钻井工程设计

,■!,£,—»-

刖5

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，使钻井周期最短；钻下部高压地

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、套管强度设计；3、钻柱设计：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

目录

第1章设计基本资料...............................................................I

1.1预设计井基本参数.........................................................1

1.2临井基本参数..............................................................I

第2章井身结构设计...............................................................4

2.1地层压力剖面..............................................................4

2.1.1最大钻井液密度...........................................4

2.1.2校核各层套管下到初选点时是否会发生压差卡套..............5

2.2井身结构的设计...........................................................5

2.3井身结构设计结果.........................................................6

第3章套管柱强度设计.............................................................8

3.1套管柱设计计算相关公式....................................................8

3.2油层套管柱设计............................................................9

3.2.1按抗外挤强度设计由下向上选择第一段套管...................9

3.2.2确定第二段套管的下入深度和第一段套管的使用长度..........9

3.2.3确定第三段套管的下入深度和第二段套管使用长度............11

3.2.4确定第三段套管的使用长度................................14

3.2.5油层套管设计结果........................................15

3.3技术套管柱设计...........................................................15

3.3.1按抗外挤强度设计由下向上选择第一段套管..................15

3.3.2校核技术套管的强度......................................16

3.3.3技术套管设计结果........................................16

3.4表层套管柱设计...........................................................17

目录

3.4.2校核表层套管的强度......................................17

3.4.3表层套管设计结果........................................17

3.5套管柱设计结果...........................................................18

第4章钻柱设计..................................................................19

4.1钻柱设计原理.............................................................19

4.1.1所需钻铤长度的设计公式..................................19

4.1.2计算钻柱所受拉力的公式..................................19

4.2钻柱的设计...............................................................19

4.2.1一开钻柱组合............................................19

4.2.2二开钻柱组合...........................................22

4.2.3三开钻柱组合............................................24

4.3钻柱设计总结.............................................................26

第5章钻井水力参数设计..........................................................27

5.1钻井水力参数的计算公式...................................................27

5.1.1确定最小排量............................................27

5.1.2获得最大钻头水功率时临界井深计算公式...................27

5.1.3有关压耗系数计算公式....................................27

5.2水力参数设计............................................................28

5.2.1一开水力参数设计........................................28

5.2.2二开水力参数设计.......................................31

5.2.3三开水力参数设计........................................33

5.3泵的设计结果.............................................................36

第6章注水泥设计................................................................37

目录

6.1水泥浆的排量确定.........................................................37

6.1.1确定排量的计算公式......................................37

6.1.2井口压力计算相关公式...................................37

6.2封固表层套管水泥浆计算...................................................38

6.2.1封固表层套管水泥浆排量..................................38

6.2.2表层套管固井水泥浆顶替计算.............................39

6.2.3表层套管固井井口压力确定................................39

6.3封固技术套管水泥浆计算...................................................41

6.3.1封固技术套管水泥浆排量..................................41

6.3.2技术套管固井水泥浆顶替计算.............................41

6.3.3技术套管固井井口压力确定...............................42

.4封固油层套管水泥浆计算....................................................43

6.4.1封固油层套管水泥浆排量..................................43

6.4.2油层套管固井水泥浆顶替计算.............................44

6.4.3油层套管固井井口压力确定................................45

6.5注水泥设计结果...........................................................46

第7章钻井液设计................................................................47

7.1钻井液用量计算公式......................................................47

7.1.1井筒内钻井液体积........................................47

7.1.2安全余量...............................................47

7.1.3所需钻井液总体积.......................................47

7.2钻井液用量计算..........................................................47

7.2.1一开所需钻井液体积计算..................................47

目录

7.2.2二开所需钻井液体积计算.................................48

7.2.3三开所需钻井液体积计算.................................48

7.2.3钻井液用量设计结果.....................................49

7.3所需清水和粘土土量的计算................................................49

7.3.1一开钻井液配制..........................................49

7.3.2二开钻井液配制.........................................50

7.3.3三开钻井液配制..........................................50

7.3.4钻井液配置总结.........................................50

7.4钻井液体系设计..........................................................51

第8章HSE、施工计划和经济预算..................................................52

8.1HSE............................................................................................................................................52

8.1.1HSE概述................................................52

8.2.1HSE评价目的............................................52

8.3.1HSE依据标准............................................52

8.2施工计划.................................................................53

8.3经济预算与评价..........................................................54

第9章设计总结..................................................................55

参考文献.........................................................................57

第1章设计基本资料

第1章设计基本资料

1.1预设计井基本参数

井号SJ0026井别预探井坐标21677778.6,5129220.5

设计井深3200井口海拔155目的层位Z,D,QI,Q2

松辽盆地东南断陷区徐家围

完井层位侏罗系地理位置深层构造位置

子断陷带宋站鼻状构造

1.设计依才居(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)

设计依据

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

1.2临井基本参数

表1.1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

宋深1表层4441503391.03-1.25155

宋深1技术31121402441.1-1.252145

宋深1油层21531501391.1-1.153155

表1.2地层压力

井号井段地层压力(g/cm)破裂压力(g/cn?)

宋深10-153.81.5

宋深1153-750.91.5

宋深1750-1100.931.55

宋深11100-1500.951.65

宋深11500-19001.011.52

宋深11900-23001.11.6

宋深12300-27001.121.61

宋深12700-31001.181.64

宋深13100-31551.11.65

表1.3钻具组合

钻头外

井号井段密度(g/cm3)钻具组合

径(mm)

宋深10-1534441.05-1.1①178X75+①159X26

①305螺扶+①229X5+①305螺扶+0229X9+

中305螺扶+①228减震器+中229X99+

宋深1153-21433111.1-1.25

①203X81+①178X54+①159X26+①127加重

钻杆

①214螺扶+6178X2+①214螺扶+6178X9

宋深12143-31552151.1-1.15+中214螺扶+①178减震器+中159X18+

①214螺扶十①159X26+①214螺扶

第1章设计基本资料

+0159X135

宋深12900-29202151.1-1.15①178取芯筒+(5159X100

表1.4钻井液性能

井钻井漏斗静切塑性粘屈服

地质密度失水

号井段(m)液类粘度PH值力度值N值K值

年代(g/cm3)(API)

型(S)(Pa)(mPa.s)(Pa)

宋明2

搬土

深段-第0-1531.03-1.2522-445-------

混浆

1四系

性

两

合

复

宋嫩4

子

离

深段-明153-9001.03-1.2522-400-00-00-00-00-00-00-0

井

钻

12段

夜

海

两性

宋泉2复合

深段-嫩900-2143离子1.23-1.2534-408.5-91.5-317-288-12.65-.55.35-551-4

12段钻井

液

性

两

合

宋侏罗

>-嘉

子

深系-泉2143-31551.1-1.1530-408.5-91-315-256-10.7-6.I-.31-3

井

钻

12段

*夜

表1.5水力参数

钻头压环空压喷射速钻头水上返速功率利

钻头尺泵压冲击力比水功

井号井段(m)降降度功率度用率

寸(mm)(MPa)(kN)率(%)

(MPa)(MPa)(m/s)(%)(m/s)(%)

宋深14440-1538.287.35.936.261043382.3488.75

宋深1311153-100011.598.163.437.151104075.8370.42

宋深13111000-150012.48.164.247.151104075.8365.78

宋深13111500-19001712.14.98.711346047.8371.19

宋深13111900-214317.412.15.298.711346047.8369.57

宋深12152143-250014.4910.943.554.5813231581.2875.5

宋深12152500-315515.2410.944.314.5813231581.2871.75

宋深12152900-292000

2

第1章设计基本资料

表1.6钻井参数

钻头

钻头类钻压转速排量泥浆密度

井号井段(m)尺寸生产厂喷嘴组合

型(kN)(rpm)(1/s)(g/cm3)

(mm)

宋深10-153444X3A江汉14+14+1430-4065-7045-481.03-1.25

宋深1153-1000311马赛克牡丹江11+11+11+11+1130-80195-20048-521.03-1.25

宋深11000-1500311TP-1胜利11+11+11+11+1180-120195-20048-521.2-1.25

宋深11500-1900311J22江汉14.24+14.24+9.53400-45065-7048-521.2-1.25

宋深11900-2143311J33江汉14.24+14.24+9.53400-45065-7048-521.2-1.25

宋深12143-2500215ATJ22江汉12.7+11.3220-25065-7028-301.1-1.15

宋深12500-3155215J33江汉12.7+11.3220-25065-7028-301.1-1.15

宋深12900-2920215RQ306牡丹江50-8065-7035-401.1-1.15

表1.7套管柱设计参数

套管类套管层外径段重长度壁厚累重抗拉系抗挤系

井号井段向)钢级

型位(mm)(t)(m)(mm)(t)数数

宋深1常规表层0-150339J-559.6515012.1712.1719.164.24

宋深1常规技术0-10244N-8011.0510.65118.613.16185.6

宋深1常规技术10-1110244J-5510.03110065.48117.971.991.13

宋深1常规技术1110-1870244N-8011.0576049.265.285.731.13

末深1常规技术1870-2140244P-11011.0527016.0716.0731.211.16

宋深1常规油层0-700139N-807.7270017.7179.691.984.29

宋深1常规油层700-2440139J-557.72174044.0261.981.811.13

宋深1常规油层2440-3150139N-807.7271017.9617.968.791.22

表1.8注水泥设计参数

固井前

水泥塞水泥浆

套管层密度要上返深漏失量水泥品注水泥外加剂外加剂

井号面深度密度

位求度(m)(m3)种标号量(袋)品种量(kg)

(m)(g/cm3)

(g/cm3)

宋深1技术1.2501.9-1.920G级3217微珠0

宋深1油层1.1519401.9-1.920G级11720

3

第2章井身结构设计

第2章井身结构设计

2.1地层压力剖面

由所给临井资料可以画出地层压力和地层破裂压力的当量密度如图2.1o

0.61.8

0

500

1000

——地层压力

1500

I---破裂压力

2000

2500

3000

图2.1地层压力剖面当量密度图

2.1.1最大钻井液密度

「max=「pmar+Sb(2-1)

式中Pmm一一某层套管钻进井段中所用最大泥浆密度，g/cn?；

/max——该井段中所用地层孔隙压力梯度等效密度，g/cn?；

5b——抽吸压力允许值的当量密度，取0.036g/cm3。

发生井涌情况

HxSi

4-max+Sb+Sf+T七(2-2)

nni

A1k——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，g/cm3；

4

第2章井身结构设计

Hn.——第n层套管下入深度初选点，m；

Sk——压井时井内压力增高值的等效密度，取0.06g/cn?；

5r——地层压裂安全增值，取0.03g/cn?。

2.1.2校核各层套管下到初选点时是否会发生压差卡套

△Pm=9-81x"mm(PpmaxPpmin)X

其中：为第n层套管钻进井段内实际的井内最大静止压差，MPa；

4mm为该井段内最小地层孔隙压力梯度等效密度，g/cn?；

△PN、△/〃为避免发生压差卡套的许用压差，取12MPa。

2.2井身结构的设计

（1）中间套管下入深度初选点。21

取初选点Z）2i=750mo

Ank-Ppmax++S.+

3100x0.06

=1.18+0.036+0.03+

750

=1.494(g/cm

查地层破裂压力梯度当量密度图可知075O=L5g/cm2,Ofnk<075O且相近，因此

选择中间套管初选点的下入深度为750m。

（2）校核中间套管下入到初选点750m过程中是否会发生压差卡套管。

22

由地层压力梯度表可知,j°PD2i=0.9g/cm,Ppmin=0.8g/cm,Dmin=400mo

由公式（2-3）

△Pm=9.81x10-3xHinm(/mx+5b-X?pmin)

=9.81x10-3x153x(0.93+0.036-0.8)

=0.25(MPa)

因为，ApmVApNTZMPa,所以技术套管满足要求，不会发生压差卡套管。

（3）计算表层套管的下入深度

试算表层套管的下入深度5=90m。

5

第2章井身结构设计

HxSv

,c.c■pmaxk

Pfnk=Ppmax------------------------

„八八“八750x0.06

=0.93+0.036+0.034----------

90

=1.496（g/cm?）

查地层破裂压力梯度当量密度图可知0（）=1.5g/cm\Ofnk<0（）且相近，因此选

择中间套管初选点的下入深度为90m。

由于表层套管Mm=0<=12MPa,所以不会发生压差卡套管。

(4)油层套管下入到井底3200m。

校核中间套管下入到3200m过程中是否会发生压差卡套管。

使用公式(2-3)

△亿„=9.81xl0-3xZ”mmSpm"+又-4min)

=9.81xl0-3x[l100x(1.18+0.036-0.93)+400x(1.18+0.036-0.95)+

400x(1.18+0.036-1.01)+400x(1.18+0.036-1.1)+400x(1.18+0.036-1.12)]

=5.77(MPa)

因为，ApmVApNTZMPa,所以油层套管满足要求，不会发生压差卡套管。

2.3井身结构设计结果

表2.1井身结构设计结果

套管表层套管技术套管油层套管

下入深度（m）907503200

查表可知各层套管和钻头尺寸为

139.7mm油层套管f200mm三开钻头f244.5mm技术套管-311.1mm二开钻头f

339.7mm表层套管一444.5mm一开钻头

6

第2章井身结构设计

井身结构见图2.1

TVDZm

-300

-500

-700

-900

-1100

-1300

-1500

-1700

-1900

-2100

-2300

-2500

-2700

-2900

-3100

图2.1井身结构

7

第3章套管柱强度设计

第3章套管柱强度设计

3.1套管柱设计计算相关公式

1.某井段的最大外挤压力

%=夕遥％'10-3(3-1)

式中：小。为套管柱受的外挤压力，MPa；

凡为该井段所用泥浆的最大密度，g/cn?;

D计算点井深，

Wmo

2.某段钢级套管的最大下入深度

D、=——%一?(3-2)

式中：分为某段钢级套管抗外挤强度，MPa；

SD为抗外挤安全系数,取1.125。

3.套管浮力系数

心=1一包(3-3)

A

式中：2为某段所用钢材的密度，取7.8g/cn?。

4.假设套管内完全充满天然气，则井口处的内压力门近似为:

。，=行黑行(3⑷

式中：为井底天然气压力，MPa；

化为井口内压力，MPa；

D为井深，m；

G为天然气与空气密度之比，一般取0.55。

5.安全系数

抗拉安全系数St=1.8,抗内压系数S=l.l。

8

第3章套管柱强度设计

3.2油层套管柱设计

3.2.1按抗外挤强度设计由下向上选择第一段套管

1.由公式(3-1)可知最大的外挤压力为：

Pg=凡X10-3=9.81X1.216X3200xlO-3=38.172672(MPa)

o-D1>pcox5D=38.172672x1.125=42.95(MPa)

查《钻井工具手册》，选择第一段套管

表3」第一段套管钢级选择

钢级外径壁厚线重屈服强度抗挤强度内径螺纹抗拉强度

(mm)(mm)(N/m)(kN)(MPa)(mm)(kN)

N80139.77.72248.1176643.3124.261548

实际抗挤安全系数

Sg=9=―——=1.1343

几。138.172672

3.2.2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《钻井工具手册》，选择第二段套管

表3.2第二段套管钢级选择

钢级外径壁厚线重屈服强度抗挤强度内径螺纹抗拉强度

(mm)(mm)(N/m)(kN)(MPa)(mm)(kN)

J55139.77.72248.1121433.9124.261099

由公式(3-2)可知

第二段套管下入深度为。,=一年~-=--------邑'------=2526(m),取

2_3-3

pdgSDxlO1.216X9.81X10X1.125''

2500m,则第一段套管使用长度为L=D「D?=3200-2500=700(m)。

2.第一段套管抗拉安全系数校核，第二段套管抗挤安全系数校核

浮力系数：隗=1一a=1一上3=0.8441

A7.8

叱=%#10-3=248.1x700x10-3=i73.67(kN)

%=0姑xl0-3=o8441x248.1x700x10-3=146.6(kN)

抗拉安全系数为：

9

第3章套管柱强度设计

_。=1548

=8.91>1.8

I说—173.67

抗拉满足要求。

第二段抗挤安全系数

________319________

'____________—D2=1.137>1.125

D2---3

9.81xlO>dD29.81xl0xl.216x2500

满足抗挤要求。

3.进行双向应力椭圆校核

在拉伸载荷的影响下，罐体的实际抗外挤强度使用公式

(F\

=1.03-0.74-^

PccPcI)

则罐体的实际抗外挤强度为

(F\

p^p1.03-0.74-^

cccIFs)

=33.9fl.03-0.74^^]

=31.88(MPa)

第二段实际抗挤安全系数

SD，=-----%----=---------------------=1.069<1.125

29.81x10-3^29.81xl0-3xl.216x2500

不满足满足抗挤要求。

因此，第二段套管的下入深度要进行上调。试算，第二段套管的下入深度为2300mo

4.重新校核第一段套管抗拉安全系数，第二段套管抗挤安全系数

“=以xl()T=248.1x900x107=223.29(kN)

Wcl=M姑x10-3=o8441x248.1x900x10-3=188.479(kN)

抗拉安全系数为：

抗拉满足要求。

第二段抗挤安全系数

10

第3章套管柱强度设计

________33^________

0~1>2=1.236>1.125

9.81x10-3凡a9.81x10-3xl.216x2300

满足抗挤要求。

5.重新进行双向应力椭圆校核

罐体的实际抗外挤强度为

(尸］

Ps=Pc1.03—0.74优

IFs)

=33.9fl.03-0.74188-479

I1214

=31.02(MPa)

第二段实际抗挤安全系数

_______31.02_______

____=1.13>1.125

9.819.81xl0-3xl.216x2300

满足满足抗挤要求。

3.2.3确定第三段套管的下入深度和第二段套管使用长度

1.查《钻井工具手册》，选择第三段套管

表3.3第三段套管钢级选择

钢级外径壁厚线重屈服强度抗挤强度内径螺纹抗拉强度

(mm)(mm)(N/m)(kN)(MPa)(mm)(kN)

J55139.76.98