钻井工程设计论文

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1、 摘要 本论文的编写是为了： 通过写论文把课堂所学与现场实际很好的结合起来并用于实践，在具体的的实践中发现问题并能解决问题。 本论文的正文部分分别对井身结构设计、钻杆柱设计、套管柱设计做了阐述和分析并附了实际实例来编写，最终以这三个大方面阐述了一口井的设计全过程。 本论文在建立的模型基础之上，编制了相应的计算程序，分析了钻铤、钻杆、套管的株数和尺寸为读者提供了宝贵的资料。关键词：井身结构、钻井设计参数、钻杆柱、套管柱、安全系数目录 绪论 2第一章 井身结构设计3 1.1 套管的类型3 1.2 井身结构设计的原则5 1.3 设计系数5 1.4 井身构设计的方法5 1.5 套管尺寸和井眼尺寸的选择

2、12第二章 钻杆柱设计142.1 钻铤设计142.2 钻杆设计142.3 设计实例16第三章 套管柱设计183.1 套管柱和套管柱183.2 套管强度设计原则19 3.3 套管强度设计方法19 3.4 套管柱设计方法.21结论及建议27参考文献28第一章 绪 论钻井是石油、天然气勘探与开发的主要手段。钻井工程质量的优劣和钻井速度的快慢，直接关系到钻井成本的高低，油田勘探开发的综合经济效益及石油工业发展的速度。 钻井工程设计是钻井施工作业必须遵循的原则，是组织钻井设计的科学性，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 搞好钻井工程设计也是提高技术

3、管理和加强会企业水平的一项重要措施，是钻井生产科学化管理的前提。第一章 井身结构设计所谓井身结构，就是在已钻成的裸眼井中下如直径不同、长度不等的几层套管，然后注入水泥浆封固环形空间间隙，最终形成由轴心线重合的一组套管和水泥环组合。井身结构设计的主要依据是地层压力和地层破裂压力剖面。1.1 套管的类型套管的类型很多，根据套管的功用可将套管分为以下几种类型表层套管；中间套管，亦称技术套管；生产套管；钻井衬管，亦称钻井尾管，它的作用同中间套管。表层套管是开始下入的最短最浅的一层套管，表层套管主要有两个作用：一是在其顶部安装套管头，并通过套管头悬挂和支承后续各层套管；二是隔离地表浅水层和浅部复杂地层，

4、使淡水层不受钻井液污染。表层套管鞋必须下在有足够强度的地层上，以免发生井涌而关井后将套管鞋处的地层压漏，产生井下井喷。 介于表层套管和生产套管之间的套管都称中间套管，中间套管的作用是隔离不同地层孔隙压力的层系或易塌易漏等复杂地层。根据需要，中间套管可以是一层、两层，甚至多层。生产套管是钻达目的层后下入的最后一层套管，其作用是保护生产层，并给油气从产层流至地面提供通道。钻井衬管常在已下入一层中间套管后采用，即只在裸眼井段下套管注水泥，套管柱不延伸至井口。采用钻井衬管可以减轻下套管时钻机的负荷和固井后套管头的负荷，同时又可节省大量套管和水泥，降低固井成本。1.2 井身结构设计的原则 进行井身结构设

5、计所遵循的原则主要有：(1) 有效地保护油气层，使不同地层压力的油气层免受钻井液的损害。(2)应尽量避免压、喷、塌、卡等井下复杂情况的发生，为全井顺利钻进创造条件，以获得最短建井周期。 （3）钻下部地层采用重钻井液时产生的井内压力不致压裂上层套管处最薄弱的裸露地层。 （4）下套管过程中，井内钻井液柱的压力和地层压力之间的压力差，不致产生压差卡套管现象。 （5）当实际地层压力超过预测值使井出现液流时，在一定范围内，具有压井处理溢流的能力。1.3 设计系数（1）抽吸压力系数上提钻桂时，由于抽吸作用使井内液柱压力降低的值，用当量密度表示。 (2)激动压力系数。下放钻柱时，由于钻柱向下运动产生的激动压

6、力使井内液柱压力的增加值，用当量密度表示。 (3)安全系数。为避免上部套管鞋处裸露地层被压裂的地层破裂压力安全增值，用当量密度表示。安全系数的大小与地层破裂压力的预测精度有关。(4)井涌允量。由于地层压力预测的误差所产生的井涌量的允值，用当量密度表示，它与地层压力预测的精度有关。(5) 压差允值P。不产生压差卡套管所允许的最大压力差值，它的大小与钻井工艺技术和钻井液性能有关，也与裸眼井段的地层孔隙压力有关。若正常地层压力和异常高压同处一个裸眼井段，卡钻易发生在正常压力井段，所以压差允值又有正常压力井段和异常压力井段之分，分别用和表示。 1.4 井身结构设计的方法 在进行井身结构设计的时候，首先

7、要建立设计井所在地区的地层压力和地层破裂压力剖面.（一）井身结构设计关键参数1最大钻井液密度：某一层套管的钻进井段中所用的最大钻井液密度，和该井段中的最大地层压力有关： max =pmax+ Sw-max:某层套管的钻进井段中所使用的最大钻井液密度，g/cm3；-pmax该井段的最大地层压力梯度， g/cm3；-Sw:考虑到上提钻柱时抽吸作用使井底压力降低，为了平衡地层压力所加的附加钻井液密度， g/cm3。Sw=0.024-0.048 g/cm3 .2最大井内压力梯度：1)正常作业（起下钻、钻进）：正常钻井条件下，井内最大压力梯度是发生在下放钻柱时，由于产生压力激动使得井内压力增高，设由于压

8、力激动使井内的压力增加值为Sg，则最大井内压力梯度为：=max+ Sg-Sg:激动压力梯度当量密度； g/cm3；-Sg=0.024-0.048 g/cm32)发生液流时：为了制止液流，如压井时井内压力增高值为Sk,则最大井内压力梯度为：=max+ Sk-Sk=0.060 g/cm3-上式只适用于发生液流时最大地层压力所在的井深Hpmax的井底处，而对于井深为Hn的任意井深处的井内压力梯度为：=max+ Sk3）最大允许压差为了在下套管过程中，不致于发生压差粘卡套管的事故，应该限制井内钻井液液柱压力与地层压力的压力差值，即规定最大允许压差。l 最大允许压差的取值l 在正常压力地层： PN=11

9、-17MPal 在异常压力井段： Pa=14-22MPa（二）、井身结构设计的方法1 求中间套管下入深度的假定点确定套管下入深度的依据，在下钻下部井段的过程中 所预计的最大井内压力不致压裂所应具有的地层破裂压力梯度的当量密度。的确定有两种方法，当钻下部井段时不会发生井涌，可是式（7-1）计算， （7-1）式中：剖面图中最大地层压力梯度的当量密度，。在横坐标上找出地层的设计破裂压力梯度，从该点向上引垂直线与破裂压力线相交，交点所在的深度即为中间套管下入深度假顶点（）。若预计要发生井涌，可用式（7-2）计算， （7-2）式中：剖面图中最大地层压力梯度点所对应的深度，m。式中（7-2）中的可用试算法

10、求得，试去的值入式（7-2）求，然后在地层破裂压力梯度曲线上求所对应的地层破裂压力梯度。计算值与实际值相差不大或略小于实际值，则即为中间套管下入深度的假定点。否则另取值计算，直到满足要求为止。2 验证中间套管下到深度是否有被卡的危险先求出该井段最小地层压力处的最大静止压差。 其中压力差，MPa._钻进深度是采用的钻井夜密度,g/cm3 _ 该井段内最小地层当量密度，g/cm3最小地层压力点所对应的井深，m在压差下所允许的最大地层压力为：= （7-2）3 求钻井尾管下入深度的假定点当中间套管下入深度小于假定点是，则需要小尾管，并确定尾管下入深度。根据中间套管下入深度处的地层破裂压力梯度，下式可求

11、得允许的最大地层压力梯度。 =_ (7-5) 式中：钻井尾管下入深度的假定点，m. 4. 校核钻井尾管下到假定深度处是否会产生压差卡套管校核方法同2，压差允许值同式（7-2）5.计算表层套管下如深D1根据中间套管鞋处的地层压力梯度，给定井条件sk，用试算方法计算表层套管下入深度。每次给定D1，并代如下式计算。 （7-6） 式中：井涌压井时表层套管鞋处承受的压力的当量密度，g/cm3 中间套管鞋处的地层压力当量密度，g/cm3 试计算结果，当接近或小于处的破裂压力梯度00240048时符合要求，表层套管下入深度。 以上套管下入深度的设计是以压力剖面为依据的，但是地下的许多复杂情况是反映不到压力剖

12、面上的，如易漏易塌层岩盐层等，这些复杂地层必须及时地进行封隔。必须封隔的层位在井身结构设计中又成为必封点。 6设计举例 例：某井设计井深为4 400 m，地层孔隙压力梯度和地层破裂压力梯度剖面如图72。给定设计系数：Sb=0036 g；Sg=004 g；sk=006 g；Sf=003 g,；，试进行该井的井身结构设计。 解 由图上查得最大地层孔隙压力梯度为204 g，位于4 250 m处 1确定中间套管下入深度初选点 由(72)式，将各值代入得： 试取D21=3 400 m，将3 400 m代入上式得：=2.181 g，由上图查得3 400 m处当 g因为且相近，所以确定中间套管下入深度初选点

13、为 2校核中间套管下入到初选点3 400m过程中是否会发生压差卡套管由上图查得，3 400 m处 g， g，由7-3得（1.57+0.0361.07）=16.037MPa因为所以中间套管下深应浅于初选点。 在2 MPa下所允许的最大地层压力梯度可由(74)式求得： .，由图中地层压力梯度曲线上查出与 g，对应的井深为3 200 m，则中间套管下入深度。因，所以还必须下入尾管。 3确定尾管下入深度 确定尾管下入深度初选点为由剖面图查得中间套管下入深度3 200 m处地层破裂压力梯度 g，由(75)式，并代入各值则有： 试取3 900 m，代入上式得： g 由剖面图上查得3 900 m处的地层压力

14、梯度 g，因为，且相差不大，所以确定尾管下入深度初选点为3 900 m。 4校核尾管下入到初选点3 900 m过程中能否发生压差卡套管 由(73)式得 (MPa)因为所以尾管下入深度3 900 m，满足设计要求。 5确定表层套管下深， 由(76)式，将各值代入有： 试取850 m，代入上式得 =1.737 g由剖面图查井深850m处g 。因，且相近，所以满足设计要求。该井的井身结构设计结果如表7-1。套管层次表层套管中间套管钻井尾管生产套管下入深度850m3200m3900m4400m 1.5 套管尺寸和井眼尺寸的选择 套管层次和每层套管的下入深度确定之后，相应的套管尺寸和井眼直径也就确定了。

15、套管尺寸的确定一般由内向外依次进行，首先确定生产套管的尺寸，再确定下入生产套管的井眼的尺寸，然后确定中间套管的尺寸等，依次类推，直到表层套管的井眼尺寸，最后确定导管的尺寸。套管和井眼之间要有一定的间隙，间隙过大则不经济，过小不能保证固井质量。间隙值最小一般在95127 mm范围内，最好为19 mm。套管尺寸和井眼尺寸的配合目前已经系列化。图7-3给出了系列化的套管和井眼尺寸的选择表。表的流程表明下该层套管所需要的井眼尺寸，实线表明套管和井眼的常用配合，虚线表明不常用配合。 第二章 钻杆柱的设计 2.1钻铤设计钻铤是钻柱设计的首要部分。钻铤长度和尺寸将影响需要使用的钻杆类型。选用钻铤时通常都要考

16、虑：1. 给钻头加压时下部钻柱是否会压弯。2. 选用足够量的钻铤以防止钻杆受压。以下是常用的钻铤设计方法：允许最小钻铤外径=2倍套管接箍外径-钻头直径2.2钻杆设计1. 钻杆柱的强度校核方法(1) 轴向应力1) 钻柱上部拉应力A. 钻柱在泥浆中空悬时：井口：井口下某载面：其中：F1=为横断面积；B为钻柱浮力。B. 钻进时：C. 起钻时：其中：Qf 为钻柱与井壁的摩擦力；d为动载。其中：d. 斜井中：E. 井下动力钻井时： 直井中2) 钻柱下部压应力：(2) 剪应力：其中：为扭矩；n抗扭截面系数。其中：牙轮钻头时：刮方钻头时：(3) 弯曲应力：其中：2. 钻杆柱入深度设计(1) 方法：，其中 y

17、为抗拉负荷 (2) 钻柱设计其 2.3设计实例某井设计深度7925m;钻铤长度183m;浮力系数0.7861;钻铤每米重1601N/m,卡瓦长度406.4mm;钻杆尺寸114.3和127.0mm;拉力余量445KN;安全系数1.30;114.3mm钻杆1.37; 127.0mm钻杆1.42.1. 钻铤上第一段114.3mm,242.3N/m的E级钻杆2. 第二段选用114.3mm,242.3N/m的G105钻杆3. 第三段选用127.0mm,284.78N/m的G105级钻杆4. 第四段选用127.0mm,37366N/m的G105钻杆因为:所以:L4=7925-L1-L2-L3-183=91

18、5m所以该井从上到下的钻柱设计为:127.0mm 376.66N/m G105钻杆 915m127.0mm 284.78N/m G105钻杆 934m114.3mm 242.3N/m G105钻杆 2488m177.8m钻铤183m合计井深 7925m第三章 套管柱的设计3.1 套管和套管柱 ： 1、 油井套管是优质钢材制成的无缝管或焊接管，两端均加工有锥形螺纹。大多数的套管是用套管接箍(casing coupling)连接组成套管柱。套管柱用于封固井壁的裸露岩石。 2、 油井套管有其特殊的标准，每种套管都应符合标准。我国现用的套管标准与美国API(美国石油学会)标准类似。 API标准规定套管

19、本体的钢材应达到规定的强度，用钢级表示。API标准中不要求套管钢材的化学性质，但应保证钢材的最小屈服强度，数字的1 OOO倍是套管钢材以kpsi(1 bfin。)为单位的最小屈服强度。API标准把套管钢级分为： H、J、K、N、c、L、P、Q八种共计10级，见表72： 。 在标准的钢级中，H一40、J一55、K一55、C一75、L一80、C一90这六种是抗硫的，其余四种是非抗硫的。3、API标准要求套管的外径要符合一定的尺寸，常用的标准套管外径从1143 mm(4in)到502 mm(20 in)，共有14种： 11430 mm(4in)； 24447 mm(9in)； 127OO mm(5

20、in)； 27305 mm(10in)； 13970 mm(5in)； 29844 mm(11in)； 16827 mm(6in)； 33971 mm(13in)； 17780 mm(7 in)； 40640 mm(16 in)； 19367。mm(7in)； 47308 mm(18in)； 21907 mm(8in)； 50800 mm(20 in)。 套管有不同的壁厚。API标准规定的各种套管的壁厚范围在5211613 mm。通常是小直径的套管壁厚小一些，大直径套管的壁厚大一些。 3.2 套管强度设计原则 套管柱的强度设计是依据套管所受的外载，根据套管的强度建立一个安全的平衡关系： 。 套

21、管强度外载安全系数套管柱的强度设计就是根据技术部门的要求，在确定了套管的外径之后，按照套管所受外部载荷的大小及一定的安全系数选择不同钢级及壁厚的套管，使套管柱在每一个危险截面上都建立上述表达的关系。设计必须保证在井的整个使用期间，作用在套管上的最大应力应在允许的范围之内。 设计的原则应考虑以下三个方面： (1)应能满足钻井作业、油气层开发和产层改造的需要； (2)在承受外载时应有一定的储备能力； (3)经济性要好。3.3 套管柱强度设计方法 如果令： 设计外载 = 外载设计安全系数 则按安全系数法设计套管柱也就是要求： 1 套管强度设计外载l 所设计出的套管柱应该是既满足抗挤要求，又满足抗内压

22、要求和抗拉要求。从前述的套管柱受力分析中可见，套管柱所受的各种外载沿管柱的分布规律是不一样的。如技术套管，若下次钻进中井漏未漏空，则其有效外压力为中间大，井口和井底小；而其轴向拉力是井口最大，井底最小。为满足这二者的同时要求，同时考虑经济性，则整个管柱应由强度不同的几段管柱组成，在不同部位的管柱满足不同主要矛盾的要求。这种由几段强度不同的管柱组成的套管柱称为复合套管柱。l 如果是表层套管或是油层套管，或是需要按全掏空考虑的技术套管，由于有效外压力的分布与上不一样（井底最大；井口最小，为零），因此套管柱的设计结果会不一样。即是说，由于套管柱类型不同、地层情况不同、井的生产工艺不同，套管柱的受力情

23、况不一样，因此套管柱的设计结果会不一样。由于受力情况不一样，还可采用不同的设计步骤，以使设计更快捷。 3.4 套管柱设计方法1.掌握已知条件(套管尺寸,下入深度,安全系数等).2.确定第一段套管纲级和壁厚.3.确定第二段套管司下入深度和第一段套管使用长度 L1=H1-H24.计算降低后的抗挤强度值,校核抗挤安全系数5.按抗拉强度设计确定上部各段套管 6.抗内压安全系数校核 （一）套管柱设计实例某井177.8mm套管柱设计,下深3500m,井内泥浆密度1.30,水泥浆返深2800m,抗挤安全系数1.125;抗拉安全系数1.80,井口抗内压安全系数1.10.取N-80壁厚11.50mm套管,抗挤强

24、度60.46Mpa2.取N-80壁厚10.36mm套管,抗挤强度49.35Mpa3.取N-80，壁厚9.19mm套管，抗挤强度38.03Mpa考虑双向应力影响，采用试算法假设第三段套管下至2300m，则l2=3300-2300=1000m4.所以第三段取2000米。5.取N-80壁厚10.36mm套管6=1.56 (安全)7套管柱设计结果如表7-1表 7-1段号井深(m)段长钢级壁厚(mm)扣型段重(KN)40-300300N-801036长圆扣1293 300-23002000N-80919长圆扣77422300-33001000N-801036长圆扣43213300-3500200N-80

25、1151长圆扣95累重(KN)抗拉安全系数抗挤安全系数抗内压安全系数14301.891.5613011.811.1591.565275.141.1501.569532.001.1811.56（二）设计依据 套管强度设计依据表套 管程 序套管尺寸mm井深m封固井段m下套管时钻井液密度g/cm3下次钻进钻井液密度g/cm3设计校核方法技术套管244.5516030051571.301.65BEB设计方法技术尾管206.45391510753881.651.13全掏空油层尾管139.76150508061481.13全掏空（三）、套管柱强度校核表8 套管柱强度设计套管程序套管尺寸mm井段m段长m钢级

26、壁厚mm扣型单位重量N/m段重KN抗外挤抗内压抗拉设计实际设计实际设计实际技术套管244.50-45004500KO110S11.99梯扣685.413084.351.1251.531.101.811.81.88-5157657KO110T11.99梯扣685.41450.311.1255.001.102.571.8/技术尾管206.45107-5388281TP140 V17.25直联扣788.1221.461.151.161.10/1.8/油层尾管139.75080-61481068P11010.54直联扣335.45358.261.1251.471.101.841.87.71注：（1）8

27、 1/8直联式无接箍套管暂按天钢TP 140V设计，8 1/8性能要求如下：8 1/8直联式无接箍套管抗外挤性能不小于150MPa；8 1/8直联式套管通径尺寸与7 5/810.92mm有接箍套管相对应，通径最低必须保证6 5/8工具下入，以便于各种调整与配套。套管联接后，联接部分抗外挤能力应不小于套管本体。 （2）139.7mm设计采用直联式套管，暂取VAM-FJL直联扣套管数据进行计算，考虑供应问题，可暂采用长圆扣套管。 （3）244.5mm4500m以上套管使用防H2S套管，结合库存及准备，使用SM110S、KO-110S套管，应按入库套管实际扣型准备变扣短节。结论 通过两年半的在校学习

28、和几个月的生产实习使我学到了很多东西,这是第一次写论文收集了大量的资料才完成,我会在今后的学习和工作中更加努力地学习钻井方面的知识是和应用技巧。 通过这次的论文设计编写使我感到了打好一口井不光靠的是使技术和设备，最主要的还是钻前的设计工作，在今后的工作和学习中要加强这方面的研究。建议由于用于研究的时间和本人的水平有限，文中尚存在很多缺陷之处，再次给出如下建议；（1） 设计过程中，没有充分考虑到钻井的成本和钻井周期，只涉及到了一口井的工程部分。在这方面本人知识很欠缺，望在今后的学习工作中得以加强。（2） 在钻井工程设计中没有写出钻井液的药品用量和成分。参考文献1、 刘圣希.钻井工程原理.北京.石

29、油工业出版社19882、 钻井手册编写组.北京.石油工业出版社19903、 浓忠厚.油井设计基础与计算.北京.石油工业出版社19884、 防廷根、管志川.石油工程理论与基础技术.北京.石油工业出版社20005、 孙树坚.井下作业.石油工业出版社2006致 谢值此论文完成之际，首先向导师程教授表示衷心的感谢。从论文的选题、研究方向的把握直至论文的总体设计，程老师倾注了巨大的心血。程老师以其严谨的治学精神、勤奋认真的工作态度深深感染了我，并且在工作方法和学术理论方面给予了我莫大的帮助。与此同时，程老师严谨的治学态度深深影响着我，并将激励我在未来的科研道路上不断前进。在论文完成之际，谨向程老师表示最

30、衷心的感谢！另外，我还要感谢在我学习和生活方面给予极大关怀和照顾的以及其他老师。其他几位老师给我的关心和帮助使我终生难忘，在此表示诚挚的感谢！附录完井工程是一项系统工程，是联系钻井和采油生产环节的一个重要环节，通过完井环节，一口生产井交给采油部门进入长期的开采生产。在钻井后，完井是起到至关重要的作用，完井是包括从钻井生产层、下油层套管、注水泥、射孔、砾石充填到试采等一系列生产过程的总称。完井工程的内容包括：1. 钻开生产层 根据岩心分析的资料提出钻开生产层的钻井液类型，制定钻开生产层的具体方案，提出防止生产层被钻开后可能产生的岩心变形和污染的方法。2.提出完井的井底结构 按生产层的岩石性质、储油性质、流体性质和产层的开发方式等具体条件确定具体的完井井底结构，确定全井的完井方式。3. 确定完井管柱的尺寸 按生产的要求确定合理的油层套管、油管等完井管柱的尺寸，并进一步确定全井各层套管的尺寸，由此确定全井的井深、井径等。4.封闭井底 在已钻成的井眼中下入油层套管，注水泥封固井筒。在不需要或不能下套管的井中裸眼完井或下衬管、筛管等完井管柱，必要时进行砾石充填。 5.连通生产层 用射孔的方法将已封闭的井底射开，通过射孔孔道使产层和井眼相连。或用裸眼、衬管、筛管连通井眼与产层。 6.完井的试井评价 正式投产前用试采的方法求取生产层参数，测试井的生产能力。 31