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[摘 要]该论文重点阐述了石油钻井技术中安全井身结构设计的原则、依据，以及设计方法和步骤。
[关键词]压力梯度 孔隙压力 破裂压力 压力激动
中图分类号：TE22 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）18-0013-01
在裸眼井段中存在着地层孔隙压力、泥浆液柱压力、地层破裂压力。三个压力体系必须同时满足于以下情况：Pf≥Pm≥Pp（Pf：地层的破裂压力，MPa； Pm：钻井液的液柱压力，MPa；Pp：地层孔隙压力，MPa）。使用压力梯度：
Gf≥Gm≥Gp（Gf：破裂压力梯度，MPa/m；Gm：液柱压力梯度，MPa/m；Gp：孔隙压力梯度，MPa/m）。
一、井身结构设计中所需要的基础数据
1、抽吸压力与激动压力允许值（Sb或Sg）
美国：Sb或Sg取0.06
中原油田：Sb=0.05～0.08；Sg=0.07～0.10
2、地层压裂安全增值（Sf）
以等效密度表示g×cm3。美國现场将Sf取值为0.024，中原油田取值为0.03
3、压差允值（△PN与△Pa）
压差允值的确定，各油田可以从卡钻资料中（卡点深度，当时泥浆密度、卡点地层孔隙压力等）反算出当时的压差值。再由大量的压差值进行统计分析得出该地区适合的压差允值。
二、井身结构设计方法及步骤
套管层次和下入深度设计的实质是确定两相邻套管下入深度之差，它取决于裸眼井段的长度。在这裸眼井段中，应使钻进过程中及井涌压井时不会压裂地层而发生井漏，并在钻进和下套管时不发生压差卡钻事故。
设计前必须有所设计地区的地层压力剖面和破裂压力剖面图，图中纵坐标表示深度，横坐标表示地层孔隙压力和破裂压力梯度，皆以等效密度表示。
设计时由下而上逐层确定下入深度。
油层套管的下入深度主要决定于完井方法和油气层的位置。因此设计的步骤是由中间套管开始。
1）各层套管（油层套管除外）下入深度初选点Hn的确定。
套管下入深度的依据是，其下部井段钻进过程中预计的最大井内压力梯度不致使套管鞋处裸露地层被压裂。
根据最大井内压力梯度可求得上部地层不致被压裂所应有的地层破裂压力梯度ρfnr。
正常作业下钻时：
ρfnr=ρpmax+Sb+Sg+Sf （1）
式中 ρfnr——第n层套管以下井段下钻时，在最大井内压力梯度
作用下，上部裸露地层不被压
所应有的地层破裂裂压力梯度，g/cm3；
ρpmax——第n层套管以下井段预计最大地层孔隙压力等效
发生井涌情况时有：
式中 ρfnk——第n层套管以下井段发生井涌时，在井内最大压力
梯度作用下，上部地层不被压裂所应有的地层破裂压力梯度，g/cm3； Hni——第n层套管下入深度初选点，m。
对比（1）、（2）两式，显然，ρfnk>ρfnr，所以，一般用ρfnk计算，在肯定不会发生井涌时，用ρfnr计算。
对中间套管，可用试算法试取Hni值代入式中求ρfnk，然后由设计井的地层破裂压力梯度曲线上求得Hni深度时实际的地层破裂压力梯度。如计算的值ρfnk与实际相差不多且略小于实际值时，则Hni即为下入初选点。否则另取一Hni值计算，直到满足要求为止。
2）、校核各层套管下到初选点深度Hni时是否会发生压差卡钻。
先求出该井段中最大泥浆密度与最小地层孔隙压力之间的最大静止压差△Prn为：
△Prn=9.81Hmm·（ρpmin+Sb-ρmin）×10-3 （3）
式中 △Prn——第n层套管钻进井段内实际的井内最大静止压差，MPa；
ρpmin——该井段内最小地层孔隙压力梯度效密度，g/cm3；
Hmin——该井段内最小地层孔隙压力梯度的最大深度，m。
比较△Prn和△P（压差允值，正常压力地层用△PN，异常压力地层用△Pa）。
当△Prn<△P时，则不易发生压差卡钻，Hm即为该层套管下入深度。
当△Prn>△P时，则可能发生压差卡钻，这时，该层套管下深Hn应浅于初选点Hni。Hn的计算如下：
令△Prn=△P，则允许的最大地层孔隙压力ρpper为：
由地层孔隙压力梯度曲面图上查ρpper所在井深即该层套管下入深度Hn。
3）、当中间套管下入深度浅于初选点Hn （i）确定尾管下入深度初选点H（n+1）i。
由中间套管鞋处的地层破裂压力梯度ρfn可求得允许的最大地层孔隙压力梯度ρpper
（ii）校核尾管下入到深度初选点H（n+1）i——时，是否会发生压差下钻。
校核方法同前所述。
4）、必封点的确定。
以上套管层次、下入深度的确定是以井内压力系统平衡为基础，以压力剖面为依据的。但某些影响钻进的复杂情况因素目前还不能反映到压力剖面上。如吸水膨胀易塌泥页岩、含蒙脱石的泥页岩、岩膏层、盐岩层蠕变、胶结不良的砂岩等。某些复杂情况的产生又与时间因素有关，如钻进速度快，浸泡水时间短，复杂情况并不显示出来，反之钻速慢，上部某些地层裸露时间长或在长时间浸泡下，则发生坍塌、膨胀、缩径等情况。这需要根据已钻过井的经验来确定某些应及时封隔的地层即必封点。某些地区没有复杂情况则不必确定必封点。另外，为了求得控制复杂情况所需的坍塌压力梯度值是非常必要的，这样可以在确定必封点上不必凭经验来进行。如中原油田对盐膏层引起的缩径复杂情况与石油大学合作研究，得出了控制井眼面积收缩率小于0.1%h所需的泥浆密度值。盐膏层在该面积收缩率下随井深变化所需的泥浆密度值。
[关键词]压力梯度 孔隙压力 破裂压力 压力激动
中图分类号：TE22 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）18-0013-01
在裸眼井段中存在着地层孔隙压力、泥浆液柱压力、地层破裂压力。三个压力体系必须同时满足于以下情况：Pf≥Pm≥Pp（Pf：地层的破裂压力，MPa； Pm：钻井液的液柱压力，MPa；Pp：地层孔隙压力，MPa）。使用压力梯度：
Gf≥Gm≥Gp（Gf：破裂压力梯度，MPa/m；Gm：液柱压力梯度，MPa/m；Gp：孔隙压力梯度，MPa/m）。
一、井身结构设计中所需要的基础数据
1、抽吸压力与激动压力允许值（Sb或Sg）
美国：Sb或Sg取0.06
中原油田：Sb=0.05～0.08；Sg=0.07～0.10
2、地层压裂安全增值（Sf）
以等效密度表示g×cm3。美國现场将Sf取值为0.024，中原油田取值为0.03
3、压差允值（△PN与△Pa）
压差允值的确定，各油田可以从卡钻资料中（卡点深度，当时泥浆密度、卡点地层孔隙压力等）反算出当时的压差值。再由大量的压差值进行统计分析得出该地区适合的压差允值。
二、井身结构设计方法及步骤
套管层次和下入深度设计的实质是确定两相邻套管下入深度之差，它取决于裸眼井段的长度。在这裸眼井段中，应使钻进过程中及井涌压井时不会压裂地层而发生井漏，并在钻进和下套管时不发生压差卡钻事故。
设计前必须有所设计地区的地层压力剖面和破裂压力剖面图，图中纵坐标表示深度，横坐标表示地层孔隙压力和破裂压力梯度，皆以等效密度表示。
设计时由下而上逐层确定下入深度。
油层套管的下入深度主要决定于完井方法和油气层的位置。因此设计的步骤是由中间套管开始。
1）各层套管（油层套管除外）下入深度初选点Hn的确定。
套管下入深度的依据是，其下部井段钻进过程中预计的最大井内压力梯度不致使套管鞋处裸露地层被压裂。
根据最大井内压力梯度可求得上部地层不致被压裂所应有的地层破裂压力梯度ρfnr。
正常作业下钻时：
ρfnr=ρpmax+Sb+Sg+Sf （1）
式中 ρfnr——第n层套管以下井段下钻时，在最大井内压力梯度
作用下，上部裸露地层不被压
所应有的地层破裂裂压力梯度，g/cm3；
ρpmax——第n层套管以下井段预计最大地层孔隙压力等效
发生井涌情况时有：
式中 ρfnk——第n层套管以下井段发生井涌时，在井内最大压力
梯度作用下，上部地层不被压裂所应有的地层破裂压力梯度，g/cm3； Hni——第n层套管下入深度初选点，m。
对比（1）、（2）两式，显然，ρfnk>ρfnr，所以，一般用ρfnk计算，在肯定不会发生井涌时，用ρfnr计算。
对中间套管，可用试算法试取Hni值代入式中求ρfnk，然后由设计井的地层破裂压力梯度曲线上求得Hni深度时实际的地层破裂压力梯度。如计算的值ρfnk与实际相差不多且略小于实际值时，则Hni即为下入初选点。否则另取一Hni值计算，直到满足要求为止。
2）、校核各层套管下到初选点深度Hni时是否会发生压差卡钻。
先求出该井段中最大泥浆密度与最小地层孔隙压力之间的最大静止压差△Prn为：
△Prn=9.81Hmm·（ρpmin+Sb-ρmin）×10-3 （3）
式中 △Prn——第n层套管钻进井段内实际的井内最大静止压差，MPa；
ρpmin——该井段内最小地层孔隙压力梯度效密度，g/cm3；
Hmin——该井段内最小地层孔隙压力梯度的最大深度，m。
比较△Prn和△P（压差允值，正常压力地层用△PN，异常压力地层用△Pa）。
当△Prn<△P时，则不易发生压差卡钻，Hm即为该层套管下入深度。
当△Prn>△P时，则可能发生压差卡钻，这时，该层套管下深Hn应浅于初选点Hni。Hn的计算如下：
令△Prn=△P，则允许的最大地层孔隙压力ρpper为：
由地层孔隙压力梯度曲面图上查ρpper所在井深即该层套管下入深度Hn。
3）、当中间套管下入深度浅于初选点Hn
由中间套管鞋处的地层破裂压力梯度ρfn可求得允许的最大地层孔隙压力梯度ρpper
（ii）校核尾管下入到深度初选点H（n+1）i——时，是否会发生压差下钻。
校核方法同前所述。
4）、必封点的确定。
以上套管层次、下入深度的确定是以井内压力系统平衡为基础，以压力剖面为依据的。但某些影响钻进的复杂情况因素目前还不能反映到压力剖面上。如吸水膨胀易塌泥页岩、含蒙脱石的泥页岩、岩膏层、盐岩层蠕变、胶结不良的砂岩等。某些复杂情况的产生又与时间因素有关，如钻进速度快，浸泡水时间短，复杂情况并不显示出来，反之钻速慢，上部某些地层裸露时间长或在长时间浸泡下，则发生坍塌、膨胀、缩径等情况。这需要根据已钻过井的经验来确定某些应及时封隔的地层即必封点。某些地区没有复杂情况则不必确定必封点。另外，为了求得控制复杂情况所需的坍塌压力梯度值是非常必要的，这样可以在确定必封点上不必凭经验来进行。如中原油田对盐膏层引起的缩径复杂情况与石油大学合作研究，得出了控制井眼面积收缩率小于0.1%h所需的泥浆密度值。盐膏层在该面积收缩率下随井深变化所需的泥浆密度值。