1、井身結構設計PPT課件井身結構設計PPT課件第二章：井身結構設計第一節：地層壓力理論及預測方法Dc指數聲波時差地震層速度法第二節：地層破裂壓力預測理論計算地破試驗第三節：地層坍塌壓力預測第四節：井身結構設計第五節：生產套管尺寸設計（自學）2a第二章：井身結構設計第一節：地層壓力理論及預測方法4a井身結構定義套管層次、套管下入深度以及井眼尺寸（鉆頭尺寸）與套管尺寸的配合。 主要內容確定套管的層數確定各層套管的下深確定套管尺寸與井眼尺寸的配合 影響因素地層壓力（地層壓力、破裂壓力、地層坍塌壓力）工程參數 地層必封點3a井身結構定義5a地層壓力理論及預測方法靜液柱壓力（Hydrostatic pre

2、ssure） Ph定義靜液壓力是由液柱重力引起的壓力。計算：液體密度,（g/cm3）H:液柱垂直高度，mPh4a地層壓力理論及預測方法靜液柱壓力（Hydrostatic p地層壓力理論及預測方法壓力梯度(Pressure gradient)單位高度（或深度）增加的壓力值在油田，為方便起見，有時壓力梯度單位直接用密度單位。或直接用壓力系數的概念。有效密度（當量密度）鉆井液在流動過程中有效地作用在井內的壓力為有效液柱壓力通過有效壓力換算得到的液體密度稱為等效密度。5a地層壓力理論及預測方法壓力梯度(Pressure gradi地層壓力理論及預測方法上覆巖層壓力 PO定義：某處地層的上覆巖層壓力是指

3、覆蓋在該地層以上的地層基質（巖石）和孔隙中流體（油氣水）的總重力造成的壓力。計算P0：上覆巖層壓力；MPa；：無量綱的小數rm:巖石基質密度，g/cm3；:地層空隙中流體密度，g/cm3；H：井深，m.Po6a地層壓力理論及預測方法上覆巖層壓力 POP0：上覆巖層壓力；地層壓力理論及預測方法地層壓力( Formation Pressure) PP地層壓力是指作用在巖石孔隙流體（油氣水）上的壓力，也叫地層孔隙壓力。骨架應力(matrix pressure)由巖石顆粒之間來支撐的那部分上覆巖層壓力。PoPp7a地層壓力理論及預測方法地層壓力( Formation Pre地層壓力理論及預測方法地層破

4、裂壓力(fracture pressure)在井中，當地層壓力達到某一值時會使地層破裂，這個壓力稱為地層破裂壓力。地層坍塌壓力(Caving pressure)當井內液柱壓力低于某一值時，地層出現坍塌，我們稱這個壓力為地層坍塌壓力。在有異常壓力段、使巖石的液體釋放造成井塌。8a地層壓力理論及預測方法地層破裂壓力(fracture pre井底環空壓力1、不循環時：2、鉆進時： 3、起下鉆時：Pg為起下鉆波動壓力地層壓力理論及預測方法9/21/20229a井底環空壓力地層壓力理論及預測方法9/21/202211a地層壓力理論及預測方法異常地層壓力正常地層壓力一般為鹽水液柱壓力PW。不在正常地層壓力

5、范圍內的壓力稱為異常地層壓力。異常低壓PPPwHPPwPo10a地層壓力理論及預測方法異常地層壓力HPPwPo12a地層壓力理論及預測方法異常低壓產生原因生產層長期開采衰竭地下水位很低異常高壓產生原因特點異常高壓地層與正常地層之間有一個封閉層原因沉積物的快速沉積滲透作用構造作用儲集層的機構油田注水11a地層壓力理論及預測方法異常低壓產生原因13a壓實效應PDPPO海面/地面地層壓力理論及預測方法9/21/202212a壓實效應PDPPO海面/地面地層壓力理論及預測方法9流體運移地層壓力理論及預測方法9/21/202213a流體運移地層壓力理論及預測方法9/21/202215a地層壓力理論及預測

6、方法地層壓力預測（監測）方法Dc指數法原理：機械鉆速隨壓差的減少而增加。正常情況下，鉆速隨井深的增加而減小，Dc增加，在異常地層壓力地層，鉆速增加而dc減小。 適用范圍：巖性為泥巖、頁巖；鉆進過程中的地層壓力監測和完鉆后區塊地層壓力統計分析。dH9/21/202214a地層壓力理論及預測方法地層壓力預測（監測）方法dH9/21/地層壓力理論及預測方法Dc指數法預測的原理D指數鉆速方程：D指數V:鉆速,m/h;N:轉速：r/minP:鉆壓,kN;Db:鉆頭尺寸,mm15a地層壓力理論及預測方法Dc指數法預測的原理17a16a18a地層壓力理論及預測方法dc指數法預測的原理dc指數對鉆井液密度變化

7、進行修正dc指數mN:正常地層壓力梯度，g/cm3;m:實際鉆井液密度， g/cm3;17a地層壓力理論及預測方法dc指數法預測的原理19a地層壓力理論及預測方法d指數dc指數18a地層壓力理論及預測方法d指數dc指數20a地層壓力理論及預測方法dc指數監測地層壓力的方法按一定深度取點，一般1.53m取一點，如果鉆速高可以510m一個點，重點井段1m一點，同時記錄每個記錄點的鉆頭尺寸、鉆速、鉆壓、轉速、地層水和鉆井液密度。計算dc指數通過統計分析的方法建立正常壓力趨勢線計算地層壓力提示如有必要，必須對鉆頭尺寸進行校正；一個構造上的正常壓力可以通過多個井得到，以提高預測的準確程度；Dc指數預測地

8、層壓力所得到的結果可能與其它方法所得到的結果不盡一致。19a地層壓力理論及預測方法dc指數監測地層壓力的方法21a地層壓力理論及預測方法地層壓力計算反算法 P所求井深地層壓力當量密度，g/cm3； n所求井深正常地層壓力當量密度，g/cm3 dCN所求井深處正常趨勢線上的dc指數值； dca所求井深實際dc指數。 20a地層壓力理論及預測方法地層壓力計算22a地層壓力理論及預測方法地層壓力計算等效深度法：若地層具有相同的dc指數，則認為其骨架應力相等。 PP所求深度的地層壓力，MPa； H所求地層壓力點的深度，m； G0上覆地層壓力梯度，MPa/m； Gn等效深度處的正常地層壓力梯度，MPa/

9、m HE等效深度，m。 21a地層壓力理論及預測方法地層壓力計算23adcH地層壓力理論及預測方法等效深度計算在等效深度處，地層骨架應力相等地層壓力計算步驟鉆井參數錄入鉆速、鉆壓、轉速、地層水密度、鉆井液密度計算dc指數回歸正常趨勢線計算地層壓力HEH9/21/202222adcH地層壓力理論及預測方法等效深度計算HEH9/21/20地層壓力理論及預測方法地層壓力預測（監測）方法聲波時差法原理：聲波在地層中的傳播速度與巖石的密度、結構、孔隙度及埋藏深度有關。當巖性一定時，聲波的速度隨巖石孔隙度的增大而減小，對于沉積壓實作用形成的泥巖、頁巖，在正常地層壓力井段，隨著井深增加，巖石孔隙度減少，聲波

10、速度增加，聲波時差減小；在異常壓力井段，巖石空隙度增加，聲波速度減少，聲波時差增大。因此，可以通過聲波時差偏離正常趨勢線的大小預測地層壓力。適用范圍：巖性為泥巖、頁巖；完鉆后進行地層壓力評價。 23a地層壓力理論及預測方法地層壓力預測（監測）方法25aH聲波時差地層壓力理論及預測方法聲波時差（用頁巖的聲波時差）要求：足夠數量的測井數據H：井深，m t:井深H處的泥巖聲波時差，s/ft t0:表層泥巖聲波時差, s/ftC：正常趨勢線斜率A:正常趨勢線截距9/21/202224aH聲波時差地層壓力理論及預測方法聲波時差（用頁巖的聲波時差）地層壓力理論及預測方法聲波時差法預測地層壓力預測步驟在標準

11、聲波時差測井資料上選擇泥質含量大于80%的泥頁巖層段，以5m為間隔點讀出井深相應的聲波時差值，并在半對數坐標上描點；建立正常壓實趨勢線及正常壓實趨勢線方程；將測井曲線上的聲波時差值代入趨勢線方程，求出等效深度HE；用等效深度法計算地層壓力PP。對于碳酸巖類地層的孔隙壓力預測，除了隨鉆測量外，目前還未研究出成熟的技術。 25a地層壓力理論及預測方法聲波時差法預測地層壓力27a地層壓力理論及預測方法地層壓力預測（監測）方法地震層速度法原理：在不同巖性、不同壓實程度情況下，地震波速存在差異。在正常壓實地層，隨著深度增加，地震波速增加；在異常壓力地層，隨著深度的增加，地震波速減小。適用范圍：鉆前對區域

12、地層壓力進行評價。 26a地層壓力理論及預測方法地層壓力預測（監測）方法28a地層破裂壓力確定方法理論計算井眼井壁的應力：最大最小水平主應力27a地層破裂壓力確定方法理論計算29a地層破裂壓力確定方法地層破裂壓力計算地層的破裂是由井壁上的應力狀態決定的。地層破裂是由于井壁上的有效切向應力達到或超過巖石的拉伸強度（抗張強度）St：地層的拉伸強度，MPa； ：泊松比Po:上覆巖層壓力MPa; ：有效應力系數A、B：構造應力系數Pp：地層孔隙壓力，MPa28a地層破裂壓力確定方法地層破裂壓力計算30a測試方法PPf=Pstand_pipe+Pm地層破裂壓力確定方法9/21/202229a測試方法PP

13、f=Pstand_pipe+Pm地層破裂壓力確定液壓試驗（泄漏試驗）P泵入量：V立管壓力PA地層破裂壓力確定方法9/21/202230a液壓試驗（泄漏試驗）P泵入量：V立A地層破裂壓力確定方法9/地層破裂壓力確定方法地層破裂壓力的現場測試循環調節泥漿性能，保證泥漿性能穩定，上提鉆頭至套管鞋內，關閉防噴器。用較小排量（0.661.32l/s）向井內泵入泥漿，并記錄各個時間的注入量及立管壓力。作立管壓力與泵入量（累計）的關系曲線圖，如右圖所示。從圖上確定各個壓力值，漏失壓力P1，即開始偏離直線點的壓力，其后壓力繼續上升；壓力上升到最大值，即為斷裂壓力Pf；最大值過后壓力下降并趨于平緩，平緩的壓力稱

14、為傳播壓力。31a地層破裂壓力確定方法地層破裂壓力的現場測試33a地層破裂壓力確定方法地層破裂壓力的現場測試求破裂壓力當量泥漿密度max m試驗用泥漿密度，g/cm3； P1漏失壓力，MPa；H裸眼段中點井深，m。地層破裂壓力梯度(MP/m)32a地層破裂壓力確定方法地層破裂壓力的現場測試34a地層坍塌壓力確定方法造成井壁坍塌的原因主要是由于井內液柱壓力太低，使得井壁周圍巖石所受應力超過巖石本身的強度而產生剪切破壞所造成的，此時，對于脆性地層會產生坍塌掉塊，井徑擴大，對塑性地層，則向井眼內產生塑性變形，造成縮徑。巖石的強度條件（強度準則） 根據庫侖-莫爾的研究，巖石破壞時剪切面上的剪應力必須克

15、服巖石的固有剪切強度值（稱為粘聚力），加上作用于剪切面上的內摩擦阻力。C:巖石的粘聚力：巖石的內摩擦角；N:巖石剪切面上的法向正應力.33a地層坍塌壓力確定方法造成井壁坍塌的原因主要是由于井內液柱壓力地層坍塌壓力確定方法地層坍塌壓力計算 H：井深，m；：鉆井液密度，g/cm3； C：巖石的粘聚力，MPa；:地層非線性彈性修正系數（0.90.95）；H 、h：地層最大和最小水平地應力，MPa 34a地層坍塌壓力確定方法地層坍塌壓力計算36a地層壓力理論及預測方法泥頁巖強度和力學參數的確定 巖石強度參數的確定 內聚力內摩擦角 抗拉伸強度 靜態彈性參數的確定 泊松比彈性模量地層有效應力系數的確定 利

16、用聲波時差測井參數35a地層壓力理論及預測方法泥頁巖強度和力學參數的確定 37a井身結構設計定義套管層次、套管下入深度以及井眼尺寸（鉆頭尺寸）與套管尺寸的配合。 目的保證安全、優質、快速和經濟地鉆達目的層內容下入套管層數各層套管的下入深度選擇合適的套管尺寸與鉆頭尺寸組合36a井身結構設計定義38a井身結構設計井身結構設計的主要原則能有效保護油氣層能避免產生井漏、井噴、井塌、卡鉆等井下復雜情況,為全井安全、優質、快速和經濟地鉆進創造條件；當實際地層壓力超過預測值使井出現液流時，在一定范圍內，具有壓井處理溢流的能力。9/21/202237a井身結構設計井身結構設計的主要原則9/21/202239a

17、井身結構設計套管類型導管鉆表層井眼時，將鉆井液從地表引導到鉆臺平面上來。表層套管防止淺層水受污染，封閉淺層流砂、礫石層及淺層氣，支撐井口設備裝置，懸掛依次下入的各層套管的載荷。技術套管（中間套管）封隔坍塌地層及高壓水層封隔不同的壓力體系繼續鉆井的需要9/21/202238a井身結構設計套管類型9/21/202240a井身結構設計套管類型油層套管（生產套管）為油氣生產提供流通通道保護產層、分層測試、分層采油、分層改造尾管技術尾管生產尾管尾管回接39a井身結構設計套管類型41a井深當量泥漿密度GpGf井身結構設計考慮的因素地層壓力地層破裂壓力工程參數正常作業：抽吸壓力系數Sw、激動壓力系數Sg、地

18、層壓裂安全增值Sf出現液流：抽吸壓力系數Sw、地層壓裂安全增值Sf、考慮液流情況下地層壓力增加值 SK最大允許壓差PN(Pa)9/21/202240a井深當量泥漿密度GpGf井身結構設計考慮的因素9/21/20井身結構設計井身結構設計關鍵參數最大鉆井液密度：某一層套管的鉆進井段中所用的最大鉆井液密度，和該井段中的最大地層壓力有關：max:某層套管的鉆進井段中所使用的最大鉆井液密度，g/cm3；pmax該井段的最大地層壓力梯度， g/cm3；Sw:考慮到上提鉆柱時抽吸作用使井底壓力降低，為了平衡地層壓力所加的附加鉆井液密度， g/cm3。Sw=0.024-0.048 g/cm3 .41a井身結構

19、設計井身結構設計關鍵參數43a井身結構設計井身結構設計關鍵參數最大井內壓力梯度正常作業（起下鉆、鉆進）：正常鉆井條件下，井內最大壓力梯度是發生在下放鉆柱時，由于產生壓力激動使得井內壓力增高，設由于壓力激動使井內的壓力增加值為Sg，則最大井內壓力梯度為：Sg:激動壓力梯度當量密度； g/cm3；Sg=0.024-0.048 g/cm342a井身結構設計井身結構設計關鍵參數44a井身結構設計井身結構設計關鍵參數最大井內壓力梯度（續）發生液流時：為了制止液流，如壓井時井內壓力增高值為Sk,則最大井內壓力梯度為：Sk=0.060 g/cm3上式只適用于發生液流時最大地層壓力所在的井深Hpmax的井底處

20、，而對于井深為Hn的任意井深處的井內壓力梯度為：43a井身結構設計井身結構設計關鍵參數45a井身結構設計井身結構設計關鍵參數套管下深的臨界條件為了確保上一層套管鞋處的裸露地層不被壓裂，應該保證，某一井段的最大井內液柱壓力梯度滿足：f:上一層套管下入深度處裸露地層的破裂壓力梯度； g/cm3Sf：為避免將上一層套管下入深度處裸露地層壓裂的安全值， Sf =0.024-0.048 g/cm3當量泥漿密度GpGf44a井身結構設計井身結構設計關鍵參數當量泥漿密度GpGf46a井身結構設計最大允許壓差為了在下套管過程中，不致于發生壓差粘卡套管的事故，應該限制井內鉆井液液柱壓力與地層壓力的壓力差值，即規

21、定最大允許壓差。最大允許壓差的取值在正常壓力地層： PN=11-17MPa在異常壓力井段： Pa=14-22MPa45a井身結構設計最大允許壓差47a井身結構設計設計步驟和方法（1）各層套管（不含油層套管）下入深度初選點Hni的確定正常鉆進時：fnr:在設計套管層所在的裸眼井段內，在最大井內液柱壓力梯度作用下，上部裸露地層不致破裂所應有的地層破裂壓力梯度，g/cm3;max: 裸露井段預計的最大地層壓力梯度， g/cm3;46a井身結構設計設計步驟和方法48a井身結構設計設計步驟和方法（1）各層套管（不含油層套管）下入深度初選點Hni的確定（續1）發生液流時時：fnk:在設計套管層所在的裸眼井

22、段發生液流時，在最大井內壓力梯度作用下，上部裸露地層不致破裂所應有的地層破裂壓力梯度，g/cm3;Hni:設計層套管的初始下入深度，m;Hpmax: 最大地層壓力所對應的井深;m。47a井身結構設計設計步驟和方法49a井身結構設計設計步驟和方法（1）各層套管（不含油層套管）下入深度初選點Hni的確定（續2）比較正常鉆井情況下和發生液流情況下的最小地層破裂壓力， 一般地fnk fnr,因此通常按fnk計算，只有在肯定不會發生液流的情況下，才按fnr計算。對于技術套管，首先計算出fnk，然后通過作圖或數字計算的方法找到地層破裂壓力為fnk的井深，該井深即為技術套管下入的初選點。對于技術套管，需要校

23、核是否會卡套管，對于表層套管，則一般不必進行壓差粘卡套管的校核48a井身結構設計設計步驟和方法50a當量泥漿密度GpGf正常工況（起鉆、下鉆）發生液流時當量泥漿密度GpGf49a當量泥漿密度GpGf正常工況（起鉆、下鉆）發生液流時當量泥漿井身結構設計設計步驟和方法（2）校核套管下入初選點Hni是否會發生壓差粘卡套管所用最大鉆井液密度與最小地層壓力之間實際的最大靜止壓差：P：套管所受到的最大靜止壓差，MPa；min：該井段內最下地層壓力,g/cm3;Hmm：最小地層壓力所對應的井深,m。50a井身結構設計設計步驟和方法52a井身結構設計設計步驟和方法（2）校核套管下入初選點Hni是否會發生壓差粘

24、卡套管（續1）比較P與P N(P a)PPN（或Pa），則假定深度Hni為中間套管下入深度。 若PPN（或Pa），則中間套管下至Hni過程中有被卡危險。在這種情況下,必須采取下尾管的方法解決。 確定技術套管的下入深度：先計算不卡套管的最大地層壓力梯度，g/cm3;與pper對應的井深即為經過校核的井深51a井身結構設計設計步驟和方法53a井身結構設計設計步驟和方法（3）在技術套套下入深度淺于初選點的情況下，確定尾管的下入深度Hn+1確定尾管下入深度的初選點Hn+1,I由技術套管鞋處的地層破裂壓力梯度fn可求得允許的最大地層壓力梯度pper:通過數字計算或作圖法找到與pper相等的地層壓力梯度所

25、對應的井深，該井深即為尾管下入深度的初選點。校核尾管的下入深度初選點是否會發生卡套管52a井身結構設計設計步驟和方法54a采用迭代法，試取一個Hn+1值求pper，如果pper大于該深度的實際地層壓力梯度，且二者接近，則Hn+1就是尾管下入深度。GpGfHnHn+11)中間套管下深Hn的確定與pper相對應的井深即為中間套管下深Hn。2)尾管下深Hn+1的確定53a采用迭代法，試取一個Hn+1值求pper，如果pper大步驟1、定中間套管最大下入深度假定點。 根據可能鉆遇的最大地層壓力求設計破裂壓力梯度井身結構設計當量泥漿密度GpGf9/21/202254a步驟井身結構設計當量泥漿密度GpGf

26、9/21/202256a步驟2、驗證中間套管是否有卡套管的危險。 如有，則應減小下深3、加下一層尾管井身結構設計當量泥漿密度GpGf9/21/202255a步驟3、加下一層尾管井身結構設計當量泥漿密度GpGf9/21步驟4、確定表層套管下入深度。 井身結構設計當量泥漿密度GpGf9/21/202256a步驟井身結構設計當量泥漿密度GpGf9/21/202258a井身結構設計油層套管從井底到井口（對于射孔完井）當量泥漿密度GpGf57a井身結構設計油層套管從井底到井口（對于射孔完井）當量泥漿密度生產套管尺寸應滿足采油方面要求。根據生產層的產能、油管大小、增產措施及井下作業等要求來確定。對于探井，

27、要考慮原設計井深是否要加深，地質上的變化會使原來的預告難于準確，是否要求井眼尺寸上留有余量以便增下中間套管，以及對巖心尺寸要求等。要考慮到工藝水平，如井眼情況、曲率大小、井斜角以及地質復雜情況帶來的問題。并應考慮管材、鉆頭庫存規格等的限制。 1設計中考慮的因素套管尺寸與井眼尺寸選擇及配合58a生產套管尺寸應滿足采油方面要求。根據生產層的產能、油管大小、確定井身結構尺寸一般由內向外依次進行，首先確定生產套管尺寸，再確定下入生產套管的井眼尺寸，然后確定中層套管尺寸等，依此類推，直到表層套管的井眼尺寸，最后確定導管尺寸。生產套管根據采油方面要求來定。勘探井則按照勘探方要求來定。套管與井眼之間有一定間

28、隙，間隙過大則不經濟，過小會導致下套管困難及注水泥后水泥過早脫水形成水泥橋。間隙值一般最小在9.512.7mm(3/81/2in)范圍，最好為19mm（3/4in）。 2套管和井眼尺寸的選擇和確定方法套管尺寸與井眼尺寸選擇及配合59a確定井身結構尺寸一般由內向外依次進行，首先確定生產套管尺寸，3套管及井眼尺寸標準組合四、套管尺寸與井眼尺寸選擇及配合81/260a3套管及井眼尺寸標準組合四、套管尺寸與井眼尺寸選擇及配合8井身結構設計實例計算分析 例1 某井設計井深4873m，其地層壓力梯度和地層破裂壓力梯度剖面圖如圖2-11示。該井無地質復雜層。設計系數取以下值： Sw=0.036g/cm3 S

29、g=0.036g/cm3 Sf=0.024g/cm3 Sk=0.060g/cm3 Pn=16.56MPa Pa=21.36MPa破裂壓力梯度1450m3826m4146m地層壓力梯度HN61a井身結構設計實例計算分析 例1 某井設計井深4873m，（1）求中間套管初始下入深度 鉆遇最大地層壓力梯度 =2.113g/cm3 考慮抽汲壓力Sw =0.036g/cm3 考慮鉆柱下放、壓力激動Sg =0.036g/cm3 考慮安全因素Sf =0.024g/cm3 如按正常工況，則：fnr =2.209g/cm3 從壓力剖面圖橫坐標上2.209處引垂直線，該垂線與地層破裂壓力梯度曲線相交，交點H3的相應

30、井深4146m為中間套管下入深度初始選定點，該深度地層壓力梯度為1.74g/cm3。破裂壓力梯度1450m3826m4146m地層壓力梯度HNfD井身結構設計實例計算分析 62a（1）求中間套管初始下入深度破裂壓力梯度1450m3826m（2）驗證中間套管下入4146m深度是否有卡套管的危險 其中m=PH2+Sw(PH2即4146m井深地層壓力梯度)，PH2=1.74（g/cm3） 1.74+0.036=1.776g/cm3。 HN=3384m（壓力剖面圖最小地層壓力對應的最大井深），代入上式 =23.08MPa 因為23.0816.56 所以中間套管下入井深4146m有卡套管的危險，中間套管下入井深應當 減小。 井身結構設計實例計算分析 63a（2）驗證中間套管下入4146m深度是否有卡套管的危險井身結 求在允許壓力差16.56MPa的條件下，中間套管下入深度H2 HN=3384m m-Sw=中間套管下入深度處的地層壓力梯度 1.579-0.036=1.5