影响井身结构设计的主要因素分析

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摘 要：井身结构设计是钻井设计的重要内容之一。合理的井身结构设计能最大限度的避免喷、漏、塌、卡等工程事故的发生，保证钻井作业安全顺利进行，减少钻井费用，降低钻井成本。影响井身结构设计的因素很多，着重分析了钻井工程因素对井身结构设计的影响，并引入了必封点的概念，为合理设计井身结构提供了有效途径。

关键词：井身结构 必封点 影响因素 分析

井身结构设计的主要任务是确定套管的下入层次、下入深度。井身结构设计的合理性在很大程度上依赖于设计者对钻井地质环境（包括岩性、地下压力特性、复杂地层的分布、井壁稳定性、地下流体特性等）的认识程度和钻井装备条件（套管、钻头、井口防喷装置、钻具等）以及钻井工艺技术水平（钻井液工艺、注水泥工艺、井眼轨迹控制技术、操作水平等）的掌握程度。随着钻井装备条件的日益改善以及钻井工艺技术的不断引进和发展，人们对钻井地质客观规律的认识加深，原有的根据地层孔隙压力剖面和破裂压力剖面设计井身结构的模式已不能很好地适应现代钻井条件，需要改进和更新，以获得更加合理的井身结构。

一、井身结构设计原则

1.能有效地保护油气藏，尽量采用较低钻井液密度，减小产层污染；

2.能避免喷、漏、塌、卡等井下复杂情况；

3.当发生溢流时，具有压井处理溢流的能力，在井涌压井时不压漏地层；

4.下套管过程中，井内钻井液液柱压力和地层压力之间的差值不致产生压差卡套管；

5.尽可能提高机械钻速、减小成本；

6.有利于井眼轨迹控制，有利于精确中靶。

通常需要封隔并保护淡水层和非固结地层；封隔块状的蒸发岩（蒸发盐）和易出事故的页岩层段；在钻异常高压层段前先封隔易漏失层位；在钻正常压力层段时先封隔异常高压层；不同压力层系地层或需采用密度相差较大的钻井液来控制的地层不应处于同一裸眼段；避免过长的裸眼。

二、影响井身结构设计的主要因素

1.钻井地质方面的因素

1.1岩性剖面及其故障提示

 应广泛收集同一地区和邻近地区、邻井的钻井资料，包括漏失试验数据、重复地层测试数据、上覆岩层压力；钻进中井眼情况，尤其是井漏、井塌、缩径、卡钻等；钻井总结报告；地层岩石物性（渗透率、孔隙度、胶结情况）；产层开况等。

1.2三个压力剖面

建立地层孔隙压力剖面、地层破裂压力剖面和地层坍塌压力剖面，它们是确定套管层次及下深的最基础数据。

2.钻井工程方面的因素

井身结构设计与钻井工艺水平有着密切的关系。工艺水平高有可能减少套管的层次和套管下深，还有可能减小套管与井眼的间隙，从而缩短建井周期、降低钻井成本。与钻井工程有关的井身结构设计参数主要有：

2.1抽吸压力和激动压力允许值

石油钻井过程中，起下钻或下套管作业时将在井眼内产生波动压力，即下放管柱产生激动压力（surge pressure），上提管柱产生抽吸压力（swab pressure）。抽吸压力发生在起钻时，其结果是降低有效井底压力，激动压力产生于下钻及下套管时，其结果是增大有效井底压力。抽吸压力和激动压力的大小受下列因素控制：⑴管柱的起下速度；⑵钻井液粘度；⑶钻井液静切力；⑷井眼与管柱间的环空间隙；⑸钻井液密度；⑹环形节流（如钻头泥包）。

地层破裂压力安全增值是考虑地层破裂压力预测可能产生误差而设立的安全增值，它与破裂压力预测的精度有关。直井中美国取0.024 g/cm3，中原油田取0.03g/cm3。在设计中，通常根据对地层破裂压力预测或测试结果的可信程度来定。漏失试验测试数据较充分、生产井或在地层破裂压力预测中偏于保守时，地层破裂压力安全增值可取小一些；而在测试数据较少、探井或在地层破裂压力预测中把握较小时，地层破裂压力安全增值需取大一些。一般可取0.03 g/cm3。

2.2井涌条件允许值

钻井施工中，由于对地层压力预测不够准确，所用钻井液密度可能小于异常高压地层的孔隙压力当量钻井液密度值，从而可能发生井涌。发生溢流关井时，关井立管压力的大小反映了环空静液柱压力与地层压力之间的欠平衡量。

井涌条件允许值表示井涌的风险程度，根据估计的最大井涌地层的压力与钻井液密度的差别来确定，该值也取决于现场控制井涌的能力，设备技术条件较好时，可取低值；而风险较大的是高压气层和浅层气，应取高值。美国取0.06 g/cm3；中原在“六·五”研究中取0.06～0.14 g/cm3，“七·五”研究中取0.05～0.10 g/cm3。据O.L.A.Santos（SPE/IADC 21993）分析，倾斜井眼内比垂直井内控制井涌的能力强。在井身结构设计中一般推荐井涌条件允许值取0.05～0.1 g/cm3。

2.3压差允值

裸眼中钻井液液柱压力与地层孔隙压力的差值过大时，除使机械钻速降低外，还会造成压差卡钻。在下套管过程中会产生卡套管事故，使已钻成的井眼无法进行固井和下套管作业。

3.必封点对井身结构设计的影响

目前，套管层次及下深主要是依据井眼与地层的压力平衡来进行的。这种以井内压力平衡为基础，以压力剖面为依据的计算方法，并没有将井身结构设计的所有因素考虑进来，把这些没有包括进来的因素以必封点的形式引入井身结构设计中具有重要意义，它不仅是对以压力剖面及设计系数为基础的设计方法的补充和完善，而且也能检查设计人员对所设计井的认识程度和现场工作经验。

设计必封点的理由有以下几点：

3.1易坍塌页岩层、塑性泥岩层、盐膏层等。在钻井施工中它们是以坍塌、缩径等形式出现，多数情况下控制这些层位的合理钻井液密度是按坍塌压力设计的，但是若控制不同层位坍塌所需钻井液密度相差很大，应以必封点的形式考虑。

3.2一般情况下，地层破裂压力剖面没有包括裂缝溶洞型、破裂带地层、不整合交界面型漏失，当钻至这些层位时，钻井液液柱压力稍大于地层压力即发生井漏。而且浅部疏松地层的地层破裂压力预测方法还不完善。

3.3低压油气层的防污染问题。对于一些低压油气层，其顶部往往存在泥页岩易塌层。

3.4井眼轨迹控制等施工方面的特殊要求。

3.5表层套管的下入深度要满足政府有关的法律法规，重视环境保护工作。一般需要封隔浅部疏松层、淡水层，有时还受到浅层气的影响。

3.6在采用欠平衡压力钻井时，为了维持上部井眼的稳定性，通常将技术套管下至产层顶部。

4.套管和井眼尺寸对井身结构设计的影响

确定井身结构尺寸一般由内向外依次进行，首先确定生产套管尺寸，再确定下入生产套管的井眼尺寸，然后确定中层套管的井眼尺寸，依此类推，直到表层套管的井眼尺寸，最后确定导管尺寸。

套管与井眼之间要留有一定的间隙，间隙过大则不经济，过小会导致下套管困难及注水泥过早脱水形成水泥桥，间隙值一般在9.5～12.7mm，最好为19mm。

三、结论及认识

1.井身结构设计是钻井设计的主要内容之一。合理的井身结构设计既能防止工程事故的发生，又能最大幅度地减少钻井费用，使工程成本达到最低。

2.准确的地质资料参数、切实的井身结构设计参数是合理设计井身结构的前提。

3.为提高井身结构设计的科学性、合理性，在井身结构设计中应采用随井深而变的井身结构设计参数值。

4.应综合考虑地质、钻井、采油、井下作业等因素对井身结构设计的要求，使设计的井身结构更加合理。

参考文献

[1]《钻井手册（甲方）》编写组编《钻井手册（甲方）》（上册），1990.