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·94·第三章井身结构与套管设计井身结构设计包括套管层次设计和各层套管下入深度的确定,以及井眼尺寸（钻头尺寸）与套管尺寸的配合设计；套管设计包括载荷选取、套管材质、壁厚、钢级及连接形式的设计。井身结构和套管设计是钻井工程设计的基础。合理的井身结构和套管设计，是油气井钻井作业安全顺利的前提，是提高钻井效率，保护好储层的基础。第一节井身结构设计一、井身结构设计原则井身结构的设计在满足勘探开发要求的前提下，还应遵循安全作业和经济性的原则：1．满足勘探和开发要求（1）对于探井，井身结构设计应满足地质的资料要求（如：取心、测井、测试和加深等），考虑探井作业的不确定性，应尽量预留一层技术套管。（2）对于开发井，井身结构应满足完井、采油及增产作业的要求；为有效的保护油气层，可考虑必要时增加一层技术套管。2．压力平衡原则压力平衡是井身结构设计的基本原则，在各井段均应满足压力平衡。套管下深确定原则是：保证下部井段钻进、起下钻及压井作业中不压裂套管鞋处裸露地层。3．安全作业原则（1）满足相关法律、法规、标准和技术规范要求。（2）尽量避免同一裸眼井段存在两套压力体系和漏、喷、塌、卡等复杂情况并存。（3）井身结构设计应满足井控作业要求，包括安装分流器、防喷器及井控压井作业等。（4）井内钻井液液柱压力和地层压力之间的压差，不致产生压差卡钻和卡套管等事故。（5）如钻遇浅层气，井身结构设计应满足浅层气钻井要求。（6）保证钻井作业期间的井眼稳定，应考虑易漏地层对井壁稳定的影响；当钻遇不稳定地层时，井身结构设计应考虑该井段作业时间尽量小于井眼的失稳周期；应考虑盐岩层和塑性泥岩层等特殊地层的影响。（7）应考虑定向井作业的特殊要求。4．经济性原则（1）在满足安全、高效作业的前提下，减少套管层数。（2）为全井顺利钻进创造条件，避免同一裸眼内同时存在漏、喷、塌、卡等复杂情况。（3）套管和井眼尺寸的优选应考虑不同井眼尺寸的钻井效率和材料消耗，以缩短钻井周期，降低建井成本。二、井身结构设计方法1．基础数据1）地质基础数据·95·地质基础数据包括：地层孔隙压力；地层破裂压力；地层坍塌压力；岩性剖面及风险提示，如断层、盐岩层、塑性泥岩、严重垮塌和漏失层等；油气层深度及厚度；浅层气分布范围及深度和邻井的相关资料等。2）六个基础参数井身结构设计六个基础参数与钻井液性能和钻井工艺技术水平有密切关系，将直接影响井身结构设计。通过提高地层压力预测精度和油气井所在区域钻井工艺水平，可以达到简化井身结构的目的。井身结构设计六个基础参数可用当量密度表示，按以下范围选取：（1）抽汲压力允许值（Sb）：一般取Sb=0.02～0.04g/cm3，或根据设计钻井液性能和钻具组合及操作参数计算。（2）激动压力允许值（Sg）：一般取Sg=0.02～0.04g/cm3，或根据设计钻井液性能和钻具组合及操作参数计算。（3）地层压裂安全增值（Sf）：为防止预测的地层破裂压力偏低而定的安全余量，一般取Sf=0.03g/cm3。（4）井涌条件压力允许值（Sk）：该值衡量井涌的大小，一般取Sk=0.05～0.10g/cm3；当使用软件计算时，也可通过设定的井涌溢流量和井涌深度计算井涌条件允许值。（5）正常压差允许值（Δpn）：钻井液液柱压力与地层孔隙压力的最大压差允许值，压差过大则容易造成压差卡钻，特别是卡套管，使施工业无法正常进行。正常压力井段一般取Δpn12MPa。（6）异常压差允许值（Δpa）：在异常压力井段，取Δpa15MPa。3）完井和采油工艺要求包括对生产套管的通径要求及后期增产措施等。4）钻机能力钻机选型（提升能力）应依据井身结构设计的最大套管柱重量并考虑解卡安全余量，当钻机能力固定时，井身结构的设计应考虑钻机能力的限制。5）套管库存情况在满足安全钻井和生产要求的前提下，井身结构设计应尽量考虑套管的库存情况和采办策略。套管设计所需基本数据可参考表3-1-1进行收集。表3-1-1井身结构设计所需基本数据列表地层信息孔隙压力剖面所需最小直径满足钻井和采油目标所需要的最小井眼直径地层破裂/坍塌压力剖面测试/测井工具外径塑性盐层和泥页岩位置油管尺寸渗透层位置或漏失层位置封隔器及相关设备要求尺寸断层、破碎地层等井下安全阀外径淡水砂层位置完井需求生产井资料浅气层位置在完井、生产和井下作业中所需求的套管尺寸定向井数据地质目标其他法律、法规限制定向井轨迹库存情况或采办策略钻机设备限制·96·2．井身结构设计内容按井内压力系统平衡原则设计出各层套管的下入深度。要求在同一井段的裸眼内保持压力系统平衡，即在钻进、起下钻及井涌压井过程中不会压裂上部地层而发生井漏；在钻井作业和下套管时不会发生压差卡钻、卡套管等复杂情况。当特殊地层造成不能正常钻进时，应考虑适当调整井身结构。开发井的井身结构设计通常采用自下而上的原则进行，最后一层套管的下入深度通常取决于井深或地质要求，而完井的油层套管尺寸通常取决于完井和采油作业的要求。对于预探井，也可以采用自上而下的原则进行设计，最后一层套管的尺寸应考虑地层评价的相关要求。无论采用自下而上还是自上而下井的设计方法，井身结构设计均应保证同一裸眼段内满足压力平衡原则，达到防喷、防卡和防漏的目的，同一裸眼井段井身结构设计必须满足的压力约束条件为：（1）防喷、防塌：ρ设计≥max{（ρpmax+Sb），ρcmax}（3-1-1）（2）防压差卡钻或卡套管：（ρmax-ρpi）×Hi×0.00981≤Δp（3-1-2）（3）防井漏：ρmax+Sf≤ρfi（3-1-3）ρmax=ρ设计+max（Sg，ρECD）（3-1-4）（4）防井涌时压漏地层：pmaxmaxfkiHSSH����≤ρfi（3-1-5）上述式中ρ设计——设计钻井液密度，g/cm3；ρpmax——裸眼井段钻遇的最大地层孔隙压力系数，g/cm3；Sb——抽吸压力系数，g/cm3；ρcmax——裸眼井段的最大井壁稳定压力系数，g/cm3；ρmax——起下钻和循环时钻井液当量密度，g/cm3；ρpi——计算点处的地层孔隙压力系数，g/cm3；Hi——计算点处的深度，m；Δp——压差卡钻允值，MPa；Sf——地层破裂压力安全增值，g/cm3；ρfi——计算点处的地层破裂压力系数，g/cm3；Sg——激动压力系数，g/cm3；ρECD——循环当量密度，g/cm3；Sk——井涌允量，g/cm3；Hpmax——裸眼井段最大地层孔隙压力处的井深，m。·97·3．井眼尺寸与套管尺寸选择及配合1）井眼尺寸选择井眼尺寸选择通常可根据API钻头标准系列尺寸来选择，见表3-1-2。表3-1-2API钻头标准系列（单位：in）33/4681/2121/4171/2461/883/4141/22043/461/291/2143/42457/877/8105/81626特殊情况下，也可以选择非API钻头标准系列的井眼尺寸。2）套管与井眼尺寸选择套管与井眼尺寸配合见图3-1-1。4456716161616185/8171/2133/8121/4141/2143/4103/4185/8171/214133/814141/2143/4113/4105/885/877/881/277/895/885/897/895/897/875/873/491/283/4105/8121/457/833/443/451/241/261/261/865/843/4117/8113/4117/820242024262030标准系列非标系列井眼尺寸（in）套管尺寸（in）井眼尺寸（in）套管尺寸（in）套管尺寸（in）套管尺寸（in）套管尺寸（in）井眼尺寸（in）井眼尺寸（in）井眼尺寸（in）图3-1-1套管与钻头尺寸配合3）常用套管和钻头环空间隙常用套管和钻头环空间隙见表3-1-3。·98·表3-1-3常用套管和钻头环空间隙套管尺寸名义内径mm通径mm钻头尺寸环空间隙mm外径in（mm）壁厚mm单位长度重量，lbf/ftinmm41/2（114.3）8.6515.597.294.031/288.95.17.3713.599.696.431/288.97.56.3511.6101.698.433/495.33.15.6910.5102.999.833/495.34.55.219.5103.9100.733/495.35.45（127）9.1918108.6105.441/8104.83.87.5215112108.841/4107.94.16.4313114.111141/4107.96.25.5911.5115.8112.641/4107.97.951/2（139.7）10.5423118.6115.441/2114.34.39.1720121.4118.245/8117.53.97.7217124.3121.143/4120.63.76.9815.5125.7122.643/4120.65.16.214127.3124.145/8123.83.57（177.8）11.5132154.8151.657/8149.25.610.3629157.1153.96152.44.79.1926159.4156.261/8155.63.88.0523161.7158.561/8155.66.195/8（244.5）13.8453.5216.8212.883/8212.74.111.9947220.5216.581/2215.94.611.0543.5222.7218.481/2215.96.810.0340224.4220.485/8219.15.3103/4（273）13.8460.7245.4241.49228.616.712.5755.5247.9243.99228.619.311.4351250.1246.295/8244.55.610.1645.5252.7248.895/8244.58.2133/8（339.7）13.0672313.6309.712304.88.812.1968315.3311.4121/4311.14.210.9261317.9313.9121/4311.16.816（406.4）12.5784381.3376.5143/4374.66.711.5775384.1379.4143/4374.69.59.5265387.4382.6153816.4185/8（473.1）11.0587.5451446.2171/2444.56.520（508）16.13133475.7470.9181/2469.95.812.7106.5482.6477.8181/2469.912.711.1394485.9481181/2469.915.8·99·4．海洋油气井常用井身结构海洋油气井设计已形成适应海洋环境的井身结构系列。1）海洋常用套管程序常用海洋井身结构如图3-1-2所示。海洋常用套管程序一般可分为：导管、表层套管、技术套管及生产套管、储层生产套管常为尾管。（1）导管主要用作建立井口、支撑井口和防喷器组重量。其下入泥面以下的深度，根据地层破裂强度和地层的承载能力而确定，因使其要满足正常建立循环而不压裂地层，同时能够满足支撑后续套管和井口的重量，一般取入泥35～80m。隔水导管常用尺寸为762mm、609.6mm和508mm，在固定式生产平台上钻丛式井，通常采用锤入法安装方式，探井采用钻入法下入的方式。浮式钻井装置通常使用外径762mm（30″）、内径711.2mm（28″）、钢级为X52或B级的套管作为导管。自升式钻井平台或固定式钻井装置作业时，导管定义为隔水导管，一般情况下应使用762mm（30″）或609.6mm（24″）套管作隔水导管；在井口防喷器组较简单、重量轻、上下扶正支撑较好以及水深较浅的情况下，可考虑用508mm（20″）套管作隔水导管。隔水导管尺寸、壁厚和钢级的选取，还应考虑相应的环境载荷，如风、浪、流和海冰条件等。（2）表层套管用于安装井口防喷器、隔离表层疏松地层、含水砂层及防止钻井液漏失。它常可提供足够的强度满足钻井和井控要求。表层套管通常要固井且水泥