第一章 钻井工程设计
第一节 钻井设计的内容与方法
钻井是石油、天然气勘探与开发的主要手段。钻井工程质量的优劣和钻井速度的快慢，直接关系到钻井成本的高低、油气田勘探开发的综合经济效益和石油工业的发展速度。
钻井设计是钻井施工作业必须遵循的原则，是组织钻井生产和技术协作的基础，是搞好单井预算和决算的唯一依据。钻井设计的科学性、先进性关系到一口井作业的成败和效益。科学钻井水平的提高，很大程度上依靠钻井设计水平的提高。
搞好钻井设计也是提高技术管理和加强企业管理水平的一项重要措施，是钻井生产实现科学管理的前提。下面依据SY/T 533—1996《钻井工程设计格式》及石油工程专业学生进行钻井设计的具体情况，对钻井设计的内容、原则、方法及需收集的原始数据作一介绍。
一、钻井设计的内容
现场钻井设计的内容包括地质设计和钻井工程设计两大部分,其中地质设计的基本内容包括： （1）区域地质概况； （2）地理及环境资料； （3）设计依据与钻井目的；
（4）设计地层、油气水及岩性矿物、物性； （5）取资料要求；
（6）地层孔隙压力、破裂压力预测； （7）技术说明及要求； （8）地质附图。
钻井工程设计的基本内容包括： （1）确定合理的井身结构； （2）选择钻机类型；
（3）钻柱组合和强度设计； （4）钻井参数设计；
①机械破岩参数：包括钻头类型、尺寸、数量、钻压、转数、洗井液排量等。 ②钻井液性能； ③水力参数设计； （5）固井工程： ①固井要求；
②套管柱强度设计； ③水泥浆性能参数设计； ④流变学注水泥浆设计； （6）油气井压力检测； （7）环境保护要求 （8）成本及材料预算；
（9）技术经济指标及时效分析。
二、钻井设计的基本原则
钻井设计应遵循以下基本原则：
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（1）钻井设计的两部分应按SY/T 533的规定进行。
（2）地质设计应明确提出设计依据、钻探目的、设计井深、目的层、完井层位及原则，完井方法、取资料要求、井身质量、油层套管尺寸及强度要求、阻流环位置及固井水泥上返高度等要求。水平位移要求严的直井，要考虑钻井的难度和钻井综合成本。
（3）地质设计应为钻井工程设计提供全井地层孔隙压力梯度曲线、破裂压力梯度曲线、邻区邻井资料、试油压力资料、设计地层、油气水及岩性矿物、物性、设计地质剖面、地层倾角及故障提示等资料。新区探井应按科学打探井技术规定，提供五种必需的地质图件（设计井所在区域的构造及地理位置图、主要目的层的局部构造井位图、过井“十字”地震时间剖面图、过井地质解释横剖面图、设计柱状剖面图），开发井应提供区块压力高线图及500m井距以内注水井位图和注水压力曲线图。
（4）调整井地质设计依据是上级批准的油田开发实施方案，钻井区块的地质构造，区块内已完成井的各种地质、钻井资料，区块井位设计等。甲方地质部门应为钻井工程区块设计提供调整井区块地质设计，为单井设计提供地层分层内容，地质要求，设计井与邻近油、水井地下压力动态数据资料，设计井位示意图，地下复杂情况，故障提示等。调整井地质设计分层误差应控制在10m以内。
（5）调整井应采用集中打井，分片停注溢流的原则，调整井开钻前，区块内的注水井应根据井口压力，提前若干天（一般为10～30天）采取注水井停注和放溢流、油井转抽降压等具体措施，以降低区块内地层压力，为钻井安全施工，确保固井质量、保护油气层产能，提高综合经济效益创造条件。
（6）钻井工程设计必须以地质为依据，并且要有利于取全取准各项地质、工程资料；要有利于开发油气层，保护油气层，充分发挥每个产层的生产能力；要保证油气井井眼轨迹符合勘探开发的要求；油水井的完井质量满足油田各种作业的要求，保证油气井长期开采的需要；要充分体现采用本地区和国内外钻井先进技术，保证安全、优质、快速钻井，实现最佳的技术经济效益。
（7）钻井工程设计应根据地质设计的钻探深度和工程施工的最大负荷，合理地选择钻机装备，选用的钻机负荷不得超过钻机最大额定负荷能力的80%。
（8）钻井工程设计应根据地质设计提供的地层孔隙压力梯度曲线及地层破裂压力梯度曲线或邻井试油压力资料、设计钻井液密度、水泥浆密度和套管程序。对设计钻探多套压力层系的探井，应采用多层套管程序，以利保护油气层、钻杆中途测试和安全钻井。
（9）调整井钻井液密度应根据钻井区块所在采油厂（站）提供的地层压力进行设计。 目的层地层压力高于地层原始压力时，钻井液密度设计应遵循以下四条原则：
①根据采油厂提供的注水地层压力，设计注水井附近或注水井之间新钻井的钻井液密度； ②根据采油厂提供的采油井的井下静压，设计采油井附近或采油井之间新钻调整井的钻井液密度；
③根据采油厂提供的采油井和注水井的静压，设计采油和注水井之间新钻调整井的钻井液密度；
④根据采油厂提供的套管断裂注水井的静压，设计套管断裂地区新钻调整井的钻井液密度。 当目的层地层压力低于原始地层压力时，应以裸眼井段最高地层压力梯度设计钻井液的密度。 调整井钻井液的密度附加值，可根据各油田所钻区块统计资料实际值附加或经验公式附加。 （10）调整井钻井设计应考虑新钻井的套管防断、防挤毁问题。
（11）探井应开展随钻压力监测。如dc指数压力监测等方法。若随钻压力监测值与地质设计提供的地层孔隙压力梯度不符，应以随钻压力监测值及时调整钻井液密度。但应报地质设计审批部门备案。
（12）在探井钻井设计中，应根据工程需要，设计一定数量的工程取心。
（13）钻井要按设计的施工进度计划施工。对地貌条件困难或钻前工程耗资较大的地区，应
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尽量采用定向井、丛式井技术设计。对井斜严重的地区用一般的方法控制井斜困难时，应利用地层自然造斜规律，移动地面井位，采用“中靶上环”的方法，使井底位置达到地质设计要求。
（14）费用预算和施工进度计划应建立在本地区切实可靠的定额基础上。每隔二至三年要对定额指标进行修订与核算。
三、钻井工程设计的基本方法
钻井工程设计必须以地质设计为依据，在此基础上，按钻井工程总体设计程序框图来进行，见图3-1-1-1。
图3-1-1-1 钻井工程总体设计程序框图
四、钻井工程设计的基础资料
钻井工程设计和钻井施工中最重要的方面就是确定该井将遇到的问题和预期的特征。如果这些情况事先不知道，那么就不可能恰当地作出一口井的设计。所以钻井工程设计必须在开始前就搜集各种不同的资料，从而获得详细情况，以适应设计的钻井条件。在进行钻井工程设计以前，必须了解和收集相关基础资料。
1．地质资料
地质资料是钻井工程设计的第一手资料，在收集地质资料时主要收集设计井的地质分层、地层岩性、可钻性、研磨性、故障提示、地层倾角、地层压力、破裂压力等。
2．完井方法和井身结构
在完井方法和井身结构确定过程中，要了解设计井油田的各种完井方法和井身结构、施工和生产中的情况、各种完井方法和井身结构的优缺点。
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3．钻头资料
收集3～5口设计区块的全井实际钻头使用资料，包括每只钻头的类型，所钻地层井深、层、段、主要岩性，钻头进尺、钻头工作时间，主要技术参数（钻压、转速、排量、钻井液密度），钻头磨损特点，钻头成本。
4．钻井液资料
收集1～2口井的钻井液的资料，总结对分层钻井液性能的要求，使用过程中遇到的问题，如何处理维护钻井液性能，全井钻井液材料及处理剂消耗情况，钻井液成本，钻井液净化系统情况、数量、规格、使用效果和存在问题。
5．技术参数
收集3～5口井的钻井技术参数资料（钻压、转速、排量、钻井液密度、泵压、钻头尺寸），同时，收集喷射钻井资料，钻具及井眼尺寸，钻头水眼尺寸，泵排量和泵压，喷射钻井的效果。
6．钻具结构资料
收集设计井油田的钻头尺寸与钻具尺寸的配合，常用钻具尺寸、类型、钢级、壁厚、国别、合理使用钻具的措施，易斜井段所用的钻具结构的防斜效果，稳定器的使用情况。
7．压力控制资料
包括设计区块各地层的地层压力值，所采用的附加压力数值，井口装置及防喷设备、规格、类型，除气设备，除气措施。
8．套管柱设计及注水泥
收集设计井油田所用的各种载荷的安全系数、设计方法，实际套管柱的区域、套管柱下部结构，所用注水泥措施（替钻井液速度，隔离液、水泥浆密度，速凝剂，缓凝剂，放压与环空蹩压候凝，注水泥计算，水泥量附加数，井径扩大情况，注水泥泵压的计算方法，提高固井质量的措施与方法。）
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第二节 井身结构设计
井身结构包括套管层次和下入深度以及井眼尺寸（钻头尺寸）与套管尺寸的配合。井身结构设计是钻井工程设计的基础。 一、套管柱类型 （1） 表层套管；
（2） 中间套管（技术套管） （3） 生产套管（油层套管） （4） 尾管。
二、井眼中压力体系
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：
Gt?Gm?Gp （1－2）
式中 Gt－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、井身结设计所需基础资料 （一） 地质资料
（1） 岩性剖面及事故提示 （2） 地层压力数据 （3） 地层破裂压力数据 （二） 工程资料
（1） 抽吸压力与激动压允许值（Sb与Sg） 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
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