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1、第七章第七章 固井和完井固井和完井7-1 井身结构设计井身结构设计7-2 套管柱设计套管柱设计7-3 注水泥技术注水泥技术7-4 完井技术完井技术7-1 井身结构设计井身结构设计一、套管的分类作用一、套管的分类作用二、井身结构设计的原则二、井身结构设计的原则三、井身结构设计的基础数据三、井身结构设计的基础数据四、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五、井身结构设计方法五、井身结构设计方法六、设计举例六、设计举例七、套管尺寸与钻头尺寸的选择七、套管尺寸与钻头尺寸的选择 主要包括套管层次和每层套管的下深，各层套管外水泥返高，以及套管和井眼尺寸的配合。一、套管的分类作用一、套
2、管的分类作用1、表层套管、表层套管主要用途：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。下深位置：根据钻井的目的层深度和地表状况而定，一般为上百米甚至上千米第七章第七章第七章第七章 固井与完井固井与完井固井与完井固井与完井7-1 7-1 井身结构设计井身结构设计井身结构设计井身结构设计2、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。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
3、、易卡等井下复杂地层。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、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；节省套管和水泥。一般深井和超深井。第七章第七章第七章第七章 固井与完井固井与完井固井与完井固井与完井7-1 7-1 井身结构设计井身结构设计井身结构设计井身结构设计二、井身结构设计的原则二、井身结构设计的原则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
4、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。第七章第七章第七章第七章 固井与完井固井与完井固井与完井固井与完井7-1 7-1 井身结构设计井身结构设计井身结构设计井身结构设计三、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 0.06 g/cm3 井涌允量Sk；：0.05 0.08 g/cm3 压差允
5、值 p；PN:1518 MPa ，PA：2123 MPa第七章第七章第七章第七章 固井与完井固井与完井固井与完井固井与完井7-1 7-1 井身结构设计井身结构设计井身结构设计井身结构设计四、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+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，g/cm3；pmax-裸眼井段钻遇的最大地层压力的
6、当量泥浆密度，g/cm3；Dpmax-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，g/cm3；Dpmin-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，g/cm3；Dc1-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，g/cm3；第七章第七章第七章第七章 固井与完井固井与完井固井与完井固井与完井7-1 7-1 井身结构设计井身结构设计井身结构设计井身结构设计五、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 f=
7、pmax+Sb+Sg+Sf dmax 计算出f，在破裂压力曲线上查出f 所在的井深D21，即为中间套管下深假定点。（2）考虑可能发生井涌）考虑可能发生井涌 由 f=pmax+Sb+Sf+Sk Dpmax/D21 用试算法求 D21；先试取一个D21，计算f；将计算出的f 与D21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，可以确定D21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（1）、（2）两种条件下D21较大的值。第七章第七章第七章第七章 固井与完井固井与完井固井与完井固井与完井7-1 7-1 井身结构设计井身结构设计井身结构设计井身结构设计2、验证
8、中间套管下到深度、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：P=(pmax1+Sb-pmin)Dmin0.00981pmax1-钻进至D21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，m；（当有多个最小 地层压力点时，取最大井深。）l若P PN，则中间套管深度应小于假定点深度。需根据压差卡钻条件确定中间套管下深。求在压差PN 下所允许的最大地层压力：在地层压力曲线上找出pper 所在的深度即为中间套管下深D2。第七章第七章第七章第七章 固井与完井固井与完井固井与完井固井与完井7-1 7-1 井身结构设计井身
9、结构设计井身结构设计井身结构设计3、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f2，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：用试算法求D31。试取一个D31，计算出pper，与D31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，则确定为尾管下深假定点；否则，另取D31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PN 变为PA。第七章第七章第七章第七章 固井与完井固井与完井固井与完井固井与完井7-1 7-1 井身结
10、构设计井身结构设计井身结构设计井身结构设计5、计算表层套管下入深度、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p2，计算出若钻进到深度D2发生井涌关井时，表层套管鞋D1处所承受的井内压力的当量密度：根据上式，用试算法确定D1。试取一个D1，计算fE，计算值与D1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，则确定D1为表层套管下深。否则，重新试取D1进行试算。第七章第七章第七章第七章 固井与完井固井与完井固井与完井固井与完井7-1 7-1 井身结构设计井身结构设计井身结构设计井身结构设计五、设计举例五、设计举例 某井设计井深为 4400 m，地层孔隙压力梯
11、度和地层破裂压力梯度剖面如图7-2。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 Dpmax/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
12、：第七章第七章第七章第七章 固井与完井固井与完井固井与完井固井与完井7-1 7-1 井身结构设计井身结构设计井身结构设计井身结构设计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。（3）确定尾管下入深度初选点）确定尾管下入深度初选点D31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 pper=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=（1.9
13、4+0.036-1.435）32000.00981=16.98 MPa因为P PA，故确定尾管下深为D3=D31=3900m。第七章第七章第七章第七章 固井与完井固井与完井固井与完井固井与完井7-1 7-1 井身结构设计井身结构设计井身结构设计井身结构设计（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 r r,r r 可以忽略。变为双向应力问题。由第四强度理论：z z2 2 +t t2 2 -z zt t=s s2 2 变换为椭圆方程：按拉为正、压为负，根据以上方程可画出椭圆
14、图形。第七章第七章第七章第七章 固井与完井固井与完井固井与完井固井与完井7-2 7-2 套管柱设计套管柱设计套管柱设计套管柱设计 在椭圆图上，t t/s s 的百分比为纵坐标，z z/s s 的百分比为横坐标。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：l第第一一象象限限：拉伸与内压联合作用，轴向拉力的存在下使套管的抗内压强度增加。l第第二二象象限限：轴向压缩与内压联合作用。在轴向受压条件下套管抗内压强度降低。l第第三三象象限限：轴向压应力与外挤压力联合作用。在轴向受压条件下套管抗外挤强度增加。l第第四四象象限限：轴向拉应力与外挤压力联合作用。轴向拉力的存在使套管的抗挤
15、强度降低。由于这种情况在套管柱中是经常出现的。因此在套管柱设计中应当考虑轴向拉力对抗挤强度的影响。第七章第七章第七章第七章 固井与完井固井与完井固井与完井固井与完井7-2 7-2 套管柱设计套管柱设计套管柱设计套管柱设计考虑轴向拉力影响时的抗外挤强度公式推导：考虑轴向拉力影响时的抗外挤强度公式推导：由双向应力椭圆方程，当z z=0=0时：时：t t2 2 =s s2 2根据上式，则有：将t t和s s的表达式代入双向应力椭圆方程，并进行适当简化，即可得到考虑轴向拉力影响时的抗外挤强度近似公式：第七章第七章第七章第七章 固井与完井固井与完井固井与完井固井与完井7-2 7-2 套管柱设计套管柱设计
16、套管柱设计套管柱设计3、内压力及抗内压强度、内压力及抗内压强度（1）内压力）内压力 考虑到套管外的平衡压力，一般情况下，套管在井口所受的内压力最大。计算时，考虑三种最危险的情况。l套管内完全充满天然气并关井时的内压力；l以井口装置的承压能力作为套管在井口所受的内压力；l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进行计算。第七章第七章第七章第七章 固井与完井固井与完井固井与完井固井与完井7-2 7-2 套管柱设计套管柱设计套管柱设计套管柱设计（2）套管的抗内压强度）套管的抗内压强度l内压载荷下的主要破坏形式：爆裂、丝扣密封失效。l抗内压强度可由钻井手册或套
17、管手册查到。4、套管的腐蚀、套管的腐蚀l原因：原因：在地下与腐蚀性流体接触。l破破坏坏形形式式：管体有效厚度减少，套管承载力降低；钢材性质变化。l引起套管腐蚀的主主要要介介质质有：气体或液体中的硫化氢、溶解氧、二氧化碳。l抗抗硫硫套套管管：API套管系列中的H级、K级、J级、C级、L级套管。第七章第七章第七章第七章 固井与完井固井与完井固井与完井固井与完井7-2 7-2 套管柱设计套管柱设计套管柱设计套管柱设计三、套管柱强度设计三、套管柱强度设计 目的：目的：确定合理的套管钢级、壁厚、以及每种套管的井深区间。1、设计原则、设计原则l满足强度要求，在任何危险截面上都应满足下式：套管强度外载套管强
18、度外载安全系数安全系数l应能满足钻井作业、油气层开发和产层改造的需要；l在承受外载时应有一定的储备能力；l经济性要好。l安全系数：抗外挤安全系数 Sc=1.0；抗内压安全系数 Si=1.1；套管抗拉力强度（抗滑扣）安全系数 St=1.8。第七章第七章第七章第七章 固井与完井固井与完井固井与完井固井与完井7-2 7-2 套管柱设计套管柱设计套管柱设计套管柱设计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 该方法基本的设计思路是使各个危险截面上的最小安全系数等于或大于规定的安全系数。（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
19、拉力余量。另外还有最大载荷法、AMOCO法、西德BEB方法及前苏联的方法等。3、各层套管柱的设计特点、各层套管柱的设计特点l表层套管：表层套管：主要考虑内压载荷。l技技术术套套管管：既要有较高的抗内压强度，又要有抗钻具冲击磨损的能力。l油层套管：油层套管：上部抗内压、抗拉，下部抗外挤。第七章第七章第七章第七章 固井与完井固井与完井固井与完井固井与完井7-2 7-2 套管柱设计套管柱设计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（1）基本设计思路）基本设计思路计算本井可能出现的最大内压力，筛选符合抗内压强度的套管；下部套管段按抗挤设计，上部套管段按抗拉设计，各危险
20、断面上的最小安全系数要大于或等于规定安全系数；通式：通式：套管强度外载套管强度外载安全系数安全系数水泥面以上套管强度要考虑双向应力的影响；轴向拉力通常按套管在空气中的重量计算；当考虑双向应力时，按浮重计算。第七章第七章第七章第七章 固井与完井固井与完井固井与完井固井与完井7-2 7-2 套管柱设计套管柱设计套管柱设计套管柱设计（2）设计步骤）设计步骤例题：某井177.8mm（7英寸）油层套管下至3500m，下套管时的钻井液密度为1.30g/cm3，水泥返至2800m，预计井内最大内压力35MPa，试设计该套管柱（规定最小段长500m）。解：规定的安全系数：Sc=1.0，Si=1.1，St=1.
21、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P Pimaximax Si=38500 kPal筛选套管：筛选套管：C-75-75，L-80L-80，N-80N-80，C-90C-90，C-95C-95，P-110P-110。l按成本排序：按成本排序：N-80 N-80 C-75-75 L-80 L-80 C-90 C-90 C-95 C-95 P-110P-110第七章第七章第七章第七章 固井与完井固井与完井固井与完井固井与完井7-2 7-2 套管柱设计套管柱设计套管柱设计套管柱设计按抗挤设计下部套管段，水泥面以上进行双向应力校核
22、按抗挤设计下部套管段，水泥面以上进行双向应力校核；1）计算最大外挤力，选择第一段套管；查表：N-80，t1=10.36 mm，q1=0.4234kN/m，pc1=48401kPa，Fs1=3007 kN，Fst1=2611.1 kN。2）选择第二段套管；（选择强度低一级的套管；确定第一段套管的长度，进行第一段的抗拉强度校核）l查表：N-80，t2=9.19 mm，q2=0.3795kN/m，pc2=37301kPa，Fs2=2686.7 kN，Fst2=2308.6 kN。l计算第二段套管可下深度D2,确定第一段套管长度L1；第七章第七章第七章第七章 固井与完井固井与完井固井与完井固井与完井7
23、-2 7-2 套管柱设计套管柱设计套管柱设计套管柱设计l双向应力强度校核，最终确定D D2 2，L L1 1；D D2 2=2900m=2900m 2800m，超过水泥面，考虑双向应力影响；危险截面：危险截面：水泥面2800m处解决办法：解决办法：将第一段套管向上延伸至水泥面以上。预定：D D2 2=2700m=2700m，L L1 1=800m=800m。第七章第七章第七章第七章 固井与完井固井与完井固井与完井固井与完井7-2 7-2 套管柱设计套管柱设计套管柱设计套管柱设计l重新进行双向应力强度校核：（按照以上同样的方法进行）套管1：危险截面为2800m处，S Sc c=1.29=1.29
24、 1.0 安全 套管2：危险截面为2700m处，Sc=1.02 1.0 安全l计算套管抗拉安全系数：最终结果：D2=2700m，L1=800m。3）选择第三段套管，确定第二段套管长度l查表：N-80，t3=8.05 mm，q3=0.3358kN/m，pc3=26407kPa，Fs3=2366.5 kN，Fst3=1966.1 kN。第七章第七章第七章第七章 固井与完井固井与完井固井与完井固井与完井7-2 7-2 套管柱设计套管柱设计套管柱设计套管柱设计l考虑双向应力影响，确定第三段套管可下深度；由：采用试算法，取D3=1700m，计算得：Sc=1.03，安全。计算第二段顶部的抗拉安全系数l最终
25、结果：D3=1700m，L2=1000m。第七章第七章第七章第七章 固井与完井固井与完井固井与完井固井与完井7-2 7-2 套管柱设计套管柱设计套管柱设计套管柱设计还有上部还有上部1700m的套管需进行设计，转为抗拉设计；的套管需进行设计，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L3；实取：L3=1100m，则：Fm3=718+1100 0.3357=1087 kN2）确定第四段套管的使用长度l查表：应比第三段套管的抗拉强度高，N-80，t4=10.36 mm，q4=0.4234kN/m，pc4=48401kPa，Fs4=3007 kN，Fst4=2611.1 kN。与第一段所
26、用套管相同。第七章第七章第七章第七章 固井与完井固井与完井固井与完井固井与完井7-2 7-2 套管柱设计套管柱设计套管柱设计套管柱设计l计算第四段套管的许用长度：实际距井口还有600m，取L4=600m。l校核第四段下部的抗挤强度：l最终确定L4=600m，D4=600m。最终设计结果最终设计结果第七章第七章第七章第七章 固井与完井固井与完井固井与完井固井与完井7-2 7-2 套管柱设计套管柱设计套管柱设计套管柱设计7-3 注水泥技术注水泥技术一、油井水泥一、油井水泥二、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三、前置液三、前置液四、提高注水泥质量的措施四、提高注水泥质量的措施
27、l固井目的：固井目的：固定套管、有效封隔井内的油气水层。l固井：固井：在已打好的井眼内下入套管，并在套管与井壁之间注水泥封固的工作。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。l对油井水泥的基本要求：对油井水泥的基本要求：（1）水泥能配成流动性良好的水泥浆，且在规定的时间内，能始终保持这种流动性。（2）水泥浆在井下的温度及压力条件下保持性能稳定性；（3）水泥浆应在规定的时间内凝固并达到一定的强度；（4）水泥浆应能和外加剂相配合，可调节各种性能；（5）形成的水泥石应有很低的渗透性能等。第七章第七章第七章第七章 固井与完井固井与完井固井与完井固井与完井7-3 7-3 注水泥
28、技术注水泥技术注水泥技术注水泥技术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3CaOSiO2。（简称C3S）l水泥的主要成份，一般的含量为 4065。l对水泥的强度，尤其是早期强度有较大的影响。l高早期强度水泥中含量可达6065，缓凝水泥中含量在4045。（2）硅酸二钙）硅酸二钙2CaOSiO2（简称C2S），l含量一般在2430之间；l水化反应缓慢，强度增长慢；l对水泥的最终强度有影响。第七章第七章第七章第七章 固井与完井固井与完井固井与完井固井与完井7-3 7-3 注水泥技术注水泥技术注水泥技术注水泥技术（3）铝酸三钙）铝酸三钙3CaOAl2O3（简称C3A）l促进
29、水泥快速水化；l其含量是决定水泥初凝和稠化时间的主要因素；l对水泥浆的流变性及早期强度有较大影响；l对硫酸盐极为敏感；l对于有较高早期强度的水泥，其含量可达15。（4）铁铝酸四钙）铁铝酸四钙4CaOAl2O3Fe2O3（简称C4AF），l对强度影响较小，水化速度仅次于C3A，l早期强度增长较快，含量为812。除了以上四种主要成份之外，还有石膏、碱金属的氧化物等。第七章第七章第七章第七章 固井与完井固井与完井固井与完井固井与完井7-3 7-3 注水泥技术注水泥技术注水泥技术注水泥技术2、水泥的水化、水泥的水化l水泥与水混合成水泥浆后，与水发生化学反应，生成各种水化产物。逐渐由液态变为固态，使水泥
30、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：l3CaO SiO22H2O2CaO SiO2 H2O十十Ca(OH)2l2CaO SiO2H2O 2CaO SiO2 H2Ol3CaO Al2O36H2O 3CaO Al2O3 6H2Ol4CaOAl2O3Fe2O36H2O 3CaOAl2O36H2OCaOFe2O3H2O 除此之外还发生其他二次反应，生成物中有大量的硅酸盐水化产物及氢氧化钙等。在反应的过程中，各种水化产物均逐渐凝聚，使水泥硬化。第七章第七章第七章第七章 固井与完井固井与完井固井与完井固井与完井7-3 7-3 注水泥技术注水泥技
31、术注水泥技术注水泥技术（2）水泥凝结与硬化）水泥凝结与硬化l溶溶胶胶期期：水泥与水混合成胶体液，开始发生水化反应，水化产物的浓度开始增加，达到饱和状态时部分水化物以胶态或微晶体析出，形成胶溶体系。此时水泥浆仍有流动性。l凝凝结结期期：水化反应由水泥颗粒表面向内部深入，溶胶粒子及微晶体大量增加，晶体开始互相连接，逐渐絮凝成凝胶体系。水泥浆变稠，直到失去流动性。l硬硬化化期期：水化物形成晶体状态，互相紧密连接成一个整体，强度增加，硬化成为水泥石。（3）水泥石组成）水泥石组成无定性物质（水泥胶），它具有晶体的结构，颗粒尺寸大体在0lmm左右，互相连接成一个整体。氢氧化钙晶体，是水化反应的产物。未水化
32、的水泥颗粒。第七章第七章第七章第七章 固井与完井固井与完井固井与完井固井与完井7-3 7-3 注水泥技术注水泥技术注水泥技术注水泥技术3、油井水泥的分类、油井水泥的分类（1）API水泥的分类水泥的分类lA级：深度范围 01828.8 m，温度76.7。lB级：深度范围 01828.8 m，属中热水泥，温度至 76.7，有中抗硫和高抗硫两种。lC级：深度范围01828.8 m，温度至 76.7，高早期强度水泥，分普通、中抗硫及高抗硫三种。lD级：深度范围1828.83050 m，温度76127，用于中温、中压条件，分为中抗硫及高抗硫两种。lE级：深度范围 30504270 m，温度76143，用
33、于高温、高压条件，分为中抗硫及高抗硫两种。lF级：深度范围为 30504880 m，温度 110160，用于超高温和超高压条件，分为中抗硫及高抗硫两种。lG级及H级：深度范围为 02440 m，温度093，分为中抗硫及高抗硫两种。lJ级：深度范围为 36604880 m，温度49160。第七章第七章第七章第七章 固井与完井固井与完井固井与完井固井与完井7-3 7-3 注水泥技术注水泥技术注水泥技术注水泥技术（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七章第七章第七章第七章 固井与完井固井与完井固井与完井固井与完井7-3 7-3 注水泥技术注水泥技术注水泥技术注水泥技术
34、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、水泥浆性能水泥浆密度水泥浆密度l干水泥密度 3.053.20 gcm3，l水泥完全水化需要的水为水泥重量的20左右；l使水泥浆能流动加水量应达到水泥重量的4550；l水泥浆密度1.80 1.90 gcm3之间。l水灰比：水与干水泥重量之比。水泥浆的稠化时间水泥浆的稠化时间l水泥浆从配制开始到其稠度达到其规定值所用的时间。lAPI标准：从开始混拌到水泥浆调度达到 100 BC（水泥稠度单位）所用的时间。lAPI标准中规定在初始的 1530 min时间内，稠化值应当小于 30 BC。好的稠化情况是在现场总的施工时间内，水泥
35、浆的稠度在50 BC以内。第七章第七章第七章第七章 固井与完井固井与完井固井与完井固井与完井7-3 7-3 注水泥技术注水泥技术注水泥技术注水泥技术水泥浆的失水水泥浆的失水 一般用30分钟的失水量表示。水泥浆的凝结时间水泥浆的凝结时间l从液态转变为固态的时间。l对于封固表层及技术套管，希望水泥能有早期较高的强度。以便于尽快开始下一道工序。通常希望固完井候凝 8 左右，水泥浆开始凝结成水泥石，其抗压强度可达2.3MPa以上即可开始下一次开钻。水泥石强度水泥石强度l能支撑和加强套管。l能承受钻柱的冲击载荷。l能承受酸化、压裂等增产措施作业的压力。水泥石的抗蚀性水泥石的抗蚀性lC3A3%，C4AF+
36、2C3A 24%l加入矿渣、石英砂等提高抗硫能力。第七章第七章第七章第七章 固井与完井固井与完井固井与完井固井与完井7-3 7-3 注水泥技术注水泥技术注水泥技术注水泥技术2、水泥的外加剂、水泥的外加剂（1）加加重重剂剂：重晶石、赤铁粉等。可使水泥浆密度达到 2.3 gcm3。（2）减减轻轻剂剂：硅藻土、粘土粉、沥青粉、玻璃微珠、火山灰等。可使水泥浆的密度降到l 45 gm3。（3）缓缓凝凝剂剂：丹宁酸钠、酒石酸、硼酸、铁铬木质素磺酸盐、羧甲基羟乙基纤维素等。（4）促凝剂）促凝剂：氯化钙、硅酸钠、氯化钾等。（5）减减阻阻剂剂：奈磺酸甲醛的缩合物、铁铬木质素磺酸盐、木质素磺化钠等。（6）降失水剂
37、）降失水剂：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。第七章第七章第七章第七章 固井与完井固井与完井固井与完井固井与完井7-3 7-3 注水泥技术注水泥技术注水泥技术注水泥技术3、特种水泥、特种水泥（1）触变性水泥：当水泥浆静止时，形成胶凝状态，但在流动时，胶凝状态被破坏，它的流动性是良好的。（2）膨胀水泥：水泥浆凝固时，体积略有膨胀。一般用于高压气井。（3）防冻水泥：用于地表温度较低地区的表层套管固井。（4）抗盐水泥（5）抗高温水泥（6）轻质水泥第七章第七章第七章第七章 固井与完井固井与完井固井与完井固井与完井7-3 7-3 注水泥技术注水泥技术注
38、水泥技术注水泥技术三、前置液三、前置液 将水泥浆与钻井液隔开，起到隔离、缓冲、清洗的作用，可提高固井质量。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，以便形成平面推进型的顶替效果。通常为粘稠液体。第七章第七章第七章第七章 固井与完井固井与完井固井与完井固井与完井7-3 7-3 注水泥技术注水泥技术注水泥技术注水泥技术四、提高注水泥质量的措施四、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（l）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和水泥塞高度必须符合设计要
39、求；注水泥井段环空内的钻井液顶替干净；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；水泥石能经受油、气、水长期的侵蚀。（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、水的现象。不能有效地封隔各种层位，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。第七章第七章第七章第七章 固井与完井固井与完井固井与完井固井与完井7-3 7-3 注水泥技术注水泥技术注水泥技术注水泥技术2、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。注水泥段：注水泥段任一截面：窜窜槽槽：由于水泥浆不能将环
40、空中的钻井液完全替走，而使环形空间局部出现未被水泥浆封固住的这种现象。形成窜槽的原因：形成窜槽的原因：l套管不居中；l井眼不规则；l水泥浆性能及顶替措施不当。接触时间、顶替速度及流态、水泥浆流变性等。第七章第七章第七章第七章 固井与完井固井与完井固井与完井固井与完井7-3 7-3 注水泥技术注水泥技术注水泥技术注水泥技术（2）水泥浆凝结过程中油气水上窜）水泥浆凝结过程中油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；水泥浆凝结后体积收缩；收缩率小于0.2%。套管内原来有压力，放压后
41、使套管收缩。泥饼的存在，影响地层水泥间（第二界面）的胶结。第七章第七章第七章第七章 固井与完井固井与完井固井与完井固井与完井7-3 7-3 注水泥技术注水泥技术注水泥技术注水泥技术3 3、提高注水泥质量的措施、提高注水泥质量的措施（1 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，改善套管居中条件；注水泥过程中活动套管，增大水泥浆流动的牵引力调整水泥浆性能，使其容易顶替钻井液；注水泥过程中使水泥浆在环空的流动形成紊流或塞流，有利于水泥浆的顶替；在注水泥前，打入一定量的隔离液或清洗液，增加二者的密度差，形成有利的“漂浮”。（2）防止油气水上窜）防止油气水上窜采用多级注水泥
42、或两种凝速（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；使用膨胀性水泥，防止水泥收缩；使用刮泥器，清除井壁泥饼。第七章第七章第七章第七章 固井与完井固井与完井固井与完井固井与完井7-3 7-3 注水泥技术注水泥技术注水泥技术注水泥技术7-4 完井技术完井技术一、钻开储集层一、钻开储集层完井工艺过程：完井工艺过程：钻开生产层、确定完井井底结构、安装井底（下套管固井或下入筛管）、使井眼与产层连通并安装井口装置等。一、钻开储集层一、钻开储集层储集层的两个突出特点：储集层的两个突出特点：l储集有一定压力的油气水；l地层孔隙和裂缝比较发育，具有较好的原始渗透率。对钻开储集层的技术要求：
43、对钻开储集层的技术要求：l保护油气层，防止钻井液污染；l控制油气层，防止不必要的井喷，安全钻开储集层。第七章第七章第七章第七章 固井与完井固井与完井固井与完井固井与完井7-4 7-4 完井技术完井技术完井技术完井技术1、钻开后储集层储油性质的变化、钻开后储集层储油性质的变化水侵：水侵：钻井液中的自由水侵入储层的现象。泥侵：泥侵：钻井液中固相物质侵入储层的现象。（1）水侵对油气层的损害）水侵对油气层的损害使储层中的粘土成分膨胀，使油流通道缩小；破坏孔隙内油流的连续性，使单相流动变为多相流动，增加油流阻力；产生水锁效应，增加油流阻力；在地层孔隙中生成沉淀物。（2 2）泥侵对油气层的损害）泥侵对油气
44、层的损害钻井液直接进入较大的储层孔隙，形成堵塞；形成内泥饼，造成永久性损害；第七章第七章第七章第七章 固井与完井固井与完井固井与完井固井与完井7-4 7-4 完井技术完井技术完井技术完井技术2、钻开后储集层岩石力学性质的变化、钻开后储集层岩石力学性质的变化 储集层被钻开之后，打破了原来的力学平衡状态，岩石发生侧向变形，从而对储集层结构造成影响。l对于孔隙较多、较大的砂岩储层，影响不太明显；l对于裂缝性储集层，影响明显。当产生侧向变形时，有些微小裂缝的张开程度明显减小。使储集层的渗透率降低。l长期的采油生产，使储层内压力下降，砂岩的骨架受力增加，砂岩会被压碎而造成出砂。第七章第七章第七章第七章
45、固井与完井固井与完井固井与完井固井与完井7-4 7-4 完井技术完井技术完井技术完井技术3、钻开储集层的方法、钻开储集层的方法采用合理的钻井液体系，避免水侵和泥侵的危害；采用合理的钻井液密度，采用平衡或欠平衡压力钻井；采用良好的井身结构，减少储集层浸泡时间；在其他生产环节中也尽量防止污染使用低失水、低密度水泥浆；减少试油或其他作业中的关井、压井次数。第七章第七章第七章第七章 固井与完井固井与完井固井与完井固井与完井7-4 7-4 完井技术完井技术完井技术完井技术二、油气井完井井底结构类型二、油气井完井井底结构类型1、对完井的要求、对完井的要求（1）最大限度地保护储集层，防止对储集层造成伤害。（
46、2）减少油气流进入井筒时的流动阻力。（3）有效地封隔油气水层，防止各层之间的互相干扰。（4）克服井塌或产层出砂，保障油气井长期稳产，延长井的寿命。（5）可以实施注水、压裂、酸化等增产措施。（6）工艺简单、成本低。2、完井设计、完井设计（1）根据储集层特点，提出井底结构的类型；（2）提出完井段的井眼尺寸，如井径、打开长度、口袋长度等；（3）完井管柱设计，如套管直径、下入深度、水泥返高，射孔参数等。（4）完井液设计，提出完井液类型、性能、使用及调整方法等。第七章第七章第七章第七章 固井与完井固井与完井固井与完井固井与完井7-4 7-4 完井技术完井技术完井技术完井技术3、完井井底结构、完井井底结构
47、有四类：封闭式井底（用油套或尾管封堵产层）有四类：封闭式井底（用油套或尾管封堵产层）敞开式井底（产层裸露或下带孔眼的筛管但不固井）敞开式井底（产层裸露或下带孔眼的筛管但不固井）混合式井底（上部射孔、下部裸眼）混合式井底（上部射孔、下部裸眼）防砂完井（防止产层出砂的完井方法）防砂完井（防止产层出砂的完井方法）四大类可细分为四大类可细分为11种完井方法：种完井方法：封闭式井底（射孔完井法）封闭式井底（射孔完井法）敞开式井底（裸眼完井法、贯眼完井法）敞开式井底（裸眼完井法、贯眼完井法）混合式井底（衬管完井法、半闭式裸眼完井法、半闭式衬管完混合式井底（衬管完井法、半闭式裸眼完井法、半闭式衬管完井法）井
48、法）防砂完井（筛管防砂完井法、裸眼砾石充填完井法、渗透性人防砂完井（筛管防砂完井法、裸眼砾石充填完井法、渗透性人工井壁完井法、渗透性材料固井射孔完井法、渗透性衬管完井法）工井壁完井法、渗透性材料固井射孔完井法、渗透性衬管完井法）第七章第七章第七章第七章 固井与完井固井与完井固井与完井固井与完井7-4 7-4 完井技术完井技术完井技术完井技术（1）裸眼完井法）裸眼完井法让储集层裸露，只在储集层以上用套管封固的完井方法。先期裸眼完井：先固井，后打开储集层。后期裸眼完井：先打开储集层，后固井。裸眼完井的适用范围：裸眼完井的适用范围：l只适用于在孔隙型、裂缝型、裂缝一孔隙型或孔隙一裂缝型坚固的均质储集
49、层中使用。l适合于井中只有单一的储集层，不需分层开采，无含水含气夹层的井。第七章第七章第七章第七章 固井与完井固井与完井固井与完井固井与完井7-4 7-4 完井技术完井技术完井技术完井技术裸眼完井法的优点：裸眼完井法的优点：l排除了上部地层的干扰，可以在受污染最小的情况下打开储集层。l在打开储集层的阶段如遇到复杂情况，可及时提起钻具到套管内进行处理，避免事故的进一步复杂化。l缩短了储集层在洗井液中的浸泡时间，减少了储集层的受伤害程度。l由于是在产层以上固井，消除了高压油气对封固地层的影响，提高了固井质量。l储集层段无固井中的污染。第七章第七章第七章第七章 固井与完井固井与完井固井与完井固井与完
50、井7-4 7-4 完井技术完井技术完井技术完井技术裸眼完井法的缺点裸眼完井法的缺点l适应面窄，不适应于非均质、弱胶结的产层，不能克服井壁坍塌、产层出砂对油井生产的影响。l不能克服产层间的干扰，如油、气、水的互相影响和不同压力体系的互相干扰。l油井投产后难以实施酸化、压裂等增产措施。l先期裸眼完井法是在打开产层之前封固地层，但此时尚不了解生产层的真实情况，如果在打开产层的阶段出现特殊情况，会给后一步的生产带来被动。l后期裸眼完井没有避免洗井液和水泥浆对产层的污染和不利影响。第七章第七章第七章第七章 固井与完井固井与完井固井与完井固井与完井7-4 7-4 完井技术完井技术完井技术完井技术（2）射孔