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钻井与完井工程教材第二章井身结构设计.doc

钻井与完井工程教材第二章井身结构设计

renzaitianya
2011-08-03 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《钻井与完井工程教材第二章井身结构设计doc》,可适用于工程科技领域

第二章井身结构设计第二章井身结构设计井身结构设计是钻井工程的基础设计。它的主要任务是确定套管的下入层次、下入深度、水泥浆返深、水泥环厚度、生产套管尺寸及钻头尺寸。基础设计的质量是关系到油气井能否安全、优质、高速和经济钻达目的层及保护储层防止损害的重要措施。由于地区及钻探目的层的不同钻井工艺技术水平的高低国内外各油田井身结构设计变化较大。选择井身结构的客观依据是地层岩性特征、地层压力、地层破裂压力。主观条件是钻头、钻井工艺技术水平等。井身结构设计应满足以下主要原则:.能有效地保护储集层.避免产生井漏、井塌、卡钻等井下复杂情况和事故。为安全、优质、高速和经济钻井创造条件.当实际地层压力超过预测值发生溢流时在一定范围内具有处理溢流的能力。本章着重阐明地下各种压力概念及评价方法井身结构设计原理、方法、步骤及应用。第一节地层压力理论及预测方法地层压力理论和评价技术对天然气及石油勘探开发有着重要意义。钻井工程设计、施工中地层压力、破裂压力、井眼坍塌压力是合理钻井密度设计井身结构设计平衡压力钻井欠平衡压力钻井及油气井压力控制的基础。一、几个基本概念.静液柱压力静液柱压力是由液柱自身重量产生的压力其大小等于液体的密度乘以重力加速度与液柱垂直深度的乘积即()式中:Ph静液柱压力MPa液柱密度gcmH液柱垂直高度m。静液柱压力的大小取决于液柱垂直高度H和液体密度钻井工程中井愈深静液柱压力越大。.压力梯度指用单位高度(或深度)的液柱压力来表示液柱压力随高度(或深度)的变化。()式中:Gh液柱压力梯度MPamPh液柱压力MPaH液柱垂直高度m。石油工程中压力梯度也常采用当量密度来表示即()式中:当量密度梯度gcm.有效密度钻井流体在流动或被激励过程中有效地作用在井内的总压力为有效液柱压力其等效(或当量)密度定义为有效密度。.压实理论指在正常沉积条件下随着上覆地层压力P的增加泥页岩的孔隙度减小的减小量与P的增量dP及孔隙尺寸有关即:令CPg=C且积分上式()式中:地表孔隙度井深H时的孔隙度P上覆地层压力CP压实校正系数CP>。即正常压实地层、泥页岩孔隙度是井深H的函数。也就是说正常地层压力段随着井深H增加岩石孔隙度减小。若当随着井深增加岩石孔隙度增大则说明该段地层压力异常。压实理论是支持dc指数声波时差等地层压力预测技术的理论基础之一。.均衡理论指泥页岩在压实与排泄过程平衡时相邻沙泥岩层间的地层压力近似相等。均衡理论是支持地层压力预测技术不可缺少的理论基础。.上覆地层压力P地层某处的上覆岩层压力是指该处以上地层岩石基质和孔隙中流体的总重量(重力)所产生的压力即()式中:P上覆岩层压力MPaH地层垂直深度m岩石孔隙度岩石骨架密度gcmp孔隙中流体密度gcm。由于沉积压实作用上覆岩层压力随深度增加而增大。一般沉积岩的平均密度大约为gcm沉积岩的上覆岩层压力梯度一般为MPam。在实际钻井过程中以钻台面作为上覆岩层压力的基准面。因此在海上钻井时从钻台面到海面海水深度和海底未固结沉积物对上覆岩层压力梯度都有影响实际上覆岩层压力梯度值远小于MPam。例如海上井的m深处上覆岩层压力梯度一般小于MPam。上覆岩层压力还可用下式计算:()式中:P上覆岩层压力MPa沉积层平均体积密度gcmH沉积层m。上覆岩层压力梯度一般分层段计算密度和岩性接近的层段作为一个沉积层。即()式中:G上覆岩层压力梯度MPamPoi第i层段的上覆岩层压力MPamHi第i层段的厚度m第i层段的平均体积密度gcm。上式计算的是上覆岩层压力梯度的平均值。测得的体积密度越准确计算出来的上覆岩层压力梯度也就越准确。如果有密度测井曲线就能很容易地计算出每一段岩层的平均体积密度。如果没有密度测井曲线可借助于声波测井曲线计算体积密度不过这是迫不得已才使用的方法。还可以使用由岩屑测出的体积密度但这种方法不太准确因为岩屑在环空中可能吸水膨胀使岩石体积密度降低。在厚岩盐层和高孔隙压力带的一个小范围内上覆岩层压力梯度可能发生反向变化。高孔隙度的泥岩通常是异常高压层其体积密度非常小。如果异常高压层足够厚就可能使总的平均体积密度降低。实际上这些低密度带很薄所以上覆岩层压力梯度的反向变化一般很小而且发生在很小的范围内。因而异常高压层的上覆岩层压力仍然增加但增加的速率减慢。.地层压力(地层孔隙压力)PP地层压力是指岩石孔隙中流体的压力亦称地层孔隙压力用PP表示。在各种沉积物中正常地层压力等于从地表到地下某处连续地层水的静液压力。其值的大小与沉积环境有关取决于孔隙内流体的密度。若地层水为淡水则正常地层压力梯度(Gp)为MPam若地层水为盐水则正常地层压力梯度随含盐量的不同而变化一般为MPam。石油钻井中遇到的地层水多数为盐水。表为不同地层水的正常地层压力梯度值。表不同矿化度地层水的静水压力地层流体氯离子浓度毫克升Ppm(NaCl)正常地层压力梯度MPam当量泥浆密度gcm淡水微咸水海水盐水典型海水含盐量梯度饱和盐水在钻井实践中常常会遇到实际的地层压力梯度大于或小于正常地层压力梯度的现象即压力异常现象。超过正常地层静液压力的地层压力(PP>Ph)称为异常高压。.骨架应力骨架应力是由岩石颗粒之间相互接触来支撑的那部分上覆岩层压力(亦称有效上覆岩层压力或颗粒压力)这部分压力是不被孔隙水所承担的。骨架应力可用下式计算:()式中:骨架应力MPaP上覆岩层压力MPaPp地层压力MPa。上覆岩层的重力是由岩石基质(骨架)和岩石孔隙中的流体共同承担的。当骨架应力降低时孔隙压力就增大。孔隙压力等于上覆岩层压力时骨架应力等于零而骨架应力等于零时可能会产生重力滑移。骨架应力是造成地层沉积压实的动力因此只要异常高压带中的基岩应力存在压实过程就会进行即使速率很慢。上覆岩层压力、地层压力和骨架应力之间的关系如图所示。低于正常地层静液压力的地层压力(Pp<Ph)称为异常低压。二、异常压力.异常低压异常低压的压力梯度小于MPam有的为~MPam有的甚至只有静液压力梯度的一半。世界各地钻井情况表明异常低压地层比异常高压地层要少。但是不少地区在钻井过程中还是遇上不少异常低压地层。如美国的得克萨斯州和俄克拉何马州的潘汉德尔(Panhandle)地区、科罗拉多州高地的部分地区、犹他州的尤英塔(Uinta)盆地、加拿大艾伯塔省中部下白垩统维金(Viking)地层、苏联的Chokrak和Karagan地区的第三纪中新世地层和伊朗的Arid地区都遇到异常低压地层。图P、Pp和之间的关系图压力桥一般认为异常低压是由于从渗透性储集层中开采石油、天然气和地层水而人为造成的。大量从地层中开采出流体之后如果没有足够的水补充到地层中去孔隙中的流体压力下降而且还经常导致地层被逐渐压实的现象。美国墨西哥湾沿海地带的地下水层被数千口井钻开之后广大地区的水源头下降。面积最大的是得克萨斯州的休斯敦地区水源头下降的面积大约有平方公里。从年至年在卡蒂休斯敦帕萨迪纳贝敦地区泵出水的左右是由于产水层的被压实而供给的。在干旱或半干旱地区遇到了类似的异常低压地层这些地层的地下水位很低。例如在中东地区勘探中遇到的地下水位在地表以下几百米的地方。在这样的地区正常的流体静液压力梯度要从地下潜水面开始。.异常高压异常高压地层在世界各地区广泛存在从新生代更新统至古生代寒武系、震旦系都曾见到过。正常的流体压力体系可以看成一个水力学的“敞开”系统就是说流体能够与上覆地层的流体沟通允许建立或重新建立静液条件。与此相反异常高的地层压力系统基本上是“封闭”的即异常高压力层和正常压力层之间有一个封闭层阻止或至少是大大地限制着流体的沟通。封闭层可以是地壳中的一种或几种物质所组成的。压力封闭的起因可以是物理的、化学的、或者是物理和化学的综合作用。据目前所知地层压力圈闭有表所示的几种类型。表地层压力圈闭的类型封闭类型圈闭的种类实例垂直横向垂直与横向综合.块状页岩或粉砂岩.块状岩盐.硬石膏.石膏.石灰岩、泥灰岩、白垩.白云岩断层美国墨西哥湾地区德国北部的泽克斯坦北海、中东美国、苏联世界各地世界各地通常认为异常高压力的上限等于上覆岩层的总重量即与MPam的压力梯度等效。在一个区域的地层中异常高压力将接近上覆岩层压力。根据稳定性理论它们是不能超过上覆岩层压力的。但是在一些地区如巴基斯坦、伊朗、巴比亚和苏联的钻井实际中都曾遇到过比上覆岩层压力高的高压地层。有的孔隙压力梯度可以超过上覆岩层压力梯度的。这种超高压地层可以看作存在一种“压力桥”(图)的局部化条件。覆盖在超高压地层上面的岩石的内部强度帮助上覆岩层部分地平衡超高压地层中向上的巨大作用力。形成异常高压力常常是多种因素综合作用的结果。这些因素与地质作用、物理、地球化学和机械过程等有关。异常高压的成因很多一般有以下几种:()沉积物的快速沉积压实不均匀()渗透作用()构造作用()储集层的结构三、地层压力预测方法地层压力预测方法都是基于压实理论、均衡理论及有效应力理论。预测方法有钻速法、地球物理方法(地震波)、测井(声波时差等)。目前应用某一种方法是很难准确评价一个地区或区块的地层压力往往需要采用多种方法进行综合分析和解释。地层压力评价方法可分为两类一类是利用地震资料或已钻井资料进行预测建立单井或区块地层压力剖面用于钻井工程设计、施工另一类是钻井过程中的地层压力监测掌握地层压力的实际变化、确定现行钻井措施及溢流监控。下面主要讲述dc指数法、声波时差法、地震层速度法。.dc指数法dc指数法是利用泥页岩压实规律和压差理论对机械钻速的影响规律来检测地层压力的一种方法。也是钻井过程中地层压力检测的一种重要方法。⑴d(dc)指数检测原理机械钻速是钻压、转速、钻头类型及尺寸、水力参数、钻井液性能、地层岩性等因素的函数。当其它因素一定时只考虑压差对钻速的影响则机械钻速随压差减小而增加。在正常地层压力情况下如岩性和钻井条件不变机械钻速随井深的增加而下降。当钻入压力过渡带之后由于压差减小岩石孔隙度增大机械钻速转而加快。d指数则正是利用这种差异预报异常高压。d指数是基于宾汉方程建立的。宾汉在不考虑水力因素的影响下建立了钻速方程:()式中:V机械钻速K岩石可钻性系数N转速e转速指数P钻压Db钻头尺寸d钻压指数。根据室内及油田钻井试验发现软岩石e接近。假设钻井条件(水力因素和钻头类型)和岩性不变(同层位均质泥页岩)则K为常数。取K=方程两边取对数且采用统一单位式()变为:()式中VmhNRPMPKNDbmmd无因次。根据油田目前选用参数范围式()中<、<因此()式中分子、分母均为负数。分析可知:的绝对值与机械钻速V成反比因此d指数与机械钻速V也成反比。进而d指数与压差大小有关即正常压力情况下机械钻速随井深增加而减小d指数随井深增加而增加。当进入压力过渡带和异常高压带地层实际d指数较正常值偏小如图。d指数正是基于这一原则来检测地层压力。由于当钻入压力过渡带时一般情况要提高钻井液密度因而引起钻井液密度变化进而影响d指数的正常变化规律为了消除钻井液密度变化影响Rehm和Meclendon在年提出了修正的d指数法即dc指数法。()式中:dc修正的d指数mN正常地层压力当量密度gcmmR实际钻井液密度gcm。图dH曲线图dcH曲线⑵dc指数检测地层压力步骤)按一定深度取点一般~m取一点如果钻速高可~m重点井段m取一点。同时记录每对应点的钻速、钻压、转速、地层水和钻井液密度。)计算d和dc指数)在半对数坐标上作出dc指数和相应井深所确定的点(纵坐标为井深H、对数坐标为dc指数))作正常压力趋势线如图。)计算地层压力PP作出dcH图和正常趋势线后可直接观察到异常高压出现的层位和该层段由dc指数的偏离值。dc指数偏离正常势线越远说明地层压力越高。目前根据dc指数偏离值计算地层压力的方法有AM诺玛纳公式、等效深度法、伊顿法、康布法等。下面介绍AM诺玛法和等效深度法。AM诺玛法()式中:P所求井深地层压力当量密度gcmn所求井深正常地层压力当量密度gcmdCN所求井深的正常dc指数dca所求井深实际dc指数。等效深度法:由于dc指数反映了泥页岩的压实程度若地层具有相等的dc指数则可视其骨架应力相等。由于上覆地层压力总是等于骨架应力和地层压力PP之和所以利用dc指数相等骨架应力相等原理通过找出异常地层压力下井深H的dc指数值与正常地层压力下dc指数值相等的井深HE求出异常高压地层的地层压力。式中:PP所求深度的地层压力MPaH所求地层压力点的深度mG上覆地层压力梯度MPa,Gn等效深度处的正常地层压力梯度MPamHE等效深度m。.声波时差法声波时差法是利用声波测井曲线检测地层压力的方法也是对已钻井地区进行单井或区域进行地层压力预测建立单井或区域地层压力剖面的一种常用而有效的方法。⑴声波时差法预测原理声波在地层中传播速度与岩石的密度、结构、孔隙度及埋藏深度有关。不同的地层不同的岩性有不同的声波速度。当岩性一定时声波的速度随岩石孔隙度的增大而减小。对于沉积压实作用形成的泥岩、页岩、声波时差与孔隙度之间的关系满足怀利(Wyllie)时间平均方程即:()式中:岩石孔隙度t地层声波时差smtm骨架声波时差smtf地层孔隙流体声波时差sm。基岩和地层流体的声波时差可在实验室测取。当岩性和地层流体性质一定时tm和tf为常量。在正常沉积条件下泥页岩的孔隙度随深度的变化满足方程:()式中:泥页岩在地面孔隙度C压实系数H井深。由()式地面孔隙度为()t为起始声波时差即深度为零时的声波时差。在一定区域、t可近似看着常数。由()、()、()式当泥页岩的岩性一定时tm也为常数。若tm=则()在半对数坐标系中(H为纵坐标t为对数坐标)即声波时差的对数与井深呈线性关系。在正常地层压力井段随着井深增加岩石孔隙度减小声波速度增大声波时差减小。当进入压力过渡带和异常高压带地层后岩石孔隙度增大声波速度减小声波时差增大偏离正常压力趋势线。因此可利用这一特点检测地层压力。⑵声波时差检测地层压力步骤)在标准声波时差测井资料上选择泥质含量大于的泥页岩层段以m为间隔点读出井深相应的声波时差值并在半对数坐标上描点。)建立正常压实趋势线及正常压实趋势线方程。)将测井曲线上的声波时差值代入趋势线方程求出等效深度HE。)代入()式计算地层压力PP。.地震波法地震反射波法是地球物理中最为广泛应用的一种方法。地震波法预测地层压力是根据在不同岩性不同压实程度情况下地震波速度传播的差异来预测地层压力的方法。即正常压实条件下随着深度的增加地震波速逐渐增大在异常压力层则随着深度增加地震波速反而减小的原理来预测压力异常。地震波法预测地层压力计算方法主要有等效深度法Fillipone法、R比值法。其中Fillipone法不需要建立正常压力趋势线而可直接计算地层压力。当然无论采用哪种方法预测值的精度主要取决于层速度采集的精度。关于地震法预测地层压力的方法读者可参考其它专著或教材。第二节地层破裂压力预测方法在井下一定深度出露的地层承受液体压力的能力是有限的。当液体压力达到某一数值时会使地层破裂这个液体压力称为地层破裂压力。利用水力压裂地层从年代起就开始用作油井的增产措施。但对钻井工程而言并不希望地层破裂因为这样容易引起井漏造成一系列的井下复杂事故所以了解地层的破裂压力对合理的油井设计和钻井施工十分重要。为准确地掌握地层破裂压力国内外学者提出了不同检测计算地层破裂压力的方法和模型如马修斯和凯利(Mathews和Kelly法)、休伯特和威利斯(Hubbert和Willis)法、伊顿(Eaton)法、Anderson模型、Stephen模型及黄荣樽教授提出的预测模型这些方法和模型都有其局限性。有待进一步完善。下面介绍黄荣樽教授提出的预测模型和液压试验法其它方法读者请查文献。一、地应力地应力是指地下环境中某一岩层深度所处的应力状态。地应力可用三个主应力表示即垂直主应力z、最大水平地应力H、最小水平地应力h因此地应力一般是不均匀的。垂直主地应力z由上覆地层压力P确定水平地应力H、h由两部分组成:一部分由上覆地层压力引起它是岩石泊松比的函数另一部分由地质构造应力确定它与岩石的泊松比无关并在两个方向一般是不相等的。由Hafner理论原地水平应力由上覆地层压力P和构造应力引起且为:()()式中:H最大原地水平应力MPah最小原地水平应力MPaA、B构造应力场影响系数构造应力场影响系数对于不同的地质构造是不同的但在同一构造断块内部它是一个常数且不随地层深度变化。P上覆地层压力MPaP=zPP地层压力MPa有效应力系数m岩石骨架压缩率岩石容积压缩率地应力是客观存在于地下环境中的一个应力系当今地震预测及地下岩石工程的开挖和结构设计都离不开地应力数据。在石油工程中地层破裂压力和井壁坍塌应力的预测、酸化压裂设计、油井防砂、套管的岩压外载计算等等都需要有地应力数据。地应力确定的方法有:井壁崩落法、岩芯差应变试验、岩芯滞弹性应变松弛试验、声发射Kaiser效应岩芯测试、长源距声波测井分析、水力压裂分析等。目前确定深层地应力较为有效的方法是现场裸眼水压裂试验法和室内声发射Kaiser效应法。二、井筒壁面应力状态方程井眼未形成前地下环境应力处于相对稳定状态在钻井井眼形成过程中井筒壁面应力状态发生变化根据有关力学理论可导出极坐标系下井筒岩层内应力分布关系:()式中:r距井轴r距离并与H按逆时针方向成角处的径向正应力MPa距井轴r距离并与H按逆时针方向成角处的切向正应力MPar距井轴r距离并与H按逆时针方向成角处的剪切力分量MPar距井轴的距离cmR井筒半径cmPm井筒中的液柱压力Mpa。当r=R时井壁应力分布:()地层的破裂是由井壁上的应力状态决定的。考虑深部地层的水压裂主要是形成垂直裂缝其起裂是由于井壁上的有效切向应力达到或超过岩层的抗张强度而产生即裂缝形成的条件是:ESt()式中:E有效切向应力MpaSt岩层抗张强度Mpa。有效切向应力等于正应力减去孔隙压力即:()井壁岩石中垂直裂缝的产生是由于有效切向应力E从压缩变为拉伸并超过岩层的抗张强度所造成由式()可知在=和的方向首先达到这个状态。即:()满足()式条件时的井内液柱压力Pm称为地层破裂压力PF即:()设垂直方向的主地应力z等于上覆地层压力P则有效的垂直地应力。三、地层破裂压力的计算模型由构造应力确定的部分在一般情况下构造应力在各个方向是不相等的。根据现场水力压裂资料分析证明构造应力在两个水平主应力方向分别为a、b且:()式中:A、B构造应力系数。由此可导出水平方向上最大和最小主地应力为:()()将()、()式代入()式得:()令K=AB()式变为:()式()较前面所述预测地层破裂压力模式相比有两个显著特点。()地应力一般是不均匀的模式中包括了三个主地应力的影响。垂直地应力可以认为由上覆岩层重量引起的。水平地应力有两部分组成一部分是由上覆岩层的重力作用引起它是岩石泊松比的函数另一部分是地质构造应力它与岩石的泊松比无关且在两个方向上一般是不相等的。()地层的破裂是由井壁上的应力状态决定的。深部地层的水压致裂是由于井壁上的有效切向应力达到或超过了岩石的抗张强度。四、液压试验检测地层破裂压力目前所用检测计算地层破裂压力的方法都有一定局限性计算值与实际值都有一定误差而液压试验法是一种准确有效获取地层破裂压力的方法并且由液压试验取得的数据还可提供一个区域或区块的地质构造应力值。液压试验也称漏失试验是在下完一层套管并注完水泥后再钻穿水泥塞钻开套管鞋下面第一个砂岩层之后进行的。美国已形成法令规定每口井每下一层套管必须进行液压试验以准确获得地层破裂压力梯度的原始资料作为钻井设计的依据。液压试验的目的通常是检查注水泥作业和实测地层破裂压力。液压试验时地层的破裂易发生在套管鞋处这是因为套管鞋处地层压实程度比其下部地层的压实程度差。液压试验法的步骤如下:()循环调节泥浆性能保证泥浆性能稳定上提钻头至套管鞋内关闭防喷器。()用较小排量(~ls)向井内泵入泥浆并记录各个时间的注入量及立管压力。()作立管压力与泵入量(累计)的关系曲线图如图所示。()从图上确定各个压力值漏失压力P即开始偏离直线点的压力其后压力继续上升压力上升到最大值即为断裂压力Pf最大值过后压力下降并趋于平缓平缓的压力称为传播压力。()求破裂压力当量泥浆密度mzx:()式中:m试验用泥浆密度gcmP漏失压力MPaH裸眼段中点井深m。()求破裂压力梯度Gf(MPam):()有时钻进几天后再进行液压试验时可能出现试压值升高的现象这可能是由于岩屑堵塞岩石孔隙道所致。试验所需的泥浆量决定于裸眼长度。如果裸眼只有几米则需要几百升泥浆。若裸眼较长则需要几立方米的泥浆。试验压力不应超过地面设备和套管的承载能力。否则可提高试验用泥浆密度。在有些液压试验中试验曲线不呈直线出现几个台阶这样不易判断真实的漏失点。如果发现台阶的压力低于预期的压力则应继续试压直至达到破裂压力。因此如超过台阶后压力继续上升说明这个台阶处并不是真实的漏失点。出现台阶的原因可能是天然气或空气进入环空或是泥浆漏失。当裸眼很长时应该注意到在同一试验压力下裸眼最深部分的试验压力梯度大大小于套管鞋处的试验压力梯度。因此不能保证裸眼最深部位一定能够承受得住套管鞋处所能承受的最大泥浆密度。液压试验法适用于砂泥岩为主的地层。对石灰岩、白云岩等硬地怪的液压试验尚待试验研究。第三节井眼坍塌应力预测方法井眼系统稳定性评价技术是近年钻井工程研究的热门课题据有关资料统计世界范围内每年用于处理井眼系统失稳的费用高达亿美元损失钻井总时间~。造成井眼系统失稳的原因是钻井形成井眼后打破了原有的地下力学系统平衡造成井壁周围岩石的应力集中。当井筒内有效液柱压力小于井壁应力时对于脆性岩层将出现坍塌塑性岩层出现缩径。当井筒有效液柱压力过高又将压裂岩层出现漏失导至井下复杂和事故。另一方面由于钻井液进入岩层也将导至岩石力学特性参数的改变改变井壁岩石力学状态至使井眼系统的不稳定性。目前尚未有一套完整的理论和方法有效地解决井眼系统的失稳问题。下面简要介绍有关力学失稳的一些解决方法。一、井眼失稳破坏准则地下岩体在原地应力作用下一般处于三向压力状态。钻井形成井眼后在钻井液柱压力及其它井筒拢动力的作用下井壁应力状态发生变化。岩体材料可能是弹性体塑性体或弹塑性体和脆性岩体。因此在外力作用下岩体将出现弹性弹塑性塑性变形屈服和脆性破坏。岩石的力学行为大体遵循线弹性力学规律。当然由于地下岩体在高围压作用其非均质性和各向异性得到极大弱化甚至消失这也满足线弹性体连续介质的假设。由于井眼几何形状和钻遇岩体力学特征的不同井眼所处应力状态就不一样其破坏形式也不一样。对软而塑性大的泥岩表现为塑性变形而缩径硬脆性泥页岩为坍塌扩径。石油工程对脆性泥页岩一般采用摩尔库尔(MohrCoulomb)强度准则下面导出该准则条下井壁稳定钻井液当量梯度。该准则认为岩体破坏(失稳)是由破坏面上的内聚力和法向力产生的内摩擦力确定。即当岩石剪切面所受剪切力大于或等于岩体固有剪切强度与剪切面上的摩擦力时岩块从母体脱落(沿剪切面破坏)即:()式中:岩体固有剪切强度MPaN剪切面法向正应力MPa内摩擦角。剪切破坏如图所示为最大主应力为最小主应力为剪切面的法向和的夹解法向正应力为N剪应力为用、来描述(MohrCoulomb)准则。()考虑岩石孔隙压力PP则(MohrCoulomb)准则有效应力为:()由()式当==时max即:()考虑应力非线性修正系数且令将()式代入()式得:()式中:ST井眼稳定钻井液当量密度gcm应力非线性修正系数无因次H计算点井深mH最大水平地应力MPah最小水平地应力MPa有效应力系数无因次。二、有关岩石力学特性参数测取岩石抗张强度St是利用钻取的地下岩芯在室内采用巴西试验求得的。巴西试验是对圆盘形岩样从径向两端加压使之破裂。若岩样的直径为d厚度为t岩样破裂时的载荷为P则抗张强度St为:()式中:St岩石抗张强度MPaP岩样破裂时的压力(N)d岩样的直径(cm)t岩样的厚度(cm)。构造应力系数K对不同的地质构造是不同的但它在同一构造断块内部是一个常数且不随深度变化。构造应力系数是通过现场实际破裂压力试验和在室内对岩芯进行泊松比试验相结合的办法来确定的。如果准确地掌握了破裂层的泊松比和破裂压力Pf以及抗张强度St便能精确地求出构造应力系数K。第四节井身结构设计一、井身结构设计原理.地层井内压力体系在裸眼井段中存在着地层压力、地层破裂压力和井内钻井液有效液柱压力这三个相关的压力、地层井内压力系统必须满足以下条件:()式中:Pf地层破裂压力PmE钻井液有效液柱压力PP地层压力。在()的工程意义为裸眼井内钻井液有效液柱压力必须大于或等于地层压力防止井喷但又必须小于等于地层破裂压力防止压裂地层发生井漏。考虑到井壁的稳定还应补充一个与时间有关的不等式:()式中:Gt(t)该截面岩层的坍塌压力梯度Gm(t)该截面钻井液有效压力梯度。能满足不等式()、()的同一井段则该井段截面间不需要套管封隔。反之则需要用套管封隔。因此井身结构设计有严格的力学依据即地层井内压力系统的平衡和失稳。.液体压力体系的当量梯度分布⑴非密封液柱体系的压力分布和当量梯度分布设有深度H的井眼充满密度为m的钻井液则液柱压力随井深呈线性变化而当量梯度自上而下是一个定值见图。图非密封液柱压力体系的梯度分布⑵密封液柱体系的压力分布和当量梯度分布若将上述体系密封起来并施加一个确定的附加压力P则P相当于施加于每一个深度截面上仍不改变压力的线性分布规律。但此时的压力当量梯度分布却是一条双曲线见图。钻井工程中当钻遇高压地层发生溢流或井喷而关闭防喷器时井内液柱压力和当量梯度分布即为这种情况。此时的立管压力为Psd或套压Pa即为P。图密封液柱压力体系的梯度分布.地层压力和地层破裂压力剖面的线性插值地层压力和地层破裂压力的数据一般是离散的是由若干个压力梯度和深度数据的散点构成。为了求得连续的地层压力和地层破裂压力梯度剖面拟合曲线是不适用的但可依靠线性插值的方法。在线性插值中认为离散的两邻点间压力梯度变化规律为一直线。对任意深度H求线性插值的步骤:设自上而下顺序为i的点具有深度为Hi地层压力梯度为GPi地层破裂压力梯度为Gfi而其上部相邻点的序号为i相邻的地层压力梯度为GPi地层破裂压力梯度为Gfi则在深度区间Hi~Hi内任意深度H有:()().必封点深度的确定我们把裸露井眼中满足压力不等式()条件的极限长度井段定义为可行裸露段。可行裸露段的长度是由工程和地质条件决定的井深区间其顶界是上一层套管的必封点底界为该层套管的必封点深度。⑴工程约束条件下必封点深度的确定)正常作业工况(起下钻、钻进)在满足近平衡压力钻井条件下某一层套管井段钻进中所用最大钻井液密度m应大或等于该井段最大地层压力梯度当量密度Pmax与该井深区间钻进中可能产生的最大抽汲压力梯度当量密度Sw之和以防止起钻中抽汲造成溢流。即()式中:Pmax该层套管钻井区间最大地层压力梯度当量密度gcmSw抽汲压力梯度当量密度gcm。下钻中使用这一钻井液密度在井内将产生一定的激动压力Sg。因此在一定钻井条件(井身结构钻柱组合钻井液性能等)井内有效液柱压力梯度当量密度为:()考虑地层破裂压力检测误差给予一个安全系数Sf。则该层套管可行裸露段底界(或该层套管必封点深度)由下式确定()式中:Sg激动压力梯度当量密度gcmSf地层压裂安全增值当量密度gcm。当然任何一个已知的fmax也可以向下开辟一个可行裸露井深区间确定可以钻开具有多大地层压力梯度当量密度的地层。Pmax的数值为())出现溢流约束条件下必封点深度的确定正常钻井时按近平衡压力钻井设计钻井液密度为()钻至某一井深Hx时发生一个大小为Sk的溢流停泵关闭防喷器立管压力读数为Psd或()式中:Psd立管压力MPaHx出现溢流的井深m。关井后井内有效液柱压力平衡方程为PmE=PmPsd或即井内有效液柱压力的当量密度梯度沿井深按双曲线规律分布。裸露井深区间内地层破裂强度(地层破裂压力)均应承受这时井内液柱的有效液柱压力考虑地层破裂安全系数Sf即()由于溢流可能出现在任何一具具有地层压力的井深故其一般表达式为()同样也可以由套管鞋部位的地层破裂压力梯度下推求得满足溢流条件下的裸露段底界。此时Hx为当前井深它对应于fminH为下推深度。其数学表达式如下())压差卡钻约束条件下必封点深度的确定下套管中钻井液密度为(PSw)当套管柱进入低压力井段会有压差粘附卡套管的可能故应限制压差值。限制压差值在正常压力井段为PN异常压力地层为Pa。就是说钻开高压层所用钻井液产生的液柱压力不能比低压层所允许的压力高PN或Pa。即PmPPminPN(或Pa)()在井身结构设计不由()式或()式设计出该层套管必封点深度后一般用()式来校核是否能安全下到必封点位置。⑵目的层是裸露段的底界油层套管的下深根据完井方法不同而定。⑶对于地质复杂层(如坍塌层盐膏层漏失层等)水层非目的油气层以及目前钻井工艺技术难于解决的其它层段只要裸露段中出现了这一类必封点则这些井段是应考虑的必封井段的顶界。必封点深度确定的几点说明:)式()、()一般作该层套管可下深度的设计计算式()作为校核计算。)()式使用条件为地质勘探确认该层段无高压油气层及地层压力检测精度高的区域。)()式用于地质探井对地层压力掌握得不确切地质情况模糊高压油气区域的井。)一般情况下采用()式设计偏于安全。)按工程约束条件设计的必封点深度必须满足地质复杂情况要求必封点位置。若地质复杂必封点在工程约束必封点深度区段外则该层套管下延至地质复杂必封深度。若设计地层破裂压力梯度全落在地层破裂压力梯度剖面内(即在~目的层井深区间PfD<Pf)可不下中间套管但井段中任何一位置若有地质复杂那么必封点深度以此为顶界。二、井身结构设计的基础参数井身结构设计的基础参数包括地质方面数据和工程等数据。.地质方面数据()岩性剖面及故障提示()地层压力梯度剖面()地层破裂压力梯度剖面。.工程数据()抽汲压力系数Sw以当量钻井液密度表示单位gcm。Sw应根据设计井实际施工参数由本教材第五章讲述方法计算出该井施工中可能出现的最大抽汲压力Prw再由下式计算抽汲压力当量钻井液密度Sw()对于某一个区域若钻机类型、井深、井身结构、管柱(钻柱、套管)组合、钻井液性能都已定型可选用参数井(或前面已钻井)的Sw进行后续井的设计参数。如美国墨西湾地区采用Sw=。我国中原油田Sw=~。()激动压力系数Sg以当量钻井液密度表示单位gcm。在()式中将PSW换成激动压力Psg即可求得Sg。美国墨西湾地区取Sg=我国中原油田Sg=~。()地层压裂安全增值Sf以当量钻井液密度表示单位gcm。Sf是考虑地层破裂压力检测误差而附加的此值与地层破裂压力检测精度有关可由地区统计资料确定。美国墨西湾地区Sf取值我国中原油田取值为~。()溢流条件Sk以当量钻井液密度表示单位gcm。由于地层压力检测误差溢流压井时限定地层压力增加值Sk。此值由地区压力检测精度和统计数据确定。美国油田一般取Sk=。我国中原油田取值为~。()压差允值PN(Pa)裸眼中钻井液柱压力与地层孔隙压力的差值过大除使机械钻速降低外而且也是造成压差卡钻的直接原因这会使下套管过程中发生卡套管事故使已钻成的井眼无法进行固井和完井工作。压差允值和工艺技术有很大关系。如使用优质的具有良好润滑性能的钻井液体系则压差允值可以提高。压差允值也与裸眼井段的孔隙压力大小有关。若在正常压力井段为钻开下部高压层需要使用加重钻井液则压差卡钻易发生在正常压力井段的较深部位(即易发生在靠近压力过渡带的正常孔隙压力地层)。若在异常高压井段则易卡部位发生在最小孔隙压力值处的地层。故压差允值有正常压力井段(PN)与异常高压井段(Pa)之分。一般Pa值大于PN值。如美国现场对PN取值为MPa(kgcm)对Pa取值为<Pa(kgcm)。压差允值的确定各油田可以从卡钻资料中(卡点深度当时钻井液密度、卡点地层孔隙压力等)反算出当时的压差值。再由大量的压差值进行统计分析得出该地区适合的压差允值。三、井身结构设计的方法及步骤.套管层次和套管柱类型国内油田套管下入层次为:导管表层套管中间套管(或技术套管)油层套管。表层套管中间套管油层套管一般按(mm(in)系列进行设计。()导管导管的作用是在钻表层井眼时将钻井液从地表引导到钻井装置平面上来这一层管柱其长度变化较大在坚硬的岩层中仅用~m而在沼泽地区则可能上百米。()表层套管表层套管下入深度一般在~mm通常水泥浆返至地表。用来防护浅水层受污染封隔浅层流砂、砾石层及浅层气。同时用来安装井口防喷装置以便继续钻进它也是井口设备(套管头及采油树)的唯一支撑件以及悬挂依次下入的各层套管(包括油管柱)载荷。()中间套管(技术套管)技术套管用来隔离坍塌地层及高压水层防止井径扩大减少阻卡及键槽的发生以便继续钻进。技术套管还用来分隔不同的压力层系以便建立正常的钻井液循环。它也为井控设备的安装、防喷、防漏及悬挂尾管提供了条件对油层套管还具有保护作用。()油层套管生产套管的主要作用是将储集层中的油气从套管中采出来并用来保护井壁隔开各层的流体达到油气井分层测试分层采油分层改造之目的。通常水泥返至产层顶部以上m。()尾管尾管是一种不延伸到井口的套管柱分为钻井尾管和采油尾管。它的优点是下入长度短、费用低。在深井钻井中尾管另一个突出的优点是在继续钻井时可以使用异径钻具。在顶部的大直径钻具比同一直径的钻具具有更高的抗拉伸强度在尾管内的小直径钻具具有更高的抗内压力的能力。尾管的缺点是固井施工困难。尾管的顶部通常要进行抗内压试验以保证密封性。尾管与上层套管重叠段长度一般取~m。.设计方法及步骤设计前必须有设计地区的地层压力和地层破裂压力梯度剖面图(简称压力剖面图)见图。图中纵坐标表示井深(m)横坐标表示地层压力和地层破裂压力梯度以当量钻井液密度表示(gcm)。最好在图左侧再画上地层岩性柱状剖面及故障提示。设计按以下步骤进行:()根据区域地质情况确定按正常作业工况或溢流工况选择式()或()()利用压力剖面图中最大地层压力梯度求中间套管下入深度假定点。如利用()式根据压力剖面中最大地层压力梯度求设计的地层破裂压力梯度。即:式中:fD设计的地层破裂压力梯度gcm。在图中自横坐标上找到设计的地层破裂压力梯度fD向下引垂直线与地层破裂压力梯度线相交交点即为中间套管下入深度假定点记为H。()验证中间套管下入深度H是否有卡套管危险。采用()式式中m钻至深度H时采用的钻井液密度gcmPH以上裸眼井段最小或正常地层压力梯度当量密度gcmHN最深正常地层压力或最小地层压力深度m。若PPN(或Pa)则假定深度H为中间套管下入深度。若P>PN(或Pa)则中间套管下至H过程中有被卡危险。在这种情况下可采取以下方法解决。a应用以下公式重新计算中间套管下入深度(或Pa)m是在深度HN允许压差值PN(或Pa)时采用的钻井液密度。(mSw)=最大允许地层压力。在压力剖面图上找到(mSw)值引垂线与地层压力梯度线相交交点即为新计算的中间套管下入深度记为H。b应用方法a往往需多下一层套管或尾管为了避免这种情况钻井工程师可根据所在区域钻井工艺技术水平钻井液体系和性能从工艺、防卡液上解决中间套管下入到H的卡钻危险。()计算钻井(或中间)尾管的最大下入深度在第三步中若按方法a解决压差卡钻危险那么还需下一段中间尾管以满足采用(PmaxSw)钻井液密度钻井时H与H的安全钻井问题。一般情况下中间尾管下至H即可。当然也可根据中间套管鞋处(H)的地层破裂压力梯度下推尾管的最大可下深度。即式中:fH中间套管鞋处的地层破裂压力梯度gcmP中间尾管最大可下深度处地层压力梯度gcm。在压力梯度剖面图横坐标上找到P从P引垂线与地层压力梯度线相交交点即为中间尾管的最大下入深度H。()计算表层套管下入深度H根据中间套管鞋处地层压力梯度PH由给定溢流条件Sk用试算法计算表层套管的下入深度。即式中fD设计地层破裂压力梯度其工程意义为溢流压井时表层套管鞋处承受的有效液柱压力梯度的当量密度。试算中当fHfD(~)即符合设计要求。()进一步校核中间尾管a校核中间尾管下入最大深度时是否有卡套管危险。校核方法与步骤相同。b校核在给定Sk溢流条件下压井时中间套管鞋处是否有被压裂的危险。校核方法同步骤。()油层套管下入目的层中应进行压差卡钻和溢流条件校核。以上套管层次、下入深度的确定是以井内压力系统平衡为基础以压力剖面为依据的。但某些影响钻进的复杂情况因素目前还不能反映到压力剖面上。如吸水膨胀易塌泥页岩、含蒙脱石的泥页岩、岩膏层、盐岩层蠕变、胶结不良的砂岩等。某些复杂情况的产生又与时间因素有关如钻进速度快浸泡时间短复杂情况并不显示出来反之钻速慢上部某些地层裸露时间长或在长时间浸泡下则发生坍塌、膨胀、缩径等情况。这需要根据已钻井的经验来确定某些应及时封隔的地层即必封点。某些地区没有复杂情况则不必确定必封点。另外为了求得控制复杂情况所需的坍塌压力梯度值是非常必要的这样可以在确定必封点上不必凭经验来进行。四、套管尺寸与井眼尺寸选择及配合套管尺寸及井眼(钻头)尺寸的选择和配合涉及到采油、勘探以及钻井工程的顺利进行和成本。.设计中考虑的因素()生产套管尺寸应满足采油方面要求。根据生产层的产能、油管大小、增产措施及井下作业等要求来确定。()对于探井要考虑原设计井深是否要加深地质上的变化会使原来的预告难于准确是否要求井眼尺寸上留有余量以便增下中间套管以及对岩心尺寸要求等。()要考虑到工艺水平如井眼情况、曲率大小、井斜角以及地质复杂情况带来的问题。并应考虑管材、钻头等库存规格的限制。.套管和井眼尺寸的选择和确定方法()确定井身结构尺寸一般由内向外依次进行首先确定生产套管尺寸再确定下入生产套管的井眼尺寸然后确定中间套管尺寸等依此类推直到表层套管的井眼尺寸最后确定导管尺寸。()生产套管根据采油方面要求来定。勘探井则按照勘探方面要求来定。()套管与井眼之间有一定间隙间隙过大则不经济过小会导致下套管困难及注水泥后水泥过早脱水形成水泥桥。间隙值一般最小在~mm(~in)范围最好为mm(in)。.套管及井眼尺寸标准组合目前国内外所生产的套管尺寸及钻头及尺寸已标准系列化。套管与其相应井眼的尺寸配合基本确定或在较小范围内变化。图给出了套管和井眼尺寸选择表。使用该表时先确定最后一层套管(或尾管)尺寸。选择表的流程表明要下该层套管可能需要的井眼尺寸。实践表明选择表中套管与井眼尺寸的常用配合它有足够的间隙以下入该套管及注水泥。虚线表示不常用的尺寸配合(间隙较小)。如选用虚线所示的组合时则须对套管接箍、钻井液密度、注水泥及井眼曲率大小等应予注意。图a套管和井眼(钻头)尺寸的选择表(单位:mm)图b套管和井眼(钻头)尺寸选择表(单位:in)五、实例计算分析例某井设计井深m其地层压力梯度和地层破裂压力梯度剖面图如图示。该井无地质复杂层。设计系数取以下值:Sw=gcmSg=gcmSf=gcmSk=gcmPn=MPaPa=MPa解由题意该井井身结构不考虑地质复杂必封点并按正常作业进行设计。()求中间套管下入深度假定点根据钻遇最大地层压力求设计破裂压力梯度。钻遇最大地层压力梯度=gcm考虑抽汲压力Sw=gcm采用最小钻井液密度mmin=gcm考虑钻柱下放、压力激动Sg=gcm最小设计破裂压力梯度fDmin=gcm考虑安全因素Sf=gcm设计地层破裂压力梯度fD=gcm从压力剖面图横坐标上处下引垂直线垂直线与地层破裂压力梯度曲线相效交点H的相应井深m为中间套管下入深度假定点该深度地层压力梯度为gcm。()验证中间套管下入m深度是否有卡套管的危险其中m=PHSw(PH即m井深地层压力梯度)PH=gcm=gcm。HN=m(查压力剖面图正常地层压力最大井深)代入上式=MPa因为>所以中间套管下入井深m有卡套管的危险中间套管下入井深应当减小。求在允许压力差MPa的条件下中间套管下入深度H。HN=mmSw=中间套管下入深度处的地层压力梯度=gcm从压力剖面图上查出地层压力梯度为gcm时相应井深m故中间套管下入深度为m。()计算中间尾管最大下入深度Hmm=m校核尾管下入m井深压差卡钻可能性。钻井尾管下入m时采用的钻井液密度=m处地层压力梯度Sw==gcmP=()=MPa因为<下入中间尾管时不会卡尾管。校核钻井至m时如果产生溢流给定gcm溢流条件压井时中间套管鞋m处是否会被压裂产生地下井喷危险。中间尾管井深m处地层压力梯度=gcm=gcm井深m处地层强度(地层破裂压力梯度)=gcm。因为<所以当钻至井深m若发生溢流关井不会压裂中间套管鞋处地层产生地下井喷危险。()表层套管可下深度H根据中间套管下入深度m处地层压力梯度给定

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钻井与完井工程教材第二章井身结构设计

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