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1 第二章 井身结构设计 2 第二章 井身结构设计 第一节 地层压力理论及预测方法Dc指数声波时差地震层速度法第二节 地层破裂压力预测理论计算地破试验第三节 地层坍塌压力预测第四节 井身结构设计第五节 生产套管尺寸设计 自学 3 井身结构 定义套管层次 套管下入深度以及井眼尺寸 钻头尺寸 与套管尺寸的配合 主要内容确定套管的层数确定各层套管的下深确定套管尺寸与井眼尺寸的配合影响因素地层压力 地层压力 破裂压力 地层坍塌压力 工程参数地层必封点 4 地层压力理论及预测方法 静液柱压力 Hydrostaticpressure Ph定义静液压力是由液柱重力引起的压力 计算 液体密度 g cm3 H 液柱垂直高度 m Ph 5 地层压力理论及预测方法 压力梯度 Pressuregradient 单位高度 或深度 增加的压力值在油田 为方便起见 有时压力梯度单位直接用密度单位 或直接用压力系数的概念 有效密度 当量密度 钻井液在流动过程中有效地作用在井内的压力为有效液柱压力通过有效压力换算得到的液体密度称为等效密度 6 地层压力理论及预测方法 上覆岩层压力PO定义 某处地层的上覆岩层压力是指覆盖在该地层以上的地层基质 岩石 和孔隙中流体 油气水 的总重力造成的压力 计算 P0 上覆岩层压力 MPa rm 岩石基质密度 g cm3 地层空隙中流体密度 g cm3 无量纲的小数 孔隙度 Po 7 地层压力理论及预测方法 地层压力 FormationPressure PP地层压力是指岩石孔隙中流体 油气水 的压力 也叫地层孔隙压力 骨架应力 matrixpressure 由岩石颗粒之间来支撑的那部分上覆岩层压力 Po Pp 8 地层压力理论及预测方法 地层破裂压力 fracturepressure 在井中 当地层压力达到某一值时会使地层破裂 这个压力称为地层破裂压力 地层坍塌压力 Cavingpressure 当井内液柱压力低于某一值时 地层出现坍塌 我们称这个压力为地层坍塌压力 在有异常压力段 使岩石的液体释放造成井塌 9 井底环空压力1 不循环时 2 起下钻时 Pg为起下钻波动压力 地层压力理论及预测方法 10 地层压力理论及预测方法 异常地层压力正常地层压力一般为盐水液柱压力PW 不在正常地层压力范围内的压力称为异常地层压力 异常低压PPPw H P Pw Po 11 地层压力理论及预测方法 异常低压产生原因生产层长期开采衰竭地下水位很低异常高压产生原因特点异常高压地层与正常地层之间有一个封闭层原因沉积物的快速沉积渗透作用构造作用储集层的机构油田注水 12 地层压力理论及预测方法 地层压力预测 监测 方法Dc指数法 基于压实理论 原理 机械钻速随压差的减少而增加 正常情况下 钻速随井深的增加而减小 Dc增加 在异常地层压力地层 钻速增加而dc减小 适用范围 岩性为泥岩 页岩 钻进过程中的地层压力监测和完钻后区块地层压力统计分析 d H 13 地层压力理论及预测方法 Dc指数法预测的原理D指数 钻压指数 钻速方程 D指数V 钻速 m h N 转速 r min k 岩石可钻性系数P 钻压 kN Db 钻头尺寸 mm e 转速指数 14 地层压力理论及预测方法 dc指数法预测的原理dc指数 修正的d指数 对钻井液密度变化进行修正dc指数 mN 正常地层压力梯度 g cm3 m 实际钻井液密度 g cm3 15 地层压力理论及预测方法 d指数dc指数 16 地层压力理论及预测方法 dc指数监测地层压力的方法按一定深度取点 一般1 5 3m取一点 如果钻速高可以5 10m一个点 重点井段1m一点 同时记录每个记录点的钻头尺寸 钻速 钻压 转速 地层水和钻井液密度 计算dc指数通过统计分析的方法建立正常压力趋势线计算地层压力提示如有必要 必须对钻头尺寸进行校正 一个构造上的正常压力可以通过多个井得到 以提高预测的准确程度 Dc指数预测地层压力所得到的结果可能与其它方法所得到的结果不尽一致 17 地层压力理论及预测方法 地层压力计算反算法 P 所求井深地层压力当量密度 g cm3 n 所求井深正常地层压力当量密度 g cm3dCN 所求井深处正常趋势线上的dc指数值 dca 所求井深实际dc指数 18 地层压力理论及预测方法 地层压力计算等效深度法 若地层具有相同的dc指数 则认为其骨架应力相等 PP 所求深度的地层压力 MPa H 所求地层压力点的深度 m G0 上覆地层压力梯度 MPa m Gn 等效深度处的正常地层压力梯度 MPa mHE 等效深度 m 19 dc H 地层压力理论及预测方法 等效深度计算在等效深度处 地层骨架应力相等地层压力计算步骤钻井参数录入钻速 钻压 转速 地层水密度 钻井液密度计算dc指数回归正常趋势线计算地层压力 HE H 20 地层压力理论及预测方法 地层压力预测 监测 方法声波时差法原理 声波在地层中的传播速度与岩石的密度 结构 孔隙度及埋藏深度有关 当岩性一定时 声波的速度随岩石孔隙度的增大而减小 对于沉积压实作用形成的泥岩 页岩 在正常地层压力井段 随着井深增加 岩石孔隙度减少 声波速度增加 声波时差减小 在异常压力井段 岩石空隙度增加 声波速度减少 声波时差增大 因此 可以通过声波时差偏离正常趋势线的大小预测地层压力 适用范围 岩性为泥岩 页岩 而且 完钻后进行地层压力评价 21 H 声波时差 地层压力理论及预测方法 声波时差 用页岩的声波时差 要求 足够数量的测井数据 H 井深 m t 井深H处的泥岩声波时差 s ft t0 表层泥岩声波时差 s ftC 正常趋势线斜率A 正常趋势线截距 22 地层压力理论及预测方法 声波时差法预测地层压力预测步骤在标准声波时差测井资料上选择泥质含量大于80 的泥页岩层段 以5m为间隔点读出井深相应的声波时差值 并在半对数坐标上描点 建立正常压实趋势线及正常压实趋势线方程 将测井曲线上的声波时差值代入趋势线方程 求出等效深度HE 用等效深度法计算地层压力PP 对于碳酸岩类地层的孔隙压力预测 除了随钻测量外 目前还未研究出成熟的技术 23 地层压力理论及预测方法 地层压力预测 监测 方法地震层速度法原理 在不同岩性 不同压实程度情况下 地震波速存在差异 在正常压实地层 随着深度增加 地震波速增加 在异常压力地层 随着深度的增加 地震波速减小 适用范围 钻前对区域地层压力进行评价 24 25 地层破裂压力确定方法 理论计算 最大最小水平主应力井眼井壁的应力 26 地层破裂压力确定方法 地层破裂压力计算地层的破裂是由井壁上的应力状态决定的 地层破裂是由于井壁上的有效切向应力达到或超过岩石的拉伸强度 抗张强度 St 地层的拉伸强度 MPa 泊松比Po 上覆岩层压力MPa 有效应力系数A B 构造应力系数Pp 地层孔隙压力 MPa 27 测试方法 P Pf Pstand pipe Pm 地层破裂压力确定方法 28 液压试验 泄漏试验 P 泵入量 V 立管压力P A 地层破裂压力确定方法 29 地层破裂压力确定方法 地层破裂压力的现场测试循环调节泥浆性能 保证泥浆性能稳定 上提钻头至套管鞋内 关闭防喷器 用较小排量 0 66 1 32l s 向井内泵入泥浆 并记录各个时间的注入量及立管压力 作立管压力与泵入量 累计 的关系曲线图 如右图所示 从图上确定各个压力值 漏失压力P1 即开始偏离直线点的压力 其后压力继续上升 压力上升到最大值 即为断裂压力Pf 最大值过后压力下降并趋于平缓 平缓的压力称为传播压力 30 地层破裂压力确定方法 地层破裂压力的现场测试求破裂压力当量泥浆密度 max m 试验用泥浆密度 g cm3 P1 漏失压力 MPa H 裸眼段中点井深 m 地层破裂压力梯度 MP m 31 32 地层坍塌压力确定方法 造成井壁坍塌的原因主要是由于井内液柱压力太低 使得井壁周围岩石所受应力超过岩石本身的强度而产生剪切破坏所造成的 此时 对于脆性地层会产生坍塌掉块 井径扩大 对塑性地层 则向井眼内产生塑性变形 造成缩径 岩石的强度条件 强度准则 根据库仑 莫尔的研究 岩石破坏时剪切面上的剪应力必须克服岩石的固有剪切强度值 称为粘聚力 加上作用于剪切面上的内摩擦阻力 C 岩石的粘聚力 岩石的内摩擦角 N 岩石剪切面上的法向正应力 33 地层坍塌压力确定方法 地层坍塌压力计算H 井深 m 钻井液密度 g cm3 C 岩石的粘聚力 MPa 地层非线性弹性修正系数 0 9 0 95 H h 地层最大和最小水平地应力 MPa 34 地层压力理论及预测方法 泥页岩强度和力学参数的确定岩石强度参数的确定内聚力内摩擦角抗拉伸强度静态弹性参数的确定泊松比弹性模量地层有效应力系数 的确定利用声波时差测井参数 35 36 井身结构设计 定义套管层次 套管下入深度以及井眼尺寸 钻头尺寸 与套管尺寸的配合 目的保证安全 优质 快速和经济地钻达目的层内容下入套管层数各层套管的下入深度选择合适的套管尺寸与钻头尺寸组合 37 井身结构设计 井身结构设计的主要原则能有效保护油气层能避免产生井漏 井喷 井塌 卡钻等井下复杂情况 为全井安全 优质 快速和经济地钻进创造条件 当实际地层压力超过预测值使井出现溢流时 在一定范围内 具有压井处理溢流的能力 38 井身结构设计 套管类型导管钻表层井眼时 将钻井液从地表引导到钻台平面上来 表层套管防止浅层水受污染 封闭浅层流砂 砾石层及浅层气 支撑井口设备装置 悬挂依次下入的各层套管的载荷 技术套管 中间套管 封隔坍塌地层及高压水层封隔不同的压力体系继续钻井的需要 39 井身结构设计 套管类型油层套管 生产套管 为油气生产提供流通通道保护产层 分层测试 分层采油 分层改造尾管技术尾管生产尾管尾管回接 40 井深 当量泥浆密度 Gp Gf 井身结构设计 考虑的因素地层压力地层破裂压力工程参数正常作业 抽吸压力系数Sw 激动压力系数Sg 地层压裂安全增值Sf出现溢流 抽吸压力系数Sw 地层压裂安全增值Sf 考虑溢流情况下地层压力增加值SK压差允值 PN Pa 41 井身结构设计 井身结构设计关键参数最大钻井液密度 某一层套管的钻进井段中所用的最大钻井液密度 和该井段中的最大地层压力有关 max 某层套管的钻进井段中所使用的最大钻井液密度 g cm3 pmax该井段的最大地层压力梯度 g cm3 Sw 考虑到上提钻柱时抽吸作用使井底压力降低 为了平衡地层压力所加的附加钻井液密度 g cm3 Sw 0 024 0 048g cm3 42 井身结构设计 井身结构设计关键参数最大井内压力梯度正常作业 起下钻 钻进 正常钻井条件下 井内最大压力梯度是发生在下放钻柱时 由于产生压力激动使得井内压力增高 设由于压力激动使井内的压力增加值为Sg 则最大井内压力梯度为 Sg 激动压力梯度当量密度 g cm3 Sg 0 024 0 048g cm3 43 井身结构设计 井身结构设计关键参数最大井内压力梯度 续 发生溢流时 为了制止溢流 如压井时井内压力增高值为Sk 则最大井内压力梯度为 Sk 0 060g cm3上式只适用于发生溢流时最大地层压力所在的井深Hpmax的井底处 而对于井深为Hn的任意井深处的井内压力梯度为 44 井身结构设计 井身结构设计关键参数套管下深的临界条件为了确保上一层套管鞋处的裸露地层不被压裂 应该保证 某一井段的最大井内液柱压力梯度满足 f 上一层套管下入深度处裸露地层的破裂压力梯度 g cm3Sf 为避免将上一层套管下入深度处裸露地层压裂的安全值 Sf 0 024 0 048g cm3 当量泥浆密度 Gp Gf 45 井身结构设计 最大允许压差为了在下套管过程中 不致于发生压差粘卡套管的事故 应该限制井内钻井液液柱压力与地层压力的压力差值 即规定最大允许压差 最大允许压差的取值在正常压力地层 PN 11 17MPa在异常压力井段 Pa 14 22MPa 46 井身结构设计 设计步骤和方法 1 各层套管 不含油层套管 下入深度初选点Hni的确定正常钻进时 fnr 在设计套管层所在的裸眼井段内 在最大井内液柱压力梯度作用下 上部裸露地层不致破裂所应有的地层破裂压力梯度 g cm3 max 裸露井段预计的最大地层压力梯度 g cm3 47 井身结构设计 设计步骤和方法 1 各层套管 不含油层套管 下入深度初选点Hni的确定 续1 发生溢流时 fnk 在设计套管层所在的裸眼井段发生溢流时 在最大井内压力梯度作用下 上部裸露地层不致破裂所应有的地层破裂压力梯度 g cm3 Hni 设计层套管的初始下入深度 m Hpmax 最大地层压力所对应的井深 m 48 井身结构设计 设计步骤和方法 1 各层套管 不含油层套管 下入深度初选点Hni的确定 续2 比较正常钻井情况下和发生溢流情况下的最小地层破裂压力 一般地 fnk fnr 因此通常按 fnk计算 只有在肯定不会发生溢流的情况下 才按 fnr计算 对于技术套管 首先计算出 fnk 然后通过作图或数字计算的方法找到地层破裂压力为 fnk的井深 该井深即为技术套管下入的初选点 对于技术套管 需要校核是否会卡套管 对于表层套管 则一般不必进行压差粘卡套管的校核 当量泥浆密度 Gp Gf 正常工况 起钻 下钻 发生溢流时 当量泥浆密度 Gp Gf 49 50 井身结构设计 设计步骤和方法 2 校核套管下入初选点Hni是否会发生压差粘卡套管所用最大钻井液密度与最小地层压力之间实际的最大静止压差 P 套管所受到的最大静止压差 MPa min 该井段内最下地层压力 g cm3 Hmm 最小地层压力所对应的井深 m 51 井身结构设计 设计步骤和方法 2 校核套管下入初选点Hni是否会发生压差粘卡套管 续1 比较 P与 PN Pa P PN 或 Pa 则假定深度Hni为中间套管下入深度 若 P PN 或 Pa 则中间套管下至Hni过程中有被卡危险 在这种情况下 必须采取下尾管的方法解决 确定技术套管的下入深度 先计算不卡套管的最大地层压力梯度 g cm3 与 pper对应的井深即为经过校核的井深 52 井身结构设计 设计步骤和方法 3 在技术套套下入深度浅于初选点的情况下 确定尾管的下入深度Hn 1确定尾管下入深度的初选点Hn 1 I由技术套管鞋处的地层破裂压力梯度 fn可求得允许的最大地层压力梯度 pper 通过数字计算或作图法找到与 pper相等的地层压力梯度所对应的井深 该井深即为尾管下入深度的初选点 校核尾管的下入深度初选点是否会发生卡套管 采用迭代法 试取一个Hn 1值求 pper 如果 pper大于该深度的实际地层压力梯度 且二者接近 则Hn 1就是尾管下入深度 Gp Gf Hn Hn 1 1 中间套管下深Hn的确定 与 pper相对应的井深即为中间套管下深Hn 2 尾管下深Hn 1的确定 53 54 步骤1 定中间套管最大下入深度假定点 根据可能钻遇的最大地层压力求设计破裂压力梯度 井身结构设计 当量泥浆密度 Gp Gf 55 步骤2 验证中间套管是否有卡套管的危险 如有 则应减小下深 3 加下一层尾管 井身结构设计 当量泥浆密度 Gp Gf 56 步骤4 确定表层套管下入深度 井身结构设计 当量泥浆密度 Gp Gf 57 井身结构设计 油层套管从井底到井口 对于射孔完井 当量泥浆密度 Gp Gf 58 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 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 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 钻头库存规格等的限制 1 设计中考虑的因素 套管尺寸与井眼尺寸选择及配合 59 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 生产套管根据采油方面要求来定 勘探井则按照勘探方要求来定 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 套管尺寸与井眼尺寸选择及配合 60 3 套管及井眼尺寸标准组合 四 套管尺寸与井眼尺寸选择及配合 81 2 61 井身结构设计 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 cm3 Pn 16 56MPa Pa 21 36MPa 破裂压力梯度 1450m 3826m 4146m 地层压力梯度 HN 62 1 求中间套管初始下入深度钻遇最大地层压力梯度 2 113g cm3考虑抽汲压力Sw 0 036g cm3考虑钻柱下放 压力激动Sg 0 036g cm3考虑安全因素Sf 0 024g cm3如按正常工况 则 fnr 2 209g cm3从压力剖面图横坐标上2 209处引垂直线 该垂线与地层破裂压力梯度曲线相交 交点H3的相应井深4146m为中间套管下入深度初始选定点 该深度地层压力梯度为1 74g cm3 破裂压力梯度 1450m 3826m 4146m 地层压力梯度 HN fD 井身结构设计 实例计算分析 63 2 验证中间套管下入4146m深度是否有卡套管的危险其中 m PH2 Sw PH2即4146m井深地层压力梯度 PH2 1 74 g cm3 1 74 0 036 1 776g cm3 HN 3384m 压力剖面图最小地层压力对应的最大井深 代入上式 23 08MPa因为23 08 16 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 井身结构设计 实例计算分析 64 求在允许压力差16 56MPa的条件下 中间套管下入深度H2HN 3384m m Sw 中间套管下入深度处的地层压力梯度1 579 0 036 1 543g cm3在压力剖面图上找到1 543g cm3 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3826m 井身结构设计 实例计算分析 65 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 cm3 P 0 00981