一种固井环空浆柱结构的设计方法技术领域
本发明涉及油气开发技术领域，尤其涉及一种固井环空浆柱结构的设计方
法。
背景技术
固井过程中，套管与井壁环形空间中的钻井液、加重隔离液、冲洗液、缓
凝水泥浆、速凝水泥浆等浆体构成了固井环空浆柱结构，环空中各种浆体的密
度和高度不同，其静液柱压力也不同。在固井顶替施工过程中由于受环空摩阻
的影响，会产生一个对地层的压力；在速凝水泥浆凝固过程中，由于水泥浆水
化过程中的失重特性，其静液柱压力会减小，对地层产生的压力就会减小。环
空浆柱对地层所产生的压力大于破裂(漏失)压力，会发生水泥浆漏失，导致
水泥返高不够或污染油层；环空浆柱对油气层所产生的压力小于完钻钻井液对
油气层产生的压力(即溢流压力)，会发生油气窜槽，导致固井质量差。因此
要合理设计环空浆柱结构，即固井环空浆体的种类、密度和高度，确保环空浆
柱所产生的压力即不压漏地层，又能压稳油气层，取得良好的固井质量。
现有技术中公开了在分析国内外预测和防止气窜方法的基础上,应用水泥
浆浆体在环空的组成、气体防窜系数(GFP)、水泥浆稠度阻力系数(A)及多凝
水泥和环空加压等措施，拟定出一套提高水泥浆顶替效率，保证水泥浆动态和
静态过程压力平衡关系的具体方法。该方法主要是从环空浆体的流变性能以及
提高顶替效率等方面进行浆柱设计的，但在浆柱压力方面并没有考虑压力过大
导致地层漏失，凝固过程中水泥浆失重导致静液柱降低，以及顶替过程中产生
的环空摩阻的影响。
发明内容
本申请提供一种固井环空浆柱结构的设计方法，解决了现有技术中固井环
空浆柱压力影响因素等考虑不全的技术问题。
本申请提供一种固井环空浆柱结构的设计方法，所述设计方法包括：
计算所述环空浆柱对地层产生的最大压力Pmax，所述环空浆柱对地层产生
的最大压力Pmax是在固井施工顶替到位时的压力；
计算所述环空浆柱对油气层产生的最小压力Pmin，所述最小压力Pmin是在
凝固过程中速凝水泥浆失重时的压力；
根据所述最大压力Pmax和所述最小压力Pmin，确定环空浆柱结构是否合理。
优选地，所述最大压力Pmax＝P钻+P隔+P冲+P缓+P速+P摩；P某＝ρ某h某g；其
中，P钻为钻井液的静液柱压力，P隔为加重隔离液的静液柱压力，P冲为冲洗液
的静液柱压力，P缓为缓凝水泥浆的静液柱压力，P速为速凝水泥浆的静液柱压
力，P摩为顶替到位时的环空摩阻，P某为环空中某一浆体的静液柱压力，ρ某为
环空中某一浆体的密度，h某为环空中某一浆体的垂直高度。
优选地，所述最小压力Pmin＝P钻+P隔+P冲+P缓+P速失，其中，P速失为速凝水
泥浆失重时的静液柱压力。
优选地，所述根据所述最大压力Pmax和所述最小压力Pmin，确定环空浆柱
结构是否合理，具体包括：
在所述最大压力Pmax小于地层破裂(漏失)压力P破，所述最小压力Pmin
大于完钻时全井筒钻井液对地层的压力P完钻与压稳附加值A之和时，确定所述
环空浆柱结构合理。
优选地，所述根据所述最大压力Pmax和所述最小压力Pmin，确定环空浆柱
结构是否合理，具体包括：
在所述最小压力Pmin小于完钻时全井筒钻井液对地层的压力P完钻与压稳附
加值A之和时，确定所述环空浆柱结构不合理；
所述设计方法还包括：
在冲洗液前增加加重隔离液，或者增大缓凝水泥浆的密度，所述加重隔离
液的密度应大于所述钻井液密度。
优选地，所述根据所述最大压力Pmax和所述最小压力Pmin，确定环空浆柱
结构是否合理，具体包括：
在所述最小压力Pmin小于完钻时全井筒钻井液对地层的压力P完钻与压稳附
加值A之和时，确定所述环空浆柱结构不合理；
所述设计方法还包括：
在固井施工完成后，在井口环空施加附加压力P加，使得最小压力Pmin与
所述附加压力P加之和大于所述完钻时全井筒钻井液对地层的压力P完钻与压稳
附加值A之和。
优选地，所述根据所述最大压力Pmax和所述最小压力Pmin，确定环空浆柱
结构是否合理，具体包括：
在所述最大压力Pmax大于破裂(漏失)压力P破时，确定所述环空浆柱结
构不合理；
所述方法还包括：
降低所述加重隔离液的密度和高度，或降低所述缓凝水泥浆的密度，或增
加所述冲洗液的高度，或降低所述速凝水泥浆的密度。
本申请有益效果如下：
(1)该设计方法能够对环空浆柱结构相关的各种压力进行定量计算和对
比，所确定的浆柱结构不仅能够压稳油气层，还能够避免压漏地层，设计方法
更科学合理。
(2)该设计方法不仅计算了浆柱结构中水泥浆、冲洗液、加重隔离液、
钻井液等环空浆体的静液柱压力，还考虑了顶替过程中的环空摩阻、候凝过程
中水泥浆失重、固井施工后环空井口加压等因素，涉及对地层产生压力的影响
因素全面，设计结果更准确。
(3)该设计方法适应常规压力井、高压井、低压井、高低压共存井的浆
柱结构设计，适用范围更广。
(4)设计方法简单、计算过程简便，方便方案设计和现场施工人员掌握。
利用该设计方法对环空浆柱结构进行优化设计和定量计算，设计的浆柱结
构既能压稳油气层，又不压漏地层，设计方法更合理；浆柱压力考虑了环空摩
阻、水泥浆失重、井口加压等因素，设计结果更准确；该设计方法目前已在大
港油田的常规压力井、高压井、低压井上应用200余井次，未发生井漏和油气
上窜的现象，取得了较好的实施效果，有效指导了固井方案设计及现场施工。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施
例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅
仅是本发明的一些实施例。
图1为本申请较佳实施方式一种固井环空浆柱结构的设计方法的流程图；
图2为固井顶替到位时浆柱结构及产生压力情况示意图；
图3为速凝水泥浆失重时浆柱结构及产生压力情况示意图；
图4为环空加压时浆柱结构及产生压力情况示意图。
具体实施方式
本申请实施例通过提供一种固井环空浆柱结构的设计方法，解决了现有技
术中固井环空浆柱压力影响因素等考虑不全的技术问题。
本申请实施例中的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：
一种固井环空浆柱结构的设计方法，所述设计方法包括：
计算所述环空浆柱对地层产生的最大压力Pmax，所述环空浆柱对地层产生
的最大压力Pmax是在固井施工顶替到位时的压力；
计算所述环空浆柱对油气层产生的最小压力Pmin，所述最小压力Pmin是在
凝固过程中速凝水泥浆失重时的压力；
根据所述最大压力Pmax和所述最小压力Pmin，确定环空浆柱结构是否合理。
该设计方法能够对环空浆柱结构相关的各种压力进行定量计算和对比，所
确定的浆柱结构不仅能够压稳油气层，还能够避免压漏地层，设计方法更科学
合理。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方
式对上述技术方案进行详细的说明。
本申请提供一种固井环空浆柱结构的设计方法，所述设计方法包括以下步
骤：
步骤110：计算所述环空浆柱对地层产生的最大压力Pmax，所述环空浆柱
对地层产生的最大压力Pmax是在固井施工顶替到位时，即顶替液将所设计浆柱
的浆体全部顶替到井壁与套管环空时的压力。
所述环空浆柱对地层产生的压力情况如图2所示，所述最大压力Pmax按(1)
(2)式计算。
Pmax＝P钻+P隔+P冲+P缓+P速+P摩(1)
P某＝ρ某h某g(2)
式中：
Pmax为浆柱在顶替到位时对地层所产生的最大压力，MPa；
P钻为钻井液的静液柱压力，MPa；
P隔为加重隔离液的静液柱压力，MPa。具体地，按套管和井壁环空中依次
充满冲洗液、缓凝水泥浆、速凝水泥浆后剩余的钻井液长度计算高度，密度为
完钻时的钻井液密度。
P冲为冲洗液的静液柱压力，MPa。具体地，P冲可以按冲洗井段300-700m
计算高度，采用1.0g/cm3的密度。
P缓为缓凝水泥浆的静液柱压力，MPa。具体地，P缓可以按油气层顶界深
度与水泥返高要求计算高度，可采用1.50-2.10g/cm3的密度
P速为速凝水泥浆的静液柱压力，MPa。具体地，P速可以按封固油气层段
计算高度，可采用1.88-1.92g/cm3的常规密度。
P摩为顶替到位时的环空摩阻，MPa。顶替到位时的环空摩阻P摩可按现场
经验进行取值，一般为地层所在深度静水柱压力的4％-6％。
P某为环空中某一浆体的静液柱压力，MPa。
ρ某为环空中某一浆体的密度，g/cm3。
h某为环空中某一浆体的垂直高度，m。
顶替到位时的环空摩阻P摩可按现场经验取值或由专业软件计算。
步骤120：计算所述环空浆柱对油气层产生的最小压力Pmin；
所述环空浆柱对油气层产生的最小压力是在凝固过程中速凝水泥浆失重
时，即速凝水泥浆的密度降低为盐水密度时的压力Pmin。所述环空浆柱对地层
的压力情况如图3所示，所述最小压力Pmin按(3)式计算。
Pmin＝P钻+P隔+P冲+P缓+P速失(3)
式中：
Pmin为浆柱对油气层所产生的最小压力，MPa；
P速失为速凝水泥浆失重时的静液柱压力，MPa，速凝水泥浆失重时的密度
按1.03g/cm3计算。
步骤130：根据所述最大压力Pmax和所述最小压力Pmin，确定环空浆柱结
构是否合理。
具体地，在所述最大压力Pmax和所述最小压力Pmin满足式(4)和(5)时，
确定所述环空浆柱结构合理。
Pmax＜P破(4)
Pmin＞P完钻+A(5)
式中：
P破为地层破裂(漏失)压力，MPa；
P完钻为完钻时全井筒钻井液对地层的压力，MPa；
A为压稳附加值，MPa(一般取值为0.1MPa/100m)。
具体地，如果所述浆柱对油气层产生的最小压力Pmin＜P完钻+A，则说明目
前的浆柱结构不能压稳油气层，则需在冲洗液前增加加重隔离液，所述加重隔
离液的密度应大于所述钻井液密度，如图2所示，或者增大缓凝水泥浆的密度，
具体地，凝水泥浆的密度可采用1.91-2.10g/cm3；然后重复步骤110、120和
130，判断是否满足式(4)和(5)的要求。
另外，可以不采用调整浆柱中浆体的密度和高度方式，或者如果通过调整
浆柱中浆体的密度和高度，仍不能满足步式(4)和(5)的要求，可采用固井
施工完成后在井口环空施加附加压力P加，浆柱结构情况如图4所示，使得：
Pmin+P加＞P完钻+A
又，如果所述环空浆柱对地层的最大压力Pmax大于破裂(漏失)压力P破，
则说明目前的浆柱结构产生的压力会压漏地层，则需降低所述加重隔离液的密
度和高度，或降低所述缓凝水泥浆的密度，或增加所述冲洗液的高度，或降低
所述速凝水泥浆的密度；然后重复步骤110、120和130，判断是否满足式(4)
和(5)的要求。
以下举例对该方法进行说明：
例1：以XX-1井为例，对本发明的应用进行详细说明。
XX-1井，直井，完钻井深3000m，完钻钻井液密度为1.20g/cm3，地层破
裂(漏失)压力为54.9PMa，油气层井段为2700m-3000m，要求水泥返深至
2000m，固井施工顶替到位时的环空摩阻为1.5MPa，设计合理的固井环空浆柱
结构。
步骤一：确定顶替到位时浆柱对地层产生的最大压力。
1、速凝水泥浆静液柱压力：速凝水泥浆采用1.90g/cm3的常规密度，高度
为3000m-2700m＝300m。
P速＝1.90g/cm3×300m×9.8m/s＝5.59MPa
2、缓凝水泥浆静液柱压力：缓凝水泥浆采用1.90g/cm3的常规密度，高度
为2700m-2000m＝700m。
P缓＝1.90g/cm3×700m×9.8m/s＝13.03MPa
3、冲洗液静液柱压力：冲洗液采用1.0g/cm3的密度，冲洗长度设计为500m。
P冲＝1.0g/cm3×500m×9.8m/s＝4.90MPa
4、在暂不考虑使用加重隔离液情况下钻井液的压力：密度1.20g/cm3，高
度为3000m-300m-700m-500m＝1500m
P钻＝1.20g/cm3×1500m×9.8m/s＝17.64MPa
5、顶替到位时浆柱对地层产生的最大压力为：
Pmax＝P钻+P隔+P冲+P缓+P速+P摩＝17.64+4.90+13.03+5.59+1.5＝42.66MPa
步骤二：确定速凝水泥浆失重时浆柱对油气层产生的最小压力。
1、速凝水泥浆失重时的静液柱压力：速凝水泥浆失重时的密度按1.03
g/cm3计算，高度为3000m-2700m＝300m。
P速＝1.03g/cm3×300m×9.8＝3.03MPa
2、缓凝水泥浆、冲洗液、钻井液的静液柱压力计算同步骤一的2、3、4。
3、速凝水泥浆失重时浆柱对油气层产生的最小压力为：
Pmin＝P钻+P冲+P缓+P速失＝17.64+4.90+13.03+3.03＝38.60MPa
步骤三：合理环空浆柱结构的确定
1、对比顶替到位时浆柱对地层产生的最大压力和地层破裂(漏失)压力：
Pmax＝42.66MPa＜54.9MPa，即顶替到位时浆柱对地层产生的最大压力小于地层
破裂(漏失)压力，满足要求。
2、对比候凝过程中速凝水泥浆失重时浆柱对地层产生的最小压力和完钻
时钻井液对地层的压力(含压稳附加值)：
P完钻+A＝(1.20g/cm3×3000m×9.8m/s)+(3000m×1MPa/100m)
＝35.28+3.0＝38.28MPa
Pmin＝38.60MPa＞38.28MPa即候凝过程中速凝水泥浆失重时浆柱对地层
产生的最小压力能够压稳油气层，满足要求。
结论：
所设计的密度1.90g/cm3、高度300m的速凝水泥浆，密度1.90g/cm3、高
度700m的缓凝水泥浆，密度1.0g/cm3、高度500m的冲洗液，密度1.20g/cm3、
高度1500m的钻井液的环空浆柱结构，既能压稳油气层，又不压漏地层，能够
满足固井安全施工和确保固井质量的要求。
例2：以XX-2井为例，对本发明的应用进行详细说明。
XX-2井，直井，完钻井深3800m，完钻钻井液密度为1.40g/cm3，地层破
裂(漏失)压力为69.5PMa，油气层井段为3000m-3800m，要求水泥返深至
2500m，固井施工顶替到位时的环空摩阻为2.0MPa，设计合理的固井环空浆柱
结构。
步骤一：确定顶替到位时浆柱对地层产生的最大压力
1、速凝水泥浆静液柱压力：速凝水泥浆采用1.90g/cm3的常规密度，高度
为3800m-3000m＝800m。
P速＝1.90g/cm3×800m×9.8m/s＝14.90MPa
2、缓凝水泥浆静液柱压力：缓凝水泥浆采用1.90g/cm3的常规密度，高度
为3000m-2500m＝500m。
P缓＝1.90g/cm3×500m×9.8m/s＝9.31MPa
3、冲洗液静液柱压力：冲洗液采用1.0g/cm3的密度，冲洗长度设计为600m。
P冲＝1.0g/cm3×600m×9.8m/s＝5.88MPa
4、在暂不考虑使用加重隔离液情况下钻井液的静液柱压力：密度为
1.40g/cm3，高度为3800m-800m-500m-600m＝1900m。
P钻＝1.40g/cm3×1900m×9.8m/s＝26.07MPa
5、顶替到位时浆柱对地层产生最大压力为：
Pmax＝P钻+P冲+P缓+P速+P摩＝26.07+5.88+9.31+14.90+2.0＝58.16MPa
步骤二：确定速凝水泥浆失重时浆柱对油气层产生的最小压力
1、速凝水泥浆失重时的静液柱压力：速凝水泥浆失重时的密度按1.03g/cm3
计算，高度为3800m-3000m＝800m。
P速＝1.03g/cm3×800m×9.8m/s＝8.08MPa
2、缓凝水泥浆、冲洗液、钻井液的静液柱压力计算同步骤一的2、3、4。
3、速凝水泥浆失重时浆柱对油气层产生的最小压力为：
Pmin＝P钻+P冲+P缓+P速失＝26.07+5.88+9.31+8.08＝49.34MPa
步骤三：合理环空浆柱结构的确定
1、对比顶替到位时浆柱对地层产生的最大压力和破裂(漏失)压力。
Pmax＝58.16MPa＜69.5MPa，即顶替到位时浆柱对地层产生的最大压力小于
地层破裂(漏失)压力，满足要求。
2、对比候凝过程中速凝水泥浆失重时浆柱对油气层的最小压力和完钻时
钻井液对地层的压力(含压稳附加值)：
P钻+A＝(1.40g/cm3×3800m×9.8m/s)+(3800m×1MPa/100m)
＝52.14+3.8＝55.94MPa
Pmin＝49.34MPa＜55.94MPa即不能压稳油气层。
3、在浆柱结构中的冲洗液前增加密度为2.0g/cm3，高度为700m的加重隔
离液，按步骤一、步骤二重新进行计算：
(1)加重隔离液的静液柱压力：P隔＝2.0g/cm3×700m×9.8m/s＝13.72MPa
(2)钻井液的静液柱压力：
P钻＝1.40g/cm3×(3800m-800m-500m-600m-700m)×9.8m/s＝16.46MPa
(3)顶替到位时浆柱对地层产生的最大压力：
Pmax＝P钻+P隔+P冲+P缓+P速+P摩＝16.46+13.72+5.88+9.31+14.90+2.0＝
62.27MPa
(4)候凝过程中速凝水泥浆失重时浆柱对油气层的最小压力：
Pmin＝P钻+P隔+P冲+P缓+P速失＝16.46+13.72+5.88+9.31+8.08＝53.45MPa
(5)对比顶替到位时浆柱对地层产生的最大压力和破裂(漏失)压力：
Pmax＝62.27MPa＜69.5MPa，即顶替到位时浆柱对地层产生的最大压力小于
地层破裂(漏失)压力，满足要求。
对比候凝过程中水泥浆失重时浆柱对油气层产生的最小压力和完钻时钻
井液对油气层的压力(含压稳附加值)：
Pmin＝53.45MPa＜55.94MPa即仍不能压稳油气层。
4、由于浆柱对地层产生的最大压力已接近破裂(漏失)压力，不宜采用
增加浆柱静液柱压力的方法来增加失重后的最小压力，可采用固井施工后井口
环空施加3.0MPa附加压力的方法实现压稳油气层：
(1)顶替到位后井口加压时浆柱对地层产生的最大压力：Pmax＝P钻+P隔+P
冲+P缓+P速+P加＝16.46+13.72+5.88+9.31+14.90+3.0＝63.27MPa
(2)候凝过程中井口加压速凝水泥浆失重时浆柱对油气层的最小压力：
Pmin＝P钻+P隔+P冲+P缓+P速失+P加＝16.46+13.72+5.88+9.31+8.08+3.0＝56.45MPa
(3)对比顶替到位后井口加压时浆柱对地层产生的最大压力和破裂(漏
失)压力：
Pmax＝63.27MPa＜69.5MPa，即顶替到位后井口加压时浆柱对地层产生的最
大压力小于地层破裂(漏失)压力，满足要求。
对比候凝过程中井口加压水泥浆失重时浆柱对油气层产生的最小压力和
完钻时钻井液对油气层的压力(含压稳附加值)：
Pmin＝56.45MPa＞55.94MPa即能够压稳油气层。
5、结论：
所设计的密度1.90g/cm3、高度800m的速凝水泥浆，密度1.90g/cm3、高
度500m的缓凝水泥浆，密度1.0g/cm3、高度600m的冲洗液，密度2.0g/cm3、
高度700m的加重隔离液，密度1.40g/cm3、高度1200m的钻井液的浆柱结构，
以及井口环空加压3.0MPa，既能压稳油气层，又不压漏地层，能够满足固井
安全施工和确保固井质量的要求。
与现有固井环空浆柱设计方法相比，本发明具有如下优点：
(1)该设计方法能够对环空浆柱结构相关的各种压力进行定量计算和对
比，所确定的浆柱结构不仅能够压稳油气层，还能够避免压漏地层，设计方法
更科学合理。
(2)该设计方法不仅计算了浆柱结构中水泥浆、冲洗液、加重隔离液、
钻井液等环空浆体的静液柱压力，还考虑了顶替过程中的环空摩阻、候凝过程
中水泥浆失重、固井施工后环空井口加压等因素，涉及对地层产生压力的影响
因素全面，设计结果更准确。
(3)该设计方法适应常规压力井、高压井、低压井、高低压共存井的浆
柱结构设计，适用范围更广。
(4)设计方法简单、计算过程简便，方便方案设计和现场施工人员掌握。
利用该设计方法对环空浆柱结构进行优化设计和定量计算，设计的浆柱结
构既能压稳油气层，又不压漏地层，设计方法更合理；浆柱压力考虑了环空摩
阻、水泥浆失重、井口加压等因素，设计结果更准确；该设计方法目前已在大
港油田的常规压力井、高压井、低压井上应用200余井次，未发生井漏和油气
上窜的现象，取得了较好的实施效果，有效指导了固井方案设计及现场施工。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基
本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要
求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发
明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及
其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。