ICS 75.020
E 13
备案号：58675—2017
SY/T 5431—2017
代替 SYZT 5431—2∞8
The design method Of CaSing PrOgranI
2017-03-28 发布
2017-08-01 实施
-JLX- -ɪ.
刖 S
本标准按照GBΛΓ 1.1 2009《标准化工作导则 第I部分：标准的结构和编写》给出的规则 起草。
本标准代替SY/T 5431—2008《井身结构设计方法》，与SVfr 5431-2（X）8相比，主要技术变化 如下：
一修改了标准的适用范围（见第1章）I
更新了规范性引用文件（见第2章）,
修改了部分术语的定义（见3.1, 3.2, 3.5, 3.6）.
补充了设计依据的内容，删除了与之不相关的内容（见5.1. 2008年版的5.3. 5.5）,
— 删除了固井回压值（见2008年版的6.2.6）,
-将设计约束条件进行了重新编排（见第7章），
-修改了设计约束条件中部分变量的定义（见7.2.2, 7.3）,
增加了必封点应考虑的因素（见7.4.5, 7.4.7）,
一将章标题“设计方法,步骤”修改为“设计方法”（见第8章）I
— 增加了对设计步骤的说明和注意事项（见8.2, 8.3）,
——补充了套管与井眼（钻头尺寸）间隙的选择原则（见9.1.2）,
—修改了套管与井眼（钻头尺寸）间隙选择图（见图1）,
将章标题“套管设计要求”修改为“套管柱设计要求”，删除了关于套管柱强度和选材方面 的内容（见第1（）章，2008年版的10.2至10.6） t
调整了水泥返高设计的条款顺序，修改了油井技术套管、生产套管的管外水泥返髙，增加了 注水井水泥返高要求.修改了热釆井、气井管外水泥返高要求（见第Il章）， 修改了设计结果输出格式要求（见第12章）.
-—将规范性附录修改为资料性附录（见附录A、附录B）,
增加了坍塌压力曲线、钻井液密度曲线，修改了尾管设计中尾管最大下入深度点的确定原 则、溢流压井条件校核套管下入深度的方法（见A.5, A.7, B.6）.
.请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别这些专利的责任。
本标准由石油钻井工程专业标准化委员会提出并归口。
本标准起草单位：中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院，中石油川庆钻探工程有限公司 钻采工程技术研究院、中国石油大学（华东）。
本标准主要起草人：陈明、安玉玲、曲晓红、王爱国、管志川、张治发、施亚楠、张慧、黄志 远、张璐。
本标准代替了 SY/T 5431—2008。
SY/T 5431 2008的历次版本发布情况为：
——SY 5431 1991, SY/T 5431—1996o
1范围
本标准规定了石油天然气井井身结构设计原则、参数取值、方法与步骤、输出格式等方面的技术 要求。
本标准适用于陆上石油天然气钻井井身结构设计，海上钻井可参照执行。
2规范性引用文件
下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文 件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。
GB/T 31033石油天然气钻井井控技术规范
SYfr 5333钻井工程设计格式
SYΛΓ 5724套管柱结构与强度设计
3术语和定义
下列术语和定义适用于本文件。
3.1
正常压力地层压差卡钻临界值 CntiCal VaIUe Of （IifTerentiaI PreSSUre StiCking in normal PreSSUre formation
∆P∏
裸眼井段中，正常地层压力井段不发生压差卡钻所允许的钻井液液柱压力与地层孔隙压力之间的 最大压差值。
3.2
异常压力地层压差卡钻临界值 CritiCaI VaIUe Of difTerential PreSSUre StiCking in abnormal PreSSUre formation
ʌp.
裸眼井段中，异常地层压力井段不发生压差卡钻所允许的钻井液液柱压力与地层孔隙压力之间的 最大压差值。
3.3
地层破裂压力当量密度安全允许值 allowable Safe VaIUe υf equivalent denSity OffraCtUre PreSSUre in formation
Sl
考虑地层破裂压力当量密度检测的精度.地层破裂压力当量密度允许存在的最大误差值。
3.4
安全地层破裂压力当量密度 Safe equivalent denSity Of fracture PreSSUre in formation
Pn
号也地星破裂11- 〃 ％里後度安全允许值后的地层破裂压IJ当.密度最小值.
3.5
溢流允许值kick tolerance
S、
钻遇裸眼井股最大地层孔隙压力处所允许的井内压力当量密度的增加（ft。
3.6
自下而上设计方法bottom-up design
根据裸眼井段安全钻进应满足的压力平衡，压差卡钻约束条件，自井底开始，自下而上逐层设计 各层套管F人深度的井身结构设计方法。
3.7
自上而下设计方法top-down design
根据裸眼丼段安全钻进应满足的压力平衡.压差卡钻约束条件，在已确定了表层套管下入深度的 基础上，从表层套管鞋处开始自上而下逐层设计各层套管下入深度的井身结构设计方法。
4设计原则
4.1符合当地法律、法规，满足健康，安全、环境管理体系的要求。
4.2有利于发现、认识和保护油气层，满足开发要求。
4.3有利于实现安全、优质.高效钻井。
5设计依据
5.1依据钻井地质设计中（包括但不限于）以下内容：
a） 地层孔隙压力.地层破裂压力及坍塌压力剖面。
b） 地层岩性剖面。
C）完井方式和生产套管尺寸要求。
d） 地面环境（地形.地势）。
e） 浅层地质情况（浅层气、浅层水流、沙漠地区的流沙层、山体滑坡等）。
f） 储层特征（储层物性,流体特征、预计产能等）。
5.2,同区块邻井.相邻区块参考井的实钻资料。
5.3井位附近河流河床底部深度、生产生活用水水源的地下水底部深度、附近水源分布情况、地下 矿产采掘区开采层深度.开发调整井的注水（汽）层位深度、回注层位深度。
6设计参数取值范围
6.1抽汲压力当量密度Sb和激动压力当量密度5, 一般取0.015g∕cm, - 0.040g∕cm'β
6.2地层破裂压力当量密度安全允许值S一般取0.03g∕cm∖
6.3溢流压井允许值Sk 一般取0.05g∕cm, ~ 0.10g∕cm'o
6.4正常压力地层压差卡钻临界值一般取l2MPa ~ 15MPa.异常压力地层压差卡钻临界值∆pj 一般取 15MPa ~ 2（）MPaO
6.5钻井液密度附加值∆p执行GBΛΓ 31033的规定。
6.6以上参数宜根据设计井所在区域的统计数据确定其具体数值。
7设计约束条件
7.1防止井涌和井壁坍塌的约束条件
7.1.1为防止发生井涌，钻井液密度应大于或等于裸眼井段的最大地层孔隙压力'I'M密度加I：钻井液 密度附加值，见公式（1）：
式中：
Pml——防止发生井涌的钻井液密度，单位为克每立方厘米（g∕cm'） I
Pg、一一棵眼井段最大地层孔隙压力当量密度，单位为克每立方厘米（g∕c∏√）,
∆P——钻井液密度附加值，单位为克每立方厘米（g/cm，）。
7.1.2为防止发生井壁坍塌.钻井液密度应大于或等于裸眼井段的最大地层坍塌压力当缺密度，见公 式（2）:
式中：
Pm：——防止发生井壁坍塌的钻井液密度，单位为克每立方厘米（g∕c∏V） I
Pg、- 坍塌压力当⅛t密度.単.位为克每立方厘米（g∕cm>
7.1.3钻井液密度需同时满足防止井涌和井壁坍塌的需要，见公式（3）:
Pm= max （pm∣. pm2） ....................................... （3）
式中：
0旷一钻井液密度，单位为克每立方厘米（g∕cn√）,
Pmr-防止发生井涌的钻井液密度，戢位为克毎立方厘米（g/em`）,
PmI——防止发生井壁坍塌的钻井液密度，单位为克每立方厘米（g/em`）.
7.2防止压裂地层的约束条件
7.2.1防止正常作业压裂地层的约束条件
正常作业时最大井内压力当地密度应小于或等于裸眼井段最小安全地层破裂圧力当量密度.见公 式（4）至公式⑹：
Phnmflt W PfYmin ............*
Obmna*= Pmnui+S, ....................*
式中：
——正常作业时最大井内压力当量密度，单位为克每立方厘米（g∕cm）,
Pnmn——裸眼井段最小安全地层破裂压力当量密度，单位为克每立方厘米（g∕cm'）,
Pmnal——裸眼井段最大钻井液密度，单位为克每立方厘米（g∕cπ√）,
SV 激动压力当量密度，单位为克每立方厘米（g∕cπf）.
Ph—安全地层破裂压力当量密度，単位为克每立方厘米（g∕cm'）,
A 地层破裂压力JIM密座.单位为克每卫方厘米(g∕cm>
S, 地层破裂压力当技密度安全允许值，単位为克每立方厘米(g∕c∏√)°
7.2.2防止溢流关井压裂地层的约束条件
发生溢流关井时，裸眼井段内每一井深处的压力当J⅛密度应小于或等于该井深处的安全地层破裂 压力当St密度，见公式(7).公式(8):
P^-一发生溢流关井时/) H iW应的压力当量密度.单位为克每立方用米(g∕cm') I
P„, n井深对应的安全地层破裂圧力当量密度，单位为克每立方M ∙. (g∕cm'),
——裸眼井段燃大钻井液密度，单位为克每立方厘米(g∕cπP) I
Dm 裸眼井段最大地层继≡力当量密度对应的顶部丼深.单位为录(m) I
D.——裸眼井段内计算!讓深，单位为米(m).
SK 溢流允许值，单龄克每立方厘米⅛j).
7.3防止压差卡钻或卡套管的约束条件
钻并或下套管作业过程眼井段内钻井液液柱压力与地层孔隙压力最大压差小于或等于∆pn 或∆pa,见公式(9) ： . . « .
Δp=O∙0O981× (Pg、財 ×Dn< ∆pn (∆p.)( ........................⑼
”一钻井液液柱压力§地层孔隙压力最大压差，单位为可帕(MPa).
裸眼井段最大*井液密度,单位方克每立方时米(g/cm3).
Prn 裸眼井段始大压*处所对应们"八孔隙压力当吊:密度，单位为克每立方厘米(g∕cm>
Dn 裸眼井段最大压差处所对应O］井深(一殷.在I常孔隙压力地层，取正常压力地层的最大
井深，在异常孔隙压力地层,取地层孔隙压%当量密度最小值點应的最大井深)，单位为
'∆pn 正常压力地层圧差卡钻临界值，单位为兆帕(MPa).
△儿——异常压力地层压差卡钻临界值，单位为兆帕(IfPa)O
7.4必封点应考虑的因素< "■
7.4.1易坍塌地层、塑性蠕变地层、盐岩层、盐膏层、煤层等。
7.4.2裂缝溶洞型、破裂带、不整合交界面型漏失地层。
7.4.3含H：S等有毒气体的地层。
7.4.4丛式井组相邻两井的表层或技术套管下深宜错开IOm以上。
7.4.5水平井、大位移井、欠平衡压力钻井等特殊工艺井的要求。
7.4.6井位附近河流河床底部深度、生产生活用水水源的地下水底部深度、诸如煤矿等采掘矿井坑道 的分布、走向、长度和离地表深度、矿产层的底界深度。
7.4.7断层的深度，走向等。
8设计方法 8.1方法选择 8.1.1对于已探明区块的开发井或地质环境清楚的井，宜采用自下而上设计方法。
8.1.2对于新探区的探井或卜部地层地质环境不清楚的井，宜采用自上而下或者自上而下与自下而上 相结合的方法。
8.2设计步骤
8.2.1自下而上设计步骤如十：
a)
b)
确定井身结构设计参数。
从目的层深度H开点根据7.1至7.3裸眼據Lj濾昔香盥纖，向上确定出安全裸眼井 段的长度Lt,从而确定出第-匾技术套管应下人的深度
C）从第 层技术套管应下人的深度％开始，参照本条b）确定出比上部的安全裸眼井段的长
度L2,从而确定岀第二层技术食管的应下人深度H2≈H,-L2Q
d）参照本条c）,向上逐层磐出每层套管的下入深度。
注:设计过程中若遇到必封点，则在必封点F入一层套#*版后由必対点深度向上逐层确定每层食管卜•人深度。
8.2.2自上而下设计步骤如下：
a） 确定井身结构设计参数。
b） 根据当地地层资料并参设计方法的结果，确定出表层套管的下入深度
C）根据7.1至7.3裸眼應态满足的约束条件，自深度H向下确定出安全裸眼井段的长度L,
从而确定出第一层技掘會瞄度IO
d）从〃开始,参照本条C）确定出削項;的安全裸眼井段的长度上.从而确定出第二层技术
套管的应下入深度Hr=HI+L3.
参照本条d）.向下逐房确定出每____
下入深度。
注:设计过程中芥遇到必也&则在必封点卜人 建套管，M由必财点深度向下粉,:晚；EW,：fW卜人深度.
8.3注意事项
8.3.1宜根据地层渗透性选擢ME:
8.3.2
8.3.3
宜根据井涌发生的可
巳"世行溢流关弄压漏地层校核。
井身结构设计中的井深为垂深，4向W计算结果，根据其井眼轨道转'匕为斜深。
8.4方法示例
自下而上设计方法示例参见附录A.自上而下设计力法示例参见附录B
9套管与井眼（钻头尺寸）间隙的选择 9.1选择原则 9.1.1开发井应满足油、气田开发的要求，生产套管尺寸应根据生产层的产能、油管尺寸、增产措施 以及后期作业的要求确定。
9.1.2探井应满足安全钻达设计目的层的要求，对于复杂地质条件和地质信息存在不确定性的区域, 应考虑井眼尺寸留有余鼠以便施工中能够増加技术套管的层数。
9.2套管与井眼（钻头尺寸）间隙的选择
9.2.1
9.2.2
9.2.3
9.2.4
9.2.5
开发井由下而上、由里而外确定各层套管与井眼间隙。
新探区的探井由上而下、由外而里确定各层套管与井眼间隙。 套管与井眼间隙设计应满足套管安全下入和固井要求。
下一开次的钻头尺寸应小于上层套管的通径。
套管与井眼间隙宜按图1选择。
钻头
|
(508.0 ' |
(660.4、 |
, 762.0 ) |
914.4 ) | |
|
406.4 |
508.0 |
609.6 |
762.0 | |
裕头
298.5 406.4 508.0
-T-_ 346.1 ------ -----
套管
钻头
套管
钻头
套管
钻头
101.6 114.3 127.0 139.7
套管
注1 ：数据的单位均为毫米（mm）.
注2：实线箭头代表常用配合.瑕线箭头衣示不常用配合。
图1套管与井眼（钻头尺寸）间隙选择图
1()套管柱设计要求
套管串结构设计应符合SYrr 5724的规定。
ɪɪ水泥返高设计
11.1表层套管的管外水泥浆应返至地面。
11.2油井、注水井技术套管、生产套管的管外水泥返高应至少在最浅一层油气层顶部20Om以上, 如存在复杂地层应至少返至其相应深度IoOm以上。
113尾管的管外水泥浆应返至悬挂器位置。
11.4热采井.气井及有特殊要求井的技术套管.生产套管的管外水泥浆宜返至地面或返至上层套管 以内200m。
12设计结果输岀格式
设计结果输出格式执行SY仃5333。
附录A
（资料性附录）
自下而上设计方法设计步骤示例
A.1绘制压力当景密度曲线图。绘制地层孔隙压力当揪密度pf.坍塌压力当量密度P-钻井液密度
A.2确定井身结构设计参数。
A.3确定初选的技术套管下入深度Q在压力当量密度曲线图中査找全井最大钻井液密度Pm^ 然后用公式（5）确定正常作业时最大井内压力当量密度ptx,nux.依据公式（4）,令Pfrron=Plwnu.,自 图A.2横坐标上找出pσm,n,上引垂线与安全地层破裂压力当量密度曲线相交，交点井深即为初选中 间套管下入深度D22.
1.00 1.20 1.40 l.6<) I .X0 2.00 2.20 2.40
-500
2()(XI-
E 2500-
W
3000-
2000
5000 4—
LoO
T 5000
2.40
设计步骤示列
F管的E险。用公.∙t（9）计算钻井液液柱压 技术套管下入夏.选深度QH和技术套管下入
力与地层孔隙压力最大压力 深度Q :
a） 若 ∆p ≤ ∆pn （ ∆p, 核，见A.5。
b） 若 ∆p > ∆∕>n （ ∆pi
n深度处压力差为____________ _______
Anng数值点，从该宾引垂线与裸眼井段M f⅛tt液密度线相交.交点井深即为技术套管下
入深度Du示例见图进-蔑A.7o
需要进行溢流条件校
,则技术套管下入深度应爪F初选深度D"］此时需用公武（9） i∣ nf∣∙: ipn （ ∆pa）时允许的裸眼井段最大钻井液密度&心:。（「横坐标上找出
A.5按溢流压井条件校核技术套管下入复选深度Do处是否有压漏的危险。确定全井最大地层孔隙压
力当量密度缶心对应的井深Qn.,见图A.2,自下而上对裸眼段内每一井深D,,用公式（8）计算该井 深对应的压力当量密度O（W和安全破裂压力当量密度Pn,.若毎•井深都满足公式（7）,则- D21, 否则技术套管下入深度等于不满足公式（7）时的井深，并按A.4步骤校核是否发生压差卡钻，最终
确定技术套管下入深度DZO
A.6重复A.3至A.5步骤逐次设计其他各层技术套管，直至表层套管设计完。
A.7尾管设计。当技术套管下人深度6小丁初选深度史时.应下堪管并确定兄管下入深度。、：
a）首先确定尾管的最大可f人深度Qm在图A.3上査俾D：处安全地层破裂压力当员密度值 P.∏.依据防止正常作业时压裂地层的约束条件公式（4）,令Aw,nux,υ=An. PfwlUOl即为井深 I）：处所能承受的最大井内压力的当批密度值。按公式（5）计算出外至尾管最大可下入深度 QU井段内允许使用的最大钻井液密度值PnOTKs在横坐标上找岀PmnUol数值点，从该点引 垂线与裸眼井段最大钻井液密度线相交，最靠近井深DM勺交点位置（如果有多个交点）即为 尾管最大下人深度Dm示例见图A.3。确定岀OU以后，还应进行下尾管井段钻进时的压差 卡钻校核和井涌关井压漏地层校核。
密度.g/cm'
度，g⅛m'
图A.3自下而上技术套管（有尾管）设计步骤示例
b）校核下尾管井段钻进时是否存在溢流关井后压漏地层的危险。确定下尾管井段所遇到的最大 地层孔隙压力当量密度PpmuM及对应的井深Dm31.自上而下对裸眼段内每一井深n,用公 式（8）计算该井深对应的压力当量密度P（W和安全破裂压力当量密度pιr.,若每一井深都满 足公式（7）,尾管最大下入深度。U满足设计要求，否则技术套管下入深度等于不满足公式 （7）时的井深。
C）校核下尾管井段钻进或下尾管时是否存在压差卡钻的危险，方法同A.4o
d）在下尾管井段钻进时的压差卡钻校核和井涌关井压漏地层校核通过后，若D<, ≥ D12,则D22 至DM井段内任意深度都可作为尾管下深，宜取Dx=D22 ,若Dll < D1,,则再设计一层尾管。
A.8生产套管设计。生产套管下入深度根据油层位置、完井方式确定。应进行压差校核，具体方法 同 A.4o
IO
附录B
（资料性附录）
自上而下设计方法设计步骤示例
B.1絵制压力当懺密度曲线图-绘制地层孔隙压力当量密度PP坍塌压力当虽密度Pj钻井液密度 Pm.破裂压力当IR密度们、安全地层破裂压力当量密度Pn曲线.见图A.I,钻井液密度0n,按公式 （3）计算.安全地层破裂压力当缺密度Pn按公式（6）计算。
B.2确定井身结构设计参数。
B.3根据地质基本参数，参考自下而上设计方法设计的表层套管下人深度，按设计原则确定表层套 管下入深度D∣.
B.4设深度"以下第一层技术套管的最大可下入深度初选点为Dd在当量密度曲线图上査得 井深3处的安全破裂压力当量密度卽，，依据防止正常作业压裂地层的约朿条件公式（4）.令 PhnnUC: = Pnu 即为井深"处所能承受的最大井内压力的当量密度值。利用公式（5）计算出
下一层技术套管最大可下人深度处的允许最大钻井液密度值PmnU,22.在横坐标上找出DmgQ数 值点，从该点引垂线与最大钻井液密度线相交.県靠近并深D的交点位置（如果存在多个交点）即 为下•层技术套管昴大可下入深度初选点Dg示例见图B.1。
图B.1自上而下技术套管（无尾管）设计步骤示例
B3校校几〜D... r≡≡∣<FW≡≡≡≡W≡>W的危险。（I- DI ~ A的井深区间内从「3J 当最密度曲线上查找该井深区间内使用的最大钻井液密度Pi同时.在该密深区间内扫描计算不 同井深处的最大钻冲液密度。地层孔隙圧力之间的压差，并讪衆该并深区间内最大压差位置所对应的 地层孔隙压力当量密度值PPn和井深Dg依据防止压差卡钻约束条件公式（9）.验证在Dl - D22井 段有无压差卡钻的危险。根据以下原则确定技术套管下人复选深度/由：
a） 若Δ∕> ≤ ∆pn （∆pj,则初选深度Q*为技术套管下入的复选深度Dw
b） 若∆p> ∆pn （∆p,）,则技术套管卜入深度应小于初选深度Dd此时.依据公式（9）计算 在n深度处压力差为 m （∆p4）时所允许的最大钻井液密度值pπmωl,并在横坐标上找出 PnmaC数值点.从该点引垂线与最大钻丼液密度线相交，交点井深即为技术套管下入的复选 深度Dm示例见图B.2。
当咕密技，g∕cm,
图B.2自上而下技术套管（有尾管）设计步骤示例
B.6依据防止溢流关井压裂地层约束条件，校核在D,至夏选深度D”井段正常作业时是否存在溢流 关井后压漏地层的危险。首先确定"~ DJl井段所遇到的最大地层孔隙压力当量密度Ppnu.及对应的 井深也„ S然后自上而下对。~ D21井段内每-•井深。,，用公式（8）计耸该井深对应的压力当犀密 度ffl安全破裂压力当Ia密度若每一井深都满足公式（7）,则F—层套管的最大可下入深度 d,满足设汁要求.n,即为下•况技术套管下人深度亿，否则下一层技术套管下入深度n等于木满 足公式（7）时的井深。
B.7自上层套管鞋开始.按B.4至B.6步骤逐次设计其他各层技术套管（尾管），直至完钻井深。
中华人民共和国 石油天然气行业标准 井身结构设计方法 SY/T 5431—2017
石油工业出版社出版 （北京安定门外安华里二区一号楼） 北京中石油彩色印刷有限責任公司排版印刷 新华书店北京发行所发行
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880 X 1230毫米16开本1.25印张32千字 印丨600 2017年8月北京第丨版2017年8月北京第丨次印刷 书号：155021・7668定价：25.00元 版权专有不得翻印