东北石油大学钻井工程课程设计.docx

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1、东北石油大学本科生课程设计东 北 石 油 大 学课 程 设 计课 程 石油工程课程设计 题 目 钻井工程设计 学 院 石油工程学院 专业班级 油工10-9班 学生姓名 学生学号 指导教师 毕雪亮 2013年7 月19 日东北石油大学课程设计任务书课程 石油工程课程设计题目 钻井工程设计专业 石油工程 姓名 学号 主要内容、基本要求、主要参考资料等：1、设计主要内容：根据已有的基础数据，利用所学的专业知识，完成一口井的钻井工程相关参数的计算，最终确定出钻井、完井技术措施。主要包括井身结构、钻具组合、钻井液、钻井参数设计和完井设计。2、设计要求：要求学生选择一口井的基础数据，在教师的指导下独立地完

2、成设计任务，最终以设计报告的形式完成专题设计，设计报告的具体内容如下：（1） 井身结构设计；（2）套管强度设计；（3）钻柱设计；（4）钻井液设计；（5） 钻井水力参数设计；（6）注水泥设计；（7）设计结果；（8）参考文献；设计报告采用统一格式打印，要求图表清晰、语言流畅、书写规范、论据充分、说服力强，达到工程设计的基本要求。3、主要参考资料：王常斌等，石油工程设计，东北石油大学校内自编教材陈涛平等，石油工程，石油工业出版社，2000钻井手册（甲方）编写组，钻井手册，石油工程出版社，1990完成期限 2013年7月1日2013年7月19日 指导教师 毕雪亮 专业负责人 毕雪亮 2013年 7 月

3、 19 日I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：

4、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。I目 录第1章 设计资料的收集11.1预设计井基本参数11.

5、2邻井基本参数1第2章 井身结构设计42.1钻井液压力体系42.2井身结构的设计52.3井身结构设计结果8第3章 套管柱强度设计93.1油层套管柱设计93.2表层套管柱设计123.3套管柱设计结果12第4章 钻柱设计134.1钻铤的设计134.2钻铤及钻杆长度的计算134.3钻柱设计结果17第5章 钻井液设计185.1钻井液的计算公式185.2两次开钻所需钻井液体积185.3两次开钻钻井液体性能185.4钻井液设计结果20第6章 钻井水力参数的设计206.1泵的选择206.2泵的各种参数计算216.3泵的设计结果27第7章 注水泥设计287.1水泥浆的用量及井口压力计算公式287.2封固套管所

6、需水泥浆的用量及井口压力计算30第8章 设计结果34参考文献37IVI第1章 设计资料的收集1.1预设计井基本参数井号 SJ0069 井别 评价井 坐标 21601333.9,5134155.2 设计井深 1780 井口海拔 0 目的层位 S.P 完井层位 青二三段 地理位置 敖古拉 构造位置 松辽盆地中央坳陷区龙虎泡阶地龙虎泡构造西侧 设计依据 1. 设计依 （1）1997年勘探方案审定纪要 （2）本地区地震T1，T2构造图。 2. 钻井目的 （1）证实该目的层是否为构造类型油气藏，以及岩性因素对油气藏影响程度。 （2）查明该区的油气情况。 （3）查明该区的储层特性。 1.2邻井基本参数 1

7、.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 龙 125 表 444 230 339 1.051.2 235龙 125 油层 215 1755 3 1.151.29 17602.地层压力 井号 井段 地层压力(g/cm2) 破裂压力(g/cm2) 龙 125 0233 0.85 1.6龙 125 233500 0.9 1.6龙 125 500800 0.95 1.63龙 125 8001000 0.98 1.65龙 125 10001200 1 1.7龙 12512001400 1.05 1.7龙 125 14001600 1.1 1.龙

8、125 16001760 1.15 1.553.钻具组合 井号 井段 钻头外径(mm) 密度(g/cm3) 钻具组合 龙 125 0-233 444 1.05-1.2 1787515926龙 125 233-1760 215 1.15-1.2 17818214稳定器1789214稳定器1789214稳定器178减震器1789515926龙 125 1665-1715 215 1.1512 178取芯筒17875159264.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(A

9、PI) 龙 125 明2段-第四系 0-233 搬土混浆 1.05-1.2 40-5 - - - - - - -龙 125 嫩5段-明2段 233-1000 两性复合离子钻井液 1.05-1.2 055 - - - - - - -龙 125 嫩2段-嫩5段 1000-1500 两性复合离子钻井液 1.2-1.25 45-60 8-9 1.5-2.5 10-18 5-9 .65-.75 .1-.3 -5龙 125 青2-3段-嫩2段 1500-1760 两性复合离子钻井液 1.27-1.29 45-6 8-9 2.5-3 18-288-14 .55-.65 .3-.6 1-55.水力参数 井号

10、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(%) 龙 125 444 0-233 8.067.05 1.01 6.01 104 325 2 .34 87.51龙 125 215 2331000 15.74 12.03 3.71 8.84 136 623 17 2.3 76.43龙 125 215 00-1540 12.79 10.5 2.29 5.51 123 353 9 1.49 82.13龙 125 215 1540-1665 18.37 15.9

11、2 2.45 5.46 151 428 11 .19 86.65龙 125 215 1715-1760 18.48 15.92 2.56 5.46151 428 11 1.1986.14龙 125 215 1665-1715 0 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(rpm) 排量(l/s) 泥浆密度(g/cm3) 龙 125 0-233 444 X3A 江汉 14+14+14 30-0 65-70 45-48 1.05-1.2龙 125 233-1000 215 3B 大庆 1313+13 160-180 195200 48-5

12、4 1.05-1.2龙 125 1000-1540 215 FM282 大港 9+9+10+10 30-50 195-200 30-35 1.2-1.27龙 125 1540-1665 215 J11 江汉 12.7+8.7 120-140 70-110 24-28 1.27-1.2龙 125 1715-1760 215 J11 江汉 12.7+8.7 120-140 70-11024-28 1.27-1.29龙125 1665-1715 215 RC-475 川.克 50-80 65-70 540 1.27-1.297.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

13、 段重(t) 长度(m) 壁厚(mm) 累重(t) 抗拉系数 抗挤系数 龙 125 常规 表层 0230 339 J-55 9.65 230 18.66 18.66 12.5 2.88龙 125 常规 油层 0-10 139 -55 7.72 10 .25 38.01 2.95 256.4龙 125 常规 油层 10-1440 139 J-55 6.2 1430 29.79 37.76 2.07 1.13龙 125 常规 油层 1440-1755 139 J-55 7.72 315 7.97 7.97 14.5 1.528.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

14、(m) 水泥塞深度(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) 龙 125表层 1.2 0 1.85-1.9 0 A级 909 0龙 125 油层 1.29 1440 1.85-1.9 0 G级 304 0第2章 井身结构设计2.1钻井液压力体系2.1.1最大泥浆密度 （2-1）式中：为某层套管钻进井段中所用最大泥浆密度，；为该井段中所用地层孔隙压力梯度等效密度，；为抽吸压力允许值的当量密度，取0.060。发生井涌情况时 （2-2） 式中：为第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

15、力梯度，；为第n层套管下入深度初选点，m；为压井时井内压力增高值的等效密度，取0.03 ；为地层压裂安全增值，取0.03。2.1.2校核各层套管下到初选点深度时是否会发生压差卡套 （2-3）式中：为第n层套管钻进井段内实际的井内最大静止压差，MPa；为 该井段内最小地层孔隙压力梯度等效密度，；为该井段内最小地层孔隙压力梯度的最大深度，m；为避免发生压差卡套的许用压差，取12 MPa。2.2井身结构的设计2.2.1套管层次与深度的确定根据邻井数据绘制地层压力与破裂压力剖面图，如下图所示。图2.1地层压力与地层破裂压力剖面图查表知最大地层压力梯度的当量密度为1150，位于1780处。1. 确定中间

16、套管下入深度初选点。试取=150，将其值代入下式，得=1150+60+30+=1596查表知150处=1600，因为且相近，所以确定中间套管下入深度初选点为150。2. 校核中间套管下入到初选点150过程中是否发生压差卡套管。查表知：150处，=850，=150，=850，则：=0.0882因为，则不易发生压差卡钻现象，可以确定中间套管下入深度为150。3. 确定表层套管下入深度查表知：中间套管鞋处地层压力的当量密度=850，试取初选点代入下式，得：=1583查表知：7处，=1600，且相近，所以表层套管下入深度为7。4.综合考虑中间套管与表层套管下入深度。因为表层套管下入深度太浅，可将中间套

17、管和表层套管合二为一，只下入一个表层套管，下入深度为150。5. 确定生产套管下入深度并校核生产套管下入过程中是否发生压差卡套管。由于设计井深为1780，所以确定生产套管下入深度为1780。1) 在深度为150233，=233，=850，=850，则：=0.08822) 在深度为233500，=233，=900，=850，则：=0.2511743) 在深度为500800，=500，=950，=900，则：=0.5394) 在深度为8001000，=800，=980，=950，则：=0.70565) 在深度为10001200，=1000，=1000，=980，则：=0.7846) 在深度为120

18、01400，=1200，=1050，=1000，则：=1.29367) 在深度为14001600，=1400，=1100，=1050，则：=1.50928) 在深度为16001760，=1600，=1150，=1100，则：=1.72482.3井身结构设计结果查钻井手册（甲方），钻头与套管尺寸匹配结果如下表所示。表2-1.井深结构设计表井号项目套管下入深度(m)套管外径(mm)钻头尺寸(mm)SJ0069表层套管150244.48311.05SJ0069生产套管1780139.7200.05第3章 套管柱强度设计3.1油层套管柱设计3.1.1计算的相关公式1.某井段的最大外挤压力 （3-1）式

19、中：为该井段所用泥浆的最大密度，；为某段钢级的下深度，m。2.某段钢级套管的最大下入深度 （3-2）式中：为某段钢级套管抗外挤强度，MPa；为最小抗外挤安全系数，取1.125。3.套管浮力系数 （3-3）式中：为某段所用钢材的密度，取7.8。4.安全系数抗拉安全系数：3.1.2按抗外挤强度设计由下向上选择第一段套管由公式3-1可知最大外挤压力为：而允许抗外挤强度为：查钻井手册（甲方）选择第一段套管：表3-1 第一段套管钢级选择钢级外径（mm）壁厚 （mm）线重（kg/m）抗拉强度（kN）抗外挤强度（MPa）抗内挤强度（MPa）J-55139.76.9923.07110327.933.23.1.

20、3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）选择第二段套管表3-2 第二段套管钢级选择钢级外径（mm）壁厚 （mm）线重（kg/m）抗拉强度（kN）抗外挤强度（MPa）抗内挤强度（MPa）J-55139.76.220.8398821.529.4由公式3-2可知，第二段套管下入深度为：则第一段套管使用长度为：3.1.4确定第三段套管的下入深度和第二段套管的使用长度查钻井手册（甲方）选择第三段套管 表3-3 第三段套管钢级选择钢级外径（mm）壁厚 （mm）线重（kg/m）抗拉强度（kN）抗外挤强度（MPa）抗内挤强度（MPa）H-40139.76.220.8371618.12

21、1.4由公式3-2可知，第三段套管下入深度为： 则第二段套管使用长度为：故第三段套管使用长度为：。3.1.5校核套管1. 抗拉校核：从下到上校核：988KN716KN2. 井口抗内压校核：=3.1000环空返高处，利用双轴应力法进行抗外挤校核： = =205（KN）查双轴应力椭圆，知：许用抗外挤强度：1000处钻井液静液柱产生的压强：13.394MPa3.2表层套管柱设计由公式3-1可知，最大外挤压力为：而允许抗外挤强度为：查钻井手册（甲方）选择表层套管： 表3-4 表层套管钢级选择钢级外径（mm）壁厚 （mm）线重（kg/m）抗拉强度（kN）抗外挤强度（MPa）内径（mm）抗内挤强度（MPa

22、）H-40244.57.9248.0716249.4228.615.7表层套管抗拉强度校核： 故，满足抗拉强度要求。3.3套管柱设计结果表3-5 套管柱设计参数表井号套管类型套管层位井段（m）钢级外径（m）壁厚（mm）长度（m)SJ0069常规表层0150H-40244.57.92150SJ0069常规油层01324H-40139.76.21324SJ0069常规油层13241572.67J-55139.76.21572.67SJ0069常规油层1572.671780J-55139.76.991780第4章 钻柱设计4.1钻铤的设计根据钻头直径选择钻铤外径，钻铤长度取决于选定的钻铤尺寸与所需钻

23、铤重量。4.1.1所需钻铤长度的计算公式 （4-1） 式中：为设计最大钻压，kN；为安全系数, 此取；为钻井液浮力系数；为所需钻铤的长度, m；为每次开钻所需钻铤单位长度重量，；为每次开钻所需钻铤的根数，每根钻铤的长度9.1m。4.1.2计算钻柱所受拉力的公式 （4-2）式中：为钻柱所受拉力，kN；为钻铤长度, m；为钻铤单位长度重量，；为钻杆长度, m；为钻杆单位长度重量，。 （4-3） 式中 ：为钻杆所受外挤压力，MPa；为最小钻井液密度，。4.2钻铤及钻杆长度的计算4.2.1一次开钻钻具组合（1）钻铤长度的确定查钻井手册（甲方）选择钻铤,钻铤外径203.2mm，内径71.4mm，线重。此

24、时，最大钻压。则钻铤长度为，所用根数为。从而实际用4根钻铤，钻铤实际度为。（2）钻杆长度计算及安全校核查钻井手册（甲方）选择钻杆，钻杆外径127mm，内径102.60mm，线重,钢级E级，钻杆，安全系数为。选用304.8mm长度卡瓦时，由下式得： = =1.59计算最大安全静拉载荷为： 安全系数法： 设计系数法： 拉力余量法：比较三种安全校核知设计系数法计算的值最小。则钻杆许用长度为：因此钻杆长度为，所用根数为，实际取，从而钻杆实际长度为。校核钻杆抗挤强度为：查钻井手册（甲方）知，查双应力椭圆图知：钻井液静液柱产生的压强：许用抗挤强度：故安全校核所选钻铤及钻杆满足要求。4.2.2二次开钻钻具组

25、合（1）钻铤长度的确定查钻井手册（甲方）选择钻，钻铤外径152.4mm，内径57.2mm，线重。此时，最大钻压为。则钻铤长度为，所用根数为。从而实际用23根钻铤，钻铤实际长度为：。（2）钻杆长度计算及安全校核查钻井手册（甲方）选择钻杆，钻杆外径101.6mm，内径88.3mm，线重，钢级E级，钻杆，安全系数为。选用304.8mm长度卡瓦时，由下式得： = =1.45计算最大安全静拉载荷为： 安全系数法： 设计系数法： 拉力余量法：比较三种安全校核知拉力余量法计算的值最小。则钻杆许用长度为 因此钻杆长度为，根数为，实际取，从而钻杆实际长度为。校核钻杆抗挤强度为：查钻井手册（甲方）知，查双应力椭圆

26、图知：钻井液静液柱产生的压强：许用抗挤强度：故安全校核所选钻铤及钻杆满足要求。4.3钻柱设计结果表4-1.钻柱设计参数表井段（m）钻头尺寸（mm）钻铤外径（mm）钻铤内径（mm）钻铤根数钻杆外径（mm）钻杆内径（mm）钻杆根数0150311.05203.271.44127112131501780200.03152.457.223101.688.3173第5章 钻井液设计5.1钻井液的计算公式 （5-1） 式中：为井筒内钻井液的体积，L；为井径，m；为第i段钻杆长度，m； 为钻铤长度，m；为钻铤内径，m；为钻铤外径，m；为第i段钻杆内径，m；为为第i段钻杆外径。5.2两次开钻所需钻井液体积5.2

27、.1第一次开钻所需钻井液体积+=29858.82(L)5.2.2第二次开钻所需钻井液体积+=650769.55(L)5.3两次开钻钻井液性能5.3.1第二次开钻钻井液性能表5-1第一次开钻钻井液性能井号井段(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)龙1250-150搬土泥浆0.9440-508-91.5-2.510-185-9065-0.700.1-0.31-55.3.2第二次开钻钻井液性能表5-2第二次开钻钻井液性能井号井段(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.

28、s)屈服值(Pa)N值K值失水(API)龙125150-233搬土泥浆0.9440-508-91.5-2.510-185-9065-0.700.1-0.31-5龙125233-500搬土泥浆0.9940-508-91.5-2.510-185-9065-0.700.1-0.31-5龙125500-800两性复合离子1.0440-508-91.5-2.510-185-9065-0.700.1-0.31-5龙125800-1000两性复合离子1.00740-508-91.5-2.510-185-9065-0.700.1-0.31-5龙1251000-1200两性复合离子1.0945-608-91.5

29、-2.510-185-9065-0.700.1-0.31-5龙1251200-1400两性复合离子1.1445-608-91.5-2.510-185-9065-0.700.1-0.31-5龙1251400-1600两性复合离子1.1945-608-92.5-318-288-140.55-0.650.3-0.61-5龙1251600-1760两性复合离子1.2445-608-92.5-318-288-140.55-0.650.3-0.61-5第6章 钻井水力参数的设计6.1泵的选择6.1.1确定最小排量 （6-1） 式中：为最低环空返速，；、为井径和钻柱外径，cm；为携岩屑的最小排量，。6.1.

30、2计算不同井深循环压耗系数 （6-2） （6-3） （6-4） （6-5） （6-6）式中：分别为地面高压管线、立管、水龙带和水龙头、放钻杆的内径，。 分别为地面高压管线、立管、水龙带和水龙头、放钻杆长度，。 分别表示钻杆和钻铤的内径、外径，。 分别为钻杆和钻铤的长度，。 常数，内平钻杆，贯眼钻杆。 井径，。 钻井液的塑性粘度，。6.1.3临界井深的确定1计算按最大钻头水功率方式下的临界井深 第一临界井深为： （6-7）第二临界井深为： （6-8）式中：；为额定泵压，MPa；为额定排量，。2计算按最大射流冲击力方式下的临界井深 第一临界井深为： （6-9）第二临界井深为： （6-10）6.2泵

31、的各种参数计算6.2.1一开时泵的计算根据邻井参数可知： = = = = = = = =由公式(6-1)知，携岩的最小排量为：=最大排量为：=查钻井手册（甲方），选择缸套直径为的型号为SL3NB1000A的钻进泵两台，其额定排量为，额定泵压为，柴油机的转速为1200，泵速为96。第一临界井深：= =237.66(m)第一临界井深：= =1905.7(m)因为表层深度150m，小于第一临界井深，所以在第一次开钻时，用两台缸套直径为的型号为SL3NB1000A的钻进泵，其额定排量L/s，额定泵压为，柴油机的转速为1200，泵速为96。钻井泵的最优排量：=钻头压降：钻头喷嘴的当量直径：对于三个等径喷

32、嘴，每个喷嘴的直径可写为：钻头水功率：比钻头水功率：6.2.2二开时泵的计算根据邻井参数可知： = = = = = = =由公式(6-1)知，携岩的最小排量为：=最大排量为：=查钻井手册（甲方），选择缸套直径为的型号为SL3NB1300A的钻进泵一台，其额定排量为，额定泵压为，柴油机的转速为1000，泵速为80。第一临界井深：= =656.7(m)第一临界井深：= =5749(m)1.当深度小于第一临界井深，所以在第一次开钻时，用一台缸套直径为170mm的型号为SL3NB1300A的钻进泵，其额定排量L/s，额定泵压为，柴油机的转速为1000，泵速为80。钻井泵的最优排量：=钻头压降：钻头喷嘴

33、的当量直径：对于三个等径喷嘴，每个喷嘴的直径可写为：钻头水功率：比钻头水功率：2. 当深度大于第一临界井深，小于第二临界井深时：首先，选择缸套直径为160mm的型号为SL3NB1300A的钻进泵，其额定排量L/s，额定泵压为，柴油机的转速为1100，泵速为88，可钻的深度为：钻井泵的最优排量：=钻头压降：钻头喷嘴的当量直径：对于三个等径喷嘴，每个喷嘴的直径可写为：钻头水功率：比钻头水功率：然后，选择缸套直径为140mm的型号为SL3NB1300A的钻进泵，其额定排量L/s，额定泵压为，柴油机的转速为1400，泵速为112，可钻的深度为：钻井泵的最优排量：=钻头压降：钻头喷嘴的当量直径：对于三个

34、等径喷嘴，每个喷嘴的直径可写为：钻头水功率：比钻头水功率：6.3泵的设计结果表6-1.泵的设计参数表井段（m）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）01502台SL3NB-1000A18014.5104130037.24150656.71台SL3NB-1300A1702180100027.68656.710751台SL3NB-1300A1602488110026.97107517801台SL3NB-1300A14031112140026.28 第7章 注水泥设计7.1水泥浆的用量及井口压力计算公式7.1.1所需水泥浆体积的计算公式 （7-1） 式中：为水泥塞高度，取10m；为井眼口袋高度，取10m；为设计封填水泥长度，m；为钻头尺寸，m；为套管的外径，m；为套管的内径，m。7.1.2顶替排量的计算公式 （7-2） （7-3） （7-4） （7-5）式中： ，无因次； 稠度系数，； 环空雷诺数，无因次； 水泥浆密度，； 为顶替排量，；为水泥浆临界流速，。7.1.3井口压力计算公式管内： （7-6）管外： （7-7）层流区： ； （7-8）紊流区： ； （7-9） （7-10） （7-11） （7-12） 井口压力： （7-13）式中：，管内环空流速，； 管内或环空计算长度，米； ，管内、环空浆体流动内