2025年井下作业工高级工计算试题及答案

2025年井下作业工高级工计算试题及答案一、管柱力学综合计算1.某井需下入Φ73mm（2-7/8″）N80油管进行修井作业，油管单根长度9.6m，总下入根数285根，钢级N80的屈服强度为552MPa，油管壁厚5.51mm。井内修井液密度1.15g/cm³，重力加速度取9.8m/s²，钢材密度7.85g/cm³。计算：（1）油管在空气中的总重量（kN）；（2）油管在修井液中的浮重（kN）；（3）若油管悬挂器最大承载能力为1200kN，判断是否需使用加重杆（需写出判断依据）。2.某井使用Φ127mm钻杆进行打捞作业，钻杆钢级G105（弹性模量2.06×10⁵MPa），单根长度9.45m，下入210根，钻杆壁厚9.19mm。井口施加上提拉力1500kN时，测得钻杆伸长量为0.85m。计算此时钻杆所受的实际拉应力（MPa），并判断是否超过G105钻杆的屈服强度（G105屈服强度724MPa）。二、卡点及解卡力计算1.某井油管遇卡，已知油管为Φ73mmN80（壁厚5.51mm，弹性模量2.06×10⁵MPa），卡点以上油管总长度2800m。在井口施加上提拉力F=800kN时，测得油管伸长量ΔL=1.2m。按胡克定律计算卡点深度L（m）（公式：ΔL=FL/(EA)，E为弹性模量，A为油管截面积）。2.某井钻杆遇卡，卡点深度3200m，钻杆为Φ127mmG105（壁厚9.19mm），井内修井液密度1.20g/cm³。需计算解卡时至少需要的上提力（kN），已知钻杆在空气中每米重量310N，浮力系数取0.85（浮力系数=1-修井液密度/钢材密度，钢材密度7.85g/cm³）。三、泵类设备性能计算1.某修井作业使用三缸单作用柱塞泵，柱塞直径100mm，冲程长度200mm，冲次60次/分钟，泵效85%。计算：（1）泵的理论排量（m³/h）；（2）实际排量（m³/h）（π取3.14）。2.某注水井采用离心泵注水，泵出口压力18MPa，井口压力15MPa，管线总长度3500m，管径Φ89mm（壁厚6mm），水的密度1000kg/m³，摩阻系数0.02。计算管线沿程摩阻损失（MPa），并验证是否符合能量守恒（沿程摩阻公式：ΔP=λ×(L/D)×(ρv²)/2，v为流速，v=Q/(πr²)，Q为排量，假设Q=0.03m³/s）。四、酸化作业参数计算1.某井需进行盐酸酸化，目的层厚度8m，油层孔隙度20%，有效渗透率50mD，地层压力15MPa，井眼半径0.1m。设计酸液有效作用半径1.2m，酸液浓度15%（质量分数），盐酸与碳酸钙反应的摩尔比为2:1（2molHCl反应1molCaCO3），地层中碳酸钙含量12%（体积分数），岩石密度2.65g/cm³。计算：（1）酸液需要溶蚀的碳酸钙体积（m³）；（2）所需15%盐酸溶液的质量（t）（HCl摩尔质量36.5g/mol，CaCO3摩尔质量100g/mol）。2.某酸化作业需配置胶凝酸，配方为：90%工业盐酸（浓度31%）、5%胶凝剂、3%缓蚀剂、2%铁离子稳定剂。若需配置80m³胶凝酸（酸液密度1.08g/cm³），计算各组分的体积（m³）及工业盐酸的质量（t）。五、压裂施工参数计算1.某井压裂施工，设计总液量1200m³，其中前置液400m³，携砂液600m³（平均砂比25%），顶替液200m³。支撑剂密度2.65g/cm³，压裂液密度1.05g/cm³。计算：（1）携砂液中支撑剂总质量（t）；（2）若砂比按体积比计算（砂比=支撑剂体积/(支撑剂体积+压裂液体积)），实际携砂液中压裂液体积（m³）。2.某压裂井层破裂压力梯度0.018MPa/m，油层中部深度3500m，施工排量4.5m³/min，压裂液在裂缝中的摩阻系数0.005MPa·m/(m³·min)，裂缝长度120m。计算施工时井口需要的泵压（MPa）（井口泵压=破裂压力+裂缝摩阻）。答案一、管柱力学综合计算1.（1）油管在空气中总重量计算：油管体积V=π×(D²-d²)/4×L总，其中D=73mm=0.073m，d=D-2×壁厚=73-2×5.51=61.98mm=0.06198m，单根长度9.6m，总长度L总=285×9.6=2736m。V=3.14×(0.073²-0.06198²)/4×2736≈3.14×(0.005329-0.003842)/4×2736≈3.14×0.001487/4×2736≈0.001168×2736≈3.197m³。空气中重量G=ρ钢×V×g=7850kg/m³×3.197m³×9.8m/s²≈7850×3.197×9.8≈24996.45×9.8≈244965N≈245kN。（2）浮重计算：浮力F浮=ρ液×V×g=1150kg/m³×3.197m³×9.8≈1150×3.197×9.8≈3676.55×9.8≈36030N≈36kN。浮重=空气中重量-浮力=245-36=209kN。（3）判断：油管浮重209kN＜悬挂器最大承载1200kN，无需加重杆。2.钻杆拉应力计算：钻杆截面积A=π×(D²-d²)/4，D=127mm=0.127m，d=127-2×9.19=108.62mm=0.10862m。A=3.14×(0.127²-0.10862²)/4≈3.14×(0.016129-0.01180)/4≈3.14×0.004329/4≈0.00339m²。拉应力σ=F/A=1500×10³N/0.00339m²≈442,478,000Pa≈442.5MPa＜724MPa，未超过屈服强度。二、卡点及解卡力计算1.卡点深度计算：油管截面积A=π×(D²-d²)/4=3.14×(0.073²-0.06198²)/4≈0.001168m²（同第一题）。由ΔL=FL/(EA)得L=ΔL×EA/F。E=2.06×10⁵MPa=2.06×10¹¹Pa，ΔL=1.2m，F=800×10³N。L=1.2×2.06×10¹¹×0.001168/(800×10³)=1.2×2.06×10¹¹×0.001168/8×10⁵≈1.2×2.06×116800/8×10⁵≈1.2×2.06×146≈1.2×300.76≈360.9m。卡点深度=总长度-自由段长度=2800-360.9≈2439.1m（注：公式中L为自由段长度，卡点深度=总长度-L）。2.解卡力计算：钻杆在修井液中每米浮重=310N×浮力系数=310×0.85=263.5N/m。卡点以上钻杆总浮重=3200m×263.5N/m=843,200N=843.2kN。解卡力需至少等于卡点以上钻杆浮重，即843.2kN（实际需考虑安全系数，此处取理论值）。三、泵类设备性能计算1.（1）理论排量Q理=3×(πr²×S×n)×60（三缸，单作用）。r=100mm/2=0.05m，S=0.2m，n=60次/分钟。Q理=3×(3.14×0.05²×0.2×60)×60=3×(3.14×0.0025×0.2×60)×60=3×(0.000785×12)×60=3×0.00942×60=0.02826×60=1.6956m³/h≈1.70m³/h。（2）实际排量Q实=Q理×泵效=1.70×0.85≈1.445m³/h。2.沿程摩阻计算：管径内径d=89-2×6=77mm=0.077m，截面积A=π×(0.077/2)²≈0.00465m²。流速v=Q/A=0.03/0.00465≈6.45m/s。ΔP=λ×(L/D)×(ρv²)/2=0.02×(3500/0.077)×(1000×6.45²)/2≈0.02×45454.55×(1000×41.60)/2≈0.02×45454.55×20800≈0.02×945,454,545≈18,909,090Pa≈18.91MPa。验证：泵出口压力18MPa，井口压力15MPa，摩阻损失应为18-15=3MPa，但计算得18.91MPa，明显矛盾，说明假设排量Q=0.03m³/s过大（实际注水井排量通常远低于此，可能题目参数需调整）。四、酸化作业参数计算1.（1）碳酸钙体积=油层体积×孔隙度×碳酸钙含量。油层体积=π×(r有效²-r井眼²)×h=3.14×(1.2²-0.1²)×8=3.14×(1.44-0.01)×8=3.14×1.43×8≈35.96m³。碳酸钙体积=35.96×20%×12%=35.96×0.024≈0.863m³。（2）碳酸钙质量=0.863m³×2650kg/m³≈2286.95kg=2286950g。碳酸钙物质的量=2286950g/100g/mol=22869.5mol。需HCl物质的量=2×22869.5=45739mol。HCl质量=45739mol×36.5g/mol≈1,669,473.5g≈1669.47kg。15%盐酸溶液质量=1669.47kg/0.15≈11129.8kg≈11.13t。2.各组分体积：工业盐酸体积=80×90%=72m³；胶凝剂=80×5%=4m³；缓蚀剂=80×3%=2.4m³；铁离子稳定剂=80×2%=1.6m³。工业盐酸质量=72m³×1080kg/m³=77760kg=77.76t（酸液密度1.08g/cm³=1080kg/m³）。五、压裂施工参数计算1.（1）支撑剂质量=携砂液体积×砂比×支撑剂密度。砂比25%（质量比）时，支撑剂质量=600m³×1.05t/m³×25%/(1-25%)×2.65t/m³（注：砂比为质量比时，需考虑压裂液与支撑剂的质量关系；若为体积比则直接计算）。假设砂比为体积比：支撑剂体积=600×25%=150m³，质量=150×2650kg/m³=397,500kg=397.5t。（2）体积比砂