第 7章 固井和完井本章主要内容：
● 井身结构设计
● 套管柱强度设计
● 注水泥工艺技术
● 钻开生产层技术
● 完井方法及井底结构第一节 井身结构设计二、套管柱的类型
1,表层套管
2,生产套管（油层套管）
3,技术套管（中间套管）
4,尾管（衬管）
一,井身结构设计内容
（ 1）套管层次和下入深度
（ 2）套管和井眼尺寸的配合
（ 3）水泥返高三、设计原则第一节 井身结构设计
1,有效地保护油气层；
2,避免漏、喷、塌、卡等井下复杂情况，保证安全、快速钻进；
① 钻下部高压层采用重钻井液所产生的井内压力，不致压裂上部裸露地层；
② 下套管过程中，井内钻井液液柱压力和地层压力间的压差不致于导致压差卡套管事故；
③ 当实际地层压力超过预测值而发生井涌时，裸眼井段应具有压井处理溢流的 能力。
四、设计依据第一节 井身结构设计
1,地层剖面及复杂层位
2,两个压力剖面：地层压力和地层破裂压力
3,工程数据,抽吸压力系数 Sb,0.036 g/cm3 左右激动压力系数 Sg,0.036 g/cm3左右压裂安全系数 Sf,0.036g/cm3左右井 涌 允 量 Sk,0.06 g/cm3左右压 差 允 值 Dp,DPN = 12MPa,
DPA = 16MPa
井涌允量 —— 发生溢流关井后，允许的井口回压在溢流井深处的当量钻井液密度。
五、套管层次和下深的设计计算方法第一节 井身结构设计
1,基本思路依据两个压力剖面，以保证钻进套管以下的井段时的最大井内压力梯度不压裂最薄弱的裸露地层（一般为套管鞋处）为原则
，从全井最大地层压力梯度处开始，由下向上确定套管的层次（
技术套管和表层套管）和各层套管的下入深度。
1.0 1.3 1.6 1.8 当量密度,g/cm3
井深破裂压力地层压力 油 套表 套技 套五、套管层次和下深的设计计算方法第一节 井身结构设计
2,计算方法及步骤 （参考设计举例）
（ 1）计算平衡全井最大地层压力所需钻井液密度：
bm a xpd S
最大地层压力处
（ 2）计算井内最大压力梯度，
确定中间套管下入深度初选点 D21：
gdm a xb S◆ 不会发生溢流：
◆ 可能发生溢流,k
21
m axp
dm a xb SD
D
f21fm a xb S)D( D21
f21fm a xb S)D( D21
D21
五、套管层次和下深的设计计算方法第一节 井身结构设计
2,计算方法及步骤
（ 3）较核下套管到 D21是否被卡：
◆ 求下中间套管井段内的最大静压差
：
◆ 求下中间套管井段（ 0~D21）内最大钻井液密度,bm a xpm a xd S
m i nm i npm a xd3m a x D)(1081.9pD?
◆ 较核是否卡套管：
Nm a x
Nm a x
pp
pp
D?D
D?D,不卡套管,D2 =D21。
,卡套管,求 D2 =？：
22310819 DpDSD Npbpper Δ))([,m i nm i n
最大地层压力处
D21
maxpD D
2
NpD
校核是否发生压差卡尾管，方法同 (3)。
若不卡套管，则：
当,取,；
当,再设计一层尾管。
2131 DD? 213 DD?
2131 DD?
五、套管层次和下深的设计计算方法第一节 井身结构设计
2,计算方法及步骤
（ 4）确定钻井尾管下入深度：
若 D2<D21，则需要下钻井尾管 。
f2fk231b31p S)D(SD
DS)D(
根据压力剖面，试算可得尾管的可下深度 D31。
（ 5）按上述步骤逐层设计其它中间套管柱和表层套管，直到井口。
最大地层压力处
D21
NpD
D2
D31
1,原则：
（ 1）套管能顺利下入井眼内，并具有一定的环空间隙注水泥。固井质量要求最小环空间隙不能小于 9.5 mm（ 3/8 in），最好为 19mm（ 3/4 in)，
且套管直径越大，间隙应越大。
（ 2）钻头能够顺利通过上一层套管。
2,经验配合关系
★ 长期实践形成的经验配合关系（ P 256，图 7-3）
★ 国内常用的配合关系：
(17-?) 13-3/8——(12-?) 9-5/8——(8-?) 5-1/2
（ 36） 30 — （ 26） 20 — （ 17-1/2） 13-3/8— （ 12-1/4） 9-5/8— （ 8-
1/2） 7— （ 6） 4-1/2
六、套管与钻头尺寸的配合第一节 井身结构设计第二节 套管柱强度设计
1,尺寸系列（ API 标准）
4 1/2”,5”,5 1/2”,6 5/8”,7”,7 5/8”,8 5/8”,9 5/8”，
10 3/4“,11 3/4”,13 3/8“,16”,18 5/8“,20”；共 14种
2.钢级（ API 标准）
H-40,J-55,K-55,C-75,L-80,N-80,C-90,C-95,P-110,Q-125。
数字 × 1000为套管的最小屈服强度 kpsi。
3.螺纹类型（ API标准）
短圆（ STC）、长圆（ LTC）、梯形（ BTC）、直连型（ XL）
一、套管和套管柱第二节 套管柱强度设计二、套管柱的受力分析井下套管柱的受力轴向拉力,自重,弯曲应力、注水泥附加拉力、
动 载、摩阻等。
外挤压力,管外液柱压力,地应力等内压力,地层流体压力,压裂及注水等压力。
第二节 套管柱强度设计二、套管柱的受力分析
1,轴向拉力的计算
★ 在常规的套管柱设计中,轴向拉力一般按套管的重力计算
。其它一些轴向载荷，如弯曲应力引起的附加拉力、动载荷、注水泥引起的附加拉力、摩阻力等，一般考虑在安全系数之内。
★ 在定向井、大斜度井、水平井的弯曲井段，要加上弯曲应力引起的附加拉力。
★ 在大斜度井、水平井和大位移井的大斜度井段，要考虑摩擦阻力对轴向拉力的影响。
第二节 套管柱强度设计二、套管柱的受力分析
1,轴向拉力的计算
i
n
i
m
i
n
i
iB
s
d
i
n
i
im
i
n
i
io
Lq
LqK
LqF
LqF
1
1
1
1
1 )(
………………………,（ 7— 7）
…………,（ 7— 8）
★ 套管自重产生的轴向拉力，自下而上逐渐增大，在井口处达到最大。
★ 国内在套管设计中，轴向拉力一般按套管在空气中的重力计算。但在考虑轴向拉力对套管抗挤强度的影响时，按套管的浮重计算。
第二节 套管柱强度设计二、套管柱的受力分析
2,外挤压力的计算在常规的套管柱设计中，套管所承受的外挤压力一般按套管完全掏空时的管外钻井液液柱压力计算。
DP doc?819,? ………………………,（ 7— 10）
套管住所受到的外挤力，在井底最大，在井口处最小。
第二节 套管柱强度设计二、套管柱的受力分析
3,内压力的计算在套管柱设计中，国内外普遍采用以下方法计算套管的内压力：
有效内压力 = 井口压力 + （管内液柱压力 -管外液柱压力）
一般地讲，套管内流体（天然气、油或钻井液）的密度小于或等于套管外流体（钻井液）的密度。因此，套管柱的有效内压力在井口处最大，即 套管的最大有效内压力为井口压力。
井口压力的确定方式有四种：
（ 1）溢流（气侵）关井情况，井口压力等于地层压力。
（ 2）以井口防喷装置的额定工作压力作为井口压力。
（ 3）以套管内完全充满天然气计算井口压力：
（ 4）以套管鞋处的地层破裂压力值确定井口压力：
GD
bi
e
PP
4101155.1
)( ffi GGDP D
第二节 套管柱强度设计三、套管的强度
1,抗拉强度套管受拉应力作用时的破坏形式,1）套管本体被拉断； 2）丝扣滑脱。
圆螺纹套管的丝扣滑脱负荷小于管体的屈服拉断负荷；
梯形螺纹套管和直联型套管的丝扣滑脱负荷大于管体的屈服拉断负荷。
2,抗挤强度套管受外挤压力作用时的破坏形式主要是丧失稳定性，即失圆、挤扁。
套管开始丧失稳定性时的外挤压力值称为其抗挤强度。
3,抗内压强度套管受内压力作用时的破坏形式是爆裂。
使套管爆裂的内压力称为其抗内压强度。
第二节 套管柱强度设计三、套管的强度
4,双向应力作用下套管的强度 —— 双向应力椭圆
（ 1）套管的应力状态套管外力：轴向力和外挤压力（或内压力）
套管内应力：轴向应力,周向应力 和径向应力 。
对薄壁管，,可忽略。则套管受双向应力（,）的作用。
t?z?
tr z? t?
t?
t?
z?
r?
mF
ocPicP
t?
z?
r?
拉伸与外挤 拉伸与内压第二节 套管柱强度设计三、套管的强度
4,双向应力椭圆 —— 双相应力作用下套管的强度
（ 2）双向应力椭圆根据材料力学的第四强度理论，套管在双向应力作用下的强度破坏条件为：
1
2
2
2
222
s
t
s
tz
s
z
stztz
第二节 套管柱强度设计三、套管的强度
4,双向应力椭圆 —— 双相应力作用下套管的强度
,%
s
t
,%
s
z50
50
50
50 100100
100
100
拉伸压缩外挤内涨
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
第二节 套管柱强度设计三、套管的强度
4,双向应力椭圆 —— 双向应力作用下套管的强度
（ 4）双相应作用下套管强度的变化
Ⅰ 象限：轴向拉力和内压力联合作用，轴向拉力使套管抗内压强度升高；
Ⅱ 象限：轴向压力和内压力联合作用，轴向压力使套管抗内压强度降低；
Ⅲ 象限：轴向压力和外挤力联合作用，轴向压力使套管的抗挤强度升高；
Ⅳ 象限：轴向拉力和外挤力联合作用，轴向拉力使套管的抗挤强度降低 。
存在轴向拉力时的套管抗挤强度可按下式计算：
)/..( smccc FFPP 740031 ………….,（ 7— 11）
（一） 设计原则
1.强度原则,在套管柱的任何危险截面上都应满足强度要求：
套管强度 ≥外载 × 安全系数安全系数：
– 抗外挤安全系数 Sc=1.0；
– 抗内压安全系数 Si=1.1；
– 套管抗拉（抗滑扣）安全系数 St=1.8。
2.经济原则,在满足强度条件的前提下，尽可能选用钢级较低或者壁厚较小的套管，以降低成本。
第二节 套管柱强度设计四、套管柱的强度设计第二节 套管柱强度设计四、套管柱的强度设计
（二） 设计方法 —— 等安全系数法
1,方法要点
（ 1）由下而上根据主要作用力分段设计；
（ 2）下部套管柱根据套管的外挤载荷进行设计，对抗拉强度进行校核；上部套管柱则根据套管的轴向拉力进行设计，对抗挤强度进行校核。
（ 3）各 危险截面 上的最小安全系数（套管强度与套管受力的比值）等于规定的同一个安全系数。
（ 4）当按抗挤设计的套管柱超过水泥面时，
要考虑 下部套管柱的浮重 对抗挤强度的影响，
按双向应力进行设计或校核。 1
2
3
4
5
设计危险截面水泥面抗拉与抗挤设计转换截面
ST≈1.8
（ 1） 计算最大内压力,筛选符合抗内压要求的套管抗内压强度 ≥ Pimax× Si =38.5 MPa
套管系列,J-55,K-55,C-75,L-80,N-80,C-90,C-95,P-110
筛选结果,N-80,P-110
第二节 套管柱强度设计四、套管柱的强度设计
（二） 设计方法 —— 等安全系数法
2,设计计算步骤例：某井 177.8mm（ 7英寸 ） 油层套管下至 3500m,下套管时的钻井液密度为 1.30g/cm3,水泥返至 2800m,预计井内最大内压力 35MPa,试设计该套管柱 （ 规定最小段长 500m） 。 规定的安全系数,Sc=1.0,Si=1.1,St=1.8。
第二节 套管柱强度设计四、套管柱的强度设计
（二） 设计方法 —— 等安全系数法
2,设计计算步骤
（ 2）计算全井最大外挤载荷，选择第一段套管。
M P aSpp
M P aDp
cocc
doc
63544
6 3 544819
11
11
.
..
查表选套管
N-80,t1=10.36 mm，
q1=0.4234kN/m,pc1=48.401MPa，
Fs1=3007 kN,Fst1= 2611.1 kN。
1
水泥面
2800米
08.15.4 46 35/48401ppS 1oc1cc
第二节 套管柱强度设计四、套管柱的强度设计
（二） 设计方法 —— 等安全系数法
2,设计计算步骤
1
水泥面
2800米
（ 3）选择强度低一级（减小壁后或钢级）的套管作为第二段套管，确定其可下深度 和第一段套管使用长度 。
2D
1L
D2
L1
查表选第二段套管：
N-80,t2=9.19 mm,q2=0.3795kN/m，
pc2=37.301MPa,Fs2=2686.7kN,Fst2=2308.6kN
计算第二段套管可下深度 D2,确定第一段套管长度 L1：
m600290035002D1D1L
m2 90 02Dm292 5
S81.9
p
2D
cd
2c
,取
2
1
水泥面
2800米 D2
L1
第二节 套管柱强度设计四、套管柱的强度设计
（二） 设计方法 —— 等安全系数法
2,设计计算步骤
（ 4）考虑轴向拉力对抗挤强度的影响，校核第二段套管在水泥面处的抗挤强度。
，不安全1990
49235740031
0910
22432 8 00
83301
280031819
35 4 92
22
72686
22 4 3
2211
2 8 00
2
2
.
.)..(
.
.)(
.
..
.
.
oc
cc
s
m
s
m
s
d
p
p
c
F
F
ccc
F
F
Bm
B
S
MPapp
kNDqLqKF
K
2
第二节 套管柱强度设计四、套管柱的强度设计
（二） 设计方法 —— 等安全系数法
2,设计计算步骤
1
水泥面
2800米
D2
L1800
2
（ 5）当套管 2在水泥面处不满足抗挤强度要求时，则将其下的高一级强度的套管 1向上延伸，延伸的高度 由套管 2在双向应力下的可下深度 D2确定。
1L
211
22
1122
819
10740031
DDL
PSD
FLqPp
cccd
ssdccc
.
]/)/(..[
计算结果,D2=2700m,L1=800m。
第二节 套管柱强度设计四、套管柱的强度设计
（二） 设计方法 —— 等安全系数法
2,设计计算步骤
（ 6）校核第一段套管顶部的抗拉强度和水泥面处的抗挤强度。
1
水泥面
2800米
D2
2
8.185.7S 8004234.0 1.2611FFt 01 1st
0.129.1p pS
2800oc
1cc
1c
L1800
第二节 套管柱强度设计四、套管柱的强度设计
（ 7）选择强度再低一级的套管 3，按双向应力下的抗挤强度计算套管 3的可下深度,确定第二段套管的使用长度,并校核套管 2顶部的抗拉强度。
2L
3D
（二） 设计方法 —— 等安全系数法
2,设计计算步骤
1
水泥面
2800米
D2
2
3
D3
)]()[/(
]..[
.
232112
3233
33
1
0740031
819
DDqLqF
FFpp
SDp
sdm
smccc
cdcc
查表选套管,N-80,t3=8.05 mm，
q3=0.3358kN/m,pc3=26407kPa,Fs3=2366.5 kN，
Fst3= 1966.1 kN 。
计算结果,D3=1700m,L2=1000m,8.12.3F/FS 022st2t
L21000
L1800
（ 8）转为按抗拉设计上部各段套管当按抗挤设计的套管 (3)顶截面的抗拉安全系数 接近规定值（ 1.8），则应按抗拉强度设计以上各段套管。 t
S
1
水泥面
2800米
D2
2
3
D3
D4
第二节 套管柱强度设计四、套管柱的强度设计
（二） 设计方法 —— 等安全系数法
2,设计计算步骤
★ 按抗拉强度确定过渡段套管 3的许用长度,
mL
S
q
F
tLqF
F
tS
stF
st
1 11 7
3 35 7.0
718
3
8.1
1.1966
3
02
3
3302
3
实取,L3=1100m
L31100
L21000
L1800
1
水泥面
2800米
D2
2
3
D3
D4
第二节 套管柱强度设计四、套管柱的强度设计
（二） 设计方法 —— 等安全系数法
2,设计计算步骤
（ 9）选择抗拉强度高一级的套管为第四段套管，
确定其使用长度 L4。
查表选择比抗拉强度高一级的套管：
N-80,t4=9.19 mm,q4=0.3795kN/m，
pc4=37301kPa,Fs4=2686.7kN,Fst4=2308.6kN
计算第四段套管的许用长度：
由于距井口不到 500m，故换用强度更高一级的套管。
m3.5 1 5L 3795.0 1087q
F
4
8.1
6.2 3 08
4
03tS
4stF
L4
L31100
L21000
L1800
1
水泥面
2800米
D2
2
3
D3
D4
第二节 套管柱强度设计四、套管柱的强度设计
（二） 设计方法 —— 等安全系数法
2,设计计算步骤
（ 9）选择抗拉强度高一级的套管为第四段套管，
确定其使用长度 L4。
查表选择抗拉强度高一级的套管：
N-80,t4=10.36 mm,q4=0.4234kN/m，
pc4=48401kPa,Fs4=3007 Kn,Fst4= 2611.1 kN 。
计算第四段套管的许用长度：
实际距井口 600m，故取 L4 = 600m 。
m7.858L 4234.0 1 08 7q
F
4
8.1
1.2 6 11
4
03tS
4stF
L4600
L31100
L21000
L1800
下深 （ m ） 段长 （ m ） 钢级 壁厚 （ mm ） St Sc
0 ～ 600 600 N - 8 0 10.36 1.94
600 ～ 1700 1100 N - 8 0 8.05 1.81 4.82
1700 ～ 2700 1000 N - 8 0 9.19 3.2 1.02
2700 ～ 3500 800 N - 8 0 10.36 7.85 1.08
（ 10）设计结果列表第二节 套管柱强度设计四、套管柱的强度设计
（二） 设计方法 —— 等安全系数法
2,设计计算步骤第三节 油井水泥及注水泥一、油井水泥
（一）油井水泥的主要成分
（ 1）硅酸三钙（ 3CaO·SiO2)，简称 C3S,40~65%
（ 2）硅酸二钙（ 2CaO·SiO2)，简称 C2S,24~30%
（ 3）铝酸三钙（ 3CaO·Al2O3)，简称 C3A,2~15%
（ 4）铁铝酸四钙（ 4CaO·Al2O3 ·Fe2O3)，简称 C4AF,8~12%
低中小大小中慢快较快中大小小大小大小
C3S
C2S
C3A
C4AF
抗硫酸盐收缩性水化速度长期强度早期强度矿物成分矿物成分对水泥性能的影响第三节 油井水泥及注水泥
（二）油井水泥的类型
1,API 标准分类使用温度范围,℃
使用深度范围
m
超高温用，普通型●49 ~1603660 ~ 4880J
●●H 基本水泥，分中、高抗硫酸盐型
●●0 ~ 930 ~ 2440G
基本水泥加缓凝剂，超高压、高温用●●110 ~
1603050 ~ 4880F
基本水泥加缓凝剂，高温高压用●●76 ~ 1433050 ~ 4270E
用于中温中压条件，中、高硫酸盐型●●76 ~ 1271830 ~ 3050D
早强水泥，普通和中、高抗硫酸言型●●C
中热水泥，中、高抗硫酸盐型●●B
普通水泥●
≤76.70 ~ 1830
A
高中抗硫酸盐普通 说 明类 型级别一、油井水泥第三节 油井水泥及注水泥
（二）油井水泥的类型
2,国产油井水泥分类
45℃ 水泥：用于表层或浅层，深度小于 1500米；
75 ℃ 水泥：用于井深 1500~3200米。超过 3500米，应加入缓凝剂。超过
110 ℃,应加入不少于 28%的硅粉。
95 ℃ 水泥：用于井深 2500~3500米。超过 110 ℃,加入 28%以上的硅粉。
120 ℃ 水泥：用于井深 3500~5000米。当用于 4500~5000米时，应加入缓凝剂及降失水剂。
一、油井水泥第三节 油井水泥及注水泥
（三）油井水泥的水化作用
1,水泥的水化反应
3CaO·SiO2＋ 2H2O?2CaO·SiO2·H2O十 Ca(OH)2
2CaO·SiO2＋ H2O?2CaO·SiO2·H2O
3CaO·Al2O3＋ 6H2O?3CaO·Al2O3·6H2O
4CaO·Al2O3 ·Fe2O3＋ 6H2O?3CaO·Al2O3·6H2O＋ CaO·Fe2O3·H 2O
2,水泥的硬化过程
（ 1）胶溶期,水泥与水混合成胶体悬浮液，开始发生水化反应，水化产物的浓度开始增加，达到饱和状态时部分水化物以胶态或微晶体析出，形成胶溶体系。此时水泥浆仍有流动性。
（ 2）凝结期,水化反应由水泥颗粒表面向内部深入，溶胶粒子及微晶体大量增加，晶体开始互相连接，逐渐絮凝成凝胶体系。水泥浆变稠，直到失去流动性。
（ 3）硬化期,水化物形成晶体状态，互相紧密连接成一个整体，强度增加，硬化成为 水泥石 （水泥胶微晶 + 氢氧化钙晶体 + 未水化水泥颗粒）。
一、油井水泥
1,水泥浆性能
（ 1）水泥浆密度
（ 2）水泥浆的稠化时间
● 油井水泥在规定的压力和温度下,从开始混拌到水泥浆稠度达到 100个稠度单位 （ BC,伯登,用高温高压稠化仪测得 ） 所用的时间 。
（ 3）水泥浆的失水
（ 4）水泥浆的凝结时间
●水泥浆凝固成具有一定强度的水泥时所需要的时间。
（ 5）水泥石强度
（ 6）水泥石抗蚀性第三节 油井水泥及注水泥二、水泥浆性能及外加剂
（ 1）加重剂,重晶石、赤铁粉等。可使水泥浆密度达到 2.3 g／ cm3。
（ 2） 减轻剂,硅藻土,粘土粉,沥青粉,玻璃微珠,火山灰等 。
（ 3） 缓凝剂,丹宁酸钠,酒石酸,硼酸,铁铬木质素磺酸盐,羧甲基羟乙基纤维素等 。
（ 4） 促凝剂,氯化钙,硅酸钠,氯化钾等 。
（ 5） 减阻剂,b— 奈磺酸甲醛的缩合物,铁铬木质素磺酸盐,木质素磺化钠等 。
（ 6） 降失水剂,羧甲基羟乙基纤维素,丙烯酸胺,粘土等 。
（ 7） 防漏失剂,沥青粒,纤维材料等 。
第三节 油井水泥及注水泥
2,水泥外加剂二、水泥浆性能及外加剂第三节 油井水泥及注水泥三、注水泥工艺技术
1,注水泥工艺打前置液 注水泥浆 顶胶塞 替钻井液 碰 压
2,注水泥基本要求
（ 1）水泥返高和套管内水泥塞高度必须符合设计要求。
（ 2）注水泥井段环空内的钻井液应顶替干净，无窜槽现象存在。
（ 3）水泥石与套管及井壁岩石胶结良好。
（ 4）水泥凝固后管外不冒油、气、水，不互窜。
（ 5）水泥石能经受油、气、水长期的侵蚀。
3,在固井中常出现的固井质量问题
– 井口有冒油,气,水的现象 。
– 不能有效地封隔不同压力层位,开采时各种压力互窜 。
– 套管挤扁或破裂 。
引起上述质量问题的主要原因：
1） 顶替效率不高,存在窜槽现象；
2） 水泥浆候凝过程中,油,气,水上窜 。
第三节 油井水泥及注水泥三、注水泥工艺技术
4,提高顶替效率，防止窜槽
★ 顶替效率：
★ 窜槽 —— 由于水泥浆没有将环空中的钻井液完全替走,
使环形空间局部出现未被水泥浆封固住的这种现象 。
★ 形成窜槽的原因：
1） 套管不居中；
2） 井眼不规则；
3） 水泥浆性能及顶替措施不当 。
第三节 油井水泥及注水泥环形空间截面积环形水泥浆面积注水泥段任一截面：
环形空间体积环形水泥浆体积注水泥井段：
三、注水泥工艺技术第三节 油井水泥及注水泥
4,提高顶替效率，防止窜槽
★ 提高顶替效率的措施
1）采用套管扶正器，改善套管居中条件；
2）注水泥过程中活动套管；
3）调节注水泥速度，使水泥浆在环空呈紊流或塞流状态；
4）调整水泥浆性能。加大钻井液与水泥浆的密度差；降低钻井液粘度和切力；
5）采用优质前置液体系（冲洗液和隔离液）。
三、注水泥工艺技术
（ 1）引起油气水上窜的原因：
1） 水泥浆失重
2）桥堵
3）水泥体积收缩
4）套管内放压，使套管收缩
5）泥饼的存在
（ 2）防止油气水上窜的措施
① 采用多级注水泥或两种凝速（上慢下快）的水泥；
② 注完水泥后及时使套管内卸压，并在环空加回压；
③ 使用膨胀性水泥，防止水泥收缩；
④ 使用刮泥器，清除井壁泥饼。
第三节 油井水泥及注水泥三、注水泥技术
5,防止在水泥浆凝结过程中油、气、水上窜第四节 完井技术
● 完井工程包括的内容：
（ 1）钻开生产层：钻井完井液设计、平衡压力钻井
（ 2）完井井底结构设计和完井方法选择
（ 3）安装井底：包括下套管固井或下入筛管、割缝衬管
（ 4） 连通井眼与产层（射孔、裸眼等）
（ 5）防砂措施
（ 6）安装井口，完井测试一、概述
● 完井,从钻开生产层、下油层套管、注水泥固井、射孔到试采等一系列生产过程的总称。
● 完井工程的原则和要求：
（ 1）有效地保护油气层，尽量减轻或避免对产层的污染。
（ 2）建立产层与井眼之间的良好通道，使油气流入井阻力最小，提高产能。
（ 3）有效地封隔油、气、水层和不同压力的地层，防止层间干扰。
（ 4） 有效地控制油层出砂,防止井壁坍塌,确保油气井长期稳产 。
（ 5） 井底结构能够满足开采,注水,井下作业等工艺要求 。
（ 6） 工艺简单,成本低 。
第四节 完井技术二、钻开储集层
1,钻井作业对储集层性质的影响
（ 1）压差的影响正压差使钻井液中的液相和固相侵入储层孔隙或裂缝，污染储集层。
1）水侵使储集层中的粘土成分膨胀，使孔隙度减小，渗透率降低；
2）水侵破坏孔隙内油流的连续性，增加油流阻力；
3）水侵产生 水锁效应,增加油流阻力；
4）泥侵堵塞储集层孔隙通道。
（ 2）化学物质不配伍的影响产生化学反应，生成沉淀物堵塞孔隙；
腐蚀岩石，破坏岩石的胶结，使岩石坍塌或膨胀，使岩石渗透率降低。
（ 3）浓度差的影响钻井液和地层流体中的化学物质的浓度差，引起化学物质的扩散现象。
2,对钻开储集层的技术要求
1） 有效地控制油气层压力,安全钻开储集层；
2） 有效地保护油气层,防止钻井液的污染 。
第四节 完井技术二、钻开储集层
1,钻井作业对储集层性质的影响
（ 4）应力状态变化的影响钻开储集层形成井眼，井壁周围岩石的应力状态发生变化，引起岩石的变形，使岩石的孔隙度和渗透率降低。
3,钻开储集层时防止污染的方法
（ 1） 选用与储集层配伍的合理钻井液体系；
（ 2） 平衡压力钻井或欠平衡压力钻井
（ 3） 采用良好的井身结构,减少储集层浸泡时间
（ 4） 采用屏蔽暂堵等保护油气层技术第四节 完井技术三、完井井底结构和完井方法
（一）裸眼完井法第四节 完井技术三、完井井底结构和完井方法
1.先期裸眼完井的 优点
（ 1） 产层完全裸漏,渗流面积最大
,油气流入井阻力最小,产能最高 。 这种井称为水动力学完善井 。
（ 2） 排除了上部地层干扰,可采用与产层配伍的完井液,也可采用平衡压力,欠平衡压力钻井方法打开油气层,
产层污染轻 。
（ 3） 打开储集层遇到复杂情况,可及时将钻具体到套管内进行处理 。
（ 4） 缩短了钻井液的浸泡时间 。
（ 5） 消除了高压油气对固井质量的影响 。 避免了固井作业对产层的污染 。 先期裸眼完井 后期裸眼完井
2.先期裸眼完井的 缺点
（ 1） 不能防止井壁坍塌和油层出砂 。
（ 2） 不能克服不同性质地层的相互干扰 。
（ 3） 无法进行选择性酸化,压裂,分层开采,分层注水等作业 。
（ 4） 固井时尚未掌握产层的真实资料,容易给下一步的作业造成被动
。
3,适用条件
（ 1） 岩性坚硬,不易坍塌的碳酸盐或砂岩储层,无底水,无气顶的单一厚储层或者压力,性质基本一致的多层储层；不准备实施分层作业 。
（ 2） 不能下套固井的特殊井完井 （ 欠平衡井,水平井等 ） 。
（一）裸眼完井法第四节 完井技术三、完井井底结构和完井方法
（二）射孔完井法 — 应用最广泛的方法三、完井井底结构和完井方法第四节 完井技术
● 主要优点：
（ 1）能有效地封固疏松易塌的生产层。
（ 2）能够分隔不同压力和不同特点的油气层，可进行分层开采和作业。
（ 3）可进行无油管完井和多油管完井。
（ 4）可避开气顶、底水和夹层。
● 主要缺点：
（ 1）打开生产层和固井的过程中，钻井液和水泥浆对生产层的侵害较严重。
（ 2）由于射孔数目、孔径、孔深有限，油气层与井眼连通面积小，油气入井阻力较大。
● 使用条件适用于各种产层。
（二）射孔完井法三、完井井底结构和完井方法第四节 完井技术
（三）防砂完井法三、完井井底结构和完井方法第四节 完井技术
1,砾石充填完井
★ 裸眼砾石充填
★ 套管内砾石充填砾石直径：砂粒中径的 6~8倍。
砂粒中径是指对砂粒进行筛分后，
累计重量为 50%的砂粒对应的直径
。
筛管类型：绕丝、割缝、多孔材料烧结。
（三）防砂完井法三、完井井底结构和完井方法第四节 完井技术
2,衬管或筛管完井
（三）防砂完井法三、完井井底结构和完井方法第四节 完井技术
3,渗透性人工井壁完井渗透性可凝固材料：
胶结剂 +增孔剂 +支撑剂水 泥酚醛树脂石英砂核桃壳轻质油
1 —— 油管悬挂器；
2 —— 油管头；
3 —— 油管；
4 —— 套管悬挂器；
5 —— 套管头；
6 —— 油层套管；
7 —— 技术套管；
8 —— 密封圈；
9 —— 套管悬挂器；
10—— 套管头；
11—— 表层套管 。
四、完井井口装置第四节 完井技术
● 井身结构设计
● 套管柱强度设计
● 注水泥工艺技术
● 钻开生产层技术
● 完井方法及井底结构第一节 井身结构设计二、套管柱的类型
1,表层套管
2,生产套管（油层套管）
3,技术套管（中间套管）
4,尾管（衬管）
一,井身结构设计内容
（ 1）套管层次和下入深度
（ 2）套管和井眼尺寸的配合
（ 3）水泥返高三、设计原则第一节 井身结构设计
1,有效地保护油气层；
2,避免漏、喷、塌、卡等井下复杂情况，保证安全、快速钻进；
① 钻下部高压层采用重钻井液所产生的井内压力，不致压裂上部裸露地层；
② 下套管过程中，井内钻井液液柱压力和地层压力间的压差不致于导致压差卡套管事故；
③ 当实际地层压力超过预测值而发生井涌时，裸眼井段应具有压井处理溢流的 能力。
四、设计依据第一节 井身结构设计
1,地层剖面及复杂层位
2,两个压力剖面：地层压力和地层破裂压力
3,工程数据,抽吸压力系数 Sb,0.036 g/cm3 左右激动压力系数 Sg,0.036 g/cm3左右压裂安全系数 Sf,0.036g/cm3左右井 涌 允 量 Sk,0.06 g/cm3左右压 差 允 值 Dp,DPN = 12MPa,
DPA = 16MPa
井涌允量 —— 发生溢流关井后，允许的井口回压在溢流井深处的当量钻井液密度。
五、套管层次和下深的设计计算方法第一节 井身结构设计
1,基本思路依据两个压力剖面，以保证钻进套管以下的井段时的最大井内压力梯度不压裂最薄弱的裸露地层（一般为套管鞋处）为原则
，从全井最大地层压力梯度处开始，由下向上确定套管的层次（
技术套管和表层套管）和各层套管的下入深度。
1.0 1.3 1.6 1.8 当量密度,g/cm3
井深破裂压力地层压力 油 套表 套技 套五、套管层次和下深的设计计算方法第一节 井身结构设计
2,计算方法及步骤 （参考设计举例）
（ 1）计算平衡全井最大地层压力所需钻井液密度：
bm a xpd S
最大地层压力处
（ 2）计算井内最大压力梯度，
确定中间套管下入深度初选点 D21：
gdm a xb S◆ 不会发生溢流：
◆ 可能发生溢流,k
21
m axp
dm a xb SD
D
f21fm a xb S)D( D21
f21fm a xb S)D( D21
D21
五、套管层次和下深的设计计算方法第一节 井身结构设计
2,计算方法及步骤
（ 3）较核下套管到 D21是否被卡：
◆ 求下中间套管井段内的最大静压差
：
◆ 求下中间套管井段（ 0~D21）内最大钻井液密度,bm a xpm a xd S
m i nm i npm a xd3m a x D)(1081.9pD?
◆ 较核是否卡套管：
Nm a x
Nm a x
pp
pp
D?D
D?D,不卡套管,D2 =D21。
,卡套管,求 D2 =？：
22310819 DpDSD Npbpper Δ))([,m i nm i n
最大地层压力处
D21
maxpD D
2
NpD
校核是否发生压差卡尾管，方法同 (3)。
若不卡套管，则：
当,取,；
当,再设计一层尾管。
2131 DD? 213 DD?
2131 DD?
五、套管层次和下深的设计计算方法第一节 井身结构设计
2,计算方法及步骤
（ 4）确定钻井尾管下入深度：
若 D2<D21，则需要下钻井尾管 。
f2fk231b31p S)D(SD
DS)D(
根据压力剖面，试算可得尾管的可下深度 D31。
（ 5）按上述步骤逐层设计其它中间套管柱和表层套管，直到井口。
最大地层压力处
D21
NpD
D2
D31
1,原则：
（ 1）套管能顺利下入井眼内，并具有一定的环空间隙注水泥。固井质量要求最小环空间隙不能小于 9.5 mm（ 3/8 in），最好为 19mm（ 3/4 in)，
且套管直径越大，间隙应越大。
（ 2）钻头能够顺利通过上一层套管。
2,经验配合关系
★ 长期实践形成的经验配合关系（ P 256，图 7-3）
★ 国内常用的配合关系：
(17-?) 13-3/8——(12-?) 9-5/8——(8-?) 5-1/2
（ 36） 30 — （ 26） 20 — （ 17-1/2） 13-3/8— （ 12-1/4） 9-5/8— （ 8-
1/2） 7— （ 6） 4-1/2
六、套管与钻头尺寸的配合第一节 井身结构设计第二节 套管柱强度设计
1,尺寸系列（ API 标准）
4 1/2”,5”,5 1/2”,6 5/8”,7”,7 5/8”,8 5/8”,9 5/8”，
10 3/4“,11 3/4”,13 3/8“,16”,18 5/8“,20”；共 14种
2.钢级（ API 标准）
H-40,J-55,K-55,C-75,L-80,N-80,C-90,C-95,P-110,Q-125。
数字 × 1000为套管的最小屈服强度 kpsi。
3.螺纹类型（ API标准）
短圆（ STC）、长圆（ LTC）、梯形（ BTC）、直连型（ XL）
一、套管和套管柱第二节 套管柱强度设计二、套管柱的受力分析井下套管柱的受力轴向拉力,自重,弯曲应力、注水泥附加拉力、
动 载、摩阻等。
外挤压力,管外液柱压力,地应力等内压力,地层流体压力,压裂及注水等压力。
第二节 套管柱强度设计二、套管柱的受力分析
1,轴向拉力的计算
★ 在常规的套管柱设计中,轴向拉力一般按套管的重力计算
。其它一些轴向载荷，如弯曲应力引起的附加拉力、动载荷、注水泥引起的附加拉力、摩阻力等，一般考虑在安全系数之内。
★ 在定向井、大斜度井、水平井的弯曲井段，要加上弯曲应力引起的附加拉力。
★ 在大斜度井、水平井和大位移井的大斜度井段，要考虑摩擦阻力对轴向拉力的影响。
第二节 套管柱强度设计二、套管柱的受力分析
1,轴向拉力的计算
i
n
i
m
i
n
i
iB
s
d
i
n
i
im
i
n
i
io
Lq
LqK
LqF
LqF
1
1
1
1
1 )(
………………………,（ 7— 7）
…………,（ 7— 8）
★ 套管自重产生的轴向拉力，自下而上逐渐增大，在井口处达到最大。
★ 国内在套管设计中，轴向拉力一般按套管在空气中的重力计算。但在考虑轴向拉力对套管抗挤强度的影响时，按套管的浮重计算。
第二节 套管柱强度设计二、套管柱的受力分析
2,外挤压力的计算在常规的套管柱设计中，套管所承受的外挤压力一般按套管完全掏空时的管外钻井液液柱压力计算。
DP doc?819,? ………………………,（ 7— 10）
套管住所受到的外挤力，在井底最大，在井口处最小。
第二节 套管柱强度设计二、套管柱的受力分析
3,内压力的计算在套管柱设计中，国内外普遍采用以下方法计算套管的内压力：
有效内压力 = 井口压力 + （管内液柱压力 -管外液柱压力）
一般地讲，套管内流体（天然气、油或钻井液）的密度小于或等于套管外流体（钻井液）的密度。因此，套管柱的有效内压力在井口处最大，即 套管的最大有效内压力为井口压力。
井口压力的确定方式有四种：
（ 1）溢流（气侵）关井情况，井口压力等于地层压力。
（ 2）以井口防喷装置的额定工作压力作为井口压力。
（ 3）以套管内完全充满天然气计算井口压力：
（ 4）以套管鞋处的地层破裂压力值确定井口压力：
GD
bi
e
PP
4101155.1
)( ffi GGDP D
第二节 套管柱强度设计三、套管的强度
1,抗拉强度套管受拉应力作用时的破坏形式,1）套管本体被拉断； 2）丝扣滑脱。
圆螺纹套管的丝扣滑脱负荷小于管体的屈服拉断负荷；
梯形螺纹套管和直联型套管的丝扣滑脱负荷大于管体的屈服拉断负荷。
2,抗挤强度套管受外挤压力作用时的破坏形式主要是丧失稳定性，即失圆、挤扁。
套管开始丧失稳定性时的外挤压力值称为其抗挤强度。
3,抗内压强度套管受内压力作用时的破坏形式是爆裂。
使套管爆裂的内压力称为其抗内压强度。
第二节 套管柱强度设计三、套管的强度
4,双向应力作用下套管的强度 —— 双向应力椭圆
（ 1）套管的应力状态套管外力：轴向力和外挤压力（或内压力）
套管内应力：轴向应力,周向应力 和径向应力 。
对薄壁管，,可忽略。则套管受双向应力（,）的作用。
t?z?
tr z? t?
t?
t?
z?
r?
mF
ocPicP
t?
z?
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拉伸与外挤 拉伸与内压第二节 套管柱强度设计三、套管的强度
4,双向应力椭圆 —— 双相应力作用下套管的强度
（ 2）双向应力椭圆根据材料力学的第四强度理论，套管在双向应力作用下的强度破坏条件为：
1
2
2
2
222
s
t
s
tz
s
z
stztz
第二节 套管柱强度设计三、套管的强度
4,双向应力椭圆 —— 双相应力作用下套管的强度
,%
s
t
,%
s
z50
50
50
50 100100
100
100
拉伸压缩外挤内涨
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
第二节 套管柱强度设计三、套管的强度
4,双向应力椭圆 —— 双向应力作用下套管的强度
（ 4）双相应作用下套管强度的变化
Ⅰ 象限：轴向拉力和内压力联合作用，轴向拉力使套管抗内压强度升高；
Ⅱ 象限：轴向压力和内压力联合作用，轴向压力使套管抗内压强度降低；
Ⅲ 象限：轴向压力和外挤力联合作用，轴向压力使套管的抗挤强度升高；
Ⅳ 象限：轴向拉力和外挤力联合作用，轴向拉力使套管的抗挤强度降低 。
存在轴向拉力时的套管抗挤强度可按下式计算：
)/..( smccc FFPP 740031 ………….,（ 7— 11）
（一） 设计原则
1.强度原则,在套管柱的任何危险截面上都应满足强度要求：
套管强度 ≥外载 × 安全系数安全系数：
– 抗外挤安全系数 Sc=1.0；
– 抗内压安全系数 Si=1.1；
– 套管抗拉（抗滑扣）安全系数 St=1.8。
2.经济原则,在满足强度条件的前提下，尽可能选用钢级较低或者壁厚较小的套管，以降低成本。
第二节 套管柱强度设计四、套管柱的强度设计第二节 套管柱强度设计四、套管柱的强度设计
（二） 设计方法 —— 等安全系数法
1,方法要点
（ 1）由下而上根据主要作用力分段设计；
（ 2）下部套管柱根据套管的外挤载荷进行设计，对抗拉强度进行校核；上部套管柱则根据套管的轴向拉力进行设计，对抗挤强度进行校核。
（ 3）各 危险截面 上的最小安全系数（套管强度与套管受力的比值）等于规定的同一个安全系数。
（ 4）当按抗挤设计的套管柱超过水泥面时，
要考虑 下部套管柱的浮重 对抗挤强度的影响，
按双向应力进行设计或校核。 1
2
3
4
5
设计危险截面水泥面抗拉与抗挤设计转换截面
ST≈1.8
（ 1） 计算最大内压力,筛选符合抗内压要求的套管抗内压强度 ≥ Pimax× Si =38.5 MPa
套管系列,J-55,K-55,C-75,L-80,N-80,C-90,C-95,P-110
筛选结果,N-80,P-110
第二节 套管柱强度设计四、套管柱的强度设计
（二） 设计方法 —— 等安全系数法
2,设计计算步骤例：某井 177.8mm（ 7英寸 ） 油层套管下至 3500m,下套管时的钻井液密度为 1.30g/cm3,水泥返至 2800m,预计井内最大内压力 35MPa,试设计该套管柱 （ 规定最小段长 500m） 。 规定的安全系数,Sc=1.0,Si=1.1,St=1.8。
第二节 套管柱强度设计四、套管柱的强度设计
（二） 设计方法 —— 等安全系数法
2,设计计算步骤
（ 2）计算全井最大外挤载荷，选择第一段套管。
M P aSpp
M P aDp
cocc
doc
63544
6 3 544819
11
11
.
..
查表选套管
N-80,t1=10.36 mm，
q1=0.4234kN/m,pc1=48.401MPa，
Fs1=3007 kN,Fst1= 2611.1 kN。
1
水泥面
2800米
08.15.4 46 35/48401ppS 1oc1cc
第二节 套管柱强度设计四、套管柱的强度设计
（二） 设计方法 —— 等安全系数法
2,设计计算步骤
1
水泥面
2800米
（ 3）选择强度低一级（减小壁后或钢级）的套管作为第二段套管，确定其可下深度 和第一段套管使用长度 。
2D
1L
D2
L1
查表选第二段套管：
N-80,t2=9.19 mm,q2=0.3795kN/m，
pc2=37.301MPa,Fs2=2686.7kN,Fst2=2308.6kN
计算第二段套管可下深度 D2,确定第一段套管长度 L1：
m600290035002D1D1L
m2 90 02Dm292 5
S81.9
p
2D
cd
2c
,取
2
1
水泥面
2800米 D2
L1
第二节 套管柱强度设计四、套管柱的强度设计
（二） 设计方法 —— 等安全系数法
2,设计计算步骤
（ 4）考虑轴向拉力对抗挤强度的影响，校核第二段套管在水泥面处的抗挤强度。
，不安全1990
49235740031
0910
22432 8 00
83301
280031819
35 4 92
22
72686
22 4 3
2211
2 8 00
2
2
.
.)..(
.
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.
oc
cc
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m
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m
s
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p
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c
F
F
ccc
F
F
Bm
B
S
MPapp
kNDqLqKF
K
2
第二节 套管柱强度设计四、套管柱的强度设计
（二） 设计方法 —— 等安全系数法
2,设计计算步骤
1
水泥面
2800米
D2
L1800
2
（ 5）当套管 2在水泥面处不满足抗挤强度要求时，则将其下的高一级强度的套管 1向上延伸，延伸的高度 由套管 2在双向应力下的可下深度 D2确定。
1L
211
22
1122
819
10740031
DDL
PSD
FLqPp
cccd
ssdccc
.
]/)/(..[
计算结果,D2=2700m,L1=800m。
第二节 套管柱强度设计四、套管柱的强度设计
（二） 设计方法 —— 等安全系数法
2,设计计算步骤
（ 6）校核第一段套管顶部的抗拉强度和水泥面处的抗挤强度。
1
水泥面
2800米
D2
2
8.185.7S 8004234.0 1.2611FFt 01 1st
0.129.1p pS
2800oc
1cc
1c
L1800
第二节 套管柱强度设计四、套管柱的强度设计
（ 7）选择强度再低一级的套管 3，按双向应力下的抗挤强度计算套管 3的可下深度,确定第二段套管的使用长度,并校核套管 2顶部的抗拉强度。
2L
3D
（二） 设计方法 —— 等安全系数法
2,设计计算步骤
1
水泥面
2800米
D2
2
3
D3
)]()[/(
]..[
.
232112
3233
33
1
0740031
819
DDqLqF
FFpp
SDp
sdm
smccc
cdcc
查表选套管,N-80,t3=8.05 mm，
q3=0.3358kN/m,pc3=26407kPa,Fs3=2366.5 kN，
Fst3= 1966.1 kN 。
计算结果,D3=1700m,L2=1000m,8.12.3F/FS 022st2t
L21000
L1800
（ 8）转为按抗拉设计上部各段套管当按抗挤设计的套管 (3)顶截面的抗拉安全系数 接近规定值（ 1.8），则应按抗拉强度设计以上各段套管。 t
S
1
水泥面
2800米
D2
2
3
D3
D4
第二节 套管柱强度设计四、套管柱的强度设计
（二） 设计方法 —— 等安全系数法
2,设计计算步骤
★ 按抗拉强度确定过渡段套管 3的许用长度,
mL
S
q
F
tLqF
F
tS
stF
st
1 11 7
3 35 7.0
718
3
8.1
1.1966
3
02
3
3302
3
实取,L3=1100m
L31100
L21000
L1800
1
水泥面
2800米
D2
2
3
D3
D4
第二节 套管柱强度设计四、套管柱的强度设计
（二） 设计方法 —— 等安全系数法
2,设计计算步骤
（ 9）选择抗拉强度高一级的套管为第四段套管，
确定其使用长度 L4。
查表选择比抗拉强度高一级的套管：
N-80,t4=9.19 mm,q4=0.3795kN/m，
pc4=37301kPa,Fs4=2686.7kN,Fst4=2308.6kN
计算第四段套管的许用长度：
由于距井口不到 500m，故换用强度更高一级的套管。
m3.5 1 5L 3795.0 1087q
F
4
8.1
6.2 3 08
4
03tS
4stF
L4
L31100
L21000
L1800
1
水泥面
2800米
D2
2
3
D3
D4
第二节 套管柱强度设计四、套管柱的强度设计
（二） 设计方法 —— 等安全系数法
2,设计计算步骤
（ 9）选择抗拉强度高一级的套管为第四段套管，
确定其使用长度 L4。
查表选择抗拉强度高一级的套管：
N-80,t4=10.36 mm,q4=0.4234kN/m，
pc4=48401kPa,Fs4=3007 Kn,Fst4= 2611.1 kN 。
计算第四段套管的许用长度：
实际距井口 600m，故取 L4 = 600m 。
m7.858L 4234.0 1 08 7q
F
4
8.1
1.2 6 11
4
03tS
4stF
L4600
L31100
L21000
L1800
下深 （ m ） 段长 （ m ） 钢级 壁厚 （ mm ） St Sc
0 ～ 600 600 N - 8 0 10.36 1.94
600 ～ 1700 1100 N - 8 0 8.05 1.81 4.82
1700 ～ 2700 1000 N - 8 0 9.19 3.2 1.02
2700 ～ 3500 800 N - 8 0 10.36 7.85 1.08
（ 10）设计结果列表第二节 套管柱强度设计四、套管柱的强度设计
（二） 设计方法 —— 等安全系数法
2,设计计算步骤第三节 油井水泥及注水泥一、油井水泥
（一）油井水泥的主要成分
（ 1）硅酸三钙（ 3CaO·SiO2)，简称 C3S,40~65%
（ 2）硅酸二钙（ 2CaO·SiO2)，简称 C2S,24~30%
（ 3）铝酸三钙（ 3CaO·Al2O3)，简称 C3A,2~15%
（ 4）铁铝酸四钙（ 4CaO·Al2O3 ·Fe2O3)，简称 C4AF,8~12%
低中小大小中慢快较快中大小小大小大小
C3S
C2S
C3A
C4AF
抗硫酸盐收缩性水化速度长期强度早期强度矿物成分矿物成分对水泥性能的影响第三节 油井水泥及注水泥
（二）油井水泥的类型
1,API 标准分类使用温度范围,℃
使用深度范围
m
超高温用，普通型●49 ~1603660 ~ 4880J
●●H 基本水泥，分中、高抗硫酸盐型
●●0 ~ 930 ~ 2440G
基本水泥加缓凝剂，超高压、高温用●●110 ~
1603050 ~ 4880F
基本水泥加缓凝剂，高温高压用●●76 ~ 1433050 ~ 4270E
用于中温中压条件，中、高硫酸盐型●●76 ~ 1271830 ~ 3050D
早强水泥，普通和中、高抗硫酸言型●●C
中热水泥，中、高抗硫酸盐型●●B
普通水泥●
≤76.70 ~ 1830
A
高中抗硫酸盐普通 说 明类 型级别一、油井水泥第三节 油井水泥及注水泥
（二）油井水泥的类型
2,国产油井水泥分类
45℃ 水泥：用于表层或浅层，深度小于 1500米；
75 ℃ 水泥：用于井深 1500~3200米。超过 3500米，应加入缓凝剂。超过
110 ℃,应加入不少于 28%的硅粉。
95 ℃ 水泥：用于井深 2500~3500米。超过 110 ℃,加入 28%以上的硅粉。
120 ℃ 水泥：用于井深 3500~5000米。当用于 4500~5000米时，应加入缓凝剂及降失水剂。
一、油井水泥第三节 油井水泥及注水泥
（三）油井水泥的水化作用
1,水泥的水化反应
3CaO·SiO2＋ 2H2O?2CaO·SiO2·H2O十 Ca(OH)2
2CaO·SiO2＋ H2O?2CaO·SiO2·H2O
3CaO·Al2O3＋ 6H2O?3CaO·Al2O3·6H2O
4CaO·Al2O3 ·Fe2O3＋ 6H2O?3CaO·Al2O3·6H2O＋ CaO·Fe2O3·H 2O
2,水泥的硬化过程
（ 1）胶溶期,水泥与水混合成胶体悬浮液，开始发生水化反应，水化产物的浓度开始增加，达到饱和状态时部分水化物以胶态或微晶体析出，形成胶溶体系。此时水泥浆仍有流动性。
（ 2）凝结期,水化反应由水泥颗粒表面向内部深入，溶胶粒子及微晶体大量增加，晶体开始互相连接，逐渐絮凝成凝胶体系。水泥浆变稠，直到失去流动性。
（ 3）硬化期,水化物形成晶体状态，互相紧密连接成一个整体，强度增加，硬化成为 水泥石 （水泥胶微晶 + 氢氧化钙晶体 + 未水化水泥颗粒）。
一、油井水泥
1,水泥浆性能
（ 1）水泥浆密度
（ 2）水泥浆的稠化时间
● 油井水泥在规定的压力和温度下,从开始混拌到水泥浆稠度达到 100个稠度单位 （ BC,伯登,用高温高压稠化仪测得 ） 所用的时间 。
（ 3）水泥浆的失水
（ 4）水泥浆的凝结时间
●水泥浆凝固成具有一定强度的水泥时所需要的时间。
（ 5）水泥石强度
（ 6）水泥石抗蚀性第三节 油井水泥及注水泥二、水泥浆性能及外加剂
（ 1）加重剂,重晶石、赤铁粉等。可使水泥浆密度达到 2.3 g／ cm3。
（ 2） 减轻剂,硅藻土,粘土粉,沥青粉,玻璃微珠,火山灰等 。
（ 3） 缓凝剂,丹宁酸钠,酒石酸,硼酸,铁铬木质素磺酸盐,羧甲基羟乙基纤维素等 。
（ 4） 促凝剂,氯化钙,硅酸钠,氯化钾等 。
（ 5） 减阻剂,b— 奈磺酸甲醛的缩合物,铁铬木质素磺酸盐,木质素磺化钠等 。
（ 6） 降失水剂,羧甲基羟乙基纤维素,丙烯酸胺,粘土等 。
（ 7） 防漏失剂,沥青粒,纤维材料等 。
第三节 油井水泥及注水泥
2,水泥外加剂二、水泥浆性能及外加剂第三节 油井水泥及注水泥三、注水泥工艺技术
1,注水泥工艺打前置液 注水泥浆 顶胶塞 替钻井液 碰 压
2,注水泥基本要求
（ 1）水泥返高和套管内水泥塞高度必须符合设计要求。
（ 2）注水泥井段环空内的钻井液应顶替干净，无窜槽现象存在。
（ 3）水泥石与套管及井壁岩石胶结良好。
（ 4）水泥凝固后管外不冒油、气、水，不互窜。
（ 5）水泥石能经受油、气、水长期的侵蚀。
3,在固井中常出现的固井质量问题
– 井口有冒油,气,水的现象 。
– 不能有效地封隔不同压力层位,开采时各种压力互窜 。
– 套管挤扁或破裂 。
引起上述质量问题的主要原因：
1） 顶替效率不高,存在窜槽现象；
2） 水泥浆候凝过程中,油,气,水上窜 。
第三节 油井水泥及注水泥三、注水泥工艺技术
4,提高顶替效率，防止窜槽
★ 顶替效率：
★ 窜槽 —— 由于水泥浆没有将环空中的钻井液完全替走,
使环形空间局部出现未被水泥浆封固住的这种现象 。
★ 形成窜槽的原因：
1） 套管不居中；
2） 井眼不规则；
3） 水泥浆性能及顶替措施不当 。
第三节 油井水泥及注水泥环形空间截面积环形水泥浆面积注水泥段任一截面：
环形空间体积环形水泥浆体积注水泥井段：
三、注水泥工艺技术第三节 油井水泥及注水泥
4,提高顶替效率，防止窜槽
★ 提高顶替效率的措施
1）采用套管扶正器，改善套管居中条件；
2）注水泥过程中活动套管；
3）调节注水泥速度，使水泥浆在环空呈紊流或塞流状态；
4）调整水泥浆性能。加大钻井液与水泥浆的密度差；降低钻井液粘度和切力；
5）采用优质前置液体系（冲洗液和隔离液）。
三、注水泥工艺技术
（ 1）引起油气水上窜的原因：
1） 水泥浆失重
2）桥堵
3）水泥体积收缩
4）套管内放压，使套管收缩
5）泥饼的存在
（ 2）防止油气水上窜的措施
① 采用多级注水泥或两种凝速（上慢下快）的水泥；
② 注完水泥后及时使套管内卸压，并在环空加回压；
③ 使用膨胀性水泥，防止水泥收缩；
④ 使用刮泥器，清除井壁泥饼。
第三节 油井水泥及注水泥三、注水泥技术
5,防止在水泥浆凝结过程中油、气、水上窜第四节 完井技术
● 完井工程包括的内容：
（ 1）钻开生产层：钻井完井液设计、平衡压力钻井
（ 2）完井井底结构设计和完井方法选择
（ 3）安装井底：包括下套管固井或下入筛管、割缝衬管
（ 4） 连通井眼与产层（射孔、裸眼等）
（ 5）防砂措施
（ 6）安装井口，完井测试一、概述
● 完井,从钻开生产层、下油层套管、注水泥固井、射孔到试采等一系列生产过程的总称。
● 完井工程的原则和要求：
（ 1）有效地保护油气层，尽量减轻或避免对产层的污染。
（ 2）建立产层与井眼之间的良好通道，使油气流入井阻力最小，提高产能。
（ 3）有效地封隔油、气、水层和不同压力的地层，防止层间干扰。
（ 4） 有效地控制油层出砂,防止井壁坍塌,确保油气井长期稳产 。
（ 5） 井底结构能够满足开采,注水,井下作业等工艺要求 。
（ 6） 工艺简单,成本低 。
第四节 完井技术二、钻开储集层
1,钻井作业对储集层性质的影响
（ 1）压差的影响正压差使钻井液中的液相和固相侵入储层孔隙或裂缝，污染储集层。
1）水侵使储集层中的粘土成分膨胀，使孔隙度减小，渗透率降低；
2）水侵破坏孔隙内油流的连续性，增加油流阻力；
3）水侵产生 水锁效应,增加油流阻力；
4）泥侵堵塞储集层孔隙通道。
（ 2）化学物质不配伍的影响产生化学反应，生成沉淀物堵塞孔隙；
腐蚀岩石，破坏岩石的胶结，使岩石坍塌或膨胀，使岩石渗透率降低。
（ 3）浓度差的影响钻井液和地层流体中的化学物质的浓度差，引起化学物质的扩散现象。
2,对钻开储集层的技术要求
1） 有效地控制油气层压力,安全钻开储集层；
2） 有效地保护油气层,防止钻井液的污染 。
第四节 完井技术二、钻开储集层
1,钻井作业对储集层性质的影响
（ 4）应力状态变化的影响钻开储集层形成井眼，井壁周围岩石的应力状态发生变化，引起岩石的变形，使岩石的孔隙度和渗透率降低。
3,钻开储集层时防止污染的方法
（ 1） 选用与储集层配伍的合理钻井液体系；
（ 2） 平衡压力钻井或欠平衡压力钻井
（ 3） 采用良好的井身结构,减少储集层浸泡时间
（ 4） 采用屏蔽暂堵等保护油气层技术第四节 完井技术三、完井井底结构和完井方法
（一）裸眼完井法第四节 完井技术三、完井井底结构和完井方法
1.先期裸眼完井的 优点
（ 1） 产层完全裸漏,渗流面积最大
,油气流入井阻力最小,产能最高 。 这种井称为水动力学完善井 。
（ 2） 排除了上部地层干扰,可采用与产层配伍的完井液,也可采用平衡压力,欠平衡压力钻井方法打开油气层,
产层污染轻 。
（ 3） 打开储集层遇到复杂情况,可及时将钻具体到套管内进行处理 。
（ 4） 缩短了钻井液的浸泡时间 。
（ 5） 消除了高压油气对固井质量的影响 。 避免了固井作业对产层的污染 。 先期裸眼完井 后期裸眼完井
2.先期裸眼完井的 缺点
（ 1） 不能防止井壁坍塌和油层出砂 。
（ 2） 不能克服不同性质地层的相互干扰 。
（ 3） 无法进行选择性酸化,压裂,分层开采,分层注水等作业 。
（ 4） 固井时尚未掌握产层的真实资料,容易给下一步的作业造成被动
。
3,适用条件
（ 1） 岩性坚硬,不易坍塌的碳酸盐或砂岩储层,无底水,无气顶的单一厚储层或者压力,性质基本一致的多层储层；不准备实施分层作业 。
（ 2） 不能下套固井的特殊井完井 （ 欠平衡井,水平井等 ） 。
（一）裸眼完井法第四节 完井技术三、完井井底结构和完井方法
（二）射孔完井法 — 应用最广泛的方法三、完井井底结构和完井方法第四节 完井技术
● 主要优点：
（ 1）能有效地封固疏松易塌的生产层。
（ 2）能够分隔不同压力和不同特点的油气层，可进行分层开采和作业。
（ 3）可进行无油管完井和多油管完井。
（ 4）可避开气顶、底水和夹层。
● 主要缺点：
（ 1）打开生产层和固井的过程中，钻井液和水泥浆对生产层的侵害较严重。
（ 2）由于射孔数目、孔径、孔深有限，油气层与井眼连通面积小，油气入井阻力较大。
● 使用条件适用于各种产层。
（二）射孔完井法三、完井井底结构和完井方法第四节 完井技术
（三）防砂完井法三、完井井底结构和完井方法第四节 完井技术
1,砾石充填完井
★ 裸眼砾石充填
★ 套管内砾石充填砾石直径：砂粒中径的 6~8倍。
砂粒中径是指对砂粒进行筛分后，
累计重量为 50%的砂粒对应的直径
。
筛管类型：绕丝、割缝、多孔材料烧结。
（三）防砂完井法三、完井井底结构和完井方法第四节 完井技术
2,衬管或筛管完井
（三）防砂完井法三、完井井底结构和完井方法第四节 完井技术
3,渗透性人工井壁完井渗透性可凝固材料：
胶结剂 +增孔剂 +支撑剂水 泥酚醛树脂石英砂核桃壳轻质油
1 —— 油管悬挂器；
2 —— 油管头；
3 —— 油管；
4 —— 套管悬挂器；
5 —— 套管头；
6 —— 油层套管；
7 —— 技术套管；
8 —— 密封圈；
9 —— 套管悬挂器；
10—— 套管头；
11—— 表层套管 。
四、完井井口装置第四节 完井技术
