2021年固井工程技术基础

目录欧阳光明（2021.03.07）前言第一章固井概论第一节固井概念第二节固井的目的和要求第二章套管、固井工具、附件和材料第一节API套管标准和规范第二节固井工具、附件第三节固井材料第三章固井工程技术基础第一节固井工艺第二节固井水泥浆第三节注水泥施工程序第一章固井概述一、固井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，保证勘探期间的封层测试及整个开采过程中合理的油气生产等目的而下入优质钢管，并在井筒于钢管环空充填好水泥的作业，称为固井工程。

因此固井包括了两部分：下入套管的工艺和注入水泥浆的工艺叫做固井工艺。

固井作业固井作业是通过固井设计，应用配套的固井设备、辅助设备及工具，将油井水泥、水和添加剂按一定的比例混合后，通过固井泵固井设备总体示意图泵注入井，并顶替到预定深度的井壁与套管、（套管与套管）的环形空间内，使套管与井壁、（套管与套管）之间形成牢固粘结。

二、固井目的和要求1、固井的目的一口油井深达数千米，在钻井过程中常常遇到井漏、井塌、井喷等复杂情况，影响正常钻进，严重时甚至导致井眼报废。

遇到上述情况就应下套管固井，封隔好复杂地层后，再继续钻进，直到建立稳定的油气通道为止。

因此,为了优质快速钻达目的层，保证油气田的开采，就要采用固井，固井工程的主要目的为：1）、在钻进过程中封隔易坍塌、易漏失等复杂地层，巩固所钻过的井眼保证钻井顺利进行。

（如图1-1所示），当从A点钻进至B点，如果在A点井深处没下套管固井，那么随着井深的变化，钻达B点所用泥浆密度在A点产生的压力就会大于A点地层破裂压力，造成A点地层破裂，发生井漏。

同理，当从B点钻进至C点，如果在B点井深处没下套管固井，那么随着井深的变化，钻达C点所用泥浆密度在B点产生的压力就会大于B点地层破裂压力，造成B点地层破裂，发生井漏。

2）、封隔油、气、水层，防止层间互窜。

固井工程不仅关系到钻进的速度和成本，还影响到油气田的开发。

（如图1-2所示），如果油、气层与水层间水泥固结不好，层间互相窜通，那么会给油气田开发带来很大困难。

当油、气层压力大于水层压力时，油、气便会窜入水层内，既污染了水层又影响到油气的产量；当水层压力大于油、气层压力图1-1 下套管固井原理示意图图1-2 固井防止层间流体互窜示意图时，水便会窜入油气层内，造成油田开发早期出水，严重时会水淹破坏整个油气田。

因此，必须确保固井质量，对地层内不同类型的流体有效封隔。

3）、支撑套管和井口装置，建立油气通道。

钻完井工艺要求固井后套管与地层间在水泥作用下应具有良好的胶结，因为固井后水泥环不仅要支撑套管的重量，而且要承受安装在套管上井口装置的重量，准备下一次开钻或完井投产（如图1-3所示）。

若水泥封固质量差，则会导致套管下沉或井口装置的不稳定，影响正常作业或油气通道的建立。

图1-3套管固井后井口连接示意图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条件；2、固井的要求套管在一口井的总成本中，往往是各单项成本中最高的一项。

而固井工程是钻井工程中最关键复杂的作业，是百年大计。

固井质量的好坏关系到油井能否正常投产和油田寿命的长短。

固井质量的关键所在就是下入井内的套管柱的强度和环形空间的密封问题。

因此对于固井的要求必须作到以下几个方面：1、套管柱的设计必须保证该套管串的任何部位在相应的井段有足够抗拉、抗挤、抗内压强度，以保证下入井内的套管不断、不裂、不变形；2、套管柱的连接必须保证用规定的上扣扭矩上紧丝扣，保证套管连接的密封性；3、环形空间的水泥环要求均匀和连续封固到预计的深度，且要求水泥环与井壁及套管之间胶结和密封良好，以保证环形空间不窜、不漏，满足油气井正常生产和分层作业的要求。

第二章套管、固井工具、附件和材料一、API套管标准和规范1、长度标准：2、钢级标准：API套管钢级标准的分类是以套管材质的最小屈服强度为依据的。

API标准允许7种级别的钢材用作油井套管材料。

这7种钢材分别是H－40、J－55、C－75、N－80、C－95、P－110、Q－125、V－150。

（它们的最小屈服强度分别是40,000psi、55,000psi、75,000psi、80,000psi、 95,000psi、110,000psi、125,000psi、150,000psi。

PSI是磅/英寸2的代号。

1psi＝1磅/英寸2＝0.07031公斤/厘米2＝0.07031KSC。

因此,换算成公制单位时,它们的最小屈服强度分别是2812.4公斤/厘米2、3867.05 公斤/厘米2、5624.8公斤/厘米2、6679.45公斤/厘米27734.1公斤/厘米2、8788.75公斤/厘米2、10546.5公斤/厘米2。

）API套管钢级代号及其最小屈服强度列表如下：API管材钢级的物理机械性能冲击韧性k(公斤-米/厘米2)API套管分为有接箍套管和无接箍套管（代号XCSG）两种。

API有接箍套管丝扣分为长圆扣（LCSG）、短圆扣(SCSG)、梯形扣(BCSG) 工具接头扣（TJ）即偏梯扣、VAM扣即梯形扣（同一尺寸的套管，梯形扣接箍外径比VAM扣接箍外径大，但扣型相同，可以互换）。

此外还有RL－4型扣、LS型扣、LS－2型扣、LS－2HP型扣等等。

API无接箍套管丝扣分为奥米加扣型、管端平坦线扣型（无接箍套管扣，英文为EXTREME－LINE FORM）等。

4、API套管标记：1）、API钢级代号和颜色标记3)、套管识别标记图2-1套管识别标记圆螺纹套管标记（示范）API直连型螺纹套管标记（示范）.API套管VAM扣（示范）高抗挤毁NT-95HS 粉红色夹褐色环低温井用SM-80L 红色夹黄色环高抗挤毁NT-110HS 粉红色夹白色环低温井用SH-95L 茶色夹黄色环抗硫化氢NT-80SS 黄色夹红色环日本钢管一般井H55 黑色抗硫化氢NT-85SS 黄色夹紫色环防硫J55 草禄色抗硫化氢NT-90SS 黄色夹橙色环一般井K55 禄色抗硫化氢NT-95SS 黄色夹褐色环防硫C75-2 蓝色低温井用NT-80LS 青色夹红色环高强度N-80 红色低温井用NT-95LS 青色夹褐色环高强度C-95 褐色低温井用NT-110LS 黄色夹白色环高强度P-110 白色住友抗硫化氢SM-80S 红色夹白色环防硫NK-AC80 红色夹蓝色抗硫化氢SM-90S 橙色夹蓝色环防硫NK-AC85 红色夹蓝白色环抗硫化氢SM-95S 茶色夹蓝色环防硫NK-AC90 红色夹蓝色环2条深井用SM-95G 棕色夹白色环防硫NK-AC95 褐色夹蓝色环深井用SM-125G 天蓝色夹白色环高抗拉NK-T95 褐色夹白色环二、固井工具、附件井口工具通常包括：套管水泥头、尾管水泥头、钻杆水泥头、快速接头、循环头等一）、固井工具1、水泥头水泥头是注水泥施工过程的井口联接装置，用于联接套管（或钻杆）和注水泥管汇；水泥头还用来安装胶塞，通过胶塞释放挡销机构控制胶塞的释放，并根据胶塞释放指示销判断胶塞是否释放。

1）、套管水泥头套管水泥头：在套管固井时用于连接套管及地面固井管线，同时提供容纳1-2个套管胶塞空间配有相应释放机构。

2）、尾管水泥头尾管水泥头由提升短节、本体、旋转轴承机构、钻杆塞挡销机构、投图2-3 套管水泥头（双塞）1－顶盖；2－密封圈；3－本体；4－释放挡销；5－释放指示销；6－套管联接短节球机构、钻杆联接短节和阀门管汇等部分组成，（如图2-4所示）。

尾管水泥头主要用于尾管固井，提升短节和旋转轴承机构的作用同钻杆水泥头的对应机构相同。

坐挂尾管悬挂器时，旋转投球机构的手柄，顶杆便将球从投球机构内腔顶出，球在重力和泵送液体的推动下，沿钻杆内腔落到悬挂器球座上，在泵压的作用下使尾管悬挂器实现坐挂。

释放尾管胶塞时，旋转钻杆塞挡销机构的手柄，使挡销从钻杆塞内腔收回，钻杆塞便在泵送液体的推动下离开钻杆塞所在内腔，沿钻杆内壁落到尾管胶塞座上，在泵压的作用下剪切释放尾管胶塞。

3）钻杆水泥头钻杆水泥头：在半潜式钻井平台常规套管固井时使用，主要功能是连接井口送入工具与固井管线，并提供容纳钻杆胶塞及/或剪切球的空间，配有相应释放机构。

2、快速接头：用于连接套管与套管水泥头。

通常快速接头下段为对应套管扣，上端为快速扣。

3、内管扶正器：内管固井或其类似固井作业中用于扶正钻具在套管内居中度。

常为单弓型4、循环头循环头是在下套管或尾管中途连接于下入套管或尾管柱上建立循采用快速接头联接的套管循环头钻杆扣×套管扣循环头1502扣×套管扣循环头环的井口工具，（如图2-5所示）。

当套/尾管下入中途或下入套/尾管过程中遇阻时，将循环头下端的套管扣或分体短节连接于套管顶部，循环头上端的接头连接于钻台至泥浆泵的管线上，建立泥浆循环。

5、内管注水泥插入头内管注水泥插入头主要用于钻井过程中大尺寸表层套管固井作业的工具。

（如图2-6所示），内管注水泥插入头主要由插入头、密封圈和钻杆连接扣等部分组成。

当表层套管下到设计井深后，在钻柱底部连接内管注水泥插入头，下钻并插入与之配合的套管鞋密封插座内，便可准备固井。

图2-6 内管注水泥插入头示意图6、双级固井分级箍图2－6双级固井分级箍示意图分级箍母扣端分级箍本体7、尾管悬挂器SYX-A 型Φ244.5×Φ177.8（9-5/8"×7"）尾管悬挂器为单液缸、双f 图2-7尾管悬挂器图组工作原理：SYX-A 型Φ244.5×Φ177.8（95/8"×7"）尾管悬挂器为液压式，采用投球憋压的方式实现坐挂。

使用时配合专用的送入工具，将尾管悬挂器及尾管下入到井内设计深度。

投球，当球到达球座后憋压，压力通过悬挂器本体上的传压孔传到液缸内，压力推动活塞上行，剪断液缸剪钉，再推动推杆支撑套，并带动卡瓦上行，卡瓦沿锥面涨开，楔入悬挂器锥体和上层套管之间的环状间隙里，当钻具下放时，尾管重量被支撑在上层套管上。

继续打压，憋通球座，建立正常循环。

然后进行倒扣、注水泥、替浆作业。

最后将送入工具和密封芯子提离悬挂器并循环出多余水泥浆，起钻，候凝。

二）、 套管附件 1、浮鞋、浮箍套管浮鞋装在套管柱底部引导套管柱入井，防止套管柱底部插入井壁后遇阻；套管浮箍装在浮鞋以上2～3根套管处，为胶塞提供碰压位置，当上胶塞到达浮箍时，泵压会突然升高，这时候说明胶塞已碰压，固井替浆结束。

不管浮鞋/箍，两者都具有一个单流阀机构（图4-24），该阀可防止固井结束后套管环空内的流体进入套管内，同时，在管串入井时还可减少大钩载荷。

单回压阀浮鞋双回压阀浮鞋可插入工具式浮箍（内管固井） 单回压阀浮箍可插入工具式浮箍 2、胶塞1）、套管胶塞 套管胶塞（图4-25）主要用于自升式平台和导管架上的套管固井，底塞（红色）用来隔离水泥浆与前置液，防止前行水泥浆在出套管浮箍前受污染；顶塞（黄色）用来把顶替液与水泥浆隔开，防止后面的水泥浆受顶替液的污染，同时顶塞还用来碰压，指示固井替浆结束。