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1、1硕士硕士20022002级级 现代完井工程现代完井工程石油钻探固井技术2概述概述井身结构设计井身结构设计套管及套管柱设计套管及套管柱设计油井水泥及水泥浆设计油井水泥及水泥浆设计影响注水泥质量的因素影响注水泥质量的因素31.1.固井的概念固井的概念 固井固井在井眼中下入适当尺寸及强度的在井眼中下入适当尺寸及强度的套管柱，然后用水泥浆封固套管与井壁套管柱，然后用水泥浆封固套管与井壁之间的环形空间的作业。之间的环形空间的作业。 包括：包括： 套管与下套管套管与下套管 水泥与注水泥水泥与注水泥42.2.固井的目的固井的目的l封隔易塌、易漏等复杂地层，保证钻井顺利封隔易塌、易漏等复杂地层，保证钻井顺利
2、进行；进行；l封隔油气水层，建立油气流出通道，防止产封隔油气水层，建立油气流出通道，防止产层间互窜；层间互窜；l进行增产措施；进行增产措施；l安装井口。安装井口。53.3.固井的内容固井的内容n套管及下套管套管及下套管 n水泥与注水泥水泥与注水泥64.4.对固井质量的要求对固井质量的要求能承受井下各种外力作用，能承受井下各种外力作用，抗腐蚀、不断、不裂、不变抗腐蚀、不断、不裂、不变形。形。环空封固段不窜、不漏、能环空封固段不窜、不漏、能经受高压挤注的考验。经受高压挤注的考验。 75.5.固井工艺流程固井工艺流程(1) (1) 井眼准备；井眼准备；钻井至预定井深后测井、通井并清洗井眼(循环钻井液
3、12周)起钻、下套管、安装水泥头及注水泥地面管汇再循环钻井液12周；(2)(2) 打隔离液或前置液打隔离液或前置液(一般用量为环空高度100m左右)；(3)(3) 释释放放下胶塞下胶塞注水泥注水泥(领浆、中浆、尾浆)；(4)(4) 释放释放上胶塞上胶塞替钻井液替钻井液;(5)(5) 碰压碰压(上胶塞下行至套管承托环,泵压突然升高,通常 5.0 MPa)，注水泥结束注水泥结束。6.6.工艺介绍工艺介绍l下套管下套管l注水泥注水泥l候凝候凝l检测评价检测评价97.7.固井的特点固井的特点(1)(1) 固井作业施工时间短。固井作业施工时间短。例：3500m 9-5/8 套管固井作业，下套管约12:0
4、016:00，注水泥约3:004:00 ；(2)(2) 作业属一次性工程，且质量要求高，事后补救困难作业属一次性工程，且质量要求高，事后补救困难(补救质量可控性差、成功率低、费用高)。据资料(美国、海洋)，补救作业费用与基本注水泥作业费的比值为: 表层套管固井表层套管固井：55 技术套管固井技术套管固井：15 尾尾 管管 固固 井井 ：120 产产 层层 固固 井井 ：84(3)(3) 材材料用量大，成本高。料用量大，成本高。 一般为钻井总成本的1530。10一一. .井身结构设计的内容井身结构设计的内容s套管的层次；套管的层次；s各层套管的尺寸与下入深度；各层套管的尺寸与下入深度；s井眼尺寸
5、井眼尺寸( (钻头尺寸钻头尺寸) )与深度；与深度；s水泥返高。水泥返高。11二二. .井身结构确定的原则井身结构确定的原则能有效的能有效的保护油气层保护油气层，使不同压力梯度的油气层不，使不同压力梯度的油气层不受钻井液的污染。受钻井液的污染。应应避免避免漏、喷、塌、卡等复杂情况发生，为全井顺漏、喷、塌、卡等复杂情况发生，为全井顺利钻进创造条件。利钻进创造条件。钻下部高压地层时，所用较高密度钻井液形成的液钻下部高压地层时，所用较高密度钻井液形成的液柱压力，柱压力，不压裂不压裂上层套管鞋处薄弱的裸露地层。上层套管鞋处薄弱的裸露地层。下套管过程中，应下套管过程中，应不发生不发生压差卡套管。压差卡套
6、管。套管与井眼、下次钻进的钻头与套管内径之间，应套管与井眼、下次钻进的钻头与套管内径之间，应有有合理的间隙合理的间隙12三三. .井身结构设计中所需的基础数据井身结构设计中所需的基础数据 1.1.地质方面的数据地质方面的数据 岩性剖面及故障提示；岩性剖面及故障提示； 地层孔隙压力剖面；地层孔隙压力剖面； 地层破裂压力剖面。地层破裂压力剖面。2.2.工程类数据工程类数据 抽吸压力与激动压力允许值；抽吸压力与激动压力允许值； 地层压裂安全增值；地层压裂安全增值； 井涌条件；井涌条件； 压差允许值。压差允许值。13四四. .套管与井眼尺寸的选择与配合套管与井眼尺寸的选择与配合生产套管的尺寸应满足采油
7、的要求；生产套管的尺寸应满足采油的要求；据产能、油管大小、增产措施以及井下作业等要求。据产能、油管大小、增产措施以及井下作业等要求。s 对于探井，要考虑设计原井深是否需要加深；对于探井，要考虑设计原井深是否需要加深；实际地与层原地质预报有可能存在差异，是否留可增加中间套管层实际地与层原地质预报有可能存在差异，是否留可增加中间套管层次的余地。次的余地。s 要考虑到工艺技术水平以及管材、钻头等的库要考虑到工艺技术水平以及管材、钻头等的库存情况。存情况。地质复杂情况、取岩心尺寸要求、井眼曲率等。地质复杂情况、取岩心尺寸要求、井眼曲率等。14一、套管规范简介一、套管规范简介套管受到各种类型外力作用，须
8、具有一定强度。套管受到各种类型外力作用，须具有一定强度。外载大小、类型不同，所需的强度要求也不同，须有一系列外载大小、类型不同，所需的强度要求也不同，须有一系列不同尺寸、不同强度的套管。即套管系列。不同尺寸、不同强度的套管。即套管系列。对所用的套管系列作一个统一规定，叫套管规范。规定了套对所用的套管系列作一个统一规定，叫套管规范。规定了套管生产的尺寸、钢级、壁厚、连接方式等。管生产的尺寸、钢级、壁厚、连接方式等。目前一般使用的美国目前一般使用的美国APIAPI套管规范。其规定的有关性能主要套管规范。其规定的有关性能主要有。有。151 1、尺寸系列（又叫名义外径或公称直径）、尺寸系列（又叫名义外
9、径或公称直径）41/2，5，51/2，65/8，7，75/8， 85/8，95/8，103/4，113/4，16, 285/8，20，30.162 2、钢级系列、钢级系列非标准的钢级，也较广泛使用，如NKK,S,SS,V等。APIAPI规定钢级代号后面的数字乘以规定钢级代号后面的数字乘以1000 psi1000 psi(6894.8Pa)(6894.8Pa)即即为该钢材的最小屈服强度为该钢材的最小屈服强度。如:N-80 801000psi但也有个别例外:S-80 55KpsiSS-95 80Kpsi173 3、套管螺纹类型与螺纹连接、套管螺纹类型与螺纹连接lAPIAPI标准螺纹类型标准螺纹类型
10、：短园螺纹，STC, CSG, C1长园螺纹，LTC,LCSG, C2梯型螺纹，BTC,BCSG, C33直连型螺纹，XL, XCSG, C11Xl与螺纹类型相对应的螺纹连接也有四种与螺纹类型相对应的螺纹连接也有四种。 螺纹连接指套管本体与结箍之间的连接。 另有一些非标准螺纹由厂家定义。18如何选用这些套管，选择原则：如何选用这些套管，选择原则：19二、套管外载分析与套管强度计算二、套管外载分析与套管强度计算（一）载荷分类与特点（一）载荷分类与特点1 1 静载静载特点：特点：长期作用、联合作用在套管上长期作用、联合作用在套管上。类型：类型：l轴向拉力轴向拉力l径向外挤压力径向外挤压力l径向内压
11、力径向内压力l弯曲附加拉力弯曲附加拉力l温差应力温差应力20(1)(1)轴向拉力：轴向拉力：T T 自重：自重：W W 浮力：浮力：F F T = W - FT = W - F21(2)(2)径向外挤压力：径向外挤压力：22(3)(3)径向内压力：径向内压力：管内流体压力管内流体压力压裂作业等压力压裂作业等压力232 2 动载动载特点：特点：瞬时地、单一地作用在套管上瞬时地、单一地作用在套管上。l起下钻时速度变化产生的动载起下钻时速度变化产生的动载l阻、卡套管时提拉动载阻、卡套管时提拉动载l摩擦动载摩擦动载l碰压动载碰压动载l密度差产生的附加拉力密度差产生的附加拉力套管柱在井下所受的套管柱在井
12、下所受的主要外力有哪些？主要外力有哪些？24作用在套管上作用在套管上的的主要载荷主要载荷是：是：轴向拉力轴向拉力 T Tb b= W - F= W - F外挤压力外挤压力 P Pc c内压力内压力 P Pi i25（二）轴向拉力与套管抗拉强度（二）轴向拉力与套管抗拉强度1 1、轴向拉力计算、轴向拉力计算1.11.1套管自重产生的轴向拉力套管自重产生的轴向拉力 浮力对轴向载荷有减小作用浮力对轴向载荷有减小作用，因此，设计时，因此，设计时考虑与不考虑浮力时的选用的安全系数应有一考虑与不考虑浮力时的选用的安全系数应有一定区别定区别。26(1)(1) 不考虑浮力时套管自重拉力不考虑浮力时套管自重拉力：
13、在套管柱上由下向上逐渐增大。在套管柱上由下向上逐渐增大。：井口处。井口处。：1000/qLTbT 井口处套管轴向拉力, KNq 单位长度套管的重量，N/mL 套管长度，m27(2) (2) 考虑浮力时套管自重拉力考虑浮力时套管自重拉力 ： 浮力系数法，台阶力法(按集中力考虑)浮力系数法 )：Tb套管在钻井液中的重量，KNBF 浮力系数3310101LqBqLTFsmb在空气中在空气中在钻井液中在钻井液中Tb281.21.2 弯曲附加拉力弯曲附加拉力 如果井眼存在较大的井斜变化如果井眼存在较大的井斜变化或狗腿度时，由于套管弯曲效应或狗腿度时，由于套管弯曲效应的影响将增大套管的拉力负荷，的影响将增
14、大套管的拉力负荷，特别是在靠近丝扣啮合处，易形特别是在靠近丝扣啮合处，易形成裂缝损坏，成裂缝损坏，由于由于APIAPI套管的连套管的连接强度没有考虑弯曲应力，接强度没有考虑弯曲应力，所以所以设计时应从套管的连接强度中扣设计时应从套管的连接强度中扣除弯曲效应的影响，除弯曲效应的影响，其计算公式其计算公式见有关资料。见有关资料。291.3 1.3 其它附加拉力其它附加拉力302 2 轴向拉力作用下的套管强度轴向拉力作用下的套管强度( (抗拉强度）抗拉强度）2.12.1 轴向拉力作用下套管的失效形式轴向拉力作用下套管的失效形式(1)(1)丝扣（接箍）滑脱丝扣（接箍）滑脱(2)(2)丝扣断裂丝扣断裂(
15、3)(3)管体断裂管体断裂(4)(4)氢脆氢脆312.22.2 套管抗拉强度的选用套管抗拉强度的选用抗拉强度抗拉强度minmin 丝扣部分抗拉强度，管体抗拉强度丝扣部分抗拉强度，管体抗拉强度 32（三）（三） 外挤压力与套管抗挤强度外挤压力与套管抗挤强度1 1 外挤压力计算外挤压力计算1.11.1外挤压力的计算外挤压力的计算：管内按全掏空的管内按全掏空的 最危险状态考虑。最危险状态考虑。：HPme00981. 0Pe外挤压力，MPaH 计算点深度，mm 管外泥浆(或盐水)密度，g/cm333外挤力分布外挤力分布：沿井深增加，最大在井底沿井深增加，最大在井底。a.水泥环有一定的承载能力，实际的外
16、挤力在水泥面以下要小水泥环有一定的承载能力，实际的外挤力在水泥面以下要小得多，可分段考虑；得多，可分段考虑；b.b.在有易流动塑性地层的情况下（如盐岩层、泥盐层），套管在有易流动塑性地层的情况下（如盐岩层、泥盐层），套管所受的外挤力应按上覆岩层的压力梯度计算；所受的外挤力应按上覆岩层的压力梯度计算；c.c.在很多井中，并不可能发生全掏空的外挤状态，故按上面方在很多井中，并不可能发生全掏空的外挤状态，故按上面方法计算出的外挤力偏大，这样便可能造成选择套管的浪费。法计算出的外挤力偏大，这样便可能造成选择套管的浪费。现行的方法是现行的方法是：根据各层套管具体可能出现的最大工况，按：根据各层套管具体可
17、能出现的最大工况，按有效载荷计算。有效载荷计算。341.21.2 有效外挤压力计算有效外挤压力计算计算方法：计算方法：P Pe e=P=Pc c- P- Pi i 其中其中P Pi i的计算方法不同，的计算方法不同，也使得也使得P Pe e有多种算法。有多种算法。352 2 套管的抗挤强度（单一外力作用）套管的抗挤强度（单一外力作用）2.12.1 套管在外挤力下的失效形式套管在外挤力下的失效形式套管径厚比的范围不同，套管破坏的形式也有套管径厚比的范围不同，套管破坏的形式也有所不同，其变化相似于受压直杆件的破坏。所不同，其变化相似于受压直杆件的破坏。细长杆压弯（失稳）细长杆压弯（失稳）短粗杆塑性
18、变形破坏短粗杆塑性变形破坏36套管按径厚比分类为：套管按径厚比分类为：厚壁：厚壁：D/t D/t 10 10中厚壁：中厚壁：10 D/t 10 30D/t 30 D D 套管直径；套管直径； t t 套管壁厚套管壁厚。套管失效形式套管失效形式：主要是失稳破坏，而不是强度破坏。：主要是失稳破坏，而不是强度破坏。失稳后的套管被挤扁或破裂。失稳后的套管被挤扁或破裂。372.2 2.2 套管抗挤强度计算套管抗挤强度计算 API根据上面套管的不同失效形式，给出了一套抗挤强度计算公式，即：l最小屈服抗挤强度最小屈服抗挤强度l最小塑性抗挤强度最小塑性抗挤强度l最小塑弹性抗挤强度最小塑弹性抗挤强度l最小弹性抗
19、挤强度最小弹性抗挤强度具体公式见有关教材。383 3 套管在多向载荷作用下的强度变化与计算套管在多向载荷作用下的强度变化与计算3.13.1套管双轴应力椭圆套管双轴应力椭圆a.a. 方程建立方程建立 由材料力学理论可知，套管在外载作用下，其单元体上受三个正应力作用，z轴向应力t周向应力r径向应力ztr39这三个应力共同作用时合成应力为（这三个应力共同作用时合成应力为（MisesMises方程）：方程）：22221zrrttzc根据第四强度理论，可得套管在多向应力下的强度条件为：根据第四强度理论，可得套管在多向应力下的强度条件为： c c s s其平衡方程有：其平衡方程有：22222szrrttz
20、40在这三个应力中，在这三个应力中， r r 0 0 0 0 拉伸内压拉伸内压 z z， t t 0 00 压缩内压压缩内压 z z， t t 0 000 000 拉伸外挤拉伸外挤 z z， t t433.23.2轴向拉力作用下套管抗挤强度的计算轴向拉力作用下套管抗挤强度的计算a.a. 计算公式计算公式44b. b. 计算计算K K u直接由直接由Tb/TsTb/Ts计算计算K K u查表求查表求K K 法法45（四）（四） 内压力与套管抗内压强度内压力与套管抗内压强度1 1 内压力计算内压力计算考虑状态考虑状态：内压力最大一般为井喷关井后或酸化压裂时。内压分布内压分布：以井口为最大(无外挤压
21、力)。计算方法计算方法：按井口关闭，全井充满天然气计算：井口压力Ps为：Pb地层压力46以井口装置的许用最高压力作为井口压力以有效内压力计算有效内压力有效内压力有效内压力井口压力管内压力管外压力有效内压力井口压力管内压力管外压力472 2 套管的抗内压强度套管的抗内压强度2.12.1套管在内压作用下的失效形式套管在内压作用下的失效形式套管在内压力下的破坏一般属于强度破坏。套管在内压力下的破坏一般属于强度破坏。2.22.2抗内压强度的计算抗内压强度的计算 套管管体和接箍处的抗内压强度可能不一致，故需同套管管体和接箍处的抗内压强度可能不一致，故需同时计算套管管体与丝扣处的抗内压强度。时计算套管管体
22、与丝扣处的抗内压强度。公式：公式：薄壁圆筒理论0.875允许套管壁厚12.5%的变化W接箍直径d1管末端的接箍扣根直径48三、套管柱设计方法三、套管柱设计方法( (一一) )设计原理设计原理套管柱设计，实际上就是怎样选择套管，使其能套管柱设计，实际上就是怎样选择套管，使其能满足井下各种外载状态的方法。满足井下各种外载状态的方法。1.1.选择依据选择依据外载外载安全系数安全系数 套管可用强度套管可用强度49选择原则选择原则：应能满足钻井、开发和产层改造的工艺要应能满足钻井、开发和产层改造的工艺要求，能满足各种条件下各种作业情况以及求，能满足各种条件下各种作业情况以及地层的要求地层的要求；考虑一定
23、的安全储备；考虑一定的安全储备；经济性。经济性。50工程上对选择套管的有关限制工程上对选择套管的有关限制： 在要求抗腐蚀的条件下，应先选用抗硫套管或在要求抗腐蚀的条件下，应先选用抗硫套管或高一钢级的套管；高一钢级的套管； 套管段数和种类的数量不应太多，一般应小于套管段数和种类的数量不应太多，一般应小于4 45 5段；段； 井口一根套管应为全井最大壁厚；井口一根套管应为全井最大壁厚； 对复杂井要计算井口的瞬时最大载荷。对复杂井要计算井口的瞬时最大载荷。512 2 选择步骤选择步骤a.a.确定套管在井下可能遇到的最大外载情况；确定套管在井下可能遇到的最大外载情况；b.b.确定使用的安全系数范围确定
24、使用的安全系数范围： 根据套管强度的计算方法和室内套管强度的试验，井下套根据套管强度的计算方法和室内套管强度的试验，井下套管受力状态的考虑以及使用的套管设计方法等因素，确定一个管受力状态的考虑以及使用的套管设计方法等因素，确定一个可用的安全系数范围可用的安全系数范围. .抗挤抗挤：1.00-1.501.00-1.50，一般为，一般为1.00-1.1251.00-1.125抗拉抗拉：1.60-2.001.60-2.00，一般为，一般为1.8-1.91.8-1.9抗内压抗内压：1.00-1.75,1.00-1.75,一般为一般为1.10-1.33,1.10-1.33,常用常用1.101.1052c
25、.c.计算出不同井深下套管所需的各种强计算出不同井深下套管所需的各种强度，从现有套管中选择出满足这些要度，从现有套管中选择出满足这些要求的套管；求的套管；d.d.对所选套管进行校核和调整对所选套管进行校核和调整533 3 等安全系数设计法等安全系数设计法3.13.1 设计原则设计原则 即即要求所设计的各段套管的最小安全系数应等要求所设计的各段套管的最小安全系数应等于规定的安全系数值。于规定的安全系数值。实际安全系数套管强度实际安全系数套管强度/ /计算外载计算外载543.23.2 设计考虑的外载状态设计考虑的外载状态：考虑浮力作用下的套管自重浮力作用下的套管自重（弯曲段加弯曲应力）：管内全掏空
26、管内全掏空时的最危险状态，有特殊地层段单独按上覆岩层压力梯度设计：以有效内压力有效内压力考虑553.3 设计顺序：外载特点外载特点:井底位置主要受外挤压力作用最大；在井口部位主要受拉力与内压力作用较大。设计顺序设计顺序:自下而上，先抗挤后抗拉自下而上，先抗挤后抗拉563.43.4 设计步骤设计步骤：确定设计条件：安全系数、外载计算方式确定设计条件：安全系数、外载计算方式按内压筛选套管按内压筛选套管求井底外挤力，选第一段套管求井底外挤力，选第一段套管选第二段套管，计算其可下深度选第二段套管，计算其可下深度计算第一段套管长度和有关安全系数计算第一段套管长度和有关安全系数选第三段套管选第三段套管选套
27、管，按套管抗拉强度计算其可下深度选套管，按套管抗拉强度计算其可下深度注意：抗挤应按双轴应力进行计算注意：抗挤应按双轴应力进行计算57水泥与水混合配成的水泥浆，注入到套管与井水泥与水混合配成的水泥浆，注入到套管与井眼的环空中，经一定时间的凝结和硬化封固环形空眼的环空中，经一定时间的凝结和硬化封固环形空间。间。固井质量的基本要求之一，固井质量的基本要求之一，是要有可靠的密封是要有可靠的密封性。性。这便要求使用的水泥在强度等性能方面均具备这便要求使用的水泥在强度等性能方面均具备较高的指标。而影响油井水泥这些性能的因素与它较高的指标。而影响油井水泥这些性能的因素与它内部的矿物成分的含量是密切相关的内部
28、的矿物成分的含量是密切相关的。58 水泥生料水泥生料( (碳酸盐矿物、粘土质原料和调节材料碳酸盐矿物、粘土质原料和调节材料) )经粉碎、磨细、混合，经粉碎、磨细、混合，在在14501450高温下焙烧，高温下焙烧，加入一定量的石膏磨细。加入一定量的石膏磨细。 水泥熟料水泥熟料 加石膏、粉碎加石膏、粉碎 油井水泥油井水泥59一、油井水泥组成与水化凝结过程一、油井水泥组成与水化凝结过程 1 1 油井水泥的主要矿物成分油井水泥的主要矿物成分硅酸三钙：硅酸三钙：3CaO3CaO SiOSiO2 2 简写：简写：C C3 3S S硅酸二钙：硅酸二钙：2CaO2CaO SiOSiO2 2 简写：简写：C C
29、2 2S S铝酸三钙：铝酸三钙：3CaO3CaO AlAl2 2O O3 3 简写：简写：C C3 3A A铁铝酸四钙：铁铝酸四钙：4CaO4CaO AlAl2 2O O3 3 FeFe2 2O O3 3简写：简写：C C4 4AFAF这四种矿物成分占总量的这四种矿物成分占总量的8787以上，各种组以上，各种组分在水泥的水化过程中有不同的特性。故组成水分在水泥的水化过程中有不同的特性。故组成水泥的泥的各种组分的比例不同，各种组分的比例不同，其水泥的性能也有所其水泥的性能也有所不同，即不同，即不同类型的水泥不同类型的水泥。602 2 矿物成分对水泥性能的影响矿物成分对水泥性能的影响(1)(1)硅
30、酸三钙硅酸三钙：在一般硅酸盐水泥中含量最高，在一般硅酸盐水泥中含量最高，是水泥产生强度的主要化合物。是水泥产生强度的主要化合物。 水化反应速度快，早期强度发展快、最终强水化反应速度快，早期强度发展快、最终强度大。度大。(2)(2)硅酸二钙硅酸二钙：水化反应慢，强度增长慢，能在水化反应慢，强度增长慢，能在长时间内逐渐增大水泥石的强度。长时间内逐渐增大水泥石的强度。61(3)(3)铝酸三钙铝酸三钙：是促进水泥快速水化的化合物，是是促进水泥快速水化的化合物，是决定水泥初凝和稠化时间的主要因素。对水泥浆的流决定水泥初凝和稠化时间的主要因素。对水泥浆的流动性有显著影响，并对硫酸盐的侵蚀十分敏感，因此动性
31、有显著影响，并对硫酸盐的侵蚀十分敏感，因此，高抗硫酸盐水泥必须控制其含量，高抗硫酸盐水泥必须控制其含量 3%3%或更低。或更低。(4)(4)铁铝酸四钙铁铝酸四钙：水化速度仅次于水化速度仅次于铝酸三钙铝酸三钙，早，早期强度增长快，但早期强度与最终强度差别不大，且期强度增长快，但早期强度与最终强度差别不大，且强度的绝对值不大，对水泥强度贡献很小，含量过大强度的绝对值不大，对水泥强度贡献很小，含量过大可使强度过早减退。可使强度过早减退。 C C3 3A A和和C C4 4AFAF的生成，主要是为降低水泥生产的烧结温的生成，主要是为降低水泥生产的烧结温度，加入了度，加入了AlAl2 2O O3 3、F
32、eFe2 2O O3 3。62凝结硬化时间凝结硬化时间C2SC3SC3AC4AF水水泥泥石石强强度度(4)(4)矿物成分对强度的影响矿物成分对强度的影响63通过调节水泥矿物成分的含量，便可获通过调节水泥矿物成分的含量，便可获得各种适用于不同要求的油井水泥，如：得各种适用于不同要求的油井水泥，如：性能性能要求要求实现方法实现方法高的早期强度高的早期强度 增加增加C C3 3A A、C C3 3S S含量、细磨含量、细磨缓凝性能好缓凝性能好 控制控制C C3 3A A、C C2 2S S含量、粗磨含量、粗磨低水化热低水化热 限制限制C C3 3A A、C C3 3S S含量含量高抗硫能力高抗硫能力
33、 限制限制C C3 3A3A3，C C3 3A+2CA+2C4 4AF24AF2464油井水泥的类型油井水泥的类型(1)API(1)API标准标准 A A、B B、C C、D D、E E、F F、G G、H H、J J九个级别。九个级别。其中，其中，G G、H H两级为基本水泥两级为基本水泥。即可通过加入外加剂和即可通过加入外加剂和/ /或外掺料或外掺料达到其它类型的特性，达到其它类型的特性，J J级水泥目前已有逐步被取消的趋势。级水泥目前已有逐步被取消的趋势。(2)(2)现行国家标准现行国家标准 按按APIAPI标准，标准，目前主要有目前主要有G G、H H级级。J J级质量控制标准级质量控
34、制标准不严，实际质量不稳定不严，实际质量不稳定。(3)(3)原国产标准原国产标准 4545、7575、9595、120120。已不使用。已不使用653 3 水泥的凝结与硬化水泥的凝结与硬化(1)(1)水化反应水化反应水泥矿物与水混合后，发生水化反应，生水泥矿物与水混合后，发生水化反应，生成各种水化产物。水泥浆将逐渐成各种水化产物。水泥浆将逐渐由液态转变为由液态转变为固态固态，这个过程叫，这个过程叫水泥的凝结与硬化过程水泥的凝结与硬化过程。66水泥的水化反应水泥的水化反应：a a. C C3 3A A的水化反应的水化反应b.b. C C3 3S,CS,C2 2S,S,及及C C4 4AFAF的水
35、化反应的水化反应c.c. 水化的水化的C C3 3A A和二水石膏的水化反应和二水石膏的水化反应随着水化的不断进行，水泥浆中的硅酸盐水化合物，铝随着水化的不断进行，水泥浆中的硅酸盐水化合物，铝酸盐水化合物、铁铝酸盐水化物等在容液中的浓度不断增加酸盐水化合物、铁铝酸盐水化物等在容液中的浓度不断增加，逐渐使微小晶体形成凝聚结构，从而促成水泥的凝结和硬，逐渐使微小晶体形成凝聚结构，从而促成水泥的凝结和硬化。化。67 (2)(2)水泥的凝结与硬化水泥的凝结与硬化“凝聚结晶凝聚结晶”理论基本思想理论基本思想认为水泥在凝结和硬化过程要形成两种不同类型的三维空间网，即凝聚网和结晶网凝聚网和结晶网。由于凝聚结
36、晶网的不断增强，最后形成水泥的硬化。68a.a.凝结过程凝结过程水化由颗粒表面深入水化由颗粒表面深入 胶态粒子增多胶态粒子增多 晶体开始联结晶体开始联结 凝聚网。凝聚网。b.b.硬化过程硬化过程水化深入水化深入 晶体析出晶体析出 相互联结相互联结 结晶网结晶网 硬化成微晶结构。硬化成微晶结构。69二、油井水泥及水泥浆的物理性能二、油井水泥及水泥浆的物理性能1 概念：描述水泥或水泥浆特性的有关参量描述水泥或水泥浆特性的有关参量。2 2 标准标准：APIAPI标准、国家标准、原国家标准。标准、国家标准、原国家标准。70水泥的性能水泥的性能 自由水自由水 抗压强度抗压强度 安定性安定性 细度细度 稠
37、化时间稠化时间水泥浆的性能水泥浆的性能 (现行现行)国家和国家和API标准标准 密度密度 自由水自由水( (析水析水) ) 滤失量滤失量( (失水失水) ) 稠化时间稠化时间 流变性能流变性能 水泥石抗压强度水泥石抗压强度 水泥石渗透率水泥石渗透率3 3 水泥及水泥浆的性能水泥及水泥浆的性能描述性能的参数描述性能的参数水泥浆的性能水泥浆的性能 ( (原原) )国家标准国家标准 密度密度 流动度流动度 凝结时间凝结时间 水泥石水泥石抗折强度抗折强度71(1)(1)密度密度s s：单位体积水泥浆的质量，单位体积水泥浆的质量，g/cmg/cm3 3。 基本要求基本要求：注水泥过程中，既要压稳地层不发
38、生流体的侵入：注水泥过程中，既要压稳地层不发生流体的侵入，也不压裂地层造成井漏。，也不压裂地层造成井漏。(2)(2)稠化时间稠化时间T Tt t：在指定温度和压力条件下，自水泥与水混合开在指定温度和压力条件下，自水泥与水混合开始至配成的水泥浆的稠度值达到始至配成的水泥浆的稠度值达到100BC100BC所经历的时间，叫该水所经历的时间，叫该水泥浆在此条件下的稠化时间。泥浆在此条件下的稠化时间。 基本要求基本要求：整个注水泥过程应在稠化时间以内完成，并包含：整个注水泥过程应在稠化时间以内完成，并包含一定的安全因数。通常：一定的安全因数。通常： 3.13.1水泥浆的性能水泥浆的性能72(3)(3)滤
39、失量滤失量Q Q3030：水泥浆中的自由水在压差作用下，通过井壁渗入水泥浆中的自由水在压差作用下，通过井壁渗入到地层中的现象叫滤失，滤失的多少叫滤失量，到地层中的现象叫滤失，滤失的多少叫滤失量，ml/30minml/30min。 基本要求基本要求：在保证注水泥施工顺利安全的前提下，尽量降低：在保证注水泥施工顺利安全的前提下，尽量降低滤失量滤失量。( (注意：这与对钻井液的要求有区别注意：这与对钻井液的要求有区别在钻井安全和不损害在钻井安全和不损害储层的前提下，可放宽。储层的前提下，可放宽。) )(4)(4)自由水自由水( (析水析水) )：在一定条件下，水泥浆静置一定时间后分离在一定条件下，水
40、泥浆静置一定时间后分离出的游离水。常用出的游离水。常用250ml250ml量筒满刻度水泥浆，静止量筒满刻度水泥浆，静止2 2小时分离小时分离出的游离水度量，体积出的游离水度量，体积% %。 基本要求基本要求：规定：规定G G、H H级水泥在标准水灰比下级水泥在标准水灰比下 1.4% 1.4%。实际工。实际工程中，在施工安全的前提下，应尽量降低。如，用于大斜度程中，在施工安全的前提下，应尽量降低。如，用于大斜度和水平井固井的水泥浆，应等于零或近于零。和水平井固井的水泥浆，应等于零或近于零。73(5)(5)流变性能流变性能：描述水泥浆在外力作用下，产生流动的特点的参描述水泥浆在外力作用下，产生流动
41、的特点的参数。常用流变模式参数有：数。常用流变模式参数有：PVPV、YP(YP(宾汉宾汉) )，n n、K(K(幂律幂律) )，YPYP、n n、K(K(赫赫巴巴) )等等。 基本要求基本要求：在保证浆体稳定性的前提下，尽量改善。：在保证浆体稳定性的前提下，尽量改善。(6)(6)抗压强度抗压强度：在一定温度、压力条件下，水泥浆在一定时间内在一定温度、压力条件下，水泥浆在一定时间内凝结硬化形成的水泥石抵抗压力破坏的能力，凝结硬化形成的水泥石抵抗压力破坏的能力，MPaMPa。 基本要求基本要求：支撑和悬挂套管的一部分重量；承受继续钻井的：支撑和悬挂套管的一部分重量；承受继续钻井的冲击载荷或油气层改
42、造的压力冲击载荷或油气层改造的压力。一般要求在井底静止温度下一般要求在井底静止温度下4848小时的值小时的值 14MPa14MPa。74(7)(7)水泥石渗透率水泥石渗透率：一定压力下，水泥石允许流体通过的特性叫一定压力下，水泥石允许流体通过的特性叫水泥石的渗透性，其大小叫渗透率，水泥石的渗透性，其大小叫渗透率，mm2 2。 基本要求基本要求：一般情况下不作要求，用于封固腐蚀性地层应尽：一般情况下不作要求，用于封固腐蚀性地层应尽量降低渗透率。量降低渗透率。(8)(8)流动度流动度：水泥浆自重作用下摊开流动的能力，水泥浆自重作用下摊开流动的能力，cm cm 或或mmmm。建。建筑上称作坍落度。筑
43、上称作坍落度。 基本要求基本要求：在保证水泥浆稳定性的前提下，应尽量提高水泥：在保证水泥浆稳定性的前提下，应尽量提高水泥浆的流动能力浆的流动能力。实际工程中，一般要求流动度实际工程中，一般要求流动度 20cm20cm。75(9)(9)凝结时间凝结时间：一定温度、压力条件下，自水泥与水混合开始至一定温度、压力条件下，自水泥与水混合开始至水泥浆失去流动性所经历的时间。包括：水泥浆失去流动性所经历的时间。包括： 初凝时间：自配浆开始至水泥浆部分失去塑性所经历的时间。初凝时间：自配浆开始至水泥浆部分失去塑性所经历的时间。 终凝时间：自配浆开始至水泥浆凝结硬化能承受一定压力时所经历的终凝时间：自配浆开始
44、至水泥浆凝结硬化能承受一定压力时所经历的时间。时间。 基本要求基本要求：整个注水泥过程应在初凝时间以内完成，并包含：整个注水泥过程应在初凝时间以内完成，并包含一定的安全因数。一般：一定的安全因数。一般：施工时间施工时间 75% 75% 初凝时间初凝时间76(10)(10)其它其它：抗折强度、安定性、细度。抗折强度、安定性、细度。 抗折强度抗折强度：在一定温度、压力条件下，水泥浆在一定时间内凝：在一定温度、压力条件下，水泥浆在一定时间内凝结硬化形成的水泥石抵抗剪切破坏的能力，结硬化形成的水泥石抵抗剪切破坏的能力，MPaMPa。 安定性安定性: :水泥石的热压膨胀特性，常用线膨胀率表示。水泥石的热
45、压膨胀特性，常用线膨胀率表示。要求要求 0.80.8% %。 细度细度：水泥灰颗粒的大小，一般不作要求。常用筛于量比表面：水泥灰颗粒的大小，一般不作要求。常用筛于量比表面表示表示。( (如原国产如原国产0.08mm0.08mm方孔方孔 15%15%，现行基本水泥，现行基本水泥G G、H H级不作级不作要求要求) ) 。77减轻材料减轻材料：降低水泥浆的密度；：降低水泥浆的密度；加重材料加重材料：提高水泥浆的密度；：提高水泥浆的密度；热稳定材料热稳定材料：提高水泥石的耐高温能力：提高水泥石的耐高温能力(大于大于110)。温度温度：显著影响水泥浆的性能。：显著影响水泥浆的性能。压力压力：一般情况下
46、，影响很小。一般情况下，影响很小。 4 4 影响水泥浆性能的主要因素影响水泥浆性能的主要因素785 5 水泥性能的调节水泥性能的调节油井水泥外加剂油井水泥外加剂调节水泥浆性能的外加剂可分为：调节水泥浆性能的外加剂可分为： 三大主剂：三大主剂：降失水剂、分散剂降失水剂、分散剂( (减阻剂减阻剂) )、调凝剂、调凝剂( (缓凝剂和促凝剂缓凝剂和促凝剂) )。 其它外加剂：其它外加剂：早强剂、防窜剂、膨胀剂、不渗透早强剂、防窜剂、膨胀剂、不渗透剂消泡剂、稳定剂等。剂消泡剂、稳定剂等。 密度调节：密度调节：减轻剂、加重剂。减轻剂、加重剂。79三、三、1.1.国内常用水泥外加剂及特性国内常用水泥外加剂及
47、特性2.2.水泥浆设计的一般程序水泥浆设计的一般程序3.3.基本材料的选择基本材料的选择4.4.制约条件制约条件5.5.外加剂配伍性外加剂配伍性80 注水泥顶替效率的影响因素注水泥顶替效率的影响因素 提高顶替效率的措施提高顶替效率的措施81一、注水泥质量要求一、注水泥质量要求l 水泥浆返高和套管内水泥塞必须符号设计要求；水泥浆返高和套管内水泥塞必须符号设计要求；l 注水泥段环空的钻井液应全部被水泥浆顶替干净注水泥段环空的钻井液应全部被水泥浆顶替干净，不窜槽；，不窜槽；l 水泥环有足够的连接强度和封固性能，不发生油水泥环有足够的连接强度和封固性能，不发生油气水窜；气水窜；l 水泥石能抗地层介质的
48、腐蚀。水泥石能抗地层介质的腐蚀。82顶替效率概念顶替效率概念注水泥段注水泥段：环形水泥浆体积环形水泥浆体积 = 环空体积环空体积注水泥浆段任一截面积注水泥浆段任一截面积：环形水泥浆面积环形水泥浆面积 = 环空截面积环空截面积83关键关键： 提高注水泥顶替效率提高注水泥顶替效率防止水泥浆候凝过程中的油气水窜防止水泥浆候凝过程中的油气水窜84二、提高注水泥顶替效率二、提高注水泥顶替效率1 1 影响注水泥顶替效率的因素影响注水泥顶替效率的因素l套管在井内的居中情况套管在井内的居中情况驱替力与阻力情况，偏心度影响驱替力与阻力情况，偏心度影响l水泥浆在顶替过程中的流动状态水泥浆在顶替过程中的流动状态紊流
49、与塞流顶替原理紊流与塞流顶替原理l紊流顶替时，液体流过封隔层的紊流顶替时，液体流过封隔层的接触时间接触时间l钻井液的钻井液的触变性触变性l水泥浆与钻井液的水泥浆与钻井液的密度差密度差852 2 提高顶替效率的措施提高顶替效率的措施a. a. 加扶正器，保证套管居中度；加扶正器，保证套管居中度；b. b. 活动套管；活动套管；c. c. 调整钻井液性能；调整钻井液性能；d. d. 调整水泥浆与钻井液、前置液间的流变调整水泥浆与钻井液、前置液间的流变性能。性能。86e.e.使用紊流或塞流顶替使用紊流或塞流顶替 调整水泥浆流变性能调整水泥浆流变性能 使用前置液和稀水泥浆实现紊流顶使用前置液和稀水泥浆
50、实现紊流顶替替f.f.增加接触时间增加接触时间 使用前置液使用前置液 增加水泥浆量增加水泥浆量871 1 油气水窜的基本原因油气水窜的基本原因1.1 1.1 顶替效率不好，有钻井液窜槽。顶替效率不好，有钻井液窜槽。1.2 1.2 环空压力环空压力 + + 流动阻力流动阻力 地层压力地层压力 造成这一情况的原因主要有：造成这一情况的原因主要有：a a. 环空水泥浆失重环空水泥浆失重（主要原因）（主要原因） 失重原因：胶凝、桥堵。失重原因：胶凝、桥堵。 b.b.环空实际静液柱压力不够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。如水泥返高不够，造成的压力过低。881.31.3 其它原因其