井身结构设计

完井工程2011开课必做课程介绍：名称/性质/学时/周学时/结课时间。成绩评定方法：平时20%，结课考试80%。平时成绩评定方法：1)考勤和课堂纪律；2)课堂提问；3)作业。结课考试：时间/题型/题量/分值/考后要求。答疑：时间和地点。绪论完井工程定义：指从钻开油气层到完钻交井的工艺和技术。是联系钻井与采油生产的一个关键环节。完井工程的基本工艺过程：确定完井的井底结构－完井方法、确定井身结构、钻开生产层、保护油气层、完井电测、固井、使井眼与产层连通、试油、安装井底和井口。完井工程的主要内容：1)以油气层的地质结构、岩石力学性质和物性为基础，研究储集层与井眼的最佳连通方式，为油气井的稳产、高产创造最优的条件；2)保护油气层。课程内容：介绍井身结构设计方法、固井和完井等的工艺技术。第一章井身结构设计大作业一：一口井井身结构设计1基本数据1)井号:广斜-1井；2)井别:开发井;3)井型:定向井；4)设计井深:3525米;5)完井方法:射孔完井;6)完钻原则:钻穿潜43油组留足口袋完钻.2设计地层剖面地层时代设计地层/m岩性简述界系组段层深度厚度新生界第四系平原组9090黄色粘土\砾石\流砂层上第三系广华寺组930840杂色粘土岩\砾状砂岩\砂砾岩下第三系荆河镇组1760830灰、绿灰色泥岩底部夹油页岩潜江组潜一段2170410膏岩韵律层段及砂泥岩互层段潜二段2570400盐岩、油浸泥岩、石膏质泥岩、泥岩组成的韵律层潜三段3070500灰色泥岩夹粉砂岩\盐岩\油浸泥岩\泥岩潜四上41312050灰色泥岩夹粉砂岩41下316040盐岩、油浸泥岩、泥岩组成的韵律层段40318020盐岩、油浸泥岩、泥岩组成的韵律层段40中3330150盐岩、油浸泥岩、泥岩组成的韵律层段40下338050盐岩、油浸泥岩、泥岩组成的韵律层段42341030灰色泥岩夹粉砂岩42下345040盐岩、油浸泥岩、泥岩组成的韵律层段43350050灰色泥岩夹粉砂岩潜4下3525(25)盐岩、油浸泥岩、泥岩组成的韵律层段注:1)井深为垂深，井深、厚度单位为米;2)平原组、广华寺组、荆河镇组防垮、防缩径，潜江组防垮、防卡。3井身结构设计说明1)该区块无高压地层，无地层压裂问题；2)表层套管应封过疏松且含地下水的第四系平原组；3)上第三系广华寺组易缩径，根据经验，可采用扩眼方法处理，扩眼段钻头直径应至少比二开钻头直径大1～2级；4)油层套管甲方要求外径139.7mm，下深3574m；5)造斜点井深2900m；6)要求详细阐述设计过程，并给出如下设计结果图：一开：井眼外径：Φ……㎜钻达井深：……m套管外径：Φ……㎜套管下深：……m水泥返深：地面二开：井眼外径：Φ……㎜钻达井深：……m套管外径：Φ……㎜套管下深：……m水泥返深：……m扩眼段:Φ…mm×…m广斜－1井井身结构示意图作业要求：1)用小4号宋体字写，A4纸输出；2)讲完本章时完成，先课上交流，再上交。第一章井身结构设计第一节绪论1井身结构实例一开井眼外径：Φ444.5㎜钻达井深：151m套管外径：Φ339.7㎜套管下深：150m水泥返深：地面二开井眼外径：Φ215.9㎜钻达井深：3320m套管外径：Φ139.7㎜套管下深：3215m水泥返深：2500mΦ244.5×800m王西7斜井井身结构示意图2井身结构概念全井井筒的总体结构和框架结构。3井身结构设计目的满足钻井工程、完井工程和采油工程的要求。3.1满足钻井工程的要求应避免较严重的漏、喷、塌、卡、裂等井下复杂情况的发生，为安全、优质、快速和低成本钻井创造条件。已量化的两种情况：1)溢流关井和钻下部地层采用较高密度的钻井液正常钻进时产生的井内压力不致压裂上层套管鞋处及以下最薄弱的裸露地层；2)钻井起下钻和下套管过程中，井内钻井液柱的压力和地层压力之间的压力差，不致产生压差卡钻杆和套管的现象等。3.2满足完井工程的要求有利于保护油气层。3.3满足采油工程的要求有利于长期安全、有效、顺利地生产。4井身结构设计意义是整个钻井设计的基础，关系到钻井工程的整体效益，直接影响油井的质量和寿命。5井身结构设计原则在满足设计目的的前提条件下，井身结构越简单越好，总体尺寸越小越好，全井的建井成本越低越好。小结：合理的井身结构应能保证一口井顺利钻达预定的井深，保证钻进过程的安全；有利于防止钻进中的产层污染；有利于采油工程长期安全、顺利地生产。并能花费最少的费用。6井身结构设计应考虑的因素1)油气藏特性；2)采油工艺技术水平及要求；上述2方面决定了油气层与井眼连通方式－完井方法。3)钻井地层特性：指喷、裂、漏、缩径、塌、卡等复杂地层特性；4)钻井液工艺技术水平及要求；5)钻井工艺技术水平及要求；6)固井工艺技术水平及要求。上述4方面决定了钻井处理复杂地层的方法－非目的层段的井身结构形式。7现代井身结构设计内容(注：与传统的不同)1)油气层与井眼连通方式选择－目的层段井身结构形式；2)钻井必封段确定和封固/处理方法优选－非目的层段井身结构形式；3)整个井筒的总体结构尺寸选配。实例－王西7斜井：1)选用射孔法完井；2)用扩眼法和下套管注水泥的方法处理和加固钻井的复杂地层；3)总体结构尺寸选配：其中纵向结构尺寸包括套管层数、每层套管的下入深度、扩眼井段的井深，横向结构尺寸包括每层套管与相应钻头直径、每层套管环空水泥返高、扩眼段钻头直径等。一开井眼外径：Φ444.5㎜钻达井深：151m套管外径：Φ339.7㎜套管下深：150m水泥返深：地面二开井眼外径：Φ215.9㎜钻达井深：3320m套管外径：Φ139.7㎜套管下深：3215m水泥返深：2500mΦ244.5×800m王西7斜井井身结构示意图8井身结构设计特点1)影响因素多，且难以完全量化，设计方法在较大程度上还需要现场经验；2)一口井在开钻之前，必须在现有工艺技术水平条件下完成井身结构设计。3)对一个油田或区块而言，井身结构设计常常不能一次完成。随着对地层情况的更多了解，钻井、钻井液和固井工艺技术水平的提高，井身结构应逐步简化和优化。9井身结构设计的发展9.1经验积累阶段(1900～1960)特点：井不深(3000m左右)，地层情况还不太复杂，井身结构设计靠实践中积累的经验来做。任务：为适应工业化大生产的需要，有关井身结构设计的研究工作主要面临规范化、标准化问题。取得的主要成果有：1)提出了以满足工程必封点为主要条件的井身结构设计思想；2)确定了三段式(表层套管\技术套管\生产套管)的井身结构基本形式；3)确定了由API制定的尺寸(钻头尺寸、套管尺寸、油管尺寸)配合规范，统一了管材、工具配套标准；意义：使得井身结构设计从无序到有序、从杂乱到标淮，开创了一个基本良性循环的局面。9.2理论发展阶段(196O～)特点：技术快速进步。由于地层孔隙压力和地层破裂压力预测技术的发展，对一口井的压力系统变化规律可以做出比较可靠的预测；又由于钻柱和套管柱粘附卡钻机理的研究成果，使我们能够确定在一定条件下避免发生粘附卡钻的合理压差(钻井液压力与地层压力的差)范围。从而为井身结构设计方法向经验方法＋数量化方法提供了可能。取得的成果：1)提出了以满足防止套管鞋处地层压裂和避免压差卡钻为量化依据，满足必封点约束条件的设计思想；2)确定了以两条压力剖面为根据，从下而上(先生产套管，后技术套管，再表层套管)用图解或解析的数量化方法确定下人深度，再由必封点约束条件进行调节的设计方法。意义：这一阶段发展的数量化设计方法，不但使井身结构设计与相关领域的研究成果紧密联系，同时也为今后钻井工程设计的程序化、智能化提供了一个良好的开端。9.3系统工程阶段(198O～)问题的提出：1980年以来，随着世界围内常规油气藏探明储量的锐减，非常规油气藏(恶劣地面环境，复杂地质情况，低压、低渗、稠油等)的勘探开发开始。这给钻井工程出了不少难题，特别是对于复杂地质情况，由井身结构诱发的钻井事故屡见不鲜，这就要求其设计要有新的发展。发展方向：1)对于复杂地质情况，井身结构设计要考虑的因素，除了防止套管鞋处地层压裂，避免管柱压差卡钻外，还有非连续性地层压力系统(如地层压力上大下小、大小间隔等)、盐岩的粘塑性流动等因素。面对多因素的影响，目前国内外井身结构设计方法正向系统工程的方向发展。2)不断提高钻井、钻井液、固井的工艺技术水平，大力发展随钻扩眼、膨胀管固井等先进技术。使目前很难满足深井、超深井成本控制要求的、高成本的、“肥胖”的、多层次和多阶梯的“倒塔式”井身结构向低成本的、“精瘦”的“直筒式”井身结构发展，使井身结构向优化、简单和易操作的方向发展(画图说明)。基本思想：将井身结构设计涉及的方方面面构成一个系统，再根据系统工程的原理及方法，由压力平衡关系(钻井液压力、地层孔隙压力、地层破裂压力和盐岩蠕变压力)、工程约束条件(垮塌井段、漏失井段和套管挤毁井段)、事故发生概率等相关因素，采用风险决策技术和优化技术，进行合理井身结构设计。对比：常规井身结构设计是一种系统局部优化方法，而解决复杂地质情况的井身结构设计方法则是系统全面优化方法。现状：由于复杂地质情况在不同的构造、井别将有不同的表现，针对实际情况影响因素将有不同的取舍，因此，很难找到一种统一的、适应面极广的井身结构设计方法，这也是国内外同类研究工作至今未能成果的主要原因。第二节钻井处理复杂地层和优化井身结构的方法1提高钻井液工艺技术水平法1.1概述1.2措施1)优选钻井液体系；2)改善钻井液性能，提高钻井液的携岩和悬岩能力，提高其护壁能力以形成薄而致密的滤饼等；3)加强钻井液的固控和管理等。1.3方法特点(注：与下套管注水泥固井法相比)1)工艺简单；2)不减小井径，有利于构建直筒式井身结构；3)经济性好，有长期效益；4)可靠性需要实践检验；5)为首先考虑的处理复杂地层和优化井身结构的方法。2提高钻井工艺技术水平法2.1概述2.2措施1)提高人员素质，严格、规范管理；2)建立钻井时间观念，在保证安全和质量的前提下，加快钻速；3)采用合适的钻井方法,如改转盘钻为井下动力钻或顶驱钻、复合钻，改钻杆钻为套管钻等(举例展开)。2.3方法特点(注：与下套管注水泥固井法相比)1)不减小井径，有利于构建直筒式井身结构；2)经济性好，有长期效益；3)与提高钻井液工艺技术水平法一起，为首先考虑的处理复杂地层和优化井身结构的方法。3下套管并注水泥固井法3.1发展概况和工艺简介是钻井最早使用且用得最多的加固复杂地层的方法。3.2套管的类型和作用根据套管的功用可将其分为导管；表层套管；中间套管(尾管)，亦称技术套管；生产套管(尾管)，亦称油层套管(图7-1)。1)导管及其作用：是最早下入井内的一层临时性管子。导管的作用是在钻表层井眼时将钻井液从地表引导到钻井装置平面上来，这一层管柱其长度变化较大，在坚硬的岩层中仅用10～20m，而在沼泽地区则可能上百米。2)表层套管及其作用：是开始下入井内的第一层套管(导管除外)。主要有两方面作用：一是封隔地下浅水层和易缩径、塌、漏、破裂等浅井段的复杂地层，使淡水层不受钻井液污染，使后续钻井不受浅部疏松的复杂地层影响；二是在其顶部安装套管头和井口装置，并通过套管头悬挂和支承后续各层套管。3)中间套管及其作用：介于表层套管和生产套管之间的套管都称中间套管。其作用是封隔不同孔隙压力的地层，封固易缩径、塌、漏、破裂等复杂地层，它也为井控设备的安装及悬挂尾管提供了条件，对油层套管还具有保护作用。根据需要，中间套管可以是一层、两层，甚至多层。4)生产套管及其作用：是钻达目的层后下入的最后一层套管。其作用是封固井壁，保护生产层，封隔不同压力的生产层，封隔生产层与非生产层，并给油气从产层流至地面提供稳定的通道。5)尾管及其作用：有技术尾管和生产尾管，主要在裸眼井段下套管注水泥，套管柱不延伸至井口，故可减轻下套管时钻机的负荷