中国石油大学北京2019春季期末考试-钻井工程参考答案

1、中国石油大学（北京）2019春季期末考试_钻井工程参考答案中国石油大学（北京）远程教育学院期末考试钻井工程一、名词解释（每小题5分，共20分）1、井斜方位角答：井斜方位角：某测点处的井眼方向线投影到水平面上，称为井眼方位线， 或井抖方位线。以正北方位线为始边，顺时针方向旋转到井眼方位线上所转过角 度，即井眼方位角。注意，正北方位线是指地理子午线沿正北方向延伸线段。所 以正北方位线和井眼方位线也都是有向线段，都可以用矢量表示。2、硬关井答：发现井涌后，在节流阀关闭的情况下关闭防喷器。本方法关井最迅速， 地层流体侵入井眼最少。但在防喷器关闭期间，由于环空流体由流动突然变为静 止，对井口装置将产生水

2、击作用。其水击波又会反作用于整个环空， 也作用于套 管鞋处及裸眼地层。严重时，可能损害井口装置，并有可能压漏套管鞋处地层及 下部裸眼地层。.欠平衡钻井答：所谓欠平衡压力钻井，即在钻井过程中允许地层流体进入井内，循环出井，并在地面得到控制。其主要标志为井底有效压力低于地层压力。由此可见， 采用密度低于1.0g/cm,的钻井液钻井，未必是欠平衡钻井，而在压力系数低于 1.0的油气藏进行欠平衡钻井则必须采用低密度钻井液。实际上欠平衡钻井既可 以在低压油气藏进行，只要满足欠平衡压力条件，也可以在较高地层压力且井眼 稳定的油气藏进行。.岩石的可钻性答：岩石可钻性是岩石抗破碎的能力。可以理解为在一定钻头规

3、格、类型及中国石油大学（北京）2019春季期末考试_钻井工程参考答案钻井工艺条件下岩石抵抗钻头破碎的能力。 可钻性的概念，已经把岩石性质由强 度、硬度等比较一般性的概念，引向了与钻孔有联系的概念，在实际应用方面占 有重要的地位。通常钻头选型、制定生产定额、确定钻头工作参数、预浏钻头工 作指标等都以岩石可钻性为基础。二、简答题（每小题10分，共40分）.钟摆钻具组合的防斜原理答：钟摆钻具原理如图所示。当钟摆摆过一定角度时，在钟摆上会产生一个向回摆的力Gc,称作钟摆力,Gc=G.sina显然，钟摆摆过的角度越大，钟摆力就越大。如果在钻柱的下部适当 位置加一个扶正器，该扶正器支撑在井壁上，使下部钻柱

4、悬空，则该扶正器以下 的钻柱就好像一个钟摆，也要产生一个钟摆力。此钟摆力的作用是使钻头切削井 壁的下侧，从而使新钻的井眼不断降斜。.钻井液的功用答：钻井液在钻井中的重要性是通过它在钻井过程中的功用表现出来的。钻井液通过以下路线沿井眼周而复始地循环。 钻井液在钻杆内向下循环，通过钻头 水眼流出，经过井壁（或套管）和钻杆的环形空间上返。钻井液携带着钻屑经过振 动筛，钻屑留在筛布上面，钻井液流经钻井液槽到钻井液池。 去掉钻屑后的钻井 液被钻井泵从钻井液池吸入并泵入钻杆内，开始下一个循环。在该循环过程中， 钻井液具有以下功用。中国石油大学（北京）2019春季期末考试_钻井工程参考答案1）从井底清除岩屑

5、，经钻头破碎下来的岩石碎屑叫钻屑或岩屑，随着钻井 过程的不断进行，必须将井底的岩屑及时地清除出去，以利于提高钻速和减少钻 井事故。虽然重力倾向于使钻屑向井底滑落，知果钻井液在环形空间向上的流速 大于滑落速度，则岩屑就可被带出井眼。清除钻屑的效率与钻井液的密度、 钻井 液的粘度和切力、钻井液的流型等因素有关2）冷却和润滑钻头及钻柱，钻进中，钻头摩擦部分以及钻柱与地层接触处 会产生很大热量，这些热量很难由地层传递出去，但热量从摩擦部位传到钻井液 中后，随着循环该热量就会被带到地面大气中。钻井液中加有各种类型的添加#1, 尤其是润滑齐类，钻井液具有好的润滑性能，这有利于减少扭矩、延长钻头寿 命、降低

6、泵压、提高钻速。3）造壁性能，性能良好的钻井液在井壁上形成一层比地层渗透性低得多的 滤饼，一方面巩固井壁，防止井壁坍塌，同时阻止滤液进入地层。在钻井液中加 入膨润土并进行化学处理，改善膨润土的颗粒度分布，增加钻井液中胶体颗粒含 量，可使钻井液的造壁性能得到改善。4）控制地层压力。地层压力的合理控制，取决于钻井液的密度。正常情况 下地层的压力为地层水柱产生的压力。 一般情况下，钻进过程中混入的钻屑加上 水的质量足以平衡地层压力。然而有时存在地层压力异常，不注意会引起井漏或 井喷。5）循环停止时悬浮钻屑和加重材料，防止下沉良好的钻井液在循环停止后 都具有切力，即具有悬浮钻屑和加重材料的能叫钻井工程

7、理论与技术力，否则这些固相颗粒沉于井底，造成反复研磨和沉砂卡钻等事故。 循环恢复后，钻井液又 呈液体状态可把钻屑等粗颗拉带到地面。6）从所钻地层获得资料，从钻井液携带出的岩屑分析和钻井液中的油气显 示，可以判断所钻地层是否含油气资源。 从钻井液性能变化和滤液分析可以知道 是否钻遇到岩盐层、盐膏层和盐水层等。7）传递水力功率，钻井液是将有用的水功率从地面传递到钻头及井底动力 钻具的媒介。钻井液的类型、排量、流动特性和周相含量等是影响水力功率传递 的重要因素。中国石油大学（北京）2019春季期末考试_钻井工程参考答案.射流清洁井底的机理答：射流对井底的清洗作用，射流撞击井底后形成的井底冲击压力波和

8、井底 漫流是射流对井底清洗的两个主要作用形式。（1）射流的冲击压力作用。射流撞击井底后形成的冲击压力波并不是作用在整 个井底，而是作用在小圆面积上。就整个井底而言，射流作用的面积内压力较高， 而射流作用的面积以外压力较低。在射流的冲击范围内。冲击压力也极不均匀， 射流作用的中心压力最高，离开中心则压力急剧下降。另外，由于钻头的旋转， 射流作用的小面积在迅速移动，本来不均匀的压力分布又在迅速变化。 由于这两 个原因。使作用在井底岩屑上的冲击压力极不均匀，极不均匀的冲击压力使岩屑产生一个翻转力矩，从而离开井底。这就是射流对井底岩屑的冲击翻转作用。（2）漫流的横推作用。射流撞击井底后形成的漫流是一层

9、很薄的高速液流层， 具有附面射流的性质。研究表明，在表面光滑的井底条件下，最大漫流速度出现 在小于距井底0. 5 mm的高度范围内，最大漫流速度值可达到射流喷嘴出口速度 的50%-80%喷嘴出口距井底越近，井底漫流速度越高。正是这层具有很高速度 的井底漫流，对井底岩屑产生一个横向推力，使其离开原来的位笠.而处于被钻井液携带并随钻井液一起运动的状态。 因而，井底漫流对井底清洗有非常重要的 作用。.钻柱的功用答：（一）钻柱的功用，钻柱在钻井过程中的主要作用：（1）为钻井液由井口流 向钻头提供通道；（2）给钻头施加适当的压力（钻压），使钻头的工作刃不断吃入岩 石；（3）把地面动力（扭矩等）传递给钻头

10、，使钻头不断旋$破碎岩石；（4）起下钻头; （5）根据钻柱的长度计算并深。2.钻柱的特殊作用，（1）通过钻柱可以观察和了解钻头的工作情况、井眼状况 及地层情况等；（2）进行取心、挤水泥、打捞井下落物、处理井下事故等特殊作 业；（3）对地层流体及压力状况进行测试与评价，即钻杆浏试，又称中途测试。三、课程设计（共40分）设计任务：XX油区XX凹陷一口直井生产井的钻井与完井设计中国石油大学（北京）2019春季期末考试_钻井工程参考答案1地质设计摘要地质概况该探井位于504和45地震测线交点，距XX省XX市东500m所在的地质构 造为XX凹陷，该井海拔较低，钻该井目的是通过打开QJ层来了解该层的油气情

11、况 矿大该油区的勘探范围，增加油区的总体油气后备储量。表A-1井别探井井号A5设计井深目的层Qj井位坐标地面海拔 m50纵（）m4275165横（y） m20416485测线位置504和45地震测线交点地理位置XX省XX市东500m构造位置XX凹陷钻探目的了解XX构造Qj含油气情况，扩大勘探区域，增加后备油气源完钻原贝Lt进入Q 150m完钻完井方法先期裸眼层位代号底界深度，m分层厚度，m主要岩性描述故障提示A280砾岩层夹砂土，未胶结渗漏B600320上部砾岩，砂质砾岩，中下部含砾砂岩渗漏C1050450中上部含砺砂岩、夹泥岩和粉砂质泥岩； 下部砺状砂岩，含砺砂岩、泥岩、粉砂质泥 岩不等厚互

12、层防塌D1600泥岩、砂质泥岩、砺状砂岩、含砺砂岩不等 厚互层，泥质粉砂岩防漏防斜E1900300砂质泥岩、泥质粉砂岩、夹砺状砂岩、含砺砂岩防斜防漏F32650750泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩防斜F2J2900250泥岩夹钙质砂岩，夹碳质条带煤线，中部泥 岩夹煤层、下部泥岩、粉砂岩、泥质粉砂岩防斜、塌、卡F2K3150250泥岩为主，泥质粉砂岩，中粗砂岩，砂砾岩 间互F13500350泥岩、泥质砂岩、下部灰褐色泥岩防漏、喷、卡5中国石油大学(北京)2019春季期末考试_钻井工程参考答案QJ3650(未穿)150深灰，浅灰色灰岩为主，间夹褐，砖红色泥 岩防漏、喷、卡地质基本数据井 号：A5井别

13、：生产井井位：(1)井位座标：纵(X) 4275165横(Y) 20416485(2)地面海拔：50m(3)地理位置：XX省XX市东500m(4)构造位置：XX凹陷(5)过井测线：504和45地震测线交点设计井深：H=3000+4X 100+76X 3=3628m (学号：)目的层：QJ层，底层深度3628m 分层厚度150m完钻层位：A、B、C、DE、F3、F2J、F2KF1、QJ完钻原则：先期裸眼完井钻探目的：了解XX构造QJ含油气情况，扩大勘探区域，增加后备油气源2井身结构设计井下复杂情况提示在本井的钻井过程中，现场有关技术人员充分了解、分析邻井事故复 杂情况，防止事故的发生，及时处理好

14、工程复杂。注意观察地震对钻井影响：井漏：井漏深度及层位；井斜：易斜井段及对应层位；井喷：易井喷井段及对应层位。进入目的层，应根据实钻情况及时调整泥浆密度，注意防喷、防漏和中国石油大学（北京）2019春季期末考试_钻井工程参考答案防卡，一方面要搞好油气层的发现，保护工作，另一方面要切实搞好井控工作， 确保安全施工。根据X X油田分公司钻开油气层申报制度要求，由地质监督以书面形式向钻井监督和井队提出油气层预告；原则：1）钻揭目的层前7天。2）目的层提前或非目的层发现油气显示要立即通知。3）邻井没有发现H2S气体，但本井应密切监控。行业标准中 H2s的安全临 界浓度为20mg/m3G14Pp加若发现

15、H2s无论浓度高低，都要向勘探事业部 的钻井技术部及HSEt理办公室、生产技术处和质量安全环保处报告，同时作业队伍要向所属的上级部门报告。地层可钻性分级及地层压力预测地层可钻性分级地 层ABCDEF3F2JF2KF1Q可钻性值0.611.392.1633.57.35.24.9中国石油大学（北京）2019春季期末考试_钻井工程参考答案压力剖面预测深度制地层当爵占井瘫度g/cm井身结构设计系数钻探目的层为灰岩地层，确定完井方法为先期裸眼完井。根据地质情况钻达 目的层过程中不受盐岩，高压水层等复杂地层影响，故井身结构设计按地层压力和破裂压力剖面进行。井深结构设计系数如下表所示名称Sg/cm3Sgg/

16、cm3Sfg/cm3Skg/cm3PnMPaPaMPa数值0.050.050.030.051520来源理论计算理论计算区域资料统计区域资料 统计区域资料 统计区域资料统计钻井液的压力体系最大钻井液密度中国石油大学（北京）2019春季期末考试_钻井工程参考答案式中 maxpmaxSbmaxpm aSb(2-1)某层套管钻进井段中所用最大泥浆密度，g/cm3;该井段中所用地层孔隙压力梯度等效密度，g/cm3 ；抽吸压力允许值的当量密度，取 0.036 g/cm3。发生井涌情况h s. pmax Dk fnk = pmax+ Sb +Sf+ H ni(2-2)fnk第n层套管以下井段发生井涌时,在井

17、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,Hni第n层套管下入深度初选点，mSk压井时井内压力增高值的等效密度,取 0.06 g/cm3;sf 地层压裂安全增值，取0.03 g/cm3。校核各层套管下到初选点时是否会发生压差卡套Pr29.81 Hmm( pmax & pmin) 10 3(2-3)p rnp min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，g/cm3 ；P 避免发生压差卡套的许用压差，取 12 MPa；H mm 该井段内最小地层孔隙压力梯度的最大深度，m 0套管层次的确定.确定油层套管下入深度Hi因为井深H=3

18、628m所以油层套管下入深度 H =3628m。中国石油大学(北京)2019春季期末考试_钻井工程参考答案.确定第技术套管下入深度H2(1)初选点H2i试取 H2i =310 m参考临井基本参数，f310 =1.60g/cm 3, pmax=1.12 g/cm 3由公式3-2f2k =1.12+0.036+0.03+3628 0.0603103、f2k =1.888(g/cm )因为f2kf950且相近，则初选点下入深度 H2i=310 m 校核H2i=310 m在此井段，pmax=1.12 g/cm 3, pmin =0.85g/cm 3 , H mm=163 m。由公式3-3Pr2 =9.

19、81 163X(1.12+0.036-0.85)10 3Pr2=0.17126(MPa)因为 Pr2P,所以不会产生压差卡套，则确定此级套管的下入深度310m。.确定第表层套管下入深度H3试取H3i=80 m参考临井基本参数，pmax =0.85 g/cm 3,f80 =1.50g/cm 3 。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 3,在这里我们试取钻井液密度为1.15g/cm3由公式3-2和3-1f3k =1.15+0.03+310 16080-3、f3k =1.4125(g/cm )10中国石油大学(北京)2019春季期末考试

20、_钻井工程参考答案因为f3k f 200且相近，则初选点下入深度 H3i =80m。校核H3i =80m在此井段，pmax =0.85 g/cm 3, pmin =0.85 g/cm 3,H mm=80 m。由公式3-3Pr3=9.81 80 (1.2-0.85)10 3Pr3=0.27468(MPa)因为Pr3 P,所以不会产生压差卡套，则确定此级套管下入深度为80m 。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(mm)SJ0089表层444.580339.7SJ0089215.9310

21、244.5SJ0089油层215.92000139.73套管柱强度设计油层套管柱设计按抗外挤强度设计由下向上选择第一段套管D=pc1 SD=1.156 9.81 2000 10 3 1.125d =25.515 MPa查钻井手册(甲方),选择第一段套管11中国石油大学(北京)2019春季期末考试_钻井工程参考答案表3-1第一段套管钢级选择钢级外径(mm壁厚(mm(kg/m)抗拉强度(t)抗挤强度(MPa)内径(mm)J-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.查钻井手册(甲方),选择第二段套管D221.5121.156 0

22、.00981 1.1251686.17 m表3-2第二段套管钢级选择钢级外径(mm壁厚(mm(kg/m)抗拉强度(t)抗挤强度(MPa)内径(mm)J-55139.76.220.8385.721.512127.3D2=1618.17(m)实际取 D2=1618(m)第一段套管使用长度Li= D1-D2 =2000-1618L1=382 (m)圆整进到390 m.双轴应力校核z LqKB390 23.07s 31.1569.81 107.85=12.998KN查钻井手册(甲方)s=1103.2KN12.9980.011781103.2gD2SD1.1560.00981 1610 1.125 =2

23、0.54KN12中国石油大学(北京)2019春季期末考试_钻井工程参考答案- 27.855 0.9645 26.866S故 pgDzSp满足双轴应力校核3,抗拉强度校核Z St12.998 1.8 23.39 987.5满足抗拉强度要求。确定第二段使用长度和第三段可下入深度表3-3第三段套管钢级选择钢级外径(mm壁厚(mm(kg/m)抗拉强度(t)抗挤强度(MPa)内径(mmH-40139.76.220.835918,064127.3-18.046D 3 1414m1.156 0.00981 1.125实际取 D3=1414(m)第二段使用长度L2 = D2- D3=1618-1414=204

24、(m),取第二段套管长度200m 2.双轴应力校核z LqKB+12.998 200 0.2043 0.85 12.998 47.729KN查钻井手册(甲方) s=987.5KNgD3SD47,729987.50.04831.1560.009811414 16.0421,5120.961220.6713中国石油大学(北京)2019春季期末考试_钻井工程参考答案故 pgDzSDS满足双轴应力校核3,抗拉强度校核Z St47.729 1.8 85.912 840.7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3-3第三段套管钢级选择钢级外径(mm壁厚(mm(kg/m)抗拉强度(t)抗挤

25、强度(MPa)内径(mmK=55139.76.220.83108.421,512127.3针 4者 c13.0367si按计算D4 1021 m1.156 0.00981 1.125L3=D4-D3=393m在这里我们取L3=400m1,抗拉强度校核由公式z LqKB+47.729400 0.2043 0.85 47.729118.52 KN2,抗拉强度校核Z St118.52 1.8 213.39 578.3满足抗拉强度要求。所以第四段套管的长度为:L 4 =L L1 I2 L3 2000-390-200-400=10103校核第四段套管第四段套管主要所受最大拉应力抗拉强度校核：LqKB+1

26、18.5214中国石油大学(北京)2019春季期末考试_钻井工程参考答案=1010 0.2043 0.85+118.52=293.9180m从而实际用钻杆：80-27.3=52.7m校核抗挤度：P外挤=gh =1.1 1000 9.8(80-27.3 )0.568MPa 310m从而实际用钻杆：310-118.3=191.7m校核抗挤度：P外挤=gh =1.15 1000 9.8(310-118.3 )=2.1605MPa2000m从而实际用钻杆：2000-218.4=1781.6m。校核抗挤度：P外挤=gh =1.25 1000 9.8(2000-218.4 )19中国石油大学(北京)201

27、9春季期末考试_钻井工程参考答案=21.825MPa2000 m，所以全井段泵都以额定泵功率工作，即：Qop =30.17 L/s。喷嘴 射流速度及射流冲击力的设计因为喷嘴的当量直径：de = 4一一 一20.081 dQC2 Pb又 DDpc所以pb=Pr- (n+mD Qr 1.8 =27.99-(2.9410 5+3.22 10 6 2000) 28.72 1.8 =27.32cm当量直径de=420.081 dQrC2 Pb=2.12cm若采用三个等直径的喷嘴时:27中国石油大学（北京）2019春季期末考试_钻井工程参考答案d 一d1=d2=d3= e =1.23cm,3射流速度:Vj

28、=10-Q =10 28.72=165.622 m1 d2 1 3.14 1.232544射流冲击力:Fj=100d Q2=5.499KN12d4射流水功率:0.05 dQ3Pj=12.54MPa12 2(-d2)247注水泥设计水泥浆的用量水泥浆体积的计算1.封固表层套管水泥浆体积的计算DH1 =444.5 mm ,D Si =339.7 mm ,L 1 =80m ,d 1 =322.9 mm,h 1=13 m,h 2 =5 m。Vti=1.1(0.44452 0.33972) 80+(0.3229)2 13 + -0.44452 5444VT=7.514(m3).封固技术套管水泥浆体积的计算DH2 =215.9mm,D S2 =139.7 mmd 2 =228.7 mm, L1=310 m , h1 =13 m,h2 =5 m。VT =1.1 -(0.2159 2-0.1397 2) 310+-0.2287 2 13+-0.2159 2 5VT =11.3(m3)28中国石油大学（北京）2019春季期末考试_钻井工程参考答案.封固油层套管水泥浆体积的计算DH3 =215.9 mm ,D S =139.7 mm ,d 3 =124.3 mm ,L3=2000 m , h 1=13 m,h 2 =5 m ;VT3=1.1