钻井工程设计论文

0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 1目录绪论 ……………………………………………………………2第一章 井身结构设计…………………………………………31.1 套管的类型…………………………………31.2 井身结构设计的原则………………………51.3 设计系数……………………………………51.4 井身构设计的方法…………………………51.5 套管尺寸和井眼尺寸的选择………………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……………………………193.3 套管强度设计方法……………………………193.4 套管柱设计方法........................21结论及建议………………………………………………………27参考文献…………………………………………………………28 2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 3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①表层套管；②中间套管，亦称技术套管；③生产套管；④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，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 4 5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wS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力使井内液柱g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，fS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k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NPΔA1.4 井身结构设计的方法在进行井身结构设计的时候，首先要建立设计井所在地区的地层压力和地层 6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：ρmax =ρpmax+ Sw--ρmax:某层套管的钻进井段中所使用的最大钻井液密度，g/cm3；--ρpmax 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 7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，设由于压力激动使井内的压力增加值为 Sg，则最大井内压力梯度为：=ρmax+ SgmEρ--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：=ρmax+ SkmEρ--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：=ρmax+ SkmEρnHmax3）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 最大允许压差的取值 在正常压力地层： ΔPN=11-17MPa 在异常压力井段： ΔPa=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，ff当钻下部井段时不会发生井涌，可是式（7-1）计算， 8（7-1）SfgbPf max式中： ——剖面图中最大地层压力梯度的当量密度， ap 3cmg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f交，交点所在的深度即为中间套管下入深度假顶点（ ） D21若预计要发生井涌，可用式（7-2）计算，（7-2）SSkpfbpf 21maxmax式中： ——剖面图中最大地层压力梯度点所对应的深度，mDpax式中（7-2）中的 可用试算法求得，试去 的值入式（7-2）21 D21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f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f 21否则另取 值计算，直到满足要求为止212． 验证中间套管下到深度 是否有被卡的危险21先求出该井段最小地层压力处的最大静止压差Dpmpmini)_(0981.其中 ——压力差，MPa.____钻进深度 是采用的钻井夜密度,g/cm 3 m21______ 该井段内最小地层当量密度， g/cm3inp————最小地层压力点所对应的井深，mDi在压差 下所允许的最大地层压力为：N= （7-2）per Sbp_0981.minin 93． 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， 下式可求得允许的最大地层D2 2f压力梯度 _ _ (7-5)per2fSbf231k式中： ——钻井尾管下入深度的假定点，m.314. 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） SkfbpfE122)(式中： ——井涌压井时表层套管鞋处承受的压力的当量密度，g/cm 3f——中间套管鞋处的地层压力当量密度，g/cm 32p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 7—2。

给定设计系数：Sb=0．036 g／ ；Sg=0．04 g／ ；sk=0．06 g／c3cm3；cm3Sf=0．03 g／ , ； ，试进行该井的井身结构设计3MPapn12PaA18 10解 由图上查得最大地层孔隙压力梯度为 2．04 g／ ，位于 4 250 m 处．c31．确定中间套管下入深度初选点 D1由(7—2)式，将各值代入得：06.42503.6.04.21F试取 D21=3 400 m，将 3 400 m 代入上式得：=2.181 g／ ，06.4250.6.04.21DF c3由上图查得 3 400 m 处当 g／ 因为 且相近，所以确定中9.340F3340F间套管下入深度初选点为 212．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／ ，57.40pcm3g／ ， 由 7-3 得07.1inPc3,minD（1.57+0.036 －1.07）=16.037MPa598.p因为 所以中间套管下深应浅于初选点N在 ＝１2 MPa 下所允许的最大地层压力梯度可由(7—4)式求得：＋１．０７－０.０３６＝１.４３５，由图中地层压力梯度305981.per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4percm3。

因 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 29致 谢值此论文完成之际，首。