石油工程钻井工程设计 油工毕业设计

1、东 北 石 油 大 学课 程 设 计课 程 石油工程课程设计 题 目 钻井工程设计 学 院 石油工程学院 专业班级 油工090班 学生姓名 王小二 学生学号 121212341234 指导教师 大小春 杜三平 2011年 7 月 15 日东北石油大学课程设计任务书课程 石油工程课程设计题目 钻井工程设计专业 石油工程 姓名 王小二 学号 1212121212121 主要内容、基本要求、主要参考资料等：1、设计主要内容：根据已有的基础数据，利用所学的专业知识，完成一口井的钻井工程相关参数的计算，最终确定出钻井、完井技术措施。主要包括井身结构、钻具组合、钻井液、钻井参数设计和完井设计。2、设计要求

2、：要求学生选择一口井的基础数据，在教师的指导下独立地完成设计任务，最终以设计报告的形式完成专题设计，设计报告的具体内容如下：（1） 井身结构设计；（2）套管强度设计；（3）钻柱设计；（4）钻井液设计；（5） 钻井水力参数设计；（6）注水泥设计；（7）设计结果；（8）参考文献；设计报告采用统一格式打印，要求图表清晰、语言流畅、书写规范、论据充分、说服力强，达到工程设计的基本要求。3、主要参考资料：王常斌等，石油工程设计，东北石油大学校内自编教材陈涛平等，石油工程，石油工业出版社，2000钻井手册（甲方）编写组，钻井手册，石油工程出版社，1990完成期限2011年6月27日-2011年7月15日指

3、导教师 是不是 冯毒平 专业负责人 王晓三 2011 年 7 月 15 日前 言钻井工程设计是石油工程的一个重要部分，是确保油气钻井工程顺利实施和质量控制的重要保证，是钻井施工作业必须遵循的原则，是组织钻井生产和技术协作的基础，是搞好单井预算和决算的唯一依据。钻井设计的科学性、先进性关系到一口井作业的成败和效益。科学钻井水平的提高，在一定程度上依靠钻井设计水平的提高。 设计应在充分分析有关地质和工程资料的基础上，遵循国家及当地政府有关法律、法规和要求，按照安全、快速、优质和高效的原则进行。并且必须以保证实施地质任务为前提。主要目的层段的设计必须体现有利于发现与保护油气层，非目的层段的设计主要考

4、虑满足钻井工程施工作业和降低成本的需要。本设计的主要内容包括：1、井身结构设计及井身质量要求：原则是能有效地保护油气层，使不同地层压力梯度的油气层不受钻井液污染损坏；应避免漏、喷、塌、卡等复杂情况发生，为全井顺利钻进创造条件，是钻井周期最短；钻下部高雅地层时所用的较高密度钻井液产生的液柱压力，不致压裂上一层管鞋处薄弱的裸露地层；下套管过程中，井内钻井液柱压力之间的压差不致产生压差卡套管等严重事故；以及强度的校核。2、套管柱设计：选择不同型号的套管，满足钻井中固井、完井要求；3、钻具组合设计：给钻头加压时下部钻柱是否会压弯，选用足够的钻铤以防钻杆受压变形；4、钻井液体系；5、水力参数设计；6、注

5、水泥设计，钻井施工进度计划等几个方面的基本设计内容；目 录第1章预设井、邻井基本参数11.1设计资料收集11.2井身结构设计图3第2章 井身结构设计42.1最大钻井液密度和压差计算公式42.2井身结构设计5第3章 套管柱设计73.1资料的查取汇总73.2油层套管柱的设计73.3表层套管柱的设计9第4章 钻柱设计114.1钻铤的设计114.2钻具组合114.3结论统计14第5章 钻井液设计155.1所需钻井液体积及相关公式155.2井筒内钻井液体积计算155.3钻井液密度转换165.4结论统计17第6章 钻井水力参数设计186.1水力参数相关公式186.2泵的选择216.3相关参数计算22第7章

6、 注水泥设计267.1水泥浆的用量267.2所需干水泥的用量277.3所需清水的体积的计算287.4顶替排量的计算287.5顶替容积的计算297.6防凝时间的计算29第8章 设计结果31参考文献33东北石油大学本科生课程设计第1章 预设井、邻井基本参数1.1设计资料收集1.1.1预设计井基本参数井号 sj0065 井别 预探井 坐标 21603563,5023464 设计井深 1600 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

7、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。 1.1.2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 444.520 339 1.051.15 25永乐区块 油层 215.9 1620 139 1.21.25 1625(2)地层压力井号 井段 地层压力(g/cm3) 破裂压力(g/cm3) 永乐区块 0170 .95 1.3永乐区块 170400 .96 1.35永乐区块 400600 .95 1.4永乐

8、区块 600800 1.02 1.45永乐区块 8001000 1.08 1.49永乐区块 10001200 1.13 1.52永乐区块 12001500 1.2 1.57永乐区块 15001620 1.25 1.6(3)钻具组合井号 井段 钻头外径(mm) 密度(g/cm3) 钻具组合 永乐区块 -1620 215 1.2-1.25 214稳定器178短钻铤214稳定器1789214稳定器17827214稳定器1789015926(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

9、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 8-18 4-9 .6-.75 .1-.3 1-5永乐区块 青2-3段-嫩2段 1050-1620 两性复合离子钻井液 1.2-1.25 30-45 8.5-9 1-2.5 13-23 6-12 .6-.7 .2-.4 1-4(5)水力参数井号 钻头尺寸(mm) 井段(m) 泵压(mpa) 钻头压降(mpa) 环空压降(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 215 0-80

10、0 17.98 16.24 1.74 7.07 161 592 16 1.62 90.31永乐区块 215 800-1620 12.64 9.97 2.67 5.78 121 363 10 1.62 78.85(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 0-800 215 3b 大庆 10+10+10 160-180 195-200 35-38 1.05-1.15永乐区块 800-1620 215 fm282d 大港 10+10+10+10 30-50 195-200 35-38

11、1.15-1.25(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 油层 0-10 139 j-55 7.72 10 .25 34.95 3.2 266.7永乐区块 常规 油层 10-1360 139 j-55 6.2 1350 28.12 34.7 2.25 1.25永乐区块 常规 油层 1360-1620 139 j-55 7.72 260 6.58 6.58 17.03 1.71(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

12、) 水泥浆密度(g/cm3) 漏失量(m3) 水泥品种标号 注水泥量(袋) 外加剂品种 外加剂量(kg) 永乐区块 油层 1.25 1310 1.85-1.9 0 g级 300 01.2井身结构设计图地层压力与地层破裂压力剖面图第2章 井身结构设计2.1最大钻井液密度和压差计算公式2.1.1考虑是否发生井涌 （2-1）式中：为发生井涌时，在井内最大压力梯度作用下，上部地层不被压裂所应有的地层破裂压力梯度，；为某井段钻进井段中所用的最大泥浆密度，；为抽吸压力允许值的当量密度，取0.036；为地层压裂安全系数，0.03；为发生井涌时的井涌允量，取0.06。2.1.2 压差计算公式 = （2-2）式

13、中：某井段内实际的井内最大压差，；、分别为井段内最大与最小地层压力当量密度，；、为最大与最小地层压力点所对应的井深，；压差允值=15-18。2.1.3资料的查取汇总=0.036；=0.04；=0.06；=0.03；=15-18。2.2井身结构设计2.2.1套管层次的确定（1）确定表层套管的下入深度将=1.25，=0.036，=0.03，=1600，=0.06代入公式（2-1）中有=现试取=750代入上式中有=而=1.45，因且相近，所以确定表层套管的下入深度初选点为=750。（2）校核表层套管下入到初选点=750过程中是否发生压差卡套：将=1.02，=，=0.95，=600m代入公式（2-2）

14、中有 = =0.00981=0.6239而，因，不会发生压差卡套，所以初选点为表层套管的下入深度。（3）因为井深为h=1600m，在留足5m口袋的前提下，油层套管下入深度为1595m。现校核油层套管：将=1.25，=，=1.02，=750m代入公式（2-2）中有 = =0.00981=1.957而，因，不会发生压差卡套，所以油层套管的下入深度为h=1595m。2.2.2设计结果井身结构设计表井号项目井深（m）钻头尺寸（mm）套管外径（mm）下入深度（m）sj0065表层套管755444.5339.7750sj0065油层套管1600215.9139.71595第3章 套管柱设计3.1资料的查取

15、汇总抗内压安全系数为，抗外挤安全系数为，抗拉安全系数为，最小抗外挤安全系数为。3.2油层套管柱的设计3.2.1按抗外挤强度设计由下而上设计选择套管（1）第一段油层套管所受最大外挤力为 =21.981；查钻井手册(甲方)选择第一段套管如下：钢级外径(mm)壁厚(mm)均重(kg/m)抗拉 强 度 (t)抗内压强度(mpa)抗 挤强度 (mpa)内径（mm）（kn）j-55139.76.9923.07100.733.16427.855125.71103.2（2）确定第二段套管下入深度和第一段套管的使用长度查钻井手册(甲方)选择第二段套管如下：钢级外 径(mm)壁 厚(mm)均 重(kg/m)抗 拉

16、 强 度(t)抗内压强 度(mpa)抗 挤 强 度（mpa）内 径（mm） （kn）h-40139.76.220.835921.44318.064127.3716.2第二段套管的下入深度为取=1300m，则第一段套管的使用长度为：=1595-1300=295；取每根套管的长度为：；则第一段套管共n=295/9.1=32.4根，取33根，实际下入深度； 第二段套管共n=（1595-300.3）/9.1=142.3根，取142根，实际下入深度；3.2.2油层套管的强度校核（1）抗拉强度校核浮力系数：=0.841 ； =10.49而，则，所以第一段满足抗拉强度要求。（2）应用双轴应力来校核第一段油层

17、套管浮力系数：=0.841套管浮重为：=57.099（kn）；则 结合双轴应力椭圆查得：；则实际抗外挤强度为：；而实际外挤力为：=17.808；，所以第一段满足双轴应力校核。（3）第二段油层套管抗拉强度校核浮力系数：=0.841=51.24而，则，所以第二段满足抗拉强度要求，不需要进行双轴应力校核。3.3表层套管柱的设计3.3.1设计选择表层套管表层套管所受最大外挤压力为 =9.509；查钻井手册(甲方)选择表层套管如下：钢级外 径(mm)壁 厚(mm)均 重(kg/m)抗 拉 强 度(t)抗内压强 度 (mpa)抗 挤 强 度(mpa)内 径(mm) (kn)j-55339.712.1910

18、1.2306.223.78713.445315.34755.13.3.2表层套管强度校核浮力系数：=0.854 ； =116.67而，则，所以表层套管满足抗拉强度要求。取每根套管的长度为：；则表层套管共n=750/9.1=82.4根，取82根，不足长度的用一短套管。3.3.3设计结果套管柱设计参数表项目井 段(m)钢级外径(mm)壁厚(mm)均重(kg/m)抗拉强度(t)抗内压强度(mpa)抗挤 强度( mpa)内 径(mm) (kn)表层套管0-750j-55339.712.19101.2306.223.78713.445315.34755.1油层套管ii0-1300h-40139.76.2

19、20.835921.44318.064127.3716.2油层套管i1300-1595j-55139.76.9923.07100.733.16427.855125.71103.2第4章 钻柱设计4.1钻铤的设计 根据五兹和鲁宾斯基理论得出：允许最小钻铤的最小外径为：允许最小钻铤外径=2倍套管接箍外径 钻头直径。 钻铤长度取决于选定的钻铤尺寸与所需钻铤重量。4.1.1所需钻铤重量的计算公式所需钻铤重量=式中：安全系数为；浮力系数为，考虑最危险状态，选最小钻井液密度，使浮力系数为最大。4.2钻具组合4.2.1一开钻具组合当使用尺寸为444.5mm钻头时，=180kn。选用钻铤：nc 56-80外径

20、为 203.2mm，内径为71.40mm，长度为9.1m，=2.19kn/m浮力系数：=0.866；所需钻铤重量为：m=259.8；则钻铤长度为：=118.6；钻铤根数为：（根）；实际取根，则钻铤实际长度为：；选用外径为139.7mm，内径为121.4mm，钢级为e级，按最小屈服强度计算的最小抗拉力；最小抗挤压力为；的钻杆。实际钻杆长度为：；所需钻杆根数为：（根）；实际取根，则钻杆实际长度为：。4.2.2一开钻具的强度校核（1） 安全系数法：安全系数取；（2） 设计系数法：设计系数取；（3） 拉力余量法：拉力余量取mop=500kn；比较以上三种校核方法，可以看出按卡瓦挤毁比值计算的最小，则钻

21、杆的许用长度为 = =3428.4627.9；（4）抗挤强度校核：=；综上所知，所选钻杆钻铤满足要求。4.2.3二开钻具组合当使用尺寸为215.9mm钻头时，=50kn。选用钻铤：nc44-62（4if）外径为158.80mm，内径为71.40mm，长度为9.1m，=1.212kn/m浮力系数：=0.847；所需钻铤重量为：m=73.79；则钻铤长度为：=60.88；钻铤根数为：（根）；实际取根，则钻铤实际长度为：；选用外径为127mm，内径为112mm，钢级为e级，按最小屈服强度计算的最小抗拉力；最小抗挤压力为；的钻杆。实际钻杆长度为：；所需钻杆根数为：根；实际取根，则钻杆实际长度为：。4.

22、2.4二开钻具的强度校核（1） 安全系数法：安全系数取；（2） 设计系数法：设计系数取；（3） 拉力余量法：拉力余量取mop=500kn；比较以上三种校核方法，可以看出按拉力余量法计算的最小，则钻杆的许用长度为 = =4224.07（m）1531.3（m）；（4）抗挤强度校核：=综上所知，所选钻杆钻铤满足要求。4.3设计结果钻具组合设计表项目钻头尺寸（mm）钻铤钻杆型号外径（mm）内径（mm）长度（mm）钢级外径（mm）内径（mm）长度（mm）一开444.5nc 56-80203.271.40127.4e级139.7121.4627.9二开215.9nc44-62（4if）158.871.46

23、3.7e级127108.61531.3第5章 钻井液设计5.1所需钻井液体积及相关公式所需钻井液体积=井筒内钻井液体积+地面循环量+损耗量 （5-1）其中：井筒内钻井液体积为 （5-2）式中：为第i段井径，为第i段井眼长度；地面循环量为：15钻机为100，30钻机为120,40钻机为140； 损耗量为： （5-3）原浆体积为 （5-4）粘土的质量与水体积的关系为 （5-6）查取资料知：，。5.2井筒内钻井液体积计算一次开钻井筒内钻井液体积为；二次开钻井筒内钻井液体积为；选用30钻机，则地面循环量为120；损耗量为：=则，实际取。现将，代入公式（5-5）及（5-6）中有解得：，。5.3钻井液密度

24、转换5.3.1密度转换公式 （5-7）式中：为需要调整到的钻井液密度，；、分别为土与水的质量，kg；为需要的重晶石质量，kg；为原浆体积，；5.3.2加入重晶石的质量（1）第一次需要将钻井液密度调整到将数据代入公式(5-7)则：由此解得。（2）第二次需要将钻井液密度调整到将数据代入公式(5-7)则：由此解得，即第二次需再加重晶石106-57=49。5.4设计结果钻井液设计参数表项 目泥浆密度 ()重晶石用量 (t)一 开1.1557二 开1.15649第6章 钻井水力参数设计泵组所提供的水力能量，一部分消耗于沿程损失，一部分为钻头所利用。一般情况在软到中软地层采用最大冲击力工作方式，在硬地层采

25、用最大水马力工作方式。因此，在表层套管段，采用最大冲击力的工作方式，在油层套管段采用最大水马力（最大水功率）工作方式。6.1水力参数相关公式 （6-1） （6-1） （6-2） （6-3）6.1.1最大冲击力工作方式相关公式第一临界井深为 （6-4）第二临界井深为 （6-5）当时最优喷嘴直径为 （6-6）当时最优喷嘴直径为 （6-7）当时最优喷嘴直径为 （6-8）当时最大射流力为 （6-9）当时最大射流力为 （6-10）6.1.2最大水功率工作方式相关公式第一临界井深为 （6-11）第二临界井深为 （6-12）当时最优喷嘴直径为 （6-13）当时最优喷嘴直径为 （6-14）当时最优喷嘴直径为

26、（6-15）当时最大水功率为 （6-16）当时最大水功率为 （6-17）最优排量为 （6-18）式中：为钻井液塑性粘度 ，；为钻杆内径，cm；为井眼直径，相当于井段所用钻头直径，cm；为钻杆外径，cm；为钻铤外径，cm；b为常数，内平钻杆，贯眼钻杆；、分别为钻铤、钻杆长度，m；、分别为地面管汇、钻铤内外的压耗系数；、分别为额定排量、携岩所需的最小排量，；为额定泵压，mpa；c为喷嘴流量系数，无因次；为喷嘴的当量直径，cm；、分别为额定泵功率、泵压，kw、mpa；d为井深，m。6.1.3水力参数优化设计确定最小排量岩屑举升效率为 （6-19）式中：为岩屑举升效率，无因次，要求；为岩屑在环空的实际

27、上返速度，m/s；为钻井液在环空的平均上返速度，m/s。 （6-20） （6-21） （6-22） （6-23）式中：为岩屑在钻井液中的下滑速度，m/s；为岩屑直径，cm；为岩屑密度，；为钻井液有效粘度，；k为钻井液稠度系数，；n为钻井液流性指数，无因次；为钻井液密度，。6.2泵的选择查邻井水力参数资料及钻井参数知：井号井段（m）泵压（mpa）排量(l/s)永乐区块0-80017.9835-38永乐区块800-162012.6435-38泵的选择如下：井号井段(m)泵型缸套直径(mm)额定泵压(mpa)额定功率(kw)柴油机转速(rpm)理论排量(l/s)sj00650-750一台sl 3nb

28、-1300a21956140038.75sj00650-1600一台 sl 3nb-1000a14.5735.5130040.346.3相关参数计算6.3.1表层套管段（0-750m） =0.0000017=0.002538=0.00339将m=0.0000017，=0.002538，a=0.0039代入公式（6-4）中得第一临界井深为=7004750=0.04699最大射流力为 =8.4将=0.5，k=0.2，=0.6cm，=2.52，n=0.7，=1.15，=44.45cm，=13.97cm代入公式（6-19）、（6-20）、（6-21）中可解得=0.145。则携岩所需的最小排量=20.3

29、即所选泵满足要求。因为，故最优喷嘴直径 = =1.695采用三个相同直径的喷嘴，则每个喷嘴直径为=0.979。6.3.2油层套管段（0-1300m）=0.00000412=0.00159=0.002398则第一临界井深为=10361600现将=0.5，k=0.3，=0.6cm，=2.52，n=0.7，=1.25，=21.59cm，=12.7cm代入公式（6-19）、（6-20）、（6-21）中可解得=0.9594。则携岩所需的最小排量为=22.969即所选泵满足要求。则第二临界井深为为 =3877因所以最优排量为 =34.165则水功率为 = =318.468因，故最优喷嘴直径为 =1.906

30、采用三个相同直径的喷嘴，则每个喷嘴直径为=1.1004。第7章 注水泥设计7.1水泥浆的用量7.1.1所需水泥浆体积的计算公式 （7-1）式中：为水泥塞深度，15m ；为井眼口袋高度，5m ；l为设计封填水泥长度，m ；为第i次开钻钻头尺寸，m ；为自外向里第i层套管的外径，m ；为第i层套管的内径，m ；为修正系数，1.1。7.1.2水泥浆体积的计算（1）封固表层套管水泥浆体积的计算将=444.5mm，=339.71mm，l=750m，=315.3mm，=15m ，=5m代入公式（7-1）中有 = =55.2（）则封固表层套管水泥浆体积为。（2）封油层套管水泥浆体积的计算1）封固0-1300

31、m油层套管水泥浆体积的计算将=215.9mm，=139.7mm，l=1300m，=127.3mm，=15m ，=5m代入公式（7-1）中有 = =30.8（）2）封固1300-1600m油层套管水泥浆体积的计算将=215.9mm，=139.7mm，l=300m，=125.7mm，=15m ，=5m代入公式（7-1）中有 = =7.4（）则封固油层套管水泥浆体积为。7.2所需干水泥的用量7.2.1所需干水泥的质量的计算公式配制1的水泥浆所需水泥灰的质量 （7-2）式中：为水泥灰的密度，3.15；为水的密度，1.0；m为水灰比，0.44（g级水泥）；7.2.2干水泥质量的计算（1） 封固表层套管所

32、需干水泥的质量为（2） 封固油层套管所需干水泥的质量7.3所需清水的体积的计算7.3.1所需清水的体积计算公式 （7-3）式中：m为水灰比，0.44（g级水泥）；为水密度，1.0；为干水泥质量，kg；7.3.2清水体积的计算（1）封固表层套管所需清水的量：固井时储备清水的体积为：20；（2）封固油层套管所需清水的量： 固井时储备清水的体积为：40；7.4顶替排量的计算（1） 表层：井径444.5mm，套管外径339.71mm，钻井液返速2.23m/s；（2） 油层：井径215.9mm，套管外径139.7mm，钻井液返速2.23m/s；7.5顶替容积的计算（1）表层：内径为315.3mm套管；（

33、2）油层：0-1300m内径为127.3mm套管，1300-1600m内径为125.7mm套管；7.6防凝时间的计算7.6.1表层防凝时间计算（1）水泥顶替钻井液的时间为 （2）钻井液顶替水泥的时间为 （3）封固表层套管所用时间和防凝时间 封固时间为 防凝时间为 7.6.2油层防凝时间计算（1）水泥顶替钻井液的时间为 （2）钻井液顶替水泥的时间为 （3）封固油层套管所用时间和防凝时间 封固时间为 防凝时间为 7.7设计结果注水泥设计参数表项目顶替排量（）水泥浆体积（）顶替容积（）防凝时间（min）干水泥质量（t）表层158.2455.258.5321.4580.2油层52.1838.220.2634.9555.5第8章 设计结果表8-1 井身结构设计表井号项目井深（m）钻头尺寸（mm）套管外径（mm）下入深度（m）sj0065表层套管755444.5339.7750sj0065油层套管1600215.9139.71595表8-2套管柱设计参数表项目井段(m)钢级外径(mm)壁厚(mm)均重(kg/m)抗拉强度(t)抗内压强度(mpa)抗挤强度( mpa)内径(mm)(kn)表层套管0-750j-55339.712.19101.2306.223.