一口井的设计.doc

东北石油大学华瑞学院课程设计目 录1 设计资料收集11.1 邻井基本参数11.2 邻井基本参数11.3 地层压力11.4 钻具组合21.5 钻井液性能21.6 水力参数31.7 钻井参数31.8 套管柱设计参数41.9 注水泥设计参数42 井深结构设计52.1 钻井液的压力体系52.1.1 最大钻井液密度52.1.2 发生井涌时52.1.3 校核各层套管下到初选点时是否发生压差卡套52.2 井深结构设计63 钻柱设计93.1 钻铤的设计 93.2 钻铤、钻柱的计算93.3 钻柱的强度校核104 钻井液的设计145 钻井水利参数设计155.1 泵的选择155.1.1 保证井壁不被冲刷的相关公式155.1.2 临界井深的确定公式155.1.3 三开时泵的排量计算165.1.4 二开时泵的排量计算175.1.5 一开时泵的排量计算175.1.6 泵的选择185.2 临界井深的计算185.2.1 三开时第一临界井深的确定185.2.2 二开时第一临界井深的确定195.2.3 一开时第一临界井深的确定205.2.4 泵的工作状态的选择215.3 喷嘴直径的选择225.3.1 三开时喷嘴直径的选择225.3.2 二开时喷嘴直径的选择225.3.3 一开时喷嘴直径的选择236 套管柱设计及强度校核246.1 油层套管柱设计246.1.1 计算的相关公式246.1.2 按抗外挤强度设计由下向上选择第一段套管246.1.3 确定第二段套管的下入是深度和第一段套管的使用长度256.1.4 确定第二段使用长度和第三段可下入深度266.1.5 确定第三段使用长度及校核276.1.6 确定第四段使用强度校核296.2技术套管柱的设计306.3表层套管柱的计算307 注水泥设计317.1 水泥浆的用量317.1.1 所需水泥浆体积的计算公式317.1.2 水泥浆体积的计算317.2 所需干水泥的用量327.2.1 所需干水泥的质量的计算公式327.2.2 干水泥质量的计算327.3 顶替排量337.3.1 顶替排量的计算公式337.3.2 顶替排量的计算337.4 顶替容积、顶替时间和防凝时间337.4.1 顶替容积的计算公式337.4.2 顶替时间的计算公式347.4.3 防凝时间的计算公式347.4.4 各量计算348 设计结果35参考文献37381 设计资料收集1.1 邻井基本参数井号 sj0005 井别 预探井 坐标 21669125,5117900 设计井深 2160 井口海拔 147 目的层位 p,f,y完井层位 泉三段 地理位置 升平构造位置 松辽盆地中央坳陷区三肇凹陷升西向斜 设计依据 1. 设计依据 （1）大庆石油管理局勘探部1992年第73期勘探方案审定纪要 （2）本区标准层构造图。 （3）邻井资料 2. 钻探目的 评价本区油层情况 1.2 邻井基本参数井号项目钻头尺寸(mm下深(m)套管尺寸(mm)泥浆密度(g/cm3)井深芳31表层4441203391.051.1125芳31油层21520951391.11.2521001.3 地层压力井号井段地层压力(g/cm2)破裂压力(g/cm2)芳3101230.951.3芳311235000.981.32芳315008001.011.33芳3180011001.051.35芳31110014001 .061.4芳31140017001.081.43芳31170021001.11.51.4 钻具组合井号 井段钻头外径(mm)密度(g/cm3)钻具组合 芳31 0-1234441.05-1.11787515926芳31 123-21002151.1-1.25214稳定器1782214稳定器1789214稳定器178减震器17818214稳定器1789015926芳31 1503-15132151.1-1.25178取芯筒1787515926芳31 1843-18842151.1-1.25178取芯5 钻井液性能井号 地质年代 井段(m) 钻井液类型 密度(g/cm3) 漏斗粘度(s) ph值 静切力(pa) 塑性粘度(mpa.s) 屈服值(pa) n值 k值 失水(api) 芳31明2段-第四系 0-123 搬土浆 1.05-1.1 18-25 - - - - - - -芳31嫩3段-明2段123-1130 两性复合离子钻井液 1.1-1.2 30-40 8.5-9 .5-2 8-23 4-12 .65-.75 .1-.2 1-5芳31泉3段-嫩3段1000-2100 两性复合离子钻井液 1.2-1.25 35-45 8.5-9 1.5-3 18-28 9-14 .55-.7 .2-.4 1-41.6 水力参数井号 钻头尺寸(mm) 井段(m) 泵压(mpa) 钻头压降(mpa) 环空压降(mpa) 冲击力(kn) 喷射速度(m/s) 钻头水功率(%) 比水功率(%) 上返速度(m/s) 功率利用率(%) 芳314440-1237.286.47.815.511042981.3488.84芳31215123-100013.4210.313.117.58126495132.1376.83芳312151000-15037.635.542.093.899218651.4972.64芳312151513-18431815.432.585.3151414111.1985.68芳312151884-210016.4813.612.874.97142366101.1982.6芳312151503-151300芳312151843-188401.7 钻井参数井号 井段(m) 钻头尺寸(mm) 钻头类型 生产厂 喷嘴组合 钻压(kn) 转速(rpm) 排量(l/s) 泥浆密度(g/cm3) 芳310-123444x3a江汉14+14+1430-4065-7045-481.05-1.2芳31123-10002153b大庆13+13+13160-180195-20048-501.1-1.2芳311000-1503215pm210钻一机厂12.7+12.7+12.750-80195-20032-351.1-1.2芳311513-1843215j22江汉12.7+8.7160-18065-7024-281.2-1.25芳311884-2100215j22江汉12.7+9.53160-18065-7026-281.2-1.25芳311503-1513215rc-475川克50-8065-7035-401.1-1.2芳311843-1884215rc-475川克50-8065-7035-401.2-1.251.8 套管柱设计参数井号套管类型套管层位井段(m)外径(mm)钢级段重(t)长度(m)壁厚(mm)累重(t)抗拉系数抗挤系数芳31常规表层0-120339j-559.651209.739.7323.956.02芳31常规油层0-170139j-557.721704.347.552.3512.65芳31常规油层170-1390139j-556.2122025.4143.251.81.14芳31常规油层1390-2095139j-557.7270517.8417.846.281.321.9 注水泥设计参数井号套管层位固井前密度要求(g/cm3)上返深度(m)水泥塞面深度(m)水泥浆密度(g/cm3)漏失量(m3)水泥品种标号注水泥量(袋)外加剂品种外加剂量(kg)芳31表层1.101.85-1.90a级4860芳31油层1.2513381.85-1.950g级73102 井深结构设计2.1 钻井液的压力体系2.1.1 最大钻井液密度 （21） 式中 某层套管钻进井段中所用最大泥浆密度，； 该井段中所用最大地层孔隙压力梯度等效密度，； 抽吸压力系数，取0.036。2.1.2 发生井涌时 = （22）式中 井涌允量，取0.06；地层压裂安全增值，取0.03；第n层套管下入深度的初选点，m； 第n层套管以下井段发生井涌，在井内最大压力梯度作用下，上部地层不被压裂所应有的地层破裂压力梯度密度，。2.1.3 校核各层套管下到初选点时是否发生压差卡套 （23）式中 第n层套管钻进井段内实际的最大静止压差，mpa； 该井段内最小地层孔隙压力梯度的最大井深，mm； 该井段内最小地层孔隙压力梯度等效密度，； 避免发生压差卡套的许用压差，取12mpa。2.2 井深结构设计利用试算法研究三开情况下每个套管的下入深度，一般先试算技术套管下深h2，其次为表层套管下深h1 ,最后为尾管下入最大深度。即井深h3。例: 已知：井深h=2160m，=0.0363 ，=0.063，= 0.033 技术套管初选深度：=700；=1.098 =850；=1.124 表层套管初选深度：； h1i =270m，=1.0643 （避免发生压差卡套的许用压差）=12。用试算法验证各层套管下深是否适合？ 解：当n=1时，表层套管初选深度h1i =120m，=0.863 由表可知=123m，=0.953 ，=1.33 =+=0.86+0.036=0.8963 =0.86+0.036+0.3+0.06=1.6213 =1.33 所以，会压裂地层 = 0.00981 =0.00981 123（0.86+0.0360.95）=0.0604mpa =12mpa所以，不会发生卡套 h1i =270m，=1.0643 由表可知=500m，=0.983 ，=1.323 =+= 1.064+0.036=1.1 3 =1.061+0.036+0.3+0.06=1.319 3 =1.32 3 所以，不会压裂地层 = 0.00981 =0.00981 500 0.5886mpa =12mpa所以，不会发生卡套。综上所述，表层套管初选深度应选h1i =270m，因为，井深h=2160m，所以，=2160m。当n=2时，技术套管初选深度 h2i=700m，=1.0383 由表可知=800m，=1.013 ，=1.333 =+=1.038+0.036= 1.0743 =1.038+0.036+0.3+=1.63 3 所以，会压裂地层 0.00981 =0.00981800(1.038+0.036-1.01)=0.502=12mpa 所以，不会发生卡套 h2i=850m，=1.1243 由表可知=1100m，=1.053 ，=1.353 =+=1.124+0.036=1.163 =1.124+0.036+0.3+0.06=1.34 3 =1.353 所以，不会压裂地层 =0.00981 1100=1.187 mpa=12mpa所以，不会发生卡套综上所述，技术套管初选深度应选 h2i=850m 3 钻柱设计3.1 钻铤的设计 （3-1） （3-2） （3-3）=， 。式中 m钻铤重量；钻压，kn； 安全系数，取1.2g/cm3;浮力系数； 井斜角，直井3.2 钻铤、钻柱的计算已知 井段一开02701.05二开2708501.1三开85021601.16=180kn ，直井 ，=2190, =1708 , 钻铤单根长为9.2m，钻杆单根长为10m。问：这口井每开需钻铤、钻杆实际要用多少根，实际长度分别是多少？解：一开：钻铤长度为： 114m 钻铤实际要用根，实际长度为m 钻杆 钻杆实际要用根，实际长度为m二开：钻铤 钻铤实际要用根，实际长度为m 钻杆 钻杆实际要用根，实际长度为三开：钻铤 钻铤实际要用根，实际长度为 钻杆 钻杆实际要用根，实际长度为3.3 钻柱的强度校核钻柱所受拉力 （3-4）钻井液外挤压力； = （3-5）式中 钻杆抗外挤压力。方法：1.安全系数法： （3-6） 2.拉力余量法：mop （3-7） 3.防止卡瓦挤毁系数法： （3-8）其中，=1.3 ，mop=200kn例：一开钻铤 13根 119.6米钻杆 16根 160米二开钻铤 13根 119.6米钻杆 74根 740米三开钻铤 17根 156.4米钻杆 201根 2010米 一开：1.05 二开：1.1 三开：1.161.抗拉强度校核（1）三开时，查钻井手册（甲方）选外径127.0mm，内径108.6mm，e级钻杆，抗拉强度，抗外挤强度，单位长度重量。（2）二开时，查钻井手册（甲方）选外径139.7mm，内径121.4mm，e级钻杆，抗拉强度，抗外挤强度，单位长度重量。（3）三开时，查钻井手册（甲方）选外径139.7mm,内径121.4mm，e级钻杆，抗拉强度，抗外挤强度，单位长度重量。mop=200kn，2.卡瓦挤毁校核（1）三开时，卡瓦型号：长度406.4mm，摩擦系数0.08，（2）二开时，卡瓦型号：长度406.4mm，摩擦系数0.08，（3）三开时，卡瓦型号：长度406.4mm，摸彩系数0.08.，解：抗拉强度校核： 三开：=1218.676 kn mop=0.91760.31-200=1384.279 kn =1115.689 kn =714.528 kn 因为，mop，均大于p ，满足抗拉强度要求。 二开：=1325.8 kn mop=0.91915.06-200=1527.554 kn =1172.486kn =428.213 kn 因为，mop，均大于p ，满足抗拉强度要求。一开：=1325.8 kn mop=0.91915.06-200=1527.554 kn =1172.486kn =270.811 kn 因为，mop，均大于p ，满足抗拉强度要求。 因为钻井液外挤压力p必须小于钻杆抗外挤压力，所以 三开：=1.162010=22.849mpa=68.96mpa 满足防止卡瓦挤毁钻杆的要求 二开：=1.1740=7.977mpa=28.21mpa 满足防止卡瓦挤毁钻杆的要求 一开：=1.05160=1.65mpa=28.21mpa 满足防止卡瓦挤毁钻杆的要求 结果列表表31 钻具选择表项目钻头尺寸，mm钻铤外径，mm钻铤长度，m钻铤外径，mm钻杆长度，m一开444.5203119.6139.7160二开311.1203119.6139.7240三开200178156.412720104 钻井液的设计井筒内钻井液体积为 （41）式中 第次开钻时井筒内钻井液体积，； 第次开钻时钻头的直径，； 第层套管的下入深度，。已知项目井段泥浆密度一开02701.05二开2708501.1三开85021601.16求每开钻井筒内钻井液体积？解：一般泥浆池内要存储备用钻井液，取循环浪费钻井液，所以55+21+41.877=117.877，即=118。一般泥浆池内要存储备用钻井液，取循环浪费钻井液，所以55+21+64.579=140.579,即=141。一般泥浆池内要存储备用钻井液，取循环浪费钻井液，所以55+21+67.824=143.824,即=144。5 钻井水利参数设计5.1 泵的选择5.1.1 保证井壁不被冲刷的相关公式 （51）式中 z流态值，808； 井眼直径，cm； 钻具外经，cm； n流性指数； k稠度系数，；钻井液密度，。 （52） （53）5.1.2 临界井深的确定公式1第一临界井深 （54）式中 （55） (56) （57） （58） （59）式中 分别为地面高压管线，立管，水龙带和水龙头，方钻杆的内径，cm； 分别为地面高压管线，立管，水龙带和水龙头，方钻杆的长度，cm； 分别为钻杆，钻铤的内径和外径，cm； b常数，内平钻杆取0.51655； 分别为钻杆和钻铤的长度，m； 分别为地面管汇，钻杆内外，钻铤内外的压力损耗系数； 井径，cm； 钻具外径，cm； 钻井液的塑性粘度，； 泵的最大工作压力，mpa； 泵的最大排量，。2第二临界井深 （510）式中 钻井液携带岩屑最小速度对应泵的排量，。5.1.3 三开时泵的排量计算，n=0.65，k=0.3，z=808，。由公式（51）得携岩屑最高返速=1.2 （511） （512） （513） 由公式(511) （512） （513）得携岩最低返速=0.6由公式（52）=22.19（1/s）由公式（53）=11.24（1/s）5.1.4 二开时泵的排量计算 =，=139.7mm，n=0.65，k=0.3，z=808，=/cm3。由公式（52）得 =72.78（1/s）由公式（53）得=36.39（1/s）5.1.5 一开时泵的排量计算 =444.5，=139.7，n=0.65，k=0.3，z=808，=1.06/cm3。由公式（52）得=167.74（1/s）由公式（53）得=83.37（1/s）5.1.6 泵的选择表51 泵的参数表井段泵型钢套直径mm最大工作压力，泵速，柴油机转速，rpm额定排量，1/s一开2台 3n100018014.5120150046.54二开2台3n100017016104130036.00三开1台3n10001502180100021.555.2 临界井深的计算5.2.1 三开时第一临界井深的确定当三开时，108.60mm，=127mm，=57.15mm，=178mm，=200mm，=1.16g/cm3，=0.028， d1=d2=d3=d4=10cm，l1=50m，l2=30m，l3=30m，l4=16m。解：由公式（57） =5.682由公式（56） 得= =4.56410-6由公式（510） =17.07610-3由公式（55）=16.9310-3由公式（54） =28295.2.2 二开时第一临界井深的确定当二开时，121.4mm，=139.7mm，=71.4mm，=203.2mm，=311.1mm，=1.1g/cm3，=0.023， d1=d2=d3=d4=10cm，l1=50m，l2=30m，l3=30m，l4=16m。解：由公式（57） =5.3262510-4由公式（56）=1.69910-6由公式（510） =2.59910-3由公式（55）=2.92810-3由公式（54）= 197由公式（510）=34025.2.3 一开时第一临界井深的确定当一开时，=121.4，=139.7，71.44，203.2，444.5，1.05，0.023，50,30,30,16.解：由公式（5-7）由公式（5-6） 由公式（5-10） 由公式（5-5）由公式（5-4）由公式（5-10）5.2.4 泵的工作状态的选择三开时，因为所以在井段850-2106泵都以额定泵功率工作，即；。二开时，因为，当时泵以额定功率工作，即当时，分三段讨论：270-470；470-670；670-760在270-470段，选两台理论排量28.16。在470-670段，选两台理论排量28.01。在670-760段，选两台理论排量26.97，一开时，因为，所以当时泵都以携屑要求的最小泵功率工作，即。选两台理论排量46.54。5.3 喷嘴直径的选择5.3.1 三开时喷嘴直径的选择，c=0.8由三个等径喷嘴组合，射流喷射速度射流冲击力5.3.2 二开时喷嘴直径的选择在270470时 由三个等径喷嘴组合，射流喷射速度射流冲击力在470670时， 由三个等径喷嘴组合， 射流喷射速度射流冲击力在670850时，由三个等径喷嘴组合，射流喷射速度射流冲击力5.3.3 一开时喷嘴直径的选择由三个等径喷嘴组合，射流喷射速度，射流冲击力6 套管柱设计及强度校核6.1 油层套管柱设计6.1.1 计算的相关公式1.某井段的最大外挤压力 （61） 式中 该井段所用泥浆的最大密度，； d某段钢级的下入深度，；2.某段钢级套管的最大下入深度 （62） 式中 某段钢级套管抗外挤强度，mpa； 最小抗外挤安全系数，取1.125；3.套管浮力系数 - (63) 式中 某段所用钢材的密度，取7.8;4.安全系数抗内压安全系数取1.12，抗拉安全系数取1.8。6.1.2 按抗外挤强度设计由下向上选择第一段套管由公式（6-1）查钻井手册（甲方），选择第一段套管表6-1 第一段套管钢级选择钢 级外 径（mm）壁 厚（mm）均 重（n/m）抗拉强度（kn）抗挤强度（）内 径（mm）j-55139.76.99226.21103.227855125.76.1.3 确定第二段套管的下入是深度和第一段套管的使用长度1.查钻井手册（甲方），选择第二段套管表6-2 第二段套管钢级选择钢级外径（mm）壁厚（mm）均重（nm）抗拉强度（kn）抗挤强度（）内径（mm）j-55139.76.2204.3987.521512127.3由公式（6-2）=1682（m）第一段套管使用长度实际取480m，每根假定长10米，则所需48根套管。2.抗拉强度校核由公式（6-3）所以,满足抗拉强度要求。3.双向应力校核上部：查双轴应力椭圆图得上部满足双向应力校核下部：下部受拉为零，不受双向应力影响，一定满足条件即合理。6.1.4 确定第二段使用长度和第三段可下入深度1. 表6-3 第三段套管钢级选择钢级外径（mm）壁厚（mm）均重（nm）抗拉强度（kn）抗挤强度（kpa）内径（mm）h-40139.76.2204.3716.218064127.3由公式（6-2）=1412（m）第一段套管使用长度实际取270，每根假定长米，则所需27根套管。2.抗拉强度校核所以()满足抗拉强度要求。3.双向应力校核上部：查双轴应力椭圆图得上部满足双向应力校核下部：查双轴应力椭圆图得不满足双向应力校核需上提套管将下端钢级上提100m，则下段为580m，第二段为170m4.双向应力校核上部：查双轴应力椭圆图得上部满足双向应力校核下部：查双轴应力椭圆图得下部满足双向应力校核第一段抗拉校核：合理，所以第一段段长为580米，第二段段长170米， 第三段下深1410米。6.1.5 确定第三段使用长度及校核表64 第三段套管钢级选择钢级外 径（mm）壁 厚（mm）均 重（）抗 拉强度（）抗 挤强度（）内 径（mm）抗内压强度h-40139.76.2204.3716.218064127.3218.7由于钢级h40 已经是最小，所以假设剩余井段均用此钢级，下深1410m2抗拉强度校核所以，满足抗拉强度要求。3 双向应力校核上部：井口处抗挤力为零不需校核下部： 查双轴应力椭圆得1.16 （） 下部不满足双向应力校核需将下部上提，将下部上提米，即第二段长为米，第三段下深米4重新校核（1）第二段抗拉校核:st （2）第三段双向应力校核由前面知只需校核下部， 查双轴应力椭圆图得下部满足双向应力校核所以，第二段段长为400，第三段下深1180。5井口抗内压校核井底最大压力= 抗内压强度 所以需要选择强度更大的套管6.1.6 确定第四段使用强度校核6-5 从井口处至某一段需选用强度大一级的套管钢级外 径（mm）壁 厚（mm）均 重（）抗 拉强度（）抗 挤强度（）内 径（mm）抗内压强度j-55139.76.2204.3987.521512127.330021假设第四段长度h查得第三段套管内抗内压强度为21443kpa第四段下深450，则第三段长度为1180-450=7302抗拉强度校核=695.67kn所以，满足抗拉强度要求。3双向应力校核上部：井口处不受外挤力，因此不需要校核。下部： 查双轴应力椭圆图得下部满足双向应力校核4内压强度校核井口处内压最危险，由上面知所选择的j55钢级的套管的抗内压强度满足要求6-6 油层套管柱数据表井深（m）钢级外径（mm）均重（n/m）壁厚（mm）内径（mm）抗拉强度（kn）抗挤强度（）0-450j-55139.7204.36.2127.3987.521512450-1180h-40139.7204.36.2127.3716.2180641180-1580j-55139.7204.36.2127.3987.5215121580-2160j-55139.7204.36.99125.71103.2278556.2技术套管柱的设计用与油层套管相同方法，经校验得到技术套管的井段分布如下表：井深（m）钢级外径（mm）均重（n/m）壁厚（mm）内径（mm）抗拉强度（kn）抗挤强度（）0-770h-40244.54677.72228.61623.69446770-850h-40244.5525.48.94226.61823.8118596.3表层套管柱的计算井深（m）钢级外径（mm）壁厚（mm）均重（n/m）抗拉强度（kn）抗挤强度（）内径（mm）0-270h-40339.78.38700.52406.551023237 注水泥设计7.1 水泥浆的用量7.1.1 所需水泥浆体积的计算公式 （7-1） 式中 水泥塞深度，20m； 井眼口袋高度，50m； 设计封填水泥板长度，m； 第i次开钻钻头尺寸，m； 自外向里第i层套管的外径，m； 第i层套管的内径，m；7.1.2 水泥浆体积的计算1.封固表层套管水泥浆体积的计算=444.5mm，=339.7mm，=270m，=322.94mm，=20m。由公式（7-1）=()+() +1=20.05（）2.封固技术套管水泥浆体积的计算=311.1mm，=244.5mm，=228.6mm，=850m，=20m。由公式（7-1）=()+=26.47（）3.封固油层套管水泥浆体积的计算由公式（7-1） 7.2 所需干水泥的用量7.2.1 所需干水泥的质量的计算公式配制1的水泥浆所需水泥灰的质量 （72） 式中 水泥灰的密度，3.15； ； 。从而得7.2.2 干水泥质量的计算1.封固表层套管2.封固技术套管3.封固油层套管7.3 顶替排量7.3.1 顶替排量的计算公式 （73）式中 ；。7.3.2 顶替排量的计算1封固表层套管所需顶替排量由公式（73）2封固技术套管所需清水的量由公式（73）3.封固油层套管所需清水的量7.4 顶替容积、顶替时间和防凝时间7.4.1 顶替容积的计算公式 （74） 式中 ； ； 。7.4.2 顶替时间的计算公式 （75）7.4.3 防凝时间的计算公式 （76）式中 s安全系数，1.7。7.4.4 各量计算封固表层套管顶替时间和防凝时间由公式（74）由公式（75）8 设计结果8-1 钻头与套管的选择井号项目钻头尺寸（mm）下深（m）套管外径（mm）芳31表层444.5270339.7芳31技术311.1850244.5芳31油层2002160139.78-2 钻井液参数项目泥浆密度（g、m3）钻井液用量一开1.05118二开1.1141三开1.161448-3 钻具选择表项目井段（m）钻头尺寸（mm）钻铤外径（mm）钻铤长度（mm）钻杆外径（mm）钻杆长度（m）一开270444.5203119.6139.7160二开850311.1203119.6139.7740三开2160200178156.412720108-