水平井井身结构设计之压漏校核新方法

郑双进 贾世文 张文敏 余 勤

（1.中石油钻井工程重点实验室长江大学研究室·长江大学石油工程学院，湖北武汉 434023；2.中国石油长城钻探工程公司，辽宁盘锦 124221）

水平井井身结构设计之压漏校核新方法

郑双进1贾世文2张文敏2余 勤2

（1.中石油钻井工程重点实验室长江大学研究室·长江大学石油工程学院，湖北武汉 434023；2.中国石油长城钻探工程公司，辽宁盘锦 124221）

目前水平井已成为高效开发油气藏的一项重要技术，由于水平段地层压力剖面的特殊性，在钻井过程中随着井眼的延伸，水平段易发生井漏，直接影响了施工效率与钻井成本。基于水平井钻井过程中水平段的受力特点，结合水平段地层压力剖面特性，提出了一种压漏校核新方法，该方法将环空动态压力计算纳入水平井井身结构设计中进行考虑，逐段进行环空动态压力计算与校核，通过寻找压漏临界点确定套管下深，并根据钻井实践经验优化水平井井身结构，提高了水平井井身结构设计的科学性。该方法应用于水平井井身结构设计中，将有助于保障水平井钻井的安全性，提高施工效率，降低钻井成本。

水平井；压力剖面；漏失压力；井身结构；优化

水平井井身结构设计是水平井成功实施的一项关键技术，其不仅直接关系到钻井施工安全，而且关系到钻井成本［1］。水平井井身结构设计主要参照石油天然气行业标准SY/T 5431—2008 《井身结构设计方法》，基于压力平衡关系进行井身结构设计，但在计算井筒压力时未充分考虑环空动态压力的影响。

在水平井钻进过程中，由于地层破裂压力基本不变，随着水平段井眼的延伸，作用在井底的环空动态压力越来越大，导致水平段钻井过程中容易发生井漏，直接影响了钻井效率与钻井成本。因此，基于水平段钻井的受力特点，结合水平段地层压力剖面特性，提出了一种针对水平井的压漏校核新方法，该方法利用实际钻井过程中的环空动态压力进行压漏校核，并通过调整钻井液性能优化水平井井身结构。该方法应用于水平井井身结构设计中将有助于保障水平井钻井的安全性，并提高钻井效率，降低钻井成本。

1 地层压力剖面

相比常规直井与定向井，水平井地层压力的特殊性在于随着水平段的延伸，地层孔隙压力和地层破裂压力趋于一常量。在以垂深表示的压力剖面上，水平段地层压力值集中为一点；在以斜深表示的压力剖面上，水平段地层压力值表示为垂直线。为方便直观，在进行水平井井身结构设计时，可以结合垂深地层压力剖面和井眼轨道数据，把以垂深表示的地层压力剖面转化为以斜深表示的地层压力剖面，这样可以找到对应于水平井井眼轨道上任意点的地层压力数据，便于比较对照。在计算井筒环空压降的时候可以采用斜深进行计算，在计算井筒静液压力的时候需将斜深转化为垂深，一般通过最小曲率法进行斜深垂深转换，可以获得相对准确的计算结果。

2 压漏校核新方法

在水平井井身结构设计过程中，无论是经验设计，还是基于压力平衡关系的科学设计，均未考虑环空动态压力的影响。针对水平井压漏特性作了深入分析，提出了一种动态压漏校核新方法，并提出了压漏临界点的概念。

参照SY/T 5431—2008 《井身结构设计方法》，考虑地质必封点和钻井实践经验，初步确定井身结构开次和各开次深度后，开始进行压漏校核，具体步骤如下。

（1）确定水平段所在开次是否会发生压漏。

①计算井底不被压漏的最大允许压力增量Δpz

式中，Δpz为井底不被压漏的最大允许压力增量，Pa；ρf为地层破裂压力当量密度，kg/m3；Δρf为地层破裂压力误差允量，kg/m3；ρm为钻井液密度，kg/m3；Hb为井底垂深，m。

②计算井底处的环空压降Δpb1。水平井环空动态压降主要与钻井液密度、黏度、排量、井眼尺寸、钻柱尺寸等有关，任一点的环空动态压降可采用如下公式计算［2］

式中，pfd为井底处的环空压降，Pa；μpv为钻井液塑性黏度，Pa·s；Lp为钻杆段或钻铤段长度，m；Q为循环排量，m3/s；dh为井眼尺寸，m；dp为钻杆或钻铤外径，m。

根据式（2）计算井底的环空压降Δpb1，如果Δpz大于或等于Δpb1，表明本开次钻井不会被压漏；如果Δpz小于Δpb1，表明本开次钻井会被压漏，需要进一步进行压漏校核。

（2）如果压漏，确定是否需要下套管封隔。经初步校核如果水平段某开次钻井会被压漏，不必急于下套管封隔，需综合考虑施工单位的钻井技术水平、钻井新工具新技术的应用情况、处理压漏事故的技术措施等，如果通过上述措施可以在避免井涌的前提下降低井漏或阻止井漏，则不必下套管封隔，可以避免下套管的高额成本。

通过调整钻井液密度与性能来减小环空压降，以降低井筒压力也是避免或减轻压漏的一项重要措施。如果通过上述措施和调整钻井液密度与性能仍然无法避免压漏情况，那么只能增加开次。

①计算降低钻井液密度后，保证井底不产生井涌的最大允许压力降低值Δpm

式中，Δpm为保证井底不产生井涌的最大允许压力降低值（调整钻井液密度与性能引起），Pa；ρm为钻井液密度，kg/m3；ρp为地层孔隙压力当量密度，kg/m3；Δρm为钻井液密度附加值，kg/m3。

②计算调整钻井液密度与性能后井底的环空压降Δpb2

调整后的钻井液密度为

根据调整后的钻井液密度与性能运用式（2）计算井底的环空压降Δpb2，如果Δpm大于等于Δpb2，表明通过调整钻井液密度与性能减小井底压力可以完全抵消钻井液循环引起的环空压降，则不需要下套管封隔即可安全钻到井底。如果Δpm小于Δpb2，表明通过调整钻井液密度与性能减小井底压力不能平衡钻井液循环引起的环空压降，需要下套管进行封隔。

（3）计算压漏临界点深度，确定套管下深。如果Δpm小于Δpb2，表明随着水平段的延伸，环空压降增长速度比调整钻井液密度与性能降低引起的静液压力降低速度快，在水平段中必然存在某一点处的环空压降与调整钻井液密度与性能后降低的静液压力相等，该点即为压漏临界点深度，即套管下深。由于计算复杂，该点深度需进行计算机迭代计算。

（4）增加开次后，重新进行压漏校核。经第（3）步，增加套管开次后，需重新定义井眼和套管尺寸，环空动态压力计算发生变化，需要重新按照（1）、（2）、（3）步骤进行压漏校核，直至满足要求为止。

3 工程应用

基于压漏校核新方法，采用C++程序设计语言开发了水平井压漏校核计算软件，应用青海油田红柳泉区块、马北区块等地区4口水平井的地质资料和钻井资料进行了测试，发现压漏校核计算结论与现场实钻情况基本一致，吻合率达到92.1%。

由于压漏校核计算方法综合考虑了井径、钻井液性能、环空岩屑等因素的影响，压力计算准确。该方法应用于大斜度定向井、水平井及大位移井，尤其是窄密度窗口地层中，可以准确判断地层压漏情况，为井身结构设计提供参考，促进井身结构优化，保障钻井安全，降低钻井成本。

4 结论

（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（包括岩性、地下压力特性、复杂地层分布、井壁稳定性、地下流体特性等）的认识程度［2］。因此，应通过多种手段充分认识水平井地层压力及岩性分布情况等，有助于设计科学的井身结构方案。

（2）通过对水平井压漏特性的深入分析，提出了一种压漏校核新方法，并提出了压漏临界点的概念。该方法重点考虑了水平段钻井容易压漏的特点，并考虑了钻井工程实践经验对井身结构的影响，弥补了常规设计方法的不足，有助于促进井身结构的优化，保障钻井安全，降低钻井成本。

［1］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，2007，29（7）：7-10.

［2］陈庭根，管志川.钻井工程理论与技术［M］.东营：石油大学出版社，2000.

（修改稿收到日期 2013-01-30）

Leakage check method of casingprogram design for horizontal wells

ZHENG Shuangjin1, JIA Shiwen2, ZHANG Wenmin2, YU Qin2

（1. Yangtze University Laboratory of Key Laboratory of Drilling Engineering,CNPC,College of Petroleum Engineering,Yangtze University,Wuhan434023,China; 2. Great Wall Drilling and Exploration Engineering Company,CNPC,Panjin124221,China）

Horizontal wells have become an important technology for effectively developing oil and gas at present. With wellbore goes forward, well leakage is likely to occur on horizontal section because of the particularity of formation fracture pressure for horizontal wells, which affects the drilling eff i ciency and drilling cost. Considering the characteristics of formation fracture pressure and force analysis of horizontal section during drilling, a new leakage check method was developed with consideration of the annular dynamic pressure and practical experience of drilling. This method was safer, more eff i cient and more cost-saving than conventional design methods.

horizontal well; pressure prof i le; leakage pressure; casing program; optimization

郑双进，贾世文，张文敏，等.水平井井身结构设计之压漏校核新方法［J］. 石油钻采工艺，2013，35（3）：16-18.

TE22

B

1000 – 7393（ 2013 ） 03 – 0016 – 03

国家科技重大专项“钻井工程设计和工艺软件”（编号：2011ZX05021-006）的部分内容。

郑双进，1983年生。2009年毕业于长江大学油气井工程专业，现从事油气井固井完井技术教学与研究工作，讲师。电话：13986678667。E-mail：Zhengshuangjin@yangtzeu.edu.cn。

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薛改珍〕