中国石油大学华东钻井工程课后题答案doc.docx
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中国石油大学华东钻井工程课后题答案doc
第一章钻井的工程地质条件（敖）
1、简述地下各种压力的基本概念及上覆岩层压力、她屋压力和察若龙力三者之间的关系。
答：
P6—P8
2、简述地层沉积欠压实产生异常高压的机理。
答：
P10
答：
地层在沉积压实过程中，能否保持压实平衡主要取决于四个因素：
（1）上覆岩层沉积速度的大小，
（2）地层渗透率的大小，（3）地层孔隙减小的速度，（4）排出孔隙流体的能力。
在地层的沉积过程中，如果沉积速度很快，岩石颗粒没有足够的时间去排列，孔隙内流体的排出受到限制，基岩无法增加它的颗粒和颗粒之间的压力，即无法增加它对上覆岩层的支撑能力。
由于上覆岩层继续沉积，岩层压力增加，而下面的基岩的支撑能力并没有增加，孔隙流体必然开始部分地支撑本应有岩石颗粒所支撑的那部分上覆岩层压力。
如果该地层的周围又有不渗透的地层圈闭，就造成了地层欠压实，从而导致了异常高压的形成。
3、简述在正常压实地层中岩石的密度、强度、空隙度、声波时差和de指数随井深变化的规律。
答：
密度、强度、de指数随井深增加而增大（见P10上、P25下、P15中；
空隙度、声波时差随井深增加而减小（见P12下。
4、解释地层破裂压力的概念，怎样根据液压实验曲线确定地层破裂压力？
答：
地层破裂压力：
P17中。
根据液压实验曲线确定地层破裂压力：
见P21+（步骤4、5）。
5、某井井深2000m,地层压力25MPa,求地层压力当量密度。
解：
根据〃3、式（L12）,地层压力pp=0.00981?
。
地层压力当量密度p,=—性一==1.274（g/m3）
"0.0098ID0.00981x2000
6、
某井井深2500m,钻井液密度1.18g/cnr\若地层压力27.5MPa/m,求井底压差。
解：
井底压差=井底钻井液液柱压力一地层压力
P6、式Q・L）
静液压力：
Ph=0.0098\ph=0.00981x1.18x2500=28.94（MPo）
井底压差：
AP=Ph—Ph=28.94-27.5=1.44（MPa）
7、某井井深3200m,产层压力为23.1MPa,求产层的地层压力梯度。
解：
地层压力梯度=地层压力I井深
参考P13、式（M2），地层压力Pp=0.00981/7^
或P7、式Q.2,静液压力梯度G,=四
h
产层压力梯度：
G=^=-=0.00722（MPa/m）
1D3200
8、某井钻至2500m,钻头D=215mm,钻压W=160KN,钻速n=110r/min,机械钻速7.3m/h,钻井液密度1.28g/cm\正常条件下钻井液密度1.07g/cm\求d和由指数。
解：
据PL5、式（1・16）、式
（注意:
各变量的单位）
i0.0547x7.3
0.0547"
lg
d指数：
d=w八=1.8868
i0.06841V|0.0684x160
以一3——用——云——
dh215
[.匕炯/；pn1.07,
de指数：
d=dx1.8868=1.5772
Pd1.28
12、岩石受围压作用时，其强度和塑姓是怎样变化的？
答
（1）当围压增加时强度均增大，但所增加的幅度对于不同类型的岩石是不一样的
JP282；
（2）随着围压增大，岩石表现出由脆性向塑性转变，并旦围压越大，岩石破坏前所呈现的塑性也越大也£2。
补充题：
某井将套管下至1000m固井后做漏失试验，测得漏失压力为pL=5.9MPa,井内泥浆密度为1.15g/cm3°继续钻进至2000m将钻遇油气层，预计油气层压力为35.0MPa。
若采用平衡压力钻井方法钻穿油气层，能否压漏地层？
〈或是否需要下技术金管？
）
解：
等价问题一一“钻2000m处油层时，使用的钻井液在1000m处产生的液柱压力是否会超过此处的地层破裂蹄
思路：
（1）计算套管鞋处地层破裂压力当量密度，与钻开油层所需钻井液密度比较;
（2）计算套管鞋处地层破裂压力，与钻开油层时该处的液柱压力比较；
（3）计算套管鞋处地层破裂压力当量密度，以及采用该密度的钻井液钻开油层时井底液柱压力，与油层压力比较
（4）计算当前密度的钻井液钻开油层时关井套压，与漏失试验的漏失压力比较。
解法1：
①计算地层破裂压力的当量密度：
P2L、式（1.27）
%1计算钻开油层所需要的钻井液密度:
采用平衡钻井钻穿油气层，钻井液静液压力等于地层压力。
则井深2000m处，地层压力35.0MPa,对应的钻井液密度为:
Pp
Pp
0.0098ID
35.0
0.00981x2000
1.784（g"）
%1比较两当量密度：
pp>pf
采用平衡钻井钻穿油气层时，钻井液密度大于1000m处的地层破裂压力当量密度，而此处地层又没有用套管封隔，则地层被压漏。
解法2：
（比较1000m处的压力）
%1计算1000m处的地层破裂压力:
Pf=I、+0.0098\pd0=5.94-0.00981x1.15x1000=17.1S（MPa）
%1计算钻开油层所需要的钻井液密度：
（同上）
采用平衡钻井钻穿油气层，钻井液静液压力等于地层压力。
地层压力：
pp=0.00981^,0773、式（L12）
则井深2000m处，地层压力35.0MPa,对应的钻井液密度为：
Ph=pp===l.784（g/cm3）
hp0.0098ID0.00981x2000
%1钻开油层时，1000m处的静液柱压力：
ph=0.00981/4。
=0.0091x1.784x1000=17.50（MP。
）
%1比较两个压力：
由于Ph>pf,则地层被压漏。
解法3：
①计算地层破裂压力当量密度：
P2I、式（1・27）
Pt=P"+一性一=1.15+=1.751（g"）
fd0.0098ID0.00981x1000
%1破裂压力当量密度在2000m处能产生的静液柱压力：
ph=0.0098\phD=0.009lxl.751x2000=34.47（奶0
%1比较两个压力：
由于力vp.，说明该密度的钻井液在井底产生的静液压力不能平衡地层压力；如果采用平衡压力钻井方式钻开2000m处油气层，所需钻井液密度必定要高于套管鞋处地层破裂压力当量密度，则地层被压漏。
第1章补充复习题：
1、名词解释：
地层破裂压力、岩石的强度、岩石的可钻性
第二章钻进工具（P98-99）
7、牙轮的超顶、移轴和复锥各产生哪个方向的滑动？
（P53-54）
答：
超顶和复锥产生切向滑动，可以剪切掉同一齿圈相邻牙齿之间的岩石；移轴产生轴向滑动，可以剪切掉相邻齿圈之间的岩石。
16、PDC钻头是怎样破碎岩石的？
适用于什么样的地层？
答
（1）工作原理…（P45；）：
与刮刀钻头基本相同。
主要以切削、剪切和挤压方式破碎岩石，具体方式取决于钻头的切削结构及所钻地层的岩性。
（2）适用地层里⑵：
软到中硬地层；地层必须是均质地层，以避免冲击载荷；含砾石的地层不能使用PDC钻头。
18、钻柱主要由哪几部分组成？
其主要功用有哪些？
答：
P73中、P73上。
23、井下钻柱受到哪些力的作用？
最主要的作用力是什么？
答：
P86〜90°
24、何为钻柱的中性点？
为什么要保证中性点落在钻铤上？
答：
P87下、P88中上。
。
25、钻柱的哪些部位受力最严重？
最主要的作用力是什么？
（P91）
答
（1）钻进时：
钻柱下部受力最为严重，同时受到轴向压力、扭矩利弯曲力矩作用。
井口处钻柱受力比较严重，所受拉力、扭矩都最大。
（2）起下钻时：
井口处受力最严重，受到最大拉力。
七，=284.78N/m）,设
31、某井用9/in钻头，7in钻铤（qc=\632N/m）和5in钻杆（
计钻压为180kN,钻井液密度1.28g/cm\试计算所需钻铤长度。
"上可寿r180x1.2
钻铤长度：
Ln=——==189.700）
（2）
取安全系数Sn=1.2
P88.式（2・7）
'q（.•kB•cosa1.362x0.836
若此井为直井，贝IJ需要钻铤长度为189.70m。
32、已知：
井深Dv=1500m,钻压W=\4t,钻井液密度为乃=1.38g/s3；
钻具结构：
81/2in钻头+61/2in钻铤200m（qe=136.24kg/m）
+5in钻杆1300m
（qp=29.04奴/刀）。
求中性点所在井深。
解
（1）浮力系数：
=1-色=1-淄=0.823
Ps7.8
（2）中性点位置：
Lv==一堕至四一=124.86（〃）qc-K,136.24x0.823
P88、式（2・7）
（3）中性点所在井深：
Dv-Ln=1500-124.86=1375.14（^）
4、某井用1274in钻头钻至3500m,试进行钻柱设计。
已知：
钻头直径dh=121/4in,井深D=3500m;钻井液密度pd=1.23^?
/cm3;
钻压W=200AN;拉力余量MOP=450kN;安全系数S,=1.30；
卡瓦长度=406.4/777/7；正常润滑；井斜角a=6°o
库存钻具：
9in钻铤（qc=286ON/"?
）27m;7in钻铤（qc=1632N/〃？
）81m;
61/4in钻铤（气=1362.4N/m）供应充足;
E级5in钻杆（qp=284.78NS）900m;
95（X）及105（G）级5in钻杆（qp=284.78N"〃）供应充足。
解
（1）选择钻铤
查表2-21（P91,“钻头尺寸与钻柱尺寸配合”）..121/4in钻头首选9in钻铤。
浮力系数：
心=1-色=1-竖=0.842
Ps7.8
P87、式（2-3）
取安全系数S’，=1.20
P92、式（212）
则钻铤长度1=2.86。
、隽二6。
＞27㈣
计算长度4=100.2Im大于库存量（27m）,则实际长度LcX=Timo除了9in钻铤、
还要选1〜2段尺寸较小的钻铤，组成“塔式钻具组合”（直井防斜打直）。
中性点（P87）：
“钻柱上轴向力等于0的点”。
W=£（q「i4）*8・cosai=l
钻铤长度的确定原则（P92）：
“保持中性点始终处在钻铤上”。
也林£=Z（%«E・cosa/=!
各段钻铤长度的计算公式如下:
s.wN
*max_£（»«）
cn
稣,COS。
=1""=Sn，Wmax0”，L1++…+%•〃-1，Li
Scosaqcn
第2段钻铤选择7in钻铤，则该段钻铤的计算长度为:
L（2
Sn・Wmax_q”.L”
Qc2・cosaQc2
1.20x2002.860x27.0
1.632x0.842xcos6°1.632""
=128.30（/77）
计算长度Lc2=128.30m仍然大于库存量（81m）,则实际长度L2=81.0/ho
除了9in钻铤、7in钻铤，还要使用61/4in钻铤，计算长度为：
£_SN'WmaxLcl0cl+乙。
20《2
‘3qc3-kBcosaqc3
1.20x20027.0x2.860+81.0x1.632“、
==56.68（/n）
1.362x0.842xcos6°1.362
该尺寸钻铤供应充足。
若按每根钻铤9m计算，需要7根，实际长度Lc3=63.0/77
全部钻铤的总长度：
丈么=27.0+81.0+63.0=171.0（〃）i=l
全部钻铤在空气中的重量：
3
Z0ci•Lci）=2.860X27.0+1.632x81.0+1.362x63.0=295.22QN）f=l
全部钻铤的浮重：
丈（必广"侃=295.22x0.842=248.57（3）1=1
（2）选择第一段钻杆（接钻铤）：
E级5in钻杆，线重"=284.78N/m
据钻杆直径、钢级、线重（或壁厚），查表2T2（P75）、表2-14（P77）,最小抗拉载荷F、,]=1760.3Wo
A、计算最大安全静拉载荷:
P93—95、分3种情况计算,最后取最小值
P95、式（2—20）
P95、式（2—21）
•安全系数法：
广八八厂,0.9x1760.31
FaX-0.9Fvl/st=1218.68（kN）
1.3
•设计系数法（卡瓦挤毁）：
Fal=0.9Fvl/（笔=09x1760.31=1H569«N）
b,1.42
其中，据钻杆外径127.0mm,卡瓦长度Ls=406.4/nm及正常润滑条件，查表2-22
（P94）,得到防止卡瓦挤毁钻杆的设计系数冬=1.42。
.拉力余量法：
P95、式（2—22）
Fm=0.9Fv1-MOP=0.9x1760.31-450=1134.28（kN）
显然，按卡瓦挤毁比值计算的最大安全载荷最小，取Fal=1115.69^0
B、计算最大许用长度：
_扁£qL_1115.69295.22
qp\Kbqp]284.78xIO'3x0.842284.78xlO~3
因为库存量仅有900m,实取第1段钻杆长度Lp】=900.0mo
（3）选取第2段钻杆：
95X级5in钻杆，线重％|=284.78N/m
同理：
①最小抗拉力Fv2=2229.7IS
②最大安全静拉载荷：
•安全系数法：
Fa2=0.9Fy2/st=0,9x222971=1543.65（kN）
•设计系数法（卡瓦挤毁）：
Fa?
=0.泪2/（冬）=。
V；'"=1413.20（kN）
•拉力余量法：
Fq=0.9Fv2-MOP=0.9X2229.71-450=1556.74（kN）
J
实取最大安全静拉载荷兀2=1413.20S。
③最大许用长度：
r乙2/Kb一£qL-qp'Lpi
Lp2=
1413.20/0.842-295.22-284.78x10~3x900c
=；=3956.12m
284.78x!
0~3
因为总井深为3500m,实取第2段钻杆长度：
Lp2=D-£匚-Lq3500.0-168.0一900=2432.0（/?
?
）。
设计钻柱组合列表如下：
规范
长度/m
空气中重/kN
第1段钻铤：
9in,线重2.860kN/m
27
77.22
第2段钻铤：
7in,线重1.632kN/m
81
132.19
第3段钻铤：
6%in,线重1.362kN/m
63
85.81
第1段钻杆：
5in,E级，线重284.78N/m
900
256.30
第2段钻杆:
5in,95X级线重284.78N/m
2432
692.59
合计
3500
1144.11
第3章复习题：
1、钻井液的功用是什么？
P101-102
2、名词解释：
井塌（P116）
第四章钻进参数优选（P165）
1、某井用^200mm241型钻头钻进，W=196kN,n=70r/min,井底净化条件较好，钻头工作14h后起钻，已知Af=2.33x10'\求牙齿磨损量hf。
解：
查表4一1（P130）、表4-2（P131）,0200mm241型钻头的有关数据：
Z]=0.0167,Z?
=5.94,a,=0.9,a2=0.392xIO'4,C!
=3Z-00167
.A/（aln+a2n3）t/
JL十|
1z9-z,w
匕I
牙齿磨损量：
P132、例4-1
-1+hf=
/G
Io2.33x10~3x（0.9x70+0.392x10~4x703）x14
—1+J1+2x3x——
=V5.94-0.0167x196
~3
=0.52
2、某井用0200mm211型钻头钻进，W=196kN,n=80r/min,钻头工作14h后起钻，轴承磨损到B6级，求轴承工作系数b。
解：
轴承磨损到B6级，表示轴承磨损了6血参考P14L、例4・2
轴承的磨损速度方程：
-=-Wl5NP133、式（4-15）
dtb
尚〃"少粉>nW]5t80xl96L5xl4.1in6
轴承工作系数：
b===4.lxl06
Bf0.75
3、已知某井五点法钻进试验结果如下，求该地区钻压M和转速系数入。
实验点
1
2
3
4
5
6
钻压/kN
225
254
254
196
196
225
转速/（r.min-1）
70
60
120
120
60
70
钻速/（m.h-1）
31
32.5
46
34
24
30
解：
该表中实验点编号与表4-3（P134）不一致!
P134.L6
（1）验证试验是否成功:
w-W254-196
M】=吧烦-•验4=196-x34=31.67（用）
%3-46-34
转速nmin=60/7min（第2、5点）:
w-W.254-196
M,=Wmin————•vnrS=196—x24=32.24（kN）
上2一由32.5-24
则：
M=-（M1+M2）=31.96（^）
（2）求转速指数；l：
钻压例固定，转速〃变化一〃g、〃而n
】他七妃/七耘）lg（32.5/46）-0.151nLlg（f/%x）—晾60/120广-0.301一"
钻压W硕=196kN（第4、5点）:
；1g（由/5）lg（24/34）—0.151Eg
1"lg（^n/%ax）"lg（60/120）_-0.301"
则：
A=-（2,+A2）=0.5016
4、某井用0215.9mm钻头钻进,喷嘴流量系数C=0.96,钻井液Pd=l・42g/cm3,排量为16L/S,
若要求井底比水功率为0.418kW/cm2,且三个喷嘴中拟采用一个直径为9mm,另两个为等径。
试求另两个喷嘴的直径，并计算射流水力参数和钻头水力参数。
解：
比水功率通常为射流水功率与井底面积的比值。
（1）射流水功率：
P.=p.-A=0.418x^x21.592=153.03aiV）
Pl".式（4二32）
射流水功率p。
・。
5»0'
7总
喷嘴总面积&=^（d；+d；+d；）,又q=9m、&则另两个喷嘴的直径:
2092
—xL3785--—=0.687（wi）«6.87伽）n2
另两个喷嘴的实际直径=〃3=7.0/71/7?
O
喷嘴总面积：
&弓（d：
+d；+d；）=j（0.924-o.72+0.72）=1.406（^2）
（2）射流水力参数：
射流喷射速度：
七=些=冬也=113.80（〃/s）P145、式（4-50）
JA。
1.406
射流冲击力：
Fi=Pd,必=L42x16~=2.585（3）P145、式（4-51）
J100&100x1.406
（3）钻头水力参数
/：
l>rnr人0*05•pf,Q0.05X1.42x16^ncxnmn\D1—P-/Am、
彷头压降：
\p.=一=；—=9.977（MPa）Pl46、式（4-53）
）C2-^0.962xl.4062
钻头水功率：
ph=。
。
5了气。
3=0.05：
1.42x1?
=]5963（AW）P147：
式（4-53）
C2-A（;0.962x1.4062
5、已知：
钻头直径215.9mm;钻铤外径177.8mm（内径71.4mm）、M100m;内平钻杆、外径127mm（内径108.6mm）;钻井液密度pd=1.2g/cm\塑性粘度pPV=0.022Pa-S.排量Q=22L/S;地面管汇压耗△Pg=0.34MPao求m,a值及井深D=2000/n时循环系统压耗。
解：
地面管汇压耗公式：
P152、式（4-73）,P153、式（4-80）
"小产普=导=顷52x*
据P153、式（4-82>
0.51655
（7.14）48（21.59-17.78）3（21.59+17.78）18
=0.53993x100x（4.12440xW5+1.39836xW5）
山c°・8“02
m=Pd•%,
B0.57503
1（dh-dp）\dh^df）y\
=2.98190x10-3
=0.539930x（5.50971x1（注+1.41151xl0-6）
（1.2）°-8x（0.022）°-2x
0.57503
0.51655
（10.86）"*（21.59—12.7尸（21.59+12.7）云
（P153）
=3.73697xIO-6
a=Kg+K「_m•Lc
=1.30352x10一3+2.98190xIO-3-3.73697xW6xlOO（PL54）
=3.91172x10-3
当井深D=2000m时，钻杆长度Lp=2000-100=1900m。
循环系统压耗：
P154、式（4-83）
S=（mD+a）Q^=（3.73697xIO-6x2000+3.91172x10"3）x2218
=0.01138566x22l8=2.97（MPa）
8、已知：
钻头直径=215.9mm；喷嘴流量系数C=0.98;
钻铤外径dc=117.8mm（内径d”=71.4m”）、MLc=120m；
内平钻杆、外径\21.0mm（内径d=108.6/nm）；
钻井液密度=1.64g/顷3、塑性粘度〃网=0.047Pq・s；
排量Q=22L/s；要求环空返速V.N0.7L/S；
地面管汇压耗系数Kp=1.07xl0'3WPa-5,8-r,8；ft
配备2台3NB-1000钻井泵；地面泵压不超过18Mpa;
当前井深D=4000m。
试按最大钻头水功率方式对该井深处进行水力参数设计。
0.51655
（7.14）48+
=0.80593xl20x（4.12440x10-5+1.39836x10'5）
=5.34111x10-3
=（1.64严x（0.047）°2x120x
0.57503
（21.59—17.78）3（21.59+17.78"
内平钻杆,则常数8=0.51655
（）.8
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