固井设计

Re 8000 D nV 2n'
800 n' K ' Q
V 12 .73 D2
环空流动：
式中：Re—雷诺数 Q—排量，l/s ρ—流体密度，g/cm3 V—流速，m/s
Re 8000DE nV 2n'
800n' K '
V 12.73
Q
DH 2 DP 2
固井设计的计算方法
固井设计基础
固井设计的重要性
固井设计是固井施工的依据，是设 计者的业务水平、施工者的技术能力的集 中体现。固井设计不仅是施工者进行作业 的指南，也是工程发包单位对固井施工的 过程进行监控的强有力的工具，也就是说， 固井设计不仅服务于乙方，也同时服务于 甲方。
固井施工设计的内容
完全的固井设计要包含如下几个方面：
Te—泥浆出口温度
库式公式： 使用条件：
74℃≤T≤212℃
51℃/100m≤Gt≤4.45℃/100m
固井设计的计算方法
（二）井 径 计 算
计算平均井径通过读井径曲线，然后用加权平均法计算平 均井径。
还有一种方法就是将井径测井数据文件转换成文本文件， 再由EXCEL读取，通过处理后，求平均值就可得到高精度 的平均井径数据。
④应对粘土有一定的抑制性，以保持井壁稳定。
固 井设计的步骤
（四）前置液配方与性能
隔离液
①紊流隔离液适宜于紊流顶替，应有较低的粘度和较低的紊流临界返 速， 一般要求紊流接触时间为8-10min，最低也需要有7min；
②粘性隔离液适宜于层流和塞流顶替，隔离液的粘度和切力应大于泥 浆而小于水泥浆； ③隔离液的密度在较大范围内可以调节，一般要求介于泥浆和水泥浆 之间； ④隔离液对加重剂要有悬浮能力，这样才能保持隔离液性能稳定； ⑤隔离液应具有温度稳定性，温度升高粘度不能降低或降低得很少， 才能保持在高温下对加重剂的悬浮能力； ⑥隔离液要具有控制失水能力，一般失水量小于150ml/30min，有助于 防止井壁坍塌和减少地层损害。
①油井的基本情况包括井深、钻头尺寸、井径、泥浆密度、套管尺 寸、套管下深、钻遇地层；
②管串结构； ③固井方案与技术措施； ④扶正器安放间距； ⑤水泥浆量与替浆量； ⑥冲洗液与隔离液量； ⑦水泥浆配方与性能； ⑧隔离液、冲洗液配方与性能； ⑨施工压力预测； ⑩施工步骤。
固井设计的原则
①平衡压力原则：在顶替与侯凝过程中，环 空压力 处于压力平衡状态，既不会压漏 地层，也不会使 油气水窜入环空。
固 井设计的步骤
（三）水泥浆配方实验
失水量和游离水的控制 失水：
①套管注水泥：100—200ml/30min ②尾管注水泥：50-100ml/30min ③气井固井：30-50ml/30min
游离水：
① 一般直井注水泥，游离液小于1.5%； ②大斜度井或水平井注水泥或高压尤其油气井， 游离液控制在0
需要对现场的具体材料、工具、设备和施工能力进行 分析，因此，再进行固井设计时，还需考虑现有工具，现 有设备的施工能力，以获得一个可行的设计和可行的设备、 工具配套。
固井现场设备：水泥车、运灰车、储灰罐、压风机、
工具车、管汇车
地面工具：水泥头、高压管线等 井下工具：尾管悬挂器、双级箍、浮鞋、浮箍、扶正器、
水泥伞、管外封隔器等
固 井设计的步骤
（七）制 定 施 工 步 骤
制定施工步骤要分两方面井队的准备与施 工配合、固井队的准备与施工。
井队要完成的工作：
①按固井设计下入套管和附件，下完套管，大 排量循环泥浆至少两周；
②水、电供应和照明； ③协助固井队安装井口工具； ④协助替浆计量，负责启动井队大泵替浆。
固 井设计的步骤
（二）制 定 方 案
①针对封固地层的特性、钻井中出现的异常问题及井眼结构制定固井方 案和技术措施； ②对于气层要考虑采用防气窜水泥体系，并调整环空液柱结构以保证水泥 浆失重以后能压稳气层； ③如果封固段有漏失层存在，则要考虑采用低密度水泥或双级固井； ④如果遇到膏盐层，则需要采用抗盐的含盐水泥体系或其它体系； ⑤确定顶替方案：如果不存在漏失层，建议采用紊流顶替，否则要通过计 算来确定采用紊流、层流或塞流顶替方式； ⑥对于定向井，要注重扶正器的设计计算，确保套管的居中度不小于67%； ⑦井底静止温度若超过110℃，则水泥浆须假如高温稳定剂—石英砂。
固 井设计的步骤
（三）水泥浆配方实验
水泥浆性能的基本要求：
①能配置成设计要求的水泥浆，不沉降，不起泡； ②有好的流动性，适宜的初始稠度，一般不大于30BC； ③常规密度水泥24小时强度不小于14Mpa， ④流变性能可通过外加剂进行调整； ⑤稠化时间满足施工要求，但不应太长，一般得水泥浆稠
化时间＝现场施工时间＋60-90min；对于浅井附加30min左 右有助于提高固井质量。 ⑥失水量和游离液控制
固 井设计的步骤
（四）前置液配方与性能 冲洗液：
①具有较低的基浆密度，一般在1.0-1.03g/cm3，如在冲洗液 中加研磨性颗粒，密度要提高，但不能高于水泥浆密度；
②具有很低的粘度，基浆流型接近与牛顿型，有很低的紊流 临界返速，一般在0.3-0.5m/s；
③能够明显降低钻井液的粘度和切力，对环空滞留的钻井液 有一定的渗透力，降低粘土颗粒间的连接力，使钻井液或 泥饼的结构松弛，拆散，易于顶替；
②数据准确、计算依据充分。 ③技术措施要有针对性。 ④对复杂问题的预见与处理能力。
固井设计应具备以下基础知识
①地质知识：能够简要了解封固地层的 物理化学特性。
②油田化学知识：对泥浆体系性能和水 泥浆体系与外加剂都应有了解。
③力学知识：流体力学知识和材料力学 知识。
④机械知识：
固 井设计的步骤
（一）取 准 参 数
（五）注 水 泥 流 动 计 算
不同的幂律流体的n’值，对应不同的临界雷诺数，决定 流动是属于层流或是紊流。
固井设计的计算方法
（五）注 水 泥 流 动 计 算
c. 压力降计算 层流： 管内流动： 环空流动： 摩擦系数f的计算： 式中：f—范宁摩擦系数； L—流动长度，m; P—压力降，Mpa；
紊流： 摩擦系数可由右图查得， 压力降公式与层流相同。
固 井设计的步骤
（七）制 定 施 工 步 骤
固井队要完成的工作：
①做好施工人员的岗位分工和职责； ②按设计准备好敢干灰（与干混药品混好）与湿混药品； ③准备入井好工具附加； ④准备好水泥车、水泥头等地面设备与工具； ⑤套管下完以后，摆放车辆接管线准备施工； ⑥按设计程序进行注水泥施工。
固 井设计的步骤
（三）水 泥 浆 量 计 算
③
套管内水泥量计算
Vcp 4
di 2h
式中di—套管内径，m h—水泥塞高度，m
④ 人工井底
Vb

4
D 2l
l—人工井底长度，m
⑤干灰与配浆水量
水泥浆密度 s

水泥质量＋水质量 水泥体积＋水体积
1m3水泥浆需用水泥量 Q c ( s w )
固井设计的计算方法
（三）水 泥 浆 量 计 算
①水泥浆总量： ②环空水泥浆量计算，根具环空容积的计算方法分为两种 方法一：先按裸眼段实际井径计算环空容量，再附加一定比例
方法二：先给井径附加一定比例，然后计算裸眼环空容量
套管尺寸不同附加系数不同，套管尺寸越大附加系数越大，以此来补 偿计算误差。
固井设计的计算方法
DE DH DP
DE—当量直径，cm DH—外管内径，cm DP—内管外径，cm
固井设计的计算方法
（五）注 水 泥 流 动 计 算
① 幂律模式 a. 流变参数
K'
K 3n
1
4n
n’＝n， n’—修正的流型指数 K’—修正的稠度系数，mPaSn b. 雷诺数 管内流动：
fLV 2
P 0.2 D
P 0.2 fLV 2
DE f 16
Re
固井设计的计算方法
（五）注 水 泥 流 动 计 算
1
d..紊流临界排量： 管内：
Qc

D2 1273
800n' Re K '

8000D n'
固 井设计的步骤
（五）参 数 计 算
参数计算包括：水泥浆量、前置液量、替 浆量、替浆排量和水力计算。
一般水泥浆量要在按实际井径计算的水泥 浆量的基础上附加一定量，一般表层套管附 加量在100%左右，技术套管和油层套管一 般在10%左右，具体数据主要依据地区经验。
固 井设计的步骤
（六）设备配套和工具准备
(c w )
ρc—水泥密度，g/cm3 ρw—配浆水密度，g/cm3 ρs—水泥浆密度，g/cm3
固井设计的计算方法
（四）水泥浆流变性计算
水泥浆属非牛顿流体，流变性规律程非线性，能够近似描述水泥浆 流变性的流变方程有：宾汉方程、幂律方程。
① 宾汉方程 0 p
计算塑性和动切力需要用六速粘度计进行实测，水泥浆一般选用 600r/min和300r/min读数或300r/min和100r/min读数，而前置液一般采用 600r/min和300r/min读数。计算公式如下：
（八）编写固井施工设计
完成以上的步骤之后，就可按规定 的格式开始编写固井施工设计。
固井设计的计算方法
（一）井 温 的 计 算
井温是开展水泥浆实验的基本条件，水泥石抗压强度实验所用的温度
一般采用井底静止温度，水泥浆稠化、失水及流变性等实验一般采用井 底循环温度。
井底静止温度：
井底循环温度：
经验公式：
固井设计的计算方法
（五）注 水 泥 流 动 计 算
目 前 关 于 流 动 计 算 的 方 法 比 较 多 ， 有 API 推 荐 方 法 ， DOWELL计算方法等，在这里介绍API方法。
① 剪切速率 1.7032N 0.51
N—旋转粘度计转数,rpm γ—剪切速率,S-1 θ—粘度计刻度盘读数 τ—剪切应力，Pa ② 当量直径
浆泵与注水泥设备的工作能力。
固井设计的计算方法
（五）注 水 泥 流 动 计 算
顶替流态的选择主要是考虑在现有配浆能力下能否配出在 上述流速范围内达到紊流或塞流状态的水泥和前置液，顶替 流态的选择原则：
①首先考虑使用紊流进行顶替，如果不能实现紊流则 考虑使用塞流或低速顶替；
②在两者均无法实现的情况下，尽量采用高速下的层流顶 替，而且建议使用紊流前置液，以弥补水泥浆不能达到紊流 的缺陷。
①井眼的稳定性，是否有易漏、易坍塌等复杂地层，这些层位对环 空返速的限制情况，这些数据可从区块或临井资料获得；
②正常钻井过程中的环空返速情况； ③裸眼段井径变化对返速的限制，如果井径变化较大，存在所谓的“ 大
肚子”，一般要求返速不能太大，以免进一部冲蚀井壁； ④套管居中情况，当套管居中度不好时，应避免使用塞流顶替； ⑤井斜情况，大斜度井和水平井注水泥，应尽量避免使用塞流顶替；
p 600 300
0 0.5112300 600

0 1.5333100 300
p 1.5(300 100 )
固井设计的计算方法
（四）水泥浆流变性计算
② 幂律方程
K n
计算公式如下：
n 2.096lg300 / 100
① 工程设计要求：一般有水泥浆返深、需封固的产 层顶部与底部深度与目的层性质等
② 井身结构：井深、钻头尺寸、套管尺寸、套管下深 ③ 套管选型：钢级、壁厚，套管性能数据可从钻井设
计中得到 ④ 泥浆性能：密度、流变性能等，从钻井泥浆日报表
或班报表中获取 ⑤ 钻遇地层：钻遇地层岩性、地层流体、地层压力、
异常情况 ⑥ 井眼参数：井径，由测井资料获取；井斜方位
K 0.511 300 / 511 n

n 3.322lg600 /300
K 0.511 600 /1022 n
③ 判别宾汉和幂律模式的方法 B 200 100 0.5 0.03 300 100
如果B值在0.5之内，则流变参数可用宾汉模式计算，否则用幂律模式
固井设计的计算方法
（五）注 水 泥 流 动 计 算
采用何种流型进行顶替，将对提高顶替效率有着明显的作用，一般 来说，采用紊流或塞流顶替效率较高。不同的顶替流型要求的顶替速度 和顶替液体的性能是不一样的，因此，在进行注水泥设计时，首先应明 确可采用的顶替流速范围，然后依据此流速范围，考虑水泥浆的性能的 调节能力，选择合理的顶替流态，再进行水泥浆设计。一个合理的流速 范围，应考虑如下几个方面：