第二章 井身结构设计

第二章：井身结构设计第二章：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）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ρ：液体密度,（g/cm3）H:液柱垂直高度，mPh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）钻井液在流动过程或被激励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。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；Φ：无量纲的小数ρrm:岩石骨架密度，g/cm3；ρ:地层空隙中流体密度，g/cm3；H：井深，m.Po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。PoPp

地层压力理论及预测方法地层破裂压力(fracturepressure)在井中，当井内液体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，地层出现坍塌或缩径，我们称这个压力为地层坍塌压力。现象：当井内液柱压力低于地层坍塌压力时，对于脆性地层出现坍塌，对于塑性地层出现缩径。井底环空压力1、不循环时：2、钻进时：3、起下钻时：Pg为起下钻波动压力地层压力理论及预测方法10/24/2023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PP<Pw异常高压

PP>PwHPPwPo上覆岩层压力孔隙压力高骨架应力正常地层压力异常低压异常高压孔隙压力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，压实不均匀渗透作用构造作用水增热作用油田注水

压实效应

PDP

PO海面/地面异常高压形成的原因地层保持正常的压实平衡，取决于：（1）沉积速率（2）孔隙空间减少速率（3）地层渗透率（4）排出孔隙流体的能力10/24/2023异常高压形成的原因水热作用：岩层孔隙中的流体受热膨胀，一旦出现隔绝的环境，地层孔隙中流体的压力就会急剧增加。渗透作用：水或者溶液被适当的薄膜（泥岩层）隔开时，水从淡溶液到浓溶液的自然流动，导致高浓度溶液一侧水增多，如果排水作用受到阻碍，形成高压。低浓度高浓度流体运移异常高压形成的原因10/24/2023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，在异常高压地层，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。dH10/24/2023地层压力理论及预测方法Dc指数法预测的原理D指数钻速方程：D指数V:钻速,m/h;N:转速：r/minP:钻压,kN;Db:钻头尺寸,mm地层压力理论及预测方法dc指数法预测的原理dc指数对钻井液密度变化进行修正dc指数ρmN:正常地层压力梯度，g/cm3;ρm:实际钻井液密度，g/cm3;地层压力理论及预测方法

d指数 dc指数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。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；

dcR——所求井深实际dc指数。

dcHdcndcR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,即：

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/mGn——等效深度处的正常地层压力梯度，MPa/mHE——等效深度，m。

dcHHEHdcH地层压力理论及预测方法等效深度计算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HEH10/24/2023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；完钻后进行地层压力评价。

H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，mΔt:井深H处的泥岩声波时差，μs/ftΔt0:表层泥岩声波时差,μs/ftC：正常趋势线斜率A:正常趋势线截距10/24/2023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。

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。

地层破裂压力确定方法理论计算井眼井壁的应力：最大最小水平主应力地层破裂压力确定方法理论计算井壁上的周向应力（切向应力）：井壁破裂的原因井壁上的有效切向应力超过岩石的抗拉强度（破坏准则）井壁上的有效应力α有效应力系数，Biot系数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；

μ：泊松比Po:上覆岩层压力MPa;α：有效应力系数A、B：构造应力系数Pp：地层孔隙压力，MPa测试方法PPf=Pstand_pipe+Pm地层破裂压力确定方法10/24/2023液压试验（泄漏试验）P泵入量：V立管压力PA地层破裂压力确定方法10/24/2023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。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ρmax

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)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(内聚力)Φ：岩石的内摩擦角；σN:岩石剪切面上的法向正应力.地层坍塌压力确定方法岩石破坏准则Mohr—Coulomb准则

岩石的剪切破坏α有效应力系数（Biot系数），Φ内摩擦角σ1和σ1分别为井壁上的最大和最小主应力地层坍塌压力确定方法地层坍塌压力计算

H：井深，m；Ρ：钻井液密度，g/cm3；

C：岩石的粘聚力，MPa；η:地层非线性弹性修正系数（0.9～0.95）；σH

、σh：地层最大和最小水平地应力，MPa

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α的确定

利用声波时差测井参数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液流时，在一定范围内，具有压井处理溢流的能力。10/24/2023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10/24/2023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井深当量泥浆密度GpGf井身结构设计考虑的因素岩性剖面及故障提示地层压力、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出现液流：抽吸压力系数Sw、地层压裂安全增值Sf、考虑液流情况下地层压力增加值

SK最大允许压差ΔPN(ΔPa)10/24/2023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：ρmax:某层套管的钻进井段中所使用的最大钻井液密度，g/cm3；ρpmax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.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）发生液流时：为了制止液流，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上式只适用于发生液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：关井井底最大压力PsdPmE=Psd+Pm井身结构设计HpmaxH对于任意井深H处：10/24/2023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：ρf: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GpGf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：ΔPN=11-17MPa在异常压力井段：

ΔPa=14-22MPaP