第2章 井身结构设计及固井

1、 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井1钻开储集层（生产层）；下套管、注水泥固井，射孔、生产管柱、完井测试、防砂排液；确定完井井底结构，使井眼与产层连通；安装井底和井口装置，投产措施等；完井工程内容:使井眼与油气储集层（产层、生产层）使井眼与油气储集层（产层、生产层）连通的工序连通的工序（Well Completion），联系钻井和采油生产的一个关键环节。联系钻井和采油生产的一个关键环节。完井概念： 前次课内容回顾：前次课内容回顾： 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井2前次课内容回顾：前次课内容回顾：第一章第一章 完井的工程地质基础完井的工程地质基础主要碎屑岩和碳

2、酸岩主要碎屑岩和碳酸岩 少量岩浆岩和变质岩，甚至页岩少量岩浆岩和变质岩，甚至页岩孔隙度、渗透率、孔隙结构、润湿性孔隙度、渗透率、孔隙结构、润湿性油、气、水油、气、水孔隙、裂缝、裂缝孔隙、孔隙裂缝、洞隙孔隙、裂缝、裂缝孔隙、孔隙裂缝、洞隙块状、层状、断块、透镜体油藏块状、层状、断块、透镜体油藏常规油、稠油、高凝油藏常规油、稠油、高凝油藏一、储层岩性特征：一、储层岩性特征：二、储层物性：二、储层物性：三、储层流体：三、储层流体：四、油气藏分类：四、油气藏分类：五、地应力概念与确定：五、地应力概念与确定：岩层内部产生反抗变形、并作用岩层内部产生反抗变形、并作用在地壳单位面积上的力在地壳单位面积上的力

3、 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井3 教学内容：教学内容：井身结构设计、套管柱组成及规范、套管柱井身结构设计、套管柱组成及规范、套管柱的受力及强度分析、套管柱设计原则与方法、油井水泥的受力及强度分析、套管柱设计原则与方法、油井水泥和注水泥、生产套管损坏与防护。和注水泥、生产套管损坏与防护。 基本要求：基本要求：了解井身结构设计方法，掌握套管柱组成及了解井身结构设计方法，掌握套管柱组成及规范、理解套管柱的受力及强度分析，了解套管柱设计规范、理解套管柱的受力及强度分析，了解套管柱设计原则与方法，了解油井水泥组成和水泥浆性能，掌握注原则与方法，了解油井水泥组成和水泥浆性能，掌握注水

4、泥工艺过程，了解生产套管损坏与防护措施。水泥工艺过程，了解生产套管损坏与防护措施。 重点：重点：套管柱组成及规范、套管柱的受力及强度分析、套管柱组成及规范、套管柱的受力及强度分析、注水泥工艺过程。注水泥工艺过程。 难点：难点：套管柱的受力及强度分析。套管柱的受力及强度分析。 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井4oil 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: 井身结构设计井身结构设计 套管柱设计套管柱设计 注水泥技术注水泥技术 套管损坏与防护套管损坏与防护一开一开二开二开三开三开 第二章第二章 井身结构

5、设计与固井井身结构设计与固井5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，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 井身结构设计与固井井身结构设计与固井670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

6、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：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 井身结构设计与固井井身结构设计与固井7 第一节第一节 井身结构设计井身结构设计 内容：内容：套管层次；套管层次； 每层套管下深；每层套管下深； 套管和井眼尺寸配合。套管和井眼尺寸配合。一、套管的分类及作用一、套管的分类及作用二、井身结构设计原则二、井身结构

7、设计原则三、井身结构设计基础数据三、井身结构设计基础数据四、裸眼井段应满足力学平衡四、裸眼井段应满足力学平衡五、井身结构设计方法（举例）五、井身结构设计方法（举例）六、套管尺寸和井眼尺寸选择六、套管尺寸和井眼尺寸选择 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井8一、套管的分类及作用一、套管的分类及作用1、表层套管、表层套管主要用途：主要用途：封隔地表浅水层及浅部疏松和复杂地层；封隔地表浅水层及浅部疏松和复杂地层；安装井口、悬挂和支撑后续各层套管。安装井口、悬挂和支撑后续各层套管。下深位置：下深位置：根据钻井的目的层深度和地表状况而定，根据钻井的目的层深度和地表状况而定，一般为上百米甚至

8、上千米一般为上百米甚至上千米 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井92、生产套管（油层套管）、生产套管（油层套管） 主要用途：用以保护生产层，提供油气生产通道。主要用途：用以保护生产层，提供油气生产通道。 下深位置：由目的层位置及完井方式而定。下深位置：由目的层位置及完井方式而定。3、中间套管（技术套管）、中间套管（技术套管） 在表层套管和生产套管之间由于技术要求下入的套管，可在表层套管和生产套管之间由于技术要求下入的套管，可以是一层、两层或更多层。以是一层、两层或更多层。 主要用来封隔不同地层压力层系或易漏、易塌、易卡等井主要用来封隔不同地层压力层系或易漏、易塌、易卡等井下复杂

9、地层。下复杂地层。4、尾管（衬管）、尾管（衬管） 是在已下入一层技术套管后采用，即在裸眼井段下套管、是在已下入一层技术套管后采用，即在裸眼井段下套管、注水泥，而套管柱不延伸到井口。注水泥，而套管柱不延伸到井口。 减轻下套管时钻机的负荷和固井后套管头负荷；节省套管减轻下套管时钻机的负荷和固井后套管头负荷；节省套管和水泥。和水泥。 一般用于深井和超深井。一般用于深井和超深井。 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井10 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井11二、井身结构设计原则二、井身结构设计原则1、有效地保护油气层；2、有效避免漏、喷、塌、卡等井下复杂事故的发生，保证

10、安全、快速钻进；3、钻下部地层采用重钻井液时产生的井内压力，不致压裂上层套管鞋处最薄弱的裸露地层；4、下套管过程中，井内钻井液液柱压力和地层压力间的压差不致于压差卡套管；5、当实际地层压力超过预测值而发生井涌时，在一定压力范围内，具有压井处理溢流的 能力。 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井12三、井身结构设计的基础数据三、井身结构设计的基础数据 地层岩性剖面、地层孔隙压力剖面、地层破裂压力剖面、地层坍塌压力剖面。 6个设计系数：个设计系数：抽吸压力系数Sb；0.024 0.048 g/cm3 激动压力系数Sg；0.024 0.048 g/cm3 压裂安全系数Sf； 0.03

11、0.06 g/cm3 井涌允量Sk； 0.05 0.08 g/cm3 压差允值 p； PN: 1518 MPa ，（正常压力井段），（正常压力井段） PA：2123 MPa，（异常压力井段），（异常压力井段） 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井13 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井14四、裸眼井段应满足的力学平衡条件四、裸眼井段应满足的力学平衡条件（1） dmaxpmax+ Sb 防井涌防井涌（2） (dmax- -pmin)Dpmin0.00981P 防压差卡钻防压差卡钻（3） dmax+ Sg + Sf fmin 防井漏防井漏（4 4） dmax+ Sf

12、+ Sk Dpmax/ Dc1fc1 防关井井漏防关井井漏其中：其中：dmax-裸眼井段内使用的最大钻井液密度，裸眼井段内使用的最大钻井液密度，g/cm3；pmax-裸眼井段钻遇的最大地层压力的当量泥浆密度，裸眼井段钻遇的最大地层压力的当量泥浆密度，g/cm3；Dpmax-最大地层孔隙压力所处的井深，最大地层孔隙压力所处的井深，m；pmin-裸眼井段钻遇的最小地层压力的当量泥浆密度，裸眼井段钻遇的最小地层压力的当量泥浆密度，g/cm3；Dpmin-最小地层孔隙压力所处的最大井深，最小地层孔隙压力所处的最大井深，m；fmin-裸眼井段最小地层破裂压力的当量泥浆密度，裸眼井段最小地层破裂压力的当量

13、泥浆密度，g/cm3；Dc1-套管下入深度，套管下入深度，m；fc1-套管鞋处地层破裂压力的当量泥浆密度，套管鞋处地层破裂压力的当量泥浆密度， g/cm3； 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井15五、井身结构设计方法五、井身结构设计方法1、求中间套管下入深度的假定点、求中间套管下入深度的假定点（1）不考虑发生井涌）不考虑发生井涌 由由 f =pmax+ Sb + Sg + Sf dmax 计算出计算出f ，在破裂压力曲线上查出，在破裂压力曲线上查出f 所在的井深所在的井深D21 ，即为中，即为中间套管下深假定点。间套管下深假定点。（2）考虑可能发生井涌）考虑可能发生井涌 由由

14、f =pmax+Sb+ Sf + Sk Dpmax/ D21 用试算法求用试算法求 D21；先试取一个；先试取一个D21，计算，计算f ；将计算出的；将计算出的f 与与D21处查得的处查得的f 进行比较，若计算值与实际值相差不大且略小于实际值，进行比较，若计算值与实际值相差不大且略小于实际值，可以确定可以确定D21为中间套管假定点。否则，重新进行试算。为中间套管假定点。否则，重新进行试算。 一般情况下，在新探区，取以上（一般情况下，在新探区，取以上（1）、（）、（2）两种条件下）两种条件下D21较较大的值。大的值。 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井162、验证中间套管下到深度

15、、验证中间套管下到深度D21是否有被卡的危险是否有被卡的危险 首先求出裸眼中可能存在的最大静压差：首先求出裸眼中可能存在的最大静压差： P=(pmax1+Sb - -pmin)Dmin0.00981 pmax1-钻进至钻进至D21遇到的最大地层压力当量密度，遇到的最大地层压力当量密度，g/cm3。 Dmin -最小地层孔隙压力所对应的井深，最小地层孔隙压力所对应的井深，m；（当有多个最小地层压力；（当有多个最小地层压力 点时，取最大井深。）点时，取最大井深。）若若P PN ，则中间套管深度应小于假定点深度。需根据压差卡钻条，则中间套管深度应小于假定点深度。需根据压差卡钻条 件确定中间套管下深。

16、件确定中间套管下深。 求在压差求在压差PN 下所允许的最大地层压力：下所允许的最大地层压力： 在地层压力曲线上找出在地层压力曲线上找出pper 所在的深度即为中间套管下深所在的深度即为中间套管下深D2。bpDppperSNmin00981. 0min 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井173、求钻井尾管下入深度的假定点、求钻井尾管下入深度的假定点D31 根据中间套管鞋处的地层破裂压力当量密度根据中间套管鞋处的地层破裂压力当量密度f2 ，求出继续向下，求出继续向下钻进时裸眼井段所允许的最大地层压力当量密度：钻进时裸眼井段所允许的最大地层压力当量密度： 用试算法求用试算法求D31。

17、试取一个。试取一个D31，计算出，计算出pper ，与，与D31处的实际地层处的实际地层压力当量密度比较，若计算值与实际值接近，且略大于实际值，则确压力当量密度比较，若计算值与实际值接近，且略大于实际值，则确定为尾管下深假定点；否则，另取定为尾管下深假定点；否则，另取D31进行试算进行试算 。4、校核尾管下入到、校核尾管下入到D31是否有被卡的危险是否有被卡的危险 校核方法与中间套管的校核方法相同。只是将压差允值校核方法与中间套管的校核方法相同。只是将压差允值PN 变变为为PA 。kDDfbfpperSSS2312 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井185、计算表层套管下入深度

18、、计算表层套管下入深度D1 根据中间套管鞋处的地层压力当量密度根据中间套管鞋处的地层压力当量密度p2 ，计算出若钻，计算出若钻进到深度进到深度D2发生井涌关井时，表层套管鞋发生井涌关井时，表层套管鞋D1处所承受的井内处所承受的井内压力的当量密度：压力的当量密度： 根据上式，用试算法确定根据上式，用试算法确定D1。 试取一个试取一个D1，计算，计算fE ，计算值与，计算值与D1处的地层破裂压力当处的地层破裂压力当量密度值比较；若计算值接近且小于地层破裂压力值，则确量密度值比较；若计算值接近且小于地层破裂压力值，则确定定D1为表层套管下深。否则，重新试取为表层套管下深。否则，重新试取D1进行试算。

19、进行试算。kDDfbpfESSS122 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井196、设计步骤小结：、设计步骤小结： 根据最大地层压力根据最大地层压力计算上部裸眼井段允许的最小计算上部裸眼井段允许的最小地层破裂压力地层破裂压力计算中间套管下深计算中间套管下深压差卡套管校核。压差卡套管校核。 根据中间套管鞋处的地层破裂压力根据中间套管鞋处的地层破裂压力计算下部裸眼计算下部裸眼井段钻进所允许的最大地层压力井段钻进所允许的最大地层压力计算尾管下深计算尾管下深压压差卡套管校核。差卡套管校核。 根据中间套管鞋处的地层压力根据中间套管鞋处的地层压力计算上部井段钻进计算上部井段钻进时允许的最小地

20、层破裂压力时允许的最小地层破裂压力计算表层套挂下深计算表层套挂下深压压差卡套管校核差卡套管校核。 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井207、设计举例、设计举例 某井设计井深为 4400 m，地层孔隙压力梯度和地层破裂压力梯度剖面如图。给定设计系数： Sb=0.036 ；Sg=0.04 ； Sk=0.06 ；Sf=0.03；PN =12 MPa；PA=18 MPa，试进行该井的井身结构设计。解：解：由图上查得， pmax=2.04 gcm3， Dpmax=4250 m（1）确定中间套管下深初选点）确定中间套管下深初选点D21 由： f =pmax+Sb+ Sf + Sk Dpma

21、x/ D21 试取D21=3400m并代入上式得： f =2.04+0.036+0.03+0.06 4250/3400=2.181 g/cm3 由破裂压力曲线上查得f3400=2.19 g/cm3， f PN =12MPa，故中间套管下深应浅于初选点。由：bpDppperSNmin00981. 0min3305000981. 012/435. 1036. 007. 1cmgpper 在地层压力曲线上查得对应pper=1.435的深度为3200m。最后确定中间套管下深为D2=3200m。 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井23（3）确定尾管下入深度初选点）确定尾管下入深度初选点D

22、31 由破裂压力曲线上查得： f3200=2.15g/cm3；由： 试取D31=3900m，代入上式算得：pper=2.011g/cm3；由地层压力曲线查得p3900=1.94 ppper=2.011 g/cm3 ，且相差不大，故确定初选点D31=3900m。（4）校核是否会卡尾管）校核是否会卡尾管 计算压差： P=（1.94+0.036 - - 1.435）32000.00981=16.98 MPa 因为P PA，故确定尾管下深为D3=D31=3900m。06.003.0036.015.23200231231DkDDfbfpperSSS 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井24

23、（5）确定表层套管下深）确定表层套管下深D1由 试取D1=850m，代入上式计算得： fE=1.737 g/cm3 。由破裂压力曲线查得f850=1.74 g/cm3 ， fE 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 经济性要好经济性要好 安全系数安全系数 抗外挤安全系数抗外挤安全系数 Sc = 1.0Sc = 1.0 抗内压安全系数抗内压安全系数 Si = 1.1Si = 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 = 1.8St = 1.8

24、 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井452、常用套管柱设计方法、常用套管柱设计方法 （1）安全系数法）安全系数法 各危险截面最小安全系数等于或大于规定的安全系数。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。 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。3、各层套管柱的设计

25、特点、各层套管柱的设计特点 表层套管：主要考虑内压载荷；表层套管：主要考虑内压载荷； 技术套管：既要高抗内压强度，又要抗钻具冲击磨损。技术套管：既要高抗内压强度，又要抗钻具冲击磨损。 油层套管：上部抗内压，抗拉，下部抗外挤。油层套管：上部抗内压，抗拉，下部抗外挤。 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井464、套管柱设计的等安全系数法、套管柱设计的等安全系数法 （1 1）基本设计思路）基本设计思路 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，上部按抗拉设计，各危险断面下部套管段按抗挤设计，上部按抗拉设计，各危险

26、断面 最小安全系数要大于或等于规定值。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 水泥面以上套管强度考虑双向应力影响水泥面以上套管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。 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井47（2 2）设计方法和步骤）设计方法和步骤u（1）据内压筛选套管。计算该层套管所能出现的最大内压值，筛选符合抗内压强度的套管；如果是一般的井，可以在套管全部设计完后进行抗内压校核。u（2）据外挤初选第一段。按最

27、大外挤载荷初选第一段套管。u（3）选抗挤强度较低一级套管作为第二段，确定第一段长，并计算第一段顶抗拉安全系数。选择壁厚小一级或钢级低一级（也可二者都低）的套管作为第二段套管。计算该段套管的抗挤可下深度，从而确定第一段套管的使用长度。并计算第一段套管顶端的实际抗拉安全系数。u（4）水泥面以上按双向应力设计。当按抗挤强度设计的套管柱超过水泥面时，应考虑下部套管的浮重引起的抗挤强度的降低，可按双向应力设计套管柱。 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井48u（5）按照第（3）步的方法依次确定第二段以上各段套管使用长度。当某段套管顶端的实际抗拉安全系数小于或等于规定抗拉安全系数的两倍时，其

28、上部套管转为按抗拉设计该段套管的允许使用长度。u（6）选择抗拉强度较大一级的套管作为下一段，按抗拉设计该段及其上部套管。选择钢级高一级或壁厚大一级（也可二者都高）的套管为下一段套管，按抗拉设计该段及其上部各段套管允许使用长度。u（7）抗内压安全系数校核。对事先未按内压力筛选套管的一般的井，最后需校核抗内压安全系数。若实际抗内压安全系数小于规定值，则在井控时限制井口压力在套管允许的最大压力之内，或将套管柱设计步骤改为先进行抗内压强度设计。u（8）校核温度、内外压力变化是否会导致套管破坏。 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井49（3）设计实例：）设计实例： 例题：例题：某井某井17

29、7.8 mm （7 英寸）油层套管下至英寸）油层套管下至3500 m，下套，下套管时的钻井液密度为管时的钻井液密度为1.30 ，水泥返至，水泥返至2800 m ,预计井内最预计井内最大内压力大内压力 35 Mpa，试设计该套管柱，试设计该套管柱 （规定最小段长（规定最小段长500 m ）. 解：解： 规定的安全系数规定的安全系数 ： Sc=1.0 , Si = 1.1 , St =1.8 ; 计算最大内压力，筛选符合抗内压要求的套管计算最大内压力，筛选符合抗内压要求的套管 抗内压强度抗内压强度 筛选套管：筛选套管： C-75 , L-80 , N-80 , C-90 ,C-95 , P-110

30、 按成本排序：按成本排序： N-80 C-75 L-80 C-90 C-95 1.0 安全安全 套管套管2： 危险截面危险截面 2700 m 处，处，Sc = 1.02 1.0 安全安全 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井54安全安全 计算套管抗拉安全系数计算套管抗拉安全系数112611.17.851.80.4234 800sttmFSF 最终结果：最终结果： D2 = 2700 m , L1 = 800 m 3）选择第三段套管，确定第二段套管长度）选择第三段套管，确定第二段套管长度 L2 查表：查表：3333380,8.05,0.3358/,26.407,2366.5,196

31、6.1csstNtmm qKN mpMPaFKN FKN 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井55 考虑双向应力影响，确定第三段套管可下深度：考虑双向应力影响，确定第三段套管可下深度：0 . 181. 9)(74. 003. 1 ()74. 003. 1 ()(333221133233322112DFDDqLqKpSFFppDDqLqKFdsBccsmcccBm试算法，取试算法，取 D3 =1700 m , 计算得计算得 Sc= 1.03 安全安全 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井56计算第二段顶部的抗拉安全系数计算第二段顶部的抗拉安全系数2220.423480

32、00.3794 10007182308.63.21.8718msttmFKNFSF安全安全最终结果最终结果 D3 =1700 m , L2=1000m 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井57 上部上部1700 m处套管需进行设计，转为抗拉设计处套管需进行设计，转为抗拉设计 1） 计算第三段套管按抗拉要求的允许使用长度计算第三段套管按抗拉要求的允许使用长度 L3 由：由： 实取：实取：L3 = 1100 m , 则则 323332331966.17181.811170.3358sttmstmtFSFq LFFSLmq371811000.33571087mFKN 第二章第二章 井身

33、结构设计与固井井身结构设计与固井582）确定第四段套管使用长度）确定第四段套管使用长度 查表得：应比第三段套管抗拉强度高，查表得：应比第三段套管抗拉强度高， 与第一段套管相同与第一段套管相同4444480,10.36,0.4234/,48.401,3007,2611.1csstNtm mqK NmpM PaFK NFK N 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井59 计算第四段套管许用长度计算第四段套管许用长度 L4: 实际距井口还有实际距井口还有600 m, 取取 L4 = 600 m ; 校核第四段下部的抗挤强度：校核第四段下部的抗挤强度：43442611.110871.885

34、8.70.4234stmtFFSLmq0 .182.481.9)74.003.1 (4434DFFpSdsmcc安全安全 最终结果最终结果 ：L4= 600 m , D4=600 m 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井60 最终设计结果：最终设计结果： 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井61 第三节第三节 注水泥技术注水泥技术 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 本节内容：本节内容： 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； 提高注水泥质量措施。提高注水泥质量措施。 第二章第

35、二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井62 注水泥基本要求：注水泥基本要求： （1）水泥浆返高和管内水泥塞高度符合设计要求）水泥浆返高和管内水泥塞高度符合设计要求 （2）注水泥段环空钻井液全部被水泥浆替换，）注水泥段环空钻井液全部被水泥浆替换， 不存残留。不存残留。 （3）水泥石与套管及井壁胶结强度足够，耐酸化）水泥石与套管及井壁胶结强度足够，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 体系不互窜。体系不互窜。 （5）水泥石能经受油、气、水长期侵蚀。）水泥石能经受油、气、水长期侵蚀。 第二章第二章 井身结构设计与固

36、井井身结构设计与固井63一、油井水泥一、油井水泥 油井水泥是波特兰水泥（硅酸盐水泥）的一种。油井水泥是波特兰水泥（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。 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井641、油井水泥的

37、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 高早期强度水泥中含量可达高早期强度水泥中含量可达60%65%， 缓凝水泥中含量在缓凝水泥中含量在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，强度增长慢 对水泥的对水泥的最终最终强度有影响。强度有影响。)(332SCSiOCaO简称)(222SCSiOCaO简称 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井65（3）铝酸

38、三钙）铝酸三钙 促进水泥快速水化促进水泥快速水化 其含量是决定其含量是决定水泥初凝和稠化时间水泥初凝和稠化时间的主要因素的主要因素 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。)(33

39、32ACOAlCaO简称)(4432322AFCOFeOAlCaO简称AC3 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井662、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， 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：OHOFeCaOOHOAlCaOOHOFeOAlCaOOHOAlCaOOHOAlCaOOHSiOCaOOHSiOCaOOH

40、CaOHSiOCaOOHSiOCaO232232232322322322222222226364636322)(223 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，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。 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井67（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：溶胶期：水泥与水混合成胶体液，开始水化反应，水泥与水混合成胶体液，开始水化反应， 形成胶溶体系，此时水泥浆仍有流动性。形成胶溶体系

41、，此时水泥浆仍有流动性。 凝结期：凝结期：水化反应由水泥颗粒表面向内部深入，水化反应由水泥颗粒表面向内部深入， 絮凝成溶胶体系，水泥浆变稠，失去流动性。絮凝成溶胶体系，水泥浆变稠，失去流动性。 硬化期：硬化期：水化物形成晶体状态，互相连接成紧密一个水化物形成晶体状态，互相连接成紧密一个 整体，强度增加，硬化成为水泥石。整体，强度增加，硬化成为水泥石。 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 第二章第二

42、章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井683、油井水泥分类、油井水泥分类 （1）API水泥分类：水泥分类： A-J九级九级 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，中高抗硫两种，中高抗硫两种 C级：级： 01828.8 m , 76.7 0C ，高早期强度，普通、中高抗硫，高早期强度，普通、中高抗硫 D级级 ： 1828.8 3050m , 76127 0C ，中温中压，中高抗硫，中温中压，中高抗硫 E级级 ： 3050 4270m , 76143 0C ，高温高压，中高抗硫两种，高温高压，中

43、高抗硫两种 F级级 ：3050 4880m , 110160 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、高抗硫两种中、高抗硫两种 J级级 ：3660 4880m , 49160 0C ，普通型。，普通型。 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井69 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井70（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 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井71二、水泥浆性能与固井工程的关系二、水泥浆性能与固井工程的关系 1、水泥浆性能、水泥浆

44、性能 水泥浆密度水泥浆密度 干水泥密度干水泥密度 3.053.20 水泥完全水化所需要的水为水泥重量的水泥完全水化所需要的水为水泥重量的20%左右左右 使水泥浆能流动加水量应达到水泥重量使水泥浆能流动加水量应达到水泥重量45% 50% 水泥浆密度水泥浆密度 1.80 1.90 之间之间 水灰比水灰比：水与干水泥重量之比。：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。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：开始混拌到稠度达标准：开始混拌到稠度达 100 BC 所用时间。所用时间。 API标准：初始标准：初始15 30

45、min 内，稠化值应小于内，稠化值应小于30 BC， 现场总施工时间内，稠度在现场总施工时间内，稠度在50 BC以内。以内。3/cmg3/cmg 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井72水泥浆的失水：水泥浆的失水：水泥浆中的自由水通过井壁渗入地层的现象水泥浆中的自由水通过井壁渗入地层的现象 称为水泥浆失水。一般用称为水泥浆失水。一般用30 min 失水量表示。失水量表示。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。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；封固表层及技术套管，需早期较高强度，以便下道工序； 侯凝侯凝 8 h左右，开始

46、凝结为水泥石，抗压强度左右，开始凝结为水泥石，抗压强度 2.3 MPa 以上。以上。 y水泥石强度水泥石强度 能支撑和加强套管能支撑和加强套管 能承受钻柱的冲击载荷能承受钻柱的冲击载荷 能承受、酸化压裂等增产措施作业压力能承受、酸化压裂等增产措施作业压力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主要应能抗硫酸盐腐蚀 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井732、水泥的外加剂、水泥的外加剂 （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

47、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、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。钠等。 （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

48、料等沥青粒、纤维材料等3/cmg3/cmg 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井743、特种水泥、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：含大量含大量NaCL，用于泥页岩和膨胀性地层。，用于泥页岩和膨胀性地层。 （5）抗高温水泥：）抗高温水

49、泥：加入石英砂和铝酸盐。加入石英砂和铝酸盐。 （6）轻质水泥：）轻质水泥：加入轻质材料。加入轻质材料。 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井75三、前置液三、前置液 将水泥浆与钻井液隔开，起隔离、缓冲、冲洗作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。用，可提高固井质量。 前置液在环空中高度不超过前置液在环空中高度不超过250m。 1、冲洗液：、冲洗液：低粘度、低剪切速率低粘度、低剪切速率 、低密度，用于、低密度，用于有效冲洗井壁及套管壁，清洗残存的钻井液及泥饼。有效冲洗井壁及套管壁，清洗残存的钻井液及泥饼。 2、隔离液：、隔离液： 有效隔开钻井液与水泥浆，以便

50、形成有效隔开钻井液与水泥浆，以便形成平面推进型的顶替效果，通常为粘稠液体。平面推进型的顶替效果，通常为粘稠液体。 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井76四、注水泥设备与工艺四、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、管汇车、水泥车、水泥罐车、供液车、管汇车、压塞车等压塞车等 2、主要工具、主要工具 引鞋、套管鞋、回压凡尔、承托环（生引鞋、套管鞋、回压凡尔、承托环（生铁圈）、套管扶正器、联顶节、水泥头等铁圈）、套管扶正器、联顶节、水泥头等 3、注水泥工艺、注水泥工艺联顶节套管井壁套管扶正器生铁圈回压凡尔套管鞋引鞋水泥头 第二章第二章 井

51、身结构设计与固井井身结构设计与固井77（1 1）注隔离液）注隔离液（2 2）注水泥浆）注水泥浆（3 3）开档销、下）开档销、下入胶塞、替注泥入胶塞、替注泥浆浆（4 4）注完设计量）注完设计量后，关井、停泵、后，关井、停泵、候凝候凝常规注水泥常规注水泥工艺过程工艺过程 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井78五、提高注水泥质量的措施五、提高注水泥质量的措施 1、对注水泥质量的基本要求、对注水泥质量的基本要求 （1）对固井质量的基本要求）对固井质量的基本要求 水泥浆返高与水泥塞高度必须符合设计要求；水泥浆返高与水泥塞高度必须符合设计要求； 注水泥井段的环空内钻井液顶替干净；注水泥井段

52、的环空内钻井液顶替干净； 水泥石与套管及井壁岩石胶结良好；水泥石与套管及井壁岩石胶结良好； 水泥凝固后管外不冒油、气、水，不互窜；水泥凝固后管外不冒油、气、水，不互窜； 水泥石能经受油、气、水长期侵蚀。水泥石能经受油、气、水长期侵蚀。 （2）在固井中常出现的固井质量问题）在固井中常出现的固井质量问题 井口有冒油、气、水现象；井口有冒油、气、水现象； 不能有效的封隔各种层位，开采时各种压力互窜；不能有效的封隔各种层位，开采时各种压力互窜； 因固结质量不良在生产中引起套管变形，使井报废等。因固结质量不良在生产中引起套管变形，使井报废等。 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井792、影

53、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

54、及顶替措施不当 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井80套管居中时，顶套管居中时，顶效率的高低主要效率的高低主要取决于顶替时的取决于顶替时的流态。流态。套管偏心会导致宽套管偏心会导致宽窄间隙水泥浆返高窄间隙水泥浆返高不一致。若套管偏不一致。若套管偏心严重，则可能出心严重，则可能出现窄间隙的钻井液现窄间隙的钻井液根本不能被顶走而根本不能被顶走而滞留在原处的窜槽滞留在原处的窜槽现象。现象。 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井81 顶替过程中的流态影响层流塞流紊流 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井82（2）水泥浆凝结过程中油气水上窜）水泥浆凝结过程中油

55、气水上窜 引起油气水上窜的原因：引起油气水上窜的原因： 水泥浆失重：水泥浆柱在凝结过程中对其下部水泥浆失重：水泥浆柱在凝结过程中对其下部或地层所作用的压力逐渐减小的现象。或地层所作用的压力逐渐减小的现象。 桥堵引起失重，从而引起油气水上窜；桥堵引起失重，从而引起油气水上窜； 水泥浆凝结后体积收缩；水泥浆凝结后体积收缩； 收缩率小于收缩率小于0.2% 套管内原来有压力，放压后使套管收缩套管内原来有压力，放压后使套管收缩; 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井833、提高注水泥质量的措施、提高注水泥质量的措施（1）提高顶替效率，防止窜槽）提高顶替效率，防止窜槽 采用套管扶正器，改善套

56、管居中条件采用套管扶正器，改善套管居中条件 注水泥过程中活动套管注水泥过程中活动套管 调节注水泥速度，使水泥浆在环空呈紊流状态调节注水泥速度，使水泥浆在环空呈紊流状态 调整性能，加大钻井液与水泥浆密度差，降低钻调整性能，加大钻井液与水泥浆密度差，降低钻井液粘度和切力。井液粘度和切力。 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井84（2）防止油气水上窜）防止油气水上窜 采用多级注水泥或两种流速（上慢下快）的水泥采用多级注水泥或两种流速（上慢下快）的水泥 注完水泥后及时使套管内卸压，并在环空加回压注完水泥后及时使套管内卸压，并在环空加回压 使用膨胀性水泥，防止水泥收缩使用膨胀性水泥，防止水

57、泥收缩 使用刮泥器，清除井壁泥饼。使用刮泥器，清除井壁泥饼。 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井85六、注水泥质量评价六、注水泥质量评价1）我国固井质量规定的基本要求）我国固井质量规定的基本要求依据地质及工程设计，套管下深、磁性定位、人工井底和水依据地质及工程设计，套管下深、磁性定位、人工井底和水泥返深符合规定要求。泥返深符合规定要求。合格的套管柱强度，规定的套管最小内径及密封试压要求，合格的套管柱强度，规定的套管最小内径及密封试压要求，合格质量的井口装定要求。合格质量的井口装定要求。良好的水泥环封固质量、油、气、水层不窜不漏。良好的水泥环封固质量、油、气、水层不窜不漏。上述三

58、方面要求对于注水泥工艺来说，水泥环质量鉴定是评价上述三方面要求对于注水泥工艺来说，水泥环质量鉴定是评价的主要方面。的主要方面。 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井86六、注水泥质量评价六、注水泥质量评价2、水泥返高、水泥塞长度和人工井底的规定、水泥返高、水泥塞长度和人工井底的规定1)油气层固井，设计水泥返高应超过油气层顶界油气层固井，设计水泥返高应超过油气层顶界150米，实际封米，实际封过油气层顶部不少于过油气层顶部不少于50米。其中要求合格的水泥环段，对于米。其中要求合格的水泥环段，对于浅于浅于2000米的井不少于米的井不少于10米，深于米，深于2000米的井不少于米的井不少

59、于20米。米。2)为了保证套管鞋封固质量，油层套管采用双塞固井时，阻流环为了保证套管鞋封固质量，油层套管采用双塞固井时，阻流环距套管鞋长度不少于距套管鞋长度不少于10米，技术套管（或先期完成井）一般米，技术套管（或先期完成井）一般为为20米，套管鞋位置应尽量靠近井底。米，套管鞋位置应尽量靠近井底。 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井87六、注水泥质量评价六、注水泥质量评价2、水泥返高、水泥塞长度和人工井底的规定、水泥返高、水泥塞长度和人工井底的规定3）油气层底界距人工井底（管内水泥面，浮箍位置）不少于）油气层底界距人工井底（管内水泥面，浮箍位置）不少于15米。米。 4）其中第二

60、条是为了防止上胶塞下行时所刮下的套管内表面）其中第二条是为了防止上胶塞下行时所刮下的套管内表面上的液膜浆体污染水泥浆，而影响套管鞋附近的水泥封固上的液膜浆体污染水泥浆，而影响套管鞋附近的水泥封固质量。第质量。第3条是为了满足采油方面的需要。条是为了满足采油方面的需要。 第二章第二章 井身结构设计与固井井身结构设计与固井88六、注水泥质量评价六、注水泥质量评价3、有关水泥环质量的检查方法、有关水泥环质量的检查方法1）井温测井）井温测井水泥的水化反应是一放热反应，其凝结过程中所放出的热量通水泥的水化反应是一放热反应，其凝结过程中所放出的热量通过套管传给套管内流体，可使井内温度上升一定数值，如过套管