钻井常用计算公式.docx
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钻井常用计算公式
'.
第四节钻井常用计算公式
一、井架根底的计算公式
〔一〕根底面上的压力
nQ+Q
P基=
OB
4
式中：
P基——根底面上的压力，
MPa；
n——动负荷系数〔一般取
1.25~1.40〕；
QO——天车台的负荷=天车最大负荷+天车重量，t；
QB——井架重量，t；
〔二〕土地面上的压力
P地=P基+W
式中：
P地——土地面上的压力，MPa;
P基——根底面上的压力，MPa;
W——根底重量，t〔常略不计〕。
〔三〕根底尺寸
P基
1、顶面积F1=
B1
式中：
F1——根底顶面积，cm2；
B1——混凝土抗压强度〔通常为28.1kg/cm2=0.281MPa）
P地
2、底面积F2=
B
2
式中：
F2——根底底面积，cm2；
B2——土地抗压强度，MPa；
P地——土地面上的压力，MPa。
3、根底高度
式中：
H——根底高度，m；
F2、F1分别为根底的底面积和顶面积，cm2；
P基——根底面上的压力，MPa；
B3——混凝土抗剪切强度〔通常为2=0.351MPa〕。
〔二〕混凝土体积配合比用料计算
1、计算公式
;.
'.
配合比为1∶m∶n=水泥∶砂子∶卵石。
根据经验公式求每1m3混凝土所需的各种材料如下：
2、混凝土常用体积配合比及用料量，见表
1-69。
表1-69
混凝土常用体积配合比及用料量
每立方米混凝
每立方米砂子
每立方米石子
每1000公斤水
土
尼
混凝土
体积
混凝
混凝
混凝
用途
配合比
水泥砂子石子水泥石子
水泥砂子
砂子石子
土
土
土
kgm3
m3
kgm3
kgm3
m3
m3
m3
m3
m3
1.坚硬土壤上的井
架脚，小基墩井架脚，基墩的上局部。
2.厚而大的突出基墩。
3.支承台、浇灌坑穴及其他。
4.承受很大负荷和
冲击力的小基墩。
5.承受负荷不大的基墩。
1∶2∶43350.450.907442
1∶∶52760.460.916082
1∶3∶62340.460.935042
1∶1∶25850.390.7815002
1∶4∶81800.480.963752
二、井身质量计算公式
〔一〕直井井身质量计算
1、井斜角全角变化率
式中：
Gab——测量点a和b间井段的井斜全角变化率，〔°〕/30m；
;.
'.
△Lab——测量点a和b间的井段长度，m；
α——测量点a点处的井斜角，°；
a
αb——测量点b点处的井斜角，°；
△Φab——测量点a和b之间的方位差，△Φab=Φb-Φa，°。
2、井底水平位移
式中：
SZ——井底水平位移，m；
NO——井口N座标值，m；
Nn——实际井底N座标值，m；
EO——井口E座标值，m；
En——实际井底E座标值，m。
3、最大井斜角
根据井深井斜测量数据获取或井斜测井资料获得。
4、平均井径扩大系数
式中：
Cp——平均井径扩大系数，无因次量
D实——实际平均井径，mm；
Db——钻头名义直径，mm。
5、最大井径扩大系数
式中：
Cmax——最大井径扩大系数，无因次量；
Dmax——实际最大井径，mm；
Db——钻头名义直径，mm。
〔二〕定向井井身质量计算
1、井斜全角变化率计算公式同〔一〕
2、定向井井底水平偏差距
式中：
Ss——定向井井底水平偏差距，m；
Nd——设计井底座标，m；
Nn——实际井底的N座标，m；
;.
'.
Ed——设计井底座标，m；
En——实际井底的E座标，m。
3、定向井井底垂直偏差距
△H=H-Hn
式中：
△H——定向井井底垂直偏差距，m；
H——设计垂直井深，m；
Hn——实际垂直井深，m。
4、定向井实际井底与设计井底的空间距离
式中：
R——定向井实际井底与设计井底的空间距离，m；
△H——实际井底与设计井底的垂直距离，m；
Ss——实际井底与设计井底的水平偏差距，m。
5、平均井径扩大系数计算同〔一〕4。
6、最大井径扩大系数计算同〔一〕5。
三、喷射钻井水力参数计算公式
〔一〕钻井泵额定水功率
Ppr=pr×Qr
式中：
Ppr——钻井泵额定水功率，kw；
pr——钻井泵额定泵压，MPa;
Qr——钻井泵额定流量，L/s。
〔二〕钻井泵实发水功率
Pp=ps×Q
式中：
Pp——钻井泵实发水功率，kw；
ps——钻井泵工作泵压，MPa;
Q——钻井泵工作流量，L/s。
〔三〕钻井泵水功率分配关系
Pp=Pb+△Pcr
式中：
Pp——钻井泵实发水功率，kw;
Pb——钻头〔喷咀〕水功率，kw；
△Pcr——循环系统损耗水功率，kw。
;.
'.
〔四〕钻井泵压力分配关系
ps=△pb+△pg+△pcs
式中：
ps——钻井泵实发泵压，MPa；
△pb——钻头喷咀压降，MPa；
△pg——地面管汇压力损耗，MPa；
△pcs——循环系统压力损耗，MPa。
△pcs=△ppi+△pci+△ppa+△pca+△pg
△ppi、△ppa分别为钻杆内外循环压力损耗，MPa；
△pci、△pca分别为钻铤内外循环压力损耗，MPa。
〔五〕钻头〔喷咀〕压力降
△pb=kb×Q2
式中:
△pb——钻头〔喷咀〕压力降，MPa；
Q——钻井液流量，L/s；
kb——钻头〔喷咀〕压降系数，无因次量。
式中：
ρ——钻井液密度，g/cm3;
d
AJ——喷咀截面积，mm2。
式中：
ρ——钻井液密度，g/cm3;
d
Q——钻井液流量，L/s；
Ps——钻井泵实发泵压，MPa；
△pcs——循环系统压力损耗，MPa。
〔六〕地面管汇压力损耗
△pg=kg×Q
式中：
△pg——地面管汇压力损耗，MPa；
Q——流量，L/s；
kg——地面管汇压力损耗系数;
kg=3.767×10
-4
;
×ρd×μpv
;.
'.
μ
，mpa·s;
pv（塑性粘度）=θ600-θ300
、θ分别为旋转粘度计600r
/min
、300r
/min
的读数，无因次量。
θ600
300
〔七〕管内循环压力损耗
1、钻杆内
式中：
△ppi——钻杆内循环压力损耗，MPa;
kpi——钻杆内循环压力损耗系数，无因次量；
LP——钻杆长度，m；
Q——流量，L/s；
ρd——钻井液密度，g/cm3；
μ——塑性粘度，mpa·s；
pv
dpi——钻杆内径，mm。
2、钻铤内
式中：
△pci——钻铤内循环压力损耗，MPa;
kci——钻铤内循环压力损耗系数，无因次量；
LC——钻铤长度，m；
Q——流量，L/s；
ρ——钻井液密度，g/cm3；
d
μpv——塑性粘度，mpa·s
dci——钻铤内径，mm。
〔八〕管外循环压力损耗
1、钻杆外
;.
'.
式中：
△ppa——钻杆外循环压力损耗，MPa;
kpa——钻杆外循环压力损耗系数，无因次量；
LP——钻杆长度，m；
Q——流量，L/s；
ρ——钻井液密度，g/cm3；
d
μpv——塑性粘度，mpa·s；
dh——井眼直径，mm；
dp——钻杆外径，mm。
2、钻铤外
式中：
△pca——钻铤外循环压力损耗，MPa;
kca——钻铤外循环压力损耗系数，无因次量；
LC——钻铤长度，m；
Q——流量，L/s；
ρ——钻井液密度，g/cm3；
d
μpv——塑性粘度，mpa·s；
dh——井眼直径，mm；
dc——钻铤外径，mm。
〔九〕钻头〔喷咀〕水功率
pb=△pb×Q
式中：
pb——钻头〔喷咀〕水功率，kw；
△pb——钻头〔喷咀〕压力降，MPa;
Q——流量，L/s。
〔十〕射流喷射速度
式中：
VJ——射流喷射速度，m/s；
Q——流量，L/s；
;.
'.
AJ——喷咀截面积，mm2。
〔十一〕射流冲击力
F=ρ×υ×Q
JdJ
式中：
FJ——射流冲击力，N；
ρ——钻井液密度，g/cm3;
d
υJ——射流喷射速度，m/s;
Q——流量，L/s。
〔十二〕钻头单位面积水功率〔比水功率〕
式中：
Pbs——钻头单位面积水功率〔比水功率〕，W/mm2;
pb——钻头水功率，kw；
Ab——井底面积〔即钻头面积〕，mm2；
db——钻头直径，mm。
〔十三〕钻井泵功率利用率
式中：
——钻井泵功率利用率，无因次量；
Pb——钻头水功率，kw；
Pp——钻井泵实发水功率，kw。
〔十四〕钻井液环空返速
式中：
υ——钻井液环空返速，m/s；
a
Q——流量，L/s；
dh——井眼直径，mm;
dp——钻杆外径，mm。
〔十五〕环空临界流速
;.
'.
1、宾汉流体
式中：
υ——环空临界流速，m/s；
cr
μpv——塑性粘度，mPa·s；
τ——屈服值〔动切力〕，Pa；
yp
τyp=0.479（2θ300-θ600）；
ρ——钻井液密度，g/cm3;
d
dh——井眼直径，mm；
dp——钻杆外径，mm；
Re——雷诺数，无因次量；
υ——钻井液上返速度，m/s；
a
假设υ
或R
e≥2100为紊流。
a≥υcr
υ＜υ或R＜2100为层流。
acr
e
2、幂律流体
式中：
υ——环空临界流速，m/s;
cr
n——钻井液流型指数，无因次量；
K——钻井液稠度系数，Pa·sn;
ρ——钻井液密度，g/cm3；
d
dh——井眼直径，mm；
dp——钻杆外径，mm;
Z——钻井液流态指示值，无因次量；
;.
'.
υ——钻井液环空上返速度，m/s;
a
假设υ≥υ或Z≥800为紊数；
acr
υ＜υ或Z＜800为层流。
acr
〔十六〕岩屑滑落速度
式中：
υ——岩屑滑落速度，m/s；
s
drc——岩屑直径，mm；
ρ——岩屑密度，g/cm3（一般取3）;
rc
ρd——钻井液密度，g/cm3;
μf——视粘度，mPa·s。
〔十七〕环空净化能力
式中：
Lc——环空净化能力，无因次量；
υs——岩屑滑落速度，m/s;
υ——钻井液环空上返速度，m/s。
a
〔十八〕临界井深〔选择宾汉流体〕
1、最大钻头水功率工作方式
式中：
Dcr——临界井深，m;
pr——钻井泵额定泵压，MPa；
kg——地面管汇循环压力损耗系数，无因次量；
kc——钻铤循环压力损耗系数，无因次量；
Lc——钻铤长度，m；
Q——流量，L/s；
kp——钻杆循环压力损耗系数，无因次量。
2、最大冲击力工作方式
;.
'.
式中：
Dcr——临界井深，m;
pr——钻井泵额定泵压，MPa；
kg——地面管汇循环压力损耗系数，无因次量；
kc——钻铤循环压力损耗系数，无因次量；
Lc——钻铤长度，m；
Q——流量，L/s；
kp——钻杆循环压力损耗系数，无因次量。
〔十九〕最优流量〔选择宾汉流体〕
1、最大钻头水功率工作方式
式中：
Qopt——最优流量，L/s；
pr——钻井泵额定泵压，MPa；
kg——地面管汇循环压力损耗系数，无因次量；
kp——钻杆循环压力损耗系数，无因次量;
Lp——钻杆长度，m;
kc——钻铤循环压力损耗系数，无因次量；
Lc——钻铤长度，m。
2、最大冲击力工作方式
式中：
Qopt——最优排量，L/s；
pr——钻井泵额定泵压，MPa；
kg——地面管汇循环压力损耗系数，无因次量；
kp——钻杆循环压力损耗系数，无因次量;
Lp——钻杆长度，m;
kc——钻铤循环压力损耗系数，无因次量；
Lc——钻铤长度，m。
;.
'.
四、优选参数钻井计算公式
〔一〕钻速方程
式中：
υ——机械钻速，m/h;
pe
d——钻压指数〔d=0.5366+0.1993kd〕，无因次量；
kd——岩石可钻性级值；
λ——转速指数〔λ=0.9250-0.0375kd〕，无因次量；
f——地层水力指数〔f=0.7011-0.05682kd〕，无因次量；
Ws——单位钻头直径钻压〔比钻压〕，KN/mm；
nr——转速，r/min;
HPe——喷咀等效比水功率，W/mm2;
△ρd——钻井液密度差系数（0.97673kd-7.2703），无因次量；
ρ——钻井液密度，g/cm3;
d
Pbs——钻头比水功率，W/mm2;
d1、d2、d3分别为钻头喷咀直径，mm。
〔二〕钻头牙齿磨损方程
式中：
——钻头牙齿磨损速度，无因次量；
P——钻头系数，镶齿钻头；
Af——地层研磨性系数，无因次量；
nr——转速，r/min；
D1——钻压影响系数，无因次量；
db——钻头直径，mm；
Wcr——单位钻头直径临界比钻压，KN/mm;
Ws——单位钻头直径钻压〔比钻压〕，KN/mm;
c1——钻头牙齿磨损减慢系数，无因次量；
hf——牙齿磨损量，无因次量。
单位钻头直径临界比钻压取值：
;.
'.
D1——钻压影响系数，无因次量；
D2——钻压影响系数，无因次量；
铣齿牙轮钻头：
Wcr=1.77KN/mm;
锒齿牙轮钻头：
。
〔三〕钻头轴承磨损方程
式中：
——钻头轴承磨损速度，无因次量；
nr——转速，r/min;
db——钻头直径，mm；
Ws——单位钻头直径钻压〔比钻压〕，KN/mm；
b——钻头轴承工作系数，无因次量。
〔四〕钻井本钱方程
式中：
Cu——钻井直接本钱，元/m；
Cb——钻头单价，元/只；
Cr——钻机作业费，元/h；
td——纯钻进时间，h；
tt——起下钻时间，h；
tcn——接单根时间，h；
Fb——钻头进尺，m。
〔五〕其他参数
1、地层研磨性系数Af
式中：
c1——钻头牙齿磨损减慢系数，无因次量；
Af——地层研磨性系数，无因次量；
hf——钻头牙齿磨损量，无因次量；
nr——转速，r/min；
;.
'.
D1——钻压影响系数，无因次量；
db——钻头直径，mm；
P——钻头系数，镶齿钻头；
td——钻头纯钻进时间，h；
Wcr——单位钻头直径临界比钻压，KN/mm;
Ws——单位钻头直径钻压〔比钻压〕，KN/mm。
2、当Af≤4，由轴承决定钻头寿命td
式中：
td——钻头轴承寿命，h;
bf——钻头轴承磨损量，无因次量；
b——钻头轴承工作系数,无因次量；
nr——转速，r/min;
db——钻头直径，mm;
ws——单位钻头直径钻压〔比钻压〕KN/mm。
当Af＞4，那么由牙齿决定钻头寿命td
式中：
Tt——钻头牙齿寿命，h；
c1——钻头牙齿磨损减慢系数，无因次量；
hf——钻头牙齿磨损量，无因次量；
Af——地层研磨性系数，无因次量；
nr——转速，r/min；
D1——钻压影响系数，无因次量；
db——钻头直径，mm；
Wcr——单位钻头直径临界比钻压，KN/mm;
Ws——单位钻头直径钻压〔比钻压〕，KN/mm。
五、地层孔隙压力计算公式
〔一〕地层孔隙压力和压力梯度
1、地层孔隙压力
;.
'.
pp=10
-3×ρ
f×g×H
式中：
pp——地层孔隙压力〔在正常压实状态下，地层孔隙压力等于静液柱压力〕
，MPa；
ρf——地层流体密度，g/cm3;
g——重力加速度，2;
H——该点到水平面的重直高度〔或等于静液柱高度〕,m。
在陆上井中，H为目的层深度，起始点自转盘方钻杆补心算起，液体密度为钻井液密度
ρ，那么
m
ph=10
-3×ρ
m×g×H
式中：
ph——静液柱压力，MPa；
ρ——钻井液密度，g/cm3
m
H——目的层深度，m；
g——重力加速度，2。
在海上井中，液柱高度起始点自钻井液液面〔即出口管〕高度算起，它与方补心高差约为
0.6m~3.3m，此高差在浅层地层孔隙压力计算中要引起重视，在深层可忽略不计。
2、地层孔隙压力梯度
式中：
Gp——地层孔隙压力梯度，MPa/m。
其它单位同〔一〕中1。
〔二〕上覆岩层压力
1、上覆岩层压力
po=9.81×10-3H〔（1-Φ）ρm+Φρ〕
式中：
po——上覆岩层压力，MPa；
H——目的层深度，m；
Φ——岩石孔隙度，%；
ρ——岩层孔隙流体密度，g/cm3；
ρ——岩石骨架密度，g/cm3。
m
2、上覆岩层压力梯度
Go——上覆岩层压力梯度，MPa/m;
Po——上覆岩层压力，MPa;
;.
'.
H——深度〔高度〕，m。
〔三〕压力间关系
Po=Pp+σz
式中：
Po——上覆岩层压力，MPa；
Pp——地层孔隙压力，MPa；
σ——有效上覆岩层压力〔骨架颗粒间压力或垂直的骨架应力〕，MPa。
z
〔四〕地层破裂压力和压力梯度
1、地层破裂压力〔伊顿法〕
式中：
Pf——地层破裂压力〔为岩石裂缝开裂时的井内流体压力〕
，MPa；
μ——地层的泊松比；
σ——z有效上覆岩层压力，
MPa；
Pp——地层孔隙压力，MPa。
或Pf=Ph+P试
式中：
Pf——地层破裂压力，MPa；
Ph——液柱压力，MPa；
P试——试验时地层破裂时的立管压力，MPa。
2、破裂压力当量密度
式中：
ρ——破裂压力当量密度，g/cm3；
p
ρ——试验时所用钻井液密度，g/cm3；
m
PL——试验时地层漏失压力，MPa；
H——裸眼段中点井深，m。
3、地层破裂压力梯度
式中：
Gf——地层破裂压力梯度，MPa/m;
Pf——地层破裂压力，MPa。
〔五〕dc指数
;.
'.
1、dc指数方程
式中：
dc——修正d指数，无因次量；
nr——转速，r/min；
td——纯钻时，min；
w——钻压，KN；
db——钻头直径，mm；
ρp——正常地层孔隙压力当量钻井液密度，g/cm3;
ρ——钻井液密度，g/cm3。
d
2、正常趋势线方程
dcn=a×10bh
式中：
dcn——dc指数正常趋势线方程〔无因次量〕；
a——正常趋势线截距，无因次量；
b——正常趋势线的斜率，m-1；
h——做dc指数试验时的井深，m。
六、压井计算公式
〔一〕关井立管压力
Ps+Pd=Pa+Pad=Pp
式中：
Ps——关井立管压力，MPa；
Pd——钻柱内钻井液液柱压力，MPa；
Pa——关井套管压力，MPa；
Pad——环空受油气侵钻井液静液柱压力，MPa；
Pp——地层孔隙压力，MPa。
〔二〕装有钻具回压阀的关井立管压力
Ps=Ps1-△Pa
式中：
Ps——关井立管压力，MPa；
Ps1——仃泵时立管压力，MPa；
△Pa——关井时套管压力升高值，MPa；
〔三〕在循环钻井液情况下求关井立管压力
;.
'.
Ps=PT-△Pci
式中：
Ps——关井立管压力，MPa；
PT——压井时立管总压力，MPa；
Pci——压井时的循环压力，MPa；
〔四〕压井时所需钻井液密度
式中：
ρ
/cm
3；
d1——压井时所需钻井液密度，ｇ
ρ——钻柱内钻井液密度，ｇ/cm3
d
3
△ρ——压井所需钻井液密度增量，ｇ/cm；
H——井深，m；
g——重力加速度〔〕;
ρ——平安附加当量钻井液密度〔油井3ｇ/cm3，气井为3ｇ
e
/cm3〕。
Pe——平安附加压力，MPa〔油井为1.5MPa~3.5MPa，气井为3.0MPa~5.0MPa〕。
〔五〕压井循环时立管总压力
pT=ps+△pcs+pe
式中：
PT——压井循环时立管总压力，MPa；
Ps——关井立管压力，MPa；
△Pcs——循环压耗，MPa；
Pe——平安附加压力〔同上〕，MPa。
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