石油钻探固井技术优秀PPT.ppt

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1、硕士硕士 级级 现代完井工程现代完井工程石油钻探固井技术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概述概述1.1.固井的概念固井的概念 固固井井在在井井眼眼中中下下入入适适当当尺尺寸寸及及强强度度的的套套管管柱柱，然然后后用用水水泥泥浆浆封封固固套套管管与与井壁之间的环形空间的作业。井壁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概述概述2.2.固井的目的固井的目的封封隔隔易易塌塌、易易漏漏等等复复杂杂地地层层，保保证证钻钻井顺利进行；井顺利进行；封封隔

2、隔油油气气水水层层，建建立立油油气气流流出出通通道道，防止产层间互窜；防止产层间互窜；进行增产措施；进行增产措施；安装井口。安装井口。概述概述3.3.固井的内容固井的内容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概述概述4.4.对固井质量的要求对固井质量的要求套管有足够的强度套管有足够的强度能能承承受受井井下下各各种种外外力力作作用用，抗抗腐腐蚀蚀、不不断断、不不裂、不变形。裂、不变形。水泥环有可靠的密封水泥环有可靠的密封环环空空封封固固段段不不窜窜、不不漏漏、能经受高压挤注的考验。能经受高压挤注的考验。概述概述5.5.固井工艺流程固井工艺流程(1)(1)井井眼眼准准备备；钻钻井井至

3、至预预定定井井深深后后测测井井、通通井井并并清清洗洗井井眼眼(循循环环钻钻井井液液1 1 2 2周周)起起钻钻、下下套套管管、安安装装水水泥泥头头及及注注水水泥泥地地面面管汇再循环钻井液管汇再循环钻井液1 1 2 2周；周；(2)(2)打打隔隔离离液液或或前前置置液液(一一般般用用量量为为环环空空高度高度100m100m左右左右)；(3)(3)释释放放下下胶胶塞塞注注水水泥泥(领领浆浆、中中浆浆、尾尾浆浆)；(4)(4)释放上胶塞替钻井液释放上胶塞替钻井液;(5)(5)碰碰压压(上上胶胶塞塞下下行行至至套套管管承承托托环环,泵泵压压突突然然升升高高,通通常常 5.0 5.0 MPa)MPa)，

4、注注水水泥泥结结束。束。概述概述6.6.工艺介绍工艺介绍下套管下套管注水泥注水泥候凝候凝检测评价检测评价概述概述7.7.固井的特点固井的特点(1)(1)固固井井作作业业施施工工时时间间短短。例例：3500m 3500m 9-9-5/85/8 套套 管管 固固 井井 作作 业业，下下 套套 管管 约约12:0012:00 16:0016:00，注水泥约，注水泥约3:003:00 4:00 4:00；(2)(2)作作业业属属一一次次性性工工程程，且且质质量量要要求求高高，事事后后补补救救困困难难(补补救救质质量量可可控控性性差差、成成功功率率低低、费费用用高高)。据据资资料料(、海海洋洋)，补补救

5、救作作业业费费用用与与基基本本注注水水泥泥作作业业费费的的比值为比值为:表表层层套套管管固固井井：5555 技技术术套管固井：套管固井：1515 尾尾 管管 固固 井井 ：120120 产产 层层 固固 井井 ：8484(3)(3)材材料料用用量量大大，成成本本高高。一一般般为为钻钻井总成本的井总成本的1515 3030。第一节第一节 井身结构设计井身结构设计一一.井身结构设计的内容井身结构设计的内容套管的层次；套管的层次；各层套管的尺寸与下入深度；各层套管的尺寸与下入深度；井眼尺寸井眼尺寸(钻头尺寸钻头尺寸)与深度；与深度；水泥返高。水泥返高。二二.井身结构确定的原则井身结构确定的原则 能有

6、效的保护油气层，使不同压力梯度能有效的保护油气层，使不同压力梯度的油气层不受钻井液的污染。的油气层不受钻井液的污染。应避免漏、喷、塌、卡等复杂情况发生，应避免漏、喷、塌、卡等复杂情况发生，为全井顺利钻进创造条件。为全井顺利钻进创造条件。钻下部高压地层时，所用较高密度钻井钻下部高压地层时，所用较高密度钻井液形成的液柱压力，不压裂上层套管鞋液形成的液柱压力，不压裂上层套管鞋处薄弱的裸露地层。处薄弱的裸露地层。下套管过程中，应不发生压差卡套管。下套管过程中，应不发生压差卡套管。套管与井眼、下次钻进的钻头与套管内套管与井眼、下次钻进的钻头与套管内径之间，应有合理的间隙。径之间，应有合理的间隙。三三.井

7、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。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据产能、油管大小、增产措施以及井下作业等要求。业等要求。对于探井，要考虑

8、设计原井深是否需要对于探井，要考虑设计原井深是否需要加深；加深；实际地与层原地质预报有可能存在差异，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。是否留可增加中间套管层次的余地。要考虑到工艺技术水平以及管材、钻头要考虑到工艺技术水平以及管材、钻头等的库存情况。等的库存情况。地质复杂情况、取岩心尺寸要求、井眼曲地质复杂情况、取岩心尺寸要求、井眼曲率等。率等。第二节第二节 套管柱设计套管柱设计一、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，外载大小、类型不同，所需的

9、强度要求也不同，须有一系列不同尺寸、不同强度的套管。即套须有一系列不同尺寸、不同强度的套管。即套管系列。管系列。对所用的套管系列作一个统一规定，叫套管规范。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、连接方规定了套管生产的尺寸、钢级、壁厚、连接方式等。式等。目前一般使用的目前一般使用的 API API套管规范。其规定的有关套管规范。其规定的有关性能主要有。性能主要有。1 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径或公称直径）41/241/2，5 5，51/251/2，65/865/8，7 7，75/875/8，85/8 85/8，95/895/

10、8，103/4103/4，113/4113/4，1616,285/8 285/8，2020，3030.2 2、钢级系列、钢级系列APIAPI钢级有钢级有1010种：种：H,J,K,N,C,L,P,Q,X.H,J,K,N,C,L,P,Q,X.非标准的钢级，也较广泛使用，如非标准的钢级，也较广泛使用，如NKK,S,SS,VNKK,S,SS,V等。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 1000 psi(6894.8Pa)psi(6894.8Pa)即为该钢材的最小屈服强度。即为该钢材的最小屈服强度。如如:N-80 N-80 80 80 1000psi1000ps

11、i但也有个别例外但也有个别例外:S-80 S-80 55Kpsi 55KpsiSS-95 SS-95 80Kpsi 80Kpsi3 3、套管螺纹类型与螺纹连接、套管螺纹类型与螺纹连接APIAPI标准螺纹类型：标准螺纹类型：短园螺纹，短园螺纹，STC,CSG,C1STC,CSG,C1长园螺纹，长园螺纹，LTC,LTC,LCSG,C2LCSG,C2梯型螺纹，梯型螺纹，BTC,BTC,BCSG,C33BCSG,C33直连型螺纹，直连型螺纹，XL,XCSG,C11XXL,XCSG,C11X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。螺纹连

12、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。另有一些非标准螺纹由厂家定义。如何选用这些套管，选择原则：如何选用这些套管，选择原则：外载外载安全系数安全系数 套管强度套管强度二、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：长期作用、联合作用在套管上。特点：长期作用、联合作用在套管上。类型：类型：轴向拉力轴向拉力径向外挤压力径向外挤压力径向内压力径向内压力弯曲附加拉力弯曲附加拉力温差应力温差应力(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-F T=W-FWWT TF F(

13、2)(2)径向外挤压力：径向外挤压力：管外液柱压力管外液柱压力P1P1地层挤压地层挤压P2P2环空加压环空加压P3P3P3P2P1(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P2P12 2 动载动载特点：瞬时地、单一地作用在套管上。特点：瞬时地、单一地作用在套管上。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阻、卡套管时提拉动载阻、卡套管时提拉动载摩擦动载摩擦动载碰压动载碰压动载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下所受的主要外力有哪些？主要外力有哪些？作用在套管上作用在套管上的主要载荷是：的主要载荷是：轴向拉

14、力轴向拉力 Tb=W-F Tb=W-F外挤压力外挤压力 Pc Pc内压力内压力 Pi PiWWTbTbF FPiPc（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，因此，设计浮力对轴向载荷有减小作用，因此，设计时考虑与不考虑浮力时的选用的安全系数应有时考虑与不考虑浮力时的选用的安全系数应有一定区别。一定区别。(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分布规律：在套管柱上由下向上逐渐分布规律：在套管柱上由下向上逐渐增大。增大。最大值位置：井口处。最大值位置：

15、井口处。计算公式：计算公式：T 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，m(2)(2)考虑浮力时套管自重拉力考虑浮力时套管自重拉力 浮力考虑方法：浮力考虑方法：浮力系数法，台阶力法浮力系数法，台阶力法(按集按集中力考虑中力考虑)计算式计算式(浮力系数法浮力系数法)：Tb套管在钻井液中的重量，KNBF 浮力系数在空气中在空气中在钻井液中在钻井液中Tb1 油井水泥的主要矿物成分基本要求：在保证浆体稳定性的前提下，尽量改善。厚壁：D/t 10加石膏、粉碎(留意：这与对钻井液的要求有区别在钻井安全和不损害储层的前提下，可放宽。三大主剂：降失水剂、分散剂(减阻剂)、调凝剂(缓

16、凝剂和促凝剂)。关键：提高注水泥顶替效率与螺纹类型相对应的螺纹连接也有四种。=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。如何选用这些套管，选择原则：3 套管在多向载荷作用下的强度变化与计算环空实际静液柱压力不够薄壁：D/t 30D 套管直径；(2)硅酸二钙：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。(3)材料用量大，成本高。1.21.2 弯曲附加拉力弯曲附加拉力 如如果果井井眼眼存存在在较较大大的的井井斜斜变变化化或或狗狗腿腿度度时时，由由于于套套管管弯弯曲曲效效应应的的影影响响将将增增大大套套管管的的拉拉力力负负荷荷，特特别别是是在在靠靠近近丝丝扣

17、扣啮啮合合处处，易易形形成成裂裂缝缝损损坏坏，由由于于APIAPI套套管管的的连连接接强强度度没没有有考考虑虑弯弯曲曲应应力力，所所以以设设计计时时应应从从套套管管的的连连接接强强度度中中扣扣除除弯弯曲曲效效应应的的影影响响，其其计计算算公公式式见有关资料。见有关资料。1.3 1.3 其它附加拉力其它附加拉力 在在一一般般的的套套管管设设计计中中，没没有有具具体体考考虑虑附附加加拉拉力力，而而是是通通过过安安全全系系数数的的选选用，将它们包括在内。用，将它们包括在内。2 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

18、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(3)(3)管体断裂管体断裂(4)(4)氢脆氢脆2.22.2 套管抗拉强度的选用套管抗拉强度的选用 抗抗拉拉强强度度minmin丝丝扣扣部部分分抗抗拉拉强强度度，管管体体抗抗拉强度拉强度 （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考虑方法：管内按全掏空的考虑方法：管内按全掏空的 最危险状态考虑。最危险状态考虑。计算方法：计算方法：Pe外挤压力，MPaH 计算点深度，mm 管外泥浆(或盐水)密度，g/cm3Pe外挤力分布：沿井深

19、增加，最大在井底。外挤力分布：沿井深增加，最大在井底。阐明：阐明：a.a.水水泥泥环环有有一一定定的的承承载载能能力力，实实际际的的外外挤挤力在水泥面以下要小得多，可分段考虑；力在水泥面以下要小得多，可分段考虑；b.b.在在有有易易流流动动塑塑性性地地层层的的情情况况下下如如盐盐岩岩层层、泥泥盐盐层层），套套管管所所受受的的外外挤挤力力应应按按上覆岩层的压力梯度计算；上覆岩层的压力梯度计算；c.c.在在很很多多井井中中，并并不不可可能能发发生生全全掏掏空空的的外外挤挤状状态态，故故按按上上面面方方法法计计算算出出的的外外挤挤力力偏偏大大，这这样样便便可可能能造造成成选选择择套套管管的的浪浪费费

20、。现现行行的的方方法法是是：根根据据各各层层套套管管具具体体可可能能出现的最大工况，按有效载荷计算。出现的最大工况，按有效载荷计算。1.21.2 有效外挤压力计算有效外挤压力计算计算方法：计算方法：Pe=Pc-PiPe=Pc-Pi 其其中中PiPi的的计计算算方方法法不不同同，也使得也使得PePe有多种算法。有多种算法。PiPc2 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套管管径径厚厚比比的的范范围围不不同同，套套管管破破坏坏的的形形式式也也有有所所不不同同，其其变变化化相相似似于于受受压压直直杆件的破坏。杆件

21、的破坏。细长杆压弯失稳）细长杆压弯失稳）短粗杆塑性变形破坏短粗杆塑性变形破坏 套管按径厚比分类为：厚壁：D/t 10中厚壁：10 30 D 套管直径；t 套管壁厚。套管失效形式：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。2.2 2.2 套管抗挤强度计算套管抗挤强度计算 APIAPI根根据据上上面面套套管管的的不不同同失失效效形形式式，给给出出了了一一套套抗挤强度计算公式，即：抗挤强度计算公式，即：最小屈服抗挤强度最小屈服抗挤强度最小塑性抗挤强度最小塑性抗挤强度最小塑弹性抗挤强度最小塑弹性抗挤强度最小弹性抗挤强度最小弹性抗挤强度具体公式见有关教材。具体公式见有关教材。3 3 套管

22、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 由由材材料料力力学学理理论论可可知知，套套管管在在外外载载作作用用下下，其单元体上受三个正应力作用，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ztr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）：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：在这三个应力中，在这三个应力中，r r 0 0 0 0

23、 0 0 0 0 拉伸内压拉伸内压拉伸内压拉伸内压 z z z z ，t t t t 0 0 0 0000 紧缩内压紧缩内压紧缩内压紧缩内压 z z z z ，t t t t 0 0 0 00000 0 0 00000 拉伸外挤拉伸外挤拉伸外挤拉伸外挤 z z z z ，t t t t 3.23.2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b.b.计算计算K K 直接由直接由Tb/TsTb/Ts计算计算K K 查表求查表求K K 法法（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：内压力最大一般为井喷关

24、井考虑状态：内压力最大一般为井喷关井后或酸化压裂时。后或酸化压裂时。内压分布：以井口为最大内压分布：以井口为最大(无外挤压力无外挤压力)。计算方法：计算方法：按井口关闭，全井充满天然气计算：按井口关闭，全井充满天然气计算：井口压力井口压力PsPs为：为：Pb地层压力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2 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

25、内压强度的计算抗内压强度的计算 套套管管管管体体和和接接箍箍处处的的抗抗内内压压强强度度可可能能不不一一致致，故需同时计算套管管体与丝扣处的抗内压强度。故需同时计算套管管体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，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。使其能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选择原则：选择原则：应能满足钻井、开

26、发和产层改造的工艺应能满足钻井、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要求，能满足各种条件下各种作业情况以及地层的要求；以及地层的要求；考虑一定的安全储备；考虑一定的安全储备；经济性。经济性。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；硫套管或高一钢级的套管；套管段数和种类的数量不应太多，一套管段数和种类的数量不应太多，一般应小于般应小于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

27、荷。2 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，确定一个可用的安全系套管设计方法等因素，确定一个可用的安全系数范围数范围.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1.101.10c.c.计算出不同井深下套管所需的各种强计算出不同井深

28、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3 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 即要求所设计的各段套管的最小安全即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。系数应等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3.23.2 设计考虑的外载状态设计考虑的外载状态轴向力：轴向力：考虑浮力作用下的套管自重弯曲考虑浮力作用下的套管自重弯曲段加弯曲应力）段加弯曲应力）外挤力：外挤力：管内全掏空时的最危险状态，

29、有特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殊地层段单独按上覆岩层压力梯度梯度设计设计内压力：内压力：以有效内压力考虑以有效内压力考虑3.3 设计顺序：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:自下而上，先抗挤后抗拉自下而上，先抗挤后抗拉3.43.4 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

30、安全系数选第三段套管选第三段套管选套管，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留意：抗挤应按双轴应力进行计算留意：抗挤应按双轴应力进行计算第三节第三节 油井水泥及水泥浆设计油井水泥及水泥浆设计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间。固井质量的基本要求之一，是要有可靠的密封性。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内部的矿物成分的含量是密切相关的。油井水泥生产过程油井水泥生产过程油井水泥生产过程油井水泥生产过程 水泥生料水泥生料水泥生料水泥生料(碳酸盐矿物、粘土质原料和调节材料

31、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，经粉碎、磨细、混合，经粉碎、磨细、混合，在在在在1450145014501450高温下焙烧，高温下焙烧，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。加入一定量的石膏磨细。加入一定量的石膏磨细。水泥熟料水泥熟料水泥熟料水泥熟料 加石膏、粉碎加石膏、粉碎加石膏、粉碎加石膏、粉碎 油井水泥油井水泥油井水泥油井水泥一、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

32、钙：3CaO3CaO SiO2SiO2 简写：简写：C3SC3S硅酸二钙：硅酸二钙：2CaO2CaO SiO2SiO2 简写：简写：C2SC2S铝酸三钙：铝酸三钙：3CaO3CaO Al2O3Al2O3 简写：简写：C3AC3A铁铝酸四钙：铁铝酸四钙：4CaO4CaO Al2O3Al2O3 Fe2O3Fe2O3简写：简写：C4AFC4AF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，各以上，各种组分在水泥的水化过程中有不同的特性。种组分在水泥的水化过程中有不同的特性。故组成水泥的各种组分的比例不同，其水故组成水泥的各种组分的比例不同，其水泥的性能也有所不同，即不同类型的水泥。泥的性

33、能也有所不同，即不同类型的水泥。2 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)硅酸三钙：在一般硅酸盐水泥中含硅酸三钙：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量最高，是水泥产生强度的主要化合物。物。水化反应速度快，早期强度发水化反应速度快，早期强度发展快、最终强度大。展快、最终强度大。(2)(2)硅酸二钙：水化反应慢，强度增长硅酸二钙：水化反应慢，强度增长慢，能在长时间内逐渐增大水泥石的慢，能在长时间内逐渐增大水泥石的强度。强度。(3)(3)铝铝酸酸三三钙钙：是是促促进进水水泥泥快快速速水水化化的的化化合合物物，是是决决定定水水泥泥初初凝凝和和稠稠化化时时间间

34、的的主主要要因因素素。对对水水泥泥浆浆的的流流动动性性有有显显著著影影响响，并并对对硫硫酸酸盐盐的的侵侵蚀蚀十十分分敏敏感感，因因此此，高高抗抗硫硫酸酸盐水泥必须控制其含量盐水泥必须控制其含量 3%3%或更低。或更低。(4)(4)铁铁铝铝酸酸四四钙钙：水水化化速速度度仅仅次次于于铝铝酸酸三三钙钙，早早期期强强度度增增长长快快，但但早早期期强强度度与与最最终终强强度度差差别别不不大大，且且强强度度的的绝绝对对值值不不大大，对对水水泥泥强强度度贡贡献献很很小小，含含量量过过大大可可使使强强度度过过早早减减退。退。C3AC3A和和C4AFC4AF的的生生成成，主主要要是是为为降降低低水水泥泥生生产的

35、烧结温度，加入了产的烧结温度，加入了Al2O3Al2O3、Fe2O3Fe2O3。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：性能要求实现方法高的早期强度 增加C3A、C3S含量、细磨缓凝性能好 控制C3A、C2S含量、粗磨低水化热 限制C3A、C3S含量高抗硫能力 限制C3A3，C3A+2C4AF24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

36、。其中，其中，G G、H H两级为基本水泥。即可通过加入两级为基本水泥。即可通过加入外加剂和外加剂和/或外掺料达到其它类型的特性，或外掺料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，目前主要有标准，目前主要有G G、H H级。级。J J级质量级质量控制标准不严，实际质量不稳定。控制标准不严，实际质量不稳定。(3)(3)原国产标准原国产标准 45 45、7575、9595、120120。已不使用。已不使用3 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，

37、发生水化反应，水泥矿物与水混合后，发生水化反应，生成各种水化产物。水泥浆将逐渐由液态生成各种水化产物。水泥浆将逐渐由液态转变为固态，这个过程叫水泥的凝结与硬转变为固态，这个过程叫水泥的凝结与硬化过程。化过程。水泥的水化反应：水泥的水化反应：a.a.C3AC3A的水化反应的水化反应b.b.C3S,C2S,C3S,C2S,及及C4AFC4AF的水化反应的水化反应c.c.水化的水化的C3AC3A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

38、断增加，逐渐使微小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晶体形成凝聚结构，从而促成水泥的凝结和硬化。硬化。(2)(2)水泥的凝结与硬化水泥的凝结与硬化“凝聚结晶理论基本思想凝聚结晶理论基本思想认为水泥在凝结和硬化过程要形成两种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，即凝聚网和结晶不同类型的三维空间网，即凝聚网和结晶网。由于凝聚结晶网的不断增强，最后网。由于凝聚结晶网的不断增强，最后形成水泥的硬化。形成水泥的硬化。a.凝结过程水化由颗粒表面深入 胶态粒子增多 晶体开始联结 凝聚网。b.硬化过程水化深入 晶体析出 相互联结 结晶网 硬化成微晶结

39、构。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。2 规范：API标准、国家标准、原国家标准。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

40、动度 凝结时间凝结时间 水泥石抗折强水泥石抗折强度度(1)(1)密度密度ss：单位体积水泥浆的质量，：单位体积水泥浆的质量，g/cm3g/cm3。基本要求：注水泥过程中，既要压稳地层不发生流体的侵入，基本要求：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TtTt：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：整个

41、注水泥过程应在稠化时间以内完成，并包含基本要求：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：施工时间施工时间 稠化时间稠化时间-1-1小时小时 3.13.1水泥浆的性能水泥浆的性能(3)(3)滤失量滤失量Q30Q30：水泥浆中的自由水在压差作用下，通过井壁渗：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，入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：在保证注水泥施工顺利安全的前提下，尽量降低基本要求：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。(留意：这与对钻

42、井液的要求有区别留意：这与对钻井液的要求有区别在钻井安全和在钻井安全和不损害储层的前提下，可放宽。不损害储层的前提下，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：规定基本要求：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，

43、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。(5)(5)流流变变性性能能：描描述述水水泥泥浆浆在在外外力力作作用用下下，产产生生流流动动的的特特点点的的参参数数。常常用用流流变变模模式式参参数数有有：PVPV、YP(YP(宾宾汉汉)，n n、K(K(幂幂律律)，YPYP、n n、K(K(赫赫 巴巴)等。等。基本要求：在保证浆体稳定性的前提下，尽量改善。基本要求：在保证浆体稳定性的前提下，尽量改善。(6)(6)抗抗压压强强度度：在在一一定定温温度度、压压力力条条件件下下，水水泥泥浆浆在在一一定定时时间间内内凝结硬化形成的水泥石抵抗压力

44、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。基基本本要要求求：支支撑撑和和悬悬挂挂套套管管的的一一部部分分重重量量；承承受受继继续续钻钻井井的的冲冲击击载载荷荷或或油油气气层层改改造造的的压压力力。一一般般要要求求在在井井底底静静止止温温度度下下4848小时的值小时的值 14MPa 14MPa。(7)(7)水水泥泥石石渗渗透透率率：一一定定压压力力下下，水水泥泥石石允允许许流流体体通通过过的的特特性性叫叫水泥石的渗透性，其大小叫渗透率，水泥石的渗透性，其大小叫渗透率，m2m2。基基本本要要求求：一一般般情情况况下下不不作作要要求求，用用于于封封固固腐腐蚀蚀性性地地层层应应

45、尽尽量量降低渗透率。降低渗透率。(8)(8)流流动动度度：水水泥泥浆浆自自重重作作用用下下摊摊开开流流动动的的能能力力，cm cm 或或mmmm。建建筑筑上称作坍落度。上称作坍落度。基基本本要要求求：在在保保证证水水泥泥浆浆稳稳定定性性的的前前提提下下，应应尽尽量量提提高高水水泥泥浆浆的流动能力。实际工程中，一般要求流动度的流动能力。实际工程中，一般要求流动度 20cm20cm。(9)(9)凝凝结结时时间间：一一定定温温度度、压压力力条条件件下下，自自水水泥泥与与水水混混合合开开始始至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

46、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。终终凝凝时时间间：自自配配浆浆开开始始至至水水泥泥浆浆凝凝结结硬硬化化能能承承受受一一定定压压力力时时所经历的时间。所经历的时间。基基本本要要求求：整整个个注注水水泥泥过过程程应应在在初初凝凝时时间间以以内内完完成成，并并包包含含一一定的安全因数。普通：定的安全因数。普通：施工时间施工时间 75%75%初凝时间初凝时间(10)(10)其它：抗折强度、安定性、细度。其它：抗折强度、安定性、细度。抗抗折折强强度度：在在一一定定温温度度、压压力力条条件件下下，水水泥泥浆浆在在一一定定时时间间内内凝凝结硬化形成的水泥石抵抗剪切破坏

47、的能力，结硬化形成的水泥石抵抗剪切破坏的能力，MPaMPa。安安定定性性:水水泥泥石石的的热热压压膨膨胀胀特特性性，常常用用线线膨膨胀胀率率表表示示。要要求求 0.8%0.8%。细细度度：水水泥泥灰灰颗颗粒粒的的大大小小，一一般般不不作作要要求求。常常用用筛筛于于量量比比表表面面表表示示。(如如原原国国产产0.08mm0.08mm方方孔孔 15%15%，现现行行基基本本水水泥泥G G、H H级级不不作作要求要求)。4.14.1 混合材料对水泥性能的影响混合材料对水泥性能的影响减轻材料：降低水泥浆的密度；减轻材料：降低水泥浆的密度；加重材料：提高水泥浆的密度；加重材料：提高水泥浆的密度；热稳定材

48、料：提高水泥石的耐高温能力热稳定材料：提高水泥石的耐高温能力(大于大于110)110)。4.24.2 温度压力对水泥性能的影响温度压力对水泥性能的影响温度：显著影响水泥浆的性能。温度：显著影响水泥浆的性能。压力：一般情况下，影响很小。压力：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5 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：降失水剂、分散剂三大主剂：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：早强剂、防窜剂、膨胀剂、其它外

49、加剂：早强剂、防窜剂、膨胀剂、不渗透剂消泡剂、稳定剂等。不渗透剂消泡剂、稳定剂等。密度调节：减轻剂、加重剂。密度调节：减轻剂、加重剂。三、固井水泥浆的设计三、固井水泥浆的设计1.1.国内常用水泥外加剂及特性国内常用水泥外加剂及特性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第四节第四节 注水泥与影响注水泥与影响 注水泥质量的因素注水泥质量的因素 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

50、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腐蚀。水泥石能抗地层介质的腐蚀。按井口关闭，全井充满天然气计算：尾 管 固 井：120 产 层 固 井：84(1)密度s：单位体积水泥浆的质量，g/cm3。轴向拉力 Tb=W-F套管与井眼尺寸的选择与配合 地层压裂安全增值；(5)流变性能：描述水泥浆在外力作用下，产生流动的特点的参数。3 套管在多向载荷作用下的强度变