井身结构设计与固井

1、会计学1井身结构设计与固井井身结构设计与固井23oil zone 中间套管中间套管(技术套管技术套管)表层套管表层套管生产套管生产套管(油层套管油层套管)主要内容主要内容: 井身结构设计井身结构设计 套管柱设计套管柱设计 注水泥技术注水泥技术 套管损坏与防护套管损坏与防护一开一开二开二开三开三开4井身结构井身结构油井基础，全井骨架油井基础，全井骨架固井工程固井工程套管柱设计和注水泥套管柱设计和注水泥不仅关系全井能否顺利钻进完井，不仅关系全井能否顺利钻进完井，而且关系能否顺利生产和寿命。而且关系能否顺利生产和寿命。2006年年3月月25日，重庆开县罗家日，重庆开县罗家2井，井，套管破损，地下井漏

2、，套管破损，地下井漏， H2S喷出，喷出， 12000人紧急疏散，人紧急疏散，2口井报废口井报废。570年代以来，我国油气田套管损坏现象十分严重。1998年底大庆、吉林、中原、胜利、辽河等10多油田套损井达14000多口，若按每口井较低成本150万元计，仅套损直接损失210亿元，还不计油井损坏停产损失。2005年，套损严重油田累计套损井数和占投产井数比例： 大庆：8976口，占16%以上； 吉林：2861口，占30%以上； 胜利：3000多口，占多口，占10%以上以上； 中原：占投产井数投产井数23.3%； 并且各油田套损井数有上升趋势。6 第一节第一节 井身结构设计井身结构设计 内容：内容：

3、套管层次；套管层次； 每层套管下深；每层套管下深； 套管和井眼尺寸配合。套管和井眼尺寸配合。一、套管的分类及作用一、套管的分类及作用二、井身结构设计原则二、井身结构设计原则三、井身结构设计基础数据三、井身结构设计基础数据四、裸眼井段应满足力学平衡四、裸眼井段应满足力学平衡五、井身结构设计方法（举例）五、井身结构设计方法（举例）六、套管尺寸和井眼尺寸选择六、套管尺寸和井眼尺寸选择 782、生产套管（油层套管）、生产套管（油层套管） 主要用途：用以保护生产层，提供油气生产通道。主要用途：用以保护生产层，提供油气生产通道。 下深位置：由目的层位置及完井方式而定。下深位置：由目的层位置及完井方式而定。

4、3、中间套管（技术套管）、中间套管（技术套管） 在表层套管和生产套管之间由于技术要求下入的套管，可以是一层、两层或更在表层套管和生产套管之间由于技术要求下入的套管，可以是一层、两层或更多层。多层。 主要用来封隔不同地层压力层系或易漏、易塌、易卡等井下复杂地层。主要用来封隔不同地层压力层系或易漏、易塌、易卡等井下复杂地层。4、尾管（衬管）、尾管（衬管） 是在已下入一层技术套管后采用，即在裸眼井段下套管、注水泥，而套管柱不是在已下入一层技术套管后采用，即在裸眼井段下套管、注水泥，而套管柱不延伸到井口。延伸到井口。 减轻下套管时钻机的负荷和固井后套管头负荷；节省套管和水泥。减轻下套管时钻机的负荷和固

5、井后套管头负荷；节省套管和水泥。 一般用于深井和超深井。一般用于深井和超深井。910二、井身结构设计原则二、井身结构设计原则1、有效地保护油气层；2、有效避免漏、喷、塌、卡等井下复杂事故的发生，保证安全、快速钻进；3、钻下部地层采用重钻井液时产生的井内压力，不致压裂上层套管鞋处最薄弱的裸露地层；4、下套管过程中，井内钻井液液柱压力和地层压力间的压差不致于压差卡套管；5、当实际地层压力超过预测值而发生井涌时，在一定压力范围内，具有压井处理溢流的 能力。11三、井身结构设计的基础数据三、井身结构设计的基础数据 地层岩性剖面、地层孔隙压力剖面、地层破裂压力剖面、地层坍塌压力剖面。 6个设计系数：个设

6、计系数：抽吸压力系数Sb；0.024 0.048 g/cm3 激动压力系数Sg；0.024 0.048 g/cm3 压裂安全系数Sf； 0.03 0.06 g/cm3 井涌允量Sk； 0.05 0.08 g/cm3 压差允值 p； PN: 1518 MPa ，（正常压力井段），（正常压力井段） PA：2123 MPa，（异常压力井段），（异常压力井段）12131415bpDppperSNmin00981. 0min16kDDfbfpperSSS231217kDDfbpfESSS12218192021bpDppperSNmin00981. 0min3305000981. 012/435. 103

7、6. 007. 1cmgpper 在地层压力曲线上查得对应pper=1.435的深度为3200m。最后确定中间套管下深为D2=3200m。2206.003.0036.015.23200231231DkDDfbfpperSSS2306. 003. 0036. 0435. 111232002DkDDfbpfESSS24六、套管尺寸和井眼尺寸选择六、套管尺寸和井眼尺寸选择 目前我国使用最多的套管目前我国使用最多的套管/钻头系列是：钻头系列是：214) 875(7) 218(859) 4112(8313) 2117(20) 26( 套管和井眼尺寸确定一般是由内到外进行套管和井眼尺寸确定一般是由内到外进

8、行 根据采油要求根据采油要求 油层套管尺寸油层套管尺寸 匹配钻头匹配钻头 套管与井眼间间隙与井身质量、固井水泥环强度要求、下套管时井内波动压力、套管与井眼间间隙与井身质量、固井水泥环强度要求、下套管时井内波动压力、套管尺寸等因素有关，套管尺寸等因素有关，9.5mm 9.5mm 19mm19mm。 目前，根据套管层次不同，已基本形成了较稳定的系列。目前，根据套管层次不同，已基本形成了较稳定的系列。25262828导管导管26x300m 26x300m 18-5/8x300m18-5/8x300m16x2600m 16x2600m 13-3/813-3/8x2600mx2600m12-1/4x 1

9、2-1/4x 封白云岩封白云岩10-3/4x100m+9-7/8x10-3/4x100m+9-7/8x封白云封白云岩岩8-1/28-1/2* *目的层目的层77尾管尾管* *目的层目的层克拉克拉2 2气田典型井身结构气田典型井身结构2730201610-3/413-3/89-5/82.162.182.30泥线泥线90m28第二节第二节 套管柱设计套管柱设计一、套管和套管柱一、套管和套管柱 套管：套管：优质无缝钢管，一端为公扣，直接车在管体上；优质无缝钢管，一端为公扣，直接车在管体上； 一端为带母扣的套管接箍。一端为带母扣的套管接箍。 套管尺寸：套管尺寸： API标准，共标准，共14 种尺寸；种

10、尺寸； 壁厚：壁厚：5.2116.13 mm ;20,8518,16,8313,4311,4310,859,858 ,857,7,856,215,5,2142930 套管钢级：套管钢级： API标准标准 8种种10级级H-40, J-55, K-55, C-75, L-80, N-80, C- 90, C-95, P-110, Q-125（数字（数字1000为为套管的最小屈服强度套管的最小屈服强度 kpsi）。）。 螺纹类型：螺纹类型： API标准：短圆（标准：短圆（STC）、长圆（）、长圆（LTC）、梯形（）、梯形（BTC）、直连形（）、直连形（XL）。）。 套管柱：套管柱：由同一外径、不同

11、钢级、不同壁厚的套管用接箍连接组成的管柱，特由同一外径、不同钢级、不同壁厚的套管用接箍连接组成的管柱，特殊情况下也使用无接箍套管柱。殊情况下也使用无接箍套管柱。31二、套管柱受力分析及套管强度二、套管柱受力分析及套管强度 套管柱在井内所受外载复杂，不同时期（下套管、注水泥、后期开采等）套管套管柱在井内所受外载复杂，不同时期（下套管、注水泥、后期开采等）套管柱受力也不同。柱受力也不同。 分析和设计中主要考虑基本载荷：分析和设计中主要考虑基本载荷： 套管柱设计时按最危险情况考虑。套管柱设计时按最危险情况考虑。 1、轴向拉力及套管抗拉强度、轴向拉力及套管抗拉强度 （1）套管轴向拉力）套管轴向拉力轴向

12、拉力轴向拉力外挤压力外挤压力内压力内压力自重产生的拉力自重产生的拉力弯曲产生附加拉力弯曲产生附加拉力注水泥产生附加拉力注水泥产生附加拉力动载、摩阻等动载、摩阻等32自重引起的拉力自重引起的拉力 Fm 套管弯曲引起的附加拉力套管弯曲引起的附加拉力 Fbd 经验公式经验公式 ： KN定向井、水平井及大狗腿直井中，应考虑弯曲附加拉力。定向井、水平井及大狗腿直井中，应考虑弯曲附加拉力。3311(1)1010nndmiimiiiisFq LqLKN0.073bdcocFDA注水泥引起的附加拉力注水泥引起的附加拉力 Fc KN24000)(cindmchdF33其它附加拉力其它附加拉力 上提或下放套管时的

13、动载、井壁摩擦力等；上提或下放套管时的动载、井壁摩擦力等； 一般在安全系数中考虑。一般在安全系数中考虑。（2）套管的抗拉强度）套管的抗拉强度 u由拉应力引起的破坏形式：由拉应力引起的破坏形式：本体被拉断、丝扣滑扣本体被拉断、丝扣滑扣。u圆扣套管圆扣套管的丝扣抗滑扣力通常比本体的屈服拉力要小，故常用的丝扣抗滑扣力通常比本体的屈服拉力要小，故常用丝扣连接丝扣连接强度强度作为套管抗拉强度；作为套管抗拉强度；其余扣型套管需比较丝扣连接强度和本体屈服强其余扣型套管需比较丝扣连接强度和本体屈服强度，取二者中较小者作为套管抗拉强度。度，取二者中较小者作为套管抗拉强度。 套管自重产生的轴向拉力套管自重产生的轴

14、向拉力，自下而上逐渐增大，自下而上逐渐增大，在井口处达到最大在井口处达到最大。 国内在套管设计中，轴向拉力一般按套管在空气中的重力计算，不考国内在套管设计中，轴向拉力一般按套管在空气中的重力计算，不考虑浮力的作用。但在考虑轴向拉力对套管抗挤强度的影响时，按套管的浮虑浮力的作用。但在考虑轴向拉力对套管抗挤强度的影响时，按套管的浮重计算。重计算。342、外挤压力及套管抗挤强度、外挤压力及套管抗挤强度 （1）外挤压力）外挤压力 主要载荷：主要载荷： 常规情况按套管全掏空时管外压力计算：常规情况按套管全掏空时管外压力计算： MPaMPa 高塑性岩石，按上覆岩层压力计算，梯度高塑性岩石，按上覆岩层压力计

15、算，梯度 232327kPa/m27kPa/m。（2 2）套管抗挤强度）套管抗挤强度 外挤作用下破坏形式：外挤作用下破坏形式： 根据现有套管尺寸，绝大部分是失稳破坏，其抗挤强度可根据现有套管尺寸，绝大部分是失稳破坏，其抗挤强度可 在钻井手册或套管手册中查得。在钻井手册或套管手册中查得。0.00981ocdpD管外液柱压力管外液柱压力地层中流体压力地层中流体压力高塑性岩石侧向挤压力等高塑性岩石侧向挤压力等 径厚比大时，失稳破坏径厚比大时，失稳破坏(失圆、挤扁失圆、挤扁) 径厚比小时，强度破坏径厚比小时，强度破坏一般情况下，套管柱所受的外挤力，在井底最大，井口最小。一般情况下，套管柱所受的外挤力，

16、在井底最大，井口最小。35（3）双向应力下套管强度）双向应力下套管强度套管内微小单元，外载作用下产生三向应力套管内微小单元，外载作用下产生三向应力 对于薄壁对于薄壁管，管， 可忽略，变为双向应力问题。可忽略，变为双向应力问题。 由第四强度理论：由第四强度理论： 变换为椭圆方程：变换为椭圆方程： 按拉为正、压为负，根据以上方程可画出椭圆图形。按拉为正、压为负，根据以上方程可画出椭圆图形。,zrtrrt,222stztz1222stzstsz36轴向受压抗内压强轴向受压抗内压强度降低度降低轴向拉力抗内压强轴向拉力抗内压强度增加度增加轴向受压抗挤强轴向受压抗挤强度增加度增加轴向拉力抗挤强轴向拉力抗挤

17、强度降低度降低37椭圆图上椭圆图上, , 百分比为纵坐标百分比为纵坐标, , 百分比为横坐标百分比为横坐标. .由强度条件的双向应力椭圆可以看出由强度条件的双向应力椭圆可以看出: : 第一象限第一象限: : 拉伸与内压联合作用拉伸与内压联合作用 轴向拉力轴向拉力 抗内压强度增加抗内压强度增加. . 第二象限第二象限: : 轴向压缩与内压联合作用轴向压缩与内压联合作用 轴向受压轴向受压 抗内压强度降低抗内压强度降低. . 第三象限第三象限: : 轴向压应力与外挤压力联合作用轴向压应力与外挤压力联合作用 轴向受压轴向受压 抗外挤强度增加抗外挤强度增加. . 第四象限第四象限: : 轴向拉应力与外挤

18、压力联合作用轴向拉应力与外挤压力联合作用 轴向拉力轴向拉力 抗外挤强度降低抗外挤强度降低（需考虑）（需考虑）st/sz/38 考虑轴向拉力影响时的抗外挤强度公式考虑轴向拉力影响时的抗外挤强度公式 PCC的推导的推导: 如图如图: tdpccct2由双向应力椭圆方程，当由双向应力椭圆方程，当Z =0时时,22st根据上式则有根据上式则有: tdpccs2由上由上2式代入双向应力椭圆方程，简化得式代入双向应力椭圆方程，简化得 (1 .0 30 .7 4)mc ccsFppF Fm轴向拉力，轴向拉力， KN； Fs管体屈服强度，管体屈服强度，KN；，Mpa39实例计算：实例计算：某井177.8毫米圆

19、扣套管，钢级N80，壁厚为8.05毫米，轴向拉力为600千牛，求套管抗挤强度pcc。 解：解：查套管性能数据表得：兆牛。兆帕，366. 24 .26scpp849. 010366. 21062110366. 210643121431652652sspFpFK兆帕41.224 .26849. 0cccKpp403、内压力及抗内压强度、内压力及抗内压强度 （1）内压力）内压力考虑管外平衡压力，考虑管外平衡压力，一般井口一般井口有效内压有效内压最大最大。考虑三种最危险情况：。考虑三种最危险情况： 套管内完全充满天然气并关井时的内压力；套管内完全充满天然气并关井时的内压力； 以井口装置承压能力作为套管

20、在井口所受的内压力；以井口装置承压能力作为套管在井口所受的内压力； 以套管鞋处的地层破裂压力值确定井口内压力。以套管鞋处的地层破裂压力值确定井口内压力。 实际设计时，通常按套管内完全充满天然气时计算。实际设计时，通常按套管内完全充满天然气时计算。41.1155 10gasiGDppe 井底气压，井底气压，MpaG 天然气与空气密度比天然气与空气密度比,0.55gasp)(ffiGGDpffGG套管鞋处破裂压力梯度，套管鞋处破裂压力梯度，Mpa/m ；附加系数，取附加系数，取0.0012 Mpa/m 。41（2）套管抗内压强度）套管抗内压强度 内压载荷下的主要破坏形式：爆裂、丝扣密封失效内压载荷

21、下的主要破坏形式：爆裂、丝扣密封失效 抗内压强度可由钻井手册或套管手册查得抗内压强度可由钻井手册或套管手册查得（3 3）套管的腐蚀）套管的腐蚀 原因：原因：在地下与腐蚀性流体接触在地下与腐蚀性流体接触 破坏形式：破坏形式：管体的有效厚度减小，套管承载力降低，钢材性质变化，管体的有效厚度减小，套管承载力降低，钢材性质变化， 引起套管腐蚀的引起套管腐蚀的主要介质主要介质有：气体或液体中的硫化氢、溶解氧、二氧化碳有：气体或液体中的硫化氢、溶解氧、二氧化碳 抗硫套管：抗硫套管：APIAPI套管系列中的套管系列中的 H K J C LH K J C L级套管。级套管。4243三、套管柱强度设计三、套管柱

22、强度设计目的：目的： 确定合理套管钢级、壁厚以及每种套管井深区间。确定合理套管钢级、壁厚以及每种套管井深区间。 1 1、设计原则、设计原则 满足强度要求，在任何危险截面上都应满足下式：满足强度要求，在任何危险截面上都应满足下式： 套管强度套管强度 外载外载安全系数安全系数 应满足钻井作业、油气开发和产层改造需要；应满足钻井作业、油气开发和产层改造需要； 承受外载时应有一定储备能力承受外载时应有一定储备能力 经济性要好经济性要好 安全系数安全系数 抗外挤安全系数抗外挤安全系数 Sc = 1.0Sc = 1.0 抗内压安全系数抗内压安全系数 Si = 1.1Si = 1.1 套管抗拉强度（抗滑扣）

23、安全系数套管抗拉强度（抗滑扣）安全系数St = 1.8St = 1.8442、常用套管柱设计方法、常用套管柱设计方法 （1）安全系数法）安全系数法 各危险截面最小安全系数等于或大于规定的安全系数。各危险截面最小安全系数等于或大于规定的安全系数。 下部抗挤设计，水泥面上按双向应力，上部满足抗拉和抗内压下部抗挤设计，水泥面上按双向应力，上部满足抗拉和抗内压 （2）边界载荷法（）边界载荷法（拉力余量法）拉力余量法） 在抗拉设计时，套管柱上下考虑同一个拉力余量。在抗拉设计时，套管柱上下考虑同一个拉力余量。 另最大载荷法、另最大载荷法、AMOCO法、西德法、西德BEB法及前苏联方法等。法及前苏联方法等。

24、3、各层套管柱的设计特点、各层套管柱的设计特点 表层套管：主要考虑内压载荷；表层套管：主要考虑内压载荷； 技术套管：既要高抗内压强度，又要抗钻具冲击磨损。技术套管：既要高抗内压强度，又要抗钻具冲击磨损。 油层套管：上部抗内压，抗拉，下部抗外挤。油层套管：上部抗内压，抗拉，下部抗外挤。454、套管柱设计的等安全系数法、套管柱设计的等安全系数法 （1 1）基本设计思路）基本设计思路 计算可能出现最大内压力，筛选符合抗内压强度套管计算可能出现最大内压力，筛选符合抗内压强度套管 下部套管段按抗挤设计，上部按抗拉设计，各危险断面下部套管段按抗挤设计，上部按抗拉设计，各危险断面 最小安全系数要大于或等于规

25、定值。最小安全系数要大于或等于规定值。 通式：通式：套管强度套管强度 外载外载安全系数安全系数 水泥面以上套管强度考虑双向应力影响水泥面以上套管强度考虑双向应力影响 轴向拉力通常按套管在空气中的重力计算，轴向拉力通常按套管在空气中的重力计算， 当考虑双向应力时，按浮重计算。当考虑双向应力时，按浮重计算。46（2 2）设计方法和步骤）设计方法和步骤u（1）据内压筛选套管。计算该层套管所能出现的最大内压值，筛选符合抗内压强度的套管；如果是一般的井，可以在套管全部设计完后进行抗内压校核。u（2）据外挤初选第一段。按最大外挤载荷初选第一段套管。u（3）选抗挤强度较低一级套管作为第二段，确定第一段长，并

26、计算第一段顶抗拉安全系数。选择壁厚小一级或钢级低一级（也可二者都低）的套管作为第二段套管。计算该段套管的抗挤可下深度，从而确定第一段套管的使用长度。并计算第一段套管顶端的实际抗拉安全系数。u（4）水泥面以上按双向应力设计。当按抗挤强度设计的套管柱超过水泥面时，应考虑下部套管的浮重引起的抗挤强度的降低，可按双向应力设计套管柱。47u（5）按照第（3）步的方法依次确定第二段以上各段套管使用长度。当某段套管顶端的实际抗拉安全系数小于或等于规定抗拉安全系数的两倍时，其上部套管转为按抗拉设计该段套管的允许使用长度。u（6）选择抗拉强度较大一级的套管作为下一段，按抗拉设计该段及其上部套管。选择钢级高一级或

27、壁厚大一级（也可二者都高）的套管为下一段套管，按抗拉设计该段及其上部各段套管允许使用长度。u（7）抗内压安全系数校核。对事先未按内压力筛选套管的一般的井，最后需校核抗内压安全系数。若实际抗内压安全系数小于规定值，则在井控时限制井口压力在套管允许的最大压力之内，或将套管柱设计步骤改为先进行抗内压强度设计。u（8）校核温度、内外压力变化是否会导致套管破坏。48（3）设计实例：）设计实例： 例题：例题：某井某井177.8 mm （7 英寸）油层套管下至英寸）油层套管下至3500 m，下套管时的钻井液密度，下套管时的钻井液密度为为1.30 ，水泥返至，水泥返至2800 m ,预计井内最大内压力预计井内

28、最大内压力 35 Mpa，试设计该套管柱，试设计该套管柱 （规定最小段长（规定最小段长500 m ）. 解：解： 规定的安全系数规定的安全系数 ： Sc=1.0 , Si = 1.1 , St =1.8 ; 计算最大内压力，筛选符合抗内压要求的套管计算最大内压力，筛选符合抗内压要求的套管 抗内压强度抗内压强度 筛选套管：筛选套管： C-75 , L-80 , N-80 , C-90 ,C-95 , P-110 按成本排序：按成本排序： N-80 C-75 L-80 C-90 C-95 1.0 安安全全 套管套管2： 危险截面危险截面 2700 m 处，处，Sc = 1.02 1.0 安全安全5

29、3安全安全 计算套管抗拉安全系数计算套管抗拉安全系数112611.17.851.80.4234 800sttmFSF 最终结果：最终结果： D2 = 2700 m , L1 = 800 m 3）选择第三段套管，确定第二段套管长度）选择第三段套管，确定第二段套管长度 L2 查表：查表：3333380,8.05,0.3358/,26.407,2366.5,1966.1csstNtmm qKN mpMPaFKN FKN54 考虑双向应力影响，确定第三段套管可下深度：考虑双向应力影响，确定第三段套管可下深度：0 . 181. 9)(74. 003. 1 ()74. 003. 1 ()(33322113

30、3233322112DFDDqLqKpSFFppDDqLqKFdsBccsmcccBm试算法，取试算法，取 D3 =1700 m , 计算得计算得 Sc= 1.03 安安全全552220.42348000.3794 10007182308.63.21.8718msttmFKNFSF安全安全最终结果最终结果 D3 =1700 m , L2=1000m56 上部上部1700 m处套管需进行设计，转为抗拉设计处套管需进行设计，转为抗拉设计 1） 计算第三段套管按抗拉要求的允许使用长度计算第三段套管按抗拉要求的允许使用长度 L3 由：由： 实取：实取：L3 = 1100 m , 则则 32333233

31、1966.17181.811170.3358sttmstmtFSFq LFFSLmq371811000.33571087mFKN572）确定第四段套管使用长度）确定第四段套管使用长度 查表得：应比第三段套管抗拉强度高，查表得：应比第三段套管抗拉强度高， 与第一段套管相同与第一段套管相同4444480,10.36,0.4234/,48.401,3007,2611.1csstNtm mqK NmpM PaFK NFK N58 计算第四段套管许用长度计算第四段套管许用长度 L4: 实际距井口还有实际距井口还有600 m, 取取 L4 = 600 m ; 校核第四段下部的抗挤强度：校核第四段下部的抗挤

32、强度：43442611.110871.8858.70.4234stmtFFSLmq0 .182.481.9)74.003.1 (4434DFFpSdsmcc安全安全 最终结果最终结果 ：L4= 600 m , D4=600 m59 最终设计结果：最终设计结果：60 第三节第三节 注水泥技术注水泥技术 注水泥目的：注水泥目的：固定套管固定套管 封隔井内的油气水层封隔井内的油气水层 本节内容：本节内容： 油井水泥；油井水泥； 水泥浆性能；水泥浆性能； 注水泥设备与工艺；注水泥设备与工艺； 提高注水泥质量措施。提高注水泥质量措施。6162一、油井水泥一、油井水泥 油井水泥是波特兰水泥（硅酸盐水泥）的

33、一种。油井水泥是波特兰水泥（硅酸盐水泥）的一种。 对油井水泥的基本要求：对油井水泥的基本要求： （1）配浆性好，在规定时间内保持流动性。）配浆性好，在规定时间内保持流动性。 （2）在井下温度及压力下性能稳定。）在井下温度及压力下性能稳定。 （3）在规定时间内凝固并达到一定强度。）在规定时间内凝固并达到一定强度。 （4）能和外加剂相配合，调节各种性能。）能和外加剂相配合，调节各种性能。 （5）水泥石具有很低的渗透性。）水泥石具有很低的渗透性。631、油井水泥的主要成分、油井水泥的主要成分 （1）硅酸三钙）硅酸三钙 水泥的主要成分，一般的含量为水泥的主要成分，一般的含量为40%65% 对水泥强度，

34、尤其是对水泥强度，尤其是早期早期强度有较大影响强度有较大影响 高早期强度水泥中含量可达高早期强度水泥中含量可达60%65%， 缓凝水泥中含量在缓凝水泥中含量在40%45% （2）硅酸二钙）硅酸二钙 含量一般在含量一般在24%30%之间之间 水化反应慢水化反应慢 ，强度增长慢，强度增长慢 对水泥的对水泥的最终最终强度有影响。强度有影响。)(332SCSiOCaO简称)(222SCSiOCaO简称64（3）铝酸三钙）铝酸三钙 促进水泥快速水化促进水泥快速水化 其含量是决定其含量是决定水泥初凝和稠化时间水泥初凝和稠化时间的主要因素的主要因素 对水泥浆的流变性及早期的强度有较大的影响，对水泥浆的流变性

35、及早期的强度有较大的影响， 对硫酸盐极为敏感对硫酸盐极为敏感 对于有较高的早期强度的水泥，其含量可达对于有较高的早期强度的水泥，其含量可达15% 。（4）铁铝酸四钙）铁铝酸四钙 对强度影响较小，水化速度仅次于对强度影响较小，水化速度仅次于 早期强度增加较快，含量为早期强度增加较快，含量为8% 12% 。 除了以上四种成分外，还有石膏、碱金属的氧化物等。除了以上四种成分外，还有石膏、碱金属的氧化物等。)(3332ACOAlCaO简称)(4432322AFCOFeOAlCaO简称AC3652、水泥的水化、水泥的水化 水泥与水混成水泥浆后，发生化学反应，生成各种水化物，水泥与水混成水泥浆后，发生化学

36、反应，生成各种水化物， 逐渐由液态变为固态，使水泥硬化和凝结，形成水泥石。逐渐由液态变为固态，使水泥硬化和凝结，形成水泥石。 （1）水泥的水化反应）水泥的水化反应 水泥的主要成分与水发生的水化反应为：水泥的主要成分与水发生的水化反应为：OHOFeCaOOHOAlCaOOHOFeOAlCaOOHOAlCaOOHOAlCaOOHSiOCaOOHSiOCaOOHCaOHSiOCaOOHSiOCaO232232232322322322222222226364636322)(223 其他二次反应，生成物有硅酸盐水化产物及氢氧化钙等。其他二次反应，生成物有硅酸盐水化产物及氢氧化钙等。 在反应过程中，各种水

37、化产物均逐渐凝聚，使水泥硬化。在反应过程中，各种水化产物均逐渐凝聚，使水泥硬化。66（2）水泥凝结与硬化）水泥凝结与硬化 水泥硬化分为三个阶段：水泥硬化分为三个阶段： 溶胶期：溶胶期：水泥与水混合成胶体液，开始水化反应，水泥与水混合成胶体液，开始水化反应， 形成胶溶体系，此时水泥浆仍有流动性。形成胶溶体系，此时水泥浆仍有流动性。 凝结期：凝结期：水化反应由水泥颗粒表面向内部深入，水化反应由水泥颗粒表面向内部深入， 絮凝成溶胶体系，水泥浆变稠，失去流动性。絮凝成溶胶体系，水泥浆变稠，失去流动性。 硬化期：硬化期：水化物形成晶体状态，互相连接成紧密一个水化物形成晶体状态，互相连接成紧密一个 整体，

38、强度增加，硬化成为水泥石。整体，强度增加，硬化成为水泥石。 水泥石主要由三部分组成：水泥石主要由三部分组成： 无定性物质（水泥胶），晶体结构，互连成整体。无定性物质（水泥胶），晶体结构，互连成整体。 氢氧化钙晶体，是水化反应的产物氢氧化钙晶体，是水化反应的产物 未水化的水泥颗粒未水化的水泥颗粒673、油井水泥分类、油井水泥分类 （1）API水泥分类：水泥分类： A-J九级九级 A级级 ： 01828.8 m ,中热，温度中热，温度76.7 0C B级：级： 01828.8 m ,中热，温度中热，温度76.7 0C，中高抗硫两种，中高抗硫两种 C级：级： 01828.8 m , 76.7 0C

39、，高早期强度，普通、中高抗硫，高早期强度，普通、中高抗硫 D级级 ： 1828.8 3050m , 76127 0C ，中温中压，中高抗硫，中温中压，中高抗硫 E级级 ： 3050 4270m , 76143 0C ，高温高压，中高抗硫两种，高温高压，中高抗硫两种 F级级 ：3050 4880m , 110160 0C ，超高温超高压，超高温超高压， 中高抗硫中高抗硫 G级和级和H级级 ：0 2440m , 093 0C ， 中、高抗硫两种中、高抗硫两种 J级级 ：3660 4880m , 49160 0C ，普通型。，普通型。6869（2）国产以温度系列为标准的油井水泥）国产以温度系列为标准

40、的油井水泥70二、水泥浆性能与固井工程的关系二、水泥浆性能与固井工程的关系 1、水泥浆性能、水泥浆性能 水泥浆密度水泥浆密度 干水泥密度干水泥密度 3.053.20 水泥完全水化所需要的水为水泥重量的水泥完全水化所需要的水为水泥重量的20%左右左右 使水泥浆能流动加水量应达到水泥重量使水泥浆能流动加水量应达到水泥重量45% 50% 水泥浆密度水泥浆密度 1.80 1.90 之间之间 水灰比水灰比：水与干水泥重量之比。：水与干水泥重量之比。 水泥浆稠化时间水泥浆稠化时间 水泥浆从配制开始到其稠度达到其规定值所用的时间。水泥浆从配制开始到其稠度达到其规定值所用的时间。 API标准：开始混拌到稠度达

41、标准：开始混拌到稠度达 100 BC 所用时间。所用时间。 API标准：初始标准：初始15 30 min 内，稠化值应小于内，稠化值应小于30 BC， 现场总施工时间内，稠度在现场总施工时间内，稠度在50 BC以内。以内。3/cmg3/cmg71水泥浆的失水：水泥浆的失水：水泥浆中的自由水通过井壁渗入地层的现象水泥浆中的自由水通过井壁渗入地层的现象 称为水泥称为水泥浆失水。一般用浆失水。一般用30 min 失水量表示。失水量表示。水泥浆凝结时间：水泥浆凝结时间： 从液态转变为固态的时间。从液态转变为固态的时间。 封固表层及技术套管，需早期较高强度，以便下道工序；封固表层及技术套管，需早期较高强

42、度，以便下道工序； 侯凝侯凝 8 h左右，开始凝结为水泥石，抗压强度左右，开始凝结为水泥石，抗压强度 2.3 MPa 以上。以上。 y水泥石强度水泥石强度 能支撑和加强套管能支撑和加强套管 能承受钻柱的冲击载荷能承受钻柱的冲击载荷 能承受、酸化压裂等增产措施作业压力能承受、酸化压裂等增产措施作业压力z水泥石的抗蚀性水泥石的抗蚀性 主要应能抗硫酸盐腐蚀主要应能抗硫酸盐腐蚀722、水泥的外加剂、水泥的外加剂 （1）加重剂：）加重剂：重晶石重晶石 、赤铁粉等，使水泥浆密度达、赤铁粉等，使水泥浆密度达 2.3 （2）减轻剂：）减轻剂：硅藻土、粘土粉、沥青粉、玻璃微珠、火山灰等。硅藻土、粘土粉、沥青粉、

43、玻璃微珠、火山灰等。 可使水泥可使水泥 浆的密度降到浆的密度降到 1.45 （3）缓凝剂：）缓凝剂：丹宁酸钠、酒石酸、硼酸、铁铬木质素磺酸钠、丹宁酸钠、酒石酸、硼酸、铁铬木质素磺酸钠、 羧甲基羟乙羧甲基羟乙 基纤维素等。基纤维素等。 （4）促凝剂：）促凝剂：氯化钙、硅酸钠、氯化钾等氯化钙、硅酸钠、氯化钾等 （5）减阻剂：）减阻剂：奈磺酸甲醛的缩合物、铁铬木质素磺酸钠、奈磺酸甲醛的缩合物、铁铬木质素磺酸钠、 木质素磺酸木质素磺酸 钠等。钠等。 （6）降失水剂：）降失水剂：羧甲基羟乙基纤维素、丙烯酸胺、粘土等。羧甲基羟乙基纤维素、丙烯酸胺、粘土等。 （7）防漏失剂：）防漏失剂：沥青粒、纤维材料等沥

44、青粒、纤维材料等3/cmg3/cmg733、特种水泥、特种水泥 （1）触变性水泥：）触变性水泥：水泥浆静止时，形成胶凝状态，但流动时胶凝状态被破坏，流水泥浆静止时，形成胶凝状态，但流动时胶凝状态被破坏，流动性良好。动性良好。 （2）膨胀水泥：）膨胀水泥： 凝固时体积略膨胀。用于高压气井。凝固时体积略膨胀。用于高压气井。 （3）防冻水泥）防冻水泥 ：地表温度较低地区表层套管固井。地表温度较低地区表层套管固井。 （4）抗盐水泥：）抗盐水泥：含大量含大量NaCL，用于泥页岩和膨胀性地层。，用于泥页岩和膨胀性地层。 （5）抗高温水泥：）抗高温水泥：加入石英砂和铝酸盐。加入石英砂和铝酸盐。 （6）轻质水

45、泥：）轻质水泥：加入轻质材料。加入轻质材料。74三、前置液三、前置液 将水泥浆与钻井液隔开，起隔离、缓冲、冲洗作将水泥浆与钻井液隔开，起隔离、缓冲、冲洗作用，可提高固井质量。用，可提高固井质量。 前置液在环空中高度不超过前置液在环空中高度不超过250m。 1、冲洗液：、冲洗液：低粘度、低剪切速率低粘度、低剪切速率 、低密度，用于、低密度，用于有效冲洗井壁及套管壁，清洗残存的钻井液及泥饼有效冲洗井壁及套管壁，清洗残存的钻井液及泥饼。 2、隔离液：、隔离液： 有效隔开钻井液与水泥浆，以便形成有效隔开钻井液与水泥浆，以便形成平面推进型的顶替效果，通常为粘稠液体。平面推进型的顶替效果，通常为粘稠液体。

46、 75四、注水泥设备与工艺四、注水泥设备与工艺 1、注水泥浆主要设备、注水泥浆主要设备 水泥车、水泥罐车、供液车、管汇车、压塞车等水泥车、水泥罐车、供液车、管汇车、压塞车等 2、主要工具、主要工具 引鞋、套管鞋、回压凡尔、承托环（生铁圈）、套管引鞋、套管鞋、回压凡尔、承托环（生铁圈）、套管扶正器、联顶节、水泥头等扶正器、联顶节、水泥头等 3、注水泥工艺、注水泥工艺联顶节套管井壁套管扶正器生铁圈回压凡尔套管鞋引鞋水泥头76（1 1）注隔离液）注隔离液（2 2）注水泥浆）注水泥浆（3 3）开档销、下）开档销、下入胶塞、替注泥入胶塞、替注泥浆浆（4 4）注完设计量）注完设计量后，关井、停泵后，关井、

47、停泵、候凝、候凝77五、提高注水泥质量的措施五、提高注水泥质量的措施 1、对注水泥质量的基本要求、对注水泥质量的基本要求 （1）对固井质量的基本要求）对固井质量的基本要求 水泥浆返高与水泥塞高度必须符合设计要求；水泥浆返高与水泥塞高度必须符合设计要求； 注水泥井段的环空内钻井液顶替干净；注水泥井段的环空内钻井液顶替干净； 水泥石与套管及井壁岩石胶结良好；水泥石与套管及井壁岩石胶结良好； 水泥凝固后管外不冒油、气、水，不互窜；水泥凝固后管外不冒油、气、水，不互窜； 水泥石能经受油、气、水长期侵蚀。水泥石能经受油、气、水长期侵蚀。 （2）在固井中常出现的固井质量问题）在固井中常出现的固井质量问题

48、井口有冒油、气、水现象；井口有冒油、气、水现象； 不能有效的封隔各种层位，开采时各种压力互窜；不能有效的封隔各种层位，开采时各种压力互窜； 因固结质量不良在生产中引起套管变形，使井报废等。因固结质量不良在生产中引起套管变形，使井报废等。782、影响注水泥质量的因素、影响注水泥质量的因素 （1）顶替效率低，产生窜槽。）顶替效率低，产生窜槽。 注水泥井段注水泥井段 顶替效率顶替效率 = 100% 任一截面任一截面 顶替效率顶替效率 = 100% 窜槽：窜槽： 水泥浆不能将环空中钻井液完全替走，而使环形空间局部出现未被水水泥浆不能将环空中钻井液完全替走，而使环形空间局部出现未被水泥浆封固住的现象。泥

49、浆封固住的现象。 形成窜槽的原因：形成窜槽的原因：环形水泥浆体积环形水泥浆体积环形空间体积环形空间体积环形水泥浆面积环形水泥浆面积环形空间截面积环形空间截面积 套管不居中；套管不居中； 井眼不规则；井眼不规则； 水泥浆性能及顶替措施不当水泥浆性能及顶替措施不当79套管居中时，顶套管居中时，顶效率的高低主要取决于效率的高低主要取决于顶替时的流态。顶替时的流态。套管偏心会导致宽窄间隙套管偏心会导致宽窄间隙水泥浆返高不一致。若套水泥浆返高不一致。若套管偏心严重，则可能出现管偏心严重，则可能出现窄间隙的钻井液根本不能窄间隙的钻井液根本不能被顶走而滞留在原处的窜被顶走而滞留在原处的窜槽现象。槽现象。80层流塞流紊流81（2）水泥浆凝结过程中油气水上窜）水泥浆凝结过程中油气水上窜 引起油气水上窜的原因：引起油气水上窜的原因： 水泥浆失重：水泥浆柱在凝结过程中对其下部水泥浆失重：水泥浆柱在凝结过程中对其下部或地层所作用的压力逐渐减小的现象。或地层所