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2021.06.22
01
固井·井身结构
井身结构的概念
井身结构是指由直径、深度和作用各不相同，且均注水泥封固环形空间而形成的轴心线重合的一组套管与水泥环的组合。
组成及作用
井身结构主要由导管、表层套管、技术套管、油层套管和各层套管外的水泥环等组成。1.导管：井身结构中下入的第一层套管叫导管。其作用是保持井口附近的地表层。2.表层套管：井身结构中第二层套管叫表层套管，一般为几十至几百米。下入后，用水泥浆固井返至地面。其作用是封隔上部不稳定的松软地层和水层。3.技术套管：表层套管与油层套管之间的套管叫技术套管。是钻井中途遇到高压油气水层、漏失层和坍塌层等复杂地层时为钻至目的地层而下的套管，其层次由复杂层的多少而定。作用是封隔难以控制的复杂地层，保持钻井工作顺利进行。4.油层套管：井身结构中最内的一层套管叫油层套管。油层套管的下入深度取决于油井的完钻深度和完井方法。一般要求固井水泥返至最上部油气层顶部100~150米。其作用封隔油气水层，建立一条供长期开采油气的通道。
5.水泥返高：是指固井时，水泥浆沿套管与井壁之间和环形空间上返面到转盘平面之间的距离。
1.完钻井深：从转达盘上平面到钻井完成时钻头所钻井的最后位置之间的距离。2.套管深度：从转盘上平面到套管鞋的深度。3.人工井底：钻井或试油时，在套管内留下的水泥塞面叫人工井底。其深度是从转盘上平面到人工井底之间的距离。
02
固井·固井的方法
1、内管柱固井
如上图所示，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，称为内管柱固井。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：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；通过钻柱注水泥、顶替，可大大减少对水泥浆的污染；减小水泥浆的浪费，有效保证固井质量。
2、单级双胶塞固井
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，其工艺流程如图所示。一般地，自升式平台或导管架上的固井使用普通套管胶塞，而浮式平台上的固井使用SSR胶塞。在使用单级双胶塞固井时，套管柱附件主要由浮鞋、浮箍、扶正器和胶塞等组成，各附件的功能在以后的章节里会讲述。
3、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，其固井工艺流程如上图所示。
4、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上图示。
5、挤水泥
挤水泥是用液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，典型挤水泥作业如上图所示。
03
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。
1)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。
2)油井水泥常用外加剂
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衷退现象。
04
固井·浮鞋与浮箍
油田开发早期用的是承托环(阻流环)，又称为浮箍，其作用是注水泥时用来控制胶塞的下行位置，以确保管内水泥塞长度、防止水泥浆倒流。但它靠金属与尼龙的密封，密封效果差、承压能力低，因此逐渐被淘汰。浮鞋或浮箍是能产生浮力的套管引鞋或接箍。引鞋是用来引导套管柱沿井筒顺利下到井内，防止套管脚插入井壁岩层，减少下井阻力。
浮鞋除具有引鞋的作用—外回流。在下套管过程中，使环空钻井液保持流动。浮箍也具有防止水泥浆回流的作用，同时还具有在固井时胶塞碰压、限制人工井底的深度和套管柱下底脚水泥塞的高度的作用，从而保证油层套管底部的封固质量。出于浮鞋或浮箍耐高温、密封性和可钻性好，连接方便因而可代替引鞋、套管鞋等。
分类
按套管下井时钻井液进人方式的不同，浮鞋浮箍可分为普通型和自灌型；按回压装置的工作方式又可分为浮球式扣舌板式等。浮箍用于承接胶塞组，使箍鞋间有一段水泥塞，并容纳套管内壁附着的杂质等，确保水泥浆柱不被替空，从而保证套管鞋外的固井质量。同时可作为防止水泥回流的备用。浮箍是用来控制套管柱内水泥塞的高度，它两端都有扣，可以连接于任意两套管之间，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属的，浮鞋一般在套管的最下端，而浮箍一般在浮鞋上端一点，在双级注水泥的时候也会加个浮箍，基本作用就是用来防止注水泥时水泥浆倒返。
05
固井·套管尺寸
套管分类
1.隔水导管(或导管，包括锤打入桩管)
2.表层套管
3.技术套管(中间套管或保护套管)
4.生产套管或尾管。
各种套管作用
1.导管
导管主要用来隔离海水，引导钻头入井和井内泥浆从井口返回泥浆池，封隔海底面以下的疏松易塌地层，用以支承表层、技术和油层套管的重量。
表层套管用来封隔上部不稳定的松软地层和水层及浅层气，安装井口装置以控制井涌井喷，同时支承技术套管和油层套管或尾管的重量。
3.技术套管或中间套管
技术套管主要用来封隔难以控制的复杂地层以保证钻井工作顺利进行下去。
4.生产套管
生产套管主要用来把生产层和其他地层封隔开，把不同压力的油、气、水层封隔开来，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、气和酸化压裂等增产措施的要求。
尾管柱
按功能为为钻井尾管、生产尾管、回接尾管等
1.钻井尾管：
钻井尾管功能相当于技术套管的尾管称为钻井尾管。
2.用钻井尾管的意义
封隔漏失层、高压层等；
节约钻井成本；
满足使用复合钻具要求；
控制套管磨损（满足后期回接）。
3.生产尾管
生产尾管功能相当于生产套管的尾管称为生产尾管。
4.使用生产尾管的意义：
封隔油、气、水层；
满足使用复合油管要求；
5.回接尾管：
回接尾管主要用于修复尾管以上套管，回接套管至井口或回接套管至上层套管内任何深度。
6.常见套管串结构
插入式/内管固井套管串结构常用套管尺寸:30”、20”、13-3/8”；
单级固井套管串结构，常用套管尺寸:13-3/8”、9-5/8”、7”；
双级固井套管串结构，常用套管尺寸:13-3/8”、9-5/8”、7”；
尾管管串结构，常用套管尺寸:13-3/8”、9-5/8”、7”、5”、4-1/2”；
06
固井·固井设备
1、固井设备基本构成
2、其它设备
单撬泵
3、固井泵工作原理
1)基本结构：
固井泵主要包括泵缸、活塞、吸水阀和排水阀等基本部件。
2)工作原理：
吸入过程：当活塞从（左图所示）的极右位置向左移动时，活塞右侧腔室的容积增大，其中压力降低。吸入口的液体就在大气压力和泵缸内压力的压力差作用下，沿吸入管上升，推开吸入阀进入泵缸。此时，排出阀处于关闭状态。
排出过程：活塞在到达终点后，活塞即开始由左向右移动，工作腔室的容积逐渐减小，进入泵缸中的液体受到活塞的挤压，使压力迅速增高推开排出阀，将液体排出。此时，吸入阀处于关闭状态。
3、水泥浆混合装置
4、ADC混合系统
工作原理：
容积缓冲:“蓄水池”作用，平衡平台灰罐输灰的压力和出灰量的波动。
二次气化:气化气通过气化囊的纤维网孔流入罐内水泥，进行第二次气化(第一次在平台灰罐内)，把水泥变成灰气混合物。
气灰分离:灰下沉，气上浮至灰罐顶部，通过罐内排气管和平衡阀排出舷外。
恒压出灰:平衡阀自动调节排气阀的开口大小，使得缓冲罐顶部的压力恒定在6～9PSI。A处的压力＝顶部B处气压(6~9PSI)＋干灰水泥的压力(高度乘密度)。
07
固井·固井工具
水泥头
1)套管水泥头
释放下胶塞时，旋转退出释放下挡销，下胶塞在重力和泵送液体推动下离开下胶塞所在内腔(释放指示销有显示)，并沿套管内壁被驱替至套管浮箍上。放上胶塞时，旋转退出释放上挡销，上胶塞在重力和顶替液的推动下，离开上胶塞所在内腔(释放指示销有显示)，驱替水泥浆并清刮套管内壁直到与下胶塞重合、碰压为止。
2)尾管水泥头
尾管水泥头用于尾管固井。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，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。
胶塞
循环头
循环头用于下套管或尾管中途连接下入套管、顶驱或地面高压管汇上，建立循环的井口工具。
插入接头
插入接头与插入式浮鞋或浮箍配套使用，主要用于大尺寸套管的内管固井作业，有直插式和旋转插入式。
SSR平衡阀
SSR平衡阀与钻杆水泥头配套使用，主要作用是：平衡SSR水下释放系统管内外压差，避免胶塞非正常释放。
08
固井·套管附件
套管附件
引鞋或浮鞋、浮箍;
分级注水泥接箍、旁通塞、旁通塞座、(一级)碰压塞、(二级)开孔塞(开孔弹)、分级箍关闭塞、碰压箍(或橡胶/金属碰压板)、球座;
套管扶正器(刚性/弹性/辊轴)、限位卡箍、水泥伞(或水泥篮);
顶塞(上胶塞)、底塞(下胶塞)、钻杆胶塞和套管胶塞等。
导鞋
导鞋无单流阀、仅起导向作用。
浮鞋与浮箍
浮鞋有带1或2个单流阀，侧边孔、自动灌浆、带划眼、偏心圆形导入头扶正功能的。
浮箍
浮箍有带1或2个单流阀，侧边孔、自动灌浆、插入式带胶塞座、旋转插入密封等。
1)自升式平台内管固井
插入浮鞋
组成:插入浮鞋、或选用插入浮箍，配套应用插入头及钻杆扶正器专用工具。关键:插入头与浮鞋的插座形成密封。适用:30"/20"/13-3/8"套管。
2)半潜式平台内管固井
组成:浮鞋，或选用浮箍+内管柱+套管头密封工具+送入管柱；关键:套管头密封工具适用:适用：30"/20"/13-3/8"套管。
1)防转套管胶塞组套管胶塞: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，防止前置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。底塞座落在浮箍后，胶皮击穿压力400psi左右。
2)水下释放胶塞组-SSR胶塞组
SSR胶塞组主要用于半潜式平台的套管固井，它允许通过钻杆把水泥浆泵送到井内而不需要从钻台到海底全部下入套管。钻杆胶塞通过钻杆水泥头进行投放，可刮去钻杆，内的水泥浆并剪切释放SSR套管胶塞，SSR套管胶塞的作用同前述套管胶塞。
3)尾管胶塞尾管胶塞连接在尾管送入工具中心管下端接箍上，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。尾管胶塞下等顶替水泥浆至球座后碰压。
球座
球座用于液压式尾管悬挂器座挂用，通过投下球，球落在球座上，泥浆泵加压实施尾管悬挂器座挂于上层套管内。
节流浮箍
适用于回接尾管固井，当回接插入密封头插入时，其在压差作用下，允许极小部分流体通过节流阀孔进入管内，有篮球插入头插入座封。
扶正器
套管扶正器有弹性和刚性之分，它们的作用是扶正套管，提高套管在井眼中的剧中度，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、气层、水层及其上下隔层，井径规则处，浮鞋、浮箍的上下，尾管重叠段等位置。
扶正器止动环
如图所示为多种类弄的扶正器止动环。止动环装在套管本体上，限制套管扶正器上下活动，确保关键层位水泥浆封隔质量。
注水泥接箍
1)双级注水泥接箍
双级注水泥接箍有不带封隔器的和带封隔器的两种。双级注水泥工具结构组成如下：关闭挡圈；第一级关闭塞；自由下落式打开塞；第二级锁紧塞；
2)751E分级注水泥接箍双级注水泥接箍可选用胶塞组合：一级旁通塞座、旁通塞、碰压箍或挡板(橡胶或铝合金)、碰压塞。二级:开孔塞(开孔弹)、关闭塞。
水泥伞
水泥伞(或水泥篮)装在多级注水泥接箍下方，防止水泥浆下沉的伞状(或篮状)装置。
刮泥器
刮泥器(井壁抓)，装在套管上用以清除井壁疏松泥饼。
分流接头
分流接头(旋流接头)采用这种工具使水泥浆从底部或侧向孔中流出，可以减小高密度的水泥浆正常与泥浆下沉与泥浆污染而发生“伸长”的危险。
09
固井·固井质量
注水泥质量要求
1、水泥返高、水泥塞长度和人工井底的规定
油气层固井，设计水泥返高应超过油气层顶界150米，实际封过油气层顶部不少于50米。其中要求合格的水泥环段，对于浅于2000米的井不少于10米，深于2000米的井不少于20米。
2、为了保证套管管鞋封固质量，油层套管采用双塞固井时，阻流环距套管鞋长度不少于10米，技术套管(或先期完成井)，一般为20米，套管鞋位置应尽量靠近井底。
3、油气层底界距人工井底(管内水泥面，浮箍位置)不少于15米，主要是为了满足采油方面的需要。
4、其中第二条是为了防止上胶塞下行时所刮下的套管内表面上的液膜浆体污染水泥浆，而影响套管鞋附近的水泥封固质量。
水泥环质量鉴定
1、井温测井
水泥的水化反应是放热反应，其凝结过程中所放出的热量通过套管传给套管内液体，可使井内温度上升一定数值，如6℃~20℃。而环空中没有水泥的井段，井内温度为正常温度。利用这一特性，可以测定水泥浆在环空中的返高位置，即水泥顶部深度。
2、声幅测井(水泥胶结测井)
声幅测井是根据声学原理所进行的测井。在井下，从测井仪声波发射出声波，声波向四周以近似球形的波阵面发散，通过不同的介质和路线后传播到接收器。最先到达接收器的是沿着套管传播的滑行波(叫套管波)所产生的折射波，其次是传到地层后又传播回来的地层波，尽管在钻井液内声波的传播距离最短，但由于在钻井液内声速相对较低，所以钻井液波(泥浆波)到达最迟。声幅测井记录的是最先到达的套管波的首波幅度。
套管波在传播过程中要向套管内和环形空间散失能量，即声幅要衰减(降低)。套管波的衰减程度和套管内外介质性质及期分布有关。因为管内钻井液的分布及性质是不变的，因此向管内散失的能量为恒定值。在此基础上的套管波的衰减程度就将取决于管外水泥与套管的胶结情况。实验证明，在其它条件不变的情况下，套管首波幅度的对数与套管周围水泥未胶结部分所占套管周长的百分数之间存在线性关系，即与套管胶结的水泥越多，所接收的声幅越上，而当管外全为钻井液时，所接收的声幅最大。
由测量线路把所接收的声幅大小转变成与之成比例的电压大小，加以记录。沿井深由下而上进行测试，就可得到一条沿井深反映水泥与套管胶结情况的声幅测井曲线。应用声幅测井曲线检测水泥环质量是通过相对幅度进行的(以环空内全为钻井液的自由套管段的声幅值为基准)。
相对幅度=目的段声幅曲线幅度/自由套管段声幅曲线幅度*100%。