PAGE西南石油大學課程設計課程課程海洋鉆井工程課程設計題目學院石油與天然氣工程學院專業年級海洋油氣工程2013級學生姓名趙子豪、王東、江歡、唐鵬程、學生學號指導教師熊友明王國華劉理明毛良杰2016年12月30日前言鉆井工程設計是石油工程的一個重要部分，是確保油氣鉆井工程順利實施和質量控制的重要保證，是鉆井施工作業必須遵循的原則，是組織鉆井生產和技術協作的基礎，是搞好單井預算和決算的唯一依據。鉆井設計的科學性、先進性關系到一口井作業的成敗和效益。科學鉆井水平的提高，在一定程度上依靠鉆井設計水平的提高。設計應在充分分析有關地質和工程資料的基礎上，遵循國家及當地政府有關法律、法規和要求，按照安全、快速、優質和高效的原則進行。并且必須以保證實施地質任務為前提。主要目的層段的設計必須體現有利于發現與保護油氣層，非目的層段的設計主要考慮滿足鉆井工程施工作業和降低成本的需要。本設計的主要內容包括：1、井身結構設計及井身質量要求：原則是能有效地保護油氣層，使不同地層壓力梯度的油氣層不受鉆井液污染損壞；應避免漏、噴、塌、卡等復雜情況發生，為全井順利鉆進創造條件，是鉆井周期最短；鉆下部高雅地層時所用的較高密度鉆井液產生的液柱壓力，不致壓裂上一層管鞋處薄弱的裸露地層；下套管過程中，井內鉆井液柱壓力之間的壓差不致產生壓差卡套管等嚴重事故；以及強度的校核。2、套管柱設計：選擇不同型號的套管，滿足鉆井中固井、完井要求；3、鉆具組合設計：給鉆頭加壓時下部鉆柱是否會壓彎，選用足夠的鉆鋌以防鉆桿受壓變形；4、鉆井液體系；5、水力參數設計；6、注水泥設計，鉆井施工進度計劃等幾個方面的基本設計內容；目錄TOC\o"1-2"\h\z\u第1章 預設井、鄰井基本參數 11.1設計資料收集 11.2井身結構設計圖 3第2章井身結構設計 42.1最大鉆井液密度和壓差計算公式 42.2井身結構設計 5第3章套管柱設計 73.1資料的查取匯總 73.2油層套管柱的設計 73.3表層套管柱的設計 9第4章鉆柱設計 114.1鉆鋌的設計 114.2鉆具組合 114.3結論統計 14第5章鉆井液設計 155.1所需鉆井液體積及相關公式 155.2井筒內鉆井液體積計算 155.3鉆井液密度轉換 165.4結論統計 17第6章鉆井水力參數設計 186.1水力參數相關公式 186.2泵的選擇 216.3相關參數計算 22第7章注水泥設計 267.1水泥漿的用量 267.2所需干水泥的用量 277.3所需清水的體積的計算 287.4頂替排量的計算 287.5頂替容積的計算 297.6防凝時間的計算 29第8章設計結果 31參考文獻 33西南石油大學本科生課程設計PAGE1預設井、鄰井基本參數1.1設計資料收集1.1.1預設計井基本參數井別探井井號A5設計井深3650m目的層井位坐標地面海拔m50縱（）m4275165橫（）m20416485測線位置504和45地震測線交點地理位置XX省XX市東500m構造位置XX凹陷鉆探目的了解XX構造含油氣情況，擴大勘探區域，增加后備油氣源完鉆原則進入150m完鉆完井方法先期裸眼層位代號底界深度，m分層厚度，m主要巖性描述故障提示A280礫巖層夾砂土,未膠結滲漏B600320上部礫巖,砂質礫巖,中下部含礫砂巖滲漏C1050450中上部含礪砂巖、夾泥巖和粉砂質泥巖；下部礪狀砂巖，含礪砂巖、泥巖、粉砂質泥巖不等厚互層防塌D1600泥巖、砂質泥巖、礪狀砂巖、含礪砂巖不等厚互層，泥質粉砂巖防漏防斜E1900300砂質泥巖、泥質粉砂巖、夾礪狀砂巖、含礪砂巖防斜防漏F32650750泥巖、粉砂質泥巖、泥質粉砂巖防斜F2J2900250泥巖夾鈣質砂巖，夾碳質條帶煤線，中部泥巖夾煤層、下部泥巖、粉砂巖、泥質粉砂巖防斜、塌、卡F2K3150250泥巖為主，泥質粉砂巖，中粗砂巖，砂礫巖間互F13500350泥巖、泥質砂巖、下部灰褐色泥巖防漏、噴、卡QJ3650(未穿)150深灰，淺灰色灰巖為主，間夾褐，磚紅色泥巖防漏、噴、卡1.2井身結構設計圖鉆探目的層為灰巖地層，確定完井方法為先期裸眼完井。油氣套管下入層3－5m。根據地質情況，鉆達目的層過程中不受鹽巖，高壓水層等復雜地層影響，故井身結構設計按地層壓力和破裂壓力剖面（圖A－1）進行。地層壓力與地層破裂壓力剖面圖第2章井身結構設計2.1最大鉆井液密度和壓差計算公式2.1.1考慮是否發生井涌（2-1）式中：為發生井涌時，在井內最大壓力梯度作用下，上部地層不被壓裂所應有的地層破裂壓力梯度，；為某井段鉆進井段中所用的最大泥漿密度，；為抽吸壓力允許值的當量密度，取0.05；為地層壓裂安全系數，0.03；為發生井涌時的井涌允量，取0.05。2.1.2壓差計算公式=（2-2）式中：某井段內實際的井內最大壓差，；、分別為井段內最大與最小地層壓力當量密度，；、為最大與最小地層壓力點所對應的井深，；壓差允值=15。2.1.3資料的查取匯總=0.05；=0.05；=0.05；=0.03；=15。2.2井身結構設計2.2.1套管層次的確定（1）確定中間套管的下入深度將=1.53，=0.05，=0.03，=3650，=0.05代入公式（2-1）中有現試取=2500代入上式中有而2500m=1.696，因<2500m且相近，所以確定中間套管的下入深度初選點為=2500。（2）校核中間套管下入到初選點=2500過程中是否發生壓差卡套：將=1.53，=0.05，=0.95，=2000m代入公式（2-2）中有==12.3606而=15，因，不會發生壓差卡套，所以初選點D21=2500m為中間套管的下入深度。（3）因為井深為H=3650m，在留足5m口袋的前提下，油層套管下入深度為3645m。現校核油層套管：將=1.53，=0.05，=1.11，=2500m代入公式（2-2）中==0.00981（1.53+0.05-1.11）2500=11.527而=15，因，不會發生壓差卡套，所以油層套管的下入深度為D1=3645m。（4）、計算表層套管可下入深度：根據中間套管下入深度2500米處的地層壓力梯度給定0.05g/cm3的溢流條件，試算表層套管可下深度。=1.11+0.05+0.03+0.05*2500/D1假設D2=500m,=1.11+0.05+0.03+0.05*2500/500=1.44而500m=1.46，因<2500m且相近，所以確定中間套管的下入深度初選點為D2=500。2.2.2設計結果井身結構設計表井號項目井深（m）鉆頭尺寸（mm）套管外徑（mm）下入深度（m）A5表層套管500374.6339.7495A5中間套管780374.6339.7775A5中間套管2110241.3193.672105A5油層套管3650165.1139.73645第3章套管柱設計3.1資料的查取匯總抗內壓安全系數為，抗外擠安全系數為，抗拉安全系數為，最小抗外擠安全系數為。3.2油層套管柱的設計3.2.1按抗外擠強度設計由下而上設計選擇套管（1）第一段油層套管所受最大外擠力為=1.53*9.8*3645*1.125*10-3=61.485；查《鉆井手冊(甲方)》選擇第一段套管如下：鋼級外徑(mm)壁厚(mm)均重(kg/m)抗拉強度(t)抗內壓強度(MPa)抗擠強度(MPa)內徑（mm）（KN）J-55139.77.7225.30124.7485.276.50124.261215（2）確定第二段套管下入深度和第一段套管的使用長度查《鉆井手冊(甲方)》選擇第二段套管如下：鋼級外徑

(mm)壁厚(mm)均重(kg/m)抗拉強度(t)抗內壓強度(MPa)抗擠強度（MPa）內徑（mm）（KN）C-95193.679.5344.2298.956.39935.439174.63607.5第二段套管的下入深度為取=2100m，則第一段套管的使用長度為：=3645-2100=1545；取每根套管的長度為：；則第一段套管共N=1545/9.1=169.78根，取170根，實際下入深度1709.1=1547m；（3）確定第三段段套管下入深度和第二段套管的使用長度鋼級外徑

(mm)壁厚(mm)均重(kg/m)抗拉強度(t)抗內壓強度(MPa)抗擠強度（MPa）內徑（mm）（KN）J-55339.712.19101.2306.223.78713.445315.34755.1第三段套管的下入深度為取D3=1219.50m，則第二段套管的使用長度為：L2=D2-D3=2548-1219.50=1328.5；取每根套管的長度為：；則第二段套管共N=1328.5/9.1=145.98根，取146根，實際下入深度1469.1=1328.6m；則第三段套管使用長度L3=D1D2D3=364515471328.6=769.4m取每根套管的長度為：；則第三段套管共N=769.4/9.1=84.55根，取85根，實際下入深度859.1=773.5m；3.2.2油層套管的強度校核（1）抗拉強度校核浮力系數：而σt1=124.74t，則，所以第一段滿足抗拉強度要求。（2）應用雙軸應力來校核第一段中間套管浮力系數：套管浮重為：則結合雙軸應力橢圓查得：；則實際抗外擠強度為：而實際外擠力為：，所以第一段滿足雙軸應力校核。（3）第二段中間套管抗拉強度校核浮力系數：而，則，所以第二段滿足抗拉強度要求，不需要進行雙軸應力校核。3.3表層套管柱的設計3.3.1設計選擇表層套管表層套管所受最大外擠壓力為查《鉆井手冊(甲方)》選擇表層套管如下：鋼級外徑(mm)壁厚(mm)均重(kg/m)抗拉強度(t)抗內壓強度(MPa)抗擠強度(MPa)內徑(mm)(KN)J-55339.712.19101.2306.223.78713.445315.34755.13.3.2表層套管強度校核；而，則，所以表層套管滿足抗拉強度要求。取每根套管的長度為：；則表層套管共N=500/9.1=54.9根，取55根，不足長度的用一短套管。3.3.3設計結果套管柱設計參數表項目井段(m)鋼級外徑(mm)壁厚(mm)均重(kg/m)抗拉強度(t)抗內壓強度(MPa)抗擠強度(MPa)內徑(mm)(KN)表層套管0-500J-55339.712.19101.2306.223.78713.445315.34755.1技術套管II0-773.5J-55339.712.19101.2306.223.78713.445315.34755.1技術套管I773.5-2102.1C-95193.679.5344.2298.956.39935.439174.63607.5油層套管2102.1-3645J-55139.77.7225.30124.7485.276.50124.261215第4章鉆柱設計4.1鉆鋌的設計根據五茲和魯賓斯基理論得出：允許最小鉆鋌的最小外徑為：允許最小鉆鋌外徑=2倍套管接箍外徑—鉆頭直徑。鉆鋌長度取決于選定的鉆鋌尺寸與所需鉆鋌重量。4.1.1所需鉆鋌重量的計算公式所需鉆鋌重量=式中：安全系數為；浮力系數為，考慮最危險狀態，選最小鉆井液密度，使浮力系數為最大。4.2鉆具組合4.2.1一開鉆具組合當使用尺寸為374.6mm鉆頭時，=180KN。選用鉆鋌：NC56-80外徑為203.2mm，內徑為71.40mm，長度為9.1m，=2.19KN/m所需鉆鋌重量為：（KN）則鉆鋌長度為：鉆鋌根數為：實際取根，則鉆鋌實際長度為：；選用外徑為139.7mm，內徑為121.4mm，鋼級為E級，按最小屈服強度計算的最小抗拉力；最小抗擠壓力為；的鉆桿。實際鉆桿長度為：所需鉆桿根數為：；實際取根，則鉆桿實際長度為：679.1=609.7（m）。4.2.2一開鉆具的強度校核安全系數法：安全系數取；設計系數法：設計系數取；拉力余量法：拉力余量取MOP=450KN；比較以上三種校核方法，可以看出按卡瓦擠毀比值計算的最小，則鉆桿的許用長度為==3252.23（m)>609.7；（4）抗擠強度校核：綜上所知，所選鉆桿鉆鋌滿足要求。4.2.3二開鉆具組合當使用尺寸為241.3mm鉆頭時，=50KN。選用鉆鋌：NC44-62（4IF）外徑為158.80mm，內徑為71.40mm，長度為9.1m，=1.212KN/m————————————————————；；實際取Nc=9根，則鉆鋌實際長度為：9*9.1=81.9m；選用外徑為127mm，內徑為112mm，鋼級為E級，按最小屈服強度計算的最小抗拉力；最小抗擠壓力為；的鉆桿。；根；實際取Np=266根，則鉆桿實際長度為：266*9.1=2420.6（m）。4.2.4二開鉆具的強度校核安全系數法：安全系數取St=1.32；設計系數法：設計系數取；拉力余量法：拉力余量取MOP=450KN；比較以上三種校核方法，可以看出按拉力余量法計算的Fa2最小，則鉆桿的許用長度為=4080.80（m）2495（m）（4）抗擠強度校核：綜上所知，所選鉆桿鉆鋌滿足要求。4.2.5三開鉆具當使用尺寸為374.6mm鉆頭時，=180KN。選用鉆鋌：NC56-80外徑為203.2mm，內徑為71.40mm，長度為9.1m，=2.19KN/m所需鉆鋌重量為：（KN）則鉆鋌長度為：鉆鋌根數為：實際取根，則鉆鋌實際長度為：；選用外徑為139.7mm，內徑為121.4mm，鋼級為E級，按最小屈服強度計算的最小抗拉力；最小抗擠壓力為；的鉆桿。實際鉆桿長度為：所需鉆桿根數為：；實際取根，則鉆桿實際長度為：679.1=609.7（m）。4.2.2一開鉆具的強度校核安全系數法：安全系數取；設計系數法：設計系數取；拉力余量法：拉力余量取MOP=450KN；比較以上三種校核方法，可以看出按卡瓦擠毀比值計算的最小，則鉆桿的許用長度為==3252.23（m)>609.7；（4）抗擠強度校核：綜上所知，所選鉆桿鉆鋌滿足要求。4.3設計結果鉆具組合設計表項目鉆頭尺寸（mm）鉆鋌鉆桿型號外徑（mm）內徑（mm）長度（mm）鋼級外徑（mm）內徑（mm）長度（mm）一開444.5NC56-80203.271.40127.4E級139.7121.4627.9二開215.9NC44-62（4IF）158.871.463.7E級127108.61531.3三開第5章鉆井液設計5.1所需鉆井液體積及相關公式所需鉆井液體積=井筒內鉆井液體積+地面循環量+損耗量（5-1）其中：井筒內鉆井液體積為（5-2）式中：為第i段井徑，為第i段井眼長度；地面循環量為：15鉆機為100，30鉆機為120,40鉆機為140；損耗量為：（5-3）原漿體積為（5-4）粘土的質量與水體積的關系為（5-6）查取資料知：，。5.2井筒內鉆井液體積計算一次開鉆井筒內鉆井液體積為二次開鉆井筒內鉆井液體積為三次開鉆井筒內鉆井液體積為選用30鉆機，則地面循環量為120；現將，代入公式（5-5）及（5-6）中有5.3鉆井液密度轉換5.3.1密度轉換公式（5-7）式中：為需要調整到的鉆井液密度，；、分別為土與水的質量，kg；為需要的重晶石質量，kg；為原漿體積，；5.3.2加入重晶石的質量（1）第一次需要將鉆井液密度調整到將數據代入公式(5-7)則：由此解得。（2）第二次需要將鉆井液密度調整到將數據代入公式(5-7)則：由此解得，即第二次需再加重晶石106-57=49。5.4設計結果鉆井液設計參數表項目泥漿密度()重晶石用量(t)一開1.1557二開1.15649第6章鉆井水力參數設計泵組所提供的水力能量，一部分消耗于沿程損失，一部分為鉆頭所利用。一般情況在軟到中軟地層采用最大沖擊力工作方式，在硬地層采用最大水馬力工作方式。因此，在表層套管段，采用最大沖擊力的工作方式，在油層套管段采用最大水馬力（最大水功率）工作方式。6.1水力參數相關公式（6-1）（6-1）（6-2）（6-3）6.1.1最大沖擊力工作方式相關公式第一臨界井深為（6-4）第二臨界井深為（6-5）當時最優噴嘴直徑為（6-6）當時最優噴嘴直徑為（6-7）當時最優噴嘴直徑為（6-8）當時最大射流力為（6-9）當時最大射流力為（6-10）6.1.2最大水功率工作方式相關公式第一臨界井深為（6-11）第二臨界井深為（6-12）當時最優噴嘴直徑為（6-13）當時最優噴嘴直徑為（6-14）當時最優噴嘴直徑為（6-15）當時最大水功率為（6-16）當時最大水功率為（6-17）最優排量為（6-18）式中：為鉆井液塑性粘度，；為鉆桿內徑，cm；為井眼直徑，相當于井段所用鉆頭直徑，cm；為鉆桿外徑，cm；為鉆鋌外徑，cm；B為常數，內平鉆桿，貫眼鉆桿；、分別為鉆鋌、鉆桿長度，m；、分別為地面管匯、鉆鋌內外的壓耗系數；、分別為額定排量、攜巖所需的最小排量，；為額定泵壓，MPa；C為噴嘴流量系數，無因次；為噴嘴的當量直徑，cm；、分別為額定泵功率、泵壓，KW、MPa；D為井深，m。6.1.3水力參數優化設計確定最小排量巖屑舉升效率為（6-19）式中：為巖屑舉升效率，無因次，要求；為巖屑在環空的實際上返速度，m/s；為鉆井液在環空的平均上返速度，m/s。（6-20）（6-21）（6-22）（6-23）式中：為巖屑在鉆井液中的下滑速度，m/s；為巖屑直徑，cm；為巖屑密度，；為鉆井液有效粘度，；K為鉆井液稠度系數，；n為鉆井液流性指數，無因次；為鉆井液密度，。6.2泵的選擇查鄰井水力參數資料及鉆井參數知：井號井段（m）泵壓（MPa）排量(L/s)永樂區塊0-80017.9835-38永樂區塊800-162012.6435-38泵的選擇如下：井號井段(m)泵型缸套直徑(mm)額定泵壓(MPa)額定功率(KW)柴油機轉速(rpm)理論排量(L/s)SJ00650-750一臺SL3NB-1300A21956140038.75SJ00650-1600一臺SL3NB-1000A14.5735.5130040.346.3相關參數計算6.3.1表層套管段（0-750m）=2.2481*10-3=3.142*10-3將m=1.206*10-6，=2.2481*10-3，a=0.0039代入公式（6-4）中得第一臨界井深為=6237（m）>500（m）最大射流力為=8.35(KN)將=0.5，K=0.2，=0.6cm，=2.52，n=0.7，，=44.45cm，=13.97cm代入公式（6-19）、（6-20）、（6-21）中可解得=0.151。則攜巖所需的最小排量即所選泵滿足要求。因為，故最優噴嘴直徑=1.662采用三個相同直徑的噴嘴，則每個噴嘴直徑為。6.3.2油層套管段（0-1300m）==2.81*10-6=1.425*10-3==0.00226則第一臨界井深為=1364.28<1600現將=0.5，K=0.3，=0.6cm，=2.52，n=0.7，=1.32，=21.59cm，=12.7cm代入公式（6-19）、（6-20）、（6-21）中可解得=0.9137。則攜巖所需的最小排量為==21.876<即所選泵滿足要求。則第二臨界井深為為=6131因所以最優排量為==36.055則水功率為=594.57因，故最優噴嘴直徑為==1.922采用三個相同直徑的噴嘴，則每個噴嘴直徑為==1.110。機械參數設計各層段地層可鉆級值：地層ABCDEF3F2JF2KF1QJ可鉆性值0.611.392.1633.57.35.24.91，確定系數由表4-20查得直徑為203.2mm的DI為0.1632，D2=5.94D1段軟地層Q1=2.5,Q2=1.088*10-4,C1=72，計算最優鉆壓C1=7，第8章設計結果表8-1井身結構設計表井號項目井深（m）鉆頭尺寸（mm）套管外徑（mm）下入深度（m）SJ0065表層套管755444.5339.7750SJ0065油層套管1600215.9139.71595表8-2套管柱設計參數表項目井段(m)鋼級外徑(mm)壁厚(mm)均重(kg/m)抗拉強度(t)抗內壓強度(MPa)抗擠強度(MPa)內徑(mm)(KN)表層套管0-750J-55339.712.19101.2306.223.78713.445315.34755.1油層套管II0-1