钻井综合项目工程专业课程设计.doc

表A-1 钻井工程课程设计任务书
一、地质概况29：
井别： 探井 井号： 设计井深：3265m 目层：
井位坐标

地理位置

构造位置

测线位置

钻探目
进一步理解构造状况
完钻原则
钻穿J层
完井办法
射孔完井
层位代号
底界深度（M）
重要岩性描述
故障提示
ρf

ρP

A
320
表层，未胶结
渗漏

1.0
B
480
砾岩夹泥岩
防斜
1.23
1.02
C
1150
砂砾岩
防斜
1.23
1.02
D
1472
砂质泥岩
防斜
1.32
1.09
E
1755
泥岩、泥岩砂岩互层
防蹋
1.36
1.12
F
2170
页岩、泥岩
防斜、防塌
1.43
1.12
G
2700
砂岩
防漏
1.57
1.18
H
3089
泥岩、泥岩砂岩互层
防斜
1.71
1.21
I
3150
泥岩
防塌
1.90
1.22
J
3245
砂岩
防喷
2.32
1.23
当量密度为：g/cm3
表 A-2设计系数
名称
Sw
g/cm3
Sg
g/cm3
Sf
g/cm3
Sk
g/cm3
ΔPN
MPa
ΔPa
MPa
数值
0.024
0.021
0.026
0.023
14
20
备注

石工专业 石工（卓越班）1201班 学生姓名： 木合来提.木哈西

图 A-1 地层压力和破裂压力

一．井身构造设计
1.由于该井位为探井，故中间套管下深按也许发生溢流条件拟定必封点深度。
由图A-1得，钻遇最大地层压力当量密度 ρpmax=1.23g/cm³，则设计地层破裂压力当量密度为：ρfD=1.23+0.024+3245/H1×0.023+0.026.
试取H1=1500m，则ρfD=1.23+0.024+2.16×0.023+0.026=1.33 g/cm³,
ρf1400=1.36 g/cm³ > ρfD 且相近，因此拟定中间套管下入深度初选点为H1=1500m。
验证中间套管下入深度初选点1500m与否有卡钻危险。
从图A-1知在井深1400m处地层压力梯度为1.12 g/cm³以及320m属正常地层压力，该井段内最小地层压力梯度当量密度为1.0 g/cm³。
ΔPN=0.00981×(1.10+0.024-1.0)×320=0.389<11MPa
因此中间套管下入井深1500m无卡套管危险。
水泥返至井深500m。
2.油层套管下入J层13-30m，即H2=3265m。
校核油层套管下至井深3265m与否卡套管。
从图A-1知井深3265m处地层压力梯度为1.23 g/cm³，该井段内最小地层压力梯度为1.12g/cm³，故该井段最小地层压力最大深度为2170m。
Δpa=0.00981×（1.23+0.024-1.12）×2170=2.85Mpa<20 Mpa
因此油层套管下至井深3265m无卡套管危险。
水泥返至井深2265m。
3.表层套管下入深度。
中间套管下入井深1500处，地层压力梯度当量密度为1.12 g/cm³，给定溢流数值Sk=0.023 g/cm³。由公式ρfD=1.12+0.024+1500/D1×0.023+0.026
试取700m 得ρfD=1.22 g/cm³
由图A-1得ρf700 =1.23 g/cm³
ρf700 –ρfD=1.23-1.22=0.01<(0.024~0.048) g/cm³
满足规定，即表层套管下深700m。
表层套管水泥返至地面。
4.本井采用井身构造。
表层套管用444.5mm(）钻头，钻至井深705m，339.7mm()套管下至井深704m,水泥返至地面。
中间套管用311.1mm（）钻头，钻至井深1505m，244.5mm(in)套管下至井深1502m,水泥返至井深500m。
油层套管用215.9mm（）钻头，钻至井深3265m，139.7（in）mm套管下至井深3265m,水泥返至井深2265m。
将井身构造设计数据填入表A-3。
表A-3井身构造设计成果
序号
井段，m
钻头尺寸，mm
套管尺寸，mm
水泥返深，m
表层
0～705
444.5
339.7
地面
中间套管
705～1505
311.1
244.5
500
油层套管
1505～3265
215.9
139.7
2265

二、固井工程设计
1.套管强度设计
（1）表层套管下深704m，选用K-55，壁厚9.65mm套管，不必进行强度设计。
（2）中间套管设计（244.5mm）
设计数据:
下入深度 1502m
钻井液密度ρm=1.12+0.024=1.144g/cm³，抗外挤安全系数Sc=1.05，抗拉安全系数St=1.80，抗内压安全系数Si=1.10
设计办法:采用等安全系数法
计算井口最大内压力Psi

Mpa
设计内压力
因而，抗内压强度不大于16.577Mpa套管均不能选用。
拟定下部第一套管，设计挤压强度为

由表查得J-55,壁厚10.03mm套管：
Pc=17.72Mpa ， Pi=27.23Mpa
PT=2313.1kN ， q=583.8N/m
di=224.4mm ， 长圆螺纹。
>1.05
>1.10
第二段选用J-55，壁厚8.94mm套管。
Pc=13.93Mpa ， Pi=24.27Mpa
PT=kN ， q=525.4N/m
di=226.6mm ， 长圆螺纹。
允许下入深度:

第一段套管下入长度
L1=1502-1182=320m
校核第一段套管抗拉强度

>1.8
第二段套管下入长度
L2=1502-320=1182m
由于第二段套管穿过了水泥封固面，故应进行双轴应力校核。先计算在水泥面处套管在双轴应力作用下实际抗挤强度。
所受拉力载荷：

则查表
实际抗挤强度
抗挤安全系数
水泥面处实际抗挤强度满足规定。对第二段套管底端进行双轴应力校核。

查表得K’=0.934
=0.934×13.93=13.01MPa

第二段不满足规定，故延伸第一段套管向上100m。即

查表得K’=0.924
P‘’cc2=0.924×13.93=12.87MPa

因此第一段套管下入长度L1=420m
抗拉安全系数
抗内压安全系数
第二段套管下入井深，校核该段套管顶部截面（井口）抗拉强度

以上计算成果列入表A-4。
表A-4 中间套管设计成果
序号
井段
m
段长
m
壁厚
mm
钢级
螺纹类型
重力 kN

安全系数
段重
累重
抗拉ST
抗挤Sc
抗内压Si
2
0～1082
1082
8.94
J-55

长圆螺纹
188.45
348.04
2.41
1.07
1.61
1
1082～1502
420
10.03
J-55
159.59
159.59
3.77
1.051
1.81

油层套管设计（139.7mm）
设计数据:
下入深度 3265m
钻井液密度 ρm=ρP+Sb =1.23+0.024=1.254 g/cm3 ，抗外挤安全系数Sc=1.10，抗拉安全系数St=1.80，抗内压安全系数Si=1.10
设计办法:等安全系数法
计算井口最大内压力Psi

设计内压力
因而，抗内压强度不大于35.48套管均不能选用。
拟定下部第一套管，设计挤压强度为

由表查得N-80 壁厚9.17mm套管：
Pc=60.88Mpa ， Pi=63.36Mpa
PT=1903.8kN ， q=291.9N/m
di=121.4mm ， 长圆螺纹。

校核第一段套管抗拉强度

以上计算成果列入表A-5中。
表A-5 油层套管设计成果
序号
井段
m
段长
m
壁厚
mm
钢级
螺纹类型
重力 kN

安全系数
段重
累重
抗拉ST
抗挤Sc
抗内压Si
1
0～3265
3265
9.17
N-80
长圆螺纹
800.8
800.8
2.377
1.51
1.96
三、注水泥浆设计
（1）表层套管
设计数据：套管下入长度 Ls=704m,水泥塞高度ho=10m，水泥浆返深：地面，钻井液性能，n=0.52，。水泥浆性能，，。水泥浆附加量70%，钻井液压缩系数。计算井径按钻头直径444.5mm。
水泥用量N
704=45.55m³

附加30%，
水泥浆密度时，每袋水泥（50kg）配水泥浆0.04015m3/袋（40.15升/袋），则

用水量VW（水灰比m=0.5）VW=1501×50×0.5/1000=37.53m3
替钻井液Vm

替钻井液终泵压
设计成果见表A-6中。
（2）中间套管
设计数据：
设计井深H=1505m,水泥塞高度ho=20m，套管下入长度Ls=1502m，水泥返深500m，水泥附加量30%，钻井液压缩系数，计算井径按钻头直径311.1mm。钻井液性能，n=0.5，。水泥浆，，。
水泥用量N

附加30%，
水泥浆密度时，每袋水泥（50kg）配水泥浆0.04015m3/袋（40.15升/袋），则
袋
用水量VW（水灰比m=0.5）VW=963×50×0.5/1000=24.075m3
替钻井液Vm
替钻井液终泵压10026.94MPa
计算环空临界流速（塑性流体）

计算管内流速Vi

计算管内Rei

计算管外水泥浆段

计算管外钻井液段Reom

管内摩阻系数

管外摩阻系数fo

管内压耗Pci

环空耗压Pco
循环压耗
替钻井液终泵压
碰压泵压
计算注水泥施工总时间:
选用AC-400B型水泥车3台，每台车平均每分钟注水泥20袋，则

替钻井液
其他（倒换阀，开挡销，压胶塞，碰压）
总施工时间
选用G级水泥。
（3）油层套管
设计数据：
设计井深H=3265m,水泥塞高度ho=20m，套管下入长度Ls=3262m，水泥返深2265m，水泥附加量40%，钻井液压缩系数，计算井径按钻头直径215.9mm。钻井液性能，n=0.52，。水泥浆，，。
水泥用量N

m³
附加40%，
水泥浆密度时，每袋水泥（50kg）配水泥浆0.04015m3/袋（40.15升/袋），则

用水量（水灰比m=0.5）
替钻井液Vm

替钻井液终泵压1002×0.00981=5.86MPa
设计成果见表A-6中。

表A-6 注水泥浆设计成果
套管层次
钻井液密度g/cm3
水泥浆上返高度m
水泥塞高度m
水泥级别
水泥浆密度g/cm3
水泥浆量m3
用水量
m3
干水泥袋数
替钻井液量m3
替钻井液终泵压Mpa
表层
1.044
地面
10
G
1.85
78.27
37.53
1501
57.852
5.57
中间
1.144
1005
20
38.65
24.075
963
59.39
14.11
油层
1.254
1005
20
30.051
18.7
748
38.70
15.27
四、钻柱设计
钻柱组合
第一次开钻（0～705m）
444.5mm3A+228mmDC+203mmDC+177.8mmDC+127mmDP+133mmK。
(注：3A-代表三牙轮钻头，DC-钻铤，DP-钻杆，K-方钻杆)。
第二次开钻（705～1505m）
311.1mm3A+203mmDC+177.8mmDC+127mmDP+133mmK
第三次开钻（1505～3265m）
215.9mm3A+177.8mmDC+155.8mmDC+127mmDP+133mmK。
各次开钻，由预估（设计）钻头最大钻压计算钻铤长度。
444.5mm3A，
311.1mm3A，
215.9mm3A，
组合钻铤长度计算时，先按组合中最大直径钻铤由设计最大钻压拟定长度，然后再依照大尺寸钻铤库存及钻井工艺规定拟定不同直径钻铤长度。下部钻具组合背面再设计。
一开，由零轴向应力截面拟定。

Lz实=Lz+25=157
二开：（203mmDC，内径71.44mm,）。
m

三开：（177.8mmDC，内径71.44mm,）。

钻柱强度设计
一次开钻（略）
二次开钻：
井深H=1505m， dc=203mm,qc=2194.32 N⁄m
,拉力余量450kN,设计系数1.35，。
选127mm，G105钢级钻杆，Py=2464.39kN
由于>设计系数1.35，
因此Paσ=(0.9Py)/1.42=(0.9×2464.39)/1.42=1561.94kN
当拉力余量为450kN时，
Paδ=0.9Py-450=0.9×2464.39-450=1767.951kN

而实际下入最大长度（1505-192.3）=1312.7m。
三次开钻
井深H=3265，dc=177.8mm,qc=1061 N⁄m
,拉力余量450kN,设计系数1.35，。σs/σt =1.42
选127mm，G105钢级钻杆，Py=2464.39kN
Paσ=(0.9Py)/1.42=(0.9×2464.39)/1.42=1561.93kN
Paδ=0.9Py-450=0.9×2464.39-450=1767.95kN
Paσ<Paδ,按Paσ设计

L允=5027m>H=3265m,而实际下入长度（3265-266.83）=2998m
设计成果列于表A-7。

表A-7 钻柱强度设计成果
开钻程序
钻杆
钻铤
尺寸 mm
钢级
单位重力 N/m
最小抗拉力kN
井段 m
尺寸 mm
单位重力N/m
长度m
1
127
G
284.78
1760.31
0～705
228
2803
157
2
127
284.78
1760.31
0～1505
203
2194.32
192.3
3
127
284.78
1760.31
0～3265
177.8
1061
266.8

五、钻机选取
中间套管在空气重力为814kN,油层套管在空气中重力953kN。
钻机按80%套管破断强度来选取最大钩载。即

选F-200-2DH型钻机。
钻柱最大重力726.6kN ,此时钻机钩载储备系数KST为

六、机械破碎参数设计
钻头选型

表A-8 各地层可钻级值
地层
A
B
C
D
E
F
G
H
I
J
可钻级值
0.6
1
1.39
2.16
3
3.5
7.3
5.2
4.9

第一次开钻（0~705m）
X22×1
第二次开钻（705~1505m）
J11×1(705~1160m)
J22×1(1160~1505m)
第三次开钻（1505~3265m）
B22M×1(1505~2265m)
J22×1(2265~2715m)
J22×1(2715~3015m)
ATMJ11×1(3015~3265m)
钻压W,钻速n拟定
表A-9 机械破岩参数
钻头序号
钻头尺寸mm
类型
钻进井段m
地层
钻压kN
转速r/min
纯钻h
进尺m
机械钻速m/h
0
444.5
X22
0~705m
A B C
30~200
82~54
60
705
11.75
1
311
J11
705~1160
C D
210
12
38
455
11.9
2
311
J22
1160~1505
D E
210~250
115~82
50
345
6.9
3
215.9
B22M
1505~2265
E F G
50~80
170~120
80
760
9.5
4
215.9
J22
2265~2715
G H
160~200
87~52
50
450
9
5
215.9
J22
2715~3015
H
160~200
87~52
50
300
6
6
215.9
ATMJ11
3015~3265
H I J
160~200
87~52
50
250
5

七、钻井液设计
表层（0~705m）
采用高膨润土钻井液。
，漏斗粘度60~100s，滤失水8~10ml，泥饼1~2mm，初切1~2Pa，终切力2~5Pa，pH值8~9.
中间套管（705~1505m）
采用不分散聚合物钻井液体系
钻井液密度按近平衡压力钻井拟定，即

中间套管钻井液性能设计列于表A-10.
油层套管（1505~3265m）
钻井液体系：由不分散聚合物体系过渡到分散型三磺体系。
钻井液密度按近平衡压力钻井设计。钻井液性能列于表A-10.
表A-10 钻井液设计
地层分层
深度m
厚度m
井段m
钻井液体系
钻井液性能
密度g/cm3
漏斗粘度s
滤失水ml
泥饼mm
初切Pa
终切Pa
含沙量%
PH
A
320
320
0～705

1．044~1.10
60～100
8～10
1～2
1～2
2～3
0
8～9
B
480
160
C
1150
670
D
1472
322
705～1505
膨润土浆不分散聚合物
E
1755
283
1.144~1.149
30～50
5～8
0.5～1.5
0～2
1～3
0.1～0.5
8～10
F
2170
415
1505～3265
分散三磺
G
2700
530
H
3089
389
1.254~1.303
50～70
3～5
0.5～1
0～3
2～5
0.5～1
10～12
I
3150
61
J
3245
95

八、下部钻具组合设计
第一次看开钻采用单稳器钟摆钻具
设计数据:dc=228mm，qc=2803N/m，W=200 kN,D=444.5mm,Ds=440mm,α=1°,I=1.3233×10-4m4，E=2.058×108kPa，δ1=0.5（0.4445-0.2286）=0.10795m，δ2=0.5（0.4445-0.440）=0.00255.
将以上数据代入计算式，可求得稳定器抱负安装高度LT.
a=π2×2.083×sin1°=0.385
c=-184.6π2×2.058×108×8.241×1.3233×10-4 (0.10795-0.42×0.00225-0.08×0.002252/0.10795)=-530.376×104

第二次开钻采用刚性满眼组合
设计数据:dc=203mm，qc=2194.32N/m，W=250 kN,D=311mm,Ds=308mm,α=2°,，I=8.241×10-5m4，E=2.058×1011kPa，a=0.2.

下稳定器位置为21.63×0.2=4.33m。
在接近钻头在装一只稳定器。
第三次， 采用光钻铤组合。

九、水力参数设计
第一次开钻（0-705m）
钻头序号：0#，444.5mm，
设计数据：井深H=705m,
1. 拟定流量

由ZPN-800B钻井泵水功率特性表查得缸套，28.41l/s,Pr=14.21MPa,选用两台ZPN-800B，Q=228.41=56.82l/s。
钻井液流变参数

2. 计算循环压耗Pc
钻杆内流速
钻杆外环空流速
钻铤内流速
钻铤外环空流速

3. 计算钻头压降

4. 计算喷嘴当量直径
取流量系数C=0.98

5. 计算喷嘴组合
采用三不等径组合，选用J1=15.88mm,J2=14.29mm,J3=12.70mm。

计算功能参数

第二次开钻（705~1505m）
钻头序号：1，
设计数据：。
1. 拟定流量

由3NB-800钻井泵水功率特性表查得缸套，Qr=34.73l/s,Pr=15.3MPa。
钻井液流变参数

2.计算循环压耗Pc
钻杆内流速
钻杆外环空流速
钻铤内流速
钻铤外环空流速

3.计算钻头压降

4.计算喷嘴当量直径
取流量系数C=0.98

5.计算喷嘴组合
采用三不等径组合，选用J1=14.29mm,J2=7.94mm,J3=6.35mm。

计算功能参数

第三次开钻（1505~3265m）
钻头序号：4#，
设计数据：。
2. 拟定流量

由3NB-800钻井泵水功率特性表查得缸套，Qr=19.56l/s,Pr=27.08MPa。
钻井液流变参数

2.计算循环压耗Pc
钻杆内流速
钻杆外环空流速
钻铤内流速
钻铤外环空流速

3.计算钻头压降

4.计算喷嘴当量直径
取流量系数C=0.98

5.计算喷嘴组合
采用三不等径组合，选用J1=7.94mm,J2=6.35mm,J3=4.76mm。

计算功能参数

水力参数设计成果

钻头序号
钻头直径mm
井段m
喷嘴直径，mm
立管压力MPa
流量l/s
钻头压降MPa
钻头水功率kW
钻头比水功率
射流冲击力KN
喷射速度m/s
J1
J2
J3
0
444.5
0~705
15.88
14.29
12.70
14.21
56.82
7.51
426
2.75
6.975
117
2
311.1
705~1160
14.29
7.94
6.35
15.3
34.73
12.4
430
5.65
5.73
144
4
215.9
1505~2715
7.94
6.35
4.76
27.08
19.56
25.6
500
13.67
4.85
197

十、油气层保护
1、接近平衡压力钻井设计钻井液密度。
2、油气层井段限制高环空流速。
3、限制下钻速度，防止过大压力激动，损害油气层。
4、钻井液体系与油气层物化特性协调
5、浮现溢流或井喷，严格压井参数设计，按平衡压力压井。
6、优化管理程序和钻井参数，迅速钻完油气层段，减少浸泡时间。

十一、钻井进度筹划
钻井工程施工进度筹划见下表。
序号
井段m
施工作业项目
筹划天数d
合计天数d
1
0-805
钻进，下套管、固井、候凝
a
a
2
805-1405
钻进、起下钻、电测、下套管、固井、侯凝、装井口
b
a+b
3
1405-3065
钻水泥塞，钻进，起下钻，电测，下套管，固井、侯凝、装井口
c
a+b+c