井身结构设计
井身结构设计的内容
井身结构设计的内容
《井身结构设计的内容》
嘿，咱今天来聊聊井身结构设计。
你知道吗，井身结构设计就像是给一口井打造一个完美的“家”。
这可不是一件简单的事儿呢！就拿我之前看到过的一口井来说吧。
那是在一个大工地里，我好奇地凑过去看他们在干嘛。
原来他们正在设计那口井的结构。
他们先得考虑井的深度啊，这可不能随便乱来。
得根据实际需求，要够深才能达到想要的资源，但又不能太深了，不然成本太高啦，这中间的分寸得把握好。
就好像你做饭放盐一样，少了没味道，多了咸得慌。
然后呢，还要设计井筒的直径，这也有讲究的呀。
得让井里面能有足够的空间来运作，但又不能太大了，不然多浪费材料和成本呀。
我看着他们在那仔细地测量、计算，就像在给井量身定制一套衣服一样，要合适，要舒服。
还有啊，井壁的强度也很重要呢。
要是不结实，那可不行，说不定哪天就塌了。
那可就像盖房子，墙要是不牢固，那可危险啦。
他们得选用合适的材料，让井壁坚固无比，能够承受各种压力和考验。
最后还有一些细节呢，比如井口的设计，要方便使用，还要保证安全。
就像我们家里的门一样，得开关方便，还不能有隐患。
总之，井身结构设计这事儿真不简单，每一个环节都得精心考虑，从深度到直径，从强度到细节。
只有这样，才能打造出一口完美的井，让它好好地为我们服务。
我看着那口正在设计中的井，仿佛看到了它未来发挥大作用的样子，真的很神奇啊！这就是井身结构设计的内容，看似普通却蕴含着大大的智慧呢！。
第二章井身结构设计
第二章井身结构设计井身结构设计是钻井工程的基础设计。
它的主要任务是确定套管的下入层次、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。
由于地区及钻探目的层的不同，钻井工艺技术水平的高低，国内外各油田井身结构设计变化较大。
选择井身结构的客观依据是地层岩性特征、地层压力、地层破裂压力。
主观条件是钻头、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和事故。
为安全、优质、高速和经济钻井创造条件；3．当实际地层压力超过预测值发生溢流时，在一定范围内，具有处理溢流的能力。
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和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的基础。
一、几个基本概念1．静液柱压力静液柱压力是由液柱自身重量产生的压力，其大小等于液体的密度乘以重力加速度与液柱垂直深度的乘积，即P h = 0.00981 rH(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 。
静液柱压力的大小取决于液柱垂直高度H 和液体密度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）的液柱压力来表示液柱压力随高度（或深度）的变化。
P h G h — 0.00981H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P h0.00981H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的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
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。
井身结构设计方法
井身结构设计方法嘿，咱聊聊井身结构设计方法呗。
这井身结构设计啊，那可得好好琢磨琢磨。
首先呢，得搞清楚要打的井是干啥用的。
要是喝水的井呢，就得考虑水的质量和水量。
要是油井或者气井呢，那就得考虑压力和温度啥的。
不同用途的井，设计方法可不一样哦。
然后呢，得看看打井的地方啥情况。
比如说地质条件咋样啊，有没有岩石啊，土松不松啊。
要是地质条件不好，那井身结构就得设计得更结实点，不然井容易塌。
接着呢，要确定井的深度。
这可不能瞎猜，得找专业的人来测量一下。
要是井太浅了，可能取不到想要的东西。
要是井太深了，成本又太高。
所以得找到一个合适的深度。
再然后呢，就是选择井的直径啦。
直径也不能随便选，得根据用途和深度来定。
要是井太细了，以后维修起来不方便。
要是井太粗了，又浪费材料。
还有啊，井身的材料也很重要。
一般来说，有钢管啊、混凝土管啊啥的。
得根据实际情况选择合适的材料，要结实耐用，还不能太贵。
设计井身结构的时候，还得考虑到以后的维护和修理。
比如说留一些通道啊，方便人下去检查和维修。
要是设计得不好，以后出了问题可就麻烦啦。
我给你讲个事儿吧。
我们村有一年要打一口井，大家都可重视了。
找了个懂行的人来设计井身结构。
那个人先了解了我们村的用水需求，又去看了打井的地方的地质情况。
然后他仔细测量了深度，确定了井的直径和材料。
最后设计出来的井身结构可好了，打出来的井水又清又甜，大家都特别高兴。
总之呢，井身结构设计要考虑用途、地质条件、深度、直径、材料和维护等方面。
要认真对待，不能马虎。
这样才能设计出一个好的井身结构，让井发挥出最大的作用。
《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
ρ m ≥ ρ P max + S w
ρ mE = ρ P max + S w + S g ρ P max + S w + S g + S f ≤ ρ f min
下钻中使用这一钻井液密度， 在井内将产生一定的激动压力Sg 考虑地层破裂压力检测误差，给予一 个安全系数Sf。则该层套管可行裸露 段底界（或该层套管必封点深度）
工程约束条件下封点深度的确定
（1）正常作业工况（起下钻、钻进） ）正常作业工况（起下钻、钻进） 在满足近平衡压力钻井条件下， 在满足近平衡压力钻井条件下，某一层套管井段钻进中所用最大钻井液密度 应大或等于该井段最大地层压力梯度当量密度ρ ρ m应大或等于该井段最大地层压力梯度当量密度ρPmax与该井深区间钻进 中可能产生的最大抽汲压力梯度当量密度S 之和， 中可能产生的最大抽汲压力梯度当量密度 w 之和 ， 以防止起钻中抽汲造 成溢流。 成溢流。即：
井身结构设计原理— 井身结构设计原理—液体压力体系的当
量梯度分布
Pm Pm = 0.0981ρ m H Gm Gm = 0.0981ρ m
非密封液柱体系的压力 分布和当量梯度分布
ρm
Po
Pm Pm = Po + 0.0981ρ m H
Gm
Pm
P Gm = o + 0.0981Pm H
密封液柱体系的压力 分布和当量梯度分布
Pf ≥ PmE ≥ PP
裸眼井内钻井液有效液柱压力必须大于或等于地层压力，防止井喷， 裸眼井内钻井液有效液柱压力必须大于或等于地层压力，防止井喷，但 又必须小于等于地层破裂压力，防止压裂地层发生井漏。 又必须小于等于地层破裂压力，防止压裂地层发生井漏。 考虑到井壁的稳定，还应补充一个与时间有关的不等式： 考虑到井壁的稳定，还应补充一个与时间有关的不等式： 井壁的稳定
syt5431-2008井身结构设计方法_概述说明
syt5431-2008井身结构设计方法概述说明1. 引言1.1 概述本文将对sy55431-2008井身结构设计方法进行详细介绍和说明。
井身结构设计是石油钻探工程中非常重要的一环，它直接关系到钻探工作的安全性、效率和可靠性。
因此，研究和应用高效可靠的井身结构设计方法对于提高钻井技术水平具有重要意义。
1.2 文章结构本文分为三个主要部分：引言，正文和结论。
引言部分将首先介绍本文的背景和目的，并概述文章的整体结构。
正文部分将详细介绍sy55431-2008井身结构设计方法的研究背景、方法介绍和实验设计。
最后，结论部分将总结文章的要点，并对未来研究方向进行展望。
1.3 目的本文旨在系统地介绍sy55431-2008井身结构设计方法，包括其背景、原理和应用。
通过深入了解这一方法，读者将能够更好地理解井身结构设计领域的相关知识，并为实际工程提供参考依据。
此外，本文也旨在激发更多的研究兴趣，推动井身结构设计方法的持续改进和发展。
通过本文的阅读，读者将能够全面了解sy55431-2008井身结构设计方法及其在钻探工程中的应用前景。
2. 正文:2.1 研究背景:在井身结构设计领域，Syt5431-2008是一种广泛使用的方法。
它通过对井身结构特性进行研究和深入分析，为工程师们提供了一种可靠的设计指南。
该方法具有较高的实用性和科学性，并在不同类型的井身结构项目中得到了有效应用。
过去几十年来，随着石油勘探和开采技术的不断发展，井身结构设计变得越来越重要。
井身结构在保证钻探安全和顺利进行的同时，还需要满足各种工程要求和环境条件。
因此，为了提高钻探效率、减少钻探事故风险以及降低项目成本，精确而可靠地设计井身结构尤为关键。
2.2 方法介绍:Syt5431-2008作为一种有效的井身结构设计方法，系统地介绍了井身材料、几何形状、荷载特性等方面的基本原理与规定。
该方法主要包括以下几个步骤：- 识别和分析工程需求：根据具体工程项目的要求和特殊要求，确定井身结构设计的目标和限制条件。
石油工程技术 井下作业 井身结构及完井方法
井身结构及完井方法1井身结构所谓井身结构，就是在已钻成的裸眼井内下入直径不同、长度不等的几层套管，然后注入水泥浆封固环形空间间隙，最终形成由轴心线重合的一组套管和水泥环的组合。
如图1所示。
图1井身结构示意图1—导管；2—表层套管；3—技术套管；4—油层套管；5—水泥环1.1导管井身结构中靠近裸眼井壁的第一层套管称为导管。
导管的作用是：钻井开始时保护井口附近的地表层不被冲垮，建立起泥浆循环，引导钻具的钻进，保证井眼钻凿的垂直等，对于不同的油田或地层，导管的下入要求也不同。
钻井时是否需要下入导管，要依据地表层的坚硬程度与结构状况来确定。
下入导管的深度一般取决于地表层的深度。
通常导管下入的深度为2～40m。
下导管的方法较简单，是把导管对准井位的中心铅垂直方向下入，导管与井壁中间填满石子，然后用水泥浆封固牢。
1.2表层套管井身结构中的第二层套管叫做表层套管。
表层套管的下入深度一般为300～400m，其管外用水泥浆封固牢，水泥上返至地面。
表层套管的作用是加固上部疏松岩层的井壁，供井口安装封井器用。
1.3技术套管在表层套管里面下入的一层套管(即表层套管和油层套管之间)叫做技术套管。
下入技术套管的目的主要是为了处理钻进过程中遇到的复杂情况，如隔绝上部高压油(气、水)层、漏失层或坍塌层，以保证钻进的顺利进行。
下入技术套管的层次应依据钻遇地层的复杂程度以及钻井队的技术水平来决定。
一般为了加速钻进和节省费用，钻进过程中可以通过采取调整泥浆性能的办法控制复杂层的喷、坍塌和卡钻等，尽可能不下或少下技术套管。
下入技术套管的层次、深度以及水泥上返高度，以能够封住复杂地层为基本原则。
技术套管的技术规范应根据油层套管的规范来确定。
1.4油层套管油井内最后下入的一层套管称为油层套管，也称为完井套管，简称套管，油层套管的作用是封隔住油、气、水层，建立一条封固严密的永久性通道，保证石油井能够进行长时期的生产。
油层套管下入深度必须满足封固住所有油、气、水层。
井深结构设计
数
出。中原油田将Sk值定为0.06～0.14。
据
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
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：
pper
P 9.8103
Hmm
p min
Sb
由地层孔隙压力梯度曲面图上查ρ 所在井深即该层套管下入 pper
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
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：
Pf≥Pm≥Pp
（1）
式中 Pf——地层的破裂压力，MPa；
Pm——钻井液的液柱压力，MPa；
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
pm ax
Sb
Sg
H pmax 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
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。
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
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
海洋钻井手册--井身结构与套管设计
钻头尺寸 mm 88.9 88.9 95.3 95.3 95.3 104.8 107.9 107.9 107.9 114.3 117.5 120.6 120.6 123.8 149.2 152.4 155.6 155.6 212.7 215.9 215.9 219.1 228.6 228.6 244.5 244.5 304.8 311.1 311.1 374.6 374.6 381 444.5 469.9 469.9 469.9
表 3-1-1
孔隙压力剖面 地层破裂 / 坍塌压力剖面 塑性盐层和泥页岩位置 地层信息 渗透层位置或漏失层位置 断层、破碎地层等 淡水砂层位置 浅气层位置 地质目标 定向井数据 定向井轨迹 其他 完井需求 所需最小直径
井身结构设计所需基本数据列表
满足钻井和采油目标所需要的最小井眼直径 测试 / 测井工具外径 油管尺寸 封隔器及相关设备要求尺寸 井下安全阀外径 生产井资料 在完井、生产和井下作业中所需求的套管尺寸 法律、法规限制 库存情况或采办策略 钻机设备限制
· 95 ·
2．井身结构设计内容 按井内压力系统平衡原则设计出各层套管的下入深度。要求在同一井段的裸眼内保持 压力系统平衡，即在钻进、起下钻及井涌压井过程中不会压裂上部地层而发生井漏；在钻 井作业和下套管时不会发生压差卡钻、卡套管等复杂情况。当特殊地层造成不能正常钻进 时，应考虑适当调整井身结构。 开发井的井身结构设计通常采用自下而上的原则进行，最后一层套管的下入深度通常 取决于井深或地质要求，而完井的油层套管尺寸通常取决于完井和采油作业的要求。对于 预探井，也可以采用自上而下的原则进行设计，最后一层套管的尺寸应考虑地层评价的相 关要求。 无论采用自下而上还是自上而下井的设计方法，井身结构设计均应保证同一裸眼段内 满足压力平衡原则，达到防喷、防卡和防漏的目的，同一裸眼井段井身结构设计必须满足 的压力约束条件为： （1）防喷、防塌：
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 .
井身结构设计
第一章 井身结构设计
第二节 地层破裂压力预测方法
１、地层破裂压力定义：在井下一定深度出露的地 层，承受液体压力的能力是有限的。当液体压力达 到某一数值时会使地层破裂，这个液体压力称为地 层破裂压力。
地震波法预测地层压力计算方法主要有等 效深度法，Fillipone法、R比值法。
2020/11/13
第二节 地层破裂压力预测方法
第一章 井身结构设计
在采油作业上，20世纪40年代就利用水力压裂 地层达到增产的目的，但对钻井工程不希望地层破 裂，因为容易发生井漏，造成井下复杂事故。因此 了解地层的破裂压力对合理的油井设计和钻井施工 都十分重要。
三、地层压力预测方法 钻速法－－随钻监测 测井法－－钻后评价 地球物理方法－－钻前预测
目前应用某一种方法是很难准确评价一个地区或 区块的地层压力，往往需要采用多种方法进行综合 分析和解释。
dc指数法、声波时差法、地震法。
2020/11/13
第一章 井身结构设计
第一节 地层压力理论及预测技术
1、dc指数法
在正常地层压力情况下，如岩性和钻井条件不变，机械钻 速随井深的增加而下降。当钻入压力过渡带之后，由于压差 减小，岩石孔隙度增大，机械钻速反而加快。 dc指数则正是 利用这种差异预报异常高压。
宾汉在不考虑水力因素的影响下建立了钻速方程;根据室
内及油田钻井试验 ,再进行合理的假设，采用统一的单位可
得d指数（钻压）表达式：
2020/11/13
第一章 井身结构设计
井身结构设计
5、井身结构设计方法及步骤 图解法：
依据两个压力剖面， 以保证钻进时井内最大压
力不压裂最薄弱的裸露地
层为原则，从全井最大地
层压力梯度开始，由下向
上确定套管的层次和各层 套管的下深，同时考虑地 质必封点。
28
5、井身结构设计方法及步骤 图解法：
① 各层套管（油层套管除外）下入深度初选点Dn的确定
② 校核各层套管下到初选点深度Dni时是否发生压差卡钻
③ 当中间套管下入深度浅于初选点（Dn<Dni）时，
则需要下尾管并要确定尾管下入深度Dn+1
④ 必封点的确定
29
5、井身结构设计方法及步骤
1、求中间套管下入深度初选点D21 最大钻井液密度ρmmax→由起钻时的压力平衡条件确定
依据：起钻时，井内压力要大于地层压力。
m Sb p
取临界状态
•三个剖面：
孔隙压力剖面(坍塌压力剖面) 破裂压力剖面(漏失压力剖面) 地层岩性剖面及其故障提示
19
4、井身结构设计中所需要的基础数据 2）工程类数据
•六个设计系数：
抽吸压力系数Ｓｂ：上提钻柱时，由于抽吸作用使井内液 体 压力降低的值，用当量密度表示， （0.024~0.048 g/cm3） 激动压力系数Ｓｇ：下放钻柱时，由于钻柱向下运动产生 的激动压力使井内液柱压力的增加值，用当量密度表示， （0.024~0.048g/cm3）
从地区大量的抽吸和激动压力数据统计而来： --由该地区所有井每趟起下钻所产生的抽吸和激动压力，折 合成当量密度，然后进行统计分析来确定取值范围； 建立抽吸和激动压力计算模型。 20
4、井身结构设计中所需要的基础数据
压裂安全系数Ｓｆ：为避免上部套管鞋处裸露地层被压 裂的地层破裂压力安全增值，用当量密度表示；
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
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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S
w
=0.06。
我国中原油田Sw=0.015~0.049。
湾地区采用S
w
，以当量钻井液密度表示，单位g/cm3。
（2）激动压力系数S
g
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， S
g
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。
f
S
f
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S
f
取值0.024，我国中原油田取值为0.02~0.03。
4）溢流条件S
k
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S
k。
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S
k
=0.06。
我国中原油田取值为0.05~0.10。
（5）压差允值P
N （P
a
）
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。
压差允值和工艺技术有很大关系。
压差允值的确定，各油田可以从卡钻资料中（卡点深度，当时钻井液密度、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。
井身结构设计的方法及步骤
1．套管层次和套管柱类型
国内油田套管下入层次为：导管，表层套管，中间套管（或技术套管），油层套管。
表层套管，中间套管，油层套管，一般按（339.7244.5177.8139.7mm(13 3/8 9 5/8 7 5 ½ in)系列进行设计。
（1）根据区域地质情况，确定按正常作业工况或溢流工况选择
（2）利用压力剖面图中最大地层压力梯度求中间套管下入深度假定点。
自横坐标上找到设计的地层破裂压力梯度
fD
，向下引垂直线与地层破裂压
力梯度线相交，交点即为中间套管下入深度假定点，记点H
3。
（3）验证中间套管下入深度H3是否有卡套管危险。
采用 P m-P Pmin P N
式中
m ——钻井深度H
3
时采用的钻井液密度，g/cm3；
P ——H
3
以下裸眼井段最小或正常地层压力梯度当量密度，g/cm3；
H
N
——最深正常地层压力或最小地层压力深度，m。
若P P
N （或P
a
），则假定深度H
3
为中间套管下入深度。
若P>P
N （或P
a
），则中间套管下至H
3
过程中有被卡危险。
在这种情况
下可采取以下方法解决：
a.应用以下公式重新计算中间套管下入深度
（或Pa）
m 是在深度H
N
，允许压差值P
N
（或P
a
）时采用的钻井液密度。
（
m
-S
w
）
=最大允许地层压力。
在压力剖面图上找到（
m -S
w
）值，引垂线与地层压力梯度
线相交，交点即为新计算的中间套管下入深度，记为H
2。
b.应用方法a，往往需多下一层套管或尾管，为了避免这种情况，钻井工程师可根据所在区域钻井工艺技术水平，钻井液体系和性能，从工艺、防卡液上解决中间套管下入到H3的卡钻危险。
（4）计算钻井（或中间）尾管的最大下入深度
在上步中，若按方法a解决压差卡钻危险，则还需下一段中间尾管以
满足采用（
Pmax +S
w
）钻井液密度钻井时，H
3
与H
2
的安全钻井问题。
一般情况下，
中间尾管下至H
3即可。
当然也可根据中间套管鞋处（H
2
）的地层破裂压力梯度，
下推尾管的最大可下深度：
N
N
P
m
P
H∆
=
-)
(
00981
.
0ρ
ρ
P
f
g
W
fH
S
S
Sρ
ρ=
+
+
-)
(
2
fH2
—中间套管鞋处的地层破裂压力梯度，g/cm 3；
P
—中间尾管最大可下深度处地层压力梯,g/cm 3。
在压力梯度剖面图横坐标上找到P
，从
P
引垂线与地层压力梯度线
相交，交点即为中间尾管的最大下入深度H 3。
（5）计算表层套管下入深度H1 根据中间套管鞋处地层压力梯度PH2
，在给事实上S k 的溢流条件，用试算法
计算表层套管的下入深度。
即
式中
fD
——设计地层破裂压力梯度，其工程意义为溢流压井时，表层套管
鞋处承受的有效液柱压力梯度的当量密度。
试算中，当
fH1
-
fD
(0~0.024)，即符合设计要求。
（6）进一步校核中间尾管
a.校核中间尾管下入最大深度时，是否有卡套管危险。
校核方法与步骤3相同。
b.校核在给定S k 溢流条件下压井时，中间套管鞋处是否有被压裂的危险。
校核方法同步骤5。
（7）油层套管下入目的层中，应进行压差卡钻和溢流条件校核。
套管尺寸与井眼尺寸选择及配合
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的预告难于准确，是否要求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。
2．套管和井眼尺寸的选择和确定方法
k
f w PH fD S H H
S S 122+++=ρρ
（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，然后确定中间套管尺寸等，依此类推，直到表层套管的井眼尺寸，最后确定导管尺寸。
（2）生产套管根据采油方面要求来定。
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）。
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及尺寸已标准系列化。
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。
（注：可编辑下载，若有不当之处，请指正，谢谢!）。