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固井工程技术基础

媒介

第一章固井概论

第一节固井概念

第二节固井的目标和请求

第二章套管.固井对象.附件和材料

第一节API套管尺度和规范

第二节固井对象.附件

第三节固井材料

第三章固井工程技巧基本

第一节固井工艺

第二节固井水泥浆

第三节灌水泥施工程序

第一章固井概述

一.固井概念

为了达到加固井壁,包管中断安然钻进,封隔油.气和水层,包管勘察时代的封层测试及全部开采进程中合理的油气临盆等目标而下入优质钢管,并在井筒于钢管环空充填好水泥的功课,称为固井工程.是以固井包含了两部分：

下入套管的工艺和注入水泥浆的工艺叫做固井工艺.

固井功课

固井功课是经由过程固井设计,运用配套的固井装备.帮助装备及对象,将油井水泥.水和添加剂按必定的比例混杂后,经由过程固井泵泵注入井,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）之间形成稳固粘结.

二.固井目标和请求

1.固井的目标

一口油井深达数千米,在钻井进程中经常碰到井漏.井塌.井喷等庞杂情形,影响正常钻进,轻微时甚至导致井眼报废.碰到上述情形就应下套管固井,封隔好庞杂地层后,再中断钻进,直到树立稳固的油气通道为止.是以,为了优质快速钻达目标层,包管油气田的开采,就要采取固井,固井工程的重要目标为：

1）.在钻进进程中封隔易坍塌.易漏掉等庞杂地层,巩固所钻过的井眼包管钻井顺遂进行.

（如图1-1所示）,当从A点钻进至B点,假如在A点井深处没下套管固井,那么跟着井深的变更,钻达B点所用泥浆密度在A点产生的压力就会大于A点地层决裂压力,造成A点地层决裂,产生井漏.同理,当从B点钻进至C点,假如在B点井深处没下套管固井,那么跟着井深的变更,钻达C点所用泥浆密度在B点产生的压力就会大于B点地层决裂压力,造成B点地层决裂,产生井漏.

图1-1下套管固井道理示意图

2）.封隔油.气.水层,防止层间互窜.

固井工程不但关系到钻进的速度和成本,还影响到油气田的开辟.（如图1-2所示）,假如油.气层与水层间水泥凝聚不好,层间互相窜通,那么会给油气田开辟带来很大艰苦.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.气层压力时,水便会窜入油气层内,造成油田开辟早期出水,轻微时会水淹损坏全部油气田.是以,必须确保固井质量,对地层内不合类型的流体有用封隔.

3）.支持套管和井口装配,树立油气通道.

钻完井工艺请求固井后套管与地层间在水泥感化下应具有优越的胶结,因为固井后水泥环不但要支持套管的重量,并且要推却装配在套管上井口装配的重量,预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配的不稳固,影响正常功课或油气通道的树立.

4）呵护上部砂层中的淡水资本不受下部岩层中

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前提;

2.固井的请求

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症结庞杂的功课,是百年大计.固井质量的利害关系到油井可否正常投产和油田寿命的长短.固井质量的症结地点就是下入井内的套管柱的强度和环形空间的密封问题.是以对于固井的请求必须作到以下几个方面：

1.套管柱的设计必须包管该套管串的任何部位在响应的井段有足够抗拉.抗挤.抗内压强度,以包管下入井内的套管不竭.不裂.不变形;

2.套管柱的衔接必须包管用划定的上扣扭矩上紧丝扣,包管套管衔接的密封性;

3.环形空间的水泥环请求平均和中断封固到估计的深度,且请求水泥环与井壁及套管之间胶结和密封优越,以包管环形空间不窜.不漏,知足油气井正常临盆和分层功课的请求.

第二章套管.固井对象.附件和材料

一.API套管尺度和规范

1.长度尺度：

代号

长度规模M

最小与最大长度间的变更规模

2.钢级尺度：

API套管钢级尺度的分类是以套管材质的最小屈从强度为根据的.API尺度许可7种级此外钢材用作油井套管材料.这7种钢材分离是H－40.J－55.C－75.N－80.C－95.P－110.Q－125.V－150.（它们的最小屈从强度分离是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＝公斤/厘米2＝.是以,换算成公制单位时,它们的最小屈从强度分离是公斤/厘米2.3867.05公斤/厘米2.公斤/厘米2.公斤/厘米2公斤/厘米2.公斤/厘米2.公斤/厘米2.）

API套管钢级代号及其最小屈从强度列表如下：

最小屈从强度

钢级代号

英制单位

磅/英寸2（PSI）

公制单位

公斤/厘米2（KSC）

备注

H－40

40,000

抗硫化氢

J－55

55,000

抗硫化氢

C－75

75,000

暂行尺度抗硫化氢

N－80

80,000

C－95

95,000

抗硫化氢

P－110

110,000

高强度套管钢级

Q－125

125,000

高强度套管钢级

V－150

150,000

高强度套管钢级

API管材钢级的物理机械机能

钢级

机能

H-40

J-55

K-55

C-75

N-80

C-95

P-105

P-110

V-100

36Cr

nimo4

SAE

4140

SAE

3140

最小抗

拉强度

（公斤/

120

110

72-89

最小屈

服极限

毫米2）

100

60-72

2"试样

的最小

条状

伸长率

（％）

整体

断面压缩率

（％）

冲击韧性αk

（公斤-米/厘米2）

运用

钻杆

套

钻

接

方钻杆

规模

套管.油管

管

杆

头

接头钻进

3.API套管丝扣规范：

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）对象接头扣（TJ）即偏梯扣.VAM扣即梯形扣（统一尺寸的套管,梯形扣接箍外径比VAM扣接箍外径大,但扣型雷同,可以交换）.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.管端平展线扣型（无接箍套管扣,英文为EXTREME－LINEFORM）等.

4.API套管标识表记标帜：

1）.API钢级代号和色彩标识表记标帜

钢级

代号

色彩标识表记标帜

H－40

J－55

K－55

C－75

N－80

C－95

P－110

C－75

C－95

无色彩

一条浅绿色环带

二条浅绿色环带

兰色,特别情形接箍为兰色,且中央有一黑色环带

一条红色环带

兰色（棕色特别情形用）,特别情形接箍为兰色,且中

间有一黑色环带

白色（离接箍米处）

2）.API扣型代号

扣型

长圆扣

短圆扣

梯形扣

无接箍

代号

LCSG

SCSG

BCSG

XCSG

3）.套管辨认标识表记标帜

图2-1套管辨认标识表记标帜

圆螺纹套管标识表记标帜（示范）

API直连型螺纹套管标识表记标帜（示范）

.API套管VAM扣（示范）

厂家

用途

钢级

接箍涂色

厂家

用途

钢级

接箍涂色

新

日

铁

深井用

NT-95DS

白色夹褐色环

住友

深井用

SM-150G

紫色夹白色环

深井用

NT-125DS

白色夹黄色环

高抗挤毁

SM–95T

茶色夹红色环

深井用

NT-150DS

白色夹粉红色环

抗挤抗硫

SM-95TS

茶色夹蓝色环

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.固井对象.附件

井口对象平日包含：

套管水泥头.尾管水泥头.钻杆水泥头.快速接头.轮回优等

一）.固井对象

1.水泥头

水泥头是灌水泥施工进程的井口联接装配,用于联接套管（或钻杆）和灌水泥管汇;水泥头还用来装配胶塞,经由过程胶塞释放挡销机构控制胶塞的释放,并根据胶塞释放指导销断定胶塞是否释放.

1）.套管水泥头

套管水泥头：

在套管固井时用于衔接套管及地面固井管线,同时供给容纳1-2个套管胶塞空间配有响应释放机构.

2）.尾管水泥头

尾管水泥头由晋升短节.本体.扭转轴承机构.钻杆塞挡销机构.投球机构.钻杆联接短节和阀门管汇等部分构成,（如图2-4所示）.

尾管水泥头重要用于尾管固井,晋升短节和扭转轴承机构的感化同钻杆水泥头的对应机构雷同.坐挂尾管吊挂器时,扭转投球机构的手柄,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进下,沿钻杆内腔落到吊挂器球座上,在泵压的感化下使尾管吊挂器实现坐挂.释放尾管胶塞时,扭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进下分开钻杆塞地点内腔,沿钻杆内壁落到尾管胶塞座上,在泵压的感化下剪切释放尾管胶塞.

3）钻杆水泥头

钻杆水泥头：

在半潜式钻井平台通例套管固井时运用,重要功效是衔接井口送入对象与固井管线,并供给容纳钻杆胶塞及/或剪切球的空间,配有响应释放机构.

2.快速接头：

用于衔接套管与套管水泥头.平日快速接头下段为对应套管扣,上端为快速扣.

3.内管扶正器：

内管固井或其相似固井功课顶用于扶正钻具在套管内居中度.常为单弓型

4.轮回头

轮回头是鄙人套管或尾管半途衔接于下入套管或尾管柱上树立轮回的井口对象,（如图2-5所示）.

当套/尾管下入半途或下入套/尾管进程中遇阻时,将轮回头下端的套管扣或分体短节衔接于套管顶部,轮回头上端的接头衔接于钻台至泥浆泵的管线上,树立泥浆轮回.

5.内管灌水泥拔出头

内管灌水泥拔出头重要用于钻井进程中大尺寸表层套管固井功课的对象.

（如图2-6所示）,内管灌水泥拔出头重要由拔出头.密封圈和钻杆衔接扣等部分构成.当表层套管下到设计井深后,在钻柱底部衔接内管灌水泥拔出头,下钻并拔出与之合营的套管鞋密封插座内,即可预备固井.

图2-6内管灌水泥拔出头示意图

6.双级固井分级箍

图2－6双级固井分级箍示意图

7.尾管吊挂器

SYX-A型Φ244.5×Φ177.8（9-5/8"×7"）尾管吊挂器为单液缸.双锥体.双排卡瓦.液压坐挂式吊挂器.它重要由以下几部分构成：

如图2-7所示

a.吊挂器本体总成：

由锥体.液缸.活塞.卡瓦等件构成.

b.送入对象总成：

该对象可反复运用,由防砂罩.晋升短节.倒扣总成及中间管构成.

c.密封总成：

由密封外壳和密封芯子构成.

d.回接筒

e.胶塞：

包含钻杆胶塞和尾管胶塞.

f.球座总成

g.浮箍.浮鞋

图2-7尾管吊挂器图组

工作道理：

SYX-A型Φ244.5×Φ177.8（95/8"×7"）尾管吊挂器为液压式,采取投球憋压的方法实现坐挂.运用时合营专用的送入对象,将尾管吊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,压力经由过程吊挂器本体上的传压孔传到液缸内,压力推进活塞上行,剪断液缸剪钉,再推进推杆支持套,并带动卡瓦上行,卡瓦沿锥面涨开,楔入吊挂器锥体和上层套管之间的环状间隙里,当钻具下放时,尾管重量被支持在上层套管上.中断打压,憋通球座,树立正常轮回.然落后行倒扣.灌水泥.替浆功课.最后将送入对象和密封芯子提离吊挂器并轮回出过剩水泥浆,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诱套管柱入井,防止套管柱底部拔出井壁后遇阻;套管浮箍装在浮鞋以上2～3根套管处,为胶塞供给碰压地位,当上胶塞到达浮箍时,泵压会忽然升高,这时刻解释胶塞已碰压,固井替浆停止.不管浮鞋/箍,两者都具有一个单流阀机构（图4-24）,该阀可防止固井停止后套管环空内的流体进入套管内,同时,在管串入井时还可削减大钩载荷.

单回压阀浮鞋双回压阀浮鞋可拔出对象式浮箍（内管固井）

单回压阀浮箍可拔出对象式浮箍

2.胶塞

1）.套管胶塞套管胶塞（图4-25）重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离隔,防止后面的水泥浆受顶替液的污染,同时顶塞还用来碰压,指导固井替浆停止.

2）.尾管胶塞组尾管胶塞（图4-27）衔接在尾管送入对象中间管下端的接箍上,钻杆胶塞经由过程尾管水泥头进行投放,刮去钻杆内的水泥浆并与尾管胶塞复合后,剪切释放尾管胶塞.尾管胶塞下行顶替水泥浆至球座后碰压.

3.套管扶正器

套管扶正器（图4-28）有弹性和刚性之分,它们的感化是扶正套管,进步套管在井眼中的居中度,使套管与井壁环空的水泥浆充填平均,包管固井质量.套管扶正器平日安顿在油层.水层高低,井径不规矩处,浮鞋.浮箍的高低,尾管重叠段等地位.

焊接式扶正器

n用于所有的通例井

n一体式搭钮可推却较大负荷

n高等弹性弓板

n自锁式搭钮销钉可防止松脱

n超强度焊接

非焊接式扶正器

n超出API10D尺度请求

n弓板固定坚固

n环板强度高.搭钮壮实

n自锁式搭钮销钉易装配且不会松脱

双弓扶正器

n较好的扶正后果利于顶替

n入井磨阻小

n削减卡钻.管柱易于运动

n增长接触面,削减弓板压入井壁的深度

螺旋刚性扶正器

•确保任何井斜下的扶正后果

•极好的扰流机能

•在井眼曲率较大的井段和产层经常与弹性扶正器一路运用

机械减阻对象

4.扶正器止动环

图4-29所示为多种类型的扶正器止动环.止动环装在套管本体上,限制套管扶正器高低运动,确保水泥浆重点封隔规模.

5.Weatherford-Gemoco（威德福—吉母壳分级箍

尺寸inch

95/8"

133/8"

钢级

P110

公称重量lb/ft

26-32

61-72

壁厚mm

最大外径inch

最大外径mm

381

钻后内径inch

钻后内径mm

长度mm

790

922

904

开孔套内径mm

关孔套内径mm

开孔压力psi

700-1000

开孔压力MPa

关孔压力psi

1200

1000

关孔压力MPa

最大负载（SF1.5）1000lbs

653

1071

1441

抗拉强度t

最大内压（SF1.2）psi

10170

9320

6350

最大内压MPa

最大外挤（SF1.2）psi

9640

7450

2990

最大外挤MPa

三）.固井材料

1.API油井水泥及规范

根据API规范划定:

油井水泥分为8个级别A.B.C.D.E.F.G.H;

油井水泥分为3大类:

通俗型（O）.中抗硫酸盐型（MSR）和高抗硫酸盐型（HSR）（见表2-1）.

近年来,国外波特兰水泥已从原有的A.B.C.D.E.F.G和H级简化为5种,即A.B.C.G.H级水泥用于井温76℃以下的井;G.H级水泥用于井温大于76℃的井.在固井功课中,G级水泥经由过程参加快凝剂懈弛凝剂可用于低.中.高温井,实用于全井段所有套管层次的固井功课.（见表2-1）

表2-1API规范10A油井水泥级别界说

分级

类型

实用井温规模

特别

选择

分级

类型

实用井温规模

钻井的特别选择

低温井选用

MSR.HSR

MSR

HSR

低温井选用

MSR

HSR

中温井选用

MSR

HSR

中.高温井选用

被用于全井各层次套管固井

MSR

HSR

MSR

HSR

中.高温井选用

2.油井水泥添加剂

因为井下情形比地面前提良好得多,为了使水泥浆普遍地用于油田钻井.完井.修井等功课中,对水泥浆密度.稠度.稠化时光和抗压强度等都具有更高的请求,采取纯水泥已远远不克不及知足工艺技巧请求,必须依附外加剂来调节其运用机能.

1.水泥添加剂的种类

今朝经常运用外加剂的种类重要有：

缓凝剂.降掉水剂.疏散剂.消泡剂.促凝剂.抗高温强度稳固剂.减轻剂等等,其重要感化如下：

缓凝剂：

主如果延伸水泥浆稠化时光或凝聚时光.

促凝剂：

主如果缩短水泥浆稠化时光以及增大水泥石的早期抗压强度.

降掉水剂：

重要用以防止水泥浆急剧掉水,呵护油气层.

减轻剂：

主如果下降水泥浆密度,防止水泥浆在低压漏掉层产生漏掉.

疏散剂：

用以改良水泥浆的流淌机能,有利于水泥浆在低泵速泵压下进入紊流状况.

消泡剂：

防止和防止消融水起泡,稳固水泥浆密度.

抗高温强度稳固剂：

在深井.高温情形下,参加硅粉,防止水泥石抗压强度消失热阑珊现象.

2.塔里木油田固井经常运用添加剂

塔里木油田经由多年来的固井实践,重要选用了3大类型的固井添加剂,根本上知足了深井.庞杂井固井施工对水泥浆机能的请求.

①.兰德（LANDY）系列添加剂：

LANDY-806L和LANDY-89L两个系列,重要用于中高温井（80～120℃）.

②.欧美科（OMEX）系列添加剂：

OMEX－FS-23L系列,重要用于高温井（120～140℃）.

3.斯伦贝谢（Schlumberger）D168高温系列添加剂：

重要用于超高温井（160~180℃）.

第三章固井工程技巧基本

油.气井固井：

是将油井水泥.水以及添加剂按必定的比例混杂后,经由过程固井泵泵送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）之间稳固粘结,具有必定强度且密封优越（图3-1所示）.

一.固井工艺

1.井身构造

井身构造（图3-2）是指套管层次和每层套管的下入深度.水泥浆的返高及套管和井眼尺寸的合营.井身构造不单关系到钻井工程的整体效益,还直接影响油井的质量和寿命.各层套管的具体感化为：

①导管：

树立表层钻进的泥浆轮回.

②表层套管：

用于封隔上部不稳固的松软地层和水层,装配井口装配,控制井喷和支持技巧套管与油层套管的重量.

③技巧套管/尾管：

用以分隔难以控制的庞杂地层,包管钻井工作顺遂.技巧套管/尾管不是必定要下的,争夺不下或少下技巧套管/尾管.

④油层套管/尾管：

用以把临盆层和其他地层封离隔,把不合压力的油.气.水层封隔起来,在井内树立一条油.气通路.包管长期临盆,并能知足合理开采油.气和增产措施的请求.

2.固井办法及工艺流程

1）.内管柱固井（拔出法固井）

如图3-3所示,把与钻柱衔接好的拔出头拔出套管浮箍/鞋的密封插座内,然后经由过程钻柱灌水泥进行固井功课,称为拔出法固井.内管柱固井重要用于大尺寸（16″~30″）导管或表层套管的固井,其长处为：

1在无大尺寸胶塞.水泥头的情形下,可对大尺寸套管进行固井.

2经由过程钻柱灌水泥.顶替,可大大削减对水泥浆的污染.

3减小水泥浆的糟蹋,有用包管固井质量.

在大套管内用钻柱对套管进行固井功课的办法称为内插法固井.因为内管柱内径相对很小,不但可以提嵬峨直径套管的注速,削减替浆有利于精确控制替浆量.并且可以防止水泥浆在套管内混浆和串槽.内插法固井重要用于大直径的表层套管和技巧套管的固井.（对象如图示）.

2）内插法固井技巧要点

（1）插管头规格（Ф130.Ф105.Ф90等）mm

Фmax=（132.7.86.59.63.62）cm2=S头

（2）插管座深度H<36.36m时,需加7″钻铤1柱（约27m）,

插管座深度H>36.36m时,可不加7″钻铤,但照样加1柱最好,

总之：

（W方钻杆+W钻杆+W钻铤）之总重量≥（0.01LMPa+C）×S头.

（3）水泥石抗压强度>3.5MPa时可以钻水泥塞（抗压强度由室内实验得知）.

3）内插法固井工艺流程

管串构造

浮鞋（引鞋）+套管1根+浮箍（带配套插管座）+套管;

固井工艺流程

（1）.下原钻具通井,对缩径及阻卡井段卖力扩划眼,大排量洗井,包管井下清洁.井眼疏浚;

（2）.下套管,按管串构造下送到位;

（3）.下内管构造：

拔出头+5″钻柱（等）;

（4）.将内管拔出插座,开泵轮回,检讨拔出接头与插座密封是否优越;

（5）.施工：

地面管汇试压—注前置液—灌水泥浆至返出—替清水;

（6）.将内管起出,检讨是否有回流;

（7）.候凝（可立刻装井口）.

4）套管上浮盘算

w：

----------套管每米重量kg/m

vi：

----------套管内容l/m

vo：

---------套管闭排l/m

ρm：

---------泥浆密度g/cm3

ρc：

---------水泥浆密度g/cm3

L：

----------套管长度m

l：

-----------水泥塞长度m

W套管重量kgW=w*L

Wm管内泥浆的重量kgWm=ρm*（L-l）*vi

Wp管内水泥浆的重量kgWp=ρc*l*vi

Wf水泥浆对套管的浮力kgWf=ρc*L*vo

当W

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