第七章固井與完井案例.ppt

1、第七章 固井和完井,固井：下套管、注水泥 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計 套管柱設(shè)計 注水泥技術(shù) 固井質(zhì)量的核心問題就是套管柱的強度和環(huán)形空間的密封及水泥環(huán)的膠結(jié)質(zhì)量問題。 完井 鉆開生產(chǎn)層 完井井底結(jié)構(gòu) 完井井口裝置 試油,第一節(jié) 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計,主要包括套管下入層次和每層套管的下深，以及套管和井眼尺寸的配合。 一、套管的分類作用 1、表層套管 主要用途： 封隔地表淺水層及淺部疏松和復(fù)雜地層；安裝井口、懸掛和支撐后續(xù)各層套管。 下深位置： 根據(jù)鉆井的目的層深度和地表狀況而定，一般為上百米甚至上千米。,2、生產(chǎn)套管（油層套管） 主要用途：用以保護生產(chǎn)層， 提供油氣生產(chǎn)通道。 下深位置：由目的層位置及完井方式而定。

2、,3、中間套管（技術(shù)套管） 在表層套管和生產(chǎn)套管之間由于技術(shù)要求下入的套管，可以是一層、兩層或更多層。 主要用來封隔不同地層壓力層系或易漏、易塌、易卡等井下復(fù)雜地層。,4、尾管（襯管） 是在已下入一層技術(shù)套管后采用，即在裸眼井段下套管、注水泥，而套管柱不延伸到井口。 減輕下套管時鉆機的負荷和固井后套管頭負荷；節(jié)省套管和水泥。一般深井和超深井中用。,二、井身結(jié)構(gòu)設(shè)計的原則 1、有效地保護油氣層； 2、有效避免漏、噴、塌、卡等井下復(fù)雜事故的發(fā)生，保證安全、快速鉆進； 3、鉆下部地層采用重鉆井液時產(chǎn)生的井內(nèi)壓力，不致壓裂上層套管鞋處最薄弱的裸露地層； 4、下套管過程中，井內(nèi)鉆井液液柱壓力和地層壓力間

3、的壓差不致于壓差卡套管； 5、當(dāng)實際地層壓力超過預(yù)測值而發(fā)生井涌時，在一定壓力范圍內(nèi)，具有壓井處理溢流的 能力。,三、井身結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)數(shù)據(jù) 地層巖性剖面、地層孔隙壓力剖面、地層破裂壓力剖面、地層坍塌壓力剖面。 6個設(shè)計系數(shù)： 抽吸壓力系數(shù)Sb；0.024 0.048 g/cm3 激動壓力系數(shù)Sg；0.024 0.048 g/cm3 壓裂安全系數(shù)Sf； 0.03 0.06 g/cm3 井涌允量Sk；： 0.05 0.08 g/cm3 壓差允值p： PN: 1518 MPa ， PA： 2123 MPa,四、裸眼井段應(yīng)滿足的力學(xué)平衡條件 （1） dmaxpmax+ Sb 防井涌 （2） (dma

4、x-pmin)Dpmin0.00981P 防壓差卡鉆 （3） dmax+ Sg + Sf fmin 防井漏 （4） dmax+ Sf + Sk Dpmax/ Dc1fc1 防關(guān)井井漏,其中： dmax-裸眼井段內(nèi)使用的最大鉆井液密度，g/cm3； pmax-裸眼井段鉆遇的最大地層壓力的當(dāng)量泥漿密度，g/cm3； Dpmax-最大地層孔隙壓力所處的井深，m； pmin-裸眼井段鉆遇的最小地層壓力的當(dāng)量泥漿密度，g/cm3； Dpmin-最小地層孔隙壓力所處的井深，m； fmin-裸眼井段最小地層破裂壓力的當(dāng)量泥漿密度，g/cm3； Dc1-套管下入深度，m； fc1-套管鞋處地層破裂壓力的當(dāng)量泥

5、漿密度， g/cm3；,五、井身結(jié)構(gòu)設(shè)計方法 1、求中間套管下入深度的假定點 （1）不考慮發(fā)生井涌 由 f =pmax+ Sb + Sg + Sf dmax 計算出f ，在破裂壓力曲線上查出f 所在的井深D21 ， 即為中間套管下深假定點。,（2）考慮可能發(fā)生井涌 由 f =pmax+Sb+ Sf + Sk Dpmax/ D21 用試算法求 D21；先試取一個D21，計算f ；將計算出的f 與D21處查得的f 進行比較，若計算值與實際值相差不大且略小于實際值，可以確定D21為中間套管假定點。否則，重新進行試算。 一般情況下，在新探區(qū)，取以上（1）、（2）兩種條件下D21較大的值。,2、驗證中間

6、套管下到深度D21是否有被卡的危險 首先求出裸眼中可能存在的最大靜壓差： P=(pmax1+Sb -pmin)Dmin0.00981 pmax1-鉆進至D21遇到的最大地層壓力當(dāng)量密度，g/cm3。 Dmin-最小地層孔隙壓力所對應(yīng)的井深，m；（當(dāng)有多個最小 地層壓力點時，取最大井深。）,若P PN ，則中間套管深度應(yīng)小于假定點深度。需根據(jù)壓差卡鉆條件確定中間套管下深。 求在壓差PN 下所允許的最大地層壓力： 在地層壓力曲線上找出pper 所在的深度即為中間套管下深D2。,3、求鉆井尾管下入深度的假定點D31 根據(jù)中間套管鞋處的地層破裂壓力當(dāng)量密度f2 ，求出繼續(xù)向下鉆 進時裸眼井段所允許的最

7、大地層壓力當(dāng)量密度： 用試算法求D31。試取一個D31，計算出pper ，與D31處的實際地層壓 力當(dāng)量密度比較，若計算值與實際值接近，且略大于實際值，則確定為 尾管下深假定點；否則，另取D31進行試算 。,4、校核尾管下入到D31是否有被卡的危險 校核方法與中間套管的校核方法相同。只是將壓差允值PN 變?yōu)镻A 。,5、計算表層套管下入深度D1 根據(jù)中間套管鞋處的地層壓力當(dāng)量密度p2 ，計算出若鉆進 到深度D2發(fā)生井涌關(guān)井時，表層套管鞋D1處所承受的井內(nèi)壓力的當(dāng) 量密度： 根據(jù)上式，用試算法確定D1。 試取一個D1，計算fE ，計算值與D1處的地層破裂壓力當(dāng)量 密度值比較；若計算值接近且小于地

8、層破裂壓力值，則確定D1為 表層套管下深。否則，重新試取D1進行試算。,五、設(shè)計舉例 某井設(shè)計井深為 4400 m，地層孔隙壓力梯度和地層破裂壓力梯度剖面如圖7-2。給定設(shè)計系數(shù)： Sb=0.036 ；Sg=0.04 ； Sk=0.06 ；Sf=0.03；PA =12 MPa；PN=18 MPa，試進行該井的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計。,解：由圖上查得， pmax=2.04 gcm3， Dpmax=4250 m （1）確定中間套管下深初選點D21 由： f =pmax+Sb+ Sf + Sk Dpmax/ D21 試取D21=3400m并代入上式得： f =2.04+0.036+0.03+0.06 4250

9、/3400=2.181 g/cm3 由破裂壓力曲線上查得f3400=2.19 g/cm3， f f3400且 相近。故確定D21=3400m。,（2）校核中間套管是否會被卡 由地層壓力曲線上看出，鉆進到深度D21=3400m時，遇到的最大地層壓力就在3400m處。查得： p3400=1.57g/cm3，pmin=1.07g/cm3，Dmin=3050m。 由 P=(pmax1+Sb -pmin)Dmin0.00981 P=（1.57+0.036 - 1.07）30500.00981=16.037 MPa 因 P PN =12MPa，故中間套管下深應(yīng)淺于初選點。,由： 在地層壓力曲線上查得對應(yīng)p

10、per=1.435的深度為3200m。最后確定中間套管下深為D2=3200m。,（3）確定尾管下入深度初選點D31 由破裂壓力曲線上查得： f3200=2.15g/cm3； 試取D31=3900m，代入上式算得：pper=2.011g/cm3；由地層壓力 曲線查得p3900=1.94 pper=2.011 g/cm3 ，且相差不大，故確定初 選點D31=3900m。,（4）校核是否會卡尾管 計算壓差： P=（1.94+0.036 - 1.435）32000.00981=16.98 MPa 因為P PA，故確定尾管下深為D3=D31=3900m。,（5）確定表層套管下深D1 試取D1=850m，

11、代入上式計算得： fE=1.737 g/cm3 。 由破裂壓力曲線查得f850=1.74 g/cm3 ， fE f850 ，且相近，故確定D1=850m。最后設(shè)計結(jié)果：,六、套管尺寸與鉆頭尺寸的選擇 目前我國使用最多或者說是唯一的套管鉆頭系列是： （26）20 （17 1/2）13 3/8（12 1/4）9 5/8（8 1/2）7（5 7/8）4 1/2 套管和井眼尺寸的確定一般是由內(nèi)到外進行，首先根據(jù)采油工程等方 面的要求確定油層套管的尺寸，然后確定與油層套管相匹配的鉆頭。,套管與井眼之間的間隙與井身質(zhì)量、固井水泥環(huán)強度要求、下套管時的井內(nèi)波動壓力、套管尺寸等因素有關(guān)。最小間隙為9.5mm，

12、最大間隙達76mm。 每次開鉆鉆頭直徑與上層套管最小內(nèi)徑之間保持6.413mm（1/41/2英寸）的間隙。 目前，根據(jù)套管層次不同，已基本形成了較穩(wěn)定的系列。,第二節(jié) 套管柱設(shè)計,一、套管和套管柱 套管：優(yōu)質(zhì)無縫鋼管。一端為公扣，直接車在管體上；一端為帶母扣的套管接箍。 套管的尺寸系列：按API標準有：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14種。 壁厚：5.2116.13 mm。小直徑的套管壁厚小一些，大直徑的套管壁厚大一些。 另外有非標準的鋼級和壁厚。

13、,套管的鋼級 API標準：H-40，J-55，K-55，C-75，L-80，N-80，C-90，C-95，P-110，Q-125。（數(shù)字1000為套管的最小屈服強度 kpsi）。 1kpsi=6.8947MPa 其中， H-40，J-55，K-55，C-75，L-80，C-90是抗硫的。 連接螺紋的類型 API標準：短圓（STC）、長圓（LTC）、梯形（BTC）、直連型（XL） 套管柱：由同一外徑、不同鋼級、不同壁厚的套管用接箍連接組成的管柱。特殊情況下也使用無接箍套管柱。,二、套管柱受力分析及套管強度 套管柱在井內(nèi)所受外載復(fù)雜。在不同時期（下套管過程中、注水泥時、后期開采等過程中）套管柱的受

14、力也不同。 在分析和設(shè)計中主要考慮基本載荷：軸向拉力、外擠壓力及內(nèi)壓力。 套管柱設(shè)計時按最危險情況考慮。 1、軸向拉力及套管的抗拉強度 （1）套管的軸向拉力 自重產(chǎn)生的拉力、彎曲產(chǎn)生的附加拉力、注水泥時產(chǎn)生的附加力、動載、摩阻等。,自重引起的拉力 kN qmi-第I種套管在鉆井液中的單位長度重力，N； Li-第I種套管的長度，m； N -組成套管柱的套管種類（鋼級、壁厚）。,套管彎曲引起的附加拉力 經(jīng)驗公式： kN 在為定向井、水平井以及狗腿度嚴重的直井中設(shè)計套管柱時，應(yīng)考慮彎曲引起的附加拉力。,注水泥引起的附加拉力 kN 其它附加拉力 上提或下放套管時的動載、井壁摩擦力等。 一般在安全系數(shù)中

15、考慮。 （2）套管的抗拉強度 套管所受軸向拉力一般在井口最大。 由拉應(yīng)力引起的破壞形式：本體被拉斷、脫扣。 通常用套管的抗滑扣力表示套管的抗拉強度。,2、外擠壓力及套管的抗擠強度 （1）外擠壓力 主要載荷：管外液柱的壓力、地層中流體的壓力、高塑性巖石（鹽膏層、泥巖層）的側(cè)向擠壓力等。 常規(guī)情況下按套管全淘空時的管外壓力計算： kPa 有大段鹽膏層的特殊情況下，有時將上式中的鉆井液密度替換為上覆巖層壓力的當(dāng)量密度進行計算。,（2）套管的抗擠強度 外擠載荷作用下的破壞形式： 徑厚比較大時，失穩(wěn)破壞（失圓、擠扁）； 徑厚比較小時，強度破壞。 根據(jù)現(xiàn)有套管尺寸，絕大部分是失穩(wěn)破壞。其抗擠強度可以在鉆井

16、手冊或套管手冊中查到。,（3）雙向應(yīng)力下的套管強度 從套管內(nèi)部取一微小單元，分析可知，在外載作用下產(chǎn)生三個方向的應(yīng)力t 、r 、z ，對于薄壁管，t r , r 可以忽略。變?yōu)殡p向應(yīng)力問題。,由第四強度理論： z2 +t2 -zt =s2 變換為橢圓方程： 按拉為正、壓為負，根據(jù)以上方程可畫出橢圓圖形。,在橢圓圖上， t/s 的百分比為縱坐標，z /s 的百分比 為橫坐標。 由強度條件的雙向應(yīng)力橢圓可以看出： 第一象限：拉伸與內(nèi)壓聯(lián)合作用，軸向拉力的存在下使套管的 抗內(nèi)壓強度增加。 第二象限：軸向壓縮與內(nèi)壓聯(lián)合作用。在軸向受壓條件下套管 抗內(nèi)壓強度降低。,第三象限：軸向壓應(yīng)力與外擠壓力聯(lián)合作用

17、。在軸向受壓條件下套管抗外擠強度增加。 第四象限：軸向拉應(yīng)力與外擠壓力聯(lián)合作用。軸向拉力的存在使套管的抗擠強度降低。由于這種情況在套管柱中是經(jīng)常出現(xiàn)的。因此在套管柱設(shè)計中應(yīng)當(dāng)考慮軸向拉力對抗擠強度的影響。,考慮軸向拉力影響時的抗外擠強度公式推導(dǎo)： 由雙向應(yīng)力橢圓方程，當(dāng)z=0時：t2 =s2 根據(jù)上式，則有： 將t和s的表達式代入雙向應(yīng)力橢圓方程，并進行適當(dāng)簡化，即可得到考慮軸向拉力影響時的抗外擠強度近似公式：,3、內(nèi)壓力及抗內(nèi)壓強度 （1）內(nèi)壓力 考慮到套管外的平衡壓力，一般情況下，套管在井口所受的內(nèi)壓力最大。計算時，考慮三種最危險的情況。 a.套管內(nèi)完全充滿天然氣并關(guān)井時的內(nèi)壓力；,b.以

18、井口裝置的承壓能力作為套管在井口所受的內(nèi)壓力； c.以套管鞋處的地層破裂壓力值確定井口內(nèi)壓力： 實際設(shè)計時，通常按套管內(nèi)完全充滿天然氣時進行計算。 （2）套管的抗內(nèi)壓強度 內(nèi)壓載荷下的主要破壞形式：爆裂、絲扣密封失效。 抗內(nèi)壓強度可由鉆井手冊或套管手冊查到。,4、套管的腐蝕 原因：在地下與腐蝕性流體接觸。 破壞形式：管體有效厚度減少，套管承載力降低；鋼材性質(zhì)變化。 引起套管腐蝕的主要介質(zhì)有：硫化氫、溶解氧、二氧化碳。 抗硫套管： API套管系列中的H級、K級、J級、C級、L級套管。,三、套管柱強度設(shè)計 目的：確定合理的套管鋼級、壁厚、以及每種套管的井深區(qū)間。 1、設(shè)計原則 a.滿足強度要求，在

19、任何危險截面上都應(yīng)滿足下式： 套管強度外載安全系數(shù) b.應(yīng)能滿足鉆井作業(yè)、油氣層開發(fā)和產(chǎn)層改造的需要； c.在承受外載時應(yīng)有一定的儲備能力； d.經(jīng)濟性要好。 安全系數(shù)： 抗外擠安全系數(shù) Sc=1.0； 抗內(nèi)壓安全系數(shù) Si=1.1； 套管抗拉力強度（抗滑扣）安全系數(shù) St=1.8。,2、常用套管柱設(shè)計方法 （1）等安全系數(shù)法 該方法基本的設(shè)計思路是使各個危險截面上的最小安全系數(shù)等 于或大于規(guī)定的安全系數(shù)。 （2）邊界載荷法（拉力余量法） 在抗拉設(shè)計時，套管柱上下考慮同一個拉力余量。 另外還有最大載荷法、AMOCO法、西德BEB方法及前蘇聯(lián)的方法 等。,3、各層套管柱的設(shè)計特點 表層套管：主要

20、考慮內(nèi)壓載荷。 技術(shù)套管：既要有較高的抗內(nèi)壓強度，又要有抗鉆具沖擊磨損的能力。 油層套管：上部抗內(nèi)壓、抗拉，下部抗外擠。,4、套管柱設(shè)計的等安全系數(shù)法 （1）基本設(shè)計思路 計算本井可能出現(xiàn)的最大內(nèi)壓力，篩選符合抗內(nèi)壓強度的 套管； 下部套管段按抗擠設(shè)計，上部套管段按抗拉設(shè)計，各危險 斷面上的最小安全系數(shù)要大于或等于規(guī)定安全系數(shù)； 通式： 套管強度外載安全系數(shù) 水泥面以上套管強度要考慮雙向應(yīng)力的影響； 軸向拉力通常按套管在空氣中的重量計算；當(dāng)考慮雙向應(yīng) 力時，按浮重計算。,（2）設(shè)計步驟 例題：某井177.8mm（7英寸）油層套管下至3500m，下套管時的鉆井液密度為1.30g/cm3，水泥返至

21、2800m，預(yù)計井內(nèi)最大內(nèi)壓力35MPa，試設(shè)計該套管柱（規(guī)定最小段長500m）。,解：規(guī)定的安全系數(shù)： Sc=1.0， Si=1.1， St=1.8。 計算最大內(nèi)壓力，篩選符合抗內(nèi)壓要求的套管， 抗內(nèi)壓強度Pimax Si =38500 kPa 篩選套管： C-75，L-80，N-80，C-90，C-95，P-110。 按成本排序： N-80 C-75 L-80 C-90 C-95 P-110,按抗擠設(shè)計下部套管段，水泥面以上進行雙向應(yīng)力校核； 1）計算最大外擠力，選擇第一段套管； 查表：N-80，t1=10.36 mm，q1=0.4234kN/m，pc1=48401kPa， Fs1=300

22、7 kN， Fst1= 2611.1 kN 。,2）選擇第二段套管；（選擇強度低一級的套管；確定第一段套管的長度，進行第一段的抗拉強度校核） 查表： N-80，t2=9.19 mm，q2=0.3795kN/m，pc2=37301kPa，F(xiàn)s2=2686.7 kN，F(xiàn)st2= 2308.6 kN 。 計算第二段套管可下深度D2,確定第一段套管長度L1；,雙向應(yīng)力強度校核，最終確定D2，L1； D2=2900m 2800m，超過水泥面，考慮雙向應(yīng)力影響； 危險截面：水泥面2800m處,解決辦法：將第一段套管向上延伸至水泥面以上。 預(yù)定：D2=2700m，L1=800m。 重新進行雙向應(yīng)力強度校核：

23、（按照以上同樣的方法進行） 套管1：危險截面為2800m處，Sc=1.29 1.0 安全 套管2：危險截面為2700m處，Sc=1.02 1.0 安全 計算套管抗拉安全系數(shù)： 最終結(jié)果：D2=2700m，L1=800m。,3）選擇第三段套管，確定第二段套管長度 查表： N-80，t3=8.05 mm，q3=0.3358kN/m，pc3=26407kPa，F(xiàn)s3=2366.5 kN，F(xiàn)st3= 1966.1 kN 。 考慮雙向應(yīng)力影響，確定第三段套管可下深度； 由：,采用試算法，取D3=1700m，計算得：Sc=1.03，安全。 計算第二段頂部的抗拉安全系數(shù)： 最終結(jié)果：D3=1700m，L2=

24、1000m。,還有上部1700m的套管需進行設(shè)計，轉(zhuǎn)為抗拉設(shè)計； 1）計算第三段套管按抗拉要求的允許使用長度L3； 實?。篖3=1100m， 則： Fm3=718+1100 0.3357=1087 kN,2）確定第四段套管的使用長度 查表：應(yīng)比第三段套管的抗拉強度高，N-80，t4=10.36 mm，q4=0.4234kN/m，pc4=48401kPa，F(xiàn)s4=3007 kN， Fst4= 2611.1 kN (與第一段所用套管相同)。 計算第四段套管的許用長度： 實際距井口還有600m，取L4=600m。,校核第四段下部的抗擠強度： 最終確定L4=600m，D4=600m。 最終設(shè)計結(jié)果,第

25、三節(jié) 注水泥技術(shù),固井目的：固定套管、有效封隔井內(nèi)的油氣水層。 注水泥：從井口經(jīng)套管再將水泥漿注入井壁與套管柱之間的環(huán)空中。 注水泥技術(shù)的內(nèi)容：油井水泥的選擇；水泥漿性能設(shè)計；水泥外加劑的選擇；井眼準備；注水泥工藝設(shè)計。 本節(jié)內(nèi)容：油井水泥、水泥漿性能、水泥外加劑、前置液體系、提高注水泥質(zhì)量的措施。,一、油井水泥 油井水泥是波特蘭水泥（硅酸鹽水泥）的一種。 對油井水泥的基本要求： （1）水泥能配成流動性良好的水泥漿，且在規(guī)定的時間內(nèi)，能始終保持這種流動性； （2）水泥漿在井下的溫度及壓力條件下保持性能穩(wěn)定性； （3）水泥漿應(yīng)在規(guī)定的時間內(nèi)凝固并達到一定的強度； （4）水泥漿應(yīng)能和外加劑相配合，

26、可調(diào)節(jié)各種性能； （5）形成的水泥石應(yīng)有很低的滲透性能等。,1、油井水泥的主要成分 （1）硅酸三鈣3CaOSiO2。（簡稱C3S） 它是水泥的主要成份，一般的含量為 4065。該成分對水泥的強度，尤其是早期強度有較大的影響。高早期強度水泥中含量可達6065，緩凝水泥中含量在4045。 （2）硅酸二鈣2CaOSiO2（簡稱C2S）， 它在水泥中的含量一般在2430之間；其水化反應(yīng)緩慢，使水泥強度增長慢；但對水泥的最終強度有影響。,（3）鋁酸三鈣3CaOAl2O3（簡稱C3A） 它能促進水泥快速水化；其含量是決定水泥初凝和稠化時間的主要因素；它對水泥漿的流變性及早期強度有較大影響；對硫酸鹽極為敏感

27、；對于有較高早期強度的水泥，其含量可達15。 （4）鐵鋁酸四鈣4CaOAl2O3Fe2O3（簡稱C4AF）， 它對水泥強度影響較小，但其水化速度僅次于C3A，能使水泥的早期強度增長較快，其含量為812。 除了以上四種主要成份之外，還有石膏、堿金屬的氧化物等。,2、水泥的水化 水泥與水混合成水泥漿后，與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成各種水化產(chǎn)物。逐漸由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，使水泥硬化和凝結(jié)，形成水泥石。 （1）水泥的水化反應(yīng) 水泥的主要成分與水發(fā)生的水化反應(yīng)有： 3CaO SiO22H2O2CaO SiO2 H2O十Ca(OH)2 2CaO SiO2H2O 2CaO SiO2 H2O 3CaO Al2O36H2O

28、 3CaO Al2O3 6H2O 4CaOAl2O3Fe2O36H2O 3CaOAl2O36H2OCaOFe2O3H2O,除此之外還發(fā)生其他二次反應(yīng)，生成物中有大量的硅酸鹽水化產(chǎn)物及氫氧化鈣等。在反應(yīng)的過程中，各種水化產(chǎn)物均逐漸凝聚，使水泥硬化。,（2）水泥凝結(jié)與硬化 水泥的硬化分為三個階段： 溶膠期：水泥與水混合成膠體液，開始發(fā)生水化反應(yīng)，水化產(chǎn)物的濃度開始增加，達到飽和狀態(tài)時部分水化物以膠態(tài)或微晶體析出，形成膠溶體系。此時水泥漿仍有流動性。 凝結(jié)期：水化反應(yīng)由水泥顆粒表面向內(nèi)部深入，溶膠粒子及微晶體大量增加，晶體開始互相連接，逐漸絮凝成凝膠體系。水泥漿變綢，直到失去流動性。,硬化期：水化物

29、形成晶體狀態(tài)，互相緊密連接成一個整體，強度增加，硬化成為水泥石。 水泥石主要由三部分組成： 無定性物質(zhì)（水泥膠），它具有晶體的結(jié)構(gòu)，顆粒尺寸大體在0.lmm左右，互相連接成一個整體。 氫氧化鈣晶體，是水化反應(yīng)的產(chǎn)物。 未水化的水泥顆粒。,3、油井水泥的分類 （1）API水泥的分類 A級：深度范圍 01828.8 m，溫度76.7。 B級：深度范圍 01828.8 m，屬中熱水泥，溫度至 76.7，有中抗硫和高抗硫兩種。 C級：深度范圍01828.8 m，溫度至 76.7，高早期強度水泥，分普通、中抗硫及高抗硫三種。 D級：深度范圍1828.83050 m，溫度76127，用于中溫、中壓條件，分

30、為中抗硫及高抗硫兩種。,E級：深度范圍 30504270 m，溫度76143，用于高溫、高壓條件，分為中抗硫及高抗硫兩種。 F級：深度范圍為 30504880 m，溫度 110160，用于超高溫和超高壓條件，分為中抗硫及高抗硫兩種。 G級及H級：深度范圍為 02440 m，溫度093，分為中抗硫及高抗硫兩種。 J級：深度范圍為 36604880 m，溫度49160。,（2）國產(chǎn)以溫度系列為標準的油井水泥,二、水泥漿性能與固井工程的關(guān)系 1、水泥漿性能 水泥漿密度 干水泥密度 3.053.20 gcm3。 水泥完全水化需要的水為水泥重量的20左右；使水泥漿能流動加水量應(yīng)達到水泥重量的4550，此

31、時的水泥漿密度一般在1.80 1.90 gcm3之間。 水灰比：水與干水泥重量之比。,水泥漿的稠化時間 水泥漿從配制開始到其稠度達到其規(guī)定值所用的時間。 API標準：從開始混拌到水泥漿調(diào)度達到 100 BC（水泥稠度單位）所用的時間。 API標準中規(guī)定在初始的 1530 min時間內(nèi)，稠化值應(yīng)當(dāng)小于 30 BC。好的稠化情況是在現(xiàn)場總的施工時間內(nèi)，水泥漿的調(diào)度在50 BC以內(nèi)。,水泥漿的失水 一般用30分鐘的失水量表示。 水泥漿的凝結(jié)時間 從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的時間。 對于封固表層及技術(shù)套管，希望水泥能有早期較高的強度。以便于盡快開始下一道工序。通常希望固完井候凝 8小時左右，水泥漿開始凝結(jié)成水泥

32、石，其抗壓強度可達2.3MPa以上即可開始下一次開鉆。,水泥石強度 能支撐和加強套管。 能承受鉆柱的沖擊載荷。 能承受酸化、壓裂等增產(chǎn)措施作業(yè)的壓力。 水泥石的抗蝕性 控制C3A3%，C4AF+2C3A 24%提高抗硫能力 加入礦渣、石英砂等提高抗硫能力。,2、水泥的外加劑 （1）加重劑：重晶石、赤鐵粉等?？墒顾酀{密度達到 2.3 gcm3。 （2）減輕劑：硅藻土、粘土粉、瀝青粉、玻璃微珠、火山灰等。可使水泥漿的密度降到l 45 gm3。 （3）緩凝劑：丹寧酸鈉、酒石酸、硼酸、鐵鉻木質(zhì)素磺酸鹽、羧甲基羥乙基纖維素等。 （4）促凝劑：氯化鈣、硅酸鈉、氯化鉀等。 （5）減阻劑：奈磺酸甲醛的縮合物

33、、鐵鉻木質(zhì)素磺酸鹽、木質(zhì)素磺化鈉等。 （6）降失水劑：羧甲基羥乙基纖維素、丙烯酸胺、粘土等。 （7）防漏失劑：瀝青粒、纖維材料等。,3、特種水泥 （1）觸變性水泥：當(dāng)水泥漿靜止時，形成膠凝狀態(tài)，但在流動時，膠凝狀態(tài)被破壞，它的流動性是良好的。 （2）膨脹水泥：水泥漿凝固時，體積略有膨脹。一般用于高壓氣井。 （3）防凍水泥：用于地表溫度較低地區(qū)的表層套管固井。 （4）抗鹽水泥 （5）抗高溫水泥 （6）輕質(zhì)水泥,三、前置液體系 將水泥漿與鉆井液隔開，起到隔離、緩沖、清洗的作用，可提高固井質(zhì)量。 1、沖洗液：低粘度、低剪切速率、低密度。用于有效沖洗井壁及套管壁，清洗殘存的鉆井液及泥餅。 2、隔離液：

34、有效隔開鉆井液與水泥漿，以便形成平面推進型的頂替效果。通常為粘稠液體。,四、提高注水泥質(zhì)量的措施 1、對注水泥質(zhì)量的基本要求 （l）對固井質(zhì)量的基本要求 水泥漿返高和水泥塞高度必須符合設(shè)計要求； 注水泥井段環(huán)空內(nèi)的鉆井液頂替干凈； 水泥石與套管及井壁巖石膠結(jié)良好； 水泥凝固后管外不冒油、氣、水，不互竄； 水泥石能經(jīng)受油、氣、水長期的侵蝕。,（2）在固井中常出現(xiàn)的固井質(zhì)量問題 井口有冒油、氣、水的現(xiàn)象。 不能有效地封隔各種層位，開采時各種壓力互竄。 因固結(jié)質(zhì)量不良在生產(chǎn)中引起套管變形，使井報廢等。,2、影響注水泥質(zhì)量的因素 （1）頂替效率低，產(chǎn)生竄槽。 注水泥段： 注水泥段任一截面：,竄槽：由于

35、水泥漿不能將環(huán)空中的鉆井液完全替走，而使環(huán)形空間局部出現(xiàn)未被水泥漿封固住的這種現(xiàn)象。 形成竄槽的原因： a.套管不居中； b.井眼不規(guī)則； c.水泥漿性能及頂替措施不當(dāng)。 d.接觸時間、頂替速度及流態(tài)、水泥漿流變性等。,（2）水泥漿凝結(jié)過程中油氣水上竄 引起油氣水上竄的原因： 水泥漿失重：水泥漿柱在凝結(jié)過程中對其下部或地層所作用的壓力逐漸減小的現(xiàn)象。 橋堵引起失重，從而引起油氣水上竄； 水泥漿凝結(jié)后體積收縮；收縮率小于0.2%。 套管內(nèi)原來有壓力，放壓后使套管收縮。 泥餅的存在，影響地層水泥間（第二界面）的膠結(jié)。,3、提高注水泥質(zhì)量的措施 （1）提高頂替效率，防止竄槽； 采用套管扶正器，改善套

36、管居中條件； 注水泥過程中活動套管； 調(diào)節(jié)注水泥速度，使水泥漿在環(huán)空呈紊流狀態(tài)； 調(diào)整水泥漿性能。加大鉆井液與水泥漿的密度差；降低鉆井液粘度和切力。,（2）防止油氣水上竄 采用多級注水泥或兩種凝速（上慢下快）的水泥； 注完水泥后及時使套管內(nèi)卸壓，并在環(huán)空加回壓； 使用膨脹性水泥，防止水泥收縮； 使用刮泥器，清除井壁泥餅。,第四節(jié) 完井技術(shù),完井：鉆開生產(chǎn)層、確定完井井底結(jié)構(gòu)、安裝井底（下套管固井或下入篩管）、使井眼與產(chǎn)層連通并安裝井口裝置等。 一、鉆開儲集層 儲集層的兩個突出特點： a.儲集有一定壓力的油氣水； b.地層孔隙和裂縫比較發(fā)育，具有較好的原始滲透率。 對鉆開儲集層的技術(shù)要求： a.

37、保護油氣層，防止鉆井液污染； b.控制油氣層，防止不必要的井噴，安全鉆開儲集層。,1、鉆開后儲集層儲油性質(zhì)的變化 一般，井內(nèi)液柱壓力大于地層壓力。在毛細管力和正壓差作用下鉆井液中的液相和固相進入儲層巖石孔隙或裂縫之中，造成孔道堵塞，使儲集層受到污染。 水侵：鉆井液中的自由水侵入儲層的現(xiàn)象。 泥侵：鉆井液中固相物質(zhì)侵入儲層的現(xiàn)象。,（1）水侵對油氣層的損害 使儲層中的粘土成分膨脹，使油流通道縮??； 破壞孔隙內(nèi)油流的連續(xù)性，使單相流動變?yōu)槎嘞嗔鲃樱黾佑土髯枇Γ?產(chǎn)生水鎖效應(yīng)，增加油流阻力； 在地層孔隙中生成沉淀物。 （2）泥侵對油氣層的損害 鉆井液直接進入較大的儲層孔隙，形成堵塞； 形成內(nèi)泥餅，

38、造成永久性損害；,2、鉆開后儲集層巖石力學(xué)性質(zhì)的變化 儲集層被鉆開之后，打破了原來的力學(xué)平衡狀態(tài)，巖石發(fā)生側(cè)向變形，從而對儲集層結(jié)構(gòu)造成影響。 對于孔隙較多、較大的砂巖儲層，影響不太明顯； 對于裂縫性儲集層，影響明顯。當(dāng)產(chǎn)生側(cè)向變形時，有些微小裂縫的張開程度明顯減小。使儲集層的滲透率降低。 長期的采油生產(chǎn)，使儲層內(nèi)壓力下降，砂巖的骨架受力增加，砂巖會被壓碎而造成出砂。,3、鉆開儲集層的方法 采用合理的鉆井液體系，避免水侵和泥侵的危害； 采用合理的鉆井液密度，采用平衡或欠平衡壓力鉆井； 采用良好的井身結(jié)構(gòu)，減少儲集層浸泡時間； 在其他生產(chǎn)環(huán)節(jié)中也盡量防止污染 使用低失水、低密度水泥漿； 減少試油

39、或其他作業(yè)中的關(guān)井、壓井次數(shù)。,二、油氣井完井井底結(jié)構(gòu)類型 1、對完井的要求 （1）最大限度地保護儲集層，防止對儲集層造成傷害。 （2）減少油氣流進入井筒時的流動阻力。 （3）有效地封隔油氣水層，防止各層之間的互相干擾。 （4）克服井塌或產(chǎn)層出砂，保障油氣井長期穩(wěn)產(chǎn)，延長井的壽命。 （5）可以實施注水、壓裂、酸化等增產(chǎn)措施。 （6）工藝簡單、成本低。,2、完井設(shè)計 （1）根據(jù)儲集層特點，提出井底結(jié)構(gòu)的類型； （2）提出完井段的井眼尺寸，如井徑、打開長度、口袋長度等； （3）完井管柱設(shè)計，如套管直徑、下入深度、水泥返高，射孔參數(shù)等。 （4）完井液設(shè)計，提出完井液類型、性能、使用及調(diào)整方法等。,3、完井井底結(jié)構(gòu) 有四類：封閉式井底（用油套或尾管封堵產(chǎn)層）、敞開式井底（產(chǎn)層裸露或下帶孔眼的篩管但不固井）、混合式井底（上部射孔、下部裸眼）、防砂完井（防止產(chǎn)層出砂的完井方法） 四大類可細分為11種完井方法： 封閉式井底（射孔完井法）、敞開式井底（裸眼完井法、貫眼完井法）、混合式井底（襯管完井法、半閉式裸眼完井法、半閉式襯管完井法）、防砂完井（篩管防砂完井法、裸眼礫石充填完井法、滲透性人工井壁完井法、滲透性材料固井射孔完井法、滲透性襯管完井法）,（1）裸眼完井法 讓儲集層裸露，只在儲集層以上用套管封固的完井方法。 先期裸眼完井：先固井，后打開儲集層。 后期裸眼完井：先打開儲集層，后固井。