钻井导管层次及深度设计

常规压力钻井的套管柱分为：导管、表层套管、技术套管（中间套管）、油层套管（生产油管）等。

表层固井通常使用20~13 3/8英寸的套管，多数是采用钢级低的“J”级套管。

技术套管通常使用13 3/8~7英寸的套管，采用的钢级较高。

油层套管固井通常使用7~5英寸的套管，钢级强度与技术套管相同。

一、套管深度设计
1、套管层次和下入深度的确定
1）液体压力体系的压力梯度分布
套管层次和下入深度是以力学为基础的，因此首先要分析井内压力体系的压力梯度分布。

2）最大泥浆密度ρmax
某一层套管的钻进井段中所用的最大泥浆密度和该井段中的最大地层压力有关。

即： ρmax=ρpmax+S b （4）
式中 ρmax ——某层套管钻进井段中所用最大泥浆密度，g/cm3；
ρpmax ——该井段中的最大地层孔隙压力梯度等效密度，g/cm3；
S b ——抽吸压力允许值，g/cm3。

3）最大井内压力梯度ρB
为了避免将井段内的地层压裂，应求得最大井内压力梯度。

在正常作业时和井涌压井时，井内压力梯度有所不同。

（1）正常作业情况
最大井内压力梯度发生在下放钻柱时，由于产生激动压力而使井内压力升高。

如增高值为S g ，则最大井内压力梯度ρBr 为：
ρBr=ρmax+S g （5）
（2）发生井涌情况（关封井器并加回压）
为了平衡地层孔隙压力制止井涌而压井时，也将产生最大井内压力梯度。

压井时井内压力增高值以等效密度表示为S b ，则最大井内压力梯度等效密度ρBk 为：
ρBk=ρmax+S k （6）
但（6）式只适用于发生井涌时最大地层孔隙压力所在井深H pmax 的井底处。

而对于井深为H n 处，则：
由上式可见，当H n 值小时（即深度较浅时）ρBk 值大，即压力梯度大，反之当H n
值大（7）
时，ρBk 小。

如图3-8-1-2所示。

ρak 值随H n 变化呈双曲线分布。

为了确保上一层套管鞋处裸露地层不被压裂，则应有：
ρBr=ρf －Sf
或 ρBk=ρf －Sf （8）
式中 ρf ——为上一层套管鞋处薄弱地层破裂压力等效密度值，g/cm3；
Sf ——地层压裂安全增值，g/cm3。

2、设计方法及步骤
套管层次和下入深度设计的实质是确定两相邻套管下入深度之差，它取决于裸眼井段的长度。

在这裸眼井段中，应使钻进过程中及井涌压井时不会压裂地层而发生井漏，并在钻进和下套管时不发生压差卡钻事故。

设计前必须有所设计地区的地层压力剖面和破裂压力剖面图，图中纵坐标表示深度，横坐标表示地层孔隙压力和破裂压力梯度，皆以等效密度表示。

设计时由下而上逐层确定下入深度。

油层套管的下入深度主要决定于完井方法和油气层的位置。

因此设计的步骤是由中间套管开始。

1）、各层套管（油层套管除外）下入深度初选点H n 的确定。

套管下入深度的依据是，其下部井段钻进过程中预计的最大井内压力梯度不致使套管鞋处裸露地层被压裂。

根据最大井内压力梯度可求得上部地层不致被压裂所应有的地层破裂压力梯度ρfnr 。

正常作业下钻时，由（4），（5），（8）式，有：
ρfnr=ρpmax+S b+S g+S f （9） 式中 ρfnr ——第n 层套管以下井段下钻时，在最大井内压力梯度
作用下， 上部裸露地层不被压裂所应有的地层破 裂压力梯度，g/cm3；
ρpmax ——第n 层套管以下井段预计最大地层孔隙压力等效
密度，g/cm3。

发生井涌情况时，由（4）、（7）（8）式，有：
图3-8-1-2
井内压力
式中 ρfnk ——第n 层套管以下井段发生井涌时，在井内最大压力
梯度作用下，上部地层不被压裂所应有的地层破裂 压力梯度，g/cm3；
Hni ——第n 层套管下入深度初选点，m 。

对比（9）、（10）两式，显然，ρfnk ＞ρfnr ，所以，一般用ρfnk 计算，在肯定不会发生井涌时，用ρfnr 计算。

对中间套管，可用试算法试取H ni 值代入式中求ρfnk ，然后由设计井的地层破裂压力梯度曲线上求得H ni 深度时实际的地层破裂压力梯度。

如计算的值ρfnk 与实际相差不多且略小于实际值时，则H ni 即为下入初选点。

否则另取一H ni 值计算，直到满足要求为止。

2）、校核各层套管下到初选点深度H ni 时是否会发生压差卡钻。

先求出该井段中最大泥浆密度与最小地层孔隙压力之间的最大静止压差△P rn 为：
△P rn=9.81H mm·（ρpmin+S b-ρmin ）×10-3 （11）
式中 △P rn ——第n 层套管钻进井段内实际的井内最大静止
压差，MPa ；
ρpmin ——该井段内最小地层孔隙压力梯度效密度，g/cm3；
H min ——该井段内最小地层孔隙压力梯度的最大深度，m 。

比较△P rn 和△P （压差允值，正常压力地层用△P N ，异常压力地层用△P a ）。

当△P rn ＜△P 时，则不易发生压差卡钻，H m 即为该层套管下入深度。

当△P rn ＞△P 时，则可能发生压差卡钻，这时，该层套管下深H n 应浅于初选点H ni 。

H n 的计算如下：
令△P rn=△P ，则允许的最大地层孔隙压力ρpper 为：
由地层孔隙压力梯度曲面图上查ρpper 所在井深即该层套管下入深度H n 。

3）、当中间套管下入深度浅于初选点H n ＜H ni 时，则需要下尾管并要确定尾管下入深度H n+1
（i ）确定尾管下入深度初选点H (n+1)i 。

由中间套管鞋处的地层破裂压力梯度ρfn 可求得允许的最大地层孔隙压力梯度ρpper ，由（2-90）式，有：
(10式中 ρfnk ——第n 层套管以下井段发生井涌时，在井内最大压力 梯度作用下，上部地层不被压裂所应
其他符号代表意义同前。

（ii ）校核尾管下入到深度初选点H (n+1)i ——时，是否会发生压差下钻。

校核方法同前所述。

二、套管尺寸设计
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。

1、设计中考虑的因素
1）、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。

2）、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预告难于准确，是否要本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。

3）、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
2、套管和井眼尺寸的选择和确定方法
1）、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，然后确定中层套管尺寸等，依此类推，直到表层套管的井眼尺寸，最后确定导管尺寸。

2）、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。

3）、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9.5～12.7mm （3/8～1/2in ）范围，最好为19mm （3/4in ）。

3、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3-8-1-4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。

表的流程表明要下该层套管可能需要的井眼尺寸。

实线表明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、泥浆密度、注水泥及井眼曲率大小等应予注意。

式中 ρfn ——中间套管鞋处地层破裂压力梯度，g/cm 3；
ρpper ——中间套管鞋处地层破裂压力梯度为ρfn 时，其下井段所允许
的最大地 层孔隙压力梯度，g/cm 3；
H n ——中层套管下深，m ；
H ——尾管下入深度初选点，m 。

（13）。