第二章 套管柱设计与固井

1、1 完完 井井 工工 程程 Well Completion Engineering 石油工程学院石油工程学院 石油工程本科班 2 oil zone 中间套管中间套管 (技术套管技术套管) 表层套管表层套管 生产套管生产套管 (油层套管油层套管) 主要内容主要内容: 1.套管柱设计套管柱设计 2.油井水泥和注油井水泥和注 水泥水泥 3.生产套管的损生产套管的损 坏与防护坏与防护 一开一开 二开二开 三开三开 第二章第二章 套管柱设计与固井套管柱设计与固井 3 井身结构井身结构油井基础，全井骨架油井基础，全井骨架 固井工程固井工程套管柱设计和注水泥套管柱设计和注水泥 不仅关系全井能否顺利钻进完井，

2、不仅关系全井能否顺利钻进完井， 而且关系能否顺利生产和寿命。而且关系能否顺利生产和寿命。 2006年年3月月25日，重庆开县罗家日，重庆开县罗家2井，井， 套管破损，地下井漏，套管破损，地下井漏， H2S喷出，喷出， 12000人紧急疏散，人紧急疏散，2口井报废口井报废。 第二章第二章 套管柱设计与固井套管柱设计与固井 4 70年代以来，我国油气田套管损坏现象十分严重。 1998年底大庆、吉林、中原、胜利、辽河等10多油田套损 井达14000多口，若按每口井较低成本150万元计，仅套损直 接损失210亿元，还不计油井损坏停产损失。 2005年，套损严重油田累计套损井数和占投产井数比例： 大庆：

3、8976口，占16%以上； 吉林：2861口，占30%以上； 胜利：3000多口，占多口，占10%以上以上； 中原：占投产井数投产井数23.3%； 并且各油田套损井数有上升趋势。 第二章第二章 套管柱设计与固井套管柱设计与固井 5 一、套管和套管柱一、套管和套管柱 套管：套管：优质钢材制成的无缝管或焊接管，一端为公扣，直接优质钢材制成的无缝管或焊接管，一端为公扣，直接 车在管体上；一端为带母扣的套管接箍。车在管体上；一端为带母扣的套管接箍。 第一节第一节 套管柱设计套管柱设计 表征套管的主要特性参数有表征套管的主要特性参数有套管尺寸、钢级和壁厚套管尺寸、钢级和壁厚 6 一、套管和套管柱一、套管

4、和套管柱 套管尺寸：套管尺寸： 又称名义外径、公称直径等，是指套管本体的外又称名义外径、公称直径等，是指套管本体的外 径；径；API标准，共标准，共14 种尺寸。种尺寸。 第一节第一节 套管柱设计套管柱设计 7 一、套管和套管柱一、套管和套管柱 套管的钢级套管的钢级: API标准规定套管本体的钢材应达到规定的强度，标准规定套管本体的钢材应达到规定的强度， API标准，标准， 8种种10级级 H-40, J-55, K-55, C-75, L-80, N-80, C- 90, C-95, P-110, Q-125 其中，其中，字母字母只是标识，只是标识，数字数字代表套管的强度。代表套管的强度。

5、如：如： N-80套管，最小屈服强度套管，最小屈服强度=80 kpsi=551.58MPa 套管的壁厚套管的壁厚: 套管本体处管体的厚度，壁厚：套管本体处管体的厚度，壁厚： 5.2116.13 mm 关系套管的线重，指套管单位长度的质量关系套管的线重，指套管单位长度的质量 第一节第一节 套管柱设计套管柱设计 8 APIAPI套管规范及强度套管规范及强度(5(5寸套管寸套管) )甲方钻井手册甲方钻井手册P192P192 第一节第一节 套管柱设计套管柱设计 9 一、套管和套管柱一、套管和套管柱 套管柱：套管柱：由同一外径、不同钢级、不同壁厚的套管用接箍联接由同一外径、不同钢级、不同壁厚的套管用接箍

6、联接 组成的管柱，组成的管柱， 特殊情况下也使用无接箍套管柱特殊情况下也使用无接箍套管柱 联接是由螺纹来实现的，是套管质量和强度检验的联接是由螺纹来实现的，是套管质量和强度检验的 重点。重点。 套管螺纹都是锥形螺纹，套管螺纹都是锥形螺纹，API规范中分为五大类，规范中分为五大类，API 标准和标准和 非非API标准标准。 类数类数标准标准名称名称符号或代号符号或代号 1 API标准标准 短圆螺纹短圆螺纹STC/ CSG/ C1 2长圆螺纹长圆螺纹LTC/ LCSG/ C2 3梯形螺纹梯形螺纹BTC/ BCSG/ C33 4直连形螺纹直连形螺纹XL/ XCSG/ CHX 5非非API标准标准特殊

7、螺纹特殊螺纹 / 第一节第一节 套管柱设计套管柱设计 10 二、套管柱载荷分析及套管强度二、套管柱载荷分析及套管强度 套管柱在井内所受外载复杂，不同时期（下套管、注水泥、套管柱在井内所受外载复杂，不同时期（下套管、注水泥、 后期开采等）、不同地层和地质条件下套管柱受力也不同。后期开采等）、不同地层和地质条件下套管柱受力也不同。 盐岩层对套管柱的压力梯度要按上覆岩石的压力梯度计算；盐岩层对套管柱的压力梯度要按上覆岩石的压力梯度计算； 在酸化压裂时承受的内压力与正常采油时的压力就不同；在酸化压裂时承受的内压力与正常采油时的压力就不同； 在易坍塌油层生产的前、中、后期对套管柱的外挤压力也不同在易坍塌

8、油层生产的前、中、后期对套管柱的外挤压力也不同 长期生产实践证明，影响套管柱的基本载荷主要有以下几长期生产实践证明，影响套管柱的基本载荷主要有以下几 种：种： 轴向载荷；外挤压力；内压力。 其它载荷如套管弯曲载荷、振动载荷等都考虑至安全系数中 第一节第一节 套管柱设计套管柱设计 11 自重引起的拉力自重引起的拉力 Fm， ，在井口最大 在井口最大 qmi 第 I 种套管在钻井液中单位长度的重力，N/m ; Li 第 I 种套管的长度， m ； n 组成套管柱的套管种类（钢级、厚度）。 套管弯曲引起的附加拉力套管弯曲引起的附加拉力 Fbd， ，在井斜狗腿较大 在井斜狗腿较大 经验公式经验公式 ：

9、 KN Dco套管外径，cm ；Ac 套管截面积，cm2 ； 每25m 井斜角的变化，0/ 25m 定向井、水平井及大狗腿直井中，应考虑弯曲附加拉力。定向井、水平井及大狗腿直井中，应考虑弯曲附加拉力。 33 11 (1)1010 nn d miimii ii s Fq LqLKN 0.073 bdcoc FDA 1、轴向载荷及套管抗拉强度、轴向载荷及套管抗拉强度 第一节第一节 套管柱设计套管柱设计 12 注水泥引起的附加拉力注水泥引起的附加拉力 Fc KN 其它附加拉力其它附加拉力 上提或下放套管的动载、井壁摩擦力等；上提或下放套管的动载、井壁摩擦力等； 一般在安全系数中考虑。一般在安全系数中

10、考虑。 n套管的抗拉强度套管的抗拉强度 套管所受轴向拉力一般在井口最大套管所受轴向拉力一般在井口最大 拉应力破坏形式：拉应力破坏形式：脱扣、本体拉断脱扣、本体拉断 通常用套管抗滑扣力表示套管抗拉强度通常用套管抗滑扣力表示套管抗拉强度 h 管内水泥浆高管内水泥浆高，m； m水泥浆密度，水泥浆密度，g/cmg/cm3 3； d钻井液密度，钻井液密度，g/cm3； dci 套管内径，套管内径，cm。 ci dm c d h F 2 41000 )( 第一节第一节 套管柱设计套管柱设计 13 2、外挤载荷及套管抗外挤强度、外挤载荷及套管抗外挤强度 （1）外挤压力）外挤压力主要载荷：主要载荷： 一般情况

11、下按套管内部全掏空时管外压力计算：一般情况下按套管内部全掏空时管外压力计算： MPa 高塑性岩石，按上覆岩层压力计算，梯度高塑性岩石，按上覆岩层压力计算，梯度 2327kPa/m。 0.00981 ocd pD 管外液柱压力管外液柱压力 地层中流体压力地层中流体压力 高塑性岩石侧向挤压力高塑性岩石侧向挤压力 地质构造应力等地质构造应力等 第一节第一节 套管柱设计套管柱设计 14 套管内全掏空 载荷 井 深 套管内载荷套管内载荷套管外载荷套管外载荷 载荷 井 深 有效外载荷有效外载荷 套管内液面套管内液面 载荷 井 深 井身结构 第一节第一节 套管柱设计套管柱设计 15 2、外挤载荷及套管抗外挤

12、强度、外挤载荷及套管抗外挤强度 （2）套管抗挤强度：）套管抗挤强度：指挤毁套管试件需要的最大外挤压力。指挤毁套管试件需要的最大外挤压力。 外挤作用下破坏形式：外挤作用下破坏形式： 根据现有套管尺寸，绝大部分是失稳破坏，其根据现有套管尺寸，绝大部分是失稳破坏，其抗挤强度抗挤强度可可 在钻井手册或套管手册中查得。在钻井手册或套管手册中查得。 径厚比大时，失稳破坏径厚比大时，失稳破坏( (失圆、挤扁失圆、挤扁) ) 径厚比小时，强度破坏径厚比小时，强度破坏 失稳后的套管被挤扁（轻者）或破裂，使钻头或其它井下工 作不能通过，地层封隔遭到破坏，将被迫停钻或停产，套管 损坏严重者油气井报废。 第一节第一节

13、 套管柱设计套管柱设计 16 （3）有轴向载荷时的套管抗挤强度（双向应力）有轴向载荷时的套管抗挤强度（双向应力） 套管内微小单元，外载作用下产生三向应力套管内微小单元，外载作用下产生三向应力 由第四强度理论：由第四强度理论： 对于薄壁管，对于薄壁管， 可忽略，变为双向应力问题。可忽略，变为双向应力问题。 变换为椭圆方程：变换为椭圆方程： 按拉为正、压为负，椭圆形方程。按拉为正、压为负，椭圆形方程。 1 2 22 s tz s t s z 椭圆图上椭圆图上, , 百分比为纵坐标百分比为纵坐标, , 百分比为横坐标百分比为横坐标. . )()()( 2 1 222 rzztrts 第一节第一节 套

14、管柱设计套管柱设计 17 轴向受压轴向受压 抗内压强度降低抗内压强度降低 轴向拉力轴向拉力 抗内压强度增加抗内压强度增加 轴向受压轴向受压 抗挤强度增加抗挤强度增加 轴向拉力轴向拉力 抗挤强度降低抗挤强度降低 第一节第一节 套管柱设计套管柱设计 18 由强度条件的双向应力椭圆可以看出由强度条件的双向应力椭圆可以看出: 第一象限第一象限: 轴向拉伸与内压联合作用轴向拉伸与内压联合作用 轴向拉力轴向拉力 抗内压强度增加抗内压强度增加. 第二象限第二象限: 轴向压缩与内压联合作用轴向压缩与内压联合作用 轴向受压轴向受压 抗内压强度降低抗内压强度降低. 第三象限第三象限: 轴向压缩与外挤联合作用轴向压

15、缩与外挤联合作用 轴向受压轴向受压 抗外挤强度增加抗外挤强度增加. 第四象限第四象限: 轴向拉伸与外挤联合作用轴向拉伸与外挤联合作用 轴向拉力轴向拉力 抗外挤强度降低抗外挤强度降低（需考虑）（需考虑） 第一节第一节 套管柱设计套管柱设计 19 当存在轴向拉应力时，套管抗挤强度可采用近似公式：当存在轴向拉应力时，套管抗挤强度可采用近似公式： (1.030.74) m ccc s F pp F Fm轴向拉力，轴向拉力， KN； Fs管体屈服强度，管体屈服强度，KN； Pcc存在轴向拉应力时的最大允许抗挤强度。存在轴向拉应力时的最大允许抗挤强度。 Pc和和Fs均可由套管手册查出，当均可由套管手册查出

16、，当Fm/Fs在在0.1-0.5范围内，范围内， 上式计算值与理论值相比误差在上式计算值与理论值相比误差在2%以内。以内。 ，MPa 第一节第一节 套管柱设计套管柱设计 20 考虑管外平衡压力，一般井口内压最大。考虑三种最危险情况：考虑管外平衡压力，一般井口内压最大。考虑三种最危险情况： 套管内完全充满天然气并关井时的内压力；套管内完全充满天然气并关井时的内压力； 以井口装置承压能力作为套管在井口所受的内压力；以井口装置承压能力作为套管在井口所受的内压力； 以套管鞋处的地层破裂压力值确定井口内压力。以套管鞋处的地层破裂压力值确定井口内压力。 实际设计时，通常按套管内完全充满天然气时计算。实际设

17、计时，通常按套管内完全充满天然气时计算。 4 1.1155 10 gas i GD p p e 井底气压，井底气压，Mpa G 天然气与空气密度比天然气与空气密度比,0.55 gas p )( ffi GGDp f f G G 套管鞋处破裂压力梯度，套管鞋处破裂压力梯度，Mpa/m ； 附加系数，取附加系数，取0.0012 Mpa/m 。 3、内压载荷及套管抗内压强度、内压载荷及套管抗内压强度 第一节第一节 套管柱设计套管柱设计 套管内全掏空 载荷 井 深 载荷 井 深 套管内压载荷套管内压载荷套管外载荷套管外载荷 载荷 井 深 有效内压载荷有效内压载荷 套管内液面套管内液面 井身结构 第一节

18、第一节 套管柱设计套管柱设计 套管内部分掏空 载荷 井 深 载荷 井 深 套管内压载荷套管内压载荷套管外载荷套管外载荷 载荷 井 深 有效内压载荷有效内压载荷 套管内液面 井底 井身结构 第一节第一节 套管柱设计套管柱设计 23 （2）套管抗内压强度）套管抗内压强度 内压载荷下的主要破坏形式：爆裂、丝扣密封失效内压载荷下的主要破坏形式：爆裂、丝扣密封失效 抗内压强度可由钻井手册或套管手册查得抗内压强度可由钻井手册或套管手册查得 （3）套管的腐蚀）套管的腐蚀 原因：原因：在地下与腐蚀性流体接触在地下与腐蚀性流体接触 破坏形式：破坏形式：管体的有效厚度减小，套管承载力降低，钢材管体的有效厚度减小，

19、套管承载力降低，钢材 性质变化性质变化 引起套管腐蚀的引起套管腐蚀的主要介质主要介质有：气体或液体中的硫化氢、溶有：气体或液体中的硫化氢、溶 解氧、二氧化碳解氧、二氧化碳 抗硫套管：抗硫套管：API套管系列中的套管系列中的 H K J C L级套管。级套管。 第一节第一节 套管柱设计套管柱设计 24 第一节第一节 套管柱设计套管柱设计 25 三、套管柱强度设计三、套管柱强度设计 目的：目的： 确定合理套管确定合理套管钢级钢级、壁厚壁厚以及每种套管以及每种套管井深区间井深区间。 1、设计原则、设计原则 满足强度要求，在任何危险截面上都应满足下式：满足强度要求，在任何危险截面上都应满足下式： 套管

20、强度套管强度 外载外载安全系数安全系数 应满足钻井作业、油气开发和产层改造需要应满足钻井作业、油气开发和产层改造需要 承受外载时应有一定储备能力承受外载时应有一定储备能力 经济性要好，多选择经济性要好，多选择23种钢级、种钢级、23种壁厚，不能过多种壁厚，不能过多 安全系数安全系数 抗外挤安全系数抗外挤安全系数 Sc=1.0 抗内压安全系数抗内压安全系数 Si=1.1 套管抗拉强度（抗滑扣）安全系数套管抗拉强度（抗滑扣）安全系数St=1.8 第一节第一节 套管柱设计套管柱设计 26 2、常用套管柱设计方法、常用套管柱设计方法 （1）等安全系数法）等安全系数法 各危险截面最小安全系数等于或大于规

21、定的安全系数。各危险截面最小安全系数等于或大于规定的安全系数。 下部抗挤设计，水泥面上按双向应力；上部满足抗拉和抗内压下部抗挤设计，水泥面上按双向应力；上部满足抗拉和抗内压 （2）边界载荷法（拉力余量法）边界载荷法（拉力余量法） 在抗拉设计时，套管柱上下考虑同一个拉力余量。在抗拉设计时，套管柱上下考虑同一个拉力余量。 （3）另最大载荷法、）另最大载荷法、AMOCO法、西德法、西德BEB法及前苏联方法等。法及前苏联方法等。 第一节第一节 套管柱设计套管柱设计 27 3、各层套管柱的设计特点、各层套管柱的设计特点 特点：下入的深度浅；在其顶部安装有套管头，要承受以 下各层套管的部分或全部重量；安装

22、有防喷器、采油树等。 侧重点：主要考虑内压设计。（井喷关井时情况最为严重） 表套表套 特点：下入的深度较深；隔离和封隔各种复杂地层；在井 喷时承受较大内压；具有较强的耐磨性。 侧重点：抗拉，抗内压（井喷关井），抗外挤（下入井深） 技套技套 特点：下入深度大，在其中下入油管，特别注意后期生产 可能出现的各种情况。 侧重点：抗拉（下入深），抗外挤（下入深），抗内压 （后期生产） 油套油套 第一节第一节 套管柱设计套管柱设计 28 （1）基本设计思路（自下而上）基本设计思路（自下而上） 计算可能出现最大内压力，筛选符合抗内压强度套管计算可能出现最大内压力，筛选符合抗内压强度套管 下部套管段按抗挤设计

23、，上部按抗拉设计，各危险断下部套管段按抗挤设计，上部按抗拉设计，各危险断 面最小安全系数要大于或等于规定值。面最小安全系数要大于或等于规定值。 通式：通式：套管强度套管强度 外载外载安全系数安全系数 水泥面以上套管抗挤强度考虑双向应力影响水泥面以上套管抗挤强度考虑双向应力影响 轴向拉力通常按套管在空气中的重力计算；轴向拉力通常按套管在空气中的重力计算； 当考虑双向应力时，按浮重计算。当考虑双向应力时，按浮重计算。 第二节第二节 套管柱设计套管柱设计 4、套管柱设计的等安全系数法、套管柱设计的等安全系数法 29 第二节第二节 注水泥技术注水泥技术 注水泥：注水泥：从井口经套管柱将水泥浆注入井壁与

24、套管柱从井口经套管柱将水泥浆注入井壁与套管柱 环空，将套管柱和地层岩石固结起来的过程环空，将套管柱和地层岩石固结起来的过程 注水泥目的：注水泥目的：固定套管固定套管+ +封隔井内的油气水层封隔井内的油气水层 油井水泥油井水泥 水泥浆性能水泥浆性能 注水泥设备与工艺注水泥设备与工艺 注水泥设计与计算注水泥设计与计算 提高注水泥质量措提高注水泥质量措 施施 本本 节节 内内 容容 注注 水水 泥泥 技技 术术 内内 容容 选择水泥选择水泥 设计水泥浆性能设计水泥浆性能 选择水泥外加剂选择水泥外加剂 井眼准备井眼准备 注水泥工艺设计注水泥工艺设计 第二章第二章 套管柱设计与固井套管柱设计与固井 30

25、 注水泥基本要求注水泥基本要求 （1）水泥浆）水泥浆返高返高和管内水泥塞和管内水泥塞高度高度符合设计要求符合设计要求 （2）注水泥段环空钻井液全被水泥浆替换，）注水泥段环空钻井液全被水泥浆替换，无残留无残留 （3）水泥石与套管及井壁）水泥石与套管及井壁胶结强度胶结强度足够，耐酸化足够，耐酸化 压裂及冲击。压裂及冲击。 （4）凝固后管外不冒油、气、水，环空内各压力）凝固后管外不冒油、气、水，环空内各压力 体系体系不互窜不互窜。 （5）水泥石能经受油、气、水）水泥石能经受油、气、水长期侵蚀长期侵蚀。 第二节第二节 注水泥技术注水泥技术 固井的特点固井的特点 （1）是一次性工程）是一次性工程（经常无

26、法采取补救措施）（经常无法采取补救措施） （2）是隐蔽性工程）是隐蔽性工程（看不见摸不着）（看不见摸不着） （3）一项复杂工程）一项复杂工程（工期短，工序多，技术强）（工期短，工序多，技术强） （4）花钱多的工程）花钱多的工程（投入大）（投入大） （5）是钻井工程和完井工程中的一道关键工序）是钻井工程和完井工程中的一道关键工序 （油井百年大计，固井质量第一）（油井百年大计，固井质量第一） 第二节第二节 注水泥技术注水泥技术 32 一、油井水泥一、油井水泥 波特兰波特兰(Portland)水泥（硅酸盐水泥）的一种。水泥（硅酸盐水泥）的一种。 对油井水泥的基本要求：对油井水泥的基本要求： （1）配

27、浆性好，在规定时间内保持流动性；）配浆性好，在规定时间内保持流动性； （2）在井下温度及压力下性能稳定；）在井下温度及压力下性能稳定； （3）在规定时间内凝固并达到一定强度；）在规定时间内凝固并达到一定强度； （4）能和外加剂相配合，调节各种性能；）能和外加剂相配合，调节各种性能； （5）水泥石具有很低的渗透性。）水泥石具有很低的渗透性。 第二节第二节 注水泥技术注水泥技术 33 1、油井水泥的主要成分、油井水泥的主要成分 （1）硅酸三钙）硅酸三钙 水泥的主要成分，一般的含量为水泥的主要成分，一般的含量为40%65% 对水泥强度，尤其是对水泥强度，尤其是早期早期强度有较大影响强度有较大影响 高

28、早期强度水泥中含高早期强度水泥中含60%65%， 缓凝水泥中含缓凝水泥中含40%45% （2）硅酸二钙）硅酸二钙 含量一般在含量一般在24%30%之间之间 水化反应慢水化反应慢 ，强度增长慢；对水泥，强度增长慢；对水泥最终最终强度有影响。强度有影响。 )(3 32 SCSiOCaO简称 )(2 22 SCSiOCaO简称 第二节第二节 注水泥技术注水泥技术 34 （3）铝酸三钙）铝酸三钙 促进水泥快速水化，决定促进水泥快速水化，决定水泥初凝和稠化时间水泥初凝和稠化时间 对水泥浆的流变性及早期的强度有较大的影响对水泥浆的流变性及早期的强度有较大的影响 对硫酸盐极为敏感对硫酸盐极为敏感 对于有较高

29、的早期强度的水泥，其含量可达对于有较高的早期强度的水泥，其含量可达15% （4）铁铝酸四钙）铁铝酸四钙 对强度影响较小，水化速度仅次于对强度影响较小，水化速度仅次于 早期强度增加较快，含量为早期强度增加较快，含量为8% 12% 除了以上四种成分外，还有石膏、碱金属的氧化物等。除了以上四种成分外，还有石膏、碱金属的氧化物等。 )(3 332 ACOAlCaO简称 )(4 432322 AFCOFeOAlCaO简称 AC3 第二节第二节 注水泥技术注水泥技术 35 2、水泥的水化、水泥的水化 水泥与水混成水泥浆后，发生化学反应，生成各种水化物，水泥与水混成水泥浆后，发生化学反应，生成各种水化物，

30、逐渐由液态变为固态，使水泥硬化和凝结，形成水泥石。逐渐由液态变为固态，使水泥硬化和凝结，形成水泥石。 （1）水泥的水化反应）水泥的水化反应 水泥的主要成分与水发生的水化反应为：水泥的主要成分与水发生的水化反应为： 22222 2222 232232 23232232232 322() 22 3636 4736 CaO SiOH OCaO SiO H O Ca OH CaO SiOH OCaO SiO H O CaO Al OH OCaO Al OH O CaO Al OFe OH OCaO Al OH O CaO Fe O H O 其他二次反应，生成物有硅酸盐水化产物及氢氧化钙等；其他二次反应

31、，生成物有硅酸盐水化产物及氢氧化钙等； 在反应过程中，各种水化产物均逐渐凝聚，使水泥硬化。在反应过程中，各种水化产物均逐渐凝聚，使水泥硬化。 第二节第二节 注水泥技术注水泥技术 36 （2）水泥凝结与硬化）水泥凝结与硬化 水泥硬化分为三个阶段：水泥硬化分为三个阶段：溶胶期，凝结期，硬化期溶胶期，凝结期，硬化期 水泥石主要由三部分组成：水泥石主要由三部分组成： 无定性物质（水泥胶），晶体结构，互连成整体。无定性物质（水泥胶），晶体结构，互连成整体。 氢氧化钙晶体，是水化反应的产物氢氧化钙晶体，是水化反应的产物 未水化的水泥颗粒未水化的水泥颗粒 第二节第二节 注水泥技术注水泥技术 37 3、油井水

32、泥分类、油井水泥分类 （1）API水泥分类：水泥分类： A-H八级八级 A级级 ： 01828.8 m ,中热，温度中热，温度76.7 0C B级：级： 01828.8 m ,中热，温度中热，温度76.7 0C，中高抗硫中高抗硫两种两种 C级：级： 01828.8 m , 76.7 0C ，高早期强度，高早期强度，普通、中高抗硫普通、中高抗硫 D级级 ： 1828.8 3050m , 76127 0C ，中温中压，中温中压，中高抗硫中高抗硫 E级级 ： 3050 4270m , 76143 0C ，高温高压，高温高压，中高抗硫中高抗硫两种两种 F级级 ：3050 4880m , 110160

33、0C ，超高温超高压超高温超高压， 中高抗硫中高抗硫 G级和级和H级级 ：0 2440m , 093 0C ， 中、高抗硫中、高抗硫两种两种 第二节第二节 注水泥技术注水泥技术 38 APIAPI 级级 别别 使用深度使用深度 范围范围m m 类类 型型 备备 注注 普普 通通 抗硫酸盐型抗硫酸盐型 中中高高 A A 0 018301830 普通水泥，无特殊性能要求普通水泥，无特殊性能要求 B B中热水泥，中和高抗硫酸盐型中热水泥，中和高抗硫酸盐型 C C早强水泥，分普通、中和高抗硫酸盐型早强水泥，分普通、中和高抗硫酸盐型 D D1830183030503050用于中温中压条件，分中和高抗硫酸

34、盐型用于中温中压条件，分中和高抗硫酸盐型 E E3050305042704270 基质水泥加缓凝剂，高温高压条件，分中和高抗硫基质水泥加缓凝剂，高温高压条件，分中和高抗硫 酸盐型酸盐型 F F3050305048804880 基质水泥加缓凝剂，超高压、高温用，分中和高抗基质水泥加缓凝剂，超高压、高温用，分中和高抗 硫酸盐型硫酸盐型 G G 0 024402440 基质水泥，分中和高抗硫酸盐型基质水泥，分中和高抗硫酸盐型 H H APIAPI水泥使用范围水泥使用范围 第二节第二节 注水泥技术注水泥技术 39 （2）国产以温度系列为标准的油井水泥）国产以温度系列为标准的油井水泥 检验项目及类别检验

35、项目及类别 水水 泥泥 分分 类类 4545C C水泥水泥7575C C水泥水泥9595C C水泥水泥120120C C水泥水泥 适用井深适用井深/m/m0 015001500150015002500250025002500350035003500350050005000 MgMg含量含量/ /5 55 55 56 6 SOSO3 33.53.53.53.53 33 3 细度细度(0.08mm(0.08mm筛筛)/)/筛余筛余1515151515151515 安定性安定性( (沸煮法沸煮法) )合格合格合格合格合格合格合格合格 静止流动度静止流动度/mm/mm20020020020018018

36、0180180 水泥浆流动度水泥浆流动度/mm/mm240240240240220220220220 水泥浆密度水泥浆密度/(g/(gcmcm-3 -3) ) 1.851.850.020.021.851.850.020.021.851.850.020.021.851.850.020.02 自由水自由水( (析水析水)/)/1.01.01.01.01.01.01.04.048h4.0 （抗折）（抗折） 不低于不低于4.04.03.53.5 常压常压48h48h （抗折）（抗折） 不低于不低于3.53.5 常压常压48h48h （抗折）（抗折） 120 120 C C养护压力养护压力 2.1MPa

37、2.1MPa 抗压强度抗压强度 48h15MPa48h15MPa 第二节第二节 注水泥技术注水泥技术 40 第二节第二节 注水泥技术注水泥技术 二、水泥浆性能二、水泥浆性能 1、水泥浆基本参数、水泥浆基本参数 水泥浆密度 水泥浆稠化时间 水泥浆的失水 水泥浆凝结时间 水泥石强度和抗蚀性 水泥石渗透率 41 水泥浆密度水泥浆密度 干水泥密度 3.053.20 水泥完全水化所需要的水为水泥重量的20%左右 使水泥浆能流动加水量应达到水泥重量45% 50% 水泥浆密度 1.80 1.90 之间 水灰比：水与干水泥重量之比。 水泥浆稠化时间水泥浆稠化时间 水泥浆从配制开始到其稠度达到其规定值所用的时间

38、。水泥浆从配制开始到其稠度达到其规定值所用的时间。 API标准：开始混拌到稠度达 100 BC 所用时间。 初始15 30 min 内，稠化值应小于30 BC， 现场总施工时间内，稠度在50 BC以内。 3 /cmg 3 /cmg 第二节第二节 注水泥技术注水泥技术 42 水泥浆失水：水泥浆失水：用30 min 失水量表示。未处理：100ml/30min 水泥浆凝结时间：水泥浆凝结时间：从液态转变为固态的时间。 封固表层及技术套管，需早期较高强度，以便下道工序； 侯凝 8 h左右，开始凝结为水泥石，抗压强度 2.3MPa 以上。 y水泥石强度水泥石强度 能支撑和加强套管；能承受钻柱的冲击载荷

39、能承受射孔、酸化压裂等增产措施作业压力，API规定，射孔程 度水泥石抗压强度大于13.8MPa z水泥石的抗蚀性水泥石的抗蚀性 主要应能抗硫酸盐腐蚀。控制C3A含量，低于3%。加入矿渣、 石英砂等提高抗硫的能力。 第二节第二节 注水泥技术注水泥技术 43 2、水泥外加剂、水泥外加剂 （1）加重剂：）加重剂：重晶石重晶石 、赤铁粉等，使水泥浆密度达、赤铁粉等，使水泥浆密度达 2.3 （2）减轻剂：）减轻剂：硅藻土、粘土粉、沥青粉、玻璃微珠、火山灰等。硅藻土、粘土粉、沥青粉、玻璃微珠、火山灰等。 可使水泥可使水泥 浆的密度降到浆的密度降到 1.45 （3）缓凝剂：）缓凝剂：丹宁酸钠、酒石酸、硼酸、

40、铁铬木质素磺酸钠、丹宁酸钠、酒石酸、硼酸、铁铬木质素磺酸钠、 羧甲基羟乙羧甲基羟乙 基纤维素等。基纤维素等。 （4）促凝剂：）促凝剂：氯化钙、硅酸钠、氯化钾等氯化钙、硅酸钠、氯化钾等 （5）减阻剂：）减阻剂：奈磺酸甲醛的缩合物、铁铬木质素磺酸钠、奈磺酸甲醛的缩合物、铁铬木质素磺酸钠、 木质素磺酸木质素磺酸 钠等。低速下进入紊流钠等。低速下进入紊流 （6）降失水剂：）降失水剂：羧甲基羟乙基纤维素、丙烯酸胺、粘土等。羧甲基羟乙基纤维素、丙烯酸胺、粘土等。 （7）防漏失剂：）防漏失剂：沥青粒、纤维材料等沥青粒、纤维材料等 3 /cmg 3 /cmg 第二节第二节 注水泥技术注水泥技术 44 3、特种

41、水泥、特种水泥 （1）触变性水泥：）触变性水泥：水泥浆静止时，形成胶凝状态，但流动时水泥浆静止时，形成胶凝状态，但流动时 胶凝状态被破坏，流动性良好。胶凝状态被破坏，流动性良好。 （2）膨胀水泥：）膨胀水泥： 凝固时体积略膨胀。用于高压气井。凝固时体积略膨胀。用于高压气井。 （3）防冻水泥）防冻水泥 ：地表温度较低地区表层套管固井。地表温度较低地区表层套管固井。 （4）抗盐水泥）抗盐水泥 （5）抗高温水泥）抗高温水泥 ：普通水泥普通水泥230时抗压强度降低到时抗压强度降低到50%， G级水泥石英砂含量级水泥石英砂含量30%，抗高温，抗高温328，铝酸三钙含量，铝酸三钙含量30%， 抗高温抗高温

42、500。 （6）轻质水泥）轻质水泥 第二节第二节 注水泥技术注水泥技术 45 4、前置液、前置液 将水泥浆与钻井液隔开，起隔离、缓冲、冲洗作用，将水泥浆与钻井液隔开，起隔离、缓冲、冲洗作用， 可提高固井质量。包括：可提高固井质量。包括：冲洗液冲洗液+ 隔离液隔离液 （1）冲洗液）冲洗液：低粘度、低剪切速率 、低密度，用于有效 冲洗井壁及套管壁，清洗残存钻井液及泥饼。 密度1.03 g/cm3 ，环空高度小于250m （2）隔离液）隔离液： 有效隔开钻井液与水泥浆；形成平面推进 型顶替；对低压漏失层起缓冲；较高浮力拖曳力。 较黏稠、较高密度、较大静切力；环空高度200m 第二节第二节 注水泥技术

43、注水泥技术 三、注水泥设备与工艺三、注水泥设备与工艺 1、注水泥浆主要设备、注水泥浆主要设备 水泥车、水泥罐车、供液车水泥车、水泥罐车、供液车 管汇车、压塞车等管汇车、压塞车等 2、主要工具、主要工具 水泥头、浮箍、浮鞋、水泥头、浮箍、浮鞋、 承托环、回压凡尔、承托环、回压凡尔、 扶正器、碰压塞等扶正器、碰压塞等 第二节第二节 注水泥技术注水泥技术 下套管下套管 水泥头：套管柱最上端，上、下胶塞. 下胶塞为中空，在压力作用下可压破 上胶塞为实心，隔离钻井液与水泥浆 碰压：碰压：上、下胶塞碰到一起将通 道堵死，泵压急剧上升 侯凝侯凝：24小时或48小时，也有72 小时或几小时的，候凝时间的长 短

44、视水泥浆凝固及强度增长的快 慢而定。 第二节第二节 注水泥技术注水泥技术 概述概述 （a a）循环钻井液）循环钻井液 （b b）注隔离液和水泥浆）注隔离液和水泥浆 （c c）替浆）替浆 （d d）替浆）替浆 （e e）碰压）碰压 1 1压力表压力表 2 2上胶塞上胶塞 3 3下胶塞下胶塞 4 4钻井液钻井液 5 5浮箍浮箍 6 6引鞋引鞋 7 7水泥浆水泥浆 8 8隔离液隔离液 9 9钻井液钻井液 50 四、注水泥设计与计算四、注水泥设计与计算 1.水泥浆密度：水泥浆密度：单位体积的水泥浆内各种成分的质量总和。 即： 的 的 水泥质量+外掺料的质量+水的质量 水泥浆密度= 水泥浆体积 2.水泥

45、量的计算：水泥量的计算： 水泥浆总量：水泥浆总量： 12 VVV V 3 m 1 V 3 m 2 V 3 m 注入水泥浆体积， 环空水泥浆体积， 管内水泥塞体积， 第二节第二节 注水泥技术注水泥技术 51 环空水泥浆量环空水泥浆量： iii 2 22 2 1 1 V V = =D D - -d dH H 4 4 1 V 3 m i D i d i H 环空水泥浆体积， 井眼直径，m 套管外径，m 对应环空水泥段长度，m 管内水泥浆量：管内水泥浆量： 2 2 4 ci Vd h 2 V 3 m i d m i h m 管内水泥塞体积， 套管内径， 水泥塞长度， 干水泥量：干水泥量： / csf

46、NVV c N s V 3 m f V 3 m 干水泥质量，kg 水泥浆总体积， 每千克水泥配成水泥浆后的体积， 第二节第二节 注水泥技术注水泥技术 52 配浆用水量：配浆用水量： wc VQ m w V 3 mmc Q 理论用水量，水灰比 总水泥量，kg u井场实际备水量应在理论用水量的基础上附加50%100%。 u实际注水泥要依据测井井径资料，平均井径的计算要取段准确。 u对于不测井径的井，井径一般按钻头尺寸附加15%30%计算水泥量。 实际注水泥量的确定实际注水泥量的确定 在固井施工中，实际注水泥量的确定在水泥浆量设计的基础 上还要参考下面几种因素。 （1 1）实测井径的准确性）实测井径

47、的准确性 （2 2）邻井固井施工情况）邻井固井施工情况 （3 3）钻井施工情况）钻井施工情况 （4 4）固井前循环洗井情况）固井前循环洗井情况 第二节第二节 注水泥技术注水泥技术 53 3、顶替设计、顶替设计 顶替顶替就是有效驱替环空钻井液，使水泥浆达到预定位置并充满环空的过程。 顶替量计算：顶替量计算： 2 i 4 uii QK Ld u Q 3 m i L m i dm i K 顶替液总量，不同壁厚段套管长度， 不同壁厚段套管内径， 不同壁厚段压缩系数，一般取1.021.03。 顶替时间计算：顶替时间计算： 计算顶替时间时，首先要考虑顶替排量。 同时也要考虑井眼的实际条件和钻井泵的类型 。

48、 第二节第二节 注水泥技术注水泥技术 V T Q 54 4、顶替钻井液压力计算、顶替钻井液压力计算 环空静液柱压力：环空静液柱压力： 111223344 0.00981 () 10phhhh 1 p 环空静液柱压力，MPa 1 h m 钻井液段长度， 2 hm 隔离液段长度， 3 h m 领浆水泥段长度， 4 hm尾随水泥段长度， 1 3 kg / m钻井液密度， 2 3 kg / m隔离液密度， 3 3 kg / m 领浆水泥浆密度， 4 3 kg / m尾随水泥浆密度， 组合为：尾浆、前导浆、前置液、钻井液组合为：尾浆、前导浆、前置液、钻井液 公式： 第二节第二节 注水泥技术注水泥技术 5

49、5 流动阻力流动阻力 流动阻力 的计算公式： 2 0.001(3 5)pHMPa 2 p 流动阻力也可以按循环钻井液时钻井泵不同排量下的泵压计算。 顶替钻井液最高施工压力顶替钻井液最高施工压力 由于采用了不同密度的流体，在套管内外形成的压差， 顶替最高泵压计算公式： max12c pppp max p 最高泵压，MPa 1 p 环空最大静液柱压力，MPa 2 p 管内外流动阻力，MPa c p 套管内静液柱压力，MPa 第二节第二节 注水泥技术注水泥技术 56 5、水泥浆完全、水泥浆完全“失重失重”时静液柱压力时静液柱压力 u水泥浆失重水泥浆失重是指水泥浆发生物理、化学变化时不能对地层传 递有

50、效压力。 u水泥浆失重主要是由于水泥浆胶凝成水泥浆网状结构和水泥 浆体积收缩引起。 3 10 fss pgH 计算公式： f p水泥柱完全失重时的静液柱压力，MPa s 水泥浆失重时的当量密度，通常取1.07 s H m水泥浆的高度， g重力加速度，m/s2 第二节第二节 注水泥技术注水泥技术 57 五、提高注水泥质量的措施五、提高注水泥质量的措施 第二节第二节 注水泥技术注水泥技术 1、影响注水泥质量的因素、影响注水泥质量的因素 （1）顶替效率低，产生窜槽）顶替效率低，产生窜槽 注水泥井段注水泥井段 顶替效率顶替效率 = 100% 任一截面任一截面 顶替效率顶替效率 = 100% 窜槽：窜槽： 水泥浆不能将环空中钻井液完全替走，而使环形空水泥浆不能将环空中钻井液完全替走，而使环形空 间局部出现未被水泥浆封固住的现象。间局部出现未被水泥浆封固住的现象。 形成窜槽的原因：形成窜槽的原因： 环形水泥浆体积环形水泥浆体积 环形空间体积环形空间体积 环形水泥浆面积环形水泥浆面积 环形空间截面积环形空间截面积 套管不居中；套管不居中； 井眼不规则；井眼不规则； 水泥浆性能及顶替措施不当水泥浆性能及顶替措施不当 58 （2）水泥浆凝结过程中油气水上窜）水泥浆凝结