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 第二章

第一节 第二节 第三节

第三章 第一节 第二节 第三节

固井的目的和要求

套管、固井工具、附件和材料

API 套管标准和规范 固井工具、附件 固井材料

固井工程技术基础 固井工艺 固井水泥浆 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，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，保证油气田的开采，就要采用固井，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。

图1-1 下套管固井原理示意图

2）、封隔油、气、水层，防止层间互窜。

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

图1-2 固井防止层间流体互窜示意图

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。

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

图1-3套管固井后井口连接示意图

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；

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。

第二章 套管、固井工具、附件和材料

一、 API 套管标准和规范 1、长度标准：

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H －40、J －55、C

－75、N －80、C －95、P －110、Q －125、V －150。 （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 。

PSI 是磅/英寸2的代号。1psi ＝1磅/英寸2＝0.07031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/厘米2。）

API 套管钢级代号及其最小屈服强度列表如 下：

API 管材钢级的物理机械性能

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 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RL －4型扣、LS 型扣、LS －2型扣、LS －2HP 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EXTREME －LINE FORM）等。

4、API 套管标记：

1）、API 钢级代号和颜色标记

2）、API 扣型代号 3) 、套管识别标记

图2-1套管识别标记

圆螺纹套管标记（示范）

API 直连型螺纹套管标记（示范）

.API 套管VAM 扣（示范）

二、固井工具、附件

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 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

图2-3 套管水泥头（双塞）

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

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，在泵压的作用下使尾管悬挂器实现坐挂。释放尾管胶塞时，旋转钻杆塞挡销机构的手柄，使挡销从钻杆塞内腔收回，钻杆塞便在泵送液体的推动下离开钻杆塞所在内腔，

图2-4 尾管水泥头示意图

沿钻杆内壁落到尾管胶塞座上，在泵压的作用下剪切释放尾管胶塞。 3）钻杆水泥头

钻杆水泥头：在半潜式钻井平台常规套管固井时使用，主要功能是连接井口送入工具与固井管线，并提供容纳钻杆胶塞及/或剪切球的空间，配有相应释放机构。

2、快速接头：用于连接套管与套管水泥头。通常快速接头下段为对应套管扣，上端为快速扣。

3、内管扶正器：内管固井或其类似固井作业中用于扶正钻具在套管内居中度。常为单弓型

4、循环头

循环头是在下套管或尾管中途连接于下入套管或尾管柱上建立循环的井口工具，（如图2-5所示）。

当套/尾管下入中途或下入套/尾管过程中遇阻时，将循环头下端的套管扣或分体短节连接于套管顶部，循环头上端的接头连接于钻台至泥浆泵的管线上，建立泥浆循环。

采用快速接头联接的套管循环头

钻杆扣×套管扣循环头 1502扣×套管扣循环头

5、内管注水泥插入头

内管注水泥插入头主要用

图2-5常用循环头结构示意图

于钻井过程中大尺寸表层套管固井作业的工具。

（如图2-6所示），内管注水泥插入头主要由插入头、密封圈和钻杆连接扣等部分组成。当表层套管下到设计井深后，在钻柱底部连接内管注水泥插入头，下钻并插入与之配合的套管鞋密封插座内，便可准备固井。

图2-6 内管注水泥插入头示意图

6、双级固井分级箍

图2－6双级固井分级箍示意图

7、尾管悬挂器

提升短节 防砂罩

c 、密封总成：由密封外壳和密封芯子组成。

d 、回接筒

f 、球座总成 g 、浮箍、浮鞋

图2-7尾管悬挂器图组

工作原理：SYX-A 型Φ244.5×Φ177.8（95/8"×7"）尾管悬挂器为液压式，采用投球憋压的方式实现坐挂。使用时配合专用的送入工具，将尾管悬挂器及尾管下入到井内设计深度。投球，当球到达球座后憋压，压力通过悬挂器本体上的传压孔传到液缸内，压力推动活塞上行，剪断液缸剪钉，再推动推杆支撑套，并带动卡瓦上行，卡瓦沿锥面涨开，楔入悬挂器锥体和上层套管之间的环状间隙里，当钻具下放时，尾管重量被支撑在上层套管上。继续打压，憋通球座，建立正常循环。然后进行倒扣、注水泥、替浆作业。最后将送入工具和密封芯子提离悬挂器并循环出多余水泥浆，起钻，候凝。

二）、 套管附件 1、浮鞋、浮箍

套管浮鞋装在套管柱底部引导套管柱入井，防止套管柱底部插入井壁后遇阻；套管浮箍装在浮鞋以上2～3根套管处，为胶塞提供碰压位置，当上胶塞到达浮箍时，泵压会突然升高，这时候说明胶塞已碰压，固井替浆结束。不管浮鞋/箍，两者都具有一

个单流阀机构（图4-24），该阀可防止固井结束后套管环空内的流体进入套管内，同时，在管串入井时还可减少大钩载荷。

浮鞋 浮箍

单回压阀浮鞋 双回压阀浮鞋 单流阀

可插入工具式浮箍（内管固井）

单回压阀浮箍 可插入工具式浮箍 2、胶塞

1）、套管胶塞 套管胶塞（图4-25）主要用于自升式平台和导管架上的套管固井，底塞（红色）用来隔离水泥浆与前置液，防止前行水泥浆在出套管浮箍前受污染；顶塞（黄色）用来把顶替液与水泥浆隔开，防止后面的水泥浆受顶替液的污染，同时顶塞还用来碰压，指示固井替浆结束。

2）、尾管胶塞组 尾管胶塞（图4-27）连接在尾管送入工具中心管下端的接箍上，钻杆胶塞通过尾管水泥头进行投放，刮去钻杆内的水泥浆并与尾管胶塞复合后，剪切释放尾管胶塞。尾管胶塞下行顶替水泥浆至球座后碰压。

图4-25 套管胶塞顶、底

塞

图4-27 尾管胶塞组

3、套管扶正器

套管扶正器（图4-28）有弹性和刚性之分，它们的作用是扶正套管，提高套管在井眼中的居中度，使套管与井壁环空的水泥浆充填均匀，保证固井质量。套管扶正器通常安放在油层、水层上下，井径不规则处，浮鞋、浮箍的上下，尾管重叠段等位置。

刚性

弹性

图4-28

套管扶正器

焊接式扶正器 ⏹ 用于所有的常规井 ⏹ 一体式铰链可承受较大负荷 ⏹ 高级弹性弓板

⏹ 自锁式铰链销钉可防止松脱 ⏹ 超强度焊接 非焊接式扶正器

⏹ 超过 API 10D 标准要求 ⏹ 弓板固定牢靠

⏹ 环板强度高、铰链结实 ⏹ 自锁式铰链销钉易安装且不会松脱

双弓扶正器 ⏹ 较好的扶正效果利于顶替 ⏹ 入井磨阻小

⏹ 减少卡钻、管柱易于活动

⏹ 增加接触面，减少弓板压入井壁的深度 螺旋刚性扶正器

• 确保任何井斜下的扶正效果 • 极好的扰流性能

• 在井眼曲率较大的井段和产层经常与弹性扶正器一起使用

机 械 减 阻 工 具

4、扶正器止动环

图4-29所示为多种类型的扶正器止动环。止动环装在套管本体上，限制套管扶正器上下活动，确保水泥浆重点封隔范围。

图4-29 扶正器止动环

5、Weatherford-Gemoco(威德—吉母壳分级箍

福

三）、固井材料

1、API 油井水泥及规范

根据API 规范规定:

油井水泥分为8个级别A 、B 、C 、D 、E 、F 、G 、H ；

油井水泥分为3大类:普通型(O)、中抗硫酸盐型(MSR)和高抗硫酸盐型(HSR) （见表2-1）。

近年来, 国外波特兰水泥已从原有的A 、B 、C 、D 、E 、F 、G 和H 级简化为5种, 即A 、B 、C 、G 、H 级水泥用于井温76℃以下的井; G、H 级水泥用于井温大于76℃的井。在固井作业中, G级水泥通过加入速凝剂和缓凝剂可用于低、中、高温井, 适用于全井段所有套管层次的固井作业。（见表2-1）

表2-1 API 规范10A 油井水泥级别定义

2、 油井水泥添加剂

由于井下环境比地面条件恶劣得多，为了使水泥浆广泛地用于油田钻井、完井、修井等作业中，对水泥浆密度、稠度、稠化时间和抗压强度等都具有更高的要求，采用纯水泥已远远不能满足工艺技术要求，必须依靠外加剂来调节其使用性能。 1、水泥添加剂的种类

目前常用外加剂的种类主要有：缓凝剂、降失水剂、分散剂、消泡剂、促凝剂、

抗高温强度稳定剂、减轻剂等等，其主要作用如下：

缓凝剂：主要是延长水泥浆稠化时间或凝结时间。

促凝剂：主要是缩短水泥浆稠化时间以及增大水泥石的早期抗压强度。 降失水剂：主要用以防止水泥浆急剧失水，保护油气层。

减轻剂：主要是降低水泥浆密度，防止水泥浆在低压漏失层发生漏失。 分散剂：用以改善水泥浆的流动性能，有利于水泥浆在低泵速泵压下进入紊流状态。

消泡剂：防止和避免溶解水起泡，稳定水泥浆密度。

抗高温强度稳定剂：在深井、高温情况下，加入硅粉，防止水泥石抗压强度出现热衰退现象。

2. 塔里木油田固井常用添加剂

塔里木油田经过多年来的固井实践，主要选用了3大类型的固井添加剂，基本上满足了深井、复杂井固井施工对水泥浆性能的要求。

①、兰德（LANDY ）系列添加剂：LANDY-806L 和LANDY-89L 两个系列，主要用于中高温井（80～120℃）。

②、欧美科（OMEX ）系列添加剂：OMEX －FS-23L 系列，主要用于高温井（120～140℃）。

③ 、斯伦贝谢（Schlumberger ）D168高温系列添加剂：主要用于超高温井（160~180℃）。

第三章 固井工程技术基础

油、气井固井：是将油井水泥、水以及添加剂按一定的比例混合后，通过固井泵

泵送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）之间牢固粘结，具有一定强度且密封良好（图3-1所示）。

一、固井工艺

1、井身结构

图3-1 固井水泥浆充填示意图

井身结构（图3-2）是指套管层次和每

层套管的下入深度、水泥浆的返高及套管和井眼尺寸的配合。井身结构不但关系到钻井工程的整体效益，还直接影响油井的质量和寿命。各层套管的具体作用为：

① 导管：建立表层钻进的泥浆循环。 ② 表层套管：用于封隔上部不稳定的

松软地层和水层，安装井口装置，控制井喷和支撑技术套管与油层套管的重量。

③ 技术套管/尾管：用以分隔难以控制的复杂地层，保证钻井工作顺利。技术套管/尾管不是一定要下的，争取不下或少下技术套管/尾管。

④ 油层套管/尾管：用以把生产层和其他地层封隔开，把不同压力的油、气、水

层封隔起来，在井内建立一条油、气通路。保证长期生产，并能满足合理开采油、气和增产措施的要求。

2、固井方法及工艺流程

1）、内管柱固井（插入法固井）

如图3-3所示，把与钻柱连接好的插入头

插入套管浮箍/鞋的密封插座内， 然后通过钻柱注水泥进行固井作业，称为插入法固井。内管柱固井主要用于大尺寸（16″~30″）导管或表层套管的固井，其优点为：

① 在无大尺寸胶塞、水泥头的情况下，

可对大尺寸套管进行固井。 ② 通过钻柱注水泥、顶替，可大大减少

对水泥浆的污染。

③ 减小水泥浆的浪费，有效保证固井质量。

在大套管内用钻柱对套管进行固井作业的方法称为内插法固井。由于内管柱内径相

图3-3 插入法固井示意图

对很小，不仅可以提高大直径套管的注速，减少替浆有利于准确控制替浆量。而且可以避免水泥浆在套管内混浆和串槽。内插法固井主要用于大直径的表层套管和技术套管的固井。（工具如图示）。

2）内插法固井技术要点

（1）插管头规格（Ф130、Ф105、Ф90等）

mm

Фmax=（132.7、86.59、63.62）cm 2 = S头

（2）插管座深度H

插管座深度H>36.36m时，可不加7″钻铤，但还是加1柱最好，

总之：（W 方钻杆+W钻杆+W钻铤）之总重量≥（0.01LMPa+C）×S 头。 （3）水泥石抗压强度>3.5MPa时可以钻水泥塞（抗压强度由室内试验得知）。 3) 内插法固井工艺流程 管串结构

浮鞋（引鞋）+套管1根+浮箍（带配套插管座）+套管； 固井工艺流程

（1）、下原钻具通井，对缩径及阻卡井段认真扩划眼，大排量洗井，保证井下干净、井眼畅通；

（2）、下套管，按管串结构下送到位；

（3）、下内管结构：插入头+5″钻柱（等）；

（4）、将内管插入插座，开泵循环，检查插入接头与插座密封是否良好； （5）、施工：地面管汇试压—注前置液—注水泥浆至返出—替清水； （6）、将内管起出，检查是否有回流； （7）、候凝（可立即装井口）。 4) 套管上浮计算

w ：----------套管每米重量 kg/m v i ：----------套管内容 l/m v o ：---------套管闭排 l/m ρm ：---------泥浆密度 g/cm3 ρc ：---------水泥浆密度 g/cm3 L ：---------- 套管长度 m l ：----------- 水泥塞长度 m W 套管重量 kg W= w*L W m 管内泥浆的重量 kg W m =ρm *（L-l ）* vi W p 管内水泥浆的重量 kg W p =ρc *l* vi W f 水泥浆对套管的浮力 kg W f =ρc *L* vo 当W f 大于或等于或略小于W+ Wm + Wp ，套管就有上浮的可能。

举例说明：Φ508mm ，壁厚12.7mm ，重量158.5kg/m，内容182.92 l/m，闭排202.69 l/m，泥浆密度1.05g/cm3，水泥浆密度1.90 g/cm3，长度200m ，水泥塞40m ，能否上浮。

套管的重量=158.5×200=31700（kg ）

管内泥浆的重量=182.92×1.05×（200-40）=30731（kg ） 管内水泥浆的重量=182.92×1.90×40=13902（kg ） 共重=76333 kg

浮力=202.69×1.9×200=77020（kg ） 在这种情况下就有上浮危险

为避免套管上浮，水泥浆密度极限值=76333/200/202.69=1.88 g/cm3 5) 避免套管上浮的措施：

（1）充分循环洗井，使环空畅通；

（2）控制注水泥浆的速度，水泥浆上返阻力越大，上浮可能性越大； （3）保证固井质量的前提下，密度不能超过极限值；

（4）水泥浆有较好的流动性；

（5）充分隔离，避免泥浆与水泥浆相互污染而使流动性变差；

（6）下套管时掏空一定的深度，插入钻具下到位后，再灌入重泥浆。

6) 注意事项

起钻之前，计算好套管柱总长，调整钻进深度，确保联顶节座于钻盘面上； 计算插入钻具的长度；

计算施加于插入座的压力值，其值取最高施工压力与插头密封面之断面积的乘积，再乘以1.2的系数；

按下套管要求下入套管，最后要掏空一定的深度不灌浆； 下入插头及钻具；

接好方钻杆，慢放，接近插座位置时开泵，当钻井液灌满套管内环空时停泵； 缓慢下放钻具对中插座，观察指重表加压到预定值，做方入标记；

开泵，观察井口返浆情况及泵压，并注意套管内环空钻井液是否外溢，方入标记是否上移，若不外溢，不上移，压稳刹把，循环固井；

若套管内环空外溢不止，或方入标记上移，应适当增加压力，但不要超过插座生产商给出的最大值。若无效，应提起钻具循环，慢转慢放，重新对插座；

在整个固井期间（注、替浆期间），要时刻注意悬重表变化，套管及钻具是否上移，发现异常，立即采取措施。 7) 应急措施

现场应备有耐压循环头，如果重新对插座无效，起出钻具及插头，改为常规固井；

现场应备有外管注水泥工具，若出现注水泥过程当中插头密封失效，可适当加大压力，若严重失效，可停注，或拨出插头后回压凡尔失效，采用管外注水泥补救井口；

时刻注意指重表，若套管上浮引起悬重严重减少，应适当上提钻具，避免压力过大使插座损伤。

常规插管固井工艺有弊端：如插管或浮鞋（浮箍）密封不严。为了避免这一问题特别推出

《顶端密封双管注水泥装置》，供固井工程选用。 (1) 顶端密封双管注水泥装置 示意图

(2)固井工艺流程

①、下原钻具通井，对缩径及阻卡井段认真扩划眼，大排量洗井，保证井下干净、井眼畅通；

②、管串需带浮鞋或浮箍，不需密封和插座。下套管，按管串结构下送到位；

③、灌泥浆时不宜过满，接顶端密封双管注水泥装置，后下钻杆；

④、下内管结构：下光管5″钻柱即可，不须调长（钻杆比浮鞋至井口的距离短1—5m 即可）；

⑤、再将注水泥接头串接在钻杆顶部，坐入密封座内，如钻杆太轻是可把压板加上； ⑥、接好井口管汇，开泵逐渐加大排量循环；

⑦、施工：地面管汇试压—注前置液—注混浆或水泥浆至返出—替清水； ⑧、将内管起出，检查是否有回流；

若浮鞋（或浮箍）失效，只需从内管内、外替清水，使水泥浆面在钻杆深度以下即可，待水泥浆稠化后，立即起出内管——钻杆。 ⑨、候凝（可立即装井口）。

2）、单级固井（单塞和双塞固井）

陆地固井一般采用单级单塞固井较多，单级双胶塞套管固井是海上钻井最常用的固井方法，它是采用双套管胶塞（顶、底塞）进行固井的，其工艺流程如图3-4所示。

图3-4单级双胶塞固井工艺流程示意图

单级固井（单胶塞或双胶塞固井）时，套管柱附件主要由浮鞋、浮箍、扶正器和胶塞等组成。

3) 、双级固井

根据工程、地质和井下条件来确定是否采用双级固井。 ①、双级注水泥条件和目的

在下列情况下常使用双级固井:

(1)当井底地层无法承受水泥浆柱所产生的静液柱压力; (2)注水泥后环空静液柱压力大于套管抗外挤压力; (3)有严重漏失层, 一次注水泥无法避开漏层时; (4)一个井段需要不同类型的水泥浆固井; (5)为了达到防气窜目的。

②、 双级注水泥工具在管柱中的安装方法

双级注水泥工具在管柱中的安放位置:

(1)为了解决注水泥后环空静液柱压力过高的问题, 它可以装在管柱中任意要求的位置;

(2)为了解决严重漏层, 它可以安装在漏层之上;

(3)为了实现多种水泥浆体系固井, 可以按要求装在管柱的任意位置上; (4)为了解决气窜问题, 它可以装在气层之上, 同时选用带封隔器的双级注水泥工具。

③、双级固井工具组成:（如图3-5所示）

图3-5双级固井工具组成

④、双级注水泥工艺流程（如图3-6所示）

双级注水泥施工程序：

(1)在下管柱前, 将关闭挡圈装在浮箍上。注完第一级水泥后, 投放第一级关闭塞, 并顶替到关闭挡圈碰压。

(2)第一级水泥作业完成后, 立即投放自由下落式开孔塞, 推动多级注水泥工具的下滑套, 暴露出注水泥循环孔, 循环钻井液直到第一级水泥超过稠化时间为止, 然后开始第二级注水泥作业。

(3)注完水泥后, 投放二级锁紧塞, 按要求顶替, 碰压后增加泵压2.07～3.45兆帕(300～500psi) 推动双级注水泥工具的上滑套关闭注水泥循环孔。

图3-6 双级注水泥施工程序图

⑤、 第二级注水泥时间的确定及有关技术要求:

第一级注水泥作业一结束, 必须立即投放打开塞, 打开分级注水泥工具的循环孔, 循环钻井液, 直至一级固井的水泥浆超过稠化时间为止, 并确认它不能再传递上部静液柱压力时, 开始第二级注水泥作业。

第二级注水泥碰压后, 其压力增加到大于规定的循环孔关闭压力2.07～3.45兆帕(300～500psi) 确保水泥不会回流。

4）、尾管固井 尾管固井是用钻杆将尾管送至悬挂设计深度后，通过尾管悬挂器把尾管悬挂在外层套管上，然后开始注水泥作业的固井方法。尾管悬挂器可分为机械式和液压式两种类型，我们通常使用的是液压式尾管悬挂器，其管串组合和固井工艺流程见（图3-

7、图3-8所示）。

图3-7尾管送入工具和尾管管串图

尾管固井工艺流程：（如图3-8所示）

下入尾管，注水泥，投钻杆胶塞剪断尾

投球、憋压钻杆胶塞顶管胶塞后与尾管

并悬挂。 替。 胶塞重合，下行

至球座处碰压。

图3-8 尾管固井流程图

5) 、注水泥塞

要处理井漏、弃井、回填枯竭层位、侧钻和隔绝地层等作业时，就需要注水泥塞技术，平衡

法水泥塞是最常用的方法。注水泥塞时，首先将

钻具下至注水泥塞设计深度的顶部，注水泥并替

出水泥浆（要保证管内水泥面高于环空水泥塞面

高度），然后慢慢起出钻具离开水泥塞顶面，循

环冲洗干净管柱，使水泥塞留在原位置（如图3-9

所示）。

图3-9 平衡法注水泥塞

6）、挤水泥 挤水泥是用液体挤压，迫使水泥浆进

入裸眼或经套管或尾管孔眼进入地层中的

注水泥作业，典型挤水泥作业（如图3-10

所示）。

图3-10 典型挤水泥作业 水泥环水泥浆油管挤水泥封隔器

二、固井水泥浆

油井水泥是一种水硬性胶凝材料，它与水按一定的比例混合便形成水泥浆，并在井下硬化成具有一定抗压强度和渗透率的水泥石。

水泥水化过程： 油井水泥的水化是放热反应，按其水化速度和结构的形成，大致可分为四个过程：起始期、迟缓期、凝结期和硬化期。

A 、起始期。在水泥干粉与水混合的几分钟时间内，迅速发生水化反应，有大量水化热生成，在水泥矿物表面上形成一层水化硅酸钙凝胶，因这种作用最初仅在水泥颗粒表面进行，只消耗一部分水，其余的水分充满于水泥颗粒之间，水泥浆具有流动性能。

B 、迟缓期。由于最初在水泥矿物表面生成的水化硅酸钙凝胶渗透率非常低，阻止了矿物进一步水化，而使水化速度明显变慢，此期，水泥浆的流动性能相对比较稳定，水泥浆的泵送入井应在这一时期完成。这一段时间可延续数十分钟到数小时。

C 、凝结期。随着水化继续向水泥颗粒的深处发展，矿物表面的水化硅酸钙凝胶胀开，水化过程又加速进行，产生的水化物交互生成网状结构，失去了流动性能，水泥浆进入了凝结时期，这段时间大约需几十分钟。

D 、硬化期。随着水化物继续沉积，大量晶体析出，体系的孔隙度、渗透率逐渐降低，强度逐渐增加，硬化成微晶结构的水泥石。这一段时期，随着水泥石渗透率的不断降低，水化反应速度逐渐变慢，但持续时间很长，可达数十天，甚至数年。硬化期的明显特征是强度增长，这也是固井所期求的。

三、固井注水泥程序 注水泥程序是指现场施工前的准备、注水泥施工和质量保证程序, 尽管注水泥方法不同, 程序有些差别, 但它们的共同点是一样的。

1、注水泥的前期准备工作

①、 施工前固井设备试运转和试压。试压压力必须满足不同注水泥方法中所需最高泵压的要求, 水泥浆泵自身管汇试压不低于35兆帕(5000磅/英寸2) 。

②、配制注水泥用的混合水。按质量控制和安全措施要求, 检查水质, 彻底清洗水罐或泥浆池, 严格按添加剂混配比例配制混合水 ，控制配制混合水时间, 一般控制在24小时以内。高温材料配制的混合水延迟使用不得超过15小时，防止混合水药效降低。

③、施工前准确掌握钻井、地质、泥浆参数. （尤其是钻井液环空上返速度, 泥浆泵效率, 薄弱地层的破裂压力, 高孔隙压力等主要数据）。 合理确定注水泥浆和顶替水泥浆的排量, 调整领浆和尾随浆的高度, 确保固井后不发生溢流和压裂地层 ④、注水泥前泥浆循环程序。循环时环空返速等于或稍大于钻井时环空的上返速度, 至少循环两周, 使泥浆进出口性能稳定，有条件尽量调整钻井液性能。主要降低粘度、切力。确保在井底循环温度等于水泥浆稠化时间试验温度。

⑤、注水泥施工前固井管汇试压（包括管线、水泥头及阀门试压）。工作压力必须满足注水泥施工中所需最高泵压要求。

2、注水泥施工程序

陆地固井与海上固井有一些小的区别，陆地固井采用单胶塞较多，海洋固井采用双胶塞固井较多。释放上、下胶塞程序：注水泥浆前释放下胶塞，注完水泥浆后释放上胶塞。在陆地固井通常使用单胶塞固井较多，注完水泥浆后开水泥头档销释放胶塞。尾管固井不存在释放下胶塞程序。 ①、泵送前置液程序。双塞固井时，如无特殊要求, 泵送前置液程序是在释放下胶塞之前。单塞固井时，直接泵送前置液。泵送前置液可以通过固井泵或泥浆泵来完成。如稠度较高, 密度较大的隔离液应由泥浆泵来完成, 避免注水泥管汇中残留隔离液污染水泥浆。（前置液＝冲洗液＋隔离液＋混合水） ②、配注水泥浆程序。要求水泥浆密度均匀, 保持泵注的连续性。平均密度误差不得超过±0.02克/厘米3(0.167磅/加仑) 。 ③、泵注后置液（压塞液）程序。注完水泥浆后, 水泥泵立即停泵, 迅速打开水泥头的挡销并倒好水泥头及管线的阀门, 注意应先开后关，开泵释放胶塞(注意观察泵压的变化) 。 ④、顶替水泥浆程序。当胶塞释放以后, 也就是压塞液泵注结束，停泵倒阀门，开井队泥浆泵顶替水泥浆, 替浆泵排量根据固井施工要求来确定。 ⑤、固井碰压程序。顶替直到上胶塞坐落在下胶塞或承托环上, 原则上不要多替。任何一种固井方法, 要求碰压要有明显的显示。对于双级注水泥工艺, 第二级固井, 虽有明显的碰压显示, 但不意味着注水泥孔已被关闭。因此应加压到关闭注水泥孔所要求的附加泵压。又如尾管固井, 像TIW 装置, 尾管胶塞必须以高于循环压力约

6.89兆帕(1000磅/英寸2) 的压力下坐入承托环锁紧圈。

⑥、释放套管压力, 检查回流程序。一般应通过立管阀门中速放压。如有回流, 关闭阀门, 重新加压到碰压前的最高压力。候凝期间因水泥水化反应发热, 管内压力上升, 可通过装上的针形阀放掉上升部分的压力; 如无回流发生, 拆固井井口管线、水泥头等，候凝水泥。

⑦、对于高压气井, 应考虑环空加压候凝。环空静压大于地层最大孔隙压力2.1兆帕(300磅/英寸2) 左右。加压时间一直维持到水泥凝固, 一般为8小时或更长时间 ⑧、水泥候凝时间一般不少于48小时。

结束语

固井工程包括工艺、工具和材料等多方面的知识，固井质量不仅关系到钻井作业的成败，而且是油田合理开发和长期生产的百年大计。随着石油工业和钻井技术的不断发展，固井技术和所涉及的学科内容也越来越广泛，固井已成为石油工程、力学、化学等多学科相互渗透的综合学科。本册内容只简述关于固井工程的基本知识，如有不足，敬请谅解！

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