单级固井作业

中海油服油田化学事业部2008年8月单级固井作业欢迎您参加1第七讲内容概述单级方法作业要点常见问题相关计算固井实例2一、概述单级固井？采用套管顶、底塞一次注水泥完成的固井作业。浆柱结构：采用首、尾浆封固。首浆密度1.50～1.75S.G，封固次要目的层或上部疏松易漏地层；尾浆密度1.80～1.90S.G。封固主要目的层或套管鞋井段环空。

常用套管尺寸：13-3/8”～7”3单级固井示意图图1-10固井工艺流程示意图4单级双塞固井示意图图2-7单级双胶塞固井工艺流程示意图5二、单级固井法1、顶底塞适用范围：自升式钻井平台、钻采综合平台（导管架）和陆地固井。套管附件工具有:6二、单级固井法2、水下胶塞适用范围：半潜式钻井平台、钻井船或特殊的井身结构，或特殊的复合套管串固井。套管附件工具有:同前述，仅胶塞组和水泥头不同7三、作业要点彻底检查保养水泥头旋塞阀，基地对水泥头整体和阀门试压检验才送上平台；清点固井工具、附件和外加剂等物资；检查并做好相关套管附件等记录；水泥及钻井水、海水取样送基地，小样复查；提前与钻井总监、泥浆工程师和井队做好沟通，选择并洗好泥浆池，放好配浆水备用。注意检查海底阀和泥浆池间的阀门密闭情况，严防窜漏。

作业前准备8邀请钻井监督到场，监督确认套管胶塞的安装，记录好胶塞挡销的释放方向和圈数。安装好后，要固定挡销转动手柄，并做好标记，严防搬动。下套管前，将套管扶正器和循环头吊上钻台，整理摆放好待用9固井施工阶段下套管灌浆时，要保证套管内灌泥浆干净（通过沉砂池）。若用自动灌浆的附件，在距井底100～200m时务必循环破坏该装置，严防沉砂进入套管内。套管到位后，小排量打通正常（控制泵压小于2MPa），严禁直接提高到设计循环泵排量；第一周要求排量比设计的正常循环排量要低，待井底返出后再提高到大排量循环，防止憋漏。油层套管固井前，要求必须调整泥浆性能，在保证井眼安全的前提下，主要降低粘度、切力，为提高顶替效率和界面胶结创造最好的条件。10对于浅井，为提高顶替效率，在注替量小于套管内容积的前提下，推荐把底胶塞投在冲洗液前边。在技术套管中，为确保地漏实验成功，作业时要考虑套管居中、井底干净和套管鞋地层的因素，可以适当提高套管鞋处的水泥浆比重。油层固井要利用相关软件对油气层、压力异常层进行动态压力计算，确保在施工过程中的全程压力变化满足特定的要求。根据现场的实际情况确定顶替技术，在能够保证清洗效果的前提下，尽可能采用低返速顶替，减少作用在薄弱油层或断层上的循环压力。11在注替过程中，要求钻台和气测自始至终监视泵压和井口返出情况。对于油气比较活跃的井，要求在注替全程的动态当量比重≥地层的孔隙压力，套管内要蹩压候凝。对于初探井，最大顶替排量原则要求不大于钻进时最大返速（钻铤处）的1.2倍，在已有作业经验的基础上才可突破这一界限。混泵水泥浆前，必须取样留存，在固井20桶水柜取首浆混合水样，混泵尾桨时取尾浆混合水样，若用批混罐混浆，混浆前取，要求混合水样品各10Kg，样品保留至固井结束后48小时以上。12混泵水泥浆的过程中，分别于混泵水泥浆初、中和后期，各取水泥浆样品2-3个，分别置于室温和恒温水浴锅中养护观察凝固情况。如果胶塞不碰压，首先要确认胶塞是否正常释放，顶替量是否正确。如果正常释放，但替量明显不够的情况下可以尝试多替一些碰压。技术套管固井，如果不碰压，又没有异常情况，顶替到设计最大替量后，直接检查回流结束固井。固井后，放压检查回流。无回流后，即结束固井作业。如果回流不止，泵回流量入井，憋压候凝1-2小时再检查，直至无回流才结束固井作业。13对于井况相对复杂的作业，施工前应充分考虑可能出现的不正常情况，参照QHSE体系的JSA分析方法，提前做好分析和预案，力戒无的放矢、乱中出乱。14作业结束后固井结束后，通常采用憋压方式进行候凝。根据防窜等工艺技术要求，有些井需要采取循环候凝或者环空憋压候凝等技术措施。候凝24小时后，用顶替液或相同密度的钻井液钻套管附件及水泥塞；按照厂家推荐的参数钻除套管胶塞和浮箍、浮鞋等附件，对于井斜较大的井，要注意观察和收集胶塞碎片，确保胶塞碎片完全返出井筒。15测完固井质量才做套管/尾管试压及其他作业。固井结束后，要及时检查和保养水泥头，防止未清洗干净的水泥块堵塞管线和阀门。固井结束后，要及时保养和维护好固井设备，保证试压合格，为下一开钻进时的套管试压和地层泄漏试验做好准备。16四、常见问题套管到位后开不了泵？序号常见问题处理办法1套管串内进入沙子泥块等杂物尝试开泵憋通以建立循环，如果确实不行，则起套管清除杂物或者更换浮箍、浮鞋；2单流阀（自动灌浆）被卡死3泥浆太脏使用泥浆净化设备，清除泥浆中的固相，再使用干净的泥浆尝试建立循环4井深，温度高，泥浆胶凝强度大缓慢上下活动套管，同时开泵尝试建立循环17序号常见问题处理办法1循环排量太大

降低循环排量，上下活动套管串，控制漏失速度较慢或不出现漏失；

2开泵或泵速提升太快循环开始时，泵速一定不能太快，待返出正常后，再提高循环泵速；3泥浆中岩屑、沙子含量高开启泥浆净化设备，尽量清除泥浆中的固相，保证循环进出口泥浆密度的均匀和一致。循环时憋泵、憋漏地层？

18循环时发生明显漏失？采用小粒径堵漏材料堵漏；逐渐循环提升泵速到设计循环排量，避免草率固井；判断漏层位置，重新调整固井设计。19注水泥时发生明显漏失？设计水泥浆量不变；在保证施工安全的前提下，若时间允许，尽量采用塞流顶替泥浆20相关计算（一）计算说明单级固井施工计算通常需要考虑如下内容：水泥量；配水泥浆用水量；水泥浆密度和造浆量；顶替量；顶替最高泵压；作用于地层上的静液柱压力（破裂压力和孔隙压力）；对套管的顶升压力。211.环空容积井径仪的类型对计算的水泥量有影响，也对水泥的返高有影响。

计算出的环形空间容积，加上附加量（根据现场经验通常为10％至15％）22井径仪两臂和三臂（探测臂统一动作）可能测出的井经偏小（两臂井径仪也可能测出的井径偏大）。特别是对呈椭园形状斜井情况更是如此（图2-1）。最好采用四臂井径仪（各自独立的臂）。图2-123无论采用电测井经还是采用钻头尺寸都应根据经验取附加系数。一般仅对裸眼注水泥段计算时采用附加系数。这一附加量是考虑到弥补漏向地层的水泥量。当要求水泥返到地面时，采用一定附加量以保证水泥达到地面。选用附加量时必须认真加以考虑。如果井内存在有易于破裂的薄弱层，附加水泥量（提高了水泥面）由于增加了静液柱压力和摩阻力，可能会引起地层破裂。最后一步是计算留在套管鞋处引鞋与浮箍之间的水泥量。这就是套管内的容积。应把这一水泥量与裸眼容积量和附加量相加。242.密度、造浆率和混合水水泥混合水、密度和造浆量是根据固井化验部分提供的计算方法来确定的。对于固井通常是计算混配用水量。用水量为配浆用水、隔离液和预冲洗液，罐内残留水量和顶替用水的总和。253.顶替量图2-3单级固井胶塞碰压的顶替量就是简单计算套管的内容积。通常就是将单位套管内容积乘以其长度（如果管子内径不完全一致，则分段计算累加）。管子内容积可通过查表求出。顶替量应为从泵的出口到阻流环（通常是浮箍）之间的容积。顶替量也应有少量的附加值以补偿混在顶替液中空气的压缩量及考虑到泵的上水效率等因素。图2-3264.碰压压力最高碰压为管内与环形空间静液柱压力之差。根据不同的泵排量还应加上克服摩阻压力的附加压力值。摩阻压力最好根据“U型管效应”的顶替模拟计算来确定（可以采用软件模拟计算）。计算最高碰压可有助于确定所需泵的类型，核对水泥头的承压能力在施工中是否满足需要，检查最高压力是否小于套管抗内压强度。275.作用在地层上的静液柱压力（破裂压力和地层孔隙压力）为了确保井下安全，有必要确定在注水泥过程中及施工完毕后是否会发生溢流或压裂地层。通过对井内危险井段静液柱压力进行计算来确定井下的安全性。这种计算首先是近似的计算，但是在存在压漏薄弱地层的可能性时计算摩阻压力特别重要。由于在一次注水泥施工中静液柱压力和摩阻压力是连续发生变化的，所以唯一适合的方法是利用注水泥模拟计算程序。28为了计算静液柱压力，要采用下面公式：Ph＝0.052×ρ×H式中：Ph＝静液柱压力，磅力／英寸2；ρ＝液体密度，磅／加仑；H=密度ρ的液体液柱高度，英尺。29如果井眼内有几种液体就应分段计算，则分为各段液体液柱压力的总和。假设注水泥做业完成后，环空内的浆柱有j种液体，各自的密度为ρj，对应的液柱高度为hj，任意井深处的压力为

或式中：m——井深x处以上环空井段所包含的浆体种数；ρj、hj——分别为第j种浆体所对应的密度和液柱高度。30将井深x处的静液压力与该井深处的地层压力及地层破裂压力对比，即若井涌若井漏固井设计要确保静液柱压力在孔隙压力与破裂压力之间，即要压稳，又不能压漏。应注意到水泥浆柱产生的静液柱压力随时间而减小。316.产生套管顶升的压力

在某些固井施工中，存在着将套管顶起的危险性。在下列条件下有发生这种现象的可能：套管柱重量较轻；套管长度较短；大直径套管；水泥浆密度高；顶替液密度低；环形空间摩阻大；环形空间堵塞；井口有回压。32当表层套管和导管固井时常遇到第2条至第5条中的情况。如图2-4中的井眼条件计算顶升力如下：在静态条件下：△F=(Ph×Ao)–(Wc+Wd)式中：Ph——指井内液体的静液压力，磅力／英寸2；Ao——指套管外截面积，英寸2；Wc——指套管重量，磅；Wd——指套管内液体重量，磅。33开泵时，必须将作用在内截面积上的泵压加到上式中△F=[(Ph×Ao)+(Pp×Ai)–(Wc+Wd)]式中：Ai——指套管内截面积，英寸2；Pp——指胶塞碰时的泵压（也是管内外压差），磅力／英寸2。△F是受力之差。如果该值为正，则套管可能被顶出井眼。在给定AF为0的条件下对Pp求解就得出套管会被顶升的临界泵压。除非套管事先加以紧固，否则固井人员应确保作业时泵压不超过这一泵压。34（二）计算实例例题1：对于图2-4中介绍的这口井进行下列计算。以下给出有关井眼的资料。井的资料图2-4表层套管：13-3／8英寸（54.50磅／英尺）下至1700英尺。裸眼：12-1／4英寸至4950英尺套管：9-5／8英寸（36.00磅／英尺）附加量：25％管内水泥塞长度：42英尺水泥面：进入13-3／8英寸套管300英尺尾浆返深：4450英尺前导浆：13.0磅/加仑（造浆量：1.50英尺3／袋）尾浆：16.4磅/加仑（造浆量：1.05英尺3／袋）隔离液：12.5磅／加仑（用量：40桶）顶替液：密度为11.5磅／加仑泥浆薄弱地层：在井深4320英尺处破裂压力为3215psi高孔隙压力地层：在深度4800英尺处压力3150psi图2-435试计算前导浆和尾浆的量、固井顶替量、碰压时的泵压，并校核浆柱结构设计是否能够实现平衡固井的要求。解：1).注水泥浆量计算：a.表层套管内前导水泥浆量：9-5／8"套管与13-3／8"套管间的水泥浆量V1＝300英尺×0.3627英尺3／英尺=108.8英尺3裸眼：9-5／8"套管与12-1／4"裸眼间的容积，再加上25％的附加量V2=（4450-1700）英尺×0.3131英尺3／英尺×1.25=1076.3英尺3前导水泥浆总量：VL=V1＋V2=108.8＋1076.3=1185.1英尺336b.裸眼内的尾浆量：4450英尺至4950英尺之间的量V3＝500×0.3131×1.25＝195.7英尺3套管内水泥塞体积：V4＝42英尺×0.4341英尺3／英尺＝18.2英尺3尾浆总量:VT=V3+V4=195.7+18.2=213.9英尺3372)替泥浆量VD=(4950-42)英尺×0.073桶/英尺=379.4桶3)碰压时泵压a.套管内静液柱压力(PHI)PHM=0.052×11.5磅/加仑×(4950-42)英尺＝2935.0psiPHT=0.052×16.4磅/加仑×42英尺=35.8psiPHI=2935.0psi+35.8psi=2970.8psi38b.套管外静液柱压力(PHO)必须计算环形空间各种液体静液柱压力之和：泥浆：泥浆柱高度为1400英尺减去隔离液高度。隔离液高度为:40桶×15.48英尺／桶（查表）＝619.2英尺。这样，泥浆高度为:1400-619.2＝780.2英尺PHM＝0.052×11.5磅/加仑×780.2英尺=466.9psi隔离液：PHS=0.052×12.5磅/加仑×619.2英尺=402.5psi前导水泥浆：PHL＝0.052×13.0磅/加仑×(4,450-1400)英尺=2061.8psi尾浆：PHT＝0.052×16.4磅/加仑×(4950-4450)英尺=426.4psi总压力PHO＝PHM+PHS+PHL+PHT=466.9+402.5+2061.8+426.4=3357.6psi碰压前压力（不计摩阻力）PLP＝PHO＋PHI=3357.6－2970.8=386.6psi394).作用于地层的静液柱压力：4320英尺处破裂压力为3215psi作用于4320英尺处静液柱压力PHPH=PHM+PHS+PL（4320英尺处）PL（4320英尺处）＝0.052×13.0磅／加仑×（4320-1400）英尺＝1973.9psiPH=466.9+402.5+1973.9=2843.3psi所以静液柱压力比破裂压力低371.1psi5).4800英尺处孔隙压力为：4800英尺处PH=PHM+PHS+PHL＋PHT（4800英尺处）PHT（4800英尺处）=0.052×16.4磅/加仑×(4800-4450)英尺＝298.5psiPH＝466.9+402.5+2061.8＋298.5=3229.7psi因此，静液柱压力比孔隙压力高79.7psi.40例题2：对于壁厚为61磅／英尺的套管下深800英尺，用密度为8.33磅／加仑的清水顶替密度为14．8磅/加仑的水泥浆，问是否会使套管柱浮起？解：a.在静态条件下：△F=[0.052×14.8×800×（13.375）2×л/4]-[(800×61）＋（800×0.052×8.33×(12.515）2×л/4)]＝86503-91428=-4926磅力结果为负值表明在静态条件下，浮力不足以使套管柱上浮。41b.胶塞碰时的压力为：Pp=(14.8-8.33）×0.052×800＝269.2psi由于有泵压作用于套管内部，就产生附加的力Fp：Fp=269.2×（12.515^2×л/4）=33.115磅力因此：总作用力（FT）为FT=-4902+33115＝28189磅力在这种情况下，尽管静液柱压力不足以顶升套管，但是在泵压作用下没固定的套管就会被顶升起来。本例中，套管内及环形空间都只有一种液体。而实际上在施工将结束时，环形空间有几种不同的液体（尾浆、前导水泥浆、隔离液等）在这种情况下，本例子中在不同液体的适当分布的条件下进行计算的。42附件一、自升式平台套管固井配方、计算及施工程序434