史上最全固井技术介绍（下）

==套管附件==

1、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

2、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。

3、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。

4、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。

==固井质量==

1、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。

2、水泥环质量鉴定

目前我国水泥环质量鉴定一般以声幅测井(CBL，也称水泥胶结测井)为准。声幅相对值在15%(油田现场有的也采用10%)以内为优等，30%为合格；声幅超过30%的井段则视为水泥封固不合格。声幅测井一般在注水泥后24小时到48小时内进行，但对特殊井(如尾管固井、采用缓凝水泥固井等)声幅测井时间可依具体情况而定，现在变密度测井(VDL)也在逐渐普及。

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%。

3、声波变密度测井

声幅测井测量记录的是套管首波幅度。声波变密度测井(VDL，简称变密度测井)是用接收器将套管波、地层波等声波幅度按到达时间先后全部测量记录，再用一定的方法显示，以评价水泥环质量的测井方法。当进行变密度测井时，同时进行声幅测井。变密度测井因为能够测量记录地层波，因此能够反映出水泥与地层(俗称第二界面)有胶结情况。将变密度测井结果与声幅测井结果对比分析，可以全面地评价水泥环质量。

==固井技术的现状及发展==

1、概述

固井作业是油气井钻井工程中最重要的环节之一，其主要目的是封隔井眼内的油层、气层和水层，保护油气井套管、增加油气井寿命以及提高油气产量。自1903年开始固井以来经过近100年的努力，国内外固井技术有了很大的的进步。主要表现在:油井水泥的扩充与完善，油井基本水泥由一两种发展到13种；油井水泥外加剂已发展到14大类200多个品种；普遍采用计算机控制技术对配浆过程进行连续监控，注水泥设备向操作自动化、密度控制精确化方向发展。

复杂的地层固井技术日趋完善，研究开发了适应高压气井、低压易漏失井、多压力系统以及深井超深井高温固井配套技术。小井眼固井、水平井固井、分支井固井和大位移固井等特殊工艺井固井技术；研制开发了尾管悬挂器、双级(多级)注水泥器以及扶正器等；固井计算机模拟、仿真与监控技术，提高了固井方案设计、现场施工的准确性、针对性和科学性。

2、国内外固井技术进度情况

(1) 油井水泥与外加剂研究

1、基本水泥。

基本水泥增加了酸溶水泥、高细度水泥、波特兰水泥与高炉矿渣混合物、可储存液体水泥和合成树脂水泥。

2、外加剂

应用油井水泥外加剂已成为解决各种复杂固井问题、提高固井质量和保护油气层的主要技术手段。据美国统计，固井外加剂的用量占油田化学剂的38％。油井水泥外加剂主要进展:

• 研制开发了适应更宽温度和密度范围、抗盐和抗高温的高性能降失水剂

• 用于深水固井的特殊外加剂

• 泡沫水泥浆外加剂

• 改善水泥石性能的外加剂

• 满足特殊地质条件下的水泥外加剂

(2) 固井技术

1、CemCRETE固井技术

为解决异常压力固井问题，道威尔—斯伦贝谢公司于1998年底研究开发了CemCRETE技术。该技术基于混凝土水泥浆技术，利用颗粒级配原理，通过优化水泥及外掺料颗粒直径分布(PSD)，优选3种以上不同直径的颗粒，使单位体积内固相颗粒增加，尽量降低水泥浆水灰比，提高水泥石的抗压强度和降低水泥石的孔隙度和渗透率。

CemCRETE固井技术应用密度为1.20g/cm3的低密度水泥浆，24h抗压强度大于14MPa，水泥石的渗透率和孔隙度明显小于常规水泥浆阿曼石油开发公司(PDO)采用密度为2.40g/ cm3的高密度水泥浆技术成功地解决了Sarmad 油田井深为4800m的深井膏盐层的高压固井问题。

2、泡沫固井技术

哈里伯顿公司应用泡沫水泥浆替代常规漂珠低密度水泥浆固井取得了良好的现场应用效果。泡沫水泥浆由净浆、氮气、稳泡剂及水泥浆处理剂组成。国内通过研究，在水泥和配浆水中分别加入两种发泡剂，在混浆时发生化学反应生成氮气，通过稳泡剂使之形成稳定且相互独立的泡沫水泥浆，化学泡沫水泥浆在国内很多油田应用取得了较好的效果。

3、防窜固井技术

人们对环空气(水)窜的形成原因、影响因素、气窜的物理过程、预测方法及防气窜水泥浆体系做了大量的研究工作，先后研究开发了膨胀水泥、延缓胶凝水泥、触变水泥、可压缩水泥和非渗透乳胶水泥等多种防窜水泥浆体系。在防气窜水泥浆性能评价与预测研究方面，国内外有许多评价和预测水泥浆防气窜性能的模式与方法，它们考虑气井气层压力、浆体结构、水泥浆密度、返深等因素。可以有效地指导防气窜固井设计。

4、钻井液转化水泥浆(MTC)固井技术

该项固井技术是指在泥浆中加入一些可水化的材料，使钻井液可在一定条件下转变成具有一定强度的固井液的技术。该技术有利于提高固井质量，尤其是有助于改善第二界面胶结质量，自80年代研究应用以来，一度在固井界引起极大的关注，被认为是传统固井作业的一次革命。淡化了顶替效率及顶替技术。MTC的应用美国在开采了56年的某油田14口井中应用了多功能钻井液技术，结果表明，固井成功率从原来的28％提高到65％，单井成本节约8万美元。胜利、辽河、滇黔桂、长庆等许多油田已推广应用。

(三) 固井工具

为适应水平井、大位移井固井要求，美国哈里伯顿等公司相继研制开发了滚珠式刚性扶正器、井下启动刚性扶正器、套管漂浮接箍等。为解决漏失层、气层等特殊复杂地层固井问题，美国贝克—休斯公司研制开发了水泥浆膨胀的长裸眼封隔器，可通过水泥浆进行膨胀永久性封隔地层，取代注水泥作业，并能在封隔器上进行射孔作业，满足测试、生产需要。

为适应欠平衡钻井技术的需求，美国贝克公司研制开发了在欠平衡条件下，下入尾管专门井下装置，从而保证了全过程欠平衡作业的实施。遥控水泥头。减少了开挡销释放胶塞的时间，保证了施工的连续性。为解决水平井尾管固井中由于井斜大，造成座挂铜球无法到位实施憋压座挂的技术问题，国内研制开发了专门用于大斜度、水平井尾管固井的送球器。

(四) 水泥浆顶替技术

美国道威尔—斯伦贝谢公司提出了有效层流固井技术，在无法实现紊流的条件下采用有效层流固井技术取得了较好的现场应用效果。中石化石油钻井研究所针对深井不规则井眼水泥浆顶替效率低的技术问题，提出了紊流—塞流复合顶替技术，通过理论分析提出在不同井径条件下同时实现紊流和塞流的水泥浆流变性能要求以及相应的水泥浆流变性能设计方法。较好地解决了深井井眼不规则的固井问题。

(五) 注水泥计算机动态模拟与设计系统

国内外普遍研制开发了相应的注水泥动态模拟与设计系统，提高了固井设计的针对性和准确性。美国LANDMARK、道威尔—斯伦贝谢、哈里伯顿公司都拥有先进的固井设计及作业评价系统。

(六) 注水泥设备

美国是生产成套固井设备的主要厂家，主要包括哈里伯顿、道威尔—斯伦贝谢和BJ公司，中国主要是江汉石油管理局第四石油机器厂。水泥浆的密度最高可精确控制在2.64g/ cm3以内。

(七) 水泥浆实验仪器

为了适应固井技术不断发展的需求，国内外普遍加大了水泥浆实验仪器开发力度。除常规的失水仪、稠化仪、胶凝强度仪外，美国CHANDLER公司于2000年研究开发出了用于模拟和评价注水泥环空气窜的最新仪器—7150型水泥浆气窜模拟仪。

3、国内固井技术现状与发展趋势

(一)油井水泥与外加剂

从1990年开始，中国颁布了“油井水泥”新标准，淘汰了75、95和120℃老的水泥标准，已完成了油井水泥向API标准过渡，提高了油井水泥的质量。大庆油田为解决低温水泥石早强问题，与有关水泥生产厂家研究并应用了高铝水泥，取得了较好的效果。国内外的比较固井基本水泥研究与应用方面，主要表现在研究投入不足、基本水泥种类很少，且应用更少。

在油井水泥外加剂研究方面，中国经历了引进、仿制、自行研究和配套的过程。到目前为止，已形成了11大类100多个品种的水泥浆外加剂，基本满足了国内油田开发的需要。在分散剂、低温防气窜剂、常规性能降失水剂等性能方面已接近或达到国外先进水平。油井水泥外加剂方面的差距国内多数抗盐、抗高温外加剂适应120℃以上的外加剂种类很少且性能不稳定；对减少或防止高温强度衰退的硅质材料研究较少且质量不稳定；中国油井水泥外加剂普遍各自为政，配伍性较差；因投入关系，我国平均使用一吨油井水泥，外加剂消耗量为0.057吨，国外为 0.17吨。

(二) 常规固井技术

我国已完善了8种油藏14种固井技术，原来许多如尾管固井、双级固井、水平井固井等特殊固井工艺已普遍使用，逐步演变成常规固井技术。但与国外相比，我国在超低密度水泥浆固井、超高密度水泥浆固井、超深井超高温固井，等方面仍有较大差距。

(三) MTC固井技术

我国自1992年开始对MTC固井技术进行了大量的研究与应用工作，已全面掌握了钻井液转化为水泥浆的激活、性能控制和现场施工技术，现场已应用几百口。今后应进一步加强MTC水化机理研究和 MTC固化物高温高压及长期力学性能研究，简化现场施工工艺，拓宽其应用范围。

(四) 固井工具的研制与开发

尾管悬挂器、双级注水泥器、套管扶正器、套管外封隔器及常规的工具附件，基本满足了现场固井技术要求。固井工具质量及可靠性已接近国外产品水平。与国外相比，中国在可旋转的尾管悬挂器、带封隔器的尾管悬挂器、多级固井工具及大位移井固井的专用固井附件方面有较大差距。

（五）固井计算机模拟与设计软件

国内西南石油学院等单位研究开发了较先进的固井计算机模拟与设计软件。 国内各油田都有自己的固井设计软件。但软件的先进性、科学性及功能方面还需要提高。固井现场施工实时监测及作业评价系统应用还不广泛。

4、总结

固井技术一直是随着钻井技术的进步而发展的。现有的固井技术基本适应了油田勘探开发的需要。随着油气勘探开发的深入，固井技术也将得到进一步的完善和发展。