钻井工程课程设计

1、表A-1 钻井工程课程设计任务书一、地质概况29：井别： 探井 井号： 设计井深：3265m 目的层： 井位坐标地理位置构造位置测线位置钻探目的进一步了解构造情况完钻原则钻穿J层完井方法射孔完井层位代号底界深度（M）主要岩性描述故障提示fPA320表层，未胶结渗漏1.0B480砾岩夹泥岩防斜1.231.02C1150砂砾岩防斜1.231.02D1472砂质泥岩防斜1.321.09E1755泥岩、泥岩砂岩互层防蹋1.361.12F2170页岩、泥岩防斜、防塌1.431.12G2700砂岩防漏1.571.18H3089泥岩、泥岩砂岩互层防斜1.711.21I3150泥岩防塌1.901.22J324

2、5砂岩防喷2.321.23当量密度为：g/cm3表 A-2设计系数名称Swg/cm3Sgg/cm3Sfg/cm3Skg/cm3PNMPaPaMPa数值0.0240.0210.0260.0231420备注石工专业 石工（卓越班）1201班 学生姓名： 木合来提.木哈西图 A-1 地层压力和破裂压力一井身结构设计1.由于该井位为探井，故中间套管下深按可能发生溢流条件确定必封点深度。由图A-1得，钻遇最大地层压力当量密度 pmax=1.23g/cm³，则设计地层破裂压力当量密度为：fD=1.23+0.024+3245/H1×0.023+0.026.试取H1=1500m，则fD=1

3、.23+0.024+2.16×0.023+0.026=1.33 g/cm³,f1400=1.36 g/cm³ > fD 且相近，所以确定中间套管下入深度初选点为H1=1500m。验证中间套管下入深度初选点1500m是否有卡钻危险。从图A-1知在井深1400m处地层压力梯度为1.12 g/cm³以及320m属正常地层压力，该井段内最小地层压力梯度当量密度为1.0 g/cm³。PN=0.00981×(1.10+0.024-1.0)×320=0.389<11MPa所以中间套管下入井深1500m无卡套管危险。水泥返至井深

4、500m。2.油层套管下入J层13-30m，即H2=3265m。校核油层套管下至井深3265m是否卡套管。从图A-1知井深3265m处地层压力梯度为1.23 g/cm³，该井段内的最小地层压力梯度为1.12g/cm³，故该井段的最小地层压力的最大深度为2170m。pa=0.00981×（1.23+0.024-1.12）×2170=2.85Mpa<20 Mpa所以油层套管下至井深3265m无卡套管危险。水泥返至井深2265m。3.表层套管下入深度。 中间套管下入井深1500处，地层压力梯度当量密度为1.12 g/cm³，给定溢流数值Sk=0

5、.023 g/cm³。由公式fD=1.12+0.024+1500/D1×0.023+0.026试取700m 得fD=1.22 g/cm³由图A-1得f700 =1.23 g/cm³f700 fD=1.23-1.22=0.01<(0.0240.048) g/cm³满足要求，即表层套管下深700m。表层套管水泥返至地面。4.本井采用井身结构。表层套管用444.5mm(）钻头，钻至井深705m，339.7mm()套管下至井深704m,水泥返至地面。中间套管用311.1mm（）钻头，钻至井深1505m，244.5mm(in)套管下至井深1502m

6、,水泥返至井深500m。油层套管用215.9mm（）钻头，钻至井深3265m，139.7（in）mm套管下至井深3265m,水泥返至井深2265m。将井身结构设计数据填入表A-3。表A-3井身结构设计结果序号井段，m钻头尺寸，mm套管尺寸，mm水泥返深，m表层0705444.5339.7地面中间套管7051505311.1244.5500油层套9139.72265二、固井工程设计1.套管强度设计（1）表层套管下深704m，选用K-55，壁厚9.65mm套管，不必进行强度设计。（2）中间套管设计（244.5mm）设计数据:下入深度 1502m钻井液密度m=1.12+0.

7、024=1.144g/cm³，抗外挤安全系数Sc=1.05, 抗拉安全系数St=1.80, 抗内压安全系数Si=1.10设计方法:采用等安全系数法计算井口最大内压力PsiMpa设计内压力 因此，抗内压强度小于16.577Mpa的套管均不能选用。确定下部第一套管，设计挤压强度为由表查得J-55,壁厚10.03mm套管：Pc=17.72Mpa , Pi=27.23MpaPT=2313.1kN , q=583.8N/mdi=224.4mm ， 长圆螺纹。>1.05>1.10第二段选用J-55，壁厚8.94mm套管。Pc=13.93Mpa , Pi=24.27MpaPT=2015

8、kN , q=525.4N/mdi=226.6mm ， 长圆螺纹。许可下入深度: 第一段套管下入长度L1=1502-1182=320m校核第一段套管抗拉强度 >1.8第二段套管下入长度 L2=1502-320=1182m由于第二段套管穿过了水泥封固面，故应进行双轴应力校核。先计算在水泥面处套管在双轴应力作用下的实际抗挤强度。所受拉力载荷：则查表实际抗挤强度 抗挤安全系数 水泥面处实际抗挤强度满足要求。对第二段套管底端进行双轴应力校核。查表得K=0.934=0.934×13.93=13.01MPa第二段不满足要求，故延伸第一段套管向上100m。即查表得K=0.924Pcc2=0.

9、924×13.93=12.87MPa所以第一段套管下入长度L1=420m抗拉安全系数 抗内压安全系数 第二段套管下入井深，校核该段套管顶部截面（井口）的抗拉强度以上计算结果列入表A-4。表A-4 中间套管设计结果序号井段m段长m壁厚mm钢级螺纹类型重力 kN安全系数段重累重抗拉ST抗挤Sc抗内压Si20108210828.94J-55长圆螺纹188.45348.042.411.071.6111082150242010.03J-55159.59159.593.771.0511.81油层套管设计（139.7mm）设计数据:下入深度 3265m钻井液密度 m=P+Sb =1.23+0.02

10、4=1.254 g/cm3 ，抗外挤安全系数Sc=1.10, 抗拉安全系数St=1.80, 抗内压安全系数Si=1.10设计方法:等安全系数法计算井口最大内压力Psi设计内压力 因此，抗内压强度小于35.48的套管均不能选用。确定下部第一套管，设计挤压强度为由表查得N-80 壁厚9.17mm套管：Pc=60.88Mpa , Pi=63.36MpaPT=1903.8kN , q=291.9N/mdi=121.4mm ， 长圆螺纹。校核第一段套管抗拉强度 以上计算结果列入表A-5中。表A-5 油层套管设计结果序号井段m段长m壁厚mm钢级螺纹类型重力 kN安全系数段重累重抗拉ST抗挤Sc抗内压Si1

11、0326532659.17N-80长圆螺纹800.8800.82.3771.511.96三、注水泥浆设计（1）表层套管设计数据：套管下入长度 Ls=704m,水泥塞高度ho=10m，水泥浆返深：地面，钻井液性能，n=0.52，。水泥浆性能，。水泥浆附加量70%，钻井液压缩系数。计算井径按钻头直径444.5mm。水泥用量N 704=45.55m³ 附加30%， 水泥浆密度时，每袋水泥（50kg）配水泥浆0.04015m3/袋（40.15升/袋），则用水量VW（水灰比m=0.5）VW=1501×50×0.5/1000=37.53m3替钻井液Vm替钻井液终泵压设计结果见

12、表A-6中。（2）中间套管设计数据：设计井深H=1505m,水泥塞高度ho=20m，套管下入长度Ls=1502m，水泥返深500m，水泥附加量30%，钻井液压缩系数，计算井径按钻头直径311.1mm。钻井液性能，n=0.5, 。水泥浆，。 水泥用量N 附加30%， 水泥浆密度时，每袋水泥（50kg）配水泥浆0.04015m3/袋（40.15升/袋），则袋用水量VW（水灰比m=0.5）VW=963×50×0.5/1000=24.075m3替钻井液Vm替钻井液终泵压10026.94MPa计算环空临界流速（塑性流体）计算管内流速Vi计算管内Rei计算管外水泥浆段计算管外钻井液段R

13、eom管内摩阻系数 管外摩阻系数fo 管内压耗Pci 环空耗压Pco循环压耗替钻井液终泵压 碰压泵压计算注水泥施工总时间:选用AC-400B型水泥车3台，每台车平均每分钟注水泥20袋，则替钻井液 其它（倒换阀，开挡销，压胶塞，碰压） 总施工时间 选用G级水泥。（3）油层套管设计数据：设计井深H=3265m,水泥塞高度ho=20m，套管下入长度Ls=3262m，水泥返深2265m，水泥附加量40%，钻井液压缩系数，计算井径按钻头直径215.9mm。钻井液性能，n=0.52, 。水泥浆，。 水泥用量Nm³ 附加40%， 水泥浆密度时，每袋水泥（50kg）配水泥浆0.04015m3/袋（4

14、0.15升/袋），则用水量（水灰比m=0.5）替钻井液Vm替钻井液终泵压1002×0.00981=5.86MPa设计结果见表A-6中。表A-6 注水泥浆设计结果套管层次钻井液密度g/cm3水泥浆上返高度m水泥塞高度m水泥级别水泥浆密度g/cm3水泥浆量m3用水量m3干水泥袋数替钻井液量m3替钻井液终泵压Mpa表层1.044地面10G1.8578.2737.53150157.8525.57中间16524.07596359.3914.11油层1.25410052030.05118.774838.7015.27四、钻柱设计钻柱组合第一次开钻（0705m）444.5

15、mm3A+228mmDC+203mmDC+177.8mmDC+127mmDP+133mmK。(注：3A-代表三牙轮钻头，DC-钻铤，DP-钻杆，K-方钻杆)。第二次开钻（7051505m）311.1mm3A+203mmDC+177.8mmDC+127mmDP+133mmK第三次开钻（15053265m）215.9mm3A+177.8mmDC+155.8mmDC+127mmDP+133mmK。各次开钻，由预估（设计）钻头最大钻压计算钻铤长度。444.5mm3A， 311.1mm3A， 215.9mm3A， 组合钻铤长度计算时，先按组合中最大直径钻铤由设计最大钻压确定长度，然后再根据大尺寸钻铤库存

16、及钻井工艺要求确定不同直径钻铤的长度。下部钻具组合后面再设计。一开，由零轴向应力截面确定。Lz实=Lz+25=157二开: （203mmDC，内径71.44mm,）。m三开: （177.8mmDC，内径71.44mm,）。钻柱强度设计一次开钻（略）二次开钻：井深H=1505m， dc=203mm,qc=2194.32 Nm,拉力余量450kN,设计系数1.35，。选127mm，G105钢级钻杆，Py=2464.39kN因为>设计系数1.35，所以Pa=(0.9Py)/1.42=(0.9×2464.39)/1.42=1561.94kN当拉力余量为450kN时，Pa=0.9Py-4

17、50=0.9×2464.39-450=1767.951kN而实际下入最大长度（1505-192.3）=1312.7m。三次开钻井深H=3265, dc=177.8mm,qc=1061 Nm,拉力余量450kN,设计系数1.35，。s/t =1.42选127mm，G105钢级钻杆，Py=2464.39kNPa=(0.9Py)/1.42=(0.9×2464.39)/1.42=1561.93kNPa=0.9Py-450=0.9×2464.39-450=1767.95kNPa<Pa,按Pa设计L允=5027m>H=3265m,而实际下入长度（3265-266.

18、83）=2998m设计结果列于表A-7。表A-7 钻柱强度设计结果开钻程序钻杆钻铤尺寸 mm钢级单位重力 N/m最小抗拉力kN井段 m尺寸 mm单位重力N/m长度m1127G284.781760.31070522828031572127284.781760.31015052032194.32192.33127284.781760.3103265177.81061266.8五、钻机选择中间套管在空气的重力为814kN,油层套管在空气中的重力953kN。钻机按80%的套管破断强度来选择最大钩载。即选F-200-2DH型钻机。钻柱最大重力726.6kN ,此时钻机钩载储备系数KST为六、机械破碎参数

19、设计钻头选型表A-8 各地层可钻级值地层ABCDEFGHIJ可钻级值0.611.392.1633.57.35.24.9第一次开钻（0705m）X22×1第二次开钻（7051505m）J11×1(7051160m)J22×1(11601505m)第三次开钻（15053265m）B22M×1(15052265m)J22×1(22652715m)J22×1(27153015m)ATMJ11×1(30153265m)钻压W,钻速n的确定表A-9 机械破岩参数钻头序号钻头尺寸mm类型钻进井段m地层钻压kN转速r/min纯钻h进尺m机械

20、钻速m/h0444.5X220705mA B C3020082546070511.751311J117051160C D210123845511.92311J2211601505 D E21025011582503456.93215.9B22M15052265E F G5080170120807609.54215.9J2222652715G H 16020087525045095215.9J2227153015H 16020087525030066215.9ATMJ1130153265H I J1602008752502505七、钻井液设计表层（0705m）采用高膨润土钻井液。，漏斗粘度601

21、00s，滤失水810ml，泥饼12mm，初切12Pa，终切力25Pa，pH值89.中间套管（7051505m）采用不分散聚合物钻井液体系钻井液密度按近平衡压力钻井确定，即中间套管钻井液性能设计列于表A-10.油层套管（15053265m）钻井液体系：由不分散聚合物体系过渡到分散型三磺体系。钻井液密度按近平衡压力钻井设计。钻井液性能列于表A-10.表A-10 钻井液设计地层分层深度m厚度m井段m钻井液体系钻井液性能密度g/cm3漏斗粘度s滤失水ml泥饼mm初切Pa终切Pa含沙量%PHA320320070510441.1060100810121223089B480160C1150670D14723

22、227051505膨润土浆不分散聚合物E17552831.1441.1493050580.51.502130.10.5810F217041515053265分散三磺G2700530H30893891.2541.3035070350.5103250.511012I315061J324595八、下部钻具组合设计第一次看开钻采用单稳器钟摆钻具设计数据:dc=228mm，qc=2803N/m，W=200 kN,D=444.5mm,Ds=440mm,=1°,I=1.3233×10-4m4，E=2.058×108kPa，1=0.5（0.4445-0.2286）=0.10795

23、m，2=0.5（0.4445-0.440）=0.00255.将以上数据代入计算式，可求得稳定器的理想安装高度LT.a=2×2.083×sin1°=0.385 c=-184.62×2.058×108×8.241×1.3233×10-4 (0.10795-0.42×0.00225-0.08×0.002252/0.10795)=-530.376×104第二次开钻采用刚性满眼组合设计数据:dc=203mm，qc=2194.32N/m，W=250 kN,D=311mm,Ds=308mm,=2&#

24、176;,，I=8.241×10-5m4，E=2.058×1011kPa，a=0.2.下稳定器位置为21.63×0.2=4.33m。在靠近钻头在装一只稳定器。第三次， 采用光钻铤组合。九、水力参数设计第一次开钻（0-705m）钻头序号：0#，444.5mm, X22设计数据：井深H=705m,m=1.044g/cm3,300=35,600=50,dc=228mmdi71.4mm×157m,dp=127mmdi9.02mm×548m,Db=444.5mm1. 确定流量Qmin=1.43344.452-12.7244.45×1.044=5

25、6.03l/sQmax=1.84344.452-12.7244.45×1.044=72.06/s由ZPN-800B钻井泵水功率特性表查得170mm缸套，Qr=28.41l/s,Pr=14.21MPa,选用两台ZPN-800B，Q=2×28.41=56.82l/s。钻井液流变参数 n=3.322log5035=0.515K=0.51×355110.515=0.719Pasn2. 计算循环压耗Pc钻杆内流速Vpi=56.820.0785×9.022=8.9m/s钻杆外环空流速Vpo=56.820.0785(44.452-12.72)=0.399m/s钻铤内流

26、速Vdi=56.820.0785×7.142=14.2m/s钻铤外环空流速Vdo=56.820.0785(44.452-22.82)=0.497m/sRepi=10×8001-0.515×9.020.515×8.92-0.515×1.0440.719（3×0.515+14×0.515）0.515=26574Redi=10×8001-0.515×7.140.515×14.22-0.515×1.0440.719（3×0.515+14×0.515）0.515=47150R

27、epo=10×12001-0.515×(44.45-12.7)0.515×0.3992-0.515×1.0440.719（2×0.515+13×0.515）0.515=595Redo=10×12001-0.515×(44.45-22.8)0.515×0.4972-0.515×1.0440.719（2×0.515+13×0.515）0.515=677a=log0.515+3.9350=0.0728b=1.75-log0.5157=0.291fpi=0.0728265740.29

28、1=0.00375fdi=0.0728471500.291=0.00318fpo=24595=0.0403fdo=24677=0.0354Pc=32.4×56.822×1.0440.00375×5489.025+0.00318×1577.145+0.0354×157(44.45-22.8)3(44.45+22.8)2+0.0403×548(44.45-12.7)3(44.45+12.7)2=6.7MPa3. 计算钻头压降PbPb=14.21-6.7=7.51MPa4. 计算喷嘴当量直径de取流量系数C=0.98de=40.0811&#

29、215;1.044×56.8220.982×7.51=2.481cm5. 计算喷嘴组合采用三不等径组合，选取J1=15.88mm,J2=14.29mm,J3=12.70mm。de=15.882+14.292+12.702=24.81mm计算功能参数Nb=PbQ=7.51×56.82=426KWNc=1.273PbQDb2=1.273×7.51×56.8244.452=0.275KW/cm2Fb=mQ2As=1.044×56.8220.785×24.812=6.975KNVb=1000QAs=1000×56.820.

30、785×24.812=117m/s第二次开钻（7051505m）钻头序号：1，311mm,J11设计数据：H=1160m,m=1.144g/cm3,300=20,600=30, dc=203mmdi71.4mm,Lc=192m,dp=127mmdi9.02mm。1. 确定流量Qmin=1.43331.112-12.7231.11×1.144=32.47l/sQmax=1.84331.112-12.7231.11×1.144=41.76l/s由3NB-800钻井泵水功率特性表查得160mm缸套，Qr=34.73l/s,Pr=15.3MPa。钻井液流变参数 n=3.3

31、22log3020=0.585K=0.51×205110.515=0.419Pasn2.计算循环压耗Pc钻杆内流速Vpi=34.730.0785×9.022=5.4m/s钻杆外环空流速Vpo=34.730.0785(31.112-12.72)=0.548m/s钻铤内流速Vdi=34.730.0785×7.142=8.68m/s钻铤外环空流速Vdo=34.730.0785(31.112-20.32)=0.796m/sRepi=10×8001-0.585×9.020.585×5.42-0.585×1.1440.419（3

32、5;0.585+14×0.585）0.585=15654Redi=10×8001-0.585×7.140.585×8.682-0.585×1.1440.419（3×0.585+14×0.585）0.585=26725Repo=10×12001-0.585×(31.11-12.7)0.585×0.5482-0.585×1.1440.419（2×0.585+13×0.585）0.585=982Redo=10×12001-0.585×(31.11-20

33、.3)0.585×0.7962-0.515×1.1440.419（2×0.585+13×0.585）0.585=1220a=log0.585+3.9350=0.0739b=1.75-log0.5857=0.283fpi=0.0739156540.283=0.00480fdi=0.0739267250.283=0.00412fpo=24982=0.0244fdo=241220=0.0197Pc=32.4×34.732×1.1440.00480×2639.025+0.00412×1927.145+0.0197×

34、;192(31.11-20.3)3(31.11+20.3)2+0.0244×263(31.11-12.7)3(31.11+12.7)2=2.9MPa3.计算钻头压降PbPb=15.3-2.9=12.4MPa4.计算喷嘴当量直径de取流量系数C=0.98de=40.0811×1.144×34.7320.982×12.4=1.751cm5.计算喷嘴组合采用三不等径组合，选取J1=14.29mm,J2=7.94mm,J3=6.35mm。de=14.292+7.942+6.352=17.51mm计算功能参数Nb=PbQ=12.4×34.73=430KW

35、Nc=1.273PbQDb2=1.273×12.4×34.7331.112=0.565KW/cm2Fb=mQ2As=1.144×34.7320.785×17.512=5.73KNVb=1000QAs=1000×34.730.785×17.512=144m/s第三次开钻（15053265m）钻头序号：4#，215.9mm,J22设计数据：H=2715m,m=1.254g/cm3,300=32,600=47, dc=177.8mmdi71.4mm,Lc=267m,dp=127mmdi9.02mm。2. 确定流量Qmin=1.43321.5

36、92-12.7221.59×1.254=16.1l/sQmax=1.84321.592-12.7221.59×1.254=20.75l/s由3NB-800钻井泵水功率特性表查得120mm缸套，Qr=19.56l/s,Pr=27.08MPa。钻井液流变参数 n=3.322log4732=0.555K=0.51×325110.555=0.512Pasn2.计算循环压耗Pc钻杆内流速Vpi=19.560.0785×9.022=3.06m/s钻杆外环空流速Vpo=19.560.0785(21.592-12.72)=0.817m/s钻铤内流速Vdi=19.560.

37、0785×7.142=4.89m/s钻铤外环空流速Vdo=19.560.0785(21.592-17.782)=1.66m/sRepi=10×8001-0.555×9.020.555×3.062-0.555×1.2540.512（3×0.555+14×0.555）0.555=7393Redi=10×8001-0.555×7.140.555×4.892-0.555×1.2540.512（3×0.555+14×0.555）0.555=12785Repo=10×12001-0.555×(21.59-12.7)0.555×0.8172-0.555×1.2540.512（2×0.555+13×0.555）0.555=2430Redo=10×12001-0.555×(21.59-17.78)0.555×1.662-0.555×1.2540.51