中国石油大学在线考试期末考试《钻井工程》答案.docx

中国石油大学（北京）远程教育学院期 末 考 试 钻井工程学习中心：_甘肃*_ 姓名：_张*_ 学号：_*034_ 一、名词解释（每小题5分，共20分）1.井斜方位角 某测点处的井眼方向线投影到水平面上称为井眼方位线，以正北方向线为始边，顺时针旋转至井眼方位线所转过的角度称为井斜方位角。2.硬关井 是指在没打开放喷闸门防喷的情况下，直接关闭防喷器的关井。3.欠平衡钻井 欠平衡钻井又叫负压钻井，是指在钻井时井底压力小于地层压力，地底的流体有控制地进入井筒并且循环到地面上的钻井技术。4.岩石的可钻性 是钻进时岩石抵抗机械破碎能力的量化指标。岩石可钻性是工程钻探中选择钻进方法、钻头结构类型、钻进工艺参数，衡量钻进速度和实行定额管理的主要依据。二、简答题（每小题10分，共40分）1.钟摆钻具组合的防斜原理答：当钟摆摆过一定角度时，在钟摆上会产生一个向回摆的力，称作钟摆力。显然，钟摆摆过的角度越大，钟摆力就越大。如果在钻柱的下部适当位置加一个扶正器，该扶正器支撑在井壁上，使下部钻柱悬空，则该扶正器以下的钻柱就好像一个钟摆，也要产生一个钟摆力，此钟摆力的作用是使钻头切削井壁的下侧，从而使新钻的井眼不断降斜。2.钻井液的功用答：（1）清除井底岩屑，并携带至地面。（2）冷却，润滑钻头和钻具，给地层以冲击力，加快破碎岩石速度。（3）悬浮岩屑。（4）平衡地层压力，防止井喷、井漏、井塌和卡钻等事故。（5）形成低渗透性泥饼巩固井壁。（6）涡轮钻具的井底动力液。（7）控制腐蚀。（8）承受部分钻柱和套管的重量。（9）帮助录井。（10）减少油气层伤害。3. 射流清洁井底的机理答：射流撞击井底后形成的井底冲击压力波和井底漫流是射流对井底清洗的两个主要作用形式。（1）射流的冲击压力作用。射流撞击井底后形成的井底冲击压力波并不是作用在整个井底，而是作用在某些小圆面积上。就整个井底而言，射流作用的面积内压力较高，而射流作用的面积以外压力较低。在射流的冲击范围内，冲击压力也极不均匀，射流作用的中心压力最高，离开中心则压力急剧下降。另外，由于钻头的旋转，射流作用的小面积在迅速移动，本来不均匀的压力分布又在迅速变化。由于这两个原因，使作用在井底岩屑上的冲击压力极不均匀，极不均匀的冲击压力使岩屑产生一个翻转力矩，从而离开井底，这就是射流对井底岩屑的冲击翻转作用。（2）漫流的横推作用，射流撞击井底后形成的漫流是一层很薄的高速液流层，它对井底岩屑产生一个横向推力，使起离开原来的位置，进入环空。4. 钻柱的功用答：（1）为钻井液由井口流向钻头提供通道；（2）给钻头施加适当的压力（钻压），使钻头的工作刃不断吃入岩石；（3）把地面动力（扭矩等）传递给钻头，使钻头不断旋转破碎岩石；（4）起下钻头；（5）根据钻柱的长度计算井深；（6）通过钻柱可以观察和了解钻头的工作情况、井眼状况及地层情况等；（7）进行取心、挤水泥、打捞井下落物，处理井下事故等特殊作业；（8）对地层流体及压力状况进行测试与评价，及钻杆测试等。三、课程设计（共40分）设计任务：XX油区XX凹陷一口直井生产井的钻井与完井设计。设计内容：（其中打“”部分必须设计，其他部分可选做或不做）。1.地质设计摘要（）；2.井身结构设计（）；3.固井工程设计：套管柱强度设计（）；4.钻柱组合和强度设计（）；5.钻机选择（）；6.钻进参数设计：（1）机械破岩参数设计（包括钻头选型，所有钻头选用江汉钻头厂牙轮钻头、选取钻压和转速）（）；（2）钻井液体系及性能设计（仅设计钻井液密度，其它参数不作要求）（3）水力参数设计（）；（4）钻柱与下部防斜钻具结构（）。考核方式及成绩评定（1）格式、规范：4分，评分依据：工程设计规范；评分标准：4符合程度。（2）设计的依据与原则准确性：12分，评分依据：工程设计依据与原则； 评分标准：12符合程度。（3）过程的参数选择的合理性和计算过程的可靠性：12分，评分依据：参数符合工程实际，计算过程可靠；评分标准：12符合程度。（4）结果准确性：12分。基础数据：1.地质概况：见后附设计样例表A1。2.设计井深：H=3000 + 4100 + 学号的后二位数字 3 （m）3.地层压力和破裂压力剖面：根据图A1，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=3000 + 4100 + 学号的后二位数字 3 （m）4.设计系数：见表A-2和表A-3，其他数据查钻井手册（甲方）和参考书。5.水力参数设计数据见表A-4。6.钻柱设计数据见参数书2。7.完井方式：先期裸眼完井，177.8mm(7”)生产套管。附录1.地质概况表A-1井 别探 井井 号A5设计井深目的层井位坐标地面海拔 m 50纵（）m 4275165横（）m 20416485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构造含油气情况，扩大勘探区域，增加后备油气源完钻原则进入150m完钻完井方法先期裸眼层位代号底界深度，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C1050450中上部含砺砂岩、夹泥岩和粉砂质泥岩；下部砺状砂岩，含砺砂岩、泥岩、粉砂质泥岩不等厚互层防塌D1600泥岩、砂质泥岩、砺状砂岩、含砺砂岩不等厚互层，泥质粉砂岩防漏防斜E1900300砂质泥岩、泥质粉砂岩、夹砺状砂岩、含砺砂岩防斜防漏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，中部泥岩夹煤层、下部泥岩、粉砂岩、泥质粉砂岩防斜、塌、卡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QJ3650(未穿)150深灰，浅灰色灰岩为主，间夹褐，砖红色泥岩防漏、喷、卡2.井身结构设计钻探目的层为灰岩地层，确定完井方法为先期裸眼完井。油气套管下入层35m。根据地质情况，钻达目的层过程中不受盐岩，高压水层等复杂地层影响，故井身结构设计按地层压力和破裂压力剖面（图A1）进行。图A-1 地层压力和破裂压力设计系数见表A-2。表A-2 井深结构设计有关系数名称g/cm3g/cm3g/cm3g/cm3 MPa MPa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表 A-3 各层段地层可钻级值地 层A B C D E F3 F2J F2K F1 QJ可钻性值0.6 1 1.39 2.16 3 3.5 7.3 5.2 4.9 3.水力参数设计（1）泥浆泵型号与性能表A-4 水力参数设计数据3NB1000钻井泥浆泵（两台，可仅用一台）缸套直径（mm）额定泵冲（次 分）额定排差（L S）额定泵压（Mpa）12015019.933.113015023.428.214015027.124.315015031.121.216015035.418.617015040.016.5（2）钻井液性能其它参数 地面泵压不超过20Mpa Kg=1.07*10Mpa SL 环空返速不低于0.7m/s，不高于1.2m/s 钻井液塑性粘度0.0047pa.S1.地质设计摘要1.1 地质概况该井位于504和45地震测线交点，距XX省XX市东500m，所在的地质构造为XX凹陷，该井海拔较低，钻该井目的是通过打开层来了解该层的油气情况，扩大该油区的勘探范围，增加油区的总体油气后备储量。1.2 地质基本数据1.2.1 井号：A51.2.2 井别：生产井1.2.3 井位： （1）井位坐标：纵（X）4275165横（Y）20416485 （2）地面海拔：50m （3）地理位置：XX省XX市东500m （4）构造位置：XX凹陷 （5）过井测线：504和45地震测线交点1.2.4 设计井深：H=3000 + 4100 + 343=3502m （学号：933034）1.2.5 目的层：层，底层深度3650m，分层厚度150m1.2.6 完钻层位：A、B、C、D、E、F3、F2J、F2K、F1、QJ1.2.7 完钻原则：先期裸眼完井1.2.8 钻探目的：了解XX构造的油气情况，扩大勘探区域，增加后备油气源2.井身结构设计2.1井身结构设计思路：（1）、能够避免或尽量减少漏、喷、塌、卡等复杂情况，从而实现安全顺利钻进；（2）、能有效的保护油、气藏；（3）、满足地址和开采的要求；（4）、应使全井经济效益最好。2.2井身结构设计的原则：（1）能有效地保护油气层，使不同压力梯度的油气层不受钻井液的损害。（2）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，使钻井周期最短。（3）钻下部高压地层时所用的较高密度钻井液产生的液柱压力，不致压裂上一层套管鞋处薄弱的裸露地层。（4）下套管过程中，井内钻井液压力和地层压力之间的压差，不致产生压差卡阻套管事故。2.3 地层可钻性分级及地层压力预测2.3.1 地层可钻性分级地 层A B C D E F3 F2J F2K F1 QJ可钻性值0.6 1 1.39 2.16 3 3.5 7.3 5.2 4.9 2.3.2 压力剖面预测 2.4 井身结构设计系数钻探目的层位灰岩地层，确定完井方法为先期裸眼完井，根据地质情况钻达目的层过程中不受盐岩、高压水层等复杂地层影响，故井身结构设计按地层压力和破裂压力剖面进行。井深结构设计系数如下表所示。名称g/cm3g/cm3g/cm3g/cm3 MPa MPa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2.5各段套管下入目的及确定依据：一开：0330下一层表层套管，171/2钻头,133/8套管，依据是因为在这一段地层的岩性描述为：泥岩夹砂岩，页岩。所以这一段下表层套管，其目的就是封隔地表疏松，易塌，易漏的地层,安装井口装置，是井口设备的唯一支撑件。二开：02900下入一层技术套管，121/4钻头，95/8套管，依据是因为在这地层下入一层技术套管段的主要目的是解决由地层性质，地层压力引起的钻井技术问题。三开：03500m下油层套管至3500米，81/2钻头，7套管，依据是因为在这地层下入一层技术套管段的主要目的是解决由地层性质，地层压力引起的钻井技术问题。四开：35003650m采用61/2钻头钻穿水泥塞，先期裸眼完井。根据数据资料计算设计井身结构：开钻顺序套管钻头尺寸()下深()尺寸()钻深（）一133/8330171/2330二95/82900121/42900三7350081/23500四61/236502.4井身结构图 井身结构示意图（图1-1）套管133/8330m 钻头171/2330m 套管95/8 2900m 钻头121/42900m 套管7 3500m 钻头81/23500m 用61/2的钻头打开产层井深3650米 2.5完井方法：对目的层采用先期裸眼完井先期裸眼完井-先钻至油气层顶部，下套管固井，固井后，再用小钻头打开油气层的完井方法。3. 套管柱强度设计3.1 油层套管柱设计7套管设计下深3500，井内泥浆密度为=1.39+0.07=1.46，水泥返至地面，抗挤安全系数：=1.0，抗拉安全系数：=1.6，抗内压安全系数：=1.0。 （1）选第一段套管： 计算井底液柱压力：Pm=H/102=(1.464120)/102=58.97 计算所需抗挤强度：Pc1=Pm=58.971.0=58.97 C . 选第一段套管：N80 、 、 Pj1=2.989兆牛 抗挤安全系数： 满足抗挤要求的强度。 2）选二定一 A .选第二段套管：N80 、 、 Pj2=2.656兆牛 B .第二段可下入深度 C .第一段长度 L1=H1-H2=3500-3382=118M D .计算重力 W1=q1XgXL1=47.62*9.8*118=55067N 选三定二A .选第三段套管: N80 、 、Pj3=1.966兆牛 B .第三段可下入深度 C .第二段长度 D .计算重力 5）.转入抗拉设计 A .计算第三段第三段可下长： B .计算重力： C . 差多少到井口 6）.选四定四 A .选第四段套管：N80 、 、 、 B .计算第四段长： C .计算重力 抗内压校核对井口处内压力强度进行校核： H=3500米 、 、Pp=53.44Mpa套管鞋处内压力：外平衡压力（认为时间长泥浆会沉淀，取） 井口处： 套管鞋处：。有效内压力及其梯度： 井口处： 套管鞋处： 有效内压力梯度： 由下图可知，抗内压安全计算第三段套管剩余拉力 实际抗拉安全系数： 3.2套管设计结果编号井段（m）段长(m)套管段重(N)累计重(N)安全系数剩余拉力（千牛）钢级壁厚（mm）扣型抗挤抗拉40-745745N8011.51长圆34767415764241.01.60243374518451100N808.05长圆扣36890112287501.030892184533821537N8010.365154428598491.0133823500118N8011.515506755067 1.014.钻柱组合和强度设计4.1钻铤的设计根据五兹和鲁宾斯基理论得出，允许最小钻铤的最小外径为：允许最小钻铤外径=2倍套管接箍外径-钻头直径。钻铤长度取决于选定的钻铤尺寸与所需钻铤重量。4.1.1所需钻铤重量的计算公式m=（Wm*Sf）/Kbm所需钻铤的重量，kNWm所需钻压；Sf安全系数,此取Sf=1.2；Kb浮力系数；Lc所需钻铤的长度,m；Ldp所需钻杆的长度，m；qc每次开钻所需钻铤单位长度重量；N每次开钻所需钻铤的根数；每根钻铤的长度9.1m。4.1.2计算钻柱所受拉力的公式1钻柱所受拉力P=（Ldp*qdp+Lc*qdp）KbP钻柱所受拉力，kN；P外挤=dgLP外挤钻杆所受外挤压力,MPa。4.2钻铤长度的计算4.2.1一次开钻钻具组合1.钻铤长度的确定选钻铤外径203.2mm，内径71.4mm，qc=2190N/m。此时Kb=0.858，W=40KNLc=（Sn*W）/（qc*Kb）=（1.2*40）/（2.19*0.858）=25.54m从而实际用3根，实际长度3*9.1=27.3（m）2.钻杆长度计算及安全校核钻杆外径139.7mm，内径121.4mm，q=319.71N/m，钢级E级Fy=1945.06KN，St=1.3（1）安全系数校核：Fa1=0.9Fy/ St =0.9*1945.06/1.3=1346.58KN(2)卡瓦挤毁校核Fa2=0.9 Fy /(y/x)=0.9*1945.06/1.42=1232.78KN（3）动载校核：Fa3=0.9Fy-MOP=0.9*1945.06-400=1350.5KN较三种安全校核知卡瓦挤毁校核计算的最小则钻杆Lp=（Fa2*qc*Lc* Kb）/（q* Kb）=4307.08m80m从而实际用钻杆：80-27.3=52.7m校核抗挤度：P外挤=gh=1.1*1000*9.8*（80-27.3）=0.568MPa310m从而实际用钻杆：310-118.3=191.7m校核抗挤度：P外挤=gh=1.1*1000*9.8*（310-118.3）=2.1605MPa2000m从而实际用钻杆：2000-218.4=1781.6m校核抗挤度：P外挤=gh=1.1*1000*9.8*（2000-218.4）=21.825MPa18.8即A0实=284.2 mm2276.7mm2(7)计算水力参数： Pt实=15.3；Px实=(mH+n)Q1.8=4.9Pb实= Pt实+ Px实=20.2Nt = Pt实Q=697.7KWNx = Px实Q=223.4KWNb = Nt + Nx =921.1 KWh = Nt/ Nb =0.757Vo = =160.6m/s；=；2、在井段7301130：(1)确定最小排量Qa： Qa=Vn=0.6=0.311，=0.127；Qa=(2)选择缸套的直径和排量：由中国石油装备大全得：3NB-1300钻井泵，选缸套内径为170，=21. ，=41.52，允许使用泵压Pb=P地允=20Mpa.(3)计算m、n值dpi-钻杆内径108.6mm dpa-钻杆外径127.0mm=0.311;=1.20103k;=6.97105=1.20103k;3dci 9=71.4mm ;dca9=228.6mm;Lci9=27.3mmdci 8=71.4mm; dca8 =203.2mm;Lci8=54.6mmdci 7=71.4mm; dca7 =177.8mm;Lci7=114.97mm =3.56108=2.82108=1.42108=1.026108n1=(1.3+2.57+3.24+0.935) 108 =8.826108n= n1-m =8.826108-6.97105(27.3+54.6+114.97)=7.773108(1)计算临界井深： = =2030.9mHcH则Q可以确定,即因为HcH，则Q可以确定,即Q=Qr=0.04152 m3/s (2)计算钻头分到的压力PtHcHPt=pr-(mH+n)Qr1.8=21106-(6.971051540+7.773108) (0.04152)1.8 =13.97 (3)计算喷嘴面积A0= =2.78cm2 d =mm选喷嘴直径：=10，=11，=12； =19.0819.01即A0实=285.7 mm2283.8mm2(4)计算水力参数： Pt实=15.1；Px实=(mH+n)Q1.8=5.7Pb实= Pt实+ Px实=20.8Nt = Pt实Q=688.6KWNx = Px实Q=259.9KWNb = Nt + Nx =948.5 KWh = Nt/ Nb =0.726Vo = =159.44m/s；=；3、在井段11301530：其它参数不变(1)计算临界井深： = =2031mHcH则Q可以确定,即因为HcH，则Q可以确定,即Q=Qr=0.04152m3/s (2)计算钻头分到的压力PtHcHPt=pr-(mH+n)Qr1.8=21106-(6.971051940+7.773108) (0.04152)1.8 =13.064 (3)计算喷嘴面积A0= = 2.87cm2 d = mm选喷嘴直径：=9，=10，=14； =19.4019.30即A0实=295.4 mm2292.3mm2(4)计算水力参数： Pt实=14.16；Px实=(mH+n)Q1.8=6.57Pb实= Pt实+ Px实=20.73Nt = Pt实Q=637.2KWNx = Px实Q=299.6KWNb = Nt + Nx =936.8 KWh = Nt/ Nb =0.68 KWVo = =154.6m/s；=；4、在井段15301930：其它参数不变(1)计算临界井深： = =2031则Q可以确定,即因为HcH，则Q可以确定,即Q=Qr=0.04152m3/s (2)计算钻头分到的压力PtHcHPt=pr-(mH+n)Qr1.8=21106-(6.971051940+7.773108) (0.04152)1.8 =13.064 (3)计算喷嘴面积A0= = 2.87cm2 d = mm选喷嘴直径：=9，=10，=14； =19.4019.30即A0实=295.4 mm2292.3mm2(4)计算水力参数： Pt实=14.16；Px实=(mH+n)Q1.8=6.57Pb实= Pt实+ Px实=20.73Nt = Pt实Q=637.2KWNx = Px实Q=299.6KWNb = Nt + Nx =936.8 KWh = Nt/ Nb =0.68 KWVo = =154.6m/s；=；5、在井段19302330：其它参数不变(1)计算临界井深： = =2031则Q可以确定,即因为HcH，则Q可以确定,即Q=Qr=0.04152m3/s (2)计算钻头分到的压力PtHcHPt=pr-(mH+n)Qr1.8=21106-(6.971051940+7.773108) (0.04152)1.8 =13.064 (3)计算喷嘴面积A0= = 2.87cm2 d = mm选喷嘴直径：=9，=10，=14； =19.4019.30即A0实=295.4 mm2292.3mm2(4)计算水力参数： Pt实=14.16；Px实=(mH+n)Q1.8=6.57Pb实= Pt实+ Px实=20.73Nt = Pt实Q=637.2KWNx = Px实Q=299.6KWNb = Nt + Nx =936.8 KWh = Nt/ Nb =0.68 KWVo = =154.6m/s；=；6、在井段23302730：其它参数不变(4)计算临界井深：=2031mHa=2573m即因为HHa，则Q可以确定,即Q=Qa=0.03801m3/s (5)计算钻头分到的压力PtPt= pr-(mH+n)Qa1.8=21106-(6.971053140+7.773108) (0.03801)1.8 =11.76 (6)计算喷嘴面积A0= = 2.77cm2 d =mm选喷嘴直径：=8，=10，=11； =16.8816.80即A0实=223.7mm2221.7mm2(7)计算水力参数： Pt实=13.28；Px实=(mH+n)Q1.8=7.56Pb实= Pt实+ Px实=20.84Nt = Pt实Q=419.6KWNx = Px实Q=238.9KWNb = Nt + Nx =658.5KWh = Nt/ Nb =0.64Vo = =141.7m/s；=；7、在井段27302900：(1)确定最小排量Qa： Qa=Vn=0.6=0.311，=0.127；Qa=(2)选择缸套的直径和排量：由中国石油装备大全得：3NB-1300钻井泵，选缸套内径为170，=21，=41.52,允许使用泵压Pb=P地允=20Mpa.(3)计算m、n值dpi-钻杆内径108.6mm dpa-钻杆外径127.0mm=0.311;=1.32103k;=7.65105=1.32103k;dci 9=71.4mm ;dca9=228.6mm;Lci9=27.3mdci 8=71.4mm; dca8 =203.2mm;Lci8=54.6mdci 7=71.4mm; dca7 =177.8mm;Lci7=69.13m =3.91108=3.099108=1.56108=1.127108n1=(1.56+3.099+3.91)108 =9.696109n= n1-m =8.5406108(4)计算临界井深： = =1751mHa=2244m即因为HHa，则Q可以确定,即Q=Qa=0.03801m3/s (5)计算钻头分到的压力PtPt= pr-(mH+n)Qa1.8=21106-(7.651053659+8.5406108) (0.03801)1.8 =9.85 (6)计算喷嘴面积A0= = 3.175cm2 d = mm选喷嘴直径：=6，=10，=12； =16.73216.73即A0实=219.8 mm2219.7mm2(7)计算水力参数： Pt实=11.32；Px实=(mH+n)Q1.8=7.56Pb实= Pt实+ Px实=20.82Nt = Pt实Q=420.9KWNx = Px实Q=238.9KWNb = Nt + Nx =659.8 KWh = Nt/ Nb =0.64Vo = =143.6m/s；=；8、在井段29003300：(1)确定最小排量Qa： Qa=Vn=1 =0.215，=0.127；Qa=(2)选择缸套的直径和排量：由中国石油装备大全得：3NB-1300钻井泵，选缸套内径为170，=21，=41.52，允许使用泵压Pb=P地允=20Mpa. (3)计算m、n值dpi-钻杆内径108.6mm dpa-钻杆外径127.0mm=0.215;=1. 42103k;7 =10.308105=1.42103k;7dci 7=71.4mm; dca7 =177.8mm;L7=54.6m=71.4mm; dca6.5 =165.1mm;=100.87m =4.55108=6.87108=1.22108n1=(4.55+6.87+1.22) 108 =12.64108n= n1-m =12.64108-10.308105(54.6+100.87)=11.037108(4)计算临界井深： = =1057mHa=4797m即因为H17.86即A0实=253.5 mm2250.3mm2(7)计算水力参数： Pt实=10.5；Px实=(mH+n)Q1.8=10.2Pb实= Pt实+ Px实=20.7Nt = Pt实Q=331.8KWNx = Px实Q=322.3KWNb = Nt + Nx =654.1KWh = Nt/ Nb =0.507Vo = =124.9m/s；=；9在井段33003500：(1)确定最小排量Qa： Qa=Vn=1 =0.215，=0.127；Qa=(2)选择缸套的直径和排量：由中国石油装备大全得：3NB-1300钻井泵，选缸套内径为170，=21，=41.52，允许使用泵压Pb=P地允=20Mpa.(3)