目錄
第1章 井筒完整性綜述 1
1.1 井筒完整性表述的由來(lái) 1
1.2 井筒完整性的概念 2
1.2.1 井筒完整性管理的概念 2
1.2.2 全生命周期井筒完整性 2
1.2.3 開(kāi)采期井筒完整性概念 3
1.3 井筒完整性失效案例及重要的國(guó)際行動(dòng) 4
1.3.1 重大的井筒完整性失效案例 4
1.3.2 “深水地平線(xiàn)事件”后的井筒完整性國(guó)際性行動(dòng) 5
1.3.3 井筒完整性標(biāo)準(zhǔn)的完善與發(fā)展 6
1.4 井筒完整性管理問(wèn)題的復(fù)雜性 7
1.4.1 挪威北海井筒完整性失效統(tǒng)計(jì) 7
1.4.2 美國(guó)墨西哥灣外大陸架井筒完整性失效統(tǒng)計(jì) 7
1.5 油井筒完整性的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估 9
1.5.1 井筒完整性的風(fēng)險(xiǎn) 9
1.5.2 與井位和環(huán)境相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn) 9
1.5.3 井口或井周意外溢出或井噴流出物 10
1.5.4 風(fēng)險(xiǎn)的定性評(píng)估 10
1.5.5 風(fēng)險(xiǎn)的定量評(píng)估 11
第2章 井筒屏障設(shè)計(jì)與風(fēng)險(xiǎn)管理 14
2.1 井筒屏障分類(lèi)及功能 14
2.1.1 井筒屏障的概念 14
2.1.2 井筒屏障功能及分類(lèi) 14
2.2 典型井的井筒屏障系統(tǒng) 16
2.2.1 自流采油井或自流采氣井的井筒屏障及屏障系統(tǒng)設(shè)置 16
2.2.2 緊急關(guān)井下的井筒屏障系統(tǒng) 17
2.3 井筒屏障單元管理 20
2.3.1 井筒屏障單元描述所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù) 20
2.3.2 井筒屏障單元描述 21
2.4 井筒屏障系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)及管控 22
2.4.1 井底結(jié)構(gòu)對(duì)屏障完整性的影響 22
2.4.2 深井小間隙一次固井與尾管固井回接的水泥屏障及風(fēng)險(xiǎn) 24
2.4.3 高溫高壓井井筒屏障風(fēng)險(xiǎn) 26
2.4.4 油套環(huán)空封閉域屏障風(fēng)險(xiǎn) 29
2.4.5 套管-水泥環(huán)-地層封閉域屏障風(fēng)險(xiǎn) 30
2.4.6 井口封閉域屏障風(fēng)險(xiǎn) 31
2.5 井筒屏障單元功能和失效模式 36
2.6 井筒屏障單元服役的力學(xué)和腐蝕環(huán)境 37
2.6.1 油管柱及組件強(qiáng)度設(shè)計(jì) 37
2.6.2 油管柱各連接節(jié)點(diǎn)相容性 38
2.7 井筒腐蝕完整性管理 39
2.7.1 井筒腐蝕完整性管理框架 39
2.7.2 環(huán)境敏感斷裂管理 40
2.7.3 流體屏障的腐蝕管理 41
2.7.4 環(huán)空水泥面之上滯留流體的流體屏障作用及腐蝕管理 42
2.8 封井棄井操作井筒完整性管理 43
第3章 油套管柱強(qiáng)度設(shè)計(jì)與完整性管理 45
3.1 油管柱常規(guī)強(qiáng)度設(shè)計(jì) 45
3.1.1 油管柱服役工況的復(fù)雜性：腐蝕與環(huán)境敏感開(kāi)裂 45
3.1.2 油管柱服役工況的復(fù)雜性：井下溫度壓力及力學(xué)環(huán)境 46
3.1.3 油管柱設(shè)計(jì)安全系數(shù) 46
3.2 套管柱常規(guī)強(qiáng)度設(shè)計(jì) 47
3.2.1 常規(guī)強(qiáng)度設(shè)計(jì)內(nèi)涵及要求 47
3.2.2 套管柱常規(guī)強(qiáng)度設(shè)計(jì)安全系數(shù) 48
3.3 油套管強(qiáng)度 49
3.3.1 油套管強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)的演變 49
3.3.2 非標(biāo)準(zhǔn)高強(qiáng)度套管 55
3.3.3 套管產(chǎn)品性能及風(fēng)險(xiǎn)管控 59
3.3.4 套管柱強(qiáng)度設(shè)計(jì) 63
3.4 高溫高壓氣井強(qiáng)度設(shè)計(jì)的特殊考慮 67
3.4.1 軸向力計(jì)算 67
3.4.2 有效內(nèi)壓力計(jì)算 69
3.4.3 有效外擠力計(jì)算 77
3.5 腐蝕環(huán)境油套管柱強(qiáng)度設(shè)計(jì) 81
3.5.1 腐蝕環(huán)境應(yīng)力水平概念 82
3.5.2 腐蝕環(huán)境強(qiáng)度設(shè)計(jì)安全系數(shù) 82
3.5.3 降低應(yīng)力水平的井身結(jié)構(gòu)及管柱結(jié)構(gòu) 84
3.6 考慮沖蝕、腐蝕的油管直徑選用 85
3.6.1 考慮油管沖蝕/腐蝕的平均流速計(jì)算 86
3.6.2 優(yōu)選螺紋結(jié)構(gòu)，防止螺紋沖蝕/腐蝕 87
3.7 考慮環(huán)空帶壓的完整性管理 87
3.8 油套管螺紋的密封和強(qiáng)度的完整性 90
3.8.1 API 油套管螺紋特征 90
3.8.2 油套管典型的特殊螺紋及特征 91
3.8.3 油套管典型的氣密封結(jié)構(gòu)及密封機(jī)理 93
3.8.4 油套管特殊螺紋潛在的失效風(fēng)險(xiǎn) 96
3.8.5 油套管特殊螺紋性能要求及檢測(cè) 98
第4章 高溫高壓氣井熱力學(xué)與井筒完整性 100
4.1 井筒熱力學(xué)與高溫高壓氣井管柱失效相關(guān)性 100
4.2 高溫環(huán)境管柱材料力學(xué)性能退化 101
4.2.1 常見(jiàn)材料類(lèi)型 101
4.2.2 溫度對(duì)碳鋼和低合金鋼強(qiáng)度的影響 102
4.2.3 溫度對(duì)耐蝕合金（CRA）強(qiáng)度的影響 104
4.3 超深井管柱有效下深計(jì)算 108
4.3.1 阿基米德原理 109
4.3.2 實(shí)際深度計(jì)算 113
4.3.3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用 115
4.4 不同作業(yè)工況下油管柱軸向力及變形 120
4.4.1 油管柱軸向力及變形計(jì)算 120
4.4.2 在壓裂、測(cè)試、井下作業(yè)等工況中的應(yīng)用 126
4.5 高溫高壓氣井管柱屈曲 129
4.5.1 屈曲的危害 129
4.5.2 屈曲計(jì)算 131
4.6 井筒傳熱學(xué)及熱力學(xué)分析計(jì)算模型 134
4.6.1 管內(nèi)穩(wěn)態(tài)流動(dòng)模型 134
4.6.2 油套環(huán)空流動(dòng)模型 136
4.6.3 井眼徑向傳熱模型 136
4.6.4 油套管材料的熱力學(xué)性能 139
4.6.5 模型求解 140
4.6.6 高產(chǎn)高溫氣井調(diào)產(chǎn)對(duì)井筒安全的影響 141
第5章 與腐蝕和環(huán)境敏感開(kāi)裂相關(guān)的井筒完整性 142
5.1 腐蝕與環(huán)境敏感開(kāi)裂對(duì)井筒完整性的影響 142
5.2 油氣井腐蝕 143
5.2.1 油氣井腐蝕介質(zhì) 143
5.2.2 油氣井腐蝕環(huán)境 143
5.3 電化學(xué)腐蝕 144
5.3.1 腐蝕特點(diǎn) 144
5.3.2 H2S 腐蝕 145
5.3.3 CO2 腐蝕 146
5.3.4 局部腐蝕 148
5.3.5 流動(dòng)與相變因素引起的腐蝕 150
5.4 環(huán)境敏感斷裂 151
5.4.1 環(huán)境敏感斷裂概念 151
5.4.2 環(huán)境敏感開(kāi)裂類(lèi)型 152
5.4.3 應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂機(jī)理 156
5.5 油氣井工作流體的腐蝕和環(huán)境敏感開(kāi)裂 158
5.5.1 油氣井工作流體范疇 158
5.5.2 酸液腐蝕 158
5.5.3 注入水腐蝕 159
5.5.4 注氣開(kāi)發(fā)腐蝕 159
5.5.5 套管間環(huán)空滯留鉆井液腐蝕 160
5.6 環(huán)空保護(hù)液的腐蝕與環(huán)境敏感開(kāi)裂 161
5.6.1 環(huán)空保護(hù)液的腐蝕與環(huán)境敏感開(kāi)裂的復(fù)雜性 161
5.6.2 環(huán)空保護(hù)液功能與設(shè)計(jì)的基本要求 161
5.6.3 環(huán)空保護(hù)液類(lèi)型及與金屬材料的相容性 162
5.6.4 環(huán)空保護(hù)液導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的現(xiàn)場(chǎng)案例 165
5.7 套管腐蝕管理 167
5.7.1 套管外環(huán)空腐蝕問(wèn)題的復(fù)雜性 167
5.7.2 套管環(huán)空腐蝕管理 168
5.7.3 套管腐蝕監(jiān)測(cè) 171
5.8 應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂實(shí)驗(yàn)方法及表征參量 171
5.8.1 應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn) 171
5.8.2 硫化氫環(huán)境應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂實(shí)驗(yàn)方法 172
5.8.3 硫化物應(yīng)力開(kāi)裂SSC 實(shí)驗(yàn)設(shè)定的腐蝕介質(zhì) 175
5.8.4 硫化物應(yīng)力開(kāi)裂SSC 實(shí)驗(yàn)不通過(guò)的折中處理 177
5.9 硫化氫環(huán)境油套管材料的選用 178
5.9.1 硫化物應(yīng)力開(kāi)裂和應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂選材標(biāo)準(zhǔn)體系 178
5.9.2 材料選用總體方案 178
5.9.3 基于現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)的材料選用 180
5.9.4 硫化氫酸性環(huán)境，硫化物應(yīng)力開(kāi)裂為主控因素的碳鋼材料選用 180
5.10 二氧化碳腐蝕環(huán)境油套管材料的選用 185
5.10.1 二氧化碳環(huán)境碳鋼油套管材料的選用 185
5.10.2 二氧化碳環(huán)境不銹鋼油套管材料的選用標(biāo)準(zhǔn) 186
5.10.3 高含H2S 和CO2 腐蝕環(huán)境鎳基合金油套管材料的選用 194
5.10.4 惡劣腐蝕環(huán)境鈦及鈦合金油套管材料 200
5.11 油氣井腐蝕環(huán)境組分、pH 和溶液濃度換算 203
5.11.1 天然氣組分的相關(guān)換算 203
5.11.2 地面pH 與原位pH 之間的換算 205
5.11.3 溶液濃度換算 208
第6章 高溫高壓氣井井筒流體屏障與井筒安全 211
6.1 與井筒相變動(dòng)力學(xué)相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)源 211
6.2 鉆井過(guò)程液體屏障單元 212
6.2.1 當(dāng)量靜態(tài)密度（ESD） 212
6.2.2 當(dāng)量循環(huán)密度（ECD） 214
6.3 注水泥過(guò)程液體屏障單元 214
6.3.1 設(shè)計(jì)原則 214
6.3.2 環(huán)空流體結(jié)構(gòu)選擇 215
6.3.3 平衡壓力校核 215
6.3.4 注水泥失重與氣竄評(píng)價(jià)方法 215
6.4 超臨界硫化氫、二氧化碳對(duì)液體屏障單元的影響 222
6.4.1 臨界現(xiàn)象描述 222
6.4.2 超臨界流體的定義及特殊相行為 222
6.4.3 超臨界硫化氫、二氧化碳的主要物理化學(xué)性能 223
6.4.4 超臨界硫化氫、二氧化碳的溶解特性 230
第7章 水泥環(huán)的密封完整性 235
7.1 注水泥及水泥環(huán)密封完整性相關(guān)標(biāo)準(zhǔn) 235
7.1.1 中國(guó)石油天然氣行業(yè)固井技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) 235
7.1.2 API/ISO 固井技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) 235
7.1.3 固井注水泥功能 236
7.1.4 中國(guó)與API/ISO 固井水泥返深技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的差異 236
7.2 注水泥對(duì)井筒完整性的影響 238
7.2.1 注水泥過(guò)程環(huán)空壓力平衡破壞的影響 239
7.2.2 注水泥候凝期間環(huán)空壓力平衡破壞的影響 240
7.2.3 環(huán)空水泥環(huán)膠結(jié)密封失效 240
7.3 保證注水泥質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù) 241
7.3.1 井眼質(zhì)量 241
7.3.2 鉆井液性能 241
7.3.3 套管附件的使用 242
7.3.4 注水泥工程設(shè)計(jì) 242
7.3.5 水泥漿體系設(shè)計(jì)與測(cè)試 245
7.3.6 井眼準(zhǔn)備 246
7.3.7 注水泥作業(yè) 248
7.4 水泥環(huán)失效對(duì)井筒完整性的影響 250
7.4.1 影響水泥環(huán)完整性的主要因素 250
7.4.2 強(qiáng)化與提高水泥環(huán)完整性的技術(shù)措施 255
7.5 井下作業(yè)與水泥環(huán)密封完整性 258
7.5.1 井下作業(yè)對(duì)水泥環(huán)的載荷 258
7.5.2 三軸應(yīng)力狀態(tài)下水泥石力學(xué)性能 260
7.5.3 水泥環(huán)失效準(zhǔn)則 263
7.5.4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用 264
第8章 井口及采油樹(shù)、油管柱附件的完整性 268
8.1 井口及采油樹(shù) 268
8.1.1 井口范疇及功能 268
8.1.2 采油樹(shù) 269
8.1.3 井口及采油樹(shù)系統(tǒng)選型 270
8.1.4 井口及采油樹(shù)溫度分級(jí) 274
8.1.5 井口及采油樹(shù)產(chǎn)品規(guī)范級(jí)別 275
8.2 井下安全閥 277
8.3 封隔器 278
8.3.1 生產(chǎn)封隔器 278
8.3.2 尾管管外封隔器 279
8.4 橡膠材料性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn) 280
8.4.1 橡膠材料拉伸性能測(cè)試 280
8.4.2 橡膠材料抗壓縮性能測(cè)試 282
8.4.3 橡膠材料硬度測(cè)試 283
8.4.4 橡膠材料腐蝕測(cè)試 284
第9章 環(huán)空帶壓診斷與環(huán)空腐蝕管理 287
9.1 完整性測(cè)試方案 287
9.1.1 概述 287
9.1.2 可接受的泄漏速度 287
9.1.3 泄漏途徑測(cè)試 287
9.1.4 測(cè)壓力值和穩(wěn)壓時(shí)間讀取 287
9.1.5 鉆完井作業(yè)中的注入測(cè)試 288
9.1.6 油氣井筒屏障的性能測(cè)試 289
9.1.7 地層測(cè)試 289
9.1.8 油氣井筒屏障的壓力和性能測(cè)試的歸納 289
9.2 環(huán)空帶壓管控 290
9.2.1 環(huán)空帶壓的基本概念 290
9.2.2 環(huán)空帶壓的相關(guān)計(jì)算 291
9.2.3 環(huán)空帶壓診斷與管理 300
9.2.4 環(huán)空帶壓的監(jiān)測(cè)方案 306
9.2.5 異常環(huán)空封閉壓力緩沖技術(shù) 307
9.2.6 異常環(huán)空封閉壓力釋放技術(shù) 312
參考文獻(xiàn) 315
附錄：相關(guān)標(biāo)準(zhǔn) 316