第二章第四節(jié)-井身結(jié)構(gòu)設(shè)計1課件

第四節(jié)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計井身結(jié)構(gòu)設(shè)計包括套管層次、套管下入深度以及井眼尺寸（鉆頭尺寸）與套管尺寸的配合。

目的保證安全、優(yōu)質(zhì)、快速和經(jīng)濟地鉆達目的層。井身結(jié)構(gòu)設(shè)計井身結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要原則能有效保護油氣層能避免產(chǎn)生井漏、井噴、井塌、卡鉆等井下復(fù)雜情況,為全井安全、優(yōu)質(zhì)、快速和經(jīng)濟地鉆進創(chuàng)造條件；當(dāng)實際地層壓力超過預(yù)測值使井出現(xiàn)井涌時，在一定范圍內(nèi)，具有壓井處理溢流的能力。井身結(jié)構(gòu)設(shè)計導(dǎo)管鉆表層井眼時，將鉆井液從地表引導(dǎo)到鉆臺平面上來。表層套管防止淺層水受污染，封閉淺層流砂、礫石層及淺層氣，支撐井口設(shè)備裝置，懸掛依次下入的各層套管的載荷。技術(shù)套管（中間套管）封隔坍塌地層及高壓水層封隔不同的壓力體系繼續(xù)鉆井的需要油層套管（生產(chǎn)套管）為油氣生產(chǎn)提供流通通道保護產(chǎn)層、分層測試、分層采油、分層改造尾管技術(shù)尾管生產(chǎn)尾管尾管回接壓力設(shè)計原則在裸眼井段中存在著地層孔隙壓力、泥漿液柱壓力、地層破裂壓力。三個壓力體系必須同時滿足于以下情況：由于在非密閉的洗井液壓力體系中(即不關(guān)封井器憋回壓時)，壓力隨井深呈線性變化．所以使用壓力梯度概念較方便?？紤]到井壁的穩(wěn)定，還需要補充另一個與時間關(guān)系有關(guān)的不等式，即井內(nèi)液柱壓力梯度要大于或等于截面巖石坍塌壓力梯度。我國石油鉆井現(xiàn)場有4種壓力表示方法(1)用壓力的單位表示。這是一種直接表示法，如l00kPa，10MPa。(2)用壓力梯度表示。其好處或方便之處是在對比不同深度地層中的壓力時，可消除深度的影響。而該點的壓力只把梯度乘上深度即可得到。(3)用流體當(dāng)量密度表示。某點壓力等于具有相當(dāng)密度的流體在該點所形成的液柱壓力。這個密度常稱為鉆井液當(dāng)量密度。其好處或方便之處與壓力梯度類似，也可以在對比不同深度壓力時消除深度帶來的不便。鉆井時可用鉆井液密度的對比表示壓力的對比，非常直觀方便。(4)用壓力系數(shù)表示。這是某點壓力與該點水柱靜壓力之比，無因次，其數(shù)值等于該點的鉆井液當(dāng)量密度。實際仍是當(dāng)量密度，去掉了密度量綱。井身結(jié)構(gòu)確定的原則能有效的保護油氣層，使不同壓力梯度的油氣層不受泥漿污染損害。應(yīng)避免漏、噴、塌、卡等復(fù)雜情況產(chǎn)生．為全井順利鉆進創(chuàng)造條件．使鉆井周期最短。鉆下部高壓地層時所用的較高密度泥漿產(chǎn)生的液柱壓力，不致壓裂上一層套管鞋處薄弱的裸露地層。下套管過程中，井內(nèi)泥漿液柱壓力和地層壓力之間的壓差，不致產(chǎn)生壓差卡套管事故。井底壓力隨作業(yè)不同而變化：(1)靜止狀態(tài)，井底壓力＝環(huán)形空間靜液壓力；(2)正常循環(huán)時，井底壓力＝環(huán)形空間靜液壓力+環(huán)形空間壓力損失；(3)用旋轉(zhuǎn)防噴器循環(huán)鉆井液時，井底壓力＝環(huán)形空間靜液壓力+環(huán)形空間壓力損失+旋轉(zhuǎn)防噴器的回壓，(4)循環(huán)出氣涌時，井底壓力＝環(huán)形空間靜液壓力十環(huán)形空間壓力損失+節(jié)流器壓力；(5)起鉆時，井底壓力＝環(huán)空靜液壓力+抽吸壓力；(6)下鉆時，井底壓力＝環(huán)空靜液壓力+激動壓力；(7)空井時，井底壓力＝環(huán)空靜液壓力；(8)關(guān)井時，井底壓力＝環(huán)空靜液壓力+井口回壓+氣侵附加壓力井身結(jié)構(gòu)設(shè)計所需基礎(chǔ)數(shù)據(jù)1．地質(zhì)方面的數(shù)據(jù)巖性剖面及其故障提示；地層孔隙壓力剖面；地層破裂壓力剖面。2．工程類數(shù)據(jù)抽吸壓力與激動壓力允許值；井涌條件允許值；壓差允許值（裸眼中，泥漿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。）。井深當(dāng)量泥漿密度GpGf套管層次和下入深度確定考慮的因素地層壓力剖面地層破裂壓力剖面工程參數(shù)(必封點確定）正常作業(yè)：抽吸壓力系數(shù)Sw、激動壓力系數(shù)Sg、地層壓裂安全增值Sf出現(xiàn)井涌：抽吸壓力系數(shù)Sw、地層壓裂安全增值Sf、考慮液流情況下地層壓力增加值

SK最大允許壓差（避免壓差卡鉆）ΔPN(ΔPa)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計1、正常作業(yè)時（起下鉆、鉆進）：起鉆：最大鉆井液密度：某一層套管的鉆進井段中所用的最大鉆井液密度應(yīng)不小于和該井段中的最大地層壓力梯度當(dāng)量密度與最大抽吸壓力梯度當(dāng)量密度之和。ρmax:某層套管的鉆進井段中所使用的最大鉆井液密度，g/cm3；ρpmax該井段的最大地層壓力梯度，g/cm3；Sw:考慮到上提鉆柱時抽吸作用使井底壓力降低，為了平衡地層壓力所加的附加鉆井液密度，g/cm3。Sw=0.024-0.048g/cm3.最大井內(nèi)壓力梯度

起下鉆：正常鉆井條件下，井內(nèi)最大壓力梯度是發(fā)生在下放鉆柱時，由于產(chǎn)生壓力激動使得井內(nèi)壓力增高，設(shè)由于壓力激動使井內(nèi)的壓力增加值為Sg，則最大井內(nèi)壓力梯度為：Sg:激動壓力梯度當(dāng)量密度；g/cm3；Sg=0.024-0.048g/cm3最大井內(nèi)壓力梯度2、發(fā)生井涌時（關(guān)封井）套管壓力為pa：為了制止液流，如壓井時井內(nèi)壓力增高值為Sk,則最大井內(nèi)壓力梯度為：Sk=0.060g/cm3上式只適用于發(fā)生井涌時最大地層壓力所在的井深Hpmax的井底處，而對于井深為Hn的任意井深處的井內(nèi)壓力梯度為：PdPaPaPdPpPd+Php=PpPa+Pha=Pp溢流關(guān)井pd

pa

ppphppha鉆遇井涌時壓力分析正常鉆井時

鉆至Hx遇到井涌關(guān)井，套管壓力pa，設(shè)井涌系數(shù)Sk關(guān)井后井內(nèi)壓力平衡方程井身結(jié)構(gòu)設(shè)計井身結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)鍵參數(shù)套管下深的臨界條件為了確保上一層套管鞋處的裸露地層不被壓裂，應(yīng)該保證，某一井段的最大井內(nèi)液柱壓力梯度滿足：ρf:上一層套管下入深度處裸露地層的破裂壓力梯度；g/cm3Sf：為避免將上一層套管下入深度處裸露地層壓裂的安全值，Sf=0.024-0.048g/cm3當(dāng)量泥漿密度GpGf井身結(jié)構(gòu)設(shè)計最大允許壓差為了在下套管過程中，不致于發(fā)生壓差粘卡套管的事故，應(yīng)該限制井內(nèi)鉆井液液柱壓力與地層壓力的壓力差值，即規(guī)定最大允許壓差。最大允許壓差的取值在正常壓力地層：ΔPN=11-17MPa在異常壓力井段：

ΔPa=14-22MPa井身結(jié)構(gòu)設(shè)計設(shè)計步驟和方法（1）各層套管（不含油層套管）下入深度初選點Hni的確定正常鉆進時：ρfnr:在設(shè)計套管層所在的裸眼井段內(nèi)，在最大井內(nèi)液柱壓力梯度作用下，上部裸露地層不致破裂所應(yīng)有的地層破裂壓力梯度，g/cm3;ρmax:裸露井段預(yù)計的最大地層壓力梯度，g/cm3;井身結(jié)構(gòu)設(shè)計設(shè)計步驟和方法（1）各層套管（不含油層套管）下入深度初選點Hni的確定（續(xù)1）發(fā)生溢流時時：ρfnk:在設(shè)計套管層所在的裸眼井段發(fā)生液流時，在最大井內(nèi)壓力梯度作用下，上部裸露地層不致破裂所應(yīng)有的地層破裂壓力梯度，g/cm3;Hni:設(shè)計層套管的初始下入深度，m;Hpmax:最大地層壓力所對應(yīng)的井深;m。井身結(jié)構(gòu)設(shè)計設(shè)計步驟和方法（1）各層套管（不含油層套管）下入深度初選點Hni的確定（續(xù)2）比較正常鉆井情況下和發(fā)生液流情況下的最小地層破裂壓力，一般地ρfnk>ρfnr,因此通常按ρfnk計算，只有在肯定不會發(fā)生液流的情況下，才按ρfnr計算。對于技術(shù)套管，首先計算出ρfnk，然后通過作圖或數(shù)字計算的方法找到地層破裂壓力為ρfnk的井深，該井深即為技術(shù)套管下入的初選點。對于技術(shù)套管，需要校核是否會卡套管，對于表層套管，則一般不必進行壓差粘卡套管的校核井身結(jié)構(gòu)設(shè)計（2）校核套管下入初選點Hni是否會發(fā)生壓差粘卡套管所用最大鉆井液密度與最小地層壓力之間實際的最大靜止壓差：ΔP：套管所受到的最大靜止壓差，MPa；ρmin：該井段內(nèi)最小地層壓力,g/cm3;Hmm：最小地層壓力所對應(yīng)的井深,m。井身結(jié)構(gòu)設(shè)計（2）校核套管下入初選點Hni是否會發(fā)生壓差粘卡套管（續(xù)1）比較ΔP與ΔPN(ΔPa)PPN（或Pa），則假定深度Hni為中間套管下入深度。

若P>PN（或Pa），則中間套管下至Hni過程中有被卡危險。在這種情況下,必須采取下尾管的方法解決。

確定技術(shù)套管的下入深度：先計算不卡套管的最大地層壓力梯度，g/cm3;與ρpper對應(yīng)的井深即為經(jīng)過校核的井深井身結(jié)構(gòu)設(shè)計設(shè)計步驟和方法（3）在技術(shù)套套下入深度淺于初選點的情況下，確定尾管的下入深度Hn+1確定尾管下入深度的初選點Hn+1,I由技術(shù)套管鞋處的地層破裂壓力梯度ρfn可求得允許的最大地層壓力梯度ρpper:通過數(shù)字計算或作圖法找到與ρpper相等的地層壓力梯度所對應(yīng)的井深，該井深即為尾管下入深度的初選點。校核尾管的下入深度初選點是否會發(fā)生卡套管生產(chǎn)套管尺寸應(yīng)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。對于探井，要考慮原設(shè)計井深是否要加深，地質(zhì)上的變化會使原來的預(yù)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。要考慮到工藝水平，如井眼情況、曲率大小、井斜角以及地質(zhì)復(fù)雜情況帶來的問題。并應(yīng)考慮管材、鉆頭庫存規(guī)格等的限制。

1．設(shè)計中考慮的因素套管尺寸與井眼尺寸選擇及配合確定井身結(jié)構(gòu)尺寸一般由內(nèi)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，然后確定中層套管尺寸等，依此類推，直到表層套管的井眼尺寸，最后確定導(dǎo)管尺寸。生產(chǎn)套管根據(jù)采油方面要求來定。勘探井則按照勘探方要求來定。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(dǎo)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9.5~12.7mm(3/8~1/2in)范圍，最好為19mm（3/4in）。

2．套管和井眼尺寸的選擇和確定方法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四、套管尺寸與井眼尺寸選擇及配合81/2井身結(jié)構(gòu)設(shè)計—實例計算分析

例1某井設(shè)計井深4878m，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(zhì)復(fù)雜層。設(shè)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（1）求中間套管初始下入深度

鉆遇最大地層壓力梯度=2.113g/cm3

考慮抽汲壓力Sw=0.036g/cm3

考慮鉆柱下放、壓力激動Sg=0.036g/cm3

考慮安全因素Sf

=0.024g/cm3

如按正常工況，則：fnr

=2.209g/cm3

從壓力剖面圖橫坐標上2.209處引垂直線，該垂線與地層破裂壓力梯度曲線相交，交點H3的相應(yīng)井深4146m為中間套管下入深度初始選定點，該深度地層壓力梯度為1.74g/cm3。井身結(jié)構(gòu)設(shè)計—實例計算分析

（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（壓力剖面圖最小地層壓力對應(yīng)的最大井深），代入上式

=23.08MPa

因為23.08>16.56

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(yīng)當(dāng)減小。關(guān)鍵點：哪里壓差最大？井身結(jié)構(gòu)設(shè)計—實例計算分析

在壓差最大點，能滿足壓差允許值的最大泥漿密度是多少？

求在允許壓力差16.56MPa的條件下，中間套管下入深度H2

HN=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在壓力剖面圖上找到1.543g/cm3

，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3826m

。井身結(jié)構(gòu)設(shè)計—實例計算分析

（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/cm3

P=0.00981(1.776-1.543)3826=8.745MPa

因為8.745<21.36，下入中間尾管時不會卡尾管。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處地層破裂壓力梯度=2.172g/cm3。因為1.865<2.172，所以當(dāng)鉆至井深4146m，若發(fā)生溢流，關(guān)井不會壓裂中間套管鞋處地層，產(chǎn)生地下井噴危險。井身結(jié)構(gòu)設(shè)計—實例計算分析

（4）表層套管可下深度H1

根據(jù)中間套管下入深度3826m處地層壓力梯度，給定0.060g/cm3的溢流條件，試算表層套管可下深度。

設(shè)表層套管下入深度=1067m

=1.819g/cm3

井深1067m處地層破裂壓力梯度=1.693g/cm3。溢流后壓井時，給予1067m處的壓力負荷大于該處地層破裂壓力梯度，會壓裂地層產(chǎn)生地下井噴的危險。試算深度不能滿足要求。井身結(jié)構(gòu)設(shè)計—實例計算分析

設(shè)表層套管下入深度=1450m，則

井深1450m處地層破裂壓力梯度=1.780g/cm3。因為f1450>fD1450，且相近，所以表層