井身结构设计

井身结构设计的任务和原则,主要任务：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。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。,套管,井壁,水泥环,井身结构设计的内容：确定套管的下入层次下入深度水泥浆返深水泥环厚度钻头尺寸,井身结构设计原理,1三个压力的相互关系：地层井内压力体系在裸眼井段中存在着地层压力、地层破裂压力和井内钻井液有效液柱压力这三个相关的压力、地层井内压力系统必须满足以下条件：裸眼井内钻井液有效液柱压力必须大于或等于地层压力，防止井喷，但又必须小于等于地层破裂压力，防止压裂地层发生井漏。考虑到井壁的稳定，还应补充一个与时间有关的不等式：能满足以上二不等式的同一井段，则该井段截面间不需要套管封隔。反之，则需要用套管封隔。式中：Pf地层破裂压力；PmE钻井液有效液柱压力；PP地层压力。Gt（t）该截面岩层的坍塌压力梯度；Gm（t）该截面钻井液有效压力梯度。,井身结构设计原理液体压力体系的当量梯度分布,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,井身结构设计原理地层压力和地层破裂压力剖面的线性插值,地层压力和地层破裂压力的数据一般是离散的，是由若干个压力梯度和深度数据的离散点构成。为了求得连续的地层压力和地层破裂压力梯度剖面，拟合曲线是不适用的，但可依靠线性插值的方法。在线性插值中，认为离散的两邻点间压力梯度变化规律为一直线。对任意深度H求线性插值的步骤：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HiHi-1内任意深度H有：,井身结构设计原理必封点深度的确定,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。可行裸露段的长度是由工程和地质条件决定的井深区间，其顶界是上一层套管的必封点，底界为该层套管的必封点深度。,井身结构设计原理必封点深度的确定,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2目的层是裸露段的底界，油层套管的下深根据完井方法不同而定。3对于地质复杂层（如坍塌层，盐膏层，漏失层等），水层，非目的油气层，以及目前钻井工艺技术难于解决的其它层段，只要裸露段中出现了这一类必封点，则这些井段是应考虑的必封井段的顶界。,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）在满足近平衡压力钻井条件下，某一层套管井段钻进中所用最大钻井液密度m应大或等于该井段最大地层压力梯度当量密度Pmax与该井深区间钻进中可能产生的最大抽汲压力梯度当量密度Sw之和，以防止起钻中抽汲造成溢流。即：,下钻中使用这一钻井液密度，在井内将产生一定的激动压力Sg,考虑地层破裂压力检测误差，给予一个安全系数Sf。则该层套管可行裸露段底界（或该层套管必封点深度）,工程约束条件下必封点深度的确定,（2）出现溢流约束条件下必封点深度的确定正常钻井时，按近平衡压力钻井设计钻井液密度为钻至某一井深Hx时，发生一个大小为Sk的溢流，停泵关闭防喷器，立管压力读数为Psd关井后井内有效液柱压力平衡方程为PmE=Pm+Psd,Psd立管压力，Mpa；Hx出现溢流的井深，m,裸露井深区间内地层破裂强度（地层破裂压力）均应承受这时井内液柱的有效液柱压力，考虑地层破裂安全系数Sf，,工程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下套管中，钻井液密度为（P+Sw），当套管柱进入低压力井段会有压差粘附卡套管的可能，故应限制压差值。限制压差值在正常压力井段为PN，异常压力地层为Pa。即Pm-PPminPN（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。,井身结构设计的基础参数,井身结构设计的基础参数包括地质方面的数据和工程等数据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。2工程数据（1）抽汲压力系数Sw，以当量钻井液密度表示；单位g/cm3：如美国墨西湾地区采用Sw=0.06。我国中原油田Sw=0.0150.049。,（2）激动压力系数Sg，以当量钻井液密度表示，单位g/cm3。Sg由计算的激动压力用（2-58）进行计算，美国墨西湾地区取Sg=0.06，我国中原油田Sg=0.0150.049。（3）地层压裂安全增值Sf，以当量钻井液密度表示，单位g/cm3。Sf是考虑地层破裂压力检测误差而附加的，此值与地层破裂压力检测精度有关，可由地区统计资料确定。美国油田Sf取值0.024，我国中原油田取值为0.020.03。,2工程数据,（4）溢流条件Sk以当量钻井液密度表示，单位g/cm3。由于地层压力检测误差，溢流压井时，限定地层压力增加值Sk。此值由地区压力检测精度和统计数据确定。美国油田一般取Sk=0.06。我国中原油田取值为0.050.10。（5）压差允值PN（Pa）裸眼中，钻井液柱压力与地层孔隙压力的差值过大，除使机械钻速降低外，而且也是造成压差卡钻的直接原因，这会使下套管过程中，发生卡套管事故，使已钻成的井眼无法进行固井和完井工作。压差允值和工艺技术有很大关系。压差允值的确定，各油田可以从卡钻资料中（卡点深度，当时钻井液密度、卡点地层孔隙压力等）反算出当时的压差值。再由大量的压差值进行统计分析得出该地区适合的压差允值。,2工程数据,井身结构设计的方法及步骤,1套管层次和套管柱类型国内油田套管下入层次为：导管，表层套管，中间套管（或技术套管），油层套管。表层套管，中间套管，油层套管，一般按（339.7244.5177.8139.7mm(133/895/875in)系列进行设计。,导管,表层套管,技术套管,油层套管,井身结构设计的方法及步骤,（1）根据区域地质情况，确定按正常作业工况或溢流工况选择（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。自横坐标上找到设计的地层破裂压力梯度fD，向下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H3。,（正常作业）,（溢流工况）,井身结构设计的方法及步骤,（3）验证中间套管下入深度H3是否有卡套管危险。采用Pm-PPminPN式中m钻井深度H3时采用的钻井液密度，g/cm3；PH3以下裸眼井段最小或正常地层压力梯度当量密度，g/cm3；HN最深正常地层压力或最小地层压力深度，m。若PPN（或Pa），则假定深度H3为中间套管下入深度。若PPN（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：,井身结构设计的方法及步骤,a.应用以下公式重新计算中间套管下入深度（或Pa）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。,井身结构设计的方法及步骤,（4）计算钻井（或中间）尾管的最大下入深度在上步中，若按方法a解决压差卡钻危险，则还需下一段中间尾管以满足采用（Pmax+Sw）钻井液密度钻井时，H3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（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。,井身结构设计的方法及步骤,（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，在给事实上Sk的溢流条件，用试算法计算表层套管的下入深度。即式中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。试算中，当fH1-fD(00.024)，即符合设计要求。,井身结构设计的方法及步骤,（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。,套管尺寸与井眼尺寸选择及配合,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。,套管尺寸与井眼尺寸选择及配合,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）。,套管尺寸与井眼尺寸选择及配合,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。,井身结构设计实例计算分析,例1某井设计井深4873m，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,1450m,3826m,4146m,实例计算分析例1,（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mmi=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。,实例计算分析例1,（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（查压力剖面图正常地层压力最大井深），代入上式=23.08MPa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。,1450m,3826m,4146m,HN=3384m,实例计算分析例1,求在允许压力差16.56MPa的条件下，中间套管下入深度H2HN=3384mm-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。,1450m,3826m,4146m,实例计算分析例1,（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(1.776-1.543)3826=8.745MPa因为8.74521.36，下入中间尾管时不会卡尾管。,1450m,3826m,4146m,校核钻井至4146m时，如果产生溢流，给定0.060g/cm3溢流条件，压井时中间套管鞋3826m处是否会被压裂，产生地下井喷危险。中间尾管井深4146m处地层压力梯度=1.74g/cm3=1.865g/cm3井深3826m处地层强度（地层破裂压力梯度）=2.172g/cm3。因为1.865fD1450，且相近，所以表层套管下入深度H1=1450m，满足设计要求。,1450m,3826m,4146m,实例计算分析例1,（5）油层套管下入4878m深度是否有卡套管的危险P=0.00981（2.113+0.036-1.74）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,1450m,3826m,4146m,1450m,3826m,4146m,实例计算分析例2,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，Sg=0.09g/cm3，Sf=0.02g/cm3，PN=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。,（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,当量密度g/cm3,设计破裂压力梯度,地层破裂压力梯度,地层压力梯度,137.9mm,444.5mm,215.9mm,（2）由图及给定的设计系数确定中间套的下入深度,（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（4-8）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在上图中可求得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。,实例计算分析例2,根据表提供的地质复杂，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。,实例计算分析例2,分析：图可知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，EF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。,实例计算分析例2,因此本井井身结构设计可按以下