優化設計井身結構

黃河鉆井總公司 257000

為了實現科學、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，合理的井身結構是最重要的前提。所謂合理的井身結構，就是按照地質要求，根據地層孔隙壓力、地層破裂壓力、地層坍塌壓力3 條曲線，綜合考慮鉆井設備現狀、鉆井工藝技術水平及施工能力等一系列因素，設計出合理的井身結構，以滿足地質、鉆井及采油等方面的要求。

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與順利，而且還關系到鉆井作業的經濟效益。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，保證各項鉆井作業安全順利，又能最大限度地減少鉆井費用，使工程成本降至最低。鉆井是石油與天然氣勘探開發的主要手段。鉆井工程質量的優劣和鉆井速度的快慢， 直接關系到鉆井成本的高低、油田勘探開發的綜合經濟效益及石油工業發展速度。鉆井工程設計是指導鉆井工程施工的一個綜合性的技術文件， 是組織鉆井生產和技術協作的基礎， 也是單井預算和決算的唯一依據。

合理的井身結構設計既能最大限度地避免漏、噴、塌、卡等工程故障， 使各項鉆井作業得以安全順利進行， 又能最大幅度地減少鉆井費用， 使工程成本達到最低。而井身結構設計的合理性在很大程度上依賴于設計者對鉆井地質環境（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） 的認識程度和鉆井裝備條件（套管、鉆頭、井口防噴裝置、鉆具等） 及鉆井工藝技術水平（鉆井液工藝、注水泥工藝、井眼軌跡控制技術、操作水平等）， 當然也需要有科學的設計思路和方法。隨著油氣田的深層次勘探開發， 原有的經驗性的井身結構設計模式已不能適應當前的實際鉆井條件， 需不斷改進， 以獲得更合理的井身結構。

深層勘探已成為石油資源重點勘探的領域之一。由于深井地質條件復雜以及在鉆井、完井和采油（氣）過程中對安全性的重視， 對井身結構設計的要求越來越高.

（1）能滿足鉆井作業要求，有利于實現安全、快速、低成本鉆井。

（2）生產套管尺寸應能滿足采油、增產措施和井下作業的要求。

（3）盡量采用API 標準系列的套管和鉆頭。

（4）選擇表層套管應考慮常用井口防噴裝置的規格。

（5）在滿足下套管和注水泥要求的前提下，采用較小的套管/ 井眼間隙值，以減小套管和井眼尺寸（最小間隙≥9.5mm）。

（6） 盡可能使用覫212.7 ～覫241.3mm 鉆頭鉆進，以增加井段的長度。

（7）對探井和地質條件復雜的開發井，套管程序設計要留有余地，必要時可再增加一層套管。

井身結構設計系數包括：抽吸壓力系數Sb、激動壓力系數Sg、地層破裂壓力安全系數Sf、井涌條件Sk、壓差允值ΔPn 和ΔPa 等。井身結構設計系數是隨井深而變化的。隨著井深的增加，抽吸壓力和激動壓力系數增大，井涌系數減小，破裂壓力安全系數減小，壓差卡鉆系數因地層壓力的不同而不同。在以往的井身結構設計中，沒有考慮井身結構設計系數隨井深的變化，全井采用某一定值，因此存在一定偏差。為提高井身結構設計的科學性和合理性，應采用隨井深變化的井身結構設計系數值。

傳統的井身結構設計采取由下而上的設計方法，即套管設計從目的層生產套管開始，自下而上，逐層確定每層套管的下入深度和尺寸。設計步驟一般是從目的層開始，根據裸眼井段需滿足的約束條件確定生產套管的尺寸。生產套管的外徑留有足夠的環隙，根據環隙的大小再選擇相應的鉆頭尺寸，然后本著上一層套管內徑必須保證下部井段所用的套管和鉆頭能順利通過為原則，確定上一層套管柱的最小尺寸，依此類推，由深至淺地選擇各層套管和鉆頭尺寸。

傳統的設計方法具有以下特點。

（1）每層套管下入深度淺，套管成本低，適合于已探明地區開發井的井身結構設計。

（2）上部套管下入深度的合理性取決于對下部地層特性了解的準確性和可靠程度。

（3）對于深探井，由于存在地層的不確定性和對下部地層了解的不充分性，難以應用傳統方法自下而上確定每層套管的下深。因此，需對傳統的井身結構設計方法加以改進。

井身結構改進的設計方法：

由于在深井和探井中存在地層壓力的不確定性、地層狀態和巖性的不確定性、地層分層深度和完井深度的不確定性，其井身結構設計不應以套管下入深度最淺、套管費用最低為主要目標，而應以確保鉆井成功率、順利鉆達目的層為首選目標。為了提高鉆探的成功率，必須有足夠的套管層次儲備，以便一旦鉆遇未預料到的復雜層位時能夠及時封隔，同時希望上部大尺寸套管盡量下深，為下部地層鉆進留有一定的套管層次儲備，不至于采用小尺寸井眼完井。針對上述情況，經分析研究，改用自上而下的設計方法，即在確定了表層套管下深的基礎上，根據裸眼井段需滿足的約束條件，從表層套管鞋處開始向下逐層設計技術套管的下入深度，直至目的層的生產套管。

該設計方法的特點如下：

（1）套管下深是根據上部已鉆地層的資料來確定，不受下部地層的影響，有利于井身結構的動態設計。

（2）每層套管下入深度最深，有利于保證實現鉆探目的，順利鉆達目的層位。

（3）與傳統設計方法結合應用，可以確定套管的合理下深區間。

采用這種設計方法應特別注意2個問題：

（1）裸眼井段必須滿足的壓力平衡約束條件；（2）井眼坍塌壓力的影響和必封點問題。

對于復雜深井、超深井傳統的井身結構上部井眼開孔尺寸大， 大井眼所占井段長， 而下部又被迫采用小井眼鉆進， 存在速度慢、成本高等問題， 優化井身結構的重點是優化技術套管的層次、直徑和下入深度。隨著勘探開發向深部和海洋發展，要滿足地質勘探及采油工藝的要求，只有增加套管柱層次。

增加套管柱層次的途徑有：①增大上部井眼和套管的尺寸；②鉆小尺寸井眼來增加套管柱層數；③采用無接箍套管，縮小相鄰套管柱及套管與井眼之間的間隙；④利用隨鉆擴眼技術增大井眼與套管之間的間隙；⑤優化套管/ 井眼尺寸組合，設計新的套管及鉆頭系列等。

通過對套管與井眼間隙進行研究分析，在充分考慮間隙大小對鉆井、固井、波動壓力及其他因素影響的前提下，提出了改進和新增的井身結構方案。

方案如下：

（1）準確的地質參數、井身結構設計系數及優化的設計方法是合理設計井身結構的前提。

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

（3）對于深探井應盡量加大開眼尺寸和下大尺寸套管，為順利鉆達目的層或加深留有余地。

（4）自上而下的設計方法與傳統方法結合應用，可給出套管的合理下深區間。同時，改進和新增的井身結構系列應加強實踐及應用。

積極探索、不斷地優化井身結構，提高鉆井速度鉆井工藝技術日新月異。除了努力不斷學習豐富自己的鉆井經驗外，更應該積極探索新的鉆井方法。在鉆井施工中，堅持實施好油氣層保護技術和井身質量控制技術，把“發現油氣層、保護油氣層”放在首位，廣泛使用有利于保護油氣層的新型泥漿體系，堅持科學管理，淺探井專人負責技術交底，加強中間監控，堅持使用好凈化裝備，充分保證處理劑的投入和良好性能的鉆井液，嚴格執行參數優化措施，最大限度地滿足了發現和保護油氣層的需要。