井身结构设计与固井
什么是固井
什么是固井一、固井：在已钻出的井眼中下入一定尺寸的套管，并在套管与井壁或套管与套管之间的环形空间内注入水泥的工艺过程。
二、井身结构包括以下几方面的内容：所下套管的层次、直径、各层套管下入的深度、井眼尺寸（钻头尺寸）、各层套管的水泥反高等。
三、设计井深的主要依据：地层压力、地层破坏压力和坍塌压力。
四、套管的类型：⒈导管；⒉表层套管；⒊技术套管；⒋生产套管；⒌尾管。
五、井深结构设计的原则：①能有效的保护油气层，使油气层不受钻井液的损害；②能够避免漏、喷、塌、卡等复杂情况产生，保证全井顺利钻进，使钻井周期达到最短；③钻达下部高压地层时所用的较高密度的钻井液产生的液柱压力，不至于把上一层套管鞋处薄弱的裸露地层压裂；④下套管过程中，钻井液液柱压力和地层压力之间的压差，不至于造成卡阻套管。
六、套管柱的受力：轴向压力、外挤压力和内压力。
七、套管柱的附件：⒈引鞋（套管鞋、浮鞋）；⒉回压法；⒊套管扶正器；⒋磁性定位套管；⒌联顶节。
八、水泥熟料主要成分：①硅酸三钙（C3S）；②硅酸二钙（C2S）；③铝酸三钙（C3A）；④铁铝酸四钙（C4AF）。
九、水化作用：油井水泥与水混合后，水泥中各种矿物分别与水发生水解和水化反映，某些水化产物还能发生二次反映。
十、水化反映的不断进行水泥浆形成水泥石可分为三个阶段：①胶溶期；②凝结期；③硬化期。
十一、稠化时间：指油井水泥浆在规定压力和温度条件下，从开始搅拌至稠度达100Bc所需要的时间。
十二、稠度：水合水泥混合后会逐渐变稠，变稠的速率。
十三、注水泥的设备：水泥车、水泥混合漏斗、水泥分配器、水泥头、胶塞、储灰罐。
十四、碰压：胶塞被推至浮箍时，泵压突然升高。
十五、注水泥主要工序包括：循环和接地面管汇→打隔离液→顶胶塞→碰压→候凝。
十六、提高泥浆的顶替效率：⒈紊流顶替；⒉打前置液；⒊活动套管；⒋调整完井液和水泥浆的性能；⒌使用扶正器。
十七、引起油、气、水窜的原因：水泥浆在凝固过程中的失重是导致油、气、水窜的主要原因，井壁存在泥饼、水泥硬化过程体积收缩也是造成油、气、水窜的原因。
钻井设计
钻井工程设计指导前言一、钻井设备二、井身结构设计三、钻具组合设计四、钻井液设计五、钻井参数六、油气井压力控制七、固井设计前言钻井是石油、天然气勘探与开发的主要手段。
钻井工程质量的优劣和钻井速度的快慢，直接关系到钻井成本的高低，油田勘探开发的综合经济效益及石油工业发展速度。
钻井程设计是钻井施工作业必须遵循的原则，是组织钻井生产和技术协作的基础，搞好单井预算和决算的唯一依据。
钻井设计的科学性，先进性关系到一口井作业的成败和效益。
科学钻井水平的提高，在一定程度上依靠钻井设计水平的提高。
搞好钻井工程设计也是提高技术管理和加强企业管理水平的一项重要措施，是钻井生产实现科学化管理的前提。
钻井工程设计应包括以下方面的内容：1.地面井位的选择及钻井设备的确定；2.井身结构的确定；3.钻柱设计与下部钻具的组合；4.钻井参数设计；5.钻井液设计；6.油气井压力控制；7.固井设计；一钻井设备(一) 钻进设备的选择钻井设备可以按设计及分类细分为若干部件系统。
这些系统可分为：1.动力系统；2.起升系统；3.井架及井架底座；4.转盘；5.循环系统；6.压力控制系统。
这些系统是选择钻井设备的基础。
钻井设备的选择主要依据钻机类型，地表条件及钻井设计所确定的最大载荷而定。
(二) 钻井设备选择实例表1-1是大庆地区45110钻井队芳深三井的钻进设备记录。
二井身结构设计(一) 井身结构确定的原则1.能有效的保护油气层，使不同压力梯度的油气层不受泥浆污染损害。
2.应避免漏、喷、塌卡等情况发生，为全井顺利钻进创造条件，使钻井周期最短。
3.钻下部高压地层时所用的较高密度泥浆产生的液柱压力，不致压裂上一层管鞋处薄弱的露地层。
4.下套管过程中，井内泥浆液柱压力之间的压差，不致产生压差卡套管事故。
(二) 井身结构设计步骤1.根据地区特点和井的自身条件，确定在保证工程需要的条件下应下几层套管，做出井身结构设计图。
2.确定套管尺及相应钻头尺寸。
3.确定各层套管的下入深度。
石油钻井工艺技术
二、钻井装备及主要工具
2、主要工具-井口工具-B型钳
5、B型吊钳保养与维护 ①钳柄应无裂纹或焊缝；尾桩销及方头螺钉应齐全完好；钳 尾绳尺寸应符合标准，且无打结或严重断丝，两端紧固牢靠。 ②钳头上的各扣合钳开合灵活，扣合尺寸与钻具或套管尺寸 相符；轴销不能装反，固定销及背帽应齐全；钳牙及钳牙固 定销齐全，固定牢靠，钳牙磨损严重时应及时更换；扣合弹 簧应是专用部件。 ③吊钳水平度应合适。吊钳悬空时应水平，若吊钳前后不水 平，可用活动扳手调节吊杆下部的调节螺钉，顺时针转动， 吊钳钳头调高，逆时针转动，吊钳钳头降低；若吊钳左右不 水平，可用活动扳手调节吊杆上部的平衡梁使吊钳绳左右移 动。左低右高时让吊钳绳左移，反之，向右移。
（5）循环系统
固控设备
循环罐
水龙带
二、钻井装备及主要工具
（6）控制系统
司 控 房
二、钻装备及主要工具
2、主要工具-钻头
铣齿钻头
二、钻井装备及主要工具
2、主要工具-钻头
PDC钻头
二、钻井装备及主要工具
2、主要工具-钻头
PDC钻头
二、钻井装备及主要工具
三片卡瓦
多片卡瓦
安全卡瓦
二、钻井装备及主要工具
2、主要工具-井口工具-卡瓦
卡瓦作用、类型、结构 3、结构
铰链销钉 卡瓦手柄
卡瓦体
卡瓦牙
二、钻井装备及主要工具
2、主要工具-井口工具-卡瓦
4、卡瓦规范
（１）型号表示法
• • / • 额定载荷； kN 卡瓦名义尺寸； mm WT 表示钻铤卡瓦 WG 表示套管卡瓦 产品名称 W 表示钻杆卡瓦 例如： WT41/2~6-360表示能卡持114.3～152.4管径，最大载荷为360KN的 钻铤卡瓦。
固井基础理论知识
四、 识别套管颜色标记（ＡＰＩ）
H-40 灰色 N-80 红
J-55
K-55
浅绿
深绿
C-95
P-110
棕
白
C-75
L-80
蓝
红/棕/红
U-150
白
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
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。
（一）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。 （二）表层套管
底部沉沙 水泥浆自由水聚积
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。 六、高压气井固井 1、 水泥浆在凝固过程中存在“失重”阶段，即水泥浆封固 井段失去液柱压力，但还没有足够的胶结强度时，气体可以乘 虚而入，压差在3.5kpa的条件下气体即可侵入。
（四）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。
（五）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。
固井与完井
比较△Prn和△P（压差允值，正常压力地层用△PN，异常压 力地层用△Pa）。 当△Prn＜△P时，则不易发生压差卡钻，Hm即为该层套管 下入深度。 当△Prn＞△P时，则可能发生压差卡钻，这时，该层套管下 深Hn应浅于初选点Hni。Hn的计算如下： 令△Prn=△P，则允许的最大地层孔隙压力ρpper为：
2、套管和井眼尺寸的选择和确定方法
1）、确定井身结构尺寸一般由内向外依次进行，首先确定生产 套管尺寸，再确定下入生产套管的井眼尺寸，然后确定中层套管尺 寸等，依此类推，直到表层套管的井眼尺寸，最后确定导管尺寸。
2）、生产套管根据采油方面要求来定。勘探井则按照勘探方面 要求来定。 3）、套管与井眼之间有一定间隙，间隙过大则不经济，过小会 导致下套管困难及注水泥后水泥过早脱水形成水泥桥。间隙值 一般最小在9.5～12.7mm（3/8～1/2in）范围，最好为19mm （3/4in）。
考虑到井壁的稳定，还需要补充另一个与时间关系有关的不等 式，即： Gm（t）≥Gs（t） （3）
式中 Gs（t）——某截面岩石的坍塌压力梯度，MPa/m，即岩层不发生坍塌，缩径 等情况的最小井内压力梯度。
以上条件的存在是钻进工艺中所必须的，是在施工中所 要遵守的，否则会导致钻井事故，以致钻井失败及破坏油藏。 当这些压力体系能共存于一个井段时，即在一系列截面上能 满足以上条件时，则这些截面间不需套管分隔，否则就需要 用套管去分隔开这些不能共存的压力体系。井身结构中，相 邻套管深度间隔的井段应满足以上要求并依此来确定。只有 充分掌握上述压力体系的分布规律才能做出合理的井身结构 设计。
Pf≥Pm≥Pp
（1）
式中 Pf——地层的破裂压力，MPa； Pm——钻井液的液柱压力，MPa； Pp——地层孔隙压力，MPa。
固井名词解释
］井名词解释1.固井：在井内下入一定尺寸的套管，并在井壁与套管环空注入水泥的工艺流程。
2.固井质量：固井结果满足固井目的的程度。
3.低返：环空实际水泥面未达设计深度。
4.套管程序：一口井下入的套管层数、类型、直径及深度等。
5.表层套管：用于封固上部浅气层、坍塌层和流沙层，安装井口装置及悬挂依次下入的各层套管的套管。
6.技术套管：用于封隔不同的压力层系、封隔易坍塌及漏失层等技术复杂层位的套管。
7.生产套管：为生产层建立一条牢固通道、保护井壁、满足分层开采、测试及改造作业而下入的最后一层套管。
8.尾管：用于裸眼井段，乎悬挂在上层套管上而又不延伸到井口的套管。
9.套管强度：指套管承受外载能力的总和（包括抗挤强度、抗内压强度和抗拉强度）。
10.套管柱：由不同钢级、壁厚、材质和螺纹的多根套管所连接起来下入井中的管柱。
11.前置液：为提高水泥浆顶替钻井液的效率，在钻井液与水泥浆之间注入的一段“液体”。
12.注水泥：通过专用设备将一定密度的水泥浆注到井内的过程。
13.压胶塞：当注入的水泥浆数量达到设计要求时，将胶塞压入井内的过程。
14.替钻井液：用顶替液推动胶塞，将套管内的水泥浆替到套管外的环形空间的过程。
15.碰压：当顶替液量达到套管串浮箍以上的容积时，胶塞座在浮箍上，使套管内压力突然升高的现象。
16.套管试压：为了验证套管串的密封情况而进行的压力试验。
17.敞压候凝：试压结束后，将管内的压力释放掉，等待水泥浆凝结的过程。
18.顶替量：常规套管固井时浮箍以上套管串的内容积。
19.水泥返深：环空水泥面在井下的深度。
20.分级箍：在分级注水泥时，装在套管预定位置具有开启和关闭功能的特殊接箍。
21.浮箍：用于控制胶塞的下行位置并防止水泥浆倒流的装置。
22.浮鞋：引导套管柱顺利入井，减少下入阻力并防止钻井液倒流的装置。
23.尾管悬挂器：用来将尾管悬挂在上一层套管底部并进行注水泥的特殊工具。
24.水泥伞：装在套管下部防止水泥浆下沉的伞状物。
油气田地下地质学4--完井及完井总结
坍塌层
表层套管
12′20m
钻头尺寸及井深
油气层
油气层 水层 油气层
技术套管
8′1800m
油层套管 5′2500m
套管程序示意图
1、套管程序的设计
② 技术套管：● 封隔钻井液
难于控制的复杂地层
(漏失层、严重塌层、高 坍塌层
压水层、非目的层的油气层
等）； 油气层 ● 在井斜较大的定向井中，
为防止井下复杂情况，
4、附图目录
⑴ 过井“十字”地震剖面图 ⑵ 本井与邻井地层对比
图
⑶⑹ 综岩合心录油井 层图 物理性质分⑷析成综果合测井图
⑸ 岩心综合图
⑺ 地球化学资料综合图
⑻ 测试层位简图
⑼ 压力恢复曲线图
⑽ 测试油层原始压力与深度关系曲线图
⑾ 井斜水平投影图
完井地质总结报告
根据中国海洋石油有限公司勘探监督手册（2002）要求，
① 射孔完井
--国内外最广泛使用的完井方式。 包括：套管射孔完井、尾管射孔完井
● 套管射孔完井
钻穿油气层直至井深，然后下 生产套管至油层底部、注水泥固 井；最后，下入射孔器在油气层 部位射孔，射穿油层套管、水泥 环，并穿透油层一定深度，建立 油流通道。
套管射孔完井示意图
(《油气井工程》，2003)
深度比例尺 一般1：500； 横向比例尺 避免曲线之间交错过多。
◆ 编制完井总结图，应解决好以下3个问题：
⑴ 确定分层界线 以1：500标准曲线的2.5米(或1米)底部梯度曲线和SP
曲线为主；必要时参考组合微侧向、微电极等曲线。
⑵ 确定岩性--以岩心、岩屑为基础，其他资料作参考；
⑶ 油气水层的识别 必须以岩心、岩屑、井壁取心、钻时、气测、槽面油
石油工程技术 井下作业 井身结构及完井方法
井身结构及完井方法1井身结构所谓井身结构，就是在已钻成的裸眼井内下入直径不同、长度不等的几层套管，然后注入水泥浆封固环形空间间隙，最终形成由轴心线重合的一组套管和水泥环的组合。
如图1所示。
图1井身结构示意图1—导管；2—表层套管；3—技术套管；4—油层套管；5—水泥环1.1导管井身结构中靠近裸眼井壁的第一层套管称为导管。
导管的作用是：钻井开始时保护井口附近的地表层不被冲垮，建立起泥浆循环，引导钻具的钻进，保证井眼钻凿的垂直等，对于不同的油田或地层，导管的下入要求也不同。
钻井时是否需要下入导管，要依据地表层的坚硬程度与结构状况来确定。
下入导管的深度一般取决于地表层的深度。
通常导管下入的深度为2～40m。
下导管的方法较简单，是把导管对准井位的中心铅垂直方向下入，导管与井壁中间填满石子，然后用水泥浆封固牢。
1.2表层套管井身结构中的第二层套管叫做表层套管。
表层套管的下入深度一般为300～400m，其管外用水泥浆封固牢，水泥上返至地面。
表层套管的作用是加固上部疏松岩层的井壁，供井口安装封井器用。
1.3技术套管在表层套管里面下入的一层套管(即表层套管和油层套管之间)叫做技术套管。
下入技术套管的目的主要是为了处理钻进过程中遇到的复杂情况，如隔绝上部高压油(气、水)层、漏失层或坍塌层，以保证钻进的顺利进行。
下入技术套管的层次应依据钻遇地层的复杂程度以及钻井队的技术水平来决定。
一般为了加速钻进和节省费用，钻进过程中可以通过采取调整泥浆性能的办法控制复杂层的喷、坍塌和卡钻等，尽可能不下或少下技术套管。
下入技术套管的层次、深度以及水泥上返高度，以能够封住复杂地层为基本原则。
技术套管的技术规范应根据油层套管的规范来确定。
1.4油层套管油井内最后下入的一层套管称为油层套管，也称为完井套管，简称套管，油层套管的作用是封隔住油、气、水层，建立一条封固严密的永久性通道，保证石油井能够进行长时期的生产。
油层套管下入深度必须满足封固住所有油、气、水层。
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第二章 井身结构设计与固井
井身结构—油井基础，全井骨架
固井工程—套管柱设计和注水泥
不仅关系全井能否顺利钻进完井， 而且关系能否顺利生产和寿命。
2006年3月25日，重庆开县罗家2井， 套管破损，地下井漏， H2S喷出， 12000人紧急疏散，2口井报废。
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第二章 井身结构设计与固井
70年代以来，我国油气田套管损坏现象十分严重。
f
Pf
0.00981Hp
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当量钻井液密度 地层破 裂压力
地层孔 隙压力
井 深
14
1.基本压力概念
• 地层坍塌压力(Collapse Pressure)
–当井内液柱压力低于某一值时，地层出现坍塌 –物理化学耦合作用？
疏松
地层
水化
井塌
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15
1.基本压力概念
• 地层漏失压力(Leakage Pressure)
压裂上层套管鞋处的薄弱地层 4. 当实际地层压力超过预测值而发生井涌时，在一定压
力范围内，具有压井处理溢流能力 5. 下套管顺利，井内钻井液液柱压力和地层压力间的压
差不至于压差卡套管
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11
第二章 井身结构设计与固井
三、井身结构设计基础数据
• 4个剖面： 孔隙压力剖面
破裂压力剖面
坍塌压力剖面
常规油、稠油、高凝油藏
六、地应力概念与确定： 岩层内部产生反抗变形、并作用
精选在PPT地壳单位面积上的力
2
第二章 井身结构设计与固井
主要内容: — 井身结构设计 — 套管柱设计 — 注水泥技术 — 套管损坏与防护
oil
精选PPT
zone
一开 表层套管
二开 中间套管
(技术套管)
三开 生产套管
(油层套管) 3
课程回顾
完井概念：
完井是使井眼与油气储集层（产层、生产层） 连通的工序，是衔接钻井工程和采油工程而
又相对独立的工程，包括从钻开油气层开始，
到下生产套管、注水泥固井、射孔、下生产
管柱、排液，直至投产的系统工程。
完井工程内容:
钻开储集层（生产层）； 下套管、注水泥固井，射孔、生产管柱、完井测试、防砂排液； 确定完井井底结构，使井眼与产层连通； 安装井底和井口装置，投产措施等；
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1.基本压力概念
• 钻井液静液柱压力 Ph
P h0.00ρ 9H 8(M 1a)P
d :钻井液密度,（g/cm3）；H:液柱垂直高度
，m
• 压力梯度/当量密度 e
–单位高度（或深度）增加的压力值
G hP H h0.00 98 M 1 a/P m
–有时直接用当量密度 e 表示
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Ph
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5
第二章 井身结构设计与固井
第一节 井身结构设计
内容：套管层次； 每层套管下深； 套管和井眼尺寸配合。
一、套管的分类及作用 二、井身结构设计原则 三、井身结构设计基础数据 四、裸眼井段应满足力学平衡 五、井身结构设计方法（举例）
六、套管尺寸和井眼尺寸选择
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第二章 井身结构设计与固井
眼井段下套管(注水泥)，而套管柱不
延伸至井口。减轻下套管时钻机的负
荷和固井深井和超深井精选PPT
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第二章 井身结构设计与固井
例：克拉2气田井身结构实施方案
28″导管 26″x300m
18-5/8″x300m
精选PPT
16″x2600m 13-3/8″x2600m
一、套管的分类及作用
1、表层套管—Surface casing • 封隔地表浅水层及浅部疏松和复杂层 • 安装井口、悬挂及支撑后续各层套管 • 下深：根据目的层深度和地表状况而
定，一般为上百米甚至上千米
2、生产套管—Production casing
• 钻达目的层后下入的最后一层套管
• 用以保护生产层，提供油气生产通道
漏失压力剖面
• 6 个设计系数：
抽吸压力系数Ｓｂ：0.024~0.048 g/cm3
激动压力系数Ｓｇ：0.024~0.048 g/cm3
压裂安全系数Ｓｆ：0.03~0.06 g/cm3
井涌允量 Ｓｋ：0.05~0.08 g/cm3
压差允值 △P： △PN = 15~18 MPa
△P A = 21精~选2P3PT MPa
12-1/4″x 封白云岩 10-3/4″x100m+9-7/8″x封白云岩
8-1/2″*目的层 7″尾管*目的层
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第二章 井身结构设计与固井
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第二章 井身结构设计与固井
二、井身结构设计原则
1. 有效保护油气层，避免储层污染伤害 2. 避免漏、喷、塌、卡等井下事故，安全、快速钻井 3. 钻下部地层采用重钻井液时产生的井内压力，不至于
–当钻井液柱压力高于某一临界值时地层发生漏失， 可分为自然漏失和压裂漏失。
–与钻井液性能、地层孔隙类型等有关。
井 筒
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溶洞
pp
基岩 16
• 下深：由目的层位置及完井方式而定
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第二章 井身结构设计与固井
一、套管的分类及作用
3、中间套管—Technical Casing • 表层和生产套管间因技术要求而下，
可以是一层、两层或更多层 • 主要用来封隔不同地层压力层系或易
漏、喷、塌、卡等复杂地层
4、尾管（衬管）—Liner
在已下入一层技术套管后采用，只对裸
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课程回顾
一、岩石分类：
形成原因：沉积岩、变质岩、岩浆岩
二、储层岩性特征： 主要碎屑岩和碳酸岩
少量岩浆岩和变质岩，甚至页岩
三、储层物性：
孔隙度、渗透率、孔隙结构、润湿性
四、储层流体：
油、气、水；稠油粘度大于50mps
五、油气藏分类： 孔隙、裂缝、裂缝孔隙、孔隙裂缝、洞隙
块状、层状、断块、透镜体油藏
1998年底大庆、吉林、中原、胜利、辽河等10多油田套损 井达14000多口，若按每口井较低成本150万元计，仅套损直 接损失210亿元，还不计油井损坏停产损失。
2005年，套损严重油田累计套损井数和占投产井数比例： 大庆：8976口，占16%以上； 吉林：2861口，占30%以上； 胜利：3000多口，占10%以上； 中原：占投产井数23.3%； 并且各油田套损井数有上升趋势。
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1.基本压力概念
• 地层压力(Formation Pressure) P p
–作用在岩石孔隙流体(油气水)上的压力，
也叫地层孔隙压力
–当量钻井液密度：
p
Pp 0.00981Hp
• 地层破裂压力(Fracture Pressure) P f
– 当地层压力达到某一值时会使地层破裂
– 当量钻井液密度：