钻井课程设计报告最终版

PAGE西南石油大学课程设计课程课程海洋钻井工程课程设计题目学院石油与天然气工程学院专业年级海洋油气工程2013级学生姓名赵子豪、王东、江欢、唐鹏程、学生学号指导教师熊友明王国华刘理明毛良杰2016年12月30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TOC\o"1-2"\h\z\u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西南石油大学本科生课程设计PAGE1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别探井井号A5设计井深3650m目的层井位坐标地面海拔m50纵（）m4275165横（）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构造含油气情况，扩大勘探区域，增加后备油气源完钻原则进入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1.2井身结构设计图钻探目的层为灰岩地层，确定完井方法为先期裸眼完井。油气套管下入层3－5m。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（图A－1）进行。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0.05；为地层压裂安全系数，0.03；为发生井涌时的井涌允量，取0.05。2.1.2压差计算公式=（2-2）式中：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。2.1.3资料的查取汇总=0.05；=0.05；=0.05；=0.03；=15。2.2井身结构设计2.2.1套管层次的确定（1）确定中间套管的下入深度将=1.53，=0.05，=0.03，=3650，=0.05代入公式（2-1）中有现试取=2500代入上式中有而2500m=1.696，因<2500m且相近，所以确定中间套管的下入深度初选点为=2500。（2）校核中间套管下入到初选点=2500过程中是否发生压差卡套：将=1.53，=0.05，=0.95，=2000m代入公式（2-2）中有==12.3606而=15，因，不会发生压差卡套，所以初选点D21=2500m为中间套管的下入深度。（3）因为井深为H=3650m，在留足5m口袋的前提下，油层套管下入深度为3645m。现校核油层套管：将=1.53，=0.05，=1.11，=2500m代入公式（2-2）中==0.00981（1.53+0.05-1.11）2500=11.527而=15，因，不会发生压差卡套，所以油层套管的下入深度为D1=3645m。（4）、计算表层套管可下入深度：根据中间套管下入深度2500米处的地层压力梯度给定0.05g/cm3的溢流条件，试算表层套管可下深度。=1.11+0.05+0.03+0.05*2500/D1假设D2=500m,=1.11+0.05+0.03+0.05*2500/500=1.44而500m=1.46，因<2500m且相近，所以确定中间套管的下入深度初选点为D2=500。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）A5表层套管500374.6339.7495A5中间套管780374.6339.7775A5中间套管2110241.3193.672105A5油层套管3650165.1139.73645第3章套管柱设计3.1资料的查取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=1.53*9.8*3645*1.125*10-3=61.485；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-55139.77.7225.30124.7485.276.50124.261215（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)抗拉强度(t)抗内压强度(MPa)抗挤强度（MPa）内径（mm）（KN）C-95193.679.5344.2298.956.39935.439174.63607.5第二段套管的下入深度为取=2100m，则第一段套管的使用长度为：=3645-2100=1545；取每根套管的长度为：；则第一段套管共N=1545/9.1=169.78根，取170根，实际下入深度1709.1=1547m；（3）确定第三段段套管下入深度和第二段套管的使用长度钢级外径

(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-55339.712.19101.2306.223.78713.445315.34755.1第三段套管的下入深度为取D3=1219.50m，则第二段套管的使用长度为：L2=D2-D3=2548-1219.50=1328.5；取每根套管的长度为：；则第二段套管共N=1328.5/9.1=145.98根，取146根，实际下入深度1469.1=1328.6m；则第三段套管使用长度L3=D1D2D3=364515471328.6=769.4m取每根套管的长度为：；则第三段套管共N=769.4/9.1=84.55根，取85根，实际下入深度859.1=773.5m；3.2.2油层套管的强度校核（1）抗拉强度校核浮力系数：而σt1=124.74t，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中间套管浮力系数：套管浮重为：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：，所以第一段满足双轴应力校核。（3）第二段中间套管抗拉强度校核浮力系数：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-55339.712.19101.2306.223.78713.445315.34755.13.3.2表层套管强度校核；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=500/9.1=54.9根，取55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0-500J-55339.712.19101.2306.223.78713.445315.34755.1技术套管II0-773.5J-55339.712.19101.2306.223.78713.445315.34755.1技术套管I773.5-2102.1C-95193.679.5344.2298.956.39935.439174.63607.5油层套管2102.1-3645J-55139.77.7225.30124.7485.276.50124.261215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374.6mm钻头时，=180KN。选用钻铤：NC56-80外径为203.2mm，内径为71.40mm，长度为9.1m，=2.19KN/m所需钻铤重量为：（KN）则钻铤长度为：钻铤根数为：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：；实际取根，则钻杆实际长度为：679.1=609.7（m）。4.2.2一开钻具的强度校核安全系数法：安全系数取；设计系数法：设计系数取；拉力余量法：拉力余量取MOP=450KN；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，则钻杆的许用长度为==3252.23（m)>609.7；（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241.3mm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————————————————————；；实际取Nc=9根，则钻铤实际长度为：9*9.1=81.9m；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。；根；实际取Np=266根，则钻杆实际长度为：266*9.1=2420.6（m）。4.2.4二开钻具的强度校核安全系数法：安全系数取St=1.32；设计系数法：设计系数取；拉力余量法：拉力余量取MOP=450KN；比较以上三种校核方法，可以看出按拉力余量法计算的Fa2最小，则钻杆的许用长度为=4080.80（m）2495（m）（4）抗挤强度校核：综上所知，所选钻杆钻铤满足要求。4.2.5三开钻具当使用尺寸为374.6mm钻头时，=180KN。选用钻铤：NC56-80外径为203.2mm，内径为71.40mm，长度为9.1m，=2.19KN/m所需钻铤重量为：（KN）则钻铤长度为：钻铤根数为：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：；实际取根，则钻杆实际长度为：679.1=609.7（m）。4.2.2一开钻具的强度校核安全系数法：安全系数取；设计系数法：设计系数取；拉力余量法：拉力余量取MOP=450KN；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，则钻杆的许用长度为==3252.23（m)>609.7；（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444.5NC56-80203.271.40127.4E级139.7121.4627.9二开215.9NC44-62（4IF）158.871.463.7E级127108.61531.3三开第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三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；现将，代入公式（5-5）及（5-6）中有5.3钻井液密度转换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（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SL3NB-1300A21956140038.75SJ00650-1600一台SL3NB-1000A14.5735.5130040.346.3相关参数计算6.3.1表层套管段（0-750m）=2.2481*10-3=3.142*10-3将m=1.206*10-6，=2.2481*10-3，a=0.0039代入公式（6-4）中得第一临界井深为=6237（m）>500（m）最大射流力为=8.35(KN)将=0.5，K=0.2，=0.6cm，=2.52，n=0.7，，=44.45cm，=13.97cm代入公式（6-19）、（6-20）、（6-21）中可解得=0.151。则携岩所需的最小排量即所选泵满足要求。因为，故最优喷嘴直径=1.662采用三个相同直径的喷嘴，则每个喷嘴直径为。6.3.2油层套管段（0-1300m）==2.81*10-6=1.425*10-3==0.00226则第一临界井深为=1364.28<1600现将=0.5，K=0.3，=0.6cm，=2.52，n=0.7，=1.32，=21.59cm，=12.7cm代入公式（6-19）、（6-20）、（6-21）中可解得=0.9137。则携岩所需的最小排量为==21.876<即所选泵满足要求。则第二临界井深为为=6131因所以最优排量为==36.055则水功率为=594.57因，故最优喷嘴直径为==1.922采用三个相同直径的喷嘴，则每个喷嘴直径为==1.110。机械参数设计各层段地层可钻级值：地层ABCDEF3F2JF2KF1QJ可钻性值0.611.392.1633.57.35.24.91，确定系数由表4-20查得直径为203.2mm的DI为0.1632，D2=5.94D1段软地层Q1=2.5,Q2=1.088*10-4,C1=72，计算最优钻压C1=7，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-55339.712.19101.2306.223.78713.445315.34755.1油层套管II0-1