钻井与完井工程教材第二章井身结构设计

9第二章 井身结构设计井身结构设计是钻井工程的基础设计。它的主要任务是确定套管的下入层次、下入深度、水泥浆返深、水泥环厚度、生产套管尺寸及钻头尺寸。基础设计的质量是关系到油气井能否安全、优质、高速和经济钻达目的层及保护储层防止损害的重要措施。由于地区及钻探目的层的不同，钻井工艺技术水平的高低，国内外各油田井身结构设计变化较大。选择井身结构的客观依据是地层岩性特征、地层压力、地层破裂压力。主观条件是钻头、钻井工艺技术水平等。井身结构设计应满足以下主要原则：1能有效地保护储集层；2避免产生井漏、井塌、卡钻等井下复杂情况和事故。为安全、优质、高速和经济钻井创造条件；3当实际地层压力超过预测值发生溢流时，在一定范围内，具有处理溢流的能力。本章着重阐明地下各种压力概念及评价方法，井身结构设计原理、方法、步骤及应用。第一节 地层压力理论及预测方法地层压力理论和评价技术对天然气及石油勘探开发有着重要意义。钻井工程设计、施工中，地层压力、破裂压力、井眼坍塌压力是合理钻井密度设计；井身结构设计；平衡压力钻井；欠平衡压力钻井及油气井压力控制的基础。一、几个基本概念1静液柱压力静液柱压力是由液柱自身重量产生的压力，其大小等于液体的密度乘以重力加速度与液柱垂直深度的乘积，即（2-1）HPh0981.式中：P h静液柱压力，MPa；液柱密度，g/cm 3；H液柱垂直高度，m。静液柱压力的大小取决于液柱垂直高度 H 和液体密度 ，钻井工程中，井愈深，静液柱压力越大。2压力梯度指用单位高度（或深度）的液柱压力来表示液柱压力随高度（或深度）的变化。（2-2）0981.PGh式中：G h液柱压力梯度， MPa/m；Ph液柱压力，MPa ；H液柱垂直高度，m。石油工程中压力梯度也常采用当量密度来表示，即10（2-3）HPh0981.式中：当量密度梯度，g/cm 3；3有效密度钻井流体在流动或被激励过程中有效地作用在井内的总压力为有效液柱压力，其等效（或当量）密度定义为有效密度。4压实理论指在正常沉积条件下，随着上覆地层压力 P0 的增加，泥页岩的孔隙度 减小， 的减小量与 P0 的增量 dP0 及孔隙尺寸有关，即：dCpgdH0CP令 CP0g=C，且积分上式（2-4 ）CHe0式中： 0地表孔隙度；井深 H 时的孔隙度；P0上覆地层压力；CP压实校正系数， CP1。即正常压实地层、泥页岩孔隙度是井深 H 的函数。也就是说正常地层压力段，随着井深 H 增加，岩石孔隙度减小。若当随着井深增加，岩石孔隙度增大，则说明该段地层压力异常。压实理论是支持 dc 指数，声波时差等地层压力预测技术的理论基础之一。5均衡理论指泥页岩在压实与排泄过程平衡时，相邻沙泥岩层间的地层压力近似相等。均衡理论是支持地层压力预测技术不可缺少的理论基础。6上覆地层压力 P0地层某处的上覆岩层压力是指该处以上地层岩石基质和孔隙中流体的总重量（重力）所产生的压力，即面 积 重 力流 体 重 量重 力岩 石 骨 架 重 量 )()(0 （2-5 ）)1(980pH式中：P 0上覆岩层压力，MPa；H地层垂直深度，m；岩石孔隙度，%；0岩石骨架密度，g/cm 3；p孔隙中流体密度，g/cm 3。11由于沉积压实作用；上覆岩层压力随深度增加而增大。一般沉积岩的平均密度大约为2.3g/cm3，沉积岩的上覆岩层压力梯度一般为 0.226MPa/m。在实际钻井过程中，以钻台面作为上覆岩层压力的基准面。因此在海上钻井时，从钻台面到海面，海水深度和海底未固结沉积物对上覆岩层压力梯度都有影响，实际上覆岩层压力梯度值远小于 0.226MPa/m。例如，海上井的 1524m 深处，上覆岩层压力梯度一般小于 0.167MPa/m。上覆岩层压力还可用下式计算：（2-6）HPb0981.式中：P 0上覆岩层压力，MPa；沉积层平均体积密度，g/cm 3；bH沉积层 m。上覆岩层压力梯度一般分层段计算，密度和岩性接近的层段作为一个沉积层。即（2-7）iibiHPG)0981.(010 式中：G 0上覆岩层压力梯度， MPa/m；Poi第 i 层段的上覆岩层压力，MPa/m；Hi第 i 层段的厚度，m；第 i 层段的平均体积密度， g/cm3。bi上式计算的是上覆岩层压力梯度的平均值。测得的体积密度越准确，计算出来的上覆岩层压力梯度也就越准确。如果有密度测井曲线，就能很容易地计算出每一段岩层的平均体积密度。如果没有密度测井曲线，可借助于声波测井曲线计算体积密度，不过，这是迫不得已才使用的方法。还可以使用由岩屑测出的体积密度，但这种方法不太准确，因为岩屑在环空中可能吸水膨胀，使岩石体积密度降低。在厚岩盐层和高孔隙压力带的一个小范围内，上覆岩层压力梯度可能发生反向变化。高孔隙度的泥岩通常是异常高压层，其体积密度非常小。如果异常高压层足够厚，就可能使总的平均体积密度降低。实际上这些低密度带很薄，所以上覆岩层压力梯度的反向变化一般很小，而且发生在很小的范围内。因而异常高压层的上覆岩层压力仍然增加，但增加的速率减慢。7地层压力（地层孔隙压力）P P地层压力是指岩石孔隙中流体的压力，亦称地层孔隙压力，用 PP 表示。在各种沉积物中，正常地层压力等于从地表到地下某处连续地层水的静液压力。其值的大小与沉积环境有关，取决于孔隙内流体的密度。若地层水为淡水，则正常地层压力梯度（G p）为0.0981MPa/m，若地层水为盐水，则正常地层压力梯度随含盐量的不同而变化，一般为0.0105MPa/m。石油钻井中遇到的地层水多数为盐水。表 2-1 为不同地层水的正常地层压力梯度值。12表 2-1 不同矿化度地层水的静水压力地层流体 氯离子浓度毫克/升 Ppm(NaCl)正常地层压力梯度MPa/m当量泥浆密度g/cm3淡水 0 0 0.00981 1.0微咸水609812287249211006220273411200.009890.00990.010041.0031.0101.024海水 33000 54450 0.01012 1.033盐水37912512966498762554846381072280.010190.010330.010491.0401.0541.070典型海水含盐量梯度6528779065935071083731236041393201554401719051888951077091304571542861788152039462298782564762834733116760.010500.010620.010780.010950.011070.011240.011400.011540.011711.0721.0841.1001.1171.1301.1471.1631.1781.195饱和盐水 191600 316640 0.01173 1.197在钻井实践中，常常会遇到实际的地层压力梯度大于或小于正常地层压力梯度的现象，即压力异常现象。超过正常地层静液压力的地层压力（P PPh）称为异常高压。8骨架应力 骨架应力是由岩石颗粒之间相互接触来支撑的那部分上覆岩层压力（亦称有效上覆岩层压力或颗粒压力） ，这部分压力是不被孔隙水所承担的。骨架应力可用下式计算：（2-8）p0式中：骨架应力，MPa；P0上覆岩层压力，MPa；Pp地层压力，MPa 。上覆岩层的重力是由岩石基质（骨架）和岩石孔隙中的流体共同承担的。当骨架应力降低时，孔隙压力就增大。孔隙压力等于上覆岩层压力时，骨架应力等于零，而骨架应力等于零时可能会产生重力滑移。骨架应力是造成地层沉积压实的动力，因此只要异常高压带中的基岩应力存在，压实过程就会进行，即使速率很慢。上覆岩层压力、地层压力和骨架应力之间的关系如图 2-1 所示。低于正常地层静液压力的地层压力（PpPN（或 Pa） ，则中间套管下至 H3 过程中有被卡危险。在这种情况下可采取以下方法解决。a.应用以下公式重新计算中间套管下入深度（或 Pa）NPm)(0981.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）=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。b.应用方法 a，往往需多下一层套管或尾管，为了避免这种情况，钻井工程师可根据所在区域钻井工艺技术水平，钻井液体系和性能，从工艺、防卡液上解决中间套管下入到 H3的卡钻危险。（4）计算钻井（或中间）尾管的最大下入深度在第三步中，若按方法 a 解决压差卡钻危险，那么还需下一段中间尾管以满足采用（ Pmax+Sw）钻井液密度钻井时，H 3 与 H2 的安全钻井问题。一般情况下，中间尾管下至 H3即可。当然也可根据中间套管鞋处（H 2）的地层破裂压力梯度，下推尾管的最大可下深度。即PfgWf S)(2式中： fH2中间套管鞋处的地层破裂压力梯度，g/cm 3；P中间尾管最大可下深度处地层压力梯度，g/cm 3。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。（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，由给定溢流条件 Sk，用试算法计算表层套管的下入深度。即kfwPHfDS122式中 fD设计地层破裂压力梯度，其工程意义为溢流压井时，表层套管鞋处承受的有效液柱压力梯度的当量密度。32试算中，当 fH1-fD(0.0240.048)，即符合设计要求。（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。以上套管层次、下入深度的确定是以井内压力系统平衡为基础，以压力剖面为依据的。但某些影响钻进的复杂情况因素目前还不能反映到压力剖面上。如吸水膨胀易塌泥页岩、含蒙脱石的泥页岩、岩膏层、盐岩层蠕变、胶结不良的砂岩等。某些复杂情况的产生又与时间因素有关，如钻进速度快，浸泡时间短，复杂情况并不显示出来，反之钻速慢，上部某些地层裸露时间长或在长时间浸泡下，则发生坍塌、膨胀、缩径等情况。这需要根据已钻井的经验来确定某些应及时封隔的地层即必封点。某些地区没有复杂情况则不必确定必封点。另外，为了求得控制复杂情况所需的坍塌压力梯度值是非常必要的，这样可以在确定必封点上不必凭经验来进行。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。1设计中考虑的因素（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。2套管和井眼尺寸的选择和确定方法（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，然后确定中间套管尺寸等，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 9.512.7mm(3/81/2in)范围，最好为19mm（3/4in） 。3套管及井眼尺寸标准组合目前国内外所生产的套管尺寸及钻头及尺寸已标准系列化。套管与其相应井眼的尺寸配合基本确定或在较小范围内变化。图 2-10 给出了套管和井眼尺寸选择表。使用该表时，先确定最后一层套管（或尾管）尺寸。选择表的流程表明要下该层套管可能需要的井眼尺寸。实践表明选择表中套管与井眼尺寸的常用配合，它有足够的间隙以下入该套管及注水泥。虚线表示不常用的尺寸配合（间隙较小） 。如选用虚线所示的组合时，则须对套管接箍、钻井液密度、注水泥及井眼曲率大小等应予注意。33图2-10a 套管和井眼（钻头）尺寸的选择表（单位： mm） 图 2-10b 套管和井眼（钻头）尺寸选择表（单位： in）34五、实例计算分析例 1 某井设计井深 4878m，其地层压力梯度和地层破裂压力梯度剖面图如图 2-11 示。该井无地质复杂层。设计系数取以下值：Sw=0.036g/cm3Sg=0.036g/cm3Sf=0.024g/cm3Sk=0.060g/cm3Pn=16.56MPaPa=21.36MPa解 由题意，该井井身结构不考虑地质复杂必封点，并按正常作业进行设计。（1）求中间套管下入深度假定点根据钻遇最大地层压力求设计破裂压力梯度。钻遇最大地层压力梯度 =2.113g/cm3考虑抽汲压力 Sw =0.036g/cm3采用最小钻井液密度 mmin =2.149g/cm3考虑钻柱下放、压力激动 Sg =0.036g/cm3最小设计破裂压力梯度 fDmin=2.185g/cm3考虑安全因素 Sf =0.024g/cm3设计地层破裂压力梯度 fD =2.209g/cm3从压力剖面图横坐标上 2.209 处下引垂直线，垂直线与地层破裂压力梯度曲线相效，交点 H3 的相应井深 4146m 为中间套管下入深度假定点，该深度地层压力梯度为 1.74g/cm3。（2）验证中间套管下入 4146m 深度是否有卡套管的危险NmHP)08.1(09.其中 m=PH2+Sw(PH2 即 4146m 井深地层压力梯度) ，PH2=1.74g/cm3，1.74+0.036=1.776g/cm 3。HN=3384m（查压力剖面图正常地层压力最大井深） ，代入上式=23.08MPa384)0.176.(098. 因为 23.0816.56所以中间套管下入井深 4146m 有卡套管的危险，中间套管下入井深应当减小。求在允许压力差 16.56MPa 的条件下，中间套管下入深度 H2。Nm)08.1(09.56.1HN=3384m3/579.348.6 cmgm图 2-11 压力梯度剖面35m-Sw=中间套管下入深度处的地层压力梯度1.579-0.036=1.543g/cm3从压力剖面图上查出地层压力梯度为 1.543g/cm3 时，相应井深 3826m，故中间套管下入深度为 3826m。（3）计算中间尾管最大下入深度 H34146m-3826m=320m校核尾管下入 4146m 井深压差卡钻可能性。钻井尾管下入 4146m 时采用的钻井液密度=4146m 处地层压力梯度 +Sw=1.74+0.036=1.776g/cm3P=0.00981(1.775-1.543)3826=8.745MPa因为 8.745fD1450，且相近，所以表层套管下入深度 H1=1450m，满足设计要求。36（5）油层套管下入 4878m 深度是否有卡套管的危险P=0.00981（2.113+0.035-1.74）4146=16.635MPa因为 16.63521.36，油层套管下入 4878m 不会卡套管。这样，该井设计的套管程序如表 2-3：表 2-3 例 1 套管程序套管层次 下入深度 m表层套管中间套管中间尾管油层套管1450382641464878例 2 某井设计井深 3500m，表 2-4 为该井地层岩性剖面、地层压力梯度和地层破裂压力梯度及各层段地质复杂提示数据。设计系数为：Sw=0.016g/cm3，S g=0.09g/cm3，S f=0.02g/cm3，P N=15MPa， Pa=20MPa。该区为非高压气区，不考虑溢流条件，确定该井井身结构。解 地层压力、地层破裂压力剖面和地质复杂层段都是井身结构设计必须考虑的因素。该井井身结构设计按以下步骤进行：（1）由地层压力、地层破裂压力数据及相应的井段，根据线性插值作出压力梯度剖面图 4-11。（2）由图 2-12 及给定的设计系数确定中间套的下入深度。表 2-4 例 2 岩性及压力梯度剖面数据层位 井深 m 岩性简述地层压力梯度当量密度g/cm3地层破裂压力梯度当量密度g/cm3复杂情况提示A 280 1.0 1.021.05 砾石层漏失B 620 1.0 1.021.50 B 中上部砾石漏失C 1020 1.0 1.50D 1570 1.0 1.50(1.151.20) D 底部砾石及DE 层界面漏失E 1902 1.0 1.50(1.181.20) EF 层界面漏失F 2625 1.10 1.50G3 2862 1.15 1.962.03G2 3145 1.23 1.802.06G1 3500 1.23 1.6737图 2-12 压力梯度剖面图（3）地层破裂压力梯度剖面上的两个奇异点（D 层底部砾石及 DE 层界面漏失，EF层界面漏失） ，按可堵漏成功和堵漏成功率低，且耗费大两种情况考虑。若按可堵漏成功率条件时，设计地层破裂压力梯度时，不考虑两个奇异点的影响，且该区为非高压油气区，由（2-51 ）式计算设计地层破裂压力梯度当量密度，即fD=1.23+0.016+0.09+0.02=1.36g/cm3在图 2-12 中可求得 fD 与地层破裂压力梯度线的交点。从图中可知设计地层破裂压力梯度线都落入地层破裂压力梯度线内（除 B 点以上井段及两个奇异点外） ，因此中间套管下深只在井深 500m 内，只要表层套管下深即可代替中间套管。上面的设计只满足了考虑两个奇异点能有效被封堵的条件下，按两条压力梯度剖面确定的中间套管必封点井深的要求，下面再详细分析两上奇异点（地质复杂点）是否必封的情况。根据表 2-4 提供的地质复杂，即 DE，EF 层界面漏失压力，井身结构设计还必须满足地质复杂必封点。对于地质复杂必封点（或段）是否一定要下套管封隔，这可由目前的钻井工艺技术水平、钻井液工艺技术、堵漏防塌工艺水平及邻井钻井情况、在不下中间套管封固 DE、EF 层界面漏失的条件下，是否能安全、优质、高速和经济地钻达设计井深等来决定。分析：图 2-12 可知 DE 层界面漏失压力梯度当量密度为 1.151.20g/cm3，EF 为1.181.20g/cm3。而 F 以上诸层地层压力梯度当量密度最大为 1.10g/cm3，设计钻井液密度一般在 1.051.15g/cm3。因此，在 F 以上地层钻井中，严格控制压力激动和钻井措施合理，DF 及 EF 的漏失是可控制的。但进入 F 底部以下地层，钻井液密度在 1.30g/cm3 左右，若DE，EF 层界面漏失而堵漏不严，又不下中间套管封隔 DE，EF 漏失层，则 DE，EF38难于承受井内液柱压力而发生漏失。在这种情况下，是否必须下中间套管封隔，或采取钻完 DE，EF，当钻井液密度大于 1.20g/cm3 后，出现井漏，采取强有力的堵漏方法，封堵死漏层后，不下中间套管。这两种 方法那种更好，钻井工程师仔细计算两种方案的经济得失，方可最后确定该井的井身结构。因此本井井身结构设计可按以下两种方案设计：（）按地质复杂必封点确定中间套