固井设计基础固井设计基础 固井设计是固井施工的依据，是设计固井设计是固井施工的依据，是设计者的业务水平、施工者的技术能力的集中者的业务水平、施工者的技术能力的集中体现。固井设计不仅是施工者进行作业的体现。固井设计不仅是施工者进行作业的指南，也是工程发包单位对固井施工的过指南，也是工程发包单位对固井施工的过程进行监控的强有力的工具，也就是说，程进行监控的强有力的工具，也就是说，固井设计不仅服务于乙方，也同时服务于固井设计不仅服务于乙方，也同时服务于甲方。甲方。 完全的固井设计要包含如下几个方面：完全的固井设计要包含如下几个方面：油井的基本情况包括井深、钻头尺寸、井径、泥浆密度、套管尺寸、套管下深、钻遇地层；管串结构；固井方案与技术措施；扶正器安放间距；水泥浆量与替浆量；冲洗液与隔离液量；水泥浆配方与性能；隔离液、冲洗液配方与性能；施工压力预测；施工步骤。平衡压力原则：在顶替与侯凝过程中，环平衡压力原则：在顶替与侯凝过程中，环空压力处于压力平衡状态，既不会压漏空压力处于压力平衡状态，既不会压漏地层，也不会使油气水窜入环空。地层，也不会使油气水窜入环空。数据准确、计算依据充分。数据准确、计算依据充分。技术措施要有针对性。技术措施要有针对性。对复杂问题的预见与处理能力。对复杂问题的预见与处理能力。地质知识：能够简要了解封固地层的地质知识：能够简要了解封固地层的物理化学特性。物理化学特性。油田化学知识：对泥浆体系性能和水油田化学知识：对泥浆体系性能和水泥浆体系与外加剂都应有了解。泥浆体系与外加剂都应有了解。力学知识：流体力学知识和材料力学力学知识：流体力学知识和材料力学知识。知识。机械知识：机械知识：工程设计要求：一般有水泥浆返深、需封固的产层顶部与底部深度与目的层性质等井身结构：井深、钻头尺寸、套管尺寸、套管下深套管选型：钢级、壁厚，套管性能数据可从钻井设计中得到泥浆性能：密度、流变性能等，从钻井泥浆日报表或班报表中获取钻遇地层：钻遇地层岩性、地层流体、地层压力、异常情况井眼参数：井径，由测井资料获取；井斜方位针对封固地层的特性、钻井中出现的异常问题及井眼结构制定固井方案和技术措施；对于气层要考虑采用防气窜水泥体系，并调整环空液柱结构以保证水泥浆失重以后能压稳气层；如果封固段有漏失层存在，则要考虑采用低密度水泥或双级固井；如果遇到膏盐层，则需要采用抗盐的含盐水泥体系或其它体系；确定顶替方案：如果不存在漏失层，建议采用紊流顶替，否则要通过计算来确定采用紊流、层流或塞流顶替方式；对于定向井，要注重扶正器的设计计算，确保套管的居中度不小于67%；井底静止温度若超过110，则水泥浆须假如高温稳定剂石英砂。水泥浆性能的基本要求：水泥浆性能的基本要求：能配置成设计要求的水泥浆，不沉降，不起泡；能配置成设计要求的水泥浆，不沉降，不起泡；有好的流动性，适宜的初始稠度，一般不大于有好的流动性，适宜的初始稠度，一般不大于30BC；常规密度水泥常规密度水泥24小时强度不小于小时强度不小于14Mpa，流变性能可通过外加剂进行调整；流变性能可通过外加剂进行调整；稠化时间满足施工要求，但不应太长，一般得水泥浆稠稠化时间满足施工要求，但不应太长，一般得水泥浆稠化时间现场施工时间化时间现场施工时间60-90min；对于浅井附加对于浅井附加30min左左右有助于提高固井质量。右有助于提高固井质量。失水量和游离液控制失水量和游离液控制失水量和游离水的控制失水量和游离水的控制失水量和游离水的控制失水量和游离水的控制失水：失水：失水：失水：套管注水泥：套管注水泥：套管注水泥：套管注水泥：100100200200ml/30minml/30min尾管注水泥：尾管注水泥：尾管注水泥：尾管注水泥：50-10050-100ml/30minml/30min气井固井：气井固井：气井固井：气井固井：30-5030-50ml/30minml/30min 游离水：游离水：游离水：游离水： 一般直井注水泥，游离液小于一般直井注水泥，游离液小于一般直井注水泥，游离液小于一般直井注水泥，游离液小于1.5%1.5%； 大大大大斜斜斜斜度度度度井井井井或或或或水水水水平平平平井井井井注注注注水水水水泥泥泥泥或或或或高高高高压压压压尤尤尤尤其其其其油油油油气气气气井井井井，游离液控制在游离液控制在游离液控制在游离液控制在0 0冲洗液：冲洗液：具有较低的基浆密度，一般在1.0-1.03g/cm3，如在冲洗液中加研磨性颗粒，密度要提高，但不能高于水泥浆密度；具有很低的粘度，基浆流型接近与牛顿型，有很低的紊流临界返速，一般在0.3-0.5m/s；能够明显降低钻井液的粘度和切力，对环空滞留的钻井液有一定的渗透力，降低粘土颗粒间的连接力，使钻井液或泥饼的结构松弛，拆散，易于顶替；应对粘土有一定的抑制性，以保持井壁稳定。隔离液隔离液紊流隔离液适宜于紊流顶替，应有较低的粘度和较低的紊流临界返速，一般要求紊流接触时间为8-10min，最低也需要有7min；粘性隔离液适宜于层流和塞流顶替，隔离液的粘度和切力应大于泥浆而小于水泥浆；隔离液的密度在较大范围内可以调节，一般要求介于泥浆和水泥浆之间；隔离液对加重剂要有悬浮能力，这样才能保持隔离液性能稳定；隔离液应具有温度稳定性，温度升高粘度不能降低或降低得很少，才能保持在高温下对加重剂的悬浮能力；隔离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减少地层损害。 参参参参数数数数计计计计算算算算包包包包括括括括：水水水水泥泥泥泥浆浆浆浆量量量量、前前前前置置置置液液液液量量量量、替替替替浆量、替浆排量和水力计算。浆量、替浆排量和水力计算。浆量、替浆排量和水力计算。浆量、替浆排量和水力计算。 一一一一般般般般水水水水泥泥泥泥浆浆浆浆量量量量要要要要在在在在按按按按实实实实际际际际井井井井径径径径计计计计算算算算的的的的水水水水泥泥泥泥浆浆浆浆量量量量的的的的基基基基础础础础上上上上附附附附加加加加一一一一定定定定量量量量，一一一一般般般般表表表表层层层层套套套套管管管管附附附附加加加加量量量量在在在在100%100%左左左左右右右右，技技技技术术术术套套套套管管管管和和和和油油油油层层层层套套套套管管管管一一一一般在般在般在般在10%10%左右，具体数据主要依据地区经验。左右，具体数据主要依据地区经验。左右，具体数据主要依据地区经验。左右，具体数据主要依据地区经验。需要对现场的具体材料、工具、设备和施工能力进行分析，因此，再进行固井设计时，还需考虑现有工具，现有设备的施工能力，以获得一个可行的设计和可行的设备、工具配套。固井现场设备：固井现场设备：水泥车、运灰车、储灰罐、压风机、工具车、管汇车地面工具：地面工具：水泥头、高压管线等井下工具：井下工具：尾管悬挂器、双级箍、浮鞋、浮箍、扶正器、水泥伞、管外封隔器等制定施工步骤要分两方面井队的准备与施制定施工步骤要分两方面井队的准备与施工配合、固井队的准备与施工。工配合、固井队的准备与施工。井队要完成的工作：井队要完成的工作：按固井设计下入套管和附件，下完套管，大按固井设计下入套管和附件，下完套管，大排量循环泥浆至少两周；排量循环泥浆至少两周；水、电供应和照明；水、电供应和照明；协助固井队安装井口工具；协助固井队安装井口工具；协助替浆计量，负责启动井队大泵替浆。协助替浆计量，负责启动井队大泵替浆。固井队固井队要完成的工作要完成的工作：做好施工人员的岗位分工和职责；做好施工人员的岗位分工和职责；按设计准备好敢干灰（与干混药品混好）与湿混药品；按设计准备好敢干灰（与干混药品混好）与湿混药品；准备入井好工具附加；准备入井好工具附加；准备好水泥车、水泥头等地面设备与工具；准备好水泥车、水泥头等地面设备与工具；套管下完以后，摆放车辆接管线准备施工；套管下完以后，摆放车辆接管线准备施工；按设计程序进行注水泥施工。按设计程序进行注水泥施工。完成以上的步骤之后，就可按规定的格式开始编写固井施工设计。（一）井（一）井温温的的计计算算井温是开展水泥浆实验的基本条件，水泥石抗压强度实验所用的温度一般采用井底静止温度，水泥浆稠化、失水及流变性等实验一般采用井底循环温度。井底静止温度：井底循环温度：经验公式：Te泥浆出口温度库式公式：使用条件：74T21251/100mGt4.45/100m计算平均井径通过读井径曲线，然后用加权平均法计算平均井径。还有一种方法就是将井径测井数据文件转换成文本文件，再由EXCEL读取，通过处理后，求平均值就可得到高精度的平均井径数据。水泥浆总量：环空水泥浆量计算，根具环空容积的计算方法分为两种方法一：先按裸眼段实际井径计算环空容量，再附加一定比例方法二：先给井径附加一定比例，然后计算裸眼环空容量套管尺寸不同附加系数不同，套管尺寸越大附加系数越大，以此来补偿计算误差。（三）水（三）水泥泥浆浆量量计计算算套管内水泥量计算式中di套管内径，mh水泥塞高度，m人工井底l人工井底长度，m干灰与配浆水量1m3水泥浆需用水泥量c水泥密度，g/cm3w配浆水密度，g/cm3s水泥浆密度，g/cm3（四）水泥浆流变性计算（四）水泥浆流变性计算水水泥泥浆浆属属非非牛牛顿顿流流体体，流流变变性性规规律律程程非非线线性性，能能够够近近似似描描述述水水泥泥浆浆流变性的流变方程有：宾汉方程、幂律方程。流变性的流变方程有：宾汉方程、幂律方程。宾汉方程宾汉方程计计算算塑塑性性和和动动切切力力需需要要用用六六速速粘粘度度计计进进行行实实测测，水水泥泥浆浆一一般般选选用用600r/min和和300r/min读读数数或或300r/min和和100r/min读读数数，而而前前置置液液一一般般采采用用600r/min和和300r/min读数。计算公式如下：读数。计算公式如下：（四）水泥浆流变性计算（四）水泥浆流变性计算幂律方程幂律方程计算公式如下：计算公式如下：判别宾汉和幂律模式的方法判别宾汉和幂律模式的方法如果如果B值在值在0.5之内，则流变参数可用宾汉模式计算，否则用幂律模式之内，则流变参数可用宾汉模式计算，否则用幂律模式采用何种流型进行顶替，将对提高顶替效率有着明显的作用，一般来说，采用紊流或塞流顶替效率较高。不同的顶替流型要求的顶替速度和顶替液体的性能是不一样的，因此，在进行注水泥设计时，首先应明确可采用的顶替流速范围，然后依据此流速范围，考虑水泥浆的性能的调节能力，选择合理的顶替流态，再进行水泥浆设计。一个合理的流速范围，应考虑如下几个方面：井眼的稳定性，是否有易漏、易坍塌等复杂地层，这些层位对环空返速的限制情况，这些数据可从区块或临井资料获得；正常钻井过程中的环空返速情况；裸眼段井径变化对返速的限制，如果井径变化较大，存在所谓的“大肚子”，一般要求返速不能太大，以免进一部冲蚀井壁；套管居中情况，当套管居中度不好时，应避免使用塞流顶替；井斜情况，大斜度井和水平井注水泥，应尽量避免使用塞流顶替；浆泵与注水泥设备的工作能力。顶替流态的选择主要是考虑在现有配浆能力下能否配出在上述流速范围内达到紊流或塞流状态的水泥和前置液，顶替流态的选择原则：首先考虑使用紊流进行顶替，如果不能实现紊流则考虑使用塞流或低速顶替；在两者均无法实现的情况下，尽量采用高速下的层流顶替，而且建议使用紊流前置液，以弥补水泥浆不能达到紊流的缺陷。目目前前关关于于流流动动计计算算的的方方法法比比较较多多，有有API推推荐荐方方法法，DOWELL计算方法等，在这里介绍计算方法等，在这里介绍API方法。方法。剪切速率剪切速率N旋转粘度计转数旋转粘度计转数,rpm剪切速率剪切速率,S-1粘度计刻度盘读数粘度计刻度盘读数剪切应力，剪切应力，Pa当量直径当量直径DE当量直径，当量直径，cmDH外管内径，外管内径，cmDP内管外径，内管外径，cm幂律模式幂律模式a.流变参数流变参数nn，n修正的流型指数修正的流型指数K修正的稠度系数，修正的稠度系数，mPaSnb.雷诺数雷诺数管内流动：管内流动：环空流动：环空流动：式中：式中：Re雷诺数雷诺数Q排量，排量，l/s流体密度，流体密度，g/cm3V流速，流速，m/s不同的幂律流体的n值，对应不同的临界雷诺数，决定流动是属于层流或是紊流。c.压力降计算压力降计算层流：层流：管内流动：管内流动：环空流动：环空流动：摩擦系数摩擦系数f的计算：的计算：式中：式中：f范宁摩擦系数；范宁摩擦系数；L流动长度，流动长度，m;P压力降，压力降，Mpa；紊流：紊流：摩擦系数可由右图查得，摩擦系数可由右图查得，压力降公式与层流相同。压力降公式与层流相同。d.紊流临界排量：流临界排量：管内：管内：环空：环空：e.塞流：塞流：根据现场经验，塞流条件根据现场经验，塞流条件Re100,则最大的允许排量是：则最大的允许排量是：管内：管内：环空：环空：宾汉模式宾汉模式a.郝斯数与雷诺数郝斯数与雷诺数右右图图给给出出了了层层流流区区宾宾汉汉流流体体的的雷雷诺诺数数Re对对应应摩摩阻阻系系数数f之之间间的的关关系系，郝郝斯数和雷诺数定义如下：斯数和雷诺数定义如下：管内：管内：环空：环空：b.压力降计算压力降计算摩阻系数可由上图牛顿流体的紊流线（粗黑线）和层流线摩阻系数可由上图牛顿流体的紊流线（粗黑线）和层流线He线（虚线（虚线）的焦点读出。获得线）的焦点读出。获得f值后，可采用式值后，可采用式（1818）、（）、（）、（）、（1919）计算压力降。计算压力降。c.临界雷诺数临界雷诺数上图中上图中He线和牛顿流体紊流线的交点即是临界雷诺数线和牛顿流体紊流线的交点即是临界雷诺数Rec。d.临界排量临界排量管内：管内：环空：环空：e.塞流允许的最大排量塞流允许的最大排量塞流控制的雷诺数为塞流控制的雷诺数为100管内：管内：环空：环空：（六（六）尾管固井有关计算尾管固井有关计算送放钻具总回缩距送放钻具总回缩距式中：L总回缩距，m；Li分别代表送放钻具在尾管作用下的伸长量、憋压引起的钻具伸长量和下压钻具的压缩量，m；Wi分别代表尾管浮重、憋压引起的作用力和下压钻具重力，N。其中，机械式尾管挂W2=0；液压式尾管挂W2=D2P/4；L送放钻具长度，m；K校正系数，一般取0.85-0.95；E钢的弹性模量，Gpa；一般取0.2095Gpa;A钻具截面积，mm2；D钻具内径，mm；P座挂所憋压力，Mpa。（六（六）尾管固井有关计算尾管固井有关计算憋压球在泥浆中的自由降落速度憋压球在泥浆中的自由降落速度式中：式中：V球自由下落速度，球自由下落速度，m/s；g重力加速度，重力加速度，9.80665m2/s；b球的密度，球的密度，Kg/l；m泥浆密度，泥浆密度，Kg/l；m泥浆的塑性粘度，泥浆的塑性粘度，mPasDb球的直径，球的直径，mm。双级箍位置的选择：式中：h双级箍位置，m；c水泥浆密度，kg/l；H井深，m。一个固井设计书基本上要包括以下内容：一个固井设计书基本上要包括以下内容：审核、审批意见钻井数据地质资料管串结构扶正器安放位置采取的工艺措施水泥浆设计前置液设计水泥浆量与替浆量设计注水泥流动设计（确定合理的施工参数）固井施工组织固井材料用量与设备工具准备复杂情况的预测与处理措施