钻井与完井工程教材第七章固井.docx

第七章固井
在一口井的钻井过程中，由于各种原因，当钻头钻到某一深度时，需要从井内起出钻头，向井内下入称之为套管的中空钢质管柱，然后向井眼和套管之间的环形空间内注入水泥浆（干水泥与水及外加剂的混合物，有时也常将水泥浆简称为水泥），并让其凝固；然后再换用直径小一点的钻头继续钻进。一口井，视其所钻穿的地层的复杂程度，要经历一次到几次这样的过程，才能钻达目的油气层。
向井内下入套管，并向井眼和套管之间的环形空间注入水泥的施工作业称之为固井。固井工程的内容包括下套管和注水泥二大部分。
下套管就是将单根套管及固井所需附件逐一连接下入井内的作业。在石油现场上见到的单根套管通常由两部分组成，即套管本体和接箍（见图7-1）。接箍与本体是分开加工的，接箍两端加工有内螺纹（母扣），本体两端加工有外螺纹（公扣）。为便于上扣连接，螺纹面与套管本体、接箍的轴线成一定锥度。在出厂时将接箍装配在本体上。入井时，接箍（母扣端）在上，利用螺纹将一根一根单根套管连接而成套管柱。也有特殊加工的公母扣均在套管本体上的无接箍套管。无接箍套管的特点是螺纹连接处管子的外径比有接箍套管的接箍外径小，因此常用于环空间隙小的情况，以利下套管和随后的注水泥作业。
图7-1单根套管示意图
1——接箍2——套管本体
下完套管之后，把水泥浆泵入套管内，再用钻井液把水泥浆顶替到套管外环形空间设计位置的作业称之为注水泥。图7-2所示为典型的采用双胶塞注水泥的施工程序。
如图所示，在套管柱的最上端的装置为水泥头，内装有上、下胶塞。下胶塞的作用是与隔离液（一种专门配制的液体，用以隔离钻井液与水泥浆）一道，将水泥浆与钻井液隔离开，防止钻井液接触水泥浆后影响水泥浆的性能。下胶塞为中空，顶部有一层橡胶膜，该膜在压力作用下可压破。上胶塞为实心，其作用是隔离顶替用的钻井液与水泥浆；另外，当其坐落在已坐于浮箍上的下胶塞上之后，地面压力将很快上升一定值（称为碰压），该信号说明水泥浆已顶替到位，施工结束。套管柱的最下端装有引鞋以利下套管。浮箍实际上是一单向阀，其作用是防止环空中的水泥浆向管内倒流（因一般水泥浆的密度比钻井液的密度高），另外也起承坐胶塞的作用。
当按设计将套管下至预定井深后，装上水泥头，循环钻井液。当地面一切准备工作就绪后开始注水泥施工。先注入隔离液，然后打开下胶塞挡销，压胶塞，注入水泥浆（注入水泥浆的过程常简称为注浆或注灰）；按设计量将水泥浆注入完后，打开上胶塞挡销，压胶塞，用钻井液顶替管内的水泥浆（钻井液顶替水泥浆过程简称为替浆）；下胶塞坐落在浮箍上后，在压力作用下破膜；继续替浆，直到上胶塞抵达下胶塞而碰压，施工结束。
注入井内的水泥浆要凝固并达到一定强度后才能进行后续的钻井施工或是其它施工，因此，注水泥施工结束后，要等待水泥浆在井内凝固，该过程称为候凝。候凝时间通常为24小时或48小时，也有72小时或几小时的，候凝时间的长短视水泥浆凝固及强度增长的快慢（a）（b）（c）（d）（e）
图7-2注水泥工艺流程示意图
（a）循环钻井液（b）注隔离液和水泥浆（c）替浆（d）替浆（e）碰压
1——压力表2——上胶塞3——下胶塞4——钻井液5——浮箍6——引鞋
7——水泥浆8——隔离液9——钻井液
而定。候凝期满后，测井进行固井质量检测和评价。
固井的目的是为了封隔地层、加固井眼、建立密封性能良好的井内流动通道，以保证继续安全钻进、保证后期作业（试油、增产措施作业等）和生产的正常进行。固井是油气井建井过程中的重要环节，固井质量的好坏不仅关系到钻井的速度和成本，还将影响到油气井以后是否能顺利生产、影响到油气井的寿命甚至油气藏的采收率。因此，从固井设计开始直至施工验收，都应该认真考虑如何提高固井质量，把好质量关。
固井要消耗大量的钢管、水泥等材料。据统计，生产井的固井费用占全井成本的10%～25%，所以，还应在提高固井质量的前提下，尽可能节约材料、降低成本。
固井还具有施工时间短、工作量大的特点；同时，固井是一次性工程，如果质量不好，一般情况下不易补救，而且补救的成本也高。
因此，一口井的固井工程要做到优质、低成本，就必须精心设计、精心施工，只有这样才能圆满完成固井工程任务。
根据教学要求，本章主要介绍套管柱强度设计、注水泥的基本原理及与固井施工和固井质量有关的油井水泥基本知识。
第一节套管柱强度设计
套管柱从入井开始起是否会破坏对于随后的钻进或是以后的油气生产都是至关重要的。套管柱在井下是否会破坏取决于作用在套管上的外载和套管本身强度的相对大小。套管柱所受的外载，从套管柱入井后是变化的，甚至套管本身的强度也要发生变化。套管柱强度设计的任务就是要事先设计出强度足够的套管柱以保证能经受入井后各种外载的作用，同时在保证套管不破坏的前提下，还应使所设计出的套管柱在成本上是最低的，这就是通常所说的套管柱设计的“既安