国外现代油气井设计的一些新进展.pdf

第 4 1 卷 第 1 期 2 O 1 3年 1月 石 油 钻 探 技 术 P ETR LEUM DRI I I I N TE CHNI QUES Vo 1 ． 4 1 No ． 1 J a n ． ， 2 0 l 3 专家视点 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 0 8 9 0 ． 2 0 1 3 ． 0 1 ． 0 0 1 国外现代油气 井设计 的一些新进展 李 自俊 长江大学石油工程学 院， 湖北荆州 4 3 4 0 2 3 摘要 现行油 气井设计 方法 2 O多年前从 国外 引进 并沿用至今 ， 虽 已较 为成 熟， 也基本 能满足一般 工作需要 ， 但 2 O多年 间国外在该方 面又取得 了一些进展 ， 值得 学习、 借鉴 。通过调研 、 分析 和对 比， 认 为 国外油气井设计在近 2 O多年 主要 取得 了如下发展 运用数学方法 ， 从检 测到 的数 据 中找 出规律 ， 提 高压 力预 测的精度 ； 根 据地 质力 学理 论 ， 着眼 于井眼稳定 ， 应用 中线原理设计全 井钻 井液 密度 ， 能有效保持 井眼稳定 ； 以动 态控制 溢流的观 点， 按照允许 的最大溢流量准则 ， 正确选择各层套 管柱的下入 深度 ， 能满足 不同条件 下的井完整性要 求； 全 面考虑 比较设计 井X - 作期间各层套管柱的受力情况， 选择确定最为现 实的设计条件并考虑多种因素的影响， 进行套管柱的强度设计， 可 以做到比较符合设计井的实际情况。该系列新进展使现代油气井设计更为科学， 更符合实际， 也更安全。研究内 容对 国 内油气井设计具有一定的借鉴价值和指 导意义。 关键 词 钻 井设计 压 力预 测 井眼稳 定 钻井液密度 套管柱设计 溢流 中图分类号 T E 2 2 文献标识 码 A 文章编号 1 0 0 1 0 8 9 0 2 0 1 3 0 1 0 0 0 1 0 7 Ne w Ov e r s e a s M e t ho d o l o g y o f M o d e r n W e l l De s i g n L i Z i j u n Pe t r o l e u m En g i n e e r i n g Co l l e ge ， Y a n g t z e Un i v e r s i t y， J i n g z h o u， Hu b e i ， 4 3 4 0 2 3 ， Ch i n a Ab s t r a c t Th e p r e v a i l i n g we l l d e s i g n me t h o d o l o g y i n Ch i n a wa s i mp o r t e d mo r e t h a n t we n t y y e a r s a g o ． I t h a s b e e n p r o v e n t O b e a ma t u r e me t h o d a p p l i c a b l e t o c o n v e n t i o n a l p r o j e c t s ． I n p a s t y e a r s ， t h i s me t h o d o l o g Y f u r t h e r e v o l v e d i n i t s s o u r c e c o u n t r i e s ． Th r o u g h i n v e s t i g a t i o n， a n a l y s i s a n d c o mp a r i s o n， we f i n d t h a t t h e o v e r s e a s we l l d e s i g n me t h o d o l o g y i s a d v a n c e d a d d i t i o n a l l y i n f o l l o wi n g a s p e c t s 1 e x t e n s i v e u s e o f ma t h e ma t i c mo d e l s i n d a t a mi n i n g a l l o ws mo r e a c c u r a t e p r e d i c t i o n o f p r e s s u r e ； 2 t h e b o r e h o l e s t a b i l i t y c a n b e e f f e c t i v e l y ma i n t a i n e d u s i n g me d i a n l i n e p r i n c i p l e t o d e s i g n mu d we i g h t a c c o r d i n g t o g e o me c h a n i c a l t h e o r y ； 3 s e t t i n g d e p t h o f c a s i n g s t r i n g s i s c o r r e c t l y s e l e c t e d b a s e d o n ma x i mu m a l l o wa b l e s p i l l u n d e r t h e p r i n c i p i e o f d y n a mi c s p i l l c o n t r o l ， wh i c h c a n e n s u r e t h e we l l i n t e g r i t y i n d i f f e r e n t e n v i r o n me n t s ； ．4 b y c o mp a r i n g t h e l o a d s o n c a s i n g s t r i n g s i n t h e o p e r a t i o n o f we l l ， t h e mo s t r e a l i s t i c c o n d i t i o n s a n d s e v e r a l o t h e r f a c t o r s a r e c o n s i d e r e d i n s t r e n g t h d e s i g n o f c a s i n g s t r i n g s ． T h e s e t r e n d s s u g g e s t t h a t mo d e r n we l l d e s i g n i s mo r e s c i e n t i f i c ， mo r e p r a c t i c a l ， a n d s a f e r ． Th i s wi l l b e v a l u a b l e a n d r e f e r e n t i a l f o r we l l d e s i g n i n Ch i n a ． Ke y wo r d s d r i l l i n g d e s i g n ； p r e s s u r e p r e d i c t i o n； h o l e s t a b i l i z a t i o n； d r i l l i n g f l u i d d e n s i t y ； c a s i n g s t r i n g d e s i g n s p i l l 油气井设计是油气井钻井 必不可少 的组成部 分 。每口井 的设计都应该是符合实 际 目标 的、 便于 施工且具有一定灵活性的 ， 以适应作业期 间发生 的 变化 ； 施工过程是完善设计的过程 ， 以通过实践不断 总结 、 提高 。钻井与完井 阶段 的全部井眼技术资料 都可以得到、 且可 以应用于油气井设计 。为了钻井 作业安全 、 环保 ， 也为了经济有效 ， 必须采用正确 的 收稿 日期 2 0 1 2 - 1 0 - 3 1 ； 改 回日期 2 0 l 2】 2 2 3 。 作者简介 李 自 俊 1 9 3 3 ， 男， 江苏苏州人， l 9 5 3 年毕业于清 华大学石 油工程 系钻井专业 ， 1 9 5 7年北京石油学院钻井工程专业研 究生毕业 ， 教授 ， 主要研究方向为油气井压力控制和油 气井设计。 联 系方式 O 7 l 6 8 0 6 l 3 2 6 ， Z I J UNI I 3 2 6 g ma i l ． C O l l l 。 石 油 钻 探 技 术 方法 ， 以便每一 口井都是用最适宜的钻井液密度钻 进 的、 套 管柱 的下人深度都是 正确 的。从 2 0世纪 8 0年代起 ， 我国的油气井设计开始逐渐采用当时国 际上通行的、 建立在科学钻井基础上的一整套方法 ， 并制订了相应 的标准 ， 做到了规范化应用 ， 有力促进 了我国石油钻井技术的发展 。近 2 0多年 ， 随着钻井 技术的不断发展 ， 国外在油气井设计方面又有了值 得关注的进展， 各项技术 的进展也充分表明现代油 气井设计更为科学 、 更符合实际也更安全 。因此， 对 国内的油气 井设计具有一定 的借 鉴价值和指导意 义 ， 有必要进行研究。 1 数据采集 、 处理与建模 求取数据虽然不是油气井设计阶段 的任务 ， 但 数据的收集 、 分析 、 处理和建模是油气井设计的重要 基础 。 1 ． 1 数据收集 应全面详尽地收集一个地区各油气 田已钻井的 有关数据 ， 需要关注的重要参数有 漏失压 力 为应力模拟和井完整性评估方面的 关键性参数 ， 通常得 自每层套管下入后进行的泄漏 试验 。试验应该按有关标准进行 。 地层孔隙压力 与每次泄漏试验有联系的孔隙 压力是重要的设计参数 。不过 ， 因为大多数套管鞋 是安放在不渗透的致密页岩层段 ， 所 以孔 隙压力预 测不太准确 ， 因为不可能得到直接的测量结果。 上覆岩层压力上覆沉积物的重力通常是由密 度测井曲线积分得到的， 但在井的浅层部分 ， 往往是 不进行密度测井 的。此时 ， 密度可 以得 自声波测井 相互关系， 岩性学和矿物学评估 ， 或者通过其他方 法 。上覆岩层压力是一个重要参数 ， 可 以作 为任何 深度处应力状态的一个量度。 构造应力 为各向异性情况下的最大水平主应 力 n和最小水平主应力 。 1 ． 2 数据 分析 与处理 使用不 同原点的数据可以引起重大误差， 例如 不同专业人员可能采用不 同的基准面 、 海洋钻井中 的钻台升高不同和水深不同等都可能导致井深数据 混乱 。因此 ， 需要 注意 以下 问题 1 要选择一个参照系统 ， 把所有数据按这个共 同的参照系标准化。 2 如果数据包含直井和定向井 的数据 ， 可 以分 组 ， 并将 倾斜井 眼 的破裂 压力 数据校 正到垂 直井 眼Ⅲ， 校正表达式为 一 PF ． ao -- 。 了 s i n 2 a 1 p 一 一 ～ 1 曼 式 中 为直井 的破裂压力 ， MP a ； P 为井斜角为 时井 眼 的破 裂 压 力 ， MP a ； O o为 上 覆 岩 层 压 力 ， MP a ； 为地层孔隙压力 ， MP a ； 为井斜角 ，o 。 3 如果 已知地层岩性差别 ， 分组更可取。合理 的做法是， 将 已知数据分为适合页岩 的高漏失压力 组和适合砂岩、 煤和 白垩等其他岩层的低漏失压力 组， 并且分别建立高、 低 2 条破裂压力梯度曲线。 1 ． 3 数据 建模 漏失数据往往显出相当大的散布 。建议 以隐含 漏失压力的各参数 例如水平应力 、 有效水平应力以 及水平应力与上覆岩层压力的 比值等 来分别作 出 对待定 的套管柱下人深度 的曲线并进行 回归 ， 从 中 找出散布最小的和有垂直趋势的 ， 由此导出漏失压 力的简单模式 ， 并应用于新井设计I 2 唱 ] 。 2 应用 中线原理确定全井钻井液密度 2 ． 1 中线原理 通常， 钻井液密度是根据控制地层孑 L 隙压力 的 需要来确定的。但是长期 以来 ， 一 口井用在处理意 外井眼稳定性问题 的时间占到钻井总时间 的 1 5 左右， 所以油气井设计应该认 真考虑井眼稳定性 问 题 ， 而全井钻井液密度方案 的确定是 至关重要 的。 对于具有静液应力状态 即在垂直井周 围所有方向 的水平应 力大 小均 相等 的张弛 沉积 盆 地， B ． S ． Aa d n o y 等人导出E 7 3 O a一 2 一 ■ 一 ， 式中 口 为岩石水平应力 ， MP a ； 户 为通过泄漏试验 得到的漏失压力 ， MP a 。 式 2 简要说 明岩石水平应力可以表示为漏失 压力和孔隙压力的平均值 ， 它可 以解释多种井眼问 题。井眼稳定性问题可分为 2类 1 采用大于水平应力 的钻井液密度 ， 在高井 眼压力下造成井 眼破裂。其实际为一种拉伸破坏 ， 后果可能是井漏 ， 导致在重新建立起循环以前不得 第 4 1 卷 第 1 期 李 自俊． 国外现代 油气井设计的一些新进展 不停止钻进。 2 采用小于水平应力 的钻井液密度 ， 在低井 眼压力下造成井眼坍塌 。这是 由井眼周围超过岩石 强度 的切 向应力引起的一种剪切破坏。坍塌现象有 许多变化 在某些情况下 ， 岩石可以屈服导致钻具在 井眼中起下困难 ； 在另一些情况下 ， 可能发生更严重 的破坏导致崩塌 ， 也可能导致井眼净化问题 。这里 不包括 由于黏土吸水膨胀 而造成 的井眼坍塌问题 ， 并且假定使用抑制性钻井液 ， 井眼净化 良好 。 使用等于水平应力 的钻井液密度 ， 井 眼周 围 岩石不会受到钻井干扰 ， 井 眼具有更大的稳定性 ， 这 是最理想的钻井液密度。 B ． S ． Aa d n o y在此基础上提 出了 中线原理 ， 并 定义地层破裂压力和孔隙压力之问的中点限定井眼 压力等于理想原地水平应力。保持钻井液压力接近 其大小就可使井壁受到的损害最小 。该理论 已经得 到钻井实践检验 。 2 ． 2 中线钻井液密度设计方法 中线钻井液密度设计方法可以概括为以下几点 如图 1 所示 2 4 4 5mm 1 7 7 8mm 当量 压力梯度／ k g L 。 ’ 1 O 1 2 l 4 1 6 1 8 2 O 图 1 用 中线原理设计钻 井液密度示意 Fi g ．1 M e d i a n l i ne m u d we i g ht de s i g n m e t ho d ol o g y 1 建立设计井 的孔 隙压力梯度 曲线和破裂压 力梯度 曲线 ， 并根据 当地构造应力和预计井斜对破 裂压力梯度 曲线进行校正； 2 在孔隙压力梯度 曲线和破裂压力梯度 曲线 之间画出中线 ； 3 标 出容易发生井漏和压差卡钻 的井深范 围， 以及它们可 以承受的钻井液密度 假如 已知 的话 ； 4 由浅及深设计钻井液密度 ， 每个新井段开始 前约 1 0 0 m低于中线 ， 这样会减少井漏问题 ； 5 由浅及深逐段 围绕 中线设计一个钻井液密 度方案 ， 同时要考虑 3 和 4 的限制； 6 在一个新井段 ， 钻井 液通常是从较 低密度 开始 ， 然 后 逐 渐 提 高 ， 一 般 每 5 O～ 1 0 0 m 提 高 0 ． 0 5 k g ／ L； 7 要避免随着井深增加而降低钻井液密度， 如 发生中线反向则保持该钻井液密度不变 。 2 ． 3应用中线原理设计钻井液密度分析 1 应用中线原理设计钻井液密度 ， 是把井眼稳 定性作为主要 问题来对待的。此时， 井眼压力等于 理想原地水平应力 ， 切 向应力与径向应力相等， 因此 在很大程度上消除或减轻了力学 因素对井眼稳定性 的影响。 2 必须特别注意容易发生井漏 和压差卡钻的 层位 ， 为了将井漏和压差卡钻的风险降到最低， 这些 层位可采用低于中线的钻井液密度。 3 对于应力各向异性地层， 可以利用修正后的 中线原理求解。假设 2个水平应力 和 大小不 等， 且 H i a h ， 则有 一 3 h一 Z 式 中 P 为破裂压力 ， MP a ； i 为最大水平主应力和 最小水平主应力 的比值 。 可由 n 确定钻井液密度。 4 根据 中线原理设计 ， 所用钻井 液密度 比较 大， 这是否会影响钻速 呢这需要全 面分析。通常 认为高的过平衡会导致钻井缓慢 ， 但主张中线原理 者认为， 钻速主要受地层特性的影响， 过平衡 的影响 是次要 的。与其使用低密度钻井液导致发生井眼问 题再去处理 ， 不如采用 中线钻井液密度 ， 即便钻速有 所降低但井眼较为稳定， 总体来看更为经济。 5 根据中线原理设计钻井液密度不适用于预 探井钻井 。 3 井完 整性 与套管柱 的下人深度 3 ． 1 井 完整性 油气井设计必须保证设计井在钻井期间能够经 受住各种井下故障的影响， 为此须下人各层套管柱 。 其 中， 两类能够造成严重问题的偶然事件是严重井 漏和高压溢流。 从套管设计观点来讲 ， 井漏带来 的主要影 响是 增大了作用在套管上的外挤载荷 ， 这必须加 以考虑。 但是发生溢流时， 假如井是关闭的而部分或全部充 2 伽 O O 0 0 O O O O 0 O O 0 O O 如 ∞ ∞ 舳 ∞ 如 ∞ ∞ 舯 ∞ 加 ∞ ∞ {1 1 2 2 2 2 g＼ 醛求 石 油 钻 探 技 术 满天然气 ， 那么在井 的较浅处也许会产生巨大的内 爆载荷 ， 裸眼内也有大的压力 ， 造成套管爆裂或地层 破裂 ， 导致严重影响环境的事故。同时 ， 也要注意两 类事件还会互相转化。在控制溢流 的长期 实践 中， 形成了井完整性 以下简称完整性的概念 。 3 ． 1 ． 1 完全 的完整性 发生溢流直至地层流体充满套管柱并关井时 ， 井 口内爆载荷低于套管 的抗爆强度 ， 套管鞋处井 眼 压力低于地层破裂强度 ， 即在控制溢流的全过程中， 在套管以及裸眼井段都有完整性 ， 如 图 2 a 所示 。 3 ． 1 ． 2可允许 的不 完全 完整性 套管以深裸露地层承压能力太弱 ， 溢流发展到 一 定程度并采取关井措施时， 套管鞋处井眼压力超 过地层承压能力 ， 地层破裂 ， 储层和套管鞋之间可能 发生地下井喷。该情况虽然是不希望发生 的， 但也 是可以暂时接受的 ， 只要钻井液液面保持在套管鞋 以上且流动受到套管鞋限制 即可 。不过 ， 有些情况 下套管外也会发生泄漏 ， 或者破裂处接近地表 ， 此时 会导致更严重的问题 ， 如图 2 b 所示。 3 ． 1 ． 3不允许 的不 完全 完整性 套管强度太低 ， 溢流发展到一定程度并关井时， 井 口内爆载荷超过套管抗爆强度 ， 如图 2 c 所示 ， 井 口下面套管会爆裂 。该情况是需要全力避免的， 因为井 口下面套管的爆裂会导致完全 的井喷， 对人 员和设备都可能是一次灾难 。 地层破裂强度 ／ 套 管 鞋 处 压 力 a 完全 完罄性井 溢流量 压 力 镒梳晕 镒iifc 量 b 可 允 许的不完仝完整性井 c 不允许的不完全完整性井 图 2溢流关 井时 的井 内压 力与地 层破裂 强度 、 套管 抗爆 强度 Fi g ．2 Do wn h ol e p r e s s u r e，f o r nmt i o n f r a c t u r i ng pr e s s u r e a nd c a s i n g b u r s t s t r e n g t h a t s hu ti nd u et o s p i l l 事实上 ， 套管柱的上部能够经受住控制溢流过 程 中的内爆载荷 ， 假若有薄弱点， 那么该点应该在套 管鞋以深的位置。油层套管是下人生产油管以前最 后下入的套管柱 ， 需要完全完整性 。生产期间， 油管 顶部的泄漏会给油层套管相当大的内爆载荷而要求 有完全完整性 。对于该类情况， 必须小 于为保证达 到下一个裸眼井段末端有完全完整性所要求的最小 破裂压力梯度 。 除 了油层套管 以外的其他各层套管柱都可以设 计成适合于可允许 的不完全完整性 ， 只是 当该井完 全充满天然气时不能关井处理 。要保证套管不爆 裂， 就要使套管下面 的裸眼为最薄弱处。对于可允 许 的不完全完整性 ， 必须考虑以下设计条件 1 为达 到下一层套 管下人 深度所要求 的最小破裂压力 梯 度 ； 2 为确保薄弱点保持在套管鞋以下 的最大允许 破裂压力梯度 ； 3 能够处理且套管下面不破裂的最 大允许溢流量 。换言之 ， 只要不超过最大溢流量， 就 可以保证完全完整 I生。 3 ． 2 套管柱下入深度 确定套管柱下人深度的原则 ， 是井内最大压力 不使套管鞋以深裸眼地层破裂。但我国现行标准中 的 6 个系数方法 ， 是在早先 的钻井工艺水平下提出 的， 系数的确定主要凭经验 ， 缺乏科学依据 。实际 上 ， 早在 1 9 8 6 年 ， 美国出版 的 实用钻井工程 一书 中， 就 主张 只采 用起 钻余 量 和溢 流余 量 各 取 值 0 ． 0 6 ～0 ． 1 2 k g ／ L ， 这也表 明有必要对 6个系数方 法作出修改 。笔者介绍的方法中所用到的参数均为 可以预测的或已知的[ 9 引。 3 ． 2 ． 1 由钻 井液 密度 限制的套 管柱 下入 深度 与以往的方法相同， 钻井液密度是根据孑 L 隙压 力剖面或中线原理确定 的， 然后利用破裂压力梯度 曲线确定每一层套管柱的下人深度。 海洋浮式钻井由包括隔水管余量在内的钻井液 密度限制套管柱的下入深度 。海洋浮式钻井 中， 因 故暂时撤离时， 为了保持井 内对地层的压力平衡 ， 需 要使用超过正常钻井所需 的压力 ， 超 出的值称作 隔 水管余量 。 3 ． 2 ． 2 由溢流准则限制的套管柱下入深度 对每一个井段进行井控能力评估时 ， 用溢流准 则确定套管柱下入深度。 第 4 1卷第 1 期 李 自俊． 国外现代 油气井设计的一些新进展 5 1 运用完全完整性设计套管柱下入深度 。对 于油层套管应运用完全完整性来确定套管柱下入深 度 ， 可导 出 以下方程 Gf 1 一 G p -- p f Do 一 lo f D 4 式 中 D为待定的套管柱下入深度 ， m； 为 D处的 破裂压力梯度当量钻井液密度 ， k g ／ L ； D o 为套管下裸 眼最大深度， m； G D 为裸眼最大深度处孔 隙压力梯度 当量钻井液密度 ， k g ／ L； p f 为地层流体密度 ， k g ／ L 。 按式 4 作 G F 。 一D 曲线 ， 与预测破裂压力梯 度 线相交于 D ， 则 D 即为要求的套管柱下入深度。 2 运用可允许 的不完全完整性设计套 管柱 下 人深度。对于油层套管以外的套管柱应运用可允许 的不完全完整性来确定套管柱下入深度 ， 并在假 定 套管 内钻井液全部损失且 由地层流体所充满的条件 下导 出以下方程_ g ] Pb 0 ．O 0 9 81 D Sh ’⋯⋯ ， ～ C； F D 一 式中 P 为根据地 区经验初 步选用 的套 管抗爆 强 度 ， MP a ； S b为选 用套管 的抗爆设 计系数 ， 一般 取 1 ．1 8。 按式 5 作 G F D D 曲线 ， 与预测破裂压力梯 度 线相交于 Dz ， 则 D 即为要求的套管下人深度 。 进入井内的地层流体高度为 h 一 GF D- ／o m D1 - ／o m-- Gp Do 6 p m p { 最大溢流量为 V一 { 一d ； 7 式中 h为进入井 内的地层 流体高度 ， m； P m为钻井 液密度 ， k g ／ L； V为最大溢流量 ，m。 ； d h为井径 ， I I 1 ； d 。 为钻杆外径 ， m。 确定最大溢流量时还应该考虑所用钻井装置的 溢流量检测精度。 3 ． 3井完整 性概 念 的扩 充 上述关于井完整性 的概念 ， 是在控制溢流和设 计油气井的实践中形成和使用的。现在该概念 已经 有 了扩充 ， 例如挪威石油工业标准 No r s o k D 0 1 0定 义油气井完整性为“ 应用技术 、 作业和组织 的方法来 降低油气井整个使用寿命期间地层流体不受控制地 释放的风险” 。2 0 1 0年 4月 ， 美 国 B P公 司墨西哥湾 Ma c o n d o井发生泄漏原油严重事件 ， 该公司发表 的 内部调查报告确定该事件是 由“ 一次油气井完整性 失效” 引起 的。此后 ， 国际油气井作业者提升了油气 井完整性的优先权 ， 并 提出在一 口井的设计、 建设、 工作和弃置 4个阶段都应有能力实行油气井完整性 的有效控制[ 。 4 套管柱强度设计 设计依据 的选择很关键 。所有相关的依据都应 该在设计过程 中进行评估 ， 但往往 同时有多种情况 可以应用于设计井 ， 因而必须 以其 中最现实的最大 载荷情况作为依据 。 4 ． 1 套管柱抗爆设计依据 1 套管柱充满天然气 的依据。这是一个保守 的设计依据。它假设设计井完全为天然气或地层流 体所充满 ， 并随后关井。井 口下面的内压力为地层 压力减去天然气柱 的重力 ， 而作用在套管上的外压 力通常为套管柱外面流体的静液重力 ， 二者差值是 内爆载荷 。用于试井和生产的油层套管 ， 要经受充 满地层流体的情况 ， 所以必须应用该依据 ， 如图3 a 所示 。 2 油管泄漏 的依据 。油管柱底部通常装封 隔 器 ， 封隔器将上下环形空间隔开 ， 如果泄漏发生在油 管顶部 ， 油管 内压力会 叠加作用于油层套管内完井 液柱上 。因此 ， 封隔器顶部为关键部位 ， 如 图 3 b 所示 。 完 井 液 井 深 天然气充满套管 力 油层套管压力 井 深 图 3天然气充满套管或油管破裂泄漏造成的压力 Fi g ． 3 Pr e s s ur e c a u s e d b y l e a ka g e o f g a s f r o m c as i ng a nd t u b i n g f u l l o f g a s 3 天然气最大溢流量的依据 。对 于下人深度 较浅的技术套管柱 ， 在不进行流动试验的情况下 ， 采 用可允许的不完全完整性概念 ， 为偶然的溢流量设 天 气 井 深㈨骶 ■■ ■ ■ ■ 雌 油 石 油 钻 探 技 术 置一个上限， 允许在设计 中使用强度较弱的套管柱 。 最大溢流量在下一层套管下人前可能进入井内， 并 且可以循环排出， 而不会压裂套管鞋处地层 。该依 据对于油层套管以外的所有套管柱都是适用的。所 以 ， 必须选择最大溢流量。此外 ， 为了避免井 口下面 成为薄弱点， 要确定最大破裂压力 ， 该压力直接取决 于所选 的套管抗爆强度 。 4 完井和修井作业期间出现的最大内压力 ， 应 该确定为油层套管 的设计参数。 4 ． 2 套管柱抗挤设计依据 1 钻井液进 入漏层 的依据 。钻井液进入漏层 时 ， 套管外压力保持不变 ， 内压力减小 ， 井 内液面将 稳定在井底压力等于到这个深度的盐水柱重力 ， 产 生外挤载荷 。 2 注水泥期间的依据。注水泥之后 ， 套管外有 钻井液和水泥浆的静液压力 ， 而套管内为顶替的钻 井液 。最大外挤载荷出现在套管鞋处 。 3 生产期 间射T L f L 眼堵塞 的依据。外压力是 储层地层压力 ， 内压力是地层流体柱压力。该计算 只应用于储层。 4 ． 3 套管柱抗拉设计依据 套管柱抗拉设计依据主要为套管柱浮重、 弯曲 力及来 自试压的载荷 。套管试压不同于泄漏试验 ， 必须试验 到应该 承受 的设计 压力 。根 据 1 9 9 1年 NP D 挪威石油管理局 的规定 ， 设计试压值应具备 以下条件 1 等于试验情况规定的最大内压力 ； 2 不 大于套管柱抗爆强度 P 的 8 5 。 试压方法 1 注水泥期间碰压， 其优点是节省时 间和试压效果好 ， 缺点是产生的拉伸载荷大 ， 不适合 大直径 套管 柱 ， 试压 时在 井 口首先 达到 0 ． 8 5 P ； 2 水泥凝 固后试压 ， 其优点是大直径套管柱可不受 限制， 试压时在套管鞋处首先达到 0 ． 8 5 P 。 假如试压时的内外压差为 △ ， 套管的内横截面 积为 A ， 则试压时的拉伸载荷 k N 为 0 ． 1 A △ 。 4 ． 4 适 用 于探井 的一般 设计依 据 适用于探井的一般设计依据见表 1 。 4 ． 5 套管柱强度的校正 套管柱强度受温度 、 双轴加载、 磨损和腐蚀等因 素 的影响， 因此需要对套管柱强度进行校正。 表 1适用于探井的一般设计依据 Ta bl e 1 Co mmo n d e s i g n c r i t e r i a f o r e x pl or a t i o n we l l s ⋯破 度 ⋯储 ⋯柱 度 篓、 ⋯ 薯 或 生 套 管 盐 水 柱 气 或 测 试 管 ． ⋯ 弯 曲 力 及 无 尾 管 柱 泄 漏 ⋯ ⋯ ～ 试 压 油层 钻井液柱 漏层或井 浮 重、 ， 或墓 生 弯 4 ． 5 ． 1温度 的影响 温度升 高时套 管柱强度 降低 。对于最高温 度 1 0 0℃ 以内的浅井 ， 通常不需要校正 。对 于较深的 高压井 ， 可根据井 的实际温度和套管柱的性能参数 ， 研究强度一 温度 曲线 ， 得出每一个深度范围的局部强 度 ， 供设计参考。由温度变化引起的密闭套管外环 形空间内的压力上升问题 ， 可通过限制水泥返高来 解决 。 4 ． 5 ． 2 双轴加 载 的影响 受拉伸载荷时套管柱 的抗挤强度降低， 但是须 注意以下问题 1 只有已知破坏的屈服强度模式 的假设是有 效的， 才能应用塑性力学椭 圆。如果使用钢级很高 的套管， 该管柱会在发生任何重大 的屈服之前就 以 脆性方式破坏。 2 对于双轴的抗挤强度校正， 拉伸载荷 只采用 浮重和弯曲力 ， 不包括来 自试压时的载荷 。 4 ． 5 ． 3磨损 的影 响 下人套管柱后， 继续钻井会导致其磨损 。设计 时可预计一定的磨损量 ， 并使经过预计磨损量后 的 套管柱仍有足够的强度 ， 能够承受设计 载荷 。如果 采用的设计依据是在继续钻井 以前发生的情况 ， 那 就无须考虑磨损的影响。 4 ． 5 ． 4腐蚀 的影 响 对于将在几十年内接触腐蚀性流体 的生产井油 第4 1卷第 1 期 李 自俊． 国外现代油气井设计的一些新进展 7 层套管 ， 为了减少 昂贵的修井作业 ， 应该考虑适当的 预计壁厚腐蚀量 ， 并相应提高强度要求 。 4 ． 6设计系数 油气井作业 者往往对设计 系数提出最低要求 1 抗爆设计系数 S 1 ． 1 8 ； 2 抗 挤设计 系数 S 1 ． 1 0 ； 3 抗拉设计系数 S 1 ． 1 O 。 抗拉设计 系数 与 以前有较 大不 同， 值得 注意。 其主要原因可能是 1 抗拉设计依据 已经包括 了来 自试压 的载荷 ； 2 由于钻井液工艺水平 的提高 ， 卡套 管事故大大减少。 4 ． 7 设计 方法 采用最大载荷法 。设计 程序是 从抗爆设计开 始 ， 选择性能符合要求的套管钢级和壁厚 ， 再进行抗 拉和抗挤设计E l 1 - 1 2 ] 。 4 ． 8设计 的检 验 检验 目的是保证设计井每一层套管柱的薄弱点 均在套管鞋处 ， 而不是在井 口下面。检验方法是 将 设计的每一层套管柱的井 口处最大允许内爆载荷换 算为套管鞋处当量 的压力梯度 ， 并与预测的该处地 层破裂压力梯度进行 比较， 只要前者稍大于后者 ， 就 能保证套管鞋处是薄弱点。 5 结论 1 运用数学方 法 ， 从检 测到 的信 息 中找 出规 律 ， 可 以提高压力预测的精度 。 2 根据地质力学理论 ， 应用中线原理设计全井 钻井液密度 ， 可以消 除或减轻力学因素对井 眼稳定 性的影响 ， 尤其是在井 眼稳定性成为钻井重大 问题 的地区， 可获得 良好的效果。 3 设计套管下人深度时， 应遵循最大溢流量准 则 ， 用动态控制溢流的方法来满足井完整性要求 。 4 进行套管柱强度设计时 ， 应全面考虑设计井 工作期间套管的受力状况 。 5 国外现代油气井设计 的一些新方法 ， 对于国 内油气井设计具有借鉴价值 ， 也有一定的指导意义， 建议对其进行深入学习 ， 并推广应用 。 参考文献 Re f e r e n c e s [ 1 ] Aa d n o y B S ， C h e n e v e r t M E ． S t a b i l i t y o f h ig h l y i n c l i n e d b o r e h o l e s [ J ] ． S P E D r i l l i n g E n g i n e e r i n g ， 1 9 8 7 ， 2 4 3 6 4 3 7 4 ． [ 2 ] Aa d n o y B S ．I n v e r s i o n t e c h n iq u e t o d e t e r mi n e t h e i n - s i t u ， s t r e s s f i e l d f r o m f r a c t u r i n g d a t a [ J ] ． S P E 1 8 0 2 3 ， 1 9 8 8 ． [ 3 3 S v e n n e k j a e r M， B r a t l i R K． R o c k me c h a n i c s a p 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