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1、钻井工程设计,主讲人：崔金栋,一、 设计依据 二、井位及地质概况 三、井身结构设计 四、固井设计 五、钻柱设计 六、钻井设备选择 七、钻头及钻进参数设计 八、钻井液设计 九、下部钻具组合设计,钻井工程设计内容,十、水力参数设计 十一、油气井压力控制 十二、各次开钻或分井段施工重点要求 十三、地层压力监测要求 十四、油气层保护 十五、健康、安全与环境管理 十六、完井井口装置 十七、钻井进度计划 十八、成本预算及主要技术经济指标,一、 设计依据,1、XXX井钻井地质设计 2 、 XXX井主要的引用标准、规范和规定 （1）SY/T 5431-2008 井身结构设计方法 （2）SY/T 5088-20
2、08 钻井井身质量控制规范 （3）SY/T 5234-2004 优选参数钻井基本方法及应用 （4）SY/T 5964-2006 钻井井控装置组合配套安装调试与维护 （5）SY/T 6426-2005 钻井井控技术规程 （6）SY/T 5480-2007 固井设计规范 （7）SY/T 5955-2004 定向井井身轨迹质量 （8）SY/T 6276-2010 石油天然气工业健康、安全与环境管理体系 （9）SY/T 5435-2003 定向井轨道设计与轨道计算 （10）SY/T 5172-2007 直井井眼轨迹控制技术规范 （11）Q/SH 0082-2007 水平井钻井工程设计要求 3、 根据邻
3、井钻井资料及区块实钻资料,二、井位及地质概况,1、基本数据表,5,二、井位及地质概况,2、地理及环境资料,气象资料 该地区属大陆性季风半干旱气候，春季干旱多大风，夏季高温多雷雨，秋季凉爽而短促，冬季漫长且干旱。日照充足，雨热同季。年平均气温8，年平均降水量445mm，无霜期146天。春秋季多西北风，春季易发沙尘暴天气，夏秋季多雷雨易发山洪滑坡。 地形地貌及交通情况 该井区处于黄土高原腹地，沟谷纵横，山峁相间，地形复杂，地表起伏高差大，地表为第四系松散黄色粘土，林木覆盖。 该井所处地区森林覆盖，交通、通讯条件均较差。,6,二、井位及地质概况,3、XXX井钻遇地层预测表,2019/5/26,三、井
4、身结构设计,1、井身结构设计的主要原则 能有效保护油气层 能避免产生井漏、井喷、井塌、卡钻等井下复杂情况,为全井安全、优质、快速和经济地钻进创造条件； 当实际地层压力超过预测值使井出现液流时，在一定范围内，具有压井处理溢流的能力。,2019/5/26,2、套管类型 导管 钻表层井眼时，将钻井液从地表引导到钻台平面上来。 表层套管 防止浅层水受污染，封闭浅层流砂、砾石层及浅层气，支撑井口设备装置，悬挂依次下入的各层套管的载荷。 技术套管（中间套管） 封隔坍塌地层及高压水层 封隔不同的压力体系 继续钻井的需要,三、井身结构设计,2、套管类型 油层套管（生产套管） 为油气生产提供流通通道 保护产层、
5、分层测试、分层采油、分层改造 尾管 技术尾管 生产尾管 尾管回接,三、井身结构设计,2019/5/26,井深,当量泥浆密度,Gp,Gf,3、考虑的因素 岩性剖面及故障提示 地层压力、地层破裂压力 工程参数 正常作业：抽吸压力系数Sw、激动压力系数Sg、地层压裂安全增值Sf 出现液流：抽吸压力系数Sw、地层压裂安全增值Sf、考虑液流情况下地层压力增加值 SK 最大允许压差 PN(Pa),三、井身结构设计,4、井身结构设计关键参数 最大钻井液密度：某一层套管的钻进井段中所用的最大钻井液密度，和该井段中的最大地层压力有关： max:某层套管的钻进井段中所使用的最大钻井液密度，g/cm3； pmax该
6、井段的最大地层压力梯度， g/cm3； Sw:考虑到上提钻柱时抽吸作用使井底压力降低，为了平衡地层压力所加的附加钻井液密度， g/cm3。Sw=0.024-0.048 g/cm3 .,三、井身结构设计,4、井身结构设计关键参数 最大井内压力梯度 正常作业（起下钻、钻进）：正常钻井条件下，井内最大压力梯度是发生在下放钻柱时，由于产生压力激动使得井内压力增高，设由于压力激动使井内的压力增加值为Sg，则最大井内压力梯度为： Sg:激动压力梯度当量密度； g/cm3； Sg=0.024-0.048 g/cm3,三、井身结构设计,4、井身结构设计关键参数 最大井内压力梯度（续） 发生液流时：为了制止液流
7、，如压井时井内压力增高值为Sk,则最大井内压力梯度为： Sk=0.060 g/cm3 上式只适用于发生液流时最大地层压力所在的井深Hpmax的井底处，而对于井深为Hn的任意井深处的井内压力梯度为：,三、井身结构设计,4、井身结构设计关键参数 套管下深的临界条件 为了确保上一层套管鞋处的裸露地层不被压裂，应该保证，某一井段的最大井内液柱压力梯度满足： f:上一层套管下入深度处裸露地层的破裂压力梯度； g/cm3 Sf：为避免将上一层套管下入深度处裸露地层压裂的安全值， Sf =0.024-0.048 g/cm3,当量泥浆密度,Gp,Gf,三、井身结构设计,5、最大允许压差 为了在下套管过程中，不
8、致于发生压差粘卡套管的事故，应该限制井内钻井液液柱压力与地层压力的压力差值，即规定最大允许压差。 最大允许压差的取值 在正常压力地层： PN=11-17MPa 在异常压力井段： Pa=14-22MPa,三、井身结构设计,6、设计步骤和方法 （1）各层套管（不含油层套管）下入深度初选点Hni的确定 正常钻进时： fnr:在设计套管层所在的裸眼井段内，在最大井内液柱压力梯度作用下，上部裸露地层不致破裂所应有的地层破裂压力梯度，g/cm3; max: 裸露井段预计的最大地层压力梯度， g/cm3;,三、井身结构设计,6、设计步骤和方法 （1）各层套管（不含油层套管）下入深度初选点Hni的确定（续1）
9、 发生液流时时： fnk:在设计套管层所在的裸眼井段发生液流时，在最大井内压力梯度作用下，上部裸露地层不致破裂所应有的地层破裂压力梯度，g/cm3; Hni:设计层套管的初始下入深度，m; Hpmax: 最大地层压力所对应的井深;m。,三、井身结构设计,6、设计步骤和方法 （1）各层套管（不含油层套管）下入深度初选点Hni的确定（续2） 比较正常钻井情况下和发生液流情况下的最小地层破裂压力， 一般地fnk fnr,因此通常按fnk计算，只有在肯定不会发生液流的情况下，才按fnr计算。 对于技术套管，首先计算出fnk，然后通过作图或数字计算的方法找到地层破裂压力为fnk的井深，该井深即为技术套管
10、下入的初选点。 对于技术套管，需要校核是否会卡套管，对于表层套管，则一般不必进行压差粘卡套管的校核,三、井身结构设计,当量泥浆密度,Gp,Gf,正常工况（起钻、下钻）,发生液流时,当量泥浆密度,Gp,Gf,三、井身结构设计,6、设计步骤和方法 （2）校核套管下入初选点Hni是否会发生压差粘卡套管 所用最大钻井液密度与最小地层压力之间实际的最大静止压差： P：套管所受到的最大静止压差，MPa； min：该井段内最下地层压力,g/cm3; Hmm：最小地层压力所对应的井深,m。,三、井身结构设计,6、设计步骤和方法 （2）校核套管下入初选点Hni是否会发生压差粘卡套管（续1） 比较P与P N(P
11、a) PPN（或Pa），则假定深度Hni为中间套管下入深度。 若PPN（或Pa），则中间套管下至Hni过程中有被卡危险。在这种情况下,必须采取下尾管的方法解决。 确定技术套管的下入深度：先计算不卡套管的最大地层压力梯度，g/cm3; 与pper对应的井深即为经过校核的井深,三、井身结构设计,6、设计步骤和方法 （3）在技术套套下入深度浅于初选点的情况下，确定尾管的下入深度Hn+1 确定尾管下入深度的初选点Hn+1,I 由技术套管鞋处的地层破裂压力梯度fn可求得允许的最大地层压力梯度pper: 通过数字计算或作图法找到与pper相等的地层压力梯度所对应的井深，该井深即为尾管下入深度的初选点。 校
12、核尾管的下入深度初选点是否会发生卡套管,三、井身结构设计,采用迭代法，试取一个Hn+1值求pper，如果pper大于该深度的实际地层压力梯度，且二者接近，则Hn+1就是尾管下入深度。,Gp,Gf,Hn,Hn+1,1)中间套管下深Hn的确定,与pper相对应的井深即为中间套管下深Hn。,2)尾管下深Hn+1的确定,三、井身结构设计,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
13、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、钻头库存规格等的限制。,（一）设计中考虑的因素,7、套管尺寸与井眼尺寸选择及配合,三、井身结构设计,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。 生产套管根据采油方面要求来定。勘探井则按照勘探方要求来定。 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9.512.7mm(3/81/2in)范围，最好为19mm（3/4in）。,（二）套管和井眼尺寸的选择
14、和确定方法,7、套管尺寸与井眼尺寸选择及配合,三、井身结构设计,3套管及井眼尺寸标准组合,81/2,三、井身结构设计,8,四、固井设计,1、套管管柱设计 2、注水泥浆设计,9,四、固井设计,1、套管管柱设计,（1）套管柱强度设计原则,（2）套管柱强度设计方法,29,水泥用量与替浆量计算 替浆量：在注水泥施工中，用来将水泥浆从套管内顶替到环空所需要的顶替液体积。 水泥用量：指的是固井所需干水泥的重量 （1）水泥用量 为计算水泥用量需先计算出固井所需的水泥浆量（水泥浆体积）。,2、注水泥基本设计,四、固井设计,30,水泥用量与替浆量计算 （1）水泥用量 1）水泥浆量 根据电测井径，将环空水泥浆封固
15、段分为若干段（设为n段），环空水泥浆量为： 管内水泥塞体积为：,2、注水泥基本设计,四、固井设计,31,水泥用量与替浆量计算 （1）水泥用量 2）水泥用量 3）配浆水用量 在现场，井场实际水泥准备量和配浆用水准备量都要在理论计算的基础上附加一定数量，具体附加量据油田经验定。 外加剂用量，当知道水泥用量和水泥浆配方后即可计算出来。,2、注水泥基本设计,四、固井设计,32,水泥用量与替浆量计算 （2）替浆量 替浆量用下式计算：,2、注水泥基本设计,四、固井设计,33,注水泥流变学设计 注水泥流变学设计是注水泥设计中的非常重要的部分，提高注水泥顶替效率、保证注水泥施工中井内压力平衡，是注水泥流变学设
16、计的主要目的。 水泥流变学设计的基本内容： 水泥浆流变参数计算 紊流临界排量设计,2、注水泥基本设计,四、固井设计,34,注水泥流变学设计 （1）水泥浆流变参数计算 水泥浆流变性测量仍采用旋转粘度计，但测量方法上与钻井液稍有差别，水泥浆只测量300r/min、200r/min、100r/min、6r/min和3r/min转速下的剪切应力值，不测量600r/min转速下的剪切应力值。水泥浆流变参数计算式如下： 为了提高注水泥顶替效率，要求水泥浆的流性指数比钻井液的流性指数低。,2、注水泥基本设计,四、固井设计,35,注水泥流变学设计 （2）紊流临界排量设计 紊流顶替是提高注水泥顶替效率的有效措施之
