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井身结构优化设计研究曾勇;郑双进;吴俊成;刘存鹏;胡靖;胡可能;程万【摘要】优化井身结构是钻井工程的关键技术,在钻井设计施工中设计合理的井身结构能够有效的降低钻井成本.通过分析影响井身结构设计的因素,在设计时应根据具体地层情况,再结合传统的设计方法确定技术套管、表层套管和油层套管的尺寸和下深,以确定该井的具体井身结构.现场实践表明,利用该技术可缩短钻井周期和降低钻井成本,获得了良好的经济效益.【期刊名称】《长江大学学报（自然版）理工卷》【年(卷),期】2011(008)009【总页数】3页(P60-62)【关键词】井身结构;必封点;影响因素【作者】曾勇;郑双进;吴俊成;刘存鹏;胡靖;胡可能;程万【作者单位】长江大学石油工程学院,湖北荆州434023;长江大学石油工程学院,湖北荆州434023;塔里木油田销售事业部,新疆库尔勒841000;长江大学石油工程学院,湖北荆州434023;长江大学石油工程学院,湖北荆州434023;长江大学石油工程学院,湖北荆州434023;长江大学石油工程学院,湖北荆州434023【正文语种】中文【中图分类】TE243井身结构设计是钻井工程设计的重要内容之一，它不仅关系到钻井施工的安全顺利，而且还关系到钻井经济效益。
合理的井身结构设计既能最大限度地避免漏、喷、塌、卡等工程事故的发生，又能最大幅度地减少钻井工程费用。
因此，对井身结构优化设计研究具有重要的实际意义。
下面，笔者对井身结构优化设计研究内容进行阐述。
1.1 地层压力地层压力包括地层孔隙压力、地层破裂压力和地层坍塌压力[1]。
地层孔隙压力是指岩石孔隙中的流体所具有的压力,地层破裂压力是指井壁岩石所受的周向应力超过岩石的拉伸强度时的临界井眼液柱压力，地层坍塌压力是指井壁周围岩石所受应力超过岩石本身的强度而产生剪切破坏时的临界井内液柱压力。
在石油钻井工程中，地层压力是确定钻井液密度窗口和设计井身结构的依据，关系到能否安全、优质、快速地进行钻井作业。
149提速提效是钻井技术发展的趋势，通过技术攻关切实解决油田勘探开发面临的难题，从而为油田高效开发保驾护航[1-4]。
随着全球能源结构的不断变化和天然气需求量的不断增加，储气库的建设越来越受到人们的关注，而储气库水平井作为一项新兴技术，具有储层渗透性好、储气能力强、钻井周期短等优点，在储气库建设中得到了广泛应用。
储气库水平井井身结构的设计是一项复杂的工作，需要考虑多种因素，如储层的地质条件、储气能力、钻井设备、材料强度等[5]。
因此优化储气库水平井井身结构，提高储气能力和钻井效率，是当前储气库建设中的一项重要任务。
1 技术研究背景储气库水平井井身结构优化技术应用价值非常高，能为我国能源工业的发展和进步做出重要贡献。
首先，优化后的井身结构，可以更好地适应储气库的地质条件和生产环境，避免传统受到外部因素干扰导致产能下架的弊端，进一步储气库的储气能力。
同时由于结构得到优化，干扰因素减少，钻井效率提高，这对于提高储气库的经济效益和社会效益具有重要意义[6]。
其次，保护储气库的地质环境。
优化后的井身结构能减少对储气库的地质环境的破坏，避免出现渗漏、坍塌等问题，减少对地层的破坏和污染，便于储气库水平井可持续发展[7]。
最后，满足储气库产能扩大的需求。
优化后的井身结构得到稳固，储气能力和储气效率显著提升，满足日益增长的储气量需求，对于保障国家能源安全和能源战略的实施具有重要价值。
2 储气库钻井技术介绍随着技术的革新换代，如今储气库水平井井身结构优化技术已经演化出很多技术分支。
2.1 套管钻井技术套管钻井技术是指在套管中钻井，减少钻井液对储层的污染和破坏，提高储气库的储气能力。
该技术适用于储层较稳定、地层压力较高的储气库。
在套管钻井过程中，使用套管作为钻井的支撑结构，能够避免钻井渗漏的情况产生，降低污染和能源浪费，保证生产安全[8]。
2.2 欠平衡钻井技术欠平衡钻井技术是指钻井在钻进过程中，保持欠平衡状态，通过控制钻井液的压力，使其低于地层压力，减少对储层的压力和破坏，优化储气库的地质环境，确保安全生产。
是卡钻的风险。
在高速钻进时，易造成PDC 钻头的损坏和定向工具的磨损，主要为螺杆扶正器衬套或旋转导向推靠装置的磨损，PDC 钻头保径齿的破坏，因此，为保护PDC 钻头和定向工具，一般做法是通过降低钻进参数，但导致机械钻速低。
(3)油田不同区域储层压力差异大，油田中部该层位属于低压油藏，北部的Basal Tena 地层压力系数为1.366，属于高压油藏，储层类型为中低孔、中高渗类型，南部区域开发程度低，油藏压力保持良好，接近原始地层压力，在北部和南部钻井井控风险增大，有一定井喷风险。
如果与Napo 组的两套低压油藏同存，会存在高钻井液密度污染损害Napo 组储层的情况，并且容易诱发上喷下漏的问题，需要有针对性的调整井身结构。
(4)Napo 组下部有多套含油砂岩，该层段页岩、灰岩和砂岩交替发育，页岩具有裂缝发育，松散破碎，容易垮塌，产层砂岩孔隙度大，渗透性高，井壁容易堆积较厚泥饼，容易发生压差卡钻。
(5)Napo 、Hollin 地层含高岭石层段的岩石极易水化膨胀，造成井眼缩径失稳，因此，在下入尾管过程中，存在下入困难，甚至未下到预定位置的情况，造成井下风险增高、钻井周期增长等不利。
2 井身结构优化设计2.1 地层必封点确定根据P 油田地质工程特点，结合油田开发需求，参考目前相关工艺技术水平，加上对同区已钻直井、定向井的实钻情况进行研究，分析得出本区块纵向上存在三个必封点：(1)必封点1：井深10～50m 左右。
地表浅层疏松，易窜漏，若长时间浸泡，还可能出现垮塌，造成钻机底座不平稳等风险。
(2)必封点2：Tiyuyacu 组上部。
一方面，上部第三系地层新，欠压实，存在大段泥岩和页岩，易水化膨胀，井壁稳定性差；另一方面，虽然上部泥、页岩层和下部大段砾石层防塌需求高，但二者防塌机理不同，钻井液性能差异大。
因此，将必封点设在Tiyuyacu 组上部，以适时封隔晚第三系高水敏性垮塌层。
(3)必封点3：Napo 组上部。
井身结构优化设计方法
发表时间：2016-06-12T17:09:05.810Z 来源：《基层建设》2016年4期作者：武国斌
[导读] 分析了国内外井身结构系列的特点，讨论了井身结构设计原则和井身结构设计系数。
新疆维吾尔自治区有色地质勘查局七O六队新疆阿勒泰 836500
摘要：分析了国内外井身结构系列的特点，讨论了井身结构设计原则和井身结构设计系数。
探讨了井身结构设计方法；提出了井身结构优化方案。
为钻井工程设计提供了参考依据，具有一定的实用价值。
关键词：井身结构；套管系列；优化设计；设计系数；原则；方法
1 国内外井身结构系列分析评价
1.1 国内常用井身结构系列的分析评价
国内常用的井身结构系列在地质条件不太复杂的地区是适用的，这已为钻井实践所证明。
但在复杂地质条件下，如此少的套管和钻头系列便显示出局限性。
主要存在以下几方面的问题：
（1）套管层数少，不能满足封隔多套复杂地层的要求。
目前采用的套管程序中仅有一至两层技术套管，在钻达设计目的层前只能封隔一至两套不同压力系统的地层，遇到更多的不同压力系统的地层只能把目的层套管提前下入，结果是提前下入了层套管井眼就缩小一级，最后无法钻达设计目的层。
（2）目的层套管（7＂和5＂）与井眼的间隙小，易发生事故。
在81/2＂（215.9mm）井眼内下7＂套管，其接箍间隙为9.1mm。
在6＂（57/8＂）井眼内下5＂套管，接箍间隙只有5.6mm（4.0mm）。
由于套管与井眼的间隙小，易发生下套管遇阻或下不到预定深度，且固井质量难以保证。
（3）下部井眼尺寸（6＂或57/8＂），不利于快速、优质、安全钻井，也不能满足采油工艺和地质加深的要求。
1.2 国外常用井身结构系列的特点
（1）开眼直径大，导管和表层套管尺寸大。
大多数深井及超深井大都采用一层至两层较大尺寸的导管来封隔多套不同压力系统的复杂地层，给下部井段套管及钻头尺寸的选择留有充分的余地。
而且下部井眼可采用较大尺寸钻头钻进，有利于钻井作业。
（2）完钻井眼尺寸大。
全井能用5＂或更大尺寸钻杆钻进，能使钻头类型及钻井水力参数得以优化，有利于采油和井下作业。
（3）套管与井眼尺寸选配合理。
较小井眼尺可能选用大尺寸钻头，大尺寸井眼尽可能选用较小尺寸钻头，利于充分发挥钻头的破岩效率，提高机械钻速，降低钻井成本。
2 井身结构优化设计方法
2.1 井身结构优化设计的原则
（1）能满足钻井作业要求，有利于实现安全、快速、低成本钻井。
（2）生产套管尺寸应能满足采油、增产措施和井下作业的要求。
（3）尺量采用API标准系列的套管和钻头。
（4）表层套管的选择要考虑常用井口防喷装置的规格。
（5）在满足下套管和注水泥要求的前提下，采用较小的套管/井眼间隙值，以减小套管和井眼尺寸（最小间隙≥9.5mm）。
（6）尽可能增加使用83/8＂-91/2＂钻头钻进井段的长度。
（7）对探井和地质要求条件复杂的开发井，套管程序设计要留有余地，必要时可增加一层套管。
（8）要有利于提高钻井速度，缩短钻井周期，降低钻井成本。
2.2 井身结构设计系数的确定
井身结构设计系数包括：抽吸压力系数Sb、激动压力系数Sg、地层破裂压力安全系数Sf、井涌条件Sk、压差允值（ΔPn和ΔPa）等。
井身结构设计系数是随井深而变的，随井深的增加，抽吸压力和激动压力系数增大、井涌系数减小、破裂压力安全系数减小、压差卡钻系数可能因地层压力不同而不同。
以往在井身结构设计中，没有考虑井身结构设计系数随井深的变化，全井采用某一定值，存在一定偏差。
为提高井身结构设计的科学性和合理性，应采用随井深变化的井身结构设计系数值。
2.3 井身结构设计方法
2.3.1 传统的设计方法
传统的设计方法是采取由下而上的设计方法，即套管设计从目的层生产套管开始自下而上逐层确定每层套管的下入深度和尺寸。
一般设计步骤为：从目的层开始，根据裸眼井段需满足的约束条件，确定生产套管的尺寸，再根据生产套管的外径并留有足够的环隙选择相应的钻头尺寸，然后以上一层套管内径必须让下部井段所用的套管和钻头是非曲直利通过为原则来确定上一层套管柱的最小尺寸。
依此类推，选择更进浅井段的套管和钻头尺寸。
传统的设计方法具有以下特点：
（1）每层套管下入的深度浅，套管成本低。
适合于已探明地区开发井的井身结构设计；
（2）上部套管下入深度的合理性取决于对下部地层特性了解的准确程度和充分程度；
（3）对于深探井，由于存在地层不确定性和对下部地层了解不充分，难以应用传统方法自下而上确定每层套管的下深。
因此，需对传统的井身结构设计方法进行改进。
2.3.2 改进的设计方法
在深井及探井中存在地层压力的不确定性、地层状态和岩性的不确定性、地层分层深度和完井深度的不确定性。
其井身结构设计不应以套管下入深度最浅、套管费用最低为主要目标。
而应要确保钻井成功率，顺利钻达目的层为首选目标。
要提高钻探的成功率，就必须有足够的套管层次储备，以便一旦钻遇未预料到复杂层位时能够及时封隔，并继续钻进。
同时希望上部大尺寸套管尽量下深，以便在下部地层的钻进时有一定的套管层次储备和不至于用小尺寸井眼完井。
因此，可考虑采用自上而下设计方法。
该方法除考虑裸眼井段必须满足的
压力平衡约束条件外，还考虑了井眼坍塌压力的影响以及必封点的问题。
在已确定了表层套管下深的基础上，根据裸眼井段需满足的约束条件，从表层套管鞋处开始向下逐层设计每一层技术套管的下入深度，直至目的层的生产套管。
该设计方法具有以下特点：（1）套管下深时根上部已钻底层的资料确定的，不受下部地层的影响，有利于井身结构的动态设计。
（2）每层套管下入的深度最深。
有利于保证实现钻探目的，顺利钻达目的层位。
（3）与传统设计方法联合应用，可以给出套管合理的下深区间。
3 井身结构优化方案
3.1 改进的井身结构系列方案
改进的井身结构系列见表1。
方案1：在20＂～13 3/8＂套管之间增加一层16＂套管；方案2：在13 3/8＂～9 5/8＂套管之间增加一层11 3/4＂尾管（无接箍）；方案3：在20＂～9 5/8＂套管之间增加16＂和11 7/8＂套管各一层。
3.2 新设计井身结构系列方案
新设计井身结构系列方案见表4。
