第一章 井身结构设计（2）

第四节井身结构设计井身结构设计的任务：确定套管的下入层次下入深度水泥浆返深套管尺寸钻头尺寸第一章井身结构设计石油工程中压力梯度G也常采用当量密度来表示：显然压力梯度与当量密度的关系为：00981.0GHPh00981.0HPh00981.0第四节井身结构设计第一章井身结构设计HPGh一、井身结构设计原理1、地层—井内压力系统（在裸眼井段中）三个相关的压力必须满足以下条件：pf－地层破裂压力；pmE-有效液柱压力；pp－地层压力。考虑到井壁的稳定：Gm（t）－有效液柱压力梯度Gt（t）－坍塌压力梯度；PmEfPPP)()(tGtGtm第四节井身结构设计第一章井身结构设计若满足以上条件则可不下套管封隔，反之则需要用套管封隔。mmPmGHPmm0981.0mmP0981.0mPoPmPmGHPPmom0981.0momPHPG0981.0非密封液柱体系的压力分布和当量梯度分布密封液柱体系的压力分布和当量梯度分布2、液体压力体系的当量梯度分布第四节井身结构设计第一章井身结构设计1111)(PiPiPiiiiPGGGHHHHG1111)(fififiiiifGGGHHHHG设自上而下顺序为i的点具有深度为Hi，地层压力梯度为GPi，地层破裂压力梯度为Gfi，而其上部相邻点的序号为i-1，相邻的地层压力梯度为GPi-1，地层破裂压力梯度为Gfi-1，则在深度区间Hi~Hi-1内任意深度H有：3、地层压力和地层破裂压力剖面的线性插值GpHHiHi－1Gpi－1Gpi第四节井身结构设计第一章井身结构设计必封点深度把裸露井眼中满足压力不等式条件的极限长度井段定义为可行裸露段。其顶界是上一层套管的必封点深度，底界为该层套管的必封点深度。PmEfPPP4、必封点深度的确定第四节井身结构设计第一章井身结构设计4.1工程约束条件下必封点深度的确定（1）正常作业工况（起下钻、钻进）（2）出现溢流约束条件下必封点深度的确定（3）压差卡钻约束条件下必封点深度的确定第四节井身结构设计第一章井身结构设计（1）正常作业工况（起下钻、钻进）起钻则产生抽吸压力减少井底压力第四节井身结构设计第一章井身结构设计下钻产生激动压力增加井底压力封口开口WPmSmaxWPmSmaxminmaxmaxffgWPgWpmESSSSS钻该段时使用的钻井液密度有效液柱压力与安全系数Sf之和应小于（等于）地层破裂压力（当量密度）液柱压力应大于（等于）地层压力与起钻时的抽吸压力之和第四节井身结构设计第一章井身结构设计预选某层套管钻井区间井内有效液柱压力梯度当量密度PmEfPPP（2）出现溢流约束条件下必封点深度的确定钻井发生溢流，停钻停泵关闭防喷器第四节井身结构设计第一章井身结构设计钻至某一井深Hx时，发生溢流，停泵关闭防喷器，立管压力读数为Psd，求井涌系数Sk：关井后井内有效液柱压力平衡方程为xksdHSP00981.0xkwPmEsdmmEHSSHHppp00981.0)(00981.000981.0minmaxfkxfwPSHHSS第四节井身结构设计第一章井身结构设计kxwpmESHHS由于溢流可能出现任一井深处：（3）压差卡钻约束条件下必封点深度的确定下入套管，如果套管紧贴井壁，且钻井液柱压力大于地层压力时，会有压差粘附卡套管的可能。第四节井身结构设计第一章井身结构设计（3）压差卡钻约束条件下必封点深度的确定限制压差值在正常压力井段为PN，异常压力地层为Pa。就是说，钻开高压层所用钻井液产生的液柱压力不能比低压层的压力高PN或Pa。即Pm-PPminPN（或Pa）在井身结构设计中，由前述设计出该层套管必封点深度后，一般用上式来校核是否能安全下到必封点位置。第四节井身结构设计第一章井身结构设计二、井身结构设计的基础参数1．地质方面数据（1）岩性剖面及故障提示；（2）地层压力梯度剖面；（3）地层破裂压力梯度剖面。第四节井身结构设计第一章井身结构设计压差卡钻允值Mpa序号抽吸压力系数wsg/cm3激动压力系数gsg/cm3ΔnPΔaP地层压裂安全系数fsg/cm3井涌系数ksg/cm3备注10.0360.03616.621.40.0240.06塔里木2.05-.08.07-.1011.814.70.30.06-.14中原油田3.024-.048.024-.02811-1714-22.024-.0480.06完井工程40.060.0616.721.60.0240.06钻井手册5.03-.07.04-.0611-1312-14.03-.05.05-.09地矿塔北2．工程数据第四节井身结构设计第一章井身结构设计三、井身结构设计的方法及步骤1．套管层次和套管柱类型339.7244.5177.8139.7mm(133/895/875½in)导管表层套管技术套管油层套管第四节井身结构设计第一章井身结构设计（1）导管（20″）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1～2m，而在沼泽地区则可能上百米。导管表层套管技术套管油层套管第四节井身结构设计第一章井身结构设计（2）表层套管表层套管下入深度一般在30~1500m，通常水泥浆返至地表。用来防护浅水层受污染，封隔浅层流砂、砾石层及浅层气。同时用来安装井口防喷装置以便继续钻进，它也是井口设备（套管头及采油树）的唯一支撑件，以及悬挂依次下入的各层套管（包括油管柱）载荷。导管表层套管技术套管油层套管第四节井身结构设计第一章井身结构设计（3）中间套管（技术套管）技术套管用来隔离坍塌地层及高压水层，防止井径扩大，减少阻卡及键槽的发生，以便继续钻进。技术套管还用来分隔不同的压力层系，以便建立正常的钻井液循环。它也为井控设备的安装、防喷、防漏及悬挂尾管提供了条件，对油层套管还具有保护作用。（气井水泥返到井口，其它可返到封隔层以上200m左右。）导管表层套管技术套管油层套管第四节井身结构设计第一章井身结构设计（4）油层套管生产套管的主要作用是将储集层中的油气从套管中采出来，并用来保护井壁，隔开各层的流体，达到油气井分层测试，分层采油，分层改造之目的。通常水泥返至产层顶部以上200m。导管表层套管技术套管油层套管第四节井身结构设计第一章井身结构设计2022/5/15（5）尾管尾管是一种不延伸到井口的套管柱，分为钻井尾管和采油尾管。它的优点是下入长度短、费用低。尾管的缺点是固井施工困难。尾管的顶部通常要进行抗内压试验，以保证密封性。尾管与上层套管重叠段长度一般取50~100m。第四节井身结构设计第一章井身结构设计（1）根据区域地质情况，选择正常作业工况或溢流工况（2）利用压力剖面图中最大地层压力梯度求中间套管下入深度假定点。计算地层破裂压力梯度)]([minmaxfgwfPSSSminmaxfkxfwPSHHSS（正常作业）（溢流工况）fgwPfDSSSmax2．设计方法及步骤自横坐标上找到设计的地层破裂压力梯度fd，引垂直线与地层破裂压力梯度线相交，交点即为中间套管下入深度假定点，记点H2。kxfwPfDSHHSSmax（正常作业）（溢流工况）第四节井身结构设计第一章井身结构设计（3）验证中间套管下入深度H2是否有卡套管危险。采用Pm-PPminPN式中：m—钻井深度H2时采用的钻井液密度，g/cm3；P—H2以上裸眼井段最小或正常地层压力梯度当量密度，g/cm3；HN—H2以上裸眼井段内最小压力地层的最大深度，m。若PPN（或Pa），则假定深度H2为中间套管下入深度。NPmHP)(00981.0第四节井身结构设计第一章井身结构设计若PPN（或Pa），则中间套管下至H2过程中有被卡危险。解决方法：应用以下公式重新计算中间套管下入深度m是在深度HN，允许压差值PN（或Pa）时采用的钻井液密度。（m-Sw）是最大允许地层压力。•在压力剖面图上找到（m-Sw）值，引垂线与地层压力梯度线相交，交点即为新计算的中间套管下入深度，记为H2。)()(00981.0PaPHNNPm第四节井身结构设计第一章井身结构设计(4)计算钻井(或中间)尾管的最大下入深度可根据中间套管鞋处（H2）的地层破裂压力梯度，下推尾管的最大可下深度：fH2—中间套管鞋处的地层破裂压力梯度，g/cm3；P—中间尾管最大可下深度处地层压力梯，g/cm3。在压力梯度剖面图横坐标上找到P，从P引垂线与地层压力梯度线相交，交点即为中间尾管的最大下入深度H3。PfgWfHSSS)(2第四节井身结构设计第一章井身结构设计（5）计算表层套管下入深度H1根据中间套管鞋处地层压力梯度PH2，由给定的溢流条件，用试算法计算表层套管的下入深度。即式中未知的是fD和H1，试算中，当fH1-fD(0.024~0.048)，即符合设计要求。kfwPHfDSHHSS122第四节井身结构设计第一章井身结构设计（6）进一步校核中间尾管a.校核中间尾管下入最大深度时，是否有卡套管危险。校核方法与步骤3相同。b.校核在给定Sk溢流条件下压井时，中间套管鞋处是否有被压裂的危险。校核方法同步骤5。（7）油层套管下入目的层中，应进行压差卡钻和溢流条件校核。第四节井身结构设计第一章井身结构设计四、套管尺寸与井眼尺寸选择及配合套管尺寸及井眼（钻头）尺寸的选择和配合涉及到采油、勘探以及钻井工程的顺利进行和成本。第四节井身结构设计第一章井身结构设计（1）生产套管尺寸应满足采油方面要求。根据生产层的产能、油管大小、增产措施及井下作业等要求来确定。（2）对于探井，要考虑原设计井深是否要加深，地质上的变化会使原来的预告难于准确，是否要求井眼尺寸上留有余量以便增下中间套管，以及对岩心尺寸要求等。（3）要考虑到工艺水平，如井眼情况、曲率大小、井斜角以及地质复杂情况带来的问题。并应考虑管材、钻头等库存规格的限制。1．设计中考虑的因素第四节井身结构设计第一章井身结构设计（1）确定井身结构尺寸一般由内向外依次进行，首先确定生产套管尺寸，再确定下入生产套管的井眼尺寸，然后确定中层套管尺寸等，依此类推，直到表层套管的井眼尺寸，最后确定导管尺寸。（2）生产套管根据采油方面要求来定。勘探井则按照勘探方面要求来定。（3）套管与井眼之间有一定间隙，间隙过大则不经济，过小会导致下套管困难及注水泥后水泥过早脱水形成水泥桥。间隙值一般最小在9.5~12.7mm(3/8~1/2in)范围，最好为19mm（3/4in）。2．套管和井眼尺寸的选择和确定方法第四节井身结构设计第一章井身结构设计3．套管及井眼尺寸标准组合第四节井身结构设计第一章井身结构设计81/2