井身結構優化設計研究

曾 勇，鄭雙進 （長江大學石油工程學院，湖北荊州434023）

吳俊成 （塔里木油田銷售事業部，新疆 庫爾勒841000）

劉存鵬，胡 靖，胡可能，程 萬 （長江大學石油工程學院，湖北荊州434023）

井身結構設計是鉆井工程設計的重要內容之一，它不僅關系到鉆井施工的安全順利，而且還關系到鉆井經濟效益。合理的井身結構設計既能最大限度地避免漏、噴、塌、卡等工程事故的發生，又能最大幅度地減少鉆井工程費用。因此，對井身結構優化設計研究具有重要的實際意義。下面，筆者對井身結構優化設計研究內容進行闡述。

1 井身結構設計的影響因素

1.1 地層壓力

地層壓力包括地層孔隙壓力、地層破裂壓力和地層坍塌壓力[1]。地層孔隙壓力是指巖石孔隙中的流體所具有的壓力，地層破裂壓力是指井壁巖石所受的周向應力超過巖石的拉伸強度時的臨界井眼液柱壓力，地層坍塌壓力是指井壁周圍巖石所受應力超過巖石本身的強度而產生剪切破壞時的臨界井內液柱壓力。在石油鉆井工程中，地層壓力是確定鉆井液密度窗口和設計井身結構的依據，關系到能否安全、優質、快速地進行鉆井作業。因此，準確地確定地層壓力并繪制地層壓力剖面是合理設計井身結構的前提。

1.2 工程系數

現代井身結構設計方法建立在井眼與地層間的壓力平衡基礎上，因此，準確的確定井身結構設計工程系數，直接影響到井身結構的合理設計。

井身結構設計工程系數包括抽吸壓力和激動壓力系數、地層破裂壓力安全系數、井涌系數、壓差卡鉆臨界值等[2]。由于上述工程系數隨井深的變化而變化，因而在設計過程中，應采用隨井深變化的工程系數值。具體情況如下：①抽吸壓力系數和激動壓力系數。石油鉆井過程中，起下鉆或下套管作業過程中在井眼內會產生波動壓力，下放管柱產生激動壓力，上提管柱產生抽吸壓力。因此，在井身結構設計中需要考慮這種由起下鉆或下套管引起的壓力波動。抽吸壓力系數和激動壓力系數受下列因素控制，即管柱起下速度、鉆井液粘度、鉆井液切力、環空間隙、鉆井液密度和環形節流 （如鉆頭泥包）等。在其他條件相同時，波動壓力隨井深增加而增大，隨環空間隙增大而減小，隨定向井偏心度增加而減小。因此，需要結合現場具體工況和大量鄰井資料來確定上述系數。②地層破裂壓力安全系數。該系數針對地層破裂壓力預測有可能產生誤差而設，因而與破裂壓力預測的準確度有很大關系，在設計中應根據地層破裂壓力預測或測試實驗結果來確定具體工程系數值。③井涌系數。該系數表示最大井涌地層的壓力系數超過所用鉆井液密度的最大允許值，該值取決于地層壓力的預測精度，也取決于現場控制井涌的能力（如設備技術條件）。④壓差卡鉆臨界值。裸眼井鉆進過程中，當鉆井液液柱壓力與地層孔隙壓力的差值過大時，不僅造成機械鉆速降低，也會導致壓差卡鉆和壓差卡套管事故的產生。由于各個區塊的地層條件、鉆井液性能、鉆具結構、鉆井工藝措施等有所差異，其壓差卡鉆臨界值也不同。

2 井身結構設計

井身結構設計的實質是確定套管的層次和下入深度。在傳統井身結構設計方法中，主要保證在鉆井過程和井涌壓井時不會壓裂地層而發生井漏，并在鉆井和下套管時不發生壓差卡鉆事故[3]。主要有自下而上、自上而下2種設計方法來逐層確定每層套管的下入深度[4]。自下而上的井身結構設計方法是自下而上逐層確定每層套管的下入深度，保證套管下入深度最淺，套管費用最少，套管下深的合理性取決于對下部地層特性了解的準確程度；而在自上而下的井身結構設計方法中，套管下深根據上部已鉆地層資料確定，不受下部地層的影響，有利于井身結構的動態設計。每層套管下入的深度最深，從而為后續鉆進留有足夠的套管余量，有利于保證順利鉆達目的層位。

對于同一地層存在多套壓力系統的高壓深井 （尤其是深探井），上述井身結構設計方法存在一定缺陷。因為在設計過程中只參考了地層壓力剖面，而許多復雜的井下情況無法反映在地層壓力剖面上，如易漏易塌層、鹽巖層等。為了施工作業順利進行，需要對上述復雜地層進行及時封隔，而在采取上述措施時必須首先確定必封點的位置，這對井身結構設計具有重要作用。必封點包括工程必封點和地質復雜必封點[5]。工程必封點是根據壓力剖面計算出套管的下深位置，而地質復雜必封點包括易坍塌頁巖層、塑性泥巖層、鹽巖層、巖膏層、裂縫型溶洞、破裂帶地層等。因此，在進行井身結構設計時應根據具體地層情況，首先確定必封點的位置，再結合傳統的設計方法確定技術套管、表層套管和油層套管的尺寸和下深，以確定該井的具體井身結構。井身結構設計的具體流程圖如圖1所示。

圖1 井身結構設計流程圖

3 現場應用

采用上述方法對柴達木盆地某口井的井身結構進行設計。該井位于柴達木盆地柴西南區切克里克凹陷切東斜坡，設計井深為3250m，目的層位：

該井的鉆井施工難點主要包括以下幾方面：①中上段巖性基本上以礫巖和砂狀礫巖為主，鉆頭優選困難，同時易坍塌；②地層可鉆性極差，很難提高機械鉆速；③預告地層傾角10～16°，井斜難以控制。

圖2 井身結構優化前后對比圖

該區塊優化前采用的三層井身結構。對該地區已鉆井井身結構、地層壓力系統的研究和鉆井復雜情況進行研究后發現，由于鉆井技術的提高，在鉆井過程中能夠很好處理一些復雜情況和事故，不必為封固某一地層而下技術套管。同時考慮到該地層巖性以礫巖和砂狀礫巖為主，表層套管要封固地表礫石層和淺水層，并且表層套管鞋坐在相對較堅固泥巖井段。因此，根據文獻[4]設計套管下深，將表層套管下入到地層998m的位置，并封固了中部的復雜地層。井身結構優化前后對比圖如圖2所示。井身結構優化前如圖2（a）所示：?339.7mm表層套管下至98m，?244.51mm技術套管下至2398m，?139.7mm油層套管下到井底；井身結構優化后如圖2（b）所示：?244.5mm表層套管下至998m，?139.7mm油層套管下到井底。

井身結構優化后，減少了技術套管，將表層套管的下深由優化前的98m下入到998m，因此單井節約套管費用為62.8萬元 （表層套管的價格為620.24元／m，技術套管的價格為494.37元／m）。表層套管用?244.5mm套管取代了?339.7mm套管，節約了套管成本。平均機械轉速由優化前的5.62m／h提高到7.65m／h，縮短了鉆井周期，節約了鉆井成本。

4 結 語

通過分析井身結構設計的影響因素，將傳統的井身結構設計方法沒有考慮的因素以必封點的形式引入到井身結構設計中。現場實際應用表明，在保證安全鉆井的前提下，優化后的井身結構設計方案將3層的井身結構優化到2層，縮短了鉆井周期，提高了機械轉速，節約了鉆井成本，獲得了良好的經濟效益。

[1]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，2007，29（7）：7-10.

[2]唐志軍.井身結構優化設計方法[J].西部探礦工程，2005，17 （6）：78-80.

[3]謝又新，熊友明.考慮鹽巖層蠕變的井身結構設計研究[J].西南石油學院學報，2002，24（4）：20-23.

[4]SY／T5431-2008，井身結構設計方法[S].

[5]侯喜茹，柳貢慧，仲文旭.井身結構設計必封點綜合確定方法研究[J].石油大學學報，2005，29（4）：52-55.