發布時間：2022-03-23 16:46
內容來源：井下作業工程公司
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01
固井·井身結構
井身結構的概念
井身結構是指由直徑、深度和作用各不相同，且均注水泥封固環形空間而形成的軸心線重合的一組套管與水泥環的組合。
組成及作用
井身結構主要由導管、表層套管、技術套管、油層套管和各層套管外的水泥環等組成。
1.導管：井身結構中下入的第一層套管叫導管。其作用是保持井口附近的地表層。
2.表層套管：井身結構中第二層套管叫表層套管，一般為幾十至幾百米。下入后，用水泥漿固井返至地面。其作用是封隔上部不穩定的松軟地層和水層。
3.技術套管：表層套管與油層套管之間的套管叫技術套管。是鉆井中途遇到高壓油氣水層、漏失層和坍塌層等復雜地層時為鉆至目的地層而下的套管，其層次由復雜層的多少而定。作用是封隔難以控制的復雜地層，保持鉆井工作順利進行。
4.油層套管：井身結構中最內的一層套管叫油層套管。油層套管的下入深度取決于油井的完鉆深度和完井方法。一般要求固井水泥返至最上部油氣層頂部100~150米。其作用封隔油氣水層，建立一條供長期開采油氣的通道。
5.水泥返高：是指固井時，水泥漿沿套管與井壁之間和環形空間上返面到轉盤平面之間的距離。
相關術語
1.完鉆井深：從轉達盤上平面到鉆井完成時鉆頭所鉆井的最后位置之間的距離。
2.套管深度：從轉盤上平面到套管鞋的深度。
3.人工井底：鉆井或試油時，在套管內留下的水泥塞面叫人工井底。其深度是從轉盤上平面到人工井底之間的距離。
02
固井·固井的方法
1、內管柱固井
如上圖所示，把與鉆柱連接好的插入頭插入套管浮箍/鞋的密封插座內，然后通過鉆柱注水泥進行固井作業，稱為內管柱固井。內管柱固井主要用于大尺寸(16″~30″)導管或表層套管的固井，其優點為：在無大尺寸膠塞、水泥頭的情況下，可對大尺寸套管進行固井；通過鉆柱注水泥、頂替，可大大減少對水泥漿的污染；減小水泥漿的浪費，有效保證固井質量。
2、單級雙膠塞固井
單級雙膠塞套管固井是海上鉆井最常用的固井方法，它是采用雙套管膠塞(頂、底塞)進行固井的，其工藝流程如圖所示。一般地，自升式平臺或導管架上的固井使用普通套管膠塞，而浮式平臺上的固井使用SSR膠塞。在使用單級雙膠塞固井時，套管柱附件主要由浮鞋、浮箍、扶正器和膠塞等組成，各附件的功能在以后的章節里會講述。
3、尾管固井
尾管固井是用鉆桿將尾管送至懸掛設計深度后，通過尾管懸掛器把尾管懸掛在外層套管上，然后開始注水泥作業的固井方法。尾管懸掛器可分為機械式和液壓式兩種類型，我們通常使用的是液壓式尾管懸掛器，其固井工藝流程如上圖所示。
4、注水泥塞
要處理井漏、棄井、回填枯竭層位、側鉆和隔絕地層等作業時，就需要注水泥塞技術，平衡水泥塞是最常用的方法。注水泥塞時，首先將鉆具下至注水泥塞設計深度的頂部，注水泥并替出水泥漿(要保證管內水泥面高于環空水泥塞面高度)，然后慢慢起出鉆具離開水泥塞頂面，循環沖洗干凈管柱，使水泥塞留在原位置如上圖示。
5、擠水泥
擠水泥是用液壓迫使水泥漿進入裸眼或經套管或尾管孔眼進入地層中的注水泥作業，典型擠水泥作業如上圖所示。
03
固井·水泥漿
油井水泥是一種水硬性膠凝材料，它與水按一定的比例混合便形成水泥漿，并在井下硬化成具有一定抗壓強度和滲透率的水泥石。
1) 水泥水化過程
油井水泥的水化是放熱反應，按其水化速度和結構的形成，大致可分為四個過程：起始期、遲緩期、凝結期和硬化期。
A、起始期。在水泥干粉與水混合的幾分鐘時間內，迅速發生水化反應，有大量水化熱生成，在水泥礦物表面上形成一層水化硅酸鈣凝膠，因這種作用最初僅在水泥顆粒表面進行，只消耗一部分水，其余的水份充滿于水泥顆粒之間，水泥漿具有流動性能。
B、遲緩期。由于最初在水泥礦物表面生成的水化硅酸鈣凝膠滲透率非常低，阻止了礦物進一步水化，而使水化速度明顯變慢，此期，水泥漿的流動性能相對比較穩定，水泥漿的泵送入井應在這一時期完成。這一段時間可延續數十分鐘到數小時。
C、凝結期。隨著水化繼續向水泥顆粒的深處發展，礦物表面的水化硅酸鈣凝膠脹開，水化過程又加速進行，產生的水化物交互生成網狀結構，失去了流動性能，水泥漿進入了凝結時期，這段時間大約需幾十分鐘。
D、硬化期。隨著水化物繼續沉積，大量晶體析出，體系的孔隙度、滲透率逐漸降低，強度逐漸增加，硬化成微晶結構的水泥石。這一段時期，隨著水泥石滲透率的不斷降低，水化反應速度逐漸變慢，但持續時間很長，可達數十天，甚至數年。硬化期的明顯特征是強度增長，這也是固井所期求的。
2) 油井水泥常用外加劑
由于井下環境比地面條件惡劣得多，為了使水泥漿廣泛地用于油田鉆井、完井、修井等作業中，對水泥漿密度、稠度、稠化時間和抗壓強度等都具有更高的要求，采用純水泥已遠遠不能滿足工藝技術要求，必須依靠外加劑來調節其使用性能。目前，常用外加劑的種類主要有：緩凝劑、降失水劑、分散劑、消泡劑、促凝劑、抗高溫強度穩定劑、減輕劑等等，其主要作用如下：
緩凝劑：主要是延長水泥漿稠化時間或凝結時間。
促凝劑：主要是縮短水泥漿稠化時間以及增大水泥石的早期抗壓強度。
降失水劑：主要用以防止水泥漿急劇失水，保護油氣層。
減輕劑：主要是降低水泥漿密度，防止水泥漿在低壓漏失層發生漏失。
分散劑：用以改善水泥漿的流動性能，有利于水泥漿在低泵速泵壓下進入紊流狀態。
消泡劑：防止和避免溶解水起泡，穩定水泥漿密度。
抗高溫強度穩定劑：在深井、高溫情況下，加入硅粉，防止水泥石抗壓強度出現熱衷退現象。
04
固井·浮鞋與浮箍
油田開發早期用的是承托環(阻流環)，又稱為浮箍，其作用是注水泥時用來控制膠塞的下行位置，以確保管內水泥塞長度、防止水泥漿倒流。但它靠金屬與尼龍的密封，密封效果差、承壓能力低，因此逐漸被淘汰。浮鞋或浮箍是能產生浮力的套管引鞋或接箍。引鞋是用來引導套管柱沿井筒順利下到井內，防止套管腳插入井壁巖層，減少下井阻力。
浮鞋除具有引鞋的作用—外回流。在下套管過程中，使環空鉆井液保持流動。浮箍也具有防止水泥漿回流的作用，同時還具有在固井時膠塞碰壓、限制人工井底的深度和套管柱下底腳水泥塞的高度的作用，從而保證油層套管底部的封固質量。出于浮鞋或浮箍耐高溫、密封性和可鉆性好，連接方便因而可代替引鞋、套管鞋等。
分類
按套管下井時鉆井液進人方式的不同，浮鞋浮箍可分為普通型和自灌型；按回壓裝置的工作方式又可分 為浮球式扣舌板式等。浮箍用于承接膠塞組，使箍鞋間有一段水泥塞，并容納套管內壁附著的雜質等，確保水泥漿柱不被替空， 從而保證套管鞋外的固井質量。同時可作為防止水泥回流的備用。浮箍是用來控制套管柱內水泥塞的高度，它兩端都有扣，可以連接于任意兩套管之間，而浮鞋只是一端有母扣，只能位于套管的最前端。
浮箍和浮鞋有水泥式的和金屬的，浮鞋一般在套管的最下端，而浮箍一般在浮鞋上端一點，在雙級注水泥 的時候也會加個浮箍，基本作用就是用來防止注水泥時水泥漿倒返。
05
固井·套管尺寸
套管分類
1.隔水導管(或導管，包括錘打入樁管)
2.表層套管
3.技術套管(中間套管或保護套管)
4.生產套管或尾管。
各種套管作用
1.導管
導管主要用來隔離海水，引導鉆頭入井和井內泥漿從井口返回泥漿池，封隔海底面以下的疏松易塌地層，用以支承表層、技術和油層套管的重量。
2.表層套管
表層套管用來封隔上部不穩定的松軟地層和水層及淺層氣，安裝井口裝置以控制井涌井噴，同時支承技術套管和油層套管或尾管的重量。
3.技術套管或中間套管
技術套管主要用來封隔難以控制的復雜地層以保證鉆井工作順利進行下去。
4.生產套管
生產套管主要用來把生產層和其他地層封隔開，把不同壓力的油、氣、水層封隔開來，在井內建立一條油、氣通路，保證長期生產，并能滿足合理開采油、氣和酸化壓裂等增產措施的要求。
尾管柱
按功能為為鉆井尾管、生產尾管、回接尾管等
1.鉆井尾管：
鉆井尾管功能相當于技術套管的尾管稱為鉆井尾管。
2.用鉆井尾管的意義
-
封隔漏失層、高壓層等；
-
節約鉆井成本；
-
滿足使用復合鉆具要求；
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控制套管磨損（滿足后期回接）。
3.生產尾管
生產尾管功能相當于生產套管的尾管稱為生產尾管。
4.使用生產尾管的意義：
-
封隔油、氣、水層；
-
節約鉆井成本；
-
滿足使用復合油管要求；
5.回接尾管：
回接尾管主要用于修復尾管以上套管，回接套管至井口或回接套管至上層套管內任何深度。
6.常見套管串結構
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插入式/內管固井套管串結構常用套管尺寸: 30”、20”、13-3/8”；
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單級固井套管串結構，常用套管尺寸: 13-3/8”、9-5/8”、7”；
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雙級固井套管串結構，常用套管尺寸: 13-3/8”、9-5/8”、7” ；
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尾管管串結構，常用套管尺寸: 13-3/8”、9-5/8”、7”、5” 、4-1/2” ；
06
固井·固井設備
1、固井設備基本構成
2、其它設備
單撬泵
3、固井泵工作原理
1)基本結構：
固井泵主要包括泵缸、活塞、吸水閥和排水閥等基本部件。
2)工作原理：
-
吸入過程：當活塞從（左圖所示）的極右位置向左移動時，活塞右側腔室的容積增大，其中壓力降低。吸入口的液體就在大氣壓力和泵缸內壓力的壓力差作用下，沿吸入管上升，推開吸入閥進入泵缸。此時，排出閥處于關閉狀態。
-
排出過程：活塞在到達終點后，活塞即開始由左向右移動，工作腔室的容積逐漸減小，進入泵缸中的液體受到活塞的擠壓，使壓力迅速增高推開排出閥，將液體排出。此時，吸入閥處于關閉狀態。
3、水泥漿混合裝置
4、ADC混合系統
工作原理：
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容積緩沖: “蓄水池”作用，平衡平臺灰罐輸灰的壓力和出灰量的波動。
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二次氣化:氣化氣通過氣化囊的纖維網孔流入罐內水泥，進行第二次氣化(第一次在平臺灰罐內)，把水泥變成灰氣混合物。
-
氣灰分離:灰下沉，氣上浮至灰罐頂部，通過罐內排氣管和平衡閥排出舷外。
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恒壓出灰:平衡閥自動調節排氣閥的開口大小，使得緩沖罐頂部的壓力恒定在6～9PSI。A處的壓力＝頂部B處氣壓(6~9PSI)＋干灰水泥的壓力(高度乘密度)。
07
固井·固井工具
水泥頭
1)套管水泥頭
釋放下膠塞時，旋轉退出釋放下擋銷，下膠塞在重力和泵送液體推動下離開下膠塞所在內腔(釋放指示銷有顯示)，并沿套管內壁被驅替至套管浮箍上。放上膠塞時，旋轉退出釋放上擋銷，上膠塞在重力和頂替液的推動下，離開上膠塞所在內腔(釋放指示銷有顯示)，驅替水泥漿并清刮套管內壁直到與下膠塞重合、碰壓為止。
2)尾管水泥頭
尾管水泥頭用于尾管固井。尾管水泥頭由提升短節、本體、旋轉軸承機構、鉆桿塞擋銷機構、投球機構、鉆桿聯接短節和閥門管匯等部分組成，如圖所示。尾管水泥頭主要用于尾管固井，提升短節和旋轉軸承機構的作用同鉆桿水泥頭的對應機構相同。坐掛尾管懸掛器時，旋轉投球機構的手柄，頂桿便將球從投球機構內腔頂出，球在重力和泵送液體的推動下，沿鉆桿內腔落到懸掛器球座上，在泵壓的作用下使尾管懸掛器實現坐掛。釋放尾管膠塞時，旋轉鉆桿塞擋銷機構的手柄，使擋銷從鉆桿塞內腔收回，鉆桿塞便在泵送液體的推動下離開鉆桿塞所在內腔，沿鉆桿內壁落到尾管膠塞座上，在泵壓的作用下剪切釋放尾管膠塞。
膠塞
循環頭
循環頭用于下套管或尾管中途連接下入套管、頂驅或地面高壓管匯上，建立循環的井口工具。
插入接頭
插入接頭與插入式浮鞋或浮箍配套使用，主要用于大尺寸套管的內管固井作業，有直插式和旋轉插入式。
SSR平衡閥
SSR平衡閥與鉆桿水泥頭配套使用，主要作用是：平衡SSR水下釋放系統管內外壓差，避免膠塞非正常釋放。
08
固井·套管附件
套管附件
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引鞋或浮鞋、浮箍;
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分級注水泥接箍、旁通塞、旁通塞座、(一級)碰壓塞、(二級)開孔塞(開孔彈)、分級箍關閉塞、碰壓箍(或橡膠/金屬碰壓板)、球座;
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套管扶正器(剛性/彈性/輥軸)、限位卡箍、水泥傘(或水泥籃);
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頂塞(上膠塞)、底塞(下膠塞)、鉆桿膠塞和套管膠塞等。
導鞋
導鞋無單流閥、僅起導向作用。
浮鞋與浮箍
浮鞋有帶1或2個單流閥，側邊孔、自動灌漿、帶劃眼、偏心圓形導入頭扶正功能的。
浮箍
浮箍有帶1或2個單流閥，側邊孔、自動灌漿、插入式帶膠塞座、旋轉插入密封等。
1)自升式平臺內管固井
插入浮鞋
組成:插入浮鞋、或選用插入浮箍，配套應用插入頭及鉆桿扶正器專用工具。
關鍵:插入頭與浮鞋的插座形成密封。
適用:30"/20"/13-3/8"套管。
2)半潛式平臺內管固井
組成:浮鞋，或選用浮箍+內管柱+套管頭密封工具+送入管柱；
關鍵:套管頭密封工具
適用:適用：30"/20"/13-3/8"套管。
膠塞
1)防轉套管膠塞組
套管膠塞:主要用于自升式平臺和導管架上的套管固井，底塞(紅色)用來隔離水泥漿與前置液，防止前置水泥漿在出套管浮箍前受污染。頂塞(黃色)用來把頂替液與水泥漿隔開，防止后面的水泥漿受頂替液的污染，同時頂塞還用來碰壓，指示固井替漿結束。底塞座落在浮箍后，膠皮擊穿壓力400psi左右。
2)水下釋放膠塞組-SSR膠塞組
SSR膠塞組主要用于半潛式平臺的套管固井，它允許通過鉆桿把水泥漿泵送到井內而不需要從鉆臺到海底全部下入套管。鉆桿膠塞通過鉆桿水泥頭進行投放，可刮去鉆桿，內的水泥漿并剪切釋放SSR套管膠塞，SSR套管膠塞的作用同前述套管膠塞。
3)尾管膠塞
尾管膠塞連接在尾管送入工具中心管下端接箍上，鉆桿膠塞通過尾管水泥頭進行投放，刮去鉆桿內的水泥漿并與尾管膠塞復合后剪切釋放尾管膠塞。尾管膠塞下等頂替水泥漿至球座后碰壓。
球座
球座用于液壓式尾管懸掛器座掛用，通過投下球，球落在球座上，泥漿泵加壓實施尾管懸掛器座掛于上層套管內。
節流浮箍
適用于回接尾管固井，當回接插入密封頭插入時，其在壓差作用下，允許極小部分流體通過節流閥孔進入管內，有籃球插入頭插入座封。
扶正器
套管扶正器有彈性和剛性之分，它們的作用是扶正套管，提高套管在井眼中的劇中度，使套管與井壁環空的水泥漿充填均勻，保證固井質量。套管扶正器通常安放在油層、氣層、水層及其上下隔層，井徑規則處，浮鞋、浮箍的上下，尾管重疊段等位置。
扶正器止動環
如圖所示為多種類弄的扶正器止動環。止動環裝在套管本體上，限制套管扶正器上下活動，確保關鍵層位水泥漿封隔質量。
注水泥接箍
1)雙級注水泥接箍
雙級注水泥接箍有不帶封隔器的和帶封隔器的兩種。雙級注水泥工具結構組成如下：關閉擋圈；第一級關閉塞；自由下落式打開塞；第二級鎖緊塞；
2)751E分級注水泥接箍
雙級注水泥接箍可選用膠塞組合：一級 旁通塞座、旁通塞、碰壓箍或擋板(橡膠或鋁合金)、碰壓塞。二級:開孔塞(開孔彈)、關閉塞。
水泥傘
水泥傘(或水泥籃)裝在多級注水泥接箍下方，防止水泥漿下沉的傘狀(或籃狀)裝置。
刮泥器
刮泥器(井壁抓)，裝在套管上用以清除井壁疏松泥餅。
分流接頭
分流接頭(旋流接頭)采用這種工具使水泥漿從底部或側向孔中流出，可以減小高密度的水泥漿正常與泥漿下沉與泥漿污染而發生“伸長”的危險。
09
固井·固井質量
注水泥質量要求
1、水泥返高、水泥塞長度和人工井底的規定
油氣層固井，設計水泥返高應超過油氣層頂界150米，實際封過油氣層頂部不少于50米。其中要求合格的水泥環段，對于淺于2000米的井不少于10米，深于2000米的井不少于20米。
2、為了保證套管管鞋封固質量，油層套管采用雙塞固井時，阻流環距套管鞋長度不少于10米，技術套管(或先期完成井)，一般為20米，套管鞋位置應盡量靠近井底。
3、油氣層底界距人工井底(管內水泥面，浮箍位置)不少于15米，主要是為了滿足采油方面的需要。
4、其中第二條是為了防止上膠塞下行時所刮下的套管內表面上的液膜漿體污染水泥漿，而影響套管鞋附近的水泥封固質量。
水泥環質量鑒定
目前我國水泥環質量鑒定一般以聲幅測井(CBL，也稱水泥膠結測井)為準。聲幅相對值在15%(油田現場有的也采用10%)以內為優等，30%為合格；聲幅超過30%的井段則視為水泥封固不合格。聲幅測井一般在注水泥后24小時到48小時內進行，但對特殊井(如尾管固井、采用緩凝水泥固井等)聲幅測井時間可依具體情況而定，現在變密度測井(VDL)也在逐漸普及。
1、井溫測井
水泥的水化反應是放熱反應，其凝結過程中所放出的熱量通過套管傳給套管內液體，可使井內溫度上升一定數值，如6℃~20℃。而環空中沒有水泥的井段，井內溫度為正常溫度。利用這一特性，可以測定水泥漿在環空中的返高位置，即水泥頂部深度。
2、聲幅測井(水泥膠結測井)
聲幅測井是根據聲學原理所進行的測井。在井下，從測井儀聲波發射出聲波，聲波向四周以近似球形的波陣面發散，通過不同的介質和路線后傳播到接收器。最先到達接收器的是沿著套管傳播的滑行波(叫套管波)所產生的折射波，其次是傳到地層后又傳播回來的地層波，盡管在鉆井液內聲波的傳播距離最短，但由于在鉆井液內聲速相對較低，所以鉆井液波(泥漿波)到達最遲。聲幅測井記錄的是最先到達的套管波的首波幅度。
套管波在傳播過程中要向套管內和環形空間散失能量，即聲幅要衰減(降低)。套管波的衰減程度和套管內外介質性質及期分布有關。因為管內鉆井液的分布及性質是不變的，因此向管內散失的能量為恒定值。在此基礎上的套管波的衰減程度就將取決于管外水泥與套管的膠結情況。實驗證明，在其它條件不變的情況下，套管首波幅度的對數與套管周圍水泥未膠結部分所占套管周長的百分數之間存在線性關系，即與套管膠結的水泥越多，所接收的聲幅越上，而當管外全為鉆井液時，所接收的聲幅最大。
由測量線路把所接收的聲幅大小轉變成與之成比例的電壓大小，加以記錄。沿井深由下而上進行測試，就可得到一條沿井深反映水泥與套管膠結情況的聲幅測井曲線。應用聲幅測井曲線檢測水泥環質量是通過相對幅度進行的(以環空內全為鉆井液的自由套管段的聲幅值為基準)。
相對幅度=目的段聲幅曲線幅度/自由套管段聲幅曲線幅度*100%。
聲波變密度測井
聲幅測井測量記錄的是套管首波幅度。聲波變密度測井(VDL，簡稱變密度測井)是用接收器將套管波、地層波等聲波幅度按到達時間先后全部測量記錄，再用一定的方法顯示，以評價水泥環質量的測井方法。當進行變密度測井時，同時進行聲幅測井。變密度測井因為能夠測量記錄地層波，因此能夠反映出水泥與地層(俗稱第二界面)有膠結情況。將變密度測井結果與聲幅測井結果對比分析，可以全面地評價水泥環質量。