井身结构优化设计方法

井身结构优化设计方法

武国斌

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＂～133/8＂套管之间增加一层16＂套管；方案2：在133/8＂～95/8＂套管之间增加一层113/4＂尾管（无接箍）；方案3：在20＂～95/8＂套管之间增加16＂和117/8＂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。