考虑压耗的水平井井身结构设计研究方海

代运锋

摘 要：水平井技术作为提高单井产量、提高采收率的重要技术手段，是钻井新技术的重要分支。由于水平段压力分布的特殊性，水平井井身结构设计较直井和定向井有一定的区别。文章分析了水平井井筒压力分布情况，尤其是水平段压力变化特征，提出了水平井井身结构设计在水平段时需要着重考虑压漏和压差卡钻的可能性，并且在文中给出了相应的校核设计方法。

关键词：水平井；井身结构；压力分布；压漏校核

中图分类号：TE24 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）06-0015-02

水平井能够增大泄油面积[1]，提高开采效率，水平井技术已经成为钻井新技术的重要分支。水平井井身结构设计是水平井钻井工程的重要步骤，不仅关系到钻井安全，影响经济效应，在某种程度上决定了水平井钻完井的成败。井身结构设计主要依据地质信息、地层压力数据和相关的设计系数，通过地质必封点和工程必封点相结合的方式，合理设计出套管程序。这里地质必封点是指由地质情况（坍塌、蠕变和异常压力体系等）而必须下套管进行封固的层位；工程必封点是指由压力平衡关系得到必须封固的层位。文章根据在设计中考虑水平段压力分布的特殊性，对水平井井身结构设计进行研究。

1 水平井井筒压力分布

1.1 水平段地层破裂压力分析

地层破裂压力的预测方法很多，大多针对直井，压力剖面的有效深度是垂深。下面主要介绍国内外最常用的两种方法：

1.1.1 Eaton法[2]

Pf=（？啄z-Pp）+Pp

式中：Pf—地层破裂压，Mpa；？滋—岩石泊松比，无量纲；

式中：？籽d—钻井液密度，g/cm3；hv—垂深，m；μpv—钻井液塑性黏度，Pa.s；—钻杆段或钻铤段长度，m；Q—循环排量，m3/s；dh—井眼尺寸，cm；dp—钻柱外径，cm。

由以上三式分析可以得出：在水平段中静液柱压力PM保持不变，由于压耗随井深是动态变化的，即ΔP随水平段延伸不断增大，故井底有效液柱压力在水平段中逐渐增大。

2 水平井井身结构设计主要思路

对水平井井筒压力分布分析，水平井最大的特点是在水平段中地层孔隙压力和破裂压力不随着水平段的延伸继续增大，而是在一个小范围内变化。由于压耗随着井深一直在增大，虽静液柱压力在水平段保持不变，总的井筒有效液柱压力会不断增大。水平井井身结构设计尤其在水平段中需要着重考虑两个方面的内容：①压漏校核设计，防止增大的有效液柱压力大于地层破裂压力而压漏地层；②压差卡钻校核设计，在水平段由于重力作用，钻具会紧贴着下部井壁，钻具外压力等于水平段地层孔隙压力，钻具内压力等于不断增大的有效液柱压力，钻具内外压差会随着水平段的延伸不断增大，发生压差卡钻可能性会更大，故需进行压差校核设计。

2.1 确定裸眼段长度

确定裸眼段长度是井身结构设计的重要内容之一，裸眼段顶端是上层套管的下深，裸眼段底端是本开次套管下深。裸眼段长度主要是根据压力平衡关系，通过地层孔隙压力≤井筒液柱有效压力≤地层破裂压力的条件，同时满足不发生井涌、井漏和卡钻等复杂事故需满足的压力平衡关系来确定裸眼段长度，即：

①防井涌：？籽dmax≥？籽pmax+Sb；

②防压差卡套管：0.00981×（？籽dmax-？籽pmin）×Dpmin≤ΔP；

③防井漏：？籽dmax+Sg+Sf≤？籽fmin；

④防关井井漏：？籽dmax+Sf+Sk×Dpmax/Dcl≤？籽fmin。

2.2 水平段压漏及卡钻校核设计

2.2.1 水平段压漏校核设计

水平段不被压漏应满足以下关系：PEM+Δ？籽f≤Pf。

当套管下深是Dcl，可以由最小曲率法相关公式得到相应的垂深Hcl，同时可以通过压力剖面得到对应的破裂压力Pfcl则上面的公示展开：

满足上面的公示则表示在Dcl不会有压漏的风险，否则有压漏的可能。如果压漏则需要考虑是否有必要下套管，如果通过理论计算有压漏的可能，不能急着增加开次下套管堵漏，因为这样会大大延长建井周期同时还会增加钻井成本。此时主要有两种措施：

①改变钻井液性能，由于有效液柱压力与钻井液性能（密度和粘度等）有很大关系，通过优选钻井液性能，适当降低钻井液密度和粘度，可以显著降低井筒有效液柱压力。

②考虑当前工艺技术水平和钻井施工能力等，尤其是处理压漏事故的能力。

如果通过以上措施在避免井涌的前提下能够降低井漏的可能性，就不需要下套管封隔，否则从安全的角度考虑需要增加开次下套管。

2.2.2 水平段压差卡钻校核设计

水平段不发生压差卡钻应满足：

PEM-Pp≤ΔPN或ΔPA满足上面公式表示从压差的角度考虑不会有卡套管事故，否则会有卡钻风险。如果理论计算有卡钻的可能性，不必急着重新设计开次。一是通过降低钻井液密度和粘度能够降低有效液柱压力，减少套管内外压差；二是调整钻井液的润滑性能也可以有效防止卡钻。如果这些措施还是无法避免卡钻事故，对开次及套管下深需要重新调整。

3 结 语

①井身结构设计的合理性在很大程度上依赖于对钻井地质环境的认识程度[4]，了解水平井井筒三压力的分布特征，对水平井科学设计和优化有很大帮助。

②水平井井身结构设计与直井有一定的区别，主要在水平段中压力分布的变化，并且钻具下侧会紧贴地层，在设计时更需要考虑卡钻风险和发生其它钻井事故的可能性。

③用压力平衡理论进行井身结构设计时，理论计算会有压漏或卡钻等钻井事故的可能，不必急着重新进行开次设计，通过考虑当前工艺技术水平并合理优选钻井液性能可能会得到满足工程要求的设计。

参考文献：

[1] 徐晓峰，傅春梅，周兴付.川西气田水平井井身结构对排水采气的影响 [J].新疆石油天然气2013，（1）.

[2] 《海洋钻井手册》编委会.海洋钻井手册[M]北京：石油工业出版社，2009.

[3] 张亚峰，井身结构优化设计及配套技术研究[J].中国新技术新产品，2012，（6）.

[4] 徐小峰，孙五苓，白亮清.冀东油田水平井井身结构优化设计[J].石油钻 采工艺，2007，（7）.