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1、第七章第七章第七章第七章 固井和完井固井和完井固井和完井固井和完井本章主要内容：本章主要内容：本章主要内容：本章主要内容：井身结构设计井身结构设计井身结构设计井身结构设计 套管柱强度设计套管柱强度设计套管柱强度设计套管柱强度设计 注水泥工艺技术注水泥工艺技术注水泥工艺技术注水泥工艺技术 钻开生产层技术钻开生产层技术钻开生产层技术钻开生产层技术 完井方法及井底结构完井方法及井底结构完井方法及井底结构完井方法及井底结构第一节第一节 井身结构设计井身结构设计一、套管的类型一、套管的类型 1.表层套管表层套管 用途：用途：1）封隔地表浅水层及浅部疏松和复杂地层，防止井漏。2）安装井口、悬挂和支撑后续各
2、层套管。下深：下深：根据地表状况和地层压力特性确定。2.生产套管（油层套管）生产套管（油层套管）用途：用途：保护生产层，提供油气流动通道。下深：下深：根据目的层位置及完井方式而定。3.技术套管（中间套管）技术套管（中间套管）用途：用途：封隔复杂地层，确保安全顺利钻井。下深：下深：根据复杂层位和地层压力特性确定。4.尾管（衬管）尾管（衬管）悬挂在上一层套管底部的套管，不延伸到井口，可减小负荷和降低成本。深井超深井常用。二、设计内容、原则及依据二、设计内容、原则及依据第一节第一节 井身结构设计井身结构设计1.设计内容设计内容（1）套管层次和下入深度（2）套管和井眼尺寸的配合（3）水泥返高2.设计原
3、则设计原则（1）有效地保护油气层；（2）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）钻下部高压层采用重钻井液所产生的井内压力，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。二、设计内容、原则及依据二、设计内容、原则及依据第一节第一节 井身结构设计井身结构设计3.设计依据设计依据（1）地层剖面及复杂层位（2）两个压力剖面：地层压力和地层破裂压力（3）工程数据：抽吸压力系数Sb：0.0240.048 g/cm3 激动压力系数S
4、g：0.0240.048 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 压差允值 p：PN=1518 MPa，PA =2123 MPa发生溢流关井后，井口回压在溢流井深处的当量钻井液密度。三、套管层次和下深的设计计算方法三、套管层次和下深的设计计算方法第一节第一节 井身结构设计井身结构设计1.基本思路基本思路依据两个压力剖面，以保证钻进套管以下的井段时的最大井内压力梯度不压裂该套管鞋出最薄弱的裸露地层为原则，从全井最大地层压力梯度处开始，由下向上确定套管的层次（技术套管和表层套管）和各层套管的下入深度。1.01.31.61.8当量密
5、度，g/cm3井深破裂压力地层压力油套技套表套三、套管层次和下深的设计计算方法三、套管层次和下深的设计计算方法第一节第一节 井身结构设计井身结构设计2.计算方法及步骤计算方法及步骤（1）计算技套下入深度的初选点钻进技套以下井段时，井内压力系统应满足以下条件：由（7-2）式或（7-3）式，结合地层破裂压力剖面图可确定技套下入深度的初选点。注意：注意：根据（7-3）式计算初选点时，要采用试算法。三、套管层次和下深的设计计算方法三、套管层次和下深的设计计算方法第一节第一节 井身结构设计井身结构设计2.计算方法及步骤计算方法及步骤（2）验算技套下到初选点时是否卡套管卡套管的条件是：在下套管的井段内，钻
6、井液液柱压力与最小地层压力的差（最大压差）大于压差允值，即：如果在下套管的井段内，最小地层压力在正常地层压力层段，则计算井深应取正常压力层段的最低点。因为在该点处的压差最大。如果在下套管的井段内，最小地层压力在异常压力层段，并在不同井深处存在多个相差不大的最小地层压力，则应分别计算压差，取其中的最大压差，一般在井深最大处。三、套管层次和下深的设计计算方法三、套管层次和下深的设计计算方法第一节第一节 井身结构设计井身结构设计2.计算方法及步骤计算方法及步骤（2）验算技套下到初选点时是否卡套管如果（7-4）式成立，则不会卡套管，初选点即为技套下深，即：。如果（7-4）不成立，则可能卡套管，这时技套
7、的下入深度应小于初选点深度，其实际下入深度可按下述方法计算：由可得到不发生压差卡套管所允许的最大地层压力的当量密度：在地层压力剖面图上，可找出允许的最大地层压力当量密度对应的最小井深，即为技套的下入深度（小于）。三、套管层次和下深的设计计算方法三、套管层次和下深的设计计算方法第一节第一节 井身结构设计井身结构设计2.计算方法及步骤计算方法及步骤（3）计算尾管下入深度的初选点并校核是否压差卡套管在技套实际下入深度小于初选点的情况下，需要下一层尾管（称为钻井尾管），其下入深度初选点确定如下：由破裂压力曲线，可得到技套套管鞋处的破裂压力当量密度。按照“钻进套管以下井段的最大井内压力不能压裂上一层套管
8、鞋处的裸露地层”的原则，由（7-3）式可求得钻进下尾管井段时所允许的最大地层压力梯度：结合地层压力剖面图，用试算法可得到尾管下深的初选点。校核是否发生压差卡尾管，方法同（2）。若不卡套管，则：当，取：；当，按上述方法再设计一层尾管。三、套管层次和下深的设计计算方法三、套管层次和下深的设计计算方法第一节第一节 井身结构设计井身结构设计2.计算方法及步骤计算方法及步骤（4）计算表层套管下入深度设计计算方法与技术套管的相同。需要说明：1）根据两个压力剖面设计套管层次和下深，可能出现不需要表套的情况。此时应根据地表地层情况、井深和地层压力特性等，根据经验和要求确定表套深度。2）表层套管通常下在正常压力
9、层段，一般不会发生压差卡套管，因此可不较核。3.必封点的确定必封点的确定对于压力剖面上无法反映的复杂情况，如：易漏易塌层、盐层等，应根据岩性剖面和钻井经验人为确定。层次和下深视复杂地层的多少和位置确定。某井设计井深为4400m，地层孔隙压力梯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；PA=12MPa；PN=18MPa，试进行该井的井身结构设计。解：解：由图上查得，pmax=2.04gcm3，Dpmax=4250m （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/D2
10、1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=2.19g/cm3，f PN=12MPa，故中间套管下深应浅于初选点。由：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。四、设计举例四、设计举例第一节第一节 井身结构设计井身结构设计 （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；试取D31=3900m，代入上式算得：pper=2.011g/cm3；由地层压力曲线查得
11、p3900=1.94 pper=2.011g/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。四、设计举例四、设计举例第一节第一节 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试取D1=850m，代入上式计算得：fE=1.737g/cm3。由破裂压力曲线查得f850=1.74 g/cm3，fE f850，且相近，故确定D1=850m。最后设计结果：最后设计结果：四、设计举例四、设
12、计举例第一节第一节 井身结构设计井身结构设计1.原则：原则：（1）套管能顺利下入井眼内，并具有一定的环空间隙柱水泥。固井质量要求最小环空间隙不能小于9.5mm（3/8in），最好为19mm（3/4in)，且套管直径越大，间隙应越大。（2）钻头能够顺利通过上一层套管。2.经验配合关系经验配合关系长期实践形成的经验配合关系（P256，图7-3）国内常用的配合关系：(17)133/8(12)95/8(8)51/2 （26）20（17 1/2）13 3/8（12 1/4）9 5/8（8 1/2）7（5 7/8）4 1/2 或或 5 五、套管与钻头尺寸的配合五、套管与钻头尺寸的配合第一节第一节 井身结构
13、设计井身结构设计第二节第二节第二节第二节 套管柱强度设计套管柱强度设计套管柱强度设计套管柱强度设计（1 1）结构特点）结构特点）结构特点）结构特点优质无缝钢管，一端为在管体上车制的公扣，一端为带母扣的套管接箍。优质无缝钢管，一端为在管体上车制的公扣，一端为带母扣的套管接箍。（2 2）尺寸系列（）尺寸系列（）尺寸系列（）尺寸系列（API API 标准）标准）标准）标准）直径：4 1/2”，5”，5 1/2”，6 5/8”，7”，7 5/8”，8 5/8”，9 5/8”，103/4，113/4，133/8，16，185/8，20；共14种。壁厚：5.2116.13mm。（3）钢级（钢级（API 标
14、准）标准）H-40H-40，J-55J-55，K-55K-55，C-75C-75，L-80L-80，N-80N-80，C-90C-90，C-95C-95，P-110P-110，Q-125Q-125。数字1000为套管的最小屈服强度kpsi。（4 4）螺纹类型（螺纹类型（APIAPI标准）标准）短圆（STC）、长圆（LTC）、梯形（BTC）、直连型（XL）一、套管和套管柱一、套管和套管柱一、套管和套管柱一、套管和套管柱1.套套 管管第二节第二节第二节第二节 套管柱强度设计套管柱强度设计套管柱强度设计套管柱强度设计一、套管和套管柱一、套管和套管柱一、套管和套管柱一、套管和套管柱2.套套 管管 柱柱
15、通常由同一外径、同一钢级或不同钢级、不同壁厚的套管组成的管柱，套管之间靠节箍连接。二、套管柱的受力分析二、套管柱的受力分析二、套管柱的受力分析二、套管柱的受力分析井下套管柱的受力轴向拉力轴向拉力：自重、弯曲应力、注水泥附加拉力、动载、摩阻等。外挤压力：外挤压力：管外液柱压力、地应力等内压力：内压力：地层流体压力、压裂及注水等压力。第二节第二节第二节第二节 套管柱强度设计套管柱强度设计套管柱强度设计套管柱强度设计二、套管柱的受力分析二、套管柱的受力分析二、套管柱的受力分析二、套管柱的受力分析1.轴向拉力的计算轴向拉力的计算套管柱所受到的轴向力主要是套管自重产生的轴向拉力。因此，在常规的套管柱设计
16、中，轴向拉力一般按套管的重力计算轴向拉力一般按套管的重力计算。其它一些轴向载荷，如弯曲应力引起的附加拉力、动载荷、注水泥引起的附加拉力、摩阻力等，一般考虑在安全系数之内。在定向井、大斜度井、水平井的弯曲井段，要加上弯曲应力引起的附加拉力。在大斜度井、水平井和大位移井的大斜度井段，要考虑摩擦阻力对轴向拉力的影响。第二节第二节第二节第二节 套管柱强度设计套管柱强度设计套管柱强度设计套管柱强度设计二、套管柱的受力分析二、套管柱的受力分析二、套管柱的受力分析二、套管柱的受力分析1.轴向拉力的计算轴向拉力的计算.（77）.（78）套管自重产生的轴向拉力，自下而上逐渐增大，在井口处达到最大。国内在套管设计
17、中，轴向拉力一般按套管在空气中的重力计算。但在考虑轴向拉力对套管抗挤强度的影响时，按套管的浮重计算。第二节第二节第二节第二节 套管柱强度设计套管柱强度设计套管柱强度设计套管柱强度设计二、套管柱的受力分析二、套管柱的受力分析二、套管柱的受力分析二、套管柱的受力分析2.外挤压力的计算外挤压力的计算在常规的套管柱设计中，套管所承受的外挤压力一般按套管完全掏空时的管外钻井液液柱压力计算。.（610）显然，套管住所受到的外挤力，在井底最大，在井口处最小。第二节第二节第二节第二节 套管柱强度设计套管柱强度设计套管柱强度设计套管柱强度设计二、套管柱的受力分析二、套管柱的受力分析二、套管柱的受力分析二、套管柱
18、的受力分析3.内压力的计算内压力的计算在套管柱设计中，国内外普遍采用以下方法计算套管的内压力：有效内压力有效内压力=井口压力井口压力+（管内液柱压力（管内液柱压力-管外液柱压力）管外液柱压力）一般地讲，套管内流体（天然气、油或钻井液）的密度小于或等于套管外流体（钻井液）的密度。因此，套管柱的有效内压力在井口处最大，即套管套管的最大有效内压力为井口压力。的最大有效内压力为井口压力。井口压力的确定方式有四种：（1）溢流（气侵）关井情况，井口压力等于地层压力。（2）以井口防喷装置的额定工作压力作为井口压力。（3）以套管内完全充满天然气计算井口压力：（4）以套管鞋处的地层破裂压力值确定井口压力：第二节
19、第二节第二节第二节 套管柱强度设计套管柱强度设计套管柱强度设计套管柱强度设计三、套管的强度三、套管的强度三、套管的强度三、套管的强度1.抗拉强度抗拉强度套管受拉应力作用时的破坏形式：1）套管本体被拉断；2）丝扣滑脱。圆螺纹套管的丝扣滑脱负荷小于管体的屈服拉断负荷；梯形螺纹套管和直联型套管的丝扣滑脱负荷大于管体的屈服拉断负荷。因此，对圆螺纹套管，以丝扣滑脱负荷作为其抗拉强度；对梯形螺纹和直联型套管，以管体屈服拉力作为其抗拉强度。2.抗挤强度抗挤强度套管受外挤压力作用时的破坏形式主要是丧失稳定性，即失圆、挤扁。套管开始丧失稳定性时的外挤压力值称为其抗挤强度。3.抗内压强度抗内压强度套管受内压力作用
20、时的破坏形式是爆裂。使套管爆裂的内压力称为其抗内压强度。第二节第二节第二节第二节 套管柱强度设计套管柱强度设计套管柱强度设计套管柱强度设计三、套管的强度三、套管的强度三、套管的强度三、套管的强度 4.双向应力椭圆双向应力椭圆双向应力作用下套管的强度双向应力作用下套管的强度（1）套管的应力状态套管的应力状态套管在轴向力和外挤压力（或内压力）的联合作用下，在管体内的任一点处将产生三个方向的应力：轴向应力、周向应力和径向应力。把套管视为薄壁管，则根据材料力学中的薄壁管理论，比小得多，可忽略不计。则可认为套管受双向应力（、）的作用。拉伸与外挤拉伸与内压第二节第二节第二节第二节 套管柱强度设计套管柱强度
21、设计套管柱强度设计套管柱强度设计三、套管的强度三、套管的强度三、套管的强度三、套管的强度4.双向应力椭圆双向应力椭圆双相应力作用下套管的强度双相应力作用下套管的强度（2）双向应力椭圆）双向应力椭圆根据材料力学中的第四强度理论，套管在双向应力作用下的强度破坏条件为：第二节第二节第二节第二节 套管柱强度设计套管柱强度设计套管柱强度设计套管柱强度设计三、套管的强度三、套管的强度三、套管的强度三、套管的强度4.双向应力椭圆双向应力椭圆双相应力作用下套管的强度双相应力作用下套管的强度50505050100100100100拉伸压缩外挤内涨第二节第二节第二节第二节 套管柱强度设计套管柱强度设计套管柱强度设
22、计套管柱强度设计三、套管的强度三、套管的强度三、套管的强度三、套管的强度4.双向应力椭圆双向应力椭圆双相应力作用下套管的强度双相应力作用下套管的强度（4）双相应作用下套管强度的变化）双相应作用下套管强度的变化 象限：象限：轴向拉力和内压力联合作用，轴向拉力使套管抗内压强度升高；象限：象限：轴向压力和内压力联合作用，轴向压力使套管抗内压强度降低；象限：象限：轴向压力和外挤力联合作用，轴向压力使套管的抗挤强度升高；象限：象限：轴向拉力和外挤力联合作用，轴向拉力使套管的抗挤强度降低。存在轴向拉力时的套管抗挤强度可按下式计算：.（611）1.设计原则设计原则1）强度原则）强度原则:在套管柱的任何危险截
23、面上都应满足强度要求：套管强度套管强度外载外载安全系数安全系数安全系数：抗外挤安全系数Sc=1.0；抗内压安全系数Si=1.1；套管抗拉（抗滑扣）安全系数St=1.8。2）经济原则经济原则:在满足强度条件的前提下，尽可能选用钢级较低或者壁厚较小的套管，以降低成本。第二节第二节第二节第二节 套管柱强度设计套管柱强度设计套管柱强度设计套管柱强度设计三、套管柱的强度设计三、套管柱的强度设计三、套管柱的强度设计三、套管柱的强度设计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
24、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。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表层套管：表层套管：主要考虑内压载荷。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。油层套管：油层套管：上部抗内压、抗拉，下部抗外挤。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
25、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。（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=1.8。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 kPa筛选套管：筛选套管：C-75-
26、75，L-80L-80，N-80N-80，C-90C-90，C-95C-95，P-110P-110。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按抗挤设计下部套管段，水泥面以上进行双向应力校核；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
27、的抗拉强度校核）查表：N-80，t2=9.19 mm，q2=0.3795kN/m，pc2=37301kPa，Fs2=2686.7 kN，Fst2=2308.6 kN。计算第二段套管可下深度D2,确定第一段套管长度L1；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。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
28、处，S Sc c=1.29=1.29 1.0安全套管2：危险截面为2700m处，Sc=1.02 1.0安全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查表：N-80，t3=8.05 mm，q3=0.3358kN/m，pc3=26407kPa，Fs3=2366.5 kN，Fst3=1966.1 kN。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最终结果：D3=1700m，L2=1000m。还有上部还有上部1700m的套管需进行设计，转为抗拉设计；
29、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+11000.3357=1087kN2）确定第四段套管的使用长度查表：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。与第一段所用套管相同。计算第四段套管的许用长度：实际距井口还有600m，取L4=600m。校核第四段下部的抗挤强度：最终确定L4=600m，D4=600m。最终设计结果最终设计结果第三节第三节 注水泥技术注水泥技术固井目的：固井目的：固定
30、套管、有效封隔井内的油气水层。本节内容：本节内容：油井水泥；水泥浆性能；提高注水泥质量的措施。注水泥的基本要求：注水泥的基本要求：（l）水泥浆返高和套管内水泥塞高度必须符合设计要求；（2）注水泥井段环形空间内的钻井液全部被水泥浆替走，不存在残留现象；（3）水泥石与套管及井壁岩石有足够的胶结强度，能经受住酸化压裂及下井管柱的冲击；（4）水泥凝固后管外不冒油、气、水，环空内各种压力体系不能互窜；（5）水泥石能经受油、气、水长期的侵蚀。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。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
31、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。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）水泥的主要成份，一般的含量为4065。对水泥的强度，尤其是早期强度有较大的影响。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），含量一般在2430之间；水化反应缓慢，强度增长慢；对水泥的最终强度有影响。（3）铝酸三钙）铝酸三
32、钙3CaOAl2O3（简称C3A）促进水泥快速水化；其含量是决定水泥初凝和稠化时间的主要因素；对水泥浆的流变性及早期强度有较大影响；对硫酸盐极为敏感；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），对强度影响较小，水化速度仅次于C3A，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。名称矿物分子式代号早期强度长期强度水化反应速度水化热收缩性抗硫酸盐腐蚀性能硅酸三钙硅酸三钙3CaOSiO2C3S良良中中中-硅酸二钙硅酸二钙2CaOSiO2C2S劣良慢小中-铝酸三钙铝酸三钙3CaOAl2O3C
33、3F良劣快中小低铁铝酸四铁铝酸四钙钙4CaO2Al2O3Fe2O3C4AF劣劣慢小小-矿物成分对物理性能的影响2、水泥的水化、水泥的水化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：3CaO SiO22H2O2CaO SiO2 H2O十十Ca(OH)22CaO SiO2H2O 2CaO SiO2 H2O3CaO Al2O36H2O 3CaO Al2O3 6H2O4CaOAl2O3Fe2O36H2O 3CaOAl2O36H2OCaOFe2O3H2O除此之外还发生
34、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。（2）水泥凝结与硬化）水泥凝结与硬化水泥的硬化分为三个阶段：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。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。水泥浆变绸，直到失去流动性。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。水泥石主要由三部分组成：水泥石主要由三部分组成：
35、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。未水化的水泥颗粒。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A级：深度范围01828.8m，温度76.7。B级：深度范围01828.8m，属中热水泥，温度至76.7，有中抗硫和高抗硫两种。C级：深度范围01828.8m，温度至76.7，高早期强度水泥，分普通、中抗硫及高抗硫三种。D级：深度范围1828.83050m，温度76127，用于中温、中压条件，分为中抗硫及高抗硫两种。E级：深度范围30504270m，温度76143，用于高温、高压条件，分为中抗
36、硫及高抗硫两种。F级：深度范围为30504880m，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。G级及H级：深度范围为02440m，温度093，分为中抗硫及高抗硫两种。J级：深度范围为36604880m，温度49160。（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干水泥密度3.053.20gcm3，水泥完全水化需要的水为水泥重量的20左右；使水泥浆能流动加水量应达到水泥重量的4550；水泥浆密度1.801.90gcm3之间。水灰比：水与干水泥重
37、量之比。水泥浆的稠化时间水泥浆的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。API标准：从开始混拌到水泥浆调度达到100BC（水泥稠度单位）所用的时间。API标准中规定在初始的1530min时间内，稠化值应当小于30BC。好的稠化情况是在现场总的施工时间内，水泥浆的调度在50BC以内。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从液态转变为固态的时间。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
38、强度能支撑和加强套管。能承受钻柱的冲击载荷。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C3A3%，C4AF+2C3A24%加入矿渣、石英砂等提高抗硫能力。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2.3gcm3。（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l45gm3。（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）降降失失水
39、水剂剂：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。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）轻质水泥三、前置液（星期四）三、前置液（星期四）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
40、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。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。2、影响注水泥质量的因素、影
41、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：套管不居中；井眼不规则；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。（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，放压后使
42、套管收缩。泥饼的存在，影响地层水泥间（第二界面）的胶结。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；调节注水泥速度，使水泥浆在环空呈紊流状态；调整水泥浆性能。加大钻井液与水泥浆的密度差；降低钻井液粘度和切力。（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。第四节第四节 完井技术完井技术完完井井工工艺艺过过程程：钻开生产层、确定完井井底结构、安装
43、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：储集有一定压力的油气水；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：对钻开储集层的技术要求：保护油气层，防止钻井液污染；控制油气层，防止不必要的井喷，安全钻开储集层。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一般，井内液柱压力大于地层压力。在毛细管力和正压差作用下，钻井液中的液相和固相进入储层岩石孔隙或裂缝之中，造成孔道堵塞，使储集层受到污染。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
44、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；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。对于孔隙较多、较大的砂岩储层，影响不太明显；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
45、。使储集层的渗透率降低。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。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。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。（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
46、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。3、完井井底结构、完井井底结构有四类：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
47、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
48、性衬管完井法）（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：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层中使用。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。裸眼完井法的优点：裸眼完井法的优点：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。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。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。由于是在产层以
49、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。储集层段无固井中的污染。裸眼完井法的缺点裸眼完井法的缺点适应面窄，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。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。油井投产后难以实施酸化、压裂等增产措施。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。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。（2）射孔完井法）射孔完井法下入油套封固产层再用射孔弹将套管、水泥环、部分产层射穿，形成油气流通道的完井
50、方法。是使用最多的完井方法。分为单管射孔完井法和多管射孔完井法。射孔密度一般为1020孔/m，最大可达36孔/m；射孔孔道直径一般为1016mm，最大可达25mm；射孔的相位角常在72180，沿螺旋分布；射孔工艺有正压射孔和负压射孔。主要优点：主要优点：能比较有效地封隔和支持疏松易塌的生产层。能够分隔不同压力和不同特点的油气层。可进行无油管完井和多油管完井。可以进行分层测试、分层开采、分层注水、分层酸化压裂。主要不足：主要不足：打开生产层和固井的过程中，钻井液和水泥浆对生产层的侵害较严重。不能有效的防止油层出砂。油气流入井内的阻力较大。分为单管射孔完成、多管射孔完成、尾管射孔完成、封隔器射孔完