石油钻井钻具组合设计计算书

钻具组合设计计算,,,,,,,,,

序号,计算项目,符号表示,参数来源,计算公式,国际单位,计算结果,参数说明,规范依据,其他说明

,一、基础设计参数录入,,,,,,,,

1,设计井深,H,设计值,,m,3000,设计的最大钻井深度,SY/T5431-2017,直井设计井深

2,钻井液密度,ρm,设计值,,kg/m³,1200,正常钻进时的钻井液密度,SY/T5431-2017,

3,钻压设计值,WOB,设计值,,N,180000,钻头施加的钻压,SY/T5431-2017,硬地层钻进钻压

4,转盘转速,n,设计值,,r/min,120,转盘的转速,SY/T5431-2017,正常钻进转速

5,钻井液排量,Q,设计值,,m³/s,0.03,钻井泵的循环排量,SY/T5431-2017,正常循环排量

6,地层压力系数,Kp,设计值,,,1.2,地层压力与静液柱压力比值,GB/T20657-2006,

7,井口最大压力,P_well,设计值,,Pa,5000000,井控工况下的井口最大压力,GB/T20657-2006,井控作业压力

8,井底地层温度,T_form,设计值,,℃,120,井底静止地层温度,SY/T5431-2017,

9,地表温度,T_surface,设计值,,℃,25,地表平均温度,SY/T5431-2017,

10,钻杆外径,D_p,选用值,,m,0.127,钻杆本体外径,GB/T20657-2006,5英寸钻杆

11,钻杆内径,d_p,选用值,,m,0.1086,钻杆本体内径,GB/T20657-2006,5英寸钻杆内径

12,钻杆钢级,Grade_p,选用值,,,S135,钻杆材料钢级,API5CT,S135高强度钢级

13,钻杆空线重,w_p,选用值,,N/m,284.7,钻杆单位长度重量（空气中）,GB/T20657-2006,5英寸S135钻杆线重

14,钻杆长度,L_p,选用值,,m,2700,钻杆入井总长度,SY/T5431-2017,钻杆段长度

15,加重钻杆外径,D_h,选用值,,m,0.127,加重钻杆本体外径,GB/T20657-2006,5英寸加重钻杆

16,加重钻杆内径,d_h,选用值,,m,0.0762,加重钻杆本体内径,GB/T20657-2006,5英寸加重钻杆内径

17,加重钻杆钢级,Grade_h,选用值,,,S135,加重钻杆材料钢级,API5CT,S135高强度钢级

18,加重钻杆空线重,w_h,选用值,,N/m,570.2,加重钻杆单位长度重量（空气中）,GB/T20657-2006,5英寸加重钻杆线重

19,加重钻杆长度,L_h,选用值,,m,100,加重钻杆入井总长度,SY/T5431-2017,加重钻杆段长度

20,钻铤外径,D_c,选用值,,m,0.1778,钻铤本体外径,GB/T20657-2006,7英寸钻铤

21,钻铤内径,d_c,选用值,,m,0.0762,钻铤本体内径,GB/T20657-2006,7英寸钻铤内径

22,钻铤钢级,Grade_c,选用值,,,S135,钻铤材料钢级,API5CT,S135高强度钢级

23,钻铤空线重,w_c,选用值,,N/m,1465.3,钻铤单位长度重量（空气中）,GB/T20657-2006,7英寸钻铤线重

24,钻铤长度,L_c,选用值,,m,200,钻铤入井总长度,SY/T5431-2017,钻铤段长度

25,钻具总长度,L_total,计算值,L_p+L_h+L_c,m,3000,整个钻柱的入井总长度,SY/T5431-2017,钻柱总长度

,二、钻柱轴向力与中和点计算,,,,,,,,

26,钢材密度,ρs,查表值,,kg/m³,7850,标准钢材的密度,GB/T20657-2006,通用钢材密度

27,浮力系数,Kf,计算值,1-ρm/ρs,,0.847133758,考虑钻井液浮力的修正系数,SY/T5431-2017,浮重法修正系数

28,钻铤浮重,W_c,计算值,w_c*L_c*Kf,N,248261.0191,钻铤在钻井液中的总有效重量,SY/T5431-2017,钻铤段有效重量

29,加重钻杆浮重,W_h,计算值,w_h*L_h*Kf,N,48303.56688,加重钻杆在钻井液中的总有效重量,SY/T5431-2017,加重钻杆段有效重量

30,钻杆浮重,W_p,计算值,w_p*L_p*Kf,N,651183.2484,钻杆在钻井液中的总有效重量,SY/T5431-2017,钻杆段有效重量

31,钻柱总浮重,W_total,计算值,W_c+W_h+W_p,N,947747.8344,整个钻柱在钻井液中的总有效重量,SY/T5431-2017,钻柱总有效重量

32,中和点位置（钻头起）,Ln,计算值,WOB/(w_c*Kf),m,145.0086692,中和点距离钻头的长度,SY/T5431-2017,轴向力为零的位置

33,中和点位置（井口起）,Ln_s,计算值,L_total-Ln,m,2854.991331,中和点距离井口的长度,SY/T5431-2017,井口到中和点的距离

34,井口处钻柱轴向拉力,Q0,计算值,W_total-WOB,N,767747.8344,井口处的轴向拉力,SY/T5431-2017,大钩承受的载荷

35,钻杆与加重钻杆交接处拉力,Q1,计算值,W_p,N,651183.2484,交接处的轴向拉力,SY/T5431-2017,该位置的轴向载荷

36,加重钻杆与钻铤交接处拉力,Q2,计算值,W_p+W_h,N,699486.8153,交接处的轴向拉力,SY/T5431-2017,该位置的轴向载荷

37,钻头处钻柱轴向压力,Q_bit,计算值,WOB,N,180000,钻头处的轴向压力,SY/T5431-2017,施加给钻头的钻压

,三、钻柱强度校核,,,,,,,,

38,钻杆横截面积,A_p,计算值,π*(D_p²-d_p²)/4,m²,0.003404732,钻杆本体的横截面积,GB/T20657-2006,钻杆截面面积

39,加重钻杆横截面积,A_h,计算值,π*(D_h²-d_h²)/4,m²,0.00810732,加重钻杆本体的横截面积,GB/T20657-2006,加重钻杆截面面积

40,钻铤横截面积,A_c,计算值,π*(D_c²-d_c²)/4,m²,0.020268299,钻铤本体的横截面积,GB/T20657-2006,钻铤截面面积

41,钻杆最小屈服强度,Yp_p,查表值,,Pa,931000000,S135钢级最小屈服强度,API5CT,931MPa屈服强度

42,加重钻杆最小屈服强度,Yp_h,查表值,,Pa,931000000,S135钢级最小屈服强度,API5CT,931MPa屈服强度

43,钻铤最小屈服强度,Yp_c,查表值,,Pa,931000000,S135钢级最小屈服强度,API5CT,931MPa屈服强度

44,拉伸安全系数,S_t,查表值,,,1.5,拉伸强度安全系数,IADC推荐值,行业通用安全系数

45,井口处钻柱拉应力,σ0,计算值,Q0/A_p,Pa,225494321.4,井口处的轴向拉应力,SY/T5431-2017,井口位置拉应力

46,钻杆与加重钻杆交接处拉应力,σ1,计算值,Q1/A_p,Pa,191258272.8,交接处的轴向拉应力,SY/T5431-2017,该位置拉应力

47,加重钻杆与钻铤交接处拉应力,σ2,计算值,Q2/A_h,Pa,86278430.37,交接处的轴向拉应力,SY/T5431-2017,该位置拉应力

48,钻头处钻柱压应力,σ_bit,计算值,Q_bit/A_c,Pa,8880863.586,钻头处的轴向压应力,SY/T5431-2017,钻头位置压应力

49,钻柱最大拉应力,σ_max_t,计算值,"MAX(σ0,σ1,σ2)",Pa,225494321.4,钻柱的最大轴向拉应力,SY/T5431-2017,整个钻柱最大拉应力

50,钻柱许用拉应力,σ_allow_t,计算值,Yp_p/S_t,Pa,620666666.7,钻柱的许用拉应力,IADC,考虑安全系数的许用值

51,拉应力校核结果,,计算值,"IF(σ_max_t<σ_allow_t,""满足"",""不满足"")",,满足,拉应力是否满足要求,SY/T5431-2017,最大拉应力不超许用则满足

52,最大内压值,P_i_max,计算值,P_well+ρm*g*L_total,Pa,40316000,井控工况下的最大内压,GB/T20657-2006,管内最大工作压力

53,钻杆壁厚,t_p,计算值,(D_p-d_p)/2,m,0.0092,钻杆本体的壁厚,GB/T20657-2006,钻杆壁厚

54,钻铤壁厚,t_c,计算值,(D_c-d_c)/2,m,0.0508,钻铤本体的壁厚,GB/T20657-2006,钻铤壁厚

55,钻杆抗内压强度,P_i_p,计算值,0.875*2*Yp_p*t_p/D_p,Pa,118024409.4,钻杆的最小内屈服压力,GB/T20657-2006,钻杆抗内压强度

56,钻铤抗内压强度,P_i_c,计算值,0.875*2*Yp_c*t_c/D_c,Pa,465500000,钻铤的最小内屈服压力,GB/T20657-2006,钻铤抗内压强度

57,内压安全系数,S_i,查表值,,,1.25,内压强度安全系数,API5CT,行业通用安全系数

58,钻杆抗内压校核,,计算值,"IF(P_i_max<P_i_p/S_i,""满足"",""不满足"")",,满足,钻杆抗内压是否满足,GB/T20657-2006,最大内压不超许用则满足

59,钻铤抗内压校核,,计算值,"IF(P_i_max<P_i_c/S_i,""满足"",""不满足"")",,满足,钻铤抗内压是否满足,GB/T20657-2006,最大内压不超许用则满足

60,最大外挤压力,P_o_max,计算值,ρm*g*L_total,Pa,35316000,管内空时的最大外挤压力,GB/T20657-2006,管外最大压力

61,钻杆抗外挤强度,P_o_p,查表值,,Pa,85000000,5英寸S135钻杆抗外挤强度,API5CT,查表得到的抗外挤强度

62,钻铤抗外挤强度,P_o_c,查表值,,Pa,120000000,7英寸S135钻铤抗外挤强度,API5CT,查表得到的抗外挤强度

63,外挤安全系数,S_o,查表值,,,1.25,外挤强度安全系数,API5CT,行业通用安全系数

64,钻杆抗外挤校核,,计算值,"IF(P_o_max<P_o_p/S_o,""满足"",""不满足"")",,满足,钻杆抗外挤是否满足,GB/T20657-2006,最大外挤不超许用则满足

65,钻铤抗外挤校核,,计算值,"IF(P_o_max<P_o_c/S_o,""满足"",""不满足"")",,满足,钻铤抗外挤是否满足,GB/T20657-2006,最大外挤不超许用则满足

66,钻柱传递总扭矩,M_total,设计值,,N·m,15000,钻柱传递的总转盘扭矩,SY/T5431-2017,正常钻进扭矩

67,钻杆抗扭截面系数,Wt_p,计算值,π*(D_p^4-d_p^4)/(16*D_p),m³,0.000187146,钻杆的抗扭截面系数,材料力学,抗扭截面系数

68,钻铤抗扭截面系数,Wt_c,计算值,π*(D_c^4-d_c^4)/(16*D_c),m³,0.001066402,钻铤的抗扭截面系数,材料力学,抗扭截面系数

69,钻杆剪应力,τ_p,计算值,M_total/Wt_p,Pa,80151291.87,钻杆的扭转剪应力,材料力学,扭转剪应力

70,钻铤剪应力,τ_c,计算值,M_total/Wt_c,Pa,14065989.03,钻铤的扭转剪应力,材料力学,扭转剪应力

71,剪应力安全系数,S_τ,查表值,,,1.5,剪应力安全系数,IADC,行业通用安全系数

72,许用剪应力,τ_allow,计算值,0.577*Yp_p/S_τ,Pa,358124666.7,许用剪应力,第三强度理论,vonMises准则许用值

73,钻杆剪应力校核,,计算值,"IF(τ_p<τ_allow,""满足"",""不满足"")",,满足,钻杆剪应力是否满足,材料力学,剪应力不超许用则满足

74,钻铤剪应力校核,,计算值,"IF(τ_c<τ_allow,""满足"",""不满足"")",,满足,钻铤剪应力是否满足,材料力学,剪应力不超许用则满足

75,井口处复合应力,σ_r0,计算值,√(σ0²+4*τ_p²),Pa,276666961.1,井口处的拉扭复合应力,第三强度理论,拉扭复合应力

76,中和点处复合应力,σ_rn,计算值,√(0²+4*τ_p²),Pa,160302583.7,中和点处的复合应力,第三强度理论,中和点仅受剪应力

77,钻头处复合应力,σ_rbit,计算值,√(σ_bit²+4*τ_c²),Pa,29500473.34,钻头处的压扭复合应力,第三强度理论,压扭复合应力

78,最大复合应力,σ_r_max,计算值,"MAX(σ_r0,σ_rn,σ_rbit)",Pa,276666961.1,钻柱的最大复合应力,第三强度理论,整个钻柱最大复合应力

79,许用复合应力,σ_r_allow,计算值,Yp_p/S_t,Pa,620666666.7,许用复合应力,第三强度理论,考虑安全系数的许用值

80,复合应力校核结果,,计算值,"IF(σ_r_max<σ_r_allow,""满足"",""不满足"")",,满足,复合应力是否满足,SY/T5431-2017,最大复合应力不超许用则满足

,四、钻柱稳定性计算,,,,,,,,

81,钢材弹性模量,E,查表值,,Pa,2.1E+11,标准钢材的弹性模量,材料力学,210GPa弹性模量

82,钻铤截面惯性矩,I_c,计算值,π*(D_c^4-d_c^4)/64,m^4,4.74016E-05,钻铤的截面惯性矩,材料力学,截面惯性矩

83,钻铤段长度,L_c,选用值,,m,200,底部钻铤段的长度,SY/T5431-2017,受压段长度

84,欧拉临界压力,P_cr,计算值,π²*E*I_c/L_c²,N,2456.13254,压杆稳定的欧拉临界压力,欧拉公式,压杆稳定临界压力

85,钻压与临界压力比值,λ,计算值,WOB/P_cr,,73.28594735,实际钻压与临界压力的比值,SY/T5431-2017,比值小于1则稳定

86,钻柱稳定性校核结果,,计算值,"IF(λ<1,""满足"",""不满足"")",,不满足,钻柱稳定性是否满足,压杆稳定理论,实际钻压小于临界则稳定

,五、钻柱变形计算,,,,,,,,

87,自重引起的钻柱伸长量,dL1,计算值,(W_total*L_total)/(2*E*A_p),m,1.988299368,自重引起的钻柱轴向伸长,材料力学,自重的平均拉力伸长

88,钻压引起的钻铤压缩量,dL2,计算值,(WOB*L_c)/(E*A_c),m,0.008457965,钻压引起的钻铤轴向压缩,材料力学,钻压的压缩变形

89,温度引起的钻柱伸长量,dL3,计算值,α*(T_form-T_surface)*L_total,m,3.42,温度变化引起的热伸长,热膨胀理论,线膨胀系数1.2e-5/℃

90,钻柱总伸长量,dL_total,计算值,dL1-dL2+dL3,m,5.399841403,钻柱的总轴向变形量,SY/T5431-2017,伸长为正，压缩为负

,六、水力参数计算,,,,,,,,

91,钻井液塑性粘度,PV,设计值,,Pa·s,0.02,钻井液的塑性粘度,钻井液工艺,钻井液流变参数

92,钻井液动切力,YP,设计值,,Pa,5,钻井液的动切力,钻井液工艺,钻井液流变参数

93,管道流动摩阻系数,f,查表值,,,0.02,管流的范宁摩阻系数,范宁公式,通用摩阻系数

94,钻杆内钻井液流速,v_p,计算值,Q/(π*d_p²/4),m/s,3.238707469,钻井液在钻杆内的流速,水力计算,管内流速

95,钻杆内循环压耗,ΔP_p,计算值,f*ρm*v_p²*L_p/(2*d_p),Pa,3129382.364,钻杆内的循环压耗,范宁公式,管内压耗

96,钻铤内钻井液流速,v_c,计算值,Q/(π*d_c²/4),m/s,6.578417471,钻井液在钻铤内的流速,水力计算,管内流速

97,钻铤内循环压耗,ΔP_c,计算值,f*ρm*v_c²*L_c/(2*d_c),Pa,1363010.281,钻铤内的循环压耗,范宁公式,管内压耗

98,环空钻井液流速,v_a,计算值,Q/(π*(D_well²-D_c²)/4),m/s,2.546484182,环空的钻井液流速,水力计算,环空流速，井眼8.5英寸

99,环空循环压耗,ΔP_a,计算值,f*ρm*v_a²*L_total/(2*(D_well-D_c)),Pa,6127163.803,环空的循环压耗,范宁公式,环空压耗

100,钻头压降,ΔP_bit,设计值,,Pa,3