一、固井的目的
    在钻井过程中和钻井结束后，通常要将一种套管(钢质圆管)用带丝扣的接箍连接起来，逐根下入井内，并在套管和井壁环形空间灌注水泥，以达到巩固井壁和封隔地层等目的。
    固井工作一般包括下套管和注水泥两个部分，固井工作主要目的有三点：
1．巩固井壁，隔离复杂地层。
2．封隔油、气、水层以便选择性开采。
3．安装井口设备，控制高压油、气的流动。
二、井身结构

图1 井身结构示意图
1-表层套管，2-技术套管，3-油层套管，4-水泥
    井身结构示意图见图1。井身结构主要表示下套管的层次，各层套管的直径与下入深度，和各层套管直径相应的井眼直径，各层套管外水泥浆的返出高度。套管根据不同作用可分为以下三种：
1.表层套管。用以封隔上部不稳定的比较疏松的地层和水层。
2.技术套管。用以隔离难以控制的复杂地层。技术套管应争取不下或少下，以节约钻井成本。
3.油层套管。是每一口井的最后一层套管，用以正常生产油，气。
三、套管下部结构和配件
    为顺利下入套管，及使套管柱位于井眼中心，提高注水泥质量，在套管柱下部要配备必要的装置，称为套管下部结构，它见图2。主要包括：引鞋、套管鞋、旋流短节、承托环、回压凡尔和扶正器。

图2 套管下部结构
1.引鞋。是引导套管顺利下入之用，故要求头部作成流线型，引鞋开有长孔和圆孔，水泥浆通过该孔返出，为便于在固井完毕后把它钻掉，引鞋都用生铁、铝或硬质木料制成。引鞋上部丝扣与套管鞋联接时为公扣，与套管直接联接时用母扣。
2.套管鞋。其作用是起钻时引导钻杆接头及钻头等顺利进入套管柱内，表层套管及技术套管均须使用。套管鞋是用一只套管接箍将其一端车削成45°内斜角而成。
3.旋流短节。其作用是促使水泥浆外返时成旋流状，便于把套管鞋处的泥浆替出，提高水泥浆的封隔效果，避免水泥浆窜槽。旋流短节用套管短节制成，沿套管外圆钻8～9个斜孔，孔径为25～30毫米。
4.承托环及回压凡尔。承托环的作用是使套管内保留一定水泥高度，避免因顶替泥浆过量而出现套管鞋处无水泥的现象。在注水泥时，胶塞被泥浆推到承托环时遇阻，泵压突然上升，随即停泵。承托环用在油层套管处可用钢板制成，用在技术套管处则禁用钢板，必需用生铁制造，因为在固井完毕后需要继续钻井，这样承托环需要钻掉。承托环厚度为15～30毫米，丝扣部位处厚度应小于两节套管上紧后的间隙，以免影响套管丝扣的上紧，承托环与接箍的丝扣配合较松，要求能用手将其上到两节套管之间。为了防止水泥浆从丝扣处漏入套管内，可在承托环上加胶垫进行密封。
    回压凡尔的作用是在下套管时阻止泥浆进入套管内，以减轻套管柱重量，注水泥结束后，可防止套管外水泥浆流入套管内。简单的回压凡尔是在承托环下加一尼龙球或铝球，在外部用小圆钢作成罩篮以免球掉落。此种承托球及回压凡尔结构简单，加工方便，为油田普逼使用。另有一种为半球式回压凡尔，它是两块板用螺杆联接，中间有一半球杆，外套有弹簧，使半球杆从下方堵住承托环中心的圆孔。它大部分在技术套管中使用，为了便于钻掉，所采用的材料应以生铁、铜、铝等为主。
5.扶正器。其作用是使套管柱居于井眼中间，保证水泥浆在套管的四周分布均匀，它主要依靠弹簧片的弹力，将套管推离井壁，因此每隔一定长度就需放一对扶正器，在油层以上原则上不放置扶正器。
6.水力式套管悬挂器。由井身结构图1可以看出，油层套管和技术套管都是从井口下到井下的。在技术套管内的一段油层套管没有多少作用，为了节省达一段套管，有的单位已经采用水力式套管悬挂器，使油层套管悬挂在技术套管鞋以上50～100米处，其装置连接情况见图3。

图3 套管悬挂装置下套管示意图
1-钻杆，2-钻杆接头，3-水力式套管悬挂器，4-技术套管；5-油层套管，6-悬挂短接

图4 水力式套管悬挂器和悬挂短节
1-悬挂短接，2-球座，3、9、16-销钉，4-密封圈，5-套管胶塞座，6-凡尔球；7-油层套管；8-环形活塞，10一推杆；11-弹簧；12-锥体，13-卡瓦，14-套管胶塞；15-钻杆塞胶座；17-堵塞器胶筒，18-扶正器，19-反扣接头
    水力式套管悬挂器和悬挂短接结构，见图4。
    其操作过程是：先用钻杆把下层套管和套管悬挂器送到要悬挂的位置，再投入铜质凡尔球6，并用小泵量顶，当球落入套管柱下端的球座2时，泵压上升到45大气压，压力经锥体12上的小孔推动环形活塞8将销钉9剪断。压力继续上升时，环形活塞就压缩弹簧11，并经推杆10向上顶卡瓦13，卡瓦沿锥体的锥面胀开与技术套管卡紧。泵压继续上升到140大气压时，球座上的销钉3剪断，然后停泵，此时下层套管已挂在上层套管之上。缓慢转动上部钴杆，反扣接头19倒开，上提钻具使堵塞器胶筒17坐在扶正器18的喇叭口处，下放钻具加压5～8吨压紧堵塞器胶筒，使钻杆与套管之间实现密封，即可循环泥浆洗井和注水泥。注水泥毕，放入钻杆胶塞，泵入泥浆将水泥浆替出。当钻杆胶塞到达钻杆胶塞座15处，泵压升到60～70大气压时，销钉16剪断，钻杆胶塞与套管胶塞14一起下行。套胶胶塞与套管胶塞座5碰压后注水泥工作结束，静置10分钟上提钻杆5～20米，开泵循环，将多余水泥浆替出。最后把钻杆提出，固井结束。
7.套管外封隔器。采用套管外封隔器的目的，是提高油层套管的固井质量，防止在固井后的候凝阶段因油、气在高压下向水泥侵入而造成的窜槽现象。它安装在油层套管的油层以上部位，由胶皮筒和操作筒两部分组成。它在固井完毕后开始动作，当碰压后压力升高到一定值，操作筒内的销钉剪断，使套管内高压泥浆通过操作筒进入胶皮筒内腔，使胶皮筒紧贴井壁，把套管外的环形空间全部封死。以后套管内憋压150～200大气压候凝(封隔压力250大气压左右)。这样就避免了油、气向水泥侵入而造成的窜槽现象，同时对套管还有扶正作用，使固井质量提高。胶皮简有内外两层，中间用薄铁皮做成骨架。
四、注水泥设备
1.水泥混合漏斗见图5。水泥车水箱的水用柱塞泵打过来，从喷嘴中以高速成锥形喷出，造成漏斗下部真空，吸入水泥，与水混合成水泥浆，经出口管流入水泥池。调节进入漏斗的水量可调整水泥浆比重。

图5 水泥混合漏斗
1-漏斗，2-丝扣圈，3-水泥浆出口管，4-混合气体，5-喷嘴，6-清水入口管
2.分配器。它有低压分配器和高压分配器之分。低压分配器将清水经联结胶管分送各水泥车。高压分配器将各水泥车来的高压水泥浆汇总后注入水泥头，它由厚壁钢管、管接和锤击由壬组成，并经450大气压试压。
    目前油田为便于搬运及管线联结，将分配器及高低压管线等辅助工具另装在一个车上，当要使用时从车上卸下，这种车称为管汇车。

图6 水泥头
1-胶垫，2-水泥头盖子，3-水泥头体，4-胶塞，5-销子盘，6-盘根，7-挡销，8-盘根盒压盖；9-高压活接头凹头
3.水泥头。见图6，联结于套管联顶节之上。水泥浆从高压活接头9处注入井内，当水泥注完，替泥浆前打开挡销7，泥浆从顶端推动胶塞4下行，将水泥浆替出，胶垫1用来防止水泥头处漏失。水泥头是注水泥的重要设备，不能在注水泥过程中发生任何故障。水泥头应用厚壁钢管制作，焊缝处应试压。试压压力为工作压力的1．5倍，一般水泥头工作压力应为140，210，350大气压。
有一些油田还采用旋转水泥头进行固井，以便注水泥和替泥浆时能够转动或上下活动套管，从而提高固井质量。旋转水泥头主要由中心管、盘根、轴承和接头等组成，其结构原理比钻井用水龙头简单得多。
4.胶塞。主要作用是将泥浆与水泥浆隔开，刮净套管壁水泥浆，胶塞与承托环相碰使泵压上升(即所谓碰压)，保证了管内水泥塞高度。胶塞的最大直径比套管内径要大8～10毫米，它由胶皮碗及硬橡胶芯组成，共外形见图6件4。在150公斤／平方厘米的工作压力下，胶塞不能发生破裂和脱层等现象。
五、固井仪表和水泥性能测定仪器
1.固井仪表车
    当前国内固井采用的仪表很少。为了提高固井质量和避免固井事故，使油井能够长期稳定生产。各油田都自行设计制造了仪表车，以配合固井作业。下面介绍一种自制的固井仪表车，它的用途为：(1)正确计量固井时清水、水泥浆，替泥浆量。(2)在车顶上装有大屏幕灯光报量箱，将累计流量数据随时报出，供施工人员掌握。(3)设有自动记录仪，记录固井过程中瞬时及累计流量数据。仪表车上装有测定流量的二次仪表，包括显示部分和记录部分，装载车辆采用CA30A解放牌越野汽车一次仪表采用电磁涡轮流量计，共结构见图7。它接在分配器和水泥头之间，流体通过流量计时，推动叶轮3转动，切割磁钢9所形成的磁场的磁力线，使绕在磁钢上的线圈10的磁通量变化，感应产生脉冲电信号，经晶体管放大器11放大后，传送到二次仪表进行显示和记录。在仪表车上采用电磁流量计的规格是：叶轮直径78毫米，测量正常流量4立方米／分，最大流量5立方米／分，允许工作压力300公斤／平方厘米。

图7 电磁涡轮流量计
1-不锈钢壳体，2-轴承架，8-叶轮，4-尼龙轴套，5-轴，6-橡胶轴承，7-钢球，8-顶丝，9-电磁钢，10-线圈，1l-讯号放大器，12-止推块，13-卡簧
2.水泥性能测定仪器
    水泥性能测定的作用是检查、验收出厂的水泥是否符合规定标准，一般油井水泥主要参数有成分、粒度、流动度、养护温度，凝结时间，养护48小时后的抗折强度。测量这些参数的试验仪器是常用的一般材料试验机，这里不予细述。在固井现场施工中，主要要求水泥浆的比重保持在一定的范围内。测定水泥浆此重，采用测量钻井用泥浆比重的比重称，定时测量并记录。在深井中由于油井温度和压力都很高，在这种情况下，必须对水泥的稠化时间加以测定，对固井设计提供基础数据，避免引起固井事故的发生。测定稠化时间的仪器目前有NCH一75型油井水泥稠化时间试验仪。它用来测定水泥浆在指定的温度和压力下拌和过程中的可泵性即稠化时间。稠化时间的含意，是当仪器开动后水泥浆的稠度达到100泊所需要的时间，仪器可以模拟固井时水泥浆泵入环形空间过程的试验数据，给固井设计提供模拟试验数据，使在实际固井时，水泥浆有最好的流动性。
    仪器结构与性能：
    该仪器主要由高压釜体、增压泵、液压系统，釜盖起吊装置、箱体和电器测试系统组成。
    高压釜体是一个能承受所需要的温度和压力的容器，水泥浆试样放在体内的浆杯里，然后旋转浆杯，而水泥浆逐渐稠化，伸在水泥浆内的浆叶阻力就逐渐加大。把这个阻力矩转化为电位量，送出釜体由测试系统予以显示记录。增压泵是把低压空气增高到所需要的压力，升高温度采用电阻丝加热完成。
    NCH-75型水泥稠化时间试验仪的性能参数
(1)最高压力 1500公斤／平方厘米
(2)最高温度 150℃
(3)平均升温速度 3℃／分
(4)浆杯转速 150转／分
(5)增压动力(压缩空气)进气压力最大为 8公斤／平方厘米
(6)外形尺寸(长×宽×高) 800×900×l650毫米
(7)仪器重量 1000公斤