【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 )( LgLLGLGP mgbL ????? ?中國(guó)地質(zhì)大學(xué) (武漢 ) 第 三章 煤層氣井固井技術(shù)及增產(chǎn)措施 套管柱設(shè)計(jì) 是在套管柱受力分析的基礎(chǔ)上 ， 再根據(jù)套管本身所具有的強(qiáng)度 ， 建立一個(gè)安全經(jīng)濟(jì)的平衡關(guān)系 ， 通式為 安全系數(shù) 外載 ≤ 套管強(qiáng)度 （ 外擠壓力 、 軸向拉力和內(nèi)壓力 ） ， 可根據(jù)井下具體情況計(jì)算出來(lái)； ：根據(jù)套管強(qiáng)度的計(jì)算方法 、 室內(nèi)套管強(qiáng)度實(shí)驗(yàn) 、 井下套管柱受力狀況以及套管柱設(shè)計(jì)方法等并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定 。 。 ， 再由 ? 套管強(qiáng)度數(shù)據(jù)表 ? 查出各井段所需的不同鋼級(jí) 、 壁厚和扣型的套管 ， 這樣便可設(shè)計(jì)出所需的套管柱 。 套管柱的設(shè)計(jì) 中國(guó)地質(zhì)大學(xué) (武漢 ) 第 三章 煤層氣井固井技術(shù)及增產(chǎn)措施 (1) 確定不同外載安全系數(shù) 安全系數(shù)取值 抗外擠安全系數(shù)： ～ ，常用的為 抗拉安全系數(shù)： ～ ，常用的為 抗內(nèi)壓安全系數(shù)： ～ ，常用的為 有關(guān)研究單位經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)研究給出了一般安全系數(shù)的范圍： 中國(guó)地質(zhì)大學(xué) (武漢 ) 第 三章 煤層氣井固井技術(shù)及增產(chǎn)措施 套管柱等安全系數(shù)設(shè)計(jì)法 套管柱設(shè)計(jì)方法有等安全系數(shù)法 、 邊界負(fù)荷法和最大載荷法 。目前國(guó)內(nèi)外普通用等安全系數(shù)法 。 所謂等安全系數(shù)法 ， 即在套管柱上各段的最小安全系數(shù)等于 （ 或大于 ） 所規(guī)定的某個(gè)安全系數(shù)值 。 圖 3826套管柱受力示意圖 軸向拉力、外擠壓力及內(nèi)壓力在套管柱各截面上不是均勻分布的。軸向拉力自下而上增加；外擠壓力自下而上減??；內(nèi)壓力從有效內(nèi)壓力（內(nèi)壓力與外擠壓力的差值）來(lái)看，一般總的趨勢(shì)自下而上增加。 中國(guó)地質(zhì)大學(xué) (武漢 ) 第 三章 煤層氣井固井技術(shù)及增產(chǎn)措施 在設(shè)計(jì)中為了達(dá)到既安全又經(jīng)濟(jì)的原則， 整個(gè)套管柱應(yīng)由不同鋼級(jí)、壁厚和扣型的套管所組成， 使各段套管柱最小安全系數(shù)等于（或大于）所規(guī)定的安全系數(shù)值（即等安全系數(shù)法）。 為了避免反復(fù)計(jì)算和設(shè)計(jì)， 在煤層氣井中，先對(duì)下部（自下而上）進(jìn)行抗擠設(shè)計(jì)，而后對(duì)上部（自下而上）進(jìn)行抗拉設(shè)計(jì)，最后校核抗內(nèi)壓強(qiáng)度。 在煤層壓力較高的煤層氣井，則首先進(jìn)行抗內(nèi)壓設(shè)計(jì)，選出滿足抗內(nèi)壓強(qiáng)度的套管，然后再進(jìn)行抗擠和抗拉設(shè)計(jì)。 中國(guó)地質(zhì)大學(xué) (武漢 ) 第 三章 煤層氣井固井技術(shù)及增產(chǎn)措施 ①掌握基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括套管尺寸、下入深度、鉆井液密度、水泥返高及套管強(qiáng)度性能表。 ② 根據(jù)外擠壓力和抗拉安全系數(shù)確定下部第一段套管的鋼級(jí)和壁厚。 式中 H1：第一段套管下入深度 。 Pb:套管在井底所受外擠壓力 (Pa)。 ρm:套管外鉆井液密度 (kg/m3)。 g:重力加速度 (） 套管柱的設(shè)計(jì)步驟和方法 : 1HgP mb ??中國(guó)地質(zhì)大學(xué) (武漢 ) 第 三章 煤層氣井固井技術(shù)及增產(chǎn)措施 下部第一段套管的抗外擠強(qiáng)度必須大于或等 于井底外擠壓力與抗外安全系數(shù)之積，即 式中 : Pc1:第一段套管的抗外擠強(qiáng)度 (Pa)。 Sc:抗外擠安全系數(shù) 。 根據(jù) Pc1 則可由套管強(qiáng)度性能表中選出下部第一段 套管。 cm SHgPc 11 ??中國(guó)地質(zhì)大學(xué) (武漢 ) 第 三章 煤層氣井固井技術(shù)及增產(chǎn)措施 ③ 確定第二段套管可下深度和第一段套管的實(shí)際下入深度。 由于外擠壓力愈往上愈小，第二段套管可選綱級(jí)或壁厚較低的套管，其可下深度由下式確定 式中 H2：第二段套管的可下深度 (m) 。 Pc1:第二段套管的抗外擠強(qiáng)度 (Pa)。 第一段套管實(shí)際下入長(zhǎng)度由下式確定 L1＝ H1－ H2 式中 L1：第一段套管實(shí)際下入長(zhǎng)度 (m) o cm SgPcH ?/22 ?中國(guó)地質(zhì)大學(xué) (武漢 ) 第 三章 煤層氣井固井技術(shù)及增產(chǎn)措施 ④ 按抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)確定上部各段套管。 設(shè)自下而上第 i段以上各段套管總重量為 該段套管抗拉強(qiáng)度為 Pji ,第 i段套管頂截面的抗拉安全系數(shù)為 ST，則第 i段套管長(zhǎng)度的計(jì)算公式為 ???11inaTbiinaTjii qTSPL /][ 11?????式中 Li:第 i段套管可下入長(zhǎng)度 (m)。 Qbi：第 i段套管單位長(zhǎng)度浮重 (N/m)。 Pji：第 i段套管的抗拉強(qiáng)度 (N)。 ST：抗拉安全系數(shù) 。 第 i段以下各段套管的總重量 (N) ???11in中國(guó)地質(zhì)大學(xué) (武漢 ) 第 三章 煤層氣井固井技術(shù)及增產(chǎn)措施 ⑤ 抗內(nèi)壓安全系數(shù)校核。 式中 Pi:井口套管的抗內(nèi)壓強(qiáng)度 (Pa)。 Ps:井口內(nèi)壓力 (Pa)。 Si:抗內(nèi)壓安全系數(shù)。 iis SPP ?中國(guó)地質(zhì)大學(xué) (武漢 ) 第 三章 煤層氣井固井技術(shù)及增產(chǎn)措施 我們對(duì)套管設(shè)計(jì)的受力分析有了一定了解，現(xiàn)在？？ 中國(guó)地質(zhì)大學(xué) (武漢 ) 第 三章 煤層氣井固井技術(shù)及增產(chǎn)措施 幾個(gè)概念與標(biāo)準(zhǔn) 油井水泥： 是封固井眼與套管環(huán)空的主要材料，由于井下溫度和壓力與地表有很大差別，因此油井水泥與普通建筑水泥在礦物成分、理化性質(zhì)等方面都有較大的差別。為了區(qū)分固井用水泥與普通建筑水泥，把固井用水泥叫做油井水泥。 水泥漿： 油井水泥配制成的可泵送的漿體，叫水泥漿。 注水泥： 水泥漿通過(guò)套管內(nèi)注入井，再用鉆井液或清水將水泥漿頂入套管與井眼環(huán)空某一預(yù)定高度的作業(yè)。 水泥返高： 水泥面在套管與井眼環(huán)空的高度。 固井材料 中國(guó)地質(zhì)大學(xué) (武漢 ) 第 三章 煤層氣井固井技術(shù)及增產(chǎn)措施 油井水泥的主要成分 （ 1） 硅酸三鈣 3CaOSiO2。 （ 簡(jiǎn)稱(chēng) C3S） ?水泥的主要成份 ， 一般的含量為 40％ ～ 65％ 。 ?對(duì)水泥的強(qiáng)度 ， 尤其是早期強(qiáng)度有較大的影響 。 ?高早期強(qiáng)度水泥中含量可達(dá) 60％ ～ 65％ ， 緩凝水泥中含量在 40％ ～ 45％ 。 （ 2） 硅酸二鈣 2CaOSiO2（ 簡(jiǎn)稱(chēng) C2S） ， ?含量一般在 24％ ～ 30％ 之間； ?水化反應(yīng)緩慢 ， 強(qiáng)度增長(zhǎng)慢； ?對(duì)水泥的最終強(qiáng)度有影響 。 中國(guó)地質(zhì)大學(xué) (武漢 ) 第 三章 煤層氣井固井技術(shù)及增產(chǎn)措施 （ 3）鋁酸三鈣 3CaOAl2O3（簡(jiǎn)稱(chēng) C3A） 促進(jìn)水泥快速水化； 其含量是決定水泥初凝和稠化時(shí)間的主要因素； 對(duì)水泥漿的流變性及早期強(qiáng)度有較大影響； 對(duì)硫酸鹽極為敏感；對(duì)于有較高早期強(qiáng)度的水泥，其含量可達(dá) 15％。 （ 4）鐵鋁酸四鈣 4CaOAl2O3Fe2O3（簡(jiǎn)稱(chēng) C4AF）， 對(duì)強(qiáng)度影響較小，水化速度僅次于 C3A， 早期強(qiáng)度增長(zhǎng)較快，含量為 8％～ 12％。 除了以上四種主要成份之外，還有石膏、堿金屬的氧化物等。 中國(guó)地質(zhì)大學(xué) (武漢 ) 第 三章 煤層氣井固井技術(shù)及增產(chǎn)措施 水泥的水化 水泥與水混合成水泥漿后，與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成各種水化產(chǎn)物。逐漸由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，使水泥硬化和凝結(jié)，形成水泥石。 （ 1）水泥的水化反應(yīng) 水泥的主要成分與水發(fā)生的水化反應(yīng)為： 3CaO SiO2＋ 2H2O?2CaO SiO2 H2O十 Ca(OH)2 2CaO SiO2＋ H2O ? 2CaO SiO2 H2O 3CaO Al2O3＋ 6H2O ? 3CaO Al2O3 6H2O 4CaOAl2O3＋ Fe2O3＋ 6H2O ? 3CaOAl2O36H2O＋CaOFe2O3H2O 除此之外還發(fā)生其他二次反應(yīng)，生成物中有大量的硅酸鹽水化產(chǎn)物及氫氧化鈣等。在反應(yīng)的過(guò)程中，各種水化產(chǎn)物均逐漸凝聚，使水泥硬化。 中國(guó)地質(zhì)大學(xué) (武漢 ) 第 三章 煤層氣井固井技術(shù)及增產(chǎn)措施 （ 2） 水泥凝結(jié)與硬化 溶膠期：水泥與水混合成膠體液 ， 開(kāi)始發(fā)生水化反應(yīng) ， 水化產(chǎn)物的濃度 開(kāi)始增加 ， 達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)部分水化物以膠態(tài)或微晶體 析出 ， 形成膠溶體系 。 此時(shí)水泥漿仍有流動(dòng)性 。 凝結(jié)期：水化反應(yīng)由水泥顆粒表面向內(nèi)部深入 ， 溶膠粒子及微晶 體大量增加 ， 晶體開(kāi)始互相連接 ， 逐漸絮凝成凝膠體系 。 水泥 漿變綢 ， 直到失去流動(dòng)性 。 硬化期：水化物形成晶體狀態(tài) ， 互相緊密連接成一個(gè)整體 ， 強(qiáng)度 增加 ， 硬化成為水泥石 。 （ 3） 水泥石組成 ① 無(wú)定性物質(zhì) （ 水泥膠 ） ， 它具有晶體的結(jié)構(gòu) ， 顆粒尺寸大體在 ， 互相連接成一個(gè)整體 。 ② 氫氧化鈣晶體 ， 是水化反應(yīng)的產(chǎn)物 。 ③ 未水化的水泥顆粒 。 中國(guó)地質(zhì)大學(xué) (武漢 ) 第 三章 煤層氣井固井技術(shù)及增產(chǎn)措施 A級(jí)：深度范圍 0～ m，溫度 ℃ 。 B級(jí)：深度范圍 0～ m，屬中熱水泥，溫度至 ℃ ，有中抗硫和高抗硫兩種。 C級(jí)：深度范圍 0～ m，溫度至 ℃ ，高早期強(qiáng)度水泥，分普通、中抗硫及高抗硫三種。 D級(jí)：深度范圍 ～ 3050 m，溫度 76～ 127℃ ，用于中溫、中壓條件，分為中抗硫及高抗硫兩種。 E級(jí)：深度范圍 3050～ 4270 m，溫度 76～ 143℃ ，用于高溫、高壓條件，分為中抗硫及高抗硫兩種。 F級(jí)：深度范圍為 3050～ 4880 m，溫度 110～ 160℃ ，用于超高溫和超高壓條件，分為中抗硫及高抗硫兩種。 G級(jí)及 H級(jí)：深度范圍為 0～ 2440 m，溫