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固井工程技术基础

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目 录

前 言

第一章 固井概论

第一节 固井概念

第二节 固井的目的和要求

第二章 套管、固井工具、附件和材料

第一节 API套管标准和规范

第二节 固井工具、附件

第三节 固井材料

第三章 固井工程技术基础

第一节 固井工艺

第二节 固井水泥浆

第三节 注水泥施工程序

第一章 固井概述

一 、固井概念

为了达到加固井壁，保证继续安全钻进，封隔油、气和水层，保证勘探期间的封层测试及整个开采过程中合理的油气生产等目的而下入优质钢管，并在井筒于钢管环空充填好水泥的作业，称为固井工程。因此固井包括了两部分：下入套管的工艺和注入水泥浆的工艺叫做固井工艺。

固井作业

固井作业是通过固井设计，应用配套的固井设备、辅助设备及工具，将油井水泥、水和添加剂按一定的比例混合后，通过固井泵泵注入井，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）之间形成牢固粘结。

二、 固井目的和要求

1、固井的目的

一口油井深达数千米，在钻井过程中常常遇到井漏、井塌、井喷等复杂情况，影响正常钻进，严重时甚至导致井眼报废。遇到上述情况就应下套管固井，封隔好复杂地层后，再继续钻进，直到建立稳定的油气通道为止。因此,为了优质快速钻达目的层，保证油气田的开采，就要采用固井，固井工程的主要目的为：

1）、在钻进过程中封隔易坍塌、易漏失等复杂地层，巩固所钻过的井眼保证钻井顺利进行。 固井设备总体示意图

（如图1-1所示），当从A点钻进至B点，如果在A点井深处没下套管固井，那么随着井深的变化，钻达B点所用泥浆密度在A点产生的压力就会大于A点地层破裂压力，造成A点地层破裂，发生井漏。同理，当从B点钻进至C点，如果在B点井深处没下套管固井，那么随着井深的变化，钻达C点所用泥浆密度在B点产生的压力就会大于B点地层破裂压力，造成B点地层破裂，发生井漏。

2）、封隔油、气、水层，防止层间互窜。

固井工程不仅关系到钻进的速度和成本，还影响到油气田的开发。（如图1-2所示），如果油、气层与水层间水泥固结不好，层间互相窜通，那么会给油气田开发带来很大困难。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，水便会图1-1 下套管固井原理示意图

图1-2 固井防止层间流体互窜示意图

窜入油气层内，造成油田开发早期出水，严重时会水淹破坏整个油气田。因此，必须确保固井质量，对地层内不同类型的流体有效封隔。

3）、支撑套管和井口装置，建立油气通道。

钻完井工艺要求固井后套管与地层间在水泥作用下应具有良好的胶结，因为固井后水泥环不仅要支撑套管的重量，而且要承受安装在套管上井口装置的重量，准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置的不稳定，影响正常作业或油气通道的建立。

4）保护上部砂层中的淡水资源不受下部岩层中

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条件；

2、固井的要求

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关键复杂的作业，是百年大计。固井质量的好坏关系到油井能否正常投产和油田寿命的长短。固井质量的关键所在就是下入井内的套管柱的强度和环形空间的密封问题。因此对于固井的要求必须作到以下几个方面：

1、套管柱的设计必须保证该套管串的任何部位在相应的井段有足够抗拉、抗

挤、抗内压强度，以保证下入井内的套管不断、不裂、不变形； 图1-3套管固井后井口连接示意图

2、套管柱的连接必须保证用规定的上扣扭矩上紧丝扣，保证套管连接的密封性；

3、环形空间的水泥环要求均匀和连续封固到预计的深度，且要求水泥环与井

壁及套管之间胶结和密封良好，以保证环形空间不窜、不漏，满足油气井

正常生产和分层作业的要求。

第二章 套管、固井工具、附件和材料

一、 API套管标准和规范

1、长度标准：

代号 长度范围 M 最小与最大长度间的变化范围

R1 5.49-7.32

1.83m

R2 8.53-10.05 1.52m

R3

10.97-12.80 1.83m

2、钢级标准：

API套管钢级标准的分类是以套管材质的最小屈服强度为依据的。API标准允许7种级别的钢材用作油井套管材料。这7种钢材分别是H－40、J－55、C－75、N－80、C－95、P－110、Q－125、V－150。 （它们的最小屈服强度分别是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＝0.07031公斤/厘米2＝0.07031KSC。因此,换算成公制单位时,它们的最小屈服强度分别是2812.4公斤/厘米2、3867.05 公斤/厘米2、5624.8公斤/厘米2、6679.45公斤/厘米27734.1公斤/厘米2、8788.75公斤/厘米2、10546.5公斤/厘米2。）

API套管钢级代号及其最小屈服强度列表如 下：

最小屈服强度

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 2,812.4 抗硫化氢

J－55 55,000 3,867.05 抗硫化氢

C－75 75,000 5,273.25 暂行标准 抗硫化

氢

N－80 80,000 5,624.8

C－95 95,000 6,679.45 抗硫化氢

P－110 110,000 7,734.1 高强度套管钢级

Q－125 125,000 8,788.75 高强度套管钢级

V－150 150,000 10,546.5 高强度套管钢级

API管材钢级的物理机械性能

钢级

性能 H-40 J-55 K-55 C-75 N-80 C-95 P-105 P-110 V-100 D E 36Cr

nimo4 SAE

4140 SAE

3140

最小抗

拉强度

(公斤/ 42.2 52.7 66.8 66.8 70.3 73.8 84.4 87.9 120 66.8 70.3 110 110 72-89

最小屈

服极限 毫米2) 28.1 38.7 38.7 52.7 56.2 66.8 73.8 77.3 105.5 33.7 52.7 100 95 60-72

2"试样

的最小 条状 27 20 20 16 16 15 15 12 18 18 10 12 15

伸长率

（％） 整体 32 25 18 18 17 17 20 20

断面收缩率

（％） 40 40 57 45

冲击韧性k

(公斤-米/厘米2) 4 4 5 8 8

使 用 钻杆 套 钻 接 方钻杆

范 围 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)

工具接头扣（TJ）即偏梯扣、VAM扣即梯形扣（同一尺寸的套管，梯形扣接箍外

径比VAM扣接箍外径大，但扣型相同，可以互换）。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、管端平坦线扣型（无接箍套管扣，英文为EXTREME－LINE FORM）等。

4、API套管标记：

1）、API钢级代号和颜色标记

钢级 代号 颜色标记

H－40

J－55

K－55

C－75

N－80

C－95

P－110 H

J

K

C－75

N

C－95

P 无颜色

一条浅绿色环带

二条浅绿色环带

兰色，特殊情况接箍为兰色，且中间有一黑色环带

一条红色环带

兰色（棕色特殊情况用），特殊情况接箍为兰色，且中

间有一黑色环带

白色（离接箍0.6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)、套管识别标记

图2-1套管识别标记

圆螺纹套管标记（示范）

API直连型螺纹套管标记（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、固井工具、附件

井口工具通常包括：套管水泥头、尾管水泥头、钻杆水泥头、快速接头、循环头等

一）、固井工具

1、水泥头

水泥头是注水泥施工过程的井口联接装置，用于联接套管（或钻杆）和注水泥管汇；水泥头还用来安装胶塞，通过胶塞释放挡销机构控制胶塞的释放，并根据胶塞释放指示销判断胶塞是否释放。

1）、套管水泥头

图2-3 套管水泥头（双塞）

1－顶盖；2－密封圈；3－本体；4－释放挡销；5－释放指示销；6－套管联接短节

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油田固井工程技术探析

油田固井工程技术探析

一２０　３留９　黼　１年月黼　中国化工贸易　Ｃｈｉｎａ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｔｒａｄｅ　

後　

油田固井工程技术探析　

张立　

（胜利油田渤海固井工程技术有限责任公司）　

摘要：固井技术对于油田油井寿命和资源保护起至关重要的作用。是通过在井壁和套管中的环空部位注入水泥浆实际保护油井为目标的工程　

技术。随着钻井技术的进一步提高，为固井工程提出了新的要求，下面笔者就油田固井工程技术的应用谈几点看法。　

关键词：固井技术深层固井稠油浅井　

固井技术对于油田油井寿命和资源保护起至关重要的作用。是通　

过在井壁和套管中的环空部位注入水泥浆实际保护油井为目标的工程　

技术。随着钻井技术的进一步提高，为固井工程提出了新的要求，下　

面笔者就油田深层固井和超稠油浅井固井工程技术的应用谈几点看法。　

一、油田深层固井技术探析　

ｌ＿深层固井的难度分析　

地层压力和地质情况对油田深层固井技术的实际运用会产生较大　

的影响，归纳起来，油田深层固井技术需要攻克的难关具体表现为下　

述几个方面：相对较高的泵压影响固井的正常施工。异常复杂的地质　

环境也增加了地层垮塌的几率和防窜的难度。较低的水泥浆抗高温水　

平。过高的井下二氧化碳含量在气窜作用下腐蚀套管。自身结构的不　足不仅增加了配套工作的困难程度，而且套管风险出现的几率也会显　

著提升，降低施工稳定性。　

２．油田深层固井技术有效运用的建议　

第一，有效运用深层固井顶替工艺。一般而言，塞流与层流清除　

低边滞留的沉积钻屑与钻井液的实际效果要在一定程度上逊色于固井　

液在环空的紊流顶替作用，这主要是因为深层固井中套管居中度不佳。　

但是笔者单位几乎不可能实现水泥浆的紊流顶替，因为施工过程中对　

于水泥浆稳定的指标要求使得水泥浆必然会比较稠；然而利用调节前　

置液性能的方式来实现前置液在环空的紊流作用是具有很高的可行性　

的，也正是基于上述考虑，为了能够在更高程度上提升深层固井的顶　

替效率，则有必要高效驱替水平段与斜井段低窄边钻屑。　

什么是固井

什么是固井

什么是固井

一、固井：在已钻出的井眼中下入一定尺寸的套管，并在套管与井壁或套管与套管之间的环形空间内注入水泥的工艺过程。

二、井身结构包括以下几方面的内容：所下套管的层次、直径、各层套管下入的深度、井眼尺寸（钻头尺寸）、各层套管的水泥反高等。

三、设计井深的主要依据：地层压力、地层破坏压力和坍塌压力。

四、套管的类型：⒈导管；⒉表层套管；⒊技术套管；⒋生产套管；⒌尾管。

五、井深结构设计的原则：①能有效的保护油气层，使油气层不受钻井液的损害；②能够避免漏、喷、塌、卡等复杂情况产生，保证全井顺利钻进，使钻井周期达到最短；③钻达下部高压地层时所用的较高密度的钻井液产生的液柱压力，不至于把上一层套管鞋处薄弱的裸露地层压裂；④下套管过程中，钻井液液柱压力和地层压力之间的压差，不至于造成卡阻套管。

六、套管柱的受力：轴向压力、外挤压力和内压力。

七、套管柱的附件：⒈引鞋（套管鞋、浮鞋）；⒉回压法；⒊套管扶正器；⒋磁性定位套管；⒌联顶节。

八、水泥熟料主要成分：①硅酸三钙（C3S）；②硅酸二钙（C2S）；③铝酸三钙（C3A）；④铁铝酸四钙（C4AF）。

九、水化作用：油井水泥与水混合后，水泥中各种矿物分别与水发生水解和水化反映，某些水化产物还能发生二次反映。

十、水化反映的不断进行水泥浆形成水泥石可分为三个阶段：①胶溶期；②凝结期；③硬化期。

十一、稠化时间：指油井水泥浆在规定压力和温度条件下，从开始搅拌至稠度达100Bc所需要的时间。

十二、稠度：水合水泥混合后会逐渐变稠，变稠的速率。

十三、注水泥的设备：水泥车、水泥混合漏斗、水泥分配器、水泥头、胶塞、储灰罐。

十四、碰压：胶塞被推至浮箍时，泵压突然升高。

十五、注水泥主要工序包括：循环和接地面管汇→打隔离液→顶胶塞→碰压→候凝。

十六、提高泥浆的顶替效率：⒈紊流顶替；⒉打前置液；⒊活动套管；⒋调整完井液和水泥浆的性能；⒌使用扶正器。

固井技术规定

固井技术规定

固井技术规定

第一章 总则

第一条 固井是钻井工程的关键环节，其质量好坏不仅关系到钻井工程的成败和油气井的寿命，而且影响到油气田勘探开发的整体效果。为保证固井工程质量，特制定本规定。

第二条 固井工程必须从设计、准备、施工、检验四个环节严格把关，采用适合地质特点及各种井型的先进固井工艺技术，确保质量，达到安全、可靠、经济。

第三条 固井作业必须按固井设计执行，否则不得施工。

第二章 固井设计

第一节 设计格式与审批

第四条 固井设计格式按勘探与生产分公司发布的《xx井xx套（尾）管固井设计》要求执行。

第五条 固井审批程序按勘探与生产分公司发布的《中油股份公司勘探与生产工程技术管理办法》执行。

第二节 套管柱强度要求

第六条 套管柱强度设计方法SY/5322-2000执行。其中，在高压气井和超深井的强度设计时，必须考虑密封因素。

对安全系数的要求见下表数据。

系 数 名 称 安全系数

抗挤安全系数 ≥1.125

抗内压安全系数 ≥1.10

抗拉安全系数 管体屈服强度≥1.25

螺纹连接强度 直径244.5mm及以上套管≥1.6

直径244.5mm以下套管≥1.8

第七章 套管柱抗挤载荷计算在正常情况下按已知产层压力梯度、钻井液压力梯度或预测地层孔隙压力值计算。遇到盐岩层等特殊地层时，该井段套管抗挤载荷计算取上覆地层压力梯度值，且该段高强度套管柱长度在盐岩层段上下至少附加50m

第八条 套管柱强度设计应考虑热采高温注蒸汽过程中套管受循环热应力的影响。

第九条 对含有硫化氢等酸性气体井的套管柱强度设计，在材质选择上应明确提出抗酸性气体腐蚀的要求。有关压裂酸化、注水、开采方面对套管柱的技术要求，应由采油和地质部门在区块开发方案中提出，作为设计依据。

第三节 冲洗液、隔离液和水泥浆要求

第十条 冲洗液及隔离液

1、使用量：在不造成油气侵及垮塌的原则下，一般占环空高度的300～500m。

固井技术规范

固井技术规范

中国石油天然气集团公司固井技术规范

中国石油天然气集团公司

工程技术分公司

2008 年

第一章总则 ............................................................... .1..

第二章固井设计 ............................................................ 1..

第一节 设计依据和内容 ................................................... 1.

第二节压力和温度 ......................................................... 1.

第三节管柱和工具、附件 ................................................... 2.

第四节水泥浆和前置液 ..................................................... 4.

第五节注水泥和技术措施 .................................................. 5.

第六节施工组织和应急预案 ................................................. 6.

第三章固井准备 ............................................................. 6.

第一节钻井设备 ........................................................... 7.

第二节井口准备 ........................................................... 7.