井深結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

井身結(jié)構(gòu)包括套管層次和下入深度以及井眼尺寸（鉆頭尺寸）與套管尺寸的配合。井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是鉆井工程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。一、套管柱類型（1） 表層套管；（2） 中間套管（技術(shù)套管）（3） 生產(chǎn)套管（油層套管）（4） 尾管。二、井眼中壓力體系在裸眼井段中存在著地層孔隙壓力、泥漿液柱壓力、地層破裂壓力。三個壓力體系必須同時(shí)滿足于以下情況：p>p>p （1—1）fmp式中p—地層的破裂壓力，MPa；fp—鉆井液的液柱壓力，MPa；mp—地層孔隙壓力，MPa。p即泥漿液柱壓力應(yīng)稍大于孔隙壓力以防止井涌，但必須小于破裂壓力以防止壓裂地層發(fā)生井漏。由于在非密閉的洗井液壓力體系中（即不關(guān)封井器憋回壓時(shí)），壓力隨井深是呈線性變化的，所以使用壓力梯度概念是較方便的。式（1—1）可寫成：G>G>G（1—2）tm p式中G—破裂壓力梯度，MPa/m；tG—液柱壓力梯度，MPa/m；mG—孔隙壓力梯度，MPa/m。p一、井身結(jié)設(shè)計(jì)所需基礎(chǔ)資料一）地質(zhì)資料1)巖性剖面及事故提示2)地層壓力數(shù)據(jù)3)地層破裂壓力數(shù)據(jù)二）工程資料1)抽吸壓力與激動壓允許值（S與S）bg各油田應(yīng)根據(jù)各自的情況來確定。（2） 地層壓裂安全增值（Sf）。該值是為了避免將上層套管鞋處地層壓裂的安全增值，它與預(yù)測破裂壓力值的精度有關(guān)，可以根據(jù)該地區(qū)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來確定。以等效密度表示g/cm3。美國現(xiàn)場將S取值為0.024,中原油田取值為0.03。f（3） 井涌條件允許值（S）。此值是衡量井涌的大小，用泥漿等效密度差表示（用k于壓井計(jì)算，另一種計(jì)量方法是以進(jìn)入井眼的流體的總體積來表示，多用于報(bào)警）。美國現(xiàn)場取值為0.06。該值可由各油田根據(jù)出現(xiàn)井涌的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析后得出。中源油田將S值定為0.06~0.14。k（4） 壓差允值（AP與AP）。裸眼中，泥漿液柱壓力與地層孔隙壓力的差值過大，Na除使機(jī)械鉆速降低外，而且也是造成壓差鉆的直接原因，這會使下套管過程中，發(fā)生卡套管事故，使已鉆成的井眼無法進(jìn)行地固井和完井工作。壓差允值和工藝技術(shù)有很大關(guān)系。如使用優(yōu)質(zhì)的具有良好潤滑性能的泥漿體系，則壓差允值可以提高，壓差允值也與裸眼井段的孔隙壓力大小有關(guān)。若在正常壓力井段，為鉆開下部高壓層需要使用加重泥漿，則壓差卡鉆易發(fā)生在正常壓力井段的較深部位（即易發(fā)生在靠近壓力過渡帶的正常孔隙壓力地層）。若在異常高壓井段，剛易卡部位發(fā)生在最小孔隙壓力點(diǎn)，故壓差允值有正常壓力井段（Ap）與異常壓力井段（Ap）Na之分。一般Ap值大于Ap值。如美國現(xiàn)場對Ap取值為16.66MPa,對Ap取值為aNNa21.66MPa。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)泥漿密度、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。二、井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法和步驟（一）鉆井液壓力體系最大泥漿密度Pmax某一套管的鉆井井段中所用的最大泥漿密度和該井段中的最大地層壓力有關(guān)。即：P=P+S （1—3）maxpmaxb式中P—某層套管鉆井井段中所用最大泥漿密度，kg/m3；maxP—該井段中的最大地層孔隙壓力梯度等效密度，kg/m3；pmaxS—抽吸壓力允許值的當(dāng)量密度，kg/m3。b最大井內(nèi)壓力梯度PrB為了避免將井段內(nèi)的地層壓裂，應(yīng)求得最大井內(nèi)壓力梯度。在正常作業(yè)時(shí)和井涌壓井時(shí)，井內(nèi)壓力梯度有所不同。最大井內(nèi)壓力梯度發(fā)生在下放鉆柱時(shí)，由于產(chǎn)生激動壓力而使井內(nèi)壓力升高。如增高值為S，剛最大井內(nèi)壓力梯度PBr為：gPBr=P+S （1—4）maxg3．發(fā)生井涌情況為了平衡地層孔隙壓力制止井涌而壓井時(shí)，也將產(chǎn)生最大井內(nèi)壓力梯度。壓井時(shí)井內(nèi)壓力增高值以等效密度表示為S，剛最大井內(nèi)壓力梯度等效密度pBk為：k1－5）pBk=p+S1－5）maxk但式（1—5）只適用于發(fā)生井涌時(shí)最大地層孔隙壓力所在井深H 的井底處。而對于深為PmaxH處，則：nH1—6)pBk=p +—pamax?S1—6)max H kn由上式可見，當(dāng)H值小時(shí)pBk值大，即壓力梯度大，反之當(dāng)H值大時(shí)pBk小。nn為了確保上一層套管鞋處裸露地層不被壓裂，則應(yīng)有：1-7)pBr二p1-7)pBk=p-S式中p—為上一層套管鞋處薄弱地層破裂壓力等效密度值，kg/m3；fS—地層壓裂安全增值，kg/m3。f四、井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法與步驟（一）套管層次與深度的確定套管層次和下入深度設(shè)計(jì)的實(shí)質(zhì)是確定兩相鄰套管下入深度之差。它取決于裸眼井段的長度。在這一裸眼井段中，應(yīng)使鉆進(jìn)過程中及井涌壓井不會壓裂地層而發(fā)生井漏，并在鉆進(jìn)和下套管時(shí)不發(fā)生壓差卡鉆事故。設(shè)計(jì)時(shí)由下而上逐層確定下入深度。油層套管的下入深度主要決定于完井方法和油氣層的位置。因此設(shè)計(jì)的步驟是由中間套管開始。1.各層套管下入深度初選點(diǎn)H的確定n套管下入深度的依據(jù)是，其下部井段鉆進(jìn)過程中預(yù)計(jì)的最大井內(nèi)壓力梯度不致使套管鞋處裸露地層被壓裂。根據(jù)最大井內(nèi)壓力梯度可求得上部地層不致被壓裂所應(yīng)有的地層破裂壓力梯度pfnr。正常作業(yè)下鉆時(shí)，由式（1—3），（1—4）（1-7）,有：pfnr=p +S+S+S （1—8）pmaxbgf式中 pfn—第n層套管以下井段下鉆時(shí)，在最大井內(nèi)壓力梯度作用下，上部裸露地層不被壓裂所應(yīng)有的地層破裂壓力梯度，kg/m3;P —第n層管以下井段預(yù)計(jì)最大地層隙壓力等效密度，kg/m3。pmax發(fā)生井涌情況時(shí)，由式（1—3）（1—6），（1-7），有：HPfnk=p+S+S+pmax?S （1—9）pmax bg H kni式中Pfnk—第n層套管以下井段發(fā)生井涌時(shí)，在井內(nèi)最大壓力梯度作用下，上部地層不被壓裂所應(yīng)有的地層破裂壓力梯度，kg/m3；H—第n層套管下入深度初選點(diǎn)，m。ni對比式（1—8）、（1—9），顯然，Pfnk>pfnr，所以，一般用pfnk計(jì)算，在肯定不會發(fā)生井涌時(shí)，用Pfnr計(jì)算。對中間套管，可用試算法試取H值代入式中求Pfnk，然后由設(shè)計(jì)井的地層破裂壓力nf梯度曲線上求得H即為下入初選點(diǎn)。否則另取一H值計(jì)算，直到滿足要求為止。ni ni2?校核各層套管下列初選點(diǎn)深度H時(shí)是否會發(fā)生壓差卡鉆ni先求出該井段中最大泥漿密度與最小地層孔隙壓力之間的最大靜止壓差A(yù)p為:mAp=9.81H?（p+S-p ）x10-3 （1—10）m mm Pmaxbpmin式中Ap—第n層套管鉆進(jìn)井段內(nèi)實(shí)際的井內(nèi)最大靜止壓差，MPa；mAP—該井段內(nèi)最小地層孔隙壓力梯度等效密度，kg/m3；minH—該井段內(nèi)最小地層孔隙壓力梯度的最大深度，m。mm比較Ap和Ap（壓差允值，正常壓力地層用Ap，異常壓力地層用Ap）mNa當(dāng)ApYAp，則不易發(fā)生壓差卡鉆，H即為該層套管下入深度。TOC\o"1-5"\h\zm ni當(dāng)ApAAp時(shí)，則可能發(fā)生壓差卡鉆，這時(shí)，該層套管下深H應(yīng)淺于初選點(diǎn)H、m n niH的計(jì)算如下：n令A(yù)p=Ap，剛允許的最大地孔隙壓力P 為：m pperApP= +p+S （1—11）pper 9.8x10-3xH pmin bmm

由地層孔隙壓力梯度曲面圖上查P所在井深即該層套管下深度H。ppern2．尾管設(shè)計(jì)當(dāng)中間套管下入深度淺于初選點(diǎn)(H當(dāng)中間套管下入深度淺于初選點(diǎn)(HnH)時(shí)，則需要下尾管并要確定尾管下入深ni度Hn+11) 確定尾管下入深度初選點(diǎn)(H(n+1)i))由中間套管鞋處的地層破裂壓力梯度P可求得允許的最大地層孔隙壓力梯度P，fn pper由式(1－9)，有：HP=P—S—S— (n+1"S (1—12)pperfnbfHkn式中P－中間套管鞋處地層破裂壓力梯度，g/cm3;fnP —中間套管鞋處地層破裂壓力梯度P時(shí)，其下井段所允許的最大地層孔隙壓pper fn力梯度，kg/m3；H—中層套管下深，m；nH—尾管下入深度初選點(diǎn)，m。(n+1)i(2)校核尾管下入到深度初選點(diǎn)H 時(shí)，是否會發(fā)生壓差卡鉆。(n+1)i校核方法同前所述。4.必封點(diǎn)的確定以上套管層次，下入深度的確定是以井內(nèi)壓力系統(tǒng)平衡為基礎(chǔ)，以壓力剖面為依據(jù)的。但某些影響鉆進(jìn)的復(fù)雜情況因素目前還不能反映到壓力剖面上。如吸水膨脹易塌泥頁巖、含蒙脫石的泥頁巖、巖膏層、鹽巖層蠕變、膠結(jié)不良的砂巖等。某些復(fù)雜情況的產(chǎn)生又與時(shí)間因素有關(guān)，如鉆進(jìn)速度快，浸泡水時(shí)間短，復(fù)雜情況并不顯示出來，反之鉆速慢，上部某些地層裸露時(shí)間長或在長時(shí)間浸泡下，則發(fā)生坍塌、膨脹、縮徑等情況。這需要根據(jù)已鉆過井的經(jīng)驗(yàn)來確定某些應(yīng)及時(shí)封隔的地層即必封點(diǎn)。某些地區(qū)沒有復(fù)雜情況則不必確定必封點(diǎn)。另外，為了求得控制復(fù)雜情況所需的坍塌壓力梯度值是非常必要的，這樣可以確定必封點(diǎn)上不必憑經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行。第二節(jié)鉆井液設(shè)計(jì)1．鉆井液密度鉆井液密度設(shè)計(jì)主要根據(jù)地層孔隙壓力剖面，以保持平衡壓力鉆井的鉆井液密度為最小鉆井液密度。為了保證鉆井安全，通常在鉆井液密度設(shè)計(jì)中增加安全附加值PC。國內(nèi)外油田在油層附加0.05?O.lOg/cm3，氣層附加0.07?0.15g/cm3。則鉆井液密度設(shè)計(jì)可按下式計(jì)p=p+pmpc式中p 鉆井液密度，g/cm3；mp——地層孔隙壓力當(dāng)量鉆井液密度，g/cm3；p——安全附加密度值，g/cm3。c若鉆井井段中有特殊要求（如鹽膏層或泥頁巖地層，為防止地層坍塌，縮徑），應(yīng)考慮特殊需要，增加或減小鉆井液密度。2．鉆井液固相含量鉆井液的密度主要是由其所含固相而造成的