固井和完井課件

固井和完井課件第1頁(yè)/共75頁(yè)第一節(jié)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主要包括套管層次和每層套管的下深，以及套管和井眼尺寸的配合。一、套管的分類及作用1、表層套管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。

2、生產(chǎn)套管（油層套管）

鉆達(dá)目的層后下入的最后一層套管，用以保護(hù)生產(chǎn)層，提供油氣生產(chǎn)通道。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(lái)封隔井下復(fù)雜地層。

4、尾管（襯管）第2頁(yè)/共75頁(yè)第3頁(yè)/共75頁(yè)第4頁(yè)/共75頁(yè)二、井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則1、有效地保護(hù)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(jìn);3、當(dāng)實(shí)際地層壓力超過(guò)預(yù)測(cè)值而發(fā)生井涌時(shí)，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(jì)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(gè)設(shè)計(jì)系數(shù)：

抽系壓力系數(shù)Sb：0.024～0.048g/cm3

激動(dòng)壓力系數(shù)Sg：0.024～0.048g/cm3

壓裂安全系數(shù)Sf：0.03～0.06g/cm3

井涌允量Sk：0.05～0.08g/cm3

壓差允值p：PN:15～18MPa，PA：21～23MPa第5頁(yè)/共75頁(yè)四、裸眼井段應(yīng)滿足的力學(xué)平衡條件1、ρd≥ρpmax+Sb

防井涌2、(ρdmax-ρpmin)×Dpmin×0.00981≤△P

防壓差卡鉆3、ρdmax+Sg+Sf≤ρfmin防井漏4、ρdmax+Sf+Sk×Dpmax/Dc1≤ρfc1

防關(guān)井井漏

其中：

ρd—鉆井液密度，g/cm3；

ρdmax—裸眼井段內(nèi)使用的最大鉆井液密度，g/cm3；

ρpmax—裸眼井段鉆遇的最大地層壓力的當(dāng)量泥漿密，g/cm3；

Dpmax—最大地層孔隙壓力所處的井深，m；

ρpmin—裸眼井段鉆遇的最小地層壓力的當(dāng)量泥漿密度，g/cm3Dpmin—最小地層孔隙壓力所處的井深，m；

ρfmin—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；

ρfc1—套管鞋處地層破裂壓力的當(dāng)量泥漿密度，g/cm3；

第6頁(yè)/共75頁(yè)p

f

pmax

Dpmax

fc1

Dc1

pmin

Dpmin

第7頁(yè)/共75頁(yè)第8頁(yè)/共75頁(yè)五、井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法1、求中間套管下入深度的初選點(diǎn)（1）不考慮發(fā)生井涌

由ρf=ρpmax+Sb+Sg+Sf

計(jì)算出ρf，在破裂壓力曲線上查出ρf所在的井深D21

，即為中間套管下深初選點(diǎn)。（2）考慮可能發(fā)生井涌

由ρf=ρpmax+Sb+Sf+Sk×Dpmax/D21

用試算法求D21；先試取一個(gè)D21，計(jì)算ρf

；將計(jì)算出的ρf與D21處查得的ρf

進(jìn)行比較，若計(jì)算值與實(shí)際值相差不大且略小于實(shí)際值，可以確定D21為中間套管初選點(diǎn)。否則，重新進(jìn)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。第9頁(yè)/共75頁(yè)D3

D2

D1

fpf1f2第10頁(yè)/共75頁(yè)2、驗(yàn)證中間套管下到深度D21是否有被卡的危險(xiǎn)

首先求出裸眼中可能存在的最大靜壓差：

△P=(ρpmax1+Sb-ρpmin)×Dmin×0.00981

ρpmax1：鉆進(jìn)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(duì)應(yīng)的井深，m；（當(dāng)有多個(gè)最小地層壓力點(diǎn)時(shí)，取最大井深。）若△P<△PN

，則確定D21為中間套管的下入深度D2。若△P>△PN

，則中間套管深度應(yīng)小于初選點(diǎn)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ρpper

所在的深度即為中間套管下深D2。第11頁(yè)/共75頁(yè)3、求鉆井尾管下入深度的初選點(diǎn)D31

根據(jù)中間套管鞋處的地層破裂壓力當(dāng)量密度ρf2

，求出繼續(xù)向下鉆進(jìn)時(shí)裸眼井段所允許的最大地層壓力當(dāng)量密度：

用試算法求D31。試取一個(gè)D31，計(jì)算出ρpper

，與D31處的實(shí)際地層壓力當(dāng)量密度比較，若計(jì)算值與實(shí)際值接近，且略大于實(shí)際值，則確定為尾管下深初選點(diǎn)；否則，另取D31進(jìn)行試算。4、校核尾管下入到D31是否有被卡的危險(xiǎn)

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)椤鱌A

。第12頁(yè)/共75頁(yè)5、計(jì)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ρp2

，計(jì)算出若鉆進(jìn)到深度D2發(fā)生井涌關(guān)井時(shí)，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(gè)D1，計(jì)算ρfE

，計(jì)算值與D1處的地層破裂壓力當(dāng)量密度值比較；若計(jì)算值接近且小于地層破裂壓力值，則確定D1為表層套管下深。否則，重新試取D1進(jìn)行試算。

第13頁(yè)/共75頁(yè)五、設(shè)計(jì)舉例

某井設(shè)計(jì)井深為4400m，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(jì)系數(shù)：Sb=0.036；Sg=0.04；Sk=0.06；Sf=0.03；△PA

=12MPa；△PN=18MPa，試進(jìn)行該井的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。解：由圖上查得，ρpmax=2.04g／cm3，Dpmax=4250m．（1）確定中間套管下深初選點(diǎn)D21

由：ρf=ρpmax+Sb+Sf+Sk×Dpmax/D21

試取D21=3400m并代入上式得：

ρf=2.04+0.036+0.03+0.06×4250/3400=2.181g/cm3

由破裂壓力曲線上查得ρf3400=2.19g/cm3，ρf<ρf3400且相近。故確定D21=3400m。

第14頁(yè)/共75頁(yè)第15頁(yè)/共75頁(yè)（2）校核中間套管是否會(huì)被卡

由地層壓力曲線上看出，鉆進(jìn)到深度D21=3400m時(shí)，遇到的最大地層壓力就在3400m處。查得：ρp3400=1.57g/cm3，ρpmin=1.07g/cm3，Dmin=3050m。

由

△P=(ρpmax1+Sb-ρpmin)×Dmin×0.00981

△P=（1.57+0.036-1.07）×3050×0.00981=16.037MPa

因△P>△PN

=12MPa，故中間套管下深應(yīng)淺于初選點(diǎn)。

由：

在地層壓力曲線上查得對(duì)應(yīng)pper=1.435的深度為3200m。最后確定中間套管下深為D2=3200m。

第16頁(yè)/共75頁(yè)（3）確定尾管下入深度初選點(diǎn)D31

由破裂壓力曲線上查得：ρf3200=2.15g/cm3；由：

試取D31=3900m，代入上式算得：ρpper=2.011g/cm3；由地層壓力曲線查得ρp3900=1.94<ρpper=2.011g/cm3

，且相差不大，故確定初選點(diǎn)D31=3900m。（4）校核是否會(huì)卡尾管

計(jì)算壓差：

△P=（1.94+0.036-1.435)×3200×0.00981=16.98MPa

因?yàn)椤鱌<△PA，故確定尾管下深為D3=D31=3900m。第17頁(yè)/共75頁(yè)（5）確定表層套管下深D1

由：

試取D1=850m，代入上式計(jì)算得：ρfE=1.737g/cm3

。由破裂壓力曲線查得ρf850=1.74g/cm3，ρfE<ρf850

，且相近，故確定D1=850m。

設(shè)計(jì)結(jié)果

第18頁(yè)/共75頁(yè)第19頁(yè)/共75頁(yè)六、套管尺寸與鉆頭尺寸的選擇

目前我國(guó)使用最多或者說(shuō)是唯一的套管鉆頭系列是：（26"）20"—（171/2"）133/8"—（121/4"）95/8"—（81/2"）7"—（57/8"）41/2"

套管和井眼尺寸的確定一般是由內(nèi)到外進(jìn)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(qiáng)度要求、下套管時(shí)的井內(nèi)波動(dòng)壓力、套管尺寸等因素有關(guān)。最小間隙為9.5mm，最大間隙達(dá)76mm。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20頁(yè)/共75頁(yè)第21頁(yè)/共75頁(yè)第二節(jié)套管柱設(shè)計(jì)

一、套管和套管柱

套管：優(yōu)質(zhì)無(wú)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：

API標(biāo)準(zhǔn)套管：4-1/2“，5”，51/2“，65/8”，7“，75/8”，85/8“，95/8"，103/4"，113/4"，133/8"，16"，185/8"，20"；共14種。壁厚：5.21～16.13mm。套管的鋼級(jí)

API標(biāo)準(zhǔn)：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(qiáng)度）。連接螺紋的類型

API標(biāo)準(zhǔn)：短圓（STC）、長(zhǎng)圓（LTC）、梯形（BTC）、直連型（XL）第22頁(yè)/共75頁(yè)套管柱：由同一外徑、不同鋼級(jí)、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(wú)接箍套管柱。二、套管柱受力分析及套管強(qiáng)度

套管柱在井內(nèi)所受外載復(fù)雜。在不同時(shí)期（下套管過(guò)程中、注水泥時(shí)、后期開(kāi)采等過(guò)程中）套管柱的受力也不同。在分析和設(shè)計(jì)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(jì)時(shí)按最危險(xiǎn)情況考慮。1、軸向拉力及套管的抗拉強(qiáng)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(shí)產(chǎn)生的附加力、動(dòng)載、摩阻等。第23頁(yè)/共75頁(yè)①自重引起的拉力

qmi——

第I種套管在鉆井液中的單位長(zhǎng)度重力，N；

Li----第I種套管的長(zhǎng)度，m；

n——

組成套管柱的套管種類（鋼級(jí)、壁厚）。②套管彎曲引起的附加拉力

經(jīng)驗(yàn)公式：

在為定向井、水平井以及狗腿度嚴(yán)重的直井中設(shè)計(jì)套管柱時(shí)，應(yīng)考慮彎曲引起的附加拉力。kNkN第24頁(yè)/共75頁(yè)③注水泥引起的附加拉力

kN

④其它附加拉力上提或下放套管時(shí)的動(dòng)載、井壁摩擦力等。一般在安全系數(shù)中考慮。（2）套管的抗拉強(qiáng)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(qiáng)度。第25頁(yè)/共75頁(yè)2、外擠壓力及套管的抗擠強(qiáng)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(shí)的管外壓力計(jì)算：有大段鹽膏層的特殊情況下，有時(shí)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(jìn)行計(jì)算。（2）套管的抗擠強(qiáng)度

外擠載荷作用下的破壞形式：徑厚比較大時(shí)，失穩(wěn)破壞（失圓、擠扁）；徑厚比較小時(shí)，強(qiáng)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(qiáng)度可以在鉆井手冊(cè)或套管手冊(cè)中查到。kPa第26頁(yè)/共75頁(yè)（3）雙向應(yīng)力下的套管強(qiáng)度

從套管內(nèi)部取一微小單元（如圖），分析可知，在外載作用下產(chǎn)生三個(gè)方向的應(yīng)力σt、σr、σz

，對(duì)于薄壁管，σt>>σr,σr

可以忽略。變?yōu)殡p向應(yīng)力問(wèn)題。由第四強(qiáng)度理論：

σz2

+σt2

-σzσt=σs2

變換為橢圓方程：

按拉為正、壓為負(fù)，根據(jù)以上方程可畫出橢圓圖形。σt

σz

σr

第27頁(yè)/共75頁(yè)第28頁(yè)/共75頁(yè)

在橢圓圖上，

σt/σs

的百分比為縱坐標(biāo)，σz/σs

的百分比為橫坐標(biāo)。由強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度降低。第三象限：軸向壓應(yīng)力與外擠壓力聯(lián)合作用。

在軸向受壓條件下套管抗外擠強(qiáng)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(qiáng)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(jì)中應(yīng)當(dāng)考慮軸向拉力對(duì)抗擠強(qiáng)度的影響。

第29頁(yè)/共75頁(yè)考慮軸向拉力影響時(shí)的抗外擠強(qiáng)度公式推導(dǎo)：

如圖：

由雙向應(yīng)力橢圓方程，當(dāng)σz=0時(shí)：

σt2

=σs2

根據(jù)上式，則有：

將σt和σs的表達(dá)式代入雙向應(yīng)力橢圓方程，并進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，即可得到考慮軸向拉力影響時(shí)的抗外擠強(qiáng)度近似公式：

dci

pcc

σtσt

第30頁(yè)/共75頁(yè)3、內(nèi)壓力及抗內(nèi)壓強(qiáng)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(jì)算時(shí)，考慮三種最危險(xiǎn)的情況。套管內(nèi)完全充滿天然氣并關(guān)井時(shí)的內(nèi)壓力；

以井口裝置的承壓能力作為套管在井口所受的內(nèi)壓力；以套管鞋處的地層破裂壓力值確定井口內(nèi)壓力：

實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，通常按套管內(nèi)完全充滿天然氣時(shí)進(jìn)行計(jì)算。第31頁(yè)/共75頁(yè)（2）套管的抗內(nèi)壓強(qiáng)度內(nèi)壓載荷下的主要破壞形式：爆裂、絲扣密封失效?？箖?nèi)壓強(qiáng)度可由鉆井手冊(cè)或套管手冊(cè)查到。（3）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：氣體或液體中的硫化氫、溶解氧、二氧化碳?？沽蛱坠埽篈PI套管系列中的H級(jí)、K級(jí)、J級(jí)、C級(jí)、L級(jí)套管。

第32頁(yè)/共75頁(yè)三、套管柱強(qiáng)度設(shè)計(jì)

目的：確定合理的套管鋼級(jí)、壁厚、以及每種套管的井深區(qū)間。1、設(shè)計(jì)原則

滿足強(qiáng)度要求，在任何危險(xiǎn)截面上都應(yīng)滿足下式：

套管強(qiáng)度＞外載×安全系數(shù)

應(yīng)能滿足鉆井作業(yè)、油氣層開(kāi)發(fā)和產(chǎn)層改造的需要；在承受外載時(shí)應(yīng)有一定的儲(chǔ)備能力；經(jīng)濟(jì)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(qiáng)度（抗滑扣）安全系數(shù)St=1.8。第33頁(yè)/共75頁(yè)2、常用套管柱設(shè)計(jì)方法

（1）等安全系數(shù)法

該方法基本的設(shè)計(jì)思路是使各個(gè)危險(xiǎn)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(jì)時(shí)，套管柱上下考慮同一個(gè)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(jì)特點(diǎn)

表層套管：主要考慮內(nèi)壓載荷。技術(shù)套管：既要有較高的抗內(nèi)壓強(qiáng)度，又要有抗鉆具沖擊磨損的能力。油層套管：上部抗內(nèi)壓，下部抗外擠。第34頁(yè)/共75頁(yè)o

軸向載荷o

外擠載荷第35頁(yè)/共75頁(yè)o

有效內(nèi)壓力

管外

管內(nèi)

第36頁(yè)/共75頁(yè)4、套管柱設(shè)計(jì)的等安全系數(shù)法

（1）基本設(shè)計(jì)思路

①計(jì)算本井可能出現(xiàn)的最大內(nèi)壓力，篩選符合抗內(nèi)壓強(qiáng)度的套管；②下部套管段按抗擠設(shè)計(jì)，上部套管段按抗拉設(shè)計(jì)，各危險(xiǎn)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(qiáng)度＞外載×安全系數(shù)③水泥面以上套管強(qiáng)度要考慮雙向應(yīng)力的影響；④軸向拉力通常按套管在空氣中的重量計(jì)算；當(dāng)考慮雙向應(yīng)力時(shí)，按浮重計(jì)算。

第37頁(yè)/共75頁(yè)（2）設(shè)計(jì)步驟

例題：某井177.8mm（7英寸）油層套管下至3500m，下套管時(shí)的鉆井液密度為1.30g/cm3，水泥返至2800m，預(yù)計(jì)井內(nèi)最大內(nèi)壓力35MPa，試設(shè)計(jì)該套管柱（規(guī)定最小段長(zhǎng)500m）。解：規(guī)定的安全系數(shù)：Sc=1.0，Si=1.1，St=1.8。①計(jì)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(qiáng)度≥Pimax×Si=38500kPa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第38頁(yè)/共75頁(yè)②按抗擠設(shè)計(jì)下部套管段，水泥面以上進(jìn)行雙向應(yīng)力校核

1）計(jì)算最大外擠力，選擇第一段套管；

查表：N-80，t1=10.36mm，q1=0.4234kN/m，pc1=48401kPa，F(xiàn)s1=3007kN，F(xiàn)st1=2611.1kN。2）選擇第二段套管；（選擇強(qiáng)度低一級(jí)的套管；確定第一段套管的長(zhǎng)度，進(jìn)行第一段的抗拉強(qiáng)度校核）查表：

N-80，t2=9.19mm，q2=0.3795kN/m，pc2=37301kPa，F(xiàn)s2=2686.7kN，F(xiàn)st2=2308.6kN。計(jì)算第二段套管可下深度D2,確定第一段套管長(zhǎng)度L1；

第39頁(yè)/共75頁(yè)雙向應(yīng)力強(qiáng)度校核，最終確定D2，L1；

D2=2900m＞2800m，超過(guò)水泥面，考慮雙向應(yīng)力影響；危險(xiǎn)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。

第40頁(yè)/共75頁(yè)重新進(jìn)行雙向應(yīng)力強(qiáng)度校核：

（按照以上同樣的方法進(jìn)行）

套管1：危險(xiǎn)截面為2800m處，Sc=1.29＞1.0安全

套管2：危險(xiǎn)截面為2700m處，Sc=1.02＞1.0安全計(jì)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(zhǎng)度查表：

N-80，t3=8.05mm，q3=0.3358kN/m，pc3=26407kPa，F(xiàn)s3=2366.5kN，F(xiàn)st3=1966.1kN

。

第41頁(yè)/共75頁(yè)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(jì)算得：Sc=1.03，安全。計(jì)算第二段頂部的抗拉安全系數(shù)

最終結(jié)果：D3=1700m，L2=1000m。第42頁(yè)/共75頁(yè)③還有上部1700m的套管需進(jìn)行設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)為抗拉設(shè)計(jì)

1）計(jì)算第三段套管按抗拉要求的允許使用長(zhǎng)度L3；由：

實(shí)取：L3=1100m，則：Fm3=718+1100×0.3357=1087kN2）確定第四段套管的使用長(zhǎng)度查表：應(yīng)比第三段套管的抗拉強(qiáng)度高，

N-80，t4=10.36mm，q4=0.4234kN/m，pc4=48401kPa，F(xiàn)s4=3007kN，F(xiàn)st4=2611.1kN。與第一段所用套管相同。第43頁(yè)/共75頁(yè)計(jì)算第四段套管的許用長(zhǎng)度：

實(shí)際距井口還有600m，取L4=600m。校核第四段下部的抗擠強(qiáng)度：

最終確定L4=600m，D4=600m。④最終設(shè)計(jì)結(jié)果

第44頁(yè)/共75頁(yè)第三節(jié)注水泥技術(shù)

注水泥目的：固定套管、有效封隔井內(nèi)的油氣水層。本節(jié)內(nèi)容：油井水泥；水泥漿性能；提高注水泥質(zhì)量的措施注水泥的基本要求：（l）水泥漿返高和套管內(nèi)水泥塞高度必須符合設(shè)計(jì)要求；（2）注水泥井段環(huán)形空間內(nèi)的鉆井液全部被水泥漿替走，不存在殘留現(xiàn)象；（3）水泥石與套管及井壁巖石有足夠的膠結(jié)強(qiáng)度，能經(jīng)受住酸化壓裂及下井管柱的沖擊；（4）水泥凝固后管外不冒油、氣、水，環(huán)空內(nèi)各種壓力體系不能互竄；（5）水泥石能經(jīng)受油、氣、水長(zhǎng)期的侵蝕。第45頁(yè)/共75頁(yè)一、油井水泥

油井水泥是波特蘭水泥（硅酸鹽水泥）的一種。

對(duì)油井水泥的基本要求：

（1）水泥能配成流動(dòng)性良好的水泥漿，且在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，能始終保持這種流動(dòng)性。（2）水泥漿在井下的溫度及壓力條件下保持性能穩(wěn)定；（3）水泥漿應(yīng)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)凝固并達(dá)到一定的強(qiáng)度；（4）水泥漿應(yīng)能和外加劑相配合，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。第46頁(yè)/共75頁(yè)1、油井水泥的主要成分

（1）硅酸三鈣3CaO·SiO2（簡(jiǎn)稱C3S）

水泥的主要成份，一般的含量為40％～65％。對(duì)水泥的強(qiáng)度，尤其是早期強(qiáng)度有較大的影響。高早期強(qiáng)度水泥中含量可達(dá)60％～65％，緩凝水泥中含量在40％～45％。（2）硅酸二鈣2CaO·SiO2（簡(jiǎn)稱C2S）含量一般在24％～30％之間；水化反應(yīng)緩慢，強(qiáng)度增長(zhǎng)慢；對(duì)水泥的最終強(qiáng)度有影響。第47頁(yè)/共75頁(yè)（3）鋁酸三鈣3CaO·Al2O3（簡(jiǎn)稱C3A）

促進(jìn)水泥快速水化；其含量是決定水泥初凝和稠化時(shí)間的主要因素；對(duì)水泥漿的流變性及早期強(qiáng)度有較大影響；對(duì)硫酸鹽極為敏感；對(duì)于有較高早期強(qiáng)度的水泥，其含量可達(dá)15％。（4）鐵鋁酸四鈣4CaO2·Al2O3·Fe2O3（簡(jiǎn)稱C4AF）

對(duì)強(qiáng)度影響較小，水化速度僅次于C3A，早期強(qiáng)度增長(zhǎng)較快，含量為8％～12％。除了以上四種主要成份之外，還有石膏、堿金屬的氧化物等。第48頁(yè)/共75頁(yè)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)為：3CaO·SiO2＋2H2O2CaO·SiO2·H2O十Ca(OH)2

2CaO·SiO2＋H2O2CaO·SiO2·H2O3CaO·Al2O3＋6H2O3CaO·Al2O3·6H2O4CaO·Al2O3＋Fe2O3＋6H2O3CaO·Al2O3·6H2O＋aO·Fe2O3·H2O

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(guò)程中，各種水化產(chǎn)物均逐漸凝聚，使水泥硬化。第49頁(yè)/共75頁(yè)（2）水泥凝結(jié)與硬化

水泥的硬化分為三個(gè)階段：溶膠期：水泥與水混合成膠體液，開(kāi)始發(fā)生水化反應(yīng)，水化產(chǎn)物的濃度開(kāi)始增加，達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)部分水化物以膠態(tài)或微晶體析出，形成膠溶體系。此時(shí)水泥漿仍有流動(dòng)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(kāi)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(dòng)性。硬化期：水化物形成晶體狀態(tài)，互相緊密連接成一個(gè)整體，強(qiáng)度增加，硬化成為水泥石。水泥石主要由三部分組成：無(wú)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(gè)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。第50頁(yè)/共75頁(yè)3、油井水泥的分類（1）API水泥的分類

A級(jí)：深度范圍0～1828.8m，溫度76.7℃。B級(jí)：深度范圍0～1828.8m，屬中熱水泥，溫度至76.7℃，有中抗硫和高抗硫兩種。C級(jí)：深度范圍0～1828.8m，溫度至76.7℃，高早期強(qiáng)度水泥，分普通、中抗硫及高抗硫三種。D級(jí)：深度范圍1828.8～3050m，溫度76～127℃，用于中溫、中壓條件，分為中抗硫及高抗硫兩種。E級(jí)：深度范圍3050～4270m，溫度76～143℃，用于高溫、高壓條件，分為中抗硫及高抗硫兩種。F級(jí)：深度范圍為3050～4880m，溫度110～160℃，用于超高溫和超高壓條件，分為中抗硫及高抗硫兩種。G級(jí)及H級(jí)：深度范圍為0～2440m，溫度0～93℃，分為中抗硫及高抗硫兩種。J級(jí)：深度范圍為3660～4880m，溫度49～160。

第51頁(yè)/共75頁(yè)第52頁(yè)/共75頁(yè)（2）國(guó)產(chǎn)以溫度系列為標(biāo)準(zhǔn)的油井水泥

第53頁(yè)/共75頁(yè)二、水泥漿性能與固井工程的關(guān)系1、水泥漿性能(1)水泥漿密度

干水泥密度3.05～3.20g／cm3，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(dòng)加水量應(yīng)達(dá)到水泥重量的45％～50％；水泥漿密度1.80～1.90g／cm3之間。水灰比：水與干水泥重量之比。

(2)水泥漿的稠化時(shí)間

水泥漿從配制開(kāi)始到其稠度達(dá)到其規(guī)定值所用的時(shí)間。

API標(biāo)準(zhǔn)：從開(kāi)始混拌到水泥漿稠度達(dá)到100BC（水泥稠度單位）所用的時(shí)間。API標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定在初始的15～30min時(shí)間內(nèi)，稠化值應(yīng)當(dāng)小于30BC。好的稠化情況是在現(xiàn)場(chǎng)總的施工時(shí)間內(nèi)，水泥漿的稠度在50BC以內(nèi)。

第54頁(yè)/共75頁(yè)(3)水泥漿的失水

一般用30分鐘的失水量表示。(4)水泥漿的凝結(jié)時(shí)間從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的時(shí)間。對(duì)于封固表層及技術(shù)套管，希望水泥能有早期較高的強(qiáng)度。以便于盡快開(kāi)始下一道工序。通常希望固完井候凝8hr.左右，水泥漿開(kāi)始凝結(jié)成水泥石，其抗壓強(qiáng)度可達(dá)2.3MPa以上即可開(kāi)始下一次開(kāi)鉆。(5)水泥石強(qiáng)度能支撐和加強(qiáng)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。(6)水泥石的抗蝕性

主要應(yīng)抗硫酸鹽腐蝕。第55頁(yè)/共75頁(yè)2、水泥的外加劑（1）加重劑：重晶石、赤鐵粉等?？墒顾酀{密度達(dá)到2.3g／cm3。（2）減輕劑：硅藻土、粘土粉、瀝青粉、玻璃微珠、火山灰等?？墒顾酀{的密度降到l·45g／m3。（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、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。第56頁(yè)/共75頁(yè)3、特種水泥

（1）觸變性水泥：當(dāng)水泥漿靜止時(shí)，形成膠凝狀態(tài)，但在流動(dòng)時(shí)，膠凝狀態(tài)被破壞，它的流動(dòng)性是良好的。（2）膨脹水泥：水泥漿凝固時(shí)，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

將水泥漿與鉆井液隔開(kāi)，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：有效隔開(kāi)鉆井液與水泥漿，以便形成平面推進(jìn)型的頂替效果。通常為粘稠液體。第57頁(yè)/共75頁(yè)四、提高注水泥質(zhì)量的措施

1、對(duì)注水泥質(zhì)量的基本要求（l）對(duì)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(jì)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(zhǎng)期的侵蝕。（2）在固井中常出現(xiàn)的固井質(zhì)量問(wèn)題井口有冒油、氣、水的現(xiàn)象。不能有效地封隔各種層位，開(kāi)采時(shí)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(bào)廢等。第58頁(yè)/共75頁(yè)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：套管不居中；井眼不規(guī)則；水泥漿性能及頂替措施不當(dāng)。接觸時(shí)間、頂替速度及流態(tài)、水泥漿流變性等。第59頁(yè)/共75頁(yè)（2）水泥漿凝結(jié)過(guò)程中油氣水上竄

引起油氣水上竄的原因：

①水泥漿失重：水泥漿柱在凝結(jié)過(guò)程中對(duì)其下部或地層所作用的壓力逐漸減小的現(xiàn)象。

②橋堵引起失重，從而引起油氣水上竄；

③水泥漿凝結(jié)后體積收縮；收縮率小于0.2%。

④套管內(nèi)原來(lái)有壓力，放壓后使套管收縮。

⑤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①采用套管扶正器，改善套管居中條件；②注水泥過(guò)程中活動(dòng)套管；③調(diào)節(jié)注水泥速度，使水泥漿在環(huán)空呈紊流狀態(tài)；④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。第60頁(yè)/共75頁(yè)（2）防止油氣水上竄

①采用多級(jí)注水泥或兩種凝速（上慢下快）的水泥；②注完水泥后及時(shí)使套管內(nèi)卸壓，并在環(huán)空加回壓；③使用膨脹性水泥，防止水泥收縮；④使用刮泥器，清除井壁泥餅。

第61頁(yè)/共75頁(yè)第四節(jié)完井技術(shù)

完井工藝過(guò)程：

鉆開(kāi)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(kāi)儲(chǔ)集層儲(chǔ)集層的兩個(gè)突出特點(diǎn)：

儲(chǔ)集有一定壓力的油氣水；地層孔隙和裂縫比較發(fā)育，具有較好的原始滲透率。對(duì)鉆開(kāi)儲(chǔ)集層的技術(shù)要求：

保護(hù)油氣層，防止鉆井液污染；控制油氣層，防止不必要的井噴，安全鉆開(kāi)儲(chǔ)集層。第62頁(yè)/共75頁(yè)1、鉆開(kāi)后儲(chǔ)集層儲(chǔ)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(xì)管力和正壓差作用下，鉆井液中的液相和固相進(jìn)入儲(chǔ)層巖石孔隙或裂縫之中，造成孔道堵塞，使儲(chǔ)集層受到污染。水侵：鉆井液中的自由水侵入儲(chǔ)層的現(xiàn)象。泥侵：鉆井液中固相物質(zhì)侵入儲(chǔ)層的現(xiàn)象。（1）水侵對(duì)油氣層的損害

①使儲(chǔ)層中的粘土成分膨脹，使油流通道縮?。虎谄茐挠土鞯倪B續(xù)性，使單相流動(dòng)變?yōu)槎嘞嗔鲃?dòng)，增加油流阻力；③產(chǎn)生水鎖效應(yīng)，增加油流阻力；④在地層孔隙中生成沉淀物。（2）泥侵對(duì)油氣層的損害①鉆井液直接進(jìn)入較大的儲(chǔ)層孔隙，形成堵塞；②形成內(nèi)泥餅，造成永久性損害；第63頁(yè)/共75頁(yè)2、鉆開(kāi)后儲(chǔ)集層巖石力學(xué)性質(zhì)的變化

儲(chǔ)集層被鉆開(kāi)之后，打破了原來(lái)的力學(xué)平衡狀態(tài)，巖石發(fā)生側(cè)向變形，從而對(duì)儲(chǔ)集層結(jié)構(gòu)造成影響。對(duì)于孔隙較多、較大的砂巖儲(chǔ)層，影響不太明顯；對(duì)于裂縫性儲(chǔ)集層，影響明顯。當(dāng)產(chǎn)生側(cè)向變形時(shí)，有些微小裂縫的張開(kāi)程度明顯減小。使儲(chǔ)集層的滲透率降低。長(zhǎng)期的采油生產(chǎn)，使儲(chǔ)層內(nèi)壓力下降，砂巖的骨架受力增加，砂巖會(huì)被壓碎而造成出砂。3、鉆開(kāi)儲(chǔ)集層的方法

①采用合理的鉆井液體系，避免水侵和泥侵的危害；②采用合理的鉆井液密度，采用平衡或欠平衡壓力鉆