固井培训1-注水泥流变学设计原理及方法
固井施工工艺流程培训(新来学生培训教材)
第一课油井水泥油井水泥是固井的基本材料，它能够与水按一定的比例混合成水泥浆，并在井下慢慢硬化成具有一定抗压强度和渗透率的水泥石。
油井水泥能够与外加剂和（或）外掺料有广阔的适应性和相容性，广泛地用于油田钻井、完井、修井及油井报废等作业中。
由于井下环境比地面条件恶劣得多，所以对其化学组成和物理性质方面的要求比建筑水泥严格得多，况且，由于施工方法不同，特别是对密度、稠度、稠化时间和抗压强度等具有更高的要求。
1、油井水泥的级别和类型由于注水泥作业的井下条件与建筑工程的地面环境完全不同，所以，我国标准或API规范都根据化学成分和矿物组成规定了专门的分级和分类，以适应不同的井深和井下条件。
目前，API规范和我国标准把油井水泥分为A、B、C、D、E、F、G和H八个级别，每种水泥都适用于不同的井深、温度和压力。
同一级别的油井水泥，又根据C3A（铝酸三钙）含量分为：普通型（O）：C3A＜15%；中抗硫酸盐型（MSR）：C3A≤8%；高抗硫酸盐型（HSR）：C3A≤3%。
2、油井水泥的定义及化学和物理性能要求：（1）、定义标准或规范所概括的A、B、C、D、E和F级油井水泥：是由水硬性的硅酸钙为主要成分的硅酸盐水泥熟料，通常加入适量的石膏和助磨剂经磨细制成的产品。
G和H级油井水泥也是由水硬性硅酸钙为主要成分的硅酸盐水泥熟料，加入适量的石膏或石膏和水，研磨制成的产品，但在粉磨与混合的过程中，不允许掺加任何其它外加剂。
目前辽河油区所使用的水泥是G级油井水泥。
该产品是一种基本油井水泥，有中抗硫酸盐（MSR）和高抗硫酸盐（HSR）两种类型。
以下所介绍的均为G级油井水泥。
（2）、化学和物理性能要求2.2、物理性能要求G级油井水泥物理性能要求见表二。
表二：物理性能要求说明：G级油井水泥的稠化时间要求较为严格。
要求在52℃，35.6MPa 条件下的稠化时间为90~120min，15-30min的最大稠度必须在30Bc内（确保G级水泥具有良好的流动性能），这些要求为注水泥作业的顺利创造条件。
固井原理及过程
9
概述
5、固井内容
套管与下套管 水泥与注水泥
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概述
6、对固井质量的要求
套管有足够的强度
能承受井下各种外力作用，抗 腐蚀、不断、不裂、不变形
水泥环有可靠的密封
环空封固段不窜、不漏、胶结
良好，能经受高压挤注的考验
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概述
7、固井工程的特殊性
(1)是一次性工程,如果质量不好,一般情况下难以补救;
(2)是隐蔽性工程,主要流程在井下,施工时不能直接观察, 质量控制往往决定于设计的准确性和准备工作的好坏, 受多种因素的综合影响;
(3)影响后续工程的进行;
(4)是一项花钱多的工程;
(5)施工时间短,工序内容多,作业量大,是技术强的工程.
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一、套管外载分析与计算
作用在套管上的主要载荷应是：
轴向力：自重、浮力 外挤压力 内压力
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一、套管外载分析与计算
1.外挤压力 管外钻井液液柱压力:（水泥不返到
井口时，上部有一段套管外为钻井 液。该段套管称为自由套管） 水泥浆液柱压力 地层中流体压力 易流动岩层的侧压力等
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。包括下套管和
注水泥。
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3
概述
2、工艺介绍 下套管 注水泥 候凝 检测评价
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4
概述
3、固井工程的步骤
下套管 ➢ 套管由接箍和本体组成。 ➢ 套管柱由单根套管+浮箍+引鞋
固井工程技术基础
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。
固井设备总体示意图二、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。
（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。
油气井固井注水泥顶替的理论模型及应用分析
如何提升固井质量是面临的难题。
固井的过程是水泥浆驱替套管外部环形空间钻井
液，水泥浆充满环形空间后，凝固形成水泥墙，实现对
井壁的封固。在这个过程中，要达到好的固井效果，必
须保证水泥浆具有好的顶替效率，如果水泥浆顶替不
彻底，在凝固的过程中，受残余钻井液影响，会在封固
井段形成钻井液槽，影响了固井质量，使得容易出现窜
2021 年第 4 期
57
西部探矿工程
油气井固井注水泥顶替的理论模型及应用分析
张雅秋*
（大庆钻探工程公司钻技一公司固井设备修保厂，
黑龙江 大庆 163000）
摘
要：固井在油气井建设过程中起到承上启下的作用，
固井质量的好坏不仅对后续的施工作业造成影
响，
还影响油气井使用寿命，
必须予以重视。固井过程中注水泥的顶替效率是影响固井质量的重要环
有害固相含量更为敏感，因此在现场施工过程中，应适
钻井液的表观粘度变化幅度很大，说明高密度钻井液
当提高高密度油基钻井液的化验频率并制定更为详细
对固相含量的敏感度更大。
的钻井液性能调整方案。
表6
不同有害固相加量对油基钻井常规性能的影响
表观粘度（mPa·s）
有害固相
3
（%）
1.6g/cm3
2.0g/cm3
管外壁与井壁的环空中不同位置的水泥浆流速及流态
离子能够与水泥浆中的氢氧化钙反应，生成悬浮状的
差异较大，最宽处流体流速能够达到最窄处流速的几
胶体化合物，填充在颗粒的间隙，强化了水泥浆的空间
十倍，并且在最宽处的流体流态为紊流，最窄处流体流
结构，提升了水泥浆的防水渗能力。因此，为提升水泥
态为层流。由于流速和流态的差异，在注水泥时，距离
固井技术基础说课讲解
固井技术基础（量大、多图、易懂）概述1、固井的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，保证勘探期间的分层测试及在整个开采过程中合理的油气生产等目的而下入优质钢管，并在井筒与钢管环空充填好水泥的作业，称为固井工程。
2、固井的目的1. 封隔易坍塌、易漏失的复杂地层，巩固所钻过的井眼，保证钻井顺利进行；2. 提供安装井口装置的基础，控制井口喷和保证井内泥浆出口高于泥浆池，以利钻井液流回泥浆池；3. 封隔油、气、水层，防止不同压力的油气水层间互窜，为油气的正常开采提供有利条件；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的条件；3、固井的步骤1. 下套管套管与钻杆不同，是一次性下入的管材，没有加厚部分，长度没有严格规定。
为保证固井质量和顺利地下入套管，要做套管柱的结构设计。
根据用途、地层预测压力和套管下入深度设计套管的强度，确定套管的使用壁厚，钢级和丝扣类型。
2. 注水泥注水泥是套管下入井后的关键工序，其作用是将套管和井壁的环形空间封固起来，以封隔油气水层，使套管成为油气通向井中的通道。
3. 井口安装和套管试压下套管注水泥之后，在水泥凝固期间就要安装井口。
表层套管的顶端要安套管头的壳体。
各层套管的顶端都挂在套管头内，套管头主要用来支撑技术套管和油层套管的重量，这对固井水泥未返至地面尤为重要。
套管头还用来密封套管间的环形空间，防止压力互窜。
套管头还是防喷器、油管头的过渡连接。
陆地上使用的套管头上还有两个侧口，可以进行补挤水泥、监控井况。
注平衡液等作业。
4. 检查固井质量安装好套管头和接好防喷器及防喷管线后，要做套管头密封的耐压力检查，和与防喷器联接的密封试压。
探套管内水泥塞后要做套管柱的压力检验，钻穿套管鞋2~3米后（技术套管）要做地层压裂试验。
生产井要做水泥环的质量检验，用声波探测水泥环与套管和井壁的胶结情况。
固井原理及过程
19
一、套管外载分析与计算
1.外挤压力 1.外挤压力 管外钻井液液柱压力: 管外钻井液液柱压力:（水泥不返 到井口时， 到井口时，上部有一段套管外为钻 井液。该段套管称为自由套管） 自由套管） 井液。该段套管称为自由套管 水泥浆液柱压力 地层中流体压力 易流动岩层的侧压力等
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一、套管外载分析与计算
7
概述
（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 压力表 上胶塞 下胶塞 钻井液 浮箍 引鞋 7——水泥浆 8——隔离液 9——钻井液 水泥浆 隔离液 钻井液
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一、套管外载分析与计算
1.外挤压力 1.外挤压力 （1）外压力
在水泥面（环空内水泥的顶面） 在水泥面（环空内水泥的顶面）以上应按钻井液液柱压力计算 对于水泥封固段，当发生上述最大有效外压力时， 对于水泥封固段，当发生上述最大有效外压力时，管外环空中 的水泥已经凝固，水泥环（ 的水泥已经凝固，水泥环（水泥浆在环空内凝固后的环状水泥 石称为水泥环）应有助于套管承受外压力，但难于准确计算， 石称为水泥环）应有助于套管承受外压力，但难于准确计算， 因此从安全角度考虑现场上一般将水泥面以下水泥环段的外压 因此从安全角度考虑现场上一般将水泥面以下水泥环段的外压 力也按钻井液液柱压力计算。 力也按钻井液液柱压力计算。
固井基础知识
决定于设计的准确性和准备工作的好坏,受多种因素的综合影响；
影响后续工程的进行； 是一项花钱多的工程；
固井工程是准备时间长（1～2周）、施工时间短（1～2小时）、费
用高（占钻井成本的15% ～ 30%）、工序多、工作量大和技术性强 的工程。
一、固井概论
占 勘 探 开 发 投 资 比 例
高投资
居中（达到环空充填材料几何特征与强度均匀）
替净（实现流体置换完全与界面耦合紧密要求）
压稳（制止地下流体沿水泥基体周界运移窜通）
稳定（特定开采环境下产层枯竭前长期耐久性）
一、固井概论
保证固井质量的重要意义
完井工程和井底完成结构是实现开发效果的基本保证，固井工程是关 键环节； 水泥环层间封隔是后期作业、开采的保证；
除此之外还发生其他二次反应，生成物中有大量的硅酸盐水化产 物及氢氧化钙等。
一、固井概论
（2）水泥凝结与硬化
水泥的硬化分为三个阶段： 溶胶期：水泥与水混合成胶体液，开始发生水化反应，水化产 物的浓度开始增加，达到饱和状态时部分水化物以胶态或微晶 体析出，形成胶溶体系。此时水泥浆仍有流动性。 凝结期：水化反应由水泥颗粒表面向内部深入，溶胶粒子及微 晶体大量增加，晶体开始互相连接，逐渐絮凝成凝胶体系。水 泥浆变稠，直到失去流动性。 硬化期：水化物形成晶体状态，互相紧密连接成一个整体，强 度增加，硬化成为水泥石。
（l）对固井质量的基本要求
– 水泥浆返高和水泥塞高度必须符合设计要求； – 注水泥井段环空内的钻井液顶替干净； – 水泥石与套管及井壁岩石胶结良好； – 水泥凝固后管外不冒油、气、水，不互窜； – 水泥石能经受油、气、水长期的侵蚀。
（2）在固井中常出现的固井质量问题
中海油固井学习班概要教学资料
三、套管柱设计方法
c. 计算出不同井深下套管所需的各种强度， 从现有套管中选择出满足这些要求的套管；
三、套管柱设计方法
d. 对所选套管进行校核和调整
三、套管柱设计方法
3. 等安全系数设计法
3.1 设计原则
要求所设计的各段套管的最小安全系数 应等于规定的安全系数值。
安全系数＝套管强度/计算外载ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
三、套管柱设计方法
三、套管柱设计方法
工程上对选择套管的有关限制：
在要求抗腐蚀的条件下，应先选用抗硫套管或 高一钢级的套管； 套管段数和种类的数量不应太多，一般应小于4 －5段； 井口一根套管应为全井最大壁厚； 对复杂井要计算井口的瞬时最大载荷。
三、套管柱设计方法
2. 选择步骤
a.确定套管在井下可能遇到的最大外载情况 ；
二、套管外载分析与套管强度计算
径向内压力： 管内流体压力 压裂作业等压力
二、套管外载分析与套管强度计算
2、动载
特点：瞬时地、单一地作用在套管上。
起下钻时速度变化产生的动载 阻、卡套管时提拉动载 摩擦动载 碰压动载 密度差产生的附加拉力
二、套管外载分析与套管强度计算
作用在套管上的主要载荷应是：
外载×安全系数 套管强度
第1部分 套管柱设计
二、套管外载分析与套管强度计算
（一）、载荷分类与特点
1、静载 特点：长期作用、联合作用在套管上。 类型：
轴向拉力 径向外挤压力 径向内压力 弯曲附加拉力 温差应力
二、套管外载分析与套管强度计算
轴向拉力：自重、浮力
W
二、套管外载分析与套管强度计算
径向外挤压力： 管外液柱压力 地层挤压 环空加压
a. 计算公式
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沉砂池：10～20 S-1 钻杆环空：60 ～100 S-1 钻铤环空：160 ～300 S-1 钻杆内：250 ～500 S-1 钻铤内：700-1400 S-1 常规套管环空：160 ～500 S-1 小间隙套管环空：500 ～1200 S-1
1、基本概念
流体流动的基本概念：剪切应力
V F
F：反映流体内摩擦力的大小 V V F ∝S—— F= ×S—— X X 称为粘度或粘滞系数
1、基本概念
流体流动的特点
1、基本概念
流体流动的基本概念：剪切速率
V 如果：各位置剪切 速率相同，则出现 情况……。
x
V x
dV dx
V
速度梯度或剪切速率
定义：垂直流速方向上的单位距离流速的变化量。 单位：S-1
1、基本概念
流体流动的基本概念：剪切速率
剪切速率分布情况：
• • • • • • •
赫－巴模式： 罗－斯模式： 卡森模式：
S K B A( C)
n
(c )
a 0 a1 a 2
1 2
1 2 0
1 2
1 m
多项式模式： 幂律模式： 宾汉模式：
K 0 P
n
3、流变模式与流变参数计算
3.101
3、流变模式与流变参数计算
流变模式 赫巴模式 罗斯模式 卡森模式 幂律模式 宾汉模式
10组密度 1.162CaCl2重晶石 泥浆
3.238
3.658
3.166
6.475
2.914
10组密度1.50 CaCl2重晶石泥浆
1.785
1.633
4.127
8.001
1.481
3、流变模式与流变参数计算
2、流变测量
流变曲线绘制
剪切应力
剪切速率
3、流变模式与流变参数计算
流体流变模式
– 概念
• 用于描述流体内部剪切应力与剪切速率的数学 方程 • 流变模式是流体内部流变规律的近似反映
– 类型
• 两参数模式：幂律、宾汉、 卡森 • 三参数模式：赫巴、罗斯 • 多参数模式：……
3、流变模式与流变参数计算
主要内容
1. 2. 3.
4.
5.
6.
流体的特点与类型—基本概念 流变测量 流变模式与流变参数计算 在管内或环空的流动规律 流动计算方法与步骤 在固井中影响流变计算的因素
------温度、间隙等对计算的影响
1、基本概念
流体流动的特点
V
x
V
特点：流动时分层流动、各层的速度不一样 原因：流体内部存在内摩擦力
定义：单位剪切速率（速度梯度）下的剪切应力； 单位：10达因.秒/厘米2=1帕秒（ Pa.S）=1000（mPa.S） 粘度是流体本身固有的特性，对于水、汽油等流体， 其粘度是不随流速、流道以及速度梯度变化的。 这一规律称为：牛顿内摩擦定律
1、基本概念
流体流动的基本概念：流体分类
– 牛顿流体： 特点：满足牛顿内摩擦定律 =
注水泥流变学设计 原理与方法
西南石油学院学院石油工程学院 徐璧华
流变学与固井的关系
注水泥时井口压力是否会过大； 排量应控制到多大才能保证井下不漏； 排量应控制到多大才能保证井下不窜； 哪种情况下使用大排量或是小排量顶替 才能提高顶替效率；
关键： 确定流体流动时的流动状态 确定流体流动时的流动阻力
泥浆、水泥浆流变模式的选择
– 流变曲线观察法 – F 比值法
200 100 F 300 100
– 误差统计分析法
• 计算各转速的计算剪切应力与实测值的误差
3、流变模式与流变参数计算
泥浆、水泥浆流变参数的计算
– 流变参数的含义
• 反映流体流动规律的特征参数，流体一定后在 流变模式中是不变的。
流变模式 赫巴模式 罗斯模式 卡森模式 多项式 模式 幂律模式 宾汉模式
40组水泥浆 (API法配)
4.983
7.509
11.94
6.991
13.03
23.16
32组水泥浆 (手搅法配)
4.311
10.08
22.04
5.337
8.333
43.57
6种泥浆
1.491
2.514
2.219
-----
5.609
剪切速率
剪切应力
1、基本概念
流体流动的基本概念：流体分类
– 非牛顿流体： 特点：不满足牛顿内摩擦定律，视粘度与速 梯、时间有关系。
剪切应力
剪切速率
1、基本概念
流体流动的基本概念：流体分类 按流变性分：
– 粘弹性流体 – 纯粘性流体
• 与时间有关
– 触变性流体 – 负触变性流体
泥浆、水泥浆、隔离液： 屈服—假塑性 假塑性 塑性
3、计算内筒处的剪切速率
V
牛
0.20944 n 2 1 (r / R)
2、流变测量
同轴旋转粘度计测量原理
– 原理： – C=.511 (Pa)
转速
600 1022 C
300 511 C
200
100
6
3
剪切 速率
切力
340.6 170.3 10.22 5.11 C C C C
– 宾汉模式
• 动切力、塑性粘度
– 幂律模式
• 流性指数、稠度系数
– 赫巴模式
• 静切力、流性指数、稠度系数
3、流变模式与流变参数计算
泥浆、水泥浆流变参数的计算
– 流变参数计算原理 • 使用以测量的已知速率下的剪切应力反 推 • 方法：
• 与时间无关
– 有屈服应力：塑性流体、屈服—假塑性流体 – 无屈服应力：牛顿流体、假塑性流体、膨涨性流体
1、基本概念
非牛顿流体的流变性能
– 粘度（视粘度） – 静切应力 – 动切应力 – 触变性 – 剪切稀释性
2、流变测量
测量目的
– 了解流体剪切应力随剪切速率变化的规律 – 测量：剪切速率、剪切应力
测量仪器
– 粘度计
• 旋转粘度计：同轴、锥板…… • 毛细管粘度计
泥浆、水泥浆用： 六速、十二速旋转粘度计
2、流变测量
同轴旋转粘度计测量原理
– 结构：
R r V
M
2、流变测量
同轴旋转粘度计测量原理
– 原理： 1、测量内筒的扭矩M 2、计算内筒处的剪切应力
R r
M C 2 2r h
定义：单位面积上内摩擦力的大小即为剪切应力；记为： 单位：10达因/厘米2 =1帕（ Pa ）=1000(mPa)
1、基本概念
流体流动的基本概念：流变曲线
剪切应力
剪切速率
1、基本概念
流体流动的基本概念：视粘度
V F= ×S—— X F/S =———=—— V/X
V F ∝S—— X