井身结构设计

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
fD
PH2
Sw
Sf
H2 H1
Sk
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。
H1
Pf Pp
H2 H3
fH 2
井身结构设计的方法及步骤
（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
2．工程数据
（2）激动压力系数Sg，以当量钻井液密度表示，单位g/cm3。 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，我国中原油田Sg=0.015~0.049。
（3）地层压裂安全增值Sf，以当量钻井液密度表示，单位 g/cm3。
Sf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。
套管尺寸与井眼尺寸选择及配合
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。
（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
喷器，立管压力读数为Psd
Psd 0.00981 Sk H
关井后井内有效液柱压力平衡方程为PmE=Pm+Psd
0.00981 mE H 0.00981 H ( P Sw ) 0.00981 Sk H x
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
0.0981Pm
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
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。
考虑到井壁的稳定，还应补充一个与时间有关的不等式： Gm (t) Gt (t) 能满足以上二不等式的同一井段，则该井段截面间不需要套管封隔。反之，
则需要用套管封隔。
式中：Pf——地层破裂压力； PmE——钻井液有效液柱压力；PP——地 层压力。Gt（t）——该截面岩层的坍塌压力梯度； Gm（t）——该截 面钻井液有效压力梯度。
井身结构设计的任务和原则
主要任务：
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。
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。
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H3。
H1
Pf
Pp
H2
H3
fH 2
井身结构设计的方法及步骤
（3）验证中间套管下入深度H3是否有卡套管危险。采用 PmPPmin PN
P 0.00981 (m P )H N
Sk
f min
工程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 下套管中，钻井液密度为（P+Sw），当套管柱进入低压力 井段会有压差粘附卡套管的可能，故应限制压差值。限制 压差值在正常压力井段为PN，异常压力地层为Pa。即 Pm-PPmin PN（或 Pa） 在井身结构设计中，由前述设计出该层套管必封点深度后， 一般用上式来校核是否能安全下到必封点位置。
井身结构设计的方法及步骤
（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
P max [ f min (Sw S g S f )]（正常作业）
Pmax Sw
Sf
Hx H
Sk
f min（溢流工况）
（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。
fD P max S w S g S f
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+Sw）
钻井液密度钻井时，H3与H2的安全钻井问题。
一般情况下，中间尾管下至H3即可。当然也
可根据中间套管鞋处（H2）的地层破裂压力
H1
梯度，下推尾管的最大可下深度 ：
fH2—中间套管鞋fH2 处 (的SW 地 S层g 破S裂f ) 压力P 梯度， g/cm3；
井身结构设计的方法及步骤
a.应用以下公式重新计算中间套管下入 深度
0.00981 (m P )H N PN （或Pa）
m 是 在 深 度 HN， 允 许 压 差 值 PN（ 或 Pa）时采用的钻井液密度。（m-Sw） =最大允许地层压力。在压力剖面图
上找到（m-Sw）值，引垂线与地层 压力梯度线相交，交点即为新计算
mE
P
Sw
Hx H
Sk
Psd—— 立 管 压 力 ， Mpa； Hx—— 出 现溢 流 的 井 深 ， m
裸露井深区间内地层破裂强度（地层破裂压力）均应承受这 时井内液柱的有效液柱压力，考虑地层破裂安全系数Sf，
f min
P
Sw S f
Hx H
SK
Pmax Sw S f
Hx H
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）。
式中m——钻井深度H3时采用的钻井液密度，g/cm3； P——H3以下裸眼井段最小或正常地层压力梯度当量密度，g/cm3； HN——最深正常地层压力或最小地层压力深度，m。 若PPN（或Pa），则假定深度H3为中间套管下入深度。 若P>PN（或Pa），则中间套管下至H3过程中有被卡危险。在
这种情况下可采取以下方法解决：
剖面的线性插值
地层压力和地层破裂压力的数据一般是离散的，是由若干个压 力梯度和深度数据的离散点构成。为了求得连续的地层压力和 地层破裂压力梯度剖面，拟合曲线是不适用的，但可依靠线性 插值的方法。在线性插值中，认为离散的两邻点间压力梯度变 化规律为一直线。
对任意深度H求线性插值的步骤：
设自上而下顺序为i的点具有深度为Hi，地层压力梯度为GPi， 地层破裂压力梯度为Gfi，而其上部相邻点的序号为i-1，相邻 的地层压力梯度为GPi-1，地层破裂压力梯度为Gfi-1，则在深度 区间Hi~Hi-1内任意深度H有：
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
导管
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）， 表层套管 油层套管。表层套管，中间套管， 技术套管 油层套管，一般按 （339.7244.5177.8139.7mm(13 3/8 9 5/8 7 5 ½ in)系列 油层套管 进行设计。
2．工程数据
（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。
m Pmax Sw
mE P max Sw Sg
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
P max S w S g S f f min
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）
工程约束条件下必封点深度的确定
法与步骤3相同。 b.校核在给定Sk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
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
的中间套管下入深度，记为H2。
Pp
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。
H1
Pf H2 H3
fH 2
井身结构设计的方法及步骤
（4）计算钻井（或中间）尾管的最大下入深度
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。
套管尺寸与井眼尺寸选择及配合
2．套管和井眼尺寸的选择和确定方法 （1）确定井身结构尺寸一般由内向外依次进行，首先确
Pf
Pp
H2
P—中间尾管最大可下深度处地层压力 梯,g/cm3。
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H3。
H3
fHwk.baidu.com2
井身结构设计的方法及步骤
（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Sk的溢流条件，用试算 法计算表层套管的下入深度。即
层，以及目前钻井工艺技术难于解决的其它层段，只要裸露段中出现 了这一类必封点，则这些井段是应考虑的必封井段的顶界。
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）
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m应大或等于该井段最大地层压力梯度当量密度Pmax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Sw之和，以防止起钻中抽汲造成 溢流。即：
井身结构设计的基础参数
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 （1）抽汲压力系数Sw，以当量钻井液密度表示；单位g/cm3 ：
如 美 国 墨 西 湾 地 区 采 用 Sw=0.06。 我 国 中 原 油 田 Sw=0.015~0.049。
GP
H Hi
H i1 H i1
(GPi
GPi1)
GPi1
Gf
H H i1 H i H i1
(G fi
G fi1 ) G fi1
井身结构设计原理—必封点深度的确定
必封点深度把裸露井眼中满足压力不等式：
Pf PmE PP
条件的极限长度井段定义为可行裸露段。可行裸露段的 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。