固井技术基础

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、气与水层,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,控制井口喷与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,就是一次性下入的管材,没有加厚部分,长度没有严格规定。

为保证固井质量与顺利地下入套管,要做套管柱的结构设计。

根据用途、地层预测压力与套管下入深度设计套管的强度,确定套管的使用壁厚,钢级与丝扣类型。

2、注水泥
注水泥就是套管下入井后的关键工序,其作用就是将套管与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、井口安装与套管试压
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与油层套管的重量,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。

套管头还就是防喷器、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
安装好套管头与接好防喷器及防喷管线后,要做套管头密封的耐压力检查,与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与井壁的胶结情况。

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(顶塞与底塞),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
尾管固井就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
井身结构就是指由直径、深度与作用各不相同,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、油层套管与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。

其作用就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。

其作用就是封隔上部不稳定的松软地层与水层。

3、技术套管:表层套管与油层套管之间的套管叫技术套管。

就是钻井中途遇到高压油气水层、漏失层与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。

作用就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与完井方法。

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:就是指固井时,水泥浆沿套管与井壁之间与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。

其深度就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就是海上钻井最常用的固井方法,它就是采用双套管胶塞(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、扶正器与胶塞等组成,各附件的功能在以后的章节里会讲述。

3、尾管固井
尾管固井就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与液压式两种类型,我们通常使用的就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、侧钻与隔绝地层等作业时,就需要注水泥塞技术,平衡水泥塞就是最常用的方法。

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
挤水泥就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==
油井水泥就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与渗透率的水泥石。

1) 水泥水化过程
油井水泥的水化就是放热反应,按其水化速度与结构的形成,大致可分为四个过程:起始期、迟缓期、凝结期与硬化期。

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。

硬化期的明显特征就是强度增长,这也就是固井所期求的。

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、稠化时间与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:主要就是延长水泥浆稠化时间或凝结时间。

促凝剂:主要就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:主要就是降低水泥浆密度,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:防止与避免溶解水起泡,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
油田开发早期用的就是承托环(阻流环),又称为浮箍,其作用就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。

浮鞋或浮箍就是能产生浮力的套管引鞋或接箍。

引鞋就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与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、密封性与可钻性好,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与自灌型;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。

浮箍就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,而浮鞋只就是一端有母扣,只能位于套管的最前端。

浮箍与浮鞋有水泥式的与金属的,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,引导钻头入井与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、技术与油层套管的重量。

2、表层套管
表层套管用来封隔上部不稳定的松软地层与水层及浅层气,安装井口装置以控制井涌井喷,同时支承技术套管与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与其她地层封隔开,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、气与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、吸水阀与排水阀等基本部件。

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与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与出灰量的波动。

•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,通过罐内排气管与平衡阀排出舷外。

•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,下胶塞在重力与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,上胶塞在重力与顶替液的推动下,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
尾管水泥头用于尾管固井。

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、投球机构、钻杆联接短节与阀门管汇等部分组成,如图所示。

尾管水泥头主要用于尾管固井,提升短节与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,球在重力与泵送液体的推动下,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。

胶塞
2、循环头
循环头用于下套管或尾管中途连接下入套管、顶驱或地面高压管汇上,建立循环的井口工具。

3、插入接头
插入接头与插入式浮鞋或浮箍配套使用,主要用于大尺寸套管的内管固井作业,有直插式与旋转插入式。

4、SSR平衡阀
SSR平衡阀与钻杆水泥头配套使用,主要作用就是:平衡SSR水下释放系统管内外压差,避免胶塞非正常释放。

►三维动画 | 固井工程设计
==固井质量==
1、注水泥质量要求
1、水泥返高、水泥塞长度与人工井底的规定
油气层固井,设计水泥返高应超过油气层顶界150米,实际封过油气层顶部不少于50米。

其中要求合格的水泥环段,对于浅于2000米的井不少于10米,深于2000米的井不少于20米。

2、为了保证套管管鞋封固质量,油层套管采用双塞固井时,阻流环距套管鞋长度不少于10米,技术套管(或先期完成井),一般为20米,套管鞋位置应尽量靠近井底。

3、油气层底界距人工井底(管内水泥面,浮箍位置)不少于15米,主要就是为了满足采油方面的需要。

4、其中第二条就是为了防止上胶塞下行时所刮下的套管内表面上的液膜浆体污染水泥浆,而影响套管鞋附近的水泥封固质量。

2、水泥环质量鉴定
目前我国水泥环质量鉴定一般以声幅测井(CBL,也称水泥胶结测井)为准。

声幅相对值在15%(油田现场有的也采用10%)以内为优等,30%为合格;声幅超过30%的井段则视为水泥封固不合格。

声幅测井一般在注水泥后24小时到48小时内进行,但对特殊井(如尾管固井、采用缓凝水泥固井等)声幅测井时间可依具体情况而定,现在变密度测井(VDL)也在逐渐普及。

1、井温测井
水泥的水化反应就是放热反应,其凝结过程中所放出的热量通过套管传给套管内液体,可使井内温度上升一定数值,如6℃~20℃。

而环空中没有水泥的井段,井内温度为正常温度。

利用这一特性,可以测定水泥浆在环空中的返高位置,即水泥顶部深度。

2、声幅测井(水泥胶结测井)
声幅测井就是根据声学原理所进行的测井。

在井下,从测井仪声波发射出声波,声波向四周以近似球形的波阵面发散,通过不同的介质与路线后传播到接收器。

最先到达接收器的就是沿着套管传播的滑行波(叫套管波)所产生的折射波,其次就是传到地层后又传播回来的地层波,尽管在钻井液内声波的传播距离最短,但由于在钻井液内声速相对较低,所以钻井液波(泥浆波)到达最迟。

声幅测井记录的就是最先到达的套管波的首波幅度。

套管波在传播过程中要向套管内与环形空间散失能量,即声幅要衰减(降低)。

套管波的衰减程度与套管内外介质性质及期分布有关。

因为管内钻井液的分布及性质就是不变的,因此向管内
散失的能量为恒定值。

在此基础上的套管波的衰减程度就将取决于管外水泥与套管的胶结情况。

实验证明,在其它条件不变的情况下,套管首波幅度的对数与套管周围水泥未胶结部分所占套管周长的百分数之间存在线性关系,即与套管胶结的水泥越多,所接收的声幅越上,而当管外全为钻井液时,所接收的声幅最大。

由测量线路把所接收的声幅大小转变成与之成比例的电压大小,加以记录。

沿井深由下而上进行测试,就可得到一条沿井深反映水泥与套管胶结情况的声幅测井曲线。

应用声幅测井曲线检测水泥环质量就是通过相对幅度进行的(以环空内全为钻井液的自由套管段的声幅值为基准)。

相对幅度=目的段声幅曲线幅度/自由套管段声幅曲线幅度*100%。

3、声波变密度测井
声幅测井测量记录的就是套管首波幅度。

声波变密度测井(VDL,简称变密度测井)就是用接收器将套管波、地层波等声波幅度按到达时间先后全部测量记录,再用一定的方法显示,以评价水泥环质量的测井方法。

当进行变密度测井时,同时进行声幅测井。

变密度测井因为能够测量记录地层波,因此能够反映出水泥与地层(俗称第二界面)有胶结情况。

将变密度测井结果与声幅测井结果对比分析,可以全面地评价水泥环质量。

►三维动画 | 固井技术
==固井技术的现状及发展==
1、概述
固井作业就是油气井钻井工程中最重要的环节之一,其主要目的就是封隔井眼内的油层、气层与水层,保护油气井套管、增加油气井寿命以及提高油气产量。

自1903年开始固井以来经过近100年的努力,国内外固井技术有了很大的的进步。

主要表现在:油井水泥的扩充与完善,油井基本水泥由一两种发展到13种;油井水泥外加剂已发展到14大类200多个品种;普遍采用计算机控制技术对配浆过程进行连续监控,注水泥设备向操作自动化、密度控制精确化方向发展。

复杂的地层固井技术日趋完善,研究开发了适应高压气井、低压易漏失井、多压力系统以及深井超深井高温固井配套技术。

小井眼固井、水平井固井、分支井固井与大位移固井等特殊工艺井固井技术;研制开发了尾管悬挂器、双级(多级)注水泥器以及扶正器等; 固井计算机模拟、仿真与监控技术,提高了固井方案设计、现场施工的准确性、针对性与科学性。

2、国内外固井技术进度情况
(1) 油井水泥与外加剂研究
1、基本水泥。

基本水泥增加了酸溶水泥、高细度水泥、波特兰水泥与高炉矿渣混合物、可储存液体水泥与合成树脂水泥。

2、外加剂
应用油井水泥外加剂已成为解决各种复杂固井问题、提高固井质量与保护油气层的主要技术手段。

据美国统计,固井外加剂的用量占油田化学剂的38％。

油井水泥外加剂主要进展:
•研制开发了适应更宽温度与密度范围、抗盐与抗高温的高性能降失水剂
•用于深水固井的特殊外加剂
•泡沫水泥浆外加剂
•改善水泥石性能的外加剂
•满足特殊地质条件下的水泥外加剂
(2) 固井技术
1、CemCRETE固井技术
为解决异常压力固井问题,道威尔—斯伦贝谢公司于1998年底研究开发了CemCRETE技术。

该技术基于混凝土水泥浆技术,利用颗粒级配原理,通过优化水泥及外掺料颗粒直径分布(PSD),优选3种以上不同直径的颗粒,使单位体积内固相颗粒增加,尽量降低水泥浆水灰比,提高水泥石的抗压强度与降低水泥石的孔隙度与渗透率。

CemCRETE固井技术应用密度为1、20g/cm3的低密度水泥浆,24h抗压强度大于14MPa,水泥石的渗透率与孔隙度明显小于常规水泥浆阿曼石油开发公司(PDO)采用密度为2、40g/ cm3的高密度水泥浆技术成功地解决了Sarmad 油田井深为4800m的深井膏盐层的高压固井问题。

2、泡沫固井技术
哈里伯顿公司应用泡沫水泥浆替代常规漂珠低密度水泥浆固井取得了良好的现场应用效果。

泡沫水泥浆由净浆、氮气、稳泡剂及水泥浆处理剂组成。

国内通过研究,在水泥与配浆水中分别加入两种发泡剂,在混浆时发生化学反应生成氮气,通过稳泡剂使之形成稳定且相互独立的泡沫水泥浆,化学泡沫水泥浆在国内很多油田应用取得了较好的效果。

3、防窜固井技术
人们对环空气(水)窜的形成原因、影响因素、气窜的物理过程、预测方法及防气窜水泥浆体系做了大量的研究工作,先后研究开发了膨胀水泥、延缓胶凝水泥、触变水泥、可压缩水泥与非渗透乳胶水泥等多种防窜水泥浆体系。

在防气窜水泥浆性能评价与预测研究方面,国内外有许多评价与预测水泥浆防气窜性能的模式与方法,它们考虑气井气层压力、浆体结构、水泥浆密度、返深等因素。

可以有效地指导防气窜固井设计。