第二章_井身结构设计
井身结构设计
井身结构设计一、套管的分类作用1、表层套管主要用途：封隔地表浅水层及浅部疏松和复杂地层；安装井口、悬挂和支撑后续各层套管。
下深位置：根据钻井的目的层深度和地表状况而定，一般为上百米甚至上千米。
2、生产套管（油层套管）主要用途：用以保护生产层，提供油气生产通道。
下深位置：由目的层位置及完井方式而定。
3、中间套管（技术套管）在表层套管和生产套管之间由于技术要求下入的套管，可以是一层、两层或更多层。
主要用来封隔不同地层压力层系或易漏、易塌、易卡等井下复杂地层。
4、尾管（衬管）是在已下入一层技术套管后采用，即在裸眼井段下套管、注水泥，而套管柱不延伸到井口。
减轻下套管时钻机的负荷和固井后套管头负荷；节省套管和水泥。
一般在深井和超深井。
二、井身结构设计的原则1、有效地保护油气层；2、有效避免漏、喷、塌、卡等井下复杂事故的发生，保证安全、快速钻进；3、钻下部地层采用重钻井液时产生的井内压力，不致压裂上层套管鞋处最薄弱的裸露地层；4、下套管过程中，井内钻井液液柱压力和地层压力间的压差不致于压差卡套管；5、当实际地层压力超过预测值而发生井涌时，在一定压力范围内，具有压井处理溢流的能力。
三、井身结构设计的基础数据•地层岩性剖面、地层孔隙压力剖面、地层破裂压力剖面、地层坍塌压力剖面。
•6个设计系数：抽吸压力系数Sb；0.024 ～0.048 g/cm3激动压力系数Sg；0.024 ～0.048 g/cm3压裂安全系数Sf；0.03 ～0.06 g/cm3井涌允量Sk；：0.05 ～0.08 g/cm3压差允值∆p；∆P N: 15～18 MPa ，∆P A：21～23 MPa 四、井身结构设计方法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，并在钻进和下套管时不发生压差卡钻事故。
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，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。
第二章井身结构设计
第二章 井身结构设计井身结构设计就是钻井工程得基础设计。
它得主要任务就是确定套管得下入层次、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。
基础设计得质量就是关系到油气井能否安全、优质、高速与经济钻达目得层及保护储层防止损害得重要措施。
由于地区及钻探目得层得不同,钻井工艺技术水平得高低,国内外各油田井身结构设计变化较大。
选择井身结构得客观依据就是地层岩性特征、地层压力、地层破裂压力。
主观条件就是钻头、钻井工艺技术水平等。
井身结构设计应满足以下主要原则: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与事故。
为安全、优质、高速与经济钻井创造条件;3.当实际地层压力超过预测值发生溢流时,在一定范围内,具有处理溢流得能力。
本章着重阐明地下各种压力概念及评价方法,井身结构设计原理、方法、步骤及应用。
第一节 地层压力理论及预测方法地层压力理论与评价技术对天然气及石油勘探开发有着重要意义。
钻井工程设计、施工中,地层压力、破裂压力、井眼坍塌压力就是合理钻井密度设计;井身结构设计;平衡压力钻井;欠平衡压力钻井及油气井压力控制得基础。
一、几个基本概念1.静液柱压力静液柱压力就是由液柱自身重量产生得压力,其大小等于液体得密度乘以重力加速度与液柱垂直深度得乘积,即0.00981hP H (2-1)式中:P h ——静液柱压力,MPa;r ——液柱密度,g/cm 3; H ——液柱垂直高度,m 。
静液柱压力得大小取决于液柱垂直高度H 与液体密度r ,钻井工程中,井愈深,静液柱压力越大。
2.压力梯度指用单位高度(或深度)得液柱压力来表示液柱压力随高度(或深度)得变化。
ρ00981.0==HP G hh (2-2) 式中:G h ——液柱压力梯度,MPa/m; P h ——液柱压力,MPa; H ——液柱垂直高度,m 。
石油工程中压力梯度也常采用当量密度来表示,即HP h00981.0=ρ (2-3)式中:r ——当量密度梯度,g/cm 3; 3.有效密度钻井流体在流动或被激励过程中有效地作用在井内得总压力为有效液柱压力,其等效(或当量)密度定义为有效密度。
《井身结构设计》课件
井身材料
常用井身材料包括钢筋混凝 土、混凝土、钢和玻璃钢等。
井身结构设计的目的
提高井身稳定性
井身结构设计的目的是为了提高 井身的稳定性，确保石油井的平 稳生产。
降低事故风险
合理的井身结构设计可以减少石 油井事故的概率，保障工人的生 命安全。
提高生产效率
通过优化井身结构设计，可以提 高石油井的生产效率，降低维护 成本。
1
基础工程
进行基础开挖、标出基坑轮廓线、安置钢筋骨架等。
2
混凝土浇筑
进行钢筋模板组装、浇筑混凝土等。
3
砼强度与养护
根据测量计算、检验、养护高强度混凝土的质量。
预应力混凝土结构井的施工
预应力钢筋制作
预应力混凝土井筒需要应用预应 力钢筋，进行钢筋的制作和预应 力张拉。
施工工艺
构件之间的连接
进行预制整体与预制分段两种工 艺，将预制件安装到已完成地基 的基础上，进行钢束拉紧与固定。
井身结构设计实例分享
பைடு நூலகம்
1
长江三峡水电站井身设计
针对高水压和高岸坡等复杂工况，设计了多层钢筋混凝土结构的井身，确保水电 站的正常运行。
2
渤海海洋油田厂房井身设计
针对海洋环境的复杂性，设计高强度钢结构井身，提高了设施稳定性和运行效率。
3
南海油田纯海上井身设计
针对纯海上井身不稳定等特点，设计了预制单元式混凝土井身结构，解决了海上 施工难度大的问题。
井身结构的安全性检查
1 验收检查
在施工完成后，进行对井身结构的检查，确认是否符合设计要求。
2 日常检查
对井身结构进行日常管护与维修，确保井身结构的稳定性和安全性。
3 保护检查
第2讲_井身结构设计
测技术得到发展，特别是近平衡钻井的推广和井控技术的掌
握，使井身结构中套管层次和下入深度的设计，逐步总结出 一套较为科学的设计方法。
在“六五”期间，我国开始应用这套方法．首先在中原
油田取得很大效益。如在3500到4700m深井中，使平均事故 时间大幅度下降、建井周期缩短、钻井成本下降。
长江大学石油工程学院钻井工程研究所
5.1、中间套管设计
2.2、发生溢流（井涌）时
f 2
剖面图中最大地层压力梯度点对应的深度（m）
p m ax
Sb S
f
D p m ax D 21
Sk
井涌条件允许值
地层设计破裂压当量密度
激动压力系数
剖面图中最大地层压力对应的当量密度值 破裂压力安全增值 中间套管下入深度的初始假定点深度（m）
长江大学石油工程学院钻井工程研究所
3、井身结构设计中所需要的基础数据
地层破裂安全增值Sf由地区统计资料得到，一般取 0.031 g/cm3； 井涌条件允许值Sk由地区统计资料得到，一般取 0.051-0.10 g/cm3； 最大回压pwh由工艺条件决定，一般取2.0-4.0MPa；
. 钻压差允许值 卡
7、水泥返深设计
对于油层，生产套管的管外水泥返深至少应该在油 层顶部200m以上。对于气层，生产套管的管外水泥 返深至少应该在油层顶部300m以上；
中间套管的管外水泥返深至少应该在复杂或大断层
100m以上； 尾管的管外水泥返深至少在尾管的悬挂器以上；
表层套管的管外水泥返到地面。
长江大学石油工程学院钻井工程研究所
长江大学石油工程学院钻井工程研究所
5.1、中间套管设计
（2）中间套管下入深度 的初始假定点D21 在压力剖面图的横坐标 上，找出前面已经确定的
井身结构设计
井身结构设计摘要：井深结构设计是钻井工程的基础设计。
它的主要任务是确定导管的下入层次，下入深度，水泥浆返深，水泥环厚度及钻头尺寸。
基础设计的质量是关系到油气井能否安全、优质、高速和经济钻达目的层及保护储层防止损害的重要措施。
由于地区及钻井目的层的不同，钻井工艺技术水平的高低，不同地区井身结构设计变化较大。
选择井身结构的客观依据是底层岩性特征、底层压力、地层破裂压力。
正确的井身结构设计决定整个油田的开采。
本文基于课本所学的基本内容，对井身结构做一个大致的程序设计。
井身结构设计的内容：1、确定套管的下入层次2、下入深度3、水泥浆返深4、水泥环厚度5、钻头尺寸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，以当量钻井液密度表示；单位g/cm3：如美国墨西（1）抽汲压力系数Sw=0.06。
我国中原油田Sw=0.015~0.049。
湾地区采用Sw，以当量钻井液密度表示，单位g/cm3。
（2）激动压力系数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， Sg我国中原油田Sg=0.015~0.049。
（3）地层压裂安全增值S，以当量钻井液密度表示，单位g/cm3。
fSf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0.02~0.03。
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0.05~0.10。
（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。
【钻井工程】井身结构设计
井
深 ，
表 套
m
破裂压力
技 套
设计 井深
地层压力
1.0 1.3 1.6
油套
1.8 当量密度，g/cm3
1. 自下而上的设计法
2）设计特点
（1）每层套管下入的深度最浅，套管费用最低。适合已探明 地区开发井的井身结构设计；
（2）上部套管下入深度的合理性取决于对下部地层特性了解 的准确程度和充分程度；
（3）应用于已探明地区的开发井的井身结构设计比较合理； （4）在保证钻井施工顺利的前提下，自下而上的设计方法可 使井身结构的套管层次最少，每层套管下入的深度最浅，从而达 到成本最优的目的。
（3） 0.00981 (dmax pmin ) Dpmin P
（4）
d max S f
Sk
Dpmax Dc1
fc1
防井涌 防井漏 防压差卡钻 防关井井漏
第三节 井身结构设计依据与原理
五、地层必封点
（1）钻进过程中钻遇易坍塌页岩层、塑性泥岩层、盐岩层、岩膏 层、煤层等，易造成井壁坍塌和缩径。 （2）裂缝溶洞型、破裂带地层、不整合交界面地层。 （3）含H2S等有毒气体的油气层。 （4）低压油气层的防污染问题。 （5）井眼轨迹控制等施工方面的特殊要求。SY/T 6396－2009 中第4.6条的规定：“井身结构除按SY/T5431的规定执行外，丛 式井组各井的表层下深宜交替错开10m以上。” （6）在采用欠平衡压力钻井时，为了维持上部井眼的稳定性，通 常将技术套管下至产层顶部。 （7）表层套管的下入深度应满足环境保护的要求。
油气井工程设计与应用
第一部分 井身结构设计
第一部分 井身结构设计
第一节 地层—井眼压力系统 第二节 井身结构设计的内容及套管层次 第三节 井身结构设计依据与原理 第四节 井身结构设计方法 第五节 套管与井眼尺寸的选择 第六节 设计举例
井身结构设计
Ph
地层压力理论及预测方法
压力梯度(Pressure gradient)
单位高度（或深度）增加的压力值
Gh
Ph H
0.00981
MPa / m
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）
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（Hydrostatic pressure） Ph
定义
静液压力是由液柱重力引起的 压力。
计算
Ph 0.00981 H (MPa )
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
dcnn
dcp
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/cm3 dCN——所求井深处正常趋势线上的dc指数值； dca——所求井深实际dc指数。
异常低压
PP<Pw
异常高压
PP>Pw
H
P Po
Pw
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 渗透作用 构造作用 储集层的机构
井身结构设计
井身结构设计是钻井方案的核心，直接成本占钻井总成本的20％以上，同时与 周期有关的钻井成本亦即确定。
19% 41%
23% 5% 6% 2% 4%
服务费用 套管及附件 钻具 水泥及添加剂 钻井液 钻前工程费用 钻机费用
7%
服务费用
21%
套管及附件
钻具
52%
水泥及添加剂
钻井液
6%
最大套铣钻具 （mm）
177.80
177.80
198.76 207.01
10.16 10.80ຫໍສະໝຸດ 244.48 250.83
177.80 200.00
224.41
10.04
266.7
215.90
220.5 252.73 247.9
11.99 10.16 12.58
266.7 298.45 298.45
212.73 244.48 238.13
•主要特征:借助相关领域的发展,井 身结构设计采用了数量化方法。
• 提出了以满足防止套管鞋处地层压 裂和避免压差卡钻为主要依据,满足 工程必封点为约束条件的设计思想;
• 确定了以四条压力剖面为根据,从 下而上确定下入深度,再由约束条件 进行调节的设计方法,用图解或解析 的数量化方法,实现了井身结构设计 方法实质性的飞跃;
ρm≥ρpmax+ Sb +△ρ (ρmax-ρpmin)×Hpmin×0.0098≤△P ρemax+ Sg + Sf ≤ρfmin ρemax+ Sf + Sk ×Hpmax/ Hc1≤ρfc1
防井涌 防卡钻 防漏 防关井井漏
钻井工程设计方法－井身结构
依据压力剖面，以保证钻进套管 以下的井段时的最大井内压力梯 度不压裂最薄弱的裸露地层（一 般为套管鞋处）为原则，从全井 最大地层压力梯度处开始，由下 向上确定套管的层次（技术套管 和表层套管）和各层套管的下入 深度。
井深结构设计
井身结构包括套管层次和下入深度以及井眼尺寸（钻头尺寸）与套管尺寸的配合。
井身结构设计是钻井工程设计的基础。
一、套管柱类型（1） 表层套管；（2） 中间套管（技术套管）（3） 生产套管（油层套管）（4） 尾管。
二、井眼中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：p m f p p p ≥≥ （1－1） 式中 f p －地层的破裂压力，MPa ；m p －钻井液的液柱压力，MPa ；p p －地层孔隙压力，MPa 。
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。
由于在非密闭的洗井液压力体系中（即不关封井器憋回压时），压力随井深是呈线性变化的，所以使用压力梯度概念是较方便的。
式（1－1）可写成：p m t G G G ≥≥ （1－2）式中 t G －破裂压力梯度，MPa/m ；m G －液柱压力梯度，MPa/m ；p G －孔隙压力梯度，MPa/m 。
一、井身结设计所需基础资料（一） 地质资料（1） 岩性剖面及事故提示（2） 地层压力数据（3） 地层破裂压力数据（二） 工程资料（1） 抽吸压力与激动压允许值（g b S S 与）各油田应根据各自的情况来确定。
（2） 地层压裂安全增值（f S ）。
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，可以根据该地区的统计数据来确定。
以等效密度表示g/cm 3。
美国现场将f S 取值为0.024，中原油田取值为0.03。
（3） 井涌条件允许值（k S ）。
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。
中源油田将k S 值定为0.06~0.14。
（4） 压差允值（a N P P ∆∆与）。
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地固井和完井工作。
井身结构设计与固井
执行情况回顾
定期对安全保障措施的执行情况进行回顾和总结，分析存在的问题和不足，提出改进措 施和建议。
持续改进方向和目标设定
持续改进方向
根据风险评估和安全保障措施执行情况 ，明确井身结构设计与固井过程中需要 持续改进的方向和重点。
压力监测
实时监测注浆过程中的压力变 化，确保注浆过程平稳、安全 。
异常情况处理
对注浆过程中出现的异常情况 ，如漏失、气窜等，及时采取
有效措施进行处理。
顶替效率提升措施实施
优化顶替流态
通过调整顶替液的性能、流量等参数，优化 顶替流态，提高顶替效率。
增加顶替排量
在保证安全的前提下，适当增加顶替排量， 提高顶替速度和效率。
VS
目标设定
设定明确、可量化的改进目标，包括降低 风险等级、提高安全保障措施的有效性等 ，为持续改进提供明确的方向和动力。
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材料准备
根据设计要求，准备好所需的 水泥、添加剂等材料，并对其
进行质量检验。
施工方案制定
根据井身结构、地质条件等因 素，制定详细的施工方案和应
急预案。
注水泥浆过程监控
水泥浆性能监控
实时监测水泥浆的密度、流动 性、失水量等性能指标，确保
其符合设计要求。
注浆速度控制
根据井深、井径等因素，合理 控制注浆速度，避免出现注浆 不均、堵管等问题。
井身结构的重要性
井身结构设计的合理与否直接影 响到钻井施工安全、速度和成本 ，以及后续油气开采的效率和效 益。
设计原则与规范要求
设计原则
第二章第四节 井身结构设计1
井底压力随作业不同而变化： (1)静止状态，井底压力＝环形空间静液压力； (2)正常循环时，井底压力＝环形空间静液压力+环形空间压力损失； (3)用旋转防喷器循环钻井液时，井底压力＝环形空间静液压力+环形空间压力损
失+旋转防喷器的回压，
(4)循环出气涌时，井底压力＝环形空间静液压力十环形空间压力损失+节流器压 力； (5)起钻时，井底压力＝环空静液压力+抽吸压力； (6)下钻时，井底压力＝环空静液压力+激动压力； (7)空井时，井底压力＝环空静液压力； (8)关井时，井底压力＝环空静液压力+井口回压+气侵附加压力
mE max
H p max Hn
SK
溢流关井
Pd Pa Pd pd Pa pa
Pd+Php=Pp Pa+Pha=Pp
Pp
php
pha
pp
钻遇井涌时压力分析
正常钻井时
m p Sw
钻至Hx遇到井涌关井，套管压力pa，设井涌系数 Sk
pa 0.00981 Sk H x pa Sk 0.00981 Hx
Δ PN(Δ Pa)
Gf Gp
当量泥浆密度
井身结构设计
1、正常作业时（起下钻、钻进）： 起钻： 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 度应不小于和该井段中的最大地层压力梯度当量密度与最大抽吸 压力梯度当量密度之和。
max P max Sw
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=0.024-0.048 g/cm3 .
井深结构设计
井身结构包括套管层次和下入深度以及井眼尺寸（钻头尺寸）与套管尺寸的配合。
井身结构设计是钻井工程设计的基础。
一、套管柱类型（1） 表层套管；（2） 中间套管（技术套管）（3） 生产套管（油层套管）（4） 尾管。
二、井眼中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：p m f p p p ≥≥ （1－1） 式中 f p －地层的破裂压力，MPa ；m p －钻井液的液柱压力，MPa ；p p －地层孔隙压力，MPa 。
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。
由于在非密闭的洗井液压力体系中（即不关封井器憋回压时），压力随井深是呈线性变化的，所以使用压力梯度概念是较方便的。
式（1－1）可写成：p m t G G G ≥≥ （1－2）式中 t G －破裂压力梯度，MPa/m ；m G －液柱压力梯度，MPa/m ；p G －孔隙压力梯度，MPa/m 。
一、井身结设计所需基础资料（一） 地质资料（1） 岩性剖面及事故提示（2） 地层压力数据（3） 地层破裂压力数据（二） 工程资料（1） 抽吸压力与激动压允许值（g b S S 与）各油田应根据各自的情况来确定。
（2） 地层压裂安全增值（f S ）。
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，可以根据该地区的统计数据来确定。
以等效密度表示g/cm 3。
美国现场将f S 取值为0.024，中原油田取值为0.03。
（3） 井涌条件允许值（k S ）。
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。
中源油田将k S 值定为0.06~0.14。
（4） 压差允值（a N P P ∆∆与）。
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地固井和完井工作。
《钻井与完井工程》课件-2井身结构设计
井身结构设计是钻井与完井工程中的重要环节，涉及到井筒的稳定性和安全 性。本课件将介绍井身结构设计的重要性、目标、原则以及主要方法。
井身结构的重要性
井身结构设计的合理性直接影响到井筒的稳定性和钻井、完井操作的安全性。 良好的井身结构设计可以减少井筒塌陷、井漏等问题，降低事故发生的风险。
井身结构设计的目标
井身结构设计的目标是保证井筒的稳定性和安全性，确保钻井、完井操作的 顺利进行。通过合理的设计，可以避免井筒失稳、井漏等问题，减少工作量 和成本。
井身结构设计的原则
井身结构设计应遵循以下原则：
1 强度与稳定性
井身结构要具备足够的强 度和稳定性，以承受地质 力学和工程力学的作用。
2 材料选择
3 施工过程控制
完井过程中，要 控制好施工参数和工况， 保证井身结构的完整性和 稳定性。
主要的井身结构设计方法
经验法
根据以往的经验和类似工程的 数据，进行井身结构设计。
计算法
依据地质力学和工程力学原理， 对井身结构进行计算和分析。
1 油藏工况
考虑油藏工况和井筒温度 等因素，选择合适的材料 和工艺。
2 套管设计
设计套管参数和套管布置 方案，保证油井的产能和 安全。
3 完井液体设计
确定完井液体的性质和配 方，满足井身结构和油藏 要求。
结论和总结
井身结构设计是钻井与完井工程中的关键环节。合理的结构设计可以提高井筒的稳定性和钻井、完井操作的安 全性，降低事故风险，提高工作效率。
仿真法
运用计算机仿真技术，对井身 结构进行模拟和优化设计。
钻井井身设计要点
地层评价
对钻井地层进行评价，了解地层的性质和特点。
井身结构设计
一、井身结构设计
一、井身结构 设计的任务
套管下入层次 每层套管的下入深度 各层套管相应的井眼尺寸（钻头尺寸） 各层套管外的水泥返深
➢ 确定井身结构的主要依据 钻井地质设计（地层压力、地层
破裂压力、地层坍塌压力、完井方 式）、复杂地层深度、地表水源情 况、钻井技术水平和采、试油、气 的技术要求等。。
✓ 井身结构设计的原则 （1）有效地保护油气层； （2）有效地避免漏、喷、塌、卡等井下复杂事故，保证安全、 快速钻井； （3）当发生井涌时，具有压井处理溢流的能力； （4）钻下部高压地层时，井内液柱压力不会压漏上层套管鞋处 的裸露地层。 （5）下套管过程中，不产生压差卡套管现象。 （6）对于压力不清楚或复杂深探井，套管设计应留有余量。 （7）同一裸眼井段，尽量不存在两个压力体系。 （8）地质预告有浅气层的井，应用套管封住。
➢ 裸眼井段应满足的力学平衡条件
在裸眼井段中存在着地层孔隙压力、钻井液液柱压力、地层破裂压力。
（1）防井涌
ρdmax≥ρpmax+ Sb （抽汲压力系数）
（2）防压差卡钻 0.00981 Dpmin (ρdmax-ρpmin) ≤ △P（△PN、△PA）
（3）防井漏 ρdmax+ Sg（激动压力系数）+ Sf（压裂安全系数）≤ρfmin
Dpmin — 最小地层孔隙压力所处的井深，m；
ρfmin — 裸眼井段最小地层破裂压力的当量钻液密度，g/cm3
Dc1 — 套管下入深度，m；
ρfc1 — 套管鞋处地层破裂压力的当量钻井液密度， g/cm3；
四、井身结构设计方法及步骤
下→上，内→外 五、设计举例
某井设计井深为4400m，地层压力梯度和地
第二章 石油钻机总体参数设计
石油钻采机械主讲：马卫国第二章：石油钻机总体参数设计第二章：石油钻机总体参数设计第一节：概述第二节：钻井井身结构第三节：钻机基本参数第二节：起升系统参数第三节：旋转系统参数第四节：循环系统参数第五节：钻机总体参数设计学习目的：掌握石油钻机参数及总体参数设计与计算石油钻采机械主讲：马卫国第二章：石油钻机总体参数设计第一节：概述石油钻采机械主讲：马卫国第二章：石油钻机总体参数设计钻机特点：1、起升、旋转、循环三个系统联合的工作机组。
由于各工作机组的作用、工作程序、载荷特性不一样，所以，钻机的传动与控制系统庞大复杂。
石油钻采机械主讲：马卫国第二章：石油钻机总体参数设计2、钻井操作不连续。
更换钻头、下套管固井、处理事故等。
辅助性操作比重大：非钻进时的起下钻、搬家拆装、故障停机等。
起钻能耗大、下钻产生的能量不能回收，而且需要设备消耗。
3、钻机的工作场所周期性变化。
石油钻采机械主讲：马卫国第二章：石油钻机总体参数设计钻具组成整套钻具由方钻杆、钻杆及其接头、钻铤和钻头组成。
有时候带有扶正器、减震器等井下工具。
1.方钻杆——钻杆——钻铤——井下工具组合（BHA)2.立根：三立根（28m）；双立根（19m）。
石油钻采机械主讲：马卫国第二章：石油钻机总体参数设计提高钻井速度的技术措施“钻速”——通常指机械钻速，即在纯钻进周期内每小时钻进的米数。
影响钻速的因素很多，除了组织因素和人的因素之外，主要有：地层特性、钻机性能、泥浆性能、钻头类型、钻压、转速以及水力因素。
钻压—转速—水力因素石油钻采机械主讲：马卫国第二章：石油钻机总体参数设计1、钻压钻压：当钻压超过岩石抗压强度决定的临界值时，钻速随钻压的提高而直线增长。
单位钻压（ω）：每单位钻头直径的钻压。
普通铣齿牙轮钻头：ω＝10－25 KN/inch；石油钻采机械主讲：马卫国“密封润滑、滑动轴承、镶齿、喷射”四合一优质钻头，可采用大钻压。
ω＝20－40 KN/inch；全钻压：W= ωD头石油钻采机械主讲：马卫国2、转速传统经验：对于一开，使用大尺寸钻头时，一般保持钻头周切线速度V为一常数。
井身结构设计
井身结构设计原理— 液体压力体系的当
量梯度分布
Pm Pm ? 0.0981 ? mH ?m
Gm Gm ? 0.0981 ? m
非密封液柱体系的压力 分布和当量梯度分布
Po
Pm
Pm ? Po ? 0.0981 ? mH
Pm
Gm
Gm
?
Po H
?
0.0981 Pm
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
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： Pf ? PmE ? PP
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
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?m ?为? P ? S
? m ? ? P ? Sw
钻至某一井深 Hx时，发生一个大小为 Sk的溢流，停泵关闭防
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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。
地层压力理论及预测方法
井底环空压力
1、不循环时：
Pb Ph 0.00981 H
2、钻进时：
Pb Ph Pfa
3、起下钻时：
Pb Ph Pg
Pg为起下钻波动压力
2020/5/31
地层压力理论及预测方法
2020/5/31
PO
P
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
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
异常高压形成的原因
压实效应
海面/地面
地层保持正常的压 实平衡，取决于： D
（1）沉积速率
（2）孔隙空间减 少速率
P （3）地层渗透率
（4）排出孔隙流 体的能力
由岩石颗粒之间来支撑的那 部分上覆岩层压力。
P0 Pp
Pp
地层压力理论及预测方法
地层破裂压力(fracture pressure)
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(Caving pressure)
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。
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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：
Vm
Kne ( P Db
)d
D指数
0.0547V
log
d
n
log 0.0684P
Db
V:钻速,m/h;N:转速：r/min P:钻压,kN;Db:钻头尺寸,mm
y
d
1.5
1
0.5
0
0
2
4
6
8
10
12
-0.5
-1
dc
d
mN m
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
dcnn
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。
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。
Po
计算
P0 0.00981 H 1 rm
异常地层压力
P
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>Pw
正
常
上覆岩层压力
地 层
压
Po
力
孔隙压力 高骨架应力
异 常
低
压
异
孔隙压力 Pw
常 高
压
H
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
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。
适用范围：岩性为泥岩、页岩；完钻后进行地层压 力评价。
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
t t0eCH
H
ln t ln t0 CH A
ln t
2020/5/31
H：井深，m Δ t:井深H处的泥岩声波时差，μs/ft Δ t0:表层泥岩声波时差, μs/ft C：正常趋势线斜率 A:正常趋势线截距
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）
PF
2 1
A 3B(P0
PP ) St
PP
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
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
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（Hydrostatic pressure） Ph
定义
静液压力是由液柱重力引起的 压力。
计算
Ph 0.00981 H (MPa )
地层破裂压力确定方法
理论计算
井眼井壁的应力：
r Pm H h 2( H h ) cos2 Pm z P0 r 0
最大最小水平主应力
H
1
(P0
PP ) A(P0
PP ) Pp
h
1
(P0
PP )
B(P0
PP ) Pp
地层破裂压力确定方法
理论计算
ρ：液体密度,（g/cm3） H:液柱垂直高度，m
Ph
地层压力理论及预测方法
压力梯度(Pressure gradient)
单位高度（或深度）增加的压力值
Gh
Ph H
0.00981
MPa / m
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）
dcR
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/cm3
dCN——所求井深处正常
H
趋势线上的dc指数值；
dcR——所求井深实际dc 指数。
dc dcn
dcR
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：
地层破裂压力确定方法
测试方法
P
Pf=Pstand_pipe+Pm
2020/5/31
地层破裂压力确定方法
液压试验（泄漏试验）
P
立
管 压
A
力
P
泵入量：V
2020/5/31
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。
ntg C
n
1
3
2
1
3
2
s in
1 3 cos
2
岩石的剪切破坏
f ( 1 3) sin( 1 3 2Pp) 2C cos 0
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
m,st
异常高压形成的原因
流体运移
2020/5/31
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
d
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