固井与完井技术

四、井身结构设计中所需要的基础数据
1、地质方面的数据 岩性剖面及其故障提示 地层孔隙压力剖面 地层破裂压力剖面
美 国：Sb或Sg取0.06 抽吸压力与激动压力允许值（ 抽吸压力与激动压力允许值（Sb或Sg） 中原油田：S =0.05～0.08；S =0.07～0.10 中原油田： b ～ ； g ～
3）最大井内压力梯度ρB ）最大井内压力梯度 为了避免将井段内的地层压裂， 为了避免将井段内的地层压裂，应求得最大井内压力梯 在正常作业时和井涌压井时， 度。在正常作业时和井涌压井时，井内压力梯度有所不 同。 （1）正常作业情况 ） 最大井内压力梯度发生在下放钻柱时，由于产生激动压 最大井内压力梯度发生在下放钻柱时， 力而使井内压力升高。如增高值为Sg， 力而使井内压力升高。如增高值为 ，则最大井内压力 梯度ρBr为： 梯度 为 ρBr=ρmax+Sg （5） ） （2）发生井涌情况（关封井器并加回压） ）发生井涌情况（关封井器并加回压） 为了平衡地层孔隙压力制止井涌而压井时，也将产生最 为了平衡地层孔隙压力制止井涌而压井时， 大井内压力梯度。 大井内压力梯度。压井时井内压力增高值以等效密度表 示为Sb， 最大井内压力梯度等效密度ρBk为： 示为 ，则最大井内压力梯度等效密度 为 ρBk=ρmax+Sk （6） ）
第七章 固井与完井技术
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 井身结构设计 套管柱设计 水泥及注水泥 完井方式 试 油
第一节 井身结构设计
一、套管柱类型及作用
图3-8-1-1 套管类型 ；（b） （a）正常压力井；（ ）异常压力井 ）正常压力井；（
二、井眼中的压力体系
在裸眼井段中存在着地层孔隙压力、泥浆液柱压力、 在裸眼井段中存在着地层孔隙压力、泥浆液柱压力、地层破裂压 地层孔隙压力 力。 三个压力体系必须同时满足于以下情况： 三个压力体系必须同时满足于以下情况：
1）、各层套管（油层套管除外）下入深度初选点Hn的确定。 ）、各层套管（油层套管除外）下入深度初选点 的确定。 ）、各层套管 套管下入深度的依据是， 套管下入深度的依据是，其下部井段钻进过程中预计的最大 井内压力梯度不致使套管鞋处裸露地层被压裂。 井内压力梯度不致使套管鞋处裸露地层被压裂。 根据最大井内压力梯度可求得上部地层不致被压裂所应有的 地层破裂压力梯度ρ 地层破裂压力梯度 fnr。 正常作业下钻时， ），（5），（ 正常作业下钻时，由（4），（ ），（ ）式，有： ），（ ），（8） ρfnr=ρpmax+Sb+Sg+Sf （9） ）
层套管以下井段下钻时， 式中 ρfnr——第n层套管以下井段下钻时，在最大井内压力梯度 层套管以下井段下钻时 作用下， 上部裸露地层不被压裂所应有的地层破 作用下， 裂压力梯度，g/cm3； 裂压力梯度， ρpmax——第n层套管以下井段预计最大地层孔隙压力等效 第 层套管以下井段预计最大地层孔隙压力等效 密度，g/cm3。 密度，
2、 、 工 程 类 数 据
该值是为了避免将上层套管鞋处地层压裂的安全增 它与预测破裂压力值的精度有关， 值，它与预测破裂压力值的精度有关，可以根据该 地层压裂安全增值（ 地层压裂安全增值（Sf） 地区的统计数据来确定。以等效密度表示 ×cm3。 地区的统计数据来确定。以等效密度表示g× 美国现场将S 取值为0.024，中原油田取值为 美国现场将 f取值为 ，中原油田取值为0.03 此值是衡量井涌的大小，用泥浆等效密度差表示（ 此值是衡量井涌的大小，用泥浆等效密度差表示（用 于压井计算， 于压井计算，另一种计量方法是以进入井眼的流体的 总体积来表示，多用于报警）。美国现场取值为 。 ）。美国现场取值为 井涌条件允许值（ 井涌条件允许值（Sb） 总体积来表示，多用于报警）。美国现场取值为0.06。 该值可由各油田根据出现井涌的数据统计和分析后得 中原油田将S 值定为0.06～0.14。 出。中原油田将 k值定为 ～ 。 裸眼中，泥浆液柱压力与地层孔隙压力的差值过大， 裸眼中，泥浆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， 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， 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（ 压差允值（△PN与△Pa） 钻成的井眼无法进行固井和完井工作。压差允值的确 各油田可以从卡钻资料中（卡点深度， 定，各油田可以从卡钻资料中（卡点深度，当时泥浆 密度、卡点地层孔隙压力等）反算出当时的压差值。 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。 差允值。
某层套管钻进井段中所用最大泥浆密度， 式中 ρmax——某层套管钻进井段中所用最大泥浆密度，g/cm3； 某层套管钻进井段中所用最大泥浆密度 ρpmax——该井段中的最大地层孔隙压力梯度等效密度，g/cm3； 该井段中的最大地层孔隙压力梯度等效密度， 该井段中的最大地层孔隙压力梯度等效密度 Sb——抽吸压力允许值，g/cm3。 抽吸压力允许值， 抽吸压力允许值
某截面岩石的坍塌压力梯度， 式中 Gs（t）——某截面岩石的坍塌压力梯度，MPa/m，即岩层不发生坍塌，缩径 （） 某截面岩石的坍塌压力梯度 ，即岩层不发生坍塌， 等情况的最小井内压力梯度。 等情况的最小井内压力梯度。
以上条件的存在是钻进工艺中所必须的， 以上条件的存在是钻进工艺中所必须的，是在施工中所 要遵守的，否则会导致钻井事故，以致钻井失败及破坏油藏。 要遵守的，否则会导致钻井事故，以致钻井失败及破坏油藏。 当这些压力体系能共存于一个井段时， 当这些压力体系能共存于一个井段时，即在一系列截面上能 满足以上条件时，则这些截面间不需套管分隔， 满足以上条件时，则这些截面间不需套管分隔，否则就需要 用套管去分隔开这些不能共存的压力体系。井身结构中， 用套管去分隔开这些不能共存的压力体系。井身结构中，相 邻套管深度间隔的井段应满足以上要求并依此来确定。 邻套管深度间隔的井段应满足以上要求并依此来确定。只有 充分掌握上述压力体系的分布规律才能做出合理的井身结构 设计。 设计。
图3-8-1-2 井内压力 梯度与井深关系
2、设计方法及步骤 、
套管层次和下入深度设计的实质是确定两相邻套管下入深度之 取决于裸眼井段的长度。在这裸眼井段中， 差，它取决于裸眼井段的长度。在这裸眼井段中，应使钻进过程中 及井涌压井时不会压裂地层而发生井漏， 及井涌压井时不会压裂地层而发生井漏，并在钻进和下套管时不发 生压差卡钻事故。 生压差卡钻事故。 设计前必须有所设计地区的地层压力剖面和破裂压力剖面图， 设计前必须有所设计地区的地层压力剖面和破裂压力剖面图， 图中纵坐标表示深度，横坐标表示地层孔隙压力和破裂压力梯度， 图中纵坐标表示深度，横坐标表示地层孔隙压力和破裂压力梯度， 皆以等效密度表示。 皆以等效密度表示。 设计时由下而上逐层确定下入深度。 设计时由下而上逐层确定下入深度。 油层套管的下入深度主要决定于完井方法和油气层的位置。 油层套管的下入深度主要决定于完井方法和油气层的位置。因此设 计的步骤是由中间套管开始。 计的步骤是由中间套管开始。
Pf≥Pm≥Pp
（1） ）
式中 Pf——地层的破裂压力，MPa； 地层的破裂压力， 地层的破裂压力 ； Pm——钻井液的液柱压力，MPa； 钻井液的液柱压力， 钻井液的液柱压力 ； Pp——地层孔隙压力，MPa。 地层孔隙压力， 地层孔隙压力 。
即泥浆液柱压力应稍大于孔隙压力以防止井涌， 即泥浆液柱压力应稍大于孔隙压力以防止井涌，但必须小于破裂 压力以防止压裂地层发生井漏。使用压力梯度写成： 压力以防止压裂地层发生井漏。使用压力梯度写成：
Gf≥Gm≥Gp
（2） ）
破裂压力梯度， 式中 Gf——破裂压力梯度，MPa/m； 破裂压力梯度 ； Gm——液柱压力梯度，MPa/m； 液柱压力梯度， 液柱压力梯度 ； Gp——孔隙压力梯度，MPa/m。 孔隙压力梯度， 孔隙压力梯度 。
考虑到井壁的稳定， 考虑到井壁的稳定，还需要补充另一个与时间关系有关的不等 式，即： Gm（t）≥Gs（t） （） （） （3） ）
三、井身结构确定的原则及依据
1、能有效的保护油层 ， 使不同压力梯度的油气层不受泥浆 、 能有效的保护油层， 污染损害。 污染损害。 2、应避免漏 、 喷 、 塌 、 卡等复杂情况产生 ， 为全井顺利钻 、 应避免漏、 卡等复杂情况产生， 进创造条件，使钻井周期最短。 进创造条件，使钻井周期最短。 3、钻下部高压地层是所用的较高密度泥浆产生的液柱压力 、 ，不致压裂上一层套管鞋处薄弱的裸露地层。 不致压裂上一层套管鞋处薄弱的裸露地层。 4、下套管过程中，井内泥浆液柱压力和地层压力之间的压 、下套管过程中， 差，不致产生压差卡套管事故
五、井身结构设计方法及步骤
1、套管层次和下入深度的确定 、
1）液体压力体系的压力梯度分布 ） 套管层次和下入深度是以力学为基础的， 套管层次和下入深度是以力学为基础的，因此首先要分析 井内压力体系的压力梯度分布。 井内压力体系的压力梯度分布。 2）最大泥浆密度 max ）最大泥浆密度ρ 某一层套管的钻进井段中所用的最大泥浆密度和该井段中 的最大地层压力有关。 的最大地层压力有关。 ρmax=ρpmax+Sb 即： （4） ）
2）、校核各层套管下到初选点深度Hni时是否会发生压差卡钻。 ） 校核各层套管下到初选点深度 时是否会发生压差卡钻。 先求出该井段中最大泥浆密度与最小地层孔隙压力之间的最 先求出该井段中最大泥浆密度与最小地层孔隙压力之间的 最 大静止压差△ 大静止压差△Prn为： △Prn=9.81Hmm·（ρpmin+Sb-ρmin）×10-3 （ （11） ）
发生井涌情况时， 发生井涌情况时，由（4）、（7）（8）式，有： ） ） ）
ρfnk = ρpmax + Sb + Sg +
H p max Hni
⋅ Sk
(10)
层套管以下井段发生井涌时， 式中 ρfnk——第n层套管以下井段发生井涌时，在井内最大压力 第 层套管以下井段发生井涌时 梯度作用下， 梯度作用下，上部地层不被压裂所应有的地层破裂 压力梯度， 压力梯度，g/cm3； Hni——第n层套管下入深度初选点，m。 层套管下入深度初选点， 。 第 层套管下入深度初选点 对比（ ） 所以，一般用ρ 计算， 对比（9）、（10）两式，显然，ρfnk＞ρfnr，所以，一般用 fnk计算， ）两式，显然， 肯定不会发生井涌时， 计算。 在肯定不会发生井涌时，用ρfnr计算。 对中间套管，可用试算法试取H 对中间套管，可用试算法试取 ni值代入式中求ρfnk，然后由设 计井的地层得 ni深度时实际的地层破裂压 力梯度。 与实际相差不多且略小于实际值时， 力梯度。如计算的值ρfnk与实际相差不多且略小于实际值时，则 Hni即为下入初选点。否则另取一 ni值计算，直到满足要求为止。 即为下入初选点。否则另取一H 值计算，直到满足要求为止。
但（6）式只适用于发生井涌时最大地层孔隙压力所在井深 ） Hpmax的井底处。而对于井深为 n处，则： 的井底处。而对于井深为H
ρ Bk = ρ max +
H p max Hn ⋅ SK
（7） ）
由上式可见， 值小时（即深度较浅时） 值大， 由上式可见，当Hn值小时（即深度较浅时）ρBk值大，即压力梯度 反之当H 值大时， 如图3-8-1-2所示。ρak值随 n变化 所示。 值随H 大，反之当 n值大时，ρBk小。如图 所示 呈双曲线分布。 呈双曲线分布。 为了确保上一层套管鞋处裸露地层不被 压裂，则应有： 压裂，则应有： ρBr=ρf－Sf ρBk=ρf－Sf 或 （8） ） 式中 ρf——为上一层套管鞋处薄弱地层 为上一层套管鞋处薄弱地层 破裂压力等效密度值， 破裂压力等效密度值，g/cm3； Sf——地层压裂安全增值，g/cm3。 地层压裂安全增值， 地层压裂安全增值