钻井工程课程设计
表A-1 钻井工程课程设计任务书
一、地质概况29：
井别：探井井号：设计井深：3265m 目的层：
当量密度为：g/cm3
表 A-2设计系数
石工专业石工（卓越班）1201班学生姓名：木合来提.木哈西
图 A-1 地层压力和破裂压力
一．井身结构设计
1.由于该井位为探井，故中间套管下深按可能发生溢流条件确定必封点深度。
由图A-1得，钻遇最大地层压力当量密度ρpmax=1.23g/cm3，则设计地层破裂压力当量密度为：ρfD=1.23+0.024+3245/H1×0.023+0.026.
试取H1=1500m，则ρfD=1.23+0.024+2.16×0.023+0.026=1.33 g/cm3,
ρf1400=1.36 g/cm3 > ρfD 且相近，所以确定中间套管下入深度初选点为H1=1500m。验证中间套管下入深度初选点1500m是否有卡钻危险。
从图A-1知在井深1400m处地层压力梯度为1.12 g/cm3以及320m属正常地层压力，该井段内最小地层压力梯度当量密度为1.0 g/cm3。
ΔP N=0.00981×(1.10+0.024-1.0)×320=0.389<11MPa
所以中间套管下入井深1500m无卡套管危险。
水泥返至井深500m。
2.油层套管下入J层13-30m，即H2=3265m。
校核油层套管下至井深3265m是否卡套管。
从图A-1知井深3265m处地层压力梯度为1.23 g/cm3，该井段内的最小地层压力梯度为1.12g/cm3，故该井段的最小地层压力的最大深度为2170m。
Δp a=0.00981×（1.23+0.024-1.12）×2170=2.85Mpa<20 Mpa
所以油层套管下至井深3265m无卡套管危险。
水泥返至井深2265m。
3.表层套管下入深度。
中间套管下入井深1500处，地层压力梯度当量密度为1.12 g/cm 3，给定溢流数值S k =0.023 g/cm 3。由公式ρfD=1.12+0.024+1500/D 1×0.023+0.026 试取700m 得ρfD =1.22 g/cm 3 由图A-1得ρf 700 =1.23 g/cm 3
ρf 700 –ρfD =1.23-1.22=0.01<(0.024~0.048) g/cm 3 满足要求，即表层套管下深700m 。 表层套管水泥返至地面。
4.本井采用in 78
598313??井身结构。
表层套管用444.5mm(in 2117）钻头，钻至井深705m ，339.7mm(in 8331)套管下至
井深704m,水泥返至地面。
中间套管用311.1mm （in 4112）钻头，钻至井深1505m ，244.5mm(859in)套管下至井深1502m,水泥返至井深500m 。
油层套管用215.9mm （in 218）钻头，钻至井深3265m ，139.7（215in ）mm 套管下至井深3265m,水泥返至井深2265m 。 将井身结构设计数据填入表A-3。
表A-3井身结构设计结果
二、固井工程设计
1.套管强度设计
（1）表层套管下深704m ，选用K-55，壁厚9.65mm 套管，不必进行强度设计。 （2）中间套管设计（244.5mm ） 设计数据: 下入深度 1502m
钻井液密度ρm =1.12+0.024=1.144g/cm 3，抗外挤安全系数Sc=1.05, 抗拉安全系数St=1.80, 抗内压安全系数Si=1.10 设计方法:采用等安全系数法 计算井口最大内压力P si
H
G P ρ-410-1.115bi si e
P ?=
MPa P bi 53.16150512.100981.0=??=
07.1553.161505
55.010115.14==???--e
P si Mpa
设计内压力 MPa S P P i si iD
577.1610.107.15=?==
因此，抗内压强度小于16.577Mpa 的套管均不能选用。 确定下部第一套管，设计挤压强度为
MPa P C 70.1705.11502144.100981.01=???=
由表查得J-55,壁厚10.03mm 套管： Pc=17.72Mpa , Pi=27.23Mpa PT=2313.1kN , q=583.8N/m
di=224.4mm ， 长圆螺纹。
051.11502
144.100981.072
.1711=??==o C c P P S >1.05 81.107
.1524
.271==
i S >1.10
第二段选用J-55，壁厚8.94mm 套管。 P c =13.93Mpa , P i =24.27Mpa P T =2015kN , q=525.4N/m di=226.6mm ， 长圆螺纹。 许可下入深度: m H 118205
.1144.100981.093
.131=??=
第一段套管下入长度 L 1=1502-1182=320m 校核第一段套管抗拉强度
KN T Z 59.159)85
.7144
.11(8
.5833201=-?= 50.1459
.1591
.23131==
T S >1.8
第二段套管下入长度
L 2=1502-320=1182m
由于第二段套管穿过了水泥封固面，故应进行双轴应力校核。先计算在水泥面处套管在双轴应力作用下的实际抗挤强度。
所受拉力载荷：
KN
T Z 70.46510)85
.7144
.11()5001182(4.52559.15932
=?-?-?+=-186.08
.250870
.46512==S Z T T 则查表894.0'
=K 实际抗挤强度
MPa P CC 45.1293.13894.02=?=
抗挤安全系数 05.122.2500
144.100981.045
.122>=??=
C S
水泥面处实际抗挤强度满足要求。对第二段套管底端进行双轴应力校核。
kN
T Z 17.30310854.03204.52559.1593'2=???+=-121.08
.250817
.30322'==S Z T T 查表得K ’=0.934
'2CC P =0.934×13.93=13.01MPa
981.01182
144.100981.001
.132'=??=
C S
第二段不满足要求，故延伸第一段套管向上100m 。即m
L 420'1= KN T Z 04.34810854.04204.52559.1593
''2
=???+=-
138.08
.250804.3482''2
==S Z T T 查表得K ’=0.924
P‘’cc2=0.924×13.93=12.87MPa
05.106.11082
144.100981.087
.123>=??=
C S
所以第一段套管下入长度L 1=420m 抗拉安全系数 80.177.304
.3481
.23132>==
T S
抗内压安全系数 10.181.107
.1523
.272>==
i S
第二段套管下入井深06.1,10822==C S m H ，校核该段套管顶部截面（井口）的抗拉强度
10.141.210
854.0)4201502(4.52504.3482015
3
3>=??-?+=
-T S 10.161.107
.1527
.243>==
i S
以上计算结果列入表A-4。
表A-4 中间套管设计结果
油层套管设计（139.7mm ） 设计数据: 下入深度 3265m
钻井液密度 ρm =ρP +S b =1.23+0.024=1.254 g/cm 3 ，抗外挤安全系数Sc=1.10, 抗拉安全系数St=1.80, 抗内压安全系数Si=1.10 设计方法:等安全系数法 计算井口最大内压力Psi
H
G P ρ-410-1.115bi si e
P ?=
MPa P bi 40.39326523.100981.0=??=
pa 32.2539.40=P e
3265
*0.55*10*-1.115si -4M =
设计内压力 pa 48.3510.125.32M P iD =?= 因此，抗内压强度小于35.48的套管均不能选用。 确定下部第一套管，设计挤压强度为
MPa P c 18.4410.13265254.100981.01=???= 由表查得N-80 壁厚9.17mm 套管： Pc=60.88Mpa , Pi=63.36Mpa P T =1903.8kN , q=291.9N/m di=121.4mm ， 长圆螺纹。
10
.151.13262
254.100981.088
.6011>=??==
o c c P P S 10.196.125
.3236
.631>==
i S
校核第一段套管抗拉强度
kN T 800.810）7.85
1.254
-1（291.932653-z 1=??
?=
8.1377.28
.8008
.19031>==
T S
以上计算结果列入表A-5中。
表A-5 油层套管设计结果
三、注水泥浆设计
（1）表层套管
设计数据：套管下入长度 Ls=704m,水泥塞高度h o =10m ，水泥浆返深：地面，钻井液性能3044.1cm g m =ρ，n=0.52，n s a 691.0?=P K 。水泥浆性能3x cm g 85.1=ρ，
s a 02.0?=P η，a 15o P =τ。水泥浆附加量70%，钻井液压缩系数03.1k p =。计算井径按钻头直径444.5mm 。 水泥用量N
?-?=-)0.345.44(10785.02241V 704=45.55m 3 32420.806m 1032.0410785.0V =???=- 附加30%，3391.13%30)806.055.45(m V =?+=
水泥浆密度3x cm g 85.1=ρ时，每袋水泥（50kg ）配水泥浆0.04015m 3/袋（40.15升/袋），则
袋150104015
.091
.13806.055.45=++=
N
用水量V W （水灰比m=0.5）V W =1501×50×0.5/1000=37.53m 3 替钻井液Vm
325852.57)310704(04.3203.11085.7m V m =+-????=- 替钻井液终泵压MPa P E 57.500981.0704)044.185.1(=??-= 设计结果见表A-6中。 （2）中间套管 设计数据：
设计井深H=1505m,水泥塞高度h o =20m ，套管下入长度Ls=1502m ，水泥返深500m ，水泥附加量30%，钻井液压缩系数03.1k p =，计算井径按钻头直径311.1mm 。钻井液性能3144.1cm g m =ρ，n=0.5, n s a 3.0?=P K 。水泥浆
3x cm g 85.1=ρ，s a 02.0?=P η，a 15o P =τ。 水泥用量N
3224195.281005)5.241.31(10785.0m V =?-?=- 3242m 777.02024.2210785.0V =???=- 附加30%，33918.8%30)777.095.28(m V =?+=
水泥浆密度385.1cm g m =ρ时，每袋水泥（50kg ）配水泥浆0.04015m 3/袋（40.15升/袋），则
96304015
.0918
.8777.095.28=++=
N 袋
用水量V W （水灰比m=0.5）V W =963×50×0.5/1000=24.075m 3 替钻井液Vm
[]
322539.59108224.22)320420(24.2203.11085.7m V m =?++-????=-替钻井液终泵压?-=)144.185.1(E P 1002=?00981.0 6.94MPa 计算环空临界流速K V （塑性流体）
s
m 6.1)5.241.31(85.1)5.241.31(1585.11052.202.01001002.01002
32=-?-????+?+?=-K V s l Q K 1.466.1)5.241.31(0785.022=?-=
计算管内流速V i
m 187.124.220785.01
.462
i =?=
V
计算管内R ei
5883)
5
.0415.03(3.0144.1187.124.22800105
.05.025.05.01=?+??????=--ei
R
计算管外水泥浆段eos R
20071.60.0280024.5)-(31.11510.02 1.85
1.624.5)-(31.110eos =??
???????+
????=
R
计算管外钻井液段R eom
3839)
5
.0315.02(3.0144
.16.1)5.241.31(500105
.05.025.05.01=?+????-??=--eom
R
管内摩阻系数b
Re a f i =
()0726.05093.35.0lg a =+= ()293.075.0lg 75.1b =-=
0057.058830726
.0293
.0==
i f
管外摩阻系数f o
0473.020073164
.0f 25
.0os
==
0065.03839
0726
.0293
.0==
om
f
管内压耗P ci
MPa P C 12.024.22)
201505(144.10057.01.464.325
21
=-???
?=
环空耗压P co
()()
MPa P CO 05.75.241.315.241.31144
.15000057.085.110020473.01.464.322
3
2=+-??+???
?=循环压
耗MPa P P P CO C C 17.71=+=
替钻井液终泵压 MPa P E 11.1417.794.6=+= 碰压泵压a 11.15111.14碰MP P =+= 计算注水泥施工总时间:
选用AC-400B 型水泥车3台，每台车平均每分钟注水泥20袋，则
min
05.1620
3963
t 1=?=
替钻井液 min 47.21100060
1.4639
.592=??=
t
其它（倒换阀，开挡销，压胶塞，碰压） min 103=t 总施工时间 min 47102116=++=T 选用G 级水泥。
（3）油层套管 设计数据：
设计井深H=3265m,水泥塞高度h o =20m ，套管下入长度Ls=3262m ，水泥返深2265m ，水泥附加量40%，钻井液压缩系数03.1k p =，计算井径按钻头直径215.9mm 。钻井液性能3254.1cm g m =ρ，n=0.52, n s a 691.0?=P K 。水泥浆
3x cm g 85.1=ρ，s a 02.0?=P η，a 15o P =τ。 水泥用量N
3224124.211000)146.21(10785.0m V =?-??=-
231.02014.1210785.0242=???=-V m3 附加40%，3358.8%40)231.024.21(m V =?+=
水泥浆密度3x cm g 85.1=ρ时，每袋水泥（50kg ）配水泥浆0.04015m 3/袋（40.15升/袋），则
袋74804015
.058
.8231.024.21=++=
N
用水量ωV （水灰比m=0.5）3m 7.181000
5
.050748=??=W V
替钻井液Vm
[]
325m m 70.38)3203265(14.1203.11085.7=+-????=-V
替钻井液终泵压?-=)254.185.1(E P 1002×0.00981=5.86MPa 设计结果见表A-6中。
表A-6 注水泥浆设计结果
四、钻柱设计
钻柱组合
第一次开钻（0～705m ）
φ444.5mm3A+φ228mmDC+φ203mmDC+φ177.8mmDC+φ127mmDP+φ133m mK l 。
(注：3A-代表三牙轮钻头，DC-钻铤，DP-钻杆，K l -方钻杆)。 第二次开钻（705～1505m ）
φ311.1mm3A+φ203mmDC+φ177.8mmDC+φ127mmDP+φ133mmK l 第三次开钻（1505～3265m ）
φ215.9mm3A+φ177.8mmDC+φ155.8mmDC+φ127mmDP+φ133mmK l 。 各次开钻，由预估（设计）钻头最大钻压计算钻铤长度。
φ444.5mm3A ， kN W M 300= φ311.1mm3A ， kN W M 250= φ215.9mm3A ， kN W M 200=
组合钻铤长度计算时，先按组合中最大直径钻铤由设计最大钻压确定长度，然后再根据大尺寸钻铤库存及钻井工艺要求确定不同直径钻铤的长度。下部钻具组合后面再设计。
一开，由零轴向应力截面确定Z L 。
m L Z 70.131)
03.3464.364(044.1981.0280303
.34044.1705981.0300000=-??-???+=
L z 实=Lz+25=157
二开: （φ203mmDC ，内径71.44mm,m N 32.2194q c =）。
29.168)
03.3487.361(144.1981.032.219403
.34144.11502981.0250000=-?-???+=
Z L m
m 3.1922429.168实=+=Z L
三开: （φ177.8mmDC ，内径71.44mm,m N 1601q c =）。
m 83.242)
03.3442.208(254.1981.0160103
.34254.13265981.0200000=-??-???+=
Z L
m 83.26624实=+=Z Z L L 钻柱强度设计 一次开钻（略） 二次开钻：
井深H=1505m ，3144.1cm g m =ρ dc=203mm,qc=2194.32 N?m
m N q mm d m L p p C 78.284,127,3.192===,拉力余量450kN,设计系数1.35，
1.42/t s =σσ。
选φ127mm ，G105钢级钻杆，P y =2464.39kN 因为 1.42/t s =σσ>设计系数1.35，
所以Paσ=(0.9Py)/1.42=(0.9×2464.39)/1.42=1561.94kN 当拉力余量为450kN 时，
Paδ=0.9Py -450=0.9×2464.39-450=1767.951kN
σδσa a a P P P 按,<
m
q L q K P L p c c f 30.533928478
.01
)3.192601.185
.7144.1194.1561(1)（
a 允=??--
=-=σ,150530.5339允m H L =>=而实际下入最大长度（1505-192.3）=1312.7m 。 三次开钻
井深H=3265, 3254.1cm g m =ρdc=177.8mm,qc=1061 N?m
m N q mm d m L p p C 78.284,127,83.266===,拉力余量450kN,设计系数1.35，。σs/σt =1.42
选127mm ，G105钢级钻杆，Py=2464.39kN Paσ=(0.9Py)/1.42=(0.9×2464.39)/1.42=1561.93kN Paδ=0.9Py -450=0.9×2464.39-450=1767.95kN Pa σ m L 502728478.0183.266.6011-85.7254.1-193.1561允 =?? ???? ? ???= L 允=5027m>H=3265m,而实际下入长度（3265-266.83）=2998m 设计结果列于表A-7。 表A-7 钻柱强度设计结果 五、钻机选择 中间套管在空气的重力为814kN,油层套管在空气中的重力953kN 。 钻机按80%的套管破断强度来选择最大钩载。即 KN Q 25.119195325.1max =?= 选F-200-2DH 型钻机。 钻柱最大重力726.6kN ,此时钻机钩载储备系数K ST 为 68.16 .7261226 == ST K 六、机械破碎参数设计 钻头选型 表A-8 各地层可钻级值 第一次开钻（0~705m ） X 22×1 第二次开钻（705~1505m ） J 11×1(705~1160m) J 22×1(1160~1505m) 第三次开钻（1505~3265m ） B 22M ×1(1505~2265m) J 22×1(2265~2715m) J 22×1(2715~3015m) ATMJ 11×1(3015~3265m) 钻压W,钻速n 的确定 表A-9 机械破岩参数 七、钻井液设计 表层（0~705m ） 采用高膨润土钻井液。 3m cm g 1.2~1.149=ρ，漏斗粘度60~100s ，滤失水8~10ml ，泥饼1~2mm ，初切1~2Pa ，终切力2~5Pa ，pH 值8~9. 中间套管（705~1505m ） 采用不分散聚合物钻井液体系
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