為了加固井壁,保證繼續(xù)安全鉆進(jìn),封隔油層、氣層和水層，確保勘探期間的分層試油以及在整個(gè)開采過程中合理的油氣生產(chǎn)，在鉆成的井中下入高強(qiáng)度鋼質(zhì)套管，并在井筒與套管環(huán)形空間中充填好水泥的過程，稱為固井作業(yè)。

固井是油氣井建井過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。與其他鉆井環(huán)節(jié)相比，固井作業(yè)具有明顯的特殊性。它是一次性作業(yè)，如果質(zhì)量不好，一般情況下難以補(bǔ)救；它是隱蔽性作業(yè)，主要流程在井下，施工時(shí)不能直接觀察。質(zhì)量往往決定于設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和準(zhǔn)備工作的好壞，并受多種因素的綜合影響，還影響后續(xù)工程的進(jìn)行；它是一項(xiàng)花費(fèi)大的作業(yè)，套管費(fèi)用約占鉆井總成本的25%左右；它施工時(shí)間短、工序多、作業(yè)量大，是技術(shù)性很強(qiáng)的作業(yè)。顯然，固井質(zhì)量的好壞是衡量一口井質(zhì)量的重要指標(biāo)。

固井技術(shù)的主要內(nèi)容包括套管柱設(shè)計(jì)和注水泥工藝。本節(jié)將圍繞它們做介紹。

一、套管柱設(shè)計(jì)套管柱設(shè)計(jì)就是根據(jù)套管柱在井內(nèi)的工作條件，選擇不同鋼級(jí)或不同壁厚的套管組成套管柱，使其所受外力與強(qiáng)度之間滿足一定的關(guān)系，以保證套管柱的安全性和經(jīng)濟(jì)性。套管柱設(shè)計(jì)是鉆井工程師所必須掌握的基本功之一。

1.套管柱結(jié)構(gòu)套管柱是由套管加裝一些特殊部件組合而成，以保證注水泥作業(yè)的順利進(jìn)行。

1)套管套管是由高級(jí)合金鋼軋制而成的無縫鋼管。為了滿足不同的井身結(jié)構(gòu)、工作條件對(duì)套管強(qiáng)度的要求，套管具有多種直徑、壁厚、鋼級(jí)和不同的連接方式。

套管直徑一般為～508mm，也有更大的尺寸，共有十多種。常用的套管壁厚為8～13mm，薄壁套管壁厚僅，厚壁套管壁厚達(dá)。顯然，對(duì)于一定的套管直徑，壁厚越大的套管強(qiáng)度越高。

不同鋼材制成的套管，強(qiáng)度是不一樣的。為了便于區(qū)別，用鋼級(jí)命名。國產(chǎn)套管有D40、D55、D75三種鋼級(jí)，下標(biāo)數(shù)字為鋼材的最小屈服極限，單位為kg/mm2。API標(biāo)準(zhǔn)套管的鋼級(jí)代號(hào)為N-80、C-95等，代號(hào)中的數(shù)字乘以1000即為套管的最小屈服強(qiáng)度值,單位為lb/in2。

大多數(shù)套管一端為外螺紋，另一端為內(nèi)螺紋(加接箍),多為圓螺紋，每英寸6～8扣。為了加強(qiáng)連接強(qiáng)度，有些高強(qiáng)度套管采用梯形扣，每英寸5扣。

對(duì)于含硫酸鹽等腐蝕性流體的地層，應(yīng)選用具有抗硫特性的套管?？沽蛱坠艿幕瘜W(xué)成分控制嚴(yán)格，并經(jīng)過特殊的熱處理。目前我國多采用日本產(chǎn)防硫套管，其防硫性能較好。

2)引鞋引鞋是由生鐵或鋁制成的圓錐形短節(jié)，上面布有旋流小孔。其作用是:(1)引導(dǎo)套管入井，防止套管插入井壁巖層;(2)注水泥時(shí)構(gòu)成水泥漿的循環(huán)通道，水泥漿通過旋流小孔流出上返，提高頂替效率。固井后重新鉆進(jìn)時(shí)，引鞋可以很容易鉆掉。

3)套管鞋套管鞋是接在引鞋之上的一個(gè)特殊短節(jié)，一般由套管接箍制成。下端加工成45°的內(nèi)斜角，作用是起下鉆時(shí)防止鉆具接頭、鉆頭碰掛套管底部而損壞套管。同時(shí),在測(cè)井時(shí)成為套管下入深度的測(cè)量標(biāo)志。

4)套管回壓閥套管回壓閥的主要作用是：(1)注水泥結(jié)束后防止高密度的水泥漿向套管內(nèi)回流；(2)下套管過程中增加套管柱的浮力，減輕鉆機(jī)大鉤的負(fù)荷；(3)因?yàn)榛貕洪y的球座擋板是注水泥膠塞的承托環(huán)，故其位置決定了水泥塞的長(zhǎng)度及環(huán)空水泥漿的高度。

5)套管扶正器套管扶正器是裝在套管本體上的一種鋼制彈性裝置。作用是保證套管柱在井眼內(nèi)居中，提高水泥與井壁的膠結(jié)質(zhì)量。在井斜、方位變化較大的井內(nèi)，尤其要注意加裝扶正器,并通過復(fù)雜的計(jì)算，合理選擇安裝個(gè)數(shù)及安裝位置。

套管柱除上述基本部件外，還有許多為適應(yīng)不同要求而加裝的特殊部件，不再詳述。

2.套管柱設(shè)計(jì)方法下入井內(nèi)的套管柱，在固井和以后的生產(chǎn)過程中要受到各種外部載荷的作用,其中主要載荷為軸向拉力和外擠壓力。力學(xué)分析結(jié)果表明：軸向拉力在井口處最大，井底處為零，沿井深逐漸減小并呈直線分布；外擠壓力是井口最小，井底最大，沿井深逐漸增大也呈直線分布，如圖5-9所示。

圖5-9套管柱結(jié)構(gòu)及受力示意圖

套管本身具有一定的抵抗外載的能力，稱為強(qiáng)度。在軸向拉力作用下，套管具有抗拉強(qiáng)度；在外擠壓力作用下，套管具有抗擠強(qiáng)度。只要保證套管柱上任意截面處的套管強(qiáng)度大于外載，套管柱就是安全的。

由于套管柱的受力是兩頭大(井口最大軸向拉力，井底最大外擠力)中間小，因此可以選用不同強(qiáng)度的套管,構(gòu)成強(qiáng)度兩頭大、中間小的套管柱，在保證套管柱安全的同時(shí)降低套管柱成本。按照這個(gè)原理設(shè)計(jì)的套管柱稱為復(fù)合套管柱。

二、注水泥工藝為了固定套管,封隔油層、氣層和水層，下套管后必須在套管和井壁之間注入水泥。油氣井注水泥的方法與地面建筑施工不同,要用泵把水泥漿送到地下幾百米甚至幾千米的井底，然后再返入管外的環(huán)隙，并把其中的鉆井液頂走。水泥要充滿整個(gè)環(huán)空，凝固硬化后，形成堅(jiān)硬致密的水泥環(huán)。這些特點(diǎn)決定了油井水泥與普通建筑水泥的性能差別。要求油井水泥漿具有良好的流動(dòng)性和適當(dāng)?shù)哪虝r(shí)間,具有較高的早期強(qiáng)度。套管外的水泥環(huán)將長(zhǎng)期與地下水接觸，應(yīng)具有良好的不透水性和抵抗地下水腐蝕的能力。

1.油井水泥1)油井水泥分類目前常用的油井水泥主要是高標(biāo)號(hào)硅酸鹽水泥。將石灰石或石灰質(zhì)的凝灰?guī)r、粘土或頁巖以及少量的鐵礦石等，按一定的比例配成原料，在1450℃高溫下煅燒成為一種以硅酸鹽為主要成分的熟料，再加入適量石膏,一起磨成一定細(xì)度的粉末便制成了這種油井水泥。由于井內(nèi)的溫度和壓力隨井深的增加而升高，必須生產(chǎn)多種油井水泥，以適應(yīng)不同井深條件的要求。

2)水泥漿性能的調(diào)節(jié)大量固井實(shí)踐證明：現(xiàn)有的多種油井水泥尚難充分滿足各種井下條件的要求，為此必須加入某些添加劑，用以進(jìn)一步調(diào)節(jié)水泥漿的有關(guān)性能。

(1)密度的調(diào)節(jié)。常用的加重劑有重晶石粉、鈦鐵礦粉和方鉛石粉；常用的減輕劑有粘土、硅藻土、粉煤灰、硬瀝青、膨脹珍珠巖等。采用低水灰比加減阻劑的方法也能得到高密度的水泥漿。

(2)稠化時(shí)間的調(diào)節(jié)。為了滿足施工時(shí)間的要求，有時(shí)需使用緩凝劑來延長(zhǎng)水泥漿的稠化時(shí)間。常用的緩凝劑有丹寧酸鈉、龍膠粉、鐵鉻鹽、磺化丹寧、木質(zhì)素磺酸鹽、酒石酸、羧甲基羥乙基纖維素以及一些復(fù)合物等。也可以用速凝劑縮短凝固時(shí)間。常用的速凝劑有氯化鈣、硅酸鈉、甲酰胺、氯化鉀以及半水石膏等。

(3)降失水劑。失水過多會(huì)引起:①水泥漿早稠、流動(dòng)性驟降甚至堵塞環(huán)空，造成憋泵；②加快水泥漿柱壓力的降低；③泥頁巖吸水膨脹、剝落,影響油氣產(chǎn)量；④大量的自由水上返、影響水泥環(huán)的密封性。因此應(yīng)在水泥漿中加入合適的降失水劑。常用的降失水劑有羧乙基纖維素、羧甲基纖維素、羧乙基合成龍膠粉以及S-24復(fù)合劑等。

(4)減阻劑。減阻劑又稱分散劑、紊流劑，屬于陽離子型表面活性物質(zhì)。它只起表面物理化學(xué)作用，不與水泥發(fā)生水化反應(yīng)。減阻劑具有潤(rùn)濕、潤(rùn)滑作用，可使水泥加快水化；能防止水泥漿先期脫水，并提高固井后的早期強(qiáng)度,能使水泥餅薄而不滲透，有利于保護(hù)油、氣層。

還有一些常用的水泥漿添加劑，可提高水泥漿的各種性能。如消泡劑能降低界面張力，抑制氣泡產(chǎn)生；石英粉常用于高溫井固井，可提高水泥石的抗腐蝕性能；鹽類能改善巖鹽層固井水泥的膠結(jié)強(qiáng)度等。

2.注水泥1)注水泥地面設(shè)備注水泥地面設(shè)備有水泥儲(chǔ)灰罐、水泥車、水泥混合漏斗、壓風(fēng)機(jī)組、水泥漿池等。根據(jù)注水泥工藝的要求，由水泥漿管線、水管線、氣管線將這些設(shè)備相互連接起來，構(gòu)成注水泥施工裝置。地面設(shè)備中水泥車最為關(guān)鍵。用多少臺(tái)水泥車取決于儲(chǔ)灰罐的多少，即由注水泥的量決定。每增加一套水泥車，就要增加相應(yīng)的其他設(shè)備及管線。一般每?jī)扇齻€(gè)儲(chǔ)灰罐配一臺(tái)壓風(fēng)機(jī)組。

注水泥時(shí)，壓風(fēng)機(jī)通過空氣管線把灰罐內(nèi)的水泥吹入混合漏斗，同時(shí)清水也被泵入漏斗中與水泥混合形成水泥漿，進(jìn)入水泥漿池。水泥車再將水泥漿吸入，通過管線泵送到水泥漿管匯。匯集所有水泥車泵送的水泥漿，送到井口水泥頭處，進(jìn)行注水泥循環(huán)。

2)注水泥過程按設(shè)計(jì)將套管下到預(yù)定井深后，裝上水泥頭，循環(huán)鉆井液做好注水泥的準(zhǔn)備工作。圖5-10為典型的雙膠塞注水泥施工程序。套管柱最上端的裝置是水泥頭，其內(nèi)裝有上、下膠塞。下膠塞與隔離液一起將水泥漿與鉆井液隔開，防止鉆井液接觸水泥漿后影響其性能。套管柱最下端裝有引鞋以利于下套管。浮箍實(shí)際上是一個(gè)單向閥，用于防止環(huán)空中的水泥漿向管內(nèi)倒流，并承坐膠塞。地面設(shè)備準(zhǔn)備就緒，即可開始注水泥施工。

圖5-10注水泥工藝流程示意圖

1—壓力表; 2—上膠塞; 3—下膠塞; 4—鉆井液; 5—浮箍 6—引鞋; 7—水泥漿; 8—隔離液; 9—鉆井液(1)打隔離液。在注水泥漿前打入一定量的特種液體(一般為CMC溶液)，把井內(nèi)的鉆井液與注入的水泥漿分隔開，并起沖洗井壁和套管壁的作用,如圖5-10(b)所示。

(2)打開下膠塞擋銷、壓膠塞。下膠塞為中空，其頂部的橡膠膜在壓力作用下可破裂,如圖5-10(b)所示。

(3)用水泥車將混合好的水泥漿經(jīng)水泥漿管匯、水泥頭注入套管內(nèi),如圖5-10(b)所示。

(4)水泥漿注完后，關(guān)閉注水泥漿通路，打開上膠塞擋銷及頂部通路，用鉆井液將上膠塞頂入套管內(nèi),如圖5-10(c)所示。

(5)把鉆井液泵入套管內(nèi)。這時(shí)，鉆井液推動(dòng)上膠塞，上膠塞推動(dòng)水泥漿，水泥漿推動(dòng)下膠塞和隔離液，隔離液又推動(dòng)著鉆井液。水泥漿到達(dá)井底后，由套管柱引鞋上的旋流小孔流出并沿著環(huán)形空間上返,如圖5-10(d)所示。

(6)碰壓。由于上膠塞是實(shí)心的，當(dāng)它下行到浮箍或回壓閥座時(shí)，受阻不能繼續(xù)下行。這時(shí)泵壓猛增，從而可判斷水泥漿已頂?shù)搅祟A(yù)定位置，立即停泵，如圖5-10(e)所示。

注水泥過程結(jié)束后，需要關(guān)井候凝。一般要關(guān)井48h，等水泥漿在環(huán)空中凝結(jié)后，拆除水泥頭，進(jìn)行聲波測(cè)井，檢查固井質(zhì)量。如果質(zhì)量合格，則安裝套管頭及井口設(shè)備，下鉆鉆掉浮箍以下的水泥塞，隨后可進(jìn)行下一次開鉆。