n(3oμ -o)-2tK。+op,(k? -1)PsT=gH(K +n)三、有关岩石力学特性参数测取劈裂法（巴西法），对称径向压裂法，由巴西人Hondros提出。试件：实心圆柱=50mm；8=25mm试验：径向压缩破坏（张开）计算公式：由弹性力学Boursinesq公式，即：，=S,=2P/元Dt式中：S一一试验中心的最大拉应力p——试验中破坏时的压力D——试件的直径t——试件的厚度要求：①荷载沿轴向均匀分布②破坏面必须通过试件的直径P注：①端部效应②并非完全单向应力[本讲课程的小结】地层破裂压力、地层塌压力的预测方法[本讲课程的作业]1、试述三个主地应力的特点及预测方法。课程名称：《钻井工程》第7周第1讲摘要授课题目（章、节）第二章井身结构设计第四节井身结构设计本讲目的要求及重点难点：【目的要求】要求掌握地层压力预测的基本原理、方法和井身结构设计的主要内容（设计步骤及相关计算方法)。了解异常压力形成的环境条件，了解生产套管尺寸设计内容及影响因素。[重点】并身结构的设计方法和步骤[难点]】并身结构设计计算11
11 ( ) ( ) ( ) + − − + − = 2 0 2 H h 0 0 p 0 ST 3 2 1 gH K K p K 三、有关岩石力学特性参数测取 劈裂法（巴西法），对称径向压裂法，由巴西人 Hondros 提出。 试件：实心圆柱 φ=50mm；δ= 25mm 试验：径向压缩破坏（张开） 计算公式：由弹性力学 Boursinesq 公式，即： S 2P Dt t = t = 式中： t S ——试验中心的最大拉应力 p ——试验中破坏时的压力 D ——试件的直径 t ——试件的厚度 δ 要求：①荷载沿轴向均匀分布 ②破坏面必须通过试件的直径 注： ①端部效应 ②并非完全单向应力 [本讲课程的小结] 地层破裂压力、地层坍塌压力的预测方法 [本讲课程的作业] 1、试述三个主地应力的特点及预测方法。 课程名称：《钻井工程》 第 7 周 第 1 讲 摘 要 授课题目（章、节） 第二章 井身结构设计 第四节 井身结构设计 本讲目的要求及重点难点： [目的要求] 要求掌握地层压力预测的基本原理、方法和井身结构设计的主要内容（设计步 骤及相关计算方法）。了解异常压力形成的环境条件，了解生产套管尺寸设计内容及影响因素。 [重点] 井身结构的设计方法和步骤 [难点] 井身结构设计计算
内容[本讲课程的内容]第四节井身结构设计一、并眼中的压力体系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：(1-1)P≥Pm≥Pp式中P一地层的破裂压力，MPaPm——钻井液的液柱压力，MPa;Pp——地层孔隙压力，MPa。即泥浆液柱压力应稍大于孔隙压力以防止井涌，但必须小于破裂压力以防止压裂地层发生井漏。由于在非密闭的洗井液压力体系中（即不关封井器憨回压时），压力随井深是呈线性变化的，所以使用压力梯度概念是较方便的，式1一1可写成：(1-2)G≥Gm≥Gp式中G一破裂压力梯度，MPa/m；Gm——液柱压力梯度，MPa/m;Gp——孔隙压力梯度，MPa/m。考虑到并壁的稳定，还需要补充另一个与时间关系有关的不等式，即：(13)Gm(1)≥Gs（1)式中Gs（t）一—某截面岩石的塌压力梯度，MPa/m，即岩层不发生塌，缩径等情况的最小井内压力梯度。以上条件的存在是钻进工艺中所必须的，是在施工中所要遵守的，否则会导致钻井事故，以致钻井失败及破坏油藏。当这些压力体系能共存于一个井段时，即在一系列截面上能满足以上条件时，则这些截面间不需套管分隔，否则就需要用套管去分隔开这些不能共存的压力体系。并身结构中，相邻套管深度间隔的井段应满足以上要求并依此来确定。只有充分掌握上述压力体系的分布规律才能做出合理的井身结构设计。二、井身结构确定的原则及依据井身结构确定的原则：1、能有效的保护油层，使不同压力梯度的油气层不受泥浆污染损害。12
12 内 容 [本讲课程的内容]： 第四节 井身结构设计 一、井眼中的压力体系 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 （1－1） 式中 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。 即泥浆液柱压力应稍大于孔隙压力以防止井涌，但必须小于破裂压力以防止压裂地 层发生井漏。由于在非密闭的洗井液压力体系中（即不关封井器憋回压时），压力随井 深是呈线性变化的，所以使用压力梯度概念是较方便的，式 1－1 可写成： Gf≥Gm≥Gp （1－2） 式中 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。 考虑到井壁的稳定，还需要补充另一个与时间关系有关的不等式，即： Gm（t）≥Gs（t） （1－3） 式中 Gs（t）——某截面岩石的坍塌压力梯度，MPa/m，即岩层不发生坍塌，缩径等 情况的最小井内压力梯度。 以上条件的存在是钻进工艺中所必须的，是在施工中所要遵守的，否则会导致钻井 事故，以致钻井失败及破坏油藏。当这些压力体系能共存于一个井段时，即在一系列截 面上能满足以上条件时，则这些截面间不需套管分隔，否则就需要用套管去分隔开这些 不能共存的压力体系。井身结构中，相邻套管深度间隔的井段应满足以上要求并依此来 确定。只有充分掌握上述压力体系的分布规律才能做出合理的井身结构设计。 二、井身结构确定的原则及依据 井身结构确定的原则： 1、能有效的保护油层，使不同压力梯度的油气层不受泥浆污染损害
2、应避免漏、喷、塌、卡等复杂情况产生，为全井顺利钻进创造条件，使钻井周期最短。3、钻下部高压地层是所用的较高密度泥浆产生的液柱压力，不致压裂上一层套管鞋处薄弱的裸露地层。4、下套管过程中，井内泥浆液柱压力和地层压力之间的压差，不致产生压差卡套管事故。三、并身结构设计中所需要的基础数据1、地质方面的数据（1）岩性剖面及其故障提示。（2）地层孔隙压力剖面。（3）地层破裂压力剖面。2、工程类数据并身结构设计与钻井工艺水平有着密切的关系，工艺水平高则可以使用较少的井身层次结构（即套管层次少或相邻套管下深间隔较长或套管与井眼的间隙较小）。工程上主要收集以下资料：（1）抽吸压力与激动压力允许值（S或S）据美国现场统计资料，Sw或Sg取0.06。中原油田曾对抽吸压力及激动压力进行研究，用现场实测及统计计算，得出该地区的实用值Sw=0.05~0.08：S=0.07~0.10。各油田应根据各自的情况来确定。（2）地层压裂安全增值（Sf）。该值是为厂避免将上层套管鞋处地层压裂的安全增值，它与预测破裂压力值的精度有关，可以根据该地区的统计数据来确定。以等效密度表示g/cm。美国现场将Sr取值为0.024，中原油田取值为0.03。（3）并涌条件（Kicksize）允许值（Sk）。此值是衡量并涌的大小，用泥浆等效密度差表示（用于压井计算，另一种计量方法是以进入井眼的流体的总体积来表示，多用于报警）。美国现场取值为0.06。该值可由各油田根据出现井涌的数据统计和分析后得出。中原油田将Sk值定为0.06～0.14。（4）压差允值（△PN与△Pa）。裸眼中，泥浆液柱压力与地层孔隙压力的差值过13
13 2、应避免漏、喷、塌、卡等复杂情况产生，为全井顺利钻进创造条件，使钻井周 期最短。 3、钻下部高压地层是所用的较高密度泥浆产生的液柱压力，不致压裂上一层套管 鞋处薄弱的裸露地层。 4、下套管过程中，井内泥浆液柱压力和地层压力之间的压差，不致产生压差卡套 管事故。 三、井身结构设计中所需要的基础数据 1、地质方面的数据 （1）岩性剖面及其故障提示。 （2）地层孔隙压力剖面。 （3）地层破裂压力剖面。 2、工程类数据 井身结构设计与钻井工艺水平有着密切的关系，工艺水平高则可以使用较少的井身 层次结构（即套管层次少或相邻套管下深间隔较长或套管与井眼的间隙较小）。 工程上主要收集以下资料： （1）抽吸压力与激动压力允许值（Sb 或 Sg） 据美国现场统计资料，Sw 或 Sg取 0.06。 中原油田曾对抽吸压力及激动压力进行研究，用现场实测及统计计算，得出该地区 的实用值 Sw=0.05～0.08；Sg=0.07～0.10。 各油田应根据各自的情况来确定。 （2）地层压裂安全增值（Sf）。该值是为了避免将上层套管鞋处地层压裂的安全增 值，它与预测破裂压力值的精度有关，可以根据该地区的统计数据来确定。以等效密度 表示 g/cm3。 美国现场将 Sf取值为 0.024，中原油田取值为 0.03。 （3）井涌条件（Kick size）允许值（Sk）。此值是衡量井涌的大小，用泥浆等效密 度差表示（用于压井计算，另一种计量方法是以进入井眼的流体的总体积来表示，多用 于报警）。美国现场取值为 0.06。该值可由各油田根据出现井涌的数据统计和分析后得 出。中原油田将 Sk 值定为 0.06～0.14。 （4）压差允值（△PN 与△Pa）。裸眼中，泥浆液柱压力与地层孔隙压力的差值过
大，除使机械钻速降低外，而且也是造成压差卡钻的直接原因，这会使下套管过程中发生卡套管事故，使已钻成的井眼无法进行固井和完井工作。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。在“六·五”期间，中原油田曾利用历年来大量的压差卡钻资料经统计分析得出正常压差井段的△PN值为11.76MPa（120kg/cm2），异常压力井段的△P。值为14.7MPa（150kg/cm2）。近年来，中原油田随工艺技术提高，泥浆性能改善，在井身结构设计中，△PN取值为11.76~14.7MPa（120~150kg/cm2），对△Pa取值为14.7~19.6MPa（150~200kg/cm2)。以上六个工程类资料应随技术水平的提高，其值要相应修正。四、并身结构设计方法及步骤1、套管层次和下入深度的确定1）液体压力体系的压力梯度分布套管层次和下入深度是以力学为基础的，因此首先要分析井内压力体系的压力梯度分布。2）最大泥浆密度pmax某一层套管的钻进井段中所用的最大泥浆密度和该井段中的最大地层压力有关。即：(1-4)Pmax=Ppmax+Sw式中Pmax一—某层套管钻进井段中所用最大泥浆密度，g/cm；Ppmax——该井段中的最大地层孔隙压力梯度等效密度，g/cm3；Sw——抽吸压力允许值，g/cm。3）最大井内压力梯度PB为了避免将井段内的地层压裂，应求得最大井内压力梯度。在正常作业时和井涌压井时，井内压力梯度有所不同。（1）正常作业情况最大井内压力梯度发生在下放钻柱时，由于产生激动压力而使井内压力升高。如增高值为Sg，则最大井内压力梯度pBr为(1-5)PBr=pmax+Sg14
14 大，除使机械钻速降低外，而且也是造成压差卡钻的直接原因，这会使下套管过程中， 发生卡套管事故，使已钻成的井眼无法进行固井和完井工作。 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。 在“六·五”期间，中原油田曾利用历年来大量的压差卡钻资料经统计分析得出正常 压差井段的△PN 值为 11.76MPa（120kg/cm2），异常压力井段的△Pa 值为 14.7MPa （150kg/cm2）。近年来，中原油田随工艺技术提高，泥浆性能改善，在井身结构设计中， △PN 取值为 11.76～14.7MPa（120～150kg/cm2），对△Pa取值为 14.7～19.6MPa（150～ 200kg/cm2）。 以上六个工程类资料应随技术水平的提高，其值要相应修正。 四、井身结构设计方法及步骤 1、套管层次和下入深度的确定 1）液体压力体系的压力梯度分布 套管层次和下入深度是以力学为基础的，因此首先要分析井内压力体系的压力梯度 分布。 2）最大泥浆密度 ρmax 某一层套管的钻进井段中所用的最大泥浆密度和该井段中的最大地层压力有关。 即： ρmax=ρpmax+Sw （1-4） 式中 ρmax——某层套管钻进井段中所用最大泥浆密度，g/cm3； ρpmax——该井段中的最大地层孔隙压力梯度等效密度，g/cm3； Sw——抽吸压力允许值，g/cm3。 3）最大井内压力梯度 ρB 为了避免将井段内的地层压裂，应求得最大井内压力梯度。在正常作业时和井涌压 井时，井内压力梯度有所不同。 （1）正常作业情况 最大井内压力梯度发生在下放钻柱时，由于产生激动压力而使井内压力升高。如增 高值为 Sg，则最大井内压力梯度 ρBr为： ρBr=ρmax+Sg （1-5）
（2）发生井涌情况（关封井器并加回压）为了平衡地层孔隙压力制止井涌而压井时，也将产生最大井内压力梯度。压井时井内压力增高值以等效密度表示为Sb，则最大井内压力梯度等效密度pBk为：(1-6)PBk=Pmax+S但（1-6）式只适用于发生井涌时最大地层孔隙压力所在井深Hpmax的井底处。而对于井深为H.处，则：H pmas(1-7).SPm=Paa+H.由上式可见，当H值小时（即深度较浅时）pBk值大，即压力梯度大，反之当Hn值大时，pBk小。如图1-2所示。Pak值随Ha变化呈双曲线分布。为了确保上一层套管鞋处裸露地层不被压裂，则应有：(1-8)PBr=pr—Sr或PBk=pr-Sr"eLPmarLSk式中Pr—为上一层套管鞋处薄弱地层破裂压力等效密图1-2井内压力梯度与度值，g/cm2；井深关系Sr——地层压裂安全增值，g/cm2。2、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部面图，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H.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Piro15
15 （2）发生井涌情况（关封井器并加回压） 为了平衡地层孔隙压力制止井涌而压井时，也将产生最大井内压力梯度。压井时井 内压力增高值以等效密度表示为 Sb，则最大井内压力梯度等效密度 ρBk 为： ρBk=ρmax+Sk （1-6） 但（1-6）式只适用于发生井涌时最大地层孔隙压力所在井深 Hpmax 的井底处。而对 于井深为 Hn 处，则： K n p Bk S H H = + max max （1-7） 由上式可见，当 Hn 值小时（即深度较浅时）ρBk 值大， 即压力梯度大，反之当 Hn 值大时，ρBk 小。如图 1-2 所示。 ρak 值随 Hn 变化呈双曲线分布。 为了确保上一层套管鞋处裸露地层不被压裂，则应有： ρBr=ρf－Sf 或 ρBk=ρf－Sf （1-8） 式中 ρf——为上一层套管鞋处薄弱地层破裂压力等效密 度值，g/cm3； Sf——地层压裂安全增值，g/cm3。 2、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。 图 1-2 井内压力梯度与 井深关系