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1、深井超深井新型套管程序设计,石油大学（华东）油气井工程研究所,主要内容,1、国内外深井、超深井典型套管程序及分析；2、套管与钻头系列及尺寸配合；3、新型套管程序设计；4、井身结构设计软件。,()国内外深井超深井典型套管 程序及分析,一、国内深井超深井典型套管程序 及分析（一）国内深井超深井典型套管程序 1.13-3/89-5/85-1/2 2.2013-3/89-5/875 3.302013-3/89-5/875,一、国内深井超深井典型套管程序 及分析,（二）对国内现用套管钻头系列的分析评价国内现有的套管钻头系列在地质条件不太复杂的地区是很适用的，这已为钻井实践所证明。但在复杂地质条件下，尤其
2、是对深探井钻井来说，这种单一的套管、钻头系列便显示出局限性。从调研情况看，目前采用的套管、钻头系列主要存在以下几方面的问题：1、套管层数少且系列单一，难以满足封隔多套复杂地层的要求。2、目的层套管（7和5）与井眼的间隙小，易发生套管阻卡，固井质量也难以保证。3、下部井眼尺寸小（6”或5 7/8”），难以满足采油方面和地质加深的要求，也不利于快速、优质、安全钻井。,一、国内深井超深井典型套管程序 及分析,（三）海洋复杂深井采用的强化型套管程序 为适应复杂的深井钻井的要求，海上钻井采用了一种强化型套管、钻头系列，并得到了成功的应用。（36）30-（26）20-（17-1/2）13 3/8-（14）
3、11 3/4-（12 1/4）9 5/8-（8 1/2）7-（6）4 1/2 在14 井眼用8 3/412 1/4 14偏心钻头钻进，11 3/4 尾管采用无接箍套管，在12 1/4井眼段，用7 7/8 10 5/812 1/4 偏心钻头钻进。9 5/8套管柱的上部用普通接箍的套管，进入11 3/4尾管及以下井眼的套管为无接箍套管。,二、国外深井超深井典型套管程序及 分析,（一）国外深井超深井典型套管程序 对美国、法国、罗马尼亚、奥地利、沙特阿拉伯及阿联酋等国家的深井超深井钻井资料调研及分析发现，国外在深井超深井钻井中采用的套管、钻头系列的种类很多，随地区、井深、钻井目的及钻井工艺技术水平的不
4、同而不同。套管层次有三层、四层、五层、六层、七层等。套管尺寸最大达到36(914.4mm)，最小为3 1/2(88.9mm)。井眼尺寸最大到42(1066.8mm)，最小到4 3/4(120.7mm)。套管与井眼之间的间隙为9.5mm76.2mm。,1.（26）20-（17 1/2）13 3/8-（12 1/4）10 3/4-（9 1/2）7 5/8-（6 1/2）5 这种套管程序在美国西德克萨斯、俄克拉何马州、密西西北亚巴马等地区获得了成功的应用。,二、国外深井超深井典型套管程序及 分析,2.36-26-20-16-10 3/4-7 3/4-5,这是美国加利福尼亚最深井943-29R井采用的
5、套管程序。这种设计的主要目的是使全井都能用5钻杆及较大尺寸钻头钻进，以避免因水敏性页岩在水基泥浆中浸泡时间过长引起的井壁坍塌而造成钻具扭断和钻杆扭断等井下事故。,二、国外深井超深井典型套管程序及 分析,3.30-20-16-11 7/8-9 7/8-7 3/4-5 1/2,这种套管程序在美国怀俄明州Madden地区的Bighorn 15井实践过，,二、国外深井超深井典型套管程序及 分析,二、国外深井超深井套管、钻头系列 分析评价（一）国外深井超深井套管、钻头系列,4.36-30-24-18 5/8-13 3/8-9 5/8-7-4 1/2,阿拉伯美国石油公司在沙特阿拉伯钻Khuff地层时成功地
6、采用了这种套管程序。,二、国外深井超深井套管、钻头系列 分析评价（一）国外深井超深井套管、钻头系列,5.32-24 1/2-16-13 3/8-9 5/8-7 5/8,德国KTB超深井采用的套管程序。,6.30-24-20-16-13 3/8-11 3/4-9 5/8-7 5/8,这是拉丁美洲和墨西哥海湾地区复杂深井超深井钻井中采用的套管程序。采用了新型的无接箍套管，既增加了套管层次来封隔多套复杂地层，又可以使用较小尺寸的导管和表层套管，,二、国外深井超深井典型套管程序及 分析,（二）国外深井超深井套管程序的特点1、开眼直径大，导管和表 层套管尺寸大。2、探井及复杂地层开发井 的完钻井眼大，小
7、井眼 钻井较少。3、采用下无接箍套管的办 法增多套管柱层数。4、采用较小的套管/井眼 间隙，缩小上部井眼，增大下部井眼。,二、国外深井超深井典型套管程序及 分析,一、套管、钻头系列及井控装置二、套管与井眼的合理间隙三、套管/钻头尺寸的配合关系,()套管与钻头尺寸及配合关系,一、套管、钻头及井控装置系列,1套管尺寸系列（1）API套管 从4.5“(114.3mm)到20”(508mm)共14个尺寸系列。对于同一外径的套管，API标准规定了若干壁厚尺寸和接箍类型，组成不同的强度等级和品种供选用。表2-1列出了API套管标准尺寸。（2）非API套管 表2-2列出了包括在套管规划方案的最新指南中的25
8、种非API套管和接箍尺寸。非API标准尺寸的套管的生产和应用，为套管程序的优化设计提供了更大的灵活性。（3）新型无接箍套管 无接箍套管包括直连型（XL）、平齐式（FJ）和整体连接型（IJ）套管。根据其结构尺寸可分成两大类：一类是螺纹连接部分和管体内外径完全相同，即完全平齐型；一类是螺纹连接部分较管体内外径微加厚，即加厚型。这种套管由于不采用接箍连接，从而减小了整个套管柱的尺寸，增大了套管与井壁的间隙。正是因为这一优点，使其在深井超深井钻井、小间隙固井等作业中得到广泛的应用。表2-5所列为世界几大制造厂（公司）生产的无接箍套管的种类与规格。,2钻头尺寸系列 套管尺寸的选择受可能获得的钻头尺寸的限
9、制，石油工业使用的许多套管尺寸最初是适应钻头尺寸选定的。钻头尺寸对套管尺寸选择的有两方面限制，一是所选钻头尺寸应能在套管接箍之外提供足够的间隙，以满足下套管和注水泥的要求；二是钻下部井段的钻头尺寸必须匹配上面一层套管柱的内径（通径）。目前可获得的牙轮钻头尺寸系列列于表2-6。表2-7给出了在不发生套管粘卡情况下能安全下入各种不同API套管通常所使用的钻头尺寸。能通过各种API套管的常用钻头尺寸见表2-8。在大多数情况下，钻头外径大于套管通径而小于内径时也会通过。随着聚晶和热稳定聚晶金刚石钻头的发展，已能设计出任何尺寸的钻头，钻头尺寸的限制已很小。尤其是管下扩眼钻头的成功应用，使减小间隙之井筒设
10、计成为可能。国内外许多钻头厂家都可以生产各种规格的偏心钻头。目前，品种较多和应用较广的偏心钻头是PDC偏心钻头。表2-9列出了DPI公司生产的偏心PDC钻头及其适用范围。,一、套管、钻头及井控装置系列,3.井口装置系列 井口防喷装置也常是套管方案设计的制约因素。首先要考虑可能获得的防喷器组合的通径尺寸，通常要求防喷装置的通径尺寸略大于联接套管外径。如20表层套管常配备20.75”防喷器，13.375”套管与13.625”防喷器相匹配。其次，高压井口装置一般只提供三层套管柱的悬挂器和密封系统。由于这样的限制，在增加套管层次是只能下尾管，或在下表层套管之前加一层导管并装上防喷器。再次要考虑套管头的
11、供货情况，我国目前生产的套管头主要有13-3/89-5/87、13-3/89-5/85-1/2、13-3/89-5/55三种规格。目前使用的液压防喷器，国内产品主要来自上海第一机械厂、重庆矿山机械厂、宝鸡石油机械厂等。国外产品主要来自美国海德里尔（Hydril）、歇福尔（Shaffer）、卡麦隆(Cameron)三个公司。上述厂家生产的液压防喷器可供选择的压力等级和尺寸系列见表2-10。各种规格防喷器相匹配的套管尺寸列于表2-11。,一、套管、钻头及井控装置系列,4套管钻头数据库 为便于在井身结构设计中查询和使用套管、钻头方面的数据信息，建立了套管钻头数据库。数据库软件以Windows 98作
12、为开发平台，用VB6.0作为开发工具编制而成，具有数据录入、查询、修改、删除等功能。数据库收集了国内外主要厂商可能提供的API系列和非API系列的套管、钻头数据，为实现计算机优化井身结构设计奠定了基础。数据库中已录入套管数据2948条，包括API 4-1/2英寸至20英寸常用套管和NKK、Hydril、Mannesmann及天津等部分厂家的套管数据；钻头数据2079条，包括H-C、REED、DBS、Smith、DKG等厂家3-7/8至28英寸钻头信息。基本覆盖了国内钻井需要的所有套管及钻头数据。,一、套管、钻头及井控装置系列,注水泥的合理间隙下套管的合理间隙地层性质对间隙的影响井斜及狗腿对间隙
13、的影响钻井工艺水平对间隙的影响,二、套管与井眼的合理间隙,1.注水泥的合理间隙(1)避免形成水泥桥的最小间隙 当套管与井眼的环隙较小时，水泥滤饼填满环形空间的最大允许失水量就比较小，很容易造成局部先期脱水形成水泥桥。美国的几家固井公司建议套管每边的最小环隙为0.375”0.5”，最好为0.75”。是否形成桥堵还取决于水泥浆的失水性能、地层的渗透性、井内压力与地层压力之差以及注水泥时间。(2)顶替效率与环隙的关系 在水泥浆流量相同的情况下，小间隙环空更容易达到紊流状态，有利于提高水泥浆的顶替效率。但间隙较小的情况下，居中度很难达到67%以上。在斜井眼和水平井眼中，居中度更难以保证。研究及现场实践
14、证明：在直井段，0.4375”的环空间隙内仍可以获得界面胶结良好的水泥环。在斜井段或水平井段，最优的环空尺寸为0.75”1.5”。小于0.75”时，套管居中是关键。大于1.5”时，环空体积大，需要很大的流量来保持高速。(3)水泥环强度与厚度的关系 Adams研究提出：0.75”的环空间隙可以保证水泥浆的充分水化和有足够的水泥环强度；要达到要求的水泥环强度，管子每边最小的环空间隙为0.375”0.5”。,二、套管与井眼的合理间隙,2.下套管的合理间隙（1）能使套管柱上的各种工具如扶正器和刮泥器通过 表2-12给出了扶正器与井眼的正规尺寸配合，符合该尺寸配合时，扶正器可产生有效扶正套管的扶正力。（
15、2）在一定的下套管速度下产生的压力激动不压漏薄弱地层 建立了环空瞬态波动压力模型及基本方程，编制了计算机软件，可以根据一口井的具体条件对安全下入某种尺寸套管的最小井眼尺寸进行设计并优化，使其达到可接受的下套管速度。（3）国内外成功经验 1）一般地，平接箍套管能下入管体与井眼间隙为0.5”0.625”的井眼内；带接箍的套管能下入接箍与井眼间隙稍小于0.5”的井眼内。2）在裸眼井段使用无接箍套管，而在有套管的井段使用带接箍的套管，可消除因接箍端部刮井壁而卡套管的危险。3）在5.875”井眼内能成功下入5”套管（塔里木深井、超深井）。在8.5”井眼内可以下入7.625”近平接箍套管（德国KTB超深井
16、）。,二、套管与井眼的合理间隙,3.地层性质对间隙的影响 地层性质的影响主要体现在井壁稳定性方面。地层较硬，稳定性较好，套管与井眼的间隙可以相对小一些。对比较软的地层，特别是易坍塌或易缩径的复杂地层如水敏性泥页岩、盐岩层、未成岩疏松地层等，套管与井眼间隙应相对大一些。例如311.15mm(12.25”)的井眼，在硬地层可下入273.05mm（10.75”）的套管，而在软地层应下入244.47mm(9.625”)的套管。,二、套管与井眼的合理间隙,4.井斜及狗腿对间隙的影响 在大斜度井段和水平井段，套管与井眼的间隙应设计的大一些。Wilson和Sabins研究指出：套管/井眼尺寸的配合和套管居中
17、度对水平井段的注水泥效果有着较大的影响，选择套管/井眼尺寸时，需要有1.5”的间隙，套管居中度至少要有60%，才能消除低边窜漕和污染。经验认为，套管/井眼间隙比较小时狗腿对下套管作业影响较大。某野猫井，表层套管下至1500米，12.25”井眼钻至4500米，有几处严重度为3/30米的狗腿，10.75”套管下至3600米北卡死，被迫提前固井。因此，对于狗腿严重的井段，应适当加大套管/井眼的间隙值。,二、套管与井眼的合理间隙,5.钻井工艺水平的影响 在确定套管与井眼的间隙时，要考虑钻井工艺水平的影响。井眼钻得垂直、规则，泥浆性能好，则套管与井眼间隙可以相对小一些。如在德国KTB超深井钻井中，采用了
18、自动垂直钻井系统，可钻出一个垂直的、规则的井眼轨迹，因此设计的套管与井眼的间隙值比较小。德国KTB超深井套管井眼间隙 套管尺寸(mm)622.3 406.4 339.7 244.5 193.7 井眼尺寸(mm)711.2 444.5 374.7 311.2 215.9 间 隙 值(mm)44.5 19.1 17.5 33.3 11.1,二、套管与井眼的合理间隙,三、套管/井眼尺寸的配合关系,国内外实践过的套管/井眼尺寸配合,三、套管/井眼尺寸的配合关系,尾管与井眼的常用配合关系,三、套管/井眼尺寸的配合关系,大间隙配合关系,常规间隙配合关系,三、套管/井眼尺寸的配合关系,小间隙配合关系,三、套
19、管/井眼尺寸的配合关系,特殊配合关系（扩孔）,三、套管/井眼尺寸的配合关系,一、增加现用套管程序之层次的设计二、新型套管程序设计,()新型套管程序设计,在13-3/89-5/85-1/2套管程序中增加一层技术套管,一、增加现有套管程序层次的设计,1.在13-3/89-5/8之间增加一层11-3/4平接箍尾管,2.在9-5/85-1/2之间增加一层7-5/8尾管,3.用10-3/4套管替代9-5/8套管方案,在2013-3/89-5/875套管程序中增加一层技术套管,一、增加现有套管程序层次的设计,1.在2013-3/8之间增加一层16英寸套管（常规接箍）,2.在13-3/89-5/8之间增加一
20、层11-/34英寸尾管（平接箍）,3.用7-5/8英寸无接箍套管替代7英寸套管的方案 在8-1/2英寸井眼内下入7-5/8英寸平接箍尾管取代原系列中7英寸套管，可以下入6-1/2英寸钻头，加大下部井眼尺寸，下入5-1/2英寸平接箍尾管。这样就可以采用4-1/8小尺寸钻头继续加深钻进，必要时可下入3-1/2英寸套管封隔。此设计为一种备用方案，以满足地质加深的要求。,综合考虑生产套管尺寸、套管与钻头供货情况、井控装置限制、油井类型、不同钻井条件要求等，设计了与各种生产套管尺寸和不同套管层次相对应的、适应不同井型及钻井条件的30余种套管程序，并对各种套管的风险性、经济性及适用范围进行了分析。为便于利用计算机优化井身结构设计，建立了套管程序库。设计时，只要输入生产套管尺寸和套管层次，就可以查询到相应的所有套管、钻头尺寸组合。设计者可根据设计井的实际钻井条件并结合自己的经验进行选择。,二、新型套管程序设计,基本数据：井的基本参数、地质分层及岩性描述、井眼轨道数据套层次及下深设计：三个压力剖面、漏卡塌喷必封点、设计系数套管程序优选套管柱强度设计：双向应力设计、三向应力设计、最小成本法设计套管钻头数据库图表显示及打印输出,（）井身结构设计软件,汇报结束 谢谢！,
