课程设计钻井设计.doc

东北石油大学本科生课程设计前 言钻井工程设计是石油工程的一个重要部分，是确保油气钻井工程顺利实施和质量控制的重要保证，是钻井施工作业必须遵循的原则，是组织钻井生产和技术协作的基础，是搞好单井预算和决算的唯一依据。钻井设计的科学性、先进性关系到一口井作业的成败和效益。科协钻井水平的提高，在一定程度上依靠钻井设计水平的提高。设计应在充分分析有关地质和工程资料的基础上，遵循国家及当地政府有关法律、法规和要求，按照安全、快速、优质和高效的原则进行。并且必须以保证实施地质任务为前提。主要目的层段的设计必须体现有利于发现与保护油气层，非目的层段的设计主要考虑满足钻井工程施工作业和降低成本的需要。本设计的主要内容包括：1，井身结构设计及井身质量要求：原则是能有效地保护油气层，使不同地层压力梯度的油气层不受钻井液污染损坏；应避免漏、喷、塌、卡等复杂情况发生，为全井顺利钻进创造条件，是钻井周期最短；钻下部高雅地层时所用的较高密度钻井液产生的液柱压力，不致压裂上一层管鞋处薄弱的裸露地层；下套管过程中，井内钻井液柱压力之间的压差不致产生压差卡套管等严重事故；以及强度的校核。2，钻具组合设计：给钻头加压时下部钻柱是否会压弯，选用足够的钻铤以防钻杆受压变形。3，钻井液体系；4，水力参数设计；5，注水泥设计，钻井施工进度计划等几个方面的基本设计内容。目 录前 言1目 录2第1章 设计资料收集41.1预设计井基本参数表41.2邻井基本参数4第2章 井身结构设计72.1 钻井液的压力体系72.1.1最大钻井液密度72.1.2 校核各层套管下到初选点时是否会发生压差卡套72.2井身结构的设计82.2.1套管层次的确定82.2.2 套管尺寸与井眼尺寸的选择与配合9第3章 钻柱设计93.1一开钻柱的设计93.1.1钻铤设计93.1.2钻柱设计103.2二开钻柱的设计113.2.1钻铤设计113.2.2钻柱设计12第4章 钻井液设计144.1所需钻井液体积的计算144.1.1井筒内钻井液体积144.1.2地面循环量的计算144.1.3损耗量144.2所需清水和粘土量的计算144.3所需加重材料的量的计算154.3.1一开所需加重重晶石的质量154.3.2二开所需加重重晶石的质量15第5章 钻井水力参数设计165.1一开时泵的选择及校核165.1.1泵的选择165.1.2临界井深的确定175.1.3最优喷嘴直径的确定185.1.4其他水力参数的确定195.2二开泵的选择及校核205.2.1井段（435-1000m）205.2.2井段（1000-2130m）24第6章 套管柱设计286.1油层套管柱设计286.1.1 按抗外挤强度设计由下向上选择第一段套管286.1.2 确定第二段套管的下入深度和第一段套管的使用长度286.1.3确定第三段套管的下入深度和第二段套管的使用长度296.2表层套管柱设计306.2.1 按抗外挤强度设计由下向上选择第一段套管306.2.2 确定第二段套管的下入深度和第一段套管的使用长度317章 注水泥设计337.1水泥浆的用量337.1.1所需水泥浆体积的计算公式337.1.2水泥浆体积的计算337.2所需干水泥的用量347.2.1所需干水泥的质量的计算公式347.2.2干水泥质量的计算347.3所需清水的量347.3.1所需清水的体积的计算公式347.4时间的计算357.4.1水泥浆顶替钻井液的顶替排量357.4.2钻井液顶替水泥浆的顶替容量357.4.3顶替时间及防凝时间的计算36第8章 设计结果38参考文献39第1章 设计资料收集1.1预设计井基本参数表井号 SJ0077 井别 评价井 坐标 21613144,5449056 设计井深 2130 井口海拔 140 目的层位 G兼S.P.F.Y 完井层位 泉三段 地理位置 泰康 构造位置 松辽盆地中央坳陷区龙虎泡阶地龙虎泡构造 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1.井身结构 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 金191 表层 444 21 339 1.051.2 215金191 油层 215 2165 139 1.251.3 21702.地层压力 井号 井段 地层压力(g/cm2) 破裂压力(g/cm2) 金191 0213 0.8 1.55金191 213500 0.83 1.56金191 500800 0.9 1.58金191 8001000 0.93 1.59金191 10001200 0.97 1.6金191 12001400 11.602金191 14001600 1.05 1.62金191 16002170 1.18 1.653.钻具组合 井号 井段 钻头外径(mm) 密度(g/cm3) 钻具组合 金191 0-213 444 1.05-1.2 1787515926金191 213-2170 215 1.25-1.3 17818214稳定器1789214稳定器1789214稳定器178减震器1789515926金191 1827-1892 215 1.25-1.3 178取芯钻井液性能 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) 金191 明2段-第四系 0-213 搬土浆 1.05-1.2 25-40 - - - - - - -金191 嫩3段-明2段 213-1250 两性复合离子钻井液 1.05-1.2 25-35 8-9 1.5-2.5 8-18 4-9 .65-.75 .1-.3 1-5金191 泉3段-嫩3段 1250-2170 两性复合离子钻井液 1.25-1.3 30-45 8-9 3.5-4 18-28 9-14 .55-.65 .3-.6 1-55.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(%) 金191 444 0-213 8.04 7.05 .98 6.01 104 325 2 .34 87.79金191 215 213-1000 15.74 12.03 3.71 8.84 136 623 17 2.3 76.43金191 215 1000-1550 8.04 5.77 2.27 4.05 92 194 5 1.49 71.81金191 215 1550-1827 18.69 16.04 2.65 5.51 151 431 11 1.19 85.84金191 215 1892-2170 17.2 14.16 3.04 5.17 142 380 10 1.19 82.33金191 215 1827-1892 0 0 6.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) 金191 0-213 444 X3A 江汉 14+14+14 30-40 65-70 45-48 1.05-1.2金191 213-1000 215 3B 大庆 13+13+13 160-180 195-200 48-54 1.05-1.2金191 1000-1550 215 PM210 钻一 12.7+12.7+12.7 30-40 195-200 30-35 1.2-1.25金191 1550-1827 215 J11 江汉 12.7+8.7 120-140 70-110 24-28 1.25-1.3金191 1892-2170 215 J22 江汉 12.7+9.53 120-140 65-70 24-28 1.25-1.3金191 1827-1892 215 RC-475 川.克 50-80 65-70 35-40 1.25-1.37.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 金191 常规 表层 0-210 339 J-55 9.65 210 17.03 17.03 13.69 3.15金191 常规 油层 0-280 139 J-55 7.72 280 7.08 50.22 2.23 7.39金191 常规 油层 280-1300 139 J-55 6.2 1020 21.25 43.13 1.81 1.13金191 常规 油层 1300-2165 139 J-55 7.72 865 21.88 21.88 5.12 1.238.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) 金191 表层 1.2 0 1.85-1.9 0 A级 832 0金191 油层 1.3 1400 1.85-1.9 0 G级 718 0第2章 井身结构设计2.1 钻井液的压力体系2.1.1最大钻井液密度 (2-1)式中 某层套管钻进井段中所用最大泥浆密度，； 该井段中所用地层孔隙压力梯度等效密度，； 抽吸压力允许值的当量密度，取0.036 。发生井涌情况=+ (2-2) 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，上部地层不被压裂所应有的地层破裂压力梯度，； 第n层套管下入深度初选点，m； 压井时井内压力增高值的等效密度, 取0.06 ； 地层压裂安全增值，取0.05 。2.1.2 校核各层套管下到初选点时是否会发生压差卡套 (2-3)其中：为第n层套管钻进井段内实际的井内最大静止压差，MPa；为该井段内最小地层孔隙压力梯度等效密度，；为避免发生压差卡套的许用压差，取12 MPa。2.2井身结构的设计2.2.1套管层次的确定1.确定油层套管下入深度H(1) 因为井深H=2130m,所以油层套管下入深度H=2130m 。(2) 校核H=2130m在此井段 , =1.18 g/cm,=0.9g/cm , H=800m 。由公式 2-3=9.81800(1.18+0.036-0.9) 10=2.48(MPa)因为 ,所以不会产生压差卡套, 则确定此级套管的下入深度2130m 。2.确定表层套管下入深度H(1) 初选点H试取 H=435 m参考临井基本参数, =1.56 g/cm,=1.18 g/cm由公式2-2=1.18+0.036+0.05+=1.5597(g/cm)因为 且相近，则初选点下入深度H=435 m 。(2) 校核H=435m在此井段 , =0.83 g/cm,=0.8g/cm , H=213 m 。由公式 2-3=9.81213(0.83+0.036-0.8) 10=0.138(MPa)因为435m 从而实际用钻杆：Lp =435-27.3=407.7m 抗挤度校核： P外挤= （3-3）=1.29.81407.71.12510-3 =5.399 MPa 790.7m 从而实际用钻杆：Lp =1000-209.3=790.7m 抗挤度校核： P外挤= =1.39.81790.71.12510-3 =11.34 MPa 1504.5m 从而实际用钻杆：Lp =1550-45.5=1504.5m 抗挤度校核： P外挤= =1.39.811504.51.12510-3 =21.585 MPa 1966.2m 从而实际用钻杆：Lp =2130-163.8=1966.2m 抗挤度校核： P外挤= =1.39.811966.21.12510-3 =28.2 MPa =68.7MPa故安全校核所选钻铤及钻杆满足要求。第4章 钻井液设计4.1所需钻井液体积的计算4.1.1井筒内钻井液体积 （4-1）即 4.1.2地面循环量的计算4.1.3损耗量 （4-2）即 所需钻井液体积 （4-3） 取钻井液体积为。4.2所需清水和粘土量的计算由 （4-4） （4-5）其中 得： 。4.3所需加重材料的量的计算一开时钻井液的密度：，二开是钻井液的密度：，重晶石的密度：。4.3.1一开所需加重重晶石的质量由 （4-6）即 得 。4.3.2二开所需加重重晶石的质量由 （4-7）即 得 。表4-1钻井液设计结果土量（t）清水量（m3）原浆体积（m3）重晶石质量（t）一开110014.6292.6830022.72二开130060第5章 钻井水力参数设计5.1一开时泵的选择及校核5.1.1泵的选择1由临井资料选得两台3NB1000钻井泵并联表5-1泵的参数缸套直径mm额定冲次/min额定排量L/s额定泵压MPa14015027.124.3并联后额定排量：，额定泵压：。2用最小排量校核 （5-1）由 （5-2） （5-3） （5-4） （5-5）其中： 岩屑举升效率，无因次，取=0.5 ；钻井液在环空的平均上返速度，m/s ；钻井液在环空的实际上返速度，m/s ； 岩屑直径，取=0.6cm； 岩屑密度，取=2.52g/cm3；钻井液密度， g/cm； 岩屑在钻井液中的下滑速度，m/s ；钻井液有效粘度， ； 钻井液稠度系数， ； ， 井径和钻柱外径，cm ； 钻井液流性指数，无因次；最小排量，L/s； 计算得 所以 L/s满足设计要求。5.1.2临界井深的确定1第一临界井深 （5-7）其中： （5-8）= （5-9） 所以 = = （5-10） = =KP= （5-11） （5-12） 所以，最优排量 =54.2L/s。5.1.3最优喷嘴直径的确定由于DDFC （5-13）de= = （5-14）又因为de=，所以d=1.08cm。5.1.4其他水力参数的确定1最大射流冲击力 （5-15） （5-16）所以 2射流速度 （5-17） =54.2L/s所以 3.钻头水功率 （5-19） 所以 4.射流水功率 （5-20） 所以 5管路循环压降 （5-21） 所以 。5.2二开泵的选择及校核5.2.1井段（435-1000m）（一）泵的选择及校核1由临井资料选得八台3NB1000钻井泵两两并联后串联表5-2泵的参数缸套直径mm额定冲次/min额定排量L/s额定泵压MPa14015027.124.3组合后额定排量：，额定泵压：2用最小排量验证 由 其中： 岩屑举升效率，无因次，取=0.5 ；钻井液在环空的平均上返速度，m/s ；钻井液在环空的实际上返速度，m/s ； 岩屑直径，取=0.6cm； 岩屑密度，取=2.52g/cm3；钻井液密度， g/cm； 岩屑在钻井液中的下滑速度，m/s ；钻井液有效粘度， ； 钻井液稠度系数， ； ， 井径和钻柱外径，cm ； 钻井液流性指数，无因次；最小排量，L/s； 得 所以 （二）临界井深的确定第一临界井深 （5-22）其中： = 所以 = = = =KP= 所以第一临界井深 所以，最优排量为。（三）最优喷嘴直径的确定由于DDPC de= = 又因为de=，所以d=0.843cm（四）其他水力参数的确定1最大射流冲击力 所以 2射流速度 =54.2L/s所以 3.钻头水功率 所以 4.射流水功率 所以 5管路循环压降 所以 。5.2.2井段（1000-2130m）（一）泵的选择及校核1由临井资料选得一台3NB1300钻井泵表5-3泵的参数缸套直径mm额定冲次/min额定排量L/s额定泵压MPa16014035.724.02用最小排量验证由（5.2.1）知 满足要求。（二）临界井深的确定第一临界井深 其中： = 所以 = = = =KP= 所以第一临界井深 第二临界井深 所以，最优排量 所以，当1000D时，最优排量；当 D 时，最优排量。（三）最优喷嘴直径的确定当1000DDPC de= = 又因为de=，所以d=1.35cm。（四）其他水力参数的确定1最大射流冲击力 所以 2射流速度 =35.7L/s所以 3.钻头水功率 所以 4.射流水功率 所以 5管路循环压降 所以 。第6章 套管柱设计6.1油层套管柱设计6.1.1 按抗外挤强度设计由下向上选择第一段套管由公式 （6-1）得 。查钻井工具手册，选择第一段套管表6-1 第一段套管钢级选择钢级外径（mm）内径(mm)壁厚（mm）均重(kg/m)抗拉强度(KN)抗挤强度（）屈服强度（MPa）J-55139.7124.267.7225.32101933.9379.46抗挤系数：。6.1.2 确定第二段套管的下入深度和第一段套管的使用长度1.查钻井工具手册，选择第二段套管表6-2 第二段套管钢级选择钢级外径（mm）内径(mm)壁厚（mm）均重(kg/m)抗拉强度(KN)抗挤强度（）屈服强度（MPa）J-55139.7126.16.9823.0989927.9379.19由公式 得 由于套管单根长9.1m,所以实际取D=1938.9m。所以，第一段套管使用长度= -=2130-1938.9=191.1m。2.双轴应力校核 （6-2）=0.8333 查得故实际抗拉强度 实际拉力 实际抗拉强度大于实际拉力，故满足双轴应力校核要求。 抗挤系数：；抗拉系数：。6.1.3确定第三段套管的下入深度和第二段套管的使用长度1.查钻井工具手册，选择第三段套管表6-3 第三段套管钢级选择钢级外径（mm）内径(mm)壁厚（mm）均重(kg/m)抗拉强度(KN)抗挤强度（）J-55139.7127.36.2020.8576521.5由公式 得 由于套管单根长9.1m,所以实际取=1493m。第一段套管使用长度= -=1938.9-1493=445.9m。2.双轴应力校核=0.8333 查得故实际抗拉强度 实际拉力 实际抗拉强度大于实际拉力，故满足双轴应力校核要求。抗挤系数：；抗拉系数：。3.井口拉力校核实际抗拉强度大于井口拉力，故满足设计要求。抗拉系数：。6.2表层套管柱设计6.2.1 按抗外挤强度设计由下向上选择第一段套管由 得 =5.76查钻井工具手册，选择第一段套管表6-4 第一段套管钢级选择钢级外径（mm）内径(mm)壁厚（mm）均重(kg/m)抗拉强度(KN)抗挤强度（）屈服强度（MPa）J-55339.7320.49.6581.1822867.8775.54抗挤系数：。6.2.2 确定第二段套管的下入深度和第一段套管的使用长度1.查钻井工具手册，选择第二段套管表6-5 第二段套管钢级选择钢级外径（mm）内径(mm)壁厚（mm）均重(kg/m)抗拉强度(KN)抗挤强度（）J-55339.731.328.3871.5014325.1由公式 得 由于套管单根长9.1m,所以实际取D=380.4m。第一段套管使用长度= -=435-380.4=54.6m。2.双轴应力校核=0.8462 查得故实际抗拉强度 实际拉力 实际抗拉强度大于实际拉力，故满足双轴应力校核要求。 抗挤系数：；抗拉系数：。2.井口拉力校核实际抗拉强度大于井口拉力，故满足设计要求。7章 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 为水泥塞深度，20m ； 为井眼口袋高度，5m ；为设计封填水泥长度，m ；为第i次开钻钻头尺寸，m ；为自外向里第i层套管的外径，m ；为第i层套管的内径，m ；为修正系数，1.1。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=0.4445m , =0.3397m ,=435m ,=0.3204m, =20m, =5m。由公式7-1所以 2.封固油层套管水泥浆体积的计算=0.2159m , =0.1397m ,=2130m ,=0.1253m, =20m, =5m。由公式7-17.2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1m的水泥浆所需水泥灰的质量 （7-2）水泥灰的密度，3.15 g/cm；水的密度，1.0 g/cm ；m水灰比, 0.44；从而，得q =1.32(t/m)。7.2.2干水泥质量的计算1.封固表层套管干水泥质量 。2.封固油层套管干水泥质量。7.3所需清水的量7.3.1所需清水的体积的计算公式 （7-3）7.3.2 所需清水的体积的计算1.封固表层套管所需清水的量 由公式7-3得。 2.封固油层套管所需清水的量 由公式7-3得。7.4时间的计算7.4.1水泥浆顶替钻井液的顶替排量1.封固表层套管：井径0.4445m,套管外径0.3397m,返速 （7-4）。2封固油层套管：井径0.2159m,套管外径0.1397m,返速 （7-5）。7.4.2钻井液顶替水泥浆的顶替容量1.封固表层套管：井径0.4445m,套管外径0.3397m,返速2封固油层套管：井径0.2159m,套管外径0.1397m,返速7.4.3顶替时间及防凝时间的计算1.封固表层套管：水泥浆顶替钻井液时间： （7-6）钻井液顶替水泥浆时间：钻井液顶替体积 （7-7）总作业时间： 防凝时间 2.封固油层套管：水泥浆顶替钻井液时间：；钻井液顶替水泥浆时间：钻井液顶替体积 所以 总作业时间： 防凝时间： 表7-1注水泥参数表项目水泥浆体积（m3）干水泥质量（t）清水量（m3）防凝时间（min）表层174.19217.7433.2668.8514.638.49油层57.4371.7970.54139.6761.4539.75第8章 设计结果表8-1 钻头与套管设计表井号项目钻头尺寸 (mm)下深 (m)套管外径 (mm)SJ0077表层444.5435339.7SJ0077油层215.92130139.7表8-2钻井液参数项 目泥浆密度 (g/cm3)重晶石用量 (t)一 开1.1