套管柱及注水泥设计——井身结构设计具体设计方法.pptx

绪绪 论论 第一章第一章 完井工程的基础完井工程的基础 第二章第二章 套管柱及注水泥设计套管柱及注水泥设计 第三章第三章 完井液和完井方式完井液和完井方式 第四章第四章 射孔射孔 第五章第五章 投产措施投产措施 第六章第六章 完井管柱及井口装置完井管柱及井口装置 课程总结课程总结 完井工程完井工程课课课课程程程程内内内内容容容容及及及及课课课课时时时时分分分分布布布布第二章第二章 套管柱及注水泥设计套管柱及注水泥设计第一节第一节 井身结构设计井身结构设计 第二节第二节 生产套管尺寸的确定生产套管尺寸的确定 第三节第三节 套管柱设计套管柱设计 第四节第四节 注水泥技术注水泥技术 第五节第五节 复杂类型井套管柱设计和注水泥技术简介复杂类型井套管柱设计和注水泥技术简介第一节第一节 井身结构设计井身结构设计一、套管的类型（套管的层次）一、套管的类型（套管的层次）二、井身结构设计的原则二、井身结构设计的原则三、依据两条压力曲线进行设计三、依据两条压力曲线进行设计四、依据两条压力曲线进行井身结构设计的具体方法四、依据两条压力曲线进行井身结构设计的具体方法五、套管尺寸和井眼尺寸的选择五、套管尺寸和井眼尺寸的选择六、水泥返深设计六、水泥返深设计七、现场井身结构设计方法七、现场井身结构设计方法参考文献：参考文献：SY/T5431-1996 井身结构设计井身结构设计三、依据两条压力曲线进行设计三、依据两条压力曲线进行设计（一）井身结构设计内容（一）井身结构设计内容（一）井身结构设计内容（一）井身结构设计内容 套管层次和下入深度；套管层次和下入深度；井眼尺寸井眼尺寸(钻头尺寸钻头尺寸)与套与套管尺寸的配合。管尺寸的配合。井身结构设计是井身结构设计是井身结构设计是井身结构设计是“钻井工程设计钻井工程设计钻井工程设计钻井工程设计”的基础。它不仅关系到钻井技术的基础。它不仅关系到钻井技术的基础。它不仅关系到钻井技术的基础。它不仅关系到钻井技术经济指标和钻井工作的成效，也关经济指标和钻井工作的成效，也关经济指标和钻井工作的成效，也关经济指标和钻井工作的成效，也关系到生产层的保护和产能的维持。系到生产层的保护和产能的维持。系到生产层的保护和产能的维持。系到生产层的保护和产能的维持。技术套管技术套管油层尾管油层尾管三、依据两条压力曲线进行设计三、依据两条压力曲线进行设计（二）井身结构设计的步骤（二）井身结构设计的步骤（二）井身结构设计的步骤（二）井身结构设计的步骤 绘制待钻井的压力梯度曲线图绘制待钻井的压力梯度曲线图绘制待钻井的压力梯度曲线图绘制待钻井的压力梯度曲线图(两条关两条关两条关两条关键曲线）；键曲线）；键曲线）；键曲线）；确定待钻井的井身结构各设计系数；确定待钻井的井身结构各设计系数；确定待钻井的井身结构各设计系数；确定待钻井的井身结构各设计系数；确定生产套管的下入深度；确定生产套管的下入深度；确定生产套管的下入深度；确定生产套管的下入深度；确定中间套管或尾管的下入深度；确定中间套管或尾管的下入深度；确定中间套管或尾管的下入深度；确定中间套管或尾管的下入深度；确定表层套管的下入深度；确定表层套管的下入深度；确定表层套管的下入深度；确定表层套管的下入深度；确定各层套管的尺寸和套管外水泥的确定各层套管的尺寸和套管外水泥的确定各层套管的尺寸和套管外水泥的确定各层套管的尺寸和套管外水泥的返深及相应的钻头尺寸。返深及相应的钻头尺寸。返深及相应的钻头尺寸。返深及相应的钻头尺寸。设计顺序：设计顺序：设计顺序：设计顺序：由下向上、由内向外进行逐层设计由下向上、由内向外进行逐层设计由下向上、由内向外进行逐层设计由下向上、由内向外进行逐层设计四、依据两条压力曲线进行井身结构设计的具体方法四、依据两条压力曲线进行井身结构设计的具体方法 设计关键：中间套管设计设计关键：中间套管设计设计关键：中间套管设计设计关键：中间套管设计 设计顺序：设计顺序：设计顺序：设计顺序：由下向上、由内向外。由下向上、由内向外。由下向上、由内向外。由下向上、由内向外。生产套管生产套管生产套管生产套管技术套管技术套管技术套管技术套管表层套管表层套管表层套管表层套管地层地层QQ350350N N2 2d d940940N N1 1t t19401940N N1 1s s22452245E E2-32-3a a29502950E E1-21-2z z35703570K K2 2d d36003600（未穿）（未穿）（未穿）（未穿）井身结构井身结构四、依据两条压力曲线进行井身结构设计的具体方法四、依据两条压力曲线进行井身结构设计的具体方法（一）设计基本原理（一）设计基本原理确定套管下入深度的依据，是在钻下部井段的过确定套管下入深度的依据，是在钻下部井段的过程中所预计的最大井内压力不至于压裂上层套管鞋程中所预计的最大井内压力不至于压裂上层套管鞋处的裸露地层。处的裸露地层。地层地层QQ350350N N2 2d d940940N N1 1t t19401940N N1 1s s22452245E E2-32-3a a29502950E E1-21-2z z35703570K K2 2d d36003600（未穿）（未穿）（未穿）（未穿）井身结构井身结构四、依据两条压力曲线进行井身结构设计的具体方法四、依据两条压力曲线进行井身结构设计的具体方法（一）设计基本原理（一）设计基本原理套管鞋处套管鞋处地层最容易压地层最容易压破，为什么？破，为什么？四、依据两条压力曲线进行井身结构设计的具体方法四、依据两条压力曲线进行井身结构设计的具体方法（一）设计基本原理（一）设计基本原理钻下部井段的过程中，所预计的最大井内压力不至钻下部井段的过程中，所预计的最大井内压力不至于压裂本层套管鞋处的裸露地层。于压裂本层套管鞋处的裸露地层。假设三开井身结构，技套下深为假设三开井身结构，技套下深为D D2 2，则：，则：1 1）当钻达）当钻达D D2 2之前，从表套套管鞋到钻头所在位置之前，从表套套管鞋到钻头所在位置都是裸眼，薄弱地层是表套套管鞋。都是裸眼，薄弱地层是表套套管鞋。这里的设计重点应该是进行二开钻进时不要压破表这里的设计重点应该是进行二开钻进时不要压破表套套管鞋处地层。套套管鞋处地层。决定表套是否被压破取决于钻进决定表套是否被压破取决于钻进D D1 1 D D2 2井段时井井段时井内最大压力（或最大当量泥浆密度）内最大压力（或最大当量泥浆密度）;D D2 2 D D3 3井段对表套套管鞋薄弱地层有没有影响？井段对表套套管鞋薄弱地层有没有影响？或者说对表套的下入深度有没有影响？或者说对表套的下入深度有没有影响？地层地层QQ350350N N2 2d d940940N N1 1t t19401940N N1 1s s22452245E E2-32-3a a29502950E E1-21-2z z35703570K K2 2d d36003600（未穿）（未穿）（未穿）（未穿）井身结构井身结构D3D2D1对对于于表表套套下下入入深深度度四、依据两条压力曲线进行井身结构设计的具体方法四、依据两条压力曲线进行井身结构设计的具体方法（一）设计基本原理（一）设计基本原理钻下部井段的过程中，所预计的最大井内压力不至钻下部井段的过程中，所预计的最大井内压力不至于压裂本层套管鞋处的裸露地层。于压裂本层套管鞋处的裸露地层。假设三开井身结构，技套下深为假设三开井身结构，技套下深为D2，则：，则：2）当钻达）当钻达D2之后，再进行钻进，实际上是进行三之后，再进行钻进，实际上是进行三开钻进，开钻进，D2之上地层都已经用套管封隔，薄弱地层是之上地层都已经用套管封隔，薄弱地层是技套套管鞋。技套套管鞋。这里的设计重点应该是进行三开钻进时不要压破技这里的设计重点应该是进行三开钻进时不要压破技套套管鞋处地层。套套管鞋处地层。所以对技套下入深度有影响的井段为所以对技套下入深度有影响的井段为D2 D3;此时还考虑表层套管套管鞋出的薄弱地层吗？此时还考虑表层套管套管鞋出的薄弱地层吗？地层地层QQ350350N N2 2d d940940N N1 1t t19401940N N1 1s s22452245E E2-32-3a a29502950E E1-21-2z z35703570K K2 2d d36003600（未穿）（未穿）（未穿）（未穿）井身结构井身结构D3D2D1对对于于技技套套下下入入深深度度（二）中间套管设计（二）中间套管设计1、求初始下入深度的假定点、求初始下入深度的假定点利用地层压力剖面图中最大地层压力梯度，计算：利用地层压力剖面图中最大地层压力梯度，计算：利用地层压力剖面图中最大地层压力梯度，计算：利用地层压力剖面图中最大地层压力梯度，计算：钻进中不至于压钻进中不至于压钻进中不至于压钻进中不至于压裂上部地层的当量密度裂上部地层的当量密度裂上部地层的当量密度裂上部地层的当量密度 ff ff （ff ff 称为称为称为称为地层设计破裂压力当量密度地层设计破裂压力当量密度地层设计破裂压力当量密度地层设计破裂压力当量密度）。）。）。）。根据上式确定套管的最大下深。根据上式确定套管的最大下深。根据上式确定套管的最大下深。根据上式确定套管的最大下深。分两种情况计算分两种情况计算ff：（1 1）正常作业（不会发生井涌）时）正常作业（不会发生井涌）时）正常作业（不会发生井涌）时）正常作业（不会发生井涌）时（2 2）发生溢流（井涌）时）发生溢流（井涌）时）发生溢流（井涌）时）发生溢流（井涌）时（二）中间套管设计（二）中间套管设计抽汲压力系数抽汲压力系数激动压力系数激动压力系数破裂压力安全增值破裂压力安全增值图中（裸眼段）最大地层压力对应的当量密度值图中（裸眼段）最大地层压力对应的当量密度值地层设计破裂压力当量密度地层设计破裂压力当量密度（1 1）正常作业时（不会发生井涌时）：）正常作业时（不会发生井涌时）：）正常作业时（不会发生井涌时）：）正常作业时（不会发生井涌时）：*只有在确认不会发生溢流的情况下才会使用公式。只有在确认不会发生溢流的情况下才会使用公式。只有在确认不会发生溢流的情况下才会使用公式。只有在确认不会发生溢流的情况下才会使用公式。（二）中间套管设计（二）中间套管设计（a a）在压力剖面图的横坐标上找）在压力剖面图的横坐标上找）在压力剖面图的横坐标上找）在压力剖面图的横坐标上找出出出出地层设计破裂压力当量密度地层设计破裂压力当量密度地层设计破裂压力当量密度地层设计破裂压力当量密度 ff ff ;（b b）从该点向上引垂线与破裂）从该点向上引垂线与破裂）从该点向上引垂线与破裂）从该点向上引垂线与破裂压力线相交，交点所在的深度及为压力线相交，交点所在的深度及为压力线相交，交点所在的深度及为压力线相交，交点所在的深度及为中间套管下入深度的初始假定点中间套管下入深度的初始假定点中间套管下入深度的初始假定点中间套管下入深度的初始假定点D D2121。（二）中间套管设计（二）中间套管设计（2 2）发生溢流（井涌）时）发生溢流（井涌）时）发生溢流（井涌）时）发生溢流（井涌）时假设当钻至假设当钻至假设当钻至假设当钻至最大地层压力点对应深度最大地层压力点对应深度最大地层压力点对应深度最大地层压力点对应深度（D Dpmax pmax）处时，发生一个大小为处时，发生一个大小为处时，发生一个大小为处时，发生一个大小为 的溢流，此时需要停泵并关闭防喷器。若假设套管下深为的溢流，此时需要停泵并关闭防喷器。若假设套管下深为的溢流，此时需要停泵并关闭防喷器。若假设套管下深为的溢流，此时需要停泵并关闭防喷器。若假设套管下深为D D2x2x，同时考虑到地，同时考虑到地，同时考虑到地，同时考虑到地层破裂压力评价误差，容易导出此时层破裂压力评价误差，容易导出此时层破裂压力评价误差，容易导出此时层破裂压力评价误差，容易导出此时地层设计破裂压力当量密度地层设计破裂压力当量密度地层设计破裂压力当量密度地层设计破裂压力当量密度 ff ff:由于（由于（2 2）式中包含有未知数）式中包含有未知数 D D2x2x，所以解这，所以解这个方程使用迭代（试算）法求解；个方程使用迭代（试算）法求解；D Dpmaxpmax裸眼段最大地层压力点对应的深度（裸眼段最大地层压力点对应的深度（裸眼段最大地层压力点对应的深度（裸眼段最大地层压力点对应的深度（mm）；）；）；）；D D2x2x中间套管下入深度的初始假定点深度（中间套管下入深度的初始假定点深度（中间套管下入深度的初始假定点深度（中间套管下入深度的初始假定点深度（mm）；）；）；）；S Sk k井涌条件允许值（井涌条件允许值（井涌条件允许值（井涌条件允许值（g/cmg/cm3 3）。）。）。）。（2）（二）中间套管设计（二）中间套管设计2、验证初始设计下入深度是否会发生卡钻、验证初始设计下入深度是否会发生卡钻计算计算计算计算正常正常正常正常孔隙压力地层孔隙压力地层孔隙压力地层孔隙压力地层最大深度最大深度最大深度最大深度D D D Dminminminmin处的钻井液柱压力与地层孔隙处的钻井液柱压力与地层孔隙处的钻井液柱压力与地层孔隙处的钻井液柱压力与地层孔隙压力的差值：压力的差值：压力的差值：压力的差值：（3 3）（二）中间套管设计（二）中间套管设计当有可能发生压差卡钻时，用下式重新计算中间套管下入深度：当有可能发生压差卡钻时，用下式重新计算中间套管下入深度：当有可能发生压差卡钻时，用下式重新计算中间套管下入深度：当有可能发生压差卡钻时，用下式重新计算中间套管下入深度：在压力曲线图上找出在压力曲线图上找出在压力曲线图上找出在压力曲线图上找出 pperpper对应的深对应的深对应的深对应的深度，即为中间套管下入深度。度，即为中间套管下入深度。度，即为中间套管下入深度。度，即为中间套管下入深度。抽汲压力系数抽汲压力系数深度为深度为Dmin处对应的地层压力当量密度处对应的地层压力当量密度在压差允许值下最大地层压力当量密度在压差允许值下最大地层压力当量密度（二）中间套管设计（二）中间套管设计当中间套管下入深度小于初始假定点时，需要当中间套管下入深度小于初始假定点时，需要下入尾管，并确定尾管的下入深度。下入尾管，并确定尾管的下入深度。根据中间套管下入深度根据中间套管下入深度D2处（即：套管鞋处）处（即：套管鞋处）的地层破裂压力当量密度的地层破裂压力当量密度 fD2，由下式可求得允，由下式可求得允许的最大地层压力当量密度：许的最大地层压力当量密度：（4）式中式中:D31钻井尾管下入深度的假定点钻井尾管下入深度的假定点,3、计算并验证尾管的下入深度、计算并验证尾管的下入深度D31(课本课本P253）注：式（注：式（4）的计算方法同式（）的计算方法同式（2），采用迭代方法进行计算。），采用迭代方法进行计算。（三）计算表层套管下入深度（三）计算表层套管下入深度D1（课本（课本P253-254）考虑井涌压井条件或探井设计时，用下述方法确定表层套管下深。考虑井涌压井条件或探井设计时，用下述方法确定表层套管下深。1）根据中间套管下入深度）根据中间套管下入深度D2处（套管鞋处）的地层孔隙压力当量密度，处（套管鞋处）的地层孔隙压力当量密度，在给定井涌压井条件在给定井涌压井条件Sk下初选一个表层套管下入深度下初选一个表层套管下入深度D1，用下式计算井涌关，用下式计算井涌关井时表层套管鞋处能承受的压力（或：井时表层套管鞋处能承受的压力（或：地层设计破裂压力当量密度地层设计破裂压力当量密度），以当量），以当量密度表示：密度表示：ff1：ff1井涌关井时表层套管鞋处承受的压力（以当量密度表示），井涌关井时表层套管鞋处承受的压力（以当量密度表示），g/cm3；pD2中间套管鞋处地层孔隙压力（以当量密度表示），中间套管鞋处地层孔隙压力（以当量密度表示），g/cm3；D2中间套管下深，中间套管下深，m；D1x入深度的初始假定点深度，入深度的初始假定点深度，入深度的初始假定点深度，入深度的初始假定点深度，mm；显然：式中包含有未知数显然：式中包含有未知数 D D1x1x，使用试算法求解。，使用试算法求解。若计算结果若计算结果若计算结果若计算结果 ff ff1 1值小于值小于值小于值小于D D D D2 2 2 2处的地层破裂压力当量密度处的地层破裂压力当量密度处的地层破裂压力当量密度处的地层破裂压力当量密度0.0240.0240.048 g/cm0.048 g/cm3 3时，时，时，时，符合要求，该深度即为表层套管下入深度。符合要求，该深度即为表层套管下入深度。符合要求，该深度即为表层套管下入深度。符合要求，该深度即为表层套管下入深度。否则，应该加深表层套管深度再进行试算。否则，应该加深表层套管深度再进行试算。否则，应该加深表层套管深度再进行试算。否则，应该加深表层套管深度再进行试算。2 2 2 2）设计表层套管下入深度时候，一般不需要进行压差卡钻校核。）设计表层套管下入深度时候，一般不需要进行压差卡钻校核。）设计表层套管下入深度时候，一般不需要进行压差卡钻校核。）设计表层套管下入深度时候，一般不需要进行压差卡钻校核。（三）计算表层套管下入深度（三）计算表层套管下入深度D1（课本（课本P253-254）实例分析实例分析例例1某井井深某井井深H=4400m，地层孔隙压力梯度及破裂压力梯度剖，地层孔隙压力梯度及破裂压力梯度剖面见图面见图3-8-1-5。设计给定：设计给定：Sb=0.036g/cm3；Sg=0.04g/cm3；Sk=0.06g/cm3；Sf=0.03g/cm3；PN=12MPa；Pa=18MPa。油层套管采用油层套管采用139.7mm（51/2in）套管。）套管。实例分析实例分析解：由图上查得最大地层孔隙压力梯度解：由图上查得最大地层孔隙压力梯度为为2.04g/cm3，位于，位于4250m。1、确定中间套管下入深度。、确定中间套管下入深度。1）确定下入深度初选点）确定下入深度初选点D21。若预计要发生井涌，由（若预计要发生井涌，由（7-2）式）式3400实例分析实例分析1、确定中间套管下入深度。、确定中间套管下入深度。1）确定下入深度初选点）确定下入深度初选点D21。试取试取D21=3400m，将，将3400m代入上式得：代入上式得：由图上查得由图上查得3400m处处f3400=2.19g/cm3；因为因为ff3400且相近，所以确定中间套管且相近，所以确定中间套管下入深度初选点为下入深度初选点为21=3400m。3400计算结果与地层破裂压力当量密度曲线比较计算结果与地层破裂压力当量密度曲线比较实例分析实例分析1、确定中间套管下入深度。、确定中间套管下入深度。2）校核中间套管下入到初选点）校核中间套管下入到初选点3400m过程中是否会发生差卡套管。过程中是否会发生差卡套管。由图上查得：由图上查得：3400m处，处，f3400=1.57g/cm3；Dpmin=3050m，min=1.07g/cm3则由（则由（7-3）式得：）式得：P=0.009813050（1.57+0.036-1.07）=16.037MPa因为因为PPN，所以中间套管下深应浅于初选点。，所以中间套管下深应浅于初选点。3400实例分析实例分析1、确定中间套管下入深度。确定中间套管下入深度。2）校核中间套管下入到初选点）校核中间套管下入到初选点3400m过程中是否会发生差卡套管。过程中是否会发生差卡套管。在在PN=12MPa下所允许的最大地层下所允许的最大地层压力梯度可由（压力梯度可由（7-4）式求得。则有：）式求得。则有：由由图图中中地地层层孔孔隙隙压压力力梯梯度度曲曲线线上上查查出出与与pper=1.435g/cm3对对应应的的井井深深为为3200m，则中间套管下入深度，则中间套管下入深度D2=3200m。由于由于D2D21，所以还必须下入尾套管。，所以还必须下入尾套管。3200计算结果与地层压力当量密度曲线比较计算结果与地层压力当量密度曲线比较实例分析实例分析2、确定尾管的下入深度。、确定尾管的下入深度。1）确定尾管下入深度初选点为）确定尾管下入深度初选点为D31由剖面图查得中间套管下入深度由剖面图查得中间套管下入深度由剖面图查得中间套管下入深度由剖面图查得中间套管下入深度3200m3200m3200m3200m处地层破裂压力梯度处地层破裂压力梯度处地层破裂压力梯度处地层破裂压力梯度 f3200f3200=2.15g/cm=2.15g/cm3 3 ，由（，由（，由（，由（7-57-57-57-5）式，并）式，并）式，并）式，并代入各值则有：代入各值则有：代入各值则有：代入各值则有：3900计算结果与地层压力当量密度曲线比较计算结果与地层压力当量密度曲线比较实例分析实例分析2、确定尾管的下入深度。、确定尾管的下入深度。2）校核尾管下入到初选点校核尾管下入到初选点3900m过程中能否发生压差卡套管过程中能否发生压差卡套管。实例分析实例分析3、确定表管的下入深度、确定表管的下入深度D1。计算结果与地层破裂压力当量密度曲线比较计算结果与地层破裂压力当量密度曲线比较小结小结一、套管的类型（套管的层次）一、套管的类型（套管的层次）二、井身结构设计的原则二、井身结构设计的原则三、依据两条压力曲线进行设计三、依据两条压力曲线进行设计四、依据两条压力曲线进行井身结构设计的具体方法四、依据两条压力曲线进行井身结构设计的具体方法以上内容全部都是重点，要求大家必须掌握以上内容全部都是重点，要求大家必须掌握思考题思考题1 1、简述套管的类型及其功用；、简述套管的类型及其功用；、简述套管的类型及其功用；、简述套管的类型及其功用；2 2、进行井身结构设计所要遵循的原则有哪些？、进行井身结构设计所要遵循的原则有哪些？、进行井身结构设计所要遵循的原则有哪些？、进行井身结构设计所要遵循的原则有哪些？3 3、计算题、计算题、计算题、计算题(要求必须掌握）要求必须掌握）要求必须掌握）要求必须掌握）：P299,T3P299,T3