水平井钻井技术

第五章固井§5-1井身结构设计§5-2套管柱设计§5-3注水泥技术本章需要8学时§5-1井身结构设计一、套管的分类作用二、井身结构设计的原则三、井身结构设计的基础数据四、裸眼井段应满足的力学平衡条件五、井身结构设计方法六、设计举例七、套管尺寸与钻头尺寸的选择主要包括套管层次和每层套管的下深，各层套管外水泥返高，以及套管和井眼尺寸的配合。一、套管的分类作用1、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第五章固井§5-1井身结构设计2、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。3、中间套管（技术套管）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。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。4、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。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。一般深井和超深井。第五章固井§5-1井身结构设计二、井身结构设计的原则1、有效地保护油气层；2、有效避免漏、喷、塌、卡等井下复杂事故的发生，保证安全、快速钻进；3、钻下部地层采用重钻井液时产生的井内压力，不致压裂上层套管鞋处最薄弱的裸露地层；4、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压差卡套管；5、当实际地层压力超过预测值而发生井涌时，在一定压力范围内，具有压井处理溢流的能力。第五章固井§5-1井身结构设计三、井身结构设计的基础数据•地层岩性剖面、地层孔隙压力剖面、地层破裂压力剖面、地层坍塌压力剖面。•6个设计系数：抽吸压力系数Sb；0.024～0.048g/cm3激动压力系数Sg；0.024～0.048g/cm3压裂安全系数Sf；0.03～0.06g/cm3井涌允量Sk；：0.05～0.08g/cm3压差允值p；PN:15～18MPa，PA：21～23MPa第五章固井§5-1井身结构设计四、裸眼井段应满足的力学平衡条件（1）ρdmax≥ρpmax+Sb防井涌（2）(ρdmax-ρpmin)×Dpmin×0.00981≤△P防压差卡钻（3）ρdmax+Sg+Sf≤ρfmin防井漏（4）ρdmax+Sf+Sk×Dpmax/Dc1≤ρfc1防关井井漏其中：ρdmax----裸眼井段内使用的最大钻井液密度，g/cm3；ρpmax----裸眼井段钻遇的最大地层压力的当量泥浆密度，g/cm3；Dpmax----最大地层孔隙压力所处的井深，m；ρpmin----裸眼井段钻遇的最小地层压力的当量泥浆密度，g/cm3；Dpmin----最小地层孔隙压力所处的最大井深，m；ρfmin----裸眼井段最小地层破裂压力的当量泥浆密度，g/cm3；Dc1----套管下入深度，m；ρfc1----套管鞋处地层破裂压力的当量泥浆密度，g/cm3；第五章固井§5-1井身结构设计五、井身结构设计方法1、求中间套管下入深度的假定点（1）不考虑发生井涌由ρf=ρpmax+Sb+Sg+Sfρdmax计算出ρf，在破裂压力曲线上查出ρf所在的井深D21，即为中间套管下深假定点。（2）考虑可能发生井涌由ρf=ρpmax+Sb+Sf+Sk×Dpmax/D21用试算法求D21；先试取一个D21，计算ρf；将计算出的ρf与D21处查得的ρf进行比较，若计算值与实际值相差不大且略小于实际值，可以确定D21为中间套管假定点。否则，重新进行试算。一般情况下，在新探区，取以上（1）、（2）两种条件下D21较大的值。第五章固井§5-1井身结构设计2、验证中间套管下到深度D21是否有被卡的危险首先求出裸眼中可能存在的最大静压差：△P=(ρpmax1+Sb-ρpmin)×Dmin×0.00981ρpmax1----钻进至D21遇到的最大地层压力当量密度，g/cm3。Dmin----最小地层孔隙压力所对应的井深，m；（当有多个最小地层压力点时，取最大井深。）若△P△PN，则确定D21为中间套管的下入深度D2。若△P△PN，则中间套管深度应小于假定点深度。需根据压差卡钻条件确定中间套管下深。求在压差△PN下所允许的最大地层压力：在地层压力曲线上找出ρpper所在的深度即为中间套管下深D2。bpDppperSNmin00981.0min第五章固井§5-1井身结构设计3、求钻井尾管下入深度的假定点D31根据中间套管鞋处的地层破裂压力当量密度ρf2，求出继续向下钻进时裸眼井段所允许的最大地层压力当量密度：用试算法求D31。试取一个D31，计算出ρpper，与D31处的实际地层压力当量密度比较，若计算值与实际值接近，且略大于实际值，则确定为尾管下深假定点；否则，另取D31进行试算。4、校核尾管下入到D31是否有被卡的危险校核方法与中间套管的校核方法相同。只是将压差允值△PN变为△PA。kDDfbfpperSSS2312第五章固井§5-1井身结构设计5、计算表层套管下入深度D1根据中间套管鞋处的地层压力当量密度ρp2，计算出若钻进到深度D2发生井涌关井时，表层套管鞋D1处所承受的井内压力的当量密度：根据上式，用试算法确定D1。试取一个D1，计算ρfE，计算值与D1处的地层破裂压力当量密度值比较；若计算值接近且小于地层破裂压力值，则确定D1为表层套管下深。否则，重新试取D1进行试算。kDDfbpfESSS122第五章固井§5-1井身结构设计五、设计举例某井设计井深为4400m，地层孔隙压力梯度和地层破裂压力梯度剖面如图7-2。给定设计系数：Sb=0.036；Sg=0.04；Sk=0.06；Sf=0.03；△PN=12MPa；△PA=18MPa，试进行该井的井身结构设计。解：由图上查得，ρpmax=2.04g／cm3，Dpmax=4250m．（1）确定中间套管下深初选点D21由：ρf=ρpmax+Sb+Sf+Sk×Dpmax/D21试取D21=3400m并代入上式得：ρf=2.04+0.036+0.03+0.06×4250/3400=2.181g/cm3由破裂压力曲线上查得ρf3400=2.19g/cm3，ρfρf3400且相近。故确定D21=3400m。第五章固井§5-1井身结构设计第五章固井§5-1井身结构设计（2）校核中间套管是否会被卡由地层压力曲线上看出，钻进到深度D21=3400m时，遇到的最大地层压力就在3400m处。查得：ρp3400=1.57g/cm3，ρpmin=1.07g/cm3，Dmin=3050m。由△P=(ρpmax1+Sb-ρpmin)×Dmin×0.00981△P=（1.57+0.036-1.07）×3050×0.00981=16.037MPa因△P△PN=12MPa，故中间套管下深应浅于初选点。由：bpDppperSNmin00981.0min3305000981.012/435.1036.007.1cmgpper第五章固井§5-1井身结构设计在地层压力曲线上查得对应pper=1.435的深度为3200m。最后确定中间套管下深为D2=3200m。（3）确定尾管下入深度初选点D31由破裂压力曲线上查得：ρf3200=2.15g/cm3；由：试取D31=3900m，代入上式算得：pper=2.011g/cm3；由地层压力曲线查得ρp3900=1.94pper=2.011g/cm3，且相差不大，故确定初选点D31=3900m。（4）校核是否会卡尾管计算压差：△P=（1.94+0.036-1.435）×3200×0.00981=16.98MPa因为△P△PA，故确定尾管下深为D3=D31=3900m。06.003.0036.015.23200231231DkDDfbfpperSSS第五章固井§5-1井身结构设计（5）确定表层套管下深D1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，ρfEρf850，且相近，故确定D1=850m。最后设计结果：06.003.0036.0435.111232002DkDDfbpfESSS套管层次表层套管中间套管尾管生产套管套管下深（m）850320039004400第五章固井§5-1井身结构设计七、套管尺寸与钻头尺寸的选择目前我国使用最多或者说是唯一的套管钻头系列是：（26）20—（171/2）133/8—（121/4）95/8—（81/2）7—（57/8）41/2套管和井眼尺寸的确定一般是由内到外进行，首先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。----。套管与井眼之间的间隙与井身质量、固井水泥环强度要求、下套管时的井内波动压力、套管尺寸等因素有关。最小间隙为9.5mm，最大间隙达76mm。每次开钻钻头直径与上层套管最小内径之间保持6.4～13mm（1/4～1/2英寸）的间隙。目前，根据套管层次不同，已基本形成了较稳定的系列。第五章固井§5-1井身结构设计§5-2套管柱设计一、套管和套管柱二、套管柱受力分析及套管强度三、套管柱强度设计一、套管和套管柱套管：优质无缝钢管。一端为公扣，直接车在管体上；一端为带母扣的套管接箍。套管的尺寸系列：–API标准套管：41/2，5，51/2，65/8，7，75/8，85/8，95/8，103/4，113/4，133/8，16，185/8，20；共14种。–壁厚：5.21～16.13mm。–小直径的套管直径小一些，大直径的套管直径大一些。–另外有非标准的钢级和壁厚。第五章固井§5-2套管柱设计•套管的钢级–API标准：H-40，J-55，K-55，C-75，L-80，N-80，C-90，C-95，P-110，Q-125。（数字×1000为套管的最小屈服强度kpsi）。–1kpsi=6.8947MPa–其中，H-40，J-55，K-55，C-75，L-80，C-90是抗硫的。•连接螺纹的类型–API标准：短圆（STC）、长圆（LTC）、梯形（BTC）、直连型（XL）•套管柱：由同一内径、不同钢级、不同壁厚的套管用接箍连接组成的管柱。特殊情况下也使用无接箍套管柱。第五章固井§5-2套管柱设计二、套管柱受力分析及套管强度套管柱在井内所受外载复杂。在不同时期（下套管过程中、注水泥时、后期开采等过程中）套管柱的受力也不同。在分析和设计中主要考虑基本载荷：轴向拉力、外挤压力及内压力。套管柱设计时按最危险情况考虑。1、轴向拉力及套管的抗拉强度（1）套管的轴向拉力自重产生的拉力、弯曲产生的附加拉力、注水泥时产生的附加力、动载、摩阻等。第五章固井§5-2套管柱设计①自重引起的拉力kNqmi----第I种套管在钻井液中的单位长度重力，N；Li----第I种套管的长度，m；n----组成套管柱的套管种类（钢级、壁厚）。②套管弯曲引起的附加拉力经验公式：kN在为定向井、水平井以及狗腿度严重的直井中设计套管柱时，应考虑弯曲引起的附加拉力。31311010)1(niiminiiimLqLqFsdccobdAdF073.0第五章固井§5-2套管柱设计③注水泥引起的附加拉力kN④其它附加拉力上提或下放套管时的动载、井壁摩擦力等。一般在安全系数中考虑。（2）套管的抗拉强度套管所受轴向拉力一般在井口最大。由拉应力引起的破坏形式：–本体被拉断、脱扣。通常用套管的抗滑扣力表示套管的抗拉强度。cincdhFdm4000)(第五章固井§5-2套管柱设计2、外挤压力及套管的抗挤强度（1）外挤压力主要载荷：管外液柱的压力、地层中流体的压力、高塑性岩石（盐膏层、泥岩层）的侧向挤压力等。常规情况下按套管全淘空时的管外压力计算：kPa有大段盐膏层的特殊情况下，有时将上式中的钻井液