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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、附件和资料第一节API套管尺度和规范第二节固井工具、附件第三节固井资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，包管继续平安钻进，封隔油、气和水层，包管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。
因此固井包含了两部分：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，在钻井过程中经常遇到井漏、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，包管油气田的开采，就要采取固井，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，巩固所钻过的井眼包管钻井顺利进行。
（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，那么随着井深的变更，钻达B 点所用泥浆密度在A 点发生的压力就会大于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，那么随着井深的变更，钻达C 点所用泥浆密度在B 点发生的压力就会大于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。
固井工程不但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欠好，层间互相窜通，那么会给油气田开发带来很大困难。
页岩气水平井固井技术难点分析与对策
页岩气水平井固井技术难点分析与对策发布时间：2021-06-10T11:04:00.777Z 来源：《中国科技信息》2021年7月作者：付江超[导读] 页岩气储层具有特殊特征，孔隙率较低。
同时，页岩储层渗透率相对较低。
在此基础上，页岩气井主要通过针对油田或油井的技术措施，为保护石油资源提供技术支持。
随着石油工业的迅速发展，对钻井技术进行了有效的革新，传统的钻井技术已不再适合现代钻井项目的需要。
山东省山东滕州市煤田地质局第一勘探队付江超 277599摘要：页岩气储层具有特殊特征，孔隙率较低。
同时，页岩储层渗透率相对较低。
在此基础上，页岩气井主要通过针对油田或油井的技术措施，为保护石油资源提供技术支持。
随着石油工业的迅速发展，对钻井技术进行了有效的革新，传统的钻井技术已不再适合现代钻井项目的需要。
因此，有必要进一步研究水平固井技术，并提出有效解决固井问题的办法，这是提高工程质量和保护资源所必需的。
关键词：页岩气水平井；固井技术；难点分析；处理对策随着人口的增长、工业的发展、石油和天然气勘探的扩大、开采的逐步发展、页岩气资源的不断发现、生产成本的大幅降低以及对其经济价值和战略重要性的日益重视。
作为一名现场技术人员，经过多年的页岩气井固井实践，对页岩气井的固井难点有了一定的认识，并采取了技术措施。
一、页岩气固井技术的特点1.页岩气固井是短期工程、技术密集型工程和劳动密集型工程。
2.页岩气固井是一个系统工程。
它涵盖广泛的学科。
第一，有许多学科，包括地质、石油、机械、化学、流体力学和电子。
其次，由于组织管理、供应、运输和场地建设等部门众多，直接促进了社会的快速发展。
最后，还有许多其他因素，包括施工准备、下钢管或者套管、注人水泥等。
3.固井作业是一个非常隐蔽的项目。
首先，主要工艺在地下完成，不能直接观察和测试。
其次，质量控制主要取决于设计的准确性和准备程度。
最后，施工过程中会发生不可预测和未知的事故目前正在实施的三个隐藏的高风险特征将直接影响工程的实施，并妨碍工程工作的快速完成。
套管固井施工技术
套管固井施工技术摘要：结合某井身结构及套管程序，围绕固井目的及固井施工要求，从套管下入困难、存在漏失风险、影响顶替效率，以及水泥浆技术等方面分析了固井技术难点，重点从下套管、防漏失、提高顶替效率和防气窜水泥浆等方面提出了针对性的解决对策，以为固井施工提供技术支撑与借鉴。
关键词：固井施工；固井技术；探讨某井采用双凝水泥浆体系，单级正注固井工艺，水泥浆返至1200m。
该井开钻进正常，未出现漏失、卡钻等异常情况。
该井固井目的是封固裸眼井段，为顺利完成压裂改造创造有利条件。
该井固井方法采用Φ139.7mm套管单级固井，采用2.12g/cm3防气窜水泥浆领浆和1.90g/cm3防气窜弹性膨胀水泥浆尾浆的水泥浆体系。
本文拟对该井Φ139.7mm套管固井施工关键技术作一探讨，以为同类型井固井施提供技术参考。
1井身结构及套管开次钻头尺寸井深mm m套管尺寸下深mm m一609.6194508192.46二406.4189 2339.71889. 98三311.2329 9244.53297. 90四215.95636139.756342固井技术难点2.1套管下入困难本井为大位移水平井，水平位移长达1883.76m，水平段较长以及高摩阻、井眼沉砂等提高了套管下入难度。
2.2存在漏失风险本井固井过程中环空液柱压力增加，水泥浆黏度、密度增加，有可能发生漏失。
2.3影响顶替效率水平段套管居中困难，套管在造斜段极易贴在井壁上；油基钻井液完钻后，需要大量的冲洗液和隔离液去冲洗井壁油泥饼，并恢复其水润性，达到润湿反转，来提高井壁二界面的胶结质量；井斜大，水平段长，钻井过程中易形成的不规则井眼和岩屑床[2]，严重影响水泥浆的顶替效率。
2.4水泥浆技术难点该井一次性封固井段长，水泥浆量大，注灰时间长，上下温差大，对水泥浆综合性能要求高；目的层为低孔低渗的页岩气储层，固井施工结束后需采取大型压裂增产措施，对固井胶结质量提出了更高的要求，在满足水泥浆胶结良好的前提下，还要求水泥石具有较强的弹韧性。
页岩气水平井固井技术研究进展
页岩气水平井固井技术研究进展页岩气水平井固井技术研究进展随着能源需求的日益增长，页岩气逐渐成为了替代传统石油天然气的重要资源。
水平井作为主要的生产工具，其固井技术成为了页岩气开发中的重要问题。
近年来，国内外学者针对页岩气水平井固井技术进行了研究，本文就其研究进展进行了综述。
一、水泥固井技术水泥固井是目前水平井固井技术的主流方案，其通过注入水泥浆将套管与井壁固定，防止井壁侵蚀和漏失油气。
然而，页岩气水平井中存在的大量细小裂缝会导致水泥浆的染浸，影响其固结力，并产生裂缝，从而使油气渗漏。
因此，国内外学者在水泥固井领域的研究主要围绕水泥改性与水泥浆稳定性。
其中，P. L. Dürig等(2015)提出了一种纳米级碳酸钙在水泥胶凝体中的应用，该技术能够形成更致密、更均匀的水泥固结体，并使固井力度提高60%以上。
另外，A. C. Boivie等(2018)研究了不同温度下水泥胶凝体的强度和耐久性，发现在较高温度下固井效果更佳。
同时，X. Chen等(2019)通过添加聚丙烯酰胺( PAA)改善了水泥浆体的流动性，并提高了固井效果。
二、环氧树脂固井技术除了传统的水泥的固井技术，针对页岩气开发中水泥固井存在的问题，环氧树脂固井技术被提出。
与水泥固井相比，环氧树脂具有更高的渗透性和粘附性，可以更好地填补井壁的裂缝和孔隙。
因此，为了提高环氧树脂固井的效果，国内外学者进行了一系列相关研究。
其中，B. Li等(2016)研究了环氧树脂固井的最佳浓度、固化时间和接触时间，提高了固井效果并减少了漏失。
同时，Q. Zeng等(2018)通过与水泥固井技术的组合应用，有效地提高了固井的完整性和耐久性。
三、石墨烯增强固井技术石墨烯具有极高的强度和导电性，其与水泥等材料的复合可以有效地加强其力学性能。
因此，石墨烯增强固井技术被提出，并取得了一定的研究进展。
例如，L. Huang等(2019)研究了石墨烯在水泥浆体中的添加量，发现当石墨烯/水泥比例为0.25%时，固井力度可提高71.6%，漏失率降低至0.8%以下。
页岩气水平井固井趾端压裂滑套的研制
2 理论计算和分析
2.1 滑套开启压力计算
固井压裂滑套的开启压力至关重要，若设计开
启压力值过低易使滑套在固井过程中提前开启，造成
固井不能碰压，水泥浆被替空等井下事故 ；而设计
压力值过高也会造成固井后，压裂开启滑套过程的地 面压力过高，滑套不易开启，甚至无法开启等问题 。 [10]
根据固井、压裂各阶段的施工压力可得 ：
(1. CNPC Engineering Technology R&D Company Limited, Beijing 102206, China; 2. PetroChina Zhejiang Oilfield Company, Hangzhou, Zhejiang 310023, China) Natural Gas Industry, Vol.41, SUPPLEMENTARY1, p.192-196, 3/25/2021. (ISSN 1000-0976; In Chinese) Abstract: In order to reduce the workload of using coiled tubing for the first stage perforation in the completion and fracturing process of shale gas horizontal wells, avoid various risks brought by this operation, and solve the problem that the coiled tubing and subsequent operation tools for the first stage perforation of horizontal wells such as long horizontal section, upward inclined well, deep well and casing change well cannot go down to the bottom of the well, the fluid isolation shielding blasting technology is adopted in this paper DRCFT type cementing toe fracturing sleeve was developed and applied in Zhaotong national shale gas demonstration area. The laboratory test results show that the cementing toe fracturing sleeve has good sealing performance, which can be normally opened even when the downhole environment is solidified by cement slurry, and the opening pressure is accurate, which can meet the requirements of cementing and fracturing. It has been used in more than 30 wells with a success rate of 100%, which shows that the developed fracturing sleeve is reliable. It is concluded that DRCFT toe fracturing sleeve solves the problem that perforating gun, coiled tubing and other late operation tools in long horizontal wells cannot go down to the bottom of the well, and can effectively replace the first section of coiled tubing transmission perforating operation in horizontal wells; The tool reduces the fracturing cost of unconventional oil and gas horizontal wells such as shale gas, and provides technical support for the effective development, cost reduction and efficiency increase of unconventional oil and gas reservoirs such as low permeability, tight gas and shale gas. Keywords: Shale gas; Unconventional oil and gas; Cementing; Perforation; Toe fracturing sliding sleeve; Opening; Zhaotong National Shale Gas Demonstration Area
页岩气完井方式综述
页岩气完井方式综述页岩气井的投产能否成功，完井工艺是关键。
因为页岩气油藏的孔隙度和渗透率极低，必须采用特殊的完井工艺技术才能完成投产。
经调研统计，页岩气井普遍采用的完井方式可分为以下几类类：桥塞+射孔联作完井、滑套封隔器完井、套管固井后射孔完井、尾管固井后射孔完井、尾管固井后射孔完井和裸眼射孔完井。
标签：页岩气；完井；固井页岩地层裂缝发育，长水平段（1200m左右）钻井中易发生井漏、井垮等问题，造成钻井液大量漏失、卡钻、埋钻具等工程事故。
页岩气水平井钻井中，水平段较长，磨阻、携岩及地层污染问题非常突出，钻井液好坏直接影响钻井效率、工程事故的发生率及储层保护。
页岩气单井产能低，勘探开发成本高，需要优化钻井工艺及研发低成本钻井，配套装备，提高采收率，降低钻井工程成本。
1 页岩气井完井方式1.1 组合式桥塞完井（桥塞+射孔联作完井）组合式桥塞完井是页岩气水平井最广泛使用的完井方式，其原理是在套管中用组合式桥塞分隔各段，分别进行射孔或压裂，这是页岩气水平井最常用的完井方法，其工艺流程是下套管、固井、射孔、分离井筒，但由于需要在施工中射孔、坐封桥塞、钻桥塞，因此也是最耗时的一种方法。
1.2 机械式组合完井（滑套封隔器完井）国外近年发展起来的一种新型完井技术，其工作原理是利用膨胀封隔器和滑套系统组成一趟管柱进行固井和分段压裂。
操作流程为：完井管串下入水平段、坐封悬挂器、注酸溶性水泥浆固井、泵入压裂液、井口投球控制滑套系统、水平段最末端第一级压裂、依次第二、三级等逐级压裂、防喷洗井、投产。
该工艺主要适用于长水平段页岩气井的逐级压裂，其中哈里伯顿公司的DeltaStim 完井技术为市场主导。
1.3 水力喷射射孔完井（套管固井后射孔完井）是根据伯努利能量转换原理，使流体通过喷射工具，油管中的高压流体能量被转化为动能，产生高速流体冲击岩石形成射孔通道，实际应用中通常使用低砂浓度携砂液来完成水力喷射任务。
其优点是免去下封隔器或桥塞，缩短完井时间，工艺相对成熟简单，有利于后期多段压裂，缺点是有可能造成水泥浆对储层的伤害。
页岩气水平井固井技术难点与措施
298我国经济的快速发展离不开能源资源的使用，我国能源紧缺问题一直没有的得到有效的解决。
页岩气是继煤炭、石油、天然气之后的又一新能源。
新能源的使用是经济效益和环境效益新的平衡点。
大部分页岩气藏为低孔隙度和低渗透气藏。
必须采用压裂等增产措施与天然裂缝进行沟通，需要较高的固井质量。
随着科学技术的不断推进和社会天然气需求的不断提高，页岩气水平井固井技术问题必须在短时间内解决。
一方面要保证新工艺的稳定性和耐久性，另一方面必须提高生产能力，保证固井质量的进步。
1 页岩气水平井固井技术难点分析1.1 对水泥环的破坏性较大在页岩气水平井施工后期，由于压裂作业对水泥环和套管的巨大冲击压力，使得部分地区容易产生高压、高压应变带。
此外，普通水泥浆材料的抗拉强度和抗压强度较差。
页岩气水平井施工容易产生宏观裂缝，降低了其使用寿命，限制了其生产效率。
1.2 水平段下套管难度较大由于页岩储集层易膨胀，所以，页岩气水平井的井眼呈现出的是椭圆形。
此外，水平位移越大，水平截面越长，套管的阻力越大，并且套管很难放置在预定位置。
当井的水平位移较大，新侧SH井的水平位移较大时，最后一次套管作业的阻力较大。
1.3 顶替效率得不到有效的提升由于井斜角的影响，套管的应力方向将来自高偏差部分的轴向、径向和横向部分，从而导致套管偏心，影响钻井液正常驱动套管的底部，进而导致导向问题，最终影响驱油效率。
对于页岩水平井来说，钻井作业中的不稳定性一直是钻井作业中的一个主要问题，因此在钻井过程中经常使用油基钻井液。
钻井液的实际影响主要体现在钻井液的质量、顶替效率和水泥浆强度上。
油基钻井液的顶替难度很大，特别是在温度很低的情况下，这将直接影响油基钻井液在运行过程中的保护效果。
另外，为了避免钻井液的不稳定性，保证钻井液的效率，钻井液使用的粘度和密度都很高，而且性能较差，这也会对钻井液的效率产生不利的影响。
1.4 射孔、压裂对水泥环的破坏除上述三点外，射孔压裂损伤水泥环也是页岩气水平井技术的难点之一。
固井工艺技术
固井工艺技术常规固井工艺内管法固井工艺尾管固井工艺尾管回接固井工艺分级固井工艺选择式注水泥固井工艺筛管(裸眼）顶部注水泥固井工艺封隔器完井及水泥充填封隔器固井工艺注水泥塞工艺预应力固井工艺挤水泥补救工艺技术漏失井固井技术高压井固井技术大斜度井固井技术深井及超深井固井技术长封固段井固井技术小间隙井固井技术糖葫芦井眼固井技术气井固井技术（一）常规固井工艺常规固井工艺是指在井身质量较好，且井下无特殊复杂情况,封固段较短的封固要求下，将配制好的水泥浆，通过前置液、下胶塞（隔离塞）与钻井液隔离后，一次性地通过高压管汇、水泥头、套管串注入井内,从管串底部进入环空，到达设计位置,以达到设计井段的套管与井壁间的有效封固。
套管串结构：引鞋+旋流短节+2根套管+浮箍+套管串.施工流程：注前置液→注水泥浆→压碰压塞（上胶塞）→替钻井液→碰压→候凝。
保证施工安全和固井质量的基本条件：（1）井眼畅通。
（2）井底干净。
（3）井径规则，井径扩大率小于15％。
（4）固井前井下不漏失。
（5）钻井液中无严重油气侵，油气上窜速度小于10m/h.（6）套管居中，居中度不小于75%。
（7)套管与井壁环形间隙大于20mm。
（8)钻井液性能在不影响井壁稳定、保证井下压稳的情况下，应保证低粘度、低切力、低密度,具有良好的流动性能。
（9）水泥浆稠化时间、流动度等物理性能应满足施工要求。
（10)水泥浆和钻井液要有一定密度差，一般要大于0。
2. （11）下灰设备、供水设备、注水泥设备、替泥浆设备及高低压管汇等，性能满足施工要求。
（二）内管法固井工艺内管法固井工艺是用下部连接有浮箍插头的小直径钻杆插入套管的插座式浮箍（或插座式浮鞋)，与环空建立循环，用水泥车通过钻杆向套管外环空注水泥。
采用该工艺注水泥能减少水泥浆在套管内与钻井液的掺混，缩短顶替钻井液时间。
用该工艺进行表层时，水泥浆可提前返出,从而减少因附加水泥量过大而造成的浪费和环境污染.该工艺一般用于大直径套管固井。
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**页岩**固井队技术套管固井首战告捷
本网讯（通讯员屈勇季泽祥）4月8日23时，随着现场指挥最后的收工哨声响起，第一固井公司**项目部**页岩**固井队圆满完成了长宁H8-3井的Φ244.5mm技术套管固井施工。
克服六种新难题。
为保障首次技套固井施工的顺利完成，在公司及项目部领导的关心支持下，该固井队努力克服了“六新”等诸多难题，较好的完成了生产任务。
一是设备新。
此次施工采用的设备是新引入的2台杰瑞产100-30型水泥车，为保证此次固井任务，项目部领导急现场之所急，特意邀请了杰瑞的设备管理人员到该队进行设备培训，并在施工现场中保驾护航；二是驾驶员新。
此次使用的主力设备的驾驶员均为第一次驾驶100-30型水泥车，该队组织学习了山路行车技巧等相关交通培训，进一步提升驾驶员的驾驶能力与水平；三是区块新。
长宁页岩**区块也是该队进入的一个全新区块，长宁H8-3井，是我公司在页岩**固井市场打响的第一枪，；四是道路新，由于长宁H8平台地处于蜀、滇、黔三省交界之处，道路曲折，弯多路窄，人多且当地居民以摩托车为出行工具，作为**工程车辆，车体大存在很多视线盲区，为出车造成很大的风险，该队为保证固井施工，提前组织，尽量避开当地居民赶集时间，为提高行车安全未雨绸缪；五是人员组合新。
该队人员来自**项目部乌审旗、靖边、
**及海外项目部，该队通过加强对员工的培训教育，使大家近快适应了各岗位之间的配合；六是地层新，长宁页岩**地质分层及岩型、岩性都是一个崭新的区域与挑战，该队技术人员多次与甲方地质监督和二录现场人员联系与沟通，加深学习，为水泥浆体系配方及施工做充足准备。
生产超前运行。
为保证此次技套固井施工任务，项目部根据公司及项目部的安排，明确分工，精心运筹，确保各项准备工作超前运行，把计划严格落实到生产作业每个环节。
从细节入手，严格执行各项标准，从施工前的现场规划、施工过程控制到施工结束后的环境管理，坚持做到高标准、严要求，各项管理逐步实现了规范化、制度化。
在设备管理上，作业人员严格落实巡检制度，人人做到“四懂三会”；在岗位落实上，严格执行岗位责任制，做到事事有人管、件件有落实，不以任何借口影响工作指令的执行。
强化生产组织。
4月7日晚上19：30分，固井施工队伍从基地出发，行驶八个小时后达井场，针对井场小、设备设施摆放困难等困难，带队干部合理安排车辆摆放位置，及时与钻井队沟通，并召开了施工前生产技术协调会。
从摆放车辆到施工结束历时20个小时。
由于当天下大雨，整个施工过程都在雨中进行，全体施工人员衣服全部都湿透了，完成施工后的车辆只能等到天情了才能下山。
但大家没有一名怨言，较好的完成了施工任务。
优化水泥浆体系。
针对新区域新配方，工程技术人员制定出符合现场施工应急处置措施，确保固井施工质量，化验技术人员通过大量**井水泥试验，成功研制出适合该井所用的两凝水泥浆体系，根据设计要求，合理设计水泥浆液柱压力结构，核算出施工压力，操作人员认真做好注入两段不同密度的水泥浆，控制水泥浆密度，同时优选注替排量，切实保证在注水泥浆和替浆过程中不压漏的前提下，达到紊流顶替的目的。
确保清洁生产。
在固井施工现场，每位员工也牢固树立环保意识，实施绿色固井，尽量减少作业时对环境的伤害：为了不让水泥灰**体污染空**，下灰工把排**管线导入到水桶里，使排出的水泥灰**体溶解在水里；供水车在拆管线时，选择抬起管线把水引入到井场前方的井队准备水坑中，即使施工现场干净整洁，也为井队回收利用水资源提供帮助。
整个施工过程，**页岩**固井队力保**污不落地、水泥灰**体不污染空**，使施工后的井场尽量保持原貌。