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1、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 专业班级 油工109班 学生姓名 学生学号 指导教师 2013年7月18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成设计任务，最终以设计报告
2、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19日 指导教师 毕雪亮 专业负责人 李士斌 2013 年 7 月 1 日目 录前 言1第1章 设计资料的收集
3、2 1.1预设计井基本参数2 1.2 邻井基本参数2第2章 井身结构设计6 2.1钻井液压力体系6 2.2井身结构的设计7 2.3井身结构设计结果9第3章 套管柱强度设计10 3.1套管柱设计计算的相关公式10 3.2表层套管柱设计10 3.3技术套管柱设计15 3.4油层套管柱设计18 3.5套管柱设计结果20第4章 钻柱设计214.1钻柱设计原理214.2钻柱的设计214.3钻柱设计结果27第5章 钻井水力参数的设计285.1钻井水力参数的计算公式285.2水力参数计算295.3泵的设计结果43第6章 注水泥设计456.1水泥浆排量的确定456.2注水泥浆井口压力486.3水泥浆体积的确定
4、596.4设计结果60第7章 钻井液设计617.1钻井液用量计算公式617.2钻井液用量计算617.3钻井液用量设计结果647.4钻井液体系设计64第8章 设计结果65参考文献67附录68前 言钻井是石油、天然气勘探开发的主要手段。钻井工程质量的优劣和钻井速度的快慢，直接关系到钻井成本的高低、油田勘探开发的综合经济利益以及石油发展速度。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
5、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，
6、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 预设计井基本参数井号 SJ0081 井别 参数井 坐标 22668246,5067467 设计井深 3280 井口海拔 16目的层位 侏罗系 完井层位 基岩 地理位置 延吉 构造位置 勃利盆地中部坳陷 设计依据 1. 设计依据 （1）大庆石油管理局勘探部1992年第73期勘探方案审定纪要 （2）本区标准层构造图
7、。 （3）邻井资料 2. 钻探目的 评价本区油层情况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/cm3) 井深 勃参1表层4443003391.031.25305勃参1技术31118002441.051.21805勃参1油层21532951391.181.233002地层压力井号 井段（m）地层压力(g/cm3) 破裂压力(g/cm3) 勃参103030.91.5勃参13034000.91.5勃参1400100011.5勃参1100015001.071.5勃参1150020001.151.5勃参1200025001.171.55勃参12
8、50030001.21.6勃参13000-32951.221.633钻具组合井号 井段（m） 钻头外径(mm) 密度(g/cm3) 钻具组合 勃参10-3034441.03-1.251787515926勃参1303-18033111.05-1.2228减震器22936203811787515927续表井号 井段（m） 钻头外径(mm) 密度(g/cm3) 钻具组合 勃参11803-33002151.18-1.2214稳定器1782214稳定器1789214稳定器178减震器15918214稳定器159135勃参1550-5703111.05-1.2178取芯筒1787515926勃参11570
9、-16503111.05-1.2178取芯筒1787515926勃参12260-23202151.18-1.2178取芯筒1591004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) 塑性粘度屈服值(Pa) N值 K值 失水(API) 勃参1穆陵组-第四系0-303膨润土混浆1.03-1.2522-45-勃参1穆陵组-穆陵组303-800两性复合离子钻井液1.05-1.225-45-勃参1东荣组-穆陵组800-1803两性复合离子钻井液1.18-1.235-458.5-91-2.518-288-120.65-0.450.6-0.81
10、-4勃参1基岩-东荣组1803-3300两性复合离子钻井液1.18-1.235-458.5-91-2.518-288-120.65-0.450.6-0.81-45 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(%) 勃参14440-3038.487.351.136.2610433820.3486.67勃参1311303-50012.6310.651.987.6613453170.8384.34勃参1311500-70014.0211.62
11、2.48.3613458070.8382.86勃参1311700-150014.6110.933.688.1112954670.8374.83勃参13111500-180315.0910.934.168.1112954670.8372.44勃参12151803-200013.2810.382.94.5612629981.2878.17勃参12152000-260013.9810.383.64.5612629981.2874.25勃参12152600-310014.5710.384.194.5612629981.2871.27续表井号 钻头尺寸(mm) 井段(m) 泵压(MPa) 钻头压降(MP
12、a) 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(%) 勃参12153100-330013.839.414.424.3412027171.2868.04勃参1311550-57000勃参13111570-165000勃参12152260-232000勃参12153100-3140006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) 勃参10-303444X3A江汉14+14+1430-4065-7045-481.05-1.
13、25勃参1303-500311J2江汉14.24+14.24+9.53240-26070-11048-521.03-1.1勃参1500-700311ATJ11江汉14.24+14.24+9.53240-28065-7048-521.15-1.2勃参1700-1500311J22江汉14.24+14.24+10.3260-30065-7048-521.15-1.2勃参11500-1803311J33江汉14.24+14.24+10.3260-30065-7048-521.15-1.2勃参11803-2000215ATJ22江汉10.3+10.3+9.53160-18065-7028-301.15
14、-1.2勃参12000-2600215J33江汉10.3+10.3+9.53160-18065-7028-301.15-1.2勃参12600-3100215ATJ33江汉10.3+10.3+9.53160-18065-7028-301.15-1.2勃参13100-3300215J55江汉10.3+10.3+10.3160-18065-7028-301.15-1.2勃参1550-570311RC475川.克50-8065-7035-401.15-1.2勃参11570-1650311SC226牡丹江50-8065-7035-401.15-1.2勃参12260-2320215C20川.克50-806
15、5-7035-401.15-1.2勃参13100-3140215DQ5牡丹江50-8065-7035-401.15-1.27.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 勃参1常规表层0-300339J-559.6530024.3324.339.582.12续表井号 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 勃参1常规技术0-10244N-8011.05100.65102.33.66208.8勃参1常规技术10-125
16、0244J-5510.03124073.82101.652.311.13勃参1常规技术1250-1580244N-8010.0333019.6433.899.871.13勃参1常规技术1580-180244N-8011.0522014.2414.2426.271.24勃参1常规油层0-10139N-809.17100.383.652.32404.5勃参1常规油层10-850139N-807.7284021.2583.361.893.38勃参1常规油层850-2210139J-557.72136034.4162.11.81.13勃参1常规油层2210-3240139N-807.72103026.
17、0627.75.71.13勃参1常规油层3240-3295139N-809.17551.641.64118.61.578.注水泥设计参数井号 套管层位 固井密度要求(g/cm3) 上返深度(m) 水泥塞面深度(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) 勃参1表层1.2501.85-1.90A级11780勃参1技术1.201.85-1.90G级26040勃参1油层1.216001.9-1.920G级16360第2章 井身结构设计2.1 钻井液的压力体系图2-1 地层压力与地层破裂压力剖面图2.1.1 最大钻井液密度 (2-1)式中
18、: 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0.024。发生井涌情况 （2-2）式中：为发生井涌时，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，；为某井段钻进井段中所用的最大 泥浆密度，；为抽吸压力允许值的当量密度，取；为 地层压裂安全系数，用当量钻井液密度表示，取；为发生井涌时 的井涌允量，取。2.1.2 校核各层套管下到初选点时是否会发生压差卡套 (2-3)式中：为实际井内最大静止压差，；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所对应的井 深，。为避免发生压差卡
19、套的许用压差，取12 MPa。 2.2 井身结构的设计 2.2.1 套管层次的确定（1）中间套管下入深度初选点 取初选点 查地层破裂压力梯度表得，且相近，因此取，（2）校核中间套管下入到初选点过程中是否会发生压差卡套管 由地层压力梯度表查得,，。井段 ，所以不会发生压差卡钻，满足设计要求。井段 ，所以不会发生压差卡钻，满足设计要求。井段 ，所以不会发生压差卡钻，满足设计要求。井段 ，所以不会发生压差卡钻，满足设计要求。（3）确定表层套管的下入深度 取初选点 由地层破裂压力梯度表得，且相近，因此取。（4）油层套管下入深度 2.3 设计结果表2-1 井身结构设计表项目表层套管中间套管油层套管下深（
20、m）20018003280第3章 套管柱强度设计3.1 套管柱设计计算的相关公式1. 某井段的最大外挤压力 （3-1）式中：为套管柱所受外挤压力，Mpa； 为该井段所用泥浆的最大密度，； 计算点井深，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 （3-4）3.2 表层套管柱设计3.2.1 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：查钻井工艺手册上表3-8选择第一段套管表3-1 第一段套管钢级选择钢
21、级外径（mm）壁厚 （mm）均重（N/m）抗拉强度（kN）抗挤强度（MPa）内径（mm）ss（kN）N-80139.79.17291.91903.860.881121.42072.9实际抗挤安全系数3.2.2 确定第二段套管的下入深度和第一段套管的使用长度1. 查钻井工艺手册上表3-8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）ss（kN）N-80139.77.72248.1154843.299124.31765.9由公式3-2可知第二段套管下入深度为，实际取2980m，则第一段套管使用长度为。2. 第一段
22、套管抗拉安全系数校核、第二段套管抗挤安全系数校核浮力系数 ： 抗拉安全系数为：抗拉满足要求。第二段抗挤安全系数满足抗挤要求。3.2.3 确定第三段套管的下入深度和第二段套管的使用长度1. 查钻井工艺手册表3-8选择第二段套管表3-3 第三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）ss（kN）J-55139.77.72248.11209.933.853124.31214.4第三段套管下入深度为，实际取2330m，则第二段套管使用长度为。2. 第二段套管抗拉安全系数校核、第三段套管抗挤安全系数校核。 第二段套管抗拉安全系数：满足抗拉要求
23、。第三段抗挤安全系数： 满足抗挤要求。3.2.4 确定第四段套管的下入深度和第三段套管的使用长度1. 查钻井工艺手册表3-8选择第四段套管表3-4 第四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）ss（kN）J-55139.76.99226.21063.127.855125.71103.2第四段套管下入深度为，实际取1930m。已超过水泥面，应考虑下部套管的重量引起的抗挤强度的降低，按双向应力设计套管柱。2. 水泥面处抗挤及抗拉校核水泥面以下第三段套管长50m,其重量为： 水泥面处受到拉伸载荷： 由，查石油工程图双向应力椭圆可知，因此
24、，套管受拉后抗挤强度降低为：，水泥面处抗挤安全系数 所以水泥面处不满足抗挤强度。采用试算法，将第二段套管长度增长，即减少第三段的下入深度，提高其底部的抗挤系数，以补偿双向应力的影响。假设第二段套管长度增加500m。则第二段套管顶部抗拉安全系数： 水泥面处受到拉伸载荷为：，查石油工程图双向应力椭圆可知，因此，套管受拉后抗挤强度降低为：，水泥面处抗挤安全系数 所以水泥面处满足抗挤强度。第三段套管受拉后抗挤校核： ，查石油工程图双向应力椭圆可知，因此，套管受拉后抗挤强度降低为：，第三段套管抗挤安全系数 因此抗挤符合要求。第三段套管使用长度的确定：假设第三段套管设计到井口，第三段长度第三段套管重量：第
25、三段套管抗拉安全系数： 抗拉符合要求。抗内压校核：查钻井工艺手册表3-8，第三段套管抗内压强度为假设套管内完全充满天然气，则井口处的内压力近似为： 式中：为井底天然气压力，； 为井口内压力，； 为井深，; 为天然气与空气密度之比，一般取0.55。根据地层压力资料可得最大地层压力梯度为1.22，故：抗内压安全系数 满足抗内压要求。3.2.5 油层套管设计结果表3-5 油层套管设计参数井号套管类型井段（m）钢级外径（m）壁厚（mm）长度（m）抗拉安全系数抗挤安全系数SJ0081常规0-1830J-55139.77.7218301.461.225SJ0081常规1830-2980N-80139.77
26、.7211504.151.13SJ0081常规2980-3280N-80139.79.1730021.761.453.3技术套管柱设计3.3.1 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 查钻井工艺手册表3-8选择第一段套管表3-6 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）ss（kN）N-80244.4711.05634.83669.826.269222.44470.5实际抗挤安全系数3.3.2 确定第二段套管的下入深度和第一段套管的使用长度1. 查钻井工艺手册表3-8选择第二段套管表3-7 第二段套
27、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）ss（kN）N-80244.4710.03583.83278.321.305224.44074.6由公式3-2可知第二段套管下入深度为，实际取1550m，则第一段套管使用长度为。2. 第一段套管抗拉安全系数校核、第二段套管抗挤安全系数校核。浮力系数，净重，浮重。第一段套管顶部受到的拉伸载荷为，抗拉安全系数为,抗拉满足要求。第二段抗挤安全系数 满足抗挤要求。3.3.3 确定第三段套管的下入深度和第二段套管的使用长度1. 查钻井工艺手册表3-8选择第二段套管表3-8 第三段套管钢级选择钢级外径（mm
28、）壁厚 （mm）均重（N/m）抗拉强度（kN）抗挤强度（MPa）内径（mm）ss（kN）J-55244.478.94525.42175.213.927226.62508.8第三段套管下入深度为，已超过水泥面，应考虑下部套管的重量引起的抗挤强度的降低，按双向应力设计套管柱。水泥面处抗挤校核：水泥面以下第二段套管长250m,其重量为 ，查石油工程图双向应力椭圆可知，因此，套管受拉后抗挤强度降低为：，水泥面处抗挤安全系数所以水泥面处满足抗挤强度。假设第三段下入深度为800m,则第二段段长为：第三段套管受拉后抗挤校核： ，查石油工程图双向应力椭圆可知，因此，套管受拉后抗挤强度降低为：，第三段套管抗挤安
29、全系数 因此抗挤符合要求。第二段抗拉校核： 抗拉满足要求。第三段套管长度的确定：假设第三段套管设计到井口，第三段长度第三段套管重量：第三段套管抗拉安全系数：抗拉符合要求。抗内压校核：查钻井工艺手册表3-8，第三段套管抗内压强度为根据地层压力资料可得最大地层压力梯度为1.15，故： 抗内压安全系数 满足抗内压要求。3.3.4 中间套管设计结果表39 中间套管设计参数井号套管类型井段（m）钢级外径（m）壁厚（mm）长度（m）抗拉安全系数抗挤安全系数SJ0081常规0-800J-55244.478.948001.951.29SJ0081常规800-1550N-80244.4710.037505.51
30、.13SJ0081常规1550-1800N-80244.4711.0525023.121.23.4表层套管柱设计3.4.1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 查钻井工艺手册表3-8选择第一段套管表3-10 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）ss（kN）J-55339.719.65795.42286.47.791320.43794.3实际抗挤安全系数假设设计到井口 抗拉安全系数满足抗拉要求。抗内压校核：查钻井工艺手册表3-8，第三段套管抗内压强度为根据地层压力资料可得最大地层压力梯度为0.9
31、，故： 抗内压安全系数 满足抗内压要求。3.4.2 表层套管设计结果表311 表层套管设计参数井号套管类型井段（m）钢级外径（m）壁厚（mm）长度（m）抗拉安全系数抗挤安全系数SJ0081常规0-200J-55339.719.6520014.374.083.5 套管柱设计结果表3-12 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）SJ0081常规表层0-200J-55339.719.65200SJ0081常规中间0-800J-55244.478.94800SJ0081常规中间800-1550N-80244.4710.03750SJ0081常规中间1550-
32、1800N-80244.4711.05250SJ0081常规油层0-1830J-55139.77.721830SJ0081常规油层1830-2980N-80139.77.721150SJ0081常规油层2980-3280N-80139.79.17300第4章 钻柱设计4.1 钻柱设计原理4.1.1 所需钻铤长度的计算公式 （4-1）式中：为所需钻铤长度，；为安全系数，一般取=1.15-1.25；为设计的最大钻压，；为每米钻铤在空气中的重力，;为浮力系数；为井斜角度数，直井时；4.1.2计算钻柱所受拉力的公式钻柱所受拉力为 （4-2）式中：为钻柱所受拉力，；为钻铤长度，；为每米钻铤在空气中的重力
33、，；为钻杆长度，；为每米钻杆在空气中的重力，；4.2 钻柱的设计4.2.1 一次开钻钻柱组合井段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。此时，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钻杆长度根数，实际取18根。查钻井手册（甲方）选择钻杆，钻杆外径127mm，内径108.6mm，均重,钢级E级，钻杆抗拉强度，抗挤强度，安全系数为，抗挤安全系数。计算最大安全静拉载荷为： 安全系数法 设计系数法：选取卡瓦长度，则 拉力余量法：取拉力余量 比较三种安全校核知设计系数法计算的值最小，作为抗拉
34、安全强度。则钻杆许用长度为实际钻杆长度 根数，实际取18根。 校核钻杆抗挤强度：一开时钻杆下部所受最大拉力为下部钻铤浮重： 按照双向应力校核钻杆抗挤强度，查石油工程图双向应力椭圆可知，因此，钻杆受拉后抗挤强度降低为：由于，所以满足抗挤强度。4.2.2 二次开钻钻具组合井段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。此时，最大钻压，则钻铤长度为，所用根数为。从而实际用7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108.6mm，均重,钢级E级，钻杆抗拉强度，抗挤强度，抗拉安全系数为，抗挤安全系数。计算最大安全静拉载荷为：安全系数法设计系数法：选取卡瓦长度，则 拉力余量法：取拉力余量 比较三种安全校核知设计系数法计算的值最小，作为抗拉安全强度。则钻杆许用长度为实际钻杆长度 根数，实际取191根。 校核钻杆抗挤强度：二开时钻杆下部所受最大拉力为下部钻铤浮重
