石油工程钻井工程设计
东 北 石 油 大 学
课 程 设 计
2011年 7 月 15 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2011年6月27日-2011年7月15日 指导教师 专业负责人
2011 年 7 月 15 日
前 言
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,是钻井周期最短;钻下部高雅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、钻具组合设计: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。3、钻井液体系;4、水力参数设计;5、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钻井液的压力体系 ............................................. 6 2.2井身结构的设计 ............................................... 7 2.3 设计结果..................................................... 9 第3章 套管校核 .................................................. 10
3.1计算的相关公式 .............................................. 10 3.2 套管设计与校核.............................................. 10 第4章 钻具设计 .................................................. 14
4.1钻铤的设计 .................................................. 14 4.2钻具的设计 .................................................. 14 4.3设计结果 .................................................... 18 第5章 钻井液设计 ................................................ 19
5.1钻井液总体积的计算 .......................................... 19 5.2相关质量的计算 .............................................. 19 5.3钻井液密度的转换 ............................................ 19 5.4设计结果 .................................................... 20 第6章 水力参数设计 .............................................. 21
6.1有关公式计算 ................................................ 21 6.2水力参数计算 ................................................ 21 6.3设计结果 .................................................... 29 第7章 注水泥设计 ................................................ 30
7.1水泥浆的用量 ................................................ 30 7.2所需干水泥的用量 ............................................ 31 7.3时间的计算 .................................................. 32 7.4设计结果 .................................................... 34 第8章 设计结果 .................................................. 35 参考文献 .......................................................... 38
第1章 设计资料收集
1.1预设计井基本参数
1.2邻井基本参数
1.2.1井身结构
1.2.2地层压力
1.2.3钻具组合
1.2.4钻井液性能
1.2.5水力参数
1.2.6钻井参数
第2章 井身结构设计
2.1钻井液的压力体系
地层压力与地层破裂压力剖面图
2.1.1 最大钻井液密度
ρmax =ρpmax +S b (2-1)
式中: ρmax 为某层套管钻进井段中所用最大泥浆密度,g/cm3; ρpmax 为该井
段中所用地层孔隙压力梯度等效密度,g/cm3;S b 为抽吸压力允许值的当量密度,取0.024g/cm3。 发生井涌情况
D pmax
ρf =ρmax +S b +S f +⨯S (2-2)k D
ni
式中:ρ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
f
有的地层破裂压力梯度,g cm 3;ρ
b
pmax
为某井段钻进井段中所用的最大
f
泥浆密度,g/cm3;S 为抽吸压力允许值的当量密度,取0.024g/cm3;S 为
地层压裂安全系数,0.03;S 为发生井涌时的井涌允量,取0.05g/cm3。
k
2.1.2校核各层套管下到初选点时是否会发生压差卡套
∆P =0.00981⨯D (ρ+S -ρ) (2-3) pmin pmax b pmin
式中:∆p 为第n 层套管钻进井段内实际的井内最大静止压差,MPa ;ρp min 为该
井段内最小地层孔隙压力梯度等效密度,g/cm3;∆p N 为避免发生压差卡套的许用压差,取12MPa ;D pmin 为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)中间套管下入深度初选点D 21 取初选点D 21=1600m
ρf =ρpmax +S b +S f +⨯S k D
21
D pmax
=1.6+0.024+0.03+
2200
⨯0.05 1600
=1.722(g cm 3)
由图查得ρf 1600=cm 3,ρf
ρfE =ρp2+S b +S f +⨯S k
D 1
D
=1.5+0.024+0.03+
3
1595
⨯0.05 1200
=1.620(g cm )
由图查得ρf1200=1.7g cm 3,ρfE
D =2200-5=2195(m ) 3
(4)校核中间套管下入到初选点D 21=1595m 过程中是否会发生压差卡套管 由图查得,ρp1600=1.5g cm 3,ρpmin =0.97g cm 3,D pmin =1200m 。
∆p 1=0.00981(ρpmax +S b -ρpmin )D pmin
=0.00981⨯(1.5+0.024-0.97)⨯1195=6.495(MPa ) ∆p 1
(5)验证表层套管下到D 1=1195m 处是否会发生压差卡套管
∆p 2=0.00981(ρpmax +S b -ρpmin )D pmin
=0.00981⨯(0.97+0.024-0.8)⨯103
=0.196(MPa )
∆p 2
(6)验证油层套管下到D 3=2195m 处是否会发生压差卡套管
∆p 3=0.00981(ρpmax +S b -ρpmin )D pmin
=0.00981⨯(1.6+0.024-1.5)⨯1595
=1.94(MPa )
∆p 3
2.3 设计结果
井身结构设计表
第3章 套管校核
3.1计算的相关公式
3.1.1某井段的最大外挤压力
p c =ρgD ⨯10-3 (3-1) d
式中:ρd 为该井段所用泥浆的最大密度,g/cm3;D 为某段钢级的下入深度,m ;
3.1.2某段钢级套管的最大下入深度
D n =
σρd gS D
⨯10 (3-2)
式中:σD 为某段钢级套管抗外挤强度,MPa ;S D 为最小抗外挤安全系数,取
1.125 ;
3.1.3套管浮力系数
p d
(3-3) K B =1-p s
式中:ρs 为某段所用钢材的密度,取7.85 g/cm3;
3.1.4安全系数
抗挤安全系数S c =1.125,抗拉安全系数S t =1.8。
3.2 套管设计与校核
3.2.1油层套管
(1)最大外挤载荷
p c1=0.00981ρd D 3S c
=0.00981⨯1.9⨯1.125⨯2195 =46.03(MPa )
表3-1油层套管参数表
D 2=
c2==1616.68(m ) ρd gS c 1.9⨯0.00981⨯1.125
D 1=L -D 2=2195-1616.68=578.32(m )
N 1=
578.32
=63.6, 取N 1=64根,则D 1=64⨯9.1=582.4(m ) 9.1
所以D 2=2195-582.4=1612.6(m ) N 2=
1612.6
,取N 2=177(根)。 =177.2(根)
9.1
1.9⎫-3
⎪⨯10⨯1.8=197.17kN 7.85⎭
(2)校核
第一段 σz1=248.14⨯582.4⨯⎛ 1-
⎝
σt =1.9⨯0.00981⨯1612.6=30.06MPa
σ
t =
σs
30.06⨯1062095⨯103
3.14
0.13972-0.12432)(4
=4.6%
σz
=96% σs σ
抗拉强度变为:σ⨯z =2135⨯0.96=2049.6kN>197.17kN,符合要求。
σs
查双向应力椭圆得
⎛
第二段 σz2=248.14⨯2195⨯ 1-
⎝1.9⎫-3
⎪⨯10⨯1.8=743.11kN
3.2.2中间套管
(1) 最大外挤载荷
p =0.00981ρD S c c1d 2
=0.00981⨯1.27⨯1.125⨯1595
=22.36(MPa )
表3-2 中间套管参数表
D 2=
c2==1633.84m ,取D 2=1200m ρd gS c 1.27⨯0.00981⨯1.125
D 1=L -D 2=1595-1200=395m
N 1=
395
=43.4,取N 1=44根 9.1
则D 1=44⨯9.1=400.4m D 2=1595-400.4=1194.6m N 2=(2)校核
第一段 σz1=634.94⨯400.4⨯ 1-
⎛⎝
1.27⎫-3
⎪⨯10⨯1.8=383.58(kN ) 7.85⎭
1194.6
。 =131.27,取N 2=131(根)
9.1
σt =1.27⨯0.00981⨯1194.6=14.88(MPa )
σ
t =
σs
14.88⨯1064190⨯103
⨯(0.24452-0.22242)4
=2.9%
σz
=98% σs σ
抗拉强度变为:σ⨯z =4519⨯0.98=4428.62kN>383.58kN,符合要求。
σs
查双向应力椭圆得
⎛
第二段 σz2=583.88⨯1194.6⨯ 1-
⎝1.27⎫-3
⎪⨯10⨯1.8+383.58 7.85⎭
=1435.97kN
3.2.3表层套管
(1)最大外挤载荷
p c =ρd gD 1S c =0.00981⨯1.27⨯1195⨯1.125=16.75(MPa )
表3-3 表层套管参数表
(2) 校核
σz =1050.95⨯1195⨯ 1-
N =
⎛⎝
1.27⎫-3
⎪⨯10⨯1.8=1894.86kN
1195
=131.32,取N =131根。 9.1
第4章 钻具设计
4.1钻铤的设计
4.1.1所需钻铤长度的计算公式
L c =
S N W max
(4-1)
q c K B cos α
式中:L c 为所需钻铤长度,m ;S N 为安全系数,一般取S N =1.15-1.25;W max 为设
计的最大钻压,kN ;q c 为每米钻铤在空气中的重力,kN m ; K B 为浮力系数;α为井斜角度数,直井时α=0 ;
4.1.2计算钻柱所受拉力的公式
钻柱所受拉力为
P =(L c q c +L p q bp )K B (4-2)
式中:P 为钻柱所受拉力,kN ;L c 为钻铤长度,m ;q c 为每米钻铤在空气中的
重力,kN m ;L p 为钻杆长度,m ;q bp 为每米钻杆在空气中的重力,kN m ;
4.2钻具的设计
4.2.1 一次开钻钻具组合
1 钻铤长度的计算
选钻铤:外径203.2mm ,内径71.4mm ,q c =2190N/m 又知:W =40kN ,K b =1-
1.27
=0.838,S N =1.2 7.85WS N 40⨯1.2L c ===26.15(m )
q c K b 2.19⨯0.838
N =
26.15
=2.87,取N =3根 9.1
因此L c =3⨯9.1=27.3m 2 钻杆长度计算
选钻杆:外径139.7mm ,内径121.4mm ,q bp =319.71N/m,E 级,F y =1945.06kN σD =58.21MPa (1)安全系数校核
F a1=
0.9F y S t
=
0.9⨯1945.06
=1346.58(kN )
1.3
(2)卡瓦挤毁校核
F a2=
0.9F y
σy t
=
0.9⨯1945.06
=1151.68(kN )
1.52
(3)拉力余量校核
F a3=0.9F y -MOP=0.9⨯1945.06-400=1350.55(kN )
钻杆长度为
L p =
F a2-q c L c K b 1151.68-2.19⨯27.3⨯0.838
==4107.9m>1200m
q bp K b 0.31971⨯0.838
实际钻杆长度 L p =1200-27.3=1172.7m 因此 N =
1172.7
=128.87,取N =128根 9.1
3 钻杆抗挤强度校核
p 外挤=0.00981⨯1.27⨯1172.7⨯1.125=16.44MPa
4.2.2二次开钻钻具组合
1 1200m -1400m 井段 (1)钻铤长度计算
选钻铤:外径203.2mm ,内径71.4mm ,q c =2190N/m 又知:W =240kN ,K b =1-
1.27
=0.838,S N =1.2 7.85WS 240⨯1.2
=156.6(m ) 钻铤长度为 L c =N =
q c K b 2.19⨯0.838
156.6
=17.2,取N =18根,则L c =18⨯9.1=163.8m 9.1
N =
(2)钻杆长度计算
q bp =360.59N/m,F y =1945.06kN 选钻杆:外径139.7mm ,内径118.6mm ,E 级,
σD =58.21MPa (1)安全系数校核
F a1=
0.9F y S t
=
0.9⨯1945.06
=1346.58(kN )
1.3
(2)卡瓦挤毁校核
F a2=
0.9F y
σy t
=
0.9⨯1945.06
=1190.85(kN )
1.47
(3)拉力余量校核
F a3=0.9F y -MOP=0.9⨯1945.06-400=1350.55(kN )
钻杆长度为
L p =
F a2-q c L c K b 1190.85-2.19⨯163.8⨯0.838
==2936.7m>1400m
q bp K b 0.36059⨯0.838
因此钻杆实际长度 L p =1400-163.8=1236.2m N =
1236.2
=135.85,取N =135根。 9.1
(3)钻杆抗挤强度校核
p 外挤=0.00981⨯1.27⨯1236.2⨯1.125=17.325MPa
2 1400m -1600m 井段 (1)钻铤长度计算
选钻铤:外径203.2mm ,内径71.4mm ,q c =2190N/m 又知:W =260kN ,K b =1-
1.27
=0.838,S N =1.2 7.85WS 260⨯1.2
=169.6(m ) 钻铤长度 L c =N =
q c K b 2.19⨯0.838
169.6
=18.64,取N =19根,则L c =19⨯9.1=172.9m 9.1
N =
(2)钻杆长度计算
q bp =360.59N/m,F y =1945.06kN 选钻杆:外径139.7mm ,内径118.6mm ,E 级,
σD =58.21MPa (1)安全系数校核
F a1=
0.9F y S t
=
0.9⨯1945.06
=1346.58(kN )
1.3
(2)卡瓦挤毁校核
F a2=
0.9F y
σy t
=
0.9⨯1945.06
=1190.85(kN )
1.47
(3)拉力余量校核
F a3=0.9F y -MOP=0.9⨯1945.06-400=1350.55(kN )
钻杆长度为
L p =
F a2-q c L c K b 1190.85-2.19⨯172.9⨯0.838
==2881.4m>1600m
q bp K b 0.36059⨯0.838
因此钻杆实际长度 L p =1600-172.9=1427.1m N =
1427.1
=156.82,取N =156根。 9.1
(3)钻杆抗挤强度校核
p 外挤=0.00981⨯1.27⨯1427.1⨯1.125=20.003MPa
4.2.3三次开钻钻具组合
1 钻铤长度的计算
选钻铤:外径171.5mm ,内径57.2mm ,q c =1577N/m 又知:W =180kN ,S N =1.2,K b =1- L c = N =
WS N 180⨯1.2
==175.6(m ) q c K b 1.577⨯0.78
1.75
=0.78 7.85
175.6
=19.3,取N =20根,则L c =9.1⨯20=182m 9.1
2 钻杆长度计算
选钻杆:外径127mm ,内径112mm ,q bp =237.73N/m,E 级,F y =1760.13kN σD =68.96MPa
(1)安全系数校核
F a1=
0.9F y S t
=
0.9⨯1760.13
=1218.68(kN )
1.3
(2)卡瓦挤毁校核
F a2=
0.9F y
σy t
=
0.9⨯1760.13
=1115.68(kN )
1.42
(3)拉力余量校核
F a3=0.9F y -MOP=0.9⨯1760.13-400=1184.28(kN )
钻杆长度为
L p =
F a2-q c L c K b 1115.68-1.577⨯182⨯0.78
==4809.43m>2200m
q bp K b 0.23773⨯0.78
钻杆实际长度 L p =2200-182=2018m N =3 钻杆抗挤强度校核
p 外挤=0.00981⨯1.75⨯2018⨯1.125=38.97MPa
2018
=221.76,取N =221根。 9.1
4.3设计结果
钻具组合设计表
第5章 钻井液设计
5.1钻井液总体积的计算
5.1.1井筒内钻井液体积
V 1=∑D i 2L i
i =143.14=⨯(0.4442⨯1200+0.3112⨯400+0.2152⨯600) 4
=237.84(m 3)
n
π
5.1.2地面循环量 V 2=120(m 3)
5.1.3损耗量 V 3=(237.84+120)⨯0.2=71.57(m 3)
因此钻井液总体积为 V 原浆=V 1+V 2+V 3=429.41(m 3)
5.2相关质量的计算
5.2.1水的体积及土的质量计算
由 V 原浆=V 水+
m 土
ρ土
,m 土=
V 水20
代入数据得 V 水=418.94(m 3),m 土=20947(kg )
5.2.2原浆质量计算
m 原浆=m 水+m 土=439887(kg )
5.3钻井液密度的转换
5.3.1一次开钻所需重晶石质量
ρ=
m 原浆+m 重
V 原浆
代入数据:1270=
439887+m 重
,得 m 重=105.464(t )
429.41
5.3.2二次开钻所需重晶石质量
二次开钻钻井液密度不变,不需要加重。
5.3.3三次开钻所需重晶石质量
ρ=
m 原浆+m 重
V 原浆
,
439887+105464+m 重,
代入数据:1750=,得 m 重=206.117(t )
429.41
5.4设计结果
钻井液设计参数表
第6章 水力参数设计
6.1有关公式计算
6.1.1临界井深计算公式
1 第一临界井深
D Pc =
p r a
- (6-1)
2.8mQ r 1.8m
式中:p r 为泵的额定压力,MPa ;Q r 为额定排量,L s ;a 和m 为相关系数; 2 第二临界井深
D pa =
p r a
- (6-2) 1.8
2.8mQ a m
式中:Q a 为使岩屑上返的最小泵排量,L s ;
6.1.2有关压耗系数计算公式
⎡⎤B 0.57503⎥ (6-3) K p =ρμL p ⎢4.8+31.8⎢d pi
(d h -d p )(d p +d h )⎥⎣⎦
0.8
d
0.2pv 0. 8d
0. 2p v 4. 8
ci
⎡B ⎤0.57503
⎥ (6-4)+ K c =ρμL ⎢ 31. 8
d ⎢(d h -d c )(d c +d h )⎥⎣⎦
m =ρμ
0.8
d 0.2pv
⎡⎤B 0.57503⎢⎥ (6-5) +31.84.8⎢d pi ⎥d -d d +d ()()h p p h ⎣⎦
式中:ρd 为钻井液密度, g 3;μpv 为钻井液塑性粘度, Pa ⋅s ;L p 为钻杆总长度,
m ;B 为常数,内平钻杆取B =0.51655;d pi 为钻杆内径, cm ;d p 为钻杆
外径, cm ;d h 为井径, cm ;L c 为钻铤长度,m ;d c 为钻铤外径, cm ;d ci 为钻铤内径, cm ;
6.2水力参数计算
6.2.1表层套管水力参数设计
1 选泵:缸套直径160mm ,理论排量26.97L s ,型号SL3NB —1000A 两台, 最大工作压力p r =18.5MPa 。
已知参数:ρd =1.27g 3,μpv =0.02Pa ⋅s ,B =0.51655,d pi =12.14cm ,
d c =20.32cm ,d ci =7.14cm ,d h =44.4cm ,L c =27.3m ,d p =13.97cm ,C =0.96
2 有关参数: m =ρμ
0.8
d 0.2pv
⎡⎤B 0.57503⎢⎥ +31.84.8⎢d pi
(d h -d p )(d p +d h )⎥⎣⎦
0.57503⎛0.51655⎫
=1.270.8⨯0.020.2⨯ +⎪ 4.8
30.433⨯58.371.8⎭⎝12.14=1.78⨯10-6
查得 K g =1.07⨯10-3MPa ⋅s 1.8⋅L -1.8
⎡B ⎤0.57503
⎥ K c =ρμL c ⎢4.8+31.8
d ⎢(d h -d c )(d c +d h )⎥⎣ci ⎦
0.8
d
0.2pv
0.57503⎛0.51655⎫
=1.270.8⨯0.020.2⨯27.3⨯ + 4.831.8⎪24.08⨯64.72⎭⎝7.14=6.23⨯10-4
a =K g +K c -mL c =1.07⨯10-3+6.23⨯10-4-1.78⨯10-6⨯27.3=1.74⨯10-3
第一临界井深:
D Fc =
p r a
-
1.9mQ r 1.8m
18.51.74⨯10-3
=--61.8-6
1.9⨯1.78⨯10⨯53.941.78⨯10=3197(m )
因为D
d e
=
=
2.22cm
又知 d e ,代入数据得 d =1.28cm 3 最大射流冲击力
K F =
=
=0.048
F j =K
=0.048=9.48kN
6.2.2中间套管水力参数设计
1 选泵:缸套直径160mm ,理论排量26.97L s ,型号SL3NB —1000A 两台, 最大工作压力p r =18.5MPa 。
已知参数:ρd =1.27g cm 3,μpv =0.03Pa ⋅s ,B =0.51655,d pi =11.86cm ,
d p =13.97cm ,d c =20.32cm ,d ci =7.14cm ,d h =31.1cm ,L c =172.9m , 2 有关参数计算
⎡⎤
B 0.57503⎢⎥m =ρμ+31.84.8⎢d pi
(d h -d p )(d p +d h )⎥⎣⎦
0.57503⎛0.51655⎫
=1.270.8⨯0.030.2⨯ + 4.831.8⎪11.8617.13⨯45.07⎝⎭
0.8
d
0.2pv
=2.24⨯10-6
查得 K g =1.07⨯10-3MPa ⋅s 1.8⋅L -1.8
⎡B ⎤0.57503
⎥ K c =ρμL c ⎢4.8+31.8
d ⎢(d h -d c )(d c +d h )⎥⎣ci ⎦
0.8
d
0.2pv
=1.270.8⨯0.030.2⨯172.9⨯
=4.32⨯10-3
0.57503⎛0.51655⎫+⎪ 4.8
10.783⨯51.421.8⎭⎝7.14
a =K g +K c -mL c =1.07⨯10-3+4.32⨯10-3-2.24⨯10-6⨯172.9=5.0⨯10-3
第一临界井深:
D Pc =
p r a
-
2.8mQ r 1.8m
18.55.0⨯10-3
=19m =-
2.8⨯2.24⨯10-6⨯53.941.82.24⨯10-6
第二临界井深:
由公式 K s =
νs
νa
νs =νa -νsl
νsl =
0.0707d s (ρs -ρd )
23
ρμ
13d 13e
n
⎛d -d ⎫
μe =K h p ⎪
⎝1200νa ⎭
1-n
⎛2n +1⎫ ⎪ ⎝3n ⎭
得到
νa =2代入数据得
νa =
=
=0.21(s ) 最小排量为
Q a =
(d 40
π
2h
2-d p )νa
3.14
⨯(31.12-13.972)⨯0.21 40
=12.73(L s )=
第二临界井深为
D pa =
p r a
- 1.8
2.8mQ a m
18.55⨯10-3
=-
2.8⨯2.24⨯10-6⨯12.731.82.24⨯10-6
=28042(m )
因为 D pc
Q opt
⎡⎤p r =⎢⎥ 2.8a +mD ⎢⎥⎣⎦
1
1.8
⎡⎤18.5
⎥=⎢-3-6
⎢⎣2.8⨯5⨯10+2.24⨯10⨯1600⎥⎦
1
1.8
=40.13()
当量直径为
d e
=1.97(cm )
又知
d e ,代入数据得 d =1.14(cm ) 3 最大水功率
2.8
P b =p r Q opt -(a +mD )Q opt
=18.5⨯40.13-(5⨯10-3+2.24⨯10-6⨯1600)⨯40.132.8
=477.31(kW )
6.2.3油层套管水力参数设计
(一)1600m--1800m 井段
1 选泵:缸套直径160mm ,理论排量26.97L s ,型号SL3NB —1300A 两台, 最大工作压力p r =24MPa 。
已知参数:ρd =1. 7g 3c ,m μpv =0.03Pa ⋅s ,B =0.51655,d pi =11.2cm ,
d p =12.7cm d c =17.15cm ,d ci =5.72cm ,d h =21.5cm ,L c =182m ,C =0.96,n =0.6,K =0.2
2 有关参数计算
m =ρμ
0.8
d
0.2pv
⎡⎤B 0.57503⎢⎥ +31.84.8⎢d pi
(d h -d p )(d p +d h )⎥⎣⎦
0.57503⎫⎛0.51655
=1.750.8⨯0.030.2⨯ +⎪4.8
8.83⨯34.21.8⎭ ⎝11.2
=4.822⨯10-6
查得 K g =1.07⨯10-3MPa ⋅s 1.8⋅L -1.8
⎡B ⎤0.57503
⎥ K c =ρμL c ⎢4.8+31.8
d ⎢(d h -d c )(d c +d h )⎥⎣ci ⎦
0.8
d
0.2pv
=1.750.8⨯0.030.2⨯182⨯⎛
=1.826⨯10-2
0.516550.57503⎫
+ 4.831.8⎪4.35⨯38.65⎭⎝5.72
a =K g +K c -mL c =1.07⨯10-3+1.826⨯10-2-4.822⨯10-6⨯182=1.845⨯10-2
第一临界井深:
D Pc =
p r a
-
2.8mQ r 1.8m
241.845⨯10-2
=--61.8-6
2.8⨯3.726⨯10⨯53.944.822⨯10=-2470(m )
第二临界井深:
νa =
18.24ρd ⋅d h
18.24==0.48(m s )1.75⨯21.5
最小排量为
Q a ==
(d 40
π
2h
2-d p )νa
3.14
⨯(21.52-12.72)⨯0.48 40
=11.34(L s )
第二临界井深为
D pa =
p r a
- 1.8
2.8mQ a m
241.845⨯10-2
= -
2.8⨯4.822⨯10-6⨯11.341.84.822⨯10-6
=18640(m )
因为 D pc
⎡⎤p r
Q opt =⎢⎥
2.8a +mD ⎢⎥⎣⎦
1
1.8
⎡⎤24
⎥ =⎢-2-6
⎢⎣2.8⨯1.845⨯10+4.822⨯10⨯1800⎥⎦
1
1.8
=24.47()
当量直径为
d e
==1.56(cm )
又知
d e ,代入数据得 d =0.9(cm ) 3 最大钻头水功率
2.8
P b =p r Q opt -(a +mD )Q opt
=24⨯24.47-(1.845⨯10-2+4.822⨯10-6⨯1800)⨯24.472.8
=377.57(kW ) (二)1800m--2200m 井段
1 选泵:缸套直径160mm ,理论排量26.97L s ,型号SL3NB —1300A 一台, 最大工作压力p r =24MPa 。
已知参数:ρd =1.9g cm 3,μpv =0.04Pa ⋅s ,B =0.51655,d pi =11.2cm ,d p =12.7cm ,
C =0.96,n =0.6,d ci =5.72cm ,d h =21.5cm ,L c =182m , d c =17.15cm ,
K =0.4 2 有关参数计算
⎡⎤
B 0.57503⎢⎥m =ρμ+31.84.8⎢d pi
(d h -d p )(d p +d h )⎥⎣⎦
0.57503⎫⎛0.51655
=1.90.8⨯0.040.2⨯ + 4.831.8⎪11.28.8⨯34.2⎝⎭
0.8
d
0.2pv
=5.456⨯10-6
查得 K g =1.07⨯10-3MPa ⋅s 1.8⋅L -1.8
⎡B ⎤0.57503
⎥ K c =ρμL c ⎢4.8+31.8
d ⎢(d h -d c )(d c +d h )⎥⎣ci ⎦
0.8
d
0.2pv
=1.90.8⨯0.040.2⨯182⨯⎛
=0.021
0.516550.57503⎫
+ 4.831.8⎪5.724.35⨯38.65⎝⎭
a =K g +K c -mL c =1.07⨯10-3+0.021-5.456⨯10-6⨯182=0.021
第一临界井深:
D Pc =
p r a
- 1.8
2.8mQ r m
=第二临界井深: 经验公式:νa =
240.021
=325(m ) -
2.8⨯5.456⨯10-6⨯26.971.85.456⨯10-6
18.2418.24
===0.45(m s ) ρd d h 1.9⨯21.5
Q a =
(d
40
π
2h
2-d p )νa
3.14
=⨯(21.52-12.72)⨯0.45==10.65(L s )40p r a
- 1.8
2.8mQ a m
D pa =
=
240.021
--61.8-6
2.8⨯5.456⨯10⨯10.655.456⨯10
=18382(m ) 因为 D pc
⎡⎤p r
Q opt =⎢⎥
2.8a +mD ⎥⎢⎣⎦
1
1.8
⎡⎤24
⎥ =⎢-6
2.8⨯0.021+5.456⨯10⨯2200⎢⎥⎣⎦
1
1.8
=22(L s ) 当量直径为
d e
=1.51(cm )
又知
d e ,代入数据得 d =0.87(cm ) 3 最大钻头水功率
2.8
P b =p r Q opt -(a +mD )Q opt
=24⨯22-(0.021+5.456⨯10-6⨯2200)⨯222.8 =338.62(kW )
6.3设计结果
泵的设计参数表
第7章 注水泥设计
7.1水泥浆的用量
7.1.1所需水泥浆体积的计算公式
V =K i
π
(D 4
2H i
2-D S i )L +
π
4
d i 2h 1+
π
4
2
D H i h 2 (7-1)
式中:h 1为水泥塞深度, m ;h 2为井眼口袋高度, m ;L 为设计封填水泥长度,m ;
D H i 为第i 次开钻钻头尺寸, mm ;D S i 为自外向里第i 层套管的外径, mm ;d i 为第i 层套管的内径, mm ;K i 为修正系数, 1.1;
7.1.2水泥浆体积的计算
1. 封固表层套管水泥浆体积的计算 环空部分
V 1=
3.14
⨯(0.4442-0.33972)⨯1195⨯1.1=84.35(m 3) 4
口袋部分
V 2=
3.14
⨯0.4442⨯5=0.77(m 3) 4
套管内部
V 3=
3.14
⨯0.31362⨯10=0.77(m 3) 4
所以 V 表=V 1+V 2+V 3=85.89(m 3) 2. 封固中间套管水泥浆体积的计算 环空部分
V 1=1.1⨯
3.143.14
⨯(0.31362-0.24452)+1.1⨯⨯(0.3112-0.24452)⨯395=51.24(m 3) 44
口袋部分
V 2=
3.14
⨯0.3112⨯5=0.38(m 3) 4
套管内部
V 3=
3.14
⨯0.22442⨯10=0.40(m 3) 4
所以 V 中=V 1+V 2+V 3=52.02(m 3) 3. 封固油层套管水泥浆体积的计算 环空部分
V 1=1.1⨯
3.143.14
⨯(0.22442-0.13972)⨯1194.6+1.1⨯⨯(0.22242-0.13972)⨯400.444
3.14+1.1⨯⨯(0.2152-0.13972)⨯595
4
=55.89(m 3) 口袋部分
V 2=
3.14
⨯0.2152⨯5=0.18(m 3) 4
套管内部
V 3=
3.14
⨯0.12432⨯10=0.12(m 3) 4
所以 V 油=V 1+V 2+V 3=56.19(m 3)
7.2所需干水泥的用量
7.2.1所需干水泥的质量的计算公式
配制1m 3的水泥浆所需水泥灰的质量
q =
ρρρw +m ρc
(7-2)
式中:ρc 为水泥灰的密度,3.15g cm 3;ρw 为水的密度,1.0g cm 3;m 为水灰比,
3
二开、三开选0.44,一开为0.46;一开得q =1.286(m )二开、三开得3q =1.32(m )。
7.2.2干水泥质量的计算
1. 封固表层套管
W 泥1=KV 表q =1.1⨯85.89⨯1.286=121.50(t )
2. 封固中间套管
W 泥2=KV 中q =1.1⨯52.02⨯1.32=75.53(t )
3. 封固油层套管
W 泥3=KV 油q =1.1⨯56.19⨯1.32=81.59(t )
7.2.3所需清水的体积的计算
1. 封固表层套管所需清水的量
V W1=
mW 泥1
ρW
=
0.46⨯121.50
=55.89(m 3) 1
2. 封固中间套管所需清水的量
V W2=
mW 泥2
ρW
=
0.44⨯75.53
=33.23(m 3) 1
3. 封固油层套管所需清水的量
V W3=
mW 泥3
ρW
=
0.44⨯81.59
=35.90(m 3) 1
7.3时间的计算
7.3.1封固表层套管所用时间
(1) 水泥顶替钻井液的时间
νa =1.60m s
Q =νa A =1.60⨯
3.14
⨯(0.4442-0.33972)=0.10(m 3) 4V 85.89t 1=表==14.32(min )
Q 0.1
(2)钻井液顶替水泥的时间
νc =
Q =νc A =2.32⨯
3.14
⨯(0.4442-0.33972)=0.15(m 3) 4
3.14
⨯0.31362⨯1185
V
t 2===10.16(min )
Q 0.15
(3)封固表层套管所用时间和防凝时间
封固时间 t 表=t 1+t 2=24.48(min ) 防凝时间 t D =1. t 536(. 72) m i n 表=
7.3.2 封固中间套管所用时间
(1)水泥顶替钻井液的时间
νa =1.60m s
Q =νa A =1.60⨯
3.14
⨯(0.3112-0.24452)=0.05(m 3) 4V 52.02t 1=中==17.34(min )
Q 0.05
(2)钻井液顶替水泥的时间
νc =
Q =νc A =2.32⨯
3.14
⨯(0.3112-0.24452)=0.07(m 3) 4
3.143.14
⨯0.22442⨯1194.6+⨯0.22242⨯390.4
V t 2===14.85(min ) Q 0.07
(3)封固中间套管所用时间和防凝时间
封固时间 t 中=t 1+t 2=32.19(min )
48(. 29) m i n 防凝时间 t D =1. t 5中=
7.3.3 封固油层套管所用时间
(1)水泥顶替钻井液的时间
νa =
Q =νa A =1.60⨯
3.14
⨯(0.2152-0.13972)=0.03(m 3s ) 4V 56.19t 1=油==31.22(min )
Q 0.03
(2)钻井液顶替水泥的时间
νc =
Q =νc A =2.32⨯
3.14
⨯(0.2152-0.13972)=0.05(m 3) 4
3.14
⨯0.12432⨯2185
V
t 2===8.83(min )
Q 0.05
(3)封固油层套管所用时间和防凝时间
封固时间 t 油=t 1+t 2=40.05(min ) 防凝时间 t D =1. t 560(. 08) m i n 油=
7.4设计结果
注水泥设计参数表
第8章 设计结果
表8-1 井身结构设计表
表8-2 套管柱设计参数表
1油层套管
2技术套管
3表层套管
表8-3钻具组合设计表
表8-4钻井液设计参数表
表8-5 泵的设计参数表
表8-6 注水泥设计参数表
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 :117~1281