井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的任務(wù)和原則,主要任務(wù)：確定套管的下入層次、下入深度、水泥漿返深、水泥環(huán)厚度、生產(chǎn)套管尺寸及鉆頭尺寸。主要原則：1能有效地保護(hù)儲(chǔ)集層；2避免產(chǎn)生井漏、井塌、卡鉆等井下復(fù)雜情況和事故。為安全、優(yōu)質(zhì)、高速和經(jīng)濟(jì)鉆井創(chuàng)造條件；3當(dāng)實(shí)際地層壓力超過預(yù)測(cè)值發(fā)生溢流時(shí)，在一定范圍內(nèi)，具有處理溢流的能力。,套管,井壁,水泥環(huán),井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的內(nèi)容：確定套管的下入層次下入深度水泥漿返深水泥環(huán)厚度鉆頭尺寸,井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理,1三個(gè)壓力的相互關(guān)系：地層井內(nèi)壓力體系在裸眼井段中存在著地層壓力、地層破裂壓力和井內(nèi)鉆井液有效液柱壓力這三個(gè)相關(guān)的壓力、地層井內(nèi)壓力系統(tǒng)必須滿足以下條件：裸眼井內(nèi)鉆井液有效液柱壓力必須大于或等于地層壓力，防止井噴，但又必須小于等于地層破裂壓力，防止壓裂地層發(fā)生井漏?？紤]到井壁的穩(wěn)定，還應(yīng)補(bǔ)充一個(gè)與時(shí)間有關(guān)的不等式：能滿足以上二不等式的同一井段，則該井段截面間不需要套管封隔。反之，則需要用套管封隔。式中：Pf地層破裂壓力；PmE鉆井液有效液柱壓力；PP地層壓力。Gt（t）該截面巖層的坍塌壓力梯度；Gm（t）該截面鉆井液有效壓力梯度。,井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理液體壓力體系的當(dāng)量梯度分布,非密封液柱體系的壓力分布和當(dāng)量梯度分布,密封液柱體系的壓力分布和當(dāng)量梯度分布,井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理地層壓力和地層破裂壓力剖面的線性插值,地層壓力和地層破裂壓力的數(shù)據(jù)一般是離散的，是由若干個(gè)壓力梯度和深度數(shù)據(jù)的離散點(diǎn)構(gòu)成。為了求得連續(xù)的地層壓力和地層破裂壓力梯度剖面，擬合曲線是不適用的，但可依靠線性插值的方法。在線性插值中，認(rèn)為離散的兩鄰點(diǎn)間壓力梯度變化規(guī)律為一直線。對(duì)任意深度H求線性插值的步驟：設(shè)自上而下順序?yàn)閕的點(diǎn)具有深度為Hi，地層壓力梯度為GPi，地層破裂壓力梯度為Gfi，而其上部相鄰點(diǎn)的序號(hào)為i-1，相鄰的地層壓力梯度為GPi-1，地層破裂壓力梯度為Gfi-1，則在深度區(qū)間HiHi-1內(nèi)任意深度H有：,井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理必封點(diǎn)深度的確定,必封點(diǎn)深度把裸露井眼中滿足壓力不等式：條件的極限長(zhǎng)度井段定義為可行裸露段。可行裸露段的長(zhǎng)度是由工程和地質(zhì)條件決定的井深區(qū)間，其頂界是上一層套管的必封點(diǎn)，底界為該層套管的必封點(diǎn)深度。,井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理必封點(diǎn)深度的確定,1工程約束條件下必封點(diǎn)深度的確定（1）正常作業(yè)工況（起下鉆、鉆進(jìn)）（2）出現(xiàn)溢流約束條件下必封點(diǎn)深度的確定（3）壓差卡鉆約束條件下必封點(diǎn)深度的確定2目的層是裸露段的底界，油層套管的下深根據(jù)完井方法不同而定。3對(duì)于地質(zhì)復(fù)雜層（如坍塌層，鹽膏層，漏失層等），水層，非目的油氣層，以及目前鉆井工藝技術(shù)難于解決的其它層段，只要裸露段中出現(xiàn)了這一類必封點(diǎn)，則這些井段是應(yīng)考慮的必封井段的頂界。,工程約束條件下必封點(diǎn)深度的確定,（1）正常作業(yè)工況（起下鉆、鉆進(jìn)）在滿足近平衡壓力鉆井條件下，某一層套管井段鉆進(jìn)中所用最大鉆井液密度m應(yīng)大或等于該井段最大地層壓力梯度當(dāng)量密度Pmax與該井深區(qū)間鉆進(jìn)中可能產(chǎn)生的最大抽汲壓力梯度當(dāng)量密度Sw之和，以防止起鉆中抽汲造成溢流。即：,下鉆中使用這一鉆井液密度，在井內(nèi)將產(chǎn)生一定的激動(dòng)壓力Sg,考慮地層破裂壓力檢測(cè)誤差，給予一個(gè)安全系數(shù)Sf。則該層套管可行裸露段底界（或該層套管必封點(diǎn)深度）,工程約束條件下必封點(diǎn)深度的確定,（2）出現(xiàn)溢流約束條件下必封點(diǎn)深度的確定正常鉆井時(shí)，按近平衡壓力鉆井設(shè)計(jì)鉆井液密度為鉆至某一井深Hx時(shí)，發(fā)生一個(gè)大小為Sk的溢流，停泵關(guān)閉防噴器，立管壓力讀數(shù)為Psd關(guān)井后井內(nèi)有效液柱壓力平衡方程為PmE=Pm+Psd,Psd立管壓力，Mpa；Hx出現(xiàn)溢流的井深，m,裸露井深區(qū)間內(nèi)地層破裂強(qiáng)度（地層破裂壓力）均應(yīng)承受這時(shí)井內(nèi)液柱的有效液柱壓力，考慮地層破裂安全系數(shù)Sf，,工程約束條件下必封點(diǎn)深度的確定,（3）壓差卡鉆約束條件下必封點(diǎn)深度的確定下套管中，鉆井液密度為（P+Sw），當(dāng)套管柱進(jìn)入低壓力井段會(huì)有壓差粘附卡套管的可能，故應(yīng)限制壓差值。限制壓差值在正常壓力井段為PN，異常壓力地層為Pa。即Pm-PPminPN（或Pa）在井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，由前述設(shè)計(jì)出該層套管必封點(diǎn)深度后，一般用上式來校核是否能安全下到必封點(diǎn)位置。,井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)參數(shù),井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)參數(shù)包括地質(zhì)方面的數(shù)據(jù)和工程等數(shù)據(jù)1地質(zhì)方面數(shù)據(jù)（1）巖性剖面及故障提示；（2）地層壓力梯度剖面；（3）地層破裂壓力梯度剖面。2工程數(shù)據(jù)（1）抽汲壓力系數(shù)Sw，以當(dāng)量鉆井液密度表示；單位g/cm3：如美國(guó)墨西灣地區(qū)采用Sw=0.06。我國(guó)中原油田Sw=0.0150.049。,（2）激動(dòng)壓力系數(shù)Sg，以當(dāng)量鉆井液密度表示，單位g/cm3。Sg由計(jì)算的激動(dòng)壓力用（2-58）進(jìn)行計(jì)算，美國(guó)墨西灣地區(qū)取Sg=0.06，我國(guó)中原油田Sg=0.0150.049。（3）地層壓裂安全增值Sf，以當(dāng)量鉆井液密度表示，單位g/cm3。Sf是考慮地層破裂壓力檢測(cè)誤差而附加的，此值與地層破裂壓力檢測(cè)精度有關(guān)，可由地區(qū)統(tǒng)計(jì)資料確定。美國(guó)油田Sf取值0.024，我國(guó)中原油田取值為0.020.03。,2工程數(shù)據(jù),（4）溢流條件Sk以當(dāng)量鉆井液密度表示，單位g/cm3。由于地層壓力檢測(cè)誤差，溢流壓井時(shí)，限定地層壓力增加值Sk。此值由地區(qū)壓力檢測(cè)精度和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)確定。美國(guó)油田一般取Sk=0.06。我國(guó)中原油田取值為0.050.10。（5）壓差允值PN（Pa）裸眼中，鉆井液柱壓力與地層孔隙壓力的差值過大，除使機(jī)械鉆速降低外，而且也是造成壓差卡鉆的直接原因，這會(huì)使下套管過程中，發(fā)生卡套管事故，使已鉆成的井眼無法進(jìn)行固井和完井工作。壓差允值和工藝技術(shù)有很大關(guān)系。壓差允值的確定，各油田可以從卡鉆資料中（卡點(diǎn)深度，當(dāng)時(shí)鉆井液密度、卡點(diǎn)地層孔隙壓力等）反算出當(dāng)時(shí)的壓差值。再由大量的壓差值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得出該地區(qū)適合的壓差允值。,2工程數(shù)據(jù),井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法及步驟,1套管層次和套管柱類型國(guó)內(nèi)油田套管下入層次為：導(dǎo)管，表層套管，中間套管（或技術(shù)套管），油層套管。表層套管，中間套管，油層套管，一般按（339.7244.5177.8139.7mm(133/895/875in)系列進(jìn)行設(shè)計(jì)。,導(dǎo)管,表層套管,技術(shù)套管,油層套管,井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法及步驟,（1）根據(jù)區(qū)域地質(zhì)情況，確定按正常作業(yè)工況或溢流工況選擇（2）利用壓力剖面圖中最大地層壓力梯度求中間套管下入深度假定點(diǎn)。自橫坐標(biāo)上找到設(shè)計(jì)的地層破裂壓力梯度fD，向下引垂直線與地層破裂壓力梯度線相交，交點(diǎn)即為中間套管下入深度假定點(diǎn)，記點(diǎn)H3。,（正常作業(yè)）,（溢流工況）,井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法及步驟,（3）驗(yàn)證中間套管下入深度H3是否有卡套管危險(xiǎn)。采用Pm-PPminPN式中m鉆井深度H3時(shí)采用的鉆井液密度，g/cm3；PH3以下裸眼井段最小或正常地層壓力梯度當(dāng)量密度，g/cm3；HN最深正常地層壓力或最小地層壓力深度，m。若PPN（或Pa），則假定深度H3為中間套管下入深度。若PPN（或Pa），則中間套管下至H3過程中有被卡危險(xiǎn)。在這種情況下可采取以下方法解決：,井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法及步驟,a.應(yīng)用以下公式重新計(jì)算中間套管下入深度（或Pa）m是在深度HN，允許壓差值PN（或Pa）時(shí)采用的鉆井液密度。（m-Sw）=最大允許地層壓力。在壓力剖面圖上找到（m-Sw）值，引垂線與地層壓力梯度線相交，交點(diǎn)即為新計(jì)算的中間套管下入深度，記為H2。b.應(yīng)用方法a，往往需多下一層套管或尾管，為了避免這種情況，鉆井工程師可根據(jù)所在區(qū)域鉆井工藝技術(shù)水平，鉆井液體系和性能，從工藝、防卡液上解決中間套管下入到H3的卡鉆危險(xiǎn)。,井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法及步驟,（4）計(jì)算鉆井（或中間）尾管的最大下入深度在上步中，若按方法a解決壓差卡鉆危險(xiǎn)，則還需下一段中間尾管以滿足采用（Pmax+Sw）鉆井液密度鉆井時(shí)，H3與H2的安全鉆井問題。一般情況下，中間尾管下至H3即可。當(dāng)然也可根據(jù)中間套管鞋處（H2）的地層破裂壓力梯度，下推尾管的最大可下深度：fH2中間套管鞋處的地層破裂壓力梯度，g/cm3；P中間尾管最大可下深度處地層壓力梯,g/cm3。在壓力梯度剖面圖橫坐標(biāo)上找到P，從P引垂線與地層壓力梯度線相交，交點(diǎn)即為中間尾管的最大下入深度H3。,井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法及步驟,（5）計(jì)算表層套管下入深度H1根據(jù)中間套管鞋處地層壓力梯度PH2，在給事實(shí)上Sk的溢流條件，用試算法計(jì)算表層套管的下入深度。即式中fD設(shè)計(jì)地層破裂壓力梯度，其工程意義為溢流壓井時(shí)，表層套管鞋處承受的有效液柱壓力梯度的當(dāng)量密度。試算中，當(dāng)fH1-fD(00.024)，即符合設(shè)計(jì)要求。,井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法及步驟,（6）進(jìn)一步校核中間尾管a.校核中間尾管下入最大深度時(shí)，是否有卡套管危險(xiǎn)。校核方法與步驟3相同。b.校核在給定Sk溢流條件下壓井時(shí)，中間套管鞋處是否有被壓裂的危險(xiǎn)。校核方法同步驟5。（7）油層套管下入目的層中，應(yīng)進(jìn)行壓差卡鉆和溢流條件校核。,套管尺寸與井眼尺寸選擇及配合,1設(shè)計(jì)中考慮的因素（1）生產(chǎn)套管尺寸應(yīng)滿足采油方面要求。根據(jù)生產(chǎn)層的產(chǎn)能、油管大小、增產(chǎn)措施及井下作業(yè)等要求來確定。（2）對(duì)于探井，要考慮原設(shè)計(jì)井深是否要加深，地質(zhì)上的變化會(huì)使原來的預(yù)告難于準(zhǔn)確，是否要求井眼尺寸上留有余量以便增下中間套管，以及對(duì)巖心尺寸要求等。(3)要考慮到工藝水平，如井眼情況、曲率大小、井斜角以及地質(zhì)復(fù)雜情況帶來的問題。并應(yīng)考慮管材、鉆頭等庫(kù)存規(guī)格的限制。,套管尺寸與井眼尺寸選擇及配合,2套管和井眼尺寸的選擇和確定方法（1）確定井身結(jié)構(gòu)尺寸一般由內(nèi)向外依次進(jìn)行，首先確定生產(chǎn)套管尺寸，再確定下入生產(chǎn)套管的井眼尺寸，然后確定中間套管尺寸等，依此類推，直到表層套管的井眼尺寸，最后確定導(dǎo)管尺寸。（2）生產(chǎn)套管根據(jù)采油方面要求來定。勘探井則按照勘探方面要求來定。（3）套管與井眼之間有一定間隙，間隙過大則不經(jīng)濟(jì)，過小會(huì)導(dǎo)致下套管困難及注水泥后水泥過早脫水形成水泥橋。間隙值一般最小在9.512.7mm(3/81/2in)范圍，最好為19mm（3/4in）。,套管尺寸與井眼尺寸選擇及配合,3套管及井眼尺寸標(biāo)準(zhǔn)組合目前國(guó)內(nèi)外所生產(chǎn)的套管尺寸及鉆頭及尺寸已標(biāo)準(zhǔn)系列化。套管與其相應(yīng)井眼的尺寸配合基本確定或在較小范圍內(nèi)變化。,井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)例計(jì)算分析,例1某井設(shè)計(jì)井深4873m，其地層壓力梯度和地層破裂壓力梯度剖面圖如圖2-11示。該井無地質(zhì)復(fù)雜層。設(shè)計(jì)系數(shù)取以下值：Sw=0.036g/cm3Sg=0.036g/cm3Sf=0.024g/cm3Sk=0.060g/cm3Pn=16.56MPaPa=21.36MPa,1450m,3826m,4146m,實(shí)例計(jì)算分析例1,（1）求中間套管下入深度假定點(diǎn)根據(jù)鉆遇最大地層壓力求設(shè)計(jì)破裂壓力梯度。鉆遇最大地層壓力梯度=2.113g/cm3考慮抽汲壓力Sw=0.036g/cm3采用最小鉆井液密度mmi=2.149g/cm3考慮鉆柱下放、壓力激動(dòng)Sg=0.036g/cm3最小設(shè)計(jì)破裂壓力梯度fDmin=2.185g/cm3考慮安全因素Sf=0.024g/cm3設(shè)計(jì)地層破裂壓力梯度fD=2.209g/cm3從壓力剖面圖橫坐標(biāo)上2.209處下引垂直線，垂直線與地層破裂壓力梯度曲線相效，交點(diǎn)H3的相應(yīng)井深4146m為中間套管下入深度假定點(diǎn)，該深度地層壓力梯度為1.74g/cm3。,實(shí)例計(jì)算分析例1,（2）驗(yàn)證中間套管下入4146m深度是否有卡套管的危險(xiǎn)其中m=PH2+Sw(PH2即4146m井深地層壓力梯度)，PH2=1.74（g/cm3）1.74+0.036=1.776g/cm3。HN=3384m（查壓力剖面圖正常地層壓力最大井深），代入上式=23.08MPa因?yàn)?3.0816.56所以中間套管下入井深4146m有卡套管的危險(xiǎn)，中間套管下入井深應(yīng)當(dāng)減小。,1450m,3826m,4146m,HN=3384m,實(shí)例計(jì)算分析例1,求在允許壓力差16.56MPa的條件下，中間套管下入深度H2HN=3384mm-Sw=中間套管下入深度處的地層壓力梯度1.579-0.036=1.543g/cm3從壓力剖面圖上查出地層壓力梯度為1.543g/cm3時(shí)，相應(yīng)井深3826m，故中間套管下入深度為3826m。,1450m,3826m,4146m,實(shí)例計(jì)算分析例1,（3）計(jì)算中間尾管最大下入深度H34146m-3826m=320m校核尾管下入4146m井深壓差卡鉆可能性。鉆井尾管下入4146m時(shí)采用的鉆井液密度=4146m處地層壓力梯度+Sw=1.74+0.036=1.776g/cm3P=0.00981(1.776-1.543)3826=8.745MPa因?yàn)?.74521.36，下入中間尾管時(shí)不會(huì)卡尾管。,1450m,3826m,4146m,校核鉆井至4146m時(shí)，如果產(chǎn)生溢流，給定0.060g/cm3溢流條件，壓井時(shí)中間套管鞋3826m處是否會(huì)被壓裂，產(chǎn)生地下井噴危險(xiǎn)。中間尾管井深4146m處地層壓力梯度=1.74g/cm3=1.865g/cm3井深3826m處地層強(qiáng)度（地層破裂壓力梯度）=2.172g/cm3。因?yàn)?.865fD1450，且相近，所以表層套管下入深度H1=1450m，滿足設(shè)計(jì)要求。,1450m,3826m,4146m,實(shí)例計(jì)算分析例1,（5）油層套管下入4878m深度是否有卡套管的危險(xiǎn)P=0.00981（2.113+0.036-1.74）4146=16.635MPa因?yàn)?6.63521.36，油層套管下入4878m不會(huì)卡套管。這樣，該井設(shè)計(jì)的套管程序如表,1450m,3826m,4146m,1450m,3826m,4146m,實(shí)例計(jì)算分析例2,例2某井設(shè)計(jì)井深3500m，表2-4為該井地層巖性剖面、地層壓力梯度和地層破裂壓力梯度及各層段地質(zhì)復(fù)雜提示數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)系數(shù)為：Sw=0.016g/cm3，Sg=0.09g/cm3，Sf=0.02g/cm3，PN=15MPa，Pa=20MPa。該區(qū)為非高壓氣區(qū)，不考慮溢流條件，確定該井井身結(jié)構(gòu)。,（1）由地層壓力、地層破裂壓力數(shù)據(jù)及相應(yīng)的井段，根據(jù)線性插值作出壓力梯度剖面圖,當(dāng)量密度g/cm3,設(shè)計(jì)破裂壓力梯度,地層破裂壓力梯度,地層壓力梯度,137.9mm,444.5mm,215.9mm,（2）由圖及給定的設(shè)計(jì)系數(shù)確定中間套的下入深度,（3）地層破裂壓力梯度剖面上的兩個(gè)奇異點(diǎn)（D層底部礫石及DE層界面漏失，EF層界面漏失），按可堵漏成功和堵漏成功率低，且耗費(fèi)大兩種情況考慮。若按可堵漏成功率條件時(shí)，設(shè)計(jì)地層破裂壓力梯度時(shí)，不考慮兩個(gè)奇異點(diǎn)的影響，且該區(qū)為非高壓油氣區(qū)，由（4-8）式計(jì)算設(shè)計(jì)地層破裂壓力梯度當(dāng)量密度，即fD=1.23+0.016+0.09+0.02=1.36g/cm3在上圖中可求得fD與地層破裂壓力梯度線的交點(diǎn)。從圖中可知設(shè)計(jì)地層破裂壓力梯度線都落入地層破裂壓力梯度線內(nèi)（除B點(diǎn)以上井段及兩個(gè)奇異點(diǎn)外），因此中間套管下深只在井深500m內(nèi)，只要表層套管下深即可代替中間套管。上面的設(shè)計(jì)只滿足了考慮兩個(gè)奇異點(diǎn)能有效被封堵的條件下，按兩條壓力梯度剖面確定的中間套管必封點(diǎn)井深的要求，下面再詳細(xì)分析兩上奇異點(diǎn)（地質(zhì)復(fù)雜點(diǎn)）是否必封的情況。,實(shí)例計(jì)算分析例2,根據(jù)表提供的地質(zhì)復(fù)雜，即DE，EF層界面漏失壓力，井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還必須滿足地質(zhì)復(fù)雜必封點(diǎn)。對(duì)于地質(zhì)復(fù)雜必封點(diǎn)（或段）是否一定要下套管封隔，這可由目前的鉆井工藝技術(shù)水平、鉆井液工藝技術(shù)、堵漏防塌工藝水平及鄰井鉆井情況、在不下中間套管封固DE、EF層界面漏失的條件下，是否能安全、優(yōu)質(zhì)、高速和經(jīng)濟(jì)地鉆達(dá)設(shè)計(jì)井深等來決定。,實(shí)例計(jì)算分析例2,分析：圖可知DE層界面漏失壓力梯度當(dāng)量密度為1.151.20g/cm3，EF為1.181.20g/cm3。而F以上諸層地層壓力梯度當(dāng)量密度最大為1.10g/cm3，設(shè)計(jì)鉆井液密度一般在1.051.15g/cm3。因此，在F以上地層鉆井中，嚴(yán)格控制壓力激動(dòng)和鉆井措施合理，DF及EF的漏失是可控制的。但進(jìn)入F底部以下地層，鉆井液密度在1.30g/cm3左右，若DE，EF層界面漏失而堵漏不嚴(yán)，又不下中間套管封隔DE，EF漏失層，則DE，EF難于承受井內(nèi)液柱壓力而發(fā)生漏失。在這種情況下，是否必須下中間套管封隔，或采取鉆完DE，EF，當(dāng)鉆井液密度大于1.20g/cm3后，出現(xiàn)井漏，采取強(qiáng)有力的堵漏方法，封堵死漏層后，不下中間套管。這兩種方法那種更好，鉆井工程師仔細(xì)計(jì)算兩種方案的經(jīng)濟(jì)得失，方可最后確定該井的井身結(jié)構(gòu)。,實(shí)例計(jì)算分析例2,因此本井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可按以下