第3讲 [第二章 套管柱及注水泥设计]——井身结构设计--具体设计方法

D2 ρ ff 1 = ρ pD2 + Sb + S f + Sk D1x
ρ ff ≤ ρ f
显然： 使用试算法求解。 显然：式中包含有未知数 D1x，使用试算法求解。 Ρff1——井涌关井时表层套管鞋处承受的压力（以当量密度表示）， 井涌关井时表层套管鞋处承受的压力（ ），g/cm3； 井涌关井时表层套管鞋处承受的压力 以当量密度表示）， ρpD2——中间套管鞋处地层孔隙压力（以当量密度表示）， 中间套管鞋处地层孔隙压力（ ），g/cm3； 中间套管鞋处地层孔隙压力 以当量密度表示）， D2——中间套管下深，m； 中间套管下深， ； 中间套管下深 D1x——入深度的初始假定点深度，m； 入深度的初始假定点深度， 入深度的初始假定点深度
三、依据两条压力曲线进行设计
（一）井身结构设计内容
◆ ◆
套管层次和下入深度； 套管层次和下入深度； 井眼尺寸(钻头尺寸) 井眼尺寸(钻头尺寸)与套 管尺寸的配合。 管尺寸的配合。
井身结构设计是“钻井工程设计” 井身结构设计是“钻井工程设计” 的基础。 的基础。它不仅关系到钻井技术经 济指标和钻井工作的成效， 济指标和钻井工作的成效，也关系 到生产层的保护和产能的维持。 到生产层的保护和产能的维持。
pN + ρ fw Sb ρ pper = 0.00981Dmin
抽汲压力系数 深度为D 深度为 min处对应的地层压力当量密度 在压差允许值下最大地层压力当量密度
在压力曲线图上找出ρ 在压力曲线图上找出ρpper对应的深 度，即为中间套管下入深度。 即为中间套管下入深度。
（二）中间套管设计
3、计算并验证尾管的下入深度D31 (课本 、计算并验证尾管的下入深度 课本P253） 课本 ）
D2 Sk ρ ff 1 = ρ pD2 + Sb + S f + D1x
ρ ff ≤ ρ f
实例分析
例1．某井井深 ．某井井深H=4400m，地层孔隙压力梯度及破裂压力梯度剖 ， 面见图3-8-1-5。 。 面见图 设计给定： 设计给定： Sb=0.036g/cm3；Sg=0.04g/cm3； ； ； Sk=0.06g/cm3；Sf=0.03g/cm3； ； ； △PN=12MPa；△Pa=18MPa。 ； 。 油层套管采用139.7mm（51/2in）套管。 油层套管采用 （ ）套管。
当中间套管下入深度小于初始假定点时， 当中间套管下入深度小于初始假定点时，需 要下入尾管，并确定尾管的下入深度。 要下入尾管，并确定尾管的下入深度。 根据中间套管下入深度D 套管鞋处） 根据中间套管下入深度 2处（即：套管鞋处） 的地层破裂压力当量密度 ρfD2 ，由下式可求得允 许的最大地层压力当量密度： 许的最大地层压力当量密度：
N1t 1940
N1s 2245 E2-3a 2950
E1-2z 3570
D2Biblioteka K2d 3600 （未穿） 未穿）
D3
（二）中间套管设计
1、求初始下入深度的假定点 、
利用地层压力剖面图中最大地层压力梯度，计算： 利用地层压力剖面图中最大地层压力梯度，计算：钻进中不至于压 裂上部地层的当量密度 ρff （ρff 称为地层设计破裂压力当量密度）。 称为地层设计破裂压力当量密度 地层设计破裂压力当量密度）。
课本P253-254） （三）计算表层套管下入深度D1（课本 计算表层套管下入深度 ）
考虑井涌压井条件或探井设计时，用下述方法确定表层套管下深。 考虑井涌压井条件或探井设计时，用下述方法确定表层套管下深。 1）根据中间套管下入深度D2处（套管鞋处）的地层孔隙压力当量密度， ）根据中间套管下入深度 套管鞋处）的地层孔隙压力当量密度， 在给定井涌压井条件S 下初选一个表层套管下入深度 在给定井涌压井条件 k下初选一个表层套管下入深度D1，用下式计算井涌关 井时表层套管鞋处能承受的压力（ ），以当量 井时表层套管鞋处能承受的压力（或：地层设计破裂压力当量密度），以当量 密度表示： 密度表示：ρff1：
ρ ff = ρ pmax + Sb + Sg + S f
激动压力系数 抽汲压力系数 破裂压力安全增值
图中（裸眼段） 图中（裸眼段）最大地层压力对应的当量密度值
地层设计破裂压力当量密度
* 只有在确认不会发生溢流的情况下才会使用公式。 只有在确认不会发生溢流的情况下才会使用公式。
（二）中间套管设计
（a）在压力剖面图的横坐标上找 出地层设计破裂压力当量密度ρff ; 地层设计破裂压力当量密度ρ
ρ ff = ρ pmax + Sb + S f + (Dpmax D2x )Sk
由于（ 由于（2）式中包含有未知数 D2x，所以解这
ρ ff ≤ ρ f
个方程使用迭代（试算）法求解； 个方程使用迭代（试算）法求解；
（2） ）
Dpmax—裸眼段最大地层压力点对应的深度（m）； 裸眼段最大地层压力点对应的深度（ D2x—中间套管下入深度的初始假定点深度（m）； 中间套管下入深度的初始假定点深度（ Sk—井涌条件允许值（g/cm3）。 井涌条件允许值（
（二）中间套管设计
2、验证初始设计下入深度是否会发生卡钻 、
计算正常孔隙压力地层最大深度 计算正常孔隙压力地层最大深度Dmin处的钻井液柱压力与地层孔隙 正常孔隙压力地层最大深度D 压力的差值： 压力的差值：
p = 0.00981( ρ m ρ fw ) Dmin
（ 3）
（二）中间套管设计
当有可能发生压差卡钻时，用下式重新计算中间套管下入深度： 当有可能发生压差卡钻时，用下式重新计算中间套管下入深度：
完井工程
绪 论 第一章 完井工程的基础 课 程 内 容 及 课 时 分 布 第二章 套管柱及注水泥设计 第三章 完井液和完井方式 第四章 射孔 第五章 投产措施 第六章 完井管柱及井口装置 课程总结
第二章 套管柱及注水泥设计
第一节 井身结构设计 第二节 生产套管尺寸的确定 第三节 套管柱设计 第四节 注水泥技术 第五节 复杂类型井套管柱设计和注水泥技术简介
设计顺序： 由下向上、 设计顺序： 由下向上、由内向外进行逐层设计
四、依据两条压力曲线进行井身结构设计的具体方法
地层
Q 350
井身结构
◆
设计顺序： 由下向上、由内向外。 设计顺序： 由下向上、由内向外。 生产套管→技术套管→ 生产套管→技术套管→表层套管
N2d 940
N1t 1940
N1s 2245
ρ pper = ρ fD
2
D31 Sk Sb S f D2
（4） ）
式中:D 钻井尾管下入深度的假定点, 式中 31—钻井尾管下入深度的假定点 钻井尾管下入深度的假定点
），采用迭代方法进行计算 注：式（4）的计算方法同式（2），采用迭代方法进行计算。 ）的计算方法同式（ ），采用迭代方法进行计算。
ρ ff = ρ pmax + Sb + Sg + S f
ρ ff ≤ ρ f
（b）从该点向上引垂线与破裂 压力线相交， 压力线相交，交点所在的深度及为 中间套管下入深度的初始假定点 D21。
（二）中间套管设计
（2）发生溢流（井涌）时 发生溢流（井涌）
假设当钻至最大地层压力点对应深度 假设当钻至最大地层压力点对应深度（ Dpmax ）处时，发生一个大小为 S k 最大地层压力点对应深度（ 处时， 的溢流，此时需要停泵并关闭防喷器。若假设套管下深为D2x，同时考虑到地 的溢流，此时需要停泵并关闭防喷器。若假设套管下深为D 层破裂压力评价误差，容易导出此时地层设计破裂压力当量密度ρff : 地层设计破裂压力当量密度ρ 层破裂压力评价误差，容易导出此时地层设计破裂压力当量密度
技术套管
油层尾管
三、依据两条压力曲线进行设计
（二）井身结构设计的步骤 ① 绘制待钻井的压力梯度曲线图(两条 绘制待钻井的压力梯度曲线图( 关键曲线）； 关键曲线）； ② 确定待钻井的井身结构各设计系数； 确定待钻井的井身结构各设计系数； ③ 确定生产套管的下入深度； 确定生产套管的下入深度； ④ 确定中间套管或尾管的下入深度； 确定中间套管或尾管的下入深度； ⑤ 确定表层套管的下入深度； 确定表层套管的下入深度； ⑥ 确定各层套管的尺寸和套管外水泥的 返深及相应的钻头尺寸。 返深及相应的钻头尺寸。
第一节 井身结构设计
一、套管的类型（套管的层次） 套管的类型（套管的层次） 二、井身结构设计的原则 三、依据两条压力曲线进行设计 四、依据两条压力曲线进行井身结构设计的具体方法 五、套管尺寸和井眼尺寸的选择 六、水泥返深设计 七、现场井身结构设计方法 参考文献： 参考文献：SY/T5431-1996 井身结构设计
ρ ff ≤ ρ f
根据上式确定套管的最大下深。 根据上式确定套管的最大下深。
●
分两种情况计算ρ 分两种情况计算 ff ：
（1）正常作业（不会发生井涌）时 正常作业（不会发生井涌） （2）发生溢流（井涌）时 发生溢流（井涌）
（二）中间套管设计
（1）正常作业时（不会发生井涌时）： 正常作业时（不会发生井涌时）：
N1t 1940
N1s 2245 E2-3a 2950
E1-2z 3570
D2
K2d 3600 （未穿） 未穿）
D3
四、依据两条压力曲线进行井身结构设计的具体方法
（一）设计基本原理
钻下部井段的过程中， 钻下部井段的过程中，所预计的最大井内压力不至 于压裂本层套管鞋处的裸露地层。 于压裂本层套管鞋处的裸露地层。 假设三开井身结构，技套下深为 假设三开井身结构，技套下深为D2，则：
地层
Q 350
井身结构
N2d 940
N1t 1940
N1s 2245 E2-3a 2950
E1-2z 3570