完整版一口油井设计毕业设计.docx
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完整版一口油井设计毕业设计
克拉玛依职业技术学院
毕业设计论文(一口井的设计)
系部:
石油工程系
专业:
钻井工程
姓名:
王星
设计题目:
一口井的设计
起讫日期:
2013年3月1日—2013年5月31日
设计地点:
克拉玛依职业技术学院
指导老师:
刘鹏
摘要
一口井的设计包括井身结构的设计,套管柱的设计,钻杆柱的设计。
井身结构的设计又是整个钻井设计的基础,也是保证一口井能顺利钻进的前提。
合理的井身结构可以保证一口井能顺利钻达预定的井深,能够保证钻进过程的安全,能够防止钻进中的产层污染,并能花费最少的费用。
套管柱设计既要考虑到套管柱的受力分析又要考虑到套管的强度,套管柱的受力分析是套管柱强度设计的基础,在设计套管柱是应当根据套管的最危险情况来考虑套管的基本载荷。
套管柱的强度设计又是根据套管所受的外载,根据套管的强度建立一个安全的平衡关系:
套管强度≥外载×安全系数
合理的钻杆柱设计是确保优质、快速、安全钻井的重要条件。
尤其是对深井钻井,钻柱在井下的工作条件十分复杂与恶劣,钻杆柱设计在整个过程中就显得更加重要。
【关键词】:
井身结构;钻具;钻机;套管;固井
第一章
第一节井身结构设计
井身结构主要包括套管层次和每层套管的下深,各层套管外水泥返高,以及套管和井眼尺寸的配合。
依据:
地层压力和地层破裂压力剖面
一、套管的分类各类型作用
1、表层套管
主要用途:
(1)封隔地表浅水层及浅部疏松和复杂地层;
(2)安装井口、悬挂和支撑后续各层套管。
下深位置:
根据钻井的目的层深度和地表状况而定,一般为上百米甚至上千米。
2、生产套管(油层套管)
主要用途:
用以保护生产层,提供油气生产通道。
下深位置:
由目的层位置及完井方式而定。
3、中间套管(技术套管)
在表层套管和生产套管之间由于技术要求下入的套管,可以是一层、两层或更多层。
主要用来封隔不同地层压力层系或易漏、易塌、易卡等井下复杂地层。
4、尾管(衬管)
是在已下入一层技术套管后采用,即在裸眼井段下套管、注水泥,而套管柱不延伸到井口。
主要用途:
减轻下套管时钻机的负荷和固井后套管头负荷;节省套管和水泥。
一般深井和超深井。
二、井身结构设计的原则
1、有效地保护油气层;
2、有效避免漏、喷、塌、卡等井下复杂事故的发生,保证安全、快速钻进;
3、钻下部地层采用重钻井液时产生的井内压力,不致压裂上层套管鞋处最薄弱的裸露地层;
4、下套管过程中,井内钻井液液柱压力和地层压力间的压差不致于压差卡套管;
5、当实际地层压力超过预测值而发生井涌时,在一定压力范围内,具有压井处理溢流的能力。
三、井身结构设计的基础数据
地层岩性剖面、地层孔隙压力剖面、地层破裂压力剖面、地层坍塌压力剖面。
6个设计系数:
抽吸压力系数Sb;
0.024~0.048g/cm3
激动压力系数Sg;
0.024~0.048g/cm3
压裂安全系数Sf;
0.03~0.06g/cm3
井涌允量Sk;:
0.05~0.08g/cm3
压差允值p;
PN:
15~18MPa,PA:
21~23MPa
四、裸眼井段应满足的力学平衡条件
1、ρdmax≥ρpmax+Sb(防井涌)
2、(ρdmax-ρpmin)×Dpmin×0.00981≤△P(防压差卡钻)
3、ρdmax+Sg+Sf≤ρfmin(防井漏)
4、ρdmax+Sf+Sk×Dpmax/Dc1≤ρfc1(防关井井漏)
其中:
ρdmax----裸眼井段内使用的最大钻井液密度,g/cm3;
ρpmax----裸眼井段钻遇的最大地层压力的当量泥浆密度,g/cm3;
Dpmax----最大地层孔隙压力所处的井深,m;
ρpmin----裸眼井段钻遇的最小地层压力的当量泥浆密度,g/cm3;
Dpmin----最小地层孔隙压力所处的最大井深,m;
ρfmin----裸眼井段最小地层破裂压力的当量泥浆密度,g/cm3;
Dc1----套管下入深度,m;
ρfc1----套管鞋处地层破裂压力的当量泥浆密度,g/cm3;
五、井身结构设计方法
1、求中间套管下入深度的假定点
(1)不考虑发生井涌
由ρf=ρpmax+Sb+Sg+Sf
ρdmax计算出ρf,在破裂压力曲线上查出ρf所在的井深D21,即为中间套管下深假定点。
(2)考虑可能发生井涌
由ρf=ρpmax+Sb+Sf+Sk×Dpmax/D21用试算法求D21;先试取一个D21,计算ρf;将计算出的ρf与D21处查得的ρf进行比较,若计算值与实际值相差不大且略小于实际值,可以确定D21为中间套管假定点。
否则,重新进行试算。
一般情况下,在新探区,取以上
(1)、
(2)两种条件下D21较大的值。
2、验证中间套管下到深度D21是否有被卡的危险
首先求出裸眼中可能存在的最大静压差:
△P=(ρpmax1+Sb-ρpmin)×Dmin×0.00981
ρpmax1----钻进至D21遇到的最大地层压力当量密度,g/cm3。
Dmin----最小地层孔隙压力所对应的井深,m;(当有多个最小地层压力点时,取最大井深。
)
若△P<△PN,则确定D21为中间套管的下入深度D2。
若△P>△PN,则中间套管深度应小于假定点深度。
需根据压差卡钻条件确定中间套管下深。
求在压差△PN下所允许的最大地层压力:
在地层压力曲线上找出ρpper
所在的深度即为中间套管下深D2。
3、求钻井尾管下入深度的假定点D31
根据中间套管鞋处的地层破裂压力当量密度ρf2,求出继续向下钻进时裸眼井段所允许的最大地层压力当量密度:
用试算法求D31。
试取一个D31,计算出ρpper,与D31处的实际地层压力当量密度比较,若计算值与实际值接近,且略大于实际值,则确定为尾管下深假定点;否则,另取D31进行试算。
4、校核尾管下入到D31是否有被卡的危险
校核方法与中间套管的校核方法相同。
只是将压差允值△PN变为△PA。
5、计算表层套管下入深度D1
根据中间套管鞋处的地层压力当量密度ρp2,计算出若钻进到深度D2发生井涌关井时,表层套管鞋D1处所承受的井内压力的当量密度:
根据上式,用试算法确定D1。
试取一个D1,计算ρfE,计算值与D1处的地层破裂压力当量密度值比较;若计算值接近且小于地层破裂压力值,则确定D1为表层套管下深。
否则,重新试算。
第二节
钻杆柱设计
钻具和钻塔是钻进(井)设备中重要的组成部分。
钻具一般是指钻头以上,水接头以下的全部钢管柱,它由岩心管、异径接头、取粉管、扶正器(或扩孔器)、钻铤、钻杆和主动钻杆等组成。
钻杆是钻具组成中的主要成员,多根钻杆借助接头或接箍连接成相当于孔深长度的钻杆柱。
钻塔的主要任务是升降钻具和套管。
钻塔的高度应与钻杆立根的长度相匹配。
钻杆柱是连通地面钻进设备与地下破岩工具的枢纽。
钻杆柱把钻压和扭矩传递给钻头,实现连续给进;钻杆柱为清洁孔底和冷却钻头提供输送冲洗介质的通道;钻杆柱还是更换钻头、提取岩心管和进行事故打捞的工作载体。
同时,在绳索取心钻进和水力反循环连续取心钻进中,钻杆柱还是提取岩心的通道;用孔底动力机钻进时,靠钻杆柱把动力机送至孔底,输送高压液体或气体并承担反扭矩。
随着钻井深度的增加,对钻杆柱的要求也越来越高。
例如,当用ф50钻杆钻进孔深达1000m的钻孔时,钻杆柱是一根细长比(直径与长度之比)达1∶20000的细长轴。
它在非常恶劣的孔内工作条件下承受着复杂的交变应力,因此往往是钻进设备与工具中最薄弱的环节。
在日常生产中,钻杆脱扣、刺漏、折断是常见的孔内事故,并常导致孔内情况进一步复杂化。
因此研究钻杆柱在孔内的工作条件与工艺要求,合理地设计和使用钻杆柱,对于预防恶性事故,实现快速优质钻进具有重要的意义。
二、钻杆柱的材质
常规的钻杆是由不同成分的合金无缝钢管制成,现用合金成分有Mn、MnSi、MnB、MnMo、MnMoVB等,并且限制磷、硫等有害成分不得大所列,钻杆的钢级越高,其屈服强度越大。
表2-1钻杆钢管的力学性能(不小于表中数据)表
钢级
屈服点σs(MPa)
抗拉强度σp(MPa)
伸长率δs(%)
DZ40
DZ50
DZ55
DZ60
DZ65
DZ75
400
500
550
600
650
750
650
700
750
780
800
850
14
12
12
12
12
10
为了确保钻杆质量,轧制的钢管必须经正火、回火处理或调质处理。
由于钻杆柱在回转过程中,经常与孔壁摩擦,为了强化其表面抗磨能力,必须对钻杆表层进行高频淬火。
但是为了不影响钻杆抗疲劳破坏的性能,淬火加硬的表层深度必须控制在1mm以内。
钻杆连接螺纹是钻杆柱中最薄弱的部位。
为了克服该弱点,常常须把钻杆端部管壁向外或向内镦厚,成为外加厚或内加厚的钻杆。
但是在镦厚的过程中对钻杆会造成热损伤,所以镦厚的钻杆必须进行正火、淬火和高温回火处理。
钻探管材螺纹是专门设计的,并已定为国形螺纹,为了防止应力集中,螺纹根部有规定的圆弧角。
螺纹部分承受着交变应力,所以它既要有足够的强度,又要能在经常拧卸中耐磨。
同时钻管中承受着冲洗液流的高压作用,要求在钻杆接头端部有专门的端面密封。
钻杆柱的结构:
1.主动钻杆
主动钻杆(又称机上钻杆)位于钻杆柱的最上部,由钻机立轴或动力头的卡盘夹持,或由转盘内非圆形卡套带动回转,向其下端连接的孔内钻杆传递回转力矩和轴向力。
主动钻杆上端连接水笼头,以便向孔内输送冲洗液。
主动钻杆的断面尺寸大,便于卡盘夹持回转,不易弯曲,其断面形状有圆形、两方、四方、六方和双键槽形。
主动钻杆的长度应比钻杆的定尺长度与回转器通孔长度之和略长一些,常用的长度是4.5m或6m。
2.钻铤
在大口径钻进中常会用到钻铤。
钻铤直径大于钻杆,位于钻杆柱的最下部。
其主要特点是壁厚大(相当于钻杆壁厚的4~6倍),具有较大的质量、强度和刚度。
钻铤的主要作用是:
①给钻头施加钻压;
②保证复杂应力条件下的必要强度;
③减轻钻头的振动,使其工作定;
④控制孔斜。
图2-1钻杆柱的连接方式
1-内丝钻杆;2-外丝钻杆;3-公锁接头;4-母锁接头;5-接箍
3.钻杆柱的连接方式(图2-1)
3.1内丝钻杆
用接头连接的内丝钻杆两端内壁车有扁梯形螺纹。
我国金刚石岩心钻进(非绳索取心)均采用内丝钻杆,这是金刚石钻进的特点所决定的。
因为金刚石钻进孔径小、转速高,必须使钻杆外径和孔壁之间的环状间隙很小。
因此要求整个钻杆柱的外表面基本是平滑一致的,从而决定了其只能用内丝钻杆连接方式。
3.2外丝钻杆
用接箍连接的外丝钻杆两端管壁有内、外加厚,并车有带锥度的三角螺纹。
接箍外径较钻杆大,可减少钻杆磨损和其在孔内的弯曲程度,但却占用了较大的钻杆外环状间隙。
在合金和钻粒钻进中,基本是采用外丝钻杆。
3.3用焊接接头连接
这种钻杆的两端与钻杆接头之间用焊接的方法连接起来,接头之间再用螺纹。
在水井、地热井钻进中常采用烘装焊接连接方式的钻杆,在金刚石绳索取心钻进中则采用对焊连接的钻杆。
为减少升降工序中拧卸钻杆的次数与时间,由2~4根钻杆连接成立根,一次升降一个立根,在钻孔过程中不再卸开。
为便于拧卸,立根之间用两个一组的公母锁接头连接(图2-1),其外径与接箍相同。
为了升降钻具拧卸与挂提引器方便,公母锁接头上均开有方切口。
公母锁接头上的连接螺纹锥度大、螺距大,自动对中好,拧卸省力又省时。
常用的
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