钻井工程课程设计

1、第一章 设计资料收集1.1 设计井基本资料井号 SJ0089 井别 预探井 坐标 20639585,5347043 设计井深 2000 井口海拔 725 目的层位 Y1,D,N,T 完井层位 古生界 地理位置 海拉尔 构造位置 海拉尔盆地呼和湖坳陷呼和湖凹陷将北构造带 设计依据 1. 设计依据 （1）大庆石油管理局勘探部1992年第73期勘探方案审定纪要 （2）本区标准层构造图。 （3）邻井资料 2. 钻探目的 评价本区油层情况 12 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 和3 表层 444 160 339 1.1

2、1.2 165和3 油层 215 1945 139 1.11.15 19502.地层压力 井号 井段 地层压力(g/cm2 破裂压力(g/cm2 和3 0163 .85 1.5和3 163300 .9 1.55和3 300600 .95 1.6和3 600900 1 1.65和3 9001100 .98 1.65和3 11001500 1 1.65和3 15001700 1.02 1.6和3 17001900 1.05 1.6和3 19001950 1.12 1.63.钻具组合 井号 井段 钻头外径(mm 密度(g/cm3 钻具组合 和3 0-163 444 1.1-1.2 178×

3、75159×26和3 163-1950 215 1.1-1.15 214螺扶178×2214螺扶178×9214螺扶178减震器178×18214螺扶159×26214螺扶+159×135和3 680-690 215 1.1-1.15 178取芯筒159×100和3 950-990 215 1.1-1.15 178取芯筒159×100和3 1075-1090 215 1.1-1.15 178取芯筒159×1004.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

4、切力(Pa 塑性粘度(mPa.s 屈服值(Pa N值 K值 失水(API 和3 伊二段-第四系 0-163 搬土混浆 1.1-1.2 22-45 - - - - - - -和3 大下段-伊二段 163-1115 两性复合离子钻井液 1.05-1.1 22-35 8.5-9 .5-2 8-13 4-7 .65-.75 .2-.4 1-4和3 古生界-南上段 1115-1950 两性复合离子钻井液 1.1-1.15 35-45 8.5-9 2-3 13-18 7-9 .55-.65 .4-.6 1-45.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

5、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(% 和3 444 0-163 7.97 7.05 .92 6.01 104 325 2 .34 88.5和3 215 163-538 15.26 13.3 1.96 7.41 149 574 15 1.91 87.17和3 215 538-680 13.08 11.77 1.31 4.65 140 339 9 1.28 89.97和3 215 690-950 13.39 11.77 1.62 4.65 140 339 9 1.28 87.9和3 215 990-1075 11.89 10.26 1.63

6、4.05 131 275 7 1.19 86.28和3 215 1090-1355 12.7 10.72 1.97 4.23 131 288 7 1.19 84.45和3 215 1355-1500 12.86 10.72 2.13 4.23 131 288 7 1.19 83.4和3 215 1500-1950 13.35 10.72 2.63 4.23 131 288 7 1.19 80.3和3 215 680-690 0 和3 215 950-990 0 0 和3 215 1075-1090 0 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(

7、rpm 排量(l/s 泥浆密度(g/cm3 和3 0-163 444 X3A 江 汉 14+14+14 30-40 65-70 45-48 1.1-1.2和3 163-538 215 J2 江 汉 14.24+9.53+9.53 160-180 70-110 40-45 1.05-1.1和3 538-680 215 J11 江 汉 9.53+9.53+9.53 160-180 65-70 28-30 1.05-1.1和3 690-950 215 J11 江汉 9.53+9.53+9.53 160-180 65-70 28-30 1.05-1.1和3 990-1075 215 ATJ11 江汉

8、9.53+9.53+9.53 160-180 65-70 24-28 1.05-1.1和3 1090-1355 215 J22 江 汉 9.53+9.53+9.53 160-180 65-70 24-28 1.1-1.15和3 1355-1500 215 ATJ22 江 汉 9.53+9.53+9.53 160-180 65-70 24-28 1.1-1.15和3 1500-1950 215 J33 江汉 9.53+9.53+9.53 160-180 65-70 24-28 1.1-1.15和3 680-690 215 RC475 川.克 50-80 65-70 35-40 1.05-1.1和

9、3 950-990 215 SC226 牡丹江 50-80 65-70 35-40 1.05-1.1和3 1075-1090 215 RQ306 50-80 65-70 35-40 1.05-1.17.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 和3 常规 表层 0-160 339 J-55 9.65 160 12.98 12.98 17.96 4.14和3 常规 油层 0-190 139 J-55 7.72 190 4.81 48.1 2.33 12.29和3 常规 油层 190-438 139 J-55

10、 6.2 248 5.17 43.29 1.8 3.29和3 常规 油层 438-1945 139 J-55 7.72 1507 38.13 38.13 2.94 1.548.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 外加剂品种 外加剂量(kg 和3 表层 1.2 0 1.85-1.9 0 A级 639 0和3 油层 1.15 372 1.85-1.9 0 G级 1461 0第二章 井身结构设计2.1 钻井液的压力体系 最大钻井液密度 (2-1式中 某层套管钻进井段中所用最大泥浆

11、密度，； 该井段中所用地层孔隙压力梯度等效密度，； 抽吸压力允许值的当量密度，取0.036 。发生井涌情况=+S+ (2-2 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，上部地层不被压裂所应有的地层破裂压力梯度，； 第n层套管下入深度初选点，m； 压井时井内压力增高值的等效密度, 取0.06 ； 地层压裂安全增值，取0.03 。校核各层套管下到初选点时是否会发生压差卡套 (2-3 第n层套管钻进井段内实际的井内最大静止压差，MPa； 该井段内最小地层孔隙压力梯度等效密度，；P 避免发生压差卡套的许用压差，取12 MPa； 该井段内最小地层孔隙压力梯度的最大深度，m 。2.2井身结构

12、的设计套管层次的确定1.确定油层套管下入深度H因为井深H=2000m,所以油层套管下入深度H=2000m 。2.确定第技术套管下入深度H(1 初选点H试取 H=310 m参考临井基本参数, =1.60g/cm,=1.12 g/cm由公式2-2=1.12+0.036+0.03+=1.573(g/cm因为< 且相近，则初选点下入深度H=310 m 。(2 校核H=310 m在此井段 , =1.12 g/cm,=0.85g/cm , H=163 m 。由公式 2-3P=9.81163×(1.12+0.036-0.8510P=0.17126(MPa因为P< P,所以不会产生压差卡

13、套, 则确定此级套管的下入深度310m 。3.确定第表层套管下入深度H(1 试取H=80 m参考临井基本参数，=0.85 g/cm,=1.50g/cm。参考邻井资料的钻井液性能指标的数据：在0-163m的井段上钻井液的密度范围为1.1-1.2g/cm,在这里我们试取钻井液密度为1.15g/cm由公式 2-2和2-1=1.15+0.03+=1.4125(g/cm因为<且相近，则初选点下入深度H=40m 。(2 校核H=80m在此井段 , =0.85 g/cm,=0.85 g/cm,H=80 m 。由公式 2-3=9.8180(1.2-0.8510=0.27468(MPa因为 <P,所

14、以不会产生压差卡套, 则确定此级套管下入深度为80 m 。套管尺寸与井眼尺寸的选择与配合1 .查钻井手册(甲方，选择以下钻头与套管如下：表2-1 钻头与套管的选择井号项目钻头尺寸 (mm下深 (m套管外径 (mmSJ0089表层444.580339.7SJ0089技术215.9310244.5SJ0089油层215.92000139.7第三章 钻具设计3.1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。m= （3-1） m 所需钻铤的重量，kN ;W 所需钻压；S 安全系数, 此取S=1

15、.2 ；K 浮力系数 ；L 所需钻铤的长度, m ；L 所需钻杆的长度，m ；q 每次开钻所需钻铤单位长度重量；N 每次开钻所需钻铤的根数 ；每根钻铤的长度 9.1 m 。计算钻柱所受拉力的公式1钻柱所受拉力P=（L q+ L q） K （3-2）P 钻柱所受拉力，kN ；P外挤 =g L （3-3） P外挤 钻杆所受外挤压力,MPa 。3.2钻铤长度的计算一次开钻钻具组合1 .钻铤长度的确定选钻铤外径203.2mm，内径71.4mm，q=2190N/m。此时=0.858，W=40KNL= =25.54m 从而实际用3根，实际长度39.1=27.3（m）2.钻杆长度计算及安全校核钻杆外径139

16、.7mm，内径121.4mm，q=319.71N/m，钢级E级=1945.06KN，=1.3（1）安全系数校核：=0.9/=0.91945.06/1.3=1346.58KN(2 卡瓦挤毁校核=0.9/(/=0.91945.06/1.42=1232.78KN（3）动载校核：=0.9-MOP=0.91945.06-400=1350.5KN较三种安全校核知卡瓦挤毁校核计算的最小则钻杆 Lp=（- qL ）/（q）=4307.08m>80m从而实际用钻杆：80-27.3=52.7m校核抗挤度：P外挤=1.110009.8（80-27.3）0.568MPa <=58.21MPa故安全校核所选

17、钻铤及钻杆满足要求。二次开钻钻具组合1 .钻铤长度的确定选钻铤外径203.2mm，内径71.4mm，q=2190N/m。此时=0.852，W=180KNL= =115.7m 从而实际用13根，实际长度139.1=118.3（m）2.钻杆长度计算及安全校核钻杆外径139.7mm，内径118.6mm，q=360.59N/m，钢级E级=1945.06KN，=1.3（1）安全系数校核：=0.9/=0.91945.06/1.3=1346.58KN(2 卡瓦挤毁校核=0.9/(/=0.91945.06/1.42=1232.78KN（3）动载校核：=0.9-MOP=0.91945.06-400=1350.5

18、5KN较三种安全校核知卡瓦挤毁校核计算的最小则钻杆 Lp=（- qL ）/（q）=3294.2m>310m从而实际用钻杆：310-118.3=191.7m校核抗挤度：P外挤=1.1510009.8（310-118.3）=2.1605MPa<=58.21MPa故安全校核所选钻铤及钻杆满足要求。三次开钻钻具组合1 .钻铤长度的确定选钻铤外径152.4mm。q=1212N/m。此时=0.839，W=180KNL= =212.41m 从而实际用24根，实际长度24 9.1=218.4（m）2.钻杆长度计算及安全校核钻杆外径127mm，内径112mm，q=237.73N/m，钢级E级=176

19、0.31KN，=1.3（1）安全系数校核：=0.9/=0.91760.31/1.3=1218.676KN(2 卡瓦挤毁校核=0.9/(/=0.91760.31/1.42=1115.68KN（3）动载校核：=0.9-MOP=0.91760.31-400=1184.279KN较三种安全校核知卡瓦挤毁校核计算的最小则钻杆 Lp=（- qL ）/（q）=4480.17m>2000m从而实际用钻杆：2000-218.4=1781.6m。校核抗挤度：P外挤=1.2510009.8（2000-218.4）=21.825MPa<=68.96 MPa综上安全校核所选钻铤及钻杆满足要求。钻具选择表项目

20、钻头尺寸（mm）钻铤外径(mm钻铤长度(m钻杆外径(mm一开444.5203.225.54139.7二开215.9203.2118.3139.7三开215.9152.4218.4127第4章 钻井液设计4.1钻井液的选择井筒内钻井液体积V= (4-1V第i次开钻时井筒内钻井液的体积，m；D 第i次开钻时钻头的直径，m；L第i 层套管的下入深度，m ；所加入的重晶石的密度，取4200 ；加入重晶石粉后钻井液的密度，；加入重晶石之前的钻井液的密度，。需要加入粘土的量W= （4-2）式中 所加入粘土的密度，取 2000 ； 水的密度，取1000 ；加入粘土前钻井液的密度，。V所配钻井液的最大体积，m

21、。需要加入清水的量Q=V- （4-3） 式中 W所加入的粘土的量，t ； 水的密度，取1000。W= （4-4）式中 所加入的重晶石的密度，取4200 ；加入重晶石粉后钻井液的密度，；加入粘土前钻井液的密度，。参考临井资料，一开和时钻井液的密度为1.15 ，二开和三开时钻井液密度同为1.156 ，无须改变钻井液的密度。4.2 钻井液体最大积的计算 一次开钻井筒内钻井液体积由公式4-1V=80V=12.41(m由公式4-1V=310V=11.34(m由公式4-1V= 2000V=73.18(m一般泥浆池内要存储备用50m钻井液，取循环浪费20 m钻井液，所以 V>50+20+73.18,所

22、以V>143.18 m,V=160m 。4.3钻井液密度的转换由公式4-4W=W=48(t 所以加入黏土的量为48tQ=V-=160-=112m由公式得G=4.032t所以需加重晶石4.032t。参考临井资料，不用调节钻井液密度。第5章 钻井水力参数设计5.1泵的选择Z= （5-1） 式中 Z 流态值，808 ；D井眼直径，cm ；D 钻具外径，cm ；n 流性指数 ；K 稠度系数,Pa·s；钻井液密度，g/cm 。Q=(D （5-2）Q=(D （5-3）1第一临界井深Dcr= （5-4）式中 a=k+k-m L （5-5）k= m L (5-6k=0.51655(+ (5-7

23、k=L+ (5-8k=L+ (5-9式中 d,d,d,d 分别为地面高压管线，立管，水龙带和水龙头，方钻杆的内径，m ；L,L,L,L 分别为地面高压管线，立管，水龙带和水龙头，方钻杆的长度，m ；d,d,d,d 分别为钻杆,钻铤的内径和外径，m ；B 常数，内平钻杆取0.51655 ；L,L 分别为钻杆和钻铤的长度，m ；k,k,k 分别为地面管汇，钻杆内外，钻铤内外的压力损耗系数；d 井径，m ；d 钻具外径，m ； 钻井液的塑性粘度，Pa·s ；P泵的最大工作压力，kW ；Q泵的最大排量，m/s 。2 .第二临界井深D= (5-10Q钻井液携带岩屑最小速度对应泵的排量，m/s

24、。一开时泵的排量计算D=444.5 mm , D=139.7 mm ,n=0.65 ,K=0.3 ,Z=808 ,=1.1g/cm (5-11 (5-12 (5-13由公式(5-11 (5-12 (5-13得携岩最低返速=0.6(m/s由公式5-2Q=(D=(1.2Q=167.73(l/s由公式5-3Q=(D=(0.44450.6Q=83.868(l/s二开时泵的排量计算D=215.9 mm , D=139.7 mm ,n=0.65 ,K=0.3 ,Z=808 ,=1.1g/cm (5-11 (5-12 (5-13由公式(5-11 (5-12 (5-13得携岩最低返速=0.6(m/s由公式5-

25、2Q=(D=(1.2Q=25.53(l/s由公式5-3Q=(D=(0.21590.6Q=12.76(l/sD=215.9 mm ,D=127 mm ,n=0.65 ,K=0.3 ,Z=808 ,=1.25g/cm 。由公式5-2Q=(D=(0.2159Q=28.72(l/s由公式5-3Q=(D=(0.21590.6 Q=14.36(l/s表5-1泵的参数表井段泵型钢套直径（mm）最大工作压力（MPa）泵速 （冲/分）柴油机转速（rpm）额定排量（l/s）一开3台3NB-1300A16024112140034.32二开1台3NB-1300A 15027112140030.17三开1台3NB-13

26、00A15027112140030.175.2临界井深的计算当三开时，d=112mm,d=127mm,d=71.4mm,d=152.4mm, d=0.2 m ,=1.156 g/cm,=0.023Pa·s,d=d=d=d=0.120m, L=50m,L=30m,L=20m,L=16m。由公式5-7 K=0.12975(1.156100.023(+K=5.346由公式5-6=3.22由公式5-10K=(0.0011560.023366+K=由公式5-5n=5.346218.4n=由公式5-4Dcr=-Dcr=3785.36（m）泵的工作状态的选择因为Dcr>2000 m ，所以全

27、井段泵都以额定泵功率工作,即：=30.17。喷嘴 射流速度及射流冲击力的设计因为喷嘴的当量直径：d=又 D 所以=P-（n+mD）Q=27.99-(2.94+3.2228.72=27.32cm当量直径de=2.12cm若采用三个等直径的喷嘴时：d1=d2=d3=1.23cm射流速度Vj=10=165.622射流冲击力 Fj=5.499KN射流水功率：Pj=12.54MPa第6章 套管柱设计及强度校核6.1油层套管柱设计1.某井段的最大外挤压力p=gD10 (6-1 该井段所用泥浆的最大密度，g/cm ；D 某段钢级的下入深度，m ；2.某段钢级套管的最大下入深度D= (6-2某段钢级套管抗外挤

28、强度，MPa ；S最小抗外挤安全系数，取1.125 ；3.套管浮力系数 （6-3） 某段所用钢材的密度，取7.8 g/cm；4.安全系数抗内压安全系数S取1.12，抗拉安全系数S取1.8 。 按抗外挤强度设计由下向上选择第一段套管由公式6-1=p=1.1569.81200010=25.515查钻井手册（甲方），选择第一段套管表6-1 第一段套管钢级选择钢级外径（mm）壁厚（mm）均重(kg/m抗拉强度(t抗挤强度（）内径(mmJ-55139.76.9923.07100.727.855125.7 确定第二段套管的下入深度和第一段套管的使用长度1.查钻井手册（甲方），选择第二段套管表6-2 第二段

29、套管钢级选择钢级外径（mm）壁厚（mm）均重(kg/m抗拉强度(t抗挤强度（）内径(mmJ-55139.76.220.8385.721.512127.3由公式6-2mD=1618.17(m实际取D=1618(m第一段套管使用长度 L= D-D=2000-1618L=382 (m圆整进到390 m2.双轴应力校核23.07=12.998KN查钻井手册（甲方）=1103.2KN故0.01178=20.54KN故满足双轴应力校核3.抗拉强度校核<987.5满足抗拉强度要求。1.4 确定第二段使用长度和第三段可下入深度表6-3 第三段套管钢级选择钢级外径（mm）壁厚（mm）均重(kg/m抗拉强度

30、(t抗挤强度（）内径（mm）H-40139.76.220.835918.064127.31.由公式6-21414m实际取D=1414(m第二段使用长度 L= D- D=1618-1414=204(m取第二段套管的长度200m；2.双轴应力校核+12.998查钻井手册（甲方）=987.5KN故故满足双轴应力校核3.抗拉强度校核 满足抗拉强度要求。 确定第三段使用长度和第四段可下入深度表6-3 第三段套管钢级选择钢级外径（mm）壁厚（mm）均重(kg/m抗拉强度(t抗挤强度（）内径（mm）K=55139.76.220.83108.421.512127.3按计算mL3=D4-D3=393m在这里我们

31、取L3=400m1.抗拉强度校核由公式+47.7292.抗拉强度校核 满足抗拉强度要求。所以第四段套管的长度为:L=2000-390-200-400=10103 校核第四段套管第四段套管主要所受最大的拉应力抗拉强度校核：+118.52=1010+118.52=293.91<578.3KN.井口内压校核：满足井口内压校核所以满足要求6.2技术套管柱的设计技术套管段的最大钻井液密度为1.15 g/cmp=1.1569.83101.125p=3.95查钻井手册（甲方），选择第一段套管井深（m）钢级单位重量(kg/m壁厚（mm）内径（mm）抗拉强度 (t抗挤强度(kg/cm120-310H-40

32、47.627.72228.6115.296.3选取的抗挤强度为9.446，故满足抗挤强度校核。1.抗拉强度校核满足抗拉强度要求。2.井口内压校核满足井口内压校核，技术套管设计完毕。6.3表层套管柱的设计查钻井手册（甲方），选择第一段套管井深（m）钢级外径（mm）壁厚（mm）均重(kg/m抗拉强度(t抗挤强度(kg/cm内径（mm）0-80H-40339.78.3871.43146.152323表层套管段的最大钻井液密度为1.15 g/cmp=1.159.81801.125 p=1.015选取的抗挤强度为5.102，故满足抗挤强度校核。1.抗拉强度校核满足抗拉强度要求。2.井口内压校核第7章 注

33、水泥设计7.1水泥浆的用量所需水泥浆体积的计算公式V =K(D -DL+dh +Dh （7-1）式中 h 水泥塞深度，13m ；h井眼口袋高度，5m ；L设计封填水泥长度，m ；D第i次开钻钻头尺寸，m ；D自外向里第i层套管的外径，m ；d第i层套管的内径，m ；K修正系数，1.1；水泥浆体积的计算1.封固表层套管水泥浆体积的计算D=444.5 mm ,D=339.7 mm ,L=80m ,d=322.9 mm,h=13 m,h=5 m 。由公式7-1V=1.1+V=7.514(m2.封固技术套管水泥浆体积的计算D=215.9mm ,D=139.7 mm ,d=228.7 mm , L=31

34、0 m , h=13 m,h=5 m 。由公式7-1V=1.1(0.2159-0.1397310+0.228713+0.21595V=11.3(m3.封固油层套管水泥浆体积的计算D=215.9 mm ,D=139.7 mm ,d=124.3 mm ,L=2000 m , h=13 m,h=5 m ；由公式7-1V=1.1(0.2-0.13972000+0.124313+0.25V=32.6(m 。 7.2所需干水泥的用量所需干水泥的质量的计算公式配制1m的水泥浆所需水泥灰的质量q= （7-2）水泥灰的密度，3.15 g/cm；水的密度，1.0 g/cm ；m水灰比,二开、三开选0.44，一开为

35、0.46；从而，一开得q =1.286(t/m二开、三开得q =1.32(t/m。1. 封固表层套管 W=K Vq=1.057.5141.286=10.146(t2.封固技术套管W=K Vq=1.0511.31.32=15.662(t3.封固油层套管W=K Vq=1.0532.61.32=45.18(t 所需清水的体积的计算1.封固表层套管所需清水的量由公式7-3V=4.667(m固井时储备清水的体积20m。 2.封固技术套管所需清水的量由公式7-3V=6.87(m固井时储备清水的体积20m。3.封固油层套管所需清水的量由公式7-3V=19.879(m固井时储备清水的体积40m。7.3时间的计

36、算顶替排量1.油层：井径215.9mm,套管外径139.7mm,返速2.23m/s2 中间：井径215.9mm,套管外径139.7mm,返速2.23m/s3. 表层：井径444.5mm,套管外径339.7mm,返速2.23m/s顶替容积1.油层：内径124.3mm V=24.26m2 中间：内径124.3mmV=3.76m3. 表层：内径320.4mmV=6.447m顶替时间及防凝时间1.油层：顶替时间；防凝时间8.523min2.中间：顶替时间；防凝时间1.32mi3.表层：顶替时间；防凝时间0.747min n项目顶替排量（L/s）水泥浆的体积（m顶替容积（m防凝时间(min干水泥质量(t表层215.87.5146.4470.74710.146中间71.1511.33.761.3215.662油层71.1532.624.268.52345.18第8章 设计结果表8-1 钻