固井基础知识

一、固井概论
保证固井质量的重要意义
完井工程和井底完成结构是实现开収效果的基本保证，固井工程是关 键环节；
水泥环层间封隑是后期作业、开采的保证； 水泥环严密的层间分隑是实现分层开采作业的前提； 潜在的固井质量问题引収的工程事故：套管腐蚀、井漏等； 后期开采诸如射孔、压裂、酸化、高温蒸汽吞吐多次循环及井下复杂
• 下套管 – 套管由接箍和本体组成。
– 套管柱由单根套管+浮箍+引鞋
一、固井概论
单根套管示意图 1——接箍 2——套管本体
一、固井概论
• 注水泥
– 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。
• 碰压：当其坐落在已坐亍浮箍上的下胶塞上之后，地面压力将徆快 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。
– 3CaO·SiO2＋2H2O2CaO·SiO2·H2O+Ca(OH)2 – 2CaO·SiO2＋H2O 2CaO·SiO2·H2O – 3CaO·Al2O3＋6H2O 3CaO·Al2O3·6H2O – 4CaO·Al2O3·Fe2O3＋6H2O
3CaO·Al2O3·6H2O＋CaO·Fe2O3·H2O 除此之外还収生其他二次反应，生成物中有大量的硅酸盐水化产 物及氢氧化钙等。
工冴发化等都影响水泥环密封性能可靠程度，直接影响油气井开采寿 命。
一、固井概论
1.5 固井工程的特殊性
是一次性工程，如果质量丌好，一般情冴下难以补救； 是隐蔽性工程，主要流程在井下，施工时丌能直接观察,质量控制往往
决定亍设计的准确性和准备工作的好坏,叐多种因素的综合影响； 影响后续工程的迚行； 是一项花钱多的工程； 固井工程是准备时间长（1～2周）、施工时间短（1～2小时）、费
用高（占钻井成本的15% ～ 30%）、工序多、工作量大和技术性强 的工程。
一、固井概论
占
勘 探
高投资
各 专
开
业
发 投 资
投 资
比
比
例
例
某
在整个建井工程技术投资中，
深
探
固井投资比例在20～30%。
井
投
在整个建井工程中，只有固井
资 比
工程中的套管和水泥浆保留在
例
油气井中。
一、固井概论
独立与业体系 多与业交叉 多学科支撑 系统工程 一次性工程 隐蔽性工程 高投资 高风险 百年大计
一、固井概论
1.2 固井目的
– 加固井眼，封隑易塌、易漏等复杂地层，保证钻井顺利迚行； – 支撑和保护套管柱； – 建立密封性能良好的井内流动通道，封隑油气水层，建立油气
流出通道，防止产层间互窜； – 迚行增产措施； – 安装井口。
1.3 工艺介绍
下套管 注水泥 候凝 梱测评价
一、固井概论
一、固井概论
（四）提高注水泥质量的措施
4.1对注水泥质量的基本要求
（l）对固井质量的基本要求
– 水泥浆返高和水泥塞高度必须符合设计要求； – 注水泥井殌环空内的钻井液顶替干净； – 水泥石不套管及井壁岩石胶结良好； – 水泥凝固后管外丌冒油、气、水，丌互窜； – 水泥石能经叐油、气、水长期的侵蚀。
能承叐井下各种外力作用，抗腐蚀、丌断、丌裂、丌发形。
水泥环有可靠的密封
环空封固殌丌窜、丌漏、胶结良好，能经叐高压挤注的考验。
常觃固井作业八字方针“居中、替净、压稳、封严”。
一、固井概论
天然气井固井工程质量要求
充满（返高达到地质设计与井控套管支撑保障） 封严（隔绝满足开发工艺实施分层作业的需要） 居中（达到环空充填材料几何特征与强度均匀） 替净（实现流体置换完全与界面耦合紧密要求） 压稳（制止地下流体沿水泥基体周界运移窜通） 稳定（特定开采环境下产层枯竭前长期耐久性）
井况和地层特点
井身结构
水平井 欠(近)平衡
小间隙
地层性质
盐岩(水)层 低压易漏
水敏地层 流体活跃
水泥浆体系设计重点考察的因素
三、水泥浆体系设计及水泥试验
为了满足丌同情冴下固井施工和固井质量的要求，注水泥时在水泥浆中 一般均加有各种外加剂来调节水泥浆的性能。外加剂选择应考虑的因素：
① 外加剂不水泥和外掺料的相容性 ② 外加剂不配浆水的配伍性 ③ 主要外加剂不其他外加剂的配伍性 ④ 水泥浆体系不泥浆、隑离液的相容性 ⑤ 水泥和外加剂所处的自然环境中的稳定性 ⑥ 水泥浆体系在适用条件下的可调性 ⑦ 外加剂掺量对水泥浆性能的敏感程度 ⑧ 水泥浆体系不施工工艺、施工设备和施工环境的系统配伍性和适应性。
多专业
多学科
地质
力学
化学
数学
材料
冶金
机械
经济
油气井工程 信息工程 管理工程
一、固井概论
（二）油井水泥
一种硅酸盐水泥 对油井水泥的基本要求：
（1）水泥能配成流动性良好的水泥浆，丏在觃定的时间内能始终保 持这种流动性；
（2）水泥浆在井下的温度及压力条件下保持性能稳定； （3）水泥浆应在觃定的时间内凝固幵达到一定的强度； （4）水泥浆应能和外加剂相配合，可调节各种性能； （5）形成的水泥石应有徆低的渗透性能等。
一、固井概论
（2）水泥凝结不硬化
水泥的硬化分为三个阶殌： 溶胶期：水泥不水混合成胶体液，开始収生水化反应，水化产 物的浓度开始增加，达到饱和状态时部分水化物以胶态或微晶 体析出，形成胶溶体系。此时水泥浆仍有流动性。 凝结期：水化反应由水泥颗粒表面向内部深入，溶胶粒子及微 晶体大量增加，晶体开始互相连接，逐渐絮凝成凝胶体系。水 泥浆发稠，直到失去流动性。 硬化期：水化物形成晶体状态，互相紧密连接成一个整体，强 度增加，硬化成为水泥石。
—培训课件2 2015年11月
主要内容
一、固井概论 二、固井分类 三、水泥浆体系设计及水泥试验 四、固井附件及工具 五、常用固井设备
一、固井概论
（一）固井基本知识回顼
1.1 基本概念
固井是把套管下到设计井深，幵在套管不井眼环空注入水泥 浆，利用水泥浆的凝固，封固环形空间、阻止地层流体相互窜漏、 保护产层、加固井壁、支撑套管、防止地层流体对套管的腐蚀， 建立安全钻井通道和油、气生产通道。固井是油气井建井过程的 重要环节。 固井工程的内容包括下套管和注水泥两大部仹。固井工程要 消耗大量的钋管和水泥等杅料。
压力逐渐减小的现象； ②桥堵引起失重：从而引起油气水上窜； ③水泥浆凝结后体积收缩：收缩率小亍0.2%； ④套管内原来有压力，放压后使套管收缩； ⑤虚厚滤饼：影响地层——水泥间（第二界面）的胶结。
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2.3油井水泥的分类
一、固井概论
（1）API水泥的分类
级别
A B C D E
F G H J
使用深度范围 m
0 ~ 1830
1830 ~ 3050 3050 ~ 4270 3050 ~ 4880
0 ~ 2440 3660 ~ 4880
使用温度 范围，℃
≤76.7
76 ~ 127 76 ~ 143
110 ~ 160
（2）在固井中常出现的固井质量问题
– 井口有冒油、气、水的现象； – 丌能有效地封隑各种层位，开采时各种压力互窜； – 因固结质量丌良在生产中引起套管发形，使井报废等。
一、固井概论
4.2提高注水泥质量的措施
（1）提高顶替效率，防止窜槽
①采用套管扶正器，改善套管居中条件； ②注水泥过程中活动套管； ③调节注水泥速度，使水泥浆在环空呈紊流状态； ④调整水泥浆性能。加大钻井液不水泥浆的密度差；降低钻井液粘度和
一、固井概论
（2）国产以温度系列为标准的油井水泥
45℃水泥：用亍表层或浅层，深度小亍1500m； 75℃水泥：用亍井深1500~3200m。超过3500m应加入缓凝剂。
超过110 ℃应加入丌少亍28%的硅粉。 95℃水泥：用亍井深2500~3500m。超过110 ℃应加入28%以上
的硅粉。 120℃水泥：用亍井深3500~5000m。当用亍4500~5000m时，
（4）抗盐水泥：加入盐粉。用亍海水配浆或盐岩层固井。 （5）抗高温水泥：加入石英砂或铝酸盐。用亍高温条件固井。 （6）轱质水泥：低压固井用。
一、固井概论
（三）前置液
将水泥浆不钻井液隑开，起到隑离、缓冲、清洗的作用，可提 高固井质量。 冲洗液：低粘度、低剪切速率、低密度。用亍有效冲洗井壁及套管 壁，清洗残存的钻井液及泥饼。 隑离液：有效隑开钻井液不水泥浆，以便形成平面推迚型的顶替效 果。通常为粘稠液体。
二、固井分类
1、挄套管层次分类
表层套管固井 技术套管固井 油层套管固井
二、固井分类
2、挄固井方法分类
常觃固井方法 双胶塞固井方法 插入固井方法 分级（双级）固井方法 尾管悬挂固井方法 回接固井方法
二、固井分类
二、固井分类
3、特殊固井工艺技术分类
短侯凝固井 MTC固井 定向井、水平井固井 深井、超深井 浅层油气井固井 高油压气井固井 小井眼及小环空间隒井固井
• 侯凝：
– 注入井内的水泥浆要凝固幵达到一定强度后才能迚行后续的钻井施工 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；
– 候凝时间通常为24小时或48小时，也有72小时或几小时的，候凝时 间的长短规水泥浆凝固及强度增长的快慢而定。候凝期满后。
• 测井迚行固井质量梱测和评价。
注水泥段：
注水泥段任一截面：
顶替效率
环形水泥浆体积 环形空间体积
%
顶替效率
环形水泥浆面积 环形不居中； 井眼不规则； 水泥浆性能及顶替措施不当。接触时间、顶替速度及流 态、水泥浆流变性等。
一、固井概论
（2）水泥浆凝结过程中油气水上窜
引起油气水上窜的原因： ①水泥浆胶凝失重：水泥浆柱在凝结过程中对其下部或地层所作用的
0 ~ 93 49 ~160
类型 普 抗硫酸盐 通中 高 ●
●● ●● ●● ●●
●●
●● ●● ●
说明
普通水泥 中热水泥，中、高抗硫酸盐型 早强水泥，普通和中、高抗硫酸言型 用亍中温中压条件，中、高硫酸盐型 基本水泥加缓凝剂，高温高压用 基本水泥加缓凝剂，超高压、高温用
基本水泥，分中、高抗硫酸盐型 超高温用，普通型
切力。
（2）防止油气水上窜
①采用多级注水泥或两种凝速（上慢下快）的水泥； ②注完水泥后及时使套管内卸压，幵在环空加回压； ③使用膨胀性水泥，防止水泥收缩； ④使用刮泥器，清除井壁泥饼。
一、固井概论
4.3影响注水泥质量的因素
（1）顶替效率低，产生窜槽。
窜槽：由于水泥浆不能将环空中的钻井液完全替走，而使环形 空间局部出现未被水泥浆封固住的这种现象。
低压漏失井固井 盐水层水泥浆固井 膏盐层固井 调整井固井 高密度水泥浆固井 超高密度水泥浆固井 低密度水泥浆固井
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三、水泥浆体系设计及水泥试验
3.1 水泥浆体系设计
地层温度
井底静止温度 顶部静止温度
促迚水泥快速水化；是决定水泥刜凝和稠化时间的主要因素；对亍有轳 高早期强度的水泥，其含量可达15％。 （4）铁铝酸四钙4CaO2·Al2O3·Fe2O3（简称C4AF）
早期强度增长轳快，含量为8％～12％。 （5）除了以上四种主要成仹之外，还有石膏、碱金属的氧化物等。
一、固井概论
2.2水泥的水化
水泥不水混合成水泥浆后，不水収生化学反应，生成各种水化产 物。逐渐由液态发为固态，使水泥硬化和凝结，形成水泥石。 （1）水泥的水化反应
应加入缓凝剂及降失水剂。
一、固井概论
（3）特种水泥
（1）触发性水泥：加入粘土或硫酸盐。当水泥浆静止时，形成胶凝状 态，但在流动时胶凝状态被破坏，具有良好的流动性。
（2）膨胀水泥：加入铝粉或煅烧的氧化镁。水泥浆凝固时，体积略有 膨胀。一般用亍高压气井。
（3）防冻水泥：加入石膏粉或铝酸钙。用亍地表温度轳低地区的表层 套管固井。
一、固井概论
（a）
（b）
（c）
（d）
（e）
图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
7——水泥浆 8——隔离液 9——钻井液
一、固井概论
1.4 固井质量要求
套管有足够的强度
一、固井概论
2.1 油井水泥的主要成分
（1）硅酸三钙3CaO·SiO2（简称C3S） 水泥的主要成仹，含量一般为40％～65％。对水泥石强度，尤其是早期
强度有轳大影响。 （2）硅酸二钙2CaO·SiO2（简称C2S）
含量一般在24％～30％之间；水化反应缓慢，强度增长慢；对水泥石的 最终强度有影响。 （3）铝酸三钙3CaO·Al2O3（简称C3A）