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亍>p>p （1—1）式中pf一地层的破裂压力，MPa；Pm一钻井液的液柱压力，MPa；pp一地层孔隙压力，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：G>气>Gp （1—2）式中G,一破裂压力梯度，MPa/m；Gm一液柱压力梯度，MPa/m；Gp一孔隙压力梯度，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（七与%）各油田应根据各自的情况来确定。（2） 地层压裂安全增值（Sf）。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/cm3。美国现场将S取值为0.024，中原油田取值为0.03。f（3） 井涌条件允许值（S）。此值是衡量井涌的大小，用泥浆等效密度差表示（用k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Sk值定为0.06~0.14。（4）压差允值（△七与AP）o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。压差允值和工艺技术有很大关系。如使用优质的具有良好润滑性能的泥浆体系，则压差允值可以提高，压差允值也与裸眼井段的孔隙压力大小有关。若在正常压力井段，为钻开下部高压层需要使用加重泥浆，则压差卡钻易发生在正常压力井段的较深部位（即易发生在靠近压力过渡带的正常孔隙压力地层）。若在异常高压井段，刚易卡部位发生在最小孔隙压力点，故压差允值有正常压力井段（△〃.）与异常压力井段（Apa）之分。一般Ap^值大于ApN值。如美国现场对Apn取值为16.66MPa，对Ap.取值为21.66MPa。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。二、井身结构设计方法和步骤（一）钻井液压力体系最大泥浆密度Pmax某一套管的钻井井段中所用的最大泥浆密度和该井段中的最大地层压力有关。即：Pmax"pmax+S HF式中Pmax一某层套管钻井井段中所用最大泥浆密度，kg/m3；Ppma=该井段中的最大地层孔隙压力梯度等效密度，kg/m3；Sb一抽吸压力允许值的当量密度，kg/m3o最大井内压力梯度P々B为了避免将井段内的地层压裂，应求得最大井内压力梯度。在正常作业时和井涌压井时，井内压力梯度有所不同。最大井内压力梯度发生在下放钻柱时，由于产生激动压力而使井内压力升高。如增高值为Sg，刚最大井内压力梯度PBr为：(1—4)PBr=P+S(1—4)max发生井涌情况为了平衡地层孔隙压力制止井涌而压井时，也将产生最大井内压力梯度。压井时井内压力增高值以等效密度表示为Sk，刚最大井内压力梯度等效密度pBk为：pBk=p +Sk (1—5)但式(1—5)只适用于发生井涌时最大地层孔隙压力所在井深Hpmax的井底处。而对于深为H处，则：nTOC\o"1-5"\h\zpBk=p+—pamax•S (1—6)maxH k由上式可见，当气值小时pBk值大，即压力梯度大，反之当气值大时pBk小。，为了确保上一层套管鞋处裸露地层不被压裂，则应有：pBr=pf-Sf (1-7)或 pBk-pf-S§式中pf一为上一层套管鞋处薄弱地层破裂压力等效密度值，kg/m3；Sf一地层压裂安全增值，kg/m3。四、井身结构设计方法与步骤(一)套管层次与深度的确定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。在这一裸眼井段中，应使钻进过程中及井涌压井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。设计时由下而上逐层确定下入深度。油层套管的下入深度主要决定于完井方法和油气层的位置。因此设计的步骤是由中间套管开始。1.各层套管下入深度初选点七的确定套管下入深度的依据是，其下部井段钻进过程中预计的最大井内压力梯度不致使套管鞋处裸露地层被压裂。根据最大井内压力梯度可求得上部地层不致被压裂所应有的地层破裂压力梯度pfnr。正常作业下钻时，由式(1—3)，(1—4)(1-7)，有：pfnr=p +S+S+S (1—8)式中 pfn—第n层套管以下井段下钻时，在最大井内压力梯度作用下，上部裸露地层不被压裂所应有的地层破裂压力梯度，kg/m3;Ppmax—第n层管以下井段预计最大地层隙压力等效密度，kg/m3。发生井涌情况时，由式(1—3)(1—6),(1-7),有：Pfnk=p+S+S+—pjm^x•S (1—9)pmaxbgH k式中Pfnk—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压力梯度，kg/m3；H.—第n层套管下入深度初选点，m。对比式(1—8)、(1—9)，显然，Pfnk>Pfnr，所以，一般用pfnk计算，在肯定不会发生井涌时，用Pfnr计算。对中间套管，可用试算法试取H州值代入式中求Pfnk，然后由设计井的地层破裂压力梯度曲线上求得Hn即为下入初选点。否则另取一Hn值计算，直到满足要求为止。2.校核各层套管下列初选点深度Hn时是否会发生压差卡钻先求出该井段中最大泥浆密度与最小地层孔隙压力之间的最大静止压差APm为：询=9.81H•(p +S-p )x10-3 (1—10)m mmPmaxbpmin式中Apm—第n层套管钻进井段内实际的井内最大静止压差，MPa；△Pm—该井段内最小地层孔隙压力梯度等效密度，kg/m3；Hmm—该井段内最小地层孔隙压力梯度的最大深度，m。比较△pm和△(压差允值，正常压力地层用△Pn，异常压力地层用Ap.)。当ApmYA，则不易发生压差卡钻，Hj即为该层套管下入深度。当ApmAAp时，则可能发生压差卡钻，这时，该层套管下深日〃应浅于初选点H”Hn的计算如下:令Apm=Ap，刚允许的最大地孔隙压力P幢为:(1—11)P= Ap +P+S(1—11)pper 9.8X10-3XHpminbmm

由地层孔隙压力梯度曲面图上查Ppper所在井深即该层套管下深度Hn。2.尾管设计当中间套管下入深度浅于初选点（H当中间套管下入深度浅于初选点（HnH^）时，则需要下尾管并要确定尾管下入深度Hn+1（1） 确定尾管下入深度初选点（H由中间套管鞋处的地层破裂压力梯度P力可求得允许的最大地层孔隙压力梯度?叩,由式（1—9），有：P=p-S-S-H（n+1）/S （1-12）pperfnbfHk式中P^—中间套管鞋处地层破裂压力梯度，g/cm3;Ppper—中间套管鞋处地层破裂压力梯度P力时，其下井段所允许的最大地层孔隙压力梯度，kg/m3；七—中层套管下深，m；H（〃+1）.—尾管下入深度初选点，m。（2）校核尾管下入到深度初选点H（〃+1）/时，是否会发生压差卡钻。校核方法同前所述。必封点的确定以上套管层次，下入深度的确定是以井内压力系统平衡为基础，以压力剖面为依据的。但某些影响钻进的复杂情况因素目前还不能反映到压力剖面上。如吸水膨胀易塌泥页岩、含蒙脱石的泥页岩、岩膏层、盐岩层蠕变、胶结不良的砂岩等。某些复杂情况的产生又与时间因素有关，如钻进速度快，浸泡水时间短，复杂情况并不显示出来，反之钻速慢，上部某些地层裸露时间长或在长时间浸泡下，则发生坍塌、膨胀、缩径等情况。这需要根据已钻过井的经验来确定某些应及时封隔的地层即必封点。某些地区没有复杂情况则不必确定必封点。另外，为了求得控制复杂情况所需的坍塌压力梯度值是非常必要的，这样可以确定必封点上不必凭经验来进行。第二节钻井液设计1.钻井液密度钻井液密度设计主要根据地层孔隙压力剖面，以保持平衡压力钻井的钻井液密度为最小钻井液密度。为了保证钻井安全，通常在钻井液密度设计中增加安全附加值PC。国内外油田在油层附加0.05〜0.10g/cm3，气层附加0.07〜0.15g/cm3。则钻井液密度设计可按下式计p=p+pmpc式中pm 钻井液密度，g/cm3；pP——地层孔隙压力当量钻井液密度，g/cm3；p 安全附加密度值，g/cm3。若钻井井段中有特殊要求（如盐膏层或泥页岩地层，为防止地层坍塌，缩径），应考虑特殊需要，增加或减小钻井液密