钻井工程设计课程设计doc.docx

1、钻井工程设计课程设计doc东北石油大学华瑞学院课程设计课程 题目 学院 专业班级 学生姓名 学生学号 指导教师年月日东北石油大学课程设计任务书课程题目专业 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；（

2、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完成期限指导教师专业负责人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

3、。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

4、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。第 1 章 设计资料的收集 1.1.1预设计井基本参数 1.1.2邻井基本参数 1.第 2 章 井身结构设计 4.2.1钻井液压力体系 4.2.2井身结构的设计 5.2.3井身结构设计结果 6.第 3 章 套

5、管柱强度设计 7.3.1油层套管柱设计 7.3.2表层套管柱设计 9.3.3套管柱设计结果 1.0.第 4 章 钻柱设计 1.1.4.1钻铤的设计 1.1.4.2钻铤及钻杆长度的计算 1.14.3钻柱设计结果 1.7.第 5 章 钻井液设计 1.8.5.1钻井液的计算公式 1.85.3开钻需要加入重晶石量 1.95.4钻井液设计 2.0.5.5钻井液设计结果 2.1.第 6 章 钻井水力参数的设计 2.26.1泵的选择 2.2.6.2泵的各种参数计算 2.36.3泵的设计结果 3.1.第 7 章 注水泥设计 3.1.7.1水泥浆的用量 3.1.7.2设计结果 3.4.第 8 章 设计结果 3.

6、5.参考文献 3.7.第 1 章 设计资料的收集1.1预设计井基本参数井号SJ0046井别预探井坐标21598491,5079361设计井深2100井口海拔130目的层位h，p完井层位青 2， 3 段地理位置葡西构造位置松辽盆地中央坳陷区古龙凹 陷葡西鼻状构造南侧设计依据1. 设计依据 (1)1997 年勘探方案审定纪要 (2)本区地震 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/

7、cm3)井深古 625表层4442103391.05 1.2215古 625油层21519951391.251.3520002地层压力井号井段( m)地层压力 (g/cm3)3破裂压力 (g/cm3)古 6250123.91.5古 625213500.951.51古 625500800.961.53古 625800110011.55古 625110014001.051.57古 625140017001.081.58古 625170020001.141.63钻具组合井号井段( m)钻头外 径(mm)密度 (g/cm 3)钻具组合古 6250-2134441.05-1.21787515926古 6

8、25213-20002151.25-1.35 17818+ 214稳定器 178 9 214稳定器 1789 214稳定器 178减震器 17895 159 26古 6251906-19262151.25-1.35178取芯筒 17875 159264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mP s屈服 值 (Pa)N值K值失水 (API)古625明 2 段 - 第四系0-123搬土混 浆1.05-1.222-45-古625嫩 3 段 - 明2段213-1450复合离 子钻井 液1.05-1.1522-358-95-1

9、8-154-7.65-.75.1-.31-5古625姚 2-3段 -嫩 2 段1450-1860复合离 子钻井 液1.15-1.235-408-91-215-237-12.60-.65.3-.41-4古625青 2-3 段-姚 2-3段1860-2000复合离 子钻井 液1.3-1.3540-458-92-2.525-2812-1455-604-51-45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 (kW)比水 功率 (%)上返 速度 (m/s)功率 利用 率(%)古 6254440

10、-2138.047.05.986.011043252.3487.79古 625215213-120015.4711.533.948.47136597162.374.52古 6252151200-146016.9614.812.155.08151398101.1987.32古 6252151460-19068.966.242.734.379220951.4969.57古 6252151926-200017.5914.72.895.37142395101.1983.57古 6252151906-1926006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 (rp

11、m)排量 (l/s)泥浆密 度(g/cm3)古6250-213444X3A江汉14+14+1430-4065-7045-481.05-1.2古625213-12002153B大庆13+13+13160-180195-20048-541.05-1.15古6251200-1460215J11江汉12.7+8.7120-14070-11024-281.15-1.2古6251460-1906215PM210大庆12.7+12.7+12.730-40195-20030-351.2-1.35古6251926-2000215ATJ11江汉12.7+9.35120-14070-11024-281.3-1.35

12、古6251906-1926215RC-475川.克12.7+10.350-8065-7035-401.3-1.357.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 数古 625常规表层0-140139J-557.721403.5446.852.3914.21古 625常规油层140-950139J-556.281016.8743.311.81.44古 625常规油层950-1995139J-557.72104526.4426.444.241.28井号套管层 位上返深 度(m)水泥塞面深度(m)水泥浆 密度(

13、g/cm 3)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)固井前 密度要 求(g/cm3)古 625表层1.201.85-1.90A级8320古 625油层1.359051.85-1.920G级10170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maxpmaxSb2-1)式中： max为某层套管钻进井段中所用最大泥浆密度， g/cm3 ； pmax为该井段中 所用地层孔隙压力梯度等效密度， g/cm3；Sb 为抽吸压力允许值的当量密 度，取 0.036 g/cm 3 。发生井涌情况时pmaxSb SfH pmaxH niSk2-2)式中： fnk为

14、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 ； H ni为第 n层套管下入深度初选点， m；Sk 为压井时井内压力增高值的等效密度，取 0.06 g/cm3；Sf 为地层压裂安全增值，取 0.03g/cm3 。2.1.2校核各层套管下到初选点深度 H ni时是否会发生压差卡套9.81Hmm pmaxSb pmin 10 32-3)MPa； pmin 为式中： prn为第 n 层套管钻进井段内实际的井内最大静止压差，该井段内最小地层孔隙压力梯度等效密度， g/cm 3 ； H mm为该井段内最 小地层孔隙压力梯度的最大深度，

15、m； pN 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 2-1所示当量钻井液密度（ g/cm3）m（ 深 井图 2-1 地层压力与地层破裂压力剖面图1.确定表层套管下入深度初选点 H1i试取 H1i 420m ，参考邻井基本参数得：由公式（ 2-2）将各值代入得2100f1k 1.14 0.036 0.024 2100 0.06 1.5 g cm3 ，根据邻井数据可知 420m的 f1k 420破裂压力梯度为 f420m 1.51g cm3 ，因为 f1k f420m 且相近所以确定表

16、层套管下入深度初选点为 H 1i 420m。2校核表层套管下入到初选点 420m 过程中是否会发生压差卡套管参考邻井基本参数得：在此井段 pmax 0.95g cm3 ， pmin 0.9g cm3 ，H mm 213m ，由公式（ 2-3）得：pr1 9.81 213 0.95 0.036 0.9 10 3 1.797 MPa因为 pr1 pN ，所以不会发生压差卡套管，故表层套管的下入深度为 420m。3 确定表层套管下入深度初选点 H1i试取 H 1i 2100m ，参考邻井参数得：由公式（ 2-2），将各值代入得：f1k 1.14 0.036 0.024 0.06 1.26 g cm3

17、 ，根据邻井数据可知 2100m 的破裂 压力梯度为 f2100m 1.6g cm ，因为 f1k f 2100 m 且相近，所以确定油层套管下入 深度初选点为 H 1i =2100m。4 校核油层套管下入到 2100m 过程中是否发生压差卡套管 参考邻井基本参数得：在此井段 pmax 1.14g cm3 ， pmin 0.95g cm3 ，H mm 500m ，由公式（ 2-3）式得：pr2 9.81 500 1.14 0.036 0.95 10 3 11.085 MPa ，因为 pr2 pN， 所以不会发生压差卡套管，故油层套管的下入深度为 2100m。2.3 井身结构设计结果井身结构设计

18、表井号项目井深（ m）套管下深（ m）套管外径（ mm ）钻头尺寸（mm）SJ0046表层425444420339SJ0046油层21002152095139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poc dgD 10 3 （3-1）式中： d为该井段所用泥浆的最大密度， g/cm 3 ； D 为某段钢级的下深度， m2.某段钢级套管的最大下入深度3-2)DdgSD 10式中： D为某段钢级套管抗外挤强度， MPa；SD为最小抗外挤安全系数， 取1.25。3.套管浮力系数dKB 1 d （3-3）s式中： s为某段所用钢材的密度，取 7

19、.8g/cm3 。4.安全系数抗拉安全系数： St 1.83.1.2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poc dgD1 10 3 1.35 9.81 2095 10 3 27.72 MPa 而允许抗外挤强度为pc poc SD 27.72 1.25 34.65 MPa 查钻井手册（甲方） 选择第一段套管表 3-1 第一段套管钢级选钢级外径（ mm ）壁厚（ mm ）均重（N/m）抗拉强度（kN）抗挤强度（MPa）内径（ mm ）s（kN）C-75168.278.94350.3201538.266150.42313.13.1.3确定第二段套管的下入深度和第一

20、段套管的使用长度1.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）均重（N/m）抗拉强度（kN）抗挤强度（MPa）内径 （ mm ）s（kN）K-55168.277.32291.9129020.477153.61401.2由公式 3-2 可知第二段套管下入深度为 D2 1.35 02.00.0497871 1.25 1238.22m ，则第一段套 管使用长度为 L1 D1 D2 2095 1238.22 856.78 m ，套管根数为n L1 856.78 94.15（根 ） ，实际取 n 95根9.19.1故第一段套管实际使用长度为 L1 95

21、9.1 864.5（m） ，第二段套管实际下入 深度为 D2 D1 L1 2095 864.5 1230.5 m 。2.双轴应力校核套管实际所受的挤压力为 t dgD2 1.35 0.00981 1230.5 16.28 MPa查钻井手册（甲方） 可知32313.1517.47 MPa103 10 610.16827 2 0.150424故ts16.28517.470.0315根据曲线可知 z 0.9818 ，则 z 2015 0.9818 1978 kN ，因此套管ss1.35实际所受拉力为 z LqK B 350.3 864.5 10 3 1 1.35 250.421 kN 。 7.8故

22、z St 250.421 1.8 450.758（kN） z ，满足双轴应力校核要求。 s3.1.4 校核第二段套管使用长度第二段套管使用长度为 L2 D2 1230.5 m ，套管根数为L2 1230.5 135.21 根 ，实际取 135根。第二段套管实际使用长度为9.19.1L2 135 9.1 1228.5 m 。第二段套管所受最大拉应力为1.35z LqkB 217.292 291.9 1230.5 10 3 1 250.421 547.438 KN7.8z t 547.438 1.8 985.388 KN 1290 KN满足抗拉强度要求。3.2 表层套管柱设计由公式 3-1 可知，

23、最大外挤压力为poc dgD 10 3 1.2 9.81 420 10 3 4.94 MPa而允许抗外挤强度为pc poc SD 4.94 1.25 6.175 MPa查钻井手册（甲方） 选择表层套管：表 3-3 表层套管钢级选择钢级外径（mm）壁厚 （ mm ）均重（N/m）抗拉强度（kN）抗挤强度（MPa）内径（mm）s（kN）J-55339.719.65795.42286.42.771320.43794.3415则表层套管的根数为 n 415 45.6 根 ，实际取 n 45根 ，所以实际使用长9.1度为 L 45 9.1 409.5 m 。抗拉强度校表层套管所受最大拉应力为3 1.2z

24、 LqK B 415 795.4 10 3 1 279.26 kN7.8故 z St 279.26 1.8 502.688 kN 1432.3 kN ，满足抗拉强度要求。3.3 套管柱设计结果表 3-4 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）SJ0046常规表层0-415J-55339.719.65415SJ0046常规油层0-1230.5K-55168.277.321230.5SJ0046常规油层1230.5-2095C-75168.278.94864.5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

25、与所需钻铤重 量。4.1.1 所需钻铤长度的计算公式LcW SNqc KB4-1)式中： W为设计最大钻压， kN； SN为安全系数 , 此取 SN 1.2 ； K B为钻井液浮力系数； Lc为所需钻铤的长度 , m；qc为每次开钻所需钻铤单位长度重量，N m； n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p L q Lc qc K B （4-2）式中： p 为钻柱所受拉力， kN；Lc为钻铤长度 , m；q c为钻铤单位长度重量， N m ； L 为钻杆长度 , m ； q 为钻杆单位长度重量， N m 。p外挤 dgL （4-3）式中 ： p外挤

26、 为钻杆所受外挤压力， MPa； d为最小钻井液密度， g/cm3 。4.2钻铤及钻杆长度的计算4.2.1 一次开钻钻具组合1.0-420m（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，均重qc 2190N m 。此时 KB 1 d 1 1.05 0.865 ，最大钻压 W 40kN 。B s 7.8则钻铤长度为 Lc W SN 40 13.25 26.99 m ，所用根数为c qc K B 2.19 10 3 0.84626.99n 2.97 根 。9.1从而实际用 3 根钻铤，钻铤实际度为 Lc 9.1 3 27.3 m 。（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 139.7mm，内径 121.4mm，均重 q 319.71N m,钢级 D 级，钻杆 Fy 1426.36kN ，安全系数为 St 1.25。计算最大安全静拉载荷为：1安全系数法： Fa1 0.9Fy St 0.9 1426.36 1026.98 kNa1 y t 1.252设计系数法： Fa1 0.9Fy y t 0.9 1426.36 855.81 kN3拉力余量法： Fa1 0.9Fy MOP 0.9 1426.36 200 1083.72 kN比较三种安全校核