2井身结构设计

1第二章：井身结构设计2第二章：井身结构设计第一节：地层压力理论及预测方法Dc指数声波时差地震层速度法第二节：地层破裂压力预测理论计算地破试验第三节：地层坍塌压力预测第四节：井身结构设计第五节：生产套管尺寸设计（自学）3井身结构定义套管层次、套管下入深度以及井眼尺寸（钻头尺寸）与套管尺寸的配合。主要内容确定套管的层数确定各层套管的下深确定套管尺寸与井眼尺寸的配合影响因素地层压力（地层压力、破裂压力、地层坍塌压力）工程参数地层必封点4地层压力理论及预测方法静液柱压力（Hydrostaticpressure）Ph定义静液压力是由液柱重力引起的压力。计算ρ：液体密度,（g/cm3）H:液柱垂直高度，mPh)(00981.0ahMPHP5地层压力理论及预测方法压力梯度(Pressuregradient)单位高度（或深度）增加的压力值在油田，为方便起见，有时压力梯度单位直接用密度单位。或直接用压力系数的概念。有效密度（当量密度）钻井液在流动过程中有效地作用在井内的压力为有效液柱压力通过有效压力换算得到的液体密度称为等效密度。mMPHPGahh/00981.06地层压力理论及预测方法上覆岩层压力PO定义：某处地层的上覆岩层压力是指覆盖在该地层以上的地层基质（岩石）和孔隙中流体（油气水）的总重力造成的压力。计算rmHP100981.00P0：上覆岩层压力；MPa；ρrm:岩石基质密度，g/cm3；ρ:地层空隙中流体密度，g/cm3；Φ：无量纲的小数(孔隙度)Po7地层压力理论及预测方法地层压力(FormationPressure)PP地层压力是指岩石孔隙中流体（油气水）的压力，也叫地层孔隙压力。骨架应力(matrixpressure)由岩石颗粒之间来支撑的那部分上覆岩层压力。pPP0PoPp8地层压力理论及预测方法地层破裂压力(fracturepressure)在井中，当地层压力达到某一值时会使地层破裂，这个压力称为地层破裂压力。地层坍塌压力(Cavingpressure)当井内液柱压力低于某一值时，地层出现坍塌，我们称这个压力为地层坍塌压力。在有异常压力段、使岩石的液体释放造成井塌。9井底环空压力1、不循环时：2、起下钻时：Pg为起下钻波动压力HPa00981.0ghbPPP地层压力理论及预测方法10地层压力理论及预测方法异常地层压力正常地层压力一般为盐水液柱压力PW。不在正常地层压力范围内的压力称为异常地层压力。异常低压PPPw异常高压PPPwHPPwPo11地层压力理论及预测方法异常低压产生原因生产层长期开采衰竭地下水位很低异常高压产生原因特点异常高压地层与正常地层之间有一个封闭层原因沉积物的快速沉积渗透作用构造作用储集层的机构油田注水12地层压力理论及预测方法地层压力预测（监测）方法Dc指数法(基于压实理论)原理：机械钻速随压差的减少而增加。正常情况下，钻速随井深的增加而减小，Dc增加，在异常地层压力地层，钻速增加而dc减小。适用范围：岩性为泥岩、页岩；钻进过程中的地层压力监测和完钻后区块地层压力统计分析。dH13地层压力理论及预测方法Dc指数法预测的原理D指数（钻压指数）钻速方程：D指数V:钻速,m/h;N:转速：r/min；k:岩石可钻性系数P:钻压,kN;Db:钻头尺寸,mm；e:转速指数；dbemDPKnV)(bmDPnVd0684.0lg0547.0lg14地层压力理论及预测方法dc指数法预测的原理dc指数(修正的d指数)对钻井液密度变化进行修正dc指数ρmN:正常地层压力梯度，g/cm3;ρm:实际钻井液密度，g/cm3;mmNcdd15地层压力理论及预测方法d指数dc指数16地层压力理论及预测方法dc指数监测地层压力的方法按一定深度取点，一般1.5－3m取一点，如果钻速高可以5－10m一个点，重点井段1m一点，同时记录每个记录点的钻头尺寸、钻速、钻压、转速、地层水和钻井液密度。计算dc指数通过统计分析的方法建立正常压力趋势线计算地层压力提示如有必要，必须对钻头尺寸进行校正；一个构造上的正常压力可以通过多个井得到，以提高预测的准确程度；Dc指数预测地层压力所得到的结果可能与其它方法所得到的结果不尽一致。17地层压力理论及预测方法地层压力计算反算法P——所求井深地层压力当量密度，g/cm3；n——所求井深正常地层压力当量密度，g/cm3dCN——所求井深处正常趋势线上的dc指数值；dca——所求井深实际dc指数。cpncnpdd18地层压力理论及预测方法地层压力计算等效深度法：若地层具有相同的dc指数，则认为其骨架应力相等。PP——所求深度的地层压力，MPa；H——所求地层压力点的深度，m；G0——上覆地层压力梯度，MPa/m；Gn——等效深度处的正常地层压力梯度，MPa/mHE——等效深度，m。)(00NEGGHHGPp19dcH地层压力理论及预测方法等效深度计算在等效深度处，地层骨架应力相等地层压力计算步骤钻井参数录入钻速、钻压、转速、地层水密度、钻井液密度计算dc指数回归正常趋势线计算地层压力PpHGGGHNE00)(HEH20地层压力理论及预测方法地层压力预测（监测）方法声波时差法原理：声波在地层中的传播速度与岩石的密度、结构、孔隙度及埋藏深度有关。当岩性一定时，声波的速度随岩石孔隙度的增大而减小，对于沉积压实作用形成的泥岩、页岩，在正常地层压力井段，随着井深增加，岩石孔隙度减少，声波速度增加，声波时差减小；在异常压力井段，岩石空隙度增加，声波速度减少，声波时差增大。因此，可以通过声波时差偏离正常趋势线的大小预测地层压力。适用范围：岩性为泥岩、页岩；而且，完钻后进行地层压力评价。21H声波时差地层压力理论及预测方法声波时差（用页岩的声波时差）要求：足够数量的测井数据CHett0ACHtt0lnlnH：井深，mΔt:井深H处的泥岩声波时差，μs/ftΔt0:表层泥岩声波时差,μs/ftC：正常趋势线斜率A:正常趋势线截距22地层压力理论及预测方法声波时差法预测地层压力预测步骤在标准声波时差测井资料上选择泥质含量大于80%的泥页岩层段，以5m为间隔点读出井深相应的声波时差值，并在半对数坐标上描点；建立正常压实趋势线及正常压实趋势线方程；将测井曲线上的声波时差值代入趋势线方程，求出等效深度HE；用等效深度法计算地层压力PP。对于碳酸岩类地层的孔隙压力预测，除了随钻测量外，目前还未研究出成熟的技术。23地层压力理论及预测方法地层压力预测（监测）方法地震层速度法原理：在不同岩性、不同压实程度情况下，地震波速存在差异。在正常压实地层，随着深度增加，地震波速增加；在异常压力地层，随着深度的增加，地震波速减小。适用范围：钻前对区域地层压力进行评价。2425地层破裂压力确定方法理论计算：最大最小水平主应力井眼井壁的应力02cos)(20rzmhHhHmrPPPpPPHPPPAPP)()(100pPPhPPPBPP)()(10026地层破裂压力确定方法地层破裂压力计算地层的破裂是由井壁上的应力状态决定的。地层破裂是由于井壁上的有效切向应力达到或超过岩石的拉伸强度（抗张强度）St：地层的拉伸强度，MPa；μ：泊松比Po:上覆岩层压力MPa;α：有效应力系数A、B：构造应力系数Pp：地层孔隙压力，MPaPtPFPSPPBAP)(312027测试方法PPf=Pstand_pipe+Pm地层破裂压力确定方法28液压试验（泄漏试验）P泵入量：V立管压力PA地层破裂压力确定方法29地层破裂压力确定方法地层破裂压力的现场测试循环调节泥浆性能，保证泥浆性能稳定，上提钻头至套管鞋内，关闭防喷器。用较小排量（0.66~1.32l/s）向井内泵入泥浆，并记录各个时间的注入量及立管压力。作立管压力与泵入量（累计）的关系曲线图，如右图所示。从图上确定各个压力值，漏失压力P1，即开始偏离直线点的压力，其后压力继续上升；压力上升到最大值，即为断裂压力Pf；最大值过后压力下降并趋于平缓，平缓的压力称为传播压力。30地层破裂压力确定方法地层破裂压力的现场测试求破裂压力当量泥浆密度ρmaxm——试验用泥浆密度，g/cm3；P1——漏失压力，MPa；H——裸眼段中点井深，m。地层破裂压力梯度(MP/m)HPm/8.1011maxHPGmf100981.03132地层坍塌压力确定方法造成井壁坍塌的原因主要是由于井内液柱压力太低，使得井壁周围岩石所受应力超过岩石本身的强度而产生剪切破坏所造成的，此时，对于脆性地层会产生坍塌掉块，井径扩大，对塑性地层，则向井眼内产生塑性变形，造成缩径。tgCN岩石的强度条件（强度准则）根据库仑-莫尔的研究，岩石破坏时剪切面上的剪应力必须克服岩石的固有剪切强度值（称为粘聚力），加上作用于剪切面上的内摩擦阻力。C:岩石的粘聚力Φ：岩石的内摩擦角；σN:岩石剪切面上的法向正应力.33地层坍塌压力确定方法地层坍塌压力计算H：井深，m；Ρ：钻井液密度，g/cm3；C：岩石的粘聚力，MPa；η:地层非线性弹性修正系数（0.9～0.95）；σH、σh：地层最大和最小水平地应力，MPaHKKpCKphHstm22,0098.01232450ctgK34地层压力理论及预测方法泥页岩强度和力学参数的确定岩石强度参数的确定内聚力内摩擦角抗拉伸强度静态弹性参数的确定泊松比弹性模量地层有效应力系数α的确定利用声波时差测井参数3536井身结构设计定义套管层次、套管下入深度以及井眼尺寸（钻头尺寸）与套管尺寸的配合。目的保证安全、优质、快速和经济地钻达目的层内容下入套管层数各层套管的下入深度选择合适的套管尺寸与钻头尺寸组合37井身结构设计井身结构设计的主要原则能有效保护油气层能避免产生井漏、井喷、井塌、卡钻等井下复杂情况,为全井安全、优质、快速和经济地钻进创造条件；当实际地层压力超过预测值使井出现溢流时，在一定范围内，具有压井处理溢流的能力。38井身结构设计套管类型导管钻表层井眼时，将钻井液从地表引导到钻台平面上来。表层套管防止浅层水受污染，封闭浅层流砂、砾石层及浅层气，支撑井口设备装置，悬挂依次下入的各层套管的载荷。技术套管（中间套管）封隔坍塌地层及高压水层封隔不同的压力体系继续钻井的需要39井身结构设计套管类型油层套管（生产套管）为油气生产提供流通通道保护产层、分层测试、分层采油、分层改造尾管技术尾管生产尾管尾管回接40井深当量泥浆密度GpGf井身结构设计考虑的因素地层压力地层破裂压力工程参数正常作业：抽吸压力系数Sw、激动压力系数Sg、地层压裂安全增值Sf出现溢流：抽吸压力系数Sw、地层压裂安全增值Sf、考虑溢流情况下地层压力增加值SK压差允值–ΔPN(ΔPa)41井身结构设计井身结构设计关键参数最大钻井液密度：某一层套管的钻进井段中所用的最大钻井液密度，和该井段中的最大地层压力有关：ρmax:某层套管的钻进井段中所使用的最大钻井液密度，g/cm3；ρpmax该井段的最大地层压力梯度，g/cm3；Sw:考虑到上提钻柱时抽吸作用使井底压力降低，为了平衡地层压力所加的附加钻井液密度，g/cm3。Sw=0.024-0.048g/cm3.wPSmaxmax42井身结构设计井身结构设计关键参数最大井内压力梯度正常作业（起下