哈尔滨石油学院 石油工程 钻井工程设计

1、哈尔滨石油学院课程设计 I 前言 钻井（drilling）是利用机械设备，将地层钻成具有一定深度的圆柱形孔眼的 工程。按岩石破碎方式和所用钻井施工现场工具类型，又可分为顿钻和旋转钻。 在地质工作中，利用钻探设备向地下钻成的直径较小、深度较大的柱状圆孔，又 称钻孔。钻井直径和深度大小，取决于钻井用途及矿产埋藏深度等。钻探石油、 天然气以及地下水的钻井直径都较大。主要功用为： 1.取地下实物资料，即从钻井中采取岩心、矿心、岩屑、液态样、气态样等。 2.作为地球物理测井通道，获取岩矿层各种地球物理场的资料。 3.作为人工通道观测地下水层水文地质动态情况。 4.用作探、采结合，开发地下水、油气、地热等

2、的钻井。 搞好钻井工程设计也是提高技术管理和加强企业管理水平的一项重要措施， 是钻井生产实现科学化管理的前提。钻井工程设计应包括以下方面的内容： 1.地面井位的选择及钻井设备的确定； 2.井身结构的确定； 3.钻柱设计与下部钻具的组合； 4.钻井参数设计； 5.钻井液设计； 6.油气井压力控制； 7.固井设计； 钻井设计基本原则 1. 钻井的目的：是为勘探和开发油气田服务。 2. 钻井设计必须国家及政府有关机构的规定和要求，保证钻井设计的合法性。 3. 钻井设计应体现安全第一的原则。大到井身结构，小到每一项作业程序，都要 重视安全，既要重视井下安全，也要重视地面安全，把安全第一的原则贯穿到整

3、个设计中。对于重大的作业和风险大的作业，还应制定相应的安全应急程序。 哈尔滨石油学院课程设计 I 目目 录录 第第 1 章章 设计资料的收集设计资料的收集 .1 1.1 预设计井基本参数表.1 1.2 邻井基本参数.1 第第 2 章章 井身结构设计井身结构设计 .5 2.1 钻井液的压力体系.6 2.2 井身结构的设计.6 结论统计.8 第第 3 章章 套管柱强度设计套管柱强度设计 .9 3.1 油层套管柱设计.10 3.2 表层套管柱设计.12 3.3 设计结果.13 第第 4 章章 钻柱设计钻柱设计 .14 4.1 钻铤的设计.15 4.2 钻铤、钻杆长度的计算.15 4.3 设计结果.2

4、0 第第 5 章章 钻井液设计钻井液设计 .21 5.1 钻井液的选择.22 5.2 钻井液密度的转换.23 5.3 钻井液设计.23 5.4 结论统计.24 第第 6 章章 钻井水力参数设计钻井水力参数设计 .25 6.1 泵的选择.26 6.2 泵的各种参数计算.27 第第 7 章章 注水泥设计注水泥设计 .32 7.1 水泥浆的用量.33 7.2 所需干泥灰，清水的用量.34 7.3 顶替时间的计算.35 7.4 设计结果.36 第第 8 章章 设计结果设计结果 .37 哈尔滨石油学院课程设计 1 第 1 章 设计资料的收集 1.1 预设计井基本参数表 井 号 SJ0064 井 别 预探

5、井 坐 标 21603564,5023672 设计井 深 1700 井口海 拔 128 目的层 位 p 完井层 位 青 23 段 地理位 置 升南，宋芳屯 构造位 置 松辽盆地中央坳陷区三肇 凹 陷永乐向斜 设计依 据 1. 设计依据 （1）1997 年勘探方案审定纪要 （2）本地区地震 T1，T2 构造图。 2. 钻井目的 （1）证实该目的层是否为构造类型油 气藏，以及岩性因素对油气藏影响程度。 （2）查明该区的油气情况。 （3）查明该区的储层特性。 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 永乐 区块 导管250 2

6、0 3391.051.2 25 永乐 区块 油层200 1995 16201.21.25 1625 2.地层压力 井号井段地层压力(g/cm2)破裂压力(g/cm2) 永乐区块0250 0. 851.45 永乐区块2504500.86 1.46 哈尔滨石油学院课程设计 2 永乐区块450650 0.91.458 永乐区块6508500.91 1.5 永乐区块8501050 0.921.52 永乐区块10501250 0.951.55 永乐区块12501450 11.59 永乐区块 1450-16201.11.65 3.钻具组合 井号井段 钻头外 径(mm) 密度 (g/cm3) 钻具组合 永乐

7、区 块 -16202001.2-1.25 17818195 方接头 +15918+184 螺旋扶正器 +1599+184 螺旋扶正器+75 4.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 ) 永 乐 区 块 嫩 3 段 -第四 系 0- 1050 两性 复合 离子 钻井 液 1.05- 1.15 30- 40 8.5-9 .5- 2 8-184-9 .6-.75 .1-.3 1-5 永 乐 区 块 嫩 2 段 -明 2 段

8、1050- 1620 两性 复合 离子 钻井 液 1.2- 1.25 30- 455 8.5- 9 1- 2.5 13-236-12.6-.7 .2- .4 1-4 哈尔滨石油学院课程设计 3 5.水力参数 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) 永乐 区块 0-11002003B大庆10+10+10120-140195-200 33-35 1.05- 1.15 永乐 区块 1100- 1620 200 FM20 2 大 港9+9+9+930-40 195-200 33-

9、35 1.2-1.25 7.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 永乐 区块 常规 表层 0-10139 J-55 7.7210.2534.953.2366.7 永乐 区块 常规 油层 10-1360 139J-55 6.21350 28.12 34.72.251.25 永乐 区块 常规 油层 1360- 1620 139J-55 7.722606.586.58 17.03 1.71 井号 钻头 尺寸 (mm) 井段(m) 泵压 (MPa) 钻头 压降 (MPa) 环空

10、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(%) 永乐 区块 200 0-110015.6613.771.89 6149463141.88 87.95 永乐 区块 200 1100- 1620 1062.56 4.05 92 1946 1.88 69.31 哈尔滨石油学院课程设计 4 8.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

11、品 种 外加剂 量(kg) 永乐 区块 油层1.251310 1.85- 1.9 0G 级2400 哈尔滨石油学院课程设计 5 第 2 章 井身结构设计 井身结构是指由直径、深度和作用各不相同，且均注水泥封固环形空间而形 成的轴心线重合的一组套管与水泥环的组合。井身结构主要由导管、表层套管、 技术套管、油层套管和各层套管外的水泥环等组成。 1.导管：井身结构中下入的第一层套管叫导管。其作用是保持井口附近的地表层。 2.表层套管：井身结构中第二层套管叫表层套管，一般为几十至几百米。下入后， 用水泥浆固井返至地面。其作用是封隔上部不稳定的松软地层和水层。 3.技术套管：表层套管与油层套管之间的套管

12、叫技术套管。是钻井中途遇到高压 油气水层、漏失层和坍塌层等复杂地层时为钻至目的地层而下的套管，其层次由 复杂层的多少而定。作用是封隔难以控制的复杂地层，保持钻井工作顺利进行。 4.油层套管：井身结构中最内的一层套管叫油层套管。油层套管的下入深度取决 于油井的完钻深度和完井方法。一般要求固井水泥返至最上部油气层顶部 100150 米。其作用封隔油气水层，建立一条供长期开采油气的通道。 5.水泥返高：是指固井时，水泥浆沿套管与井壁之间和环形空间上返面到转盘平 面之间的距离。 钻井液是钻探过程中，孔内使用的循环冲洗介质。钻井液是钻井的血液，又 称钻孔冲洗液。钻井液按组成成分可分为清水、泥浆、无粘土相

13、冲洗液、乳状液、 泡沫和压缩空气等。清水是使用最早的钻井液，无需处理，使用方便，适用于完 整岩层和水源充足的地区。泥浆是广泛使用的钻井液，主要适用于松散、裂隙发 育、易坍塌掉块、遇水膨胀剥落等孔壁不稳定岩层。钻井液有以下十种作用： （1） 清洁井底，携带岩屑。保持井底清洁，避免钻头重复切削，减少磨损，提 高效率。 （2） 冷却和润滑钻头及钻柱。降低钻头温度，减少钻具磨损，提高钻具的使用 寿命。 （3） 平衡井壁岩石侧压力，在井壁形成滤饼，封闭和稳定井壁。防止对油气层 的污染和井壁坍塌。 （4） 平衡（控制）地层压力。防止井喷，井漏，防止地层流体对钻井液的污染。 （5） 悬浮岩屑和加重剂。降低岩

14、屑沉降速度，避免沉沙卡钻。 （6） 在地面能沉除砂子和岩屑。 （7） 有效传递水力功率。传递井下动力钻具所需动力和钻头水力功率。 哈尔滨石油学院课程设计 6 （8） 承受钻杆和套管的部分重力。钻井液对钻具和套管的浮力，可减小起下钻 时起升系统的载荷。 （9） 提供所钻地层的大量资料。利用钻井液可进行电法测井，岩屑录井等获取 井下资料。 （10）水力破碎岩石。钻井液通过喷嘴所形成的高速射流能够直接破碎或辅助破 碎岩石。 2.1 钻井液的压力体系 2.1.1 最大钻井液密度 (2-1) bpmamax S x 式中：为某层套管钻进井段中所用最大泥浆密度，；为该井段中 max 3 g/cm pmax

15、 所用最大地层孔隙压力梯度密度，；为抽吸压力允许值的当量密度，取 3 g/cm b S 0.036 。 预计发生井涌情况 3 g/cm =+S + (2-2) f pm ax b S f 21 kpmax D SD 式中：为第 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 f 部地层不被压裂所应有的地层破裂压力梯度，；为第 n 层套管下入深 3 g/cm pmax 度初选点，m；S 为压井时井内压力增高值的等效密度, 取 0.06 ；为地 f 3 g/cm 21 D 层压裂安全增值，取 0.03 。 3 g/cm 2.1.2 校核各层套管下到初选点深度时是否会发生压差卡套 (2-

16、3) m P(0098. 0 minmin)pp D + m pmax b S 式中：某井段内实际的井内最大压差，MPa；是在深度为允许压差值p m minp D 时采用的钻井液密度，；， 分别为井段内最大与最小地层压P 3 g/cm pmax minp 力当量密度，；D，为最大与最小底层压力点所对应的井深， 3 g/cm maxpminp D m；p为压差允值。取p=16Mpa。 NN 哈尔滨石油学院课程设计 7 2.2 井身结构的设计 2.2.1 套管层次与深度的确定 根据邻井参数绘制的压力与井深变化示意图，如图下图所示。 1.表层套管下入深度初选点的确定 21 D 已知 =1.1，=0.

17、036，S =0.03，D=1700m，S =0,06，确 pmax 3 g/cm b S 3 g/cm fmaxpk 3 g/cm 定表层套管下入深度。 21 D 解： 由公式（2-2）知 k p fbpf S D D SS 21 max max 21 1700 1.1 0.0360.030.06 f D 试取=350m 代入上式得=1.457 21 D 350f 3 cm g 而=1.46 450250f 3 cm g 所以小于且相近所以表层套管下入深度为 350m 350f 450250f 2.校核表层套管下入到初选点过程中是否会发生压差卡套管 21 D 已知，=0.036， =0.85

18、，=250m，判断 3 max /86 . 0 cmg p b S 3 g/cm minp 3 g/cm minp D 表层套管下入深度到初选点=345m 过程中是否发生压差卡套。 21 D 解：由公式 2-3 得 哈尔滨石油学院课程设计 8 + m P(0098 . 0 minmin)pp D m pmax b S (0.86+0.036-0.85)250=0.113 Mpa0098 . 0 P Mpa,16 n P 不会发生压差卡套，P n P 所以初选点=350m 为表层套管的下入深度。 21 D 3.校核油管套管 （1）确定油层套管的下入深度 D 初选点的确定 2 已知，在设计井深结构

19、时需要留足 5m 的口袋，在此条件下确定油层套管的下入 深度 D 初选点 2 解；因为井深 1700m，在留足 5m 口袋前提下，油层套管下入深度 D =1695m， 2 （2）校核油层套管下入深度到初选点 D 过程中是否发生压差卡套 2 已知，=0.036， =0.85，=250m，判断 3 max /1 . 1cmg p b S 3 g/cm minp 3 g/cm minp D 油层套管下入深度到初选点 D 过程中是否发生压差卡套。 2 解：=0.00981（11+0.036-0.85）250=0.701 MpaP 而=16MPa， 所以 c p外挤 故安全校核所选钻铤及钻杆满足要求 4

20、.2.2 二次开钻钻具组合 3551100m 1.钻铤长度的确定 查钻井手册（甲方） 选择钻铤，选用钻铤：NC50-70,钻铤外径 187mm，内 径 71.40mm，长度为 9.1m，均重=1.606kN/m,W=140KN，求钻铤使用长度。 c q 解： K =1-=1- B s d 1.15 0.85 7.8 由公式得：4 1 钻铤长度为 L = = c N cB W S qK 140 1.2 123.07 1.606 0.85 m 钻铤根数为 ， c N L123.07 13.5 9.19.1 c 根 从而实际用 14 根钻铤，钻铤实际长度为 L=9.1 14= 127.4(m) c实

21、 钻杆长度计算 查钻井手册（甲方） 选择钻杆：钻杆外径 127127mm，内径 108.6108.6mm，钢级 D 级， 按最小屈服强度计算；最小抗挤压力为 893.67（kN）；均重F1290.86 y kN q=284.78284.78N/m，求钻杆长度。 解：由书中查得，取 MOP=300kN，1.66 y t 最大安全静拉： 安全系数法： F =0.9=（kNkN） aty SF 0.9 1290.86 893.67 1.3 设计系数法： F =0.9=730.60730.60(kNkN) a yyt F 0.9 1290.86 1.66 哈尔滨石油学院课程设计 18 拉力余量法： F

22、 =0.9F -MOP=0.90.9 - -300300=861.77=861.77(kNkN) ay 1290.86 按最小原则取 F =730.60730.60(kNkN) a 由公式（4-2）得 L=（m） () 2300.9 ccBB B PqL kk q K 井中钻杆长度 1100-127.4=972.6（m） 根数 N= 972.6 9.1 106.9()根 取 N=106 根 则钻杆实际长度为 合格106 9.1=964.62300.9( )mm 3.校核钻杆抗挤强度。最大许用抗挤强度=50.96（MPa) c (MPa)， dg 1.15 0.0098 964.611.82pL

23、 外挤 而=50.96（MPa) c c p外挤 故安全校核所选钻铤及钻杆满足要求 11001700m (1)钻铤长度的确定 查钻井手册（甲方） 选择钻铤：选用钻铤：NC50-70,钻铤外径 178mm，内径 71.4mm，长度为 9.1m,均重 q =1.606kN/m,W=140KN,求钻铤的使用长度。 c 解： K =1-=1- B s d 1.25 0.84 7.8 由公式得：4 1 钻铤长度为 L = = c N cB W S qK 140 1.2 124.53 1.606 0.84 m 钻铤根数为 ， c N L124.53 13.7 9.19.1 c 根 哈尔滨石油学院课程设计

24、19 从而实际用 14 根钻铤，钻铤实际长度为 L=9.1 14= 127.4(m) c实 （2）钻杆长度计算及安全校核 查钻井手册（甲方） 选择钻杆：钻杆外径 127127mm，内径 108.6108.6mm，钢级 D 级， 按最小屈服强度计算；最小抗挤压力为 893.67（kN）；均重F1290.86 y kN q=284.78284.78N/m，求钻杆长度。 解：由书中查得，取 MOP=300kN，1.66 y t 最大安全静拉： 安全系数法： F =0.9=（kNkN） aty SF 0.9 1290.86 893.67 1.3 设计系数法： F =0.9=730.68730.68(k

25、NkN) a yyt F 0.9 1290.86 1.66 拉力余量法： F =0.9F -MOP=0.90.9 - -300300=861.77=861.77(kNkN) ay 1290.86 按最小原则取 F =730.68730.68(kNkN) a 由公式（4-2）得 L=（m） () 3259.76 ccBB B PqL kk q K 井中钻杆长度 1700-127.4=1576.6（m） 根数 N= 1576.6 9.1 172.8()根 取 N=172 根 则钻杆实际长度为 合格172 9.1=1565.2( )3259.76( )mm 3.校核钻杆抗挤强度。最大许用抗挤强度=5

26、0.96（MPa) c (MPa)， dg 1.25 0.0098 1565.219.17pL 外挤 而=50.96（MPa) c c p外挤 故安全校核所选钻铤及钻杆满足要求 哈尔滨石油学院课程设计 20 4.3 设计结果 钻具组合设计表 项目钻头尺寸 (mm) 钻铤外径 (mm) 钻铤长度 (m) 钻杆外径 (mm) 钻杆长度 （m) 一开 203.291139.7263.9 127.4974.6 二开 187 127.4 127 1565.2 哈尔滨石油学院课程设计 21 第 5 章 钻井液设计 钻井液是钻探过程中，孔内使用的循环冲洗介质。钻井液是钻井的血液，又 称钻孔冲洗液。钻井液按组

27、成成分可分为清水、泥浆、无粘土相冲洗液、乳状液、 泡沫和压缩空气等。清水是使用最早的钻井液，无需处理，使用方便，适用于完 整岩层和水源充足的地区。泥浆是广泛使用的钻井液，主要适用于松散、裂隙发 育、易坍塌掉块、遇水膨胀剥落等孔壁不稳定岩层。 水基钻井液是一种以水为分散介质，以粘土（膨润土） 、加重剂及各种化学 处理剂为分散相的溶胶悬浮体混合体系。其主要组成是水、粘土、加重剂和各种 化学处理剂 现场钻井液分析仪器箱等。水基钻井液基本经历了五个阶段，即天 然钻井液（1904-1921 年） 、细分散钻井液（1921-1946 年） 、粗分散钻井液 （1946-1973 年） 、不分散低固相钻井液（

28、1966 年至今） 、无固相钻井液（1968 年 至今） 、聚合物钻井液（1978 年至今）阶段等。水基钻井液还可分为： （1）淡水钻井液。氯化钠含量低于 10，钙离子含量低于 0.12。 （2）盐水钻井液（包括海水及咸水钻井液） 。氯化钠含量高于 10。 （3）钙处理钻井液。钙离子含量低于 0.12。 （4）饱和盐水钻井液。含有一种或多种可溶性盐的饱和溶液。 （5）混合乳化（水包油）钻井液。含有 3%-40%乳化油类的水基钻井液 （6）不分散低固相聚合物钻井液。固相含量低于 4%，含有适量聚合物。 （7）钾基钻井液。氯化钾含量高于 3%。1978 年以来开始在我国钻井现场使用。 （8）聚合物

29、钻井液。它是以聚合物为主体，配以降粘剂，降滤失剂、防塌剂和 润滑剂等多种化学处理剂所组成的钻井液。它是 20 世纪 80 年代发展起来的一种 新型钻井液体系。包括阳离子聚合物钻井液、两性离子聚合物钻井液、全阳离子 聚合物钻井液、深井聚合物钻井液和正电胶钻井液等。 油连续相钻井液（习惯称为油基钻井液）是一种以油（主要是柴油或原油） 为分散介质，以加重剂、各种化学处理剂及水等为分散相的溶胶悬浮混合体系。 其主要组成是原油、柴油、加重剂、化学处理剂和水等。它基本经历了原油钻井 液（1930 年初） 、油基钻井液、油包水（反相乳化）钻井液（1960 年至今）等三 个阶段。 （1）原油钻井液。主要成分是

30、原油。 （2）油基钻井液。以柴油（或原油）为连续相，以氧化沥青为分散相，再配以 加重剂和各种化学处理剂配制而成。 （3）油包水（反相乳化）钻井液。一柴油（或原油）为连续相，以水为分散相 哈尔滨石油学院课程设计 22 呈小水滴分散在油中（水可占 60%的体积） ，以有机膨润土（亲油鹏润土）和氧 化沥青等稳定剂，再配以加重剂和各种化学处理剂等配制而成。1978 年以来开始 在我国钻井现场使用。 气体钻井液是以空气或天然气作为钻井循环流体的钻井液。 泡沫钻井液是以泡沫作为钻井循环流体的钻井液。主要组成是液体、气体及 泡沫稳定剂等。 5.1 钻井液的选择 5.1.1 井筒内钻井液体积 （5-1） ii

31、 n i LDV 2 14 井筒 式中：为井筒内钻井液的体积，m3；为第 i 段井径，m；为第 i 段井眼 井筒 V i D i L 长度，m。 5.1.2 地面循环量 由于井深为 2100m，选择 30 钻机则地面循环量为。 3 120mV 循环 5.1.3 损耗量 损耗量为 （5-2）%20）（ 循环井筒损耗 VVV 5.1.4 需要加入粘土、清水的量 （5-3） 土 土 水原浆 m VV （5-4） 1%5 水 土 Vm 式中： 为所加入粘土的密度，取 2000Kg/m3；为所配钻井液的最大体积， 土 原浆 V ,为所加粘土质量，t；为配制钻井液所需要的水的体积，查 3 m 土 m 水

32、V 3 m 取资料知,2000 3 m kg 土 。 重晶石 34500 m kg 哈尔滨石油学院课程设计 23 5.2 钻井液密度的转换 5.2.1 一次开钻需要加入重晶石量 .25 . 1 ,15 . 1 .; )65)( 2 . 2 . 5 ; 5-5- 33 3 2 12 3 1 1 cm g cm g cm g d dd cm g d d tm Vm tm mmVm 二开时钻井液密度为钻井液密度为参考临井资料，一开始 度，为二次开钻钻井液的密为加入重晶石的量，式中： （ 石量二次开钻需要加入重晶 。度，为一次开钻钻井液的密为加入重晶石的量，式中： ）（ 重 原浆重 重 水土原浆重 5

33、.3 钻井液设计 5.3.1 井筒内钻井液体积 1.求出一次开钻井筒内钻井液的体积 322 1 06.553554445 . 0 44 1-5 mLDV ii n i 井筒 ）得解：由公式（ 2.求出二次开钻井筒内钻井液体积。 5-1解：由公式（）得 2223 1 0.44453.550.2(1700355)97.29 444 n ii i VD Lm 井筒 5.3.2 钻井过程中所需的钻井液体积 3 3 3 261 m75.26046.4312029.97 2 46.43%2012029.97%20 1 mV VVVV mVVV 原浆 损循环井筒原浆 循环井筒损 实际取 ）钻井液最大体积（

34、）（）（ ）钻井液损耗体积解：（ 哈尔滨石油学院课程设计 24 5.3.3 需要加入的水量和土量 33 3 26199.260 05.13 1%5 2000 261 4-53-5 261 mVmV tm Vm m V m 水水 土 水土 土 水 取 得和解：由公式 量和土量的钻井液需要加入的水求出要配置 5.3.3 钻井液密度转换 1.一次开井时所需重晶石的量 5-5解：由公式（）得 3 1 -261 1.15-13.05-261 1000 1026.1 d mVmmt 重原浆土水 2.二次开钻石所需重晶石的量 5-6解：由公式（）得 21 2611.25-1.1526.1 dd mVt 重原

35、浆 （）（） 5.4 结论统计 钻井液设计参数表 项目泥浆密度 (g/c) 3 m 重晶石用量 (t) 钻井液体积 （） 3 m 土量 (t) 水量 （） 3 m 一开 1.1526.1 二开 1.2526.1 26113.05261 哈尔滨石油学院课程设计 25 第 6 章 钻井水力参数设计 水力参数优化设计是从上世纪 60 年代开始的。从 70 年代至 80 年 代末，经 历了三个发展阶段： 喷射钻井初级阶段：泵压 1012MPa； 喷射钻井中级阶段：泵压 1415MPa 66% 喷射钻井高效率阶段：泵压 1820MPa 40% 第四阶段：泵压30 MPa 增压喷射钻井 即钻压、泵压、钻头

36、比水功率 和喷射速度要提高，喷嘴直径 和排量应适当缩小。 尽可能提高钻井泵的泵压； 其次是尽量提高钻头比水功率； 钻压、喷射速度、排量和喷嘴直径要适当配合。 喷射钻井：在钻头上安装可以产 生高速射流的喷嘴， 高压钻井液流过喷嘴 时 可产生高速流动的 水射流，给井底以很 大的冲击力，把岩屑 及时冲离井底， 并辅 助破碎岩石。该技术 称为喷射钻井技术。 射流对井底的清洗作用： （1）射流的冲击压力作用 射流撞击井底后形成的冲击压力极 不均匀。 极不均匀的冲击压力使岩屑受 到一个翻转力矩，从而离开井底。 （2）漫流的横推作用 射流撞击井底后形成的漫流是一 层很薄的高速液流（漫 流） ，对井底 岩屑产

37、生一个横向推力，使其离开原 来的位置。通过对漫流层的 试验得出： a）漫流是很薄的一层，但流速很高，分布范围广，覆盖整个井底。 喷速 v0=16.5m/s 时，vcr=9.75m/s。 b）离井底 0.4mm 处漫流速度最高，随着离 井底距离的增加流速迅速下降。 c）在冲击区内，中心的漫流 vcr0=0，称为死点 或滞留点，边缘处最大。从 边缘向外，漫流流速迅速降低。 d）漫流流速与射 流速度和流量成正比关系：vcr Qv0 为了提高射流清洗井底的能力，应当： a）增大射流喷速； b）减小喷射距离； c）必须使射流的 Qv0 尽可能大。 （3）射流对井底的破岩作用 在岩石强度较低的地层，射流的

38、冲击压力 超过地 层的破碎强度，直接破碎岩石。 在岩石强度较高的地层，射流挤入岩石中由 钻 头机械力造成的微裂纹和微裂缝内，形成 “水楔” ，使微裂纹和裂缝扩展，从而 大大降 低岩石的破碎强度。 4. 射流对钻井液的剪切稀释作用 哈尔滨石油学院课程设计 26 6.1 泵的选择 6.1.1 确定最小排量 a Q (6-1) 18.24 a dh d (6-2) apha ddQ )( 40 22 式中：为最低环空返速，m/s；为钻井液密度，g/cm3 ；、为井径和 a d h d p d 钻柱外径， cm；为携岩屑的最小排量，L/s。 a Q 6.1.2 计算不同井深循环压耗系数 单位长度钻杆内

39、外压耗系数： (6-3) 0.80.2 4.831.8 0.516550.57503 () () dpv pihphp m ddddd 单位长度钻铤内外压耗系数： (6-4) 0.80.2 4.831.8 0.516550.57503 () () cdpv cihchc K ddddd 单位长度循环系统压耗系数： (6-5) ccg mLKKa 式中： ，为地面管汇内外压耗系数，为钻井液塑性粘度，L 为 3 1.07 10 g K pv 钻杆长度；为钻铤长度，m；为钻杆内径，cm；、分别为钻铤内径、 c L pi d ci d c d 外径，cm。 6.1.3 临界井深的确定 1.按最大钻头水

40、功率方式计算临界井深 第一临界井深为 （6-6） m a mQ p D r r Pc 8 . 1 8 . 2 第二临界井深为 （6-7） m a mQ p D a r Pa 8 . 1 8 . 2 式中： 为额定泵压，MPa；为额定排量，L/s。 r p r Q 2.按最大射流冲击力方式计算临界井深 哈尔滨石油学院课程设计 27 第一临界井深为 （6-8） m a mQ p D r r Fc 8 . 1 9 . 1 第二临界井深为 （6-9） m a mQ p D a r Fa 8 . 1 9 . 1 6.1.4 喷嘴直径的确定 1.按最大钻头水功率方式计算的喷嘴当量直径 当时， （C=0.9

41、6） （6- pc DD 2 4 21.8 0.081 () dr e rr Q d CpamD Q 10） 当时， （6- pcpa DDD 2 4 2 0.126 dopt e r Q d p C 11） 当时， （6- pa DD 2 4 21.8 0.081 () da e ra Q d CpamD Q 12） 2.按最大射流冲击力方式计算的喷嘴当量直径 当时， （6- Fc DD 2 4 21.8 0.081 () dr ne rr Q d CpamD Q 13） 当时， （6- FcFa DDD 2 4 2 0.171 dopt e r Q d p C 14） 当时， （6- Fa

42、 DD 2 4 21.8 0.081 () da e ra Q d CpamD Q 15） 6.1.5 最优排量的计算 1.8 2.8() r opt p Q amD 哈尔滨石油学院课程设计 28 6.2 泵的各种参数计算 6.2.1 一开时泵的计算 1. 0355m 根据邻井参数可知选择缸套直径为的型号为的钻170mmANBSL10003 进泵两台，其额定排量为,额定泵压为。27.68 255.36L/s r Q 16 r pMPa 由钻柱设计和邻井参数可知： ，=13.97cm，Lc=91m，0.015Pa s 3 1.15 / d g cm12.43 p dcm pi d ，。计算喷嘴的

43、直径。7.14 ci dcm20.32 c dcm44.45 h dcm 解：（1）判断是否符合要求 由公式（6-1）式可知： 18.2418.24 0.357(/ ) 1.15 44.45 a dh m s d 根据式（6-2）可知： ， 2222 ()44.4513.970.35749.9 L/s 4040 ahpa Qdd （）（） 而=55.3L/s r Q 故，选择的钻井泵合理。 ra QQ （2）喷嘴直径的计算 由（6-3）式可知： 0.80.2 4.831.8 0.516550.57503 () () dpv pihphp m ddddd 0.80.2 4.831.8 0.516

44、550.57503 1.150.015 0.43(44.95 13.97) (44.95 13.97) m 6 1.398 10m 由（6-4）式可知： 0.80.2 4.831.8 0.516550.57503 () () cdpv cihchc K ddddd 0.80.2 4.831.8 0.516550.57503 1.150.015 7.14(44.9520.32) (44.9520.32) k 3 1.812 10k 由（6-5）式可知： 3363 1.07 101.812 101.398 10912.705 10 gcc aKKmL 则根据最大射流冲击力按照（6-8）式计算临界井

45、深得 哈尔滨石油学院课程设计 29 3 1.861.86 162.705 10 1.91.9 1.398 1055.361.398 10 r Fc r pa D mQm 355(m)2451.62Dm（） 所以所以 D=D=，由公式（6-13）得 Fc D 2 4 21.8 0.081 () dr ne rr Q d CpamD Q 2 4 2361.8 0.081 1.15 55.36 0.9616(2.705 101.398 10355) 55.36 d （cm）2.27d 喷嘴的直径为 22 2.27 13.1() 3 ne d dcm n 6.2.2 二开时泵的计算 1. 355-11

46、00m 根据邻井参数可知选择缸套直径为170mm 的型号为 SL3NB1000A 的钻进泵 两台，其额定排量为=36L/s，额定泵压为=16 MPa。 r Q r P 由钻柱设计和邻井参数可知： 。 3 1.15 /,20,12.7,0.015,1.15 /, dhppvd g dcm dcmPa sg cm 12.7,10.86,127.4 ,7.14,17.8,20 ppiccich dcm dcm Lm dcm dcm dcm 计算喷嘴的直径。 解：（1）判断是否符合要求 由公式（6-1）式可知： 18.24 0.793(/ ) a dh m s d 根据式（6-2）可知： ， 22 (

47、)14.862 L/s 40 ahpa Qdd （） 而=36（L/s） r Q 故，选择的钻井泵合理。 ra QQ （2）喷嘴直径的计算 由（6-3）式可知： 哈尔滨石油学院课程设计 30 0.80.26 4.831.8 0.516550.57503 4 10 () () dpv pihphp m ddddd 由（6-4）式可知： 0.80.2 4.831.8 0.516550.57503 () () cdpv cihchc K ddddd 3 7.344 10 c K 由（6-5）式可知： 3 7.9 10 gcc aKKmL 则根据最大射流冲击力按照（6-8）式计算临界井深得 3 1.8

48、61.86 162.705 10 1.91.19 1.398 1055.361.398 10 r Fc r pa D mQm ， Fc D 由（6-7）式计算第二临界井深 1100（m) 1.8 9123.597( ) 2.8 r Pa a pa Dm mQm 最优排量为： 1.8 30.32 L/s 2.8() r opt p Q amD （） 由于可知： PaPc DDD 喷嘴的当量直径为 （cm） 2 4 2 0.126 17.3() dopt e r Q dmm p C 喷嘴的直径为 （cm） 2 10() ne i d dmm n 2.1100-1700m 根据邻井参数可知选择缸套直

49、径为180mm 的型号为 SL3NB1000A 的钻进泵 两台，其额定排量为=37.24L/s，额定泵压为=14.5 MPa。 r Q r P 由钻柱设计和邻井参数可知： 。 3 1.25 /,20,12.7,0.02,1.25 /, dhppvd g dcm dcmPa sg cm 哈尔滨石油学院课程设计 31 12.7,10.86,36.4 ,7.14,17.8,20 ppiccich dcm dcm Lm dcm dcm dcm 解：（1）判断是否符合要求 由公式（6-1）式可知： 18.24 0.7291(/ ) a dh m s d 根据式（6-2）可知： ， 22 ()13.672

50、 L/s 40 ahpa Qdd （） 而=37.24L/s r Q 故，选择的钻井泵合理。 ra QQ （2）喷嘴直径的计算 由（6-3）式可知： 0.80.2 4.831.8 0.516550.57503 () () dpv pihphp m ddddd 6 4.53 10m 由（6-4）式可知： 0.80.2 4.831.8 0.516550.57503 () () cdpv cihchc K ddddd 3 2.376 10 c K 由（6-5）式可知： 3 3.28 10 gcc aKKmL 则根据最大射流冲击力按照（6-8）式计算临界井深得 1.8 975.33( )1700 m

51、2.8 r Pc r pa Dm mQm 由（6-7）式计算第二临界井深 1100（m) 1.8 9594.378( )1700( ) 2.8 r Pa a pa Dmm mQm 1.8 30.57 L/s 2.8() r opt p Q amD （） 由于可知： PaPc DDD 喷嘴的当量直径为 （cm） 2 4 2 0.126 18.2() dopt e r Q dmm p C 哈尔滨石油学院课程设计 32 喷嘴的直径为 （cm） 2 10.5() ne i d dmm n 哈尔滨石油学院课程设计 33 第 7 章 注水泥设计 固井水泥（Oil well cement）又称堵塞水泥(bl

52、ockage ce-ment)，专用于油井、 气井的固井工程的水泥。具有合适的密度和凝结时间，较低的稠度，良好的抗沉 降性和可泵性。注入预定井段，能迅速凝结硬化并产生一定的机械强度。固化后 具有良好的抗渗性、稳定性和耐腐蚀性。由水硬性硅酸钙为主要成分的熟料，加 入适量石膏和助磨剂磨细制成。有普通型、中抗硫酸盐型和高抗硫酸盐型三大类， A 到 J 九个等级。分别用作常温、常压，中温、中压，高温、高压，超高温、超 高压不同条件和不同井深的油井水泥。因注入油井的条件不同，还有与促凝剂或 缓凝剂一起使用的。 注水泥是套管下入井后的关键工序，其作用是将套管和井壁的环形空间封固 起来，以封隔油气水层，使套

53、管成为油气通向井中的通道。 油井水泥是封固套管和井壁环形空间的重要材料。因为井有深有浅，地下有 常压常温和高压高温，地层中还含有各种不同的化学物质，所以要求油井水泥有 广泛的适应能力。目前我国使用的油井水泥有 9 个级别和三个类型。不同级别和 类型的水泥适用不同的井下条件。所以，根据井的深度和温度选择水泥是注水泥 作业的首要任务。 有限的水泥级别，尚满足不了注水泥浆时要求的性能，现在使用的 G 级和 H 级水泥多采用添加剂调节其性能，是目前使用最普遍的水泥。添加剂可分七类： 有调节密度剂、调节凝固时间添加剂、控制漏失添加剂、降失水剂、控制粘度剂、 异常情况的特殊添加剂等。一种级别的水泥可使用一

54、种或多种添加剂。 套管下完后，立即接通循环管线和注水泥管线，做好注水泥前的准备工作。 首先要开泵循环钻井液，因套管与井壁的间隙较小，利用高的上返速度冲击井壁 上的泥饼，同时调整钻井液的性能，直到循环泵压稳定为止。在这期间，固井泵 的启动，供灰、供水、混浆、吸浆等工作都应准备就绪。 在水泥浆注入套管之前，要泵入一定量的前置液，用来隔离钻井液和水泥浆， 以避免混浆。而且隔离液返出套管后，也起到清洗环形空间的作用。 水泥浆的顶替速度要根据井下的情况而定。如无特殊情况应采用高速紊流顶 替。但在地层破裂压力低的情况下，只能采用低速顶替。 哈尔滨石油学院课程设计 34 7.1 水泥浆的用量 7.1.1 所

55、需水泥浆体积的计算公式 (7-1) 2 2 1 222 144 )( 4 hDhdLDDKV HiiSiHiTi 式中：为水泥塞深度，取 20m ；为井眼口袋高度，5m ；L 为设计封填水泥 1 h 2 h 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 Hi D Si D 径， m ；为第 i 层套管的内径，m ；为水泥附加系数，取 1.1。 i d 1 K 7.1.2 所需干水泥的质量的计算公式 (1)配制 1的水泥浆所需水泥灰的质量为 3 m （7-2） cw wc m q 式中： 为水泥灰的密度，3.15 g/cm ； 为水的密度，1.0 g/cm ；m 为

56、c 3 w 3 水灰比 0.44 干水泥质量的计算： qvm ti2 k 灰 式中：k 为地面损失系数，取 1.1 7.1.3 所需水的体积的计算公式 w w mm v 灰 7.1.4 顶替排量的计算公式 vDDQ SiHic )( 4 式中：Q 为顶替排量，m/s, v 是水泥浆上返速度，取 2.25m/s 7.1.5 防凝时间的计算公式 )t1.5(tt 顶替注入 哈尔滨石油学院课程设计 35 7.2 所需干泥灰，清水的用量 7.2.1 水泥浆体积的计算 。mhmhmdmLmDmmD SiHi 5,20,323. 0,345,3397 . 0 ,4445. 0 2111 1.封表层套管水泥

57、浆体积的计算 由公式（7-1）： 2222 112 1 () 444 THiSiiHi VKDDLd hD h 2222 1 1.10.44450.33973500.323200.44455 444 T V （） 3 1 26.897() T Vm 2.封固油层套管水泥浆体积的计算 由套管设计可知：=0.2m，=0.1397m，=1697m，d=0.1257m,=13m， 2H D 2S D 1 L 1 h =5m。 2 h 由式（7-1）得： 2222 212 1 () 444 THiSiiHi VKDDLd hD h 2222 2 1.1(0.20.1397 ) 13450.1257200

58、.25 1.1 4444 T V 22 (0.3230.1397 ) 350 3 2 49.65m T V 7.2.2 干水泥的用量 1.计算配置 1 立方米的水泥浆所需的干水泥的质量 3 / t32 . 1 15 . 3 44 . 0 1 115 . 3 m m q cw wc 2.2.计算出封固表层套管需要干水泥的质量计算出封固表层套管需要干水泥的质量 （t）05.3932 . 1 897.261 . 1 11 qKVW TT 3.计算出封固油层套管需要干水泥的质量 （t）95.7132 . 1 55.491 . 1 11 qKVW TT 7.2.3 所需清水的体积的计算 1.计算出封固表

59、层套管所需清水的量 由公式 ： 哈尔滨石油学院课程设计 36 3 182.17 0 . 1 23.7046 . 0 m mm V w w 灰 2.封固油层套管所需清水的量 由公式： 3 658.31 0 . 1 95.7144 . 0 m mm V w w 灰 7.3 顶替时间的计算 7.3.1 顶替排量 1.井径 200mm,套管外径 139.7mm,水泥浆返速 2.25m/s，计算封固油层套管时的顶 替排量。 s m DDVAQ siHic 3 22 362 . 0 25. 2)1397. 02 . 0( 44 2.井径 444.5mm,套管外径 339.7mm,返速 2.25m/s s m VAQc 3 22 145