钻井工程设计的主要内容与方法(上)

内容1、钻机选型四、钻井设计的主要内容和方法2、井身结构设计3、复杂结构井设计4、钻井液油气层保护设计5、固井设计6、井控设计钻井工程设计主要内容和方法钻机选型依据钻井施工中的最大载荷，结合地质环境，钻井工艺、井口装置确定钻机类型。选用钻机需满足以下两个条件：（1+M）×最大钻柱重量﹤钻机最大钻柱重力；1.33×（1+M）×最大套管柱重量﹤钻机最大载荷。井场道路按SY/T5466—2004《钻前工程及井场布置技术要求》井间道路宽度大于4m,高度大于0.3m。钻井工程设计主要内容和方法钻机选型钻前工程相关内容需要专题交流钻井工程设计主要内容和方法钻机选型井身结构设计不仅关系到安全钻井,而且对钻井效益的提高有着特别重要的意义,它一直是近代钻井工艺的重要课题之一。井身结构设计是钻井方案的核心，直接成本占钻井总成本的20％以上，同时与周期有关的钻井成本亦即确定。19%23%4%2%6%5%41%服务费用套管及附件钻具水泥及添加剂钻井液钻前工程费用钻机费用水平井成本构成直井成本构成7%21%6%2%5%7%52%服务费用套管及附件钻具水泥及添加剂钻井液钻前工程费用钻机费用钻井工程设计主要内容和方法井身结构设计井身结构设计的主要内容：1、套管层次及各层套管的下深；2、井眼尺寸与各层套管的配合间隙；3、各层套管的水泥返深。钻井工程设计主要内容和方法井身结构设计井身结构设计的原则符合当地法律、法规，满足安全、环境、健康体系的要求。有利于发现、认识和保护油气层。采用经济实用的方法，努力实现安全、优质、高效钻井。钻井工程设计主要内容和方法井身结构设计井身结构设计的依据钻井地质设计。完井方式和井眼尺寸要求。邻井实钻资料。钻井工艺及钻井液技术水平。井位附近河流河床底部深度、作为饮用水水源的地下水底部深度、地下矿产采掘区开采层深度、开发调整井的注水（汽）层位深度。钻井技术标准和其它法律、法规的要求。钻井工程设计主要内容和方法井身结构设计基本思路是平衡各种地层压力井筒内压力地层压力钻井工程设计主要内容和方法井身结构设计孔隙压力坍塌压力漏失压力破裂压力BreakoutMW钻井工程设计主要内容和方法井身结构设计井壁坍塌井壁破裂(漏失)井喷若压力不平衡，严重影响了钻井的速度、质量及油田开发的综合经济效益，甚至危及施工安全。钻井工程设计的基本出发点就是保持压力平衡。钻井工程设计主要内容和方法井身结构设计孔隙压力坍塌压力裂纹漏失压力破裂压力BreakoutMW在目前工艺水平下始终保持井筒压力在坍塌压力与裂纹漏失压力之间。孔隙压力坍塌压力漏失压力破裂压力BreakoutMW在目前工艺水平下始终保持井筒压力在坍塌压力与漏失压力之间。钻井工程设计主要内容和方法井身结构设计井身结构设计参数地质环境工艺水平流体性质物性参数地层岩性设备状况操作水平钻井方式钻井工程设计主要内容和方法井身结构设计石油钻井过程中，起下钻或下套管作业时将在井眼内产生的波动压力，下放管柱产生激动压力(surgepressure)，上提管柱产生抽吸压力(swabpressure)。由于现代井身结构设计方法是建立在井眼与地层间的压力平衡基础上的，因此，这种由起下钻或起下套管引起的井眼压力波动势必要引入到井身结构设计中。抽吸压力发生在井内起钻时，其结果是降低有效井底压力，激动压力产生于下钻及下套管时，其结果是增大有效井底压力。在倾斜井眼中，井眼抽吸压力和激动压力是随测深增加的。在其他条件相同时，大斜度和水平井眼中，单位长度井段的波动压力比单位长度直井眼的波动压力小。波动压力的影响在井身结构设计中是以当量钻井液密度的形式引入的，而当量钻井液密度与井内压力的关系是通过垂深来换算的。抽汲压力当量密度Sb激动压力当量密度Sg一般取（0.015～0.040）g/cm3钻井工程设计主要内容和方法井身结构设计•原标准为“地层破裂安全增值”Sf是考虑地层破裂压力预测可能的误差而设的安全系数，它与破裂压力预测的精度有关。在直井中美国取Sf=0.02g/cm3，中原油田取Sf=0.024g/cm3；我们在设计中，可根据对地层破裂压力预测或测试结果的信心程度来定。测试数据（漏失试验）较充分、生产井或在地层破裂压力预测中偏于保守时，Sf取值可小一些；而在测试数据较少、探井或在地层破裂压力预测中把握较小时，Sf取值需大一些。地层破裂压力当量密度安全允许值Sf一般取0.03g/cm3钻井工程设计主要内容和方法井身结构设计•Sk表示井涌的风险程度，根据估计的最大井涌地层的压力与钻井液密度的差别来确定，该值也取决于现场控制井涌的能力，设备技术条件较好时，可取低值。而且，风险较大的是高压气层和浅层气，高压水层控制起来较容易。溢流允许值Sk根据井控技术水平确定，一般取（0.05～0.10）g/cm3钻井工程设计主要内容和方法井身结构设计裸眼中，钻井液液柱压力与地层孔隙压力的差值过大时，除使机械钻速降低外，也是造成压差卡钻的直接原因，这会使下套管过程中发生压差卡套管事故，使已钻成的井眼无法进行固井和下套管作业。造成卡钻的原因很多，除压差外，地层条件、泥饼质量、钻具在井下静止时间、还有井眼不均匀扩大、不规则曲率变化、键槽、井眼清洁程度等，特别是在高渗透地层、钻井液失水较大并且钻具在井下长期静止时容易发生卡钻。正常压力地层压差卡钻临界值△Pn一般取（12～15）MPa，异常压力地层压差卡钻临界值△Pa一般取（15～20）MPa钻井工程设计主要内容和方法井身结构设计对于国内大多数油田，特别是东部油田，正常地层压力一般在上第三系地层，属高渗疏松沙泥岩互层，因此，规定正常地层压力压差卡钻临界值比异常地层压力压差卡钻临界值要小。在倾斜井眼中，由于钻具倾向于与井壁接触，卡钻事故更易发生。各个地区，由于地层条件、所采用的钻井液体系、钻井液性能、钻具结构、钻井工艺措施有所不同，因此压差允许值也不同，应通过大量的现场统计获得。正常压力地层压差卡钻临界值△Pn一般取（12～15）MPa，异常压力地层压差卡钻临界值△Pa一般取（15～20）MPa钻井工程设计主要内容和方法井身结构设计根据地质提供的资料，钻井液密度设计以各裸眼井段中的最高地层孔隙压力当量钻井液密度值为基准，另加一个安全附加值：油井、水井为0.05g/cm3～0.10g/cm3或控制井底压差1.5MPa～3.5MPa；气井为0.07g/cm3～0.15g/cm3或控制井底压差3.0MPa～5.0MPa。具体选择密度安全附加值时，应根据实际情况考虑下列影响因素：地层孔隙压力预测精度；油层、气层、水层的埋藏深度；地层油气中硫化氢的含量；地应力和地层破裂压力；井控装置配套情况。钻井液密度附加值△ρ执行SY/T6426－20053.4条规定。钻井工程设计主要内容和方法井身结构设计具体选择钻井液安全附加密度值和安全附加压力值时，所考虑的影响因素中，“地层油气中硫化氢的含量”在SY/T5087中作了明确规定：“钻开高含硫地层的设计钻井液密度，其安全附加密度在规定的范围内……或附加井底压力在规定的范围内应取上限值。”其目的就是不让硫化氢溢流进入井筒，尽量减少硫化氢对套管、钻杆、钻井液以及返出地面后对作业人员造成伤害。钻井液密度附加值△ρ执行SY/T6426－20053.4条规定。钻井工程设计主要内容和方法井身结构设计•最小液柱压力当量密度大于或等于裸眼井段的最大地层孔隙压力当量密度，见式（1）••ρm——钻井液密度，g/cm3；•ρpmax——裸眼井段最大地层孔隙压力当量密度，g/cm3；•△ρ——钻井液密度附加值，g/cm3。钻井液密度maxpm钻井工程设计主要内容和方法井身结构设计•考虑地层坍塌压力对井壁稳定的影响，确定裸眼井段的最大钻井液密度，见式（2）•ρmmax——裸眼井段最大钻井液密度，g/cm3；•ρpmax——裸眼井段最大地层孔隙压力当量密度，g/cm3；•△ρ——钻井液密度附加值，g/cm3；•ρcmax——裸眼井段最大地层坍塌压力当量密度，g/cm3。钻井液密度maxmaxmax,maxcpm钻井工程设计主要内容和方法井身结构设计正常作业时最大井内压力当量密度见式（3）••ρbnmax——正常作业最大井内压力当量密度，g/cm3；•ρmmax——裸眼井段最大钻井液密度，g/cm3；•Sg——激动压力当量密度，g/cm3。最大井内压力当量密度gmbnSmaxmax钻井工程设计主要内容和方法井身结构设计发生溢流关井时最大井内压力当量密度见式（4）•式中：•ρbamax——发生溢流关井时最大井内压力当量密度，g/cm3；•ρmmax——裸眼井段最大钻井液密度，g/cm3；•Dm——裸眼井段最大地层孔隙压力当量密度对应的顶部井深，m；•Dx——裸眼井段最浅井深，m；•Sk——溢流允许值，g/cm3。最大井内压力当量密度kxmmbaSDDmaxmax钻井工程设计主要内容和方法井身结构设计•安全地层破裂压力当量密度见式（5）•式中：•ρff——安全地层破裂压力当量密度，g/cm3；•ρf——地层破裂压力当量密度，g/cm3；•Sf——地层破裂压力当量密度安全允许值，g/cm3。安全地层破裂压力当量密度ffffS钻井工程设计主要内容和方法井身结构设计•压力平衡约束条件•裸眼井段内某一深度处的压力当量密度ρb应小于或等于裸眼井段最小安全地层破裂压力当量密度ρffmin，见式（6）即：•式中：•ρb——裸眼井段内某一深度处的压力当量密度，g/cm3；•ρffmin——裸眼井段最小安全地层破裂压力当量密度，g/cm3。约束条件minffb钻井工程设计主要内容和方法井身结构设计压差卡钻约束条件钻井作业过程中，钻井液液柱压力与地层孔隙压力最大压差不大于△Pn或△Pa，即：△P=0.00981×（ρmmax－ρpmin)×Dn≤△Pn（△Pa)……………………⑺式中：△P——钻井液柱压力与地层孔隙压力最大压差，MPa；ρmmax——裸眼井段最大钻井液密度，g/cm3；ρpmin——裸眼井段正常或最小地层孔隙压力当量密度，g/cm3；Dn——最深正常地层孔隙压力当量密度或最深最小地层孔隙压力当量密度对应井深，m；△Pn——正常压力地层压差卡钻临界值，MPa；△Pa——异常压力地层压差卡钻临界值，MPa。约束条件钻井工程设计主要内容和方法井身结构设计传统井身结构设计方法（自下而上的设计方法）以两条压力剖面（地层孔隙压力和地层破裂压力）为根据,从下而上确定下入深度,再由约束条件进行调节的设计方法。原标准规定了这种设计方法，并在常规井中被广泛采用。传统的设计方法，可以确定每层套管的最小下深，经济性高，适用于勘探开发比较成熟的地区。05001000150020002500300035000.511.522.53钻井工程设计主要内容和方法井身结构设计对于深井、超深井，尤其是新探区的第一口井的井身结构设计，对下部地层的特性了解不充分，存在地质数据的不确定性。地质数据不确定性地层压力体系的不确定性地层产状和岩性的不确定性分层深度和完井深度的不确定性地层压力体系的不确定性给井身结构设计带来极大的困难,地层的孔隙压力和破裂压力是确定井身结构的基础,是决定一口井的成败关键,地层压力体系的不确定性有可能导致在同一井段打开多个不同的压力系统,极易引发井下事故。井下地层的岩性与状态,决定着井下复杂情况的严重程度,在地质预告不准确导致事先准备不足或没有准备,无法及时采取较为准确的钻井技术措施。地层分层深度和完井深度的不确定性不但影响每一层套管的下入深度,也影响着钻井液密度的合理选取,决定着复杂层段能否被技术套管完全封隔。钻井工程设计主要内容和方法井身结构设计自上而下的井身结构设计方法深部地层压力的不确定性，使井身结构设计难以应用这种传统的方法自下而上合理地确定每层套管的下入深度。石油大学管志川教授对传统井身结构设计方法讲行改进,形成了自上而下的设计方法。05001000150020002500300035000.