DRILLNET 2.0——第九章 套管设计模块

第九章 套管设计模块

商业碳氢化合物的埋藏深度逐渐变的很深，那么要成功的钻、完井就需要大量不同尺寸的套管。套管也就成为钻井项目中昂贵的部分之一。因此，钻井工程师的一个重要职责是设计便宜的套管程序，这样既能够让井正常的钻进，同时在钻井周期内能安全的完成钻探目的。通过优化设计来实现节省，同样，失败的设计将会导致风险，在钻井项目中应努力在工程设计阶段进行尝试。

Petris的DrillNET软件中的套管压力检测模型已经被扩展，使其包括了套管设计能力。

在套管设计模型中，管鞋问题将会允许钻井工程师设计的套管串要基于在计划的井筒中，对于某种井眼尺寸的井底，就要估算其地层孔隙压力和破裂压力。计算套管鞋的位置要考虑到使用的泥浆密度值，泥浆密度要控制好以下两点，一是不能因为地层孔隙压力不能泥浆所平衡造成溢流的可能，二是泥浆密度值不能超过地层破裂压力。

套管设计模块中的套管应力检测元素主要是被设计用于套管的检测。列如：为了比较设计的套管串在自身重力下的阻力，模拟其真实的井筒内的情况，那么多种应力因素就应该被考虑进去，用于计算应力的这些规则可以保存为一个自定义配置文件中，这样从而使他很容易添加到您的公司的策略文件内。

9.1输入

9.1.1项目页面

套管应力检测模型的项目输入页面与典型的DrillNET项目页面很类似。

9.1.2测量数据页面

应套管力检测模型的测量数据输入页面与典型的DrillNET测量页面类似。

9.1.3地层数据页面

套管应力检测模型的地层数据输入页面与典型的DrillNET地层数据页面类似。

9.1.4泥浆页面

1)泥浆数据输入选项 泥浆梯度既可以手动输入，也可以通过基于过平衡数据程序计算得出。如果您选择“计算”模式的话，在本页面底部的泥浆梯度表是被锁定的。泥浆梯度的计算要考虑欠平衡和过平衡这两个概念。给定的垂深下的泥浆梯度公式为：

泥浆梯度=孔隙压力+过平衡压力

这里的过平衡压力同样可以是负数(欠平衡)。在当前页面上部的数据表中，需要手动输入过/欠平衡压力。

2)过平衡数据表单 如果您喜欢从地层孔隙梯度开始计算泥浆梯度，那么请使用这个表单。如果您向为整条轨迹输入一个单独的值，那么输入的值只能在过平衡单元格内，并且不能输入深度。如果您想随着不同的井深输入不同的过平衡值，那么离开这个表单时要保证最后一行是空的：DrillNET将会调整最后的间隔给轨迹的底部(之前的行中井深必须准确输入)。

这个表单总是包含了MD(测深)列。钻井液是一项典型的钻井参数(不像破裂和孔隙梯度一样，他们都与地层数据有关)。因此，MD(测深)对于钻井液是经常用到的。

如果您选择了手动输入泥浆梯度方式，那么过平衡数据表单就不能再被使用了。

3)泥浆梯度数据表 这个表单被锁定了，除非您选择了“手动输入”。当计算选项被选择时，计算出的梯度就会被显示出来。

4)泥浆梯度图形 用于显示泥浆梯度和过平衡数据图形。点击图形区域底部的标签来选择参数。注意到泥浆梯度图形同样也包含孔隙梯度(如同在地层数据页面的输入)。

9.1.5套管串设计页面

在套管串标签下面可用的选项依赖于您是否要进行套管串设计还是套管应力检测计算。在这个模块内一些选项在这两种操作中是通用的选项。

可用的套管设计功能

在套管柱标签下面的“套管程序”表的第一个输入列中的勾选框没有被勾选，所有的输入数据的改变都与套管设计功能相关。套管设计选项中显示了套管设计中的输入数据。

当这个模块常用来做套管应力的检测：

1)陆上/海上环境 选择或者不选择海上油井选项。验证规则可以根据井位置的不同而改变。

陆地防喷器还是水底防喷器：海上的井允许您指定井口是否在表面还是在海底。如果是陆地的井，这个设置自动会是地面。

空隙/水深 RKB海拔是地面为平面来指定一个高度，也就是以海平面为参考。对于海洋上的井，这个海拔一般称为“空隙”。这个数量常用于海洋上油井的井底井口来计算套管的上部深度(空隙+水深)。

【刷新BOP】按钮被用来在您改变井的类型后，系统设置井口正确的位置。

2)套管程序数据表 套管柱数据包含套管鞋垂深(作为TVD和MD显示)；规则验证(表面，中间，或者生产)；套管类型(表层套管，中间套管，中间尾管，生产套管，生产尾管)；碰撞压力(张应力的验证)；套管柱顶部深度(用TVD和MD来显示)，这些对于带有井底井口的海洋油井特别有用。

套管类型 包含规则的验证(表层，中间和生产)和套管柱的类型(套管，尾管)。这个模块提供了三种不同的验证规则：表层，中间和生产。破裂和坍塌的应力因素对应于不同规则而改变，正如应力计算的规则。对于回接管验证规则不能设置的太详细。模块的“配置文件验证”表明回接管绝不会被他们自己所验证。反而，一个验证总是运行在套管或者尾管中(如：在管柱的孔底)。当您想核实一个尾管，程序在相同的尾管中查找回接管，或者是之前的井眼中在别的尾管上部运行的回接管。根据验证规则回接管可以包含在验证文件中(或者跳过)，并且在井眼内的套管串按顺序被执行。

回接管可以是后续的也可以立即被使用。回接管只能在一个尾管后面添加。在一个尾管行里右击鼠标来添加一个回接管。一个带有选项的弹出菜单就会被显示出来。所有的管柱类型都有默认的中间套管水泥浆设置，除了第一行的表层套管外。除了表层套管外，您可以通过点击下拉菜单来选择尾管项。在这种情况下，会有一个弹出对话框来输入尾管的上部井深。对于尾管，您也可以切换成一个套管；或者添加一个后续的或者直接的回接管。对于回接管您可以删除他或者改变他的类型从后续到直接的状态(反之亦然)。无论回接管是后续的或者立即使用的，都可以对其进行验证。您可以删除一个套管或者一个尾管通过右击菜单。如果您删除一个尾管包含了一个回接管，这个回接管也会被删除。

套管鞋深度 包含了TVD和MD值。MD值在表单中不能直接进行修改(因为他的背景是黄色的)。MD的值可以通过改变相应的TVD值来改变。如果您想直接改变他们，双击单元格，在弹出的窗口中输入值，然后点选【应用】。这里只有套管和尾管有套管鞋的深度。套管鞋的概念并不适用于回接管。注意所有的深度都会涉及RKB(海拔高度)。

顶部井深同样显示的是TVD和MD值。这列只能在尾管的顶部MD中被准确的设置。对于套管和回接管，这里显示了BOP的深度(陆地的井是零，海洋的井有井口；对于有海底井口的海洋的井是空隙+水深)。当您改变一个套管成尾管时，会被要求输入尾管的上部深度。为了能直接的输入和改变尾管的深度，在顶部MD单元格双击即可。输入一个新的值后点击【输入】来计算相应的TVD值。您同样也可以在顶部TVD单元格上双击来输入一个新的值在弹出窗口中。

碰撞压力涉及到张应力校验。从碰撞压力中，一个碰撞张力被计算，相应的公式如下：

碰撞张应力=碰撞压力*最大内部截面积

3)新钻井低于最后一个套管鞋 此项反应了套管鞋与井筒(“钻井阶段”)之间一个相对应的微妙的关系。通过有偏差的测量数据给定了轨迹底部，并且他代表了被钻的路径。作为一般规则，最后的套管鞋的位置不一定在轨迹的底部。如果这是真的，井眼将会有两种钻探方式：

1、最后的套管鞋和相应的套管柱会在最后的钻井阶段被执行。基于一些常用的做法(井底留一段口袋)或者一些钻井过程中遇到的复杂问题(例如，井底部分坍塌)，套管鞋的位置都不会在井底。对于这种情况，不同的钻井阶段就会有不同的套管鞋。而最后的套管鞋被设置后就不会再钻进了。

2、在套管鞋被设置成一个新的钻井阶段，他是轨迹的一部分，在最后的套管鞋下被钻开，钻完后不会下入套管。在这种情况下，我们的钻井阶段是多于套管鞋的。

这些操作允许您区分这些过程。当您运行边缘分析后就会有这些结论，其结果是涉及到更多的钻井阶段，而不是套管鞋。

要注意的是内部的套管设计方案，井眼和套管鞋之间的优先级是相反的。也就是说，我们要求您输入套管鞋深度，产生了一个隐含假设，这些套管鞋深度也代表了井眼(钻进阶段)底部深度。我们可以从套管鞋深度推断井眼底部深度。

4)套管数据表 套管柱页面最下方提供了一个六标签的系列页面，涉及到的当前套管列已被选定(高亮)在最上面的表中。

套管数据表

在套管数据表中的每一列可以包含一个或者多个部分(称为段)。每一段都有一个唯一的底部。套管的特性显示在这个表中：

每一段都有一个他自己的MD底部。在您输入底部的MD值后，TVD底部也将会自动计算。最后一段(套管柱的底部)的底部深度可以为空，由于程序设置他到管柱底部深度(套管和尾管的套管鞋深度，对于回接管的尾管顶部深度)。如果您想直接输入TVD值，在TVD单元格上双击即可；一个弹出式窗口会提供一个框体让您输入新的TVD值。在MD被计算后，他会被显示在框体中，点击【应用】来输出该值到套管数据表中。

OD(外径):用于识别，以及计算在张应力分析下的弯曲效果，根据下列公式：

狗腿度*外径*尾管的重量

ID(内径)：同样用于从碰撞应力中计算碰撞张应力。

尾管重量：用于在张力分析中计算套管重量。同样可以用来张应力下计算弯曲效果，相关公式：

狗腿度*外径*尾管的重量

钢级(在套管的本体上)：方便记录保存。

螺纹类型:方便记录保存。

整合ID：一般指管体本身的序 。

抗内压:抵抗内部压力大小，以厂家定义的为准。

抗挤强度：抵抗外部应力。

抗拉强度：抵抗张应力。他用力的单位。

抗内压、抗外挤和抗拉强度的设计系数：这些都是系数(无量纲)。当设计一个套管柱时，钻井工程师不会接受套管厂家建议的实际的套管抗性值。作为一种安全措施，套管的标称抗性值一般会有轻微的减少，这是因为这些值通过他们自身除以大于1的系数。这些系数被称为设计系数，而设计系数总是可以作为套管属性手动的输入。默认的设计系数可以在参数窗口中设置，有两种方法可以选择：(1)您可以输入默认的设计系数给抗内压、抗内挤和抗拉强度；(2)作为一个更全面的方法，设计系数与套管的屈服强度相关，您可以声明屈服强度的范围，然后设置默认设计系数来声明抗内压、抗挤和抗拉的的范围。

5)井涌允差标签

井涌允差标签用于定义最大的井涌量，对于任何的井控方式来说这样可以安全的控制井筒。在最下层套管鞋下没有破裂的地层。井涌允差通过他自己提供一个程序。不管如何，在一些方法中，井涌允差同样被作为套管设计的一部分被考虑，这也是他在这个模块中的原因。

井涌一般会在最后一层套管鞋下面发生，大多数在裸眼段的底部。无论如何，当评估一个井涌时，他起始在套管鞋的深度，并且一直到裸眼段的底部，整体作为井眼的一部来考虑。因为裸眼段的深度不会在DrillNET软件中明确的输入，假设延伸的井眼直到下一个套管鞋(对于最后一个管鞋，我们尽可能到轨迹底部)。最后，用户必须输入裸眼的外径值和BHA。DrillNET自动的检索在当前管鞋下的破裂梯度、泥浆梯度和地层孔隙梯度。所有这些梯度可以被手动调整，用来模仿不同的环境。

获得所有的数据后，DrillNET软件计算如下：

1、环形空间容积(在裸眼面积和BHA的面积之差)

2、最大的涌入高度，他的公式非常复杂。计算分成两步，首先，我们计算一个中间结果：

C=(套管鞋垂深*(裂缝梯度-泥浆梯度)+TD*(泥浆梯度-孔隙梯度))/(泥浆梯度-注入流的梯度)

最大的井涌高度计算公式如下：

最大井涌高度=C*(管鞋垂深*裂缝梯度)/(TD*孔隙梯度)

3、最大井涌垂深为：最大井涌垂深=TD-最大井涌高度

4、最后一步是为了计算井深对应的垂深和最大涌入垂深(因为我们必须计算一个体积，我们不能依赖TVD-我们需要的MD)。最大井涌量是：

最大井涌量=(井涌的井深-最大流入井深)*环形空间

井涌的井深是总深度的井深对应垂深。

6)抗挤标签-抗外挤的内部流体

在抗外挤和抗内压这部分可用的选项是基于是否是表层套管管柱，中间或者生产管柱。模块选项会在后面做详细的描述，同样在这部分输入的数据也会对他产生影响。

对于抗内压和抗挤校验，产生影响的载荷是内部与外部载荷之间的净差值。抗内压载荷取决于内部流体的条件。有三种基本的方法来输入流体条件。

1、手动输入数据 选择“输入内部流体”并且在窗口左边的表格中输入数据。

2、输入漏失数据 如果这项被选择，表“内部流体”被锁定并且会在“漏失层分析”栏下面出现一个开放式的框体。然后您输入漏失垂深，漏失层孔隙梯度，和下一工艺中最重的泥浆密度。如果套管柱时最后的阶段，并且勾选框“泥浆位低于套管鞋”没有被选择，否则您不能输入井漏数据。

漏失层垂深 在当前和下一个套管鞋深度之间输入一个深度。这个程序会检索下一个工艺在漏失点的最重的泥浆梯度和孔隙梯度。在漏失点TVD后，孔隙梯度和泥浆梯度都是可用的，泥浆位置可以被计算出来。

漏失层孔隙梯度 在漏失层深度的孔隙梯度可以被手动输入。

下一工艺中最重泥浆 摸索出/期望的最重泥浆梯度在下一步工艺中会使用到的。他同样可以被手动调整。

计算液面高度公式：

漏失层的TVD*(1-漏失层的孔隙梯度/最大泥浆密度)

当这一项被选择，抗外挤的内部流体是：

3、泥浆液面低于套管鞋 用户可以确定泥浆液面低于套管鞋的深度，或者井筒内所有的泥浆漏失完。

当这项被选择，抗外挤的内部流体是：

抗外挤标签-抗外挤的外部流体

抗外挤的外部条件是那些构成外部挤压的力。DrillNET软件有一个内置规则给外挤的产生的压力，这些压力可以在参数窗口中进行定义。内置规则是基于已经应用在套管柱(表层、中间和产层)已证实的规则上的。对于井筒表层的环境，这个规则同样考虑到井口位置(是否在表面还是海底)。对于中间或者产层校验，这个规则是相当简单，他表示为抗外挤的压力是依赖于套管鞋处的泥浆梯度。(需要注意的是，如果上面又外观悬挂器，这需要参考前面的管鞋处的泥浆梯度。外挤的外部压力标绘出的曲线以尾管的宣贯器TVD值为水平刻度绘制。)

无论哪一个校验规则应用到套管柱上，程序提供了绕过一般规则的选项。相反，您可以输入一组流体的梯度来描述套管柱外部流体造成外挤压力的原因。外部流体的行为方式非常类似于用于内部抗内压力分析的内部流体。

总之，两种模型都可以描述外部挤压的条件。您即可以接受这个内置规则，或者您输入一组外部流体。内置规则意味着“套管鞋处的泥浆压力”为中间和产层的校验。他会考虑到在表层校验中的几种因素。内置规则不能被自定义去考虑添加其他的因素。相反，外部流体可以被手动的输入，并且可以根据需求进行调整。

点击“使用外部流体”来激活屏幕右侧的小区域，在这里显示设计的外部流体的数据。相对于内部压力的分析的内部流体最大不同的是在这里您同样要输入一个表层环空压力值。

抗内压标签(表层/中间管柱)

净内压值是内部与外部压力的组合。DrillNET软件中显示在一个独立的平面内系数控制内部和外部破裂压力。对于内部破裂条件的窗口与表层/中间校验相对的产层校验的窗口不同。

内部破裂的条件最基础的模块指出：(1)管鞋的深度，内部破裂的压力是破裂压力，压力是从通过管鞋的TVD值计算管鞋处的破裂压力得出；(2)在管鞋深度以上，内部破裂压力逐渐的减小，这是由于流体圆柱体的内部(一般都会有气体)。

这个简单的模型通过添加在管鞋与井口处计算出的压力约束，就可以用各种各样的方法使其变的更复杂。以下是两个限制条件的列子(对于在井口的内部破裂压力)：

1、这是没有必要考虑的管鞋上部液柱中的气体，他只是一小部分。

2、无论哪种计算屈服强度的结果，在井口的内部破裂压力不能低于固定的阀值。

作为管鞋处的破裂压力，唯一相关替代破裂压力是与管鞋处压力的比较，他通过井涌条件的产生的。

在这个窗口中的数据被自动的检索出来，并且他们不能被改变(例如，管鞋处的破裂梯度和管鞋处导致破裂的压力)。侵入流体的梯度(组成液柱内部流体的密度)可以被改变，或者可以根据您的喜好被保留锁定。计算压井成套的数据会根据您的喜 设置成可用或禁用。

井口处的破裂压力 基本上，通过伸出气体的圆柱尽力在管鞋处的负的压力值。在数值上不匹配，您应该检查您的参数，您可以设置这个程序去考虑这个压力只有一个固定的百分比。还要注意的是，在井口如果您给这个压力设置了过低的阀值，那么计算出的压力实际上是低于这个压力的，这个地方仍然会显示计算出的压力(列如，这块内容不会受到阀值的影响)。套管校验，不管怎么样，都会导致他的发生。

流入流体的梯度 流入流体是液柱内部的流体，他的密度是造成管鞋和井口两者之间压力不同的原因。这个流体经常被假设成为气体。在参数中您可以设置一个默认值，并且您同样可以阻止用户输入一个不同的值。

孔隙数据的方法 这个方法是唯一有效的，在套管程序表单的下方，当中间套管被选择并且新钻井低于最后一个套管鞋选项被勾选。

在选项的下面，模快选项选择压力规则，然后是中间套管标签。

勾选中间套管中计算和能比较套管鞋处破裂压力和井涌孔隙压力，然后点击接受。这将会激活在抗内压标签下的孔隙压力选项。

输入井涌的TVD值，并且按下【输入】键；程序会显示默认的孔隙梯度。您同样可以输入一个不同的孔隙梯度(点击第二个单元格，然后输入您要的值)。如果您已经输入了一个孔隙梯度，但是又想还原成默认的梯度，那么您只需要点击默认的孔隙梯度按钮。在管鞋处的井涌压力用以下公式计算：

井涌TVD处的孔隙压力-(井涌TVD-管鞋TVD)*(流入流体的梯度)

更确切的说，井底的压力，流体液柱产生负压力。请注意，在这种情况下，我们不能应用百分比，即使他在参数选择中被指定。同样也要注意，井涌TVD被假设大于管鞋TVD值。最终，在井口的井涌压力同样以标准方式来计算(管鞋处的井涌压力减去起上面的液柱压力)。在这种情况下，百分率(如果已经被指定了)是需要被考虑的。

如果孔隙方法被启用，DrillNET会对其进行校验，在管鞋处比较井涌压力和破裂压力。如果井涌压力低于破裂压力，那么井涌压力被作为管鞋处的内部破裂压力。

内部破裂标签(对于生产管柱)

对于生产校验来说，重力这个因素也会被考虑进来：累积的TVD和在这个TVD值的孔隙梯度；一个“地层流体”梯度；和一个“封隔液”梯度。管鞋处和井口的内部破裂压力用以下公式计算：

(井口压力)=(累积的TVD孔隙梯度)*(累积的TVD)-(地层流体梯度)*(井筒TVD-上部套管TVD)

列如：累积的点的孔隙压力减去从井筒底部TVD延伸至BOP段的液柱压力产生的外部压力值。

管鞋处的压力用以下公式计算：

(管鞋处的压力)=(井口压力)+(井筒TVD)*(分隔液梯度)

请注意，在这两种情况下，我不会使用单一的管鞋TVD值，而是使用井筒底部TVD值。井筒底部TVD对于最后层套管串可以是大于对应的套管鞋的TVD值的，因为井眼可以延续更深而超过比套管串。

破裂标签-抗内压的外部流体

如果用户选择了“使用外部流体”选项，他们必须为“外部流体”中的“表面环空压力”输入一个值。

7)导管的内径

在套管设计中被用来输入一个导管的内径。

8)应力检查选项

当使用这个模块设计套管时，用户可以选择破裂和外挤的双轴或者三轴效果。

套管和钻头尺寸顾问，如何使用他们来设计套管串

典型的套管和井眼尺寸

9.1.6井眼和套管顾问

对于整个井眼在管鞋处的顾问来使用“井眼尺寸和套管顾问”来设计套管。

用户在项目、轨迹、地层数据、泥浆中输入完所有数据后，或者从DrillNET 2.0软件中的案列文件夹中导入了一个“
Example_CasingDesign_without_CasingStrings.xml ”数据文件，点击“套管鞋计算”来使用DrillNET软件在井眼尺寸和套管顾问的基础上设计所有的套管串。在“套管鞋顾问”被点选之前，用户需要在设计方向选项中选择其一：从表面套管到最后套管或者从最后套管到表面套管。作为一个例子，选项“表面套管到最后套管”如果被选择，那么导管的内径可用的范围在30英尺以内。

在点击【应用】按钮之后，套管程序表会被更新。按下F9来刷在套管柱标签上的新信 灯。

使用井眼顾问和套管尺寸顾问来输入正确的井眼尺寸和套管尺寸

使用井眼顾问来输入有效的井眼尺寸

如果用户想不用套管柱数据来执行一口井的套管设计，他可以通过使用“钻头顾问”选项来访问下面的窗体。

在用户点击“钻头顾问”按钮后，产生一个窗口，在这个窗口里您可以选择一个有效的钻头尺寸从下拉菜单中，或者您也可以输入一个井眼尺寸(裸眼大小/钻头尺寸)，对应这个井眼的套管也会被找出来。

使用套管顾问来输入有效的套管尺寸

在井眼尺寸已经被选择好后，用户在套管外径单元格上双击来登陆一个“套管顾问”。

用户可以使用这种方法在一层又一层的基础上来输入有效的井眼和套管尺寸。

为套管设计使用定制的输入数据相结合的方法

用户可以使用“使用钻头顾问来输入有效的井眼尺寸”的这个方法首先获得所有套管串的层的基础输入数据，然后他们可以使用“使用套管顾问来输入有效的套管尺寸”的方法来对于一些套管柱层定制井眼尺寸、套管尺寸和管鞋的深度。

9.2套管设计的三轴应力

9.2.1输入-用户界面

用户可以选择在套管柱标签下面的应力检查选项来计算“三轴破裂影响”和“三轴压塌影响”。

这些选项可以在正常应力检测和套管柱设计中使用。

如果在套管设计中套管柱标签下的“低价格”从下拉菜单中选项被选中，那么每段长度的价格和管柱相关的信息会从管柱数据库中读取。

按照上述步骤操作，在上面窗口中的单位长度的价格列可以让用户输入数据。

9.3输出

9.3.1输出范围分析

如果您从项目、轨迹数据、地层数据和泥浆的输入页面中通过点击

按钮来开始套管应力检查计算，那么范围分析的结果会被显示出来。如果您从套管串输入页面开始输出，管柱校验结果也会被显示出来。

套管应力边界分析的理论论述将会在28.4.3节介绍。

对于套管串检查模型的输出结果包括下面三个标签：

1、小结-为关键的水力参数显示值。

2、图形/表格-一个典型的DrillNET多功能的输出显示，允许选择单根或者多个图形。

3、套管示意图-套管程序用一个垂直井眼的方式显示出来。

9.3.2套管校验的输出

套管校验输出窗口在您点击了

按钮后显示出来。套管应力边界分析的理论论述将会在28.4.4节介绍。(注意：若点选前三项任意一项执行操作，就会出现上面三个标签的输出结果，如果从“套管串”项开始执行，将会出现不同的四个标签的输出页面)

套管应力检查模型包括以下四个标签的结果输出：

1、小结-为关键的水力参数显示值。

2、图形/表格-一个典型的DrillNET多功能的输出显示，允许选择单根或者多个图形。

3、安全系数-显示出一个表单，里面有为套管串每一部分计算结果和需要被设计的系数。

4、套管示意图-套管程序用一个垂直井眼的方式显示出来。

当用户在输入页面中选择了“三轴破裂影响”和“三轴压塌影响”选项时，输出窗口中的“安全系数”这个标签会显示出三轴应力结果。