钻井工程设计指导书编制：审核：批准：目录1.固井设计的重要性 (2)2.固井施工设计的内容 (2)3.固井设计的原则 (2)4.固井设计的步骤 (3)4.1（一）取准参数 (3)4.2（二）制定方案 (3)4.3（三）水泥浆配方实验 (3)4.4（四）前置液配方与性能 (4)4.5（五）参数计算 (4)4.6（六）设备配套和工具准备 (4)4.7（七）制定施工步骤 (5)4.8（八）编写固井施工设计 (5)5固井设计的计算方法 (5)5.1（一）井温的计算方法 (5)5.2（二）井径计算 (6)5.3（三）水泥浆量计算 (6)5.4（四）水泥浆流变性计算 (7)5.5（五）注水泥流动计算 (7)5.6（六）尾管固井有关计算 (11)5.7（七）双级固井有关计算 (12)6固井设计书还应该进行的工作 (12)1 固井设计的重要性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，也同时服务于甲方。
2 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：①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；②管串结构；③固井方案与技术措施；④扶正器安放间距；⑤水泥浆量与替浆量；⑥冲洗液与隔离液量；⑦水泥浆配方与性能；⑧隔离液、冲洗液配方与性能；⑨施工压力预测；⑩施工步骤。
3 固井设计的原则①平衡压力原则：在顶替与侯凝过程中，环空压力处于压力平衡状态，既不会压漏地层，也不会使油气水窜入环空。
②数据准确、计算依据充分。
③技术措施要有针对性。
④对复杂问题的预见与处理能力固井设计应具备以下基础知识1地质知识：能够简要了解封固地层的物理化学特性。
2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。
3力学知识：流体力学知识和材料力学知识。
4机械知识：4 固井设计的步骤4.1（一）取准参数①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②井身结构：井深、钻头尺寸、套管尺寸、套管下深③套管选型：钢级、壁厚，套管性能数据可从钻井设计中得到④泥浆性能：密度、流变性能等，从钻井泥浆日报表或班报表中获取⑤钻遇地层：钻遇地层岩性、地层流体、地层压力、异常情况⑥井眼参数：井径，由测井资料获取；井斜方位4.2（二）制定方案①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；②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；③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；④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；⑤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；⑥对于定向井，要注重扶正器的设计计算，确保套管的居中度不小于67%；⑦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。
4.3（三）水泥浆配方实验水泥浆性能的基本要求：①能配置成设计要求的水泥浆，不沉降，不起泡；②有好的流动性，适宜的初始稠度，一般不大于30BC；③常规密度水泥24小时强度不小于14Mpa，④流变性能可通过外加剂进行调整；⑤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＋60-90min；对于浅井附加30min左右有助于提高固井质量。
⑥失水量和游离液控制失水量和游离水的控制失水：①套管注水泥：100—200ml/30min②尾管注水泥：50-100ml/30min③气井固井：30-50ml/30min游离水：①一般直井注水泥，游离液小于1.5%；②大斜度井或水平井注水泥或高压尤其油气井，游离液控制在04.4（四）前置液配方与性能冲洗液：①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；②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；③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，易于顶替；④应对粘土有一定的抑制性，以保持井壁稳定。
隔离液：①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；②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；③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；④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；⑤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；⑥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减少地层损害。
4.5（五）参数计算参数计算包括：水泥浆量、前置液量、替浆量、替浆排量和水力计算。
一般水泥浆量要在按实际井径计算的水泥浆量的基础上附加一定量，一般表层套管附加量在100%左右，技术套管和油层套管一般在10%左右，具体数据主要依据地区经验。
4.6（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：水泥车、运灰车、储灰罐、压风机、工具车、管汇车地面工具：水泥头、高压管线等井下工具：尾管悬挂器、双级箍、浮鞋、浮箍、扶正器、水泥伞、管外封隔器等4.7（七）制 定 施 工 步 骤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。
井队要完成的工作：①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； ②水、电供应和照明；③协助固井队安装井口工具；④协助替浆计量，负责启动井队大泵替浆。
固井队要完成的工作：①做好施工人员的岗位分工和职责；②按设计准备好敢干灰（与干混药品混好）与湿混药品；③准备入井好工具附加；④准备好水泥车、水泥头等地面设备与工具；⑤套管下完以后，摆放车辆接管线准备施工；⑥按设计程序进行注水泥施工。
4.8（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。
5 固井设计的计算方法5.1（一）井温的计算方法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：使用条件：74℃≤T ≤212℃ 51℃/100m ≤Gt ≤4.45℃/100m5.2（二）井径计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。
5.3（三）水泥浆量计算①水泥浆总量：②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。
③套管内水泥量计算 式中di —套管内径，m h —水泥塞高度，m ④人工井底 L —人工井底长度，m h d V i cp 24π=L D V b 24π=⑤干灰与配浆水量 1m3ρc —水泥密度，ρs —水泥浆密度，5.4（四）水泥浆流变性计算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。
①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600r/min 和300r/min 读数或300r/min 和100r/min 读数，而前置液一般采用600r/min 和300r/min②幂律方程：计算公式如下：如果B 值在0.5 5.5（五）注水泥流动计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：1 井眼的稳定性，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；2 正常钻井过程中的环空返速情况；3 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；4 套管居中情况，当套管居中度不好时，应避免使用塞流顶替；5 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。
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：1 首先考虑使用紊流进行顶替，如果不能实现紊流则考虑使用塞流或低速顶替；2 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。
目前关于流动计算的方法比较多，有API 推荐方法，DOWELL 计算方法等，在这里介绍API 方法。
①剪切速率： N —旋转粘度计转数,rpm γ—剪切速率,S-1θ—粘度计刻度盘读数τ—剪切应力，Pa②当量直径： γηττp +=0θτγ51.07032.1==N PH E D D D -=DE —当量直径，cmDH —外管内径，cmDP —内管外径，cm幂律模式 n n n K K ⎪⎭⎫ ⎝⎛+=413'a.流变参数n’＝n ，n’—修正的流型指数K’—修正的稠度系数，mPaSnb.雷诺数管内流动： 环空流动： 式中：Re —雷诺数 Q —排量，l/s ρ—流体密度，g/cm3V —流速，m/s不同的幂律流体的n’值，对应不同的临界雷诺数，决定流动是属于层流或是紊流。
c.压力降计算层流：管内流动： 环空流动： 摩擦系数f 的计算： 式中：f —范宁摩擦系数； L —流动长度，m;P —压力降，Mpa ；紊流：摩擦系数可由图查得，压力降公式与层流相同。
d.管内： 环空：e.塞流：管内： 环空： 宾汉模式a.郝斯数与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f 之间的关系，郝斯数和雷诺数定义如下：管内：环空： 2''273.12'8008000Re D Q V K V D n n n ==-ρD LV f P 22.0ρ=∆Re 16=f )'2(1''28000'Re 8001273n n n D K D Qc -⎥⎦⎤⎢⎣⎡=ρ)'2(1''22)(8000'Re 8001273n n P H n P H D D K D D Qc -⎥⎦⎤⎢⎣⎡--=ρ22017.2271.6Re PE PED He V D ηρτηρ==b.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He线（虚线）的焦点读出。