课程设计--钻井工程设计-精品

前 言

钻井工程设计是石油工程的一个重要课题，它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，很大程度上依靠钻井设计水平的提高。

搞好钻井设计是提高技术管理和加强企业管理水平的一项重要措施，是钻井生产实现科学管理的前提。钻井设计应立足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，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。

目 录

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 .................................................................................................... 6

2.1 钻井液压力体系 ................................................................................................ 6

2.1.1最大泥浆密度 ........................................................................................... 6 2.1.2校核各层套管下到初选点深度时是否会发生压差卡套 ....................... 6 2.2 井身结构的设计 ................................................................................................ 7

2.2.1套管层次与深度的确定 ........................................................................... 7

第3章 套管柱强度设计 .............................................................. 错误！未定义书签。

3.1 油层套管柱设计 .............................................................. 错误！未定义书签。

3.1.1 计算的相关公式 .................................................... 错误！未定义书签。

3.1.2 按抗外挤强度设计由下向上选择第一、二段套管的使用长度错误！未定义书签。 3.1.3 油层套管的抗拉强度校核 .................................... 错误！未定义书签。 3.2 表层套管柱设计 .............................................................. 错误！未定义书签。 3.3 结论设计 .......................................................................... 错误！未定义书签。 第4章 钻柱设计 .......................................................................... 错误！未定义书签。

4.1钻铤的设计 ....................................................................... 错误！未定义书签。

4.1.1 所需钻铤长度的计算公式 .................................... 错误！未定义书签。 4.1.2 计算钻柱所受拉力的公式 .................................... 错误！未定义书签。 4.2 钻铤、钻杆长度的计算 .................................................. 错误！未定义书签。

4.2.1一次钻开钻具组合 ................................................. 错误！未定义书签。 4.2.2 二次开钻钻具组合 .............................................................................. 19 4.3 设计结果 .......................................................................... 错误！未定义书签。 第5章 钻井液设计 ...................................................................... 错误！未定义书签。

5.1 钻井液的选择 .................................................................. 错误！未定义书签。

5.1.1井筒内钻井液体积 ................................................. 错误！未定义书签。 5.1.2 地面循环量 ............................................................ 错误！未定义书签。 5.1.3 损耗量 .................................................................... 错误！未定义书签。 5.1.4 需要加入粘土、清水的量 .................................... 错误！未定义书签。 5.2 钻井液密度转换 .............................................................. 错误！未定义书签。

5.2.1 一次开钻需要加入重晶石量 ................................ 错误！未定义书签。 5.2.2 二次开钻需要加入重晶石量 ................................ 错误！未定义书签。 5.3 钻井液设计 ...................................................................... 错误！未定义书签。

5.3.1 井筒内钻井液体积 ................................................ 错误！未定义书签。 5.3.2 钻井过程中所需的钻井液体积 ............................ 错误！未定义书签。 5.3.3需要加入的水量和土量 ......................................... 错误！未定义书签。 5.3.4 钻井液密度转换 .................................................... 错误！未定义书签。 5.4 结论统计 .......................................................................... 错误！未定义书签。 第6章 钻井水力参数的设计 ...................................................... 错误！未定义书签。

6.1泵的选择 ........................................................................... 错误！未定义书签。

6.1.1 确定最小排量

Qa ................................................... 错误！未定义书签。

6.1.2 计算不同井深循环压耗系数 ................................ 错误！未定义书签。 6.1.3 临界井深的确定 .................................................... 错误！未定义书签。 6.1.4 喷嘴直径的确定 .................................................................................... 28 6.1.5 最优排量的计算 .................................................................................... 29 6.2 泵的各种参数计算 .......................................................................................... 29

6.2.1 一开时喷嘴直径的计算 ........................................................................ 29 6.2.2 二开时喷嘴直径的计算 ........................................ 错误！未定义书签。

第7章 注水泥设计 .................................................................... 错误！未定义书签。

7.1 水泥浆的用量 .................................................................. 错误！未定义书签。

7.1.1 所需水泥浆体积的计算公式 ................................ 错误！未定义书签。

7.1.2 所需干水泥质量的计算公式…………..………………….................. 35

7.1.3 所需水的体积的计算公式 .................................... 错误！未定义书签。

7.1.4 顶替排量的计算公式 ............................................ 错误！未定义书签。 7.1.5 防凝时间的计算公式 ............................................ 错误！未定义书签。 7.2 所需干泥灰、清水的用量 ............................................. 错误！未定义书签。

7.2.1 水泥浆体积的计算 ................................................ 错误！未定义书签。 7.2.2干水泥质量的计算 ................................................. 错误！未定义书签。 7.2.3所需清水的体积的计算 ......................................... 错误！未定义书签。 7.3顶替时间的计算 .............................................................. 错误！未定义书签。

7.3.1顶替排量 ................................................................. 错误！未定义书签。 7.3.2顶替容积 ................................................................................................. 38 7.3.3 顶替时间………………………………………………………………. 38 7.3.4 注水时间 ................................................................................................ 38 7.3.5 防凝时间 ................................................................................................ 39

7.4设计结果 .......................................................................................................... 39 第8章 设计结果 .......................................................................................................... 40 参考文献 ........................................................................................................................ 40

第1章 设计资料的收集

1.1 预设计井基本参数

井 号 SJ0064 井别 预探井 坐标 21603564,5023672

设计井深 1700 井口海拔 128 目的层位 P

松辽盆地中央坳陷区

完井层位

青23 段

地理位置

升南，宋芳屯

构造位置

三肇凹陷永乐向斜

1.设计依据 （1）1997年《勘探方案审定纪要》（2）本地区地震T1,T2构造图。2.钻井目的

设计依据

(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）查明该区的尤其情况。（3）查明该区的储层特性

1.2 邻井基本参数

（1）井身结构

（2）地层压力

永乐区块 0-250 0.85 1.45

永乐区块 250-450 0.86 1.46

永乐区块 450-650 0.9 1.485

永乐区块 650-850 0.91 1.5

永乐区块 850-1050 0.92 1.52

永乐区块 1050-1250 0.95 1.55

永乐区块 1250-1450 1 1.59

永乐区块 1450-1620 1.1 1.85

（3）钻具组合

（4）钻井液性能

两性

永乐区块

嫩3

复和

段-第四系

液

0-1050

离子钻井

1.05-1.15

30-40

8.5-9

.5-2

8-18

4-9

.6-.75

.1-.3

1-5

青永乐区

嫩2块

段 2-3段-1050-1620

两性复和离子钻井液

1.2-1.25

30-45

8.5-9

1-2.5

13-23

6-12

.6-.7

.2-.4

1-4

（5）水利参数

永乐区块

200

0-1100

15.66

13.77

1.89

6

149

463

14

1.88

87.95

永乐区块

200

1100-1620

10

6

2.56

4.05

92

194

6

1.88

69.31

（6）钻井参数

（7）套管柱设计参数

永乐

常规

区块

油层

0-10

139

J-55

7.72

10

.25

3.2

266.7

永乐

常规

区块

油层

10-1360

139

J-55

6.2

1350

28.12

2.25

1.25

永乐

常规

区块

油层

1360-1620

139

J-55

7.72

260

6.58

17.03

1.71

（8）注水泥设计参数

第2章 井身结构设计

井身结构是采油目的层以上井段须下入专用套管的层次、深度以及相应的井眼（钻头）尺寸。

井身结构组成包括导管、表层套管、技术套管、生产套管。

其中导管的作用，在钻井一开始建立泥浆循环，保护井口附近的表土地层，防止被经常流出的洗井液体冲垮，保证井口正常钻井。

表层套管作用，在钻井中用以巩固上部比较疏松易塌的不稳定岩层（松软地层及浅层气），还可用于安装防喷器等井口设备，以控制钻开高压层时可能发生的井喷现象。

技术套管作用，在钻井中用以封隔某些难以控制的复杂地层，以便以顺利的钻达预定的生产目的层。

生产套管作用，用以封隔油、气、水层，保证油井的顺利生产。保护井壁，隔断上覆地层和油层的通路，在套管内形成举升油气的良好通道。

井身结构设计的主要任务是确定套管的下入层次、下入深度、水泥浆返深、水泥环厚度生产套管尺寸及钻头尺寸；主要原则是有效保护储集层，避免生产井漏、井塌、卡钻等井下复杂情况和事故，为优质、安全、高速和经济钻井创造条件。

2.1 钻井液压力体系

2.1.1 最大泥浆密度

maxpmaxSb

（2-1）

x

式中 ma—某层套管钻进井段中所用最大泥浆密度，g/cm³；

pmax—该井段中所用最大地层孔隙压力梯度密度，g/cm³； Sb—抽吸压力允许值的当量密度，取0.036 g/cm³。 预计发生井涌情况时，

Dpmax

Sk

（2-2） D21

fpmaxSbSf

式中 f—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；

pmax—该井段中所用最大地层孔隙压力梯度密度，g/cm³； Sk—压井时井内压力增高值的等效密度，取0.06 g/cm³； Sf—地层压裂安全增值，取0.03 g/cm³； D21—表层套管下入深度初选点。

2.1.2 校核各层套管下到初选点深度时是否会发生压差卡套

p0.009(81mpmi)nDpmi n （2-3）

mpmaxSb 式中 p —某段井段内实际的井内最大压差，MPa；

m—在深度为Dpmin允许差值p时采用的钻井液密度，g/cm³； pmax、pmin分别为井段内最大与最小地层压力当量密度，g/cm³；

n

Dpmi—最大与最小地层压力点所对应的井深，m；

pN—压差允值，取pN=16Mpa。

2.2 井身结构的设计

2.2.1 套管层次与深度的确定

根据邻井参数绘制的压力与井身变化示意图，如下图所示。

（1）表层套管下入深度D21初选点的确定

已知pmax=1.1g/cm³，Sb=0.036g/cm³，Sf=0.03，Dpmax=1700m，Sk=0.06g/cm³，确定表层套管下入深度D21。 解：

由公式（2-2）得

fpmaxSbSf

Dpmax

Sk

D21

1700

0.06

D21

f1.10.0360.03

试取D21350m，代入上式得f1.457g/cm3 而f250450

1.46g/cm3

所以

所以表层套管下入深度初选点D21350m

（2）校核表层套管下入到深度初选点D21过程中是否发生压差卡套

已知pmax0.86g/cm3,Sb0.036g/cm3,pmin0.85g/cm3,Dpmin250m,判断表层套管下入深度到初选点D21过程中是否发生压差卡套。 解：

由公式（2-3）得

p0.00981(pmaxSbpmin)Dpmin

0.00981(0.860.0360.85)250

0.113MPa

而pN16MPa,所以ppN 所以下入过程中不会发生压差卡套。 （3）校核油层套管

① 确定油层套管的下入深度D2初选点的确定

已知，在设计井深结构时需要留足5m的口袋，在此条件下确定油层套管的下入深度D2初选点。 解:

因为井深D1700m,下套管时需要留足5m的口袋，所以油层套管下入深度

D21695m

② 校核油层套管下入深度到初选点D2过程中是否发生压差卡套

已知pmax1.1g/cm3,Sb0.036g/cm3,pmin0.85g/cm3,Dpmin250m,判断油层套管下入深度到初选点D2过程中是否发生压差卡套。 解：

由公式（2-3）得

p0.00981(pmaxSbpmin)Dpmin

而pN16MPa,所以ppN

0.00981(1.10.0360.85)250 0.701MPa

所以下入过程中不会发生压差卡套。

结论统计

查《钻井手册（甲方）》，选择钻头与套管如下表所示

井身结构设计表

第3章 套管柱强度设计

套管柱强度设计的任务就是要事先设计出强度足够的套管柱以保证能经受入井后各种外载的作用，同时在保证套管不破坏的前提下，还应使所设计出的套管柱在成本上是最低的，这就是通常所说的套管柱设计的“既安全又经济”的原则。

。

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

pcdgDSD103 （3-1）

式中 d—该井段所用你讲的最大密度，g/cm³；D为某段钢级的下入深度，m。 （2）某段钢级套管的最大下入深度

Dn

D

dgSD103

（3-2）

式中 D—某段钢级套管的抗外挤强度，MPa；SD为最小抗外挤强度安全系数，取1.25。

（3）套管浮力系数

KB1

d

（3-3） s

式中 s—某段所用钢材的密度，取7.8g/cm³. （4）安全系数

抗拉安全系数：St1.8。

3.1.2 按抗外挤强度设计由下向上选择第一、二段套管的使用长度

根据现场实际施工情况，查《钻井手册（甲方）》选择第一段套管如下：

表3-1 第一段套管选择

查《钻井手册（甲方）》选择第二段套管如下：

表3-2 第二段套管选择

根据以上数据求出第一、二段套管的使用长度 解：

（1）对第一段油层套管进行抗外挤强度校核 由公式（3-1）得

pc1dgD1SD1.259.816951.2525.955MPa

由表（3-1）知：

c27.885MPa 所以Pc1c1

1

所以第一段套管满足抗挤要求

（2）确定第一、二段油层套管的使用长度 由表（3-2）得

MPa c21.512

2

由公式（3-2）得

D2

c

dgSD103



21.512

1404.865m

1.259.81.25103

取D2=1400m，则第一段油层套管使用长度

L1D1D216951400295m

取每根套管长度为9.1m

则第一段油层套管使用根数：

295

N132.4根 取N1=33根

9.1

则第一段油层套管实际下入井中的长度为L1'339.1300.3m 则第二段油层套管使用长度为L21695300.31394.7m 则第二段油层套管使用根数：

L21394.7153.3根 取N2=153根 N29.19.1

则第二段油层套管实际下入井中的长度为L2'1539.11392.3m （3）对第二段油层套管进行抗外挤强度校核 由公式（3-1）得

.31.2521.32MPa pc2dgD1SD1.259.81392

由表（3-1）知：

MPa 所以pc2c2 c21.512

2

所以第二段套管满足抗挤要求。

3.1.3 油层套管的抗拉强度校核

（1）第一段油层套管抗拉强度校核 解：

由公式（3-3）得

KB1

d1.25

10.84 s7.8

由表（3-1）知 第一段油层套管均重为

2N/m qc122.6

则第一段油层套管在钻井液中的重量：

WB1StKBqc1L1St

0.84226.2300.31.8103 102.708KN

由表(3-1)得t987.5KN

1

所以WBStt

1

1

所以第一段油层套管满足抗拉要求 （2）第二段油层套管抗拉强度校核 解：

由公式（3-3）得

KB1

d1.2510.84s7.8

由表（3-1）知 第二段油层套管均重为

qc2204.3N/m

则第一段油层套管在钻井液中的重量：

WBSt(WB1WB2)St

(226.2300.3204.21392.3)0.841.8103533.538KN

由表(3-1)得t840.7KN

2

所以WBStt

1

1

所以第二段油层套管满足抗拉要求。

3.2 表层套管柱设计

根据现场实际施工情况，查《钻井手册（甲方）》选择表层套管如下：

表3-3 表层套管选择

判断表层套管的强度是否满足要求。 解：

① 对表层套管进行抗外挤强度校核 则表层套管使用根数：

L235038.46根 取N=38根 9.19.1

则第二段油层套管实际下入井中的长度为L'389.1345.8m

N

由公式（3-1）得

pdgDSD1.259.8345.81.255.295MPa

由表（3-1）知：

c5.102MPa 所以pcc 所以表层套管满足抗挤要求

② 表层套管抗拉强度校核 解：

由公式（3-3）得

KB1

d1.2510.84 s7.8

由表（3-1）知 第一段油层套管均重为

qc700.5N/m

则表层套管在钻井液中的重量：

WBStKBqcLSt

由表(3-1)得

0.84700.5345.81.8103 366.256KN

t1432.3KN

所以

WBStt1

所以表层套管满足抗拉要求。

3.3 结论设计

套管柱设计参数表：

第4章 钻柱设计

合理的钻柱设计是确保优质、快速、安全钻井的重要条件。尤其是对深井钻井，钻柱在井下的工作条件十分复杂与恶劣，钻柱设计就显得更加重要。 钻柱设计包括钻柱尺寸选择和强度设计两方面内容。在设计中，一般遵循以下两个原则：

第一， 满足强度（抗拉强度、抗击强度等）要求，保证钻柱安全工作； 第二， 尽量减轻整个钻柱的重力，以便在现有的抗负荷能力下钻更深的井。

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与所需钻铤重

量。

4.1.1 所需钻铤长度的计算公式

Lc

式中 W—设计最大钻压，KN； SN—安全系数，此取SN1.2； KB—钻井液浮力系数； Lc—所需钻铤的长度，m；

qc—每次开钻所需钻铤单位长度重量，N/m；

Nc—每次开钻所需钻铤的根数，没跟钻铤的长度9.1m。

WSN

（4-1） qcKB

4.1.2 计算钻柱所受拉力的公式

p[(Lq)(Lcqc)]KB （4-2）

式中 p—悬挂在钻井液中钻柱任意截面上所受拉力，KN； Lc—钻铤的长度，m； qc—钻铤单位长度重量，N/m； L—钻杆长度，m；

q—钻杆单位长度重量，N/m。

式中

p外挤dgL （4-3）

p外挤—钻杆所受外挤压力，MPa；

d—最大钻井液密度，g/cm3。

4.2 钻铤、钻杆长度的计算

4.2.1 一次钻开钻具组合

（1）钻铤长度的确定

查《钻井手册（甲方）》选择钻铤，选用钻铤：NC56-80外径为203.2mm，内

径为71.40mm，长度为9.1mm，qc2.19KN/m，W140KN，最大需要抗挤强度

c45.49MPa。求钻铤的使用长度。 解： 浮力系数

KB1

所需钻铤重量为

m

则钻铤长度为

Lc

m197.6590.25m qc2.19WSN1401.2197.65KN KB0.85

d1.15

10.85 s7.8

则钻铤根数为

Nc

取Nc10根

则实际钻铤使用长度为109.191m 由公式（4-3）得

pdgL1.159.8911031.03MPa 而D45.49MPa 所以pD 所以钻铤满足抗挤强度要求 （2）钻杆长度计算

查《钻井手册（甲方）》选择钻杆，选用外径为139.7mm，内径为124.3mm，钢级为D级，按最小屈服强度计算最小抗拉力Fy1426.36KN；最小抗挤压力为773.33KN；q319.71N/m的钻杆，MOP为拉力余量，一般取200~500KN，抗拉安全系数St1.3。求钻杆的使用长度。 解： 由书查得

Lc90.259.93根 9.19.1

y

1.66，取MOP=300 t

则最大安全静拉力为

① 安全系数法

Fa0.9

Fy1426.360.9987.48KN St1.3

② 设计系数法

Fa0.9③ 拉力余量法

Fa0.9FyMOP0.91426.36300983.724KN

由Fa最小原则知，取 Fa773.33KN 由公式（4-2）转化得

Fy

y

0.9

t

1426.36

773.33KN 1.66

L

Fa(qcLc)KBKBq

KB

773.33(219010391)0.850.850.31971



0.85

614.06m

由钻铤长度知，钻杆长度为 L35591264m

264

钻杆根数 N29.01根

9.1

取N29根

则钻杆实际长度为L'299.1263.9m （3）校核钻杆强度 解：

由公式（4-3）得

pdgL1.159.8263.91032.97MPa

而D45.59MPa 所以pD 所以钻杆满足抗挤强度要求

4.2.2 二次开钻钻具组合

（1）355-1100m ① 钻铤长度的确定

查《钻井手册（甲方）》选择钻铤，选用钻铤：NC50-70外径为187mm，内径为71.40mm，长度为9.1mm，qc1.606KN/m，W140KN，最大需要抗挤强度

c50.96MPa。求钻铤的使用长度。 解：

浮力系数

KB1

d1.1510.85s7.8

所需钻铤重量为

则钻铤长度为

m

WSN1401.2

197.65KNKB0.85

Lc

m197.65

123.07m qc1.606

则钻铤根数为

Nc

取Nc14根

则实际钻铤使用长度为149.1127.4m 由公式（4-3）得

pdgL1.159.8127.41031.44MPa

而D50.96MPa 所以

Lc123.07

13.524根 9.19.1

pD

所以钻铤满足抗挤强度要求

② 钻杆长度计算

查《钻井手册（甲方）》选择钻杆，选用外径为127mm，内径为108.6mm，钢级为D级，按最小屈服强度计算最小抗拉力Fy1290.86KN；最小抗挤压力为893.67KN；q284.78N/m的钻杆，求钻杆的使用长度。 解： 由书查得

y

1.59，取MOP=300 t

则最大安全静拉力为 安全系数法

Fa0.9设计系数法

拉力余量法

Fy1290.860.9893.67KN St1.3

Fa0.9

Fy

y

0.9

t

1290.86

730.68KN 1.59

Fa0.9FyMOP0.91290.86300861.774KN

由Fa最小原则知，取 Fa730.68KN 由公式（4-2）转化得

Fa(qcLc)KBKBq

KB

730.68(1.606127.4)0.850.850.28478



0.85

730.33m

由钻铤长度知，钻杆长度为 L1100127.4972.6m

972.6

钻杆根数 N106.88根

9.1

取N106根

L

则钻杆实际长度为L1'1069.1964.6m

③ 校核钻杆强度 解：

由公式（4-3）得

pdgL1.159.8964.610311.82MPa

而D50.96MPa 所以pD 所以钻杆满足抗挤强度要求 （2）1100-1700m ① 钻铤长度的确定

查《钻井手册（甲方）》选择钻铤，选用钻铤：NC50-70外径为178mm，内径为71.40mm，长度为9.1mm，qc1.606KN/m，W140KN，最大需要抗挤强度

c50.96MPa。求钻铤的使用长度。 解： 浮力系数

KB1

d1.15

10.85s7.8

所需钻铤重量为 则钻铤长度为 Lc

m

WSN1401.2197.65KNKB0.85

m197.65

123.07m qc1.606

则钻铤根数为 Nc取Nc14根

Lc123.0713.524根 9.19.1

则实际钻铤使用长度为149.1127.4m 由公式（4-3）得

3

pdgL1.159.8127.4101.44MPa

而D50.96MPa 所以pD 所以钻铤满足抗挤强度要求

② 钻杆长度计算

查《钻井手册（甲方）》选择钻杆，选用外径为127mm，内径为108.6mm，钢级为D级，按最小屈服强度计算最小抗拉力Fy1290.86KN；最小抗挤压力为893.67KN；q284.78N/m的钻杆，求钻杆的使用长度。 解： 由书查得

y

1.59，取MOP=300 t

则最大安全静拉力为 安全系数法

设计系数法

Fa0.9

拉力余量法

Fa0.9FyMOP0.91290.86300861.774KN

由Fa最小原则知，取 Fa730.68KN 由公式（4-2）转化得

Fy

Fy1290.860.9893.67KN St1.3

Fa0.9

y

0.9

t

1290.86

730.68KN 1.59

Fa(qcLc)KBKBq

KB

730.68(1.606127.4)0.850.850.28478



0.85

730.33m

由钻铤长度知，钻杆长度为 L1700127.41572.6m

1572.6

钻杆根数 N172.81根

9.1

L

取N172根

则钻杆实际长度为L2'1729.11565.2m

③ 校核钻杆强度 解：

由公式（4-3）得

pdgL1.159.81565 .210319.17MPa

而D50.96MPa 所以pD 所以钻杆满足抗挤强度要求

4.3 设计结果

钻具组合设计表：

第5章 钻井液设计

钻井液是钻探过程中，孔内使用的循环冲洗介质, 钻井液的主要作用是把岩屑从井底携带至地面，钻井液是钻井的“血液”，在钻井作业中起着非常重要的作用。因此对钻井液要求很高。

5.1 钻井液的选择

5.1.1 井筒内钻井液体积



V井筒DiLi （5-1）

i14

n

2

式中 V井筒—井筒内钻井液的体积，m3 ； Di—第i段井径，m； Li—第i段井眼长度，m。

5.1.2 地面循环量

由于井深为1700m，选择30钻机则地面循环量为V循环120m3。

5.1.3 损耗量

损耗量为

V损耗(V井筒V循环)20% （5-2）

5.1.4 需要加入粘土、清水的量

V

原浆

V水

m土

土

（5-3）

（5-4）

m土V水



5%1

式中：土为所加粘土的密度，2000Kg/m3；V原浆为所配钻井液最大体积，m3；m土为所加粘土质量，t；V水为配置钻井液所需要的水的体积，m3。查取资料知：

土Kg/m3，重晶石Kg/m3。

5.2 钻井液密度转换

5.2.1 一次开钻需要加入重晶石量

m重V原浆d1m土m水 （5-5）

式中

m重—加入重晶石的量，t；

d

1

—一次开钻钻井液的密度，g/cm3。

5.2.2 二次开钻需要加入重晶石量

m重V原浆(d2d1) （5-6）

式中

m重—加入重晶石的量，t；

d2—二次开钻钻井液的密度，g/cm3。

参考临井资料，一开时钻井液密度为1.15g/cm3，二开时钻井液密度为1.25g/cm3。

5.3 钻井液设计

5.3.1 井筒内钻井液体积

（1）求出一次开钻井筒内的钻井液体积。 解：

由公式（5-1）可知

44

（2）求出二次开钻井筒内的钻井液体积。

V井筒



D2L



0.4445235555.06m3

解：

由公式（5-1）可知

V井筒Di2Li55.060.22(1700355)97.29m3

4i14

2



5.3.2 钻井过程中所需的钻井液体积

求出钻井过程中所需的钻井液体积。 解：

由公式（5-2）知

V损(V井筒V循环)20%(97.29120)20%43.46m3

则所需钻井液原浆体积为

V原浆V井筒V循环V损97.2912043.46260.75m3 实取 V原浆261m3

5.3.3 需要加入的水量和土量

求出要配置261m3的钻井液需要加入的水量和土量。 解：

由公式（5-3）知

V原浆V水

m土



土

261V水

m土

200 0

由公式（5-4）知

m土0.05V水 将（2）带入（1）解得：

m土13.05t 则 V水261m3

5.3.4 钻井液密度转换

（1）一次开钻时所需重晶石的量 解：

由公式（5-5）知

m土V原浆d1m土m水

2611.1513.05261 26.1t

（2）二次开钻时所需重晶石的量 解：

由公式（5-6）知

m土V原浆(d2d1)

261(1.251.15)

26.1t

1）2） （

（

5.4 结论统计

钻井液参数表：

钻井液密度

项目

(g/cm3)

重晶石用量(t)

钻井液体积(m3)

土量(t)

水量(m3)

一开 1.15 26.1

261

13.05

261

二开 1.25 16.1

第6章 钻井水力参数的设计

钻井水力参数的设计对于提高钻速有着非常重要的意义，水力参数设计的目的是有效、合理地利用水力能量，提高清岩，破岩能力和携屑效率。 水力参数设计要根据地质及钻井实际条件对每次开钻分井段分钻头逐个进行计算、分析、调 整，以拟定一个实现最优水力参数的综合性方案。

6.1 泵的选择

6.1.1 确定最小排量Qa

va

40

式中 va—最低环空返速，m/s； d—钻井液密度，g/cm3；

18.24

ddh （6-1）

Qa



(dh2dp2)va （6-2）

dh、dp分别为井径和钻柱外径，cm；

Qa—携岩屑的最小排量，L/s。

6.1.2 计算不同井深循环压耗系数

单位长度钻杆内外压耗系数： mdpv[

0.8

0.2

0.516550.57503

] （6-3） 4.831.8(ddp)(dd)dpihhp

单位长度钻铤内外压耗系数： Kcdpv[

0.8

0.2

0.516550.57503] （6-4） 4.831.8(dhdc)(dhdc)dci

单位长度循环系统压耗系数：

aKgKcmLc

（6-5）

式中 Kg1.07103，为地面管汇内外压耗系数；pv—钻井液塑性粘度，L—钻杆长度，m；Lc—钻铤长度，m；dpi—钻杆外径，cm；dci、dc—钻铤内径、外径，cm。

6.1.3 临界井深的确定

（1）按最大钻头水功率方式计算临界井深

第一临界井深为Dpc

pra （6-6） 1.8

m2.8mQr

pra （6-7） 1.8

m2.8mQa

第二临界井深为Dpa

式中：pr为额定泵压，MPa；Qr为额定排量，L/s。

（2）按最大射流冲击力方式计算临界井深

第一临界井深为DFc

pra （6-8） 1.8

m1.8mQr

pra （6-9） 1.8

m1.9mQa

第二临界井深为DFa

6.1.4 喷嘴直径的确定

（1）按最大钻头水功率方式计算的喷嘴当量直径

0.081dQr2

当DDpc时，de2 （C0.96） （6-10）

C[pr(amD)Qr1.8]当DpcDDpa时，de0.126dQopt

prC

2

2

（6-11）

0.081dQa

当DDpa时，de2 1.8

C[pr(amD)Qa]

2

（6-12）

（2）按最大射流冲击力方式计算的喷嘴当量直径

0.081dQr2

当DDFc时，de42 1.8

C[pr(amD)Qr]

（6-13）

当DFcDDFa时，de0.171dQopt

prC

2

2

（6-14）

0.081dQa

当DDFa时，de2 1.8

C[pr(amD)Qa]

2

（6-15）

6.1.5 最优排量的计算

Qopt

pr

[]1.8 2.8(amD)

1

（6-16）

6.2 泵的各种参数计算

6.2.1 一开时喷嘴直径的计算

根据邻井参数可知选择缸套直径为170mm的型号为SL3NB-1000A的钻井泵两台，其额定排量为Qr27.68255.36L/s，最大工作压力为16MPa。 由钻柱设计和邻井参数可知：

pv0.015Pas,d1.15g/cm3,dp13.97cm,dpi12.43cm,Lc91m,dci7.14cm,

dc20.32cm,dh44.45cm。计算喷嘴的直径。

解：

由公式（6-1）知

va

由公式（6-2）知

Qa

18.2418.24

0.375m/s ddh11500.4445



40

(dh2dp2)va

(0.44520.13972)0.357





40

0.0499m3/s49.9L/s

已知 Qr27.68255.36L/s，所以QaQr 所以泵排量满足要求。 由公式（6-3）知

md0.8pv0.2[

0.516550.57503

]4.831.8(dd)(dd)dpihphp

0.516550.57503

] 4.831.8

0.1243(0.44450.1397)(0.44450.1397)

11500.80.0150.2[1.398106

由公式（6-3）知

Kcd0.8pv0.2[

0.516550.57503]4.831.8(dhdc)(dhdc)dpi

0.516550.57503

] 4.831.8

0.1243(0.44450.2032)(0.44450.2032)

11500.80.0150.2[1.812103

由公式（6-4）知

aKgKcmLc

1.071031.8121031.39810691 2.705103

按最大射流冲击力算临界井深 由公式（6-8）知

DFc

pra



1.9mQr1.8m

162.705103

 1.91.39810655.361.81.3981062451.62m355m

所以由公式（6-13）知

0.081dQr2

de2

1.8

C[pr(amD)Qr]

0.081115055.362

2361.8

0.96[16(2.705101.39810355)55.36]2.27cm

2.272

13.1mm 所以d

3

6.2.2 二开时喷嘴直径的计算

（1）355-1100m

根据邻井参数可知选择缸套直径为170mm的型号为SL3NB-1000A的钻井泵两台，其额定排量为Qr36L/s，泵压为16MPa。 由钻柱设计和邻井参数可知：

pv0.015Pas,d1.15g/cm3,dp12.7cm,dpi10.86cm,Lc127.4m,dci7.14cm,

dc17.8cm,dh20cm。计算喷嘴的直径。解：

由公式（6-1）知

va

由公式（6-2）知

Qa

18.2418.24

0.793m/s ddh11500.2



40

(dh2dp2)va

(0.220.1272)0.793





40

0.01486m3/s14.86L/s

已知 Qr36L/s，所以QaQr 所以泵排量满足要求 由公式（6-3）知

md0.8pv0.2[

0.516550.57503

]4.8

(dhdp)3(dhdp)1.8dpi

0.516550.57503

]

0.10864.8(0.20.127)3(0.20.127)1.8

11500.80.0150.2[4106

由公式（6-3）知

Kcd0.8pv0.2[

0.516550.57503

]4.8

(dhdc)3(dhdc)1.8dpi

0.516550.57503

]

0.10864.8(0.20.178)3(0.20.178)1.8

11500.80.0150.2[7.344103

由公式（6-4）知

aKgKcmLc

41037.3441034106127.4 7.9103

按最大钻头水功率算临界井深 由公式（6-6）知

DPc

pra



2.8mQr1.8m

167.9103

 61.82.8410364106282.13m1100m

由公式（6-7）知

Dpa

pra



2.8mQa1.8m

167.9103

 2.8410614.861.841069123.5971100m

因为DpcDDpa由公式（6-16）知

pr

Qopt[]1.8

2.8(amD)

16

[]1.8 36

2.8(7.9104101100)30.32L/s

所以由公式（6-11）知

0.126dQopt2

deprC2

1

1

2

0.126115030.32

160.962

17.3mm

de2.32

所以d10mm

n3（2）1100-1700m

根据邻井参数可知选择缸套直径为180mm的型号为SL3NB-1000A的钻井泵两台，其额定排量为Qr37.24L/s，泵压为14.5MPa。 由钻柱设计和邻井参数可知：

pv0.02Pas,d1.25g/cm3,dp12.7cm,dpi10.86cm,Lc36.4m,dci7.14cm,

dc17.8cm,dh20cm。计算喷嘴的直径。解：

由公式（6-1）知

va

由公式（6-2）知

18.2418.24

0.729m6/s ddh12500.2

Qa



40

(dh2dp2)va

(0.220.1272)0.7296





40

13.672L/s

已知 Qr37.24L/s，所以QaQr 所以泵排量满足要求 由公式（6-3）知

md0.8pv0.2[

0.516550.57503

]4.831.8(dhdp)(dhdp)dpi

0.516550.57503

] 4.831.8

0.1086(0.20.127)(0.20.127)

12500.80.020.2[4.53106

由公式（6-3）知

Kcd0.8pv0.2[

0.516550.57503]4.831.8(dhdc)(dhdc)dpi

0.516550.57503

] 4.831.8

0.1086(0.20.178)(0.20.178)

12500.80.020.2[2.736103

由公式（6-4）知

aKgKcmLc

41032.7361034.5310636.4 3.28103

按最大钻头水功率算临界井深 由公式（6-6）知

DPc

pra

2.8mQr1.8m

14.53.28103

 61.862.84.531037.244.5310975.333m1700m

由公式（6-7）知

Dpa

pra



2.8mQa1.8m

14.53.28103

 61.862.84.531013.6724.53109594.3781700m

由公式（6-16）知

pr

Qopt[]1.8

2.8(amD)

14.5

[]1.8 36

2.8(3.28104.53101700)30.57L/s

因为DpcDDpa 所以由公式（6-11）知

1

1

0.126dQopt2

deprC2

2

0.126125030.57

14.50.962

18.2mm

de2.22

所以d10.5mm

n3

第 7 章 注水泥设计

注水泥为固井工程,油(气)井固井作业之一。在套管下人油井之后,必须要用水泥车将水泥浆自套管泵入井内,使其从套管鞋返回到套管与井壁之间的环状空间,并达到一定高度。这种作业即为“注水泥”。注水泥的目的是保证套管与井壁之间的固定,隔绝油、气层和水层,或者隔绝易坍及易漏地层。需要开采时,则通过在预定层位射孔将套管和水泥穿透,打开油气层,诱导出油气流。

7.1 水泥浆的用量

7.1.1 所需水泥浆体积的计算公式

VT1K1



D

4

2Hi2

DSiL





4

di2h1



4

2

DHih2 (7-1)

式中 h1—水泥塞高度，取20m；h2为井眼口袋高度，取5m；L—设计封填水泥长度，m；DHi—第I次开钻钻头尺寸，m；DSi—自外向里第i层套管的外径，m； di—第i层套管的内径，m；K1—水泥附和系数，取1.1。

7.1.2 所需干水泥的质量的计算公式

（1）配置1m3的水泥浆所需水泥灰的质量为

q

cwwmc

(7-2)

式中 c—水泥灰的密度，3.15g/cm3;；w—水的密度，g/cm3；m—水灰比0.44。 （2）所需干水泥的质量为

m灰KVq (7-3)

2Ti

式中：K2为地面损失系数，取1.1。

7.1.3 所需水的体积的计算公式

(7-4)

7.1.4 顶替排量的计算公式

Qc



D4

2

Hi

D2Siv (7-5)



式中 Qc—顶替排量，m3/s ；v—水泥浆上返速度，取2.25m/s。

7.1.5 防凝时间的计算公式

t1.5t注入t顶替 (7-6)

7.2 所需干泥灰、清水的用量

7.2.1 水泥浆体积的计算

（1）封固表层套管水泥浆体积的计算

由套管设计可知DH10.4445m，DS10.3397m，L350m,d10.323m。计算出封固表层套管需要的水泥浆体积。 解：

由公式（7-1）得

VTiK11.1



D4



2

Hi

DSiL

2





4

DHih2

2



426.897m3

0.444520.33972350





4

0.444525

（2）封固油层套管水泥浆体积的计算

由套管设计可知DH20.2m,DS20.1397m,L1697m,d20.1257m。计算出封固油层套管需要的水泥浆体积。 解：

由公式（7-1）得

VT2K1

1.1



D

4

2

Hi

DSiL

2





4

DHih2

2



449.55m3

0.220.1397213450.32320.13972350





4

0.1257220



4

0.225

7.2.2 干水泥质量的计算

（1）计算出配制1m3的水泥浆所需干水泥的质量。 解： 由公式(7-3)得

3.151

1.32t

10.443.15

（2）计算出封固表层套管需要干水泥的质量。

q

解： 由公式(7-3)得

m表灰kt1q1.126.8971.3239.05t

（3）计算出封固油层套管所需要干水泥的质量 解： 由公式(7-3)得

m油灰kvt2q1.149.551.3271.95t

7.2.3 所需清水的体积的计算

（1）计算出封固表层套管所需清水的体积。

解： 由公式(7-4)得

0.4439.05

17.82m3 1

因此封固表面套管和油管时，各取清水20m3。

vw1

（2）计算出封固油层套管所需清水的体积。 解： 由公式(7-4)得

vw2

0.4471.95

19.413 1

7.3 顶替时间的计算

7.3.1 顶替排量

（1）井径444.5mm,套管外径339.7mm,反速2,25m/s.计算封固表层套管时的顶替排量。 解：

由公式（7-5）得

QC



D4

2Hi2DSiv





4

0.44520.339722.250.145m3/s



7.3.2 顶替容积

已知油层套管：0-1394.7m，内径127.3mm;1394.7-1695m,内径125.7mm;表层套管：内径323mm.计算油层套管和表层套管的顶替容积。 解:

（1）封固油套时的顶替容积为

2

VD

4

0.12731394.7

4

0.12572300.32021.22m3

（2）固封表套

VD



4

0.32323452026.62m3

7.3.3 顶替时间

计算油层套管和表层套管的顶替时间 解：

（1）封固油层套管时的顶替时

VD221.22t29.77min QC20.3627

（2）封固表层套管时的顶替时

26.62VD1t13.06min C10.145

7.3.4 注水时间

已知钻井液注水速度为1.8m/s。求表层套管进和油层套管的注入排量和注入时间。

解：

（1）封固表层套管

①注入排量

Q1Vd1A

②注入时间 40.339721.80.116m3/s

26.897VT1t13.86min Q10.116

（2）固井面积

①注水排量

Q2AVd2

②注水时间 40.139221.80.798m3/s

t2

7.3.5 防凝时间 VT149.5528.53min Q10.798

计算出封固表层套管和油层套管时，水泥浆的防凝时间。

解：

①封固表套

由公式（7-6）得

t1.5t注水t顶替1.53.863.0610.38min

②封固油套

t1.5t注水t顶替1.59.7728.5357.45min

7.4 设计结果

注水泥设计参数：

第8章 设计结果

8-1

井身结构设计表

8-2套管柱设计参数表

8-3钻具组合设计表

8-4钻井液参数表

8-5注水泥设计参数

参考文献

[1]蒋希文钻井手册（甲方）上册[M]。北京：石油工业出版社，2001:319-330.。

[2]屈东升，石油工程[M]。石油工业出版社出版，2001,24(4)。

[3]甘秀娥，石油工程设计[M]。江汉石油学院，石油工业出版社出版，2002,26(6)。

[4]刘希圣，石油工程设计[M]。大庆：大庆石油学院，1999:123-127。

[5]赵国珍，龚伟安，钻井力学基础[M]。北京：石油工业出版社，1988。

[6]张方杭，钻具手册[M]。北京：石油工业出版社出版，1992:117～128。