固井基礎(chǔ)理論知識

固井基礎(chǔ)理論知識講課：楊全盛中原石油勘探局固井工程處_為蘇丹石油公司赴華培訓(xùn)團講課第一章：概述一、固井工程的概念利用水泥充填套管與井壁空間的作業(yè)。第一章：概述二、固井的目的1、加固井壁，保證繼續(xù)安全鉆進(jìn)

2、封隔油氣水層，保證勘探期間的分層試油及在整個開采過程中合理的生產(chǎn)油氣。第一章：概述三、固井的起源和發(fā)展

1、美國1903年在加利福尼亞勞姆博斯油田使用水泥漿封堵井內(nèi)油層上部的水層，法蘭克和聯(lián)合石油公司把50袋硅酸鹽水泥混合好后，用撈沙桶送到井內(nèi)，28天以后把井內(nèi)的水泥鉆掉，再鉆完油層后完井。2、中國則在1200年前在頓鉆打成的井中用桐油加石灰（CaO）加固環(huán)隙，用以開采天然氣。1910年可以在600—900米深的井內(nèi)進(jìn)行固井。3、70年前（1937年）API（美國石油學(xué)會）標(biāo)準(zhǔn)化委員會成立。第一章：概述4、此后產(chǎn)生了固井專用設(shè)備水泥車、化驗設(shè)備和水泥外加劑。發(fā)展了各種條件下的固井工具和固井工藝。

5、科學(xué)化固井固井是鉆井工作的最后一道工序，它的成功與否意義非常重大，如出現(xiàn)固井故障，輕則造成成本浪費，重則造成開采失敗，因此各采油國都十分重視固井工作的研究。它是一門多學(xué)科組成的應(yīng)用科學(xué)，是地質(zhì)、石油、機械、化學(xué)、流體力學(xué)和電子學(xué)科等科學(xué)水平的集中體現(xiàn)。第二章：套管設(shè)計套管類型見圖2。正常壓力系統(tǒng)的井通常僅下三層套管：導(dǎo)管、表層套管和生產(chǎn)套管。異常壓力系統(tǒng)的井，至少多下一層技術(shù)套管。尾管則是一種不延伸到井口的套管柱。一、套管柱類型第二章：套管設(shè)計導(dǎo)管的作用是在鉆表層井眼時將鉆井液從地表引導(dǎo)到鉆井裝置平面上來。這一層管柱其長度變化較大，在堅硬的巖層中僅用10～20m，而在沼澤地區(qū)則可能上百米。（一）導(dǎo)管表層套管下入深度一般在30～150m，通常水泥漿返至地表．用來防護(hù)淺水層污染，封隔淺層流砂、礫石層及淺層氣．同時用來安裝井口防噴器以便繼續(xù)鉆進(jìn)，它也是井口設(shè)備（套管頭及采油樹）的唯一支撐件，以及懸掛依次下入的各層套管（包括采油管柱）載荷。（二）表層套管第二章：套管設(shè)計（三）技術(shù)套管技術(shù)套管用來隔離坍塌地層及高壓水層，防止井徑擴大，減少阻卡及鍵槽的發(fā)生，以便繼續(xù)鉆進(jìn)。技術(shù)套管還用來分隔不同的壓力層系，以便建立正常的鉆井液循環(huán)。它也為井控設(shè)備的安裝、防噴，防漏及懸掛尾管提供了條件，對油層套管還具有保護(hù)作用。（四）生產(chǎn)套管（采油或采氣套管）生產(chǎn)套管的主要作用是將儲集層中的油氣從套管中采出來，并用來保護(hù)井壁，隔開各層的流體，達(dá)到油氣井分層測試，分層采油，分層改造之目的。通常水泥返至產(chǎn)層頂部２００m以上。第二章：套管設(shè)計（五）尾管尾管是一種不延伸到井口的套管柱，分為鉆井尾管和采油尾管。它的優(yōu)點是下入長度短、費用低。在深井鉆井中，尾管另一個突出的優(yōu)點是，在繼續(xù)鉆進(jìn)時可以使用異徑鉆具。在頂部的大直徑鉆具比同一直徑的鉆具具有更高的抗拉伸強度，在尾管內(nèi)的小直徑鉆具具有更高的抗內(nèi)壓力的能力。尾管的缺點是固井施工困難，尾管的頂部通常要進(jìn)行抗內(nèi)壓試驗，以保證密封性。第二章：套管設(shè)計（六）組合套管柱組合套管柱是各段套管的重量和鋼級不同，但其外徑相同。（七）異徑套管柱異徑套管柱是從上到下各段套管的外徑不同的套管柱第二章：套管設(shè)計二、通用套管、井眼尺寸套管，in井眼，in3020185/816133/8113/4103/495/885/875/8765/851/2541/2362624181/2,20171/215,171/2121/4,15121/491/2,121/481/2,105/883/8,97/877/8,83/463/4,83/46,77/86,77/8第二章：套管設(shè)計三、安全系數(shù)的確定１、抗內(nèi)壓1.125根據(jù)采油作業(yè)壓力、管材進(jìn)行選擇２、抗外擠1.8Ａ根據(jù)實際地層壓力確定Ｂ根據(jù)上履地層壓力系數(shù)0.0235Ｍpa/m（用于巖膏層井段）確定。Ｃ根據(jù)開發(fā)經(jīng)驗確定第二章：套管設(shè)計中原油田經(jīng)過26年的開發(fā)，發(fā)現(xiàn)僅用上履地層壓力設(shè)計是不夠的，對于巖膏層的易塑性變形的地層，最大外擠力達(dá)到上履壓力系數(shù)的3.5倍，因此開發(fā)了厚壁套管，即TP130TT，外徑152mm，壁厚16.9mm，與10.5/P110比較，抗外擠強度提高由104kg/cm2至210kg/cm2，基本上消除了由于地層壓力原因造成的套管損壞。第二章：套管設(shè)計四、識別套管顏色標(biāo)記（ＡＰＩ）H-40灰色N-80紅J-55淺綠C-95棕K-55深綠P-110白C-75藍(lán)U-150白L-80紅/棕/紅第二章：套管設(shè)計五、識別螺紋螺紋分圓螺紋、偏梯型螺紋和直連型螺紋。其中圓螺紋分有長圓螺紋和短圓螺紋，扣尖角60、錐度1:16、25.4mm有8扣（8扣/英寸）。 螺紋代號：

STC（CSG）——短圓螺紋

LTC（LCSG）——長圓螺紋

BTC（BCSG）——梯型螺紋

XL（XCSG）——直連型螺紋第三章：固井設(shè)備水泥車T815AC-400型CPT-N4CPT-Y4沃爾沃二、供水車三、運灰車混拌設(shè)備第四章：化驗儀器第四章：化驗儀器稠化儀：高溫高壓稠化儀二、失水儀：高溫高壓失水儀常壓稠化儀第四章：化驗儀器第四章：化驗儀器三、瓦林?jǐn)嚢杵魉?、抗壓強度機第四章：化驗儀器五、旋轉(zhuǎn)粘度儀第四章：化驗儀器第五章：水泥歷史上一般認(rèn)為一位英國瓦匠約瑟夫·亞斯波?。↗osephAspdin）是硅酸鹽水泥的發(fā)明者，他在1824年發(fā)表了一份關(guān)于類似灰色巖石物質(zhì)稱為“水泥”的專利，該成分在水中能夠水化和硬化，所以稱之為水硬性材料，這是我們所知道的最早的硅酸鹽水泥。第五章：水泥一、分類ASTM（美國材料試驗學(xué)會）分為：1、2、3、4、5API（美國石油學(xué)會）（1953年公布第一份油井水泥標(biāo)準(zhǔn)）：A、B、C、D、E、F、G、H、J俄羅斯：OW-1、OW-2、OW-3、OW-4、OW-5羅馬尼亞：S1、S2、S3匈牙利：Hmfpc、Fmfpc保加利亞：OW、OW-SR中國等效采用API標(biāo)準(zhǔn)1988年制定完了GBZ38-88

由于水泥石在地下存在化學(xué)腐蝕現(xiàn)象，主要是受Na2S04物質(zhì)的腐蝕，尤其當(dāng)溫度在0℃-84℃范圍時腐蝕較為嚴(yán)重，因此水泥又細(xì)分為中抗硫酸鹽型（MSR，鋁酸三鈣3CaO·Al2O3≤8%）和高抗硫酸協(xié)型（HSR，鋁酸三鈣3CaO·Al2O3≤3%）另外還有其他特種水泥：火山灰水泥、火山灰石灰水泥、膠乳水泥、高寒水泥、鋁酸鈣水泥、石膏水泥、樹脂水泥或塑料水泥、柴油水泥第五章：水泥二、水泥的主要成分水泥化學(xué)性能給出了油井用硅酸鹽水泥典型的氧化物分析。

（APIG類或H類水泥）氧化物百分比二氧化硅氧化鈣三氧化二鐵三氧化二鋁氧化鎂三氧化硫氧化鉀燒失量（SiO2）（CaO）（Fe2O3）（Al2O3）（MgO）（SO3）

（K2O）

22.4364.774.104.761.141.670.080.54當(dāng)這些熟料成分與水發(fā)生水化時，將生成四種主要化合物。第五章：水泥凝固硅酸鹽水泥中的化合物化合物化學(xué)式標(biāo)準(zhǔn)代號鋁酸三鈣硅酸三鈣B-硅酸二鈣鐵鋁酸四鈣3CaO·Al2O33CaO·SiO22CaO·SiO24CaO·Al2O3·Fe2O3C3AC3SC2SC4AF第六章：水泥外加劑對種類有限的各級水泥只有采取加入外加劑的方法，才能使設(shè)計與現(xiàn)制的水泥漿適應(yīng)多種條件下注水泥要求，外加劑應(yīng)用的主要目的是：調(diào)整水泥漿的稠化時間、密度、失水、流變性、增容、析水率、滲透率、線性體積變化，增加抗壓強度和保持高溫條件下強度熱穩(wěn)定性等。第六章：水泥外加劑隨著降失水劑的應(yīng)用，各種改善水泥漿性能的添加劑在發(fā)展。目前水泥添加劑可分為以下11大類。1、速凝劑：縮短凝固時間，加快強度發(fā)展。如CaCl2，加速C3S的水化作用。2、緩凝劑：延長凝固時間。如木質(zhì)素黃酸鹽，吸附在硅酸鈣水化物上，影響其水化作用。3、填充劑：降低密度、提高造漿率。如膨潤土（般土粉）和微球等等。4、加重劑：增加水泥漿密度。如鈦鐵礦、赤鐵礦和重晶石等。第六章：水泥外加劑6、降失水劑：控制水泥漿失水量，控制濾餅濾失。將純水泥漿大于1500ml/30min的失水量降低到小于50ml/30min保證固井要求。最初使用的是膨潤土，目前乳膠已成為最常用的顆粒性材料降失水劑。水泥漿失水是影響固井最嚴(yán)重的問題，因此降失水泥劑也是最重要的外加劑。5、分散劑：降低水泥漿粘度，降低水泥漿屈服值。如磺酸鹽類。第六章：水泥外加劑（1）乳膠是降失水泥劑發(fā)展至今最好的降失水劑之一。乳膠是乳化聚合物屬于顆粒材料，粒度在2-5μm之間。固井用的乳膠是聚乙烯類產(chǎn)品：①醋酸乙烯脂、乙烯-丁二烯樹脂：可用到50℃②苯乙烯-西二烯樹脂：可用到176℃乳膠是固相聚合物顆粒的水分散體，靠表面活性劑保護(hù)膠體。表面活性劑如Stabilizer434B可用到160℃；Stabilizer434C可用到193℃（2）水泥溶性聚合物：控制失水，降低濾餅的滲透率①纖維素衍生物，如羥乙基纖維素②非離子人工合成聚合物③陰離子人工合成聚合物④陽離子聚合物第六章：水泥外加劑7、堵漏劑：控制水泥漿漏失。（1）堵漏材料。如硬瀝青和顆粒煤；塞璐玢片（2）觸變性水泥。產(chǎn)生高膠凝強度常用的是膨潤土。其含量可分別在5%-2%（BWOC）8、消泡劑：消除水泥漿氣泡。磷酸三丁脂、聚乙二醇乙醚、硅油第六章：水泥外加劑9、穩(wěn)定劑：高溫穩(wěn)定劑（如石英粉），漿體穩(wěn)定劑，乳膠穩(wěn)定劑10、膨脹劑：克服水泥漿失重，克服水泥石體積收縮，克服油氣水竄糟，增加水泥環(huán)與套管以及水泥環(huán)與井壁的界面膠結(jié)強度。11、增韌劑：減低水泥石的脆性，增加水泥石的韌性，以適應(yīng)注采作業(yè)的要求。第七章：固井設(shè)計一、鉆井資料1、井身結(jié)構(gòu)2、下套管前鉆井液性能3、鉆井復(fù)雜情況描述 第七章：固井設(shè)計二、地質(zhì)資料1、油、氣、水、鹽層及油頂、油底位置2、地質(zhì)分層3、地層壓力及破裂壓力第七章：固井設(shè)計三、測井資料1、井徑數(shù)據(jù)2、井斜數(shù)據(jù)3、井溫數(shù)據(jù)四、本次固井目的和方法

五、固井施工難點與措施1、施工難點2、對應(yīng)措施第七章：固井設(shè)計六、套管柱設(shè)計1、套管柱設(shè)計條件2、套管柱設(shè)計及強度校核結(jié)果3、入井管串結(jié)構(gòu)及扶正器位置設(shè)計第七章：固井設(shè)計七、水泥漿設(shè)計1、水泥漿體系和性能設(shè)計2、沖洗液和隔離液設(shè)計3、水泥漿流變性能設(shè)計第七章：固井設(shè)計八、相關(guān)施工參數(shù)計算1、水泥漿量與水泥量計算2、管柱內(nèi)頂替量預(yù)算3、最高施工壓力預(yù)測4、失重壓力計算5、施工時間計算6、送放鉆具回縮距計算第七章：固井設(shè)計九、施工方案實施要求1、施工準(zhǔn)備2、施工程序3、施工設(shè)備配置十、固井工具、附件、材料（圖）第八章：特殊井固井一、內(nèi)管注水泥方法（圖）第八章：特殊井固井二、尾管固井（圖）中間套管或稱技術(shù)套管尾管懸掛工具尾管第八章：特殊井固井三、分級注水泥（圖）第八章：特殊井固井四、定向井固井定向井存在問題：1、底邊沉沙不易清除2、高邊水泥漿析水聚積形成水槽3、套管自重靠向下井壁，頂替困難水泥漿自由水聚積底部沉沙第八章：特殊井固井五、可溶性地層注水泥水泥漿的濾液及自由水可能溶觸地層的鹽巖，從而影響水泥漿與地層的膠結(jié)，采取飽和鹽水水泥漿或欠飽和鹽水水泥漿即可有效地抑制鹽巖層的溶觸。六、高壓氣井固井

1、水泥漿在凝固過程中存在“失重”階段，即水泥漿封固井段失去液柱壓力，但還沒有足夠的膠結(jié)強度時，氣體可以乘虛而入，壓差在3.5kpa的條件下氣體即可侵入。第八章：特殊井固井2、水泥漿失重的幾種要素

①水泥漿脫水②水泥漿膠凝③水化發(fā)展④水泥顆粒沉降及游離水上升⑤水泥漿體積收縮效應(yīng)第八章：特殊井固井3、解決方法①平衡壓力固井技術(shù)，即鉆井液、沖洗液或隔離液及失重狀態(tài)下的水泥漿靜液柱壓力之和要大于地層孔隙壓力。②加入水泥添加劑③借助機械方法加裸眼封隔器井口環(huán)空加回壓使用氣密封套管第八章：特殊井固井七、高溫井固井工藝井溫＞110℃時，易使水泥石強度衰退，因此必須在水泥漿內(nèi)摻混30-40%細(xì)硅粉。第九章：固