【文章內容簡介】 )( LgLLGLGP mgbL ????? ?中國地質大學 (武漢 ) 第 三章 煤層氣井固井技術及增產(chǎn)措施 套管柱設計 是在套管柱受力分析的基礎上 ， 再根據(jù)套管本身所具有的強度 ， 建立一個安全經(jīng)濟的平衡關系 ， 通式為 安全系數(shù) 外載 ≤ 套管強度 （ 外擠壓力 、 軸向拉力和內壓力 ） ， 可根據(jù)井下具體情況計算出來； ：根據(jù)套管強度的計算方法 、 室內套管強度實驗 、 井下套管柱受力狀況以及套管柱設計方法等并結合經(jīng)驗來確定 。 。 ， 再由 ? 套管強度數(shù)據(jù)表 ? 查出各井段所需的不同鋼級 、 壁厚和扣型的套管 ， 這樣便可設計出所需的套管柱 。 套管柱的設計 中國地質大學 (武漢 ) 第 三章 煤層氣井固井技術及增產(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 抗內壓安全系數(shù)： ～ ，常用的為 有關研究單位經(jīng)過實驗研究給出了一般安全系數(shù)的范圍： 中國地質大學 (武漢 ) 第 三章 煤層氣井固井技術及增產(chǎn)措施 套管柱等安全系數(shù)設計法 套管柱設計方法有等安全系數(shù)法 、 邊界負荷法和最大載荷法 。目前國內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??；內壓力從有效內壓力（內壓力與外擠壓力的差值）來看，一般總的趨勢自下而上增加。 中國地質大學 (武漢 ) 第 三章 煤層氣井固井技術及增產(chǎn)措施 在設計中為了達到既安全又經(jīng)濟的原則， 整個套管柱應由不同鋼級、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）。 為了避免反復計算和設計， 在煤層氣井中，先對下部（自下而上）進行抗擠設計，而后對上部（自下而上）進行抗拉設計，最后校核抗內壓強度。 在煤層壓力較高的煤層氣井，則首先進行抗內壓設計，選出滿足抗內壓強度的套管，然后再進行抗擠和抗拉設計。 中國地質大學 (武漢 ) 第 三章 煤層氣井固井技術及增產(chǎn)措施 ①掌握基礎數(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 (） 套管柱的設計步驟和方法 : 1HgP mb ??中國地質大學 (武漢 ) 第 三章 煤層氣井固井技術及增產(chǎn)措施 下部第一段套管的抗外擠強度必須大于或等 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度 (Pa)。 Sc:抗外擠安全系數(shù) 。 根據(jù) Pc1 則可由套管強度性能表中選出下部第一段 套管。 cm SHgPc 11 ??中國地質大學 (武漢 ) 第 三章 煤層氣井固井技術及增產(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度 (Pa)。 第一段套管實際下入長度由下式確定 L1＝ H1－ H2 式中 L1：第一段套管實際下入長度 (m) o cm SgPcH ?/22 ?中國地質大學 (武漢 ) 第 三章 煤層氣井固井技術及增產(chǎn)措施 ④ 按抗拉強度設計確定上部各段套管。 設自下而上第 i段以上各段套管總重量為 該段套管抗拉強度為 Pji ,第 i段套管頂截面的抗拉安全系數(shù)為 ST，則第 i段套管長度的計算公式為 ???11inaTbiinaTjii qTSPL /][ 11?????式中 Li:第 i段套管可下入長度 (m)。 Qbi：第 i段套管單位長度浮重 (N/m)。 Pji：第 i段套管的抗拉強度 (N)。 ST：抗拉安全系數(shù) 。 第 i段以下各段套管的總重量 (N) ???11in中國地質大學 (武漢 ) 第 三章 煤層氣井固井技術及增產(chǎn)措施 ⑤ 抗內壓安全系數(shù)校核。 式中 Pi:井口套管的抗內壓強度 (Pa)。 Ps:井口內壓力 (Pa)。 Si:抗內壓安全系數(shù)。 iis SPP ?中國地質大學 (武漢 ) 第 三章 煤層氣井固井技術及增產(chǎn)措施 我們對套管設計的受力分析有了一定了解，現(xiàn)在？？ 中國地質大學 (武漢 ) 第 三章 煤層氣井固井技術及增產(chǎn)措施 幾個概念與標準 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： 水泥漿通過套管內注入井，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 中國地質大學 (武漢 ) 第 三章 煤層氣井固井技術及增產(chǎn)措施 油井水泥的主要成分 （ 1） 硅酸三鈣 3CaOSiO2。 （ 簡稱 C3S） ?水泥的主要成份 ， 一般的含量為 40％ ～ 65％ 。 ?對水泥的強度 ， 尤其是早期強度有較大的影響 。 ?高早期強度水泥中含量可達 60％ ～ 65％ ， 緩凝水泥中含量在 40％ ～ 45％ 。 （ 2） 硅酸二鈣 2CaOSiO2（ 簡稱 C2S） ， ?含量一般在 24％ ～ 30％ 之間； ?水化反應緩慢 ， 強度增長慢； ?對水泥的最終強度有影響 。 中國地質大學 (武漢 ) 第 三章 煤層氣井固井技術及增產(chǎn)措施 （ 3）鋁酸三鈣 3CaOAl2O3（簡稱 C3A） 促進水泥快速水化； 其含量是決定水泥初凝和稠化時間的主要因素； 對水泥漿的流變性及早期強度有較大影響； 對硫酸鹽極為敏感；對于有較高早期強度的水泥，其含量可達 15％。 （ 4）鐵鋁酸四鈣 4CaOAl2O3Fe2O3（簡稱 C4AF）， 對強度影響較小，水化速度僅次于 C3A， 早期強度增長較快，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。 中國地質大學 (武漢 ) 第 三章 煤層氣井固井技術及增產(chǎn)措施 水泥的水化 水泥與水混合成水泥漿后，與水發(fā)生化學反應，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，形成水泥石。 （ 1）水泥的水化反應 水泥的主要成分與水發(fā)生的水化反應為： 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，生成物中有大量的硅酸鹽水化產(chǎn)物及氫氧化鈣等。在反應的過程中，各種水化產(chǎn)物均逐漸凝聚，使水泥硬化。 中國地質大學 (武漢 ) 第 三章 煤層氣井固井技術及增產(chǎn)措施 （ 2） 水泥凝結與硬化 溶膠期：水泥與水混合成膠體液 ， 開始發(fā)生水化反應 ， 水化產(chǎn)物的濃度 開始增加 ， 達到飽和狀態(tài)時部分水化物以膠態(tài)或微晶體 析出 ， 形成膠溶體系 。 此時水泥漿仍有流動性 。 凝結期：水化反應由水泥顆粒表面向內部深入 ， 溶膠粒子及微晶 體大量增加 ， 晶體開始互相連接 ， 逐漸絮凝成凝膠體系 。 水泥 漿變綢 ， 直到失去流動性 。 硬化期：水化物形成晶體狀態(tài) ， 互相緊密連接成一個整體 ， 強度 增加 ， 硬化成為水泥石 。 （ 3） 水泥石組成 ① 無定性物質 （ 水泥膠 ） ， 它具有晶體的結構 ， 顆粒尺寸大體在 ， 互相連接成一個整體 。 ② 氫氧化鈣晶體 ， 是水化反應的產(chǎn)物 。 ③ 未水化的水泥顆粒 。 中國地質大學 (武漢 ) 第 三章 煤層氣井固井技術及增產(chǎn)措施 A級：深度范圍 0～ m，溫度 ℃ 。 B級：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：深度范圍 0～ m，溫度至 ℃ ，高早期強度水泥，分普通、中抗硫及高抗硫三種。 D級：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：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：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級及 H級：深度范圍為 0～ 2440 m，溫