煤层气井井身结构

第五节套管尺寸设计

套管尺寸及并眼(钻头)尺寸的选择和配合涉及到煤层气采集、勘探以及钻井工程的顺利进行和成本。

一、设计中考虑的因素

1)生产套管尺寸应满足煤层气采集方面要求。根据生产层的产能、套管大小、

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，是否要求并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。

二、套管下深设计

套管的层次应由下向上、由内向外，即：生产套管→技术套管→表层套管。生产套管是煤层气井套管程序里的最后一层套管，从井口一直下到穿过的煤层以下。作用是煤层气到地面的通道，把煤层气与全部地层隔绝，保证煤层气压力不泄漏。生产套管在井转入生产之后，其质量要保证能够维持一定的开采年限。生产套管与井壁之间间隙的水泥封堵高度，在煤气层以上至少500米，或直至上一层套管内200米。

技术套管又称中间套管，是套管程序罩中间一层或两层的套管。在井深较大，对井眼中间井段的易塌、易漏、高压、含盐等地层，起到隔离地层和保护井身的作用。技术套管与井壁间隙水泥封堵的高度，在被隔离的地层以上至少200米。

表层套管是井套管程序里最外层的套管。钻井开孔后钻到表土层以下的基岩，或钻达一定深度，下入表层套管。表层套管的作用有：①隔离上部含水层，不使地面水和表层地下水渗入井筒；②保护井口，加固表土层井段的井壁；③对于继续钻下去会遇到高压油气层的，在表层套管上安装防喷器预防井喷。表层套管与井壁之间的间隙全部要用水泥封堵，即固井注水泥时，水泥浆需返出井口，

才能起到隔离地层和保护井壁的作用。表层套管的深度，最少100米。

确定套管下入深度的依据，是在钻下部井段的过程中所预计的最大井内压力不至于压裂上层套管鞋处的裸露地层。如果不计生产产层的话，一般地层越深的话，压实越密，如果不是裂缝性地层，都会越致密，所以越往上越弱了，一直到套管鞋。所以套管鞋处地层最容易压破，以此来确定套管下入深度。

假设三开井身结构，技套下深为D2，如图4-5-1则：

1）当钻达D2之前，从表套套管鞋到钻头所在位置都是裸眼，薄弱地层是表套套管鞋。这里的设计重点应该是进行二开钻进时不要压破表套套管鞋处地层。决定表套是否被压破取决于钻进D1 ～D2井段时井内最大压力（或最大当量泥浆密度）;

2）当钻达D2之后，再进行钻进，实际上是进行三开钻进，D2之上地层都已经用套管封隔，薄弱地层是技套套管鞋。这里的设计重点应该是进行三开钻进时不要压破技套套管鞋处地层。所以对技套下入深度有影响的井段为D2 ～D3。

中间套管设计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ρ

ff （ρ

ff

称为地层设计破裂压力当量密度）。

f

ffρ

ρ≤

根据上式确定中间套管最大下深。

ρff的确定分正常作业（不会发生井涌）时和发生溢流（井涌）时两种情况：1）正常作业时（不会发生井涌时）：

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ρ

ff ;

f g b p ff S S S +++=m ax ρρ

f ff ρρ≤

式中：max p ρ——图中（裸眼段）最大地层压力对应的当量密度值； S b ——激动压力系数；

S g ——抽汲压力系数；

S f ——破裂压力安全增值。

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 ，从该点向上引

垂线与破裂压力线相交，交点所在的深度及为中间套管下入深度初始假定点D 21。

2）发生溢流（井涌）时：

假设当钻至最大地层压力点对应深度（ D pmax ）处时，发生一个大小为 的溢流，此时需要停泵并关闭防喷器。若假设套管下深为D 2x ，同时考虑到地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 :

k x p g b p ff S D D S S ⎪⎪⎭⎫ ⎝

⎛+++=2max max ρρ f ff ρρ≤

式中：D pmax ——裸眼段最大地层压力点对应的深度；

D 2x ——中间套管下入深度的初始假定点深度；

S k ——井涌条件允许值。

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。根据中间套管下入深度D 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：

k f b fD pper S D D S S 2312---=ρρ

式中:D 31—钻井尾管下入深度的假定点。

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，在给定井涌压井条件Sk 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（或：地层设计破裂压力当量密度），以当量密度表示：ρff1：

k x f b fD

pper S D D S S 122+++=ρρ 式中：Ρ

ff1——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）； D 2——中间套管下深；

D 1x ——入深度的初始假定点深度。

若计算结果ρff1值小于D 2处的地层破裂压力当量密度0.024～0.048 g/cm3

时，符合要求，该深度即为表层套管下入深度。否则，应该加深表层套管深度再进行试算。

三、套管直径与井眼尺寸配合

在套管的层次和各层的下入深度确定之后，那么相应的套管的尺寸和井眼直径也就同时确定了 。确定套管尺寸的原则：一般的是由内向外、由下向上。生产套管→井眼尺寸→中间套管尺寸→井眼尺寸→…→表层套管尺寸→表套井眼尺寸→…→导管尺寸。

套管与井眼之间有一定的间隙Δ，Δ太大不经济；Δ太小导致下套困难及注水泥后水泥过早脱水形成水泥桥。

()mm min 7.125.9、∈∆

或者

in min ⎪⎭

⎫ ⎝⎛∈∆2183， 最佳为3/4in.

套管及井眼尺寸标准组合如图：