第3讲-[第二章-套管柱及注水泥设计]——井身结构设计--具体设计方法

绪论第一章完井工程的基础第二章套管柱及注水泥设计第三章完井液和完井方式第四章射孔第五章投产措施第六章完井管柱及井口装置课程总结完井工程课程内容及课时分布第二章套管柱及注水泥设计第一节井身结构设计第二节生产套管尺寸的确定第三节套管柱设计第四节注水泥技术第五节复杂类型井套管柱设计和注水泥技术简介第一节井身结构设计一、套管的类型（套管的层次）二、井身结构设计的原则三、依据两条压力曲线进行设计四、依据两条压力曲线进行井身结构设计的具体方法五、套管尺寸和井眼尺寸的选择六、水泥返深设计七、现场井身结构设计方法参考文献：SY/T5431-1996井身结构设计三、依据两条压力曲线进行设计（一）井身结构设计内容◆套管层次和下入深度；◆井眼尺寸(钻头尺寸)与套管尺寸的配合。井身结构设计是“钻井工程设计”的基础。它不仅关系到钻井技术经济指标和钻井工作的成效，也关系到生产层的保护和产能的维持。技术套管油层尾管三、依据两条压力曲线进行设计（二）井身结构设计的步骤①绘制待钻井的压力梯度曲线图(两条关键曲线）；②确定待钻井的井身结构各设计系数；③确定生产套管的下入深度；④确定中间套管或尾管的下入深度；⑤确定表层套管的下入深度；⑥确定各层套管的尺寸和套管外水泥的返深及相应的钻头尺寸。设计顺序：由下向上、由内向外进行逐层设计四、依据两条压力曲线进行井身结构设计的具体方法◆设计关键：中间套管设计◆设计顺序：由下向上、由内向外。生产套管→技术套管→表层套管地层Q350N2d940N1t1940N1s2245E2-3a2950E1-2z3570K2d3600（未穿）井身结构四、依据两条压力曲线进行井身结构设计的具体方法（一）设计基本原理确定套管下入深度的依据，是在钻下部井段的过程中所预计的最大井内压力不至于压裂上层套管鞋处的裸露地层。地层Q350N2d940N1t1940N1s2245E2-3a2950E1-2z3570K2d3600（未穿）井身结构四、依据两条压力曲线进行井身结构设计的具体方法（一）设计基本原理套管鞋处地层最容易压破，为什么？四、依据两条压力曲线进行井身结构设计的具体方法（一）设计基本原理钻下部井段的过程中，所预计的最大井内压力不至于压裂本层套管鞋处的裸露地层。假设三开井身结构，技套下深为D2，则：1）当钻达D2之前，从表套套管鞋到钻头所在位置都是裸眼，薄弱地层是表套套管鞋。这里的设计重点应该是进行二开钻进时不要压破表套套管鞋处地层。决定表套是否被压破取决于钻进D1～D2井段时井内最大压力（或最大当量泥浆密度）;D2～D3井段对表套套管鞋薄弱地层有没有影响？或者说对表套的下入深度有没有影响？地层Q350N2d940N1t1940N1s2245E2-3a2950E1-2z3570K2d3600（未穿）井身结构D3D2D1对于表套下入深度四、依据两条压力曲线进行井身结构设计的具体方法（一）设计基本原理钻下部井段的过程中，所预计的最大井内压力不至于压裂本层套管鞋处的裸露地层。假设三开井身结构，技套下深为D2，则：2）当钻达D2之后，再进行钻进，实际上是进行三开钻进，D2之上地层都已经用套管封隔，薄弱地层是技套套管鞋。这里的设计重点应该是进行三开钻进时不要压破技套套管鞋处地层。所以对技套下入深度有影响的井段为D2～D3;此时还考虑表层套管套管鞋出的薄弱地层吗？地层Q350N2d940N1t1940N1s2245E2-3a2950E1-2z3570K2d3600（未穿）井身结构D3D2D1对于技套下入深度（二）中间套管设计1、求初始下入深度的假定点利用地层压力剖面图中最大地层压力梯度，计算：钻进中不至于压裂上部地层的当量密度ρff（ρff称为地层设计破裂压力当量密度）。根据上式确定套管的最大下深。●分两种情况计算ρff：（1）正常作业（不会发生井涌）时（2）发生溢流（井涌）时fff（二）中间套管设计抽汲压力系数激动压力系数破裂压力安全增值图中（裸眼段）最大地层压力对应的当量密度值地层设计破裂压力当量密度（1）正常作业时（不会发生井涌时）：fgbpffSSSmax*只有在确认不会发生溢流的情况下才会使用公式。（二）中间套管设计（a）在压力剖面图的横坐标上找出地层设计破裂压力当量密度ρff;（b）从该点向上引垂线与破裂压力线相交，交点所在的深度及为中间套管下入深度的初始假定点D21。ffffgbpffSSSmax（二）中间套管设计（2）发生溢流（井涌）时假设当钻至最大地层压力点对应深度（Dpmax）处时，发生一个大小为的溢流，此时需要停泵并关闭防喷器。若假设套管下深为D2x，同时考虑到地层破裂压力评价误差，容易导出此时地层设计破裂压力当量密度ρff:由于（2）式中包含有未知数D2x，所以解这个方程使用迭代（试算）法求解；kxpmaxfbpffSDDSS2maxDpmax—裸眼段最大地层压力点对应的深度（m）；D2x—中间套管下入深度的初始假定点深度（m）；Sk—井涌条件允许值（g/cm3）。xD2kSfff（2）（二）中间套管设计2、验证初始设计下入深度是否会发生卡钻计算正常孔隙压力地层最大深度Dmin处的钻井液柱压力与地层孔隙压力的差值：（3）min0.00981()mfwpDbfwminNpperSDp00981.0（二）中间套管设计当有可能发生压差卡钻时，用下式重新计算中间套管下入深度：在压力曲线图上找出ρpper对应的深度，即为中间套管下入深度。抽汲压力系数深度为Dmin处对应的地层压力当量密度在压差允许值下最大地层压力当量密度（二）中间套管设计当中间套管下入深度小于初始假定点时，需要下入尾管，并确定尾管的下入深度。根据中间套管下入深度D2处（即：套管鞋处）的地层破裂压力当量密度ρfD2，由下式可求得允许的最大地层压力当量密度：（4）式中:D31—钻井尾管下入深度的假定点,3、计算并验证尾管的下入深度D31(课本P253）kfbfDpperSDDSS2312注：式（4）的计算方法同式（2），采用迭代方法进行计算。（三）计算表层套管下入深度D1（课本P253-254）考虑井涌压井条件或探井设计时，用下述方法确定表层套管下深。1）根据中间套管下入深度D2处（套管鞋处）的地层孔隙压力当量密度，在给定井涌压井条件Sk下初选一个表层套管下入深度D1，用下式计算井涌关井时表层套管鞋处能承受的压力（或：地层设计破裂压力当量密度），以当量密度表示：ρff1：Ρff1——井涌关井时表层套管鞋处承受的压力（以当量密度表示），g/cm3；ρpD2——中间套管鞋处地层孔隙压力（以当量密度表示），g/cm3；D2——中间套管下深，m；D1x——入深度的初始假定点深度，m；显然：式中包含有未知数D1x，使用试算法求解。fffkxfbpDffSDDSS1212若计算结果ρff1值小于D2处的地层破裂压力当量密度0.024～0.048g/cm3时，符合要求，该深度即为表层套管下入深度。否则，应该加深表层套管深度再进行试算。2）设计表层套管下入深度时候，一般不需要进行压差卡钻校核。（三）计算表层套管下入深度D1（课本P253-254）fffkxfbpDffSDDSS1212实例分析例1．某井井深H=4400m，地层孔隙压力梯度及破裂压力梯度剖面见图3-8-1-5。设计给定：Sb=0.036g/cm3；Sg=0.04g/cm3；Sk=0.06g/cm3；Sf=0.03g/cm3；△PN=12MPa；△Pa=18MPa。油层套管采用139.7mm（51/2in）套管。实例分析pmaxfpmaxbgk21DSSSD解：由图上查得最大地层孔隙压力梯度为2.04g/cm3，位于4250m。1、确定中间套管下入深度。1）确定下入深度初选点D21。若预计要发生井涌，由（7-2）式f2142502.0400.0360.030.06D3400实例分析1、确定中间套管下入深度。1）确定下入深度初选点D21。试取D21=3400m，将3400m代入上式得：f342502.0400.0360.030.063400=2.181g/cm由图上查得3400m处ρf3400=2.19g/cm3；因为ρf＜ρf3400且相近，所以确定中间套管下入深度初选点为21=3400m。3400计算结果与地层破裂压力当量密度曲线比较实例分析1、确定中间套管下入深度。2）校核中间套管下入到初选点3400m过程中是否会发生差卡套管。由图上查得：3400m处，ρf3400=1.57g/cm3；Dpmin=3050m，ρmin=1.07g/cm3则由（7-3）式得：△P=0.00981×3050（1.57+0.036-1.07）=16.037MPa因为△P＞△PN，所以中间套管下深应浅于初选点。3400实例分析1、确定中间套管下入深度。2）校核中间套管下入到初选点3400m过程中是否会发生差卡套管。在△PN=12MPa下所允许的最大地层压力梯度可由（7-4）式求得。则有：pper33121.070.0369.811030501.435g/cm由图中地层孔隙压力梯度曲线上查出与ρpper=1.435g/cm3对应的井深为3200m，则中间套管下入深度D2=3200m。由于D2＜D21，所以还必须下入尾套管。3200计算结果与地层压力当量密度曲线比较实例分析2、确定尾管的下入深度。1）确定尾管下入深度初选点为D31由剖面图查得中间套管下入深度3200m处地层破裂压力梯度ρf3200=2.15g/cm3，由（7-5）式，并代入各值则有：3900计算结果与地层压力当量密度曲线比较实例分析2、确定尾管的下入深度。2）校核尾管下入到初选点3900m过程中能否发生压差卡套管。实例分析3、确定表管的下入深度D1。计算结果与地层破裂压力当量密度曲线比较小结一、套管的类型（套管的层次）二、井身结构设计的原则三、依据两条压力曲线进行设计四、依据两条压力曲线进行井身结构设计的具体方法以上内容全部都是重点，要求大家必须掌握思考题1、简述套管的类型及其功用；2、进行井身结构设计所要遵循的原则有哪些？3、计算题(要求必须掌握）：P299,T3