第3講 [第二章 套管柱及注水泥設(shè)計(jì)]——井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)--具體設(shè)計(jì)方法

1、緒 論 第一章 完井工程的基礎(chǔ) 第二章 套管柱及注水泥設(shè)計(jì) 第三章 完井液和完井方式 第四章 射孔 第五章 投產(chǎn)措施 第六章 完井管柱及井口裝置 課程總結(jié),完井工程,課程內(nèi)容及課時(shí)分布,,第二章 套管柱及注水泥設(shè)計(jì),第一節(jié) 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 第二節(jié) 生產(chǎn)套管尺寸的確定 第三節(jié) 套管柱設(shè)計(jì) 第四節(jié) 注水泥技術(shù) 第五節(jié) 復(fù)雜類(lèi)型井套管柱設(shè)計(jì)和注水泥技術(shù)簡(jiǎn)介,,第一節(jié)

2、井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),一、套管的類(lèi)型（套管的層次）二、井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則三、依據(jù)兩條壓力曲線進(jìn)行設(shè)計(jì)四、依據(jù)兩條壓力曲線進(jìn)行井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的具體方法五、套管尺寸和井眼尺寸的選擇六、水泥返深設(shè)計(jì)七、現(xiàn)場(chǎng)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法參考文獻(xiàn)：SY/T5431-1996 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),三、依據(jù)兩條壓力曲線進(jìn)行設(shè)計(jì),（一）井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容◆ 套管層次和下入深度；◆ 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)。

3、它不僅關(guān)系到鉆井技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和鉆井工作的成效，也關(guān)系到生產(chǎn)層的保護(hù)和產(chǎn)能的維持。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,技術(shù)套管,油層尾管,,,三、依據(jù)兩條壓力曲線進(jìn)行設(shè)計(jì),（二）井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的步驟① 繪制待鉆井的壓力梯度曲線圖(兩條關(guān)鍵曲線）；② 確定待鉆井的井身結(jié)構(gòu)各設(shè)計(jì)系數(shù)；③ 確定生產(chǎn)套管的下入深度；④ 確定中間套管或尾管的下入深度；⑤ 確定表層套管的下入深度；⑥ 確定各層套管的尺寸和套管外水泥的返深及相應(yīng)的鉆頭尺寸。

4、,設(shè)計(jì)順序： 由下向上、由內(nèi)向外進(jìn)行逐層設(shè)計(jì),,四、依據(jù)兩條壓力曲線進(jìn)行井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的具體方法,◆ 設(shè)計(jì)關(guān)鍵：中間套管設(shè)計(jì),◆ 設(shè)計(jì)順序： 由下向上、由內(nèi)向外。生產(chǎn)套管→技術(shù)套管→表層套管,,地層,四、依據(jù)兩條壓力曲線進(jìn)行井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的具體方法,（一）設(shè)計(jì)基本原理確定套管下入深度的依據(jù)，是在鉆下部井段的過(guò)程中所預(yù)計(jì)的最大井內(nèi)壓力不至于壓裂上層套管鞋處的裸露地層。,,地層,四、依據(jù)兩條壓力曲線進(jìn)行井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的具體方法,,（一）設(shè)

5、計(jì)基本原理,套管鞋處地層最容易壓破，為什么？,,四、依據(jù)兩條壓力曲線進(jìn)行井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的具體方法,,（一）設(shè)計(jì)基本原理,鉆下部井段的過(guò)程中，所預(yù)計(jì)的最大井內(nèi)壓力不至于壓裂本層套管鞋處的裸露地層。,假設(shè)三開(kāi)井身結(jié)構(gòu)，技套下深為D2，則：1）當(dāng)鉆達(dá)D2之前，從表套套管鞋到鉆頭所在位置都是裸眼，薄弱地層是表套套管鞋。這里的設(shè)計(jì)重點(diǎn)應(yīng)該是進(jìn)行二開(kāi)鉆進(jìn)時(shí)不要壓破表套套管鞋處地層。決定表套是否被壓破取決于鉆進(jìn)D1 ～D2井段時(shí)井內(nèi)最大壓力（或最

6、大當(dāng)量泥漿密度）;D2 ～D3井段對(duì)表套套管鞋薄弱地層有沒(méi)有影響？或者說(shuō)對(duì)表套的下入深度有沒(méi)有影響？,,地層,,,井身結(jié)構(gòu),,,,D3,D2,D1,,,,,,,,對(duì)于表套下入深度,,,四、依據(jù)兩條壓力曲線進(jìn)行井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的具體方法,,（一）設(shè)計(jì)基本原理,鉆下部井段的過(guò)程中，所預(yù)計(jì)的最大井內(nèi)壓力不至于壓裂本層套管鞋處的裸露地層。,假設(shè)三開(kāi)井身結(jié)構(gòu)，技套下深為D2，則：2）當(dāng)鉆達(dá)D2之后，再進(jìn)行鉆進(jìn)，實(shí)際上是進(jìn)行三開(kāi)鉆進(jìn)，D2之上地層都

7、已經(jīng)用套管封隔，薄弱地層是技套套管鞋。這里的設(shè)計(jì)重點(diǎn)應(yīng)該是進(jìn)行三開(kāi)鉆進(jìn)時(shí)不要壓破技套套管鞋處地層。所以對(duì)技套下入深度有影響的井段為D2 ～D3;此時(shí)還考慮表層套管套管鞋出的薄弱地層嗎？,,地層,,,,,,井身結(jié)構(gòu),,,,D3,D2,D1,,,,,,,,,,對(duì)于技套下入深度,（二）中間套管設(shè)計(jì),1、求初始下入深度的假定點(diǎn)利用地層壓力剖面圖中最大地層壓力梯度，計(jì)算：鉆進(jìn)中不至于壓裂上部地層的當(dāng)量密度 ρff （ρff 稱(chēng)為地層設(shè)計(jì)

8、破裂壓力當(dāng)量密度）。,根據(jù)上式確定套管的最大下深?！?分兩種情況計(jì)算ρff ：（1）正常作業(yè)（不會(huì)發(fā)生井涌）時(shí)（2）發(fā)生溢流（井涌）時(shí),（二）中間套管設(shè)計(jì),抽汲壓力系數(shù),激動(dòng)壓力系數(shù),破裂壓力安全增值,圖中（裸眼段）最大地層壓力對(duì)應(yīng)的當(dāng)量密度值,地層設(shè)計(jì)破裂壓力當(dāng)量密度,（1）正常作業(yè)時(shí)（不會(huì)發(fā)生井涌時(shí)）：,,,,,,* 只有在確認(rèn)不會(huì)發(fā)生溢流的情況下才會(huì)使用公式。,,,,,（二）中間套管設(shè)計(jì),（a）在壓力剖面圖的橫坐標(biāo)上找出

9、地層設(shè)計(jì)破裂壓力當(dāng)量密度ρff ;,,,,,（b）從該點(diǎn)向上引垂線與破裂壓力線相交，交點(diǎn)所在的深度及為中間套管下入深度的初始假定點(diǎn)D21。,,,,,（二）中間套管設(shè)計(jì),（2）發(fā)生溢流（井涌）時(shí)假設(shè)當(dāng)鉆至最大地層壓力點(diǎn)對(duì)應(yīng)深度（ Dpmax ）處時(shí)，發(fā)生一個(gè)大小為 的溢流，此時(shí)需要停泵并關(guān)閉防噴器。若假設(shè)套管下深為D2x，同時(shí)考慮到地層破裂壓力評(píng)價(jià)誤差，容易導(dǎo)出此時(shí)地層設(shè)計(jì)破裂壓力當(dāng)量密度ρff :,由于（2）式中包含有未知數(shù)

10、 D2x，所以解這個(gè)方程使用迭代（試算）法求解；,Dpmax—裸眼段最大地層壓力點(diǎn)對(duì)應(yīng)的深度（m）；D2x—中間套管下入深度的初始假定點(diǎn)深度（m）；Sk—井涌條件允許值（g/cm3）。,,,,,（2）,（二）中間套管設(shè)計(jì),2、驗(yàn)證初始設(shè)計(jì)下入深度是否會(huì)發(fā)生卡鉆計(jì)算正?？紫秹毫Φ貙幼畲笊疃菵min處的鉆井液柱壓力與地層孔隙壓力的差值： （3）,,,（二）中間套管設(shè)計(jì),當(dāng)有可能發(fā)生壓差卡鉆時(shí)，用下式重新計(jì)算中間套管下入深度：,在壓力

11、曲線圖上找出ρpper對(duì)應(yīng)的深度，即為中間套管下入深度。,,,抽汲壓力系數(shù),深度為Dmin處對(duì)應(yīng)的地層壓力當(dāng)量密度,在壓差允許值下最大地層壓力當(dāng)量密度,,,,（二）中間套管設(shè)計(jì),當(dāng)中間套管下入深度小于初始假定點(diǎn)時(shí)，需要下入尾管，并確定尾管的下入深度。根據(jù)中間套管下入深度D2處（即：套管鞋處）的地層破裂壓力當(dāng)量密度 ρfD2 ，由下式可求得允許的最大地層壓力當(dāng)量密度： （4）式中:D31—鉆井尾管下入深度的假定點(diǎn),,3、計(jì)算并驗(yàn)

12、證尾管的下入深度D31 (課本P253）,注：式（4）的計(jì)算方法同式（2），采用迭代方法進(jìn)行計(jì)算。,（三）計(jì)算表層套管下入深度D1（課本P253-254）,考慮井涌壓井條件或探井設(shè)計(jì)時(shí)，用下述方法確定表層套管下深。,1）根據(jù)中間套管下入深度D2處（套管鞋處）的地層孔隙壓力當(dāng)量密度，在給定井涌壓井條件Sk下初選一個(gè)表層套管下入深度D1，用下式計(jì)算井涌關(guān)井時(shí)表層套管鞋處能承受的壓力（或：地層設(shè)計(jì)破裂壓力當(dāng)量密度），以當(dāng)量密度表示：ρff1：

13、,Ρff1——井涌關(guān)井時(shí)表層套管鞋處承受的壓力（以當(dāng)量密度表示），g/cm3；ρpD2——中間套管鞋處地層孔隙壓力（以當(dāng)量密度表示），g/cm3；D2——中間套管下深，m；D1x——入深度的初始假定點(diǎn)深度，m；,顯然：式中包含有未知數(shù) D1x，使用試算法求解。,若計(jì)算結(jié)果ρff1值小于D2處的地層破裂壓力當(dāng)量密度0.024～0.048 g/cm3時(shí)，符合要求，該深度即為表層套管下入深度。否則，應(yīng)該加深表層套管深度再進(jìn)行試算。2

14、）設(shè)計(jì)表層套管下入深度時(shí)候，一般不需要進(jìn)行壓差卡鉆校核。,（三）計(jì)算表層套管下入深度D1（課本P253-254）,實(shí)例分析,例1．某井井深H=4400m，地層孔隙壓力梯度及破裂壓力梯度剖面見(jiàn)圖3-8-1-5。設(shè)計(jì)給定：Sb=0.036g/cm3；Sg=0.04g/cm3；Sk=0.06g/cm3；Sf=0.03g/cm3；△PN=12MPa；△Pa=18MPa。油層套管采用139.7mm（51/2in）套管。,實(shí)例分析,解：由

15、圖上查得最大地層孔隙壓力梯度為2.04g/cm3，位于4250m。1、確定中間套管下入深度。1）確定下入深度初選點(diǎn)D21。若預(yù)計(jì)要發(fā)生井涌，由（7-2）式,,3400,實(shí)例分析,1、確定中間套管下入深度。1）確定下入深度初選點(diǎn)D21。試取D21=3400m，將3400m代入上式得：,由圖上查得3400m處ρf3400=2.19g/cm3；因?yàn)棣裦＜ρf3400且相近，所以確定中間套管下入深度初選點(diǎn)為21=3400m。,340

16、0,,,計(jì)算結(jié)果與地層破裂壓力當(dāng)量密度曲線比較,實(shí)例分析,1、確定中間套管下入深度。2）校核中間套管下入到初選點(diǎn)3400m過(guò)程中是否會(huì)發(fā)生差卡套管。由圖上查得：3400m處，ρf3400=1.57g/cm3；Dpmin=3050m，ρmin=1.07g/cm3則由（7-3）式得：△P=0.00981×3050（1.57+0.036-1.07）=16.037MPa,因?yàn)椤鱌＞△PN，所以中間套管下深應(yīng)淺于初選點(diǎn)。,3

17、400,,,,,,,實(shí)例分析,1、 確定中間套管下入深度。2）校核中間套管下入到初選點(diǎn)3400m過(guò)程中是否會(huì)發(fā)生差卡套管。在△PN=12MPa下所允許的最大地層壓力梯度可由（7-4）式求得。則有：,由圖中地層孔隙壓力梯度曲線上查出與ρpper=1.435g/cm3對(duì)應(yīng)的井深為3200m，則中間套管下入深度D2=3200m。由于D2＜D21，所以還必須下入尾套管。,計(jì)算結(jié)果與地層壓力當(dāng)量密度曲線比較,實(shí)例分析,2、確定尾管的下入深度

18、。1）確定尾管下入深度初選點(diǎn)為D31由剖面圖查得中間套管下入深度3200m處地層破裂壓力梯度ρf3200=2.15g/cm3 ，由（7-5）式，并代入各值則有：,,3900,,計(jì)算結(jié)果與地層壓力當(dāng)量密度曲線比較,實(shí)例分析,2、確定尾管的下入深度。2）校核尾管下入到初選點(diǎn)3900m過(guò)程中能否發(fā)生壓差卡套管。,實(shí)例分析,3、確定表管的下入深度D1。,計(jì)算結(jié)果與地層破裂壓力當(dāng)量密度曲線比較,,小結(jié),一、套管的類(lèi)型（套管的層次）二、井身