钻井工程(含课程设计)1
钻井完井工程设计
姓名:
班级:1303 学号:
中国石油大学(北京)远程教育学院
2012年 12 月
目 录
1.地质概况 ---------------------------------------------------------------- 3 2.技术指标及质量要求 ----------------------------------------------------- 18 3.工程设计 ----------------------------------------------- 错误!未定义书签。 4.健康、安全与环境管理 ----------------------------------- 错误!未定义书签。
第一章 地质概况
一、地质概况
二、 井身结构设计
确定完钻探目的层为石炭系-泥盆系灰岩地层,井方法为先期裸眼完井。油气套管下入石炭系-泥盆系层3-5m。根据地质情况,钻达目的层过程中不受盐岩,高压水层等复杂地层影响,故井身结构设计按地层压力和破裂压力剖面(图A-1)进行。
图A-1 地层压力和破裂压力
设计系数见表A-2。
第二章 井身结构设计
2.1 钻井液的压力体系 2.1.1 最大钻井液密度
maxpmaxSb (2-1)
式中 max—— 某层套管钻进井段中所用最大泥浆密度,g/cm3;
pmax—— 该井段中所用地层孔隙压力梯度等效密度,g/cm3;
Sb—— 抽吸压力允许值的当量密度,取0.036 g/cm3。 发生井涌情况
fnk=pmax+Sb+Sf+
HpmaxSk
Hni
(2-2)
fnk—— 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;
Hni—— 第n层套管下入深度初选点,m;
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。
2.1.2 校核各层套管下到初选点时是否会发生压差卡套
Pr29.81Hmm(pmaxSbpmin)103 (2-3)
prn—— 第n层套管钻进井段内实际的井内最大静止压差,MPa;
pmin—— 该井段内最小地层孔隙压力梯度等效密度,g/cm3;
P—— 避免发生压差卡套的许用压差,取12 MPa;
Hmm—— 该井段内最小地层孔隙压力梯度的最大深度,m 。
2.2井身结构的设计
2.2.1套管层次的确定
1.确定油层套管下入深度H1
因为井深H=3511m,所以油层套管下入深度H1=3511m 。 2.确定第技术套管下入深度H2 (1) 初选点H2i
试取 H2i=310 m 参考临井基本参数, 由公式2-2
f310=1.60g/cm3,pmax=1.12 g/cm3
f2k=1.12+0.036+0.03+f2k=1.561(g/cm3)
20000.060
310
因为f2k
在此井段 , pmax=1.12 g/cm3,由公式 2-3
Pr2=9.81163×(1.12+0.036-0.85)103
pmin
=0.85g/cm3 , Hmm=163 m 。
Pr2=0.17126(MPa)
因为Pr2
3.确定第表层套管下入深度H3 (1) 试取H3i=80 m
参考临井基本参数,pmax=0.85 g/cm3,f80=1.50g/cm3。
参考邻井资料的钻井液性能指标的数据:在0-163m的井段上钻井液的密度范围为1.1-1.2g/cm3,在这里我们试取钻井液密度为1.15g/cm3
由公式 2-2和2-1
f3k=1.15+0.03+
310160
80
f3k=1.4125(g/cm3)
因为
f3k
(2) 校核H3i=80m
在此井段 ,pmax =0.85 g/cm3,pmin=0.85 g/cm3,Hmm=80 m 。 由公式 2-3
Pr3=9.8180(1.2-0.85)103 Pr3=0.27468(MPa)
因为Pr3
第三章 固井工程设计
3.1 套管柱强度设计
3.1.1计算的相关公式
1.某井段的最大外挤压力
pc=dgD103 (3-1)
d—— 该井段所用泥浆的最大密度,g/cm3 ;
D—— 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
dgSD10
3
(3-2)
D——某段钢级套管抗外挤强度,MPa ;
SD——最小抗外挤安全系数,取1.125 ; 3.套管浮力系数
KB1
pd
(3-3) ps
s—— 某段所用钢材的密度,取7.8 g/cm3;
4.安全系数
抗内压安全系数Si取1.12,抗拉安全系数St取1.8 。
3.1.2 按抗外挤强度设计由下向上选择第一段套管
由公式3-1
D=pc1SD=1.1569.8135111031.125 D=48.7746MPa
查《钻井手册(甲方)》,选择第一段套管
表3-1 第一段套管钢级选择
3.1.3 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《钻井手册(甲方)》,选择第二段套管
表3-2 第二段套管钢级选择
由公式3-2 D2
21.512
1686.17m
1.1560.009811.125
D2=1618.17(m) 实际取D2=1618(m)
第一段套管使用长度 L1= D1-D2=3511-1618
L1=1903 (m)
圆整进到390 m 2.双轴应力校核
zLqKB
39023.079.81103
1.156
7.85
=12.998KN
查《钻井手册(甲方)》S=1103.2KN 故
z12.998
0.01178 s1103.2
gD2SD1.1560.0098116101.125=20.54KN
t
27.8550.964526.866 S
t
S
故pgD2SD
满足双轴应力校核 3.抗拉强度校核
ZSt12.9981.823.39
满足抗拉强度要求。
3.1.4 确定第二段使用长度和第三段可下入深度
表3-3 第三段套管钢级选择
D3
18.046
1414m
1.1560.009811.125
实际取D3=1414(m)
第二段使用长度 L2= D2- D3=1618-1414=204(m) 取第二段套管的长度200m; 2.双轴应力校核
zLqKB+12.998
2000.20430.8512.998
47.729KN
查《钻井手册(甲方)》S=987.5KN 故
Z47.729
0.0483 S987.5
gD3SD1.1560.00981141416.04
t
21.5120.961220.67 S
t
S
故pgD2SD
满足双轴应力校核 3.抗拉强度校核
ZSt47.7291.885.912840.7
满足抗拉强度要求。
3.1.5 确定第三段使用长度和第四段可下入深度
表3-4第三段套管钢级选择
按计算D4
13.0367
1021m
1.1560.009811.125
L3=D4-D3=393m 在这里我们取L3=400m 1.抗拉强度校核 由公式
zLqKB+47.729
4000.20430.8547.729
118.52KN
2.抗拉强度校核
ZSt118.521.8213.39578.3
满足抗拉强度要求。
所以第四段套管的长度为:L4=LL1l2L32000-390-200-400=1010 3 校核第四段套管
第四段套管主要所受最大的拉应力 抗拉强度校核: zLqKB+118.52
=10100.20430.85+118.52 =293.91
si
pri29.p441gD29.4411.1560.009812000
1.2981.12 i满足井口内压校核 所以满足要求
3.2技术套管柱的设计
技术套管段的最大钻井液密度为1.15 g/cm3 pc1=1.1569.83101.125 pc1=3.95MPa
查《钻井手册(甲方)》,选择第一段套管 井深(m) 钢级
单位重量壁厚内径(mm) 抗拉强度 (kg/m)
(mm) (t)
120-310 H-40
47.62
7.72
228.6
115.2
选取的抗挤强度为9.446MPa,故满足抗挤强度校核。 1.抗拉强度校核
zLqKB
抗挤强度
(kg/cm2) 96.3
3100.4670.85
123.05KN
zst231.161.8416.1911.9
满足抗拉强度要求。 2.井口内压校核
si
pri15.65115.6514.451.12 pigD1.1560.00981310
满足井口内压校核,技术套管设计完毕。
3.3表层套管柱的设计查《钻井手册(甲方)》,选择第一段套管
表层套管段的最大钻井液密度为1.15 g/cm
pc1=1.159.81801.125 pc1=1.015MPa 选取的抗挤强度为5.102MPa,故满足抗挤强度校核。 1.抗拉强度校核
zLqKB
800.70010.85
47.61KN
ZSt47.611.885.69578.3满足抗拉强度要求。
2.井口内压校核
si
pri11.92811.92813.211.12 pigD1.150.0098180
4、注水泥浆及流变学设计
4.1水泥浆的用量
4.1.1所需水泥浆体积的计算公式
VT =Ki
222
(DHi -D2)L+dh +Dh2 (4-1) 1Si44i4Hi
式中 h1 ——水泥塞深度,13m ;
h2——井眼口袋高度,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 ; Ki——修正系数,1.1;
4.1.2水泥浆体积的计算
1.封固表层套管水泥浆体积的计算
DH1=444.5 mm ,DS1=339.7 mm ,L1=80m ,d1=322.9 mm,h1=13 m,h2=5 m 。 由公式7-1 VT1=1.1
4
(0.444520.33972)80+
4
(0.3229)213+
4
0.444525
VT1=7.514(m3)
2.封固技术套管水泥浆体积的计算
DH2=215.9mm ,DS2=139.7 mm ,d2=228.7 mm , L1=310 m , h1=13 m,h2=5 m 。 由公式7-1 VT2=1.1
(0.21592-0.13972)310+0.2287213+0.215925 444
VT2=11.3(m3)
3.封固油层套管水泥浆体积的计算
DH3=215.9 mm ,DS3=139.7 mm ,d3=124.3 mm ,L3=2000 m , h1=13 m,h2=5 m ; 由公式7-1 VT3=1.1
(0.22-0.13972)2000+0.1243213+0.225 444
VT3=32.6(m3) 。
4.2所需干水泥的用量
4.2.1所需干水泥的质量的计算公式
配制1m3的水泥浆所需水泥灰的质量
q=
cwwmc
(4-2)
c——水泥灰的密度,3.15 g/cm3;
w——水的密度,1.0 g/cm3 ;
m——水灰比,二开、三开选0.44,一开为0.46; 从而,
一开得q =1.286(t/m3) 二开、三开得q =1.32(t/m3)。
4.2.2干水泥质量的计算
1. 封固表层套管 WT1=K VT1q=1.057.5141.286=10.146(t) 2.封固技术套管
WT2=K VT2q=1.0511.31.32=15.662(t) 3.封固油层套管
WT2=K VT2q=1.0532.61.32=45.18(t)
4.2.3 所需清水的体积的计算
1.封固表层套管所需清水的量
由公式7-3 Vw=
mWT1
w
=
0.4610.146
=4.667(m3)
1.0
固井时储备清水的体积20m3。
2.封固技术套管所需清水的量 由公式7-3
VW2=
mWT2
w
=
0.4415.662
=6.87(m3)
1
固井时储备清水的体积20m3。 3.封固油层套管所需清水的量
由公式7-3 VW3=
mWT3
w
=
0.4445.18
=19.879(m3)
1.0
固井时储备清水的体积40m3。
4.3时间的计算 4.3.1顶替排量
1.油层:井径215.9mm,套管外径139.7mm,返速2.23m/s
QcVA
4
(0.215920.13972)2.231.5100071.15L/s
2 中间:井径215.9mm,套管外径139.7mm,返速2.23m/s
QcVA
4
(0.215920.13972)2.231.5100071.15L/s
3. 表层:井径444.5mm,套管外径339.7mm,返速2.23m/s
QcVA
4
(0.444520.33972)2.231.51000215.8L/s
4.3.2顶替容积
1.油层:内径124.3mm VD=2 中间:内径124.3mm
4
0.12432200024.26m3
VD=
4
0.124323103.76m3
3. 表层:内径320.4mm
VD=0.32042806.447m3
4
4.3.3顶替时间及防凝时间
1.油层:顶替时间t
VD
5.682min; QC
防凝时间tD1.5t8.523min 2.中间:顶替时间t
VD
0.88min; QC
防凝时间tD1.5t1.32mi 3.表层:顶替时间t
VD
0.498min; QC
防凝时间tD1.5t0.747min n
第四章 钻具组合和强度设计
4.1钻铤的设计
根据五兹和鲁宾斯基理论得出,允许最小钻铤的最小外径为:允许最小钻铤 外径=2倍套管接箍外径-钻头直径。
钻铤长度取决于选定的钻铤尺寸与所需钻铤重量。
4.1.1所需钻铤重量的计算公式
m=
WmSf
K b
m —— 所需钻铤的重量,kN ; Wm—— 所需钻压;
Sf—— 安全系数, 此取Sf=1.2 ; Kb—— 浮力系数 ;
Lc—— 所需钻铤的长度, m ; Ldp—— 所需钻杆的长度,m ;
qc—— 每次开钻所需钻铤单位长度重量; N —— 每次开钻所需钻铤的根数 ; 每根钻铤的长度 9.1 m 。
4.1.2计算钻柱所受拉力的公式
1.钻柱所受拉力P=[(Ldp qdp+ Lc qdp)] Kb P —— 钻柱所受拉力,kN ;
P外挤 =dg L P外挤—— 钻杆所受外挤压力,MPa 。
4-1) (4-2)(4-3)(
4.2钻铤长度的计算
4.2.1一次开钻钻具组合
1 .钻铤长度的确定
选钻铤外径203.2mm,内径71.4mm,qc=2190N/m。此时Kb=0.858,W=40KN Lc=
1.240SNW==25.54m 2.190.858qckb
从而实际用3根,实际长度39.1=27.3(m) 2.钻杆长度计算及安全校核
钻杆外径139.7mm,内径121.4mm,q=319.71N/m,钢级E级Fy=1945.06KN,St=1.3 (1)安全系数校核:
Fa1=0.9Fy/St=0.91945.06/1.3=1346.58KN (2) 卡瓦挤毁校核
Fa2=0.9Fy/(y/x)=0.91945.06/1.42=1232.78KN (3)动载校核:
Fa3=0.9Fy-MOP=0.91945.06-400=1350.5KN 较三种安全校核知卡瓦挤毁校核计算的最小
则钻杆 Lp=(Fa2- qcLc Kb)/(qKb)=4307.08m>80m 从而实际用钻杆:80-27.3=52.7m
校核抗挤度:P外挤=gh=1.110009.8(80-27.3) 0.568MPa
4.2.2 二次开钻钻具组合
1 .钻铤长度的确定
选钻铤外径203.2mm,内径71.4mm,qc=2190N/m。此时Kb=0.852,W=180KN
Lc=
1.2180SNW==115.7m qckb2.190.852
从而实际用13根,实际长度139.1=118.3(m) 2.钻杆长度计算及安全校核
钻杆外径139.7mm,内径118.6mm,q=360.59N/m,钢级E级Fy=1945.06KN,St=1.3 (1)安全系数校核:
Fa1=0.9Fy/St=0.91945.06/1.3=1346.58KN (2) 卡瓦挤毁校核
Fa2=0.9Fy/(y/x)=0.91945.06/1.42=1232.78KN (3)动载校核:
Fa3=0.9Fy-MOP=0.91945.06-400=1350.55KN 较三种安全校核知卡瓦挤毁校核计算的最小
则钻杆 Lp=(Fa2- qcLc Kb)/(qKb)=3294.2m>310m 从而实际用钻杆:310-118.3=191.7m
校核抗挤度:P外挤=gh=1.1510009.8(310-118.3) =2.1605MPa
4.2.3 三次开钻钻具组合
1 .钻铤长度的确定
选钻铤外径152.4mm。qc=1212N/m。此时Kb=0.839,W=180KN Lc=
SNW1.2180q==212.41m ckb1.2120.839
从而实际用24根,实际长度24 9.1=218.4(m) 2.钻杆长度计算及安全校核
钻杆外径127mm,内径112mm,q=237.73N/m,钢级E级Fy=1760.31KN, (1)安全系数校核:
Fa1=0.9Fy/St=0.91760.31/1.3=1218.676KN
St=1.3
(2) 卡瓦挤毁校核
Fa2=0.9Fy/(y/x)=0.91760.31/1.42=1115.68KN (3)动载校核:
Fa3=0.9Fy-MOP=0.91760.31-400=1184.279KN 较三种安全校核知卡瓦挤毁校核计算的最小
则钻杆 Lp=(Fa2- qcLc Kb)/(qKb)=4480.17m>3511m 从而实际用钻杆:3511-218.4=3302.5m。
校核抗挤度:P外挤=gh=1.2510009.8(3511-218.4) =40.4556MPa
钻具选择表
第五章 钻机的选择
第六章 钻进参数设计
1.机械破岩参数设计
包括钻头选型,所有钻头选用江汉钻头厂牙轮钻头、选取钻压和转速
2.钻井液体系及性能设计
2.1钻井液的选择 2.1.1井筒内钻井液体积
Vbi=
2
DLi (2-1) 4bi
Vbi——第i次开钻时井筒内钻井液的体积,m3; Dbi ——第i次开钻时钻头的直径,m;
Li——第i 层套管的下入深度,m ;
加——所加入的重晶石的密度,取4200 kg/m3;
重——加入重晶石粉后钻井液的密度,kg/m3; 原——加入重晶石之前的钻井液的密度,kg/m3。
2.1.2需要加入粘土的量
土V泥(泥水)
W土= (2-2)
土水
式中 土——所加入粘土的密度,取 2000 kg/m3; 水 ——水的密度,取1000 kg/m3; 原——加入粘土前钻井液的密度,kg/m3。
V原——所配钻井液的最大体积,m3。
2.1.3需要加入清水的量
Q水=V原-
W土
水
(2-3)
式中 W土——所加入的粘土的量,t ; 水 ——水的密度,取1000kg/m3。
W加=
加V原(重原)
(2-4)
加重
式中 加——所加入的重晶石的密度,取4200 kg/m3;
重——加入重晶石粉后钻井液的密度,kg/m3;
原——加入粘土前钻井液的密度,kg/m3。
参考临井资料,一开和时钻井液的密度为1.15 g/cm3,二开和三开时钻井液密度同为1.156 g/cm3,无须改变钻井液的密度。
2.2 钻井液体最大积的计算
2.2.1 一次开钻井筒内钻井液体积
由公式4-1 Vb1=
4
(0.4445)280
Vb1=12.41(m3)
2.2.2 二次开钻井筒内钻井液体积
由公式4-1 V2b2=
4
(0.2159)310
V3b2=11.34(m)
2.2.3三次开钻井筒内钻井液体积
由公式4-1 V2b3=
4
(0.2159) 3511
Vb3=128.5363(m3)
一般泥浆池内要存储备用50m3钻井液,取循环浪费20 m3钻井液,V3原>50+20+125.034,所以V原>195.034m,V原=210m3 。
2.3钻井液密度的转换
2.3.1一次开钻时
由公式4-4
加V原(重原)2103210(1.21)1032103160(1.151)103
W加==加重(21)103(21)10
3
所以
W加=48(t)
所以加入黏土的量为48t Q=VW土
48103
原-=160-水
水
110
3
=112m3 2.3.2一次开钻到二次开钻时需要重晶石质量
由公式G
原
重
V原重加重得
加
1604.2103(1.1561.15)103
G重=(4.21.156)103
=4.032t 所以需加重晶石4.032t。
3.水力参数设计
3.1泵的选择
3.1.1保证井壁不被冲刷的相关公式
Z=1517.83(DHDP)nv2na]500nn0.387
K
式中 Z—— 流态值,808 ;
DH——井眼直径,cm ; DP—— 钻具外径,cm ; n —— 流性指数 ; K —— 稠度系数,Pa·sn;
——钻井液密度,g/cm3 。
Q
=2max
4
(DD2HP)a Q
=
min
4
(D22
HDP)sl 3-1)3-2)3-3)( ( (
3.1.2临界井深的确定公式
1.第一临界井深
Dcr1=
0.357Pra
(3-4)
mQr1.8m
式中 a=kg+kc-m Lc (3-5)
kp= m Lp (3-6)
0.20.8
kg=0.51655d(pv
L1L2L3L4
+4.8+4.8+4.8) (3-7) 4.8d1d2d3d4
0.20.8
kP=dLp[pv
B0.57503
+] (3-8) 31.84.8
dpi(dhdp)(dhdp)
0.2
kc=dpvLc[
0.8
0.575030.51655
+] (3-9) 4.831.8(dhdc)(dhdc)dci
式中 d1,d2,d3,d4—— 分别为地面高压管线,立管,水龙带和水龙头,方钻杆的内径,m ;
L1,L2,L3,L4—— 分别为地面高压管线,立管,水龙带和水龙头,方钻杆的长度,m ;
dpi,dp,dci,dc—— 分别为钻杆,钻铤的内径和外径,m ; B —— 常数,内平钻杆取0.51655 ; LP,Lc—— 分别为钻杆和钻铤的长度,m ;
kg,kp,kc—— 分别为地面管汇,钻杆内外,钻铤内外的压力损耗系数; dh—— 井径,m ; dc—— 钻具外径,m ;
s ; pv—— 钻井液的塑性粘度,Pa·Pr——泵的最大工作压力,kW ; Qr——泵的最大排量,m3/s 。 2 .第二临界井深
Dcr2=
0.357Pra
(3-10) 1.8
mmQa
Qa——钻井液携带岩屑最小速度对应泵的排量,m3/s 。
3.1.3一开时泵的排量计算
DH=444.5 mm , DP=139.7 mm ,n=0.65 ,K=0.3 ,Z=808 ,=1.1g/cm3
a1.2s
casl (3-11)
s
sd
23
sl0.00707
dd (3-12)
e d1n
n
hdp
2n1
e
12
a
3nK (3-13)
由公式(5-11) (5-12) (5-13)得携岩最低返速
sl=0.6(m/s)
由公式5-2 Q21max=
4(D2
HDP)a=4
(0.444520.139.72)1.2 Q1max=167.73(l/s) 由公式5-3 Q1min=
(D2D224HP)sl=4
(0.44450.13972)0.6 Q1min=83.868(l/s)
3.1.4二开时泵的排量计算
DH=215.9 mm , DP=139.7 mm ,n=0.65 ,K=0.3 ,Z=808 ,=1.1g/cm3
a1.2s
casl
sl0.00707
dssd
23
d
e
1n
dhdp
e
12
a
2n1
3nK
n
由公式(5-11) (5-12) (5-13)得携岩最低返速
sl=0.6(m/s)
由公式5-2 Q1max=
22
(DHDP)a=(0.215920.139.72)1.2 44
Q1max=25.53(l/s) 由公式5-3 Q1min=
22(DHDP)sl=(0.215920.13972)0.6 44
Q1min=12.76(l/s) 3.1.5三开时泵的排量计算
DH=215.9 mm ,DP=127 mm ,n=0.65 ,K=0.3 ,Z=808 ,=1.25g/cm3 。 由公式5-2 Q3max=
22(DHDP)a=(0.215920.1272)1.2 44
Q3max=28.72(l/s) 由公式5-3 Q3min=
22(DHDP)sl=(0.215920.1272)0.6 44
Q3min=14.36(l/s)
表3-1泵的参数表
3.2.喷嘴 射流速度及射流冲击力的设计
0.081dQ2
因为喷嘴的当量直径:de= 2
CPb
又 D
所以
pb=Pr-(n+mD)Qr
1.8
=27.99-(2.94105+3.22106351128.721.8=27.32cm
2
0.081dQr
当量直径de==2.12cm
C2Pb
若采用三个等直径的喷嘴时:d1=d2=d3=射流速度Vj=10
Qr12d4
de3
=1.23cm
=
1028.721
3.141.2324
=165.622
射流冲击力
dQ2
Fj==5.499KN
12
100d
4
射流水功率:
0.05dQ3Pj==12.54MPa
122(d)4
4.钻柱与下部防斜钻具结构
2.技术指标及质量要求
固井质量采用声波测井和变密度测井综合评价,要求声幅≤20%;变密度测井反应弱套管波,强地层波。
2.3取心要求(略)
2.4录取资料要求(略)