為了加固井壁,保證繼續安全鑽進,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開採過程中合理的油氣生產，在鑽成的井中下入高強度鋼質套管，並在井筒與套管環形空間中充填好水泥的過程，稱為固井作業。
固井是油氣井建井過程中的關鍵環節。與其他鑽井環節相比，固井作業具有明顯的特殊性。它是一次性作業，如果質量不好，一般情況下難以補救；它是隱蔽性作業，主要流程在井下，施工時不能直接觀察。質量往往決定於設計的準確性和準備工作的好壞，並受多種因素的綜合影響，還影響後續工程的進行；它是一項花費大的作業，套管費用約佔鑽井總成本的25%左右；它施工時間短、工序多、作業量大，是技術性很強的作業。顯然，固井質量的好壞是衡量一口井質量的重要指標。
固井技術的主要內容包括套管柱設計和注水泥工藝。本節將圍繞它們做介紹。
一、套管柱設計套管柱設計就是根據套管柱在井內的工作條件，選擇不同鋼級或不同壁厚的套管組成套管柱，使其所受外力與強度之間滿足一定的關係，以保證套管柱的安全性和經濟性。套管柱設計是鑽井工程師所必須掌握的基本功之一。
1.套管柱結構套管柱是由套管加裝一些特殊部件組合而成，以保證注水泥作業的順利進行。
1)套管套管是由高階合金鋼軋製而成的無縫鋼管。為了滿足不同的井身結構、工作條件對套管強度的要求，套管具有多種直徑、壁厚、鋼級和不同的連線方式。
套管直徑一般為114.3～508mm，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5.21mm，厚壁套管壁厚達16.1mm。顯然，對於一定的套管直徑，壁厚越大的套管強度越高。
不同鋼材製成的套管，強度是不一樣的。為了便於區別，用鋼級命名。中國產套管有D40、D55、D75三種鋼級，下標數字為鋼材的最小屈服極限，單位為kg/mm2。API標準套管的鋼級代號為N-80、C-95等，代號中的數字乘以1000即為套管的最小屈服強度值,單位為lb/in2。
大多數套管一端為外螺紋，另一端為內螺紋(加接箍),多為圓螺紋，每英寸6～8扣。為了加強連線強度，有些高強度套管採用梯形扣，每英寸5扣。
對於含硫酸鹽等腐蝕性流體的地層，應選用具有抗硫特性的套管。抗硫套管的化學成分控制嚴格，並經過特殊的熱處理。目前中國多采用日本產防硫套管，其防硫效能較好。
2)引鞋引鞋是由生鐵或鋁製成的圓錐形短節，上面布有旋流小孔。其作用是:(1)引導套管入井，防止套管插入井壁岩層;(2)注水泥時構成水泥漿的迴圈通道，水泥漿透過旋流小孔流出上返，提高頂替效率。固井後重新鑽進時，引鞋可以很容易鑽掉。
3)套管鞋套管鞋是接在引鞋之上的一個特殊短節，一般由套管接箍製成。下端加工成45°的內斜角，作用是起下鑽時防止鑽具接頭、鑽頭碰掛套管底部而損壞套管。同時,在測井時成為套管下入深度的測量標誌。
4)套管回壓閥套管回壓閥的主要作用是：(1)注水泥結束後防止高密度的水泥漿向套管內迴流；(2)下套管過程中增加套管柱的浮力，減輕鑽機大鉤的負荷；(3)因為回壓閥的球座擋板是注水泥膠塞的承託環，故其位置決定了水泥塞的長度及環空水泥漿的高度。
5)套管扶正器套管扶正器是裝在套管本體上的一種鋼製彈性裝置。作用是保證套管柱在井眼內居中，提高水泥與井壁的膠結質量。在井斜、方位變化較大的井內，尤其要注意加裝扶正器,並透過複雜的計算，合理選擇安裝個數及安裝位置。
套管柱除上述基本部件外，還有許多為適應不同要求而加裝的特殊部件，不再詳述。
2.套管柱設計方法下入井內的套管柱，在固井和以後的生產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。力學分析結果表明：軸向拉力在井口處最大，井底處為零，沿井深逐漸減小並呈直線分佈；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佈，如圖5-9所示。
圖5-9 套管柱結構及受力示意圖
套管本身具有一定的抵抗外載的能力，稱為強度。在軸向拉力作用下，套管具有抗拉強度；在外擠壓力作用下，套管具有抗擠強度。只要保證套管柱上任意截面處的套管強度大於外載，套管柱就是安全的。
由於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度的套管,構成強度兩頭大、中間小的套管柱，在保證套管柱安全的同時降低套管柱成本。按照這個原理設計的套管柱稱為複合套管柱。
二、注水泥工藝為了固定套管,封隔油層、氣層和水層，下套管後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築施工不同,要用泵把水泥漿送到地下幾百米甚至幾千米的井底，然後再返入管外的環隙，並把其中的鑽井液頂走。水泥要充滿整個環空，凝固硬化後，形成堅硬緻密的水泥環。這些特點決定了油井水泥與普通建築水泥的效能差別。要求油井水泥漿具有良好的流動性和適當的凝固時間,具有較高的早期強度。套管外的水泥環將長期與地下水接觸，應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號矽酸鹽水泥。將石灰石或石灰質的凝灰岩、粘土或頁岩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矽酸鹽為主要成分的熟料，再加入適量石膏,一起磨成一定細度的粉末便製成了這種油井水泥。由於井內的溫度和壓力隨井深的增加而升高，必須生產多種油井水泥，以適應不同井深條件的要求。
2)水泥漿效能的調節大量固井實踐證明：現有的多種油井水泥尚難充分滿足各種井下條件的要求，為此必須加入某些新增劑，用以進一步調節水泥漿的有關效能。
(1)密度的調節。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、矽藻土、粉煤灰、硬瀝青、膨脹珍珠岩等。採用低水灰比加減阻劑的方法也能得到高密度的水泥漿。
(2)稠化時間的調節。為了滿足施工時間的要求，有時需使用緩凝劑來延長水泥漿的稠化時間。常用的緩凝劑有丹寧酸鈉、龍膠粉、鐵鉻鹽、磺化丹寧、木質素磺酸鹽、酒石酸、羧甲基羥乙基纖維素以及一些複合物等。也可以用速凝劑縮短凝固時間。常用的速凝劑有氯化鈣、矽酸鈉、甲醯胺、氯化鉀以及半水石膏等。
(3)降失水劑。失水過多會引起:①水泥漿早稠、流動性驟降甚至堵塞環空，造成憋泵；②加快水泥漿柱壓力的降低；③泥頁岩吸水膨脹、剝落,影響油氣產量；④大量的自由水上返、影響水泥環的密封性。因此應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複合劑等。
(4)減阻劑。減阻劑又稱分散劑、紊流劑，屬於陽離子型表面活性物質。它只起表面物理化學作用，不與水泥發生水化反應。減阻劑具有潤溼、潤滑作用，可使水泥加快水化；能防止水泥漿先期脫水，並提高固井後的早期強度,能使水泥餅薄而不滲透，有利於保護油、氣層。
還有一些常用的水泥漿新增劑，可提高水泥漿的各種效能。如消泡劑能降低介面張力，抑制氣泡產生；石英粉常用於高溫井固井，可提高水泥石的抗腐蝕效能；鹽類能改善岩鹽層固井水泥的膠結強度等。
2.注水泥1)注水泥地面設備註水泥地面裝置有水泥儲灰罐、水泥車、水泥混合漏斗、壓風機組、水泥漿池等。根據注水泥工藝的要求，由水泥漿管線、水管線、氣管線將這些裝置相互連線起來，構成注水泥施工裝置。地面裝置中水泥車最為關鍵。用多少臺水泥車取決於儲灰罐的多少，即由注水泥的量決定。每增加一套水泥車，就要增加相應的其他裝置及管線。一般每兩三個儲灰罐配一臺壓風機組。
注水泥時，壓風機透過空氣管線把灰罐內的水泥吹入混合漏斗，同時清水也被泵入漏斗中與水泥混合形成水泥漿，進入水泥漿池。水泥車再將水泥漿吸入，透過管線泵送到水泥漿管匯。彙集所有水泥車泵送的水泥漿，送到井口水泥頭處，進行注水泥迴圈。
2)注水泥過程按設計將套管下到預定井深後，裝上水泥頭，迴圈鑽井液做好注水泥的準備工作。圖5-10為典型的雙膠塞注水泥施工程式。套管柱最上端的裝置是水泥頭，其內裝有上、下膠塞。下膠塞與隔離液一起將水泥漿與鑽井液隔開，防止鑽井液接觸水泥漿後影響其效能。套管柱最下端裝有引鞋以利於下套管。浮箍實際上是一個單向閥，用於防止環空中的水泥漿向管內倒流，並承坐膠塞。地面裝置準備就緒，即可開始注水泥施工。
圖5-10 注水泥工藝流程示意圖
1—壓力錶; 2—上膠塞; 3—下膠塞; 4—鑽井液; 5—浮箍 6—引鞋; 7—水泥漿; 8—隔離液; 9—鑽井液(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)，把井內的鑽井液與注入的水泥漿分隔開，並起沖洗井壁和套管壁的作用,如圖5-10(b)所示。
(2)開啟下膠塞擋銷、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水泥漿管匯、水泥頭注入套管內,如圖5-10(b)所示。
(4)水泥漿注完後，關閉注水泥漿通路，開啟上膠塞擋銷及頂部通路，用鑽井液將上膠塞頂入套管內,如圖5-10(c)所示。
(5)把鑽井液泵入套管內。這時，鑽井液推動上膠塞，上膠塞推動水泥漿，水泥漿推動下膠塞和隔離液，隔離液又推動著鑽井液。水泥漿到達井底後，由套管柱引鞋上的旋流小孔流出並沿著環形空間上返,如圖5-10(d)所示。
(6)碰壓。由於上膠塞是實心的，當它下行到浮箍或回壓閥座時，受阻不能繼續下行。這時泵壓猛增，從而可判斷水泥漿已頂到了預定位置，立即停泵，如圖5-10(e)所示。
注水泥過程結束後，需要關井候凝。一般要關井48h，等水泥漿在環空中凝結後，拆除水泥頭，進行聲波測井，檢查固井質量。如果質量合格，則安裝套管頭及井口裝置，下鑽鑽掉浮箍以下的水泥塞，隨後可進行下一次開鑽。
為了加固井壁,保證繼續安全鑽進,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開採過程中合理的油氣生產，在鑽成的井中下入高強度鋼質套管，並在井筒與套管環形空間中充填好水泥的過程，稱為固井作業。
固井是油氣井建井過程中的關鍵環節。與其他鑽井環節相比，固井作業具有明顯的特殊性。它是一次性作業，如果質量不好，一般情況下難以補救；它是隱蔽性作業，主要流程在井下，施工時不能直接觀察。質量往往決定於設計的準確性和準備工作的好壞，並受多種因素的綜合影響，還影響後續工程的進行；它是一項花費大的作業，套管費用約佔鑽井總成本的25%左右；它施工時間短、工序多、作業量大，是技術性很強的作業。顯然，固井質量的好壞是衡量一口井質量的重要指標。
固井技術的主要內容包括套管柱設計和注水泥工藝。本節將圍繞它們做介紹。
一、套管柱設計套管柱設計就是根據套管柱在井內的工作條件，選擇不同鋼級或不同壁厚的套管組成套管柱，使其所受外力與強度之間滿足一定的關係，以保證套管柱的安全性和經濟性。套管柱設計是鑽井工程師所必須掌握的基本功之一。
1.套管柱結構套管柱是由套管加裝一些特殊部件組合而成，以保證注水泥作業的順利進行。
1)套管套管是由高階合金鋼軋製而成的無縫鋼管。為了滿足不同的井身結構、工作條件對套管強度的要求，套管具有多種直徑、壁厚、鋼級和不同的連線方式。
套管直徑一般為114.3～508mm，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5.21mm，厚壁套管壁厚達16.1mm。顯然，對於一定的套管直徑，壁厚越大的套管強度越高。
不同鋼材製成的套管，強度是不一樣的。為了便於區別，用鋼級命名。中國產套管有D40、D55、D75三種鋼級，下標數字為鋼材的最小屈服極限，單位為kg/mm2。API標準套管的鋼級代號為N-80、C-95等，代號中的數字乘以1000即為套管的最小屈服強度值,單位為lb/in2。
大多數套管一端為外螺紋，另一端為內螺紋(加接箍),多為圓螺紋，每英寸6～8扣。為了加強連線強度，有些高強度套管採用梯形扣，每英寸5扣。
對於含硫酸鹽等腐蝕性流體的地層，應選用具有抗硫特性的套管。抗硫套管的化學成分控制嚴格，並經過特殊的熱處理。目前中國多采用日本產防硫套管，其防硫效能較好。
2)引鞋引鞋是由生鐵或鋁製成的圓錐形短節，上面布有旋流小孔。其作用是:(1)引導套管入井，防止套管插入井壁岩層;(2)注水泥時構成水泥漿的迴圈通道，水泥漿透過旋流小孔流出上返，提高頂替效率。固井後重新鑽進時，引鞋可以很容易鑽掉。
3)套管鞋套管鞋是接在引鞋之上的一個特殊短節，一般由套管接箍製成。下端加工成45°的內斜角，作用是起下鑽時防止鑽具接頭、鑽頭碰掛套管底部而損壞套管。同時,在測井時成為套管下入深度的測量標誌。
4)套管回壓閥套管回壓閥的主要作用是：(1)注水泥結束後防止高密度的水泥漿向套管內迴流；(2)下套管過程中增加套管柱的浮力，減輕鑽機大鉤的負荷；(3)因為回壓閥的球座擋板是注水泥膠塞的承託環，故其位置決定了水泥塞的長度及環空水泥漿的高度。
5)套管扶正器套管扶正器是裝在套管本體上的一種鋼製彈性裝置。作用是保證套管柱在井眼內居中，提高水泥與井壁的膠結質量。在井斜、方位變化較大的井內，尤其要注意加裝扶正器,並透過複雜的計算，合理選擇安裝個數及安裝位置。
套管柱除上述基本部件外，還有許多為適應不同要求而加裝的特殊部件，不再詳述。
2.套管柱設計方法下入井內的套管柱，在固井和以後的生產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。力學分析結果表明：軸向拉力在井口處最大，井底處為零，沿井深逐漸減小並呈直線分佈；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佈，如圖5-9所示。
圖5-9 套管柱結構及受力示意圖
套管本身具有一定的抵抗外載的能力，稱為強度。在軸向拉力作用下，套管具有抗拉強度；在外擠壓力作用下，套管具有抗擠強度。只要保證套管柱上任意截面處的套管強度大於外載，套管柱就是安全的。
由於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度的套管,構成強度兩頭大、中間小的套管柱，在保證套管柱安全的同時降低套管柱成本。按照這個原理設計的套管柱稱為複合套管柱。
二、注水泥工藝為了固定套管,封隔油層、氣層和水層，下套管後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築施工不同,要用泵把水泥漿送到地下幾百米甚至幾千米的井底，然後再返入管外的環隙，並把其中的鑽井液頂走。水泥要充滿整個環空，凝固硬化後，形成堅硬緻密的水泥環。這些特點決定了油井水泥與普通建築水泥的效能差別。要求油井水泥漿具有良好的流動性和適當的凝固時間,具有較高的早期強度。套管外的水泥環將長期與地下水接觸，應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號矽酸鹽水泥。將石灰石或石灰質的凝灰岩、粘土或頁岩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矽酸鹽為主要成分的熟料，再加入適量石膏,一起磨成一定細度的粉末便製成了這種油井水泥。由於井內的溫度和壓力隨井深的增加而升高，必須生產多種油井水泥，以適應不同井深條件的要求。
2)水泥漿效能的調節大量固井實踐證明：現有的多種油井水泥尚難充分滿足各種井下條件的要求，為此必須加入某些新增劑，用以進一步調節水泥漿的有關效能。
(1)密度的調節。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、矽藻土、粉煤灰、硬瀝青、膨脹珍珠岩等。採用低水灰比加減阻劑的方法也能得到高密度的水泥漿。
(2)稠化時間的調節。為了滿足施工時間的要求，有時需使用緩凝劑來延長水泥漿的稠化時間。常用的緩凝劑有丹寧酸鈉、龍膠粉、鐵鉻鹽、磺化丹寧、木質素磺酸鹽、酒石酸、羧甲基羥乙基纖維素以及一些複合物等。也可以用速凝劑縮短凝固時間。常用的速凝劑有氯化鈣、矽酸鈉、甲醯胺、氯化鉀以及半水石膏等。
(3)降失水劑。失水過多會引起:①水泥漿早稠、流動性驟降甚至堵塞環空，造成憋泵；②加快水泥漿柱壓力的降低；③泥頁岩吸水膨脹、剝落,影響油氣產量；④大量的自由水上返、影響水泥環的密封性。因此應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複合劑等。
(4)減阻劑。減阻劑又稱分散劑、紊流劑，屬於陽離子型表面活性物質。它只起表面物理化學作用，不與水泥發生水化反應。減阻劑具有潤溼、潤滑作用，可使水泥加快水化；能防止水泥漿先期脫水，並提高固井後的早期強度,能使水泥餅薄而不滲透，有利於保護油、氣層。
還有一些常用的水泥漿新增劑，可提高水泥漿的各種效能。如消泡劑能降低介面張力，抑制氣泡產生；石英粉常用於高溫井固井，可提高水泥石的抗腐蝕效能；鹽類能改善岩鹽層固井水泥的膠結強度等。
2.注水泥1)注水泥地面設備註水泥地面裝置有水泥儲灰罐、水泥車、水泥混合漏斗、壓風機組、水泥漿池等。根據注水泥工藝的要求，由水泥漿管線、水管線、氣管線將這些裝置相互連線起來，構成注水泥施工裝置。地面裝置中水泥車最為關鍵。用多少臺水泥車取決於儲灰罐的多少，即由注水泥的量決定。每增加一套水泥車，就要增加相應的其他裝置及管線。一般每兩三個儲灰罐配一臺壓風機組。
注水泥時，壓風機透過空氣管線把灰罐內的水泥吹入混合漏斗，同時清水也被泵入漏斗中與水泥混合形成水泥漿，進入水泥漿池。水泥車再將水泥漿吸入，透過管線泵送到水泥漿管匯。彙集所有水泥車泵送的水泥漿，送到井口水泥頭處，進行注水泥迴圈。
2)注水泥過程按設計將套管下到預定井深後，裝上水泥頭，迴圈鑽井液做好注水泥的準備工作。圖5-10為典型的雙膠塞注水泥施工程式。套管柱最上端的裝置是水泥頭，其內裝有上、下膠塞。下膠塞與隔離液一起將水泥漿與鑽井液隔開，防止鑽井液接觸水泥漿後影響其效能。套管柱最下端裝有引鞋以利於下套管。浮箍實際上是一個單向閥，用於防止環空中的水泥漿向管內倒流，並承坐膠塞。地面裝置準備就緒，即可開始注水泥施工。
圖5-10 注水泥工藝流程示意圖
1—壓力錶; 2—上膠塞; 3—下膠塞; 4—鑽井液; 5—浮箍 6—引鞋; 7—水泥漿; 8—隔離液; 9—鑽井液(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)，把井內的鑽井液與注入的水泥漿分隔開，並起沖洗井壁和套管壁的作用,如圖5-10(b)所示。
(2)開啟下膠塞擋銷、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水泥漿管匯、水泥頭注入套管內,如圖5-10(b)所示。
(4)水泥漿注完後，關閉注水泥漿通路，開啟上膠塞擋銷及頂部通路，用鑽井液將上膠塞頂入套管內,如圖5-10(c)所示。
(5)把鑽井液泵入套管內。這時，鑽井液推動上膠塞，上膠塞推動水泥漿，水泥漿推動下膠塞和隔離液，隔離液又推動著鑽井液。水泥漿到達井底後，由套管柱引鞋上的旋流小孔流出並沿著環形空間上返,如圖5-10(d)所示。
(6)碰壓。由於上膠塞是實心的，當它下行到浮箍或回壓閥座時，受阻不能繼續下行。這時泵壓猛增，從而可判斷水泥漿已頂到了預定位置，立即停泵，如圖5-10(e)所示。
注水泥過程結束後，需要關井候凝。一般要關井48h，等水泥漿在環空中凝結後，拆除水泥頭，進行聲波測井，檢查固井質量。如果質量合格，則安裝套管頭及井口裝置，下鑽鑽掉浮箍以下的水泥塞，隨後可進行下一次開鑽。