石油钻井工程课程设计论文.doc

目 录第1章 设计资料收集11.2邻井基本参数12. 地层压力1第2章 井身结构设计42.1 钻井液的压力体系-42.2井身结构的设计4第3章 钻柱设计73.1钻铤的设计73.2钻铤长度的计算8第4章 钻井液设计104.1钻井液的选择104.2 钻井液体最大积的计算11第5章 钻井水力参数设计125.1泵的选择125.2临界井深的计算15第6章 套管柱设计及强度校核186.1油层套管柱设计187章 注水泥设计217.1水泥浆的用量217.2所需干水泥的用量237.3所需清水的量23第8章 设计结果25参考文献28第1章 设计资料收集1.1预设计井基本参数表井号 SJ0031 井别 评价井 坐标 21765443,5106453 设计井深 2080 井口海拔 0 目的层位 F,Y 完井层位 泉三段 地理位置 肇东、长垣北 构造位置 三肇凹陷榆树林构造 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 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 树64-更65 导管 444 15 339 1.051.2 20树64-更65 油层 200 2055 139 1.051.3 20602. 地层压力井号 井段 地层压力(g/cm2) 破裂压力(g/cm2) 树64-更65 0800 .96 1.5树64-更65 8001000 .84 1.5树64-更65 10001200 1 1.6树64-更65 12001400 1.15 1.6树64-更65 16001800 1.15 1.6树64-更65 18002000 1.2 1.6树64-更65 20002200 1.25 1.63.钻具组合井号 井段 钻头外径(mm) 密度(g/cm3) 钻具组合 树64-更65 -2060 200 1.05-1.3 178×18195方接头159×18184螺旋扶正器159×9184螺旋扶正器159×754.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值 失水(API) 树64-更65 嫩2段-第四系 0-1050 两性复合离子钻井液 1.05-1.2 22-35 - - - - - - -树64-更65 青1段-嫩1段 1050-1625 两性复合离子钻井液 1.2-1.25 30-45 8-9 2.5-3 8-18 4-9 .65-.75 .2-.5 1-5树64-更65 泉3段-青1段 1625-2060 两性复合离子钻井液 1.25-1.3 35-45 8-9 3.5-4 14-28 7-12 .5-.65 .3-.6 1-55.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(%) 树64-更65 200 0-1000 13.49 11.91 1.58 5.21 135 366 11 1.72 88.3树64-更65 200 1000-2060 9.12 6.01 3.11 4.21 92 201 6 1.88 65.876.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) 树64-更65 0-1000 200 3B 大庆 9+10+11 120-140 195-200 28-32 1.05-1.2树64-更65 1000-2060 200 PM210 钻一机厂 12.7+12.7+12.7 20-60 195-200 32-35 1.2-1.37.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 树64-更65 常规 油层 0-130 139 J-55 7.72 130 3.29 46.58 2.4 15.9树64-更65 常规 油层 130-1340 139 J-55 6.2 1210 25.2 43.29 1.8 1.13树64-更65 常规 油层 1340-2055 139 J-55 7.72 715 18.09 18.09 6.19 1.298.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) 树64-更65 油层 1.3 1500 1.85-1.9 0 A级 419 0第2章 井身结构设计2.1 钻井液的压力体系-2.1.1 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 (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 。2.1.2 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井身结构的设计2.2.1套管层次的确定1.确定油层套管下入深度H因为井深H=2080m,所以油层套管下入深度H=2080m 。2.确定技术套管下入深度H(1) 初选点H试取 H=340 m参考临井基本参数, =1.5 g/cm,=0.96 g/cm由公式2-2=1.1+0.03+0.036+(20800.06)/340=1.498(g/cm3)因为<且相近，则初选点下入深度H=340 m 。(2) 校核H=340m在此井段 , =0.96g/cm,=0.96g/cm , H=183 m 。由公式 2-3P=9.81183(1.1-0.96)10P=0.251(MPa)因为P< P,所以不会产生压差卡套, 则确定此级套管的下入深度340m 。3.确定表层套管下入深度H(1) 试取H=80 m参考临井基本参数，=0.96(g/cm3), =1.5(g/cm3)由公式 2-2=1.18+0.03+0.036+(3400.06)/80=1.485 (g/cm)因为<且相近，则初选点下入深度H=80 m 。(2) 校核H=80m在此井段 , =0.96(g/cm3), =0.96 g/cm,H=183 m 。由公式 2-3=9.81183(1.18-0.96)10=0.395(MPa)因为 <P,所以不会产生压差卡套, 则确定此级套管下入深度为80m 。2.2.2 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)SJ0031表层444.580339.7SJ0031技术311.1340244.5SJ0031油层200.82080139.7因为表层套管较短，所以直接下入导管就行，技术套管当作表层套管 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)SJ0031表层311.1340244.5SJ0031油层200.82080139.7第一次开钻时，直接用钻头钻到340米就行。第二次开钻时，直接用钻头钻到2080米就行。第3章 钻柱设计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。3.1.1所需钻铤重量的计算公式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=1.2 ；K 浮力系数，此取 ；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 ；钻井液的密度；钢材的密度；每根钻铤的长度10 m 。3.1.2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3.2.1一次开钻钻具组合1 .钻铤长度的确定由公式 3-1q=2190N/mW=140(kN) m =140×1.2/0.86=195.35 (KN)Lc=195.35/(219010-3)L=89.2(m) 根数N2 =89.2/10=8.92，实际取N2 =9 根 则钻铤的实际长度是9×10=90m。2 .钻杆长度的确定 Ldp1=340-90=250Np=250/10=25 实际取Np =25根。钻杆强度校核：查钻井手册（甲方），选外径139.9 mm，内径 118.6mm ，E级钻杆，最小抗拉载荷Fy=1945.06 kN ,安全系数St=1.3 拉力余量为400KN.卡瓦系数为1.47。qb=319.71 N/m 此时钻井液密度=1.05 g/cmFa1=0.9Fy/St=1346.58 KNFa2=0.9Fy/1.47=1323.17 kNFa3=0.9Fy-400=1545.06 KN一次开钻时，钻杆最大允许长度：L=(Fa2/kb-lcqc)/qb=4700.248 米 所以钻杆满足井深要求，使用此钢级钻杆可以直接钻到底部。3.2.2 二次开钻钻具组合1钻铤长度的确定W=60 kN m = 601.2/0.86=83.72L=83.72/(219010-3)L=38.23(m)根数N3=38.23/10=3.82，实际取N3=4根 则实际长度是4×10=40m。2.钻杆长度的确定Ldp2=2080-40=2040钻杆的根数Np=2040/10=204 实际取204根。钻杆强度校核：查钻井手册（甲方），选外径139.9 mm，内径 121.4mm ，E级钻杆，最小抗拉载荷Fy=1945.06 kN ,安全系数St=1.3 拉力余量为400KN.卡瓦系数为1.47。qb=319.71 N/m 此时钻井液密度=1.1 g/cmFa1=0.9Fy/St=1346.58 KNFa2=0.9Fy/1.47=1323.17 kNFa3=0.9Fy-400=1545.06 KN一次开钻时，钻杆最大允许长度：L=(Fa2/kb-lcqc)/qb=4735.93米 所以钻杆满足井深要求，使用此钢级钻杆可以直接钻到底部。 表3-1 钻具选择表项目钻头尺寸(mm)钻铤外径(mm)钻铤长度(m)钻杆外径(mm)一开444.5203.289.2127二开200.1203.238.23127第4章 钻井液设计4.1钻井液的选择4.1.1井筒内钻井液体积V= (4-1)V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 ；泥浆池体积，；泥浆损失，；4.1.2 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。4.1.3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，一开和二开时钻井液的密度分别为1.05 和1.10，无须改变钻井液的密度。4.2 钻井液最大体积的计算4.2.1 表层开钻井筒内钻井液体积由公式4-1V= 3.14/4(0.4445)2340+55+21V=89.18(m)4.2.2油层开钻井筒内钻井液体积由公式4-1V=3.14/4 ×(0.2001) ×2080V=65.38(m)一般泥浆池内要存储备用55m钻井液，取循环浪费20 m钻井液 第5章 钻井水力参数设计5.1泵的选择5.1.1保证井壁不被冲刷的相关公式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）5.1.2临界井深的确定公式1第一临界井深Dcr= （5-4）式中 n=K+K-m L （5-5）K=mL (5-6)K=0.51655(+) (5-7)K=L+ (5-8)K=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0.12975 ；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= (5-10)Q钻井液携带岩屑最小速度对应泵的排量，m/s 。5.1.3一开时泵的排量计算DH=444.5mm,Dp=139.7mm,n=0.65,k=0.3,Z=808,=1.05g/cm3.由公式5-1的得携岩最高返速=1.28m/s=- (5-11)=0.00707ds(s-d)2/3/(d1/31/3) (5-12)=(dh-dp)/121-n(2n+1)/3nnk (5-13)由公式（5-11） （5-12） （5-13）的携带最低返速=0.65（m/s）由公式5-2Q=(D=（0.44452-0.13972）1.28Q=178.92（l/s）由公式5-3Q=(D=（0.44452-0.13972）0.65Q=90.86(l/s)5.1.4二开时泵的排量计算DH=311.1mm,Dp=127mm,n=0.65,k=0.3,Z=808,=1.10g/cm3.由公式5-2Q=(D=（0.20012-0.13972）1.28Q=20.62（l/s）由公式5-3Q=(D=（0.20012-0.13972）0.6Q=10.47(l/s)5.1.5泵的选择表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2台3NB-1300A 18019104130040.34二开1台3NB-1300A1403180100018.775.2临界井深的计算5.2.1二开时第一临界井深及喷嘴直径的确定钻油层时，d=12.7cm,d=10.86cm,d=71.4mm,d=203.2mm,d=444.5m m ,=1.05 g/cm, =0.012Pa·s, d=d=d=d=0.1m, L=50m,L=30m,L=30m,L=16m。由公式5-7 K=0.51655(1.05)0.012(+)K=4.70 由公式5-6m=1.382410-6由公式5-10Kc=1.050.80.0120.2163.80.5166/7.144.8 +=1.03980.41289163.8（0.000041248+0.000000022）K=0.0029由公式5-5a= K+K-m L =0.0032由公式5-4=4825m340m 5.2.2泵的工作状态的选择因为Dcr>340 m ，所以一开时泵以额定泵功率工作,即：=40.34。因为Dcr2>2080m,所以二开时泵以额定泵功率工作,即：=18.775.2.3喷嘴、射流速度及射流冲击力的设计喷嘴的当量直径: 由于D<,故一开时，带入数据：当量直径:=2.189即若采用三个等直径的喷嘴时：d1=d2=d3=1.2639 射流速度：v=10Q/A=107.21803m/s 射流冲击力：F=dQ2/100A=1.5858 KN钻头压力降：p=74.3 MPa喷嘴的当量直径: 由于D<,故二开时，带入数据：当量直径:=2.099即若采用三个等直径的喷嘴时：d1=d2=d3=1.212射流速度：v=10Q/A=116.57m/s 射流冲击力：F=dQ2/100A=1.724 KN钻头压力降：p=80.788MPa射流冲击力：F=dQ2/100A=1.5858 KN钻头压力降：p=74.3 MPa第6章 套管柱设计及强度校核6.1油层套管柱设计6.1.1计算的相关公式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强度，MPa ；S最小抗外挤安全系数，取1.125 ；3.套管浮力系数B=1- （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 。先计算油层套管：6.1.2 按抗外挤强度设计由下向上选择第一段套管由公式6-1p=1.120801.159.81p=25.81MPa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(MPa)内径(mm)C75177.88.0534.26188.7825.9161.7 6.1.3 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(MPa)内径(mm)N80339.712.19101.29437.1415.6315.3由公式6-2D= 15.6/(0.009811.11.125)D=1286.33(m)实际取D=1280(m)第一段套管使用长度 L= D-D=2080-1280L=800(m)2 .抗拉强度校核q=101.29N/m由公式6-3B=1-1.1/7.8=0.8589W= Bq=0.8589101.29800=69.60tSW=1.8 W125.28(t)所以 （W）<，满足抗拉强度要求。6.1.4 确定第二段使用长度表6-2 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(MPa)内径(mm)J55339.79.6581.18233.267.8320.4由公式6-2D= 7.8/(0.009811.11.125)D=643.17(m)实际取D=640(m)第二段使用长度 L= 2080-640=1440(m)取第二段套管的长度1440m；W= W+ BqL=69.60+0.858981.181.4401.8W=221.35(t）所以(S W)<，满足抗拉强度要求。6.3表层套管柱的设计用与油层套管相同方法，经校验得到表层套管的井段分布如下表井深（m）钢级外径（mm）壁厚（mm）均重(N/m)抗拉强度(t)抗挤强度(kg/cm)内径（mm）0-320h40 244.57.92471.9115.089.45228.7 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V =K(D -D)L+dh +Dh （7-1）式中 h 水泥塞深度，20m ； 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；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D=311.1 mm ,D=244.5 mm ,L=320 m ,d=228.7mm,h=20 m,h=5 m 。由公式7-1V=1.1(3.14/4) 320 (0.31112-0.24452)+(3.14/4) (0.2287) 220+( 3.14/4) 0.31112 5=11.426 (m3)h2.封固油层套管水泥浆体积的计算D=200.8 mm ,D=139.7 mm ,d2=320.4 mm ,L=580 m , h=20 m,h=50 m ；由公式7-1V=1.1(0.2008-0.1397)580+0.320420+0.2008250= 13.614(m3)7.1.3顶替排量：（1）油层：井径200.8mm，套管外径139.7mm，返速V=1.88m/s =VA=(0.2008-0.1397)1.881.51000=46.06 L/s（2）中间：井径311.1mm，套管外径244.5mm，返速V=1.72m/s =VA=(0.3111-0.2445)1.721.51000=74.94 L/s（3）表层：井径444.5mm，套管外径339.7mm，返速V=1.72m/s =VA=(0.4445-0.3397)1.721.51000=166.45 L/s7.1.4顶替容积（套管内水泥用量）：（1）油层：内径124.3mm。 =0.12732080= 26.46m（2）中间：内径226.6mm。=0.2286340= 13.95m（3）表层：内径320.4mm。=0.32380=6.55m7.1.5顶替时间及防凝时间：(1)油层：顶替时间 t=9.83min; 防凝时间=1.5t=14.75min(2)中间：顶替时间 t=2.89min; 防凝时间=1.5t=4.33min(3)表层：顶替时间 t=0.7min; 防凝时间=1.5t=1.04min7.2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, 0.44；从而，q =1.32(t/m)。7.2.2干水泥质量的计算1. 封固表层套管 W=K Vq=1.59.41.32=18.61(t)2.封固技术套管W=K Vq=1.514.31.32=28.31(t)3.封固油层套管W=K Vq=1.523.81.32=47.12(t)7.3所需清水的量7.3.1所需清水的体积的计算公式V= （7-3）7.3.2 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= = =8.19(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= = =12.46(m)固井时储备清水的体积30m。3.封固油层套管所需清水的量由公式7-3V= = =20.73(m)固井时储备清水的体积40m。项目顶替排量（L/s）水泥浆体积（）顶替容积（）防凝时间（min）干水泥质量（t）表层215.89.49.011.0418.61中间97.1614.316.824.3328.31油层71.1523.8141.9814.7547.12第8章 设计结果表8-1 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)SJ0031表层311.1340244.5SJ0031油层200.82080139.7表8-2钻井液参数项 目泥浆密度 (g/cm3)重晶石用量 (t)一 开1.05无需加重二 开1.10无需加重表8-3钻具选择表项目钻头尺寸(mm)钻铤外径(mm)钻铤长度(m)钻杆外径(mm)一开444.5203.289.2127二开200.1203.238.23127表8-4 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2台3NB-1300A 18019104130040.34二开1台3NB-1300A1403180100018.77表8-5 套管设计参数1、油层套管井段钢级外径（mm）壁厚（mm）均重(kg/m)抗拉强度(t)抗挤强度(kg/cm)内径（mm）1430-0J-55139.76.220.8385.721.512127.31860-1430J-55139.76.9923.07100.727.855125.72、表层套管柱的设计井深（m）钢级外径（mm）壁厚（mm）均重(N/m)抗拉强度(t)抗挤强度(kg/cm)内径（mm）0-320h40 244.57.92471.9115.089.45228.7 8-6 注水泥参数表项目顶替排量（L/s）水泥浆体积（）顶替容积（）防凝时间（min）干水泥质量（t）表层215.85.8934.090.612.89中间97.1610.52412.093.1523.02油层53.7918.1524.1711.2539.70地层压力表井号 井段 地层压力(g/cm2) 破裂压力(g/cm2) 树64-更65 0800 .96 1.5树64-更65 8001000 .84 1.5树64-更65 10001200 1 1.6树64-更65 12001400 1.15 1.6树64-更65 16001800 1.15 1.6树64-更65 18002000 1.2 1.6树64-更65 20002200 1.25 1.6地层压力图参考文献1 蒋希文. 钻井手册（甲方）上册M.北京：石油工业出版社，2001:319-330.2 屈东升. 石油工程M. 石油工业出版社出版，2001，24(4).3 甘秀娥. 石油工程设计M.江汉石油学院，石油工业出版社出版，2002，26(6).4 刘希圣石油工程设计M大庆：大庆石油学院，1999：123127.5 赵国珍，龚伟安. 钻井力学基础M.北京:石油工业出版社，1988.6 张方杭. 钻具手册M.北京: 石油工业出版社出版，1992 :1171281