传统的井身结构设计方法对生产井和探井没有区分，都是自下而上进行设计，这种设计可以使所设计的套管层次最少，每层套管下入的深度最浅，节省成本。对于深井钻井，尤其是深探井钻井来说，一般对所钻地区的情况掌握不清，要切实保证钻达目的层、提高深井钻井的成功率，就必须有足够的套管层次储备，以便一旦钻遇未预料到的复杂层位时能够及时封隔，并继续钻进。但目前的套管、钻头系列有限，只能有 2～3 层技术套管，只能封隔钻井过程中的 2～3 个复杂层位。因而，希望每一层套管都能尽量发挥其作用，希望上部裸眼尽量长些，上部大尺寸套管尽量下得深一些，以便在下部地层钻进时有一定的套管层次储备和避免小井眼完井。

 

自上而下的设计方法能很好地体现上述想法，可以使设计的套管层次最少，每层套管下入的深度最深，从而有利于保证实现钻探目的，顺利钻达目的层位。

 

自上而下的设计方法的基本过程是∶根据裸眼井段必须满足的约束条件，首先从地表开始向下确定表层套管的下入深度，然后向下逐层设计每一层技术套管的下入深度，直至目的层位裸眼井段必须满足的约束条件均为

 

深井和超深井钻井技术

式中i——计算点序号，在设计程序中每米取一个计算点；

 

Pmmax——裸眼井段的最大钻井液密度，g/cm3；

 

Ppmax——裸眼井段钻遇的最大地层孔隙压力系数，g/cm3；

 

Sb——抽吸压力系数，g/cm3；

 

Pcmax——裸眼井段的最大井壁稳定压力系数，g/cm3；

 

Ppi——计算点处的地层孔隙压力系数，g/cm3；

 

Hi——计算点处的深度，m；

 

△p——压差卡钻允值，MPa；

 

Sg——激动压力系数，g/cm3；

 

Sf——地层破裂压力安全增值系数，g/cm3；

 

Pfi——计算点处的地层破裂压力系数，g/cm3；

 

Hmax——裸眼井段的最大井深，m；

 

Sk——井涌允量系数，g/cm3。

 

在以上的裸眼段约束条件中，比传统的设计方法增加了坍塌压力的约束条件，从而使井身结构设计更加趋于合理。

 

2、复杂深井超深井套管和钻头系列

 

国外深井超深井的套管和钻头系列的特点是井眼直径大，多数采用一层或两层较大尺寸的导管来封隔疏松表层，常用的导管尺寸有 20in （lin= 25.4mm）、24in、26in、30in、 36in、42in 等，最大到 48in。许多深井、超深井都采用了较大尺寸的表层套管，最终井眼尺寸都为 8? in，下入7in 套管或尾管完井，或下入最小直径为 5in 的油层套管。其优点如下。

 

① 全井都能用 5in 或更大尺寸钻杆钻进，可使用性能合适的配套钻井设备及工具，使水力、钻头类型等钻井参数得以优化，钻具扭断和钻杆扭断机械事故大大减少。

 

②有利于取心作业、打捞作业和生产测试等。

 

③ 井深结构留有一定的余地，在遇到较大的钻井问题时可以多下一层套管柱。

 

国内深井钻井中通常采用的套管程序为：20in→13? in→9? in→7in→5in，少数陆地深井和海洋钻井已采用 30in→20in→13? in→9? in→7in→5in 的套管程序。对于地质条件相对复杂的深井、超深井来说，其井身结构一般采用 3～4 层技术套管。

 

现有的套管程序适用于地质条件不太复杂的地区，但在复杂地质条件下的深井、超深井中，这种单一的套管程序对钻井液的依赖性太强，井身结构方案调整余地小，很难满足复杂地层深井钻井的要求。其主要存在以下几个方面的问题。

 

① 套管层数少，不能满足封隔多层复杂地层的要求。

 

② 现有深井的套管设计程序中套管柱之间的间隙大，钻井成本高，机械钻速低。目的层套管与井眼的间隙小，易发生套管阻卡，难以保证固井质量。

 

③ 下部井眼尺寸小，不能满足采气和井下作业的要求，不利于快速、优质、安全钻井，也不利于进一步加深钻进。

 

3、套管柱优化设计

 

套管柱优化设计是在满足安全的条件下确定费用最低的套管柱组合方案。优化设计模型的具体实现有多种方法，其中利用数据库的结构化查询语言实现优化模型的求解是最直接高效的方法。由于深井和超深井的井底温度和压力很高，套管柱所处的工作环境的特点不同于浅井，此时高温高压对套管柱内部气柱压力分布影响显著，需要用更准确的方法计算。温度对油、套管柱的强度、螺纹密封性及腐蚀性有较大的影响，在套管柱设计中应给予考虑。