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1、1第一节第一节 井身结构设计井身结构设计 主主要要包包括括套套管管层层次次和和每每层层套套管管的的下下深深，以以及及套套管管和井眼尺寸的配合。和井眼尺寸的配合。一、套管的分类及作用一、套管的分类及作用1、表层套管、表层套管封隔地表浅水层及浅部疏松和复杂地层；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。安装井口、悬挂和支撑后续各层套管。2、生产套管（油层套管）、生产套管（油层套管）钻钻达达目目的的层层后后下下入入的的最最后后一一层层套套管管，用用以以保保护护生生产产层，提供油气生产通道。层，提供油气生产通道。3、中间套管（技术套管）、中间套管（技术套管）在在表表层层套套
2、管管和和生生产产套套管管之之间间由由于于技技术术要要求求下下入入的的套套管管，可可以以是是一一层层、两两层层或或更更多多层层。主主要要用用来来封封隔隔井井下复杂地层。下复杂地层。4、尾管（衬管）、尾管（衬管）第1页/共91页2第2页/共91页3二、井身结构设计的原则二、井身结构设计的原则1 1、有效地保护油气层；、有效地保护油气层；2 2、有有效效避避免免漏漏、喷喷、塌塌、卡卡等等井井下下复复杂杂事事故故的的发生，保证安全、快速钻进；发生，保证安全、快速钻进；3 3、当当实实际际地地层层压压力力超超过过预预测测值值而而发发生生井井涌涌时时，在在一一定定压压力力范范围围内内，具具有有压压井井处处
3、理理溢溢流流的的 能力。能力。第3页/共91页4三、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：抽系压力系数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 压差允值p；PN:1518 MPa ，PA：2123 MPa第4页/共91页5四、确定套管层次和下深的基本思路依据两个压力剖面，以保证钻进时井内最大压力不压裂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和各
4、层套管的下入深度。1.01.31.61.8当量密度，g/cm3井深破裂压力油 套技 套表 套地层压力第5页/共91页6五、裸眼井段应满足的力学平衡条件五、裸眼井段应满足的力学平衡条件第6页/共91页7pfpmaxDpmaxfc1Dc1pminDpmin第7页/共91页8六、套管层次和下深的设计方法六、套管层次和下深的设计方法1、求中间套管下入深度的初选点、求中间套管下入深度的初选点（1）不考虑发生井涌）不考虑发生井涌 由裸眼井段应满足的力学平衡条件：由裸眼井段应满足的力学平衡条件：计算出f，在破裂压力曲线上查出f 所在的井深D21，即为中间套管下深初选点。第8页/共91页9（2）考虑可能发生井
5、涌用试算法计算出D21值即为中间套管下深初选点。说明：一般情况下，在新探区，取以上两种条件下D21较大的值。由裸眼井段应满足的力学平衡条件：第9页/共91页102 2、验证中间套管下到深度、验证中间套管下到深度D D2121是否有被卡的危是否有被卡的危险险由裸眼井段应满足的力学平衡条件：若p pN（orpA），则中间套管深度应小于初选点深度。需根据压差卡钻条件确定中间套管下深。第10页/共91页11求在允许压差pN（0rpA）下所允许的裸眼井段最大地层压力pper：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11页/共91页123 3、求钻井尾管下入深度的初选点、求钻井尾管
6、下入深度的初选点D D3131 根根据据中中间间套套管管鞋鞋D2处处的的地地层层破破裂裂压压力力当当量量密密度度f2，求求出出继继续续向向下下钻钻进进时时裸裸眼眼井井段段所所允允许许的的最最大大地地层层压压力力当当量量密度：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，则确定为尾管下深初选点；否则，另取D31进行试算。4、校核尾管下入到D31是否有被卡的危险 校核方法与中间套管的校核方法相同。第12页/共91页135 5、计算表层套管下入深度、计算表层套管下入深度D D1 1 根根据据中中间间套套管管鞋鞋处处
7、的的地地层层压压力力当当量量密密度度p2，计计算算出出若若钻钻进进到到深深度度D2发发生生井井涌涌关关井井时时，表表层层套套管管鞋鞋D1处所承受的井内压力的当量密度：处所承受的井内压力的当量密度：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13页/共91页14七、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 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）套管能顺利下入井眼内，并具有一定的环空间隙柱水泥。水泥。（2）钻头能够顺利通过上一
8、层套管。）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（长期实践形成的经验配合关系（P 256，图图7-3）国内常用的配合关系：国内常用的配合关系：q(17)13 3/8(12)9 5/8(8)5 q（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 第14页/共91页15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 优优质质无无缝缝钢钢管管，一一端端为为在在管管体体上上车车制制的的公公扣扣，一一端端为带母
9、扣的套管接箍。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）直直径径：4 1/2”，5”，5 1/2”，6 5/8”，7”，7 5/8”，8 5/8”，9 5/8”，10 3/4，11 3/4，13 3/8，16，18 5/8，20；共；共14种。种。壁厚：壁厚：5.2116.13 mm。一、套管和套管柱一、套管和套管柱一、套管和套管柱 1.套 管第15页/共91页16（3）钢级（API 标准）H-40，J-55，K-55，C-75，L-80，N-80，C-90，C-95，P-110，Q-125。数字1000为套管的最小屈服
10、强度 kpsi。（4）螺纹类型（API标准）短圆（STC）、长圆（LTC）、梯形（BTC）、直连型（XL）2、套管柱 由同一外径、不同钢级、不同壁厚的套管用接箍连接组成的管柱。特殊情况下也使用无接箍套管柱。第16页/共91页17二、套管柱受力二、套管柱受力套套管管柱柱在在井井内内所所受受外外载载复复杂杂。在在不不同同时时期期（下下套套管管过过程程中中、注注水水泥泥时时、后后期期开开采采等等过过程程中中）套套管管柱柱的的受力也不同。受力也不同。在在分分析析和和设设计计中中主主要要考考虑虑基基本本载载荷荷：轴轴向向拉拉力力、外外挤压力及内压力。挤压力及内压力。井下套管柱的受力轴向拉力：自重、弯曲应
11、力、注水泥附加拉力、动 载、摩阻等。外挤压力：管外液柱压力、地应力等内压力：地层流体压力、压裂及注水等压力。第17页/共91页181、套管轴向拉力的计算在常规的套管柱设计中，轴向拉力一般按套管的重力计算。其它轴向载荷，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。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18页/共91页192、外挤压力计算主要载荷：管外液柱的压力、地层中流体的压力、高塑性岩石（盐膏层、泥岩层）的侧向挤
12、压力等。常规情况下按套管全淘空时的管外钻井液液柱压力计算。有大段盐膏层的特殊情况下，有时将钻井液密度替换为上覆岩层压力的当量密度进行计算。套管柱所受的外挤力，在井底最大，井口最小。第19页/共91页203 3、内压力计算、内压力计算国内外普遍采用以下方法计算套管的内压力：国内外普遍采用以下方法计算套管的内压力：有有效效内内压压力力=井井口口压压力力+（管管内内液液柱柱压压力力-管管外外液液柱柱压力）压力）考考虑虑到到套套管管外外的的平平衡衡压压力力，一一般般情情况况下下，套套管管在在井井口口所所受的内压力最大。受的内压力最大。计算时，考虑三种最危险的情况确定井口压力：1)套管内充满天然气并关井
13、时的内压力；2)以井口装置的承压能力作为套管在井口所受的内压力；3)以套管鞋处的地层破裂压力值确定井口内压力：第20页/共91页21三、套管的强度三、套管的强度三、套管的强度三、套管的强度1 1、套管的抗拉强度、套管的抗拉强度套管所受轴向拉力一般在井口最大。套管所受轴向拉力一般在井口最大。由拉应力引起的破坏形式：本体被拉断、脱扣。由拉应力引起的破坏形式：本体被拉断、脱扣。圆圆螺螺纹纹套套管管的的丝丝扣扣滑滑脱脱负负荷荷小小于于管管体体的的屈屈服服拉拉断断负负荷；以丝扣滑脱负荷作为其抗拉强度；荷；以丝扣滑脱负荷作为其抗拉强度；梯梯形形螺螺纹纹套套管管和和直直联联型型套套管管的的丝丝扣扣滑滑脱脱负
14、负荷荷大大于于管管体体的的屈屈服服拉拉断断负负荷荷。以以管管体体屈屈服服拉拉力力作作为为其其抗抗拉拉强强度。度。第21页/共91页222 2、套管的抗外挤强度、套管的抗外挤强度外挤载荷作用下的破坏形式：外挤载荷作用下的破坏形式：q径厚比较大时，失稳破坏（失圆、挤扁）；径厚比较大时，失稳破坏（失圆、挤扁）；q径厚比较小时，强度破坏。径厚比较小时，强度破坏。根根据据现现有有套套管管尺尺寸寸，绝绝大大部部分分是是失失稳稳破破坏坏。套套管管开开始始丧失稳定性时的外挤压力值称为其抗挤强度。丧失稳定性时的外挤压力值称为其抗挤强度。抗挤强度可以在钻井手册或套管手册中查到。抗挤强度可以在钻井手册或套管手册中查
15、到。3 3、套管的抗内压强度、套管的抗内压强度内压载荷下的主要破坏形式：爆裂、丝扣密封失效。内压载荷下的主要破坏形式：爆裂、丝扣密封失效。抗内压强度可由钻井手册或套管手册查到。抗内压强度可由钻井手册或套管手册查到。第22页/共91页234 4、双向应力下的套管强度、双向应力下的套管强度 tzr从套管内部取一微小单元（如图），分析可知，在外载作用下产生三个方向的应力t、r、z，对于薄壁管，t r,r 可以忽略。变为双向应力问题。由第四强度理论，得出套管在双向应力作用下的强度破坏条件：第23页/共91页24按拉为正、压为负，根据强度破坏条件可画出椭圆图形：50505050100100100100拉
16、伸压缩外挤内涨第24页/共91页25双向应作用下套管强度的变化：双向应作用下套管强度的变化：第第一一象象限限：拉拉伸伸与与内内压压联联合合作作用用，轴轴向向拉拉力力的的存存在在下下使套管的抗内压强度增加。使套管的抗内压强度增加。第第二二象象限限：轴轴向向压压缩缩与与内内压压联联合合作作用用。在在轴轴向向受受压压条条件下套管抗内压强度降低。件下套管抗内压强度降低。第第三三象象限限：轴轴向向压压应应力力与与外外挤挤压压力力联联合合作作用用。在在轴轴向向受压条件下套管抗外挤强度增加。受压条件下套管抗外挤强度增加。第第四四象象限限：轴轴向向拉拉应应力力与与外外挤挤压压力力联联合合作作用用。轴轴向向拉拉
17、力力的的存存在在使使套套管管的的抗抗挤挤强强度度降降低低。由由于于这这种种情情况况在在套套管管柱柱中中是是经经常常出出现现的的。因因此此在在套套管管柱柱设设计计中中应应当当考考虑虑轴向拉力对抗挤强度的影响。轴向拉力对抗挤强度的影响。第25页/共91页26考虑轴向拉力影响时的抗外挤强度计算公式：第26页/共91页27四、套管柱强度设计四、套管柱强度设计目目的的：确确定定合合理理的的套套管管钢钢级级、壁壁厚厚、以以及及每每种种套套管管的的井井深深区区间。间。1 1、设计原则、设计原则满足强度要求，在任何危险截面上都应满足下式：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度外载安全
18、系数安全系数应能满足钻井作业、油气层开发和产层改造的需要；应能满足钻井作业、油气层开发和产层改造的需要；在承受外载时应有一定的储备能力；在承受外载时应有一定的储备能力；经济性要好。经济性要好。安全系数：安全系数：q抗外挤安全系数抗外挤安全系数 Sc=1.0；q抗内压安全系数抗内压安全系数 Si=1.1；q套管抗拉力强度（抗滑扣）安全系数套管抗拉力强度（抗滑扣）安全系数 St=1.8。第27页/共91页282 2、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。主要考虑内压载荷。技技术术套套管管：既既要要有有较较高高的的抗抗内内压压强强度度，又要有抗钻具冲击磨损的
19、能力。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，下部抗外挤。上部抗内压，下部抗外挤。第28页/共91页293 3、套管柱设计的等安全系数法、套管柱设计的等安全系数法 该方法基本的设计思想是使各个危险截面上的最小安该方法基本的设计思想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。全系数等于或大于规定的安全系数。（1）基本设计思路）基本设计思路计计算算本本井井可可能能出出现现的的最最大大内内压压力力，筛筛选选符符合合抗抗内内压压强强度的套管；度的套管；下下部部套套管管段段按按抗抗挤挤设设计计，上上部部套套管管段段按按抗抗拉拉设设计计，各各危危险险断断面面上上的的最最小
20、小安安全全系系数数要要大大于于或或等等于于规规定定安安全全系系数；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；水泥面以上套管强度要考虑双向应力的影响；轴轴向向拉拉力力通通常常按按套套管管在在空空气气中中的的重重量量计计算算；当当考考虑虑双双向应力时，按浮重计算。向应力时，按浮重计算。第29页/共91页30（2 2）设计步骤）设计步骤例例题题：某某井井177.8mm（7英英寸寸）油油层层套套管管下下至至3500m，下下套套管管时时的的钻钻井井液液密密度度为为1.30g/cm3，水水泥泥返返至至2800m，预预计计井井内内最最大大内内压压力力35
21、MPa，试试设设计计该该套套管管柱柱（规规定定最最小段长小段长500m）。）。解：规定的安全系数：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-75-75，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第30页/共91页
22、31按抗挤设计下部套管段，水泥面以上进行按抗挤设计下部套管段，水泥面以上进行双向应力校核；双向应力校核；1 1）计算最大外挤力，选择第一段套管；）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。第31页/共91页322）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）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
23、套管可下深度D2,确定第一段套管长度L1；第32页/共91页33双向应力强度校核，最终确定双向应力强度校核，最终确定D D2 2，L L1 1；D D2 2=2900m=2900m 2800m，超过水泥面，考虑双向应力影超过水泥面，考虑双向应力影响；响；危险截面：危险截面：水泥面水泥面28002800m m处。处。解决办法：将第一段套管向上延伸至水泥面以上。预定：D2=2700m，L1=800m。第33页/共91页34重新进行双向应力强度校核：重新进行双向应力强度校核：（按照以上同样的方法进行）（按照以上同样的方法进行）套管套管1 1：危险截面为危险截面为2800m处，处，Sc=1.29 1.
24、0 安安全全 套管套管2：危险截面为危险截面为2700m处，处，Sc=1.02 1.0 安安全全计算套管抗拉安全系数：计算套管抗拉安全系数：最终结果：D2=2700m，L1=800m。第34页/共91页353）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。第35页/共91页36计算第二段顶部的抗拉安全系数计算第二段顶部的抗拉安全系数最终结果：D3=17
25、00m，L2=1000m。第36页/共91页37还有上部还有上部1700m的套管需进行设计，转为抗拉设的套管需进行设计，转为抗拉设计；计；1）计算第三段套管按抗拉要求的允许使用长度）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=1087 kN第37页/共91页382）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6
26、00m，取L4=600m。第38页/共91页39校核第四段下部的抗挤强度：最终确定L4=600m，D4=600m。第39页/共91页40最终设计结果最终设计结果第40页/共91页41第三节第三节 注水泥技术注水泥技术注水泥目的：注水泥目的：固定套管、有效封隔井内的油气水层。固定套管、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。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；水泥浆返高和套管内水泥塞高度必须符合设计要求；（2）注注水水泥泥井井段段环环形形空空间间内内的的
27、钻钻井井液液全全部部被被水水泥泥浆浆替替走走，不存在残留现象；不存在残留现象；（3）水水泥泥石石与与套套管管及及井井壁壁岩岩石石有有足足够够的的胶胶结结强强度度，能能经经受住酸化压裂及下井管柱的冲击；受住酸化压裂及下井管柱的冲击；（4）水水泥泥凝凝固固后后管管外外不不冒冒油油、气气、水水，环环空空内内各各种种压压力力体系不能互窜；体系不能互窜；（5）水泥石能经受油、气、水长期的侵蚀。）水泥石能经受油、气、水长期的侵蚀。第41页/共91页42一、油井水泥一、油井水泥 油井水泥是一种硅酸盐水泥。油井水泥是一种硅酸盐水泥。对油井水泥的基本要求：对油井水泥的基本要求：（1）水水泥泥能能配配成成流流动动
28、性性良良好好的的水水泥泥浆浆，且且在在规规定定的的时时间间内，能始终保持这种流动性。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；）水泥浆在井下的温度及压力条件下保持性能稳定；（3）水泥浆应在规定的时间内凝固并达到一定的强度；）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；）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。）形成的水泥石应有很低的渗透性能等。第42页/共91页431、油井水泥的主要成分（1）硅酸三钙3CaOSiO2（简称C3S）水泥的主要成份，一般的含量为 4065。对
29、水泥的强度，尤其是早期强度有较大的影响。（2）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3CaOAl2O3（简称C3A）促进水泥快速水化；是决定水泥初凝和稠化时间的主要因素；对于有较高早期强度的水泥，其含量可达15。（4）铁铝酸四钙4CaO2Al2O3Fe2O3（简称C4AF）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43页/共91页442 2、水泥的水化、水泥的水化水水泥泥与与水水混混合合成成水水泥泥浆浆后后，与与水水发发生生化化学学反反应应，生生成成各各种种水水
30、化化产产物物。逐逐渐渐由由液液态态变变为为固固态态，使使水水泥泥硬硬化化和和凝凝结结，形形成成水水泥石。泥石。（1）水泥的水化反应）水泥的水化反应3CaO SiO2 2H2O2CaO SiO2 H2O十十Ca(OH)22CaO SiO2H2O 2CaO SiO2 H2O3CaO Al2O36H2O 3CaO Al2O3 6H2O4CaOAl2O3Fe2O36H2O 3CaOAl2O36H2OCaOFe2O3H2O 除除此此之之外外还还发发生生其其他他二二次次反反应应，生生成成物物中中有有大大量量的的硅硅酸盐水化产物及氢氧化钙等。酸盐水化产物及氢氧化钙等。第44页/共91页45（2）水泥凝结与硬
31、化）水泥凝结与硬化 水泥的硬化分为三个阶段：水泥的硬化分为三个阶段：溶溶胶胶期期：水水泥泥与与水水混混合合成成胶胶体体液液，开开始始发发生生水水化化反反应应，水水化化产产物物的的浓浓度度开开始始增增加加，达达到到饱饱和和状状态态时时部部分分水水化化物物以以胶胶态或微晶体析出，形成胶溶体系。此时水泥浆仍有流动性。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：水水化化反反应应由由水水泥泥颗颗粒粒表表面面向向内内部部深深入入，溶溶胶胶粒粒子子及及微微晶晶体体大大量量增增加加，晶晶体体开开始始互互相相连连接接，逐逐渐渐絮絮凝凝成成凝凝胶胶体系。水泥浆变绸，直到失去流动性。体系。水泥
32、浆变绸，直到失去流动性。硬硬化化期期：水水化化物物形形成成晶晶体体状状态态，互互相相紧紧密密连连接接成成一一个个整整体体，强度增加，硬化成为水泥石。强度增加，硬化成为水泥石。第45页/共91页463 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级别使用深度范围m使用温度范围，类 型说 明普通抗硫酸盐中高A0 183076.7普通水泥B中热水泥，中、高抗硫酸盐型C早强水泥，普通和中、高抗硫酸言型D1830 305076 127用于中温中压条件，中、高硫酸盐型E3050 427076 143基本水泥加缓凝剂，高温高压用F3050 4880110 160基本水泥加缓凝剂，超高压
33、、高温用G0 24400 93基本水泥，分中、高抗硫酸盐型HJ3660 488049 160超高温用，普通型第46页/共91页47（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45水泥：用于表层或浅层，深度小于1500米；75 水泥：用于井深15003200米。超过3500米，应加入缓凝剂。超过110，应加入不少于28%的硅粉。95 水泥：用于井深25003500米。超过110，加入28%以上的硅粉。120 水泥：用于井深35005000米。当用于45005000米时，应加入缓凝剂及降失水剂。第47页/共91页48二、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
34、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干水泥密度 3.053.20 gcm3，水泥完全水化需要的水为水泥重量的水泥完全水化需要的水为水泥重量的20左右；左右；使水泥浆能流动加水量应达到水泥重量的使水泥浆能流动加水量应达到水泥重量的4550；水泥浆密度水泥浆密度1.80 1.90 gcm3之间。之间。水灰比水灰比：水与干水泥重量之比。：水与干水泥重量之比。第48页/共91页49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稠度达到 100 BC（水泥稠度单位）所用的时间。API标准中规定在初始的 1530 min时间内，稠化值应
35、当小于 30 BC。好的稠化情况是在现场总的施工时间内，水泥浆的稠度在50 BC以内。第49页/共91页50水泥浆的失水水泥浆的失水 一般用一般用30分钟的失水量表示。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。从液态转变为固态的时间。对对于于封封固固表表层层及及技技术术套套管管，希希望望水水泥泥能能有有早早期期较较高高的的强强度度。通通常常希希望望固固完完井井候候凝凝 8hr.左左右右，水水泥泥浆浆开开始始凝凝结结成成水水泥泥石，其抗压强度可达石，其抗压强度可达2.3MPa以上即可开始下一次开钻。以上即可开始下一次开钻。水泥石强度水泥石强度能支撑和加强套管，能承
36、受钻柱的冲击载荷。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。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主要应抗硫酸盐腐蚀。主要应抗硫酸盐腐蚀。第50页/共91页512 2、水泥的外加剂、水泥的外加剂（1）加加重重剂剂：重重晶晶石石、赤赤铁铁粉粉等等。可可使使水水泥泥浆浆密密度度达达到到 2.3 gcm3。（2）减减轻轻剂剂：硅硅藻藻土土、粘粘土土粉粉、沥沥青青粉粉、玻玻璃璃微微珠珠、火火山灰等。可使水泥浆的密度降到山灰等。可使水泥浆的密度降到l 45 gm3。（3）缓缓凝凝剂剂：丹丹宁宁酸酸钠钠、酒酒石石酸酸、硼硼酸酸、铁铁铬铬木木质
37、质素素磺磺酸盐、羧甲基羟乙基纤维素等。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。氯化钙、硅酸钠、氯化钾等。（5）减减阻阻剂剂：奈奈磺磺酸酸甲甲醛醛的的缩缩合合物物、铁铁铬铬木木质质素素磺磺酸酸盐、木质素磺化钠等。盐、木质素磺化钠等。（6）降降失失水水剂剂：羧羧甲甲基基羟羟乙乙基基纤纤维维素素、丙丙烯烯酸酸胺胺、粘粘土土等。等。（7）防漏失剂：）防漏失剂：沥青粒、纤维材料等。沥青粒、纤维材料等。第51页/共91页523 3、特种水泥、特种水泥（1）触触变变性性水水泥泥：在在水水泥泥中中加加入入粘粘土土或或硫硫酸酸盐盐。当当水水泥泥浆浆静静止止时时，形形成成胶胶
38、凝凝状状态态，但但在在流流动动时时，胶胶凝凝状状态态被被破破坏坏，具有良好的流动性。具有良好的流动性。（2）膨膨胀胀水水泥泥：在在水水泥泥中中加加入入铝铝粉粉或或煅煅烧烧的的氧氧化化镁镁。水水泥泥浆浆凝固时，体积略有膨胀。一般用于高压气井。凝固时，体积略有膨胀。一般用于高压气井。（3）防防冻冻水水泥泥：在在水水泥泥中中加加入入石石膏膏粉粉或或铝铝酸酸钙钙。用用于于地地表表温温度较低地区的表层套管固井。度较低地区的表层套管固井。（4）抗抗盐盐水水泥泥：在在水水泥泥中中加加入入盐盐粉粉。用用于于海海水水配配桨桨或或盐盐岩岩层层固井。固井。（5）抗抗高高温温水水泥泥：在在水水泥泥中中加加入入石石英英
39、砂砂或或铝铝酸酸盐盐。用用于于高高温温条件固井。条件固井。（6）轻质水泥：低压固井用。）轻质水泥：低压固井用。第52页/共91页53三、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：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：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53页/共91页54四、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；水泥浆返高和
40、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；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。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。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。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。因固结质量不良在生产中引起套管变形，使井报废
41、等。第54页/共91页552 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。窜窜槽槽：由由于于水水泥泥浆浆不不能能将将环环空空中中的的钻钻井井液液完完全全替替走走，而而使使 环环形形空空间间局局部部出出现现未未被被水水泥泥浆浆封封固固住住的的这种现象。这种现象。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。注水泥段：注水泥段任一截面：第55页/共91页56（2 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：水水泥泥浆浆失失重重
42、：水水泥泥浆浆柱柱在在凝凝结结过过程程中中对对其其下下部部或或地地层层所所作用的压力逐渐减小的现象。作用的压力逐渐减小的现象。桥堵引起失重，桥堵引起失重，从而引起油气水上窜；从而引起油气水上窜；水泥浆凝结后体积收缩；水泥浆凝结后体积收缩；收缩率小于收缩率小于0.2%0.2%。套管内原来有压力，放压后使套管收缩套管内原来有压力，放压后使套管收缩。泥饼的存在，泥饼的存在，影响地层影响地层水泥间（第二界面）的胶结。水泥间（第二界面）的胶结。第56页/共91页573 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；
43、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；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；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。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；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；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；使用膨胀性水泥，防止水泥收缩；使用刮泥器，清除井壁泥饼。使用刮泥
44、器，清除井壁泥饼。第57页/共91页58第四节第四节 完井技术完井技术完完井井：从从钻钻开开生生产产层层、下下油油层层套套管管、注注水水泥泥固固井井、射射孔孔到到试采等一系列生产过程的总称。试采等一系列生产过程的总称。完井工程包括的内容：完井工程包括的内容：（1）钻开生产层：钻井完井液设计、平衡压力钻井）钻开生产层：钻井完井液设计、平衡压力钻井 （2）完井井底结构设计和完井方法选择）完井井底结构设计和完井方法选择 （3）安装井底：包括下套管固井或下入筛管、割缝衬）安装井底：包括下套管固井或下入筛管、割缝衬管管 （4）连通井眼与产层（射孔、裸眼等）连通井眼与产层（射孔、裸眼等）（5）防砂措施）防
45、砂措施 （6）安装井口，完井测试）安装井口，完井测试第58页/共91页59 完井工程的原则和要求：（1）有效地保护油气层，尽量减轻或避免对产层的污染。（2）建立产层与井眼之间的良好通道，使油气流入井阻力最小，提高产能。（3）有效地封隔油、气、水层和不同压力的地层，防止层间干扰。（4）有效地控制油层出砂，防止井壁坍塌，确保油气井长期稳产。（5）井底结构能够满足开采、注水、井下作业等工艺要求。（6）工艺简单，成本低。第59页/共91页60一、钻开储集层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：保护油气层，防止钻井液污染；控制
46、油气层，防止不必要的井喷，安全钻开储集层。第60页/共91页611、钻井作业对储集层性质的影响（1）压差的影响 在正压差的作用下，钻井液中的液相和固相侵入储层岩石孔隙或裂缝中，对储集层造成不同性质的伤害。1）水侵使储集层中的粘土成分膨胀，使孔隙度减小，渗透率降低；2）水侵破坏孔隙内油流的连续性，增加油流阻力；3）水侵产生水锁效应，增加油流阻力；4）泥侵堵塞储集层孔隙通道。第61页/共91页62（2）化学物质不配伍的影响 钻井液的化学成分余地层流体的化学成分不配伍，发生化学反应，生成沉淀物堵塞孔隙；钻井液中化学物质将岩石某些成分溶蚀，破坏岩石的胶结，使岩石坍塌或膨胀，是储集层岩石渗透率降低。（3
47、）浓度差的影响 钻井液和地层流体中的化学物质的浓度差，引起化学物质的渗透现象。（4）应力状态变化的影响 钻开储集层形成井眼，井壁周围岩石的应力状态发生变化，引起岩石的变形（主要实侧向变形），使岩石的孔隙度和渗透率降低。第62页/共91页632 2、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；采用合理的钻井液体系，避免水侵和泥侵的危害；采采用用合合理理的的钻钻井井液液密密度度，采采用用平平衡衡或或欠欠平平衡衡压压力力钻钻井；井；采用良好的井身结构，减少储集层浸泡时间；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在其他生产环节中也尽量防止
48、污染使用低失水、低密度水泥浆；使用低失水、低密度水泥浆；采用屏蔽暂堵等保护油气层技术采用屏蔽暂堵等保护油气层技术减少试油或其他作业中的关井、压井次数。减少试油或其他作业中的关井、压井次数。第63页/共91页64二、油气井完井井底结构类型二、油气井完井井底结构类型第64页/共91页65第65页/共91页661、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：只适用于在孔隙型、裂缝型、裂缝-孔隙型或孔隙-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。
49、第66页/共91页67裸眼完井法的优点：裸眼完井法的优点：排排除除了了上上部部地地层层的的干干扰扰，可可以以在在受受污污染染最最小小的的情情况况下打开储集层。下打开储集层。在在打打开开储储集集层层的的阶阶段段如如遇遇到到复复杂杂情情况况，可可及及时时提提起起钻具到套管内进行处理，避免事故的进一步复杂化。钻具到套管内进行处理，避免事故的进一步复杂化。缩缩短短了了储储集集层层在在洗洗井井液液中中的的浸浸泡泡时时间间，减减少少了了储储集集层的受伤害程度。层的受伤害程度。由由于于是是在在产产层层以以上上固固井井，消消除除了了高高压压油油气气对对封封固固地地层层的的影影响响，提提高高了了固固井井质质量量
50、。储储集集层层段段无无固固井井中中的的污染。污染。第67页/共91页68裸眼完井法的缺点不能防止井壁坍塌和油层出砂。不能克服不同性质地层的相互干扰。无法进行选择性酸化、压裂、分层开采、分层注水等作业。固井时尚未掌握产层的真实资料，容易给下一步的作业造成被动。第68页/共91页692 2、射孔完井法、射孔完井法是使用最多的完井方法。是使用最多的完井方法。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。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。可进行无油管完井和多油管完井。主要不足：主要