固井原理及过程

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概述
4、固井目的
封隔易塌、 易漏等复杂地层， 保证钻井顺利 封隔易塌 、 易漏等复杂地层 ， 进行 封隔油气水层， 建立油气流出通道， 防止产 封隔油气水层 ， 建立油气流出通道 ， 层间互窜 进行增产措施 安装井口
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概述
5、固井内容
套管与下套管 水泥与注水泥
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概述
6、对固井质量的要求
套管有足够的强度
第七章 固
井
1
第七章 固
井
概
述
第一节 套管及套管柱强度设计 第二节 油井水泥 第三节 影响注水泥质量的因素
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概述
1、固井工程的概念 为了加固井壁， 保证继续钻进， 封隔油、 为了加固井壁 ， 保证继续钻进 ， 封隔油 、 气和 水层， 水层，保证勘探期间的分层试油及在整个开采中合理 的油气生产，为此下入优质钢管， 的油气生产，为此下入优质钢管，并在井筒与钢管环 空充填好水泥的作业，称为固井工程 空充填好水泥的作业，称为固井工程。 固井工程。 向井内下入套管， 向井内下入套管，并向井眼和套管之间的环形 固井。 空间注入水泥的施工作业称之为固井 空间注入水泥的施工作业称之为固井。包括下套管和 注水泥。 注水泥。
1.外挤压力 1.外挤压力 有效外压力： 有效外压力：
Poe = Po − Pib
式中 Poe——有效外压力； ——有效外压力 有效外压力； Po——外压力； ——外压力 外压力； Pib——支撑内压力。 ——支撑内压力 支撑内压力。
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一、套管外载分析与计算
1.径向外挤压力 1.径向外挤压力 有效外压力： 有效外压力：
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概述
（a ）
（b ） （ c） （ d） （e ） 图7-2 注水泥工艺流程示意图 （a）循环钻井液 （b）注隔离液和水泥浆 （c）替浆 （d）替浆 （e）碰压 1——压力表 2——上胶塞 3——下胶塞 4——钻井液 5——浮箍 6——引鞋 压力表 上胶塞 下胶塞 钻井液 浮箍 引鞋 7——水泥浆 8——隔离液 9——钻井液 水泥浆 隔离液 钻井液
对于技术套管非全掏空的情况，有效外压力为 对于技术套管非全掏空的情况，
Poe = 0.0098 ρ m H
（0≤H≤HL） ≤ ≤
≤ Poe = 0.0098[ ρ n H L − ( ρ n − ρ m ) H ] （HL＜H≤HB）
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一、套管外载分析与计算
全掏空与非全掏空两种不同的情况下，套管柱所受的有效外压力不一样。 全掏空与非全掏空两种不同的情况下，套管柱所受的有效外压力不一样。 （a）全掏空 （b）非全掏空 对于全掏空情况，有效外压力是井底最大，井口最小（为零）； 对于全掏空情况，有效外压力是井底最大，井口最小（为零）； 图7-3 有效外挤压力对比示意图 对于非全掏空情况，有效外压力是中间大，井口和井底小。 对于非全掏空情况，2——支撑内压力 ，井口和井底小。 1——外压力 有效外压力是中间大 3——有效外压力 外压力 支撑内压力 有效外压力 显然，这种不同的外载情况会使套管柱设计的结果不同。 显然，这种不同的外载情况会使套管柱设计的结果不同。
（0≤H≤HL） ≤ ≤ （HL＜H≤HB） ≤
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一、套管外载分析与计算
1.外挤压力 1.外挤压力 （3）有效外压力
对于表层套管、油层套管这种可能全掏空的情况， 对于表层套管、油层套管这种可能全掏空的情况，需要按全掏 空考虑的技术套管， 空考虑的技术套管，有效外压力为
Poe = 0.0098 ρ m H
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一、套管外载分析与计算
1.外挤压力 1.外挤压力 管外钻井液液柱压力: 管外钻井液液柱压力:（水泥不返 到井口时， 到井口时，上部有一段套管外为钻 井液。该段套管称为自由套管） 自由套管） 井液。该段套管称为自由套管 水泥浆液柱压力 地层中流体压力 易流动岩层的侧压力等
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一、套管外载分析与计算
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一、套管外载分析与计算
2、动载 特点：瞬时地、 特点：瞬时地、单一地作用在套管上。 产生原因： 产生原因：
起下钻时速度变化产生的动载 阻、卡套管时提拉动载 摩擦动载 碰压动载 密度差产生的附加拉力
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一、套管外载分析与计算 作用在套管上的主要载荷应是： 作用在套管上的主要载荷应是：
轴向力：自重、浮力 外挤压力 内压力
表层套管：井漏造成全掏空 表层套管：井漏造成全掏空 技术套管：井漏发生，但不可能造成发生全漏空的情况 技术套管：井漏发生， 不可能造成发生全漏空的情况 ，因此技术套管的下部还有支撑内压力作用 油层套管：一般在采油后期产层压力降得很低的时候产 油层套管： 生最大有效外压力（开发后期可能抽油或气举采油）， 生最大有效外压力（开发后期可能抽油或气举采油）， 因为这时套管内的内压力会降得很低。若近似认为内压 因为这时套管内的内压力会降得很低。 力为零，则其受载情况与表层套管类似，即为全掏空 全掏空。 力为零，则其受载情况与表层套管类似，即为全掏空。
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一、套Baidu Nhomakorabea外载分析与计算
1.外挤压力 1.外挤压力 （1）外压力
在水泥面（环空内水泥的顶面） 在水泥面（环空内水泥的顶面）以上应按钻井液液柱压力计算 对于水泥封固段，当发生上述最大有效外压力时， 对于水泥封固段，当发生上述最大有效外压力时，管外环空中 的水泥已经凝固，水泥环（ 的水泥已经凝固，水泥环（水泥浆在环空内凝固后的环状水泥 石称为水泥环）应有助于套管承受外压力，但难于准确计算， 石称为水泥环）应有助于套管承受外压力，但难于准确计算， 因此从安全角度考虑现场上一般将水泥面以下水泥环段的外压 因此从安全角度考虑现场上一般将水泥面以下水泥环段的外压 力也按钻井液液柱压力计算。 力也按钻井液液柱压力计算。
能承受井下各种外力作用，抗 能承受井下各种外力作用， 腐蚀、不断、不裂、不变形 腐蚀、不断、不裂、
水泥环有可靠的密封
环空封固段不窜、不漏、 环空封固段不窜 、 不漏 、 胶结 良好， 良好，能经受高压挤注的考验
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概述
7、固井工程的特殊性
(1)是一次性工程,如果质量不好,一般情况下难以补救; 是一次性工程,如果质量不好,一般情况下难以补救; (2)是隐蔽性工程,主要流程在井下,施工时不能直接观察, 是隐蔽性工程,主要流程在井下,施工时不能直接观察, 质量控制往往决定于设计的准确性和准备工作的好坏, 质量控制往往决定于设计的准确性和准备工作的好坏, 受多种因素的综合影响; 受多种因素的综合影响; (3)影响后续工程的进行; 影响后续工程的进行; (4)是一项花钱多的工程; 是一项花钱多的工程; (5)施工时间短,工序内容多,作业量大,是技术强的工程. 施工时间短,工序内容多,作业量大,是技术强的工程.
对于表层套管和技术套管，如果在下一井段钻进过程中发 对于表层套管和技术套管， 生井涌而进行压井 生井涌而进行压井时，套管柱所受的有效内压力最大。 压井时 套管柱所受的有效内压力最大。 而对于油层套管，油井和气井的情况不一样， 而对于油层套管，油井和气井的情况不一样，要根据采油 、采气工艺情况考虑相关的危险工况。 采气工艺情况考虑相关的危险工况。
( H n − H L ) ρ n = H n ρ sw
ρ sw H L = H n (1 − ) ρn
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一、套管外载分析与计算
1.外挤压力 1.外挤压力 （2）支撑内压力
对于技术套管非全掏空的情况， 对于技术套管非全掏空的情况，支撑内压力的计 算式为
Pib = 0
Pib = 0.0098 ρ n ( H − H L )
破膜：下胶塞坐落在浮箍上后，在压力作用下破膜 破膜：下胶塞坐落在浮箍上后，
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概述
3、固井工程步骤
碰压：当其坐落在已坐于浮箍上的下胶塞上之后， 碰压：当其坐落在已坐于浮箍上的下胶塞上之后，地面压力将 很快上升一定值（称为碰压） 很快上升一定值（称为碰压），该信号说明水泥浆已顶替到位 施工结束。 ，施工结束。 侯凝： 侯凝： 注入井内的水泥浆要凝固并达到一定强度后才能进行后续 的钻井施工或是其它施工，因此，注水泥施工结束后， 的钻井施工或是其它施工，因此，注水泥施工结束后， 要 等待水泥浆在井内凝固，该过程称为候凝 候凝； 等待水泥浆在井内凝固，该过程称为候凝； 候凝时间通常为24小时或48小时，也有72 候凝时间通常为24小时或48小时，也有72小时或几小时的 24小时或48小时 72小时或几小时的 候凝时间的长短视水泥浆凝固及强度增长的快慢而定。 ，候凝时间的长短视水泥浆凝固及强度增长的快慢而定。 候凝期满后。 候凝期满后。 测井进行固井质量检测和评价
Po = 0.0098ρ m Z
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一、套管外载分析与计算
1.外挤压力 1.外挤压力 （2）支撑内压力
对于表层套管、油层套管这种可能全掏空的情况， 对于表层套管、油层套管这种可能全掏空的情况，支撑内压力 为零。 为零。 对于技术套管非全掏空的情况，在漏失面以上（ 对于技术套管非全掏空的情况，在漏失面以上（即井深小于漏 失面深度的套管段），支撑内压力为零，在漏失面以下（即井 失面深度的套管段），支撑内压力为零，在漏失面以下（ ），支撑内压力为零 深大于漏失面深度的套管段）作用有管内钻井液液柱压力。 深大于漏失面深度的套管段）作用有管内钻井液液柱压力。 因此，要计算支撑内压力，首先要知道漏失面的深度。 因此，要计算支撑内压力，首先要知道漏失面的深度。
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一、套管外载分析与计算
2.内压力 2.内压力
套管柱所受的内压力主要来自于钻井液、地层流体（ 套管柱所受的内压力主要来自于钻井液、地层流体（油、 气、水）压力以及特殊作业（如压井、酸化压裂、挤水泥 压力以及特殊作业（如压井、酸化压裂、 等）时所施加的压力。与外挤压力类似，对内压力也是分 时所施加的压力。与外挤压力类似， 析计算危险工况时的有效内压力。有效内压力为 析计算危险工况时的有效内压力。 Pie ＝ Pi － Pob
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第一节
套管及套管柱强度设计
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序言
套管柱的主要功能 对套管的要求 圆度 抗挤 壁厚均匀性 抗拉 抗腐蚀 抗内压 最小的流动阻力 良好的上扣性能及重复互 密封
换性能 耐磨（硬度指标） 耐磨（硬度指标）
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序言
套管柱的组成 由不同强度的套管段组成
原因： 原因：
套管受到各种类型外力作用， 套管受到各种类型外力作用，须具有一定 强度。 强度。 外载大小、类型不同， 外载大小、类型不同，所需的强度要求也 不同，须有一系列不同尺寸、 不同，须有一系列不同尺寸、不同强度的 套管。即套管系列。 套管。即套管系列。
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一、套管外载分析与计算
1.径向外挤压力 1.径向外挤压力 （2）支撑内压力
漏失面深度确定： 漏失面深度确定：假设下一次钻进钻至下 一层套管的下入深度（下一井段的目的井 一层套管的下入深度（ 深）时发生井漏，并假设漏失层的孔隙压 时发生井漏， 力为地层盐水柱压力，根据压力平衡关系 力为地层盐水柱压力， 可得漏失面深度为： 可得漏失面深度为： 钻井液 Hn 盐 水 HL
下胶塞的作用是与隔离液（一种专门配制的液体， 下胶塞的作用是与隔离液（一种专门配制的液体，用以隔离钻井液 与水泥浆）一道，将水泥浆与钻井液隔离开， 与水泥浆）一道，将水泥浆与钻井液隔离开，防止钻井液接触水泥 浆后影响水泥浆的性能。下胶塞为中空，顶部有一层橡胶膜， 浆后影响水泥浆的性能。下胶塞为中空，顶部有一层橡胶膜，该膜 在压力作用下可压破 上胶塞为实心，其作用是隔离顶替用的钻井液与水泥浆； 上胶塞为实心，其作用是隔离顶替用的钻井液与水泥浆；
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概述
2、工艺介绍 下套管 注水泥 候凝 检测评价
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概述
3、固井工程的步骤
下套管 套管由接箍和本体组成。 套管由接箍和本体组成。 套管柱由单根套管+浮箍+ 套管柱由单根套管+浮箍+引鞋
图7-1 单根套管示意图 1——接箍 接箍 2——套管本体 套管本体
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概述
3、固井工程步骤
注水泥 下完套管之后，把水泥浆泵入套管内， 下完套管之后，把水泥浆泵入套管内，再用钻井液把水泥浆 顶替到管外环形空间设计位置的作业称之为注水泥 顶替到管外环形空间设计位置的作业称之为注水泥。 注水泥。 水泥头：安装在套管柱的最上端，内装有上、下胶塞。 水泥头：安装在套管柱的最上端，内装有上、下胶塞。
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序言
套管柱的类型 表层套管 技术套管（中间套管） 技术套管（中间套管） 生产套管（油层套管） 生产套管（油层套管） 尾管（技术尾管、生产尾管） 尾管（技术尾管、生产尾管） 回接套管
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一、套管外载分析与计算
1、静载 特点：长期作用、联合作用在套管上。 特点：长期作用、联合作用在套管上。 类型： 类型： 轴向拉力 径向外挤压力 径向内压力 弯曲附加拉力 温差应力