固井技术基础说课讲解

固井技术基础（量大、多图、易懂）

概述

1、固井的概念

为了达到加固井壁，保证继续安全钻进，封隔油、气和水层，保证勘探期间的分层测试及在整个开采过程中合理的油气生产等目的而下入优质钢管，并在井筒与钢管环空充填好水泥的

作业，称为固井工程。

2、固井的目的

1. 封隔易坍塌、易漏失的复杂地层，巩固所钻过的井眼，保证钻井顺利进行；

2. 提供安装井口装置的基础，控制井口喷和保证井内泥浆出口高于泥浆池，以利钻井液流回泥浆池；

3. 封隔油、气、水层，防止不同压力的油气水层间互窜，为油气的正常开采提供有利条件；

4.保护上部砂层中的淡水资源不受下部岩层中油、气、盐水等液体的污染；

5.油井投产后，为酸化压裂进行增产措施创造了先决有利的条件；

3、固井的步骤

1. 下套管

套管与钻杆不同，是一次性下入的管材，没有加厚部分，长度没有严格规定。为保证固井质量和顺利地下入套管，要做套管柱的结构设计。根据用途、地层预测压力和套管下入深度设计套管的强度，确定套管的使用壁厚，钢级和丝扣类型。

2. 注水泥

注水泥是套管下入井后的关键工序，其作用是将套管和井壁的环形空间封固起来，以封隔油气水层，使套管成为油气通向井中的通道。

3. 井口安装和套管试压

下套管注水泥之后，在水泥凝固期间就要安装井口。表层套管的顶端要安套管头的壳体。各层套管的顶端都挂在套管头内，套管头主要用来支撑技术套管和油层套管的重量，这对固井水泥未返至地面尤为重要。套管头还用来密封套管间的环形空间，防止压力互窜。套管头还是防喷器、油管头的过渡连接。陆地上使用的套管头上还有两个侧口，可以进行补挤水泥、监控井况。注平衡液等作业。

4. 检查固井质量

安装好套管头和接好防喷器及防喷管线后，要做套管头密封的耐压力检查，和与防喷器联接的密封试压。探套管内水泥塞后要做套管柱的压力检验，钻穿套管鞋2~3米后（技术套

管）要做地层压裂试验。生产井要做水泥环的质量检验，用声波探测水泥环与套管和井壁的胶结情况。固井质量的全部指标合格后，才能进入到下一个作业程序。

4、固井的方法

1. 内管柱固井

把与钻柱连接好的插头插入套管浮箍或浮鞋的密封插座内，通过钻柱注入水泥进行固井作业，称为内管柱固井。内管柱固井主要用于大尺寸（16″~30″）导管或表层套管的固井。

2. 单级双胶塞固井

首先下套管至预定井深后装水泥头、胶塞（顶塞和底塞），循环水泥，打隔离液，投底塞，再注入水泥浆，然后投顶塞，开始替泥浆。底塞落在浮箍上被击穿。顶底塞碰压，固井结束。

3. 尾管固井

尾管固井是用钻杆将尾管送至悬挂设计深度后，通过尾管悬挂器把尾管悬挂在外层套管上，首先坐封尾管悬挂器，然后开始注水泥、投钻杆胶塞顶替、钻杆胶塞剪断尾管胶塞后与尾管胶塞重合，下行至球座处碰压，固井结束。

==井深结构==

1、井身结构的概念

井身结构是指由直径、深度和作用各不相同，且均注水泥封固环形空间而形成的轴心线重合的一组套管与水泥环的组合。

2、组成及作用

井身结构主要由导管、表层套管、技术套管、油层套管和各层套管外的水泥环等组成。

1.导管：井身结构中下入的第一层套管叫导管。其作用是保持井口附近的地表层。

2.表层套管：井身结构中第二层套管叫表层套管，一般为几十至几百米。下入后，用水泥浆固井返至地面。其作用是封隔上部不稳定的松软地层和水层。

3.技术套管：表层套管与油层套管之间的套管叫技术套管。是钻井中途遇到高压油气水层、漏失层和坍塌层等复杂地层时为钻至目的地层而下的套管，其层次由复杂层的多少而定。作用是封隔难以控制的复杂地层，保持钻井工作顺利进行。

4.油层套管：井身结构中最内的一层套管叫油层套管。油层套管的下入深度取决于油井的完钻深度和完井方法。一般要求固井水泥返至最上部油气层顶部100~150米。其作用封隔油气水层，建立一条供长期开采油气的通道。

5.水泥返高：是指固井时，水泥浆沿套管与井壁之间和环形空间上返面到转盘平面之间的距离。

3、相关术语

1.完钻井深：从转达盘上平面到钻井完成时钻头所钻井的最后位置之间的距离。

2.套管深度：从转盘上平面到套管鞋的深度。

3.人工井底：钻井或试油时，在套管内留下的水泥塞面叫人工井底。其深度是从转盘上平面到人工井底之间的距离。

==固井方法==

1、内管柱固井

如上图所示，把与钻柱连接好的插入头插入套管浮箍/鞋的密封插座内，然后通过钻柱注水泥进行固井作业，称为内管柱固井。内管柱固井主要用于大尺寸(16″~30″)导管或表层套管的固井，其优点为：在无大尺寸胶塞、水泥头的情况下，可对大尺寸套管进行固井；通过钻柱注水泥、顶替，可大大减少对水泥浆的污染；减小水泥浆的浪费，有效保证固井质量。

2、单级双胶塞固井

单级双胶塞套管固井是海上钻井最常用的固井方法，它是采用双套管胶塞(顶、底塞)进行固井的，其工艺流程如图所示。一般地，自升式平台或导管架上的固井使用普通套管胶塞，而浮式平台上的固井使用SSR胶塞。在使用单级双胶塞固井时，套管柱附件主要由浮鞋、浮箍、扶正器和胶塞等组成，各附件的功能在以后的章节里会讲述。

3、尾管固井

尾管固井是用钻杆将尾管送至悬挂设计深度后，通过尾管悬挂器把尾管悬挂在外层套管上，然后开始注水泥作业的固井方法。尾管悬挂器可分为机械式和液压式两种类型，我们通常使用的是液压式尾管悬挂器，其固井工艺流程如上图所示。

4、注水泥塞

要处理井漏、弃井、回填枯竭层位、侧钻和隔绝地层等作业时，就需要注水泥塞技术，平衡水泥塞是最常用的方法。注水泥塞时，首先将钻具下至注水泥塞设计深度的顶部，注水泥并替出水泥浆(要保证管内水泥面高于环空水泥塞面高度)，然后慢慢起出钻具离开水泥塞顶面，循环冲洗干净管柱，使水泥塞留在原位置如上图示。

5、挤水泥

挤水泥是用液压迫使水泥浆进入裸眼或经套管或尾管孔眼进入地层中的注水泥作业，典型挤水泥作业如上图所示。

==固井水泥浆==

油井水泥是一种水硬性胶凝材料，它与水按一定的比例混合便形成水泥浆，并在井下硬化成具有一定抗压强度和渗透率的水泥石。

1) 水泥水化过程

油井水泥的水化是放热反应，按其水化速度和结构的形成，大致可分为四个过程：起始期、迟缓期、凝结期和硬化期。

A、起始期。在水泥干粉与水混合的几分钟时间内，迅速发生水化反应，有大量水化热生成，在水泥矿物表面上形成一层水化硅酸钙凝胶，因这种作用最初仅在水泥颗粒表面进行，只消耗一部分水，其余的水份充满于水泥颗粒之间，水泥浆具有流动性能。

B、迟缓期。由于最初在水泥矿物表面生成的水化硅酸钙凝胶渗透率非常低，阻止了矿物进一步水化，而使水化速度明显变慢，此期，水泥浆的流动性能相对比较稳定，水泥浆的泵送入井应在这一时期完成。这一段时间可延续数十分钟到数小时。

C、凝结期。随着水化继续向水泥颗粒的深处发展，矿物表面的水化硅酸钙凝胶胀开，水化过程又加速进行，产生的水化物交互生成网状结构，失去了流动性能，水泥浆进入了凝结时期，这段时间大约需几十分钟。

D、硬化期。随着水化物继续沉积，大量晶体析出，体系的孔隙度、渗透率逐渐降低，强度逐渐增加，硬化成微晶结构的水泥石。这一段时期，随着水泥石渗透率的不断降低，水化反应速度逐渐变慢，但持续时间很长，可达数十天，甚至数年。硬化期的明显特征是强度增长，这也是固井所期求的。

2) 油井水泥常用外加剂

由于井下环境比地面条件恶劣得多，为了使水泥浆广泛地用于油田钻井、完井、修井等作业中，对水泥浆密度、稠度、稠化时间和抗压强度等都具有更高的要求，采用纯水泥已远远不能满足工艺技术要求，必须依靠外加剂来调节其使用性能。目前，常用外加剂的种类主要有：缓凝剂、降失水剂、分散剂、消泡剂、促凝剂、抗高温强度稳定剂、减轻剂等等，

?其主要作用如下：

缓凝剂：主要是延长水泥浆稠化时间或凝结时间。

促凝剂：主要是缩短水泥浆稠化时间以及增大水泥石的早期抗压强度。

降失水剂：主要用以防止水泥浆急剧失水，保护油气层。

减轻剂：主要是降低水泥浆密度，防止水泥浆在低压漏失层发生漏失。

分散剂：用以改善水泥浆的流动性能，有利于水泥浆在低泵速泵压下进入紊流状态。

消泡剂：防止和避免溶解水起泡，稳定水泥浆密度。

抗高温强度稳定剂：在深井、高温情况下，加入硅粉，防止水泥石抗压强度出现热衷退现象。

==浮鞋与浮箍==

1、浮鞋与浮箍

油田开发早期用的是承托环(阻流环)，又称为浮箍，其作用是注水泥时用来控制胶塞的下行位置，以确保管内水泥塞长度、防止水泥浆倒流。但它靠金属与尼龙的密封，密封效果差、承压能力低，因此逐渐被淘汰。浮鞋或浮箍是能产生浮力的套管引鞋或接箍。引鞋是用来引导套管柱沿井筒顺利下到井内，防止套管脚插入井壁岩层，减少下井阻力。

浮鞋除具有引鞋的作用—外回流。在下套管过程中，使环空钻井液保持流动。浮箍也具有防止水泥浆回流的作用，同时还具有在固井时胶塞碰压、限制人工井底的深度和套管柱下底脚水泥塞的高度的作用，从而保证油层套管底部的封固质量。出于浮鞋或浮箍耐高温、密封性和可钻性好，连接方便因而可代替引鞋、套管鞋等。

分类

按套管下井时钻井液进人方式的不同，浮鞋浮箍可分为普通型和自灌型；按回压装置的工作方式又可分为浮球式扣舌板式等。浮箍用于承接胶塞组，使箍鞋间有一段水泥塞，并容纳

套管内壁附着的杂质等，确保水泥浆柱不被替空，从而保证套管鞋外的固井质量。同时可作为防止水泥回流的备用。浮箍是用来控制套管柱内水泥塞的高度，它两端都有扣，可以连接于任意两套管之间，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属的，浮鞋一般在套管的最下端，而浮箍一般在浮鞋上端一点，在双级注水泥的时候也会加个浮箍，基本作用就是用来防止注水泥时水泥浆倒返。

==套管==

1、套管分类

1.隔水导管(或导管，包括锤打入桩管)

2.表层套管

3.技术套管(中间套管或保护套管)

4.生产套管或尾管。

2、各种套管作用

1.导管

导管主要用来隔离海水，引导钻头入井和井内泥浆从井口返回泥浆池，封隔海底面以下的疏松易塌地层，用以支承表层、技术和油层套管的重量。

2.表层套管

表层套管用来封隔上部不稳定的松软地层和水层及浅层气，安装井口装置以控制井涌井喷，同时支承技术套管和油层套管或尾管的重量。

3.技术套管或中间套管

技术套管主要用来封隔难以控制的复杂地层以保证钻井工作顺利进行下去。

4.生产套管

生产套管主要用来把生产层和其他地层封隔开，把不同压力的油、气、水层封隔开来，在井内建立一条油、气通路，保证长期生产，并能满足合理开采油、气和酸化压裂等增产措施的要求。

3、尾管柱

按功能为为钻井尾管、生产尾管、回接尾管等

1.钻井尾管：

钻井尾管功能相当于技术套管的尾管称为钻井尾管。

2.用钻井尾管的意义

?封隔漏失层、高压层等；

?节约钻井成本；

?满足使用复合钻具要求；

?控制套管磨损（满足后期回接）。

3.生产尾管

生产尾管功能相当于生产套管的尾管称为生产尾管。

4.使用生产尾管的意义：

?封隔油、气、水层；

?节约钻井成本；

?满足使用复合油管要求；

5.回接尾管：

回接尾管主要用于修复尾管以上套管，回接套管至井口或回接套管至上层套管内任何深度。

6.常见套管串结构

?插入式/内管固井套管串结构常用套管尺寸: 30”、20”、13-3/8”；

?单级固井套管串结构，常用套管尺寸: 13-3/8”、9-5/8”、7”；

?双级固井套管串结构，常用套管尺寸: 13-3/8”、9-5/8”、7”；

?尾管管串结构，常用套管尺寸: 13-3/8”、9-5/8”、7”、5”、4-1/2”；

==固井设备==

1、固井设备基本构成

2、其它设备

单撬泵

批混罐

3、固井泵工作原理

1)基本结构：

固井泵主要包括泵缸、活塞、吸水阀和排水阀等基本部件。

2)工作原理：

?吸入过程：当活塞从（左图所示）的极右位置向左移动时，活塞右侧腔室的容积增大，其中压力降低。吸入口的液体就在大气压力和泵缸内压力的压力差作用下，沿吸入管上升，推开吸入阀进入泵缸。此时，排出阀处于关闭状态。

?排出过程：活塞在到达终点后，活塞即开始由左向右移动，工作腔室的容积逐渐减小，进入泵缸中的液体受到活塞的挤压，使压力迅速增高推开排出阀，将液体排出。此时，吸入阀处于关闭状态。

3、水泥浆混合装置

4、ADC混合系统

5、水泥缓冲罐

工作原理：

?容积缓冲: “蓄水池”作用，平衡平台灰罐输灰的压力和出灰量的波动。

?二次气化:气化气通过气化囊的纤维网孔流入罐内水泥，进行第二次气化(第一次在平台灰罐内)，把水泥变成灰气混合物。

?气灰分离:灰下沉，气上浮至灰罐顶部，通过罐内排气管和平衡阀排出舷外。

?恒压出灰:平衡阀自动调节排气阀的开口大小，使得缓冲罐顶部的压力恒定在6～9PSI。A处的压力＝顶部B处气压(6~9PSI)＋干灰水泥的压力(高度乘密度)。

==套管附件==

1、水泥头

1)套管水泥头

释放下胶塞时，旋转退出释放下挡销，下胶塞在重力和泵送液体推动下离开下胶塞所在内腔(释放指示销有显示)，并沿套管内壁被驱替至套管浮箍上。放上胶塞时，旋转退出释放上挡销，上胶塞在重力和顶替液的推动下，离开上胶塞所在内腔(释放指示销有显示)，驱替水泥浆并清刮套管内壁直到与下胶塞重合、碰压为止。

2)尾管水泥头