第1章 井筒完整性综述 1

1.1 井筒完整性表述的由来 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 开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国际行动 4

1.3.1 重大的井筒完整性失效案例 4

1.3.2 “深水地平线事件”后的井筒完整性国际性行动 5

1.3.3 井筒完整性标准的完善与发展 6

1.4 井筒完整性管理问题的复杂性 7

1.4.1 挪威北海井筒完整性失效统计 7

1.4.2 美国墨西哥湾外大陆架井筒完整性失效统计 7

1.5 油井筒完整性的风险评估 9

1.5.1 井筒完整性的风险 9

1.5.2 与井位和环境相关的风险 9

1.5.3 井口或井周意外溢出或井喷流出物 10

1.5.4 风险的定性评估 10

1.5.5 风险的定量评估 11

第2章 井筒屏障设计与风险管理 14

2.1 井筒屏障分类及功能 14

2.1.1 井筒屏障的概念 14

2.1.2 井筒屏障功能及分类 14

2.2 典型井的井筒屏障系统 16

2.2.1 自流采油井或自流采气井的井筒屏障及屏障系统设置 16

2.2.2 紧急关井下的井筒屏障系统 17

2.3 井筒屏障单元管理 20

2.3.1 井筒屏障单元描述所需的基础数据 20

2.3.2 井筒屏障单元描述 21

2.4 井筒屏障系统风险及管控 22

2.4.1 井底结构对屏障完整性的影响 22

2.4.2 深井小间隙一次固井与尾管固井回接的水泥屏障及风险 24

2.4.3 高温高压井井筒屏障风险 26

2.4.4 油套环空封闭域屏障风险 29

2.4.5 套管-水泥环-地层封闭域屏障风险 30

2.4.6 井口封闭域屏障风险 31

2.5 井筒屏障单元功能和失效模式 36

2.6 井筒屏障单元服役的力学和腐蚀环境 37

2.6.1 油管柱及组件强度设计 37

2.6.2 油管柱各连接节点相容性 38

2.7 井筒腐蚀完整性管理 39

2.7.1 井筒腐蚀完整性管理框架 39

2.7.2 环境敏感断裂管理 40

2.7.3 流体屏障的腐蚀管理 41

2.7.4 环空水泥面之上滞留流体的流体屏障作用及腐蚀管理 42

2.8 封井弃井操作井筒完整性管理 43

第3章 油套管柱强度设计与完整性管理 45

3.1 油管柱常规强度设计 45

3.1.1 油管柱服役工况的复杂性：腐蚀与环境敏感开裂 45

3.1.2 油管柱服役工况的复杂性：井下温度压力及力学环境 46

3.1.3 油管柱设计安全系数 46

3.2 套管柱常规强度设计 47

3.2.1 常规强度设计内涵及要求 47

3.2.2 套管柱常规强度设计安全系数 48

3.3 油套管强度 49

3.3.1 油套管强度标准的演变 49

3.3.2 非标准高强度套管 55

3.3.3 套管产品性能及风险管控 59

3.3.4 套管柱强度设计 63

3.4 高温高压气井强度设计的特殊考虑 67

3.4.1 轴向力计算 67

3.4.2 有效内压力计算 69

3.4.3 有效外挤力计算 77

3.5 腐蚀环境油套管柱强度设计 81

3.5.1 腐蚀环境应力水平概念 82

3.5.2 腐蚀环境强度设计安全系数 82

3.5.3 降低应力水平的井身结构及管柱结构 84

3.6 考虑冲蚀、腐蚀的油管直径选用 85

3.6.1 考虑油管冲蚀/腐蚀的平均流速计算 86

3.6.2 优选螺纹结构，防止螺纹冲蚀/腐蚀 87

3.7 考虑环空带压的完整性管理 87

3.8 油套管螺纹的密封和强度的完整性 90

3.8.1 API 油套管螺纹特征 90

3.8.2 油套管典型的特殊螺纹及特征 91

3.8.3 油套管典型的气密封结构及密封机理 93

3.8.4 油套管特殊螺纹潜在的失效风险 96

3.8.5 油套管特殊螺纹性能要求及检测 98

第4章 高温高压气井热力学与井筒完整性 100

4.1 井筒热力学与高温高压气井管柱失效相关性 100

4.2 高温环境管柱材料力学性能退化 101

4.2.1 常见材料类型 101

4.2.2 温度对碳钢和低合金钢强度的影响 102

4.2.3 温度对耐蚀合金（CRA）强度的影响 104

4.3 超深井管柱有效下深计算 108

4.3.1 阿基米德原理 109

4.3.2 实际深度计算 113

4.3.3 现场应用 115

4.4 不同作业工况下油管柱轴向力及变形 120

4.4.1 油管柱轴向力及变形计算 120

4.4.2 在压裂、测试、井下作业等工况中的应用 126

4.5 高温高压气井管柱屈曲 129

4.5.1 屈曲的危害 129

4.5.2 屈曲计算 131

4.6 井筒传热学及热力学分析计算模型 134

4.6.1 管内稳态流动模型 134

4.6.2 油套环空流动模型 136

4.6.3 井眼径向传热模型 136

4.6.4 油套管材料的热力学性能 139

4.6.5 模型求解 140

4.6.6 高产高温气井调产对井筒安全的影响 141

第5章 与腐蚀和环境敏感开裂相关的井筒完整性 142

5.1 腐蚀与环境敏感开裂对井筒完整性的影响 142

5.2 油气井腐蚀 143

5.2.1 油气井腐蚀介质 143

5.2.2 油气井腐蚀环境 143

5.3 电化学腐蚀 144

5.3.1 腐蚀特点 144

5.3.2 H2S 腐蚀 145

5.3.3 CO2 腐蚀 146

5.3.4 局部腐蚀 148

5.3.5 流动与相变因素引起的腐蚀 150

5.4 环境敏感断裂 151

5.4.1 环境敏感断裂概念 151

5.4.2 环境敏感开裂类型 152

5.4.3 应力腐蚀开裂机理 156

5.5 油气井工作流体的腐蚀和环境敏感开裂 158

5.5.1 油气井工作流体范畴 158

5.5.2 酸液腐蚀 158

5.5.3 注入水腐蚀 159

5.5.4 注气开发腐蚀 159

5.5.5 套管间环空滞留钻井液腐蚀 160

5.6 环空保护液的腐蚀与环境敏感开裂 161

5.6.1 环空保护液的腐蚀与环境敏感开裂的复杂性 161

5.6.2 环空保护液功能与设计的基本要求 161

5.6.3 环空保护液类型及与金属材料的相容性 162

5.6.4 环空保护液导致应力腐蚀开裂的现场案例 165

5.7 套管腐蚀管理 167

5.7.1 套管外环空腐蚀问题的复杂性 167

5.7.2 套管环空腐蚀管理 168

5.7.3 套管腐蚀监测 171

5.8 应力腐蚀开裂实验方法及表征参量 171

5.8.1 应力腐蚀开裂实验标准 171

5.8.2 硫化氢环境应力腐蚀开裂实验方法 172

5.8.3 硫化物应力开裂SSC 实验设定的腐蚀介质 175

5.8.4 硫化物应力开裂SSC 实验不通过的折中处理 177

5.9 硫化氢环境油套管材料的选用 178

5.9.1 硫化物应力开裂和应力腐蚀开裂选材标准体系 178

5.9.2 材料选用总体方案 178

5.9.3 基于现场经验的材料选用 180

5.9.4 硫化氢酸性环境，硫化物应力开裂为主控因素的碳钢材料选用 180

5.10 二氧化碳腐蚀环境油套管材料的选用 185

5.10.1 二氧化碳环境碳钢油套管材料的选用 185

5.10.2 二氧化碳环境不锈钢油套管材料的选用标准 186

5.10.3 高含H2S 和CO2 腐蚀环境镍基合金油套管材料的选用 194

5.10.4 恶劣腐蚀环境钛及钛合金油套管材料 200

5.11 油气井腐蚀环境组分、pH 和溶液浓度换算 203

5.11.1 天然气组分的相关换算 203

5.11.2 地面pH 与原位pH 之间的换算 205

5.11.3 溶液浓度换算 208

第6章 高温高压气井井筒流体屏障与井筒安全 211

6.1 与井筒相变动力学相关的风险源 211

6.2 钻井过程液体屏障单元 212

6.2.1 当量静态密度（ESD） 212

6.2.2 当量循环密度（ECD） 214

6.3 注水泥过程液体屏障单元 214

6.3.1 设计原则 214

6.3.2 环空流体结构选择 215

6.3.3 平衡压力校核 215

6.3.4 注水泥失重与气窜评价方法 215

6.4 超临界硫化氢、二氧化碳对液体屏障单元的影响 222

6.4.1 临界现象描述 222

6.4.2 超临界流体的定义及特殊相行为 222

6.4.3 超临界硫化氢、二氧化碳的主要物理化学性能 223

6.4.4 超临界硫化氢、二氧化碳的溶解特性 230

第7章 水泥环的密封完整性 235

7.1 注水泥及水泥环密封完整性相关标准 235

7.1.1 中国石油天然气行业固井技术标准 235

7.1.2 API/ISO 固井技术标准 235

7.1.3 固井注水泥功能 236

7.1.4 中国与API/ISO 固井水泥返深技术标准的差异 236

7.2 注水泥对井筒完整性的影响 238

7.2.1 注水泥过程环空压力平衡破坏的影响 239

7.2.2 注水泥候凝期间环空压力平衡破坏的影响 240

7.2.3 环空水泥环胶结密封失效 240

7.3 保证注水泥质量的关键技术 241

7.3.1 井眼质量 241

7.3.2 钻井液性能 241

7.3.3 套管附件的使用 242

7.3.4 注水泥工程设计 242

7.3.5 水泥浆体系设计与测试 245

7.3.6 井眼准备 246

7.3.7 注水泥作业 248

7.4 水泥环失效对井筒完整性的影响 250

7.4.1 影响水泥环完整性的主要因素 250

7.4.2 强化与提高水泥环完整性的技术措施 255

7.5 井下作业与水泥环密封完整性 258

7.5.1 井下作业对水泥环的载荷 258

7.5.2 三轴应力状态下水泥石力学性能 260

7.5.3 水泥环失效准则 263

7.5.4 现场应用 264

第8章 井口及采油树、油管柱附件的完整性 268

8.1 井口及采油树 268

8.1.1 井口范畴及功能 268

8.1.2 采油树 269

8.1.3 井口及采油树系统选型 270

8.1.4 井口及采油树温度分级 274

8.1.5 井口及采油树产品规范级别 275

8.2 井下安全阀 277

8.3 封隔器 278

8.3.1 生产封隔器 278

8.3.2 尾管管外封隔器 279

8.4 橡胶材料性能评价实验 280

8.4.1 橡胶材料拉伸性能测试 280

8.4.2 橡胶材料抗压缩性能测试 282

8.4.3 橡胶材料硬度测试 283

8.4.4 橡胶材料腐蚀测试 284

第9章 环空带压诊断与环空腐蚀管理 287

9.1 完整性测试方案 287

9.1.1 概述 287

9.1.2 可接受的泄漏速度 287

9.1.3 泄漏途径测试 287

9.1.4 测压力值和稳压时间读取 287

9.1.5 钻完井作业中的注入测试 288

9.1.6 油气井筒屏障的性能测试 289

9.1.7 地层测试 289

9.1.8 油气井筒屏障的压力和性能测试的归纳 289

9.2 环空带压管控 290

9.2.1 环空带压的基本概念 290

9.2.2 环空带压的相关计算 291

9.2.3 环空带压诊断与管理 300

9.2.4 环空带压的监测方案 306

9.2.5 异常环空封闭压力缓冲技术 307

9.2.6 异常环空封闭压力释放技术 312

参考文献 315

附录：相关标准 316 2100433B

近年来随着高温高压、深井超深井、含H2S/CO2气井发生了一些由于井筒完整性问题引起的事故或环境与人身伤害，井筒完整性的理念、学术与技术思想，技术规范或标准才逐渐形成一个学术或技术方向。本书是国际上首部复杂油气藏井筒完整性与安全方面的专著，主要介绍了作者及其研究团队多年来在油气井井筒完整性理论、技术、工具或装备及标准等方面的研究成果，具有针对性、实用性、知识性较强的特点，面向研究、面向生产，力求能为广大油气领域科技工作者提供有益的借鉴。

中文名称

井筒安全道

英文名称

reserve way;escape way

定　　义

由井筒经井颈部通达地面的人行通道。

应用学科

煤炭科技（一级学科），矿井建设（二级学科），井巷工程设计（三级学科）

油气聚集在构造圈闭中，叫做构造油气藏。其共同的特点是：构造圈闭是由于地质构造运动形成的，构造

油气藏是分布最多的一类。其中又可分为背斜油气藏和断层圈闭油气藏。

背斜油气藏背斜油气藏

背斜油气藏是由于底层发生弯曲，向四周倾覆而形成的圈闭中的油气聚集。背斜油气藏在世界上发现的油气藏中占有相当的比例，约占总量的18.8%，是油气藏中最多最重要的一类，国内外已发现或已开发的油气田中，多数以背斜油气藏为主。而背斜油气藏按其构造成因又可分为：①与褶皱作用有关的挤压背斜油气藏。②基底隆起背斜油气藏。③逆牵引背斜(又叫滚动背斜)油气藏。

背斜油气藏断层油气藏

断层圈闭油气藏是指在储集层的上倾方向受断层遮挡而形成的圈闭。油气聚集在这类圈闭中，叫做断层圈闭油气藏。简称断层(或断块)油气藏。断层油气藏分布比较复杂，在多断层的构造断裂带内，形成许多大小不同的断块。断层的分隔性强，各断块之问的油、水分布自成系统，油井产量差别较大，给油气田的勘探和开发工作带来一定的复杂性。我国华北地区这类油田分布较多，如大港、胜利油田等都有一批类似的油田。

井筒立井

立井井筒基岩施工是指在表土层或风化岩层以下的井筒施工，根据井筒所穿过的岩层的性质，主要以采用钻眼爆破法施工为主。根据井筒掘砌作业方式的不同，井筒钻眼爆破法的主要施工工序包括钻眼爆破、抓岩提升、卸矸排矸和砌壁支护等。

我国立井井筒基岩施工机械化水平有了很大的提高。以深孔光爆、设备大型化、支护机械化和注浆堵水打干井为主要内容的凿井技术有了长足的发展。使我国立井井筒施工出现了一个崭新的面貌，为加快建井速度，改善劳动条件，提高工效提供了可靠的物质基础和技术保证。

1、钻眼工作

在整个钻眼爆破工作中，钻眼所占的工时最长。加快钻眼速度、加大眼深、提高眼孔质量，以及提高钻眼的机械化程度为其主要发展方向。为适应立井施工的要求，凿岩机应具有钻速高、扭矩大、适应性强和运转可靠的特点。

2、爆破工作

爆破工作主要包括爆破器材的选择和爆破参数的确定，并编制爆破图表和说明书。

3、装岩工作

装岩是立井井筒掘进循环中最重要的一项工作，它既费时又繁重，约占掘进总循环时间的50%～60%。因此，提高装岩效率和机械化水平是加快立井施工的关键。

4、提升及排矸

立井井筒施工中，为了排除井筒工作面的矸石、下放器材、设备以及提放作业人员，应在井内设置提升系统。这套提升系统稍加改装，还应能服务于车场巷道施工和井筒永久装备。凿井提升系统选择是否合理，不但直接影响凿井装矸作业和凿井施工速度，而且还会影响建井后期工作的顺利开展。

凿井提升系统由提升容器、钩头联接装置、提升钢丝绳、天轮、提升机以及提升所必备的导向稳绳和滑架等组成。凿井期间，提升容器以矸石吊桶为主，有时也采用如底卸式下料吊桶和下料框等容器。当转入车场和巷道施工时，提升容器则由吊桶改为凿井罐笼。

立井开凿时，为了悬挂吊盘、砌壁模板、安全梯、吊泵和一系列管路缆线，必须合理选用相应的悬吊设备。悬吊系统由钢丝绳、天轮及凿井绞车等组成。

井筒平巷

当巷道在薄煤层中掘进时，为了保证巷道的使用高度，必须挑顶或挖底。因此，在巷道断面上既有煤层，又有岩层。当岩层占掘进工作面积1/5～4/5 时，即称为煤－岩巷道。煤－岩巷道施工方法与岩巷和煤巷的施工方法基本相同。

1、钻眼爆破

钻眼爆破工作是一项主要工序，质量好坏，对巷道掘进进度、规格质量、支护效果、掘进工效和成本都有很大影响，因此必须采用最优的施工工艺参数，才能获得最佳的施工效果。

钻眼爆破的主要技术发展趋势是发展中深孔、光面爆破和断裂成型（刻槽）爆破技术。增加眼深，完善深孔直眼掏槽方式，减少炮眼数量，加快钻眼速度和提高爆破效率。现代工程是以每米巷道所需的钻爆工时最短、炮眼利用率最高和光爆质量标准评价施工效果。

2、装岩与运输

装载与运输是巷道掘进中劳动量大，占循环时间最长的工序，一般情况下它可占掘进循环时间的35%～50%。

70 年代以来，我国先后研制成功耙斗装岩机、侧卸式装岩机、蟹爪装岩机及立爪装岩机，其中根据煤矿特点研制的耙斗装岩机，因具有结构简单、制造容易、造价低、可靠性好和适应性强等优点，已成为当前我国煤矿巷道掘进的主要装载设备。

近些年来，配套的转载运输设备也在不断研究改善，先后出现了QZP-160 型桥式转载机、SJ-80与SJ-44 可伸缩胶带运输机、ZP-1 型胶带转载机等，以及S4、S6、S8 型梭式矿车和ILA、CCJ 型仓式列车以及5t 以上防爆型蓄电池电机车。以上多为从工作面运出矸石的设备，同时也发展了可向工作运输材料的胶带输送机、钢丝绳牵引卡轨车和钢丝绳牵引单轨吊车。

井筒斜井

到上世纪八十年代我国的斜井快速施工已形成了具有中国特色的机械化作业线和设备配套方式。作业方式和劳动组织进一步优化，工效进一步提高，施工技术取得较大发展。进入新世纪以后，伴随国家体制的改革和承包制的推行，斜井施工技术已进入一个崭新的阶段。

1、钻眼爆破

（1）凿岩机具的选择

斜井基岩掘进都采用中深孔全断面一次光面爆破和抛渣爆破。斜井钻眼采用导轨式凿岩机，虽然有助于实现深孔光爆，但凿岩台车的调车让位需要较长的时间；使用钻装机又不能使钻眼与装岩两大主要工序平行作业；生产的液压气腿式凿岩机，钻眼速度比较快，但其后部配备的工作车又影响装岩工作。

（2）爆破参数的确定

①炮眼深度

为实现中深孔爆破，炮眼深度一般为2.0～3.5m 之间。炮眼的平均深度应经试验来确定，根据工作实践来验证，最后定出合理的炮眼深度。

②炮眼数目

炮眼数量的多少，现场多根据斜井断面大小、岩石性质、炸药性能等进行试验或经验确定，在实践中进行调整，取得合理的炮眼数目。也可按平巷炮眼数目确定方法进行估算。

（3）掏槽方式和炮眼布置

实现中深孔光面爆破，必须采用直眼掏槽或直眼与斜眼混合方式。直眼掏槽，过去在金属矿山应用较广，主要用于坚硬岩石的掘进。

（4）装药结构和爆破技术

斜井掘进工作面中的炮眼都带有一定倾角，工作面一般都有积水。因此，必须使用抗水炸药。现场多采用水胶炸药或2 号抗水岩石硝铵炸药。为取得好的爆破效果，掏槽眼应采用高威力炸药连续反向装药，而周边眼应采用低威力炸药或小药径炸药连续反向装药，与平巷装药基本相同，只是底眼应加大装药量，最后起爆底眼，实现抛渣。

2、装岩提升

装岩与提升是斜井井筒掘进的主要环节，直接影响着掘进速度。二者占掘进循环的时间60%～70%，因此，国内外的斜井施工都强调装岩和提升的机械化程度及设备配套综合能力的发挥。

3、支护技术

斜井永久支护，上世纪七十年代前多采用料石砌碹和混凝土支架支护，广泛采用锚喷支护。采用锚喷支护时应重点解决好建立井口混凝土搅拌站、合理控制喷射工作风压、减少输料管的磨损和防止管道击穿、预防和处理管路堵塞等几个问题。