固井工程技术基础-新修订

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1、- 1 - 目 录目 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 - 2 - 第一章 固井概述第一章 固井概述 一 、固井概念一 、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

2、固井工艺。 固井作业固井作业 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 - 3 - 二、 固井目的和要求二、 固井目的和要求 1、固井的目的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

3、油气田的开采，就要采用固井，固井工程的主要目的为：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。 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。

4、 2）、封隔油、气、水层，防止层间互窜。2）、封隔油、气、水层，防止层间互窜。 图1-1 下套管固井原理示意图 - 4 - 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。当 油、气层压力大于水层压力时，油、气便会窜 入水层内，既污染了水层又影响到油气的产 量；当水层压力大于油、气层压力时，水便会 窜入油气层内，造成油田开发早期出水，严重 时会水淹破坏整个油气田。因此，必须确保固 井质量，对地层内不同类型的流体有效封隔。 3）、支撑套管和井口装置，建立油气通 道。 3）、支撑套管

5、和井口装置，建立油气通 道。 钻完井工艺要求固井后套管与地层间在水泥 作用下应具有良好的胶结，因为固井后水泥环不 仅要支撑套管的重量，而且要承受安装在套管上 井口装置的重量，准备下一次开钻或完井投产 （如图1-3所示）。若水泥封固质量差，则会导 致套管下沉或井口装置的不稳定，影响正常作业 或油气通道的建立。 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条件； 图1-2 固井防止层间流体互窜示意图 图1-3套管固井后井口连接示意图 - 5 - 2、固井的要求2、固井的要求 套管在一口井的总成本中，往往是各单项成本中最

6、高的一项。而固井工程是钻 井工程中最关键复杂的作业，是百年大计。固井质量的好坏关系到油井能否正常投 产和油田寿命的长短。固井质量的关键所在就是下入井内的套管柱的强度和环形空 间的密封问题。因此对于固井的要求必须作到以下几个方面： 1、套管柱的设计必须保证该套管串的任何部位在相应的井段有足够抗拉、抗 挤、抗内压强度，以保证下入井内的套管不断、不裂、不变形； 2、套管柱的连接必须保证用规定的上扣扭矩上紧丝扣，保证套管连接的密封 性； 3、环形空间的水泥环要求均匀和连续封固到预计的深度，且要求水泥环与井 壁及套管之间胶结和密封良好，以保证环形空间不窜、不漏，满足油气井 正常生产和分层作业的要求。 第

7、二章 套管、固井工具、附件和材料第二章 套管、固井工具、附件和材料 一、一、 API套管标准和规范API套管标准和规范 1、长度标准：1、长度标准： 代号代号长度范围 M长度范围 M最小与最大长度间的变化范围最小与最大长度间的变化范围 R15.49-7.321.83m R28.53-10.051.52m R310.97-12.801.83m 2、钢级标准：2、钢级标准： API套管钢级标准的分类是以套管材质的最小屈服强度为依据的。API标准允 许7种级别的钢材用作油井套管材料。这7种钢材分别是H40、J55、C这7种钢材分别是H40、J55、C 75、N80、C95、P110、Q125、V15

8、075、N80、C95、P110、Q125、V150。 （它们的最小屈服 强度分别是40,000psi、55,000psi、75,000psi、80,000psi、 95,000psi、 110,000psi、125,000psi、150,000psi。 - 6 - PSI是磅/英寸2的代号。1psi1磅/英寸20.07031公斤/厘米2 0.07031KSC。因此,换算成公制单位时,它们的最小屈服强度分别是2812.4公斤/ 厘米2、3867.05 公斤/厘米2、5624.8公斤/厘米2、6679.45公斤/厘米27734.1公 斤/厘米2、8788.75公斤/厘米2、10546.5公斤/厘

9、米2。） API套管钢级代号及其最小屈服强度列表如 下：API套管钢级代号及其最小屈服强度列表如 下： 最小屈服强度最小屈服强度 钢级代号钢级代号英制单位英制单位 磅/英寸磅/英寸2 2 (PSI) (PSI) 公制单位公制单位 公斤/厘米公斤/厘米2 2 (KSC) (KSC) 备 注备 注 H4040,0002,812.4抗硫化氢 J5555,0003,867.05抗硫化氢 C7575,0005,273.25暂行标准 抗硫化 氢 N8080,0005,624.8 C9595,0006,679.45抗硫化氢 P110110,0007,734.1高强度套管钢级 Q125125,0008,788

10、.75高强度套管钢级 V150150,00010,546.5高强度套管钢级 API管材钢级的物理机械性能API管材钢级的物理机械性能 钢级 性能 H- 40 J- 55 K- 55 C- 75 N- 80 C- 95 P- 105 P- 110 V- 100 DE36Cr nimo 4 SAE 414 0 SAE 3140 最小 抗 拉强 度 (公斤 / 42. 2 52. 7 66. 8 66. 8 70. 3 73. 8 84. 4 87. 9 12066 .8 70 .3 11011072- 89 最小 屈 服极 限 毫米 2) 28. 1 38. 7 38. 7 52. 7 56. 2

11、 66. 8 73. 8 77. 3 105 .5 33 .7 52 .7 1009560- 72 2试 样 的最 小 条状27202016161515121818101215 伸长 率 （ ） 整体3225181817172020 断面收缩率40405745 - 7 - （） 冲击韧性k (公斤-米/厘 米2) 44588 使 用钻 杆 套钻接方钻杆 范 围套管、油管管杆头接头 钻进 3、API套管丝扣规范：3、API套管丝扣规范： API套管分为有接箍套管和无接箍套管（代号XCSG）两种。API套管分为有接箍套管和无接箍套管（代号XCSG）两种。 API有接箍套管丝扣分为长圆扣（LCSG）

12、、短圆扣(SCSG)、梯形扣(BCSG) API有接箍套管丝扣分为长圆扣（LCSG）、短圆扣(SCSG)、梯形扣(BCSG) 工 具接头扣（TJ）即偏梯扣、VAM扣即梯形扣（同一尺寸的套管，梯形扣接箍外径 比VAM扣接箍外径大，但扣型相同，可以互换）。此外还有RL4型扣、LS型 扣、LS2型扣、LS2HP型扣等等。 API无接箍套管丝扣分为奥米加扣型、管端平坦线扣型（无接箍套管扣，英 文为EXTREMELINE FORM）等。 4、API套管标记：4、API套管标记： 1）、API钢级代号和颜色标记1）、API钢级代号和颜色标记 钢级钢级代号代号颜色标记颜色标记 H40H40 J55J55 K

13、55K55 C75C75 N80N80 C95C95 P110P110 H H J J K K C75C75 N N C95C95 P P 无颜色 一条浅绿色环带 二条浅绿色环带 兰色，特殊情况接箍为兰色，且中间有一黑色环带 一条红色环带 兰色（棕色特殊情况用），特殊情况接箍为兰色，且中 间有一黑色环带 白色（离接箍0.6米处） 2）、API扣型代号2）、API扣型代号 扣型长圆扣短圆扣梯形扣无接箍 代号LCSGSCSGBCSGXCSG 3)、套管识别标记3)、套管识别标记 - 8 - 图2-1套管识别标记图2-1套管识别标记 圆螺纹套管标记（示范）圆螺纹套管标记（示范） API直连型螺纹套管

14、标记（示范）直连型螺纹套管标记（示范） .API套管套管VAM扣（示范）扣（示范） - 9 - 厂家用 途钢 级接箍涂色厂家用 途钢 级接箍涂色 深井用NT-95DS白色夹褐色环深井用SM-150G紫色夹白色环 深井用NT-125DS白色夹黄色环高抗挤毁SM 95T茶色夹红色环 深井用NT-150DS白色夹粉红色环抗挤抗硫SM-95TS茶色夹蓝色环 高抗挤毁NT-95HS粉红色夹褐色环低温井用SM-80L红色夹黄色环 高抗挤毁NT-110HS粉红色夹白色环 住友 低温井用SH-95L茶色夹黄色环 抗硫化氢NT-80SS黄色夹红色环一般井H55黑色 抗硫化氢NT-85SS黄色夹紫色环防硫J55草

15、禄色 抗硫化氢NT-90SS黄色夹橙色环一般井K55禄色 抗硫化氢NT-95SS黄色夹褐色环防硫C75-2蓝色 低温井用NT-80LS青色夹红色环高强度N-80红色 低温井用NT-95LS青色夹褐色环高强度C-95褐色 新 日 铁 低温井用NT-110LS黄色夹白色环高强度P-110白色 抗硫化氢SM-80S红色夹白色环防硫NK-AC80红色夹蓝色 抗硫化氢SM-90S橙色夹蓝色环防硫NK-AC85红色夹蓝白色环 抗硫化氢SM-95S茶色夹蓝色环防硫NK-AC90红色夹蓝色环2条 深井用SM-95G棕色夹白色环防硫NK-AC95褐色夹蓝色环 住友 深井用SM-125G天蓝色夹白色环 日本 钢管

16、 高抗拉NK-T95褐色夹白色环 二、固井工具、附件二、固井工具、附件 - 10 - 井口工具通常包括：套管水泥头、尾管水泥头、钻杆水泥头、快速接 头、循环头等 一）、固井工具一）、固井工具 1、水泥头1、水泥头 水泥头是注水泥施工过程的井口联接装置，用于联接套管（或钻杆）和注水泥 管汇；水泥头还用来安装胶塞，通过胶塞释放挡销机构控制胶塞的释放，并根据胶 塞释放指示销判断胶塞是否释放。 1）、套管水泥头1）、套管水泥头 套管水泥头：在套管固井时用于连接 套管及地面固井管线，同时提供容纳 1-2个套管胶塞空间配有相应释放机 构。 2）、尾管水泥头2）、尾管水泥头 尾管水泥头由提升短节、本体、旋转轴 承机构、钻杆塞挡销机构、投球机构、钻杆 联接短节和阀门管汇等部分组成，（如图2-4 所示）。 尾管水泥头主要用于尾管固井，提升短 节和旋转轴承机构的作用同钻杆水泥头的对 应机构相同。坐挂尾管悬挂器时，旋转投球 机构的手柄，顶杆便将球从投球机构内腔顶 出，球在重力和泵送液体的推动下，沿钻杆内 腔落到悬挂器球座上