一口井的课程设计.doc

1 设计资料收集预设计井基本参数表井号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37期勘探方案审定纪要（2）本区标准层构造区（3）邻井资料2.钻探目的 评价本区油层情况1.1邻井基本参数邻井基本参数包括钻头尺寸、下深深度、套管尺寸、泥浆密度和井深。邻井基本参数表井号项目钻头尺寸（mm）下深（m）套管尺寸（mm）泥浆密度（）井深芳31表层4441203391.051.1125芳31油层21520951391.11.2521001.2地层压力 地层压力理论和评价技术对天然气及石油勘探开发有着重要意义。钻井工程设计、施工中，地层压力、破裂压力、井眼坍塌压力是合理进行钻井密度设计、井深结构设计、平衡压力钻井、欠平衡压力钻井及油气井压力控制的基础。地层压力是指岩石孔隙中流体的压力，亦称地层孔隙压力，用表示。在各种沉积物中，正常地层压力等于从地表到地下某处连续地层水的静液柱压力。其值的大小与沉积环境有关。取决于孔隙内流体的密度。若地层水为淡水，则正常地层压力梯度为0.00981，若地层水为盐水，则正常地层压力梯度随含盐量的不同而变化，一般为0.0105。石油钻井中遇到的地层水多数为盐水。 在钻井实践中，常常会遇到实际的地层压力梯度大于或小于正常地层压力梯度的现象，即压力异常现象。超过正常地层静液压力的地层压力称为异常高压，低于正常地层静液压力的地层压力称为异常低压。异常低压是由于从渗透性储集层中开采石油，天然气和地层水而人为造成的。异常高压的成因很多，一般有沉积物的快速沉积，压实不均匀；渗透作用；构造作用；储集层的结构这几种。 地层压力预测方法一般包括指数法，声波时差法，地震层速度法等。指数法是利用泥页岩压实规律和压差理论对机械钻速的影响规律来检测地层压力的一种方法。声波时差法是利用声波测井曲线检测地层压力的方法，也是对钻井地区进行单井或区域进行地层压力预测，建立单井或区域地层压力剖面的一种常用而有效的方法。地震波法是地球物理中最为广泛应用的一种方法。地震波法预测地层压力是根据在年不同岩性，不同压实程度情况下，地震波速度传播的差异来预测地层压力的方法。即正常压实条件下，随着深度的增加，地震波速逐渐增大；在异常压力层则随着深度增加，地震波速反而减小的原理来预测压力异常。井号井段地层压力（）破裂压力（）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31170021001.11.52. 井深结构设计2.1钻井液的压力体系1最大钻井液密度 （2-1） （2-2）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。0.036。2发生井涌时： （2-3）下入地层会不会压裂；P是否会出现卡套。P=液住压力与地层压力差。P会卡套同时满足时，选择深度H适合。式中 井涌余量，取0.06；地层压裂安全增值，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时，在井内最大压力梯度作用下，部地层不被压裂所应有的地层破裂压力梯度密度，。3校核各层套管下列初选点时是否发生压套卡套。 （2-4）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，m；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。不发生。例1 用计算法验证各层套管下深是否合适？ 数据：井深H=2160m 技术套管初选深度：=700m，=1.098 =850m, =1.124表层套管初选深度：=120m，=0.86 =270m，=1.064解：技术套管：将 取=700m，m，=1.098同时代入 1.33 不符合技术套管要求 此时取=850m, =2160m，=1.124代入=（1.124+0.036+0.03+）=1.3421.35符合技术套管要求 =0.0098111001.124+0.036-1.05 =1.18701Mpa12Mpa 符合要求表层套管：取=0.86，=120m，=850m=0.86+0.036+0.03+=1.3511.3 不符合表层套管要求 取代入=1.064+0.036+0.03+=1.3191.32 符合表层套管要求 =0.009815001.064+0.036-0.98 =0.5886Mpa12Mpa 符合要求3. 钻柱设计3.1钻铤的设计钻铤位于钻柱的下部，与钻头连接，用它自身的重力给钻头施加压力。钻铤每根长约9m，靠俩端的接头相互连接。钻铤的特点是壁厚、强度和刚度大，受压后不易弯曲。虽然钻铤总长度只有200m左右，但其重力在钻柱中占有很大的比例。在一些特殊情况下，可以加重钻杆取代部分钻铤。32钻铤、杆柱的计算 （3-1）式中 m钻铤的重量，KN； Wm钻压，KN； Sf安全系数，取1.2；井斜角，直井中=。例题：井段一开02701.05二开2708501.1三开85021601.16已知：，单根钻铤长9.2m，单根钻杆长10m,求每开所需钻铤、钻杆多少根，钻铤、钻杆实际为多少米？解：由 = 一开：=113.712m114m钻铤：1149.2=13根，长度为139.2=119.6m钻杆：（270-119.6）10=16根，长度为1610=160m二开：=114.82m115m钻铤：1159.2=13根，长度为139.2=119.6m， 钻杆：850-119.6=730.4m，（850-119.6）10=74根，长度为7410=740m三开：=148.57m149m钻铤：1499.2=17根，长度为179.2=156.4m钻杆：2160-156.4=2003.6m，2003.610=201根，长度为20110=2010m33 钻柱的强度校核1钻柱所受拉力 （3-2） 方法：（1）安全系数法： （3-3） （2）拉力余量法： （3-4） （3）防止卡瓦挤毁钻杆系数法： （3-5）2钻杆所受外挤压力 （3-6）例题：一开钻铤 13根 119.6m钻杆 16根 160m二开钻铤 13根 119.6m钻杆 74根 740m三开钻铤 17根 156.4m钻杆 201根 2010m 一开：1.05 二开：1.1 三开：1.16 1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）一开时，卡瓦型号：长度406.4mm，摸彩系数0.08.，解：三开： 安全系数法: 拉力余量法: 防止卡瓦挤毁钻杆系数法:由于最小拉力, 满足抗拉强度要求（不能被拉断） 满足抗剪强度要求（不能被拉断）二开： =428.213KN安全系数法：拉力余量法：防止卡瓦挤毁钻杆系数法：由于最小拉力1190.853KN428.213KN 满足抗拉强度要求（不能被拉断）满足抗剪强度要求（不能被拉断）一开： 安全系数法：拉力余量法：防止卡瓦挤毁钻杆系数法：由于最小拉力1190.853KN270.811KN 满足抗拉强度要求（不能被拉断） 55+21+（ ）=（ ） 即 V=（ ）V=41.877（m）V1=55+21+41.877=117.877（m）V=64.578（m）V2=55+21+64.578= 140.578（m）V=67.824（m）V3=55+21+67.824=143.824（m）井号地质年代井段（m）钻井液类型密度（）漏斗粘度（s）PH值静切力（Pa）塑性粘度屈服值N值K值失水（API）芳31明2段-第四系0-123搬土浆1.05-1.118-25-芳31嫩3段-明2段123-1130两性复合离子钻井液1.1-1.230-408.5-91.5-28-234-121-21-5芳31泉3段-嫩3段1000-2100两性复合离子钻井液1.2-1.2535-458.5-91.5-318-289-142-41-45. 钻井水力参数设计 5.泵的选择5.1.1保证井壁不被冲刷的相关公式 Z= （5-1）式中 Z流态值，808；井眼直径，cm；钻具外径，cm；n流性指数；K稠度系数， ；钻井液系数，。 （5-2） （5-3）5.1.2临界井深的确定公式1.第一临界井深 （5-4）式中 （5-5） （5-6） （5-7）) （5-8） 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，m;分别为钻杆，钻铤的内径和外径，m;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由公式51得携岩最高返速： （5-11)（5-12） （5-13)由公式（511）（512）（513）得携岩最低返速由公式52由公式535.1.4二开时泵的排量计算。由公式52由公式535.1.5一开时泵的排量计算由公式52由公式535.1.6泵的选择表51 泵的参数表井段泵型缸套直径（mm）最大工作压力（Mpa）泵速柴油机转速（rpm）额定排量（）一开2台3NB-1000A18014.5120150046.54二开2台3NB-1000A17016104130036.00三开1台3NB-1000A1502180100021.555.2临界井深的计算52.1三开时第一临界井深的确定 当三开时，。由公式5-7由公式5-6m=由公式5-10由公式5-5n=由公式5-45.2.2二开时第一临界井深的确定 当二开时，。由公式5-7由公式5-6m=由公式5-10由公式5-5n=由公式5-4由公式5-105.2.3 一开时第一临界井深的确定当一开时，。由公式5-7由公式5-6m=由公式5-10由公式5-5n=由公式5-4由公式5-105.2.4泵的工作状态的选择三开时，因为Dcr2160m，所以在井段 850-2106 泵都以额定泵功率工作，即： 。二开时，因为Dcr850m Dcrm，当D270m时泵以额定泵功率工作，即：。当270mD850m时，分三段讨论：270-470；470-670；670-760在270-470段，选两台理论排量28.16L/s在470-670段，选两台理论排量28.01L/s在670-760段，选两台理论排量26.97L/s一开时，因为270m，所以当D270时泵都可以携屑要求的最小泵功率工作，即：=86.88L/s。选两台理论排量46.54L/s。5.3喷嘴直径的选择5.3.1三开时喷嘴直径的选择 =21.55L/s，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 1.在270-470m时 由三个等径喷嘴组合，射流喷射速度射流冲击力 2在470-670m时 由三个等径喷嘴组合，射流喷射速度射流冲击力 3. 在670-850m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 =86.88L/s， 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 p （6-1） 式中 该井段所用泥浆的最大密度，g/cm D-某段钢级的下入深度，m；2.某段钢级套管的最大下入深度 （6-2）式中 某段钢级套管抗外挤强度，MPa ； S最小抗外挤安全系数，取1.125；3.套管浮力系数 B (6-3)式中 某段所用钢材的密度，取7.8 g/cm；4.安全系数抗内压安全系数S取1.12，抗拉安全系数S取1.8。6.1.2抗外挤强度设计由下向上选择第一套管 由公式6-1 =1.16 查钻井手册（甲方），选择第一段管套 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（kPa）内径（mm）J-55139.76.99226.21103.227855125.76.1.3 确定第二段套管的下入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1.表6-2 第二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（kPa）内径（mm）J-55139.76.2204.3987.521512127.3 由公式6-2 D D=1682（m） 第一段套管使用长度L=2160-1682=478m，实际取480m，每根假定长10米，则所需48跟套管。5. 抗拉强度校核。q由公式6-3 B S所以（S）,满足抗拉强度要求。6. 双向应力校核上部： 查双轴应力椭圆图得 = （kPa） 下部： 下部受拉力为零，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（N/m）抗拉强度（Kn）抗挤强度（kPa）内径（mm）H-40139.76.2204.3716.218064127.3 由公式6-2DD=1412（m）第一段套管使用长度 实际取270m，每根假定长10m，则所需要27根套管。2.抗拉强度校核q=92.43+0.8513204.3270=139.389（KN）（KN）所以（S）,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 上部满足双相应力校核 下部： 查双轴应力椭圆图得 不满足双向应力校核需要上提管柱将下端钢级上提100m，则下段为580m，第二段为170m7. 双向应力校核上部： 查双轴应力椭圆图得 上部满足双相应力校核下部： 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：S5800.22620.85131.8=201.04（KN）合理，所以第一段长为580m，第二段长为170米，第三段下深1410米6.1.5 确定第三段使用长度及校核1.表6-3 第三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（kPa）内径（mm）抗内压强度（kg/cm）H-40139.76.2204.3716.218064127.3218.7由于钢级H-40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要校核 下部： 查双轴应力椭圆图得 下部不满足双向应力校核需将下部上提，将下部上提230m，即第二段长为400m，第三段下深1180m4. 重新校核a) 第二段抗拉校核： b) 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400m，第三段下深1180m。8. 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 确定第四段使用长度校核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（N/m）抗拉强度（kN）抗挤强度（kPa）内径（mm）抗内压强度（kg/cm）J-55139.76.2204.3987.521512127.3300.21.假设第四段长度 h查得第三段套管抗内压强度为21443kPa第四段下深450m则第三段长度为 1180-450=730m2.抗拉强度校核所以， （）满足抗拉强度要求第三段抗拉校核：所以第三段730m，第四段450m， 均满足抗拉强度要求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J-55钢级的套管的抗内压强度满足要求。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（kPa）0-450J-55139.7204.36.2127.3987.521512450-1180H-40139.7204.36.2127.3716.2180641180-1580J-55139.7204.36.2127.3987.5215121580-2160J-55139.7226.26.99125.71103.2278556.2技术套管柱的设计用与油层套管相同的方法，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（kPa）0-770H-40244.54677.72228.61623.69446770-850H-40244.5525.48.94226.61823.8118596.3表层套管柱的设计井深（m）钢级外径（mm）壁厚（mm）均重（N/m）抗拉强度（kN）抗挤强度（kPa）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 （7-2）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 （7-4）式中 顶替排量, ；。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（7-4）2封固技术套管所需清水的量由公式（7-4）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 （7-5）式中 ；。7.4.2顶替时间的计算公式 （7-6）式中 顶替时间； 顶替排量, ； ；7.4.3防凝时间的计算公式 （7-7）式中 t防凝时间，s； 顶替时间，sS安全系数，1.7。7.4.4各量计算1.封固表层套管顶替时间和防凝时间由公式（7-5）由公式（7-6）8 设计结果表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2002160139.7 表8-2 钻井液参数项目泥浆密度（）钻井液用量一开1.05118二开1.1115三开1.16149 表8-3 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270444.5203119.6139.716二开850311.1203119.6139.774三开2160200178156.4127201 表8-4 泵的参数表井段泵型钢套直径（mm）最大工作压力（MPa）泵速（冲分柴油机转速（rpm）额定排量（ls）一开2台3NB-1000A18014.5120150046.54二开2台3NB-1000A17016104130036.00三开1台3NB-1000A1502180100021.55 表8-5 水力参数表井号钻头尺寸（mm）井段（m）泵压（MPa）钻头压降(MPa)冲击力（kN）喷射速度（ms）芳314440-27014.53.4346.32364.699芳31215270-4701610.2996.782109.475芳31215470-6701610.302