鉆井工程設(shè)計論文

1、摘要 本論文的編寫是為了： 通過寫論文把課堂所學與現(xiàn)場實際很好的結(jié)合起來并用于實踐，在具體的的實踐中發(fā)現(xiàn)問題并能解決問題。 本論文的正文部分分別對井身結(jié)構(gòu)設(shè)計、鉆桿柱設(shè)計、套管柱設(shè)計做了闡述和分析并附了實際實例來編寫，最終以這三個大方面闡述了一口井的設(shè)計全過程。 本論文在建立的模型基礎(chǔ)之上，編制了相應的計算程序，分析了鉆鋌、鉆桿、套管的株數(shù)和尺寸為讀者提供了寶貴的資料。關(guān)鍵詞：井身結(jié)構(gòu)、鉆井設(shè)計參數(shù)、鉆桿柱、套管柱、安全系數(shù)目錄 緒論 2第一章 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計3 1.1 套管的類型3 1.2 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計的原則5 1.3 設(shè)計系數(shù)5 1.4 井身構(gòu)設(shè)計的方法5 1.5 套管尺寸和井眼尺寸的選擇1

2、2第二章 鉆桿柱設(shè)計142.1 鉆鋌設(shè)計142.2 鉆桿設(shè)計142.3 設(shè)計實例16第三章 套管柱設(shè)計183.1 套管柱和套管柱183.2 套管強度設(shè)計原則19 3.3 套管強度設(shè)計方法19 3.4 套管柱設(shè)計方法.21結(jié)論及建議27參考文獻28第一章 緒 論鉆井是石油、天然氣勘探與開發(fā)的主要手段。鉆井工程質(zhì)量的優(yōu)劣和鉆井速度的快慢，直接關(guān)系到鉆井成本的高低，油田勘探開發(fā)的綜合經(jīng)濟效益及石油工業(yè)發(fā)展的速度。 鉆井工程設(shè)計是鉆井施工作業(yè)必須遵循的原則，是組織鉆井設(shè)計的科學性，先進性關(guān)系到一口井作業(yè)的成敗和效益。科學鉆井水平的提高，在一定程度上依靠鉆井設(shè)計水平的提高 搞好鉆井工程設(shè)計也是提高技術(shù)管

3、理和加強會企業(yè)水平的一項重要措施，是鉆井生產(chǎn)科學化管理的前提。第一章 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計所謂井身結(jié)構(gòu)，就是在已鉆成的裸眼井中下如直徑不同、長度不等的幾層套管，然后注入水泥漿封固環(huán)形空間間隙，最終形成由軸心線重合的一組套管和水泥環(huán)組合。井身結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要依據(jù)是地層壓力和地層破裂壓力剖面。1.1 套管的類型套管的類型很多，根據(jù)套管的功用可將套管分為以下幾種類型表層套管；中間套管，亦稱技術(shù)套管；生產(chǎn)套管；鉆井襯管，亦稱鉆井尾管，它的作用同中間套管。表層套管是開始下入的最短最淺的一層套管，表層套管主要有兩個作用：一是在其頂部安裝套管頭，并通過套管頭懸掛和支承后續(xù)各層套管；二是隔離地表淺水層和淺部復雜地層，使

4、淡水層不受鉆井液污染。表層套管鞋必須下在有足夠強度的地層上，以免發(fā)生井涌而關(guān)井后將套管鞋處的地層壓漏，產(chǎn)生井下井噴。 介于表層套管和生產(chǎn)套管之間的套管都稱中間套管，中間套管的作用是隔離不同地層孔隙壓力的層系或易塌易漏等復雜地層。根據(jù)需要，中間套管可以是一層、兩層，甚至多層。生產(chǎn)套管是鉆達目的層后下入的最后一層套管，其作用是保護生產(chǎn)層，并給油氣從產(chǎn)層流至地面提供通道。鉆井襯管常在已下入一層中間套管后采用，即只在裸眼井段下套管注水泥，套管柱不延伸至井口。采用鉆井襯管可以減輕下套管時鉆機的負荷和固井后套管頭的負荷，同時又可節(jié)省大量套管和水泥，降低固井成本。1.2 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計的原則 進行井身結(jié)構(gòu)設(shè)計

5、所遵循的原則主要有：(1) 有效地保護油氣層，使不同地層壓力的油氣層免受鉆井液的損害。(2)應盡量避免壓、噴、塌、卡等井下復雜情況的發(fā)生，為全井順利鉆進創(chuàng)造條件，以獲得最短建井周期。 （3）鉆下部地層采用重鉆井液時產(chǎn)生的井內(nèi)壓力不致壓裂上層套管處最薄弱的裸露地層。 （4）下套管過程中，井內(nèi)鉆井液柱的壓力和地層壓力之間的壓力差，不致產(chǎn)生壓差卡套管現(xiàn)象。 （5）當實際地層壓力超過預測值使井出現(xiàn)液流時，在一定范圍內(nèi)，具有壓井處理溢流的能力。1.3 設(shè)計系數(shù)（1）抽吸壓力系數(shù)上提鉆桂時，由于抽吸作用使井內(nèi)液柱壓力降低的值，用當量密度表示。 (2)激動壓力系數(shù)。下放鉆柱時，由于鉆柱向下運動產(chǎn)生的激動壓力

6、使井內(nèi)液柱壓力的增加值，用當量密度表示。 (3)安全系數(shù)。為避免上部套管鞋處裸露地層被壓裂的地層破裂壓力安全增值，用當量密度表示。安全系數(shù)的大小與地層破裂壓力的預測精度有關(guān)。(4)井涌允量。由于地層壓力預測的誤差所產(chǎn)生的井涌量的允值，用當量密度表示，它與地層壓力預測的精度有關(guān)。(5) 壓差允值p。不產(chǎn)生壓差卡套管所允許的最大壓力差值，它的大小與鉆井工藝技術(shù)和鉆井液性能有關(guān)，也與裸眼井段的地層孔隙壓力有關(guān)。若正常地層壓力和異常高壓同處一個裸眼井段，卡鉆易發(fā)生在正常壓力井段，所以壓差允值又有正常壓力井段和異常壓力井段之分，分別用和表示。 1.4 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法 在進行井身結(jié)構(gòu)設(shè)計的時候，首先要

7、建立設(shè)計井所在地區(qū)的地層壓力和地層破裂壓力剖面.（一）井身結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)鍵參數(shù)1最大鉆井液密度：某一層套管的鉆進井段中所用的最大鉆井液密度，和該井段中的最大地層壓力有關(guān)： max =pmax+ sw-max:某層套管的鉆進井段中所使用的最大鉆井液密度，g/cm3；-pmax該井段的最大地層壓力梯度， g/cm3；-sw:考慮到上提鉆柱時抽吸作用使井底壓力降低，為了平衡地層壓力所加的附加鉆井液密度， g/cm3。sw=0.024-0.048 g/cm3 .2最大井內(nèi)壓力梯度：1)正常作業(yè)（起下鉆、鉆進）：正常鉆井條件下，井內(nèi)最大壓力梯度是發(fā)生在下放鉆柱時，由于產(chǎn)生壓力激動使得井內(nèi)壓力增高，設(shè)由于壓力

8、激動使井內(nèi)的壓力增加值為sg，則最大井內(nèi)壓力梯度為：=max+ sg-sg:激動壓力梯度當量密度； g/cm3；-sg=0.024-0.048 g/cm32)發(fā)生液流時：為了制止液流，如壓井時井內(nèi)壓力增高值為sk,則最大井內(nèi)壓力梯度為：=max+ sk-sk=0.060 g/cm3-上式只適用于發(fā)生液流時最大地層壓力所在的井深hpmax的井底處，而對于井深為hn的任意井深處的井內(nèi)壓力梯度為：=max+ sk3）最大允許壓差為了在下套管過程中，不致于發(fā)生壓差粘卡套管的事故，應該限制井內(nèi)鉆井液液柱壓力與地層壓力的壓力差值，即規(guī)定最大允許壓差。l 最大允許壓差的取值l 在正常壓力地層： pn=11-

9、17mpal 在異常壓力井段： pa=14-22mpa（二）、井身結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法1 求中間套管下入深度的假定點確定套管下入深度的依據(jù)，在下鉆下部井段的過程中 所預計的最大井內(nèi)壓力不致壓裂所應具有的地層破裂壓力梯度的當量密度。的確定有兩種方法，當鉆下部井段時不會發(fā)生井涌，可是式（7-1）計算， （7-1）式中：剖面圖中最大地層壓力梯度的當量密度，。在橫坐標上找出地層的設(shè)計破裂壓力梯度，從該點向上引垂直線與破裂壓力線相交，交點所在的深度即為中間套管下入深度假頂點（）。若預計要發(fā)生井涌，可用式（7-2）計算， （7-2）式中：剖面圖中最大地層壓力梯度點所對應的深度，m。式中（7-2）中的可用試算法求

10、得，試去的值入式（7-2）求，然后在地層破裂壓力梯度曲線上求所對應的地層破裂壓力梯度。計算值與實際值相差不大或略小于實際值，則即為中間套管下入深度的假定點。否則另取值計算，直到滿足要求為止。2 驗證中間套管下到深度是否有被卡的危險先求出該井段最小地層壓力處的最大靜止壓差。 其中壓力差，mpa._鉆進深度是采用的鉆井夜密度,g/cm3 _ 該井段內(nèi)最小地層當量密度，g/cm3最小地層壓力點所對應的井深，m在壓差下所允許的最大地層壓力為：= （7-2）3 求鉆井尾管下入深度的假定點當中間套管下入深度小于假定點是，則需要小尾管，并確定尾管下入深度。根據(jù)中間套管下入深度處的地層破裂壓力梯度，下式可求得

11、允許的最大地層壓力梯度。 =_ (7-5) 式中：鉆井尾管下入深度的假定點，m. 4. 校核鉆井尾管下到假定深度處是否會產(chǎn)生壓差卡套管校核方法同2，壓差允許值同式（7-2）5.計算表層套管下如深d1根據(jù)中間套管鞋處的地層壓力梯度，給定井條件sk，用試算方法計算表層套管下入深度。每次給定d1，并代如下式計算。 （7-6） 式中：井涌壓井時表層套管鞋處承受的壓力的當量密度，g/cm3 中間套管鞋處的地層壓力當量密度，g/cm3 試計算結(jié)果，當接近或小于處的破裂壓力梯度00240048時符合要求，表層套管下入深度。 以上套管下入深度的設(shè)計是以壓力剖面為依據(jù)的，但是地下的許多復雜情況是反映不到壓力剖面

12、上的，如易漏易塌層巖鹽層等，這些復雜地層必須及時地進行封隔。必須封隔的層位在井身結(jié)構(gòu)設(shè)計中又成為必封點。 6設(shè)計舉例 例：某井設(shè)計井深為4 400 m，地層孔隙壓力梯度和地層破裂壓力梯度剖面如圖72。給定設(shè)計系數(shù)：sb=0036 g；sg=004 g；sk=006 g；sf=003 g,；，試進行該井的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計。 解 由圖上查得最大地層孔隙壓力梯度為204 g，位于4 250 m處 1確定中間套管下入深度初選點 由(72)式，將各值代入得： 試取d21=3 400 m，將3 400 m代入上式得：=2.181 g，由上圖查得3 400 m處當 g因為且相近，所以確定中間套管下入深度初選點為

13、 2校核中間套管下入到初選點3 400m過程中是否會發(fā)生壓差卡套管由上圖查得，3 400 m處 g， g，由7-3得（1.57+0.0361.07）=16.037mpa因為所以中間套管下深應淺于初選點。 在2 mpa下所允許的最大地層壓力梯度可由(74)式求得： .，由圖中地層壓力梯度曲線上查出與 g，對應的井深為3 200 m，則中間套管下入深度。因，所以還必須下入尾管。 3確定尾管下入深度 確定尾管下入深度初選點為由剖面圖查得中間套管下入深度3 200 m處地層破裂壓力梯度 g，由(75)式，并代入各值則有： 試取3 900 m，代入上式得： g 由剖面圖上查得3 900 m處的地層壓力梯

14、度 g，因為，且相差不大，所以確定尾管下入深度初選點為3 900 m。 4校核尾管下入到初選點3 900 m過程中能否發(fā)生壓差卡套管 由(73)式得 (mpa)因為所以尾管下入深度3 900 m，滿足設(shè)計要求。 5確定表層套管下深， 由(76)式，將各值代入有： 試取850 m，代入上式得 =1.737 g由剖面圖查井深850m處g 。因，且相近，所以滿足設(shè)計要求。該井的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)果如表7-1。套管層次表層套管中間套管鉆井尾管生產(chǎn)套管下入深度850m3200m3900m4400m 1.5 套管尺寸和井眼尺寸的選擇 套管層次和每層套管的下入深度確定之后，相應的套管尺寸和井眼直徑也就確定了。套

15、管尺寸的確定一般由內(nèi)向外依次進行，首先確定生產(chǎn)套管的尺寸，再確定下入生產(chǎn)套管的井眼的尺寸，然后確定中間套管的尺寸等，依次類推，直到表層套管的井眼尺寸，最后確定導管的尺寸。套管和井眼之間要有一定的間隙，間隙過大則不經(jīng)濟，過小不能保證固井質(zhì)量。間隙值最小一般在95127 mm范圍內(nèi)，最好為19 mm。套管尺寸和井眼尺寸的配合目前已經(jīng)系列化。圖7-3給出了系列化的套管和井眼尺寸的選擇表。表的流程表明下該層套管所需要的井眼尺寸，實線表明套管和井眼的常用配合，虛線表明不常用配合。 第二章 鉆桿柱的設(shè)計 2.1鉆鋌設(shè)計鉆鋌是鉆柱設(shè)計的首要部分。鉆鋌長度和尺寸將影響需要使用的鉆桿類型。選用鉆鋌時通常都要考慮

16、：1. 給鉆頭加壓時下部鉆柱是否會壓彎。2. 選用足夠量的鉆鋌以防止鉆桿受壓。以下是常用的鉆鋌設(shè)計方法：允許最小鉆鋌外徑=2倍套管接箍外徑-鉆頭直徑2.2鉆桿設(shè)計1. 鉆桿柱的強度校核方法(1) 軸向應力1) 鉆柱上部拉應力a. 鉆柱在泥漿中空懸時：井口：井口下某載面：其中：f1=為橫斷面積；b為鉆柱浮力。b. 鉆進時：c. 起鉆時：其中：qf 為鉆柱與井壁的摩擦力；d為動載。其中：d. 斜井中：e. 井下動力鉆井時： 直井中2) 鉆柱下部壓應力：(2) 剪應力：其中：為扭矩；n抗扭截面系數(shù)。其中：牙輪鉆頭時：刮方鉆頭時：(3) 彎曲應力：其中：2. 鉆桿柱入深度設(shè)計(1) 方法：，其中 y為

17、抗拉負荷 (2) 鉆柱設(shè)計其 2.3設(shè)計實例某井設(shè)計深度7925m;鉆鋌長度183m;浮力系數(shù)0.7861;鉆鋌每米重1601n/m,卡瓦長度406.4mm;鉆桿尺寸114.3和127.0mm;拉力余量445kn;安全系數(shù)1.30;114.3mm鉆桿1.37; 127.0mm鉆桿1.42.1. 鉆鋌上第一段114.3mm,242.3n/m的e級鉆桿2. 第二段選用114.3mm,242.3n/m的g105鉆桿3. 第三段選用127.0mm,284.78n/m的g105級鉆桿4. 第四段選用127.0mm,37366n/m的g105鉆桿因為:所以:l4=7925-l1-l2-l3-183=915

18、m所以該井從上到下的鉆柱設(shè)計為:127.0mm 376.66n/m g105鉆桿 915m127.0mm 284.78n/m g105鉆桿 934m114.3mm 242.3n/m g105鉆桿 2488m177.8m鉆鋌183m合計井深 7925m第三章 套管柱的設(shè)計3.1 套管和套管柱 ： 1、 油井套管是優(yōu)質(zhì)鋼材制成的無縫管或焊接管，兩端均加工有錐形螺紋。大多數(shù)的套管是用套管接箍(casing coupling)連接組成套管柱。套管柱用于封固井壁的裸露巖石。 2、 油井套管有其特殊的標準，每種套管都應符合標準。我國現(xiàn)用的套管標準與美國api(美國石油學會)標準類似。 api標準規(guī)定套管本

19、體的鋼材應達到規(guī)定的強度，用鋼級表示。api標準中不要求套管鋼材的化學性質(zhì)，但應保證鋼材的最小屈服強度，數(shù)字的1 ooo倍是套管鋼材以kpsi(1 bfin。)為單位的最小屈服強度。api標準把套管鋼級分為： h、j、k、n、c、l、p、q八種共計10級，見表72： 。 在標準的鋼級中，h一40、j一55、k一55、c一75、l一80、c一90這六種是抗硫的，其余四種是非抗硫的。3、api標準要求套管的外徑要符合一定的尺寸，常用的標準套管外徑從1143 mm(4in)到502 mm(20 in)，共有14種： 11430 mm(4in)； 24447 mm(9in)； 127oo mm(5 i

20、n)； 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標準規(guī)定的各種套管的壁厚范圍在5211613 mm。通常是小直徑的套管壁厚小一些，大直徑套管的壁厚大一些。 3.2 套管強度設(shè)計原則 套管柱的強度設(shè)計是依據(jù)套管所受的外載，根據(jù)套管的強度建立一個安全的平衡關(guān)系： 。 套管

21、強度外載安全系數(shù)套管柱的強度設(shè)計就是根據(jù)技術(shù)部門的要求，在確定了套管的外徑之后，按照套管所受外部載荷的大小及一定的安全系數(shù)選擇不同鋼級及壁厚的套管，使套管柱在每一個危險截面上都建立上述表達的關(guān)系。設(shè)計必須保證在井的整個使用期間，作用在套管上的最大應力應在允許的范圍之內(nèi)。 設(shè)計的原則應考慮以下三個方面： (1)應能滿足鉆井作業(yè)、油氣層開發(fā)和產(chǎn)層改造的需要； (2)在承受外載時應有一定的儲備能力； (3)經(jīng)濟性要好。3.3 套管柱強度設(shè)計方法 如果令： 設(shè)計外載 = 外載設(shè)計安全系數(shù) 則按安全系數(shù)法設(shè)計套管柱也就是要求： 1 套管強度設(shè)計外載l 所設(shè)計出的套管柱應該是既滿足抗擠要求，又滿足抗內(nèi)壓要

22、求和抗拉要求。從前述的套管柱受力分析中可見，套管柱所受的各種外載沿管柱的分布規(guī)律是不一樣的。如技術(shù)套管，若下次鉆進中井漏未漏空，則其有效外壓力為中間大，井口和井底??；而其軸向拉力是井口最大，井底最小。為滿足這二者的同時要求，同時考慮經(jīng)濟性，則整個管柱應由強度不同的幾段管柱組成，在不同部位的管柱滿足不同主要矛盾的要求。這種由幾段強度不同的管柱組成的套管柱稱為復合套管柱。l 如果是表層套管或是油層套管，或是需要按全掏空考慮的技術(shù)套管，由于有效外壓力的分布與上不一樣（井底最大；井口最小，為零），因此套管柱的設(shè)計結(jié)果會不一樣。即是說，由于套管柱類型不同、地層情況不同、井的生產(chǎn)工藝不同，套管柱的受力情況

23、不一樣，因此套管柱的設(shè)計結(jié)果會不一樣。由于受力情況不一樣，還可采用不同的設(shè)計步驟，以使設(shè)計更快捷。 3.4 套管柱設(shè)計方法1.掌握已知條件(套管尺寸,下入深度,安全系數(shù)等).2.確定第一段套管綱級和壁厚.3.確定第二段套管司下入深度和第一段套管使用長度 l1=h1-h24.計算降低后的抗擠強度值,校核抗擠安全系數(shù)5.按抗拉強度設(shè)計確定上部各段套管 6.抗內(nèi)壓安全系數(shù)校核 （一）套管柱設(shè)計實例某井177.8mm套管柱設(shè)計,下深3500m,井內(nèi)泥漿密度1.30,水泥漿返深2800m,抗擠安全系數(shù)1.125;抗拉安全系數(shù)1.80,井口抗內(nèi)壓安全系數(shù)1.10.取n-80壁厚11.50mm套管,抗擠強度

24、60.46mpa2.取n-80壁厚10.36mm套管,抗擠強度49.35mpa3.取n-80，壁厚9.19mm套管，抗擠強度38.03mpa考慮雙向應力影響，采用試算法假設(shè)第三段套管下至2300m，則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套管柱設(shè)計結(jié)果如表7-1表 7-1段號井深(m)段長鋼級壁厚(mm)扣型段重(kn)40-300300n-801036長圓扣1293 300-23002000n-80919長圓扣77422300-33001000n-801036長圓扣43213300-3500200n-801

25、151長圓扣95累重(kn)抗拉安全系數(shù)抗擠安全系數(shù)抗內(nèi)壓安全系數(shù)14301.891.5613011.811.1591.565275.141.1501.569532.001.1811.56（二）設(shè)計依據(jù) 套管強度設(shè)計依據(jù)表套 管程 序套管尺寸mm井深m封固井段m下套管時鉆井液密度g/cm3下次鉆進鉆井液密度g/cm3設(shè)計校核方法技術(shù)套管244.5516030051571.301.65beb設(shè)計方法技術(shù)尾管206.45391510753881.651.13全掏空油層尾管139.76150508061481.13全掏空（三）、套管柱強度校核表8 套管柱強度設(shè)計套管程序套管尺寸mm井段m段長m鋼級壁

26、厚mm扣型單位重量n/m段重kn抗外擠抗內(nèi)壓抗拉設(shè)計實際設(shè)計實際設(shè)計實際技術(shù)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/技術(shù)尾管206.45107-5388281tp140 v17.25直聯(lián)扣788.1221.461.151.161.10/1.8/油層尾管139.75080-61481068p11010.54直聯(lián)扣335.45358.261.1251.471.101.841.87.71注：（1）8

27、1/8直聯(lián)式無接箍套管暫按天鋼tp 140v設(shè)計，8 1/8性能要求如下：8 1/8直聯(lián)式無接箍套管抗外擠性能不小于150mpa；8 1/8直聯(lián)式套管通徑尺寸與7 5/810.92mm有接箍套管相對應，通徑最低必須保證6 5/8工具下入，以便于各種調(diào)整與配套。套管聯(lián)接后，聯(lián)接部分抗外擠能力應不小于套管本體。 （2）139.7mm設(shè)計采用直聯(lián)式套管，暫取vam-fjl直聯(lián)扣套管數(shù)據(jù)進行計算，考慮供應問題，可暫采用長圓扣套管。 （3）244.5mm4500m以上套管使用防h2s套管，結(jié)合庫存及準備，使用sm110s、ko-110s套管，應按入庫套管實際扣型準備變扣短節(jié)。結(jié)論 通過兩年半的在校學習和幾個月的生產(chǎn)實習使我學到了很多東西,這是第一次寫論文收集了大量的資料才完成,我會在今后的學習和工作中更加努力地學習鉆井方面的知識是和應用技巧。 通過這次的論文設(shè)計編寫使我感到了打好一口井不光靠的是使技術(shù)和設(shè)備，最主要的還是鉆前的設(shè)計工作，在今后的工作和學習中要加強這方面的研究。建議由于用于研究的時間和本人的水平有限，文中尚存在很多缺陷之處，再次給出如下建議；（1） 設(shè)計過程中，沒有充分考慮到鉆井的成本和鉆井周期，只涉及到了一口井的工程部分。在這方面本人知識很欠缺，望在今后的學習工作中得以加強。（2）