石油固井技术讲解课件

1、 固井工艺7/25/20221固井工艺一、概述二、井下附件三、提高固井质量的措施四、水泥环质量的检测和评价五、固井施工准备7/25/20222一、概述固井目的封隔易塌、易漏等复杂地层，保证钻井顺利进行封隔油气水层，建立油气流出通道，防止产层间互窜进行增产措施安装井口7/25/20223一、概述1、固井工程的概念 为了加固井壁，保证继续钻进，封隔油、气、水层，保证勘探期间的分层试油及在整个开采中合理的油气生产，为此下入优质钢管，并在井筒与钢管环空充填好水泥的作业，称为固井工程。包括下套管和注水泥两个工序。 7/25/20224套管柱的类型：表层套管技术套管（中间套管）生产套管（油层套管）尾管（技

2、术尾管、生产尾管）回接套管7/25/20225一、概述固井工程的特殊性(1)是一次性工程,如果质量不好,一般情况下难以补救;(2)是隐蔽性工程,主要流程在井下,施工时不能直接观察,质量控制往往决定于设计的准确性和准备工作的好坏,受多种因素的综合影响;(3)影响后续工程的进行;(4)是一项花钱多的工程;(5)施工时间短,工序内容多,作业量大,是技术强的工程.7/25/20226一、概述2、固井工程的步骤 1）下套管：将单根套管、浮鞋、浮箍组合起来，然后按照设计下到预定位置的过程 套管由接箍和本体组成。 套管柱由单根套管、浮箍、引鞋组成 图7-1 单根套管示意图1接箍 2套管本体7/25/2022

3、7一、概述2、固井工程步骤 2）注水泥下完套管之后，利用井口装置（水泥头）把水泥浆泵入套管内，再用钻井液把水泥浆顶替到管外环形空间的作业称之为注水泥。水泥头：安装在套管柱的最上端，内装有上、下胶塞。下胶塞的作用是与隔离液（一种专门配制的液体，用以隔离钻井液与水泥浆）一道，将水泥浆与钻井液隔离开，防止钻井液接触水泥浆后影响水泥浆的性能。下胶塞为中空，顶部有一层橡胶膜，该膜在压力作用下可压破。上胶塞为实心，其作用是隔离钻井液与水泥浆。7/25/20228一、概述2、固井工程步骤2）注水泥 当顶替到量后，上胶塞与下胶塞耦合，地面压力很快上升（称为碰 压）， 该信号说明水泥浆已顶替到位，施工结束。3）

4、侯凝：注入井内的水泥浆要凝固并达到一定强度后才能进行后续的钻井施或是其它施工，因此，注水泥施工结束后，要等待水泥浆在井内凝固该过程称为候凝；候凝时间通常为24小时或48小时，也有72小时或几小时的，候凝时间的长短视水泥浆凝固及强度增长的快慢而定。4）候凝期满后测井进行固井质量检测和评价 7/25/20229概述（a） （b） （c） （d） （e）图7-2 注水泥工艺流程示意图（a）循环钻井液 （b）注隔离液和水泥浆 （c）替浆 （d）替浆 （e）碰压1压力表 2上胶塞 3下胶塞 4钻井液 5浮箍 6引鞋7水泥浆 8隔离液 9钻井液7/25/202210二、井下附件1.浮鞋、浮箍 套管浮鞋装在

5、套管柱底部引导套管柱入井，防止套管柱底部插入井壁后遇阻；套管浮箍装在浮鞋以上23根套管处，为胶塞提供碰压位置，当上胶塞到达浮箍时，泵压会突然升高，这时候说明胶塞已碰压，固井替浆结束。不管浮鞋/箍，两者都具有一个单流阀机构（如下图），该阀可防止固井结束后套管环空内的流体进入套管内，同时，在管串入井时还可减少大钩载荷。7/25/2022117/25/2022122.胶塞1）套管胶塞 主要用于自升式平台和导管架上的套管固井，底塞（红色）用来隔离水泥浆与前置液，防止前行水泥浆在出套管浮箍前受污染，顶塞用来把顶替液与水泥浆隔开，防止后面的水泥浆受顶替液的污染，同时顶塞还用来碰压，指示固井替浆结束。2）尾

6、管胶塞组 连接在尾管送入工具中心管下端的接箍上，钻杆胶塞通过尾管水泥头进行投放，刮去钻杆内的水泥浆并与尾管胶塞复合后，剪切释放尾管胶塞。尾管胶塞下行顶替水泥浆至球座后碰压。7/25/2022137/25/2022143.套管扶正器 套管扶正器有弹性和刚性之分，他们的作用是扶正套管，提高套管在井眼中的居中度，使套管与井壁环空的水泥浆充填均匀，保证固井质量。套管扶正器通常安放在油层、水层上下，井径不规则处，浮鞋、浮箍的上下，尾管重叠段等位置。7/25/202215注水泥的目的在于提供良好的环空封隔。为实现这一目的，要解决以下二个方面的的问题：一是如何使环形空间充满水泥浆，及如何提高顶替效率；二是如

7、何使水泥浆在凝结过程中压稳油、气、水层和封隔好油、气、水层。三、提高固井质量的措施7/25/202216顶替效率概念：水泥浆在环形空间顶替钻井液的程度，用表示 注水泥段：环形水泥浆体积= 环空体积注水泥浆段任一截面积：环形水泥浆面积= 环空截面积一、提高固井质量的措施等于1（即100%）时，水泥浆全部顶替走了钻井液；当小于1时钻井液没有被水泥浆完全替走，称为发生了钻井液窜槽；值越大，顶替效率越高。 为提高顶替效率，所采取的主要措施有：加扶正器降低套管在井眼中的偏心程度、注水泥时活动套管、采用紊流或塞流流态注水泥、采用前置液、注水泥前调整钻井液性能、增加紊流接触时间等。 7/25/2022171

8、、提高顶替效率的方法1.1 加扶正器降低套管在井眼中的偏心程度 套管在井眼中不居中的现象称为套管偏心。注水泥顶替效率与套管在井眼中的偏心程度密切相关。 在定向井和水平井中，由于套管的自重，管柱将偏向井眼下侧，形成偏心。就是直井，由于实际所钻成的井眼不可能是一个完全垂直的井眼，因此也存在套管偏心的情况。 三、提高固井质量的措施7/25/2022181、提高顶替效率的方法1.1加扶正器降低套管在井眼中的偏心程度套管偏心流动阻力分布：各间隙不一样！各间隙泥浆流动阻力： 套管偏心越严重，这种流速分布不均的程度越大。曾经实测了液体在偏心环空中的流速分布情况，当偏心程度为69%时，实验中测量到最宽与最窄间

9、隙的平均流速差别达到了70倍。在水泥浆顶替钻井液的过程中，水泥浆在宽间隙处顶替钻井液的速度快一些，而在窄间隙处的顶替速度则较慢，导致宽窄间隙水泥浆返高不一致。若套管偏心严重，则可能出现窄间隙的钻井液根本不能被顶走而滞留在原处的窜槽现象。 因此要尽量降低套管在井眼中的偏心程度。目前所采取的措施是在套管上安装套管扶正器。 三、提高固井质量的措施7/25/2022191、提高顶替效率的方法1.2注水泥时活动套管在注水泥过程中，旋转或上下活动套管是提高顶替效率的有效措施。机理：当环空窄间隙处有滞留（或流动较慢）的钻井液时，旋转套管可依靠套管壁拖弋力将钻井液带入进环空的较宽间隙处，从而被流动的水泥浆顶替

10、走。 结论：一般认为旋转效果较好；上下活动套管可能在上提套管后发生卡套管从而使套管不能下放到设计放置，给安装井口造成困难。三、提高固井质量的措施7/25/202220 （a） （b） （c）图7-16 旋转套管提高顶替效率示意图（a）套管不动 （b）套管开始转动 （c）钻井液将被替完1井眼 2套管 3流动的水泥浆 4钻井液三、提高固井质量的措施7/25/2022211、提高顶替效率的方法1.3采用紊流或塞流流态注水泥在层流流态，断面流速分布呈尖峰形态；在紊流和塞流流态，断面流速分布相对平缓，因而有利于水泥浆均匀推进顶替钻井液。在偏心环空中，当采用塞流流态时，虽然在本间隙内水泥浆可均匀推进，由于

11、在周向上流速分布不均，可能存在周向上严重推进不均的后果。三、提高固井质量的措施7/25/202222 （a） （b） （c）图7-17 不同流态时流速分布示意图（a）塞流 （b）层流 （c）紊流三、提高固井质量的措施7/25/202223顶替过程中的流态影响层流塞流紊流三、提高固井质量的措施7/25/2022241、提高顶替效率的方法1.3、采用紊流或塞流流态注水泥紊流顶替机理：紊流顶替断面流速分布比较均匀；紊流顶替液中的紊流旋涡在顶替液与钻井液的交界面上可产生冲蚀、扰动、携带的作用，从而有利于对钻井液的顶替。在偏心环空中，这种冲蚀、扰动、携带作用可逐渐顶替走窄间隙处的钻井液。在偏心环空中，紊

12、流时周向上的流速分布不均的程度也要大大低于层流时的流速分布不均程度（塞流本质上也属于层流），实验中曾测量到可降低27%76%，因而有利于对窄间隙的顶替。另外，紊流时，单位长度上的摩阻压降大，该摩阻压降对滞留钻井液而言是驱使其流动的动力，因此也有利于顶替。结论：只要井下条件许可（不会压漏地层），人们首选紊流顶替。 三、提高固井质量的措施7/25/2022251、提高顶替效率的方法1.4使用注水泥前置液不用前置液的危害：由于水泥浆与钻井液的化学成分不同，当用水泥浆直接顶替钻井液时，在二者交界面附近钻井液要与水泥浆混合。水泥浆和钻井液混合的后果：一方面，钻井液与水泥浆混合后，可能使水泥浆增稠，导致环

13、空流动摩阻增大，严重时造成井漏，或造成泵送不动而导致不能把水泥浆全部从套管内替出的严重后果。另一方面，钻井液与水泥浆相互混合形成的混合物可能很稠，不容易被随后的水泥浆所顶替，造成这种混合物窜槽，影响注水泥质量。不管是哪种情况，均称钻井液与水泥浆不相容。三、提高固井质量的措施7/25/2022261、提高顶替效率的方法1.4使用注水泥前置液解决措施：在水泥浆前面通常要注入一段或几段与钻井液及水泥浆均相容的特殊配制的液体，这些液体称为注水泥前置液（简称前置液）。前置液分为两种：冲洗液。冲洗液主要起稀释钻井液、冲洗井壁与套管壁的作用（也能隔开钻井液与水泥浆），主要用于紊流注水泥。当与隔离液同时使用时

14、，位于隔离液之前。隔离液：隔离液的主要作用是隔离钻井液与水泥浆。有两种类型的隔离液，一种是用于塞流注水泥的粘稠型隔离液，一种是用于紊流注水泥的紊流型隔离液。三、提高固井质量的措施7/25/2022271、提高顶替效率的方法1.4使用注水泥前置液施工措施：在注水泥过程中，实际顶替钻井液的是前置液。显然，如果水泥浆的流变性能能调节到满足紊流或塞流的要求则更好。但由于调整水泥浆的流变性能时，往往对水泥浆的其它性能有影响，所以在很多情况下水泥浆的流变性能不能调整到要求值（尤其是紊流要求）。因此，现场上实际使用的常常是前置液紊流或塞流的注水泥顶替技术。关于紊流、塞流的注水泥流变性设计，我国相关标准中给出

15、了有关设计理论与方法。三、提高固井质量的措施7/25/2022281、提高顶替效率的方法1.5注水泥前调整钻井液性能钻井中钻井液的性能是为了满足钻井作业的需要，但从提高注水泥顶替效率方面来看，这些性能往往是不适宜的。因此，在注水泥前，一般都要对钻井液的性能进行调整。这一点非常重要。调整钻井液性能（密度、流变性）的原则是，在保证井下安全的前提下，尽量降低钻井液的密度、粘度和触变性（静切力）。理论和实验研究均表明，其中降低触变性尤为重要，因触变性太强，钻井液的内部结构力大，非常不利于顶替。三、提高固井质量的措施7/25/2022291、提高顶替效率的方法1.6增加紊流接触时间紊流顶替最重要的是对钻

16、井液的冲蚀、扰动、携带作用。显然，这种冲蚀、扰动、携带的顶替，需要一定的时间。一部分人认为4分钟的接触时间就够了，但目前为大部分人接受的观点是需要10分钟的接触时间才能达到有效的顶替。因此要合理设计前置液和水泥浆的用量。三、提高固井质量的措施7/25/2022301、提高顶替效率的方法1.7顶替液与钻井液的密度差一般要求钻井液、前置液、水泥浆的密度应逐级增大（所谓正密度差），因正密度差将对钻井液产生浮力作用，有利于顶替。但对冲洗液可以例外，因冲洗液所起的主要是稀释钻井液、冲洗井壁与套管壁的作用。三、提高固井质量的措施7/25/2022312、水泥浆在凝结过程中的失重与油、气、水窜问题注水泥刚结

17、束时，水泥浆还是液态，这时环空内液体对地层作用的压力为作用点以上各浆柱的静液压力之和；因为水泥浆密度一般大于钻井液的密度，因此能够起到压住地层的作用。失重：由于一定的原因，水泥浆柱在凝结过程中对其下部或地层所作用的压力将逐渐降低，就好象失掉了一部分重量一样。这种现象称为水泥浆在凝结过程中的失重（简称失重）。失重的后果：当浆柱的压力失重到低于油、气、水层的压力时，地层中的油、气、水就窜入环空内，继而或是发生层间互窜或是沿环空窜至井口。在有高压油、气、水层或层间压差大（如注水开发井网）的井内，这种窜的可能性更大。三、提高固井质量的措施7/25/202232失重的种类：1）水泥浆胶凝引起的失重胶凝：

18、凝聚-结晶网的形成，使水泥浆柱的重量部分悬挂在井壁和套管壁上。与水泥浆性能、井眼尺寸和温度等有关。水泥浆在水化凝结的过程中，在水泥颗粒之间及它们与井壁和套管之间要形成具有一定胶凝强度的空间网架结构；当下部浆柱由于水泥水化体积收缩和失水而发生体积减小时，水泥浆柱要向下移动以弥补下部的体积减小从而向下传递压力，但水泥浆中的网架结构将使水泥浆柱的一部分重量悬挂在井壁和套管上，使压力不能有效向下传递，从而降低了作用在下部地层的有效压力，即导致失重。 三、提高固井质量的措施7/25/202233失重的种类：2）桥堵引起的失重桥堵：沉降等原因形成“桥塞”，水泥发生体积收缩，上面压力不能传下去。注水泥结束水

19、泥浆静止后，水泥浆在高渗透率地层处的快速失水将使该处的水泥浆迅速变稠和致密，形成堵塞（即桥堵）；另外，由于注水泥时高速冲蚀下来的岩块和水泥颗粒的下沉等因素，也可能在井径和环空间隙较小处堆积形成堵塞。当下部浆柱由于水泥水化体积收缩和失水而发生体积减小时，由于桥堵使得上部浆柱的压力不能有效向下传递，从而也会降低作用在下部地层的有效压力，造成失重。 三、提高固井质量的措施7/25/202234失重的防止：在充气水泥浆中，加有发气剂（KQ）。在水泥浆失重时，发气剂发气，形成分散在水泥浆内的微小气泡。利用充气水泥浆以上浆柱（钻井液柱或水泥浆柱）的静液压力和结构力所形成的“塞子”作用，或者利用桥堵段的“塞

20、子”作用，依靠发气剂产生的微小气泡，使充气水泥浆内憋上一个附加的压力，以补偿水泥浆失重所减少的压力，从而使得水泥浆柱的最终压力能大于油、气、水层的压力，达到预防失重及防窜的目的。三、提高固井质量的措施7/25/202235油气水窜的基本原因顶替效率不好，有窜槽环空压力 + 流动阻力 地层压力造成这一情况的原因主要有：环空实际静液柱压力不够（如水泥返高不够造成的压力过低）环空水泥浆失重其它原因泥饼干裂水泥石外观体积收缩形成微环隙管内憋压候凝造成的微环隙三、提高固井质量的措施7/25/202236防止环空油气水窜的措施从工艺上：限制水泥返高，防止失重过大；采用多种凝结时间的水泥浆结构；环空憋压候凝

21、使用多级注水泥 从水泥浆设计上：使用充气或膨胀水泥浆使用不渗透水泥控制水泥浆的失水三、提高固井质量的措施7/25/202237注水泥质量要求：水泥浆返高和套管内水泥塞必须符合设计要求；注水泥段环空的泥浆应全部被水泥浆顶替干净，不窜槽；水泥环有足够的连接强度和封固性能，不发生油气水窜，能经受住酸化压裂；水泥石能抗腐蚀。四、水泥环质量的检测和评价7/25/2022381. 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150米，实际封过油气层顶部不少于50米。其中要求合格的水泥环段，对于浅于2000米的井不少于10米，深于2000米的井不少于20米。2)为了保证套

22、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10米，技术套管（或先期完成井）一般为20米，套管鞋位置应尽量靠近井底。 四、水泥环质量的检测和评价7/25/2022391. 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15米。 4）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质量。第3条是为了满足采油方面的需要 四、水泥环质量的检测和评价7/25/2022402. 水泥环质量鉴定目前我国水泥环质量鉴定一般以声幅测井（CBL，也称水泥胶结测井）为准。声幅相对值在15%（油田现场有

23、的也采用10%）以内为优等，30%为合格17；声幅超过30%的井段则视为水泥封固不合格。声幅测井一般在注水泥后24小时到48小时内进行，但对特殊井（如尾管固井、采用缓凝水泥固井等）声幅测井时间可依具体情况而定。现在，变密度测井（VDL）也在逐渐普及。四、水泥环质量的检测和评价7/25/2022411. 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过套管传给套管内流体，可使井内温度上升一定数值，如62210。而环空中没有水泥的井段，井内温度为正常温度。利用这一特性，可以测定水泥浆在环空中的返高位置（即水泥顶部深度）。图7-18为井温测井示意图。四、水泥环质量的检测和评价7/2

24、5/202242四、水泥环质量的检测和评价图7-18 井温测井示意图7/25/202243 2. 声幅测井（水泥胶结测井） 声幅测井是根据声学原理所进行的测井。在井下，从测井仪声波发射器发出声波，声波向四周以近似球形的波阵面发散，通过不同的介质和路线后传播到接收器。最先到达接收器的是沿着套管传播的滑行波（叫套管波）所产生的折射波（图7-19），其次是传到地层后又传播回来的地层波，尽管在钻井液内声波的传播距离最短，但由于在钻井液内声速相对较低，所以钻井液波（泥浆波）到达最迟。声幅测井记录的是最先到达的套管波的首波幅度。四、水泥环质量的检测和评价7/25/202244 2. 声幅测井（水泥胶结测井

25、） 套管波在传播过程中要向套管内和环形空间散失能量，既声幅要衰减（降低）。套管波的衰减程度和套管内外介质性质及其分布有关。因为管内钻井液的分布及性质是不变的，因此向管内散失的能量为恒定值。在此基础上的套管波的衰减程度就将取决于管外水泥与套管的胶结情况。实验证明，在其它条件不变的情况下，套管首波幅度的对数与套管周围水泥未胶结部分所占套管周长的百分数之间存在线性关系，即与套管胶结的水泥越多，所接收的声幅越小，而当管外全为钻井液时，所接收的声幅最大。四、水泥环质量的检测和评价7/25/202245 2. 声幅测井（水泥胶结测井） 由测量线路把所接收的声幅大小转变成与之成比例的电压大小，加以记录。沿井

26、深由下而上进行测试，就可得到一条沿井深反映水泥与套管胶结情况的声幅测井曲线。应用声幅测井曲线检测水泥环质量是通过相对幅度进行的（以环空内全为钻井液的自由套管段的声幅值为基准）。 相对幅度目的段声幅曲线幅度自由套管段声幅曲线幅度100% 。四、水泥环质量的检测和评价7/25/202246四、水泥环质量的检测和评价井段B的相对声幅大于30%，为不合格井段图7-20 声幅测井曲线示意图 图7-19 声幅测井示意图 1电缆 2发射器 3接收器 4套管 5水泥环 6地层7/25/2022473. 声波变密度测井 声幅测井测量记录的是套管首波幅度。声波变密度测井（VDL，简称变密度测井）是用接收器将套管波

27、、地层波等声波幅度按到达时间先后全部测量记录，再用一定的方法显示，以评价水泥环质量的测井方法。当进行变密度测井时，同时进行声幅测井。变密度测井因为能够测量记录地层波，因此能够反映出水泥与地层（俗称第二界面）的胶结情况。将变密度测井结果与声幅测井结果对比分析，可以更全面地评价水泥环质量。 四、水泥环质量的检测和评价7/25/202248四、水泥环质量的检测和评价图7-21 水泥胶结变密度测井示意图 1电缆 2发射器 3CBL接收器 4VDL接收器 5套管 6水泥环 7地层7/25/202249五、固井施工准备固井施工准备包括1、固井协作会2、井口工具、井下附件的准备3、水泥化验4、施工现场的准备

28、工作5、检查各车组开始施工7/25/202250五、固井施工准备1、固井协作会通过固井协作会了解井号、队号、行车路线、套管尺寸、扣型和特殊要求的工具等；了解该井钻井过程中的基本情况和对该井的特殊要求；7/25/202251五、固井施工准备1、固井协作会必须了解和掌握周围注水、注气情况，揭开油层钻井液密度变化以及测后效等情况，并按各区块经验及成型技术要求井队在井下不发生漏失的情况下适当提高钻井液密度（密度提升范围一般为0.030.06 g/cm3），确保压稳，并更换封井器闸板芯子掌握地层压力（地层孔隙压力和地层破裂压力），为固井水泥浆体系设计提供依据。通常钻井工程设计都有地层压力系数预测值，结合实际钻进过程中的井下情况（井漏、井涌、后效、地漏试验、钻进压力等）确定地层的孔隙压力和破裂压力。掌握泥浆出口温度、地温梯度，确定井底循环温度，为水泥浆化验提供依据。7/25/202252五、固井施工准备1、固井协作会对井队的要求：规定井队通井排量、循环处理钻井液性能、扶正器位置。要求钻井队下套管前更换与套管规范相同的封井器闸板芯子，固井后关封井器候凝。交代特殊工具、附件的使用方法、注意事项。落实固井水的水质和水量。使用