水平井井身結構設計之壓漏校核新方法

鄭雙進 賈世文 張文敏 余 勤

（1.中石油鉆井工程重點實驗室長江大學研究室·長江大學石油工程學院，湖北武漢 434023；2.中國石油長城鉆探工程公司，遼寧盤錦 124221）

水平井井身結構設計之壓漏校核新方法

鄭雙進1賈世文2張文敏2余 勤2

（1.中石油鉆井工程重點實驗室長江大學研究室·長江大學石油工程學院，湖北武漢 434023；2.中國石油長城鉆探工程公司，遼寧盤錦 124221）

目前水平井已成為高效開發油氣藏的一項重要技術，由于水平段地層壓力剖面的特殊性，在鉆井過程中隨著井眼的延伸，水平段易發生井漏，直接影響了施工效率與鉆井成本。基于水平井鉆井過程中水平段的受力特點，結合水平段地層壓力剖面特性，提出了一種壓漏校核新方法，該方法將環空動態壓力計算納入水平井井身結構設計中進行考慮，逐段進行環空動態壓力計算與校核，通過尋找壓漏臨界點確定套管下深，并根據鉆井實踐經驗優化水平井井身結構，提高了水平井井身結構設計的科學性。該方法應用于水平井井身結構設計中，將有助于保障水平井鉆井的安全性，提高施工效率，降低鉆井成本。

水平井；壓力剖面；漏失壓力；井身結構；優化

水平井井身結構設計是水平井成功實施的一項關鍵技術，其不僅直接關系到鉆井施工安全，而且關系到鉆井成本［1］。水平井井身結構設計主要參照石油天然氣行業標準SY/T 5431—2008 《井身結構設計方法》，基于壓力平衡關系進行井身結構設計，但在計算井筒壓力時未充分考慮環空動態壓力的影響。

在水平井鉆進過程中，由于地層破裂壓力基本不變，隨著水平段井眼的延伸，作用在井底的環空動態壓力越來越大，導致水平段鉆井過程中容易發生井漏，直接影響了鉆井效率與鉆井成本。因此，基于水平段鉆井的受力特點，結合水平段地層壓力剖面特性，提出了一種針對水平井的壓漏校核新方法，該方法利用實際鉆井過程中的環空動態壓力進行壓漏校核，并通過調整鉆井液性能優化水平井井身結構。該方法應用于水平井井身結構設計中將有助于保障水平井鉆井的安全性，并提高鉆井效率，降低鉆井成本。

1 地層壓力剖面

相比常規直井與定向井，水平井地層壓力的特殊性在于隨著水平段的延伸，地層孔隙壓力和地層破裂壓力趨于一常量。在以垂深表示的壓力剖面上，水平段地層壓力值集中為一點；在以斜深表示的壓力剖面上，水平段地層壓力值表示為垂直線。為方便直觀，在進行水平井井身結構設計時，可以結合垂深地層壓力剖面和井眼軌道數據，把以垂深表示的地層壓力剖面轉化為以斜深表示的地層壓力剖面，這樣可以找到對應于水平井井眼軌道上任意點的地層壓力數據，便于比較對照。在計算井筒環空壓降的時候可以采用斜深進行計算，在計算井筒靜液壓力的時候需將斜深轉化為垂深，一般通過最小曲率法進行斜深垂深轉換，可以獲得相對準確的計算結果。

2 壓漏校核新方法

在水平井井身結構設計過程中，無論是經驗設計，還是基于壓力平衡關系的科學設計，均未考慮環空動態壓力的影響。針對水平井壓漏特性作了深入分析，提出了一種動態壓漏校核新方法，并提出了壓漏臨界點的概念。

參照SY/T 5431—2008 《井身結構設計方法》，考慮地質必封點和鉆井實踐經驗，初步確定井身結構開次和各開次深度后，開始進行壓漏校核，具體步驟如下。

（1）確定水平段所在開次是否會發生壓漏。

①計算井底不被壓漏的最大允許壓力增量Δpz

式中，Δpz為井底不被壓漏的最大允許壓力增量，Pa；ρf為地層破裂壓力當量密度，kg/m3；Δρf為地層破裂壓力誤差允量，kg/m3；ρm為鉆井液密度，kg/m3；Hb為井底垂深，m。

②計算井底處的環空壓降Δpb1。水平井環空動態壓降主要與鉆井液密度、黏度、排量、井眼尺寸、鉆柱尺寸等有關，任一點的環空動態壓降可采用如下公式計算［2］

式中，pfd為井底處的環空壓降，Pa；μpv為鉆井液塑性黏度，Pa·s；Lp為鉆桿段或鉆鋌段長度，m；Q為循環排量，m3/s；dh為井眼尺寸，m；dp為鉆桿或鉆鋌外徑，m。

根據式（2）計算井底的環空壓降Δpb1，如果Δpz大于或等于Δpb1，表明本開次鉆井不會被壓漏；如果Δpz小于Δpb1，表明本開次鉆井會被壓漏，需要進一步進行壓漏校核。

（2）如果壓漏，確定是否需要下套管封隔。經初步校核如果水平段某開次鉆井會被壓漏，不必急于下套管封隔，需綜合考慮施工單位的鉆井技術水平、鉆井新工具新技術的應用情況、處理壓漏事故的技術措施等，如果通過上述措施可以在避免井涌的前提下降低井漏或阻止井漏，則不必下套管封隔，可以避免下套管的高額成本。

通過調整鉆井液密度與性能來減小環空壓降，以降低井筒壓力也是避免或減輕壓漏的一項重要措施。如果通過上述措施和調整鉆井液密度與性能仍然無法避免壓漏情況，那么只能增加開次。

①計算降低鉆井液密度后，保證井底不產生井涌的最大允許壓力降低值Δpm

式中，Δpm為保證井底不產生井涌的最大允許壓力降低值（調整鉆井液密度與性能引起），Pa；ρm為鉆井液密度，kg/m3；ρp為地層孔隙壓力當量密度，kg/m3；Δρm為鉆井液密度附加值，kg/m3。

②計算調整鉆井液密度與性能后井底的環空壓降Δpb2

調整后的鉆井液密度為

根據調整后的鉆井液密度與性能運用式（2）計算井底的環空壓降Δpb2，如果Δpm大于等于Δpb2，表明通過調整鉆井液密度與性能減小井底壓力可以完全抵消鉆井液循環引起的環空壓降，則不需要下套管封隔即可安全鉆到井底。如果Δpm小于Δpb2，表明通過調整鉆井液密度與性能減小井底壓力不能平衡鉆井液循環引起的環空壓降，需要下套管進行封隔。

（3）計算壓漏臨界點深度，確定套管下深。如果Δpm小于Δpb2，表明隨著水平段的延伸，環空壓降增長速度比調整鉆井液密度與性能降低引起的靜液壓力降低速度快，在水平段中必然存在某一點處的環空壓降與調整鉆井液密度與性能后降低的靜液壓力相等，該點即為壓漏臨界點深度，即套管下深。由于計算復雜，該點深度需進行計算機迭代計算。

（4）增加開次后，重新進行壓漏校核。經第（3）步，增加套管開次后，需重新定義井眼和套管尺寸，環空動態壓力計算發生變化，需要重新按照（1）、（2）、（3）步驟進行壓漏校核，直至滿足要求為止。

3 工程應用

基于壓漏校核新方法，采用C++程序設計語言開發了水平井壓漏校核計算軟件，應用青海油田紅柳泉區塊、馬北區塊等地區4口水平井的地質資料和鉆井資料進行了測試，發現壓漏校核計算結論與現場實鉆情況基本一致，吻合率達到92.1%。

由于壓漏校核計算方法綜合考慮了井徑、鉆井液性能、環空巖屑等因素的影響，壓力計算準確。該方法應用于大斜度定向井、水平井及大位移井，尤其是窄密度窗口地層中，可以準確判斷地層壓漏情況，為井身結構設計提供參考，促進井身結構優化，保障鉆井安全，降低鉆井成本。

4 結論

（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（包括巖性、地下壓力特性、復雜地層分布、井壁穩定性、地下流體特性等）的認識程度［2］。因此，應通過多種手段充分認識水平井地層壓力及巖性分布情況等，有助于設計科學的井身結構方案。

（2）通過對水平井壓漏特性的深入分析，提出了一種壓漏校核新方法，并提出了壓漏臨界點的概念。該方法重點考慮了水平段鉆井容易壓漏的特點，并考慮了鉆井工程實踐經驗對井身結構的影響，彌補了常規設計方法的不足，有助于促進井身結構的優化，保障鉆井安全，降低鉆井成本。

［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］陳庭根，管志川.鉆井工程理論與技術［M］.東營：石油大學出版社，2000.

（修改稿收到日期 2013-01-30）

Leakage check method of casingprogram design for horizontal wells

ZHENG Shuangjin1, JIA Shiwen2, ZHANG Wenmin2, YU Qin2

（1. Yangtze University Laboratory of Key Laboratory of Drilling Engineering,CNPC,College of Petroleum Engineering,Yangtze University,Wuhan434023,China; 2. Great Wall Drilling and Exploration Engineering Company,CNPC,Panjin124221,China）

Horizontal wells have become an important technology for effectively developing oil and gas at present. With wellbore goes forward, well leakage is likely to occur on horizontal section because of the particularity of formation fracture pressure for horizontal wells, which affects the drilling eff i ciency and drilling cost. Considering the characteristics of formation fracture pressure and force analysis of horizontal section during drilling, a new leakage check method was developed with consideration of the annular dynamic pressure and practical experience of drilling. This method was safer, more eff i cient and more cost-saving than conventional design methods.

horizontal well; pressure prof i le; leakage pressure; casing program; optimization

鄭雙進，賈世文，張文敏，等.水平井井身結構設計之壓漏校核新方法［J］. 石油鉆采工藝，2013，35（3）：16-18.

TE22

B

1000 – 7393（ 2013 ） 03 – 0016 – 03

國家科技重大專項“鉆井工程設計和工藝軟件”（編號：2011ZX05021-006）的部分內容。

鄭雙進，1983年生。2009年畢業于長江大學油氣井工程專業，現從事油氣井固井完井技術教學與研究工作，講師。電話：13986678667。E-mail：Zhengshuangjin@yangtzeu.edu.cn。

〔編輯

薛改珍〕