講座-固井設(shè)計(jì)

1、固井設(shè)計(jì)基礎(chǔ)固井設(shè)計(jì)基礎(chǔ)固固 井井 設(shè)設(shè) 計(jì)計(jì) 的的 重重 要要 性性 固井設(shè)計(jì)是固井施工的依據(jù)，是設(shè)固井設(shè)計(jì)是固井施工的依據(jù)，是設(shè)計(jì)者的業(yè)務(wù)水平、施工者的技術(shù)能力的集計(jì)者的業(yè)務(wù)水平、施工者的技術(shù)能力的集中體現(xiàn)。固井設(shè)計(jì)不僅是施工者進(jìn)行作業(yè)中體現(xiàn)。固井設(shè)計(jì)不僅是施工者進(jìn)行作業(yè)的指南，也是工程發(fā)包單位對(duì)固井施工的的指南，也是工程發(fā)包單位對(duì)固井施工的過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控的強(qiáng)有力的工具，也就是說(shuō)，過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控的強(qiáng)有力的工具，也就是說(shuō)，固井設(shè)計(jì)不僅服務(wù)于乙方，也同時(shí)服務(wù)于固井設(shè)計(jì)不僅服務(wù)于乙方，也同時(shí)服務(wù)于甲方。甲方。 固 井 施 工 設(shè) 計(jì) 的 內(nèi) 容完全的固井設(shè)計(jì)要包含如下幾個(gè)方面：完全的固井設(shè)計(jì)要包含如

2、下幾個(gè)方面： 油井的基本情況包括井深、鉆頭尺寸、井徑、泥漿密度、套管尺 寸、套管下深、鉆遇地層； 管串結(jié)構(gòu)； 固井方案與技術(shù)措施； 扶正器安放間距； 水泥漿量與替漿量； 沖洗液與隔離液量； 水泥漿配方與性能； 隔離液、沖洗液配方與性能； 施工壓力預(yù)測(cè)； 施工步驟。 固固 井井 設(shè)設(shè) 計(jì)計(jì) 的的 原原 則則平衡壓力原則：在頂替與侯凝過(guò)程中，環(huán)平衡壓力原則：在頂替與侯凝過(guò)程中，環(huán) 空壓力空壓力 處于壓力平衡狀態(tài)，既不會(huì)壓漏處于壓力平衡狀態(tài)，既不會(huì)壓漏 地層，也不會(huì)使地層，也不會(huì)使 油氣水竄入環(huán)空。油氣水竄入環(huán)空。數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、計(jì)算依據(jù)充分。數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、計(jì)算依據(jù)充分。技術(shù)措施要有針對(duì)性。技術(shù)措施要有針對(duì)性

3、。對(duì)復(fù)雜問(wèn)題的預(yù)見(jiàn)與處理能力。對(duì)復(fù)雜問(wèn)題的預(yù)見(jiàn)與處理能力。地質(zhì)知識(shí)：能夠簡(jiǎn)要了解封固地層的地質(zhì)知識(shí)：能夠簡(jiǎn)要了解封固地層的 物理化學(xué)特性。物理化學(xué)特性。油田化學(xué)知識(shí)：對(duì)泥漿體系性能和水油田化學(xué)知識(shí)：對(duì)泥漿體系性能和水 泥漿體系與外加劑都應(yīng)有了解。泥漿體系與外加劑都應(yīng)有了解。力學(xué)知識(shí)：流體力學(xué)知識(shí)和材料力學(xué)力學(xué)知識(shí)：流體力學(xué)知識(shí)和材料力學(xué) 知識(shí)。知識(shí)。機(jī)械知識(shí)：機(jī)械知識(shí)：（一）取（一）取 準(zhǔn)準(zhǔn) 參參 數(shù)數(shù) 工程設(shè)計(jì)要求：一般有水泥漿返深、需封固的產(chǎn) 層頂部與底部深度與目的層性質(zhì)等 井身結(jié)構(gòu)：井深、鉆頭尺寸、套管尺寸、套管下深 套管選型：鋼級(jí)、壁厚，套管性能數(shù)據(jù)可從鉆井設(shè) 計(jì)中得到 泥漿性能：密度

4、、流變性能等，從鉆井泥漿日?qǐng)?bào)表 或班報(bào)表中獲取 鉆遇地層：鉆遇地層巖性、地層流體、地層壓力、 異常情況 井眼參數(shù)：井徑，由測(cè)井資料獲??；井斜方位（二）制（二）制 定定 方方 案案 針對(duì)封固地層的特性、鉆井中出現(xiàn)的異常問(wèn)題及井眼結(jié)構(gòu)制定固井方 案和技術(shù)措施；對(duì)于氣層要考慮采用防氣竄水泥體系，并調(diào)整環(huán)空液柱結(jié)構(gòu)以保證水泥漿失重以后能壓穩(wěn)氣層；如果封固段有漏失層存在，則要考慮采用低密度水泥或雙級(jí)固井；如果遇到膏鹽層，則需要采用抗鹽的含鹽水泥體系或其它體系；確定頂替方案：如果不存在漏失層，建議采用紊流頂替，否則要通過(guò)計(jì)算來(lái)確定采用紊流、層流或塞流頂替方式；對(duì)于定向井，要注重扶正器的設(shè)計(jì)計(jì)算，確保套管的

5、居中度不小于67%；井底靜止溫度若超過(guò)110，則水泥漿須假如高溫穩(wěn)定劑石英砂。 （三）水泥漿配方實(shí)驗(yàn)（三）水泥漿配方實(shí)驗(yàn) 水泥漿性能的基本要求：水泥漿性能的基本要求： 能配置成設(shè)計(jì)要求的水泥漿，不沉降，不起泡；能配置成設(shè)計(jì)要求的水泥漿，不沉降，不起泡； 有好的流動(dòng)性，適宜的初始稠度，一般不大于有好的流動(dòng)性，適宜的初始稠度，一般不大于30BC； 常規(guī)密度水泥常規(guī)密度水泥24小時(shí)強(qiáng)度不小于小時(shí)強(qiáng)度不小于14Mpa， 流變性能可通過(guò)外加劑進(jìn)行調(diào)整；流變性能可通過(guò)外加劑進(jìn)行調(diào)整； 稠化時(shí)間滿足施工要求，但不應(yīng)太長(zhǎng)，一般得水泥漿稠稠化時(shí)間滿足施工要求，但不應(yīng)太長(zhǎng)，一般得水泥漿稠 化時(shí)間現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)間化時(shí)間

6、現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)間60-90min；對(duì)于淺井附加對(duì)于淺井附加30min左左 右有助于提高固井質(zhì)量。右有助于提高固井質(zhì)量。 失水量和游離液控制失水量和游離液控制 （三）水泥漿配方實(shí)驗(yàn)（三）水泥漿配方實(shí)驗(yàn) （四）前置液配方與性能（四）前置液配方與性能沖洗液：沖洗液： 具有較低的基漿密度，一般在1.0-1.03g/cm3，如在沖洗液 中加研磨性顆粒，密度要提高，但不能高于水泥漿密度； 具有很低的粘度，基漿流型接近與牛頓型，有很低的紊流 臨界返速，一般在0.3-0.5m/s； 能夠明顯降低鉆井液的粘度和切力，對(duì)環(huán)空滯留的鉆井液 有一定的滲透力，降低粘土顆粒間的連接力，使鉆井液或 泥餅的結(jié)構(gòu)松弛，拆散，易于頂

7、替； 應(yīng)對(duì)粘土有一定的抑制性，以保持井壁穩(wěn)定。（四）前置液配方與性能（四）前置液配方與性能隔離液隔離液紊流隔離液適宜于紊流頂替，應(yīng)有較低的粘度和較低的紊流臨界返 速， 一般要求紊流接觸時(shí)間為8-10min，最低也需要有7min；粘性隔離液適宜于層流和塞流頂替，隔離液的粘度和切力應(yīng)大于泥漿而小于水泥漿；隔離液的密度在較大范圍內(nèi)可以調(diào)節(jié)，一般要求介于泥漿和水泥漿之間；隔離液對(duì)加重劑要有懸浮能力，這樣才能保持隔離液性能穩(wěn)定；隔離液應(yīng)具有溫度穩(wěn)定性，溫度升高粘度不能降低或降低得很少，才能保持在高溫下對(duì)加重劑的懸浮能力；隔離液要具有控制失水能力，一般失水量小于150ml/30min，有助于防止井壁坍塌和

8、減少地層損害。（五）參（五）參 數(shù)數(shù) 計(jì)計(jì) 算算（六）設(shè)備配套和工具準(zhǔn)備（六）設(shè)備配套和工具準(zhǔn)備 需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的具體材料、工具、設(shè)備和施工能力進(jìn)行分析，因此，再進(jìn)行固井設(shè)計(jì)時(shí)，還需考慮現(xiàn)有工具，現(xiàn)有設(shè)備的施工能力，以獲得一個(gè)可行的設(shè)計(jì)和可行的設(shè)備、工具配套。固井現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備：固井現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備：水泥車(chē)、運(yùn)灰車(chē)、儲(chǔ)灰罐、壓風(fēng)機(jī)、 工具車(chē)、管匯車(chē)地面工具：地面工具：水泥頭、高壓管線等井下工具：井下工具：尾管懸掛器、雙級(jí)箍、浮鞋、浮箍、扶正器、 水泥傘、管外封隔器等（七）制（七）制 定定 施施 工工 步步 驟驟 制定施工步驟要分兩方面井隊(duì)的準(zhǔn)備與施制定施工步驟要分兩方面井隊(duì)的準(zhǔn)備與施工配合、固井隊(duì)的準(zhǔn)備與施工。

9、工配合、固井隊(duì)的準(zhǔn)備與施工。井隊(duì)要完成的工作：井隊(duì)要完成的工作： 按固井設(shè)計(jì)下入套管和附件，下完套管，大按固井設(shè)計(jì)下入套管和附件，下完套管，大 排量循環(huán)泥漿至少兩周；排量循環(huán)泥漿至少兩周； 水、電供應(yīng)和照明；水、電供應(yīng)和照明； 協(xié)助固井隊(duì)安裝井口工具；協(xié)助固井隊(duì)安裝井口工具； 協(xié)助替漿計(jì)量，負(fù)責(zé)啟動(dòng)井隊(duì)大泵替漿。協(xié)助替漿計(jì)量，負(fù)責(zé)啟動(dòng)井隊(duì)大泵替漿。（七）制（七）制 定定 施施 工工 步步 驟驟 固井隊(duì)固井隊(duì)要完成的工作要完成的工作： 做好施工人員的崗位分工和職責(zé)；做好施工人員的崗位分工和職責(zé)； 按設(shè)計(jì)準(zhǔn)備好敢干灰（與干混藥品混好）與濕混藥品；按設(shè)計(jì)準(zhǔn)備好敢干灰（與干混藥品混好）與濕混藥品； 準(zhǔn)

10、備入井好工具附加；準(zhǔn)備入井好工具附加； 準(zhǔn)備好水泥車(chē)、水泥頭等地面設(shè)備與工具；準(zhǔn)備好水泥車(chē)、水泥頭等地面設(shè)備與工具； 套管下完以后，擺放車(chē)輛接管線準(zhǔn)備施工；套管下完以后，擺放車(chē)輛接管線準(zhǔn)備施工； 按設(shè)計(jì)程序進(jìn)行注水泥施工。按設(shè)計(jì)程序進(jìn)行注水泥施工。（八）編寫(xiě)固井施工設(shè)計(jì)（八）編寫(xiě)固井施工設(shè)計(jì) 完成以上的步驟之后，就可按規(guī)定的格式開(kāi)始編寫(xiě)固井施工設(shè)計(jì)。（一）井（一）井 溫溫 的的 計(jì)計(jì) 算算 井溫是開(kāi)展水泥漿實(shí)驗(yàn)的基本條件，水泥石抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)所用的溫度一般采用井底靜止溫度，水泥漿稠化、失水及流變性等實(shí)驗(yàn)一般采用井底循環(huán)溫度。井底靜止溫度：井底循環(huán)溫度：經(jīng)驗(yàn)公式： Te泥漿出口溫度 庫(kù)式公式： 使

11、用條件： 74T212 51/100mGt4.45/100m（二）井（二）井 徑徑 計(jì)計(jì) 算算計(jì)算平均井徑通過(guò)讀井徑曲線，然后用加權(quán)平均法計(jì)算平均井徑。還有一種方法就是將井徑測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換成文本文件，再由EXCEL讀取，通過(guò)處理后，求平均值就可得到高精度的平均井徑數(shù)據(jù)。（三）水（三）水 泥泥 漿漿 量量 計(jì)計(jì) 算算 水泥漿總量： 環(huán)空水泥漿量計(jì)算，根具環(huán)空容積的計(jì)算方法分為兩種方法一：先按裸眼段實(shí)際井徑計(jì)算環(huán)空容量，再附加一定比例方法二：先給井徑附加一定比例，然后計(jì)算裸眼環(huán)空容量 套管尺寸不同附加系數(shù)不同，套管尺寸越大附加系數(shù)越大，以此來(lái)補(bǔ)償計(jì)算誤差。（三）水（三）水 泥泥 漿漿 量量 計(jì)計(jì)

12、 算算 套管內(nèi)水泥量計(jì)算 式中di套管內(nèi)徑，m h水泥塞高度，m 人工井底 l人工井底長(zhǎng)度，m干灰與配漿水量1m3水泥漿需用水泥量c水泥密度，g/cm3 w配漿水密度，g/cm3s水泥漿密度，g/cm3hdVicp24lDVb24水泥體積水體積水泥質(zhì)量水質(zhì)量水泥漿密度s)()(wcwscQ（四）水泥漿流變性計(jì)算（四）水泥漿流變性計(jì)算 p0300600p60030002511.0)(5.1100300p30010003533.1水泥漿屬非牛頓流體，流變性規(guī)律程非線性，能夠近似描述水泥漿水泥漿屬非牛頓流體，流變性規(guī)律程非線性，能夠近似描述水泥漿流變性的流變方程有：賓漢方程、冪律方程。流變性的流變方

13、程有：賓漢方程、冪律方程。 賓漢方程賓漢方程 計(jì)算塑性和動(dòng)切力需要用六速粘度計(jì)進(jìn)行實(shí)測(cè)，水泥漿一般選用計(jì)算塑性和動(dòng)切力需要用六速粘度計(jì)進(jìn)行實(shí)測(cè)，水泥漿一般選用600r/min和和300r/min讀數(shù)或讀數(shù)或300r/min和和100r/min讀數(shù)，而前置液一般采用讀數(shù)，而前置液一般采用600r/min和和300r/min讀數(shù)。計(jì)算公式如下：讀數(shù)。計(jì)算公式如下： （四）水泥漿流變性計(jì)算（四）水泥漿流變性計(jì)算 nK300600/lg322. 3nnK1022/511. 0600100300/lg096. 2nnK511/511. 030003. 05 . 0100300100200B 冪律方程冪律

14、方程計(jì)算公式如下：計(jì)算公式如下： 判別賓漢和冪律模式的方法判別賓漢和冪律模式的方法 如果如果B值在值在0.5之內(nèi)，則流變參數(shù)可用賓漢模式計(jì)算，否則用冪律模式之內(nèi)，則流變參數(shù)可用賓漢模式計(jì)算，否則用冪律模式 （五）注（五）注 水水 泥泥 流流 動(dòng)動(dòng) 計(jì)計(jì) 算算 采用何種流型進(jìn)行頂替，將對(duì)提高頂替效率有著明顯的作用，一般來(lái)說(shuō)，采用紊流或塞流頂替效率較高。不同的頂替流型要求的頂替速度和頂替液體的性能是不一樣的，因此，在進(jìn)行注水泥設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)明確可采用的頂替流速范圍，然后依據(jù)此流速范圍，考慮水泥漿的性能的調(diào)節(jié)能力，選擇合理的頂替流態(tài)，再進(jìn)行水泥漿設(shè)計(jì)。一個(gè)合理的流速范圍，應(yīng)考慮如下幾個(gè)方面： 井眼的

15、穩(wěn)定性，是否有易漏、易坍塌等復(fù)雜地層，這些層位對(duì)環(huán) 空返速的限制情況，這些數(shù)據(jù)可從區(qū)塊或臨井資料獲得； 正常鉆井過(guò)程中的環(huán)空返速情況； 裸眼段井徑變化對(duì)返速的限制，如果井徑變化較大，存在所謂的“大 肚子”，一般要求返速不能太大，以免進(jìn)一部沖蝕井壁； 套管居中情況，當(dāng)套管居中度不好時(shí)，應(yīng)避免使用塞流頂替； 井斜情況，大斜度井和水平井注水泥，應(yīng)盡量避免使用塞流頂替； 漿泵與注水泥設(shè)備的工作能力。 （五）注（五）注 水水 泥泥 流流 動(dòng)動(dòng) 計(jì)計(jì) 算算 頂替流態(tài)的選擇主要是考慮在現(xiàn)有配漿能力下能否配出在上述流速范圍內(nèi)達(dá)到紊流或塞流狀態(tài)的水泥和前置液，頂替流態(tài)的選擇原則： 首先考慮使用紊流進(jìn)行頂替，如果

16、不能實(shí)現(xiàn)紊流則考慮使用塞流或低速頂替； 在兩者均無(wú)法實(shí)現(xiàn)的情況下，盡量采用高速下的層流頂替，而且建議使用紊流前置液，以彌補(bǔ)水泥漿不能達(dá)到紊流的缺陷。 （五）注（五）注 水水 泥泥 流流 動(dòng)動(dòng) 計(jì)計(jì) 算算 目前關(guān)于流動(dòng)計(jì)算的方法比較多，有目前關(guān)于流動(dòng)計(jì)算的方法比較多，有API推薦方法，推薦方法，DOWELL計(jì)算方法等，在這里介紹計(jì)算方法等，在這里介紹API方法。方法。 剪切速率剪切速率 N旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)轉(zhuǎn)數(shù),rpm剪切速率剪切速率,S-1粘度計(jì)刻度盤(pán)讀數(shù)粘度計(jì)刻度盤(pán)讀數(shù)剪切應(yīng)力，剪切應(yīng)力，Pa 當(dāng)量直徑當(dāng)量直徑DE當(dāng)量直徑，當(dāng)量直徑，cmDH外管內(nèi)徑，外管內(nèi)徑，cmDP內(nèi)管外徑，內(nèi)管外

17、徑，cm51.07032.1NPHEDDD（五）注（五）注 水水 泥泥 流流 動(dòng)動(dòng) 計(jì)計(jì) 算算 冪律模式冪律模式a. 流變參數(shù)流變參數(shù)nn， n修正的流型指數(shù)修正的流型指數(shù)K修正的稠度系數(shù)，修正的稠度系數(shù)，mPaSnb. 雷諾數(shù)雷諾數(shù)管內(nèi)流動(dòng)：管內(nèi)流動(dòng)： 環(huán)空流動(dòng)：環(huán)空流動(dòng)： 式中：式中：Re雷諾數(shù)雷諾數(shù)Q排量，排量，l/s流體密度，流體密度，g/cm3V流速，流速，m/snnnKK4132273.128008000ReDQVKVDnnn22273.128008000RePHnnnEDDQVKVD（五）注（五）注 水水 泥泥 流流 動(dòng)動(dòng) 計(jì)計(jì) 算算 不同的冪律流體的n值，對(duì)應(yīng)不同的臨界雷諾數(shù)，

18、決定流動(dòng)是屬于層流或是紊流。 （五）注（五）注 水水 泥泥 流流 動(dòng)動(dòng) 計(jì)計(jì) 算算 c. 壓力降計(jì)算壓力降計(jì)算 層流：層流： 管內(nèi)流動(dòng)：管內(nèi)流動(dòng)： 環(huán)空流動(dòng)：環(huán)空流動(dòng)： 摩擦系數(shù)摩擦系數(shù)f的計(jì)算：的計(jì)算： 式中：式中：f范寧摩擦系數(shù)；范寧摩擦系數(shù)； L流動(dòng)長(zhǎng)度，流動(dòng)長(zhǎng)度，m; P壓力降，壓力降，Mpa； 紊流：紊流： 摩擦系數(shù)可由右圖查得，摩擦系數(shù)可由右圖查得， 壓力降公式與層流相同。壓力降公式與層流相同。 DLVfP22.0EDLVfP22.0Re16f（五）注（五）注 水水 泥泥 流流 動(dòng)動(dòng) 計(jì)計(jì) 算算 d.紊流臨界排量：流臨界排量：管內(nèi)：管內(nèi)： 環(huán)空：環(huán)空： e. 塞流：塞流：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)

19、驗(yàn)，塞流條件根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，塞流條件Re100,則最大的允許排量是：則最大的允許排量是：管內(nèi)：管內(nèi)： 環(huán)空：環(huán)空： ) 2(128000Re8001273nnnDKDQc) 2(122)(8000Re8001273nnPHnPHDDKDDQc) 2(128080073.12nnnDKDQc) 2(122)(8080073.12nnPHnPHDDKDDQc（五）注（五）注 水水 泥泥 流流 動(dòng)動(dòng) 計(jì)計(jì) 算算 賓漢模式賓漢模式a. 郝斯數(shù)與雷諾數(shù)郝斯數(shù)與雷諾數(shù)右圖給出了層流區(qū)賓漢流體的雷諾數(shù)右圖給出了層流區(qū)賓漢流體的雷諾數(shù)Re對(duì)應(yīng)摩阻系數(shù)對(duì)應(yīng)摩阻系數(shù)f之間的關(guān)系，郝之間的關(guān)系，郝斯數(shù)和雷諾數(shù)定義如下

20、：斯數(shù)和雷諾數(shù)定義如下：管內(nèi)：管內(nèi)： 環(huán)空：環(huán)空： 22017.2271.6RePPDHeDV22017.2271.6RePEPEDHeVD（五）注（五）注 水水 泥泥 流流 動(dòng)動(dòng) 計(jì)計(jì) 算算 b. 壓力降計(jì)算壓力降計(jì)算 摩阻系數(shù)可由上圖牛頓流體的紊流線（粗黑線）和層流線摩阻系數(shù)可由上圖牛頓流體的紊流線（粗黑線）和層流線He線（虛線（虛 線）的焦點(diǎn)讀出。獲得線）的焦點(diǎn)讀出。獲得f值后，可采用式值后，可采用式計(jì)算壓力降計(jì)算壓力降。 c. 臨界雷諾數(shù)臨界雷諾數(shù) 上圖中上圖中He線和牛頓流體紊流線的交點(diǎn)即是臨界雷諾數(shù)線和牛頓流體紊流線的交點(diǎn)即是臨界雷諾數(shù)Rec。 d. 臨界排量臨界排量 管內(nèi)：管內(nèi)： 環(huán)空：環(huán)空： e. 塞流允許的最大排量塞流允許的最大排量 塞流控制的雷諾數(shù)為塞流控制的雷諾數(shù)為100 管內(nèi)：管內(nèi)： 環(huán)空：環(huán)空： 42.85RePccD