固井与完井技术-大庆石油学院

式中 ρmax——某层套管钻进井段中所用最大泥浆密度，g/cm3； ρpmax——该井段中的最大地层孔隙压力梯度等效密度，g/cm3； Sb——抽吸压力允许值，g/cm3。
3）最大井内压力梯度ρB 为了避免将井段内的地层压裂，应求得最大井内压力梯 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 力而使井内压力升高。如增高值为Sg，则最大井内压力 梯度ρBr为： ρBr=ρmax+Sg （5） （2）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 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，则最大井内压力梯度等效密度ρBk为：
（ii）校核尾管下入到深度初选点H(n+1)i——时，是否会发生压差下 钻。
校核方法同前所述。
4）、必封点的确定。
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， 浸泡水时间短，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 过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。如中原油田对盐膏层引起的缩径复杂情况 与石油大学合作研究，得出了控制井眼面积收缩率 小于0.1%h所需的泥浆密度值。图3-8-1-3表示盐膏 层在该面积收缩率下随井深变化所需的泥浆密度值 。
ρBk=ρmax+Sk
（ 6）
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Hn处，则：
Bk max
H p max Hn SK
（7）
由上式可见，当Hn值小时（即深度较浅时）ρ Bk值大，即压力梯度 大，反之当Hn值大时，ρ Bk小。如图3-8-1-2所示。ρ ak值随Hn变化 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： ρBr=ρf－Sf 或 ρBk=ρf－Sf （8） 式中 ρf——为上一层套管鞋处薄弱地层 破裂压力等效密度值，g/cm3； Sf——地层压裂安全增值，g/cm3。
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，然后确定中层套管尺 寸等，依此类推，直到表层套管的井眼尺寸，最定。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9.5～12.7mm（3/8～1/2in）范围，最好为19mm （3/4in）。
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）
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 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，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。 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，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，相 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。
比较△Prn和△P（压差允值，正常压力地层用△PN，异常压 力地层用△Pa）。 当△Prn＜△P时，则不易发生压差卡钻，Hm即为该层套管 下入深度。 当△Prn＞△P时，则可能发生压差卡钻，这时，该层套管下 深Hn应浅于初选点Hni。Hn的计算如下： 令△Prn=△P，则允许的最大地层孔隙压力ρpper为：
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3-8-1-4 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。表的流程表明要下该层套管可能需要的井眼尺寸 。实线表明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、泥浆密度、注水泥及井眼曲 率大小等应予注意。
pper fn Sb S f
Hn H
( n 1) i
Sk
（13）
式中 ρfn——中间套管鞋处地层破裂压力梯度，g/cm3； ρpper——中间套管鞋处地层破裂压力梯度为ρfn时，其下井段所允许 的最大地 层孔隙压力梯度，g/cm3； Hn——中层套管下深，m； H(n+1)i——尾管下入深度初选点，m。 其他符号代表意义同前。
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 （a）正常压力井；（b）异常压力井
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、地层破裂压 力。 三个压力体系必须同时满足于以下情况：
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 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 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。
4、下套管过程中，井内泥浆液柱压力和地层压力之间的压 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，因此首先要分析 井内压力体系的压力梯度分布。 2）最大泥浆密度ρmax 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。 即： ρmax=ρpmax+Sb （4）
作用下， 上部裸露地层不被压裂所应有的地层破
裂压力梯度，g/cm3； ρpmax——第n层套管以下井段预计最大地层孔隙压力等效
密度，g/cm3。
发生井涌情况时，由（4）、（7）（8）式，有：
fnk pmax Sb Sg
H p max H ni
Sk
(10)
式中 ρfnk——第n层套管以下井段发生井涌时，在井内最大压力 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，g/cm3； Hni——第n层套管下入深度初选点，m。 对比（9）、（10）两式，显然，ρfnk＞ρfnr，所以，一般用ρfnk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Hni值代入式中求ρ fnk，然后由设 计井的地层破裂压力梯度曲线上求得Hni深度时实际的地层破裂压 力梯度。如计算的值ρ fnk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Hni值计算，直到满足要求为止。
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（Sb或Sg） 中原油田：S =0.05～0.08；S =0.07～0.10 b g
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 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（Sf） 地区的统计数据来确定。以等效密度表示g×cm3。 美国现场将Sf取值为0.024，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（用 于压井计算，另一种计量方法是以进入井眼的流体的 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 出。中原油田将Sk值定为0.06～0.14。 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，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 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 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。 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。
图3-8-1-3 井眼收缩率在 0.1%/h下， 不同井深所需泥浆密度值
六、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 会使原来预告难于准确，是否要本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
pper
P p min Sb 3 9.8 10 H mm
pper所在井深即该层套管下入
由地层孔隙压力梯度曲面图上查ρ 深度Hn。
3）、当中间套管下入深度浅于初选点 Hn＜Hni时，则需要下尾管 并要确定尾管下入深度Hn+1 （i）确定尾管下入深度初选点H(n+1)i。 由中间套管鞋处的地层破裂压力梯度ρfn可求得允许的最大地层孔 隙压力梯度ρpper，由（2-90）式，有：