固井第一章概述一、固井工程的概念利用水泥充填套管与井壁环形空间的作业。

图1 固井注水泥作业示意图二、固井的目的1、加固井壁，保证继续安全钻进。

2、封隔油气水层，保证勘探期间的分层试油及在整个开采过程中合理的油气生产。

三、固井的起源和发展1、美国1903年在加里福尼亚劳木波斯油田使用水泥浆封堵井内油层上部的水层，法兰克和联合石油公司把50袋硅酸盐水泥混合好后，用捞沙筒送到井内，28天以后把井内的水泥钻掉，再钻完油层后完井。

2、中国则在1200年前则在顿钻打成的井中用桐油加石灰（CaO）加固环隙，用以开采天然气。

1910年可以在600—900米深的井内进行固井。

3、657年前（1937年）API（美国石油学会）标准化委员会成立。

4、此后产生了固井专用设备水泥车，化验设备和水泥外加剂。

发展了各种条件下的固井工具和固井工艺。

5、科学化固井固井是钻井工作的最后一道工序，它的成功与否意义非常重大，轻则造成成本浪费，重则造成开采失败，因此各采油国都十分重视固井工作的研究。

它是一门多学科组成的应用科学，是地质、石油、机械、化学、流体力学和电子学科等科学水平的集中体现。

第二章套管设计一、套管柱类型套管类型见图2。

正常压力系统的井通常仅下三层套管：导管、表层套管和生产套管。

异常压力系统的井，至少多下一层技术套管。

尾管则是一种不延伸到井口的套管柱。

（三） 导管导管的作用是在钻表层井眼时将钻井液从地表引导到钻井装置平面上来。

这一层管柱其长度变化较大，在坚硬的岩层中仅用10～20m ，而在沼泽地区则可能上百米。

（四） 表层套管表层套管下入深度一般在30～150m ，通常水泥浆返至地表．用来防护浅水层污染，封隔浅层流砂、砾石层及浅层气．同时用来安装井口防喷器以便继续钻进，它也是井口设备（套管头及采油树）的唯一支撑件，以及悬挂依次下入的各层套管（包括采油管柱）载荷。

（五） 技术套管技术套管用来隔离坍塌地层及高压水层，防止井径扩大，减(b)(a)套管类型(a)正常压力井；(b)异常压力井少阻卡及键槽的发生，以便继续钻进。

技术套管还用来分隔不同的压力层系，以便建立正常的钻井液循环。

它也为井控设备的安装、防喷，防漏及悬挂尾管提供了条件，对油层套管还具有保护作用。

（六）生产套管（采油或采气套管）生产套管的主要作用是将储集层中的油气从套管中采出来，并用来保护井壁，隔开各层的流体，达到油气井分层测试，分层采油，分层改造之目的。

通常水泥返至产层顶部２００m以上。

（七）尾管尾管是一种不延伸到井口的套管柱，分为钻井尾管和采油尾管。

它的优点是下入长度短、费用低。

在深井钻井中，尾管另一个突出的优点是，在继续钻进时可以使用异径钻具。

在顶部的大直径钻具比同一直径的钻具具有更高的抗拉伸强度，在尾管内的小直径钻具具有更高的抗内压力的能力。

尾管的缺点是固井施工困难尾管的顶部通常要进行抗内压试验，以保证密封性。

（八）组合套管柱组合套管柱是各段套管的重量和钢级不同，但其外径相同。

（九）异径套管柱异径套管柱是从上到下各段套管的外径不同的套管柱。

二、通用的套管、井眼尺寸通用的套管、井眼尺寸三、安全系数的确定１、抗内压 1.125根据采油作业压力、管材进行选择２、抗外剂 1.8Ａ根据实际地层压力确定Ｂ根据上履地层压力系数0.0235Ｍpa/m（用于岩膏层井段）确定。

Ｃ根据开发经验确定中原油田经过26年的开发，发现仅用上履地层压力设计是不够的，对于岩膏层的易塑性变形的地层，最大外挤力达到上履压力系数的3.5倍，因此开发了厚壁套管，即TP130TT，外径152mm，壁厚16.9mm，与10.5/P110比较，抗外挤强度提高由104升至210kg/cm2，基本上消除了由于地层压力原因造成的套管损坏。

四、识别套管颜色标记（ＡＰＩ）H-40 灰色N-80 红J-55 浅绿C-95 棕K-55 深绿P-110 白C-75 蓝U-150 白L-80 红/棕/红五、识别螺纹螺纹分圆螺纹、偏梯型螺纹和直连型螺纹。

其中圆螺纹分有长圆螺纹和短圆螺纹，扣尖角60、锥度1:16、25.4mm有8扣（8扣/英寸）。

螺纹代号：STC（CSG）——短圆螺纹LTC（LCSG）——长圆螺纹BTC（BCSG）——梯型螺纹XL（XCSG）——直连型螺纹第三章固井设备（图）一、水泥车T815 AC-400型CPT-N4CPT-Y4二、供水车三、运灰车四、混灰设备第四章化验设备（图略）一、稠化仪：高温高压稠化仪常压稠化仪二、失水仪：高温高压失水仪三、瓦林搅拌器四、抗压强度机五、旋转粘度仪第五章水泥历史上一般认为一位英国瓦匠约瑟夫〃亚斯波丁（Joseph Aspdin）是硅酸盐水泥的发明者，他在1824年发表了一份关于类似灰色岩石物质称为“水泥”的专利，该成分在水中能够水化和硬化，所以称之为水硬性材料，这是我们所知道的最早的硅酸盐水泥。

一、分类●ASTM（美国材料试验学会）分为：1、2、3、4、5●API（美国石油学会）（1953年公布第一份油井水泥标准）：A、B、C、D、E、F、G、H、J●俄罗斯：OW-1、OW-2、OW-3、OW-4、OW-5●罗马尼亚：S1、S2、S3●匈牙利：Hmfpc、Fmfpc●保加利亚：OW、OW-SR●中国等效采用API标准1988年制定完了GBZ38-88●由于水泥石在地下存在化学腐蚀现象，主要是受Na2S04物质的腐蚀，尤其当温度在0℃-84℃范围时腐蚀较为严重，因此水泥又细分为中抗硫酸盐型（MSR，铝酸三钙3CaO〃Al2O3≤8%）和高抗硫酸协型（HSR，铝酸三钙3CaO〃Al2O3≤3%）●另外还有其他特种水泥：火山灰水泥、火山灰石灰水泥、胶乳水泥、高寒水泥、铝酸钙水泥、石膏水泥、树脂水泥或塑料水泥、柴油水泥二、水泥的主要成分（表1、表2）水泥化学性能给出了油井用硅酸盐水泥典型的氧化物分析。

硅酸盐水泥典型的氧化物分析表1（API G类或H类水泥）当这些熟料成分与水发生水化时，将生成四种主要化合物。

表2给出了它们的化学式和性能。

凝固硅酸盐水泥中的化合物第六章水泥添加剂对种类有限的各级水泥只有采取加入外加剂的方法，才能使设计与现制的水泥浆适应多种条件下注水泥要求，外加剂应用的主要目的是：调整水泥浆的稠化时间、密度、失水、流变性、增容、析水率、渗透率、线性体积变化，增加抗压强度和保持高温条件下强度热稳定性等。

随着降失水剂的应用，各种改善水泥浆性能的添加剂在发展。

目前水泥添加剂可分为以下11大类。

1、速凝剂：缩短凝固时间，加快强度发展。

如CaCl2，加速C3S的水化作用。

2、缓凝剂：延长凝固时间。

如木质素黄酸盐，吸附在硅酸钙水化物上，影响其水化作用。

3、填充剂：降低密度、提高造浆率。

如膨润土（般土粉）和微球等等。

4、加重剂：增加水泥浆密度。

如钛铁矿、赤铁矿和重晶石等。

5、分散剂：降低水泥浆粘度，降低水泥浆屈服值。

如磺酸盐类。

6、降失水剂：控制水泥浆失水量，控制滤饼滤失。

将纯水泥浆大于1500ml/30min的失水量降低到小于50ml/30min保证固井要求。

最初使用的是膨润土，目前乳胶已成为最常用的颗粒性材料降失水剂。

水泥浆失水是影响固井最严重的问题，因此降失水泥剂也是最重要的外加剂。

（1）乳胶是降失水泥剂发展至今最好的降失水剂之一。

乳胶是乳化聚合物属于颗粒材料，粒度在200-500μm之间。

固井用的乳胶是聚乙烯类产品：①醋酸乙烯脂、乙烯-丁二烯树脂：可用到50℃②苯乙烯-西二烯树脂：可用到176℃乳胶是固相聚合物颗粒的水分散体，靠表面活性剂保护胶体。

表面活性剂如Stabilizer434B可用到160℃；Stabilizer434C可用到193℃（2）水泥溶性聚合物：控制失水，降低滤饼的渗透率①纤维素衍生物，如羟乙基纤维素②非离子人工合成聚合物③阴离子人工合成聚合物④阳离子聚合物7、堵漏剂：控制水泥浆漏失。

（1）堵漏材料。

如硬沥青和颗粒煤；塞璐玢片（2）触变性水泥。

产生高胶凝强度常用的是膨润土。

其含量可分别在5%-2%（BWOC）8、消泡剂：消除水泥浆气泡。

磷酸三丁脂、聚乙二醇乙醚、硅油9、稳定剂：高温稳定剂（如石英粉），浆体稳定剂，乳胶稳定剂10、膨胀剂：克服水泥浆失重，克服水泥石体积收缩，克服油气水窜糟，增加水泥环与套管以及水泥环与井壁的界面胶结强度。

11、增韧剂：减低水泥石的脆性，增加水泥石的韧性，以适应注采作业的要求。

第七章固井设计一、钻井资料1、井身结构2、下套管前钻井液性能3、钻井复杂情况描述二、地质资料1、油、气、水、盐层及油顶、油底位置2、地质分层3、地层压力及破裂压力三、测井资料1、井径数据2、井斜数据3、井温数据四、本次固井目的和方法五、固井施工难点与措施1、施工难点2、对应措施六、套管柱设计1、套管柱设计条件2、套管柱设计及强度校核结果3、入井管串结构及扶正器位置设计七、水泥浆设计1、水泥浆体系和性能设计2、冲洗液和隔离液设计3、水泥浆流变性能设计八、相关施工参数计算1、水泥浆量与水泥量计算2、管柱内顶替量预算3、最高施工压力预测4、失重压力计算5、施工时间计算6、送放钻具回缩距计算九、施工方案实施要求1、施工准备2、施工程序3、施工设备配置十、需要井队配合工作内容从广义上讲，一个好的钻井设计应该同时是一个固井设计，固井工作只发生在钻井工作的末尾，但对固井的准备工作从开钻之日起就已经开始了。

钻井过程如果忽略了对固井的考虑，结果将是很糟糕的。

美国一位钻井工程师说得好，钻井工程师是为固井工程师服务的，这话拿到我们国家，感觉有些不可思议，其实这句话的含义非常深刻，一语道破了固井工作的全部内涵。

具体到一个井队，大题应做好以下几项工作：1、控制好井身质量，控制井径扩大率不大与5%，避免大肚子、糖葫芦井眼。

2、钻井过程或完钻以后发生漏失的井要认真堵漏并进行安全破试。

3、下好套管。

4、清洗井眼、调整泥浆、完成钻井液向固井液的转换。

这个问题说起来容易做起来难，这也是一直困绕中国固井界的一个问题，是一个摆在固井工作面前的十分突出的矛盾。

首先是供需错位，作为甲（井队只能算代理甲方）、乙（固井队）方，甲方应该无条件地积极主动地完成对井眼的一切准备工作，然后请乙方进行注水泥作业，乙方只负责把注替水泥浆工作做好就可以了。

现在把问题颠倒过来了，乙方向甲方提要求，矛盾的焦点往往落到质量控制范围以外，给固井质量设下了不可逾越的屏障。

5、 备足清水6、 压稳油气层，做到静态压稳，而不是动态压稳。

十一、固井工具、附件、材料（图略）第八章 特殊井固井一、 内管注水泥方法（图略） 二、 尾管固井（图）三、 分级注水泥（图略）四、定向井固井定向井存在问题：1、底边沉沙不易清除2、高边水泥浆析水聚积形成水槽3、套管自重靠向下井壁，顶替困难五、可溶性地层注水泥水泥浆的滤液及自由水可能溶触地层的盐岩，从而影响水泥浆与地层的胶结，采取饱和盐水水泥浆或欠饱和盐水水泥浆即可有效地抑制盐岩层的溶触。