●章 井筒完整性綜述 1
1.1 井筒完整性表述的由來 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際行動 4
1.3.1 重大的井筒完整性失效案例 4
1.3.2 “深水地平線事件”後的井筒完整性國際性行動 5
1.3.3 井筒完整性標準的完善與發展 6
1.4 井筒完整性管理問題的復雜性 7
1.4.1 挪威北海井筒完整性失效統計 7
1.4.2 美國墨西哥灣外大陸架井筒完整性失效統計 7
1.5 油井筒完整性的風險評估 9
1.5.1 井筒完整性的風險 9
1.5.2 與井位和環境相關的風險 9
1.5.3 井口或井周意外溢出或井噴流出物 10
1.5.4 風險的定性評估 10
1.5.5 風險的定量評估 11
第2章 井筒屏障設計與風險管理 14
2.1 井筒屏障分類及功能 14
2.1.1 井筒屏障的概念 14
2.1.2 井筒屏障功能及分類 14
2.2 典型井的井筒屏障繫統 16
2.2.1 自流采油井或自流采氣井的井筒屏障及屏障繫統設置 16
2.2.2 緊急關井下的井筒屏障繫統 17
2.3 井筒管理 20
2.3.1 井筒描述所需的基礎數據 20
2.3.2 井筒描述 21
2.4 井筒屏障繫統風險及管控 22
2.4.1 井底結構對屏障完整性的影響 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險 24
2.4.3 高溫高壓井井筒屏障風險 26
2.4.4 油套環空封閉域屏障風險 29
2.4.5 套管-水泥環-地層封閉域屏障風險 30
2.4.6 井口封閉域屏障風險 31
2.5 井筒功能和失效模式 36
2.6 井筒服役的力學和腐蝕環境 37
2.6.1 油管柱及組件強度設計 37
2.6.2 油管柱各連接節點相容性 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 油套管柱強度設計與完整性管理 45
3.1 油管柱常規強度設計 45
3.1.1 油管柱服役工況的復雜性：腐蝕與環境敏感開裂 45
3.1.2 油管柱服役工況的復雜性：井下溫度壓力及力學環境 46
3.1.3 油管柱設計安全繫數 46
3.2 套管柱常規強度設計 47
3.2.1 常規強度設計內涵及要求 47
3.2.2 套管柱常規強度設計安全繫數 48
3.3 油套管強度 49
3.3.1 油套管強度標準的演變 49
3.3.2 非標準高強度套管 55
3.3.3 套管產品性能及風險管控 59
3.3.4 套管柱強度設計 63
3.4 高溫高壓氣井強度設計的特殊考慮 67
3.4.1 軸向力計算 67
3.4.2 有效內壓力計算 69
3.4.3 有效外擠力計算 77
3.5 腐蝕環境油套管柱強度設計 81
3.5.1 腐蝕環境應力水平概念 82
3.5.2 腐蝕環境強度設計安全繫數 82
3.5.3 降低應力水平的井身結構及管柱結構 84
3.6 考慮衝蝕、腐蝕的油管直徑選用 85
3.6.1 考慮油管衝蝕/腐蝕的平均流速計算 86
3.6.2 優選螺紋結構，防止螺紋衝蝕/腐蝕 87
3.7 考慮環空帶壓的完整性管理 87
3.8 油套管螺紋的密封和強度的完整性 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構及密封機理 93
3.8.4 油套管特殊螺紋潛在的失效風險 96
3.8.5 油套管特殊螺紋性能要求及檢測 98
第4章 高溫高壓氣井熱力學與井筒完整性 100
4.1 井筒熱力學與高溫高壓氣井管柱失效相關性 100
4.2 高溫環境管柱材料力學性能退化 101
4.2.1 常見材料類型 101
4.2.2 溫度對碳鋼和低合金鋼強度的影響 102
4.2.3 溫度對耐蝕合金（CRA）強度的影響 104
4.3 超深井管柱有效下深計算 108
4.3.1 阿基米德原理 109
4.3.2 實際深度計算 113
4.3.3 現場應用 115
4.4 不同作業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算 120
4.4.2 在壓裂、測試、井下作業等工況中的應用 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 屈曲計算 131
4.6 井筒傳熱學及熱力學分析計算模型 134
4.6.1 管內穩態流動模型 134
4.6.2 油套環空流動模型 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性能 139
4.6.5 模型求解 140
4.6.6 高產高溫氣井調產對井筒安全的影響 141
第5章 與腐蝕和環境敏感開裂相關的井筒完整性 142
5.1 腐蝕與環境敏感開裂對井筒完整性的影響 142
5.2 油氣井腐蝕 143
5.2.1 油氣井腐蝕介質 143
5.2.2 油氣井腐蝕環境 143
5.3 電化學腐蝕 144
5.3.1 腐蝕特點 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 流動與相變因素引起的腐蝕 150
5.4 環境敏感斷裂 151
5.4.1 環境敏感斷裂概念 151
5.4.2 環境敏感開裂類型 152
5.4.3 應力腐蝕開裂機理 156
5.5 油氣井工作流體的腐蝕和環境敏感開裂 158
5.5.1 油氣井工作流體範疇 158
5.5.2 酸液腐蝕 158
5.5.3 注入水腐蝕 159
5.5.4 注氣開發腐蝕 159
5.5.5 套管間環空滯留鑽井液腐蝕 160
5.6 環空保護液的腐蝕與環境敏感開裂 161
5.6.1 環空保護液的腐蝕與環境敏感開裂的復雜性 161
5.6.2 環空保護液功能與設計的基本要求 161
5.6.3 環空保護液類型及與金屬材料的相容性 162
5.6.4 環空保護液導致應力腐蝕開裂的現場案例 165
5.7 套管腐蝕管理 167
5.7.1 套管外環空腐蝕問題的復雜性 167
5.7.2 套管環空腐蝕管理 168
5.7.3 套管腐蝕監測 171
5.8 應力腐蝕開裂實驗方法及表征參量 171
5.8.1 應力腐蝕開裂實驗標準 171
5.8.2 硫化氫環境應力腐蝕開裂實驗方法 172
5.8.3 硫化物應力開裂SSC 實驗設定的腐蝕介質 175
5.8.4 硫化物應力開裂SSC 實驗不通過的折中處理 177
5.9 硫化氫環境油套管材料的選用 178
5.9.1 硫化物應力開裂和應力腐蝕開裂選材標準體繫 178
5.9.2 材料選用總體方案 178
5.9.3 基於現場經驗的材料選用 180
5.9.4 硫化氫酸性環境，硫化物應力開裂為主控因素的碳鋼材料選用 180
5.10 二氧化碳腐蝕環境油套管材料的選用 185
5.10.1 二氧化碳環境碳鋼油套管材料的選用 185
5.10.2 二氧化碳環境不鏽鋼油套管材料的選用標準 186
5.10.3 高含H2S 和CO2 腐蝕環境鎳基合金油套管材料的選用 194
5.10.4 惡劣腐蝕環境鈦及鈦合金油套管材料 200
5.11 油氣井腐蝕環境組分、pH 和溶液濃度換算 203
5.11.1 天然氣組分的相關換算 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 與井筒相變動力學相關的風險源 211
6.2 鑽井過程液體 212
6.2.1 當量靜態密度（ESD） 212
6.2.2 當量循環密度（ECD） 214
6.3 注水泥過程液體 214
6.3.1 設計原則 214
6.3.2 環空流體結構選擇 215
6.3.3 平衡壓力校核 215
6.3.4 注水泥失重與氣竄評價方法 215
6.4 超臨界硫化氫、二氧化碳對液體的影響 222
6.4.1 臨界現像描述 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 水泥環的密封完整性 235
7.1 注水泥及水泥環密封完整性相關標準 235
7.1.1 中國石油天然氣行業固井技術標準 235
7.1.2 API/ISO 固井技術標準 235
7.1.3 固井注水泥功能 236
7.1.4 中國與API/ISO 固井水泥返深技術標準的差異 236
7.2 注水泥對井筒完整性的影響 238
7.2.1 注水泥過程環空壓力平衡破壞的影響 239
7.2.2 注水泥候凝期間環空壓力平衡破壞的影響 240
7.2.3 環空水泥環膠結密封失效 240
7.3 保證注水泥質量的關鍵技術 241
7.3.1 井眼質量 241
7.3.2 鑽井液性能 241
7.3.3 套管附件的使用 242
7.3.4 注水泥工程設計 242
7.3.5 水泥漿體繫設計與測試 245
7.3.6 井眼準備 246
7.3.7 注水泥作業 248
7.4 水泥環失效對井筒完整性的影響 250
7.4.1 影響水泥環完整性的主要因素 250
7.4.2 強化與提高水泥環完整性的技術措施 255
7.5 井下作業與水泥環密封完整性 258
7.5.1 井下作業對水泥環的載荷 258
7.5.2 三軸應力狀態下水泥石力學性能 260
7.5.3 水泥環失效準則 263
7.5.4 現場應用 264
第8章 井口及采油樹、油管柱附件的完整性 268
8.1 井口及采油樹 268
8.1.1 井口範疇及功能 268
8.1.2 采油樹 269
8.1.3 井口及采油樹繫統選型 270
8.1.4 井口及采油樹溫度分級 274
8.1.5 井口及采油樹產品規範級別 275
8.2 井下安全閥 277
8.3 封隔器 278
8.3.1 生產封隔器 278
8.3.2 尾管管外封隔器 279
8.4 橡膠材料性能評價實驗 280
8.4.1 橡膠材料拉伸性能測試 280
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