石油钻探固井技术

《石油钻探固井技术》由会员分享，可在线阅读，更多相关《石油钻探固井技术（91页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、硕士士20022002级 现代完井工程代完井工程石油钻探固井技术1编辑ppt概述概述井身井身结结构构设计设计套管及套管柱套管及套管柱设计设计油井水泥及水泥油井水泥及水泥浆设计浆设计影响注水泥影响注水泥质质量的因素量的因素2编辑ppt概述概述1.1.固井的概念固井的概念 固固井井在在井井眼眼中中下下入入适适当当尺尺寸寸及及强强度度的的套套管管柱柱，然然后后用用水水泥泥浆浆封封固固套套管管与与井井壁壁之之间间的的环环形空形空间间的作的作业业。 包括：包括： 套管与下套管套管与下套管 水泥与注水泥水泥与注水泥3编辑ppt概述概述2.2.固井的目的固井的目的l封封隔隔易易塌塌、易易漏漏等等复复杂杂地地

2、层层，保保证证钻钻井井顺顺利利进进行；行；l封封隔隔油油气气水水层层，建建立立油油气气流流出出通通道道，防防止止产产层间层间互互窜窜；l进进行增行增产产措施；措施；l安装井口。安装井口。4编辑ppt概述概述3.3.固井的内容固井的内容n套管及下套管套管及下套管 n水泥与注水泥水泥与注水泥5编辑ppt概述概述4.4.对对固井固井质质量的要求量的要求l套管有足套管有足套管有足套管有足够够够够的的的的强强强强度度度度能承受井下各种外力作用，能承受井下各种外力作用，抗腐抗腐蚀蚀、不断、不裂、不、不断、不裂、不变变形。形。l水泥水泥水泥水泥环环环环有可靠的密封有可靠的密封有可靠的密封有可靠的密封环环空封

3、固段不空封固段不窜窜、不漏、能、不漏、能经经受高受高压挤压挤注的考注的考验验。 6编辑ppt概述概述5.5.固井工固井工艺艺流程流程(1) (1) 井眼准井眼准备备；钻井至预定井深后测井、通井并清洗井眼(循环钻井液12周)起钻、下套管、安装水泥头及注水泥地面管汇再循环钻井液12周；(2)(2) 打隔离液或前置液打隔离液或前置液(一般用量为环空高度100m左右)；(3)(3) 释释放放下胶塞下胶塞注水泥注水泥(领浆、中浆、尾浆)；(4)(4) 释释放放上胶塞上胶塞替替钻钻井液井液;(5)(5) 碰碰压压(上胶塞下行至套管承托环,泵压突然升高,通常 5.0 MPa)，注水泥注水泥结结束束。7编辑p

4、pt概述概述6.6.工工艺艺介介绍绍l下套管下套管l注水泥注水泥l候凝候凝l检测评检测评价价8编辑ppt概述概述7.7.固井的特点固井的特点(1)(1) 固井作固井作业业施工施工时间时间短。短。例：3500m 9-5/8 套管固井作业，下套管约12:0016:00，注水泥约3:004:00 ；(2)(2) 作作业业属一次性工程，且属一次性工程，且质质量要求高，事后量要求高，事后补补救困救困难难(补救质量可控性差、成功率低、费用高)。据资料(美国、海洋)，补救作业费用与基本注水泥作业费的比值为: 表表层层套管固井套管固井：55 技技术术套管固井套管固井：15 尾尾 管管 固固 井井 ：120 产

5、产 层层 固固 井井 ：84(3)(3) 材材料用量大，成本高。料用量大，成本高。 一般为钻井总成本的1530。9编辑ppt第一第一节节 井身井身结结构构设计设计一一. .井身井身结结构构设计设计的内容的内容s套管的套管的层层次；次；s各各层层套管的尺寸与下入深度；套管的尺寸与下入深度；s井眼尺寸井眼尺寸( (钻头钻头尺寸尺寸) )与深度；与深度；s水泥返高。水泥返高。10编辑ppt二二. .井身井身结结构确定的原构确定的原则则能有效的能有效的保保护护油气油气层层，使不同，使不同压压力梯度的油气力梯度的油气层层不不受受钻钻井液的井液的污污染。染。应应避免避免漏、漏、喷喷、塌、卡等复、塌、卡等复

6、杂杂情况情况发发生，生，为为全井全井顺顺利利钻进创钻进创造条件。造条件。钻钻下部高下部高压压地地层时层时，所用，所用较较高密度高密度钻钻井液形成的液井液形成的液柱柱压压力，力，不不压压裂裂上上层层套管鞋套管鞋处处薄弱的裸露地薄弱的裸露地层层。下套管下套管过过程中，程中，应应不不发发生生压压差卡套管。差卡套管。套管与井眼、下次套管与井眼、下次钻进钻进的的钻头钻头与套管内径之与套管内径之间间，应应有有合理的合理的间间隙隙。11编辑ppt三三. .井身井身结结构构设计设计中所需的基中所需的基础础数据数据 1. 1.地地质质方面的数据方面的数据 岩性剖面及故障提示；岩性剖面及故障提示； 地地层层孔隙孔

7、隙压压力剖面；力剖面； 地地层层破裂破裂压压力剖面。力剖面。2.2.工程工程类类数据数据 抽吸抽吸压压力与激力与激动压动压力允力允许值许值； 地地层压层压裂安全增裂安全增值值； 井涌条件；井涌条件； 压压差允差允许值许值。12编辑ppt四四. .套管与井眼尺寸的套管与井眼尺寸的选择选择与配合与配合s s 生生产产套管的尺寸套管的尺寸应满应满足采油的要求；足采油的要求；据据产产能、油管大小、增能、油管大小、增产产措施以及井下作措施以及井下作业业等要求。等要求。s 对对于探井，要考于探井，要考虑设计虑设计原井深是否需要加深；原井深是否需要加深；实实际际地地与与层层原原地地质质预预报报有有可可能能存

8、存在在差差异异，是是否否留留可可增增加加中中间间套套管管层层次的余地。次的余地。s 要要考考虑虑到到工工艺艺技技术术水水平平以以及及管管材材、钻钻头头等等的的库库存情况。存情况。地地质质复复杂杂情况、取岩心尺寸要求、井眼曲率等。情况、取岩心尺寸要求、井眼曲率等。13编辑ppt第二第二节节 套管柱套管柱设计设计一、套管一、套管规规范范简简介介套管受到各种套管受到各种类类型外力作用，型外力作用，须须具有一定具有一定强强度。度。外外载载大小、大小、类类型不同，所需的型不同，所需的强强度要求也不同，度要求也不同，须须有一系列有一系列不同尺寸、不同不同尺寸、不同强强度的套管。即套管系列。度的套管。即套管

9、系列。对对所所用用的的套套管管系系列列作作一一个个统统一一规规定定，叫叫套套管管规规范范。规规定定了了套套管生管生产产的尺寸、的尺寸、钢级钢级、壁厚、壁厚、连连接方式等。接方式等。目前一般使用的美国目前一般使用的美国APIAPI套管套管规规范。其范。其规规定的有关性能主要有。定的有关性能主要有。14编辑ppt1 1、尺寸系列（又叫名、尺寸系列（又叫名义义外径或公称直径）外径或公称直径）41/2，5，51/2，65/8，7，75/8， 85/8，95/8，103/4，113/4，16, 285/8，20，30.15编辑ppt2 2、钢级钢级系列系列APIAPIAPIAPI钢级钢级钢级钢级有有有有

10、10101010种种种种：H,J,K,N,C,L,P,Q,X.H,J,K,N,C,L,P,Q,X.H,J,K,N,C,L,P,Q,X.H,J,K,N,C,L,P,Q,X.非标准的钢级，也较广泛使用，如NKK,S,SS,V等。APIAPI规规定定钢级钢级代号后面的数字乘以代号后面的数字乘以1000 psi1000 psi(6894.8Pa)(6894.8Pa)即即为该钢为该钢材的最小屈服材的最小屈服强强度度。如:N-80 801000psi但也有个别例外:S-80 55KpsiSS-95 80Kpsi16编辑ppt3 3、套管螺、套管螺纹类纹类型与螺型与螺纹连纹连接接lAPIAPI标标准螺准螺纹

11、类纹类型型：短园螺纹，STC, CSG, C1长园螺纹，LTC,LCSG, C2梯型螺纹，BTC,BCSG, C33直连型螺纹，XL, XCSG, C11Xl与螺与螺纹类纹类型相型相对应对应的螺的螺纹连纹连接也有四种接也有四种。 螺纹连接指套管本体与结箍之间的连接。 另有一些非标准螺纹由厂家定义。17编辑ppt如何如何选选用用这这些套管，些套管，选择选择原原则则：外外载载安全系数安全系数 套管套管强强度度18编辑ppt二、套管外二、套管外载载分析与套管分析与套管强强度度计计算算（一）（一）载载荷分荷分类类与特点与特点1 1 静静载载特点：特点：长长期作用、期作用、联联合作用在套管上合作用在套管

12、上。类型：型：l轴轴向拉力向拉力l径向外径向外挤压挤压力力l径向内径向内压压力力l弯曲附加拉力弯曲附加拉力l温差温差应应力力19编辑ppt(1)(1)轴轴向拉力：向拉力：T T 自重：自重：W W 浮力：浮力：F F T = W - FT = W - FWWT TF F20编辑ppt(2)(2)径向外径向外挤压挤压力：力：管外液柱管外液柱管外液柱管外液柱压压压压力力力力P P P P1 1 1 1地地地地层挤压层挤压层挤压层挤压P P P P2 2 2 2环环环环空加空加空加空加压压压压P P P P3 3 3 3P3P2P121编辑ppt(3)(3)径向内径向内压压力：力：管内流体管内流体压

13、压力力压压裂作裂作业业等等压压力力P2P122编辑ppt2 2 动载动载特点：特点：瞬瞬时时地、地、单单一地作用在套管上一地作用在套管上。l起下起下钻时钻时速度速度变变化化产产生的生的动载动载l阻、卡套管阻、卡套管时时提拉提拉动载动载l摩擦摩擦动载动载l碰碰压动载压动载l密度差密度差产产生的附加拉力生的附加拉力套管柱在井下所受的套管柱在井下所受的主要外力有哪些？主要外力有哪些？23编辑ppt作用在套管上作用在套管上的的主要主要载载荷荷是：是：轴轴向拉力向拉力 T Tb b= W - F= W - F外外挤压挤压力力 P Pc c内内压压力力 P Pi iWWT Tb bF FPiPc24编辑p

14、pt（二）（二）轴轴向拉力与套管抗拉向拉力与套管抗拉强强度度1 1、轴轴向拉力向拉力计计算算1.11.1套管自重套管自重产产生的生的轴轴向拉力向拉力 浮力浮力对轴对轴向向载载荷有减小作用荷有减小作用，因此，因此，设计时设计时考考虑虑与不考与不考虑虑浮力浮力时时的的选选用的安全系数用的安全系数应应有一定有一定区区别别。25编辑ppt(1)(1) 不考不考虑虑浮力浮力时时套管自重拉力套管自重拉力分布分布分布分布规规规规律律律律：在套管柱上由下向上逐在套管柱上由下向上逐渐渐增大。增大。最大最大最大最大值值值值位置位置位置位置：井口井口处处。计计计计算公式算公式算公式算公式：T 井口处套管轴向拉力,

15、KNq 单位长度套管的重量，N/mL 套管长度，m26编辑ppt(2) (2) 考考虑虑浮力浮力时时套管自重拉力套管自重拉力 浮力考浮力考浮力考浮力考虑虑虑虑方法方法方法方法： 浮力系数法，台阶力法(按集中力考虑)计计计计算式算式算式算式( (浮力系数法 )：Tb套管在钻井液中的重量，KNBF 浮力系数在空气中在空气中在在钻钻井液中井液中Tb27编辑ppt1.21.2 弯曲附加拉力弯曲附加拉力 如如果果井井眼眼存存在在较较大大的的井井斜斜变变化化或或狗狗腿腿度度时时，由由于于套套管管弯弯曲曲效效应应的的影影响响将将增增大大套套管管的的拉拉力力负负荷荷，特特别别是是在在靠靠近近丝丝扣扣啮啮合合处

16、处，易易形形成成裂裂缝缝损损坏坏，由由于于APIAPI套套管管的的连连接接强强度度没没有有考考虑虑弯弯曲曲应应力力，所所以以设设计计时时应应从从套套管管的的连连接接强强度度中中扣扣除除弯弯曲曲效效应应的的影影响响，其其计计算算公公式式见见有关有关资资料。料。28编辑ppt1.3 1.3 其它附加拉力其它附加拉力 在在一一般般的的套套管管设设计计中中，没没有有具具体体考考虑虑附附加加拉拉力力，而而是是通通过过安安全全系系数数的的选选用，将它用，将它们们包括在内。包括在内。29编辑ppt2 2 轴轴向拉力作用下的套管向拉力作用下的套管强强度度( (抗拉抗拉强强度）度）2.12.1 轴轴向拉力作用下

17、套管的失效形式向拉力作用下套管的失效形式(1)(1)丝丝扣（接箍）滑脱扣（接箍）滑脱(2)(2)丝丝扣断裂扣断裂(3)(3)管体断裂管体断裂(4)(4)氢氢脆脆30编辑ppt2.22.2 套管抗拉套管抗拉强强度的度的选选用用 抗拉抗拉强强度度minmin 丝丝扣部分抗拉扣部分抗拉强强度，管体抗拉度，管体抗拉强强度度 31编辑ppt（三）（三） 外外挤压挤压力与套管抗力与套管抗挤挤强强度度1 1 外外挤压挤压力力计计算算1.11.1外外挤压挤压力的力的计计算算考考考考虑虑虑虑方法方法方法方法：管内按全掏空的管内按全掏空的 最危最危险险状状态态考考虑虑。计计计计算方法算方法算方法算方法：Pe外挤压

18、力，MPaH 计算点深度，mm 管外泥浆(或盐水)密度，g/cm3Pe32编辑ppt外外挤挤力分布力分布：沿井深增加，最大在井底沿井深增加，最大在井底。 说说说说明：明：明：明：a.水水泥泥环环有有一一定定的的承承载载能能力力，实实际际的的外外挤挤力力在在水水泥泥面面以以下下要要小小得多，可分段考得多，可分段考虑虑；b.b.在在有有易易流流动动塑塑性性地地层层的的情情况况下下（如如盐盐岩岩层层、泥泥盐盐层层），套套管管所受的外所受的外挤挤力力应应按上覆岩按上覆岩层层的的压压力梯度力梯度计计算；算；c.c.在在很很多多井井中中，并并不不可可能能发发生生全全掏掏空空的的外外挤挤状状态态，故故按按上

19、上面面方方法法计计算算出出的的外外挤挤力力偏偏大大，这这样样便便可可能能造造成成选选择择套套管管的的浪浪费费。现现行行的的方方法法是是：根根据据各各层层套套管管具具体体可可能能出出现现的的最最大大工工况况，按按有效有效载载荷荷计计算。算。33编辑ppt1.21.2 有效外有效外挤压挤压力力计计算算计计算方法：算方法：P Pe e=P=Pc c- P- Pi i 其其中中P Pi i的的计计算算方方法法不不同同，也使得也使得P Pe e有多种算法。有多种算法。PiPc34编辑ppt2 2 套管的抗套管的抗挤挤强强度（度（单单一外力作用）一外力作用）2.12.1 套管在外套管在外挤挤力下的失效形式

20、力下的失效形式套套管管径径厚厚比比的的范范围围不不同同，套套管管破破坏坏的的形形式式也也有有所不同，其所不同，其变变化相似于受化相似于受压压直杆件的破坏。直杆件的破坏。细长细长杆杆压压弯（失弯（失稳稳）短粗杆塑性短粗杆塑性变变形破坏形破坏 35编辑ppt套管按径厚比分套管按径厚比分类为类为：厚壁：厚壁：D/t D/t 10 10中厚壁：中厚壁：10 D/t 10 30D/t 30 D D 套管直径；套管直径； t t 套管壁厚套管壁厚。套管失效形式套管失效形式：主要是失：主要是失稳稳破坏，而不是破坏，而不是强强度破坏。度破坏。失失稳稳后的套管被后的套管被挤挤扁或破裂。扁或破裂。36编辑ppt2

21、.2 2.2 套管抗套管抗挤挤强强度度计计算算 API根据上面套管的不同失效形式，给出了一套抗挤强度计算公式，即：l最小屈服抗最小屈服抗挤挤强强度度l最小塑性抗最小塑性抗挤挤强强度度l最小塑最小塑弹弹性抗性抗挤挤强强度度l最小最小弹弹性抗性抗挤挤强强度度具体公式见有关教材。37编辑ppt3 3 套管在多向套管在多向载载荷作用下的荷作用下的强强度度变变化与化与计计算算3.13.1套管双套管双轴应轴应力力椭圆椭圆a.a. 方程建立方程建立 由材料力学理论可知，套管在外载作用下，其单元体上受三个正应力作用，z轴向应力t周向应力r径向应力ztr38编辑ppt这这三个三个应应力共同作用力共同作用时时合成

22、合成应应力力为为（MisesMises方程）：方程）：根据第四根据第四强强度理度理论论，可得套管在多向，可得套管在多向应应力下的力下的强强度条件度条件为为： c c s s其平衡方程有：其平衡方程有：39编辑ppt在在这这三个三个应应力中，力中， r r 0 0 0 0 拉伸内拉伸内压压 z z， t t 0 00 压缩压缩内内压压 z z， t t 0 000 000 拉伸外拉伸外挤挤 z z， t t42编辑ppt3.23.2轴轴向拉力作用下套管抗向拉力作用下套管抗挤挤强强度的度的计计算算a.a. 计计算公式算公式43编辑pptb. b. 计计算算K K u直接由直接由Tb/TsTb/Ts

23、计计算算K K u查查表求表求K K 法法44编辑ppt（四）（四） 内内压压力与套管抗内力与套管抗内压压强强度度1 1 内内压压力力计计算算考考虑虑状状态态：内压力最大一般为井喷关井后或酸化压裂时。内内压压分布分布：以井口为最大(无外挤压力)。计计算方法算方法：按井口关闭，全井充满天然气计算：井口压力Ps为：Pb地层压力45编辑ppt以井口装置的许用最高压力作为井口压力以有效内压力计算有效内有效内压压力力有效内有效内压压力井口力井口压压力管内力管内压压力管外力管外压压力力46编辑ppt2 2 套管的抗内套管的抗内压压强强度度2.12.1套管在内套管在内压压作用下的失效形式作用下的失效形式套管

24、在内套管在内压压力下的破坏一般属于力下的破坏一般属于强强度破坏。度破坏。2.22.2抗内抗内压压强强度的度的计计算算 套套管管管管体体和和接接箍箍处处的的抗抗内内压压强强度度可可能能不不一一致致，故故需需同同时计时计算套管管体与算套管管体与丝丝扣扣处处的抗内的抗内压压强强度。度。公式：公式：薄壁圆筒理论0.875允许套管壁厚12.5%的变化W接箍直径d1管末端的接箍扣根直径47编辑ppt三、套管柱三、套管柱设计设计方法方法( (一一) )设计设计原理原理套管柱套管柱设计设计，实际实际上就是怎上就是怎样选择样选择套管，使其能套管，使其能满满足井下各种外足井下各种外载载状状态态的方法。的方法。1.

25、1.选择选择依据依据外外载载安全系数安全系数 套管可用套管可用强强度度48编辑ppt选择选择原原则则：应应能能满满足足钻钻井、开井、开发发和和产层产层改造的工改造的工艺艺要要求，能求，能满满足各种条件下各种作足各种条件下各种作业业情况以及情况以及地地层层的要求的要求；考考虑虑一定的安全一定的安全储备储备；经济经济性。性。49编辑ppt工程上工程上对选择对选择套管的有关限制套管的有关限制： 在要求抗腐在要求抗腐蚀蚀的条件下，的条件下，应应先先选选用抗硫套管或用抗硫套管或高一高一钢级钢级的套管；的套管； 套管段数和种套管段数和种类类的数量不的数量不应应太多，一般太多，一般应应小于小于4 45 5段

26、；段； 井口一根套管井口一根套管应为应为全井最大壁厚；全井最大壁厚； 对对复复杂杂井要井要计计算井口的瞬算井口的瞬时时最大最大载载荷。荷。50编辑ppt2 2 选择选择步步骤骤a.a.确定套管在井下可能遇到的最大外确定套管在井下可能遇到的最大外载载情况；情况；b.b.确定使用的安全系数范确定使用的安全系数范围围： 根根据据套套管管强强度度的的计计算算方方法法和和室室内内套套管管强强度度的的试试验验，井井下下套套管管受受力力状状态态的的考考虑虑以以及及使使用用的的套套管管设设计计方方法法等等因因素素，确确定定一一个个可用的安全系数范可用的安全系数范围围. .抗抗挤挤：1.00-1.501.00-

27、1.50，一般，一般为为1.00-1.1251.00-1.125抗拉抗拉：1.60-2.001.60-2.00，一般，一般为为1.8-1.91.8-1.9抗内抗内压压：1.00-1.75,1.00-1.75,一般一般为为1.10-1.33,1.10-1.33,常用常用1.101.1051编辑pptc.c.计计算出不同井深下套管所需的各种算出不同井深下套管所需的各种强强度，从度，从现现有套管中有套管中选择选择出出满满足足这这些要些要求的套管；求的套管；d.d.对对所所选选套管套管进进行校核和行校核和调调整整52编辑ppt3 3 等安全系数等安全系数设计设计法法3.13.1 设计设计原原则则 即即

28、要求所要求所设计设计的各段套管的最小安全系数的各段套管的最小安全系数应应等等于于规规定的安全系数定的安全系数值值。实际实际安全系数套管安全系数套管强强度度/ /计计算外算外载载53编辑ppt3.23.2 设计设计考考虑虑的外的外载载状状态态轴轴轴轴向力向力向力向力：考虑浮力作用下的套管自重浮力作用下的套管自重（弯曲段加弯曲应力）外外外外挤挤挤挤力力力力：管内全掏空管内全掏空时的最危险状态，有特殊地层段单独按上覆岩层压力梯度设计内内内内压压压压力力力力：以有效内有效内压压力力考虑54编辑ppt3.3 设计顺序：外外载载特点特点:井底位置主要受外挤压力作用最大；在井口部位主要受拉力与内压力作用较大

29、。设计顺设计顺序序:自下而上，先抗自下而上，先抗挤挤后抗拉后抗拉55编辑ppt3.43.4 设计设计步步骤骤：确定确定设计设计条件：安全系数、外条件：安全系数、外载计载计算方式算方式按内按内压筛选压筛选套管套管求井底外求井底外挤挤力，力，选选第一段套管第一段套管选选第二段套管，第二段套管，计计算其可下深度算其可下深度计计算第一段套管算第一段套管长长度和有关安全系数度和有关安全系数选选第三段套管第三段套管选选套管，按套管抗拉套管，按套管抗拉强强度度计计算其可下深度算其可下深度注意：抗注意：抗挤应挤应按双按双轴应轴应力力进进行行计计算算56编辑ppt第三第三节节 油井水泥及水泥油井水泥及水泥浆设计

30、浆设计水泥与水混合配成的水泥水泥与水混合配成的水泥浆浆，注入到套管与井，注入到套管与井眼的眼的环环空中，空中，经经一定一定时间时间的凝的凝结结和硬化封固和硬化封固环环形空形空间间。固井固井质质量的基本要求之一，量的基本要求之一，是要有可靠的密封是要有可靠的密封性。性。这这便要求使用的水泥在便要求使用的水泥在强强度等性能方面均具度等性能方面均具备备较较高的指高的指标标。而影响油井水泥。而影响油井水泥这这些性能的因素与它些性能的因素与它内部的内部的矿矿物成分的含量是密切相关的物成分的含量是密切相关的。57编辑ppt油井水泥生油井水泥生油井水泥生油井水泥生产过产过产过产过程程程程 水泥生料水泥生料(

31、 (碳酸碳酸盐矿盐矿物、粘土物、粘土质质原料和原料和调节调节材料材料) )经经粉碎、磨粉碎、磨细细、混合，、混合，在在14501450高温下焙高温下焙烧烧，加入一定量的石膏磨加入一定量的石膏磨细细。 水泥熟料水泥熟料 加石膏、粉碎加石膏、粉碎 油井水泥油井水泥58编辑ppt一、油井水泥一、油井水泥组组成与水化凝成与水化凝结过结过程程 1 1 油井水泥的主要油井水泥的主要矿矿物成分物成分硅酸三硅酸三钙钙：3CaO3CaO SiOSiO2 2 简简写：写：C C3 3S S硅酸二硅酸二钙钙：2CaO2CaO SiOSiO2 2 简简写：写：C C2 2S S铝铝酸三酸三钙钙：3CaO3CaO Al

32、Al2 2O O3 3 简简写：写：C C3 3A A铁铝铁铝酸四酸四钙钙：4CaO4CaO AlAl2 2O O3 3 FeFe2 2O O3 3简简写：写：C C4 4AFAF这这四种四种矿矿物成分占物成分占总总量的量的8787以上，各种以上，各种组组分分在水泥的水化在水泥的水化过过程中有不同的特性。故程中有不同的特性。故组组成水泥成水泥的的各种各种组组分的比例不同，分的比例不同，其水泥的性能也有所不其水泥的性能也有所不同，即同，即不同不同类类型的水泥型的水泥。59编辑ppt2 2 矿矿物成分物成分对对水泥性能的影响水泥性能的影响(1)(1)硅酸三硅酸三钙钙：在一般硅酸在一般硅酸盐盐水泥中

33、含量最高，水泥中含量最高，是水泥是水泥产产生生强强度的主要化合物。度的主要化合物。 水化反水化反应应速度快，早期速度快，早期强强度度发发展快、最展快、最终终强强度大。度大。(2)(2)硅酸二硅酸二钙钙：水化反水化反应应慢，慢，强强度增度增长长慢，能在慢，能在长时间长时间内逐内逐渐渐增大水泥石的增大水泥石的强强度。度。60编辑ppt(3)(3)铝铝酸酸三三钙钙：是是促促进进水水泥泥快快速速水水化化的的化化合合物物，是是决决定定水水泥泥初初凝凝和和稠稠化化时时间间的的主主要要因因素素。对对水水泥泥浆浆的的流流动动性性有有显显著著影影响响，并并对对硫硫酸酸盐盐的的侵侵蚀蚀十十分分敏敏感感，因因此此，

34、高高抗硫酸抗硫酸盐盐水泥必水泥必须须控制其含量控制其含量 3%3%或更低。或更低。(4)(4)铁铁铝铝酸酸四四钙钙：水水化化速速度度仅仅次次于于铝铝酸酸三三钙钙，早早期期强强度度增增长长快快，但但早早期期强强度度与与最最终终强强度度差差别别不不大大，且且强强度度的的绝绝对对值值不不大大，对对水水泥泥强强度度贡贡献献很很小小，含含量量过过大大可可使使强强度度过过早减退。早减退。 C C3 3A A和和C C4 4AFAF的的生生成成，主主要要是是为为降降低低水水泥泥生生产产的的烧烧结结温温度，加入了度，加入了AlAl2 2O O3 3、FeFe2 2O O3 3。61编辑ppt凝凝结结硬化硬化时

35、间时间C2SC3SC3AC4AF水水泥泥石石强强度度(4)(4)矿矿物成分物成分对对强强度的影响度的影响62编辑ppt通通过调节过调节水泥水泥矿矿物成分的含量，便可物成分的含量，便可获获得各种适用于不同要求的油井水泥，如：得各种适用于不同要求的油井水泥，如：性能性能要求要求实现实现方法方法高的早期高的早期强强度度 增加增加C C3 3A A、C C3 3S S含量、含量、细细磨磨缓缓凝性能好凝性能好 控制控制C C3 3A A、C C2 2S S含量、粗磨含量、粗磨低水化低水化热热 限制限制C C3 3A A、C C3 3S S含量含量高抗硫能力高抗硫能力 限制限制C C3 3A3A3，C C

36、3 3A+2CA+2C4 4AF24AF2463编辑ppt油井水泥的油井水泥的类类型型(1)API(1)API标标准准 A A、B B、C C、D D、E E、F F、G G、H H、J J九个九个级别级别。其中，其中，G G、H H两两级为级为基本水泥基本水泥。即可通即可通过过加入外加加入外加剂剂和和/ /或外或外掺掺料料达到其它达到其它类类型的特性，型的特性，J J级级水泥目前已有逐步被取消的水泥目前已有逐步被取消的趋势趋势。(2)(2)现现行国家行国家标标准准 按按APIAPI标标准，准，目前主要有目前主要有G G、H H级级。J J级质级质量控制量控制标标准准不不严严，实际质实际质量不

37、量不稳稳定定。(3)(3)原国原国产标产标准准 45 45、7575、9595、120120。已不使用。已不使用64编辑ppt3 3 水泥的凝水泥的凝结结与硬化与硬化(1)(1)水化反水化反应应水泥水泥矿矿物与水混合后，物与水混合后，发发生水化反生水化反应应，生，生成各种水化成各种水化产产物。水泥物。水泥浆浆将逐将逐渐渐由液由液态转变为态转变为固固态态，这这个个过过程叫程叫水泥的凝水泥的凝结结与硬化与硬化过过程程。65编辑ppt水泥的水化反水泥的水化反应应：a a. C C3 3A A的水化反的水化反应应b.b. C C3 3S,CS,C2 2S,S,及及C C4 4AFAF的水化反的水化反应

38、应c.c. 水化的水化的C C3 3A A和二水石膏的水化反和二水石膏的水化反应应随着水化的不断随着水化的不断进进行，水泥行，水泥浆浆中的硅酸中的硅酸盐盐水化合物，水化合物，铝铝酸酸盐盐水化合物、水化合物、铁铝铁铝酸酸盐盐水化物等在容液中的水化物等在容液中的浓浓度不断增加，度不断增加，逐逐渐渐使微小晶体形成凝聚使微小晶体形成凝聚结结构，从而促成水泥的凝构，从而促成水泥的凝结结和硬化。和硬化。66编辑ppt (2)(2)水泥的凝水泥的凝结结与硬化与硬化“凝聚凝聚结结晶晶”理理论论基本思想基本思想认为水泥在凝结和硬化过程要形成两种不同类型的三维空间网，即凝聚网和凝聚网和结结晶网晶网。由于凝聚结晶网

39、的不断增强，最后形成水泥的硬化。67编辑ppta.a.凝凝结过结过程程水化由水化由颗颗粒表面深入粒表面深入 胶胶态态粒子增多粒子增多 晶体开始晶体开始联结联结 凝聚网。凝聚网。b.b.硬化硬化过过程程水化深入水化深入 晶体析出晶体析出 相互相互联结联结 结结晶网晶网 硬化成微晶硬化成微晶结结构。构。68编辑ppt二、油井水泥及水泥二、油井水泥及水泥浆浆的物理性能的物理性能1 概念：描述水泥或水泥描述水泥或水泥浆浆特性的有关参量特性的有关参量。2 2 标标准准：APIAPI标标准、国家准、国家标标准、原国家准、原国家标标准。准。69编辑ppt水泥的性能水泥的性能 自由水自由水 抗抗压压强强度度

40、安定性安定性 细细度度 稠化稠化时间时间水泥水泥浆浆的性能的性能 (现现行行)国家和国家和API标标准准 密度密度 自由水自由水( (析水析水) ) 滤滤失量失量( (失水失水) ) 稠化稠化时间时间 流流变变性能性能 水泥石抗水泥石抗压压强强度度 水泥石渗透率水泥石渗透率3 3 水泥及水泥水泥及水泥浆浆的性能的性能描述性能的参数描述性能的参数水泥水泥浆浆的性能的性能 ( (原原) )国家国家标标准准 密度密度 流流动动度度 凝凝结时间结时间 水泥石水泥石抗折抗折强强度度70编辑ppt(1)(1)密度密度s s：单单位体位体积积水泥水泥浆浆的的质质量，量，g/cmg/cm3 3。 基基本本要要

41、求求：注注水水泥泥过过程程中中，既既要要压压稳稳地地层层不不发发生生流流体体的的侵侵入入，也不也不压压裂地裂地层层造成井漏。造成井漏。(2)(2)稠稠化化时时间间T Tt t：在在指指定定温温度度和和压压力力条条件件下下，自自水水泥泥与与水水混混合合开开始始至至配配成成的的水水泥泥浆浆的的稠稠度度值值达达到到100BC100BC所所经经历历的的时时间间，叫叫该该水水泥泥浆浆在此条件下的稠化在此条件下的稠化时间时间。 基基本本要要求求：整整个个注注水水泥泥过过程程应应在在稠稠化化时时间间以以内内完完成成，并并包包含含一定的安全因数。通常：一定的安全因数。通常：施工施工时间时间 稠化稠化时间时间

42、- 1 - 1小小时时 3.13.1水泥水泥浆浆的性能的性能71编辑ppt(3)(3)滤滤失量失量Q Q3030：水泥水泥浆浆中的自由水在中的自由水在压压差作用下，通差作用下，通过过井壁渗入井壁渗入到地到地层层中的中的现现象叫象叫滤滤失，失，滤滤失的多少叫失的多少叫滤滤失量，失量，ml/30minml/30min。 基基本本要要求求：在在保保证证注注水水泥泥施施工工顺顺利利安安全全的的前前提提下下，尽尽量量降降低低滤滤失失量量。( (注注意意：这这与与对对钻钻井井液液的的要要求求有有区区别别在在钻钻井井安安全全和和不不损损害害储层储层的前提下，可放的前提下，可放宽宽。) )(4)(4)自自由由

43、水水( (析析水水) )：在在一一定定条条件件下下，水水泥泥浆浆静静置置一一定定时时间间后后分分离离出出的的游游离离水水。常常用用250ml250ml量量筒筒满满刻刻度度水水泥泥浆浆，静静止止2 2小小时时分分离离出的游离水度量，体出的游离水度量，体积积% %。 基基本本要要求求：规规定定G G、H H级级水水泥泥在在标标准准水水灰灰比比下下 1.4%1.4%。实实际际工工程程中中，在在施施工工安安全全的的前前提提下下，应应尽尽量量降降低低。如如，用用于于大大斜斜度度和水平井固井的水泥和水平井固井的水泥浆浆，应应等于零或近于零。等于零或近于零。72编辑ppt(5)(5)流流变变性性能能：描描述

44、述水水泥泥浆浆在在外外力力作作用用下下，产产生生流流动动的的特特点点的的参参数数。常常用用流流变变模模式式参参数数有有：PVPV、YP(YP(宾宾汉汉) )，n n、K(K(幂幂律律) )，YPYP、n n、K(K(赫赫巴巴) )等。等。 基本要求基本要求：在保：在保证浆证浆体体稳稳定性的前提下，尽量改善。定性的前提下，尽量改善。(6)(6)抗抗压压强强度度：在在一一定定温温度度、压压力力条条件件下下，水水泥泥浆浆在在一一定定时时间间内内凝凝结结硬化形成的水泥石抵抗硬化形成的水泥石抵抗压压力破坏的能力，力破坏的能力，MPaMPa。 基基本本要要求求：支支撑撑和和悬悬挂挂套套管管的的一一部部分分

45、重重量量；承承受受继继续续钻钻井井的的冲冲击击载载荷荷或或油油气气层层改改造造的的压压力力。一一般般要要求求在在井井底底静静止止温温度度下下4848小小时时的的值值 14MPa 14MPa。73编辑ppt(7)(7)水水泥泥石石渗渗透透率率：一一定定压压力力下下，水水泥泥石石允允许许流流体体通通过过的的特特性性叫叫水泥石的渗透性，其大小叫渗透率，水泥石的渗透性，其大小叫渗透率，mm2 2。 基基本本要要求求：一一般般情情况况下下不不作作要要求求，用用于于封封固固腐腐蚀蚀性性地地层层应应尽尽量量降低渗透率。降低渗透率。(8)(8)流流动动度度：水水泥泥浆浆自自重重作作用用下下摊摊开开流流动动的的

46、能能力力，cm cm 或或mmmm。建建筑筑上称作坍落度。上称作坍落度。 基基本本要要求求：在在保保证证水水泥泥浆浆稳稳定定性性的的前前提提下下，应应尽尽量量提提高高水水泥泥浆浆的流的流动动能力能力。实际实际工程中，一般要求流工程中，一般要求流动动度度 20cm20cm。74编辑ppt(9)(9)凝凝结结时时间间：一一定定温温度度、压压力力条条件件下下，自自水水泥泥与与水水混混合合开开始始至至水泥水泥浆浆失去流失去流动动性所性所经历经历的的时间时间。包括：。包括： 初凝初凝时间时间：自配：自配浆浆开始至水泥开始至水泥浆浆部分失去塑性所部分失去塑性所经历经历的的时间时间。 终终凝凝时时间间：自自

47、配配浆浆开开始始至至水水泥泥浆浆凝凝结结硬硬化化能能承承受受一一定定压压力力时时所所经经历历的的时间时间。 基基本本要要求求：整整个个注注水水泥泥过过程程应应在在初初凝凝时时间间以以内内完完成成，并并包包含含一一定的安全因数。一般：定的安全因数。一般：施工施工时间时间 75% 75% 初凝初凝时间时间75编辑ppt(10)(10)其它：其它：抗折抗折强强度、安定性、度、安定性、细细度。度。 抗抗折折强强度度：在在一一定定温温度度、压压力力条条件件下下，水水泥泥浆浆在在一一定定时时间间内内凝凝结结硬化形成的水泥石抵抗剪切破坏的能力，硬化形成的水泥石抵抗剪切破坏的能力，MPaMPa。 安安定定性性

48、: :水水泥泥石石的的热热压压膨膨胀胀特特性性，常常用用线线膨膨胀胀率率表表示示。要要求求 0.80.8% %。 细细度度：水水泥泥灰灰颗颗粒粒的的大大小小，一一般般不不作作要要求求。常常用用筛筛于于量量比比表表面面表表示示。( (如如原原国国产产0.08mm0.08mm方方孔孔 15%15%，现现行行基基本本水水泥泥G G、H H级级不不作作要求要求) ) 。76编辑ppt4.14.1 混合材料混合材料对对水泥性能的影响水泥性能的影响减减轻轻材料材料：降低水泥：降低水泥浆浆的密度；的密度；加重材料加重材料：提高水泥：提高水泥浆浆的密度；的密度；热稳热稳定材料定材料：提高水泥石的耐高温能力：提

49、高水泥石的耐高温能力(大于大于110)。4.24.2 温度温度压压力力对对水泥性能的影响水泥性能的影响温度温度：显显著影响水泥著影响水泥浆浆的性能。的性能。压压力力：一般情况下，影响很小。一般情况下，影响很小。 4 4 影响水泥影响水泥浆浆性能的主要因素性能的主要因素77编辑ppt5 5 水泥性能的水泥性能的调节调节油井水泥外加油井水泥外加剂剂调节调节水泥水泥浆浆性能的外加性能的外加剂剂可分可分为为： 三三大大主主剂剂：降降失失水水剂剂、分分散散剂剂( (减减阻阻剂剂) )、调调凝凝剂剂( (缓缓凝凝剂剂和促凝和促凝剂剂) )。 其其它它外外加加剂剂：早早强强剂剂、防防窜窜剂剂、膨膨胀胀剂剂、

50、不不渗渗透透剂剂消泡消泡剂剂、稳稳定定剂剂等。等。 密度密度调节调节：减减轻剂轻剂、加重、加重剂剂。78编辑ppt三、三、固井水泥固井水泥浆浆的的设计设计1.1.国内常用水泥外加国内常用水泥外加剂剂及特性及特性2.2.水泥水泥浆设计浆设计的一般程序的一般程序3.3.基本材料的基本材料的选择选择4.4.制制约约条件条件5.5.外加外加剂剂配伍性配伍性79编辑ppt第四第四节节 注水泥与影响注水泥与影响 注水泥注水泥质质量的因素量的因素 注水泥注水泥顶顶替效率的影响因素替效率的影响因素 提高提高顶顶替效率的措施替效率的措施80编辑ppt一、注水泥一、注水泥质质量要求量要求l水泥水泥浆浆返高和套管内

51、水泥塞必返高和套管内水泥塞必须须符号符号设计设计要求；要求；l注水泥段注水泥段环环空的空的钻钻井液井液应应全部被水泥全部被水泥浆顶浆顶替干替干净净，不不窜窜槽；槽；l水泥水泥环环有足有足够够的的连连接接强强度和封固性能，不度和封固性能，不发发生油生油气水气水窜窜；l水泥石能抗地水泥石能抗地层层介介质质的腐的腐蚀蚀。81编辑ppt顶顶替效率概念替效率概念注水泥段注水泥段：环环形水泥形水泥浆浆体体积积 = 环环空体空体积积注水泥注水泥浆浆段任一截面段任一截面积积：环环形水泥形水泥浆浆面面积积 = 环环空截面空截面积积82编辑ppt关关键键： 提高注水泥提高注水泥顶顶替效率替效率防止水泥防止水泥浆浆

52、候凝候凝过过程中的油气水程中的油气水窜窜83编辑ppt二、提高注水泥二、提高注水泥顶顶替效率替效率1 1 影响注水泥影响注水泥顶顶替效率的因素替效率的因素l套管在井内的居中情况套管在井内的居中情况驱驱替力与阻力情况，偏心度影响替力与阻力情况，偏心度影响l水泥水泥浆浆在在顶顶替替过过程中的流程中的流动动状状态态紊流与塞流紊流与塞流顶顶替原理替原理l紊流紊流顶顶替替时时，液体流，液体流过过封隔封隔层层的的接触接触时间时间l钻钻井液的井液的触触变变性性l水泥水泥浆浆与与钻钻井液的井液的密度差密度差84编辑ppt2 2 提高提高顶顶替效率的措施替效率的措施a. a. 加扶正器，保加扶正器，保证证套管居

53、中度；套管居中度；b. b. 活活动动套管；套管；c. c. 调调整整钻钻井液性能；井液性能；d. d. 调调整水泥整水泥浆浆与与钻钻井液、前置液井液、前置液间间的流的流变变性能。性能。85编辑ppte.e.使用紊流或塞流使用紊流或塞流顶顶替替 调调整水泥整水泥浆浆流流变变性能性能 使用前置液和稀水泥使用前置液和稀水泥浆实现浆实现紊流紊流顶顶替替f.f.增加接触增加接触时间时间 使用前置液使用前置液 增加水泥增加水泥浆浆量量86编辑ppt三、防止水泥三、防止水泥浆浆凝凝结过结过程中的油气水程中的油气水窜窜1 1 油气水油气水窜窜的基本原因的基本原因1.1 1.1 顶顶替效率不好，有替效率不好，

54、有钻钻井液井液窜窜槽。槽。1.2 1.2 环环空空压压力力 + + 流流动动阻力阻力 地地层压层压力力 造成造成这这一情况的原因主要有：一情况的原因主要有：a a. 环环空水泥空水泥浆浆失重失重（主要原因）（主要原因） 失重原因：胶凝、失重原因：胶凝、桥桥堵。堵。 b.b.环环空空实际实际静液柱静液柱压压力不力不够够 如水泥返高不如水泥返高不够够，造成的，造成的压压力力过过低。低。87编辑ppt1.31.3 其它原因其它原因a.a. 泥泥饼饼干裂干裂 水泥水泥环环与井壁。与井壁。b.b. 水泥石外水泥石外观观体体积积收收缩缩，形成微，形成微环环隙隙 水泥水泥环环与套管、水泥与套管、水泥环环与井

55、壁。与井壁。c.c. 管内憋管内憋压压候凝，造成的微候凝，造成的微环环隙隙 水泥水泥环环与套管。与套管。88编辑ppt2 2 防止防止环环空油气水空油气水窜窜的措施的措施(1)(1)从工从工艺艺方面方面：l 限制水泥返高，防止失重限制水泥返高，防止失重过过大；大；l 采用多种凝采用多种凝结时间结时间的水泥的水泥浆浆浆浆柱柱结结构；构；l 环环空憋空憋压压候凝候凝l 使用多使用多级级注水泥注水泥89编辑ppt (2)(2)从水泥从水泥浆设计浆设计方面方面：水泥水泥浆浆凝凝结过结过程中程中l 增加增加浆浆柱的有效柱的有效压压力，减少失重。力，减少失重。 如采用充气或膨如采用充气或膨胀胀水泥水泥浆浆。l 增加其它流体在增加其它流体在浆浆体中流体中流动动的阻力。的阻力。 如采用不渗透或触如采用不渗透或触变变水泥水泥浆浆。90编辑ppt谢谢各位！91编辑ppt