固井技術(shù)基礎(chǔ)修訂稿

7/7固井技術(shù)基礎(chǔ)修訂稿固井技術(shù)基礎(chǔ)

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固井技術(shù)基礎(chǔ)（量大、多圖、易懂）

概述

1、固井的概念

為了達到加固井壁，保證繼續(xù)安全鉆進，封隔油、氣和水層，保證勘探期間的分層測試及在整個開采過程中合理的油氣生產(chǎn)等目的而下入優(yōu)質(zhì)鋼管，并在井筒與鋼管環(huán)空充填好水泥的作

業(yè)，稱為固井工程。

2、固井的目的

1.封隔易坍塌、易漏失的復(fù)雜地層，鞏固所鉆過的井眼，保證鉆井順利進行；

2.提供安裝井口裝置的基礎(chǔ)，控制井口噴和保證井內(nèi)泥漿出口高于泥漿池，以利鉆井液流回泥漿池；

3.封隔油、氣、水層，防止不同壓力的油氣水層間互竄，為油氣的正常開采提供有利條件；

4.保護上部砂層中的淡水資源不受下部巖層中油、氣、鹽水等液體的污染；

5.油井投產(chǎn)后，為酸化壓裂進行增產(chǎn)措施創(chuàng)造了先決有利的條件；

3、固井的步驟

1.下套管

套管與鉆桿不同，是一次性下入的管材，沒有加厚部分，長度沒有嚴格規(guī)定。為保證固井質(zhì)量和順利地下入套管，要做套管柱的結(jié)構(gòu)設(shè)計。根據(jù)用途、地層預(yù)測壓力和套管下入深度設(shè)計套管的強度，確定套管的使用壁厚，鋼級和絲扣類型。

2.注水泥

注水泥是套管下入井后的關(guān)鍵工序，其作用是將套管和井壁的環(huán)形空間封固起來，以封隔油氣水層，使套管成為油氣通向井中的通道。

3.井口安裝和套管試壓

下套管注水泥之后，在水泥凝固期間就要安裝井口。表層套管的頂端要安套管頭的殼體。各層套管的頂端都掛在套管頭內(nèi)，套管頭主要用來支撐技術(shù)套管和油層套管的重量，這對固井水泥未返至地面尤為重要。套管頭還用來密封套管間的環(huán)形空間，防止壓力互竄。套管頭還是防噴器、油管頭的過渡連接。陸地上使用的套管頭上還有兩個側(cè)口，可以進行補擠水泥、監(jiān)控井況。注平衡液等作業(yè)。

4.檢查固井質(zhì)量

安裝好套管頭和接好防噴器及防噴管線后，要做套管頭密封的耐壓力檢查，和與防噴器聯(lián)接的密封試壓。探套管內(nèi)水泥塞后要做套管柱的壓力檢驗，鉆穿套管鞋2~3米后（技術(shù)套管）

要做地層壓裂試驗。生產(chǎn)井要做水泥環(huán)的質(zhì)量檢驗，用聲波探測水泥環(huán)與套管和井壁的膠結(jié)情況。固井質(zhì)量的全部指標合格后，才能進入到下一個作業(yè)程序。

4、固井的方法

1.內(nèi)管柱固井

把與鉆柱連接好的插頭插入套管浮箍或浮鞋的密封插座內(nèi)，通過鉆柱注入水泥進行固井作業(yè)，稱為內(nèi)管柱固井。內(nèi)管柱固井主要用于大尺寸（16″~30″）導(dǎo)管或表層套管的固井。2.單級雙膠塞固井

首先下套管至預(yù)定井深后裝水泥頭、膠塞（頂塞和底塞），循環(huán)水泥，打隔離液，投底塞，再注入水泥漿，然后投頂塞，開始替泥漿。底塞落在浮箍上被擊穿。頂?shù)兹鰤海叹Y(jié)束。

3.尾管固井

尾管固井是用鉆桿將尾管送至懸掛設(shè)計深度后，通過尾管懸掛器把尾管懸掛在外層套管上，首先坐封尾管懸掛器，然后開始注水泥、投鉆桿膠塞頂替、鉆桿膠塞剪斷尾管膠塞后與尾管膠塞重合，下行至球座處碰壓，固井結(jié)束。

==井深結(jié)構(gòu)==

1、井身結(jié)構(gòu)的概念

井身結(jié)構(gòu)是指由直徑、深度和作用各不相同，且均注水泥封固環(huán)形空間而形成的軸心線重合的一組套管與水泥環(huán)的組合。

2、組成及作用

井身結(jié)構(gòu)主要由導(dǎo)管、表層套管、技術(shù)套管、油層套管和各層套管外的水泥環(huán)等組成。

1.導(dǎo)管：井身結(jié)構(gòu)中下入的第一層套管叫導(dǎo)管。其作用是保持井口附近的地表層。

2.表層套管：井身結(jié)構(gòu)中第二層套管叫表層套管，一般為幾十至幾百米。下入后，用水泥漿固井返至地面。其作用是封隔上部不穩(wěn)定的松軟地層和水層。

3.技術(shù)套管：表層套管與油層套管之間的套管叫技術(shù)套管。是鉆井中途遇到高壓油氣水層、漏失層和坍塌層等復(fù)雜地層時為鉆至目的地層而下的套管，其層次由復(fù)雜層的多少而定。作用是封隔難以控制的復(fù)雜地層，保持鉆井工作順利進行。

4.油層套管：井身結(jié)構(gòu)中最內(nèi)的一層套管叫油層套管。油層套管的下入深度取決于油井的完鉆深度和完井方法。一般要求固井水泥返至最上部油氣層頂部100~150米。其作用封隔油氣水層，建立一條供長期開采油氣的通道。

5.水泥返高：是指固井時，水泥漿沿套管與井壁之間和環(huán)形空間上返面到轉(zhuǎn)盤平面之間的距離。

3、相關(guān)術(shù)語

1.完鉆井深：從轉(zhuǎn)達盤上平面到鉆井完成時鉆頭所鉆井的最后位置之間的距離。

2.套管深度：從轉(zhuǎn)盤上平面到套管鞋的深度。

3.人工井底：鉆井或試油時，在套管內(nèi)留下的水泥塞面叫人工井底。其深度是從轉(zhuǎn)盤上平面到人工井底之間的距離。

==固井方法==

1、內(nèi)管柱固井

如上圖所示，把與鉆柱連接好的插入頭插入套管浮箍/鞋的密封插座內(nèi)，然后通過鉆柱注水泥進行固井作業(yè)，稱為內(nèi)管柱固井。內(nèi)管柱固井主要用于大尺寸(16″~30″)導(dǎo)管或表層套管的固井，其優(yōu)點為：在無大尺寸膠塞、水泥頭的情況下，可對大尺寸套管進行固井；通過鉆柱注水泥、頂替，可大大減少對水泥漿的污染；減小水泥漿的浪費，有效保證固井質(zhì)量。

2、單級雙膠塞固井

單級雙膠塞套管固井是海上鉆井最常用的固井方法，它是采用雙套管膠塞(頂、底塞)進行固井的，其工藝流程如圖所示。一般地，自升式平臺或?qū)Ч芗苌系墓叹褂闷胀ㄌ坠苣z塞，而浮式平臺上的固井使用SSR膠塞。在使用單級雙膠塞固井時，套管柱附件主要由浮鞋、浮箍、扶正器和膠塞等組成，各附件的功能在以后的章節(jié)里會講述。

3、尾管固井

尾管固井是用鉆桿將尾管送至懸掛設(shè)計深度后，通過尾管懸掛器把尾管懸掛在外層套管上，然后開始注水泥作業(yè)的固井方法。尾管懸掛器可分為機械式和液壓式兩種類型，我們通常使用的是液壓式尾管懸掛器，其固井工藝流程如上圖所示。

4、注水泥塞

要

處理井漏、棄井、回填枯竭層位、側(cè)鉆和隔絕地層等作業(yè)時，就需要注水泥塞技術(shù)，平衡水泥塞是最常用的方法。注水泥塞時，首先將鉆具下至注水泥塞設(shè)計深度的頂部，注水泥并替出水泥漿(要保證管內(nèi)水泥面高于環(huán)空水泥塞面高度)，然后慢慢起出鉆具離開水泥塞頂面，循環(huán)沖洗干凈管柱，使水泥塞留在原位置如上圖示。

5、擠水泥

擠水泥是用液壓迫使水泥漿進入裸眼或經(jīng)套管或尾管孔眼進入地層中的注水泥作業(yè)，典型擠水泥作業(yè)如上圖所示。

==固井水泥漿==

油井水泥是一種水硬性膠凝材料，它與水按一定的比例混合便形成水泥漿，并在井下硬化成具有一定抗壓強度和滲透率的水泥石。

1)水泥水化過程

油井水泥的水化是放熱反應(yīng)，按其水化速度和結(jié)構(gòu)的形成，大致可分為四個過程：起始期、遲緩期、凝結(jié)期和硬化期。

A、起始期。在水泥干粉與水混合的幾分鐘時間內(nèi)，迅速發(fā)生水化反應(yīng)，有大量水化熱生成，在水泥礦物表面上形成一層水化硅酸鈣凝膠，因這種作用最初僅在水泥顆粒表面進行，只消耗一部分水，其余的水份充滿于水泥顆粒之間，水泥漿具有流動性能。

B、遲緩期。由于最初在水泥礦物表面生成的水化硅酸鈣凝膠滲透率非常低，阻止了礦物進一步水化，而使水化速度明顯變慢，此期，水泥漿的流動性能相對比較穩(wěn)定，水泥漿的泵送入井應(yīng)在這一時期完成。這一段時間可延續(xù)數(shù)十分鐘到數(shù)小時。

C、凝結(jié)期。隨著水化繼續(xù)向水泥顆粒的深處發(fā)展，礦物表面的水化硅酸鈣凝膠脹開，水化過程又加速進行，產(chǎn)生的水化物交互生成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，失去了流動性能，水泥漿進入了凝結(jié)時期，這段時間大約需幾十分鐘。

D、硬化期。隨著水化物繼續(xù)沉積，大量晶體析出，體系的孔隙度、滲透率逐漸降低，強度逐漸增加，硬化成微晶結(jié)構(gòu)的水泥石。這一段時期，隨著水泥石滲透率的不斷降低，水化反應(yīng)速度逐漸變慢，但持續(xù)時間很長，可達數(shù)十天，甚至數(shù)年。硬化期的明顯特征是強度增長，這也是固井所期求的。

2)油井水泥常用外加劑

由于井下環(huán)境比地面條件惡劣得多，為了使水泥漿廣泛地用于油田鉆井、完井、修井等作業(yè)中，對水泥漿密度、稠度、稠化時間和抗壓強度等都具有更高的要求，采用純水泥已遠遠不能滿足工藝技術(shù)要求，必須依靠外加劑來調(diào)節(jié)其使用性能。目前，常用外加劑的種類主要有：緩凝劑、降失水劑、分散劑、消泡劑、促凝劑、抗高溫強度穩(wěn)定劑、減輕劑等等，

其主要作用如下：

緩凝劑：主要是延長水泥漿稠化時間或凝結(jié)時間。

促凝劑：主要是縮短水泥漿稠化時間以及增大水泥石的早期抗壓強度。

降失水劑：主要用以防止水泥漿急劇失水，保護油氣層。

減輕劑：主要是降低水泥漿密度，防止水泥漿在低壓漏失層發(fā)生漏失。

分散劑：用以改善水泥漿的流動性能，有利于水泥漿在低泵速泵壓下進入紊流狀態(tài)。

消泡劑：防止和避免溶解水起泡，穩(wěn)定水泥漿密度。

抗高溫強度穩(wěn)定劑：在深井、高溫情況下，加入硅粉，防止水泥石抗壓強度出現(xiàn)熱衷退現(xiàn)象。

==浮鞋與浮箍==

1、浮鞋與浮箍

油田開發(fā)早期用的是承托環(huán)(阻流環(huán))，又稱為浮箍，其作用是注水泥時用來控制膠塞的下行位置，以確保管內(nèi)水泥塞長度、防止水泥漿倒流。但它靠金屬與尼龍的密封，密封效果差、承壓能力低，因此逐漸被淘汰。浮鞋或浮箍是能產(chǎn)生浮力的套管引鞋或接箍。引鞋是用來引導(dǎo)套管柱沿井筒順利下到井內(nèi)，防止套管腳插入井壁巖層，減少下井阻力。

浮鞋除具有引鞋的作用—外回流。在下套管過程中，使環(huán)空鉆井液保持流動。浮箍也具有防止水泥漿回流的作用，同時還具有在固井時膠塞碰壓、限制人工井底的深度和套管柱下底腳水泥塞的高度的作用，從而保證油層套管底部的封固質(zhì)量。出于浮鞋或浮箍耐高溫、密封性和可鉆性好，連接方便因而可代替引鞋、套管鞋等。

分類

按套管下井時鉆井液進人方式的不同，浮鞋浮箍可分為普通型和自灌型；按回壓裝置的工作方式又可分為浮球式扣舌板式等。浮箍用于承接膠塞組，使箍鞋間有一段水泥塞，并容納套管內(nèi)壁附著的雜質(zhì)等，確保水泥漿柱不被替空，從而保證套管鞋外的固井質(zhì)量。同時可作為防止水泥回流的備用。浮箍是用來控制套管柱內(nèi)水泥塞的高度，它兩端都有扣，可以連接于任意兩套管之間，而浮鞋只是一端有母扣，只能位于套管的最前端。

浮箍和浮鞋有水泥式的和金屬的，浮鞋一般在套管的最下端，而浮箍一般在浮鞋上端一點，在雙級注水泥的時候也會加個浮箍，基本作用就是用來防止注水泥時水泥漿倒返。

==套管==

1、套管分類

1.隔水導(dǎo)管(或?qū)Ч埽ㄥN打入樁管)

2.表層套管

3.技術(shù)套管(中間套管或保護套管)

4.生產(chǎn)套管或尾管。

2、各種套管作用

1.導(dǎo)管

導(dǎo)管主要用來隔離海水，引導(dǎo)鉆頭入井和井內(nèi)泥漿從井口返回泥漿池，封隔海底面以下的疏松易塌地層，用以支承表層、技術(shù)和油層套管的重量。

2.表層套管

表層套管用來封隔上部不穩(wěn)定的松軟地層和水層及淺層氣，安裝井口裝置以控制井涌井噴，同時支承技術(shù)套管和油層套管或尾管的重量。

3.技術(shù)套管或中間套管

技術(shù)套管主要用來封隔難以控制的復(fù)雜地層以保證鉆井工作順利進行下去。

4.生產(chǎn)套管

生產(chǎn)套管主要用來把生產(chǎn)層和其他地層封隔開，把不同壓力的油、氣、水層封隔開來，在井內(nèi)建立一條油、氣通路，保證長期生產(chǎn)，并能滿足合理開采油、氣和酸化壓裂等增產(chǎn)措施的要求。

3、尾管柱

按功能為為鉆井尾管、生產(chǎn)尾管、回接尾管等

1.鉆井尾管：

鉆井尾管功能相當于技術(shù)套管的尾管稱為鉆井尾管。

2.用鉆井尾管的意義

?封隔漏失層、高壓層等；

?節(jié)約鉆井成本；

?滿足使用復(fù)合鉆具要求；

?控制套管磨損（滿足后期回接）。

3.生產(chǎn)尾管

生產(chǎn)尾管功能相當于生產(chǎn)套管的尾管稱為生產(chǎn)尾管。

4.使用生產(chǎn)尾管的意義：

?封隔油、氣、水層；

?節(jié)約鉆井成本；

?滿足使用復(fù)合油管要求；

5.回接尾管：

回接尾管主要用于修復(fù)尾管以上套管，回接套管至井口或回接套管至上層套管內(nèi)任何深度。

6.常見套管串結(jié)構(gòu)

?插入式/內(nèi)管固井套管串結(jié)構(gòu)常用套管尺寸:30”、20”、13-3/8”；

?單級固井套管串結(jié)構(gòu)，常用套管尺寸:13-3/8”、9-5/8”、7”；

?雙級固井套管串結(jié)構(gòu)，常用套管尺寸:13-3/8”、9-5/8”、7”；

?尾管管串結(jié)構(gòu)，常用套管尺寸:13-3/8”、9-5/8”、7”、5”、4-1/2”；

==固井設(shè)備==

1、固井設(shè)備基本構(gòu)成

2、其它設(shè)備

單撬泵

批混罐

3、固井泵工作原理

1)基本結(jié)構(gòu)：

固井泵主要包括泵缸、活塞、吸水閥和排水閥等基本部件。

2)工作原理：

?吸入過程：當活塞從（左圖所示）的極右位置向左移動時，活塞右側(cè)腔室的容積增大，其中壓力降低。吸入口的液體就在大氣壓力和泵缸內(nèi)壓力的壓力差作用下，沿吸入管上升，推開吸入閥進入泵缸。此時，排出閥處于關(guān)閉狀態(tài)。

?排出過程：活塞在到達終點后，活塞即開始由左向右移動，工作腔室的容積逐漸減小，進入泵缸中的液體受到活塞的擠壓，使壓力迅速增高推開排出閥，將液體排出。此時，吸入閥處于關(guān)閉狀態(tài)。

3、水泥漿混合裝置

4、ADC混合系統(tǒng)

5、水泥緩沖罐

工作原理：

?容積緩沖:“蓄水池”作用，平衡平臺灰罐輸灰的壓力和出灰量的波動。

?二次氣化:氣化氣通過氣化囊的纖維網(wǎng)孔流入罐內(nèi)水泥，進行第二次氣化(第一次在平臺灰罐內(nèi))，把水泥變成灰氣混合物。

?氣灰分離:灰下沉，氣上浮至灰罐頂部，通過罐內(nèi)排氣管和平衡閥排出舷外。

?恒壓出灰:平衡閥自動調(diào)節(jié)排氣閥的開口大小，使得緩沖罐頂部的壓力恒定在6～9PSI。A處的壓力＝頂部B處氣壓(6~9PSI)＋干灰水泥的壓力(高度乘密度)。

==套管附件==

1、水泥頭

1)套管水泥頭

釋放下膠塞時，旋轉(zhuǎn)退出釋放下?lián)蹁N，下膠塞在重力和泵送液體推動下離開下膠塞所在內(nèi)腔(釋放指示銷有顯示)，并沿套管內(nèi)壁被驅(qū)替至套管浮箍上。放上膠塞時，旋轉(zhuǎn)退出釋放上擋銷，上膠塞在重力和頂替液的推動下，離開上膠塞所在內(nèi)腔(釋放指示銷有顯示)，驅(qū)替水泥漿并清刮套管內(nèi)壁直到與下膠塞重合、碰壓為止。

2)尾管水泥頭

尾管水泥頭用于尾管固井。尾管水泥頭由提升短節(jié)、本體、旋轉(zhuǎn)軸承機構(gòu)、鉆桿塞擋銷機構(gòu)、投球機構(gòu)、鉆桿聯(lián)接短節(jié)和閥門管匯等部分組成，如圖所示。尾管水泥頭主要用于尾管固井，提升短節(jié)和旋轉(zhuǎn)軸承機構(gòu)的作用同鉆桿水泥頭的對應(yīng)機構(gòu)相同。坐掛尾管懸掛器時，旋轉(zhuǎn)投球機構(gòu)的手柄，頂桿便將球從投球機構(gòu)內(nèi)腔頂出，球在