【钻井工程】井身结构设计

油气井工程设计与应用第一部分井身结构设计第一节地层—井眼压力系统第二节井身结构设计的内容及套管层次第三节井身结构设计依据与原理第四节井身结构设计方法第五节套管与井眼尺寸的选择第六节设计举例第一部分井身结构设计一、地层条件下的各种压力二、钻井过程中井筒内存在的压力三、井眼内的压力体系第一节地层—井眼压力系统1.静液压力（hydrostaticpressure）

——静液压力，MPa;——液体密度，淡水：1.0g/cm3；盐水：1.05g/cm3；——液柱的垂直高度，m。——静液压力梯度，MPa/m；淡水：0.00981MPa/m；盐水：0.0105MPa/m。一、地层条件下的各种压力第一节地层—井眼压力系统2.上覆岩层压力（Overburdenpressure）上覆压力梯度：

如冀东高尚堡构造：一、地层条件下的各种压力第一节地层—井眼压力系统（1）上覆岩层压力梯度一般随深度增加而增大。（2）沉积岩的平均密度大约为2.5克/厘3，平均上覆岩层压力梯度一般为0.0227兆帕/米。（3）在石油钻井中，以钻台作为各种压力的计算基准面。

注意一、地层条件下的各种压力第一节地层—井眼压力系统3.地层压力（formationpressue）

地层压力——指岩石孔隙中的流体所具有的压力，也称地层孔隙压力（formationporepressue），用pp表示。

正常地层压力——

等于静液压力，pp=ph。

异常地层压力——

地层压力大于或小于正常地层压力。。

超过正常地层压力的地层压力(pp>ph)称为异常高压。低于正常地层静液压力的地层压力(pp<ph)称为异常低压。一、地层条件下的各种压力第一节地层—井眼压力系统4.地应力（groundorearthstress）（有效）垂直地应力（基岩应力，骨架应力）：（有效）水平地应力：上覆岩层压力的侧压效应+地质构造应力。由上覆岩层压力产生。一、地层条件下的各种压力第一节地层—井眼压力系统5.地层破裂压力（fracturepressure）

使某深度处地层破裂时的井眼内液体压力称为该地层的破裂压力。地层开裂条件

Ph>pp+σ3σ3<σ2<σ1一、地层条件下的各种压力第一节地层—井眼压力系统6.P0、σ、Pp的关系

上覆岩层压力由岩石骨架和孔隙中的流体共同承担，因此上覆岩层压力、地层压力和基岩应力之间存在以下关系：当po一定时，σ减小，pp增大，σ→0，pp→po。所以，地层的孔隙压力增大，基岩应力必然减小。一、地层条件下的各种压力第一节地层—井眼压力系统二、钻井过程中井筒内存在的压力1.地层孔隙压力2.地层破裂压力3.钻井液静液柱压力4.环空循环压降第一节地层—井眼压力系统一、井眼内的各种压力5.波动压力抽吸压力：激动压力：6.岩屑重力引起的附加压力

7.井底有效压力

正常钻进时：

起钻时：下钻时：最大井底压力：最小井底压力：第一节地层—井眼压力系统三、井眼内的压力体系

1.基本关系式2.约束条件第一节地层—井眼压力系统一、井身结构设计内容二、套管的层次和管柱的类型第二节井身结构设计的内容及套管层次设计的内容：（1）套管层次的确定（2）各层套管的下入深度的确定（3）各层套管外水泥返高的确定（4）套管和井眼尺寸的配合一、井身结构设计内容

定义：一口井开钻之前根据钻井的井深设计要求，依据地层因素、工程因素及地层必封点的限制，对需要钻进的井进行套管下入层次、下入深度以及井眼尺寸与套管尺寸的合理配合进行的综合设计。第二节井身结构设计的内容及套管层次第二节井身结构设计的内容及套管层次二、套管柱的类型1、导管主要用途：1）封隔地层疏松层、防止钻井液渗入地基影响井架稳定；2）在钻表层井眼时将钻井液从地表引导到钻井装置平面上来形成有控循环。下深位置：这一层套管柱下入深度变化较大：在坚硬的地层中仅用10~20m；而在沼泽地区则可能上百米；深水钻井需要上千米—泥线以下50～100m。2、表层套管主要用途：封隔地表浅水层及浅部疏松和复杂地层；安装井口、悬挂和支撑后续各层套管。下深位置：根据钻井的目的层深度和地表状况而定，一般为上百米甚至上千米。水泥返高：返升到地面。3、生产套管（油层套管）主要用途：用以保护生产层，提供油气生产通道。下深位置：由目的层位置及完井方式而定。

水泥返高：一般返至拟封固地层以上200m。若拟封层为高压气层有时也需要返至地面。二、套管柱的类型第二节井身结构设计的内容及套管层次4、中间套管（技术套管）

主要用途：主要用来封隔不同地层压力层系或易漏、易塌、易卡等井下复杂地层。下深位置：在表层套管和生产套管之间由于技术要求下入的套管，可以是一层、两层或更多层，因此每层的下深都必须依据井身结构设计原则来进行合理设计。

水泥返高：一般返至拟封固地层以上50～200m。若拟封层为高压气层需要返至地面。二、套管柱的类型第二节井身结构设计的内容及套管层次二、套管柱的类型5、尾管（衬管）

是在已下入一层技术套管后采用，即在裸眼井段下套管、注水泥，而套管柱不延伸到井口。主要用途：减轻下套管时钻机的负荷和固井后套管头负荷；节省套管和水泥。一般适用于深井和超深井。下深位置：必须依据井身结构设计原则来进行合理设计。

水泥返高：返至衬管或者尾管悬挂器处，把尾管悬挂器与上层套管紧密连接在一起。第二节井身结构设计的内容及套管层次一、井身结构设计原则二、井身结构设计依据三、井身结构设计系数确定四、井身结构设计原理五、地层必封点第三节井身结构设计依据与原理一、井身结构设计原则2.避免漏、喷、塌、卡等井下复杂情况，保证安全、快速钻进；①钻下部高压层采用重钻井液所产生的井内压力，不致压裂上部裸露地层；②下套管过程中，井内钻井液液柱压力和地层压力间的压差不致于导致压差卡套管事故；③当实际地层压力超过预测值而发生井涌时，裸眼井段应具有压井处理溢流的能力。

1.有效地保护油气层；3.符合当地法律、法规，满足安全、环境、健康体系管理的要求。

第三节井身结构设计依据与原理二、井身结构设计依据（1）钻井地质设计①地层孔隙压力、地层破裂压力及坍塌压力剖面；②地层岩性剖面及故障提示；③完井方式和油层套管尺寸要求；④邻区邻井试油试采资料。第三节井身结构设计依据与原理二、井身结构设计依据（2）相邻区块参考井、同区块邻井实钻资料。（3）钻井装备及工艺技术水平。（4）井位附近河流河床底部深度、饮用水水源的地下水底部深度、附近水源分布情况、地下矿产采掘区开采层深度、开发调整井的注水（汽）层位深度。（5）钻井技术规范。第三节井身结构设计依据与原理三、井身结构设计依据3.工程数据：

抽吸压力系数Sb：0.06～0.08g/cm3

激动压力系数Sg：0.07～0.10g/cm3

压裂安全系数Sf：

0.024～0.048g/cm3

井涌允量Sk

：0.06～0.14g/cm3

压差允值

p：

pN=15～18MPa，

pA=

21～23MPa

固井回压值根据工艺条件确定，一般取（2～4）MPa

1.两个压力剖面：地层压力和地层破裂压力2.复杂层位：必封点的数目和位置第三节井身结构设计依据与原理四、井身结构设计原理

裸眼井段应满足的力学平衡条件（1）防井涌（3）防压差卡钻（2）防井漏（4）防关井井漏第三节井身结构设计依据与原理第三节井身结构设计依据与原理五、地层必封点（1）钻进过程中钻遇易坍塌页岩层、塑性泥岩层、盐岩层、岩膏层、煤层等，易造成井壁坍塌和缩径。（2）裂缝溶洞型、破裂带地层、不整合交界面地层。（3）含H2S等有毒气体的油气层。（4）低压油气层的防污染问题。（5）井眼轨迹控制等施工方面的特殊要求。SY/T6396－2009中第4.6条的规定：“井身结构除按SY/T5431的规定执行外，丛式井组各井的表层下深宜交替错开10m以上。”（6）在采用欠平衡压力钻井时，为了维持上部井眼的稳定性，通常将技术套管下至产层顶部。（7）表层套管的下入深度应满足环境保护的要求。一、井身结构设计方法二、井身结构设计方法选择三、井身结构设计步骤第四节井身结构设计方法一、井身结构设计方法计算依据：在同一裸眼井段内，井内压力能平衡地层压力，并且不压裂地层。设计顺序：油层套管下深是由完井方式的选择而定的。真正的井身结构设计是从全井最大地层压力梯度处开始，由下向上确定套管的层次（技术套管和表层套管）和各层套管的下入深度。1.01.31.61.8当量密度，g/cm3井深，m破裂压力地层压力油套表套技套设计井深1.自下而上的设计法1）设计思路1.自下而上的设计法2）设计特点（1）每层套管下入的深度最浅，套管费用最低。适合已探明地区开发井的井身结构设计；（2）上部套管下入深度的合理性取决于对下部地层特性了解的准确程度和充分程度；（3）应用于已探明地区的开发井的井身结构设计比较合理；（4）在保证钻井施工顺利的前提下，自下而上的设计方法可使井身结构的套管层次最少，每层套管下入的深度最浅，从而达到成本最优的目的。1.自下而上的设计法2）设计特点对于深探井，由于对下部地层了解不充分，难以应用这种方法确定每层套管的下深。因此，需对传统的井身结构设计方法进行改进。一、井身结构设计方法2.自上而下的设计法

在深井及探井中存在地层压力的不确定性、地层状态和岩性的不确定性、地层分层深度和完井深度的不确定性。

其井身结构设计不应以套管下入深度最浅、套管费用最低为主要目标，而应要确保钻井成功率，顺利钻达目的层为首选目标。

目标：提高钻探的成功率，就必须有足够的套管层次储备，以便一旦钻遇未预料到的复杂层位时能够及时封隔，并继续钻进。同时希望上部大尺寸套管尽量下深，以便在下部地层的钻进时有一定的套管层次储备和不至于用小尺寸井眼完井。一、井身结构设计方法2.自上而下的设计法

设计思路：在已确定了表层套管下深的基础上，根据裸眼井段需满足的约束条件，从表层套管鞋处开始向下逐层设计每一层技术套管的下入深度，直至目的层的生产套管。

约束条件：除考虑裸眼井段必须满足的压力平衡约束条件外，还考虑了井眼坍塌压力的影响。一、井身结构设计方法2.自上而下的设计法设计特点：

（1）套管下深是根据上部已钻地层的资料确定的，不受下部地层的影响，有利于井身结构的动态设计。（2）自上而下的设计方法可以使设计的套管层次最少，每层套管下入的深度最深。有利于保证实现钻探目的，顺利钻达目的层位。（3）由于工程技术条件的限制，有些井可能会暂时打水泥塞弃井，当条件合适的时候，再钻开水泥塞，重新钻进。这种井采用自上而下的设计方法更合适。一、井身结构设计方法3.重点层位设计法1）设计思路（1）综合考虑有效封隔主要目的层位和继续深层钻探的技术要求，兼顾套管的抗内压能力，确定封隔主要目的层段的套管尺寸和下深；（2）从重点关注的主要目的层位开始，采用自下而上的井身结构设计方法，确定安全钻达主要目的层位所需要的套管层次和各层套管的下入深度；一、井身结构设计方法3.重点层位设计法1）设计思路（3）从重点关注的主要目的层位开始，采用自上而下的井身结构设计方法，确定自主要目的层开始向下继续深层钻探时，可能提供的套管层次和下深。（4）综合考虑固井作业、安全快速钻进、井控等对套管与井眼尺寸配合关系的要求，确定套管与钻头尺寸的配合方案。一、井身结构设计方法3.重点层位设计法1）设计特点（1）具有传统的自下而上设计方法和改进的自上而下设计方法的全部优点。（2）首先设计的是重点层位处的套管尺寸和下深，可以保证重点目的层处的套管有足够大的尺寸，为下部地层钻进提供足够的井眼空间。（3）尤其适应于高压深气井，首先考虑在高压气层之上套管的抗内压强度，选择合适的技术套管，然后根据地层的各种压力和必封点的情况向两边推导，可以保证钻井过程中发生溢流后压井的安全。自下而上的设计方法为传统的设计方法可以确定每层套管的最小下深，经济性高，适用于已探明区块的开发井或地质环境清楚的地区的井。自上而下的设计方法为自上而下的设计方法在已确定了表层套管下深的基础上，从表层套管鞋处开始向下逐层设计每一层技术套管的下入深度，直至目的层位，有利于保证实现钻探目的，顺利钻达目的层位。适用于新探区的探井或下部地层地质环境不清楚的井。重点层位井身结构设计方法，可以以重点层位为分界，以上部分采用自下而上的设计方法，可以保证重点目的层处的套管有足够大的尺寸，为下部地层钻进提供足够的井眼空间，可以给出套管的合理下深区间。二、井身结构设计方法优选一、套管与钻头尺寸的配合原则二、套管与钻头尺寸的配合设计顺序三、套管与钻头尺寸的经验配合关系第五节套管与井眼尺寸的选择

（1）套管能顺利下入井眼内，并具有一定的环空间隙柱水泥。要求最小环空间隙不能小于9.5mm（3/8in），最好为19mm（3/4in)，且套管直径越大，间隙应越大。（2）钻头能够顺利通过上一层套管（6.4～13mm（1/4～1/2英寸）的间隙）。

一、套管与钻头尺寸的配合原则第五节套管与井眼尺寸的选择

套管和井眼尺寸的确定一般是由内到外进行。根据采油工程等方面的要求确定油层套管的尺寸，然后确定与油层套管相匹配的钻头；确定钻油层套管层段钻头能通过的上层技术套管尺寸，确定钻该段技术套管的钻头尺寸；

……最后钻表层套管层段的钻头尺寸。

二、套管与钻头尺寸的配合设计顺序第五节套管与井眼尺寸的选择

★长期实践形成的经验配合关系（P256，图7-3）★国内常用的配合关系：

(17½)13⅜

"—(12¼)9⅝

"—(8½)5½"(17½)13⅜

"—(12¼)9

⅝

"—(8½)7"（稠油）

（26）20“-（17½）13⅜"

-（12¼）9⅝

“-（8½

）7“-（5⅞

）4½

或5"

三、套管与钻头尺寸的经验配合关系(36)30″-(26)20″-

(17½)13

⅜

″-

(12¼)9

⅝

″-

(8½)7″-

(6或5)

5″(41)36"–(32)26"–(26)20"–(18)16"–(13)103/4"–(9)75/8"

–(8½

)5"第五节套管与井眼尺寸的选择

一、自下而上设计方法二、自上而下设计方法第六节井身结构设计举例一、自下而上的设计计算方法计算依据：在同一裸眼井段内，井内压力能平衡地层压力，并且不压裂地层。设计顺序：油层套管下深是由完井方式的选择而定的。真正的井身结构设计是从全井最大地层压力梯度处开始，由下向上确定套管的层次（技术套管和表层套管）和各层套管的下入深度。1.01.31.61.8当量密度，g/cm3井深，m破裂压力地层压力油套表套技套设计井深1.基本思路

2.计算方法及步骤（设计举例）最大地层压力处（1）计算平衡全井最大地层压力所需钻井液密度：地层压力、地层破裂压力剖面图如图所示，油藏底界深度为4300m，试进行该井的井身结构设计。

pN=12MPa，

pA=18MPa，

Sb=0.036，Sg=0.030，Sf=0.030,Sk=0.06。井深，m1.21.41.61.82.02.22.4

当量钻井液密度，g/cm3最大地层压力位于4050m，压力梯度2.04g/cm3一、自下而上的设计计算方法（2）计算井内最大压力梯度，确定中间套管下入深度初选点D21：

2.计算方法及步骤（设计举例）最大地层压力处

D21◆不会发生溢流：D21=2700m由破裂压力曲线上查得ρf2700=2.15

g/cm3，ρf

<ρf2700且相近。故确定D21=2700m。

井深，m1.21.41.61.82.02.22.4

当量钻井液密度，g/cm3一、自下而上的设计计算方法◆可能发生溢流：（2）计算井内最大压力梯度，确定中间套管下入深度初选点D21：

2.计算方法及步骤（设计举例）最大地层压力处

D21由破裂压力曲线上查得ρf3400=2.19g/cm3，ρf<ρf3400且相近。故确定D21=3400m。

试算得：D21=3400m井深，m1.21.41.61.82.02.22.4

当量钻井液密度，g/cm3一、自下而上的设计计算方法（3）较核下套管到D21是否被卡◆求下中间套管井段内的最大静压差：最大地层压力处D21井深，m1.21.41.61.82.02.22.4

当量钻井液密度，g/cm3◆求下中间套管井段（0~D21）内最大钻井液密度：◆校核是否卡套管：，不卡套管，D2=D21，卡套管，求D2=？

2.计算方法及步骤（设计举例）一、自下而上的设计计算方法（4）求卡套管的实际下深D2：最大地层压力处D21D2井深，m1.21.41.61.82.02.22.4

当量钻井液密度，g/cm3m

2.计算方法及步骤（设计举例）g/cm3一、自下而上的设计计算方法（5）确定钻井尾管下入深度：

试取D31=3900m，计算得出ρ(3900)=2.011g/cm3；由地层压力曲线查得ρ(3900)=1.94g/cm3

，且相差不大，故确定初选点D31=3900m。钻井尾管可下深度：最大地层压力处D21D21.21.41.61.82.02.22.4

当量钻井液密度，g/cm3D31

2.计算方法及步骤（设计举例）井深，m根据压力剖面，试算可得尾管的可下深度D31。一、自下而上的设计计算方法（5）确定钻井尾管下入深度：最大地层压力处D21D21.21.41.61.82.02.22.4

当量钻井液密度，g/cm3D31卡尾管校核，方法同(3、4)。

2.计算方法及步骤（设计举例）井深，m对应的g/cm3，◆较核是否卡尾管：，不卡套管，D3=D31，卡套管，求D3=？D3=3900m。一、自下而上的设计计算方法（6）按上述步骤逐层设计其它中间套管柱和表层套管，直到井口——确定表层套管下深D1。最大地层压力处D21D21.21.41.61.82.02.22.4

当量钻井液密度，g/cm3D31

2.计算方法及步骤（设计举例）由

试取D1=850m，代入上式计算得：ρfE=1.737g/cm3

。由破裂压力曲线查得ρf850=1.74g/cm3

，ρfE<ρf850

，且相近，故确定D1=850m。

井深，m一、自下而上的设计计算方法套管层次表层套管中间套管尾管生产套管套管下深（m）850320039004400（并非油层底界）

（7）最后设计结果一、自下而上的设计计算方法

2.计算方法及步骤（设计举例）二、自上而下的设计计算方法某井为预探井，设计井深4500m，1900m为新生界地层底，2700m以上地层地质环境清楚，地层孔隙压力当量密度预测曲线、地层破裂压力当量密度预测曲线如图2-7，用自上而下设计方法设计套管层次及各层套管的下深。二、自上而下的设计计算方法1.确定井身结构设计参数。（1）钻井液密度附加值为0.05g/cm3；（2）激动压力当量密度为0.02g/cm3；（3）地层破裂压力当量密度安全允许值为0.03g/cm3；（4）井涌条件允许值为0.06g/cm3；（5）正常压力地层压差卡套管允值为15MPa；（6）异常压力地层压差卡套管允值为20MPa。2.用公式（2-29）计算安全地层破裂压力当量密度值。3.绘制地层孔隙压力当量密度曲线、地层破裂压力当量密度曲线、安全地层破裂压力当量密度值曲线。二、自上而下的设计计算方法4.表层套管设计根据地质基本参数，本井自2000m以深地层稳定且承压能力较强，依据目前国内常用井身结构系列，结合目前的钻井工艺技术状况，确定表层套管下入深度D1为2000m。二、自上而下的设计计算方法5.技术套管设计（1）根据D1处的安全地层破裂压力当量密度ρff1（1.96g/cm3）如图2-14，用公式（2-30）确定下部裸眼井段允许最大压力当量密度（1.96g/cm3），（2）计算下部裸眼井段允许最大钻井液密度二、自上而下的设计计算方法5.技术套管设计（3）在压力当量密度曲线图横坐标上找出值，引垂线与地层孔隙压力当量密度线相交，最浅交点井深即为初步确定的技术套管下入深度D2，如图⑷验证初选技术套管下入深度D3有无压差卡钻的危险，用公式（2-31）计算钻井液液柱压力与地层孔隙压力最大压力差值。二、自上而下的设计计算方法⑸根据以下原则确定技术套管下入复选深度D21：a）若，则初选深度D3即为技术套管下入复选深度D21

；b）若，则技术套管下入深度应小于初选深度D3，需用公式（2-31）计算在Dn深度处压力差为时允许的最大钻井液密度，用公式（2-25）计算地层孔隙压力当量密度，并在压力当量密度曲线图横坐标上找出对应点引垂线与地层孔隙压力当量密度线相交，交点井深即为技术套管复选深度D21。5.技术套管设计二、自上而下的设计计算方法⑹按溢流压井条件校核表层套管鞋处是否有压漏的危险，即根据D21以上裸眼井段最大地层压力对应井深Dm，用公式（2-28）计算出D1处最大井内压力当量密度。当小于且接近D1处地层安全破裂压力当量密度时，满足设计要求，有D2=D21，否则应减少技术套管下入深度进行试算。5.技术套管设计二、自上而下的设计计算方法⑺自上层套管鞋开始，按⑴～⑹步骤逐次设计其它各层技术套管（尾管），直至生产套管。⑴生产套管下入深度根据油层位置完井方式确定。⑵按溢流压井条件校核最深一层技术套管鞋处是否有压漏的危险，具体方法同技术套管。⑶验证生产套管有无压差卡钻的危险，具体方法同技术套管。5.技术套管设计6.生产套管设计三、自上而下的设计计算方法三、重点层位设计计算方法1．准备数据。①绘制地层孔隙压力当量密度曲线、地层破裂压力当量密度曲线、安全地层破裂压力当量密度曲线。②确定井身结构设计系数。②根据以下原则初选重点层位套管下入复选深度D21和下入深度D2：a.若Δp≤Δpn（Δpa），则初选深度D即为技术套管下入复选深度D21，需要进行溢流条件校核。b.若Δp≥Δpn（Δpa），则技术套管下入深度应小于初选深度D，计算在Dn深度处压力差为Δpn（Δpa）时允许的最大钻井液密度ρm2max：2．确定重点层位深度D，并确定重点层位D处的套管下入深度。①验证重点层位套管下入深度D有无压差卡钻的危险，计算钻井液液柱压力与地层孔隙压力最大压力差值：三、重点层位设计