考慮壓耗的水平井井身結構設計研究方海

代運鋒

摘 要：水平井技術作為提高單井產量、提高采收率的重要技術手段，是鉆井新技術的重要分支。由于水平段壓力分布的特殊性，水平井井身結構設計較直井和定向井有一定的區別。文章分析了水平井井筒壓力分布情況，尤其是水平段壓力變化特征，提出了水平井井身結構設計在水平段時需要著重考慮壓漏和壓差卡鉆的可能性，并且在文中給出了相應的校核設計方法。

關鍵詞：水平井；井身結構；壓力分布；壓漏校核

中圖分類號：TE24 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）06-0015-02

水平井能夠增大泄油面積[1]，提高開采效率，水平井技術已經成為鉆井新技術的重要分支。水平井井身結構設計是水平井鉆井工程的重要步驟，不僅關系到鉆井安全，影響經濟效應，在某種程度上決定了水平井鉆完井的成敗。井身結構設計主要依據地質信息、地層壓力數據和相關的設計系數，通過地質必封點和工程必封點相結合的方式，合理設計出套管程序。這里地質必封點是指由地質情況（坍塌、蠕變和異常壓力體系等）而必須下套管進行封固的層位；工程必封點是指由壓力平衡關系得到必須封固的層位。文章根據在設計中考慮水平段壓力分布的特殊性，對水平井井身結構設計進行研究。

1 水平井井筒壓力分布

1.1 水平段地層破裂壓力分析

地層破裂壓力的預測方法很多，大多針對直井，壓力剖面的有效深度是垂深。下面主要介紹國內外最常用的兩種方法：

1.1.1 Eaton法[2]

Pf=（？啄z-Pp）+Pp

式中：Pf—地層破裂壓，Mpa；？滋—巖石泊松比，無量綱；

式中：？籽d—鉆井液密度，g/cm3；hv—垂深，m；μpv—鉆井液塑性黏度，Pa.s；—鉆桿段或鉆鋌段長度，m；Q—循環排量，m3/s；dh—井眼尺寸，cm；dp—鉆柱外徑，cm。

由以上三式分析可以得出：在水平段中靜液柱壓力PM保持不變，由于壓耗隨井深是動態變化的，即ΔP隨水平段延伸不斷增大，故井底有效液柱壓力在水平段中逐漸增大。

2 水平井井身結構設計主要思路

對水平井井筒壓力分布分析，水平井最大的特點是在水平段中地層孔隙壓力和破裂壓力不隨著水平段的延伸繼續增大，而是在一個小范圍內變化。由于壓耗隨著井深一直在增大，雖靜液柱壓力在水平段保持不變，總的井筒有效液柱壓力會不斷增大。水平井井身結構設計尤其在水平段中需要著重考慮兩個方面的內容：①壓漏校核設計，防止增大的有效液柱壓力大于地層破裂壓力而壓漏地層；②壓差卡鉆校核設計，在水平段由于重力作用，鉆具會緊貼著下部井壁，鉆具外壓力等于水平段地層孔隙壓力，鉆具內壓力等于不斷增大的有效液柱壓力，鉆具內外壓差會隨著水平段的延伸不斷增大，發生壓差卡鉆可能性會更大，故需進行壓差校核設計。

2.1 確定裸眼段長度

確定裸眼段長度是井身結構設計的重要內容之一，裸眼段頂端是上層套管的下深，裸眼段底端是本開次套管下深。裸眼段長度主要是根據壓力平衡關系，通過地層孔隙壓力≤井筒液柱有效壓力≤地層破裂壓力的條件，同時滿足不發生井涌、井漏和卡鉆等復雜事故需滿足的壓力平衡關系來確定裸眼段長度，即：

①防井涌：？籽dmax≥？籽pmax+Sb；

②防壓差卡套管：0.00981×（？籽dmax-？籽pmin）×Dpmin≤ΔP；

③防井漏：？籽dmax+Sg+Sf≤？籽fmin；

④防關井井漏：？籽dmax+Sf+Sk×Dpmax/Dcl≤？籽fmin。

2.2 水平段壓漏及卡鉆校核設計

2.2.1 水平段壓漏校核設計

水平段不被壓漏應滿足以下關系：PEM+Δ？籽f≤Pf。

當套管下深是Dcl，可以由最小曲率法相關公式得到相應的垂深Hcl，同時可以通過壓力剖面得到對應的破裂壓力Pfcl則上面的公示展開：

滿足上面的公示則表示在Dcl不會有壓漏的風險，否則有壓漏的可能。如果壓漏則需要考慮是否有必要下套管，如果通過理論計算有壓漏的可能，不能急著增加開次下套管堵漏，因為這樣會大大延長建井周期同時還會增加鉆井成本。此時主要有兩種措施：

①改變鉆井液性能，由于有效液柱壓力與鉆井液性能（密度和粘度等）有很大關系，通過優選鉆井液性能，適當降低鉆井液密度和粘度，可以顯著降低井筒有效液柱壓力。

②考慮當前工藝技術水平和鉆井施工能力等，尤其是處理壓漏事故的能力。

如果通過以上措施在避免井涌的前提下能夠降低井漏的可能性，就不需要下套管封隔，否則從安全的角度考慮需要增加開次下套管。

2.2.2 水平段壓差卡鉆校核設計

水平段不發生壓差卡鉆應滿足：

PEM-Pp≤ΔPN或ΔPA滿足上面公式表示從壓差的角度考慮不會有卡套管事故，否則會有卡鉆風險。如果理論計算有卡鉆的可能性，不必急著重新設計開次。一是通過降低鉆井液密度和粘度能夠降低有效液柱壓力，減少套管內外壓差；二是調整鉆井液的潤滑性能也可以有效防止卡鉆。如果這些措施還是無法避免卡鉆事故，對開次及套管下深需要重新調整。

3 結 語

①井身結構設計的合理性在很大程度上依賴于對鉆井地質環境的認識程度[4]，了解水平井井筒三壓力的分布特征，對水平井科學設計和優化有很大幫助。

②水平井井身結構設計與直井有一定的區別，主要在水平段中壓力分布的變化，并且鉆具下側會緊貼地層，在設計時更需要考慮卡鉆風險和發生其它鉆井事故的可能性。

③用壓力平衡理論進行井身結構設計時，理論計算會有壓漏或卡鉆等鉆井事故的可能，不必急著重新進行開次設計，通過考慮當前工藝技術水平并合理優選鉆井液性能可能會得到滿足工程要求的設計。

參考文獻：

[1] 徐曉峰，傅春梅，周興付.川西氣田水平井井身結構對排水采氣的影響 [J].新疆石油天然氣2013，（1）.

[2] 《海洋鉆井手冊》編委會.海洋鉆井手冊[M]北京：石油工業出版社，2009.

[3] 張亞峰，井身結構優化設計及配套技術研究[J].中國新技術新產品，2012，（6）.

[4] 徐小峰，孫五苓，白亮清.冀東油田水平井井身結構優化設計[J].石油鉆 采工藝，2007，（7）.