固井教案Word文档下载推荐.docx
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地层代号
底界深度
最大井斜
方位
最大井底位移
油
气
水
层
分
布
情
况
三、井下复杂情况概述
四、水泥用量计算（预计）
井段（m）
井筒容积m3
井径cm
段长m
环形容积
钻头尺寸mm
套管尺寸mm
油顶m
油气底部m
水泥返高m
阻流环位置m
套管下深（预）
封固段长m
袋配灰浆
水泥基数
附加系数%
管内水泥t
共需水泥
平均环容L/m
平均井径cm
井径扩大%
自
至
L/m
合计（L）
合计
送水泥（t）
五、有关计算（预计）
替
浆
量
壁厚（mm）
段长（m）
每米容积（L）
段容积（L）
累计容积（L）
泵压
静压差
P1=MPa
循环泵压
P2=MPa
最高泵压
P3=P1+P2=MPa
施工时间
注隔离液时间
t1=min
注水泥时间
t2=min
压胶塞倒闸门时间
t3=min
替钻井液时间
t4=min
施工总时间
t5=min
温度压力
井底最高静止温度
BHST=℃
灰浆最高受热温度
T受=℃
井底最高压力
Pmax=0.01rd=MPa
备
注
六、施工方案数据（预计）
套管附件
扶正器
下部结构
规格
数量
固井前洗井
泵数
排量
要求
钻井液性能
密度
g/cm3
粘度S
初切Pa
失水ml
含砂%
泥饼mm
车辆布置
分工
注灰
供水
压塞
压风机
管汇
灰罐
备用
总数
车型
台数
注隔离液
类型
数量m3
管汇试压MPa
注水泥
灰罐分组
最大排量l/s
水泥浆分段设计
分段
添加剂比例
水泥吨数
平均密度范围
稠化时间
一
二
三
压胶塞
压塞液类型
压塞液数量
替钻井液
替浆泵数（缸径×
凡尔数）
替浆排量
备注
七、重点措施说明
第二节油井水泥
一、油井水泥的定义
凡将石灰质物质与粘土物质或其它含氧化硅、氧化铝及氧化铁的物质均匀混合，在烧结温度下煅烧，并将所得的熟料粉磨，制得的产品称为波特兰水泥，即硅酸盐水泥。
二、API级别油井水泥
1.API水泥适用范围
表2-1API水泥使用范围
API
级别
使用深度
范围（m）
普通
抗硫酸盐型
中
高
A
0-1830
●
─
普通水泥，无特殊性能要求
B
中热水泥，中和高抗硫酸盐型
C
早强水泥，分普通、中和高抗硫酸盐型
D
1830-3050
用于中温中压条件，分中和高抗硫酸盐型
E
3050-4270
基本水泥加缓凝剂，高温高压条件，分中和高抗硫酸盐型
F
3050-4880
基本水泥加缓凝剂，超高压温度用，分中和高抗硫酸盐型
G
0-2440
基本水泥，分中和高抗硫酸盐型
H
J
3660-4880
普通型，超高温，压力条件
2.API水泥浆性能
表2-2API水泥浆性能
水灰比
每袋用水量
水泥浆密度
103×
kg/m3
每袋水泥配浆量
42.64Kg
50.0kg
l/SK
46
19.65
23.04
1.88
33.14
38.86
56
23.89
28.01
1.773
37.38
43.83
38
16.24
19.04
1.976
29.74
34.87
44
18.78
22.02
1.90
32.28
37.85
3、水泥熟料
水泥熟料中四种“活性成分”化合物水化时对强度产生影响是：
①C3A（铝酸三钙），由氧化钙和三氧化二铝结合生成。
C3A对水泥最终强度影响不大，但对水泥凝固速度影响，对水泥早期强度形成起重要作用。
它的凝固时间靠石膏控制。
C3A水化最终产物易受硫酸盐水侵蚀。
HSR水泥中要求控制C3A含量小于3%，但对具有高早期强度水泥C3A含量可达15%。
②C3S（硅酸三钙），由氧化钙和三氧化二硅形成，它是波特兰水泥主要成分。
缓凝水泥中占40-45%，在高早期强度水泥占60-65%。
C3S对水泥强度形成有较大影响，尤其是对早期强度的影响。
③C2S（硅酸二钙），由氧化钙和二氧化硅反应产物，对水泥最终强度起重要影响，C2S水化缓慢，因此不影响初凝时间。
④C4AF（铁铝酸四钙），由氧化钙、三氧化二铝和三氧化二铁形成，对强度影响甚小，对HSR水泥，API标准规定一份铁铝酸四钙加两份硅酸三钙的总含量不应超过24%。
水泥熟料除上述四种基本化合物外，还可能含石膏，碱金属类硫酸盐，氧化镁，游离氧化钙和其它混合物，它不影响凝固水泥性能，但影响水化速度，抗化学侵蚀能力及水泥浆性能。
典型的API水泥成分见下表2-3：
化合物
瓦格纳细度
cm2/g
C3S
C2S
C3A
C4AF
53
24
8（+）
8
1600～1800
47
32
5（-）
12
58
16
1800～2200
D及E
26
54
2
1200～1500
G及H
50
30
5
化合物代号：
C（CaO），S（SiO2），A（Al2O3），F（Fe2O3）
表2-4矿物成分对物理性能影响
项目
代号
矿物分子式
早期强度
长期强度
水化反应速度
水化热
收缩
抗硫酸盐腐蚀性能
3CaO·
SiO2
良
-
劣
迟
小
Al2O3
速
大
低
Al2O3·
Fe2O3
典型的氧化物分析见表2-5
表2-5硅酸盐水泥典型的氧化物分析（G级）
氧化的
含量百分比
二氧化硅（SiO2）
22.43
氧化钙（CaO）
64.77
三氧化二铁（Fe2O3）
4.10
三氧化二铝（Al2O3）
4.76
氧化镁（MgO）
1.14
三氧化硫（SO3）
1.67
氧化钾（K2O）
0.08
烧失量
0.54
4、水泥浆凝结硬化三个阶段
水泥与水发生水化反应是一个复杂过程，一般认为水泥浆由液相凝聚固化可分为三个阶段
1）胶溶期
水泥遇水后，粒面发生相溶解和水化反应，水化产物浓度迅速增加，达饱和状态时，部分水化产物以胶态粒子或小晶体析出，形成胶溶体系。
2）凝结期
水化作用由颗粒表面向深部发展，胶态粒子大量增加，晶体开始相互联结，逐渐絮凝成凝胶结构，水泥浆已失去流动性。
3）硬化期
水化过程进一步更深入发展，这时大量晶体析出，并相互联结，使胶体紧密，结构强度明显增加，逐渐硬化成微晶结构的水泥石固体。
5、油井水泥浆性能
1）水泥浆自由水（游离液）
即为水泥浆的游离水，也称析水。
按不同固井要求，允许有一定量的游离液。
对于大斜度井及水平井来说，水泥浆游离液必须为零。
在注水泥过程中，游离液会浮在水平井井眼上侧，形成一条横向通道，地层液体将通过此通道窜流，影响固井质量。
方法：
带有刻度，体积为250ml的量筒来模拟井眼，测量2小时后水泥顶面游离液体积，用%表示。
2）水泥浆密度
在标准状态下，单位体积内水泥浆的重量。
水泥浆的密度是由组成水泥浆的材料决定的。
由于水泥浆是由水泥配浆水以及外加剂或外掺料组成，所以组成水泥浆的这些材料的密度和掺数直接影响水泥浆的密度。
水泥浆密度一般可通过改变水灰比或加入密度调节剂（减轻剂或加重剂）来进行调节，以满足不同井况的需要，目前常用水泥浆密度分级：
超低密度水泥浆（采用充气体），ρ<
1g/cm3
低密度水泥浆（加入减轻剂），ρ=1.35-1.70g/cm3
纯水泥浆,ρ=1.90-1.97g/cm3
高密度水泥浆，ρ=2.1-2.38g/cm3
超密度水泥浆，ρ=2.39-3.00g/cm3
计算水泥浆密度的公式：
ρCS=（MC+M1+M2+Mw）/（VC+V1+V2+VW）……………………（2-1）
经过变换，水泥浆密度可写成以下形式：
式中：
ρCS——水泥浆密度，g/cm3
MC——干水泥质量，g
M1——外加剂质量，g
M2——外掺料质量，g
MW——配浆水质量，g
VC——干水泥体积，cm3
V1——外加剂体积，cm3
V2——外掺料体积，cm3
VW——配浆水体积，cm3
m1——外加剂质量与水泥质量之比
m2——外掺料质量与水泥质量之比
m——水灰比
ρ1——外加剂密度，g/cm3
ρ1——外掺料密度，g/cm3
ρC——干水泥密度，g/cm3
当M1和M2确定之后，可以通过调节水灰比大小，计算所要求的水泥浆密度。
如未使用外掺料，即M2=0，而外加剂的加量一般较少，且ρ1=ρC，则式2-2将变为以下式子：
3）水泥浆失水量
API标准测量的失水量是指水泥浆在定压差作用下，水泥浆滤液渗入渗透性滤网的流体体积。
由于水泥浆是由固相和液相组成，为了使水泥浆保持适当的可泵性，需要加入超过水泥水化所需的水量。
原浆（净水泥）在渗透层受压时，促使水泥浆失水（脱水），致使水泥浆增稠或“骤凝”造成憋泵。
因此，在水泥浆中一般需要加入一些降失水剂来控制水泥浆的失水量，降失水剂的作用是束缚多余的水分，并防止这些水分从水泥浆中被分离出去，从而使水泥浆的水灰比变化不大。
不同作业对水泥浆降失水量的要求：
套管注水泥：
100－200ml（API失水量）
尾管注水泥：
50－150ml
挤水泥：
50-150ml
打水泥塞：
150ml
控制气窜：
30-50ml
水泥浆失水量由水泥浆失水试验仪测定。
该仪器由浆杯、温度、压力控制器组成。
失水试验是在7000KPa±
345KPa压差作用下，测量30min，通过标准滤网（在60目筛网上叠加一层325目筛网）的滤液体积。
如测量时间为t（小于30min），其滤液体积为Qt，则API失水量可由以下公式表示：
由于水泥浆失水仪的浆杯内直径为54.1mm，渗滤面积为22.9cm2，为钻井液常用标准失水仪滤面积的一半，故式（2-4）带有系数2。
API失水量测量方法存在的问题：
①未考虑水泥浆在动态条件下的失水；
②凝固阶段的静失水，其压力是不断降低的，而API测定失水量的压差为恒定的7MPa；
③忽略了钻井液泥饼的阻挡作用。
4）水泥浆的稠化时间及初始稠度。
水泥浆的稠时间是指水泥浆在流动过程丧失流动的时间。
一般用稠度表示，稠度单位是BC。
当水泥浆在模拟搅拌试验中，其稠度达到100BC时，水泥浆已丧失流动性能，所测得的时间定义为稠化时间。
初始稠度值反映水泥浆配浆初期的流动性能，即稠度试验开始15-30min之间，水泥浆的最大稠度值。
水泥浆稠化时间≥施工时间+1～1.5h
安全可泵时间=70%稠化时间，即：
70BC的稠化时间。
5）稳定性
不分层，不沉淀，稳定性差，一般游离液较大，在水泥柱中形成油气水窜的通道，水泥环质量差，水泥石致密程度上下不均匀。
6、水泥石性能
1）抗压强度：
指破坏水泥试样时单位面积所作用的压力，水泥石的抗压强度3.45MPa，能支撑套管，满足钻进。
7-14MPa，满足射孔作业
<
7MPa，水泥胶结与密封性差。
2）胶结强度
反映水泥与地层，水泥与套管之间界面胶结，封隔性能参数。
3）体积收缩性
硅酸盐水泥与水反应时，水泥水化反应生成物的总体积减少，这种现象称为水泥水化后的“减缩”或称“体积收缩”。
在常压下，水泥浆凝结由液态向固态转化，其收缩率大约为2%，线性膨胀大约为0.1%，微间隙0.1mm，影响声幅的传播时速，固井质量不好。
4）渗透率：
指水泥石抵抗流体通过的能力。
单位用μm2表示。
水泥石的渗透率指标对于控制腐蚀速度和防止气窜具有重要意义。
5）抗腐蚀性
地层中的腐蚀介质会导致水泥环破坏，造成地下流体窜通，出现油、气、水窜和流失等问题，提高水泥石的抗腐蚀性能对延长油气井寿命具有重要的意义。
腐蚀介质不同，水泥石腐蚀分类：
浸蚀型：
Ca（OH）2被浸出产生腐蚀；
冲刷型：
如MgCl2，MgSO4的腐蚀；
酸性腐蚀型：
如H2S，H2CO3的腐蚀；
硫酸盐腐蚀：
如Na2SO4，MgSO4的腐蚀；
热腐蚀：
环境温度增高对水泥石的腐蚀。
第三节固井施工作业
一、施工作业程序
1、安全试压：
根据作业类型及施工最高压力进行施工前的高压管汇（注水泥系统）安全试压，一般试压20-25MPa，压力不降为准。
2、注前置液和隔离液
3、注水泥浆：
注入水泥浆密度（低密度、常规水泥浆密度）要均匀，注水泥排量保持稳定排量，不能忽大忽小。
4、水泥头操作：
先关注灰闸门，再开水泥头挡销（同时打开），开压塞闸门，进行压塞，开冲洗闸门，把管线内水泥浆冲洗干净，压塞500L后关水泥浆挡销，并打开替浆闸门。
5、压塞后500L，开泥浆泵替浆，记录替浆排量，施工压力，胶塞替入阻流环观察碰压信号，停泵，替浆结束，使用裸眼封隔器时，要留足1-2m3替浆量，改用水泥车小排量（500-800L/min）用钻井液碰压，碰压后压力顶至20-21MPa，稳压5min放压，注水泥施工完毕。
6、环空加回压：
关闭封井器，用水泥车从压井三通处缓慢加压，当失重压力较大时，应分步加压，确保加压压力超过失重压力2-3MPa，加回压后确保12-20h不能入压。
7、收集施工数据，填写《统一数据表》或《固井施工质量评价表》，以确定固井质量评价。
二、注水泥设计原则
1、平衡压力原则
平衡压力注水泥的两个过程：
顶替过程与候凝全过程。
基本原则是要求在这两个过程中环空压力时刻处于一个压力平衡的状态。
1）注水泥顶替过程，要做到：
a.压稳
设计环空液柱能平衡地层压力，且在整个注水泥过程中环空压力的变化均能满足该要求：
Pa>
PP+△P…………………………………………………（3.1）
Pa——环空静液柱压力；
PP——地层孔隙压力；
△P——地层孔隙压力安全附加值
设计时应特别注意水泥浆未出套管时，而环空由较多的前置液与钻井液组成时的压力情况。
b.不漏
在整个施工过程中，环空液柱压力加上流动阻力不能大于地层的破裂压力或漏失压力。
Pa+Pfa<
（Pf或PX）+△P………………………………………（3.2）
Pfa——液体在环空的流动阻力；
Pf——地层破裂压力；
PX——地层漏失压力。
要保证这一原则的实现主要通过设计合理的环空液体组合和合理的顶替排量计划来获得。
2）注水泥候凝过程
水泥浆失重后造成环空压力不降，可能引起油、气、水窜。
采取相应措施：
a.控制水泥浆失重，使用防窜水泥浆体系（防气窜剂）；
b.防止窜流。
地层液体窜流的原因是环空压力加上地层液体在水泥浆中的流动阻力小于地层液体压力。
由于顶替质量不好，环空有滞留钻井液形成了地层流体窜流的通道。
Pa+PC<
PP………………………………………（3.3）
PC——地层流体在水泥浆的流动阻力，与水泥浆的静胶凝强度发展有关。
三、水泥浆配方与性能试验
根据水泥浆性能要求，选择水泥浆配方（水泥+W/C+外加剂），然后，在选定的试验条件下进行全套性能试验，并通过调节外加剂的加量，使水泥浆性能达到设计要求。
达不到设计要求则应更换外加剂体系和水泥浆配方，直到达到设计要求为止。
1、试验条件
水泥浆性能试验条件，应是在模拟所设计井的实际井况和施工过程而定的，主要有：
1）温度条件
井底静止温度，井底循环温度，水泥浆柱顶面温度，稠化时间实验，使用井底循环温度。
2）压力条件
实际井底压力数据来确定。
2、外加剂选择
应注意以下要求
1）具有一定的通用性。
除解决主控性能要求外，应保持水泥石的抗压强度，改善流变性，稳定性（斜井，同一密度变化达0.018g/cm3时，该水泥浆性能不合格。
）
2）加入量应有一定范围和宽度，且有一定的线性关系，非逆转性。
3）所有外加剂应具有良好的使用性，即操作性。
4）选用的特殊外加剂应能与常规外加剂配伍和相容，常规外加剂——消泡剂，促凝剂，缓凝剂，减轻剂与加重剂等。
四、用量计算
1、水泥浆用量
1）计算水泥浆总量
VC=VCa+VCP………………………………………（3.4）
VC——注入水泥总量，m3；
VCa——环空水泥浆量，m3；
VCP——管内水泥塞用量，m3。
2）环空水泥浆量计算（裸眼段）
VCa=π/4（D2-d2）H………………………………………（3.5）
工程计算：
井段
自至
井径
井筒容积
段长
环空容积
总容积
※注：
水泥附加量（电测井径数据误差所致）
3）管内水泥浆用量计算：
VCP=π/4·
di2·
h………………………………………（3.6）
di——套管内径，cm；
5-1/2"
：
7.72m/m壁厚，内容积12.13L/m；
9.17m/m壁厚，内容积11.57L/m；
10.54m/m壁厚，内容积11.05L/m；
h——水泥塞长度，m；
第四节特殊井固井技术
一、高压油气井注水泥实例
1、正常的地层孔隙压力梯度，大约等于给定垂深的理论静水柱压力梯度，折合的当量密度：
1.0Kg/m3。
2、异常压力的确定
P=0.01ρL……………………………………………（3-7）
P——静液柱压力，MPa；
ρ——液体密度，g/cm3；
L——井深，m；
按国内现场经验，ρ≥1.4g/cm3，属于高压油气井液水泥作业范畴。
高压油气井固井质量三大难点：
窜槽，漏油气及漏失。
3、中原油田高压油气井固井工艺技术实例：
文72-462井（2005年4月22日固井）：
开发井井号:
文72-462
φ139.7队号:
45709
编写张学亮
2005年4月21日
验证批准：
审批：
批准：
Φ339.7×
164.76m
隔离液高度:
2430m
水泥返高:
2550
2550m
Φ244.5×
2702.99m
双凝界面:
3200m
封隔器：
33235～3245m
3450～3460m
Φ139.7×
3782m（预）
阻流环位置：
3770m
Φ215.9×
3790m
二、钻井、地质数据
2005/2/22
2005/2/24
2005/3/10
2005/4/
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