状态（两种及两种以上外载同时作用状态）。在复合外载作用下，套管的强以上外载同时作用状态）。在复合外载作用下，套管的强以上外载同时作用状态）。在复合外载作用下，套管的强以上外载同时作用状态）。在复合外载作用下，套管的强度要发生变化，有时套管的强度增加，有时套管的强度降度要发生变化，有时套管的强度增加，有时套管的强度降度要发生变化，有时套管的强度增加，有时套管的强度降度要发生变化，有时套管的强度增加，有时套管的强度降低。低。低。低。二、套管强度套管强度怎么变化？套管强度怎么变化？套管强度怎么变化？套管强度怎么变化？60 在在在在外外外外压压压压力力力力与与与与轴轴轴轴向向向向力力力力或或或或内内内内压压压压力力力力与与与与轴轴轴轴向向向向力力力力作作作作用用用用下下下下，管管管管柱柱柱柱内内内内的的的的应应应应力力力力状状状状态态态态为为为为三三三三向向向向应应应应力力力力状状状状态态态态，三三三三个个个个主主主主应应应应力力力力分分分分别别别别为为为为轴轴轴轴向向向向应应应应力力力力、周周周周向向向向应应应应力和径向应力力和径向应力力和径向应力力和径向应力 ：根据第四强度理论，可得套管在多向应力下的强度条件为：根据第四强度理论，可得套管在多向应力下的强度条件为：根据第四强度理论，可得套管在多向应力下的强度条件为：根据第四强度理论，可得套管在多向应力下的强度条件为： c c s s第四强度理论变为：第四强度理论变为：第四强度理论变为：第四强度理论变为：二、套管强度61由于套管由于套管由于套管由于套管为为为为薄壁或中厚壁管，薄壁或中厚壁管，薄壁或中厚壁管，薄壁或中厚壁管，在这三个应力中，在这三个应力中，在这三个应力中，在这三个应力中， r r r r 0 0 0 00000 拉伸内压拉伸内压拉伸内压拉伸内压 z z z z， t t t t 0 0 0 0000 压缩内压压缩内压压缩内压压缩内压 z z z z， t t t t 0 0 0 00000 0 0 0000 P P P Pidididid对比抗挤设计结果与抗内压设计结果，在各井段内对比抗挤设计结果与抗内压设计结果，在各井段内对比抗挤设计结果与抗内压设计结果，在各井段内对比抗挤设计结果与抗内压设计结果，在各井段内选择强度高的套管；将套管柱抗挤强度设计与抗内选择强度高的套管；将套管柱抗挤强度设计与抗内选择强度高的套管；将套管柱抗挤强度设计与抗内选择强度高的套管；将套管柱抗挤强度设计与抗内压强度设计综合结果列表。压强度设计综合结果列表。压强度设计综合结果列表。压强度设计综合结果列表。77三、套管柱强度设计l l技术套管柱设计一般步骤：技术套管柱设计一般步骤：技术套管柱设计一般步骤：技术套管柱设计一般步骤：4 4 4 4）进行套管柱抗拉强度）进行套管柱抗拉强度）进行套管柱抗拉强度）进行套管柱抗拉强度uu根据抗挤设计和抗内压设计的综合结果，计算套管柱根据抗挤设计和抗内压设计的综合结果，计算套管柱根据抗挤设计和抗内压设计的综合结果，计算套管柱根据抗挤设计和抗内压设计的综合结果，计算套管柱的设计拉力，即的设计拉力，即的设计拉力，即的设计拉力，即uu将套管的抗拉强度与设计拉力进行比较，对抗拉强度将套管的抗拉强度与设计拉力进行比较，对抗拉强度将套管的抗拉强度与设计拉力进行比较，对抗拉强度将套管的抗拉强度与设计拉力进行比较，对抗拉强度不满足要求的井段的套管进行更换，以满足抗拉强度不满足要求的井段的套管进行更换，以满足抗拉强度不满足要求的井段的套管进行更换，以满足抗拉强度不满足要求的井段的套管进行更换，以满足抗拉强度的要求，即的要求，即的要求，即的要求，即 （TtTtTtTt接头拉伸强度）接头拉伸强度）接头拉伸强度）接头拉伸强度）78三、套管柱强度设计l l技术套管柱设计一般步骤：技术套管柱设计一般步骤：技术套管柱设计一般步骤：技术套管柱设计一般步骤：4 4 4 4）进行套管柱抗拉强度）进行套管柱抗拉强度）进行套管柱抗拉强度）进行套管柱抗拉强度uu需要注意的是，如果因抗拉强度不够而更换套管时更需要注意的是，如果因抗拉强度不够而更换套管时更需要注意的是，如果因抗拉强度不够而更换套管时更需要注意的是，如果因抗拉强度不够而更换套管时更换了套管的壁厚，则套管柱的拉力要重新计算，再按换了套管的壁厚，则套管柱的拉力要重新计算，再按换了套管的壁厚，则套管柱的拉力要重新计算，再按换了套管的壁厚，则套管柱的拉力要重新计算，再按新计算的拉力校核抗拉强度。如果这样更换的新计算的拉力校核抗拉强度。如果这样更换的新计算的拉力校核抗拉强度。如果这样更换的新计算的拉力校核抗拉强度。如果这样更换的套管是套管是套管是套管是在套管柱的中部或下部在套管柱的中部或下部在套管柱的中部或下部在套管柱的中部或下部，还要重新校核一下套管柱的，还要重新校核一下套管柱的，还要重新校核一下套管柱的，还要重新校核一下套管柱的抗挤强度，因为由于拉力的变化会导致轴向拉力下套抗挤强度，因为由于拉力的变化会导致轴向拉力下套抗挤强度，因为由于拉力的变化会导致轴向拉力下套抗挤强度，因为由于拉力的变化会导致轴向拉力下套管抗挤强度的变化。管抗挤强度的变化。管抗挤强度的变化。管抗挤强度的变化。uu水泥面之上进行双轴应力校核水泥面之上进行双轴应力校核水泥面之上进行双轴应力校核水泥面之上进行双轴应力校核5 5 5 5）将套管柱强度设计结果列表。）将套管柱强度设计结果列表。）将套管柱强度设计结果列表。）将套管柱强度设计结果列表。 79三、套管柱设计方法确定设计条件：安全系数、外载计算方式确定设计条件：安全系数、外载计算方式确定设计条件：安全系数、外载计算方式确定设计条件：安全系数、外载计算方式按内压筛选套管按内压筛选套管按内压筛选套管按内压筛选套管求井底外挤力，选第一段套管求井底外挤力，选第一段套管求井底外挤力，选第一段套管求井底外挤力，选第一段套管选第二段套管，计算其可下深度选第二段套管，计算其可下深度选第二段套管，计算其可下深度选第二段套管，计算其可下深度计算第一段套管长度和有关安全系数计算第一段套管长度和有关安全系数计算第一段套管长度和有关安全系数计算第一段套管长度和有关安全系数选第三段套管选第三段套管选第三段套管选第三段套管 或或或或 选套管，按套管抗拉强度计算其可下深度选套管，按套管抗拉强度计算其可下深度选套管，按套管抗拉强度计算其可下深度选套管，按套管抗拉强度计算其可下深度 抗内压安全系数校核抗内压安全系数校核抗内压安全系数校核抗内压安全系数校核 注意：抗挤应按双轴应力进行计算注意：抗挤应按双轴应力进行计算注意：抗挤应按双轴应力进行计算注意：抗挤应按双轴应力进行计算 80三、套管柱强度设计(油层套管)l l某井某井某井某井177.8177.8mmmm套管，下入深度套管，下入深度套管，下入深度套管，下入深度35003500m, m, 井内钻井内钻井内钻井内钻井液密度井液密度井液密度井液密度1.301.30g/cm3,g/cm3,水泥返至井深水泥返至井深水泥返至井深水泥返至井深28002800mm。抗抗抗抗挤安全系数为挤安全系数为挤安全系数为挤安全系数为1.125,1.125,抗拉安全系数为抗拉安全系数为抗拉安全系数为抗拉安全系数为1.8(1.8(不考虑不考虑不考虑不考虑浮力影响浮力影响浮力影响浮力影响) )，井口抗内压安全系数为，井口抗内压安全系数为，井口抗内压安全系数为，井口抗内压安全系数为1.1.1.1.l l解（解（解（解（1 1）按抗挤强度设计第一段套管）按抗挤强度设计第一段套管）按抗挤强度设计第一段套管）按抗挤强度设计第一段套管按全掏空计算井底地外挤压力按全掏空计算井底地外挤压力按全掏空计算井底地外挤压力按全掏空计算井底地外挤压力PbPb=0.0098*1.3*3500=45.5(=0.0098*1.3*3500=45.5(MPaMPa) ) 第一段套管应具有的抗挤强度为第一段套管应具有的抗挤强度为第一段套管应具有的抗挤强度为第一段套管应具有的抗挤强度为Pc1=Pc1=PbPb*sc=45.5*1.125=51.19(*sc=45.5*1.125=51.19(MPaMPa) )由套管性能表查得由套管性能表查得由套管性能表查得由套管性能表查得N-80N-80，壁厚壁厚壁厚壁厚11.5111.51mmmm套管，套管，套管，套管，其抗挤强度为其抗挤强度为其抗挤强度为其抗挤强度为60.4660.46MPaMPa实际抗挤安全系数为：实际抗挤安全系数为：实际抗挤安全系数为：实际抗挤安全系数为：Sc1=60.46/51.19=1.181Sc1=60.46/51.19=1.181N-80N-80，壁厚壁厚壁厚壁厚11.5111.51mmmm81三、套管柱强度设计(油层套管)l l（2 2）第一段套管得顶截面位置取决于第二段）第一段套管得顶截面位置取决于第二段）第一段套管得顶截面位置取决于第二段）第一段套管得顶截面位置取决于第二段套管得可下深度，第二段套管选用抗挤强度套管得可下深度，第二段套管选用抗挤强度套管得可下深度，第二段套管选用抗挤强度套管得可下深度，第二段套管选用抗挤强度低低一级的套管，可选低低一级的套管，可选低低一级的套管，可选低低一级的套管，可选N-80,N-80,壁厚壁厚壁厚壁厚10.3610.36mmmm套套套套管，其抗挤强度为管，其抗挤强度为管，其抗挤强度为管，其抗挤强度为49.3549.35MPaMPa, ,抗拉强度抗拉强度抗拉强度抗拉强度TtTt=2708kN,Ts=3066kN,=2708kN,Ts=3066kN,重量为重量为重量为重量为431.5431.5N/m.N/m.第二段套管的可下深度为：第二段套管的可下深度为：第二段套管的可下深度为：第二段套管的可下深度为：实取第二段套管的深度为实取第二段套管的深度为实取第二段套管的深度为实取第二段套管的深度为33003300m,m,则第一段则第一段则第一段则第一段套管的段长为套管的段长为套管的段长为套管的段长为uuL1=3500-3300=200mL1=3500-3300=200m3500m3300m82三、套管柱强度设计(油层套管)（3 3）校核第一段套管的抗拉系数（上端）校核第一段套管的抗拉系数（上端）校核第一段套管的抗拉系数（上端）校核第一段套管的抗拉系数（上端面）和第二段套管的抗挤系数（下端面）面）和第二段套管的抗挤系数（下端面）面）和第二段套管的抗挤系数（下端面）面）和第二段套管的抗挤系数（下端面）uu第一段套管的重量为第一段套管的重量为第一段套管的重量为第一段套管的重量为476476kNkN/m/m，抗拉强度为抗拉强度为抗拉强度为抗拉强度为30483048kNkN, ,浮力系数为：浮力系数为：浮力系数为：浮力系数为：Bf=1-1.3/7.8=0.833Bf=1-1.3/7.8=0.833第一段套管的浮重为：第一段套管的浮重为：第一段套管的浮重为：第一段套管的浮重为：T1=200*0.476=95.24kN (T1=200*0.476=95.24kN (空气中的重量空气中的重量空气中的重量空气中的重量) )T1=200*0.476*0.833=79.33kN (T1=200*0.476*0.833=79.33kN (钻井液中的重量钻井液中的重量钻井液中的重量钻井液中的重量) )第一段套管的抗拉系数第一段套管的抗拉系数第一段套管的抗拉系数第一段套管的抗拉系数St1=3048/95.24=32 (St1=3048/95.24=32 (安全安全安全安全) )第二段套管的抗挤系数第二段套管的抗挤系数第二段套管的抗挤系数第二段套管的抗挤系数Sc1=49.35/(0.0098*1.30*3300)=1.15 (Sc1=49.35/(0.0098*1.30*3300)=1.15 (安全安全安全安全) )3500m3300m83三、套管柱强度设计(油层套管)l l第二段套管的顶截面取决于第三段套管的可第二段套管的顶截面取决于第三段套管的可第二段套管的顶截面取决于第三段套管的可第二段套管的顶截面取决于第三段套管的可下深度，第三段套管选下深度，第三段套管选下深度，第三段套管选下深度，第三段套管选N-80,N-80,壁厚壁厚壁厚壁厚9.109.10套管套管套管套管(386.9(386.9N/m,N/m,抗拉强度抗拉强度抗拉强度抗拉强度23542354kNkN,Ts=2740kN),Ts=2740kN)，抗挤强度为抗挤强度为抗挤强度为抗挤强度为38.0338.03MPaMPa., .,按抗挤计算第三段套按抗挤计算第三段套按抗挤计算第三段套按抗挤计算第三段套管的可下深度：管的可下深度：管的可下深度：管的可下深度：H3=38.03/(0.0098*1.3*1.125)H3=38.03/(0.0098*1.3*1.125) =2600m =2600m由于第三段套管要承受其下第一和第二段由于第三段套管要承受其下第一和第二段由于第三段套管要承受其下第一和第二段由于第三段套管要承受其下第一和第二段套管的重量，其抗挤强度下降，因此要减套管的重量，其抗挤强度下降，因此要减套管的重量，其抗挤强度下降，因此要减套管的重量，其抗挤强度下降，因此要减小第三段套管的下入深度，（如果不减小，小第三段套管的下入深度，（如果不减小，小第三段套管的下入深度，（如果不减小，小第三段套管的下入深度，（如果不减小，抗挤强度不够）抗挤强度不够）抗挤强度不够）抗挤强度不够）uu水泥面处套管柱的轴向力为水泥面处套管柱的轴向力为水泥面处套管柱的轴向力为水泥面处套管柱的轴向力为uuT1+T2=79.33+500*0.4315*0.833=259kNT1+T2=79.33+500*0.4315*0.833=259kN3500m3300m水泥面2800m84三、套管柱强度设计(油层套管)l l校核水泥面的抗挤强度校核水泥面的抗挤强度校核水泥面的抗挤强度校核水泥面的抗挤强度3500m3300m水泥面2800m85三、套管柱强度设计(油层套管)计算第三段套管的可下深度（采用双轴计算第三段套管的可下深度（采用双轴计算第三段套管的可下深度（采用双轴计算第三段套管的可下深度（采用双轴应力设计）应力设计）应力设计）应力设计）uu找到一个井深，使第三段套管的下截面在拉找到一个井深，使第三段套管的下截面在拉找到一个井深，使第三段套管的下截面在拉找到一个井深，使第三段套管的下截面在拉力作用下，其抗挤安全系数接近力作用下，其抗挤安全系数接近力作用下，其抗挤安全系数接近力作用下，其抗挤安全系数接近1.1251.125uu假设第三段套管下至假设第三段套管下至假设第三段套管下至假设第三段套管下至2300 2300 m,m,则第二段套管的则第二段套管的则第二段套管的则第二段套管的段长为段长为段长为段长为L2=1000mL2=1000muu第二段套管在空气中的重量：第二段套管在空气中的重量：第二段套管在空气中的重量：第二段套管在空气中的重量： T2=1000*0.4315=431.5kNT2=1000*0.4315=431.5kNuu第二段套管在钻井液中的重量：第二段套管在钻井液中的重量：第二段套管在钻井液中的重量：第二段套管在钻井液中的重量： T2=0.833*431.5=359.4kNT2=0.833*431.5=359.4kNuu第三段套管下端面的拉力第三段套管下端面的拉力第三段套管下端面的拉力第三段套管下端面的拉力 T1+T2=79.3+359.4=438.7kNT1+T2=79.3+359.4=438.7kNuu考虑双轴应力后第三段套管的抗挤强度为考虑双轴应力后第三段套管的抗挤强度为考虑双轴应力后第三段套管的抗挤强度为考虑双轴应力后第三段套管的抗挤强度为Pcc3=Pc3*K=34.67MPaPcc3=Pc3*K=34.67MPauu第三段套管的抗挤安全系数为第三段套管的抗挤安全系数为第三段套管的抗挤安全系数为第三段套管的抗挤安全系数为 Sc3=34.67/(0.0098*1.3*2300)=1.159 ( Sc3=34.67/(0.0098*1.3*2300)=1.159 ( 安全安全安全安全) )3500m3300m水泥面2800m2300m86三、套管柱强度设计(油层套管)l l校核第二段套管顶截面的抗拉安全系校核第二段套管顶截面的抗拉安全系校核第二段套管顶截面的抗拉安全系校核第二段套管顶截面的抗拉安全系数（数（数（数（Tt2=2708kNTt2=2708kN）St2=Tt2/(T1+T2)St2=Tt2/(T1+T2) =2708/(95.24+431.5) =2708/(95.24+431.5) =5.14 ( =5.14 (安全安全安全安全) )校核第三段套管顶部（井口）的抗校核第三段套管顶部（井口）的抗校核第三段套管顶部（井口）的抗校核第三段套管顶部（井口）的抗拉强度拉强度拉强度拉强度uu因为因为因为因为T3=2354kN,W3=386.9N/mT3=2354kN,W3=386.9N/muuST3=2354/(T1+T2+T3)=1.66ST3=2354/(T1+T2+T3)=1.66uu井口抗拉系数小于井口抗拉系数小于井口抗拉系数小于井口抗拉系数小于1.8,1.8,抗拉强度不符抗拉强度不符抗拉强度不符抗拉强度不符合要求。合要求。合要求。合要求。3500m3300m水泥面2800m2300m87三、套管柱强度设计(油层套管)l l(4) (4) 按抗拉设计确定第三段套管的许按抗拉设计确定第三段套管的许按抗拉设计确定第三段套管的许按抗拉设计确定第三段套管的许用长度用长度用长度用长度实际取实际取实际取实际取L3=2000mL3=2000muuT3=2000*0.3869=774kNT3=2000*0.3869=774kNuu第三段套管顶截面的安全系数为：第三段套管顶截面的安全系数为：第三段套管顶截面的安全系数为：第三段套管顶截面的安全系数为：uuSt3=2354/(95.24+431.5+774)=1.81St3=2354/(95.24+431.5+774)=1.813500m3300m水泥面2800m2300m2000m88三、套管柱强度设计(油层套管)第四段套管选用第四段套管选用第四段套管选用第四段套管选用N-80,N-80,壁厚壁厚壁厚壁厚1010。3636mmmm，长度为长度为长度为长度为300300m,m,井口的抗拉安全系数为：井口的抗拉安全系数为：井口的抗拉安全系数为：井口的抗拉安全系数为：ST4=2708/(T1+T2+T3+T4)ST4=2708/(T1+T2+T3+T4) =2708/(95+431.5+779+129) =2708/(95+431.5+779+129) =1.89 =1.89l l(5) (5) 校核井口内压校核井口内压校核井口内压校核井口内压uuSiSi=Pi/=Pi/psps=57.36/=57.36/psps=1.56=1.563500m3300m水泥面2800m2300m300m89l l以上介绍了套管柱外载分析与计算、套管柱强度设计的基以上介绍了套管柱外载分析与计算、套管柱强度设计的基以上介绍了套管柱外载分析与计算、套管柱强度设计的基以上介绍了套管柱外载分析与计算、套管柱强度设计的基本原理和方法，同时以技术套管为例介绍了套管柱强度设本原理和方法，同时以技术套管为例介绍了套管柱强度设本原理和方法，同时以技术套管为例介绍了套管柱强度设本原理和方法，同时以技术套管为例介绍了套管柱强度设计的步骤，并给出了设计例子。计的步骤，并给出了设计例子。计的步骤，并给出了设计例子。计的步骤，并给出了设计例子。l l在现场的套管柱设计中，还会遇到一些特殊的问题：在现场的套管柱设计中，还会遇到一些特殊的问题：在现场的套管柱设计中，还会遇到一些特殊的问题：在现场的套管柱设计中，还会遇到一些特殊的问题：如在腐蚀性环境中要考虑井内流体对套管的腐蚀问题，如在腐蚀性环境中要考虑井内流体对套管的腐蚀问题，如在腐蚀性环境中要考虑井内流体对套管的腐蚀问题，如在腐蚀性环境中要考虑井内流体对套管的腐蚀问题，如硫化氢气体、酸性气体（如二氧化碳）、腐蚀性地如硫化氢气体、酸性气体（如二氧化碳）、腐蚀性地如硫化氢气体、酸性气体（如二氧化碳）、腐蚀性地如硫化氢气体、酸性气体（如二氧化碳）、腐蚀性地层水中的碳酸根和碳酸氢根等对套管的腐蚀问题，这层水中的碳酸根和碳酸氢根等对套管的腐蚀问题，这层水中的碳酸根和碳酸氢根等对套管的腐蚀问题，这层水中的碳酸根和碳酸氢根等对套管的腐蚀问题，这时除强度考虑外，在套管材质上还应选用具有抗腐蚀时除强度考虑外，在套管材质上还应选用具有抗腐蚀时除强度考虑外，在套管材质上还应选用具有抗腐蚀时除强度考虑外，在套管材质上还应选用具有抗腐蚀能力的套管。能力的套管。能力的套管。能力的套管。三、套管柱强度设计90又如对高压气井，为防止气体在螺纹连接处泄露，应又如对高压气井，为防止气体在螺纹连接处泄露，应又如对高压气井，为防止气体在螺纹连接处泄露，应又如对高压气井，为防止气体在螺纹连接处泄露，应选用密封性能良好的特殊螺纹套管。选用密封性能良好的特殊螺纹套管。选用密封性能良好的特殊螺纹套管。选用密封性能良好的特殊螺纹套管。如果管外存在有易流动地层（如塑性盐层），则在该如果管外存在有易流动地层（如塑性盐层），则在该如果管外存在有易流动地层（如塑性盐层），则在该如果管外存在有易流动地层（如塑性盐层），则在该地层附近的外压力要按上覆岩层压力计算，或根据岩地层附近的外压力要按上覆岩层压力计算，或根据岩地层附近的外压力要按上覆岩层压力计算，或根据岩地层附近的外压力要按上覆岩层压力计算，或根据岩石蠕变理论计算岩石蠕变所产生的挤压力。石蠕变理论计算岩石蠕变所产生的挤压力。石蠕变理论计算岩石蠕变所产生的挤压力。石蠕变理论计算岩石蠕变所产生的挤压力。更为严重的是，塑性蠕变地层对套管所产生的挤压力更为严重的是，塑性蠕变地层对套管所产生的挤压力更为严重的是，塑性蠕变地层对套管所产生的挤压力更为严重的是，塑性蠕变地层对套管所产生的挤压力在周向上往往是非均布的，而套管抵抗非均布外压力在周向上往往是非均布的，而套管抵抗非均布外压力在周向上往往是非均布的，而套管抵抗非均布外压力在周向上往往是非均布的，而套管抵抗非均布外压力的能力很低。已有许多理论（包括实验）来计算这种的能力很低。已有许多理论（包括实验）来计算这种的能力很低。已有许多理论（包括实验）来计算这种的能力很低。已有许多理论（包括实验）来计算这种非均布载荷和在这种非均布载荷下套管的承压能力。非均布载荷和在这种非均布载荷下套管的承压能力。非均布载荷和在这种非均布载荷下套管的承压能力。非均布载荷和在这种非均布载荷下套管的承压能力。 三、套管柱强度设计91三、套管柱设计方法其它套管强度设计方法其它套管强度设计方法边界载荷法边界载荷法最大载荷法最大载荷法AMOCO西德西德BEB方法方法92三、套管柱设计方法大作业：大作业： 已知：套管下深已知：套管下深 H=3100m, 设计设计外径外径 D=139.7mm,水泥面深水泥面深 h=2500m,管外泥浆密度管外泥浆密度 1.2 g/cm3,管外泥浆密度管外泥浆密度 1.07 g/cm3, 取设计安全系数：取设计安全系数：St=1.8 Sc=1.0 Si=1.1现有现有 N80, K55 两种钢级套管，试设计套管柱。两种钢级套管，试设计套管柱。93第二节第二节油油 井井 水水 泥泥94一、油井水泥1. 1. 油井水泥级别和类型油井水泥级别和类型油井水泥级别和类型油井水泥级别和类型 目前国内外使用的油井水泥主要是硅酸盐水泥，是由水目前国内外使用的油井水泥主要是硅酸盐水泥，是由水目前国内外使用的油井水泥主要是硅酸盐水泥，是由水目前国内外使用的油井水泥主要是硅酸盐水泥，是由水硬性硅酸钙为主要成分，加入适量石膏和助磨剂（或是硬性硅酸钙为主要成分，加入适量石膏和助磨剂（或是硬性硅酸钙为主要成分，加入适量石膏和助磨剂（或是硬性硅酸钙为主要成分，加入适量石膏和助磨剂（或是加入适量的石膏或石膏和水），磨细制成的产品加入适量的石膏或石膏和水），磨细制成的产品加入适量的石膏或石膏和水），磨细制成的产品加入适量的石膏或石膏和水），磨细制成的产品。水泥浆：干水泥与水（经常还要加入外加剂）混合水泥浆：干水泥与水（经常还要加入外加剂）混合水泥浆：干水泥与水（经常还要加入外加剂）混合水泥浆：干水泥与水（经常还要加入外加剂）混合而成的浆体称为。而成的浆体称为。而成的浆体称为。而成的浆体称为。水泥石：水泥浆凝结硬化后形成水泥石：水泥浆凝结硬化后形成水泥石：水泥浆凝结硬化后形成水泥石：水泥浆凝结硬化后形成水泥环：在井下环形空间中的水泥石水泥环：在井下环形空间中的水泥石水泥环：在井下环形空间中的水泥石水泥环：在井下环形空间中的水泥石95一、油井水泥1. 油井水泥级别和类型油井水泥级别和类型l l目前国内外使用的油井水泥主要是硅酸盐水泥，是目前国内外使用的油井水泥主要是硅酸盐水泥，是目前国内外使用的油井水泥主要是硅酸盐水泥，是目前国内外使用的油井水泥主要是硅酸盐水泥，是由水硬性硅酸钙为主要成分，加入适量石膏和助磨剂由水硬性硅酸钙为主要成分，加入适量石膏和助磨剂由水硬性硅酸钙为主要成分，加入适量石膏和助磨剂由水硬性硅酸钙为主要成分，加入适量石膏和助磨剂（或是加入适量的石膏或石膏和水），磨细制成的产（或是加入适量的石膏或石膏和水），磨细制成的产（或是加入适量的石膏或石膏和水），磨细制成的产（或是加入适量的石膏或石膏和水），磨细制成的产品。品。品。品。水泥浆：干水泥与水（经常还要加入外加剂）混合而成水泥浆：干水泥与水（经常还要加入外加剂）混合而成水泥浆：干水泥与水（经常还要加入外加剂）混合而成水泥浆：干水泥与水（经常还要加入外加剂）混合而成的浆体称为。的浆体称为。的浆体称为。的浆体称为。水泥石：水泥浆凝结硬化后形成水泥石：水泥浆凝结硬化后形成水泥石：水泥浆凝结硬化后形成水泥石：水泥浆凝结硬化后形成水泥环：在井下环形空间中的水泥石水泥环：在井下环形空间中的水泥石水泥环：在井下环形空间中的水泥石水泥环：在井下环形空间中的水泥石96一、油井水泥1. 油井水泥级别和类型油井水泥级别和类型l l水泥级别：适应不同井深的需要和防止地层流体中硫酸盐对水泥级别：适应不同井深的需要和防止地层流体中硫酸盐对水泥级别：适应不同井深的需要和防止地层流体中硫酸盐对水泥级别：适应不同井深的需要和防止地层流体中硫酸盐对水泥石的腐蚀，有多种级别、类型的油井水泥可供选用。美国水泥石的腐蚀，有多种级别、类型的油井水泥可供选用。美国水泥石的腐蚀，有多种级别、类型的油井水泥可供选用。美国水泥石的腐蚀，有多种级别、类型的油井水泥可供选用。美国石油学会（石油学会（石油学会（石油学会（APIAPIAPIAPI）规定了规定了规定了规定了8 8 8 8种级别的油井水泥，我国也参照种级别的油井水泥，我国也参照种级别的油井水泥，我国也参照种级别的油井水泥，我国也参照APIAPIAPIAPI标准制定了油井水泥的标准。标准制定了油井水泥的标准。标准制定了油井水泥的标准。标准制定了油井水泥的标准。表表表表7-5 7-5 7-5 7-5 APIAPIAPIAPI油井水泥使用范围油井水泥使用范围油井水泥使用范围油井水泥使用范围 级别级别类类 型型备注备注普通型普通型中抗硫酸盐型中抗硫酸盐型高抗硫酸盐型高抗硫酸盐型A普通水泥普通水泥B抗硫水泥抗硫水泥C具有高早期强度具有高早期强度D适于中温条件适于中温条件E适于高温条件适于高温条件F适于超高温条件适于超高温条件G基本油井水泥基本油井水泥H基本油井水泥基本油井水泥97一、油井水泥2. 水泥的水化反应水泥的水化反应l l凝结过程（硬化过程）：水泥与水混合后，迅速与水凝结过程（硬化过程）：水泥与水混合后，迅速与水凝结过程（硬化过程）：水泥与水混合后，迅速与水凝结过程（硬化过程）：水泥与水混合后，迅速与水发生水化反应，生成各种水化产物，水泥浆也逐渐由液发生水化反应，生成各种水化产物，水泥浆也逐渐由液发生水化反应，生成各种水化产物，水泥浆也逐渐由液发生水化反应，生成各种水化产物，水泥浆也逐渐由液态转变为固态的过程，并形成的四种矿物成分：硅酸三态转变为固态的过程，并形成的四种矿物成分：硅酸三态转变为固态的过程，并形成的四种矿物成分：硅酸三态转变为固态的过程，并形成的四种矿物成分：硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙和铁铝酸四钙。钙、硅酸二钙、铝酸三钙和铁铝酸四钙。钙、硅酸二钙、铝酸三钙和铁铝酸四钙。钙、硅酸二钙、铝酸三钙和铁铝酸四钙。硅酸三钙：硅酸三钙：硅酸三钙：硅酸三钙：3 3 3 3CaOCaOCaOCaO SiOSiOSiOSiO2 2 2 2（简写简写简写简写C C C C3 3 3 3S S S S）。）。）。）。是水泥产生强度的是水泥产生强度的是水泥产生强度的是水泥产生强度的主要化合物，它强度增长快，最后强度也大。主要化合物，它强度增长快，最后强度也大。主要化合物，它强度增长快，最后强度也大。主要化合物，它强度增长快，最后强度也大。 硅酸二钙：硅酸二钙：硅酸二钙：硅酸二钙：型型型型2 2 2 2CaOCaOCaOCaO SiOSiOSiOSiO2 2 2 2（简写简写简写简写C C C C2 2 2 2S S S S）。）。）。）。水化反应慢，水化反应慢，水化反应慢，水化反应慢，强度增长慢，但能在长时间内逐渐增大水泥的强度强度增长慢，但能在长时间内逐渐增大水泥的强度强度增长慢，但能在长时间内逐渐增大水泥的强度强度增长慢，但能在长时间内逐渐增大水泥的强度98一、油井水泥2. 水泥的水化反应水泥的水化反应铝酸三钙：铝酸三钙：铝酸三钙：铝酸三钙：3 3 3 3CaOCaOCaOCaO AlAlAlAl2 2 2 2O O O O3 3 3 3（简写简写简写简写C C C C3 3 3 3A A A A）。）。）。）。水化反应速度最快，水化反应速度最快，水化反应速度最快，水化反应速度最快，是决定水泥浆初凝时间和稠化时间的主要因素，对水泥是决定水泥浆初凝时间和稠化时间的主要因素，对水泥是决定水泥浆初凝时间和稠化时间的主要因素，对水泥是决定水泥浆初凝时间和稠化时间的主要因素，对水泥浆的流变性也有很大影响。铝酸三钙对硫酸盐类侵蚀最浆的流变性也有很大影响。铝酸三钙对硫酸盐类侵蚀最浆的流变性也有很大影响。铝酸三钙对硫酸盐类侵蚀最浆的流变性也有很大影响。铝酸三钙对硫酸盐类侵蚀最敏感，因此在抗硫水泥中对铝酸三钙含量有限制。中抗敏感，因此在抗硫水泥中对铝酸三钙含量有限制。中抗敏感，因此在抗硫水泥中对铝酸三钙含量有限制。中抗敏感，因此在抗硫水泥中对铝酸三钙含量有限制。中抗硫酸盐型水泥中铝酸三钙的含量不能超过硫酸盐型水泥中铝酸三钙的含量不能超过硫酸盐型水泥中铝酸三钙的含量不能超过硫酸盐型水泥中铝酸三钙的含量不能超过8%8%8%8%，高抗硫酸，高抗硫酸，高抗硫酸，高抗硫酸盐型的水泥中铝酸三钙的含量不能超过盐型的水泥中铝酸三钙的含量不能超过盐型的水泥中铝酸三钙的含量不能超过盐型的水泥中铝酸三钙的含量不能超过3%3%3%3%。 铁铝酸四钙：铁铝酸四钙：铁铝酸四钙：铁铝酸四钙：4 4 4 4CaOCaOCaOCaO AlAlAlAl2 2 2 2O O O O3 3 3 3 FeFeFeFe2 2 2 2O O O O3 3 3 3（简写简写简写简写C C C C4 4 4 4AFAFAFAF）。）。）。）。水化速度水化速度水化速度水化速度仅次于铝酸三钙，早期强度增长快，硬化三天和仅次于铝酸三钙，早期强度增长快，硬化三天和仅次于铝酸三钙，早期强度增长快，硬化三天和仅次于铝酸三钙，早期强度增长快，硬化三天和28282828天的天的天的天的强度值差别不大，强度的绝对值也不大。强度值差别不大，强度的绝对值也不大。强度值差别不大，强度的绝对值也不大。强度值差别不大，强度的绝对值也不大。 99一、油井水泥2. 水泥的水化反应水泥的水化反应l l三类水化反应：三类水化反应：三类水化反应：三类水化反应：1 1 1 1）C C C C3 3 3 3A A A A的水化反应的水化反应的水化反应的水化反应3 3 3 3CaOCaOCaOCaO AlAlAlAl2 2 2 2O O O O3 3 3 3 + 6H+ 6H+ 6H+ 6H2 2 2 2O 3CaOO 3CaOO 3CaOO 3CaO AlAlAlAl2 2 2 2O O O O3 3 3 3 6H6H6H6H2 2 2 2O O O O 2 2 2 2）C3SC3SC3SC3S、C2SC2SC2SC2S及及及及C4AFC4AFC4AFC4AF的水化反应的水化反应的水化反应的水化反应 2(32(32(32(3CaOCaOCaOCaO SiOSiOSiOSiO2 2 2 2) + 6H) + 6H) + 6H) + 6H2 2 2 2O O O O 3CaO 3CaO 3CaO 3CaO 2SiO2SiO2SiO2SiO2 2 2 2 3H3H3H3H2 2 2 2O + 3Ca(OH)O + 3Ca(OH)O + 3Ca(OH)O + 3Ca(OH)2 2 2 22(2CaO2(2CaO2(2CaO2(2CaO SiOSiOSiOSiO2 2 2 2) + 4H) + 4H) + 4H) + 4H2 2 2 2O O O O 3CaO 3CaO 3CaO 3CaO 2SiO2SiO2SiO2SiO2 2 2 2 3H3H3H3H2 2 2 2O + Ca(OH)O + Ca(OH)O + Ca(OH)O + Ca(OH)2 2 2 24CaO4CaO4CaO4CaO AlAlAlAl2 2 2 2O O O O3 3 3 3 FeFeFeFe2 2 2 2O O O O3 3 3 3 + 2Ca(OH) + 2Ca(OH) + 2Ca(OH) + 2Ca(OH)2 2 2 2 + 10H + 10H + 10H + 10H2 2 2 2O 3CaOO 3CaOO 3CaOO 3CaO AlAlAlAl2 2 2 2O O O O3 3 3 3 6H6H6H6H2 2 2 2O + O + O + O + 3CaO3CaO3CaO3CaO FeFeFeFe2 2 2 2O O O O3 3 3 3 6H6H6H6H2 2 2 2O O O O 3 3 3 3）水化的水化的水化的水化的C3AC3AC3AC3A与二水石膏的水化反应与二水石膏的水化反应与二水石膏的水化反应与二水石膏的水化反应 3 3 3 3CaOCaOCaOCaO AlAlAlAl2 2 2 2O O O O3 3 3 3 6H6H6H6H2 2 2 2O + 3(CaSOO + 3(CaSOO + 3(CaSOO + 3(CaSO4 4 4 4 2H2H2H2H2 2 2 2O) + 20HO) + 20HO) + 20HO) + 20H2 2 2 2O O O O 3CaO3CaO3CaO3CaO AlAlAlAl2 2 2 2O O O O3 3 3 3 3CaSO3CaSO3CaSO3CaSO4 4 4 4 3 3 3 32H2H2H2H2 2 2 2O O O O 100一、油井水泥2. 水泥的水化反应水泥的水化反应l l有关水化反应的说明：有关水化反应的说明：有关水化反应的说明：有关水化反应的说明：水泥的水化反应是一个不断进行的过程。随着水化的不水泥的水化反应是一个不断进行的过程。随着水化的不水泥的水化反应是一个不断进行的过程。随着水化的不水泥的水化反应是一个不断进行的过程。随着水化的不断进行，水泥浆从凝胶态逐渐向结晶态发展，最后形成断进行，水泥浆从凝胶态逐渐向结晶态发展，最后形成断进行，水泥浆从凝胶态逐渐向结晶态发展，最后形成断进行，水泥浆从凝胶态逐渐向结晶态发展，最后形成硬化的水泥石。硬化的水泥石。硬化的水泥石。硬化的水泥石。 水泥的水化反应是一放热反应，在工程上可利用这一特水泥的水化反应是一放热反应，在工程上可利用这一特水泥的水化反应是一放热反应，在工程上可利用这一特水泥的水化反应是一放热反应，在工程上可利用这一特点来探测水泥浆在环形空间内的上返高度。点来探测水泥浆在环形空间内的上返高度。点来探测水泥浆在环形空间内的上返高度。点来探测水泥浆在环形空间内的上返高度。 另外，水泥在水化过程中要发生体积收缩（水化后生成另外，水泥在水化过程中要发生体积收缩（水化后生成另外，水泥在水化过程中要发生体积收缩（水化后生成另外，水泥在水化过程中要发生体积收缩（水化后生成物的总体积小于水化前反应物的总体积），在一定条件物的总体积小于水化前反应物的总体积），在一定条件物的总体积小于水化前反应物的总体积），在一定条件物的总体积小于水化前反应物的总体积），在一定条件下该体积收缩对固井质量有着重要的影响下该体积收缩对固井质量有着重要的影响下该体积收缩对固井质量有着重要的影响下该体积收缩对固井质量有着重要的影响 101一、油井水泥2. 水泥的水化反应水泥的水化反应l l有关水化反应的说明：有关水化反应的说明：有关水化反应的说明：有关水化反应的说明：在油气井固井中，水泥的水化反应是在井下一定的在油气井固井中，水泥的水化反应是在井下一定的在油气井固井中，水泥的水化反应是在井下一定的在油气井固井中，水泥的水化反应是在井下一定的温度压力条件下进行的。温度压力对水泥的水化速温度压力条件下进行的。温度压力对水泥的水化速温度压力条件下进行的。温度压力对水泥的水化速温度压力条件下进行的。温度压力对水泥的水化速度有很大的影响，一般随温度压力的增加，水泥水度有很大的影响，一般随温度压力的增加，水泥水度有很大的影响，一般随温度压力的增加，水泥水度有很大的影响，一般随温度压力的增加，水泥水化速度加快，其中温度的影响更显著。正因为如此，化速度加快，其中温度的影响更显著。正因为如此，化速度加快，其中温度的影响更显著。正因为如此，化速度加快，其中温度的影响更显著。正因为如此，水泥浆的有关性能一般均是在模拟井下温度压力的水泥浆的有关性能一般均是在模拟井下温度压力的水泥浆的有关性能一般均是在模拟井下温度压力的水泥浆的有关性能一般均是在模拟井下温度压力的情况下测定的。情况下测定的。情况下测定的。情况下测定的。 102一、油井水泥2. 水泥的水化反应水泥的水化反应l l水化反应产物水化反应产物水化反应产物水化反应产物氢氧化钙氢氧化钙氢氧化钙氢氧化钙、水化硅酸钙凝胶水化硅酸钙凝胶水化硅酸钙凝胶水化硅酸钙凝胶、水化铝酸钙水化铝酸钙水化铝酸钙水化铝酸钙、水化铁酸钙水化铁酸钙水化铁酸钙水化铁酸钙、水水水水化硫铝酸钙化硫铝酸钙化硫铝酸钙化硫铝酸钙。在这些水化产物中，在这些水化产物中，在这些水化产物中，在这些水化产物中，氢氧化钙氢氧化钙氢氧化钙氢氧化钙析出为巨大的晶体，析出为巨大的晶体，析出为巨大的晶体，析出为巨大的晶体，水化硫铝水化硫铝水化硫铝水化硫铝酸钙酸钙酸钙酸钙为较小晶体，水化铝酸钙为更小晶体状态，为较小晶体，水化铝酸钙为更小晶体状态，为较小晶体，水化铝酸钙为更小晶体状态，为较小晶体，水化铝酸钙为更小晶体状态，含水硅酸钙含水硅酸钙含水硅酸钙含水硅酸钙和含水铁酸钙和含水铁酸钙和含水铁酸钙和含水铁酸钙为无定形体呈胶体状态。为无定形体呈胶体状态。为无定形体呈胶体状态。为无定形体呈胶体状态。水化硅酸钙凝胶水化硅酸钙凝胶水化硅酸钙凝胶水化硅酸钙凝胶为纤为纤为纤为纤维状薄片，从矿物颗粒上向外伸展出去，逐渐形成一连续的维状薄片，从矿物颗粒上向外伸展出去，逐渐形成一连续的维状薄片，从矿物颗粒上向外伸展出去，逐渐形成一连续的维状薄片，从矿物颗粒上向外伸展出去，逐渐形成一连续的网状结构，与水化硫铝酸钙、氢氧化钙等晶体互相穿插，填网状结构，与水化硫铝酸钙、氢氧化钙等晶体互相穿插，填网状结构，与水化硫铝酸钙、氢氧化钙等晶体互相穿插，填网状结构，与水化硫铝酸钙、氢氧化钙等晶体互相穿插，填充于水泥颗粒的空间，增加它们之间的粘结，使水泥强度不充于水泥颗粒的空间，增加它们之间的粘结，使水泥强度不充于水泥颗粒的空间，增加它们之间的粘结，使水泥强度不充于水泥颗粒的空间，增加它们之间的粘结，使水泥强度不断提高。断提高。断提高。断提高。 103二、油井水泥的物理性能为了保证施工安全并提高固井质量，水泥浆以及为了保证施工安全并提高固井质量，水泥浆以及为了保证施工安全并提高固井质量，水泥浆以及为了保证施工安全并提高固井质量，水泥浆以及最终所形成的水泥石必须满足一定的性能要求。最终所形成的水泥石必须满足一定的性能要求。最终所形成的水泥石必须满足一定的性能要求。最终所形成的水泥石必须满足一定的性能要求。性能包括：性能包括：性能包括：性能包括：l l水泥浆密度水泥浆密度水泥浆密度水泥浆密度l l水泥浆稠化时间水泥浆稠化时间水泥浆稠化时间水泥浆稠化时间l l水泥浆流变性水泥浆流变性水泥浆流变性水泥浆流变性l l水泥浆失水量水泥浆失水量水泥浆失水量水泥浆失水量l l水泥浆稳定性水泥浆稳定性水泥浆稳定性水泥浆稳定性l l水泥石抗压强度水泥石抗压强度水泥石抗压强度水泥石抗压强度l l水泥石渗透率水泥石渗透率水泥石渗透率水泥石渗透率其中常测定的是前六项性能其中常测定的是前六项性能其中常测定的是前六项性能其中常测定的是前六项性能104二、油井水泥的物理性能1. 水泥浆密度水泥浆密度作用：作用：作用：作用：满足平衡压力要求满足平衡压力要求满足平衡压力要求满足平衡压力要求保证获得最好的水泥浆性能保证获得最好的水泥浆性能保证获得最好的水泥浆性能保证获得最好的水泥浆性能基本要求：基本要求：基本要求：基本要求：注水泥期间既不井漏又不井喷注水泥期间既不井漏又不井喷注水泥期间既不井漏又不井喷注水泥期间既不井漏又不井喷 测测测测 量：量：量：量：用泥浆密度计（国外还有加压密度计）用泥浆密度计（国外还有加压密度计）用泥浆密度计（国外还有加压密度计）用泥浆密度计（国外还有加压密度计） 影响因素：影响因素：影响因素：影响因素：水灰比；外掺料（指密度调节剂）用量水灰比；外掺料（指密度调节剂）用量水灰比；外掺料（指密度调节剂）用量水灰比；外掺料（指密度调节剂）用量105二、水泥浆性能与固井工程的关系二、水泥浆性能与固井工程的关系 1. 水泥浆密度水泥浆密度 l l水灰比水灰比水灰比水灰比指的是配制水泥指的是配制水泥指的是配制水泥指的是配制水泥浆时浆时浆时浆时配配配配浆浆浆浆水的重量与干水泥的重量之比。水的重量与干水泥的重量之比。水的重量与干水泥的重量之比。水的重量与干水泥的重量之比。l l水泥水泥水泥水泥浆浆浆浆密度与水灰比密度与水灰比密度与水灰比密度与水灰比直接相关，直接相关，直接相关，直接相关，关系关系关系关系为为为为 l l注意：注意：注意：注意：干水泥的密度干水泥的密度干水泥的密度干水泥的密度为为为为3.14 3.14 3.14 3.14 g/cm3g/cm3g/cm3g/cm33.15 g/cm33.15 g/cm33.15 g/cm33.15 g/cm3，故当水泥故当水泥故当水泥故当水泥浆浆浆浆的密的密的密的密度度度度为为为为1.851.851.851.85g/cm3g/cm3g/cm3g/cm31.90g/cm31.90g/cm31.90g/cm31.90g/cm3时时时时，水灰比，水灰比，水灰比，水灰比约为约为约为约为0.480.480.480.480.440.440.440.44。当干水泥中所混合的外加当干水泥中所混合的外加当干水泥中所混合的外加当干水泥中所混合的外加剂剂剂剂加量加量加量加量较较较较大、尤其是大、尤其是大、尤其是大、尤其是为为为为了了了了调节调节调节调节水泥水泥水泥水泥浆浆浆浆密度密度密度密度掺掺掺掺了了了了加重加重加重加重剂剂剂剂或减或减或减或减轻剂轻剂轻剂轻剂（又称（又称（又称（又称为为为为外外外外掺掺掺掺料）料）料）料）时时时时，上式中干，上式中干，上式中干，上式中干水泥密度水泥密度水泥密度水泥密度 c c c c取水泥和取水泥和取水泥和取水泥和这这这这些外加些外加些外加些外加剂剂剂剂及及及及/ / / /或外或外或外或外掺掺掺掺料混合后的固相混料混合后的固相混料混合后的固相混料混合后的固相混合物平均密度。合物平均密度。合物平均密度。合物平均密度。这时这时这时这时，m m m m为为为为水固比水固比水固比水固比。106二、油井水泥的物理性能2. 2. 水泥浆的稠化时间水泥浆的稠化时间水泥浆的稠化时间水泥浆的稠化时间l l定义定义定义定义：在：在：在：在井下温度压力条件下，从给水泥浆加温加压时起至井下温度压力条件下，从给水泥浆加温加压时起至井下温度压力条件下，从给水泥浆加温加压时起至井下温度压力条件下，从给水泥浆加温加压时起至水泥浆稠度达水泥浆稠度达水泥浆稠度达水泥浆稠度达100100BcBc（BcBc为稠度单位）所经历的时间称为为稠度单位）所经历的时间称为为稠度单位）所经历的时间称为为稠度单位）所经历的时间称为水水水水泥浆的稠化时间泥浆的稠化时间泥浆的稠化时间泥浆的稠化时间。l l作用作用作用作用：保证施工安全。保证施工安全。保证施工安全。保证施工安全。l l要求要求要求要求：整个注水泥施工作业能够在稠化时间以内完成，并包：整个注水泥施工作业能够在稠化时间以内完成，并包：整个注水泥施工作业能够在稠化时间以内完成，并包：整个注水泥施工作业能够在稠化时间以内完成，并包含一定的安全系数。一般：施工时间含一定的安全系数。一般：施工时间含一定的安全系数。一般：施工时间含一定的安全系数。一般：施工时间+1+1+1+1小时小时小时小时 稠化时间。稠化时间。稠化时间。稠化时间。l l测量测量测量测量：常压稠度仪；高温高压稠度仪：常压稠度仪；高温高压稠度仪：常压稠度仪；高温高压稠度仪：常压稠度仪；高温高压稠度仪 测定测定测定测定“稠度稠度稠度稠度- - - -时间时间时间时间”曲线，当稠度达到曲线，当稠度达到曲线，当稠度达到曲线，当稠度达到100100100100BcBcBcBc时的时间。时的时间。时的时间。时的时间。BcBcBcBc为稠度单位。为稠度单位。为稠度单位。为稠度单位。l l影响因素：影响因素：影响因素：影响因素：水灰比；温度与压力；外加剂水灰比；温度与压力；外加剂水灰比；温度与压力；外加剂水灰比；温度与压力；外加剂107二、油井水泥的物理性能l l 水泥浆的稠化时间稠度时间108二、油井水泥的物理性能3. 水泥浆失水水泥浆失水概念：概念：概念：概念：水泥浆中自由水通过井壁向地层渗入的现象水泥浆中自由水通过井壁向地层渗入的现象水泥浆中自由水通过井壁向地层渗入的现象水泥浆中自由水通过井壁向地层渗入的现象危害：危害：危害：危害：水泥浆大量失水将造成水泥浆急剧变稠，大大影响其水泥浆大量失水将造成水泥浆急剧变稠，大大影响其水泥浆大量失水将造成水泥浆急剧变稠，大大影响其水泥浆大量失水将造成水泥浆急剧变稠，大大影响其流动性，从而不利于水泥浆对钻井液的顶替。流动性，从而不利于水泥浆对钻井液的顶替。流动性，从而不利于水泥浆对钻井液的顶替。流动性，从而不利于水泥浆对钻井液的顶替。水泥浆大量失水进入油气层也将对油气层产生损害。水泥浆大量失水进入油气层也将对油气层产生损害。水泥浆大量失水进入油气层也将对油气层产生损害。水泥浆大量失水进入油气层也将对油气层产生损害。 作用：作用：作用：作用：l l 保证水泥浆的稳定性保证水泥浆的稳定性保证水泥浆的稳定性保证水泥浆的稳定性l l 保证施工安全、防止桥堵保证施工安全、防止桥堵保证施工安全、防止桥堵保证施工安全、防止桥堵l l 有利于防气窜有利于防气窜有利于防气窜有利于防气窜109二、油井水泥的物理性能3. 3. 水泥浆失水水泥浆失水水泥浆失水水泥浆失水要求：要求：要求：要求：根据不同的井况和施工条件规定。根据不同的井况和施工条件规定。根据不同的井况和施工条件规定。根据不同的井况和施工条件规定。水泥浆失水量水泥浆失水量水泥浆失水量水泥浆失水量指的是水泥浆失水的快慢程度，失水量大小用指的是水泥浆失水的快慢程度，失水量大小用指的是水泥浆失水的快慢程度，失水量大小用指的是水泥浆失水的快慢程度，失水量大小用3030分分分分钟内的失水总体积表示。原则上说，水泥浆失水量越小越好，但钟内的失水总体积表示。原则上说，水泥浆失水量越小越好，但钟内的失水总体积表示。原则上说，水泥浆失水量越小越好，但钟内的失水总体积表示。原则上说，水泥浆失水量越小越好，但控制水泥浆失水的外加剂通常对水泥浆的流变性、稠化时间、抗控制水泥浆失水的外加剂通常对水泥浆的流变性、稠化时间、抗控制水泥浆失水的外加剂通常对水泥浆的流变性、稠化时间、抗控制水泥浆失水的外加剂通常对水泥浆的流变性、稠化时间、抗压强度等有影响，因此应权衡考虑。压强度等有影响，因此应权衡考虑。压强度等有影响，因此应权衡考虑。压强度等有影响，因此应权衡考虑。 一般套管注水泥一般套管注水泥一般套管注水泥一般套管注水泥100 100 ml/30minml/30min200 ml/30min200 ml/30min；挤水泥或尾管注挤水泥或尾管注挤水泥或尾管注挤水泥或尾管注水泥水泥水泥水泥50 50 ml/30minml/30min150 ml/30min150 ml/30min；防防防防气窜气窜气窜气窜20 20 ml/30minml/30min 40ml/30min40ml/30min；高密度水泥应低于高密度水泥应低于高密度水泥应低于高密度水泥应低于50 50 ml/30minml/30min。 测量：测量：测量：测量：失水仪，（常温与高温、失水仪，（常温与高温、失水仪，（常温与高温、失水仪，（常温与高温、 7 7MPaMPa, 30min, 30min）影响因素：影响因素：影响因素：影响因素：水灰比；压差；地层的渗透性；外加剂；泥浆的泥饼水灰比；压差；地层的渗透性；外加剂；泥浆的泥饼水灰比；压差；地层的渗透性；外加剂；泥浆的泥饼水灰比；压差；地层的渗透性；外加剂；泥浆的泥饼110二、油井水泥的物理性能 4. 4. 水泥浆流变性水泥浆流变性水泥浆流变性水泥浆流变性概念：概念：概念：概念：水泥浆在外加剪切应力作用下流动变形的特性。水泥浆在外加剪切应力作用下流动变形的特性。水泥浆在外加剪切应力作用下流动变形的特性。水泥浆在外加剪切应力作用下流动变形的特性。作用：作用：作用：作用：l l计算流动阻力，选择施工装置和设备，防止井压漏，保计算流动阻力，选择施工装置和设备，防止井压漏，保计算流动阻力，选择施工装置和设备，防止井压漏，保计算流动阻力，选择施工装置和设备，防止井压漏，保证施工安全证施工安全证施工安全证施工安全l l实现紊流或塞流顶替，提高顶替效率实现紊流或塞流顶替，提高顶替效率实现紊流或塞流顶替，提高顶替效率实现紊流或塞流顶替，提高顶替效率要求：要求：要求：要求：有利于提高顶替效率有利于提高顶替效率有利于提高顶替效率有利于提高顶替效率测量：测量：测量：测量：旋转粘度计、高温高压流变仪（旋转粘度计、高温高压流变仪（旋转粘度计、高温高压流变仪（旋转粘度计、高温高压流变仪（模拟井下温度压力测模拟井下温度压力测模拟井下温度压力测模拟井下温度压力测定定定定）计算：计算：计算：计算：流变参数；临界流速，流变参数；临界流速，流变参数；临界流速，流变参数；临界流速，用流变参数衡量用流变参数衡量用流变参数衡量用流变参数衡量 影响因素：影响因素：影响因素：影响因素：水灰比；温度与压力；外加剂水灰比；温度与压力；外加剂水灰比；温度与压力；外加剂水灰比；温度与压力；外加剂111二、油井水泥的物理性能 5. 5. 水泥浆稳定性水泥浆稳定性水泥浆稳定性水泥浆稳定性l l水泥浆的稳定性测试包括水泥浆的稳定性测试包括水泥浆的稳定性测试包括水泥浆的稳定性测试包括自由水含量测试自由水含量测试自由水含量测试自由水含量测试和和和和沉降稳定性测试沉降稳定性测试沉降稳定性测试沉降稳定性测试，目前现场常测试的是自由水含量。目前现场常测试的是自由水含量。目前现场常测试的是自由水含量。目前现场常测试的是自由水含量。l l在静止过程中，水泥浆中的自由水自水泥浆中析出而形成连在静止过程中，水泥浆中的自由水自水泥浆中析出而形成连在静止过程中，水泥浆中的自由水自水泥浆中析出而形成连在静止过程中，水泥浆中的自由水自水泥浆中析出而形成连续水相的现象称为续水相的现象称为续水相的现象称为续水相的现象称为析水析水析水析水。单位体积水泥浆所析出的自由水体。单位体积水泥浆所析出的自由水体。单位体积水泥浆所析出的自由水体。单位体积水泥浆所析出的自由水体积即为水泥浆自由水含量（也称积即为水泥浆自由水含量（也称积即为水泥浆自由水含量（也称积即为水泥浆自由水含量（也称析水量析水量析水量析水量），为百分数。），为百分数。），为百分数。），为百分数。l l沉降稳定性沉降稳定性沉降稳定性沉降稳定性指的是在静止状态下，由于颗粒沉降而导致水泥指的是在静止状态下，由于颗粒沉降而导致水泥指的是在静止状态下，由于颗粒沉降而导致水泥指的是在静止状态下，由于颗粒沉降而导致水泥浆上下密度不一致的现象。浆上下密度不一致的现象。浆上下密度不一致的现象。浆上下密度不一致的现象。112二、油井水泥的物理性能 5. 5. 水泥浆稳定性水泥浆稳定性水泥浆稳定性水泥浆稳定性l l析水和沉降稳定性的关系：析水和沉降稳定性的关系：析水和沉降稳定性的关系：析水和沉降稳定性的关系：水泥浆有析水实际上就有沉降稳定性问题，但水泥浆无析水水泥浆有析水实际上就有沉降稳定性问题，但水泥浆无析水水泥浆有析水实际上就有沉降稳定性问题，但水泥浆无析水水泥浆有析水实际上就有沉降稳定性问题，但水泥浆无析水不一定沉降稳定性就好。不一定沉降稳定性就好。不一定沉降稳定性就好。不一定沉降稳定性就好。l l危害：危害：危害：危害：水泥浆析水量过大和沉降稳定性不好水泥浆析水量过大和沉降稳定性不好水泥浆析水量过大和沉降稳定性不好水泥浆析水量过大和沉降稳定性不好，将导致水泥浆密度分，将导致水泥浆密度分，将导致水泥浆密度分，将导致水泥浆密度分布不均，所形成的水泥石强度不一致，影响对地层的封隔。布不均，所形成的水泥石强度不一致，影响对地层的封隔。布不均，所形成的水泥石强度不一致，影响对地层的封隔。布不均，所形成的水泥石强度不一致，影响对地层的封隔。如果在井下，由于析水而形成纵向水槽，将影响环空的封隔如果在井下，由于析水而形成纵向水槽，将影响环空的封隔如果在井下，由于析水而形成纵向水槽，将影响环空的封隔如果在井下，由于析水而形成纵向水槽，将影响环空的封隔在定向井、水平井中，如果不控制析水，容易在环空的上侧在定向井、水平井中，如果不控制析水，容易在环空的上侧在定向井、水平井中，如果不控制析水，容易在环空的上侧在定向井、水平井中，如果不控制析水，容易在环空的上侧形成连续水槽，严重影响封固质量。形成连续水槽，严重影响封固质量。形成连续水槽，严重影响封固质量。形成连续水槽，严重影响封固质量。l l要求：要求：要求：要求：原则上原则上原则上原则上析水越小越好析水越小越好析水越小越好析水越小越好、沉降稳定性中水泥浆上下密度的差别沉降稳定性中水泥浆上下密度的差别沉降稳定性中水泥浆上下密度的差别沉降稳定性中水泥浆上下密度的差别越小越好越小越好越小越好越小越好，在定向井和水平井中要使用零析水水泥浆。，在定向井和水平井中要使用零析水水泥浆。，在定向井和水平井中要使用零析水水泥浆。，在定向井和水平井中要使用零析水水泥浆。113二、油井水泥的物理性能6. 6. 水泥石抗压强度水泥石抗压强度水泥石抗压强度水泥石抗压强度 目前是通过测试水泥石的抗压强度来检验水泥石的力学性能。目前是通过测试水泥石的抗压强度来检验水泥石的力学性能。概念：概念：概念：概念：水泥石在压力作用下达到破坏前单位面积上所能承受的水泥石在压力作用下达到破坏前单位面积上所能承受的力称为水泥石的力称为水泥石的抗压强度抗压强度。 要求：要求：要求：要求：1 1）能支承住井内的套管能支承住井内的套管能支承住井内的套管能支承住井内的套管 2 2）能承受住钻进时的冲击载荷能承受住钻进时的冲击载荷能承受住钻进时的冲击载荷能承受住钻进时的冲击载荷 3 3）能承受酸化压裂：能承受酸化压裂：能承受酸化压裂：能承受酸化压裂：注水泥井段在承受酸化压裂时的压力的最薄弱环节不是水泥石注水泥井段在承受酸化压裂时的压力的最薄弱环节不是水泥石注水泥井段在承受酸化压裂时的压力的最薄弱环节不是水泥石注水泥井段在承受酸化压裂时的压力的最薄弱环节不是水泥石本身，而应是水泥环与井壁胶结处（或水泥环与套管胶结处），本身，而应是水泥环与井壁胶结处（或水泥环与套管胶结处），本身，而应是水泥环与井壁胶结处（或水泥环与套管胶结处），本身，而应是水泥环与井壁胶结处（或水泥环与套管胶结处），水泥石强度远大于水泥环与井壁的胶结强度。水泥石强度远大于水泥环与井壁的胶结强度。水泥石强度远大于水泥环与井壁的胶结强度。水泥石强度远大于水泥环与井壁的胶结强度。 测量：测量：测量：测量：国内：抗折强度国内：抗折强度国内：抗折强度国内：抗折强度抗折试验机抗折试验机抗折试验机抗折试验机 APIAPI：抗压强度抗压强度抗压强度抗压强度万能材料试验机万能材料试验机万能材料试验机万能材料试验机影响因素：影响因素：影响因素：影响因素：水灰比；温度与压力；外加剂水灰比；温度与压力；外加剂水灰比；温度与压力；外加剂水灰比；温度与压力；外加剂114二、油井水泥的物理性能7. 7. 水泥石渗透率水泥石渗透率水泥石渗透率水泥石渗透率概念：概念：概念：概念：水泥石的渗透率指的是在一定压差下，水泥石允许流水泥石的渗透率指的是在一定压差下，水泥石允许流水泥石的渗透率指的是在一定压差下，水泥石允许流水泥石的渗透率指的是在一定压差下，水泥石允许流体通过的能力。体通过的能力。体通过的能力。体通过的能力。 要求：要求：要求：要求：尽可能低尽可能低尽可能低尽可能低测量：测量：测量：测量：水泥渗透率仪水泥渗透率仪水泥渗透率仪水泥渗透率仪 注意该指标有时间性注意该指标有时间性注意该指标有时间性注意该指标有时间性影响因素：影响因素：影响因素：影响因素：水灰比；温度与压力；外加剂水灰比；温度与压力；外加剂水灰比；温度与压力；外加剂水灰比；温度与压力；外加剂注意：注意：注意：注意： 为实现封隔，水泥石的渗透率越低越好，而水泥石的渗透为实现封隔，水泥石的渗透率越低越好，而水泥石的渗透为实现封隔，水泥石的渗透率越低越好，而水泥石的渗透为实现封隔，水泥石的渗透率越低越好，而水泥石的渗透率都低于率都低于率都低于率都低于1 11010-5-5平方微米，因此水泥环基体（即水泥石）可平方微米，因此水泥环基体（即水泥石）可平方微米，因此水泥环基体（即水泥石）可平方微米，因此水泥环基体（即水泥石）可实现层间封隔；但如果水泥环与套管或水泥环与井壁间存在实现层间封隔；但如果水泥环与套管或水泥环与井壁间存在实现层间封隔；但如果水泥环与套管或水泥环与井壁间存在实现层间封隔；但如果水泥环与套管或水泥环与井壁间存在微环隙、或胶结强度不够高微环隙、或胶结强度不够高微环隙、或胶结强度不够高微环隙、或胶结强度不够高，则对层间封隔有严重影响。问，则对层间封隔有严重影响。问，则对层间封隔有严重影响。问，则对层间封隔有严重影响。问题又回到了水泥与套管和水泥与井壁的胶结上。题又回到了水泥与套管和水泥与井壁的胶结上。题又回到了水泥与套管和水泥与井壁的胶结上。题又回到了水泥与套管和水泥与井壁的胶结上。115三、油井水泥外加剂三、油井水泥外加剂 l l为了满足不同情况下固井施工和固井质量的要求，注水泥时在水泥浆为了满足不同情况下固井施工和固井质量的要求，注水泥时在水泥浆为了满足不同情况下固井施工和固井质量的要求，注水泥时在水泥浆为了满足不同情况下固井施工和固井质量的要求，注水泥时在水泥浆中一般均加有各种外加剂来调节水泥浆的性能。中一般均加有各种外加剂来调节水泥浆的性能。中一般均加有各种外加剂来调节水泥浆的性能。中一般均加有各种外加剂来调节水泥浆的性能。l l常规的水泥外加剂有缓凝剂、速凝剂、减阻剂、降失水剂、减轻剂、常规的水泥外加剂有缓凝剂、速凝剂、减阻剂、降失水剂、减轻剂、常规的水泥外加剂有缓凝剂、速凝剂、减阻剂、降失水剂、减轻剂、常规的水泥外加剂有缓凝剂、速凝剂、减阻剂、降失水剂、减轻剂、加重剂。加重剂。加重剂。加重剂。缓凝剂缓凝剂缓凝剂缓凝剂和和和和速凝剂速凝剂速凝剂速凝剂用来调节水泥浆的稠化时间，有的速凝剂还能提用来调节水泥浆的稠化时间，有的速凝剂还能提用来调节水泥浆的稠化时间，有的速凝剂还能提用来调节水泥浆的稠化时间，有的速凝剂还能提高水泥石的早期强度。高水泥石的早期强度。高水泥石的早期强度。高水泥石的早期强度。加入加入加入加入减阻剂减阻剂减阻剂减阻剂的目的是为了改善水泥浆的流动性能、降低流动摩阻的目的是为了改善水泥浆的流动性能、降低流动摩阻的目的是为了改善水泥浆的流动性能、降低流动摩阻的目的是为了改善水泥浆的流动性能、降低流动摩阻降失水剂降失水剂降失水剂降失水剂的作用是降低水泥浆的失水量，防止水泥浆脱水。在井的作用是降低水泥浆的失水量，防止水泥浆脱水。在井的作用是降低水泥浆的失水量，防止水泥浆脱水。在井的作用是降低水泥浆的失水量，防止水泥浆脱水。在井下有低压易漏失层时，为了防止注水泥时发生井漏，常加入本身下有低压易漏失层时，为了防止注水泥时发生井漏，常加入本身下有低压易漏失层时，为了防止注水泥时发生井漏，常加入本身下有低压易漏失层时，为了防止注水泥时发生井漏，常加入本身密度低的减轻材料（如硅藻土、漂珠）以降低水泥浆的密度。密度低的减轻材料（如硅藻土、漂珠）以降低水泥浆的密度。密度低的减轻材料（如硅藻土、漂珠）以降低水泥浆的密度。密度低的减轻材料（如硅藻土、漂珠）以降低水泥浆的密度。当地层压力高到一定值时，需要加入密度大的添加剂（如铁矿粉）当地层压力高到一定值时，需要加入密度大的添加剂（如铁矿粉）当地层压力高到一定值时，需要加入密度大的添加剂（如铁矿粉）当地层压力高到一定值时，需要加入密度大的添加剂（如铁矿粉）提高水泥浆的密度以平衡地层压力。提高水泥浆的密度以平衡地层压力。提高水泥浆的密度以平衡地层压力。提高水泥浆的密度以平衡地层压力。 116第三节第三节 注注 水水 泥泥117l l注水泥的目的在于提供良好的环空封隔。为实现这注水泥的目的在于提供良好的环空封隔。为实现这一目的，要解决以下二个方面的的问题：一目的，要解决以下二个方面的的问题：一是如何使环形空间充满水泥浆；一是如何使环形空间充满水泥浆；二是如何使水泥浆在凝结过程中压稳油、气、二是如何使水泥浆在凝结过程中压稳油、气、水层和封隔好油、气、水层。水层和封隔好油、气、水层。注注 水水 泥泥118注水泥质量要求：注水泥质量要求：水泥浆返高和套管内水泥塞必须符合设计要求；水泥浆返高和套管内水泥塞必须符合设计要求；水泥浆返高和套管内水泥塞必须符合设计要求；水泥浆返高和套管内水泥塞必须符合设计要求；注水泥段环空的泥浆应全部被水泥浆顶替干净，注水泥段环空的泥浆应全部被水泥浆顶替干净，注水泥段环空的泥浆应全部被水泥浆顶替干净，注水泥段环空的泥浆应全部被水泥浆顶替干净，不窜槽；不窜槽；不窜槽；不窜槽；水泥环有足够的连接强度和封固性能，不发生油水泥环有足够的连接强度和封固性能，不发生油水泥环有足够的连接强度和封固性能，不发生油水泥环有足够的连接强度和封固性能，不发生油气水窜，能经受住酸化压裂；气水窜，能经受住酸化压裂；气水窜，能经受住酸化压裂；气水窜，能经受住酸化压裂；水泥石能抗腐蚀。水泥石能抗腐蚀。水泥石能抗腐蚀。水泥石能抗腐蚀。一、提高注水泥顶替效率的措施一、提高注水泥顶替效率的措施119顶替效率概念：顶替效率概念：顶替效率概念：顶替效率概念：水泥浆在环形空间顶替钻井液的水泥浆在环形空间顶替钻井液的水泥浆在环形空间顶替钻井液的水泥浆在环形空间顶替钻井液的程度，用程度，用程度，用程度，用表示表示表示表示 注水泥段：注水泥段：注水泥段：注水泥段：环形水泥浆体积环形水泥浆体积环形水泥浆体积环形水泥浆体积 = 环空体积环空体积环空体积环空体积注水泥浆段任一截面积：注水泥浆段任一截面积：注水泥浆段任一截面积：注水泥浆段任一截面积：环形水泥浆面积环形水泥浆面积环形水泥浆面积环形水泥浆面积 = 环空截面积环空截面积环空截面积环空截面积一、提高注水泥顶替效率的措施一、提高注水泥顶替效率的措施等于等于1（即（即100%）时，水泥浆全部顶替走了钻井液；）时，水泥浆全部顶替走了钻井液；当当小于小于1时钻井液没有被水泥浆完全替走，称为发生了钻井液窜时钻井液没有被水泥浆完全替走，称为发生了钻井液窜槽；槽；值越大，顶替效率越高。值越大，顶替效率越高。 为提高顶替效率，所采取的主要措施有：为提高顶替效率，所采取的主要措施有：加扶正器降低套管在井眼中的偏心程度、加扶正器降低套管在井眼中的偏心程度、注水泥时活动套管、注水泥时活动套管、采用紊流或塞流流态注水泥、采用紊流或塞流流态注水泥、采用前置液、采用前置液、注水泥前调整钻井液性能、注水泥前调整钻井液性能、增加紊流接触时间等。增加紊流接触时间等。 1201. 1. 加扶正器降低套管在井眼中的偏心程度加扶正器降低套管在井眼中的偏心程度加扶正器降低套管在井眼中的偏心程度加扶正器降低套管在井眼中的偏心程度 l l套管在井眼中不居中的现象称为套管在井眼中不居中的现象称为套管在井眼中不居中的现象称为套管在井眼中不居中的现象称为套管偏心套管偏心套管偏心套管偏心。注水泥顶替效。注水泥顶替效。注水泥顶替效。注水泥顶替效率与套管在井眼中的偏心程度密切相关。率与套管在井眼中的偏心程度密切相关。率与套管在井眼中的偏心程度密切相关。率与套管在井眼中的偏心程度密切相关。 l l在定向井和水平井中，由于套管的自重，管柱将偏向井眼在定向井和水平井中，由于套管的自重，管柱将偏向井眼在定向井和水平井中，由于套管的自重，管柱将偏向井眼在定向井和水平井中，由于套管的自重，管柱将偏向井眼下侧，形成偏心。就是直井，由于实际所钻成的井眼不可下侧，形成偏心。就是直井，由于实际所钻成的井眼不可下侧，形成偏心。就是直井，由于实际所钻成的井眼不可下侧，形成偏心。就是直井，由于实际所钻成的井眼不可能是一个完全垂直的井眼，因此也存在套管偏心的情况。能是一个完全垂直的井眼，因此也存在套管偏心的情况。能是一个完全垂直的井眼，因此也存在套管偏心的情况。能是一个完全垂直的井眼，因此也存在套管偏心的情况。 一、提高注水泥顶替效率的措施一、提高注水泥顶替效率的措施1211. 1. 加扶正器降低套管在井眼中的偏心程度加扶正器降低套管在井眼中的偏心程度加扶正器降低套管在井眼中的偏心程度加扶正器降低套管在井眼中的偏心程度l l套管居中套管居中套管居中套管居中流动阻力分布：流动阻力分布：流动阻力分布：流动阻力分布：各间隙一样！各间隙一样！各间隙一样！各间隙一样！泥浆流动条件：泥浆流动条件：泥浆流动条件：泥浆流动条件：影响：影响：影响：影响：泥浆流变性；泥浆流变性；泥浆流变性；泥浆流变性；间隙大小；间隙大小；间隙大小；间隙大小； 套管居中时，顶替套管居中时，顶替效率的高低主要取决于效率的高低主要取决于顶替时的流态。顶替时的流态。一、提高注水泥顶替效率的措施一、提高注水泥顶替效率的措施1221. 1. 加扶正器降低套管在井眼中的偏心程度加扶正器降低套管在井眼中的偏心程度加扶正器降低套管在井眼中的偏心程度加扶正器降低套管在井眼中的偏心程度l l套管偏心套管偏心套管偏心套管偏心流动阻力分布：流动阻力分布：流动阻力分布：流动阻力分布：各间隙不一样！各间隙不一样！各间隙不一样！各间隙不一样！各间隙各间隙各间隙各间隙泥浆流动阻力：泥浆流动阻力：泥浆流动阻力：泥浆流动阻力： 套管偏心越严重，这种流速分布不均的程度越套管偏心越严重，这种流速分布不均的程度越套管偏心越严重，这种流速分布不均的程度越套管偏心越严重，这种流速分布不均的程度越大。曾经实测了液体在偏心环空中的流速分布大。曾经实测了液体在偏心环空中的流速分布大。曾经实测了液体在偏心环空中的流速分布大。曾经实测了液体在偏心环空中的流速分布情况，当偏心程度为情况，当偏心程度为情况，当偏心程度为情况，当偏心程度为69%69%时，实验中测量到最时，实验中测量到最时，实验中测量到最时，实验中测量到最宽与最窄间隙的平均流速差别达到了宽与最窄间隙的平均流速差别达到了宽与最窄间隙的平均流速差别达到了宽与最窄间隙的平均流速差别达到了7070倍。倍。倍。倍。在水泥浆顶替钻井液的过程中，水泥浆在宽间隙处顶替钻井液在水泥浆顶替钻井液的过程中，水泥浆在宽间隙处顶替钻井液的速度快一些，而在窄间隙处的顶替速度则较慢，导致宽窄间的速度快一些，而在窄间隙处的顶替速度则较慢，导致宽窄间隙水泥浆返高不一致。若套管偏心严重，则可能出现窄间隙的隙水泥浆返高不一致。若套管偏心严重，则可能出现窄间隙的钻井液根本不能被顶走而滞留在原处的钻井液根本不能被顶走而滞留在原处的窜槽窜槽现象。现象。 因此要尽量降低套管在井眼中的偏心程度。目前所采取的措因此要尽量降低套管在井眼中的偏心程度。目前所采取的措施是在套管上安装施是在套管上安装套管扶正器套管扶正器。 一、提高注水泥顶替效率的措施一、提高注水泥顶替效率的措施1232. 2. 注水泥时活动套管注水泥时活动套管注水泥时活动套管注水泥时活动套管l l在注水泥过程中，旋转或上下活动套管是提高在注水泥过程中，旋转或上下活动套管是提高在注水泥过程中，旋转或上下活动套管是提高在注水泥过程中，旋转或上下活动套管是提高顶替效率的有效措施。顶替效率的有效措施。顶替效率的有效措施。顶替效率的有效措施。l l机理机理机理机理：当环空窄间隙处有滞留（或流动较慢）：当环空窄间隙处有滞留（或流动较慢）：当环空窄间隙处有滞留（或流动较慢）：当环空窄间隙处有滞留（或流动较慢）的钻井液时，旋转套管可依靠套管壁拖弋力将的钻井液时，旋转套管可依靠套管壁拖弋力将的钻井液时，旋转套管可依靠套管壁拖弋力将的钻井液时，旋转套管可依靠套管壁拖弋力将钻井液带入进环空的较宽间隙处，从而被流动钻井液带入进环空的较宽间隙处，从而被流动钻井液带入进环空的较宽间隙处，从而被流动钻井液带入进环空的较宽间隙处，从而被流动的水泥浆顶替走。的水泥浆顶替走。的水泥浆顶替走。的水泥浆顶替走。 结论：一般认为旋转效果较好；上下活动套管可能在上提套管结论：一般认为旋转效果较好；上下活动套管可能在上提套管后发生卡套管从而使套管不能下放到设计放置，给安装井口造后发生卡套管从而使套管不能下放到设计放置，给安装井口造成困难。成困难。一、提高注水泥顶替效率的措施一、提高注水泥顶替效率的措施124 （a a） （b b） （c c）图图7-16 7-16 旋转套管提高顶替效率示意图旋转套管提高顶替效率示意图（a a）套管不动套管不动 （b b）套管开始转动套管开始转动 （c c）钻井液将被替完钻井液将被替完11井眼井眼 2 2套管套管 3 3流动的水泥浆流动的水泥浆 4 4钻井液钻井液一、提高注水泥顶替效率的措施一、提高注水泥顶替效率的措施1253. 3. 采用紊流或塞流流态注水泥采用紊流或塞流流态注水泥采用紊流或塞流流态注水泥采用紊流或塞流流态注水泥l l在层流流态，断面流速分布呈尖峰形态；在紊流和塞在层流流态，断面流速分布呈尖峰形态；在紊流和塞在层流流态，断面流速分布呈尖峰形态；在紊流和塞在层流流态，断面流速分布呈尖峰形态；在紊流和塞流流态，断面流速分布相对平缓，因而有利于水泥浆流流态，断面流速分布相对平缓，因而有利于水泥浆流流态，断面流速分布相对平缓，因而有利于水泥浆流流态，断面流速分布相对平缓，因而有利于水泥浆均匀推进顶替钻井液。均匀推进顶替钻井液。均匀推进顶替钻井液。均匀推进顶替钻井液。l l在偏心环空中，当采用塞流流态时，虽然在本间隙内在偏心环空中，当采用塞流流态时，虽然在本间隙内在偏心环空中，当采用塞流流态时，虽然在本间隙内在偏心环空中，当采用塞流流态时，虽然在本间隙内水泥浆可均匀推进，由于在周向上流速分布不均，可水泥浆可均匀推进，由于在周向上流速分布不均，可水泥浆可均匀推进，由于在周向上流速分布不均，可水泥浆可均匀推进，由于在周向上流速分布不均，可能存在周向上严重推进不均的后果。能存在周向上严重推进不均的后果。能存在周向上严重推进不均的后果。能存在周向上严重推进不均的后果。一、提高注水泥顶替效率的措施一、提高注水泥顶替效率的措施126 （a a） （b b） （c c）图图7-17 7-17 不同流态时流速分布示意图不同流态时流速分布示意图（a a）塞流塞流 （b b）层流层流 （c c）紊流紊流一、提高注水泥顶替效率的措施一、提高注水泥顶替效率的措施127l l顶替过程中的流态影响顶替过程中的流态影响顶替过程中的流态影响顶替过程中的流态影响层流塞流紊流一、提高注水泥顶替效率的措施一、提高注水泥顶替效率的措施1283. 3. 采用紊流或塞流流态注水泥采用紊流或塞流流态注水泥采用紊流或塞流流态注水泥采用紊流或塞流流态注水泥l l紊流顶替机理：紊流顶替机理：紊流顶替机理：紊流顶替机理：紊流顶替断面流速分布比较均匀；紊流顶替断面流速分布比较均匀；紊流顶替断面流速分布比较均匀；紊流顶替断面流速分布比较均匀；紊流顶替液中的紊流旋涡在顶替液与钻井液的交界面上可产紊流顶替液中的紊流旋涡在顶替液与钻井液的交界面上可产紊流顶替液中的紊流旋涡在顶替液与钻井液的交界面上可产紊流顶替液中的紊流旋涡在顶替液与钻井液的交界面上可产生冲蚀、扰动、携带的作用，从而有利于对钻井液的顶替。生冲蚀、扰动、携带的作用，从而有利于对钻井液的顶替。生冲蚀、扰动、携带的作用，从而有利于对钻井液的顶替。生冲蚀、扰动、携带的作用，从而有利于对钻井液的顶替。在偏心环空中，这种冲蚀、扰动、携带作用可逐渐顶替走窄在偏心环空中，这种冲蚀、扰动、携带作用可逐渐顶替走窄在偏心环空中，这种冲蚀、扰动、携带作用可逐渐顶替走窄在偏心环空中，这种冲蚀、扰动、携带作用可逐渐顶替走窄间隙处的钻井液。间隙处的钻井液。间隙处的钻井液。间隙处的钻井液。在偏心环空中，紊流时周向上的流速分布不均的程度也要大在偏心环空中，紊流时周向上的流速分布不均的程度也要大在偏心环空中，紊流时周向上的流速分布不均的程度也要大在偏心环空中，紊流时周向上的流速分布不均的程度也要大大低于层流时的流速分布不均程度（塞流本质上也属于层流）大低于层流时的流速分布不均程度（塞流本质上也属于层流）大低于层流时的流速分布不均程度（塞流本质上也属于层流）大低于层流时的流速分布不均程度（塞流本质上也属于层流），实验中曾测量到可降低，实验中曾测量到可降低，实验中曾测量到可降低，实验中曾测量到可降低27%27%27%27%76%76%76%76%，因而有利于对窄间隙的，因而有利于对窄间隙的，因而有利于对窄间隙的，因而有利于对窄间隙的顶替。顶替。顶替。顶替。另外，紊流时，单位长度上的摩阻压降大，该摩阻压降对滞另外，紊流时，单位长度上的摩阻压降大，该摩阻压降对滞另外，紊流时，单位长度上的摩阻压降大，该摩阻压降对滞另外，紊流时，单位长度上的摩阻压降大，该摩阻压降对滞留钻井液而言是驱使其流动的动力，因此也有利于顶替。留钻井液而言是驱使其流动的动力，因此也有利于顶替。留钻井液而言是驱使其流动的动力，因此也有利于顶替。留钻井液而言是驱使其流动的动力，因此也有利于顶替。结论：只要井下条件许可（不会压漏地层），人们首选紊流顶结论：只要井下条件许可（不会压漏地层），人们首选紊流顶替。替。 一、提高注水泥顶替效率的措施一、提高注水泥顶替效率的措施1294. 4. 使用注水泥前置液使用注水泥前置液使用注水泥前置液使用注水泥前置液l l不用前置液的危害：不用前置液的危害：不用前置液的危害：不用前置液的危害：由于水泥浆与钻井液的化学成分不同，当用水泥浆直接顶替由于水泥浆与钻井液的化学成分不同，当用水泥浆直接顶替由于水泥浆与钻井液的化学成分不同，当用水泥浆直接顶替由于水泥浆与钻井液的化学成分不同，当用水泥浆直接顶替钻井液时，在二者交界面附近钻井液要与水泥浆混合。钻井液时，在二者交界面附近钻井液要与水泥浆混合。钻井液时，在二者交界面附近钻井液要与水泥浆混合。钻井液时，在二者交界面附近钻井液要与水泥浆混合。水泥浆和钻井液混合的后果：水泥浆和钻井液混合的后果：水泥浆和钻井液混合的后果：水泥浆和钻井液混合的后果：uu一方面，钻井液与水泥浆混合后，可能使一方面，钻井液与水泥浆混合后，可能使一方面，钻井液与水泥浆混合后，可能使一方面，钻井液与水泥浆混合后，可能使水泥浆增稠水泥浆增稠水泥浆增稠水泥浆增稠，导致，导致，导致，导致环空流动摩阻增大，严重时造成井漏，或造成泵送不动而导致环空流动摩阻增大，严重时造成井漏，或造成泵送不动而导致环空流动摩阻增大，严重时造成井漏，或造成泵送不动而导致环空流动摩阻增大，严重时造成井漏，或造成泵送不动而导致不能把水泥浆全部从套管内替出的严重后果。不能把水泥浆全部从套管内替出的严重后果。不能把水泥浆全部从套管内替出的严重后果。不能把水泥浆全部从套管内替出的严重后果。uu另一方面，钻井液与水泥浆相互混合形成的混合物可能很稠，另一方面，钻井液与水泥浆相互混合形成的混合物可能很稠，另一方面，钻井液与水泥浆相互混合形成的混合物可能很稠，另一方面，钻井液与水泥浆相互混合形成的混合物可能很稠，不容易被随后的水泥浆所顶替，造成这种不容易被随后的水泥浆所顶替，造成这种不容易被随后的水泥浆所顶替，造成这种不容易被随后的水泥浆所顶替，造成这种混合物窜槽混合物窜槽混合物窜槽混合物窜槽，影响注，影响注，影响注，影响注水泥质量。不管是哪种情况，均称钻井液与水泥浆不相容。水泥质量。不管是哪种情况，均称钻井液与水泥浆不相容。水泥质量。不管是哪种情况，均称钻井液与水泥浆不相容。水泥质量。不管是哪种情况，均称钻井液与水泥浆不相容。一、提高注水泥顶替效率的措施一、提高注水泥顶替效率的措施1304. 4. 使用注水泥前置液使用注水泥前置液使用注水泥前置液使用注水泥前置液l l解决措施：在水泥浆前面通常要注入一段或几段与钻井液及水解决措施：在水泥浆前面通常要注入一段或几段与钻井液及水解决措施：在水泥浆前面通常要注入一段或几段与钻井液及水解决措施：在水泥浆前面通常要注入一段或几段与钻井液及水泥浆均相容的特殊配制的液体，这些液体称为注水泥前置液泥浆均相容的特殊配制的液体，这些液体称为注水泥前置液泥浆均相容的特殊配制的液体，这些液体称为注水泥前置液泥浆均相容的特殊配制的液体，这些液体称为注水泥前置液（简称前置液）。（简称前置液）。（简称前置液）。（简称前置液）。l l前置液分为两种：前置液分为两种：前置液分为两种：前置液分为两种：冲洗液。冲洗液主要起稀释钻井液、冲洗井壁与套管壁的作冲洗液。冲洗液主要起稀释钻井液、冲洗井壁与套管壁的作冲洗液。冲洗液主要起稀释钻井液、冲洗井壁与套管壁的作冲洗液。冲洗液主要起稀释钻井液、冲洗井壁与套管壁的作用（也能隔开钻井液与水泥浆），主要用于用（也能隔开钻井液与水泥浆），主要用于用（也能隔开钻井液与水泥浆），主要用于用（也能隔开钻井液与水泥浆），主要用于紊流注水泥紊流注水泥紊流注水泥紊流注水泥。当。当。当。当与隔离液同时使用时，位于隔离液之前。与隔离液同时使用时，位于隔离液之前。与隔离液同时使用时，位于隔离液之前。与隔离液同时使用时，位于隔离液之前。隔离液：隔离液的主要作用是隔离钻井液与水泥浆。有两种隔离液：隔离液的主要作用是隔离钻井液与水泥浆。有两种隔离液：隔离液的主要作用是隔离钻井液与水泥浆。有两种隔离液：隔离液的主要作用是隔离钻井液与水泥浆。有两种类型的隔离液，一种是用于塞流注水泥的粘稠型隔离液，一类型的隔离液，一种是用于塞流注水泥的粘稠型隔离液，一类型的隔离液，一种是用于塞流注水泥的粘稠型隔离液，一类型的隔离液，一种是用于塞流注水泥的粘稠型隔离液，一种是用于紊流注水泥的紊流型隔离液。种是用于紊流注水泥的紊流型隔离液。种是用于紊流注水泥的紊流型隔离液。种是用于紊流注水泥的紊流型隔离液。一、提高注水泥顶替效率的措施一、提高注水泥顶替效率的措施1314. 使用注水泥前置液使用注水泥前置液l l施工措施：施工措施：施工措施：施工措施：在在在在注注注注水水水水泥泥泥泥过过过过程程程程中中中中，实实实实际际际际顶顶顶顶替替替替钻钻钻钻井井井井液液液液的的的的是是是是前前前前置置置置液液液液。显显显显然然然然，如如如如果果果果水水水水泥泥泥泥浆浆浆浆的的的的流流流流变变变变性性性性能能能能能能能能调调调调节节节节到到到到满满满满足足足足紊紊紊紊流流流流或或或或塞塞塞塞流流流流的的的的要要要要求求求求则则则则更更更更好好好好。但但但但由由由由于于于于调调调调整整整整水水水水泥泥泥泥浆浆浆浆的的的的流流流流变变变变性性性性能能能能时时时时，往往往往往往往往对对对对水水水水泥泥泥泥浆浆浆浆的的的的其其其其它它它它性性性性能能能能有有有有影影影影响响响响，所所所所以以以以在在在在很很很很多多多多情情情情况况况况下下下下水水水水泥泥泥泥浆浆浆浆的的的的流流流流变变变变性性性性能能能能不不不不能能能能调调调调整整整整到到到到要要要要求求求求值值值值（尤尤尤尤其其其其是是是是紊紊紊紊流要求）。流要求）。流要求）。流要求）。因此，现场上实际使用的常常是因此，现场上实际使用的常常是因此，现场上实际使用的常常是因此，现场上实际使用的常常是前置液紊流或塞流前置液紊流或塞流前置液紊流或塞流前置液紊流或塞流的注水泥顶替技术的注水泥顶替技术的注水泥顶替技术的注水泥顶替技术。关于紊流、塞流的注水泥流变。关于紊流、塞流的注水泥流变。关于紊流、塞流的注水泥流变。关于紊流、塞流的注水泥流变性设计，我国相关标准中给出了有关设计理论与方性设计，我国相关标准中给出了有关设计理论与方性设计，我国相关标准中给出了有关设计理论与方性设计，我国相关标准中给出了有关设计理论与方法。法。法。法。一、提高注水泥顶替效率的措施一、提高注水泥顶替效率的措施1325. 5. 注水泥前调整钻井液性能注水泥前调整钻井液性能注水泥前调整钻井液性能注水泥前调整钻井液性能l l钻钻钻钻井井井井中中中中钻钻钻钻井井井井液液液液的的的的性性性性能能能能是是是是为为为为了了了了满满满满足足足足钻钻钻钻井井井井作作作作业业业业的的的的需需需需要要要要，但但但但从从从从提提提提高高高高注注注注水水水水泥泥泥泥顶顶顶顶替替替替效效效效率率率率方方方方面面面面来来来来看看看看，这这这这些些些些性性性性能能能能往往往往往往往往是是是是不不不不适适适适宜宜宜宜的的的的。因因因因此此此此，在在在在注注注注水水水水泥泥泥泥前前前前，一一一一般般般般都都都都要要要要对对对对钻钻钻钻井井井井液液液液的的的的性性性性能能能能进进进进行行行行调调调调整整整整。这这这这一一一一点点点点非非非非常常常常重重重重要。要。要。要。l l调调调调整整整整钻钻钻钻井井井井液液液液性性性性能能能能（密密密密度度度度、流流流流变变变变性性性性）的的的的原原原原则则则则是是是是，在在在在保保保保证证证证井井井井下下下下安安安安全全全全的的的的前前前前提提提提下下下下，尽尽尽尽量量量量降降降降低低低低钻钻钻钻井井井井液液液液的的的的密密密密度度度度、粘粘粘粘度度度度和和和和触触触触变变变变性性性性（静静静静切切切切力力力力）。理理理理论论论论和和和和实实实实验验验验研研研研究究究究均均均均表表表表明明明明，其其其其中中中中降降降降低低低低触触触触变变变变性性性性尤尤尤尤为为为为重重重重要要要要，因因因因触触触触变变变变性性性性太强，钻井液的内部结构力大，非常不利于顶替。太强，钻井液的内部结构力大，非常不利于顶替。太强，钻井液的内部结构力大，非常不利于顶替。太强，钻井液的内部结构力大，非常不利于顶替。一、提高注水泥顶替效率的措施一、提高注水泥顶替效率的措施1336. 6. 增加紊流接触时间增加紊流接触时间增加紊流接触时间增加紊流接触时间l l紊紊紊紊流流流流顶顶顶顶替替替替最最最最重重重重要要要要的的的的是是是是对对对对钻钻钻钻井井井井液液液液的的的的冲冲冲冲蚀蚀蚀蚀、扰扰扰扰动动动动、携携携携带带带带作作作作用用用用。显显显显然然然然，这这这这种种种种冲冲冲冲蚀蚀蚀蚀、扰扰扰扰动动动动、携携携携带带带带的的的的顶顶顶顶替替替替，需需需需要要要要一一一一定定定定的的的的时时时时间间间间。一一一一部部部部分分分分人人人人认认认认为为为为4 4 4 4分分分分钟钟钟钟的的的的接接接接触触触触时时时时间间间间就就就就够够够够了了了了，但但但但目目目目前前前前为为为为大大大大部部部部分分分分人人人人接接接接受受受受的的的的观观观观点点点点是是是是需需需需要要要要10101010分分分分钟钟钟钟的的的的接接接接触触触触时时时时间间间间才才才才能能能能达达达达到到到到有有有有效效效效的的的的顶顶顶顶替替替替。因因因因此此此此要要要要合合合合理理理理设设设设计计计计前前前前置置置置液液液液和和和和水水水水泥泥泥泥浆浆浆浆的用量。的用量。的用量。的用量。一、提高注水泥顶替效率的措施一、提高注水泥顶替效率的措施1347. 7. 顶替液与钻井液的密度差顶替液与钻井液的密度差顶替液与钻井液的密度差顶替液与钻井液的密度差l l一一一一般般般般要要要要求求求求钻钻钻钻井井井井液液液液、前前前前置置置置液液液液、水水水水泥泥泥泥浆浆浆浆的的的的密密密密度度度度应应应应逐逐逐逐级级级级增增增增大大大大（所所所所谓谓谓谓正正正正密密密密度度度度差差差差），因因因因正正正正密密密密度度度度差差差差将将将将对对对对钻钻钻钻井井井井液液液液产产产产生生生生浮浮浮浮力力力力作作作作用用用用，有有有有利利利利于于于于顶顶顶顶替替替替。但但但但对对对对冲冲冲冲洗洗洗洗液液液液可可可可以以以以例例例例外外外外，因因因因冲冲冲冲洗洗洗洗液液液液所所所所起起起起的的的的主主主主要要要要是是是是稀稀稀稀释释释释钻钻钻钻井井井井液液液液、冲冲冲冲洗洗洗洗井井井井壁壁壁壁与与与与套套套套管管管管壁的作用壁的作用壁的作用壁的作用。一、提高注水泥顶替效率的措施一、提高注水泥顶替效率的措施135 注水泥刚结束时，水泥浆还是液态，这时环空内液体对地层注水泥刚结束时，水泥浆还是液态，这时环空内液体对地层注水泥刚结束时，水泥浆还是液态，这时环空内液体对地层注水泥刚结束时，水泥浆还是液态，这时环空内液体对地层作用的压力为作用点以上各浆柱的静液压力之和；因为水泥浆作用的压力为作用点以上各浆柱的静液压力之和；因为水泥浆作用的压力为作用点以上各浆柱的静液压力之和；因为水泥浆作用的压力为作用点以上各浆柱的静液压力之和；因为水泥浆密度一般大于钻井液的密度，因此能够起到压住地层的作用。密度一般大于钻井液的密度，因此能够起到压住地层的作用。密度一般大于钻井液的密度，因此能够起到压住地层的作用。密度一般大于钻井液的密度，因此能够起到压住地层的作用。l l失重失重失重失重：由于一定的原因，水泥浆柱在凝结过程中对其下部或地：由于一定的原因，水泥浆柱在凝结过程中对其下部或地：由于一定的原因，水泥浆柱在凝结过程中对其下部或地：由于一定的原因，水泥浆柱在凝结过程中对其下部或地层所作用的压力将逐渐降低，就好象失掉了一部分重量一样。层所作用的压力将逐渐降低，就好象失掉了一部分重量一样。层所作用的压力将逐渐降低，就好象失掉了一部分重量一样。层所作用的压力将逐渐降低，就好象失掉了一部分重量一样。这种现象称为水泥浆在凝结过程中的失重（简称失重）。这种现象称为水泥浆在凝结过程中的失重（简称失重）。这种现象称为水泥浆在凝结过程中的失重（简称失重）。这种现象称为水泥浆在凝结过程中的失重（简称失重）。l l失重的后果失重的后果失重的后果失重的后果：当浆柱的压力失重到低于油、气、水层的压力时，：当浆柱的压力失重到低于油、气、水层的压力时，：当浆柱的压力失重到低于油、气、水层的压力时，：当浆柱的压力失重到低于油、气、水层的压力时，地层中的油、气、水就窜入环空内，继而或是地层中的油、气、水就窜入环空内，继而或是地层中的油、气、水就窜入环空内，继而或是地层中的油、气、水就窜入环空内，继而或是发生层间互窜或发生层间互窜或发生层间互窜或发生层间互窜或是沿环空窜至井口是沿环空窜至井口是沿环空窜至井口是沿环空窜至井口。在有高压油、气、水层或层间压差大（如。在有高压油、气、水层或层间压差大（如。在有高压油、气、水层或层间压差大（如。在有高压油、气、水层或层间压差大（如注水开发井网）的井内，这种窜的可能性更大。注水开发井网）的井内，这种窜的可能性更大。注水开发井网）的井内，这种窜的可能性更大。注水开发井网）的井内，这种窜的可能性更大。二、水泥浆在凝结过程中的失重与油、气、水窜问题二、水泥浆在凝结过程中的失重与油、气、水窜问题136l l失重的种类失重的种类失重的种类失重的种类：1 1 1 1）水泥浆胶凝引起的失重）水泥浆胶凝引起的失重）水泥浆胶凝引起的失重）水泥浆胶凝引起的失重uu胶凝胶凝胶凝胶凝：凝聚：凝聚：凝聚：凝聚- - - -结晶网的形成，使水泥浆柱的重量部分悬挂结晶网的形成，使水泥浆柱的重量部分悬挂结晶网的形成，使水泥浆柱的重量部分悬挂结晶网的形成，使水泥浆柱的重量部分悬挂在井壁和套管壁上。与水泥浆性能、井眼尺寸和温度等在井壁和套管壁上。与水泥浆性能、井眼尺寸和温度等在井壁和套管壁上。与水泥浆性能、井眼尺寸和温度等在井壁和套管壁上。与水泥浆性能、井眼尺寸和温度等有关。有关。有关。有关。uu水泥浆在水化凝结的过程中，在水泥颗粒之间及它们与水泥浆在水化凝结的过程中，在水泥颗粒之间及它们与水泥浆在水化凝结的过程中，在水泥颗粒之间及它们与水泥浆在水化凝结的过程中，在水泥颗粒之间及它们与井壁和套管之间要形成具有一定胶凝强度的井壁和套管之间要形成具有一定胶凝强度的井壁和套管之间要形成具有一定胶凝强度的井壁和套管之间要形成具有一定胶凝强度的空间网架结空间网架结空间网架结空间网架结构构构构；当下部浆柱由于水泥水化体积收缩和失水而发生体；当下部浆柱由于水泥水化体积收缩和失水而发生体；当下部浆柱由于水泥水化体积收缩和失水而发生体；当下部浆柱由于水泥水化体积收缩和失水而发生体积减小时，水泥浆柱要向下移动以弥补下部的体积减小积减小时，水泥浆柱要向下移动以弥补下部的体积减小积减小时，水泥浆柱要向下移动以弥补下部的体积减小积减小时，水泥浆柱要向下移动以弥补下部的体积减小从而向下传递压力，但水泥浆中的网架结构将使水泥浆从而向下传递压力，但水泥浆中的网架结构将使水泥浆从而向下传递压力，但水泥浆中的网架结构将使水泥浆从而向下传递压力，但水泥浆中的网架结构将使水泥浆柱的一部分重量悬挂在井壁和套管上，使压力不能有效柱的一部分重量悬挂在井壁和套管上，使压力不能有效柱的一部分重量悬挂在井壁和套管上，使压力不能有效柱的一部分重量悬挂在井壁和套管上，使压力不能有效向下传递，从而降低了作用在下部地层的有效压力，即向下传递，从而降低了作用在下部地层的有效压力，即向下传递，从而降低了作用在下部地层的有效压力，即向下传递，从而降低了作用在下部地层的有效压力，即导致失重。导致失重。导致失重。导致失重。 二、水泥浆在凝结过程中的失重与油、气、水窜问题二、水泥浆在凝结过程中的失重与油、气、水窜问题137l l失重的种类失重的种类失重的种类失重的种类：2 2 2 2）桥堵引起的失重）桥堵引起的失重）桥堵引起的失重）桥堵引起的失重uu桥堵：桥堵：桥堵：桥堵：沉降等原因形成沉降等原因形成沉降等原因形成沉降等原因形成“ “桥塞桥塞桥塞桥塞” ”，水泥发生体积收缩，上面，水泥发生体积收缩，上面，水泥发生体积收缩，上面，水泥发生体积收缩，上面压力不能传下去。压力不能传下去。压力不能传下去。压力不能传下去。uu注水泥结束水泥浆静止后，水泥浆在高渗透率地层处的注水泥结束水泥浆静止后，水泥浆在高渗透率地层处的注水泥结束水泥浆静止后，水泥浆在高渗透率地层处的注水泥结束水泥浆静止后，水泥浆在高渗透率地层处的快速快速快速快速失水失水失水失水将使该处的水泥浆迅速变稠和致密，形成将使该处的水泥浆迅速变稠和致密，形成将使该处的水泥浆迅速变稠和致密，形成将使该处的水泥浆迅速变稠和致密，形成堵塞堵塞堵塞堵塞（即桥堵）；（即桥堵）；（即桥堵）；（即桥堵）；另外，由于注水泥时高速冲蚀下来的岩块和水泥颗粒的下沉等另外，由于注水泥时高速冲蚀下来的岩块和水泥颗粒的下沉等另外，由于注水泥时高速冲蚀下来的岩块和水泥颗粒的下沉等另外，由于注水泥时高速冲蚀下来的岩块和水泥颗粒的下沉等因素，也可能在井径和环空间隙较小处堆积形成因素，也可能在井径和环空间隙较小处堆积形成因素，也可能在井径和环空间隙较小处堆积形成因素，也可能在井径和环空间隙较小处堆积形成堵塞堵塞堵塞堵塞。当下部。当下部。当下部。当下部浆柱由于水泥水化体积收缩和失水而发生体积减小时，由于桥浆柱由于水泥水化体积收缩和失水而发生体积减小时，由于桥浆柱由于水泥水化体积收缩和失水而发生体积减小时，由于桥浆柱由于水泥水化体积收缩和失水而发生体积减小时，由于桥堵使得上部浆柱的压力不能有效向下传递，从而也会降低作用堵使得上部浆柱的压力不能有效向下传递，从而也会降低作用堵使得上部浆柱的压力不能有效向下传递，从而也会降低作用堵使得上部浆柱的压力不能有效向下传递，从而也会降低作用在下部地层的有效压力，造成失重。在下部地层的有效压力，造成失重。在下部地层的有效压力，造成失重。在下部地层的有效压力，造成失重。 二、水泥浆在凝结过程中的失重与油、气、水窜问题二、水泥浆在凝结过程中的失重与油、气、水窜问题138l l失重的防止失重的防止失重的防止失重的防止：在充气水泥浆中，加有发气剂（在充气水泥浆中，加有发气剂（在充气水泥浆中，加有发气剂（在充气水泥浆中，加有发气剂（KQKQKQKQ）。）。）。）。在水泥浆失重时，在水泥浆失重时，在水泥浆失重时，在水泥浆失重时，发气剂发气，形成分散在水泥浆内的微小气泡。利用充气发气剂发气，形成分散在水泥浆内的微小气泡。利用充气发气剂发气，形成分散在水泥浆内的微小气泡。利用充气发气剂发气，形成分散在水泥浆内的微小气泡。利用充气水泥浆以上浆柱（钻井液柱或水泥浆柱）的静液压力和结水泥浆以上浆柱（钻井液柱或水泥浆柱）的静液压力和结水泥浆以上浆柱（钻井液柱或水泥浆柱）的静液压力和结水泥浆以上浆柱（钻井液柱或水泥浆柱）的静液压力和结构力所形成的构力所形成的构力所形成的构力所形成的“ “塞子塞子塞子塞子” ”作用，或者利用桥堵段的作用，或者利用桥堵段的作用，或者利用桥堵段的作用，或者利用桥堵段的“ “塞子塞子塞子塞子” ”作用，依靠发气剂产生的微小气泡，使充气水泥浆内憋上作用，依靠发气剂产生的微小气泡，使充气水泥浆内憋上作用，依靠发气剂产生的微小气泡，使充气水泥浆内憋上作用，依靠发气剂产生的微小气泡，使充气水泥浆内憋上一个附加的压力，以补偿水泥浆失重所减少的压力，从而一个附加的压力，以补偿水泥浆失重所减少的压力，从而一个附加的压力，以补偿水泥浆失重所减少的压力，从而一个附加的压力，以补偿水泥浆失重所减少的压力，从而使得水泥浆柱的最终压力能大于油、气、水层的压力，达使得水泥浆柱的最终压力能大于油、气、水层的压力，达使得水泥浆柱的最终压力能大于油、气、水层的压力，达使得水泥浆柱的最终压力能大于油、气、水层的压力，达到预防失重及防窜的目的。到预防失重及防窜的目的。到预防失重及防窜的目的。到预防失重及防窜的目的。二、水泥浆在凝结过程中的失重与油、气、水窜问题二、水泥浆在凝结过程中的失重与油、气、水窜问题139l油气水窜的基本原因油气水窜的基本原因顶替效率不好，有窜槽顶替效率不好，有窜槽环空压力环空压力 + + 流动阻力流动阻力 地层压力地层压力造成这一情况的原因主要有：造成这一情况的原因主要有：u环空实际静液柱压力不够环空实际静液柱压力不够（如水泥返高不够造成的压力过低）（如水泥返高不够造成的压力过低）u环空水泥浆失重环空水泥浆失重其它原因其它原因uu泥饼干裂泥饼干裂泥饼干裂泥饼干裂uu水泥石外观体积收缩形成微环隙水泥石外观体积收缩形成微环隙水泥石外观体积收缩形成微环隙水泥石外观体积收缩形成微环隙uu管内憋压候凝造成的微环隙管内憋压候凝造成的微环隙管内憋压候凝造成的微环隙管内憋压候凝造成的微环隙二、水泥浆在凝结过程中的失重与油、气、水窜问题二、水泥浆在凝结过程中的失重与油、气、水窜问题140l l防止环空油气水窜的措施防止环空油气水窜的措施从工艺上从工艺上从工艺上从工艺上：限制水泥返高，防止失重过大；限制水泥返高，防止失重过大；限制水泥返高，防止失重过大；限制水泥返高，防止失重过大；采用多种凝结时间的水泥浆结构；采用多种凝结时间的水泥浆结构；采用多种凝结时间的水泥浆结构；采用多种凝结时间的水泥浆结构；环空憋压候凝环空憋压候凝环空憋压候凝环空憋压候凝使用多级注水泥使用多级注水泥使用多级注水泥使用多级注水泥 从水泥浆设计上从水泥浆设计上从水泥浆设计上从水泥浆设计上：使用充气或膨胀水泥浆使用充气或膨胀水泥浆使用充气或膨胀水泥浆使用充气或膨胀水泥浆使用不渗透水泥使用不渗透水泥使用不渗透水泥使用不渗透水泥控制水泥浆的失水控制水泥浆的失水控制水泥浆的失水控制水泥浆的失水二、水泥浆在凝结过程中的失重与油、气、水窜问题二、水泥浆在凝结过程中的失重与油、气、水窜问题1411. 1.水泥用量与替浆量计算水泥用量与替浆量计算水泥用量与替浆量计算水泥用量与替浆量计算替浆量：替浆量：在注水泥施工中，用来将水泥浆从套管内顶在注水泥施工中，用来将水泥浆从套管内顶在注水泥施工中，用来将水泥浆从套管内顶在注水泥施工中，用来将水泥浆从套管内顶替到环空所需要的顶替液体积。替到环空所需要的顶替液体积。替到环空所需要的顶替液体积。替到环空所需要的顶替液体积。水泥用量：水泥用量：指的是固井所需干水泥的重量指的是固井所需干水泥的重量指的是固井所需干水泥的重量指的是固井所需干水泥的重量 （1 1 1 1）水泥用量）水泥用量）水泥用量）水泥用量 为计算水泥用量需先计算出固井所需的为计算水泥用量需先计算出固井所需的为计算水泥用量需先计算出固井所需的为计算水泥用量需先计算出固井所需的水泥浆量水泥浆量水泥浆量水泥浆量（水泥（水泥（水泥（水泥浆体积）。浆体积）。浆体积）。浆体积）。 三、注水泥基本设计三、注水泥基本设计1421. 1.水泥用量与替浆量计算水泥用量与替浆量计算水泥用量与替浆量计算水泥用量与替浆量计算（1 1 1 1）水泥用量）水泥用量）水泥用量）水泥用量 l l1 1 1 1）水泥浆量）水泥浆量）水泥浆量）水泥浆量 根据电测井径，将环空水泥浆封固段分为若干段（设根据电测井径，将环空水泥浆封固段分为若干段（设根据电测井径，将环空水泥浆封固段分为若干段（设根据电测井径，将环空水泥浆封固段分为若干段（设为为为为n n n n段），环空水泥浆量为：段），环空水泥浆量为：段），环空水泥浆量为：段），环空水泥浆量为： 管内水泥塞体积为：管内水泥塞体积为：管内水泥塞体积为：管内水泥塞体积为： 三、注水泥基本设计三、注水泥基本设计1431. 1.水泥用量与替浆量计算水泥用量与替浆量计算水泥用量与替浆量计算水泥用量与替浆量计算（1 1 1 1）水泥用量）水泥用量）水泥用量）水泥用量 l l2 2 2 2）水泥用量）水泥用量）水泥用量）水泥用量 l l3 3 3 3）配浆水用量）配浆水用量）配浆水用量）配浆水用量 l l在现场，井场实际水泥准备量和配浆用水准备量都要在理论计在现场，井场实际水泥准备量和配浆用水准备量都要在理论计在现场，井场实际水泥准备量和配浆用水准备量都要在理论计在现场，井场实际水泥准备量和配浆用水准备量都要在理论计算的基础上附加一定数量，具体附加量据油田经验定。算的基础上附加一定数量，具体附加量据油田经验定。算的基础上附加一定数量，具体附加量据油田经验定。算的基础上附加一定数量，具体附加量据油田经验定。l l外加剂用量，当知道水泥用量和水泥浆配方后即可计算出来。外加剂用量，当知道水泥用量和水泥浆配方后即可计算出来。外加剂用量，当知道水泥用量和水泥浆配方后即可计算出来。外加剂用量，当知道水泥用量和水泥浆配方后即可计算出来。 三、注水泥基本设计三、注水泥基本设计1441.水泥用量与替浆量计算水泥用量与替浆量计算（2 2）替浆量）替浆量）替浆量）替浆量 替浆量用下式计算：替浆量用下式计算：替浆量用下式计算：替浆量用下式计算：三、注水泥基本设计三、注水泥基本设计1452. 2. 注水泥流变学设计注水泥流变学设计注水泥流变学设计注水泥流变学设计 注水泥流变学设计是注水泥设计中的非常重要的部注水泥流变学设计是注水泥设计中的非常重要的部注水泥流变学设计是注水泥设计中的非常重要的部注水泥流变学设计是注水泥设计中的非常重要的部分，提高注水泥顶替效率、保证注水泥施工中井内分，提高注水泥顶替效率、保证注水泥施工中井内分，提高注水泥顶替效率、保证注水泥施工中井内分，提高注水泥顶替效率、保证注水泥施工中井内压力平衡，是注水泥流变学设计的主要目的。压力平衡，是注水泥流变学设计的主要目的。压力平衡，是注水泥流变学设计的主要目的。压力平衡，是注水泥流变学设计的主要目的。水泥流变学设计的基本内容：水泥流变学设计的基本内容：水泥流变学设计的基本内容：水泥流变学设计的基本内容：水泥浆流变参数计算水泥浆流变参数计算水泥浆流变参数计算水泥浆流变参数计算紊流临界排量设计紊流临界排量设计紊流临界排量设计紊流临界排量设计平衡压力固井基本概念。平衡压力固井基本概念。平衡压力固井基本概念。平衡压力固井基本概念。 三、注水泥基本设计三、注水泥基本设计1462. 2. 注水泥流变学设计注水泥流变学设计注水泥流变学设计注水泥流变学设计 （1 1）水泥浆流变参数计算）水泥浆流变参数计算）水泥浆流变参数计算）水泥浆流变参数计算l l水泥浆流变性测量仍采用水泥浆流变性测量仍采用水泥浆流变性测量仍采用水泥浆流变性测量仍采用旋转粘度计旋转粘度计旋转粘度计旋转粘度计，但测量方法上与钻井液，但测量方法上与钻井液，但测量方法上与钻井液，但测量方法上与钻井液稍有差别，水泥浆只测量稍有差别，水泥浆只测量稍有差别，水泥浆只测量稍有差别，水泥浆只测量300300300300r/minr/minr/minr/min、200r/min200r/min200r/min200r/min、100r/min100r/min100r/min100r/min、6r/min6r/min6r/min6r/min和和和和3 3 3 3r/minr/minr/minr/min转速下的剪切应力值，不测量转速下的剪切应力值，不测量转速下的剪切应力值，不测量转速下的剪切应力值，不测量600600600600r/minr/minr/minr/min转速下转速下转速下转速下的剪切应力值。水泥浆流变参数计算式如下：的剪切应力值。水泥浆流变参数计算式如下：的剪切应力值。水泥浆流变参数计算式如下：的剪切应力值。水泥浆流变参数计算式如下：l l为了提高注水泥顶替效率，要求为了提高注水泥顶替效率，要求为了提高注水泥顶替效率，要求为了提高注水泥顶替效率，要求水泥浆的流性指数比水泥浆的流性指数比水泥浆的流性指数比水泥浆的流性指数比钻井液的流性指数低钻井液的流性指数低钻井液的流性指数低钻井液的流性指数低。 三、注水泥基本设计三、注水泥基本设计1472. 注水泥流变学设计注水泥流变学设计 （2 2）紊流临界排量设计）紊流临界排量设计 紊流顶替是提高注水泥顶替效率的有效措施之一，如紊流顶替是提高注水泥顶替效率的有效措施之一，如紊流顶替是提高注水泥顶替效率的有效措施之一，如紊流顶替是提高注水泥顶替效率的有效措施之一，如果在条件允许下水泥浆能达到紊流则最好。水泥浆在果在条件允许下水泥浆能达到紊流则最好。水泥浆在果在条件允许下水泥浆能达到紊流则最好。水泥浆在果在条件允许下水泥浆能达到紊流则最好。水泥浆在环空中的流态通过施工排量控制。环空中的流态通过施工排量控制。环空中的流态通过施工排量控制。环空中的流态通过施工排量控制。l l水泥浆在环空中的雷诺数计算式为：水泥浆在环空中的雷诺数计算式为：水泥浆在环空中的雷诺数计算式为：水泥浆在环空中的雷诺数计算式为： 三、注水泥基本设计三、注水泥基本设计1482. 2. 注水泥流变学设计注水泥流变学设计注水泥流变学设计注水泥流变学设计 （2 2 2 2）紊流临界排量设计）紊流临界排量设计）紊流临界排量设计）紊流临界排量设计 l l幂律液体的临界雷诺数为：幂律液体的临界雷诺数为：幂律液体的临界雷诺数为：幂律液体的临界雷诺数为：l l由式（由式（由式（由式（7-587-587-587-58）与（）与（）与（）与（7-597-597-597-59）可得水泥浆达到紊流时的临界环空流）可得水泥浆达到紊流时的临界环空流）可得水泥浆达到紊流时的临界环空流）可得水泥浆达到紊流时的临界环空流速计算式为速计算式为速计算式为速计算式为 l l因此，水泥浆紊流的临界排量为（按现场常用单位因此，水泥浆紊流的临界排量为（按现场常用单位因此，水泥浆紊流的临界排量为（按现场常用单位因此，水泥浆紊流的临界排量为（按现场常用单位“ “方方方方/ / / /分分分分” ”） 三、注水泥基本设计三、注水泥基本设计1492. 注水泥流变学设计注水泥流变学设计 （3 3）平衡压力固井基本概念）平衡压力固井基本概念 l l在注水泥施工中，保证井内压力平衡，实现在注水泥施工中，保证井内压力平衡，实现在注水泥施工中，保证井内压力平衡，实现在注水泥施工中，保证井内压力平衡，实现平衡压力平衡压力平衡压力平衡压力固井固井固井固井，是最基本的要求之一。在注水泥设计中，压力，是最基本的要求之一。在注水泥设计中，压力，是最基本的要求之一。在注水泥设计中，压力，是最基本的要求之一。在注水泥设计中，压力平衡设计也是最基本的设计内容之一。实现平衡压力平衡设计也是最基本的设计内容之一。实现平衡压力平衡设计也是最基本的设计内容之一。实现平衡压力平衡设计也是最基本的设计内容之一。实现平衡压力固井，就是要求在整个施工过程中，井内的压力满足固井，就是要求在整个施工过程中，井内的压力满足固井，就是要求在整个施工过程中，井内的压力满足固井，就是要求在整个施工过程中，井内的压力满足如下关系（即既不井涌也不井漏），即如下关系（即既不井涌也不井漏），即如下关系（即既不井涌也不井漏），即如下关系（即既不井涌也不井漏），即 P Pp p P Pa a P Pf f 三、注水泥基本设计三、注水泥基本设计1502. 注水泥流变学设计注水泥流变学设计 （3 3）平衡压力固井基本概念）平衡压力固井基本概念 l l要求对井下每一个地层都能保证满足上述关系。显然，要求对井下每一个地层都能保证满足上述关系。显然，要求对井下每一个地层都能保证满足上述关系。显然，要求对井下每一个地层都能保证满足上述关系。显然，防止井涌，高压层是重点对象；防止井漏，则低压易防止井涌，高压层是重点对象；防止井漏，则低压易防止井涌，高压层是重点对象；防止井漏，则低压易防止井涌，高压层是重点对象；防止井漏，则低压易漏层是重点对象。漏层是重点对象。漏层是重点对象。漏层是重点对象。 l l在注水泥过程中，即使排量不变，由于进入环空的液在注水泥过程中，即使排量不变，由于进入环空的液在注水泥过程中，即使排量不变，由于进入环空的液在注水泥过程中，即使排量不变，由于进入环空的液体要发生变化（钻井液、前置液、水泥浆），这些变体要发生变化（钻井液、前置液、水泥浆），这些变体要发生变化（钻井液、前置液、水泥浆），这些变体要发生变化（钻井液、前置液、水泥浆），这些变化包括化包括化包括化包括密度变化和密度变化和密度变化和密度变化和/ / / /或流变性能变化或流变性能变化或流变性能变化或流变性能变化，因此，对地层作，因此，对地层作，因此，对地层作，因此，对地层作用的环空流体压力也会发生变化。用的环空流体压力也会发生变化。用的环空流体压力也会发生变化。用的环空流体压力也会发生变化。 三、注水泥基本设计三、注水泥基本设计1512. 2. 注水泥流变学设计注水泥流变学设计注水泥流变学设计注水泥流变学设计 （3 3 3 3）平衡压力固井基本概念）平衡压力固井基本概念）平衡压力固井基本概念）平衡压力固井基本概念 l l防止井涌，通过计算环空内静液压力核算。一般情况防止井涌，通过计算环空内静液压力核算。一般情况防止井涌，通过计算环空内静液压力核算。一般情况防止井涌，通过计算环空内静液压力核算。一般情况下，下，下，下，水泥浆的密度高于钻井液的密度水泥浆的密度高于钻井液的密度水泥浆的密度高于钻井液的密度水泥浆的密度高于钻井液的密度，但，但，但，但前置液密度前置液密度前置液密度前置液密度经常低于钻井液的经常低于钻井液的经常低于钻井液的经常低于钻井液的（如采用清水作为冲洗液），因此，（如采用清水作为冲洗液），因此，（如采用清水作为冲洗液），因此，（如采用清水作为冲洗液），因此，当前置液底部处于研究层位时，液体对地层作用的静当前置液底部处于研究层位时，液体对地层作用的静当前置液底部处于研究层位时，液体对地层作用的静当前置液底部处于研究层位时，液体对地层作用的静液压力最小，以此条件来进行防井涌核算。液压力最小，以此条件来进行防井涌核算。液压力最小，以此条件来进行防井涌核算。液压力最小，以此条件来进行防井涌核算。 l l防止井漏，通过计算环空内动压力（静液压力与流动防止井漏，通过计算环空内动压力（静液压力与流动防止井漏，通过计算环空内动压力（静液压力与流动防止井漏，通过计算环空内动压力（静液压力与流动摩阻压降之和）核算。一般情况下，顶替终了时环空摩阻压降之和）核算。一般情况下，顶替终了时环空摩阻压降之和）核算。一般情况下，顶替终了时环空摩阻压降之和）核算。一般情况下，顶替终了时环空内动压力最大，以此条件进行核算。内动压力最大，以此条件进行核算。内动压力最大，以此条件进行核算。内动压力最大，以此条件进行核算。 三、注水泥基本设计三、注水泥基本设计152第四节第四节 固井质量检测评价固井质量检测评价153固井质量包括固井质量包括套管柱套管柱与与水泥环水泥环两方面的质两方面的质量。本节主要介绍水泥环质量的检测和评价。量。本节主要介绍水泥环质量的检测和评价。水泥环的质量可以说也就是注水泥的质量。水泥环的质量可以说也就是注水泥的质量。在油田现场，人们也通常将注水泥的质量称在油田现场，人们也通常将注水泥的质量称为为固井质量固井质量。绪论绪论1541. 1. 水泥返高、水泥塞长度和人工井底的规定水泥返高、水泥塞长度和人工井底的规定水泥返高、水泥塞长度和人工井底的规定水泥返高、水泥塞长度和人工井底的规定l l1)1)油气层固井，设计水泥返高应超过油气层顶界油气层固井，设计水泥返高应超过油气层顶界150150米，实际封过油气层顶部不少于米，实际封过油气层顶部不少于5050米。其中要米。其中要求合格的水泥环段，对于浅于求合格的水泥环段，对于浅于20002000米的井不少于米的井不少于1010米，深于米，深于20002000米的井不少于米的井不少于2020米。米。l l2)2)为了保证套管鞋封固质量，油层套管采用双塞为了保证套管鞋封固质量，油层套管采用双塞固井时，阻流环距套管鞋长度不少于固井时，阻流环距套管鞋长度不少于1010米，技术米，技术套管（或先期完成井）一般为套管（或先期完成井）一般为2020米，套管鞋位置米，套管鞋位置应尽量靠近井底。应尽量靠近井底。 一、注水泥的质量要求一、注水泥的质量要求1551. 1. 水泥返高、水泥塞长度和人工井底的规定水泥返高、水泥塞长度和人工井底的规定水泥返高、水泥塞长度和人工井底的规定水泥返高、水泥塞长度和人工井底的规定l l3 3）油气层底界距）油气层底界距人工井底人工井底（管内水泥面，浮箍位（管内水泥面，浮箍位置）不少于置）不少于1515米。米。 l l4 4）其中第二条是为了防止上胶塞下行时所刮下的）其中第二条是为了防止上胶塞下行时所刮下的套管内表面上的液膜浆体污染水泥浆，而影响套套管内表面上的液膜浆体污染水泥浆，而影响套管鞋附近的水泥封固质量。第管鞋附近的水泥封固质量。第3 3条是为了满足采油条是为了满足采油方面的需要方面的需要 一、注水泥的质量要求一、注水泥的质量要求1562. 2. 水泥环质量鉴定水泥环质量鉴定水泥环质量鉴定水泥环质量鉴定l l目前我国水泥环质量鉴定一般以目前我国水泥环质量鉴定一般以目前我国水泥环质量鉴定一般以目前我国水泥环质量鉴定一般以声幅测井声幅测井声幅测井声幅测井（CBLCBLCBLCBL，也称也称也称也称水泥胶结测井）为准。声幅相对值在水泥胶结测井）为准。声幅相对值在水泥胶结测井）为准。声幅相对值在水泥胶结测井）为准。声幅相对值在15%15%15%15%（油田现场有（油田现场有（油田现场有（油田现场有的也采用的也采用的也采用的也采用10%10%10%10%）以内为优等，）以内为优等，）以内为优等，）以内为优等，30%30%30%30%为合格为合格为合格为合格17171717；声幅超过；声幅超过；声幅超过；声幅超过30%30%30%30%的井段则视为水泥封固不合格。声幅测井一般在注的井段则视为水泥封固不合格。声幅测井一般在注的井段则视为水泥封固不合格。声幅测井一般在注的井段则视为水泥封固不合格。声幅测井一般在注水泥后水泥后水泥后水泥后24242424小时到小时到小时到小时到48484848小时内进行，但对特殊井（如尾管小时内进行，但对特殊井（如尾管小时内进行，但对特殊井（如尾管小时内进行，但对特殊井（如尾管固井、采用缓凝水泥固井等）声幅测井时间可依具体固井、采用缓凝水泥固井等）声幅测井时间可依具体固井、采用缓凝水泥固井等）声幅测井时间可依具体固井、采用缓凝水泥固井等）声幅测井时间可依具体情况而定。现在，情况而定。现在，情况而定。现在，情况而定。现在，变密度测井变密度测井变密度测井变密度测井（VDLVDLVDLVDL）也在逐渐普及。也在逐渐普及。也在逐渐普及。也在逐渐普及。一、注水泥的质量要求一、注水泥的质量要求1571. 1. 井温测井井温测井井温测井井温测井 l l水泥的水化反应是一水泥的水化反应是一水泥的水化反应是一水泥的水化反应是一放热反应放热反应放热反应放热反应，其凝结过程中所放出，其凝结过程中所放出，其凝结过程中所放出，其凝结过程中所放出的热量通过套管传给套管内流体，可使井内温度上升的热量通过套管传给套管内流体，可使井内温度上升的热量通过套管传给套管内流体，可使井内温度上升的热量通过套管传给套管内流体，可使井内温度上升一定数值，如一定数值，如一定数值，如一定数值，如66662222222210101010。而环空中没有水泥的井。而环空中没有水泥的井。而环空中没有水泥的井。而环空中没有水泥的井段，井内温度为正常温度。利用这一特性，可以测定段，井内温度为正常温度。利用这一特性，可以测定段，井内温度为正常温度。利用这一特性，可以测定段，井内温度为正常温度。利用这一特性，可以测定水泥浆在环空中的返高位置（即水泥顶部深度）。图水泥浆在环空中的返高位置（即水泥顶部深度）。图水泥浆在环空中的返高位置（即水泥顶部深度）。图水泥浆在环空中的返高位置（即水泥顶部深度）。图7-187-187-187-18为井温测井示意图。为井温测井示意图。为井温测井示意图。为井温测井示意图。二、水泥环质量检测和评价二、水泥环质量检测和评价 158二、水泥环质量检测和评价二、水泥环质量检测和评价 图图7-18 7-18 井温测井示意图图井温测井示意图图159 2. 2. 声幅测井（水泥胶结测井）声幅测井（水泥胶结测井）声幅测井（水泥胶结测井）声幅测井（水泥胶结测井） l l声幅测井是根据声学原理所进行的测井。在井下，从测井仪声声幅测井是根据声学原理所进行的测井。在井下，从测井仪声声幅测井是根据声学原理所进行的测井。在井下，从测井仪声声幅测井是根据声学原理所进行的测井。在井下，从测井仪声波发射器发出声波，声波向四周以近似球形的波阵面发散，通波发射器发出声波，声波向四周以近似球形的波阵面发散，通波发射器发出声波，声波向四周以近似球形的波阵面发散，通波发射器发出声波，声波向四周以近似球形的波阵面发散，通过不同的介质和路线后传播到接收器。最先到达接收器的是沿过不同的介质和路线后传播到接收器。最先到达接收器的是沿过不同的介质和路线后传播到接收器。最先到达接收器的是沿过不同的介质和路线后传播到接收器。最先到达接收器的是沿着套管传播的滑行波（叫着套管传播的滑行波（叫着套管传播的滑行波（叫着套管传播的滑行波（叫套管波套管波套管波套管波）所产生的折射波（图）所产生的折射波（图）所产生的折射波（图）所产生的折射波（图7-197-197-197-19），），），），其次是传到地层后又传播回来的其次是传到地层后又传播回来的其次是传到地层后又传播回来的其次是传到地层后又传播回来的地层波地层波地层波地层波，尽管在钻井液内声波，尽管在钻井液内声波，尽管在钻井液内声波，尽管在钻井液内声波的传播距离最短，但由于在钻井液内声速相对较低，所以钻井的传播距离最短，但由于在钻井液内声速相对较低，所以钻井的传播距离最短，但由于在钻井液内声速相对较低，所以钻井的传播距离最短，但由于在钻井液内声速相对较低，所以钻井液波（液波（液波（液波（泥浆波泥浆波泥浆波泥浆波）到达最迟。声幅测井记录的是最先到达的套管）到达最迟。声幅测井记录的是最先到达的套管）到达最迟。声幅测井记录的是最先到达的套管）到达最迟。声幅测井记录的是最先到达的套管波的首波幅度。波的首波幅度。波的首波幅度。波的首波幅度。二、水泥环质量检测和评价二、水泥环质量检测和评价 160 2. 2. 声幅测井（水泥胶结测井）声幅测井（水泥胶结测井）声幅测井（水泥胶结测井）声幅测井（水泥胶结测井） l l套管波套管波套管波套管波在传播过程中要向套管内和环形空间散失能量，既声幅在传播过程中要向套管内和环形空间散失能量，既声幅在传播过程中要向套管内和环形空间散失能量，既声幅在传播过程中要向套管内和环形空间散失能量，既声幅要衰减（降低）。要衰减（降低）。要衰减（降低）。要衰减（降低）。套管波的衰减程度和套管内外介质性质及其套管波的衰减程度和套管内外介质性质及其套管波的衰减程度和套管内外介质性质及其套管波的衰减程度和套管内外介质性质及其分布有关。分布有关。分布有关。分布有关。因为管内钻井液的分布及性质是不变的，因此向管因为管内钻井液的分布及性质是不变的，因此向管因为管内钻井液的分布及性质是不变的，因此向管因为管内钻井液的分布及性质是不变的，因此向管内散失的能量为恒定值。在此基础上的套管波的衰减程度就将内散失的能量为恒定值。在此基础上的套管波的衰减程度就将内散失的能量为恒定值。在此基础上的套管波的衰减程度就将内散失的能量为恒定值。在此基础上的套管波的衰减程度就将取决于管外水泥与套管的胶结情况。取决于管外水泥与套管的胶结情况。取决于管外水泥与套管的胶结情况。取决于管外水泥与套管的胶结情况。实验证明，在其它条件不实验证明，在其它条件不实验证明，在其它条件不实验证明，在其它条件不变的情况下，套管首波幅度的对数与套管周围水泥未胶结部分变的情况下，套管首波幅度的对数与套管周围水泥未胶结部分变的情况下，套管首波幅度的对数与套管周围水泥未胶结部分变的情况下，套管首波幅度的对数与套管周围水泥未胶结部分所占套管周长的百分数之间存在线性关系所占套管周长的百分数之间存在线性关系所占套管周长的百分数之间存在线性关系所占套管周长的百分数之间存在线性关系，即，即，即，即与套管胶结的水与套管胶结的水与套管胶结的水与套管胶结的水泥越多，所接收的声幅越小泥越多，所接收的声幅越小泥越多，所接收的声幅越小泥越多，所接收的声幅越小，而当管外全为钻井液时，所接收，而当管外全为钻井液时，所接收，而当管外全为钻井液时，所接收，而当管外全为钻井液时，所接收的声幅最大。的声幅最大。的声幅最大。的声幅最大。二、水泥环质量检测和评价二、水泥环质量检测和评价 161 2. 2. 声幅测井（水泥胶结测井）声幅测井（水泥胶结测井）声幅测井（水泥胶结测井）声幅测井（水泥胶结测井） l l由测量线路把所接收的声幅大小转变成与之成比例的电压大小，由测量线路把所接收的声幅大小转变成与之成比例的电压大小，由测量线路把所接收的声幅大小转变成与之成比例的电压大小，由测量线路把所接收的声幅大小转变成与之成比例的电压大小，加以记录。加以记录。加以记录。加以记录。沿井深由下而上进行测试，就可得到一条沿井深反沿井深由下而上进行测试，就可得到一条沿井深反沿井深由下而上进行测试，就可得到一条沿井深反沿井深由下而上进行测试，就可得到一条沿井深反映水泥与套管胶结情况的声幅测井曲线映水泥与套管胶结情况的声幅测井曲线映水泥与套管胶结情况的声幅测井曲线映水泥与套管胶结情况的声幅测井曲线。应用声幅测井曲线检。应用声幅测井曲线检。应用声幅测井曲线检。应用声幅测井曲线检测水泥环质量是通过相对幅度进行的（以环空内全为钻井液的测水泥环质量是通过相对幅度进行的（以环空内全为钻井液的测水泥环质量是通过相对幅度进行的（以环空内全为钻井液的测水泥环质量是通过相对幅度进行的（以环空内全为钻井液的自由套管段的声幅值为基准）。自由套管段的声幅值为基准）。自由套管段的声幅值为基准）。自由套管段的声幅值为基准）。 l l相对幅度目的段声幅曲线幅度自由套管段声幅曲线幅度相对幅度目的段声幅曲线幅度自由套管段声幅曲线幅度相对幅度目的段声幅曲线幅度自由套管段声幅曲线幅度相对幅度目的段声幅曲线幅度自由套管段声幅曲线幅度 100% 100% 100% 100% 。二、水泥环质量检测和评价二、水泥环质量检测和评价 162二、水泥环质量检测和评价二、水泥环质量检测和评价 井段井段B B的相对声幅大于的相对声幅大于30%30%，为不，为不合格井段合格井段图图7-20 7-20 声幅测井曲线示意图声幅测井曲线示意图 图图7-19 7-19 声幅测井示意图声幅测井示意图 1 1电缆电缆 2 2发射器发射器 3 3接收器接收器 4 4套管套管 5 5水泥环水泥环 6 6地层地层1633. 3. 声波变密度测井声波变密度测井声波变密度测井声波变密度测井 l l声幅测井测量记录的是套管首波幅度。声波变密度测井声幅测井测量记录的是套管首波幅度。声波变密度测井声幅测井测量记录的是套管首波幅度。声波变密度测井声幅测井测量记录的是套管首波幅度。声波变密度测井（VDLVDLVDLVDL，简称变密度测井）是用接收器将套管波、地层波简称变密度测井）是用接收器将套管波、地层波简称变密度测井）是用接收器将套管波、地层波简称变密度测井）是用接收器将套管波、地层波等声波幅度按到达时间先后全部测量记录，再用一定的方等声波幅度按到达时间先后全部测量记录，再用一定的方等声波幅度按到达时间先后全部测量记录，再用一定的方等声波幅度按到达时间先后全部测量记录，再用一定的方法显示，以评价水泥环质量的测井方法。当进行变密度测法显示，以评价水泥环质量的测井方法。当进行变密度测法显示，以评价水泥环质量的测井方法。当进行变密度测法显示，以评价水泥环质量的测井方法。当进行变密度测井时，同时进行声幅测井。井时，同时进行声幅测井。井时，同时进行声幅测井。井时，同时进行声幅测井。l l变密度测井因为能够测量记录地层波，因此能够反映出水变密度测井因为能够测量记录地层波，因此能够反映出水变密度测井因为能够测量记录地层波，因此能够反映出水变密度测井因为能够测量记录地层波，因此能够反映出水泥与地层（俗称第二界面）的胶结情况。将变密度测井结泥与地层（俗称第二界面）的胶结情况。将变密度测井结泥与地层（俗称第二界面）的胶结情况。将变密度测井结泥与地层（俗称第二界面）的胶结情况。将变密度测井结果与声幅测井结果对比分析，可以更全面地评价水泥环质果与声幅测井结果对比分析，可以更全面地评价水泥环质果与声幅测井结果对比分析，可以更全面地评价水泥环质果与声幅测井结果对比分析，可以更全面地评价水泥环质量。量。量。量。 二、水泥环质量检测和评价二、水泥环质量检测和评价 164二、水泥环质量检测和评价二、水泥环质量检测和评价 图图7-21 7-21 水泥胶结水泥胶结变密度测井示意图变密度测井示意图 1 1电缆电缆 2 2发射器发射器 3 3CBLCBL接收器接收器 4 4VDLVDL接收器接收器 5 5套管套管 6 6水泥环水泥环 7 7地层地层1651.1.什么是固井？其工程内容、步骤和目的是什么？什么是固井？其工程内容、步骤和目的是什么？什么是固井？其工程内容、步骤和目的是什么？什么是固井？其工程内容、步骤和目的是什么？2.2.套管柱承受的外载有哪些？套管柱承受的外载有哪些？套管柱承受的外载有哪些？套管柱承受的外载有哪些？3.3.对于表层套管和油层套管、技术套管，怎样计算其有效外对于表层套管和油层套管、技术套管，怎样计算其有效外对于表层套管和油层套管、技术套管，怎样计算其有效外对于表层套管和油层套管、技术套管，怎样计算其有效外载？有效外载的规律是什么？载？有效外载的规律是什么？载？有效外载的规律是什么？载？有效外载的规律是什么？4.4.对于表层套管和技术套管、油层套管，怎样计算其有效内对于表层套管和技术套管、油层套管，怎样计算其有效内对于表层套管和技术套管、油层套管，怎样计算其有效内对于表层套管和技术套管、油层套管，怎样计算其有效内压？有效内压的分布规律是什么？压？有效内压的分布规律是什么？压？有效内压的分布规律是什么？压？有效内压的分布规律是什么？5.5.轴向拉力的分布规律示什么？怎样用浮力系数法计算？轴向拉力的分布规律示什么？怎样用浮力系数法计算？轴向拉力的分布规律示什么？怎样用浮力系数法计算？轴向拉力的分布规律示什么？怎样用浮力系数法计算？6.6.套管的基本参数有哪些？套管的基本参数有哪些？套管的基本参数有哪些？套管的基本参数有哪些？7.7.7.7.用双轴应力椭圆分析轴向力对套管柱抗挤强度的影响？怎用双轴应力椭圆分析轴向力对套管柱抗挤强度的影响？怎用双轴应力椭圆分析轴向力对套管柱抗挤强度的影响？怎用双轴应力椭圆分析轴向力对套管柱抗挤强度的影响？怎样计算拉力对套管抗挤强度的影响？样计算拉力对套管抗挤强度的影响？样计算拉力对套管抗挤强度的影响？样计算拉力对套管抗挤强度的影响？8.8.简述套管设计的方法、步骤以及所需要的数据？简述套管设计的方法、步骤以及所需要的数据？简述套管设计的方法、步骤以及所需要的数据？简述套管设计的方法、步骤以及所需要的数据？9.9.油井水泥的由那些成分组成？油井水泥的由那些成分组成？油井水泥的由那些成分组成？油井水泥的由那些成分组成？10.10.什么是水泥的硬化？哪四种矿物成分起主要作用？什么是水泥的硬化？哪四种矿物成分起主要作用？什么是水泥的硬化？哪四种矿物成分起主要作用？什么是水泥的硬化？哪四种矿物成分起主要作用？思考题思考题16611.11.水泥水化产物由哪些？反应过程产生的不良现象有哪些？水泥水化产物由哪些？反应过程产生的不良现象有哪些？水泥水化产物由哪些？反应过程产生的不良现象有哪些？水泥水化产物由哪些？反应过程产生的不良现象有哪些？12.12.水泥浆哪些性能与固井密切相关？水泥浆哪些性能与固井密切相关？水泥浆哪些性能与固井密切相关？水泥浆哪些性能与固井密切相关？13.13.什么是水泥浆的稠化时间、流变性、失水量和稳定性？什么是水泥浆的稠化时间、流变性、失水量和稳定性？什么是水泥浆的稠化时间、流变性、失水量和稳定性？什么是水泥浆的稠化时间、流变性、失水量和稳定性？14.14.油井水泥外加剂类型有哪些？油井水泥外加剂类型有哪些？油井水泥外加剂类型有哪些？油井水泥外加剂类型有哪些？15.15.什么是顶替效率？为了提高水泥顶替效率，应采取哪些措什么是顶替效率？为了提高水泥顶替效率，应采取哪些措什么是顶替效率？为了提高水泥顶替效率，应采取哪些措什么是顶替效率？为了提高水泥顶替效率，应采取哪些措施？施？施？施？16.16.什么是水泥浆的失重？失重原因有哪些？什么是水泥浆的失重？失重原因有哪些？什么是水泥浆的失重？失重原因有哪些？什么是水泥浆的失重？失重原因有哪些？17.17.注水泥设计的内容有哪些？注水泥设计的内容有哪些？注水泥设计的内容有哪些？注水泥设计的内容有哪些？（其中（其中（其中（其中1 1、2 2、7 7、9 9、1111、1212、1313、1515、1616为书面作业）为书面作业）为书面作业）为书面作业）思考题思考题167某井某井某井某井244.5 244.5 244.5 244.5 mmmmmmmm（9.6259.6259.6259.625 ）技术套管，下入深度技术套管，下入深度技术套管，下入深度技术套管，下入深度3000300030003000m m m m，固井时钻井液密度固井时钻井液密度固井时钻井液密度固井时钻井液密度1.15 1.15 1.15 1.15 g/cmg/cmg/cmg/cm3 3 3 3。套管鞋处附近地层套管鞋处附近地层套管鞋处附近地层套管鞋处附近地层破裂压力的当量钻井液密度为破裂压力的当量钻井液密度为破裂压力的当量钻井液密度为破裂压力的当量钻井液密度为2.0 2.0 2.0 2.0 g/cmg/cmg/cmg/cm3 3 3 3，下次钻进目下次钻进目下次钻进目下次钻进目的井深为的井深为的井深为的井深为4000 4000 4000 4000 m m m m，下次钻进所用最高钻井液密度为下次钻进所用最高钻井液密度为下次钻进所用最高钻井液密度为下次钻进所用最高钻井液密度为1.40 1.40 1.40 1.40 g/cmg/cmg/cmg/cm3 3 3 3，地层盐水密度取地层盐水密度取地层盐水密度取地层盐水密度取1.07 1.07 1.07 1.07 g/cmg/cmg/cmg/cm3 3 3 3。抗挤设计安抗挤设计安抗挤设计安抗挤设计安全系数为全系数为全系数为全系数为1.1251.1251.1251.125，抗内压设计安全系数为，抗内压设计安全系数为，抗内压设计安全系数为，抗内压设计安全系数为1.11.11.11.1，抗拉设，抗拉设，抗拉设，抗拉设计安全系数为计安全系数为计安全系数为计安全系数为1.801.801.801.80（考虑钻井液浮力）。（考虑钻井液浮力）。（考虑钻井液浮力）。（考虑钻井液浮力）。要求：要求：要求：要求：（1 1 1 1）计算漏失面深度；）计算漏失面深度；）计算漏失面深度；）计算漏失面深度；（2 2 2 2）计算套管有效外载；）计算套管有效外载；）计算套管有效外载；）计算套管有效外载；（3 3 3 3）计算套管有效内压力；）计算套管有效内压力；）计算套管有效内压力；）计算套管有效内压力；（4 4 4 4）外载试进行该套管柱的抗挤强度设计。）外载试进行该套管柱的抗挤强度设计。）外载试进行该套管柱的抗挤强度设计。）外载试进行该套管柱的抗挤强度设计。 （书面作业）（书面作业）（书面作业）（书面作业）思考题思考题168