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[摘 要]井身结构是指由直径、深度和作用各不相同，且均注水泥封固环形空间而形成的轴心线重合的一组套管与水泥环的组合。井身结构设计是钻井工程设计的重要内容之一，尤其是深水钻井，因其复杂的内部机构导致会出现漏、喷、塌、卡等工程事故，而且还关系到钻井经济效益。为最大幅度地减少钻井工程费用，保证施工安全，下面对深水井井身结构优化设计研究内容进行分析。
[关键词]井身结构；优化；套管
中图分类号：TE22 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）21-0038-01
对井身结构进行优化是钻井工程的一项重要的技术，根据井身结构特点，通过分析影响井身结构设计的因素，在设计时应根据具体地层情况，再结合传统的设计方法确定技术套管、表层套管和油层套管的尺寸和下深，以确定该井的具体井身结构。
一、深水钻井井身结构的特点
1、相比一般的油井，深水钻井投资大，为了提高投资的收益，并保证固井完井与测试装置的配合，在一套井身结构中最小尺寸套管不小于177.8 mm，这就要求在深水钻井过程中，需要采用各种方式确保最终井眼的尺寸。
2、深水钻井因地质复杂，对地层压力很难掌握，在井身结构设计时会更有难度。现有的地质勘探水平能力有限，对深水井地层压力的信息了解尚不足，以现在井身结构设计方法设计的单一套管层次进行施工，很难保证不会出现事故，对进度和质量都难以保证。
3、考虑到防喷器的使用，在深水钻井过程中，表层套管的尺寸被限制到508 mm，而表层套管井段在深水钻井中为保证开眼工作循环进行，会使用海水作为钻井液，地层压力会不断增大，最终会导致下入深度受限。虽然加重钻井液开始投入使用，但会对环境造成污染且成本较高，因此还不够完善。
4、对浅层复杂情况及地质灾害还没有很好的解决方案，仅仅增加套管层次无异于饮鸩止渴。在开眼循环钻进井段，如果总是调整钻井液密度，由于未安装防喷器，将无法采取井控措施。为解决这个问题，现阶段比较好的作法是先使用预钻ф193.7或ф244.5 mm领眼至表层套管设计下深，试探下有没有浅层气、浅层水流等浅层地质灾害。深水作业开眼下套管对准井眼需要大量的操作时间， 从而大大增加作业费用， 因此表层套管层段以上不建议设计较多的备用层次方案。
5、深水井尤其是探井现普遍使用随钻扩眼方式，它具有常规固定翼式扩眼工具无法比拟的优势，有的地区是在设计时就需要，用来保证后续井眼尺寸，也有在钻进过程中当出现复杂时而临时会使用。
6、对于深水钻井套管下入层次和深度的确定，在实际操作中一般会采用自上而下的方式。考虑到深水钻井破裂压力梯度低，对钻进时间影响不大，这就为后续钻进留有充足备用套管层次的空间，如果有意外情况，应对时比较容易。
二、井身结构设计的影响因素
1、地层压力
地层压力包括地层孔隙压力、破裂压力和坍塌压力。地层孔隙压力是指岩石孔隙中的流体所具有的压力，地层破裂压力是指井壁岩石所受的周向应力超过岩石的拉伸强度时的临界井眼液柱压力，地层坍塌压力是指井壁周围岩石所受应力超过岩石本身的强度而产生剪切破坏时的临界井内液柱压力。在石油钻井工程中，地层压力是确定钻井液密度窗口和设计井身结构的依据，关系到能否安全、优质、快速地进行钻井作业。因此，准确地确定地层压力并绘制地层压力剖面是合理设计井身结构的前提。
2、工程系数
井身结构设计需要保证井眼与地层之间压力要平衡，井身结构设计的工程系数，直接影响到井身结构的合理设计。井身结构设计工程系数包括抽吸压力和激动压力系数、地层破裂压力安全系数、井涌系数、压差卡钻临界值等。这些工程系数会随着井身的变化也会发生变化，因此在设计过程中，应采用的工程系数值要随井身而发生变化。
三、优化设计方法
1、井眼与地层的压力平衡关系
与普通井的井身结构设计一样， 根据裸眼井段的力学平衡关系，深水探井每2层套管之间的裸眼井段必须满足以下4个力学平衡方程，以达到防井涌、防压差卡钻、防漏和关井时防漏的要求。
①ρmax≥ρpmax+Sb +Δρ ②0.009 8（ρmax-ρpmin）Hpmin≤ Δp
③ρmax +Sg +Sf≤ρfmin ④ρmax +Sf +SkHpmax/Hc1≤ρfc1
2、必封点的确定
套管层次及下深主要是依据井眼与地层的压力平衡与稳定来进行的。这种以井内压力平衡为基础，以压力剖面为依据的计算方法中，并没有将井身结构设计的所有因素考虑进来，这些没有包括的因素是以必封点的形式引入井身结构设计中的。必封点深度的选择不仅是对以压力剖面及设計系数为基础的设计方法的补充和完善，而且也能检查设计人员对所设计井的认识程度和现场工作经验。
3、技术套管的层次确定
确定必封点的位置，由必封点的数量来确定需要下入的技术套管层次，再结合常规设计方法判断技术套管下深是否合适，同时确定表层和油层套管的尺寸与下深，实现从中间向两边推导的设计方法。从中间向两边推导的设计方法尤其适用于复杂深气井，首先考虑在高压气层之上套管的抗内压强度，选择合适的技术套管，然后根据地层的各种压力和必封点的情况向两边推导，可以保证钻进过程中发生溢流后压井的安全。
4、表层套管尺寸和下深的确定
表层套管尺寸可以根据套管和钻头系列推导得出。应当根据地质设计的地层情况、井位地面海拔和周边地理环境，设计表层套管封过地表疏松地层和水层，并具有钻开浅层气和钻至第一层技术套管深度内的所有气层的井控能力，兼顾采用气体钻井技术提速的表层最低下入深度。
5、油层套管的特殊要求
油层套管尺寸也可根据套管和钻头系列推导得出。如果油层套管是高含硫气井的最终完井套管，需要和酸性腐蚀介质长期接触，其强度必须满足高含硫气井特殊折算系数的要求，其抗腐蚀性要满足完井试气和高腐蚀性气体开发方案的要求。
四、结论与建议：
通过深入认识地质特征，不断优化和完善地质条件相对简单区块的井身结构设计，形成了系列超深井井身结构，实现了钻井安全、提速、提效的目的，满足了油田及周缘经济、高效开发的需求。充分考虑钻井地质条件复杂区块、深部地层可能出现的风险和复杂情况，合理的井身结构是深井和超深井安全、经济、高效钻井的基础和保证，通过合理设计井身结构，确保了安全钻达地质目标。地层压力预测不够准确是困扰井身结构优化设计的难题，建议进一步加强对油田及周缘新区地质构造、地层压力预测和检测技术研究，以便为后续设计合理的井身结构提供依据。
参考文献
[1] 周延军，贾江鸿，李真祥，于承朋.复杂深探井井身结构设计方法及应用研究[J].石油机械，2010，38（04）：8-11+29+92.
[2] 管志川，柯珂，苏堪华.深水钻井井身结构设计方法[J].石油钻探术，2011，39（02）：16-21.
[3] 曾勇，郑双进，吴俊成，刘存鹏，胡靖，胡可能，程万.井身结构优化设计研究[J].长江大学学报（自然科学版），2011，8（09）：60-62.
[关键词]井身结构；优化；套管
中图分类号：TE22 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）21-0038-01
对井身结构进行优化是钻井工程的一项重要的技术，根据井身结构特点，通过分析影响井身结构设计的因素，在设计时应根据具体地层情况，再结合传统的设计方法确定技术套管、表层套管和油层套管的尺寸和下深，以确定该井的具体井身结构。
一、深水钻井井身结构的特点
1、相比一般的油井，深水钻井投资大，为了提高投资的收益，并保证固井完井与测试装置的配合，在一套井身结构中最小尺寸套管不小于177.8 mm，这就要求在深水钻井过程中，需要采用各种方式确保最终井眼的尺寸。
2、深水钻井因地质复杂，对地层压力很难掌握，在井身结构设计时会更有难度。现有的地质勘探水平能力有限，对深水井地层压力的信息了解尚不足，以现在井身结构设计方法设计的单一套管层次进行施工，很难保证不会出现事故，对进度和质量都难以保证。
3、考虑到防喷器的使用，在深水钻井过程中，表层套管的尺寸被限制到508 mm，而表层套管井段在深水钻井中为保证开眼工作循环进行，会使用海水作为钻井液，地层压力会不断增大，最终会导致下入深度受限。虽然加重钻井液开始投入使用，但会对环境造成污染且成本较高，因此还不够完善。
4、对浅层复杂情况及地质灾害还没有很好的解决方案，仅仅增加套管层次无异于饮鸩止渴。在开眼循环钻进井段，如果总是调整钻井液密度，由于未安装防喷器，将无法采取井控措施。为解决这个问题，现阶段比较好的作法是先使用预钻ф193.7或ф244.5 mm领眼至表层套管设计下深，试探下有没有浅层气、浅层水流等浅层地质灾害。深水作业开眼下套管对准井眼需要大量的操作时间， 从而大大增加作业费用， 因此表层套管层段以上不建议设计较多的备用层次方案。
5、深水井尤其是探井现普遍使用随钻扩眼方式，它具有常规固定翼式扩眼工具无法比拟的优势，有的地区是在设计时就需要，用来保证后续井眼尺寸，也有在钻进过程中当出现复杂时而临时会使用。
6、对于深水钻井套管下入层次和深度的确定，在实际操作中一般会采用自上而下的方式。考虑到深水钻井破裂压力梯度低，对钻进时间影响不大，这就为后续钻进留有充足备用套管层次的空间，如果有意外情况，应对时比较容易。
二、井身结构设计的影响因素
1、地层压力
地层压力包括地层孔隙压力、破裂压力和坍塌压力。地层孔隙压力是指岩石孔隙中的流体所具有的压力，地层破裂压力是指井壁岩石所受的周向应力超过岩石的拉伸强度时的临界井眼液柱压力，地层坍塌压力是指井壁周围岩石所受应力超过岩石本身的强度而产生剪切破坏时的临界井内液柱压力。在石油钻井工程中，地层压力是确定钻井液密度窗口和设计井身结构的依据，关系到能否安全、优质、快速地进行钻井作业。因此，准确地确定地层压力并绘制地层压力剖面是合理设计井身结构的前提。
2、工程系数
井身结构设计需要保证井眼与地层之间压力要平衡，井身结构设计的工程系数，直接影响到井身结构的合理设计。井身结构设计工程系数包括抽吸压力和激动压力系数、地层破裂压力安全系数、井涌系数、压差卡钻临界值等。这些工程系数会随着井身的变化也会发生变化，因此在设计过程中，应采用的工程系数值要随井身而发生变化。
三、优化设计方法
1、井眼与地层的压力平衡关系
与普通井的井身结构设计一样， 根据裸眼井段的力学平衡关系，深水探井每2层套管之间的裸眼井段必须满足以下4个力学平衡方程，以达到防井涌、防压差卡钻、防漏和关井时防漏的要求。
①ρmax≥ρpmax+Sb +Δρ ②0.009 8（ρmax-ρpmin）Hpmin≤ Δp
③ρmax +Sg +Sf≤ρfmin ④ρmax +Sf +SkHpmax/Hc1≤ρfc1
2、必封点的确定
套管层次及下深主要是依据井眼与地层的压力平衡与稳定来进行的。这种以井内压力平衡为基础，以压力剖面为依据的计算方法中，并没有将井身结构设计的所有因素考虑进来，这些没有包括的因素是以必封点的形式引入井身结构设计中的。必封点深度的选择不仅是对以压力剖面及设計系数为基础的设计方法的补充和完善，而且也能检查设计人员对所设计井的认识程度和现场工作经验。
3、技术套管的层次确定
确定必封点的位置，由必封点的数量来确定需要下入的技术套管层次，再结合常规设计方法判断技术套管下深是否合适，同时确定表层和油层套管的尺寸与下深，实现从中间向两边推导的设计方法。从中间向两边推导的设计方法尤其适用于复杂深气井，首先考虑在高压气层之上套管的抗内压强度，选择合适的技术套管，然后根据地层的各种压力和必封点的情况向两边推导，可以保证钻进过程中发生溢流后压井的安全。
4、表层套管尺寸和下深的确定
表层套管尺寸可以根据套管和钻头系列推导得出。应当根据地质设计的地层情况、井位地面海拔和周边地理环境，设计表层套管封过地表疏松地层和水层，并具有钻开浅层气和钻至第一层技术套管深度内的所有气层的井控能力，兼顾采用气体钻井技术提速的表层最低下入深度。
5、油层套管的特殊要求
油层套管尺寸也可根据套管和钻头系列推导得出。如果油层套管是高含硫气井的最终完井套管，需要和酸性腐蚀介质长期接触，其强度必须满足高含硫气井特殊折算系数的要求，其抗腐蚀性要满足完井试气和高腐蚀性气体开发方案的要求。
四、结论与建议：
通过深入认识地质特征，不断优化和完善地质条件相对简单区块的井身结构设计，形成了系列超深井井身结构，实现了钻井安全、提速、提效的目的，满足了油田及周缘经济、高效开发的需求。充分考虑钻井地质条件复杂区块、深部地层可能出现的风险和复杂情况，合理的井身结构是深井和超深井安全、经济、高效钻井的基础和保证，通过合理设计井身结构，确保了安全钻达地质目标。地层压力预测不够准确是困扰井身结构优化设计的难题，建议进一步加强对油田及周缘新区地质构造、地层压力预测和检测技术研究，以便为后续设计合理的井身结构提供依据。
参考文献
[1] 周延军，贾江鸿，李真祥，于承朋.复杂深探井井身结构设计方法及应用研究[J].石油机械，2010，38（04）：8-11+29+92.
[2] 管志川，柯珂，苏堪华.深水钻井井身结构设计方法[J].石油钻探术，2011，39（02）：16-21.
[3] 曾勇，郑双进，吴俊成，刘存鹏，胡靖，胡可能，程万.井身结构优化设计研究[J].长江大学学报（自然科学版），2011，8（09）：60-62.