固井技术原理-郭小阳-西南石油大学
固井基本知识
固井基本知识一、固井工程的重要性油气井注水泥技术是一门多学科组成的应用科学。
包括地质学，石油工程（钻井、测井、测试、采油、油井增产等工程），机械，化学，力学（流体力学）和电子等学科。
涉及的基础科学知识和工程技术面广，这就要求我们在工作实践中要勤于学习，刻苦钻研，不断学习，不断提高。
固井是钻井工程中一道重要的工序，也是最后一道工序。
固井工程专业化程度高，对油气井建成起关键性作用。
往往因固井质量问题使油气井不能正常生产甚至报废。
固井质量对延长油气井寿命和发挥油气井产能具有重要作用。
固井质量关系到油气田有效勘探和开发。
固井是一种系统工程。
固井工程应从设计、准备、施工和检验等环节严格把关，采用适应地质和油气藏等特点及钻井工艺先进、适用的固井技术，实现安全、优质、经济、可靠的目的。
二、油气井注水泥的历史1、美国石油工业传统上是以1859年锥克（Drake）井的钻进为起点。
2、直到1903年才在加利福尼亚劳木波斯油田使用水泥封堵油层上部的水层。
据说法兰克和联合石油公司把50袋纯硅酸盐水泥混合好后，用捞沙筒送到井下预定位置，后凝28天以后把井内水泥钻掉，再钻穿油层后完井，而水层已被有效封固。
于是该方法成为可行，不久后便在加利福尼亚州有同样为题的油田中传插使用起来。
3、早期的捞沙筒法及油管法在1910年被A.A贝金斯（A.A Perkins)在加州油田提出的双塞法水泥法所代替。
近代注水泥技术也就由此产生。
由于贝金斯公司的服务范围仅限于加州以内，所以其他地区的注水泥方法也以不同的方式出现。
俄克拉何马州1920年哈里伯顿在海威特油田提出了一种新的注水泥方法。
而把套管下在油气层顶部，进行注水泥作业，待水泥凝固后，再钻井下部的油气层完井。
并且开始使用了原始的混浆方法和注水泥设备。
在常规套管固井中双塞注水泥方式目前仍在使用，不同的是经过不断改进和完善而已（木塞、胶塞、压胶塞液等）。
三注水泥分类常规套管注水泥、尾管注水泥、分级注水泥水井地热井处理井大口径井眼一次注水泥（即常规注水泥）永冻层注水泥特种条件下注水泥海上结构注水泥热采井注水泥内管法注水泥水平井注水泥空气钻钻井注水泥通过可溶性地层注水泥挤水泥二次注水泥打水泥塞重新注水泥尾管注水泥：套管串低于井口的注水泥作业。
固井和完井
D2 D1
Sk
试取一个D1，计算ρfE ，计算值与D1处的地层破裂压力 当量密度值比较；若计算值接近且小于地层破裂压力值， 则确定D1为表层套管下深。否则，重新试取D1进行试算。
第一节 井身结构设计
井身结构设计图
第一节 井身结构设计
六、套管尺寸与钻头尺寸的选择
目前我国使用最多的套管钻头系列是：
五、井身结构设计方法
1、求中间套管下入深度的假定点
第一节 井身结构设计
（1）不考虑发生井涌 由 ρf =ρpmax+ Sb + Sg + Sf ρdmax 计算出ρf ，在破裂压力曲线上查出ρf 所在的井深D21 ，即为 中间套管下深假定点。 （2）考虑可能发生井涌 由 ρf =ρpmax+Sb+ Sf + Sk ×Dpmax/ D21 用试算法求 D21；先试取一个D21，计算ρf ；将计算出的 ρf 与D21处查得的ρf 进行比较，若计算值与实际值相差不大且 略小于实际值，可以确定D21为中间套管假定点。否则，重新 进行试算。
第一节 井身结构设计
二、井身结构设计的原则
1.有效地保护油气层；
2.有效避免漏、喷、塌、卡等井下复杂事故的发生，保证安
全、快速钻进； 3.钻下部地层采用重钻井液时产生的井内压力，不致压裂上 层套管鞋处最薄弱的裸露地层； 4.下套管过程中，井内钻井液液柱压力和地层压力间的压差 不致于压差卡套管； 5.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，具有压井处理溢流的 能力。
第二节 套管柱设计
（3）双向应力下的套管强度
从套管内部取一微小单元，分析 可知，在外载作用下产生三个方向的 应力σ t 、σ r 、σ z ，对于薄壁管， σ t >>σ r , σ r 可以忽略。变为双向 应力问题。 由第四强度理论： σ
膨胀尾管悬空固井技术与应用
膨胀尾管悬空固井技术与应用
膨胀尾管悬空固井技术是一种在油井中使用的先进固井技术，通过将膨胀尾管悬浮在
油井中，使其稳定井壁，并防止井壁塌陷和漏水。
这种技术在油气勘探和开采中具有广泛
的应用。
膨胀尾管是一种具有特殊结构的管道，其可以在井筒中进行膨胀和收缩，从而适应不
同井径和井眼尺寸的需求。
该技术的主要原理是通过液压或机械力将膨胀尾管置于井筒中，然后通过施加混凝土或水泥等材料将其固定在井壁上。
这种固井方式可以很好地解决井壁
稳定性和井筒完整性等问题。
膨胀尾管悬空固井技术的优点主要体现在以下几个方面：
1. 高效性：膨胀尾管悬空固井技术能够快速且高效地完成固井作业，节省时间和成本。
2. 稳定性：膨胀尾管悬空固井技术可以有效地稳定井壁，防止井壁塌陷和漏水的发生。
3. 灵活性：膨胀尾管悬空固井技术能够适应不同井径和井眼尺寸的需求，具有较高
的灵活性和适应性。
4. 可持续性：膨胀尾管悬空固井技术可以循环使用，减少资源浪费，具有较好的可
持续性。
5. 环保性：膨胀尾管悬空固井技术使用的材料大部分为可降解材料，对环境影响较小。
膨胀尾管悬空固井技术在石油勘探和开采中有着广泛的应用。
该技术可以帮助减轻油
井的维护和管理压力，增加采油效率。
在井下储气库和地热能开采中，膨胀尾管悬空固井
技术可以有效地保护井壁的完整性，提高能源开发效率。
该技术还可以应用于岩石断裂带
的固井和储层改造等方面。
材料物理与化学(7)
王霞，女，1966年生，中国民盟盟员，工学博士，教授，硕士生导师，SPE会员，中国石油学会、四川省石油学会会员。2007年获工学博士学位。曾在胜利油田采油工艺研究院工作，先后担当助理工程师、工程师、高级工程师、研究室主任。2004.9至今在西南石油大学材料科学与工程学院工作。近期参加主要纵向科研项目：国家自然科学基金青年科学基金项目“基于材料非线性随动强化的双金属复合管成型机理及其强度特性研究”；中国博士后基金项目“提高稠油开发冷采泵寿命的纳米改性材料研究”；中国石油天然气集团公司项目“油水乳状液性能及其在多孔介质中渗流机理与应用研究”；四川省应用基础研究项目“气井井筒携砂模拟及携砂规律研究”；教育部重点研究项目“纳米陶瓷材料在水力射流钻井喷嘴上的应用研究”；四川省教育厅研究项目：“高含CO2油气井可膨胀套管合金材料研究”。并先后主持和参加了30多项科研课题的研究及现场推广应用工作，获局级科技进步成果一等奖1项，三等奖1项。近5年来，主讲6门本科生课程，2门研究生课程；编写西南石油大学本科生内部教材4门，出版专著1部，在各级学术期刊上发表科技学术论文49篇。主持和参加国家级科研项目4项、省部级科研项目6项，横向科研项目15项。申报和获准“一种抗高温高盐型纳米乳化降粘剂”等国家发明专利7项、实用新型专利2项。
现代完井技术-完井
（1）4口鱼骨井或鱼刺形的井。 （2）8口三维鸥翅井（反向井）。 （3）10口分支井。 （4）1口分支鱼骨井。 （5）3口分支鸥翅井。 （6）1口三侧向井。
国外分支井钻井技术
据美国HIS能源集团统计，到1999年5月全世界共打多分支井5779口，其中美国打多分支井
3884口，加拿大打多分支井1891口，世界其他地区共打多分支井4口。据Gardes定向井公司 报道,一口多分支井可以节省18口直井的井场,而产量却能增加20%。多分支井在环境保护方 面的作用与小井眼类似,它可减少钻屑和其他要处置废物的数量,如果用连续管钻井会进一 步减轻对环境的污染。
水平井完井方法
(5)裸眼预充填砾石完井
在裸眼井中进行井下砾石充填，在砾石完全充填到位之前，井眼有可 能坍塌，扶正器有可能被埋置在疏松地层中。 适应的地质条件： ①岩性胶结疏松，出砂严重的中粗、细粒砂岩储层； ②不要求封隔层段的储层； ③热采稠油油藏。
水平井完井方法
(5)裸眼预充填砾石完井 裸眼预充填砾石完井的优点： ①储层不受水泥浆的伤害； ②可以防止疏松储层出砂及井眼坍塌； ③特别适宜于热采稠油油藏。 裸眼预充填砾石完井的缺点： ①不能实施层段的分隔，因而不可避免有层段之间的窜通； ②无法进行选择性增产增注作业；
Hale Waihona Puke Environmental Applications
In-Situ Remediation
第12章固井与完井
第十二章固井与完井为了安全钻进和采油的需要，在井眼中下入钢质套管，并在套管和井壁之间注入水泥浆的过程，称为固井。
固井是钻井工程中一个十分重要的环节，它可分为设计和施工两部分，设计部分包括：井身结构设计、套管柱设计和注水泥设计；施工部分包括：下套管和注水泥两部分。
如果固井质量出了问题将给钻井和采油带来许多麻烦（如套管断裂、套管变形、环空串槽），影响井的寿命，甚至使一口井报废。
因此，钻井工程技术人员对固井都是非常重视的，固井设计都是由钻井公司或钻井科进行的，并且由井队钻井技术员复查，尽量作到万无一失。
第一节井身结构井身结构是一口井下入套管的层次、套管尺和下入深度以及相应钻头尺寸的配合。
井身结构设计的依据是地层地质条件、地层孔隙压力和地层破裂压力。
一口井的套管可分为：表层套管（surfacecasing）、技术（中间）套管（protection casing、intermediate casing）和油层套管（production casing、oil string）。
１、表层套管封隔地表疏松层。
２、技术（中间）套管解决钻进过程中难以处理的各种漏、塌、喷等复杂地层问题。
３、油层套管为采油目的而下的套管。
除了要考虑到采油方面的要求外，在钻井方面还应根据地层压力、地层破裂压力以及其它特殊的地质因素来设计。
第二节固井目的1、封隔地下不同油、气、水层，防止串槽；2、为井的投产建立生产通道；3、封闭暂不开采的油、气层；4、为安装井口防喷装置创造条件；5、提供油、气井压力控制的基本条件；6、封闭复杂地层，保护井壁，防止坍塌、井漏等。
第三节固井工艺过程一、下套管套管柱结构casing string structur1、套管2、引鞋——引导套管入井；3、套管鞋——起钻防挂；4、回压阀——套管入井时增加浮力、控制水泥塞高度、防止回流；5、扶正器——扶正套管，提高顶替效率，提高固井质量；6、泥饼刷——提高固井质量；二、注水泥1、注水泥地面设备水泥车、储灰罐、水泥混合漏斗、压风机组、水泥浆管线、水管线、气管线。
固井工艺技术介绍
DRI
固井可能带来的危害
涩北气田气层埋藏浅，分布井段长（408.0-1738.2m），层数多（54-79），气水界面复杂, 浅层气、浅层盐水活跃。台H6-1井、台6-7井，一开钻至800m下入表层套管固井后，候凝过
程中套管外地表窜出盐水和水溶气，被迫报废
台 H6-1 井 339.7mm 表 层 套 管 固 完井候凝时，北东方向约 250 米冒气水后目前情况 台 6-7 井 273mm 表层套管固 完井候凝时，地表窜出盐 水和水溶气
前 言
DRI
固井可能带来的危害
井喷——灾难性后果（墨西哥湾事故）
灌香肠、插旗杆——整井报废，单井段报废，经济损失巨大
挤毁套管——整井报废，单井段报废，经济损失巨大 油气水窜——单井段报废，降低开发效益
环空带压——开发隐患，增加作业成本、环境危害
超缓凝——延长作业时间、增加作业成本 返高不够——降低封固质量，增加补救作业成本 过早套损——单井报废，增加作业成本，降低开发效益
～100kN于悬挂处→憋压剪断球座销钉→开泵进行循环钻井液→
注前置液→注水泥浆→释放钻杆胶塞→替钻井液→钻杆塞与空 心耦合（耦合前降低替入排量） →碰压→放回压，检查浮箍是 否倒流→上提中心管，循环出多余的水泥浆→起钻候凝。
－24 －
钻井研究院
第一单元
固井工艺技术
DRI
尾管固井
－25 －
尾管悬挂器
专门研究如何用化学方法解决固井过程中遇到的问题。
具体地说，水泥浆化学就是通过研究水泥浆的组成和性 能，且予以科学地控制和调整，最终达到封隔地层、保 护储层和支撑套管的目的。
－32 －
钻井研究院
－23 －
钻井研究院
第一单元
吉林油田枯竭型气藏储气库固井技术
科技与创新｜Science and Technology & Innovation2024年第02期DOI：10.15913/ki.kjycx.2024.02.024吉林油田枯竭型气藏储气库固井技术贾聚全（吉林油田公司钻井工艺研究院，吉林松原138000）摘要：地下储气库运行时井筒需要承受注采交变载荷，对一次固井质量及水泥石长期性能要求高。
枯竭型气藏储气库固井施工过程中存在漏失、井筒封闭困难、注采管柱要求高等技术挑战。
为保障储气库长期安全运行，从分析储气库井井口带压原因出发，通过优选韧性材料和韧性水泥浆体系、采用凝胶堵漏技术、优化固井施工参数等措施，保障了吉林油田双坨子储气库一期工程3口先导试验井各层次套管固井水泥浆一次返地面，固井质量合格率为100%，固井胶结平均优质率达到75.03%。
关键词：储气库；韧性水泥；凝胶堵漏；顶替效率中图分类号：TE37 文献标志码：A 文章编号：2095-6835（2024）02-0088-03当前国家将油气储运的重点工程作为油气工作的重点事项，其中吉林双坨子储气库为在建储气库重点工程之一。
双坨子储气库分2期建设，一期工程涉及新钻井3口，其中泉三段1口定向井（坨库X1）、泉一段1口水平井（坨库X2）和1口直井（坨库X3）。
要保证储气库井的长期安全运行，不发生天然气泄漏等严重事故，首先要确保套管及环空水泥环长期有效密封。
从分析储气库井井口带压原因出发，针对性采取预防措施，才能保证储气库井筒密封的完整性。
1 储气库井井口带压原因分析及预防带压措施分析各储气库建设和运行情况，储气库井环空带压主要原因如下：①油管和套管泄漏。
由封隔器密封失效或内管柱螺纹丝扣连接差等情况引起。
②固井时钻井液顶替效率差。
提高顶替效率是保证层间封隔和防止环空带压问题的一项重要措施，防止环空带压的第一步就是要提高固井时的顶替效率。
③水泥浆设计不合理。
水泥浆的性能除满足施工要求外，还要考虑水泥石（如杨氏模量、泊松比等）的力学性能由于井下温度、压力、应力变化能否满足长期封隔的需要。
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（一）非牛顿流体稳定性研究概况
1．局部稳定性理论 Ryan & Johason[ 1 ]提出的稳定性参数Z值的表达式为：
Z Ru du
（1）
w dx
Z值的基本含义为任一层流体在单位体积内，其动量矩对时间的变化率与 边壁剪切应力之比。
Hanks[ 3 ]提出的稳定性参数K为任一层流体在单位体积内，其动量对时间的 变化率与压力梯度之比，其表达式样为：
2
一、非牛顿流体及其在偏心环空中的流态判别
牛顿液体的稳定性问题，已经有了较好的解决方法；而非牛顿流体的稳 定性问题，却一直在不断的研究之中，尚无公认的理想判别方法。牛顿 液体的稳定性判别，一般采用雷诺数Re的方法，Re≤2100，液体流动为 层流；Re>3000，液体流动为紊流，Re在2100~3000这个范围属于液体 流动的不稳定状态，一般被确定为紊流状态。牛顿液体的稳定性判别， 其最大特点是Re的临界值与液体性质无关。非牛顿流体稳定性的判别， 却与流体性质有关，不同流变性能的流体，其是不一样的。目前，采用 实验和统计的方法，确定出不同流变参数与的关系，再根据相关公式， 对非牛顿流体进行流态判别。这种方法虽与实际相符，但具体使用却不 太方便。能否找出一种非牛顿流体的判别方法，其流态判别的临界准数， 不受其流变参数的影响而为某一固定数值。围绕这个问题，不少研究者 已作了大量工作[ 1～9 ]，取得了较好的成果，但有些问题还不甚清楚，特 别是非牛顿流体各种稳定性观点的含义及其在环形空间内的判别，有3 必 要系统地进行介绍和继续研究。
K Vx du
dp / dl dx
（2）
式（1）与（2）相比，其相互关系为Z=2K，即稳定性参数K的临界值为 404。说明Z值与K值在判别流态上无本质上的区别。
4
2．整体稳定性理论
该理论考虑的是液体在整个流道中的稳定性问题。 （1）M一T稳定性参数 M一T稳定性参数用X表示，由Mishra & Tripathi[ 4 ]在1970年提出的。其表达式为：
研讨报告
主讲人：刘崇建 郭小阳
1
主要研讨内容： 一、非牛顿流体及其在偏心环空中的流态判别 1．偏心环空中幂律流体的判别方法 2．幂律流体的流态判别方法 二、提高水泥浆顶替效率的主要方法
从滞留泥浆的阻力和水泥浆驱动力的相互关系出发，建立 水泥浆顶替泥浆的力学模型，达到提高水泥浆顶替效率的目的。 三、水泥浆失重及其防气窜性能设计 四、非牛顿流体流变性及其水泥浆稠度的测量方法 1．水泥浆触变性的测量 2．应用漏斗粘度计测量非牛顿流体的流变性 3．不同剪切速率情况下水泥浆的稠化时间 五、合理的环空间隙确定及其小间隙顶替效率的研究 1．环空间隙的确定方法 2．小间隙顶替效率的实验研究
X p
ri2Vm
pw
ro 0
V031xdx
ri ro
V3 x1
dxd
X a
(R
r)Vm aw
ro 0
V032dx
Rr 2
ro
V
3 x2
dx
幂律流体在管内和环空的表达式分别为：
Xp
3
3n 12
81n
V
2n
d
n i
16 (2n 1)(5n 3) K 3n 1n
3 16
(3n 1)2 (2n 1)(5n
3)
Rep
4n
Xa
35 2n 12 121n V 2n (D d )n
72 (3n 2)(4n 3)
K 2n 1n
35 72
(2n 1)2 (3n 2)(4n
3)
Rea
3n
8
Y值 塑性流体在管内和环空的表达式分别为：
Yp
Vdi
1
16y p 3 1 4 2
4 4
Ya
V (D d )
1051
78ya 3
1 3 2
2 2
幂律流体在管内和环空的表达式分别为：
Yp
3n 13
81n
V
2n
d
n i
2(2n 1)(3n 2)(4n 3) K 3n 1n
4n
Ya
256 2835
2n 13 121n V 2n (D d )n
n 1
K 2n 1n
2 0
Vx3dx
（5）
5
3．涡流模型
岳湘安等[ 7 ]从流体稳定的根本原因是由于涡流的产生而引起，并提出了判 别流体流态的又一稳定性参数Y值。Y值采用流体动量矩对时间的变化率与管 壁粘滞性所耗散的能量之比来描述，其表达式为：
园管和环形空间表达式分别为：
R ri 0
Y
Vx
du dx
2xVx
dx
（3）
X Em
式（4）的基本含义为单位 体w 积内流体的动能与管壁剪切应力之比。
园管和环形空间表达式分别为：
1 ri
Emp ri2V
i
0
Vx2
2
2xVx dx
rw2Vm
ri i
0
Vx3 xdx
（4）
Ema
(R2
1
r 2 )V
Rr
2 0
Vx2 2
2 (R
r )Vx dxΒιβλιοθήκη (Rr)VRr
Z值 塑性流体在管内和环空的表达式分别为：
Zp
3 2
1 Vdi (1 )3 0.3849 Vdi (1 )3
3 1 4 14
1 4 14
33
33
Za
0.3849 V (D d ) (1 )3 1 3 13
22
幂律流体在管内和环空的表达式分别为：
Zp
2n
n
1
2
n2
n1
3n
9
（三）理论结果与实验验证 现 将 稳 定 性 参 数 Z、X、Y 所 计 算 的 临 界 雷 诺 数 与 DodgeMetzner[ 9 ]的实验数据和文献[ 10 ]所提供的幂律流体实验曲线 以及Froishteter & Vinogradov[ 5 ]所提供的宾汉流体实验曲线 绘于图1~4中，经分析比较可知：
3n 12
4n
81n K
V
2n
d
n i
3n 1n
2n
n
1
2
n2 n1
3n 4n
1
2
Rep
4n
Za
2n
1 n
n2
n1 2
2n 12
3n
121n V 2n (D d )n
K
2n
1
n
2n
n
1
n2
n1 2
2n 3n
1
2
Rea
3n
7
X值 塑性流体在管内和环空的表达式分别为：
2
ri 0
Vx2
du dx
xdx
R2 wV
R wV
（6）
R r
Rr 2
Y 2 0
Vx
du dx
2
(R
r
)Vx
dx
Rr 2
0
Vx2
du dx
dx
(R2 r 2 ) wV
wV
（7）
6
（二）非牛顿流体的稳定性及其流态判别
根据前面所阐述的基本概念分别将塑性流体、幂律流体在管内和环空的Z、 X和Y值的表达式推导归纳如下：