钻井工程设计辅导课堂

1、钻井工程设计,主讲人：崔金栋,1,2020/4/26,一,设计依据,二、井位及地质概况,三、井身结构设计,四、固井设计,五、钻柱设计,六、钻井设备选择,七、钻头及钻进参数设计,八、钻井液设计,九、下部钻具组合设计,钻井工程设计内容,十、水力参数设计,十一、油气井压力控制,十二、各次开钻或分井段施工重点要求,十三、地层压力监测要求,十四、油气层保护,十五、健康、安全与环境管理,十六、完井井口装置,十七、钻井进度计划,十八、成本预算及主要技术经济指标,2,2020/4/26,一,设计依据,1,XXX,井钻井地质设计,2,XXX,井主要的引用标准、规范和规定,1,SY/T,5431-2008,井身结

2、构设计方法,2,SY/T,5088-2008,钻井井身质量控制规范,3,SY/T,5234-2004,优选参数钻井基本方法及应用,4,SY/T,5964-2006,钻井井控装置组合配套安装调试与维护,5,SY/T,6426-2005,钻井井控技术规程,6,SY/T,5480-2007,固井设计规范,7,SY/T,5955-2004,定向井井身轨迹质量,8,SY/T,6276-2010,石油天然气工业健康、安全与环境管理体系,9,SY/T,5435-2003,定向井轨道设计与轨道计算,10,SY/T,5172-2007,直井井眼轨迹控制技术规范,11,Q/SH,0082-2007,水平井钻井工程

3、设计要求,3,根据邻井钻井资料及区块实钻资料,3,2020/4/26,二、井位及地质概况,井号,井别,井型,井,位,坐标,纵,X,横,Y,地面海拔,地理位置,构造位置,设计井深,m,目的层,完钻原则,完钻层位,完井方法,1,基本数据表,4,2020/4/26,5,二、井位及地质概况,2,地理及环境资料,气象资料,该地区属大陆性季风半干旱气候，春季干旱多大风，夏季高温多雷雨，秋季凉,爽而短促，冬季漫长且干旱。日照充足，雨热同季。年平均气温,8,年平均降,水量,445mm,无霜期,146,天。春秋季多西北风，春季易发沙尘暴天气，夏秋季,多雷雨易发山洪滑坡,地形地貌及交通情况,该井区处于黄土高原腹地

4、，沟谷纵横，山峁相间，地形复杂，地表起伏高差大,地表为第四系松散黄色粘土，林木覆盖,该井所处地区森林覆盖，交通、通讯条件均较差,5,2020/4/26,6,地,层,底界,埋深,m,视厚度,m,油气显示,故障提示,系,组,代号,邻井资料,预测,第四系,Q,80,80,第三系,太康组,Nt,340,260,防漏,白垩系,明水组,K2m,760,420,防缩径、造,浆,四方台,组,K2s,1150,390,防缩径、造,浆,嫩江组,K2n,1770,620,防塌、斜,姚家组,K2y,1930,160,防塌、斜,青山口,组,K2qn3,2037,107,防喷,K2qn2,2289,252,K2qn1,2

5、400,未,穿,111,备,注,DB38,井青一,原始地层压力,22.67MPa/2315.0m,压力系数,0.9793,地层温,度,97,C/2315.0m,供本井参考,二、井位及地质概况,3,XXX,井钻遇地层预测表,6,2020/4/26,2,三、井身结构设计,1,井身结构设计的主要原则,能有效保护油气层,能避免产生井漏、井喷、井塌,卡钻等井下复杂情况,为全井,安全、优质、快速和经济地钻,进创造条件,当实际地层压力超过预测值使,井出现液流时，在一定范围内,具有压井处理溢流的能力,7,2,2,套管类型,导管,钻表层井眼时，将钻井液从地表引导,到钻台平面上来,表层套管,防止浅层水受污染，封闭

6、浅层流砂,砾石层及浅层气，支撑井口设备装置,悬挂依次下入的各层套管的载荷,技术套管（中间套管,封隔坍塌地层及高压水层,封隔不同的压力体系,继续钻井的需要,三、井身结构设计,8,2,套管类型,油层套管（生产套管,为油气生产提供流通通道,保护产层、分层测试、分层采油、分层改造,尾管,技术尾管,生产尾管,尾管回接,三、井身结构设计,9,2020/4/26,2,井,深,当量泥浆密度,Gp,Gf,3,考虑的因素,岩性剖面及故障提示,地层压力、地层破裂压力,工程参数,正常作业：抽吸压力系数,S,w,激动压力系数,S,g,地,层压裂安全增值,S,f,出现液流：抽吸压力系数,S,w,地层压裂安全增值,S,f,

7、考虑液流情况下地层压,力增加值,S,K,最大允许压差,P,N,Pa,三、井身结构设计,10,4,井身结构设计关键参数,最大钻井液密度：某一层套管的钻进井段中所,用的最大钻井液密度，和该井段中的最大地层,压力有关,max,某层套管的钻进井段中所使用的最大钻井液密,度,g/cm,3,pmax,该井段的最大地层压力梯度,g/cm,3,S,w,考虑到上提钻柱时抽吸作用使井底压力降低，为,了平衡地层压力所加的附加钻井液密度,g/cm,3,Sw=0.024-0.048 g/cm,3,w,P,S,max,max,三、井身结构设计,11,2020/4/26,4,井身结构设计关键参数,最大井内压力梯度,正常作业

8、（起下钻、钻进）：正常钻井条件下，井,内最大压力梯度是发生在下放钻柱时，由于产生压,力激动使得井内压力增高，设由于压力激动使井内,的压力增加值为,Sg,则最大井内压力梯度为,Sg,激动压力梯度当量密度,g/cm,3,Sg=0.024-0.048 g/cm,3,g,mE,S,max,三、井身结构设计,12,2020/4/26,4,井身结构设计关键参数,最大井内压力梯度（续,发生液流时：为了制止液流，如压井时井内压力增,高值为,Sk,则最大井内压力梯度为,Sk=0.060 g/cm,3,上式只适用于发生液流时最大地层压力所在的井深,H,pmax,的,井底处，而对于井深为,Hn,的任意井深处的井内压

9、力梯度为,K,mE,S,max,K,n,p,mE,S,H,H,max,max,三、井身结构设计,13,2020/4/26,4,井身结构设计关键参数,套管下深的临界条件,为了确保上一层套管鞋处,的裸露地层不被压裂，应,该保证，某一井段的最大,井内液柱压力梯度满足,f,上一层套管下入深,度处裸露地层的破裂,压力梯度,g/cm,3,Sf,为避免将上一层套管,下入深度处裸露地层压裂,的安全值,Sf,0.024,0.048 g/cm,3,f,f,mE,S,当量泥浆密度,Gp,Gf,三、井身结构设计,14,2020/4/26,5,最大允许压差,为了在下套管过程中，不致于发生压差粘卡套,管的事故，应该限制井

10、内钻井液液柱压力与地,层压力的压力差值，即规定最大允许压差,最大允许压差的取值,在正常压力地层,P,N,11-17MPa,在异常压力井段,Pa=14,22MPa,三、井身结构设计,15,2020/4/26,6,设计步骤和方法,1,各层套管（不含油层套管）下入深度初,选点,Hni,的确定,正常钻进时,fnr,在设计套管层所在的裸眼井段内，在最大井内,液柱压力梯度作用下，上部裸露地层不致破裂所应,有的地层破裂压力梯度,g/cm,3,max,裸露井段预计的最大地层压力梯度,g/cm,3,f,g,w,P,fnr,S,S,S,max,三、井身结构设计,16,2020/4/26,6,设计步骤和方法,1,各

11、层套管（不含油层套管）下入深度初,选点,Hni,的确定（续,1,发生液流时时,fnk,在设计套管层所在的裸眼井段发生液流时，在最大井,内压力梯度作用下，上部裸露地层不致破裂所应有的地层,破裂压力梯度,g/cm,3,Hni,设计层套管的初始下入深度,m,H,pmax,最大地层压力所对应的井深,m,K,ni,p,f,w,P,fnk,S,H,H,S,S,max,max,三、井身结构设计,17,2020/4/26,6,设计步骤和方法,1,各层套管（不含油层套管）下入深度初,选点,Hni,的确定（续,2,比较正常钻井情况下和发生液流情况下的最小地层,破裂压力,一般地,fnk,fnr,因此通常按,fnk,

12、计算，只,有在肯定不会发生液流的情况下，才按,fnr,计算,对于技术套管，首先计算出,fnk,然后通过作图或数,字计算的方法找到地层破裂压力为,fnk,的井深，该井,深即为技术套管下入的初选点,对于技术套管，需要校核是否会卡套管，对于表层,套管，则一般不必进行压差粘卡套管的校核,三、井身结构设计,18,2020/4/26,当量泥浆密度,Gp,Gf,正常工况（起钻、下钻,发生液流时,当量泥浆密度,Gp,Gf,三、井身结构设计,19,2020/4/26,6,设计步骤和方法,2,校核套管下入初选点,Hni,是否会发生压差,粘卡套管,所用最大钻井液密度与最小地层压力之间实际的最,大静止压差,P,套管所

13、受到的最大静止压差,MPa,min,该井段内最下地层压力,g/cm,3,H,mm,最小地层压力所对应的井深,m,mm,w,p,H,S,P,00981,0,min,max,三、井身结构设计,20,2020/4/26,6,设计步骤和方法,2,校核套管下入初选点,Hni,是否会发生压差粘卡套管,续,1,比较,P,与,P,N,P,a,P,P,N,或,P,a,，则假定深度,H,ni,为中间套管下入深度,若,P,P,N,或,P,a,，则中间套管下至,H,ni,过程中有被卡危险,在这种情况下,必须采取下尾管的方法解决,确定技术套管的下入深度：先计算不卡套管的最大地层压力梯,度,g/cm,3,与,pper,对

14、应的井深即为经过校核的井深,W,mm,N,pper,S,H,P,min,0098,0,W,mm,a,pper,S,H,P,min,0098,0,三、井身结构设计,21,2020/4/26,6,设计步骤和方法,3,在技术套套下入深度浅于初选点的情况,下，确定尾管的下入深度,H,n+1,确定尾管下入深度的初选点,H,n+1,I,由技术套管鞋处的地层破裂压力梯度,fn,可求得允许,的最大地层压力梯度,pper,通过数字计算或作图法找到与,pper,相等的地层压力,梯度所对应的井深，该井深即为尾管下入深度的初,选点,校核尾管的下入深度初选点是否会发生卡套管,K,n,i,n,f,W,fn,pper,S,

15、H,H,S,S,1,三、井身结构设计,22,2020/4/26,采用迭代法，试取一个,H,n+1,值求,pper,如果,pper,大于该深度的实际地层压力梯度，且,二者接近，则,H,n+1,就是尾管下入深度,Gp,Gf,H,n,H,n+1,W,mm,N,pper,S,H,P,min,0098,0,1,中间套管下深,Hn,的确定,与,pper,相对应的井深即为中间套管下深,Hn,2,尾管下深,H,n+1,的确定,K,n,i,n,f,W,fn,pper,S,H,H,S,S,1,三、井身结构设计,23,2020/4/26,生产套管尺寸应满足采油方面要求。根据生产层的产能、油管大小、增产,措施及井下作

16、业等要求来确定,对于探井，要考虑原设计井深是否要加深，地质上的变化会使原来的预告,难于准确，是否要求井眼尺寸上留有余量以便增下中间套管，以及对岩心,尺寸要求等,要考虑到工艺水平，如井眼情况、曲率大小、井斜角以及地质复杂情况带,来的问题。并应考虑管材、钻头库存规格等的限制,一）设计中考虑的因素,7,套管尺寸与井眼尺寸选择及配合,三、井身结构设计,24,2020/4/26,确定井身结构尺寸一般由内向外依次进行，首先确定生产套管尺寸，再确定下,入生产套管的井眼尺寸，然后确定中层套管尺寸等，依此类推，直到表层套管,的井眼尺寸，最后确定导管尺寸,生产套管根据采油方面要求来定。勘探井则按照勘探方要求来定,

17、套管与井眼之间有一定间隙，间隙过大则不经济，过小会导致下套管困难及注,水泥后水泥过早脱水形成水泥桥。间隙值一般最小在,9.512.7mm(3/81/2in,范,围，最好为,19mm,3/4in,二）套管和井眼尺寸的选择和确定方法,7,套管尺寸与井眼尺寸选择及配合,三、井身结构设计,25,2020/4/26,3,套管及井眼尺寸标准组合,81/2,三、井身结构设计,26,2020/4/26,8,四、固井设计,1,套管管柱设计,2,注水泥浆设计,27,2020/4/26,9,四、固井设计,1,套管管柱设计,1,套管柱强度设计原则,2,套管柱强度设计方法,28,2020/4/26,29,水泥用量与替浆

18、量计算,替浆量,在注水泥施工中，用来将水泥浆从套管内顶替到环空所需要的顶替液体积,水泥用量,指的是固井所需干水泥的重量,1,水泥用量,为计算水泥用量需先计算出固井所需的,水泥浆量,水泥浆体积,2,注水泥基本设计,四、固井设计,2020/4/26,30,水泥用量与替浆量计算,1,水泥用量,1,水泥浆量,根据电测井径，将环空水泥浆封固段分为若干段（设为,n,段），环空水泥,浆量为,管内水泥塞体积为,2,注水泥基本设计,slp,sla,sl,V,V,V,p,p,slp,H,D,V,2,1,40000,n,i,c,hi,sla,H,D,D,V,1,2,2,4,10000,1,四、固井设计,2020/4

19、/26,31,水泥用量与替浆量计算,1,水泥用量,2,水泥用量,3,配浆水用量,在现场，井场实际水泥准备量和配浆用水准备量都要在理论计算的基础上附加一定,数量，具体附加量据油田经验定,外加剂用量，当知道水泥用量和水泥浆配方后即可计算出来,2,注水泥基本设计,sl,c,c,sl,sl,c,V,m,V,m,W,1,1,c,w,mW,W,四、固井设计,2020/4/26,32,水泥用量与替浆量计算,2,替浆量,替浆量用下式计算,2,注水泥基本设计,k,i,pi,y,d,L,D,K,V,1,2,4,10000,四、固井设计,2020/4/26,33,注水泥流变学设计,注水泥流变学设计是注水泥设计中的非

20、常重要的部分，提高注水泥顶替效率,保证注水泥施工中井内压力平衡，是注水泥流变学设计的主要目的,水泥流变学设计的基本内容,水泥浆流变参数计算,紊流临界排量设计,2,注水泥基本设计,四、固井设计,2020/4/26,34,注水泥流变学设计,1,水泥浆流变参数计算,水泥浆流变性测量仍采用,旋转粘度计,但测量方法上与钻井液稍有差别，水泥浆只,测量,300r/min,200r/min,100r/min,6r/min,和,3r/min,转速下的剪切应力值，不测,量,600r/min,转速下的剪切应力值。水泥浆流变参数计算式如下,为了提高注水泥顶替效率，要求,水泥浆的流性指数比钻井液的流性指数低,2,注水泥

21、基本设计,100,300,lg,096,2,n,n,K,511,511,0,300,四、固井设计,2020/4/26,35,注水泥流变学设计,2,紊流临界排量设计,紊流顶替是提高注水泥顶替效率的有效措施之一，如果在条件允许下水泥浆能达到,紊流则最好。水泥浆在环空中的流态通过施工排量控制,水泥浆在环空中的雷诺数计算式为,2,注水泥基本设计,n,n,n,c,h,n,n,n,K,D,D,V,N,3,1,2,1200,10,12,2,3,Re,四、固井设计,2020/4/26,36,2,注水泥流变学设计,2,紊流临界排量设计,幂律液体的临界雷诺数为,由式,7-58,与,7-59,可得水泥浆达到紊流时的

22、临界环空流速计算式为,因此，水泥浆紊流的临界排量为（按现场常用单位“方,分”,2,注水泥基本设计,n,N,c,1370,3470,Re,n,n,c,h,n,c,D,D,n,n,K,n,V,2,2,1,4,8,2,1,1370,3470,01,0,c,c,h,c,V,D,D,Q,2000,3,2,2,四、固井设计,2020/4/26,10,五、钻柱设计,1,钻柱组合设计,钻柱组合选择的基本原则,1,方钻杆尺寸应比钻杆尺寸大一级,2,按给定的套管尺寸确定合理尺寸的方钻杆,3,方钻杆长度应比所选用最长钻杆长,2-3m,4,方钻杆长度应比所选钻杆长,2-3m,5,复合钻铤中相邻钻铤的抗弯刚度的比值小于

23、,2.5,钻铤长度的确定,1,以中和点确定钻铤长度,2,以零轴向应力截面确定钻铤长度,f,c,c,K,q,W,L,s,m,f,K,1,p,c,m,c,m,p,z,A,A,q,HA,W,L,981,0,981,0,37,2020/4/26,刘广志,王德民,周守为,11,五、钻柱设计,2,钻柱强度设计,设计原则,1,有足够的抗拉强度，保证井口卡瓦的安全悬挂和出现井下复杂情况时的处理能力,2,足够的抗外挤强度，以便进行中途测试,3,能承受正常钻进时的扭矩和内压,设计数据,1,钻柱预计的总长度,2,井眼尺寸,3,钻井液密度,4,抗拉安全系数，拉力余量,5,抗挤毁安全系数,6,钻杆规范、钢级、单位长度重

24、力,7,外载荷分析：轴向拉力、外挤力、扭矩、弯曲力矩、动载,38,2020/4/26,14,五、钻柱设计,2,钻柱强度设计,设计方法,1,设计系数法,2,卡瓦挤毁法,3,拉力余量法,39,2020/4/26,15,六、钻井设备选择,1,钻机设计依据,1,钻机的技术特性,2,所钻井的井身结构,3,钻具组合,4,设计井地区的地质条件,5,钻井工艺技术要求,2,钻机的主要参数,1,钻机名义（公称）钻深,2,最大钩载,3,最大钻柱载荷,40,2020/4/26,16,六、钻井设备选择,3,绞车选择原则,1,钩载储备系数应尽量选择大些（一般不小于,1.80,2,井架高度,一般应满足,Ls,为立柱高度,3

25、,选择排挡数高的绞车，这样可以充分利用绞车功率，降,低起钻时间,a,h,s,a,L,h,7,1,4,转盘选择原则,1,转盘开口直径应保证所设计井第一次开钻所用的最大钻头能顺利通,过转盘中心通孔,2,转盘转速可调整范围大,3,转盘最大静载荷应与钻机最大钩载匹配,4,转盘的额定功率应满足最大工作扭矩,41,2020/4/26,17,六、钻井设备选择,5,钻井泵选择原则,1,根据设计井的井身结构、钻柱组合及钻井液性能，确定,满足钻井中携带钻屑的最小排量,2,满足钻至设计井深允许的最高泵压和携带钻屑的最小排,量,3,满足钻井水力参数优选中，最高泵压和最优排量的选择,4,承受高泵压且流量可调范围大,42

26、,2020/4/26,18,七、钻头及钻进参数设计,1,钻头选择原则和考虑因素,1,地层岩性,2,各种类型钻头结构、工作原理、适用性条件,3,对已使用钻头资料进行详细分析、评价、作为选择钻头的比较标准,这是合理选择和使用好钻头的重要步骤,2,钻头选型方法,钻头选型方法有成本法,三步法,比能法，优选钻头组合法,三步法,1,根据区域地层岩性特性初选与地层岩性相适应的钻头,2,由初选的钻头，根据钻井工艺技术条件，并参考已钻井的钻头资,料，评选钻井进尺高，机械钻速高、纯钻时间长的钻头类型,3,用直接成本方程计算第二步选出钻头成本，最终选用成本最低的,钻头,43,2020/4/26,19,七、钻头及钻进

27、参数设计,3,钻进参数选择原则,1,软地层采用低钻压、高转速,2,硬及中硬地层，深部地层采用高钻压、低转速,3,钻头安全承载能力一般取,0.6-0.8KN/mm,44,2020/4/26,20,八、钻井液设计,钻井液体系选择,钻井液性能设计,钻井液材料设计,固相控制及固相控制系统优选,45,2020/4/26,九、下部钻具组合设计,1,钟摆钻具组合设计,光钻铤钟摆钻具组合,单扶正器钻具组合,多扶正器钻具组合,2,刚性满眼钻具组合设计,46,2,十、水力参数设计,1,设计内容,1,优选水力参数设计方法,2,钻井泵缸套尺寸的选择,3,设计参数：泵压,Psp,流量,Q,喷嘴尺寸及喷嘴组合,4,功能及设计参数：钻头压降,Pb,钻头水功率,Nb,冲击力,Fb,喷射速度,Vb,钻头比水功率,Nc,循环压耗,Pf,2,水力参数设计基础参数,1,井身结构：各层次套管及裸眼井段的直径和长度,2,钻头尺寸及预计所钻段长,3,钻柱组合和几何尺寸,4,钻井泵技术规范，缸套系列，额定