井身結構優化設計及配套技術研究

摘要：井身結構設計是鉆井工程的基礎設計。要實現科學、優質、經濟、安全地鉆井作業，取得預期的鉆探目的和經濟效益，最重要的前提就是要有合理的井身結構。井身結構優化設計，就是對下入井中的套管直徑、深度、層數以及井眼直徑、管外水泥上返高度等油氣井構成元素做出最優的選擇。在工程設計過程中，綜合考慮地質分層、地層壓力、油氣層位置、固井質量、鉆井液性能等因素，對其井身結構進行一系列篩選與優化，得出合理方案。本文通過對國內外井身結構優化設計調研與分析，對深井、水平井等井身結構設計原則，設計系數以及主要的設計方法等進行了主要對比和論述。

關鍵詞：深井；套管；水平井；配套技術

中圖分類號：TE22文獻標識碼：A

1. 井身結構優化設計的依據

1.根據在不同情況下可能產生的井內最大壓力， 保證不致壓裂地層。井內最大壓力可能發生在鉆遇高壓油氣層和塑性地層， 需要增大泥漿比重時控制溢流或井噴的井控作業時其它特殊作業需要井口加回壓時。

2.應滿足平衡壓力鉆井要求，使井底壓力最小，以獲得較高的機械鉆速，最大限度地減少對產層的污染和避免壓差卡鉆。

3.根據鉆遇地層特點，如漏層、坍塌層、斷層、高壓水層及其它特殊地層，設計時應考慮鉆井施工能安全進行。

4.設計時應考慮地質采油提出特殊要求，如大直徑取心，先期裸眼襯管完井等。

5.鉆井工藝技術水平、裝備條件以及鉆井人員的技術素質應予以高度重視。

2.深井井身結構設計的原理

設計的基本原理：根據裸眼井段的力學平衡關系，使每兩層套管之間的裸眼井段滿足以下四個力學平衡方程：

（1）ρd≥ρpmax+Sb+△ρ防井涌

（2）(ρdmax-ρpmin)×Hpmin×0.0098≤△P防卡鉆

（3）ρdmax+Sg+Sf≤ρfmin防漏

（4）ρdmax+Sf+Sk×Hpmax/Hc1≤ρfc1防關井井漏

ρd--鉆井液密度，

ρdmax--裸眼井段內使用的最大鉆井液密度，

ρpmax--裸眼井段鉆遇的最大地層壓力的當量泥漿密度，

Hpmax--最大地層孔隙壓力所處的井深，m

ρpmin--裸眼井段鉆遇的最小地層壓力的當量泥漿密度，

Hpmin--最小地層孔隙壓力所處的井深，m

ρfmin--裸眼井段最小地層破裂壓力的當量泥漿密度，

ρfc1--套管下入深度，m

Hc1--套管鞋處地層破裂壓力的當量泥漿密度，

3. 鉆井液配套技術

深井超深井由于具有井深、井下溫度高、地層壓力高、流動阻力大等特點，鉆井液必須：1)具有良好的性能和高溫穩定性；2)較強的抑制性；3)良好的潤滑防卡能力；4)良好的攜砂、懸浮能力，確保能攜凈鉆屑、井眼清潔；5)良好的流變性，以減少鉆井液的流動阻力，充分發揮鉆頭水馬力作用；6)良好的配伍性，以減少鉆井液對產層的污染，有利于發現和保護油氣層。

3.1防漏及堵漏

井漏原因有

①由于長期注采失調， 孔隙支撐力削弱， 上覆地層在重力作用下產生誘導力， 使地層產生裂縫， 為井漏提供了構造條件②主力油層經過注采流體反復沖蝕， 滲透率提高③同一井眼中壓力層系不均， 縱向上壓力紊亂， 使得上涌下漏、下涌上漏矛盾突出。準確判斷漏失層位和孔喉直徑是防漏的關鍵。

3.2. 防卡潤滑

卡鉆原因分析

定向井鉆井卡鉆事故，除井眼軌跡不柔順、鍵槽原因外，許多卡鉆與鉆井液性能有關。①在上部地層鉆井液濾失量控制不嚴，造成粘土地層吸水膨脹、縮徑、產生小井眼。②鉆井液潤滑性差，加上高密度鉆井液產生的高壓差，使扭矩增加、摩擦力過大。③鉆井液攜砂能力差，斜井段存在“巖屑床”，起鉆時產生砂卡。④抗污染能力弱，遇鹽層后性能變化大，泥餅松軟且厚，極易粘卡。

3.3. 鉆井液技術措施

1)調整好鉆井液性能，實現近平衡壓力鉆井。

2)使用防塌潤滑劑等提高鉆井液的潤滑性能，降低泥餅的厚度和泥餅粘滯系數。直井和定向井摩阻系數分別低于0.15和0.10。

3)加足防塌劑，提高鉆井液的防塌能力，減小掉塊卡鉆和鍵槽卡鉆的幾率。

4)優化鉆井液高溫流變性，控制鉆井液的高溫高壓濾失量低于12mL，防止因鉆井液老化而引起的井下復雜情況。

5)使用好固控設備，控制鉆井液低密度固相體積分數6%左右，最大不超過10%。

6)鉆進易吸水膨脹或疏松地層時，要控制鉆井液濾失，防止因井眼縮徑、坍塌或泥餅過厚而引起阻卡。

結論

(1)合理的井身結構設計對于深井安全鉆井、保護油氣層、提高鉆井速度、降低鉆井的綜合成本具有至關重要的作用。建議進一步開展井身結構優化設計特別對于地層壓力難以準確預測以及地層具有不確定因素的新區探井。

(2)井身結構設計系數是隨井深而變的，在設計中應采用隨井深變化的設計系數值。

(3)對于深井應盡量加大開眼尺寸和套管尺寸，為順利鉆達目的層或加深留有余地。

(4)水平井中，抽吸和激動壓力系數不為定值，它隨井眼測深與垂深之比增加，在最終目標點垂深較小、水平位移較大的水平井中，尤其應該注意波動壓力的影響。

(5)建議加快對井身結構優化相配套的工具、工藝研究的開發，使上述非常規井身結構充分發揮其潛能；需進一步開展新型井身結構優化研究與實踐，使復雜深井有更科學、更安全、更經濟的井身結構設計。

參考文獻

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