讲座-固井设计

1、固井设计基础固井设计基础固固 井井 设设 计计 的的 重重 要要 性性 固井设计是固井施工的依据，是设固井设计是固井施工的依据，是设计者的业务水平、施工者的技术能力的集计者的业务水平、施工者的技术能力的集中体现。固井设计不仅是施工者进行作业中体现。固井设计不仅是施工者进行作业的指南，也是工程发包单位对固井施工的的指南，也是工程发包单位对固井施工的过程进行监控的强有力的工具，也就是说，过程进行监控的强有力的工具，也就是说，固井设计不仅服务于乙方，也同时服务于固井设计不仅服务于乙方，也同时服务于甲方。甲方。 固 井 施 工 设 计 的 内 容完全的固井设计要包含如下几个方面：完全的固井设计要包含如

2、下几个方面： 油井的基本情况包括井深、钻头尺寸、井径、泥浆密度、套管尺 寸、套管下深、钻遇地层； 管串结构； 固井方案与技术措施； 扶正器安放间距； 水泥浆量与替浆量； 冲洗液与隔离液量； 水泥浆配方与性能； 隔离液、冲洗液配方与性能； 施工压力预测； 施工步骤。 固固 井井 设设 计计 的的 原原 则则平衡压力原则：在顶替与侯凝过程中，环平衡压力原则：在顶替与侯凝过程中，环 空压力空压力 处于压力平衡状态，既不会压漏处于压力平衡状态，既不会压漏 地层，也不会使地层，也不会使 油气水窜入环空。油气水窜入环空。数据准确、计算依据充分。数据准确、计算依据充分。技术措施要有针对性。技术措施要有针对性

3、。对复杂问题的预见与处理能力。对复杂问题的预见与处理能力。地质知识：能够简要了解封固地层的地质知识：能够简要了解封固地层的 物理化学特性。物理化学特性。油田化学知识：对泥浆体系性能和水油田化学知识：对泥浆体系性能和水 泥浆体系与外加剂都应有了解。泥浆体系与外加剂都应有了解。力学知识：流体力学知识和材料力学力学知识：流体力学知识和材料力学 知识。知识。机械知识：机械知识：（一）取（一）取 准准 参参 数数 工程设计要求：一般有水泥浆返深、需封固的产 层顶部与底部深度与目的层性质等 井身结构：井深、钻头尺寸、套管尺寸、套管下深 套管选型：钢级、壁厚，套管性能数据可从钻井设 计中得到 泥浆性能：密度

4、、流变性能等，从钻井泥浆日报表 或班报表中获取 钻遇地层：钻遇地层岩性、地层流体、地层压力、 异常情况 井眼参数：井径，由测井资料获取；井斜方位（二）制（二）制 定定 方方 案案 针对封固地层的特性、钻井中出现的异常问题及井眼结构制定固井方 案和技术措施；对于气层要考虑采用防气窜水泥体系，并调整环空液柱结构以保证水泥浆失重以后能压稳气层；如果封固段有漏失层存在，则要考虑采用低密度水泥或双级固井；如果遇到膏盐层，则需要采用抗盐的含盐水泥体系或其它体系；确定顶替方案：如果不存在漏失层，建议采用紊流顶替，否则要通过计算来确定采用紊流、层流或塞流顶替方式；对于定向井，要注重扶正器的设计计算，确保套管的

5、居中度不小于67%；井底静止温度若超过110，则水泥浆须假如高温稳定剂石英砂。 （三）水泥浆配方实验（三）水泥浆配方实验 水泥浆性能的基本要求：水泥浆性能的基本要求： 能配置成设计要求的水泥浆，不沉降，不起泡；能配置成设计要求的水泥浆，不沉降，不起泡； 有好的流动性，适宜的初始稠度，一般不大于有好的流动性，适宜的初始稠度，一般不大于30BC； 常规密度水泥常规密度水泥24小时强度不小于小时强度不小于14Mpa， 流变性能可通过外加剂进行调整；流变性能可通过外加剂进行调整； 稠化时间满足施工要求，但不应太长，一般得水泥浆稠稠化时间满足施工要求，但不应太长，一般得水泥浆稠 化时间现场施工时间化时间

6、现场施工时间60-90min；对于浅井附加对于浅井附加30min左左 右有助于提高固井质量。右有助于提高固井质量。 失水量和游离液控制失水量和游离液控制 （三）水泥浆配方实验（三）水泥浆配方实验 （四）前置液配方与性能（四）前置液配方与性能冲洗液：冲洗液： 具有较低的基浆密度，一般在1.0-1.03g/cm3，如在冲洗液 中加研磨性颗粒，密度要提高，但不能高于水泥浆密度； 具有很低的粘度，基浆流型接近与牛顿型，有很低的紊流 临界返速，一般在0.3-0.5m/s； 能够明显降低钻井液的粘度和切力，对环空滞留的钻井液 有一定的渗透力，降低粘土颗粒间的连接力，使钻井液或 泥饼的结构松弛，拆散，易于顶

7、替； 应对粘土有一定的抑制性，以保持井壁稳定。（四）前置液配方与性能（四）前置液配方与性能隔离液隔离液紊流隔离液适宜于紊流顶替，应有较低的粘度和较低的紊流临界返 速， 一般要求紊流接触时间为8-10min，最低也需要有7min；粘性隔离液适宜于层流和塞流顶替，隔离液的粘度和切力应大于泥浆而小于水泥浆；隔离液的密度在较大范围内可以调节，一般要求介于泥浆和水泥浆之间；隔离液对加重剂要有悬浮能力，这样才能保持隔离液性能稳定；隔离液应具有温度稳定性，温度升高粘度不能降低或降低得很少，才能保持在高温下对加重剂的悬浮能力；隔离液要具有控制失水能力，一般失水量小于150ml/30min，有助于防止井壁坍塌和

8、减少地层损害。（五）参（五）参 数数 计计 算算（六）设备配套和工具准备（六）设备配套和工具准备 需要对现场的具体材料、工具、设备和施工能力进行分析，因此，再进行固井设计时，还需考虑现有工具，现有设备的施工能力，以获得一个可行的设计和可行的设备、工具配套。固井现场设备：固井现场设备：水泥车、运灰车、储灰罐、压风机、 工具车、管汇车地面工具：地面工具：水泥头、高压管线等井下工具：井下工具：尾管悬挂器、双级箍、浮鞋、浮箍、扶正器、 水泥伞、管外封隔器等（七）制（七）制 定定 施施 工工 步步 骤骤 制定施工步骤要分两方面井队的准备与施制定施工步骤要分两方面井队的准备与施工配合、固井队的准备与施工。

9、工配合、固井队的准备与施工。井队要完成的工作：井队要完成的工作： 按固井设计下入套管和附件，下完套管，大按固井设计下入套管和附件，下完套管，大 排量循环泥浆至少两周；排量循环泥浆至少两周； 水、电供应和照明；水、电供应和照明； 协助固井队安装井口工具；协助固井队安装井口工具； 协助替浆计量，负责启动井队大泵替浆。协助替浆计量，负责启动井队大泵替浆。（七）制（七）制 定定 施施 工工 步步 骤骤 固井队固井队要完成的工作要完成的工作： 做好施工人员的岗位分工和职责；做好施工人员的岗位分工和职责； 按设计准备好敢干灰（与干混药品混好）与湿混药品；按设计准备好敢干灰（与干混药品混好）与湿混药品； 准

10、备入井好工具附加；准备入井好工具附加； 准备好水泥车、水泥头等地面设备与工具；准备好水泥车、水泥头等地面设备与工具； 套管下完以后，摆放车辆接管线准备施工；套管下完以后，摆放车辆接管线准备施工； 按设计程序进行注水泥施工。按设计程序进行注水泥施工。（八）编写固井施工设计（八）编写固井施工设计 完成以上的步骤之后，就可按规定的格式开始编写固井施工设计。（一）井（一）井 温温 的的 计计 算算 井温是开展水泥浆实验的基本条件，水泥石抗压强度实验所用的温度一般采用井底静止温度，水泥浆稠化、失水及流变性等实验一般采用井底循环温度。井底静止温度：井底循环温度：经验公式： Te泥浆出口温度 库式公式： 使

11、用条件： 74T212 51/100mGt4.45/100m（二）井（二）井 径径 计计 算算计算平均井径通过读井径曲线，然后用加权平均法计算平均井径。还有一种方法就是将井径测井数据文件转换成文本文件，再由EXCEL读取，通过处理后，求平均值就可得到高精度的平均井径数据。（三）水（三）水 泥泥 浆浆 量量 计计 算算 水泥浆总量： 环空水泥浆量计算，根具环空容积的计算方法分为两种方法一：先按裸眼段实际井径计算环空容量，再附加一定比例方法二：先给井径附加一定比例，然后计算裸眼环空容量 套管尺寸不同附加系数不同，套管尺寸越大附加系数越大，以此来补偿计算误差。（三）水（三）水 泥泥 浆浆 量量 计计

12、 算算 套管内水泥量计算 式中di套管内径，m h水泥塞高度，m 人工井底 l人工井底长度，m干灰与配浆水量1m3水泥浆需用水泥量c水泥密度，g/cm3 w配浆水密度，g/cm3s水泥浆密度，g/cm3hdVicp24lDVb24水泥体积水体积水泥质量水质量水泥浆密度s)()(wcwscQ（四）水泥浆流变性计算（四）水泥浆流变性计算 p0300600p60030002511.0)(5.1100300p30010003533.1水泥浆属非牛顿流体，流变性规律程非线性，能够近似描述水泥浆水泥浆属非牛顿流体，流变性规律程非线性，能够近似描述水泥浆流变性的流变方程有：宾汉方程、幂律方程。流变性的流变方

13、程有：宾汉方程、幂律方程。 宾汉方程宾汉方程 计算塑性和动切力需要用六速粘度计进行实测，水泥浆一般选用计算塑性和动切力需要用六速粘度计进行实测，水泥浆一般选用600r/min和和300r/min读数或读数或300r/min和和100r/min读数，而前置液一般采用读数，而前置液一般采用600r/min和和300r/min读数。计算公式如下：读数。计算公式如下： （四）水泥浆流变性计算（四）水泥浆流变性计算 nK300600/lg322. 3nnK1022/511. 0600100300/lg096. 2nnK511/511. 030003. 05 . 0100300100200B 幂律方程幂律

14、方程计算公式如下：计算公式如下： 判别宾汉和幂律模式的方法判别宾汉和幂律模式的方法 如果如果B值在值在0.5之内，则流变参数可用宾汉模式计算，否则用幂律模式之内，则流变参数可用宾汉模式计算，否则用幂律模式 （五）注（五）注 水水 泥泥 流流 动动 计计 算算 采用何种流型进行顶替，将对提高顶替效率有着明显的作用，一般来说，采用紊流或塞流顶替效率较高。不同的顶替流型要求的顶替速度和顶替液体的性能是不一样的，因此，在进行注水泥设计时，首先应明确可采用的顶替流速范围，然后依据此流速范围，考虑水泥浆的性能的调节能力，选择合理的顶替流态，再进行水泥浆设计。一个合理的流速范围，应考虑如下几个方面： 井眼的

15、稳定性，是否有易漏、易坍塌等复杂地层，这些层位对环 空返速的限制情况，这些数据可从区块或临井资料获得； 正常钻井过程中的环空返速情况； 裸眼段井径变化对返速的限制，如果井径变化较大，存在所谓的“大 肚子”，一般要求返速不能太大，以免进一部冲蚀井壁； 套管居中情况，当套管居中度不好时，应避免使用塞流顶替； 井斜情况，大斜度井和水平井注水泥，应尽量避免使用塞流顶替； 浆泵与注水泥设备的工作能力。 （五）注（五）注 水水 泥泥 流流 动动 计计 算算 顶替流态的选择主要是考虑在现有配浆能力下能否配出在上述流速范围内达到紊流或塞流状态的水泥和前置液，顶替流态的选择原则： 首先考虑使用紊流进行顶替，如果

16、不能实现紊流则考虑使用塞流或低速顶替； 在两者均无法实现的情况下，尽量采用高速下的层流顶替，而且建议使用紊流前置液，以弥补水泥浆不能达到紊流的缺陷。 （五）注（五）注 水水 泥泥 流流 动动 计计 算算 目前关于流动计算的方法比较多，有目前关于流动计算的方法比较多，有API推荐方法，推荐方法，DOWELL计算方法等，在这里介绍计算方法等，在这里介绍API方法。方法。 剪切速率剪切速率 N旋转粘度计转数旋转粘度计转数,rpm剪切速率剪切速率,S-1粘度计刻度盘读数粘度计刻度盘读数剪切应力，剪切应力，Pa 当量直径当量直径DE当量直径，当量直径，cmDH外管内径，外管内径，cmDP内管外径，内管外

17、径，cm51.07032.1NPHEDDD（五）注（五）注 水水 泥泥 流流 动动 计计 算算 幂律模式幂律模式a. 流变参数流变参数nn， n修正的流型指数修正的流型指数K修正的稠度系数，修正的稠度系数，mPaSnb. 雷诺数雷诺数管内流动：管内流动： 环空流动：环空流动： 式中：式中：Re雷诺数雷诺数Q排量，排量，l/s流体密度，流体密度，g/cm3V流速，流速，m/snnnKK4132273.128008000ReDQVKVDnnn22273.128008000RePHnnnEDDQVKVD（五）注（五）注 水水 泥泥 流流 动动 计计 算算 不同的幂律流体的n值，对应不同的临界雷诺数，

18、决定流动是属于层流或是紊流。 （五）注（五）注 水水 泥泥 流流 动动 计计 算算 c. 压力降计算压力降计算 层流：层流： 管内流动：管内流动： 环空流动：环空流动： 摩擦系数摩擦系数f的计算：的计算： 式中：式中：f范宁摩擦系数；范宁摩擦系数； L流动长度，流动长度，m; P压力降，压力降，Mpa； 紊流：紊流： 摩擦系数可由右图查得，摩擦系数可由右图查得， 压力降公式与层流相同。压力降公式与层流相同。 DLVfP22.0EDLVfP22.0Re16f（五）注（五）注 水水 泥泥 流流 动动 计计 算算 d.紊流临界排量：流临界排量：管内：管内： 环空：环空： e. 塞流：塞流：根据现场经

19、验，塞流条件根据现场经验，塞流条件Re100,则最大的允许排量是：则最大的允许排量是：管内：管内： 环空：环空： ) 2(128000Re8001273nnnDKDQc) 2(122)(8000Re8001273nnPHnPHDDKDDQc) 2(128080073.12nnnDKDQc) 2(122)(8080073.12nnPHnPHDDKDDQc（五）注（五）注 水水 泥泥 流流 动动 计计 算算 宾汉模式宾汉模式a. 郝斯数与雷诺数郝斯数与雷诺数右图给出了层流区宾汉流体的雷诺数右图给出了层流区宾汉流体的雷诺数Re对应摩阻系数对应摩阻系数f之间的关系，郝之间的关系，郝斯数和雷诺数定义如下

20、：斯数和雷诺数定义如下：管内：管内： 环空：环空： 22017.2271.6RePPDHeDV22017.2271.6RePEPEDHeVD（五）注（五）注 水水 泥泥 流流 动动 计计 算算 b. 压力降计算压力降计算 摩阻系数可由上图牛顿流体的紊流线（粗黑线）和层流线摩阻系数可由上图牛顿流体的紊流线（粗黑线）和层流线He线（虚线（虚 线）的焦点读出。获得线）的焦点读出。获得f值后，可采用式值后，可采用式计算压力降计算压力降。 c. 临界雷诺数临界雷诺数 上图中上图中He线和牛顿流体紊流线的交点即是临界雷诺数线和牛顿流体紊流线的交点即是临界雷诺数Rec。 d. 临界排量临界排量 管内：管内： 环空：环空： e. 塞流允许的最大排量塞流允许的最大排量 塞流控制的雷诺数为塞流控制的雷诺数为100 管内：管内： 环空：环空： 42.85RePccD