中国石油大学(北京)完井工程课程设计

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1、中国石油大学（北京）完井工程课程设计完井工程课程设计姓名：赵胜绪学号： 2011010194班级：石工11-10 班中国石油大学（北京）石油工程学院2014年 11月 16日中国石油大学（北京）完井工程课程设计目录一、地质概况 .1二、井身结构设计 .22.1基础数据 .22.2中间套管下深设计 .32.3表层套管下深设计 .32.4 套管和井眼尺寸选择 .3三、 固井工程设计 .53.1套管强度设计 .53.1.1表层套管强度设计 .53.1.2中间套管强度设计 .53.1.3油层套管强度设计 .73.2注水泥设计 .93.2.1表层套管注水泥设计 .93.2.2中间套管注水泥设计 .103

2、.2.3 油层套管注水泥设计 .11四、 设计结果 .12五、参考文献 .13一、地质概况表 1.1 地质基础资料井 别探 井井 号A5设计井深4114目的层Q J地面海拔m50井坐标纵（） m4275165横（ y ）m20416485位测线位置504 和 45 地震测线交点地理位置XX 省 XX 市东 500m构造位置XX 凹陷钻探目的了解 XX 构造 QJ含油气情况，扩大勘探区域，增加后备油气源完钻原则进入 QJ 150m 完钻完井方法套管射孔层位代号底界深度， m分层厚度， m主要岩性描述故障提示A280砾岩层夹砂土 ,未胶结渗漏B600320上部砾岩 ,砂质砾岩 ,中下部含砾砂岩渗漏

3、中上部含砺砂岩、夹泥岩和粉砂质泥岩；C1050450下部砺状砂岩，含砺砂岩、泥岩、粉砂质泥防塌岩不等厚互层D1600550泥岩、砂质泥岩、砺状砂岩、含砺砂岩不等防漏厚互层，泥质粉砂岩防斜E1900300砂质泥岩、泥质粉砂岩、夹砺状砂岩、含砺防斜砂岩防漏F32650750泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩防斜F2J2900250泥岩夹钙质砂岩，夹碳质条带煤线，中部泥防斜、塌、卡岩夹煤层、下部泥岩、粉砂岩、泥质粉砂岩F2K3150250泥岩为主，泥质粉砂岩，中粗砂岩，砂砾岩间互F13500350泥岩、泥质砂岩、下部灰褐色泥岩防漏、喷、卡QJ3650150深灰，浅灰色灰岩为主，间夹褐，砖红色泥防漏、喷、卡

4、(未穿 )岩1二、井身结构设计2.1 基础数据地层压力和破裂压力剖面如下图2.1 所示：图 2.1地层压力和破裂压力剖面设计井深：H=3300+班号 25+学号的后二位数字 6=3300+10 25+946=4114m地层压力和破裂压力剖面图中地层压力梯度的当量钻井液密度由1.00g/cm3 变为1.10g/cm3的井深按以下规律取值：H=1600+ 班号 30+ 学号的后二位数字6=1600 +10 30 +94 6=2464m井身结构设计系数见下表2.1，其他数据请查阅钻井手册（甲方）及相关参考书。表 2.1井身结构设计有关系数名称SbSgSfSkPNPag/cm3g/cm3g/cm3g/

5、cm3MPaMPa数值0.050.050.030.051520来源理论计算理论计算区域资料统计区域资料统计区域资料统计区域资料统计22.2 中间套管下深设计（1）中间套管下入深度初选点 D21从图 2.1 查得， =1.5g/cm 3，Dpmax= 3200m ；从表 2.1 中查得 Sb= 0.05g/cm 3 ；pmaxS = 0.03g/cm3 ；S= 0.05g/cm3 ；fk由 = + Sb + Sf +DpmaxSkfpmaxD21试取 D21= 2900m，代入上式得：3200 = 1.5 + 0.05 + 0.03 +0.05 = 1.64g/cm 3f2900由图 2.1 中

6、查得= 1.72g/cm3， 且接近，故确定 D= 2900mf2900ff290021（2）校核中间套管是否被卡由图 2.1 可知，该井段内 = 1.21g/cm3 ， = 1.0g/cm 3 ，Dpmin= 2464mpmaxpmin由?P =0.00981( +Sb- ) Dpmin 得：pmaxpmin?P = 0.00981(1.21 + 0.05 - 1.0) 2464 = 6.28MPa?P = 6.28MPa ?PN = 15MPa，所以中间套管安全下入井深为2900m。2.3 表层套管下深设计根据中间套管鞋处（ D21）的地层压力梯度，给定井涌条件 Sk，用试算方法计算表层套

7、管的下入深度。由 = + Sb + Sf +D 21 SkfEp2D1试取 D1 = 800m ，代入上式得：29000.05 = 1.47g/cm 3 = 1.21 + 0.05 + 0.03 +fE800查图 2.1 可知 = 1.48g/cm3， = 1.47g/cm3 P ?S = 7.85 1.1 = 8.63MPariii根据以上计算结果，查钻井手册（甲方）上，选取J-55，壁厚10.92mm，长圆螺纹套管：di/mm Pri /MPaPc/MPaFt /kNqkg/mkN/m317.921.30510.618306990.780.8902校核抗内压强度S =Pri=21.305=

8、 2.72 1.1iPi7.85校核抗拉强度S =Ft=3069= 4.31 1.8tFm0.8902 800校核抗外挤强度S =Pc=Pc=10.618= 1.29 1.0cPoc0.00981 D0.00981 1.05 800m所以选用的 J-55，壁厚 10.92mm 套管符合设计要求。表层套管设计结果详见下表4.2。中间套管强度设计（1） 计算最大内压力，筛选符合抗内压要求的套管根据图 2.1 和表 3.1 可知：下入深度 2900m，所用钻井液密度m = 1.25g/cm 3，抗内压安全系数为 Si=1.10，根据公式可计算井口最大内压力为：P =0.009811.25 2900=

9、 29.77MPa1.1155-4 0.55 2900i 10?Pri Pi ?Si= 29.77 1.1 = 32.74MPa5因此抗内压强度小于32.74 MPa 的套管均不适用。(2) 按抗挤强度设计下部套管计算最大外挤力，选择第一段套管Poc = 0.00981 D = 0.00981 1.25 2900= 35.56MPam查钻井手册（甲方）上，并以上根据计算结果，选取N-80 ，壁厚13.84mm，长圆螺纹套管：dPPcFt /kNqi/mmri /MPa/MPakg/mkN/m216.854.67545.643472479.620.7808校核第一段套管抗内压强度Pri54.67

10、5= 1.84 1.1Si1 =Pi29.77校核第一段套管抗外挤强度Pc45.643Sc1 = 1.28 1.0Poc35.56第二段套管选用 N-80 ，壁厚 10.03mm，长圆螺纹套管：di/mmPri /MPaPc/MPaFt /kNqkg/mkN/m224.439.64521.305327859.530.5838第二段的许可下深：D2 =Pc21.305= 1737m=1.25 1.00.00981 S0.00981mc取 D2 = 1730m第一段下入长度：L1 = 2900 - 1730 = 1170m校核第一段套管抗拉强度：Fm1 = q 1 L1 = 0.7808 1170

11、 = 913.54KNSt1 =Ft14724= 5.17 1.8Fm1913.54（ 3）按抗拉强度设计上部套管上部 1730 m 套管设计转为抗拉设计，计算第二段套管按抗拉要求的允许使用长度 L 2，由：Ft2 StFm1 + q 2L 2得，Ft2-Fm13278- 913.54St1.8L2 =q2= 1555m0.5838实取： L 2=1550m校核第二段套管抗内压力强度：Si2=Pri39.645= 1.33 1.1=29.77Pi校核第二段套管抗外挤强度6Sc2 =Pc21.305= 1.12 1.0Poc0.00981 1.25 1550校核第二段套管抗拉强度Fm2 = Fm

12、1 + q 2 L2 =913.54 + 0.5838 1550 = 1818.43kNS =Ft2=3278= 1.8027 1.80t2Fm21818.43第三段套管的抗拉强度应该要比第二段的大，故选用和第一段套管相同，即N-80 ，壁厚13.84mm 长圆螺纹套管：di/mmPri /MPaPc/MPaFt /kNqkg/mkN/m216.854.67545.643472479.620.7808计算第三段套管按抗拉要求的允许使用长度L 3，Ft3- Fm24724- 1818.43St1.8L 3 = 1032mq 30.7808实际距离井口还有180m，取 L 3=180m ；校核第三

13、段套管抗内压力强度：Si3Pri54.675= 1.84 1.1Pi29.77校核第三段套管抗外挤强度Pc45.643Sc3 = 20.68 1.0Poc0.00981 1.25 180校核第三段套管抗拉强度Fm3 = Fm2 + q 3L3 = 1818.43 + 0.7808 180 = 1958.97KNSt3 =Ft34724= 2.41 1.80Fm31958.97中间套管设计结果详见下表4.3。油层套管强度设计（1） 计算最大内压力，筛选符合抗内压要求的套管根据图 2.1 和表 3.1 可知：下入深度4114m，所用钻井液密度m = 1.55g/cm 3，抗内压安全系数为 Si=1

14、.10，水泥返高为2314m，可计算井口最大内压力为：0.009811.55 4114= 48.60MPaPi =-4 0.55 41141.1155 10?Pri Pi ?Si = 48.60 1.10 = 53.46MPa因此强度小于 53.46MPa 的套管均不适用。(2) 按抗挤强度设计下部套管，水泥面上双向应力校核计算最大外挤力，选择第一段套管Poc = 0.00981 D = 0.00981 1.55 4114= 62.56MPam查钻井手册（甲方）上，并以上根据计算结果，第一段选取N-80 ，壁厚12.65mm，长圆螺纹套管：7dPPcFt /kNqi/mmri /MPa/MPa

15、kg/mkN/m152.563.70870.189331852.090.5108校核第一段套管抗内压强度Si1 =Pri63.708= 1.31 1.1Pi48.60第二段套管选用N-80 ，壁厚 11.51mm，长圆螺纹套管：di/mmPPcFFqri /MPa/MPat /kNs /kNkg/mkN/m154.862.44659.3642989331447.620.467第二段的许可下深：D2 =Pc59.364= 3904m0.00981 Sc0.00981 1.55 1.0m取 D2=3904m ，第一段下入长度：L1 = 4114 - 3904 = 210m则第一段套管在水泥面以下。

16、校核第一段套管抗外挤强度：Pc70.189Sc1 = 1.12 1.0Poc62.56校核第一段套管抗拉强度：Fm1 = q 1 L1 = 0.5108 210 = 107.21kNFt13318St1 = Fm1= 107.21 = 30.95 1.8因为 D 2=3904m2314m ，超过水泥面，考虑双向应力危险截面：水泥面2314m 处：KB= 1-1.55m =1 -= 0.8037.85sFm = K B (q 1 L1 + q2 (D2 - 2314 ) = 0.803 (107.21+ 0.467 ( 3904 -2314 ) ) = 681.96kNPcc = Pc (1.0

17、3Fm681.96) = 52.10MPa- 0.74) = 59.364 (1.03 - 0.74Fs3314Sc2314Pcc=52.10= 1.48 1.0=Pcc23140.009811.55 2314校核第二段套管抗内压强度：Si2Pri62.4461.28 1.1=Pi48.60（ 3）按抗拉强度设计上部套管上部 2314m 处套管设计转为抗拉设计， 计算第二段套管按抗拉要求的允许使用长度 L 2，由：Ft2 StFm1 + q 2L 2得，Ft2-Fm12989L2St=1.8- 107.21=q2= 3326m0.4678实取： L 2=3320m ，校核第二段套管抗拉强度Fm

18、2 = Fm1 + q 2L2 = 107.21 + 0.467 3320 = 1657.65kNSt2Ft2=2989= 1.8027 1.80=1657.65Fm2第三段套管的抗拉强度应该要比前二段的大，故选用N-80 ，壁厚 13.72mm，长圆螺纹套管：dP/MPaPcF/kNFs /kNqi/mmri/MPatkg/mkN/m150.463.70878.5313621390156.550.5546计算第三段套管按抗拉要求的允许使用长度L3，Ft33621-1657.65L3 =St - Fm2=1.8= 638mq30.5546实际距离井口还有584m，取 L 3=584m ；校核第

19、三段套管抗内压力强度：Si3 =Pri63.708= 1.31 1.1Pi48.6校核第三段套管抗外挤强度：因为 D 3=584m ，超过水泥面，考虑双向应力危险截面：KB=1-m= 1 -1.55= 0.803s7.85Fm = KB ( Fm2 + q 3L3 ) =0.803 ( 1657.65 + 0.5546 584) = 1590.33kNP= P (1.03 -0.74Fm) =78.531 (1.031590.33- 0.74) = 57.17MPaccc3Fs3901Sc3Pcc357.17= 6.44 1.0=0.00981Pc31.55 584校核第三段套管抗拉强度Fm3

20、 = Fm2 + q 3 L3 = 1657.65 + 0.5546 584 = 1981.60kNS=Ft3=3621= 1.83 1.80t3Fm31981.60油层套管设计结果详见下表4.4。3.2 注水泥设计注水泥就是指从井口经套管柱将水泥浆注入井壁与套管柱环空，将套管柱和地层岩石固结起来的过程表层套管注水泥设计用 444.5mm 钻头，钻至井深800m；把 339.7mm 套管下至井深800m，水泥返至地面；管内水泥塞高度5m。水泥浆密度 1.85g/cm 3；水泥为 G 级油井水泥，干水泥密度为3.15g/cm3；水的密度1.00g/cm 3。9(1) 环空水泥浆量计算：V1 =

21、4（ Di 2 - d i 2 ）Hi = 4( 0.4445 2 - 0.3397 2 ) 800 = 51.61m 3(2)管内水泥浆量计算：V =2 h=2 5 = 0.40m 3 di0.317924c4(3)套管底面到井底之间水泥浆量计算：V2 ?h= D34i由于在本设计中钻入深度和下入套管长度相等，即?h = 0，则 V3 = 0。(4)水泥浆附加量计算：V4 = 0.3( V1 + V2 + V3 ) = 0.3 ( 51.61 + 0.40 + 0) = 15.60m 3(5) 总水泥浆用量计算V = V1 + V2 + V3 + V4 = 51.61 + 0.40 + 0

22、+ 15.60 = 67.61m 3(6) 实际用水量和干水泥量计算设需要干水泥的体积x m3，需要水的体积y m3 ，则有x + y = 67.61 3.15x + 1.00y= 1.85 67.61联立以上两个方程解得：x = 26.73 y = 40.88所以，配浆用的水的质量为：40.88 1.00 = 40.88t配浆用的干水泥的质量为：26.73 3.15 = 84.20t(7) 水灰比计算水的质量=40.88水灰比 = 0.49干水泥的质量84.20中间套管注水泥设计用 311mm 钻头，钻至井深 2900m；把 244.5mm 套管下至井深 2900m，水泥返至地面；管内水泥塞

23、高度 5m。水泥浆密度 1.85g/cm 3；水泥为 G 级油井水泥，干水泥密度为 3.15g/cm3；水的密度 1.00g/cm 3。(1) 环空水泥浆量计算：V=22）H （ Di- di14i2 - 0.24452) (2900 -800 ) + ( 0.3179 2 - 0.2445 2 ) 800 = 86.81m 3= ( 0.31104(2) 管内水泥浆量计算：V =2 h25 = 0.18m 3 d=0.216824ci4(3) 套管底面到井底之间水泥浆量计算：10V =2?hD34i由于在本设计中钻入深度和下入套管长度相等，即?h = 0，则 V3 = 0。(4) 水泥浆附加

24、量计算：V4 = 0.3( V1 + V2 + V3 ) = 0.3 ( 86.81 + 0.18 + 0) = 26.10m 3(5) 总水泥浆用量计算V = V1 + V2 + V3 + V4 = 86.81 + 0.18 + 0 + 26.10 = 113.10m 3(6) 实际用水量和干水泥量计算设需要干水泥的体积x m3，需要水的体积y m3 ，则有x + y = 113.10 3.15x + 1.00y= 1.85 113.10联立以上两个方程解得：x = 44.71 y =68.38所以，配浆用的水的质量为：68.38 1.00 = 68.38t配浆用的干水泥的质量为：44.71

25、 3.15 = 140.84t(7) 水灰比计算水的质量=68.38水灰比 = 0.49干水泥的质量140.84油层套管注水泥设计用 215.9mm 钻头，钻至井深 4114m；把 177.8mm 套管下至井深 4114m，水泥返至 2314m ；管内水泥塞高度5m。水泥浆密度 1.85g/cm 3；水泥为 G 级油井水泥，干水泥密度为3.15g/cm3；水的密度 1.00g/cm 3。(1) 环空水泥浆量计算：22 ）HiV1 = （ Di- di4= 4 ( 0.2159 2 - 0.1778 2 ) (4114 - 2900 ) + ( 0.2168 2 - 0.1778 2 ) ( 2

26、900 - 2314 ) = 21.37m 3(2) 管内水泥浆量计算：V22 hi =2 5 = 0.09m3= d c0.150444(3)套管底面到井底之间水泥浆量计算：2 ?hV3 = Di4由于在本设计中钻入深度和下入套管长度相等，即?h = 0，则 V3 = 0。(4)水泥浆附加量计算：V4 = 0.3 (V1 + V2 + V3) = 0.3 ( 21.19 + 0.09 + 0 ) = 6.39m 3(5) 总水泥浆用量计算11V = V1 + V2 + V3 + V4 = 21.19 + 0.09 + 0 + 6.39 = 27.67m 3(6) 实际用水量和干水泥量计算设需

27、要干水泥的体积x m3，需要水的体积y m3 ，则有x + y = 27.67 3.15x + 1.00y= 1.85 27.67联立以上两个方程解得：x = 10.94 y = 16.73所以，配浆用的水的质量为：16.73 1.00 = 16.73t配浆用的干水泥的质量为：10.94 3.15 = 34.46t(7) 水灰比计算水的质量=16.73水灰比 = 0.49干水泥的质量34.46注水泥设计结果详见下表4.5。四、设计结果表 4.1井身结构设计结果名称套管直径 (mm)下入深度 (m)钻头直径 (mm)表层套管339.7800444.5技术套管244.52900311.1生产套管1

28、77.84114215.9表 4.2表层套管设计结果名下入井段外径内径抗内压抗外挤抗拉单位长抗内压抗外挤抗拉壁厚称钢级强度强度强度度重量安全系数安全系数安全系数(m)(mm)(mm)(mm)(MPa)(kN)(kg/m)(MPa)10800339.7317.9J-5510.9221.30510.618306990.782.721.294.31表 4.3中间套管设计结果名下入井段外径内径壁厚抗内压抗外挤抗拉单位长抗内压抗外挤抗拉钢级强度强度强度度重量安全称(m)(mm)(mm)(mm)安全系数安全系数(MPa)(MPa)(kN)(kg/m)系数10180244.50216.8N-8013.845

29、4.67545.643472479.621.8420.682.4121801730244.50224.4N-8010.0339.64521.305327859.531.331.121.8027317302900244.50216.8N-8013.8454.67545.643472479.621.841.285.17表 4.4油层套管设计结果名下入井段外径内径壁厚抗内压抗外挤抗拉单位长抗内压抗外挤抗拉称钢级强度强度强度度重量安全系数安全系数安全(m)(mm)(mm)(mm)12(MPa)(MPa)(kN)(kg/m)系数10584177.80150.4N-8013.7263.70878.5313

30、62156.551.316.441.8325843904177.80154.8N-8011.5162.44659.364298947.621.281.481.8027339044114177.80152.5N-8012.6563.70870.189331852.091.311.1230.95表 4.5注水泥设计结果名称水泥返高 (m)水泥浆总体积 (m3)水泥浆密度 (g/cm3)干水泥用量 (t)水灰比表层套管067.611.8584.200.49技术套管0109.561.85136.450.49生产套管231427.671.8534.460.49五、参考文献1 周开吉，郝俊芳 .钻井工程设计 M. 东营：石油大学出版社， 19962 陈庭根，管志川 . 钻井工程理论与技术 M. 东营：石油大学出版社， 20003 钻井手册（甲方）上 M. 北京：石油工业出版社， 19904 李根生、翟应虎，完井工程 M ，北京：中国石油大学（出版社） ， 200913