石油工建设计大赛钻井与完井(付建红)

石油工程设计大赛赛题分析钻井完井工程部分二○一三年三月钻完井工程设计内容

概述三压力剖面预测井身结构设计钻井装备与设备钻井工艺技术钻井液设计与储层保护固井技术设计井控技术设计完井方案设计钻井周期预测特殊工艺井钻井工艺技术（可选）设计内容可参照

SY/T10011-2006绪论主要参考工具书与标准目录主要参考工具书《钻井甲方手册》《石油工程设计》标准《井身结构设计方法》SY/T5431《石油天然气工业健康、安全与环境管理体系》SY/T6276《钻井井控技术规程》SY/T6426概述区域地质构造构造描述地层分层与岩性描述已钻井情况分析井身结构、钻具组合、钻头使用及钻井参数、钻井液体系及性能复杂情况、机械钻速与钻井时效等完井方式储层特性分析储层矿物分析储层物性分析储层敏感性分析储层流体性质储层温度、压力分布构造钻井难点分析赛题提示269m196m80.8m-1118-1164.6-1208D1D2D3S-1106S-1158S-1155赛题提示D3井产层岩性D1井地层岩性描述赛题提示钻井工艺设计稠油油藏，井较浅（1400mm左右），井身结构设计、钻柱设计、套管设计、钻井参数设计（水力参数、机械参数）、井控设计等钻井工艺技术设计并不复杂特别关注完井设计钻井液技术防塌和防漏完井技术完井方式优选，在网上查新疆稠油油藏完井方式相关资料是否支持采用支持井壁完井方式？是否做防沙设计？如需射孔完井，射孔优化设计，如孔深、孔密的优化设计、射孔枪选择等赛题提醒“地层的压力剖面曲线没有给出，但给出了一口探井的测井数据，参赛选手需依据测井数据对相关压力进行预测和计算”（需要进行测井资料解释）该区块钻井遇到的复杂问题是地层井漏严重，并且地层强度较高，导致钻井速度十分缓慢，钻井周期延长，严重提高了钻井成本，需要对井型以及完井方式进行优选。（需要提出钻井提速的措施）地层层序中，以砂泥岩为主，注意防塌和防漏。（需要优选钻井液体系及性能）三个压力剖面预测

三压力剖面预测地层孔隙压力、地层坍塌压力、地层破裂压力(测井资料计算，现场数据验证)地层岩石力学参数的确定（内聚力、内摩擦角、弹性模量、泊松比、抗压强度、抗拉强度、抗剪强度）分层地应力计算（上覆岩层压力、最大水平井主应力、最小水平井主应力）地层孔隙压力计算地层坍塌压力地层破裂压力

三压力剖面预测地层孔隙压力计算声波时差法测量原理声波时差法测量步骤建立地层压力剖面赛题提示D1井LOT1：1385m（-1116），出244.48mm套管鞋10mD1井LOT2：1438m（-1169），出139.7mm套管鞋8m赛题提示赛题提示D2井D3井Rd和Rs主要用来划分渗透性地层，识别油气水层和计算含油气饱和度，计算泥浆侵入深度等等，适用于砂泥岩地层剖面井身结构设计

井身结构设计需要决定套管层数套管下深套管尺寸与钻头尺寸的配合水泥返深套管下深的确定必封点的约束条件井身结构设计方法下深校核当量泥浆密度GpGf正常工况（起钻、下钻）发生液流时当量泥浆密度GpGf

三压力剖面预测与井身结构设计

套管尺寸和钻头尺寸的配合

井身结构设计

生产套管尺寸的确定套管尺寸＝max{Dc1，Dc2}式中：Dc1：从完井、增产措施要求出发优选的生产套管尺寸Dc2：从采油要求出发优选的生产套管尺寸。生产套管尺寸必须同时满足上述两个条件，执行“就大不就小”的原则，即取两者的最大值。井身结构设计

考虑产量的生产套管尺寸确定方法气井生产约束的管柱尺寸

图

某气田生产系统分析结果某气田油管直径和产气量的关系某气田油管直径和产气量的关系合适的生产油管直径（内径）为Φ50.3mm或Φ62mm。对应的套管尺寸为Φ139.7mm。赛题提示D1井D2井D3井269m196m80.8m-1118-1164.6-1208D1D2D3S-1106S-1158S-11551、油层套管下到产层，射孔完井2、技术套管下到产层顶部3、表层套管根据压力剖面确定钻井装备与设备

钻井装备与设备

钻井井深最大钩载井型大斜度井、水平井由于摩擦力较大，发生复杂、事故的几率更大，选择钻机时应考虑钻机的复杂事故处理能力，最好在井深的基础上提高一个级别。钻井装备与设备钻井装备与设备钻井装备与设备

钻机选型实例⑤钻机的选择

本井127mm钻杆最大钻深为3145m，88.9mm钻杆最大钻深为3809m，所以可选择4000m钻机。根据钻具和套管重量对比，该井最大钩载为120t；4000m钻机的额定大钩载荷为225t，安全系数为1.875，能满足要求。由于本井为水平井，水平位移大，因此，选择钻机时提高了一个等级，即选择了5000m钻机。说明：非含硫气井不必配置表中第三部分“硫化氢防护设备”钻井工艺技术

钻井工艺钻柱设计安全系数法、考虑卡瓦挤毁钻杆的设计系数法、拉力余量法钻头优选方法岩性分分析岩石力学参数（抗压强度、内摩擦角）地层可钻性与研磨性计算钻头优选方法钻井参数设计机械参数设计水力参数设计钻井工艺钻头优选方法

地层可钻性与研磨性计算利用单轴抗压强度（）与抗剪强度（）的经验关系式计算：压入硬度（Hd）计算公式：

Hd=84.109

可钻性级值（Kd）和研磨性（GD）的计算公式：

Gd=（Kd/3.641）1/0.3173

钻井工艺钻头优选方法

利用岩石可钻性进行钻头选型

钻井工艺钻头优选方法

利用岩石抗压强度进行钻头选型

钻井工艺设计实例——钻头优选

根据测井资料解释结果优选钻头钻井工艺钻井参数设计机械参数设计基本原则软地层采用低钻压、高转速、硬地层采用高钻压、低转速。牙轮钻压采用高钻压、低转速；PDC钻头采用低钻压、高转速。下部钻具组合中含有螺杆则采用低钻压，不含螺杆可以采用较高钻压。定向钻井中在增斜井段可以适当增加钻压，还可以通过调整钻压来调整井眼轨迹。按照钻头厂家推荐参数选择钻压、转速按照实钻资料选择钻头类型、钻压、转速

钻井工艺水力参数设计

压降计算：管内压耗：环空：

钻头水力参数计算：

钻头压降：钻头水功率：

射流冲击力：喷射速度：喷嘴选择：

钻井工艺设计实例——钻柱结构与钻井参数设计

Φ311.2mm井眼钻具组合：Φ311.2mm＋Φ228.6mm钻铤3柱+Φ203.2mm钻铤3柱+Φ177.8mm钻铤2柱+Φ127mm钻杆 钻压280-300kN，转速80-90r/min，泵压14-18MPa，排量50L/s以上。Φ215.9mm井眼钻具组合：Φ215.9mm钻头＋Φ165.1mm钻铤7柱+Φ127mm钻杆。钻压180-200kN，转速80-90r/min，泵压14-18MPa，排量30L/s以上。可采用带一只扶正器的大钟摆钻具组合，避免井斜。钻井工艺设计实例——钻井参数设计水力参数设计钻井工程设计——井控设计井口装置选择井控装置可以根据地层压力级别、通径直径、井口防喷器组合形式综合考虑确定压力级别套管的抗内压强度套管鞋处裸眼地层破裂压力钻井、完井、试采等可能出现的最大地面压力三者中的最小值为选择压力级别的依据API规定标准为：防喷器耐压=地层压力-井内流体的液柱压力参考《钻井井控技术规程》SY/T6426钻井工程设计——井控设计组合形式的选择双密封组合：配备两个单闸板（或一个双闸板），或一个单闸板和一个环形防喷器。这种组合只能适用低压气井井内无钻具也可关井。钻井工程设计——井控设计压力等级为14MPa时，安装环形防喷器、单闸板防喷器、钻井四通；

压力等级为35MPa时，安装环形防喷器、双闸板防喷器、钻井四通；

压力等级70MPa时，安装环形防喷器、（单闸板防喷器）、双闸板防喷器、钻井四通；

压力等级105MPa时，安装环形防喷器、单闸板防喷器、双闸板防喷器、钻井四通。钻井工程设计——井控设计防喷器的压力等级原则上应与相应井段中的最高地层压力相匹配，同时综合考虑套管最小抗内压强度的80%、地层流体性质等因素。

压力等级有14MPa、21MPa、35MPa、70MPa和105MPa.不同压力等级，井口防喷器组合是不一样的。节流管汇的压力等级应与防喷器压力等级相匹配。

钻井工程设计——井控设计一次开钻井口二次开钻井口钻井工艺设计——井控设计井控装置试压

套管试压防斜打直的技术塔式钻具组合常规钟摆钻具组合满眼钻具组合提高钻速技术井身结构优化钻头优选技术强化钻井参数提高钻速技术螺杆配PDC钻头复合钻井技术高转速马达（涡轮或螺杆）带人造金刚石孕镶钻头欠平衡钻井（气体钻井，低密度钻井、充气欠平衡钻井）钻井液设计与储层保护

设计应提交的内容（1）分段钻井液体系、配方及性能设计表（2）分段钻井液处理与维护技术措施（3）分段钻井液技术难点提示（4）钻井液复杂情况预案（5）固控应用情况设计（6）钻井液材料计划表（7）钻井液仪器配置要求表（8）特殊情况处理方案钻井液设计基本方法钻井液设计基本方法根据地层特点选择钻井液体系—易塌地层

三种原因中前两种可以通过调节钻井液性能来加以解决或弱化：（1）选用合理的钻井液密度解决地质原因引起的井壁力学不稳定；（2）强化钻井液的抑制性来弱化物理化学引起的井塌；（3）改变钻井液的渗透压来消除物理化学引起的井塌；（4）增强钻井液的封堵性能来减弱物理化学引起的井塌。钻井液设计基本方法根据地层特点设计钻井液—易塌地层

（1）对于强分散高渗透性的上部砂泥岩地层，应采用强包被的聚合物钻井液。

(2)对于硬脆性页岩及微裂缝发育的易塌层，应选用SAS等沥青类处理剂以封堵层理和裂隙，并起降低HTHP滤失量和泥饼渗透性的作用。

(3)对于存在混层粘土矿物的易塌层，必须选择抑制性强的钻井液，如钾基(或钾铵基)聚合物钻井掖、钾石灰钻井液和阳离子聚合物钻井液等，并最好加入封堵剂。赛题提示粘土矿物含量表粘土矿物以伊蒙混层为主，属水敏性地层，应注意井壁稳定问题，须选用强抑制性钻井液体系，如：钾基(或钾铵基)聚合物钻井掖、钾石灰钻井液和阳离子聚合物钻井液，并加入EP、乳化沥青、聚合醇等封堵剂。（已钻井使用的是钾钙基聚磺钻井液体系）钻井液设计基本方法根据地层特点设计钻井液—易漏地层

井漏的预防包括：设计合理的井身结构、降低井筒压力、提高地层承压能力等，其中，后两者可以通过钻井液性能的调整来实现。

（1）选用合理的钻井液密度与类型选用低固相聚合物泥浆、泡沫钻井液、充气钻井液和水包油乳化钻井液等低密度钻井液体系，以避免因钻井液密度过大而引起漏失。（2）提高地层承压能力通常可采用调整钻井液流变性、预加堵漏材料和先期堵漏等三种方法来提高地层承压能力。赛题提示该区块钻井遇到的复杂情况是地层井漏严重1、应先根据测井资料得出的压力，确定合理的钻井液密度，减小漏失驱动力。2、根据井漏情况（层位、漏速），确定井漏类型（孔隙性漏失），选择合适堵漏方案和钻井液体系。赛题提示可选堵漏方法：钻井液设计基本方法根据特殊条件设计钻井液—水平井、大位移井

（1)对钻井液的要求相对于直井而言，水平井、大位移井对钻井液的技术要求更加苛刻和严格，突出地表现在：①密度适中，不造成井壁坍塌；②剪切稀释性好，携带岩屑能力强，不会使固相颗粒严重沉积；③低滤失量，不能造成地层伤害和卡钻等；

④润滑性好，减少钻柱扭矩和阻力；⑤强抑制性，即能抑制地层造桨，稳定井眼等。钻井液性能参数设计密度设计

根据三压力剖面分井段选择合适的钻井液密度流变性设计

(1)为了保证有强的携岩能力和净化井眼能力，要求宾汉流体的动塑比在0.36~0.48Pa/mPa.s，幂律流体的流型指数在0.4~0.7，低固相不分散钻井液体系水眼粘度控制在1~5mPa.s。

(2)对于非加重钻井液，塑性粘度适宜范围为5~12mPa.s，动切力一般应保持在1.4~14.4Pa范围内。

(3)为防止冲刷井壁，上返速度不超过一定值，一般215.9mm井眼环空流速在1~1.5m/s，241.3mm井眼环空流速在0.8~1.0m/s，311.1mm井眼环空流速在0.6~0.8m/s。钻井液性能参数设计失水造壁性设计

(1)在钻开油气层时，FLAPI<5ml，模拟井底温度FLHIHP<15ml。

(2)钻遇易塌地层时，FLAPI<5ml。

(3)对一般地层，FLAPI<10ml，FLHIHP<20ml。但有时可适当放宽，比如易造浆地层滤失可以大些。

(4)要注意提高滤饼质量，尽可能形成薄、韧、致密及润滑性好的滤饼，以利于护壁和避免压差卡钻。钻井液性能参数设计pH值设计

分散型钻井液的pH不超过10，石灰处理钻井被的pH值多控制在11~l2，石膏处理钻井液的pH值多控制在9.5~l0.5，不分散聚合物钻井被的pH值只要求控制在7.5~8.5。保护储层的钻井液设计一般程序

（1）岩石特性分析，找出储集层存在的各种敏感性特征，因素；（2）储层损害评价，即针对潜在危害，引入外来条件，评价条件下的敏感程度，探索损害的可能原因，判断损害类型；（3）对钻井液类型及措施进行筛选实验，可根据敏感程度分析，再按照工程需要进行系列实验，最后提出防止和减少损害的措施。可用于钻进储层的钻井液体系

保护储层的钻井液设计（1）无固相清洁盐水钻井液（2）水包油钻井液（3）有固相无粘土相钻井完井液（4）屏蔽暂堵钻井液水基钻井液油基钻井液6钻井液密度设计分段钻井液密度钻井液设计实例层位深度（m）地质预测压力系数设计密度g/cm3上沙溪庙组201.00～1.101.07～1.20上沙溪庙组312上沙溪庙组下沙溪庙组1180千佛崖组自流井组19001.05～1.201.15～1.28须家河组25521.05～1.201.15～1.28雷口坡组嘉陵江组36201.10～1.201.20～1.30飞仙关组长兴组龙潭组48401.15～1.501.22～1.607分段钻井液设计7.1导管及一开：膨润土钻井液（井段0～312m)

钻井液基本配方：

0~20m：清水+适量高分子聚合物

20~312m：4～5%膨润土+0.3～0.5Na2CO3+0.2～0.3%HV-CMC+0.2～0.3%CMP-1(或LS-AOF)+1～1.5%JMP-1（或DR-Ⅱ）+2～3%FDF-1。处理添加剂：NaOH、SD-202。7.1.1处理与维护技术措施

（1）开钻前应仔细检查钻井液循环系统、加重系统、固控系统、钻井液储备系统，必须满足钻井需要和设计要求。

（2）导管井段井眼较大，钻井液主要以携带岩屑、稳定井壁，确保安全钻进为目的。7.1.2难点提示钻井液设计实例8分段钻井液性能要求分段钻井液性能要求钻井液设计实例开钻次序井段（垂深）m常规性能流变参数低密度固含%MBT（g/L）密度g/cm3FVSFLAPImlQMmPHSand%KfGel(10s/10min)PVmpa.sYpPan值K值一开0-3121.07-1.2060-80≤59-10＜0.5<0.51-2/2-310-205-10

30-40二开312-25521.15-1.2845-60≤50.59-10＜0.3<0.52-3/3-510-205-10

＜820-30三开2552-48401.20-1.3050-70≤50.59-10＜0.3<0.52-3/3-515-258-15

＜1015-20。。。9固控应用情况固控设备及使用要求井段(m)固相指标振动筛除砂器除泥器离心机ρ(g/cm3)Cs(%)固含(%)目数运转率(%)处理量(m3/h)运转率(%)处理量(m3/h)运转率(%)一开1.07-1.20≤0.55-840-60100≥200≥80≥40≥80一开1.15-1.28≤0.35-1660-120100≥200≥80≥60≥80二开1.20-1.30≤0.315-3460-120100≥200≥80≥40根据需要三开1.07-1.20≤0.311-2460-120100≥200≥80≥40根据需要钻井液设计实例固井工艺设计固井工艺设计套管柱强度设计水泥浆体系及性能设计（密度、性能）浆柱结构（前置液、水泥浆）提高注水泥质量的措施（含注水泥流变学设计）特殊工艺井固井固井质量要求1、设计安全系数套管柱设计2、套管柱设计方法根据SY/T5322，套管柱采用三轴强度设计。设计原理及方法

3、设计结果套管柱设计1.对水泥浆性能的要求1）表层套管注水泥水泥浆体系及性能设计

1.对水泥浆性能的要求2）技术套管和技术尾管注水泥水泥浆体系及性能设计

1.对水泥浆性能的要求3）生产套管和生产尾管注水泥水泥浆体系及性能设计环空水泥浆柱组成1.环空水泥浆柱的组成结构环空水泥浆的组成，根据其作用与性能的不同，设计时，其结构一般要求采用两种或三种浆体组成，结构如下：（前置液）＋先导水泥浆（领浆）＋尾随水泥浆（尾浆）（前置液）＋先导水泥浆＋中间浆＋尾随水泥浆。

1.环空水泥浆柱的组成结构环空水泥浆的组成，根据其作用与性能的不同，设计时，其结构一般要求采用两种或三种浆体组成（对双级注的第二级可除外），结构如下：（前置液）＋先导水泥浆（领浆）＋尾随水泥浆（尾浆）或：（前置液）＋先导水泥浆＋中间浆＋尾随水泥浆。

环空水泥浆柱组成三、用量计算

1、水泥浆用量Vc2、干灰与配浆用水量3、外加剂用量水泥浆设计

注水泥质量要求

1.水泥返高、水泥塞长度和人工井底的规定。油气层固井，设计水泥返高应超过油气层顶界150m，实际封过油气层顶界应不少于50m。2.为了保证套管鞋封固质量，生产套管采用双塞固井。阻流环距套管鞋长度不少于10m，技术套管（或先期完成井）一般为20m，套管鞋位置应尽量靠近井底。采用双塞固井是为了防止上胶塞下行时所刮下的套管内表面上的液膜浆体污染水泥浆。3.油气层底界距人工井底（管内水泥面）不少于15m，这是为了满足采油工艺的需要。一、直井、定向井固井方案

1、水泥浆和隔离液设计Φ139.7mm套管固井，水泥浆返至地面，为确保固井质量，油层套管设计采用增塑防窜水泥体系固井，并且采用两凝水泥配方固井，即从井底至油气显示层顶界200m左右采用催凝增塑防窜正常密度水泥浆配方，上部井段采用缓凝早强低密度水泥浆配方。Φ127mm尾管固井，采用增塑防窜水泥体系固井。