9 固井

2）井涌关井情况下套管的下入深度 H 在（9—2）式中 H 应取 H
，H 应为 H 并已知，则
克/厘米 3，满足。
3）不发生压差卡套管的下入深度 H 被校核位置选在深度 3990 米处， 厘米 3，由（9—3）式
=1。540 克/
= = += 查图 9—1，H=4550 米。 上层套管已定，本层套管下入深度无疑应取较浅的一个。取 H =4550 米。 （3）对油层套管的讨论 因为 H 大于 H 和 H ，钻完目的层不会使第二层中间套管鞋处地裂压裂。 只校核是否压 差卡套管，被校核位置选在 45550 米。
深是不允许的。我们取本中间套管下入深度 H 2=3990 米。从 H 2 到目的层之间再考虑下中 间套管。 （2）求第二层中间套管下入深度 H 求第一层中间套管时是已知往下的钻井深度，而这里是已知上层套管下入深度。 1） 最大激动压力情况下套管的下入深度 H MH （9—1）式
克/厘米 3， 图 9—1，H =4875 米。 设 H =4750 米， =2。049 克/厘米 3。注意
C 3）不发生压差卡套管的下入深度 H 2
下套管时井内液柱压力与地层压力之差，不得
超过不卡套管的最大允许压差⊿Pm 9.8×10 ( ´p+ sb- "p) h≤⊿Pm
3
（9—3）
式中
´p ——套管鞋处地层压力当量密度，克/厘米 3；
sb——被校核处地层压力当量密度，克/厘米 3； " ——被校核处的井深，米。
第二节 套管柱设计
设计套管柱，必须本着既安全又经济的原则，也就是 要解决一个低成本下的合理强度。从套管开始入井到下次 固井或进行油、气生产，套管的外载在不断改变着。设计 时应考虑受力最严重的情况。由于井下套管柱所处的环境 的复杂性及问题的隐蔽性，目前在受力分析中还不得不作 一些假设。 这与实际情况就有差别， 而且假设往往不一致。 因此，套管柱设计不能取得一致的作法。套管柱设计方法 和受力分析还有待于进一步探讨。 一、 套管柱受力分析 从套管入井到油气生产完的过程中， 套管会受到外挤压力、 内压力和轴向力的作用。
全井套管层次和下入深度： 表层套管下入深度 H 中间套管 A 下入深度 中间套管 B 下入深度 油层套管下入深入 1500 米 3990 米 4550 米 5050 米
三、凭经验设计套管的层数和深度 这是对无系统资料的地区和低压油区而言的。 如果地表较疏松，浅层含腐蚀性流体应下表层套管。后者固井时要用防硫水泥。 漏失的井，严重坍塌的井，以及裸眼段太长而引起长时间浸泡可能坍塌的井，需要下技
p+ sb+ sw f k
式中
（9—1）
f ——套管鞋处地层破裂压力当量密度，克/厘米 3； p ——套管鞋以下裸露地层中的最大地层压力当量密度，克/厘米 3。
表达式的不等式形式供我们分析取值范围时使用，计算时取等号。
本层中间套管下了以后要打完目的层，最大地层压力当量密度 p=2。080 克/厘米 3， 其深度 Hｍ=5050 米。由（9—1）式
（4）表层套管下入深度 H 1）最大激动压力情况下套管的下入深度 H 由（9—1）式
克/厘米 3， 查图 9—1，H =1065 米。 2） 井涌关井情况下套管的下入深度 H 设 H=1500 米， =1。800 克/厘米 3，由（9— 2） 克/厘米 3，满足。 下表层套管时泥浆密度小，不会发生压差卡套管。 取表层套管下入深度 H =1500 米。
↓
↓
↓
↓
钻头尺寸 ″）
269（105/8″）
311（121/4″）
381（143/4″）
445（171/2
↓ 套管尺寸 298.44（113/4″） ↓ 钻头尺寸 381（143/4″）
↓ 339.72（133/8″） ↓ 445（171/2″）
↓ 408.4（16″） ↓ 490（20″）
↓ 508.0（20″） ↓ 660（26″）
钻头尺寸
118（43/4″） ↓
149（57/8↓″） ↓
套管尺寸
168.27（65/8″） 177.8（7″） ↓ ↓ 222（85/3″） ↓
钻头尺寸
215（81/2″） ↓
套管尺寸 ″）
219.07（85/8″） 244.47（95/8″） 273.05（103/4″）
339.72（133/8
套管的下入深度要同时考虑不压裂套管鞋处的地层和不发生压差卡套管。 我们采取分别计算 其允许下入深度，最后取一个合理的深度。 ⑴中间套管下入深度 H2 要保证套管鞋的地层不被压裂， 应把产生最大井内压力的情况找出来讨论。 我们以下面 的 1）和 2）两种情况来讨论。 1）最大激动压力情况下套管的下入深度 H2ａ按近平衡地层压力方式考虑，井内泥浆密 度为 p+ sb， 下钻产生最大激动压力时井内压力的当量密度为 p+ sb+ sw 要保证套管 鞋处地层不被压裂，应满足下式
p
被校核位置的选择： 下套管时裸露的地层包含有正常地层压力梯度的， 应取正常地层压 力梯度的最深砂岩层；裸露的井段全为异常高层压力的，应选在压力梯度最小的层位。 设本中间套管下入时裸露的正常地层压力梯度的最深砂岩层 克/厘米 3。由（9—3）式 h =3200 米，
"
p
=1.08
´p =
Δ m p sb 9.8 10 3 h
套管尺寸
101.6（4″） ↓
114.3（41/2″） ↓ 155（61/8″） ↓ 193.67（75/8″） ↓ 244（91/2″） ↓
127.0（5″） ↓ 161（61/2″） ↓ 219.07（85/8″） ↓ 269（105/8″） ↓ 298.44（113/4″）
139.7（51/2″） ↓ 190（75/8″） ↓ 244.47（95/8″） ↓ 311（121/4″） 码 ↓
井身结构设计中困难较大的是确定套管的下入深度和层次。根据上述要求，设计时应依 据下述原则： 1) 井内压力最大时（如下钻产生激动压力、井涌关井等）不把裸露的地层（一般为套
管鞋处）压裂； 2) 3) 不发生压差卡套管； 按近平衡地层压力钻进方式确定泥浆密度，以利于提高钻速。
另外，对于高塑性地层、松软的地层、漏失层、浅层含腐蚀性流体、破碎性地层及断层 等复杂地层，如果情况较严重应考虑下套管封隔。 如果资料齐全， 应根据压力梯度剖面进行设计， 否则只有根据本地区的钻探经验来设计。
首先根据地质、采油方面的要求（是否大直径取芯，是否先期衬管完成等）确定油层套管直 径。再考虑各层套管的间隙，相应各层套管的直径及钻头的直径就可以确定下来。 目前倾向于用大尺寸（如直径 177.8 毫米）套管作油层套管。油层套管内径小，井下工具受 到限制，进行各种井下作业困难，油流阻力大（尤其在稠油井中，采用大尺寸的油层套管管 当其损坏后还可以再下一层套管固井，也可以下双油管或三油管分层开采） 。 套管环空间隙不能太小，不然会影响水泥环的质量。根据经验，水泥环厚度应不小于 19 毫 米。 表 9—1 是我国规定的钻头和套管尺寸系列。应用中要尽量使用表中所给系列，以保证具有 足够的间隙。 表 9—1 套管和钻头尺寸系列
术套管。破碎性地层、高塑性地层、吸水易膨胀的泥岩地层等，如果调整泥浆性能难以 克服，也应考虑加以封隔。 对于气井，确定井身结构时更要慎重。因为天然气比较活跃，井内压力小了就可能发生 气侵；井内压力大了又可能使某些层发生漏失，漏失后液柱压力降低又可能引起井涌。 所以，地层压力梯度相差较大时应下技术套管封隔。有浅的高压层的井应下表层套管， 并安装井口装置，以便控制井喷。 四、套管和钻头尺寸系列
16 10 6 1.08 0.050 9.8 10 3 3200
=
=1.540 克/厘米 3
3 查图 9—1，得 H c 2 =3990 米， f =克/厘米 。
一般情况是地层破裂压力梯度和地层压力梯度随井深增加而增加。 （9—1）式和（9—2）
b 式表明本层套管下得比 H a （9—3）式表明本层套管比 H c 2 与 H 2 更浅是不允许的， 2 下得更
b
2 的破裂压力
′k 应不小于预先给定
的 ′k 但也不大于 k ＋0.024 。 设H
b 2 =4250
米，查图 f =2.242 克/厘米 3
b 2
′k= f－ p— sb—Hm ks/ H
=2.242—2.080—0.050—5050 0.062/4250 =0.038 克/厘米 3，满足。
二、利用压力梯度剖面设计套管下入深度及层次
1. 资料的准备
设计前应收集本地区地层压力、地层破裂压力、不压差卡套管的最大压差、复杂地层等 资料。并把地层压力及地层破裂压力换算成压力梯度，并进一步以当量泥浆密度（或称为当 量密度）来表示。
下面介绍的设计常是通过对本地区钻井情况分析和进行试验确定的。 1) 米 3。 2) 3) /厘米 3。 4) 地层压力预报有误差， 为了设计方便我们应给出地层压力当量密度大于泥浆密度的 最大激动压力的当量密度 smp 克/厘米 3。 地层破裂压力当量密度要减去常数 k 才能供我们设计， k 称为安全常数，克 起钻抽汲要降低井内压力，考虑这时能平衡地层压力而附加的泥浆密度 sb 克/厘
1.
套管轴向力
如果套管柱在水泥凝固前轴向拉伸强度是足够的，有水泥环的套管在水泥凝固后就不会出现因轴向拉伸引 起的破坏。但无水泥环的套管实际上是上下被固定，当温度和内、外压力改变时就会引起轴力的改变。 ⑴水泥凝固前的轴力 首先分析静置在井中的套管轴力。由于井眼不可能铅直，液体压力对轴力的影响规律找不出来。所以，有 时就按套管悬持在空气中的情况来计算轴力。考虑液压力对轴力的影响时一般情况是认为浮力均匀分布， 也有把套管看成铅直地置于井中的，并认为井内充满的是泥浆。 假设套管受到均匀的浮力作用，一段套管造成的轴力 F 等于该段管在泥浆中的重力（俗称“浮重” ）
b 2 b 2 ，以当量密度表示为
Hm ks/ H
b 2
。要使得钻到 Hm 处井涌
处的地层需要满足
p+ sb +
H m ks H b2

f－k
（ 9— 2）
上式中 f 是 Hb2 处的破裂压力当量密度，注意（9—1）式中的 f 是 H 当量密度。 式中 f 及 H
b 2 均未知，采用试算法求解。试算出的安全常数
f = p+ sb+ sw+ k
=2.080+0.050+0.070+0.030 =2.230 克/厘米 3 查图 9—1，得 H2a =4150 米。 2）井涌关井情况下套管的下入深度 H 本层管固井后，钻井最大地层压力梯度处，地
声能压力可能大于泥浆柱压力 pks =Hm ksg。井涌关井时除泥浆柱压力外，pks 也作用在井眼 每处，这与给装满液体的封闭容器内加液压力是类似的。pks 在套管鞋深度 H 处造成的压 力梯度为 Hm ksg/ H 关井时不压裂 H
值 ks，克/厘米 3。 5) 不发生压差卡套管的最大允许压差⊿pm 这里指的压差是井内泥浆柱压力大于某处
地层压力的值。⊿pm 与地层性质、泥浆性能有关。渗透性好的砂岩地层容易卡套管，正常 地层压力井段比异常高压井段容易卡套管。 下面通过一个例题来说明设计过程。
2、设计举例 某井压力梯度剖面如图 9—1，设计井深 5050 米。设计常数 sb =0.050 克/厘米 3， sw =0.070 克/厘米 3， k =0.030 克/厘米 3， ks =0.062 克/厘米 3，⊿pm 的值在政党地层压力井 段为 16 兆帕、在异常高压井段为 19 兆帕。 解 先设想只下一层中间（技术）套管，如果不能满足要求才考虑多下中间套管。一层
第九章
固
井
第一节 井身结构设计
一．概 述
一口井的井身结构包括以下几方面的内容：全井下入套管的层次，各层套管的直径及 下入深度，各次开钻相应钻头直径和井深，各次固井水泥返高，各层套管鞋处地层的层位等 等。 钻井技术水平和地质资料是井身结构设计的基础。设计前必须对本构造的岩性、构造 特点、地层流体性质、地层压力和地层破裂压力等地质资料作深入的了解。由于地质因素的 复杂性，钻井工艺水平的差异以及对具体问题的处理方法不同，设计的结果可能不同。合理 的井身结构应能满足如下几点要求： 1) 2) 3) 4) 能避免或尽量减少漏、喷、塌、卡等复杂情况，从而实现安全、顺利钻进； 能有效地保护油、气藏； 能满足地质和开采的要求； 应使全井经济效益最好；