井身結構設計

井身結構設計的任務和原則,主要任務：確定套管的下入層次、下入深度、水泥漿返深、水泥環(huán)厚度、生產(chǎn)套管尺寸及鉆頭尺寸。主要原則：1能有效地保護儲集層；2避免產(chǎn)生井漏、井塌、卡鉆等井下復雜情況和事故。為安全、優(yōu)質、高速和經(jīng)濟鉆井創(chuàng)造條件；3當實際地層壓力超過預測值發(fā)生溢流時，在一定范圍內，具有處理溢流的能力。,套管,井壁,水泥環(huán),井身結構設計的內容：確定套管的下入層次下入深度水泥漿返深水泥環(huán)厚度鉆頭尺寸,井身結構設計原理,1三個壓力的相互關系：地層井內壓力體系在裸眼井段中存在著地層壓力、地層破裂壓力和井內鉆井液有效液柱壓力這三個相關的壓力、地層井內壓力系統(tǒng)必須滿足以下條件：裸眼井內鉆井液有效液柱壓力必須大于或等于地層壓力，防止井噴，但又必須小于等于地層破裂壓力，防止壓裂地層發(fā)生井漏?？紤]到井壁的穩(wěn)定，還應補充一個與時間有關的不等式：能滿足以上二不等式的同一井段，則該井段截面間不需要套管封隔。反之，則需要用套管封隔。式中：Pf地層破裂壓力；PmE鉆井液有效液柱壓力；PP地層壓力。Gt（t）該截面巖層的坍塌壓力梯度；Gm（t）該截面鉆井液有效壓力梯度。,井身結構設計原理液體壓力體系的當量梯度分布,非密封液柱體系的壓力分布和當量梯度分布,密封液柱體系的壓力分布和當量梯度分布,井身結構設計原理地層壓力和地層破裂壓力剖面的線性插值,地層壓力和地層破裂壓力的數(shù)據(jù)一般是離散的，是由若干個壓力梯度和深度數(shù)據(jù)的離散點構成。為了求得連續(xù)的地層壓力和地層破裂壓力梯度剖面，擬合曲線是不適用的，但可依靠線性插值的方法。在線性插值中，認為離散的兩鄰點間壓力梯度變化規(guī)律為一直線。對任意深度H求線性插值的步驟：設自上而下順序為i的點具有深度為Hi，地層壓力梯度為GPi，地層破裂壓力梯度為Gfi，而其上部相鄰點的序號為i-1，相鄰的地層壓力梯度為GPi-1，地層破裂壓力梯度為Gfi-1，則在深度區(qū)間HiHi-1內任意深度H有：,井身結構設計原理必封點深度的確定,必封點深度把裸露井眼中滿足壓力不等式：條件的極限長度井段定義為可行裸露段?？尚新懵抖蔚拈L度是由工程和地質條件決定的井深區(qū)間，其頂界是上一層套管的必封點，底界為該層套管的必封點深度。,井身結構設計原理必封點深度的確定,1工程約束條件下必封點深度的確定（1）正常作業(yè)工況（起下鉆、鉆進）（2）出現(xiàn)溢流約束條件下必封點深度的確定（3）壓差卡鉆約束條件下必封點深度的確定2目的層是裸露段的底界，油層套管的下深根據(jù)完井方法不同而定。3對于地質復雜層（如坍塌層，鹽膏層，漏失層等），水層，非目的油氣層，以及目前鉆井工藝技術難于解決的其它層段，只要裸露段中出現(xiàn)了這一類必封點，則這些井段是應考慮的必封井段的頂界。,工程約束條件下必封點深度的確定,（1）正常作業(yè)工況（起下鉆、鉆進）在滿足近平衡壓力鉆井條件下，某一層套管井段鉆進中所用最大鉆井液密度m應大或等于該井段最大地層壓力梯度當量密度Pmax與該井深區(qū)間鉆進中可能產(chǎn)生的最大抽汲壓力梯度當量密度Sw之和，以防止起鉆中抽汲造成溢流。即：,下鉆中使用這一鉆井液密度，在井內將產(chǎn)生一定的激動壓力Sg,考慮地層破裂壓力檢測誤差，給予一個安全系數(shù)Sf。則該層套管可行裸露段底界（或該層套管必封點深度）,工程約束條件下必封點深度的確定,（2）出現(xiàn)溢流約束條件下必封點深度的確定正常鉆井時，按近平衡壓力鉆井設計鉆井液密度為鉆至某一井深Hx時，發(fā)生一個大小為Sk的溢流，停泵關閉防噴器，立管壓力讀數(shù)為Psd關井后井內有效液柱壓力平衡方程為PmE=Pm+Psd,Psd立管壓力，Mpa；Hx出現(xiàn)溢流的井深，m,裸露井深區(qū)間內地層破裂強度（地層破裂壓力）均應承受這時井內液柱的有效液柱壓力，考慮地層破裂安全系數(shù)Sf，,工程約束條件下必封點深度的確定,（3）壓差卡鉆約束條件下必封點深度的確定下套管中，鉆井液密度為（P+Sw），當套管柱進入低壓力井段會有壓差粘附卡套管的可能，故應限制壓差值。限制壓差值在正常壓力井段為PN，異常壓力地層為Pa。即Pm-PPminPN（或Pa）在井身結構設計中，由前述設計出該層套管必封點深度后，一般用上式來校核是否能安全下到必封點位置。,井身結構設計的基礎參數(shù),井身結構設計的基礎參數(shù)包括地質方面的數(shù)據(jù)和工程等數(shù)據(jù)1地質方面數(shù)據(jù)（1）巖性剖面及故障提示；（2）地層壓力梯度剖面；（3）地層破裂壓力梯度剖面。2工程數(shù)據(jù)（1）抽汲壓力系數(shù)Sw，以當量鉆井液密度表示；單位g/cm3：如美國墨西灣地區(qū)采用Sw=0.06。我國中原油田Sw=0.0150.049。,（2）激動壓力系數(shù)Sg，以當量鉆井液密度表示，單位g/cm3。Sg由計算的激動壓力用（2-58）進行計算，美國墨西灣地區(qū)取Sg=0.06，我國中原油田Sg=0.0150.049。（3）地層壓裂安全增值Sf，以當量鉆井液密度表示，單位g/cm3。Sf是考慮地層破裂壓力檢測誤差而附加的，此值與地層破裂壓力檢測精度有關，可由地區(qū)統(tǒng)計資料確定。美國油田Sf取值0.024，我國中原油田取值為0.020.03。,2工程數(shù)據(jù),（4）溢流條件Sk以當量鉆井液密度表示，單位g/cm3。由于地層壓力檢測誤差，溢流壓井時，限定地層壓力增加值Sk。此值由地區(qū)壓力檢測精度和統(tǒng)計數(shù)據(jù)確定。美國油田一般取Sk=0.06。我國中原油田取值為0.050.10。（5）壓差允值PN（Pa）裸眼中，鉆井液柱壓力與地層孔隙壓力的差值過大，除使機械鉆速降低外，而且也是造成壓差卡鉆的直接原因，這會使下套管過程中，發(fā)生卡套管事故，使已鉆成的井眼無法進行固井和完井工作。壓差允值和工藝技術有很大關系。壓差允值的確定，各油田可以從卡鉆資料中（卡點深度，當時鉆井液密度、卡點地層孔隙壓力等）反算出當時的壓差值。再由大量的壓差值進行統(tǒng)計分析得出該地區(qū)適合的壓差允值。,2工程數(shù)據(jù),井身結構設計的方法及步驟,1套管層次和套管柱類型國內油田套管下入層次為：導管，表層套管，中間套管（或技術套管），油層套管。表層套管，中間套管，油層套管，一般按（339.7244.5177.8139.7mm(133/895/875in)系列進行設計。,導管,表層套管,技術套管,油層套管,井身結構設計的方法及步驟,（1）根據(jù)區(qū)域地質情況，確定按正常作業(yè)工況或溢流工況選擇（2）利用壓力剖面圖中最大地層壓力梯度求中間套管下入深度假定點。自橫坐標上找到設計的地層破裂壓力梯度fD，向下引垂直線與地層破裂壓力梯度線相交，交點即為中間套管下入深度假定點，記點H3。,（正常作業(yè)）,（溢流工況）,井身結構設計的方法及步驟,（3）驗證中間套管下入深度H3是否有卡套管危險。采用Pm-PPminPN式中m鉆井深度H3時采用的鉆井液密度，g/cm3；PH3以下裸眼井段最小或正常地層壓力梯度當量密度，g/cm3；HN最深正常地層壓力或最小地層壓力深度，m。若PPN（或Pa），則假定深度H3為中間套管下入深度。若PPN（或Pa），則中間套管下至H3過程中有被卡危險。在這種情況下可采取以下方法解決：,井身結構設計的方法及步驟,a.應用以下公式重新計算中間套管下入深度（或Pa）m是在深度HN，允許壓差值PN（或Pa）時采用的鉆井液密度。（m-Sw）=最大允許地層壓力。在壓力剖面圖上找到（m-Sw）值，引垂線與地層壓力梯度線相交，交點即為新計算的中間套管下入深度，記為H2。b.應用方法a，往往需多下一層套管或尾管，為了避免這種情況，鉆井工程師可根據(jù)所在區(qū)域鉆井工藝技術水平，鉆井液體系和性能，從工藝、防卡液上解決中間套管下入到H3的卡鉆危險。,井身結構設計的方法及步驟,（4）計算鉆井（或中間）尾管的最大下入深度在上步中，若按方法a解決壓差卡鉆危險，則還需下一段中間尾管以滿足采用（Pmax+Sw）鉆井液密度鉆井時，H3與H2的安全鉆井問題。一般情況下，中間尾管下至H3即可。當然也可根據(jù)中間套管鞋處（H2）的地層破裂壓力梯度，下推尾管的最大可下深度：fH2中間套管鞋處的地層破裂壓力梯度，g/cm3；P中間尾管最大可下深度處地層壓力梯,g/cm3。在壓力梯度剖面圖橫坐標上找到P，從P引垂線與地層壓力梯度線相交，交點即為中間尾管的最大下入深度H3。,井身結構設計的方法及步驟,（5）計算表層套管下入深度H1根據(jù)中間套管鞋處地層壓力梯度PH2，在給事實上Sk的溢流條件，用試算法計算表層套管的下入深度。即式中fD設計地層破裂壓力梯度，其工程意義為溢流壓井時，表層套管鞋處承受的有效液柱壓力梯度的當量密度。試算中，當fH1-fD(00.024)，即符合設計要求。,井身結構設計的方法及步驟,（6）進一步校核中間尾管a.校核中間尾管下入最大深度時，是否有卡套管危險。校核方法與步驟3相同。b.校核在給定Sk溢流條件下壓井時，中間套管鞋處是否有被壓裂的危險。校核方法同步驟5。（7）油層套管下入目的層中，應進行壓差卡鉆和溢流條件校核。,套管尺寸與井眼尺寸選擇及配合,1設計中考慮的因素（1）生產(chǎn)套管尺寸應滿足采油方面要求。根據(jù)生產(chǎn)層的產(chǎn)能、油管大小、增產(chǎn)措施及井下作業(yè)等要求來確定。（2）對于探井，要考慮原設計井深是否要加深，地質上的變化會使原來的預告難于準確，是否要求井眼尺寸上留有余量以便增下中間套管，以及對巖心尺寸要求等。(3)要考慮到工藝水平，如井眼情況、曲率大小、井斜角以及地質復雜情況帶來的問題。并應考慮管材、鉆頭等庫存規(guī)格的限制。,套管尺寸與井眼尺寸選擇及配合,2套管和井眼尺寸的選擇和確定方法（1）確定井身結構尺寸一般由內向外依次進行，首先確定生產(chǎn)套管尺寸，再確定下入生產(chǎn)套管的井眼尺寸，然后確定中間套管尺寸等，依此類推，直到表層套管的井眼尺寸，最后確定導管尺寸。（2）生產(chǎn)套管根據(jù)采油方面要求來定?？碧骄畡t按照勘探方面要求來定。（3）套管與井眼之間有一定間隙，間隙過大則不經(jīng)濟，過小會導致下套管困難及注水泥后水泥過早脫水形成水泥橋。間隙值一般最小在9.512.7mm(3/81/2in)范圍，最好為19mm（3/4in）。,套管尺寸與井眼尺寸選擇及配合,3套管及井眼尺寸標準組合目前國內外所生產(chǎn)的套管尺寸及鉆頭及尺寸已標準系列化。套管與其相應井眼的尺寸配合基本確定或在較小范圍內變化。,井身結構設計實例計算分析,例1某井設計井深4873m，其地層壓力梯度和地層破裂壓力梯度剖面圖如圖2-11示。該井無地質復雜層。設計系數(shù)取以下值：Sw=0.036g/cm3Sg=0.036g/cm3Sf=0.024g/cm3Sk=0.060g/cm3Pn=16.56MPaPa=21.36MPa,1450m,3826m,4146m,實例計算分析例1,（1）求中間套管下入深度假定點根據(jù)鉆遇最大地層壓力求設計破裂壓力梯度。鉆遇最大地層壓力梯度=2.113g/cm3考慮抽汲壓力Sw=0.036g/cm3采用最小鉆井液密度mmi=2.149g/cm3考慮鉆柱下放、壓力激動Sg=0.036g/cm3最小設計破裂壓力梯度fDmin=2.185g/cm3考慮安全因素Sf=0.024g/cm3設計地層破裂壓力梯度fD=2.209g/cm3從壓力剖面圖橫坐標上2.209處下引垂直線，垂直線與地層破裂壓力梯度曲線相效，交點H3的相應井深4146m為中間套管下入深度假定點，該深度地層壓力梯度為1.74g/cm3。,實例計算分析例1,（2）驗證中間套管下入4146m深度是否有卡套管的危險其中m=PH2+Sw(PH2即4146m井深地層壓力梯度)，PH2=1.74（g/cm3）1.74+0.036=1.776g/cm3。HN=3384m（查壓力剖面圖正常地層壓力最大井深），代入上式=23.08MPa因為23.0816.56所以中間套管下入井深4146m有卡套管的危險，中間套管下入井深應當減小。,1450m,3826m,4146m,HN=3384m,實例計算分析例1,求在允許壓力差16.56MPa的條件下，中間套管下入深度H2HN=3384mm-Sw=中間套管下入深度處的地層壓力梯度1.579-0.036=1.543g/cm3從壓力剖面圖上查出地層壓力梯度為1.543g/cm3時，相應井深3826m，故中間套管下入深度為3826m。,1450m,3826m,4146m,實例計算分析例1,（3）計算中間尾管最大下入深度H34146m-3826m=320m校核尾管下入4146m井深壓差卡鉆可能性。鉆井尾管下入4146m時采用的鉆井液密度=4146m處地層壓力梯度+Sw=1.74+0.036=1.776g/cm3P=0.00981(1.776-1.543)3826=8.745MPa因為8.74521.36，下入中間尾管時不會卡尾管。,1450m,3826m,4146m,校核鉆井至4146m時，如果產(chǎn)生溢流，給定0.060g/cm3溢流條件，壓井時中間套管鞋3826m處是否會被壓裂，產(chǎn)生地下井噴危險。中間尾管井深4146m處地層壓力梯度=1.74g/cm3=1.865g/cm3井深3826m處地層強度（地層破裂壓力梯度）=2.172g/cm3。因為1.865fD1450，且相近，所以表層套管下入深度H1=1450m，滿足設計要求。,1450m,3826m,4146m,實例計算分析例1,（5）油層套管下入4878m深度是否有卡套管的危險P=0.00981（2.113+0.036-1.74）4146=16.635MPa因為16.63521.36，油層套管下入4878m不會卡套管。這樣，該井設計的套管程序如表,1450m,3826m,4146m,1450m,3826m,4146m,實例計算分析例2,例2某井設計井深3500m，表2-4為該井地層巖性剖面、地層壓力梯度和地層破裂壓力梯度及各層段地質復雜提示數(shù)據(jù)。設計系數(shù)為：Sw=0.016g/cm3，Sg=0.09g/cm3，Sf=0.02g/cm3，PN=15MPa，Pa=20MPa。該區(qū)為非高壓氣區(qū)，不考慮溢流條件，確定該井井身結構。,（1）由地層壓力、地層破裂壓力數(shù)據(jù)及相應的井段，根據(jù)線性插值作出壓力梯度剖面圖,當量密度g/cm3,設計破裂壓力梯度,地層破裂壓力梯度,地層壓力梯度,137.9mm,444.5mm,215.9mm,（2）由圖及給定的設計系數(shù)確定中間套的下入深度,（3）地層破裂壓力梯度剖面上的兩個奇異點（D層底部礫石及DE層界面漏失，EF層界面漏失），按可堵漏成功和堵漏成功率低，且耗費大兩種情況考慮。若按可堵漏成功率條件時，設計地層破裂壓力梯度時，不考慮兩個奇異點的影響，且該區(qū)為非高壓油氣區(qū)，由（4-8）式計算設計地層破裂壓力梯度當量密度，即fD=1.23+0.016+0.09+0.02=1.36g/cm3在上圖中可求得fD與地層破裂壓力梯度線的交點。從圖中可知設計地層破裂壓力梯度線都落入地層破裂壓力梯度線內（除B點以上井段及兩個奇異點外），因此中間套管下深只在井深500m內，只要表層套管下深即可代替中間套管。上面的設計只滿足了考慮兩個奇異點能有效被封堵的條件下，按兩條壓力梯度剖面確定的中間套管必封點井深的要求，下面再詳細分析兩上奇異點（地質復雜點）是否必封的情況。,實例計算分析例2,根據(jù)表提供的地質復雜，即DE，EF層界面漏失壓力，井身結構設計還必須滿足地質復雜必封點。對于地質復雜必封點（或段）是否一定要下套管封隔，這可由目前的鉆井工藝技術水平、鉆井液工藝技術、堵漏防塌工藝水平及鄰井鉆井情況、在不下中間套管封固DE、EF層界面漏失的條件下，是否能安全、優(yōu)質、高速和經(jīng)濟地鉆達設計井深等來決定。,實例計算分析例2,分析：圖可知DE層界面漏失壓力梯度當量密度為1.151.20g/cm3，EF為1.181.20g/cm3。而F以上諸層地層壓力梯度當量密度最大為1.10g/cm3，設計鉆井液密度一般在1.051.15g/cm3。因此，在F以上地層鉆井中，嚴格控制壓力激動和鉆井措施合理，DF及EF的漏失是可控制的。但進入F底部以下地層，鉆井液密度在1.30g/cm3左右，若DE，EF層界面漏失而堵漏不嚴，又不下中間套管封隔DE，EF漏失層，則DE，EF難于承受井內液柱壓力而發(fā)生漏失。在這種情況下，是否必須下中間套管封隔，或采取鉆完DE，EF，當鉆井液密度大于1.20g/cm3后，出現(xiàn)井漏，采取強有力的堵漏方法，封堵死漏層后，不下中間套管。這兩種方法那種更好，鉆井工程師仔細計算兩種方案的經(jīng)濟得失，方可最后確定該井的井身結構。,實例計算分析例2,因此本井井身結構設計可按以下