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完整word版钻井常用计算公式
第四节钻井常用计算公式
一、井架基础的计算公式
(一)基础面上的压力
nQ+Q
P基=
OB
4
式中:
P基——基础面上的压力,
MPa;
n——动负荷系数(一般取
1.25~1.40);
QO——天车台的负荷=天车最大负荷+天车重量,t;
QB——井架重量,t;
(二)土地面上的压力
P地=P基+W
式中:
P地——土地面上的压力,MPa;
P基——基础面上的压力,MPa;
W——基础重量,t(常略不计)。
(三)基础尺寸
P基
1、顶面积F1=
B1
式中:
F1——基础顶面积,cm2;
B1——混凝土抗压强度(通常为28.1kg/cm2=0.281MPa)
P地
2、底面积F2=
B2
式中:
F2——基础底面积,cm2;
B2——土地抗压强度,MPa;
P地——土地面上的压力,MPa。
3、基础高度
式中:
H——基础高度,
m;
F2、F1分别为基础的底面积和顶面积,P基——基础面上的压力,MPa;
cm2;
B3——混凝土抗剪切强度(通常为
3.51kg/cm2=0.351MPa)。
(二)混凝土体积配合比用料计算
1、计算公式
配合比为1∶m∶n=水泥∶砂子∶卵石。
根据经验公式求每1m3混凝土所需的各种材料如下:
2、混凝土常用体积配合比及用料量,见表
1-69。
表1-69
混凝土常用体积配合比及用料量
每立方米混凝
每立方米砂子
每立方米石子
每1000公斤水
土
尼
混凝土
体积
混凝
混凝
混凝
用途
配合比
水泥砂子石子水泥石子
水泥砂子
砂子石子
土
土
土
kgm3
m3
kgm3
kgm3
m3
m3
m3
m3
m3
1.坚硬土壤上的井
架脚,小基墩井架
1∶2∶
335
0.45
0.90
744
2
2.22
372
0.5
1.11
1.35
2.70
2.99
脚,基墩的上部
4
分。
2.厚而大的突出基
1∶2.5∶5
276
0.46
0.91
608
2
2.20
304
0.5
1.10
1.57
3.10
3.63
墩。
3.支承台、浇灌坑
1∶3∶6
234
0.46
0.93
504
2
2.15
253
0.5
1.08
2.0
4.0
4.27
穴及其他。
4.承受很大负荷和
1∶1∶2
585
0.39
0.78
1500
2
2.56
750
0.5
1.28
0.67
1.34
1.71
冲击力的小基墩。
5.承受负荷不大的
1∶4∶8
180
0.48
0.96
375
2
2.08
188
0.5
1.04
2.70
5.40
5.60
基墩。
二、井身质量计算公式
(一)直井井身质量计算
1、井斜角全角变化率
式中:
Gab——测量点a和b间井段的井斜全角变化率,(°)/30m;
△Lab——测量点a和b间的井段长度,m;αa——测量点a点处的井斜角,°;
αb——测量点b点处的井斜角,°;
△Φab——测量点a和b之间的方位差,△Φab=Φb-Φa,°。
2、井底水平位移
式中:
SZ——井底水平位移,m;
NO——井口N座标值,m;
Nn——实际井底N座标值,m;
EO——井口E座标值,m;
En——实际井底E座标值,m。
3、最大井斜角
根据井深井斜测量数据获取或井斜测井资料获得。
4、平均井径扩大系数
式中:
Cp——平均井径扩大系数,无因次量
D实——实际平均井径,mm;
Db——钻头名义直径,mm。
5、最大井径扩大系数
式中:
Cmax——最大井径扩大系数,无因次量;
Dmax——实际最大井径,mm;
Db——钻头名义直径,mm。
(二)定向井井身质量计算
1、井斜全角变化率计算公式同
(一)
2、定向井井底水平偏差距
式中:
Ss——定向井井底水平偏差距,m;
Nd——设计井底座标,m;
Nn——实际井底的N座标,m;
Ed——设计井底座标,m;
En——实际井底的E座标,m。
3、定向井井底垂直偏差距
△H=H-Hn
式中:
△H——定向井井底垂直偏差距,m;
H——设计垂直井深,m;
Hn——实际垂直井深,m。
4、定向井实际井底与设计井底的空间距离
式中:
R——定向井实际井底与设计井底的空间距离,
m;
△H——实际井底与设计井底的垂直距离,Ss——实际井底与设计井底的水平偏差距,
m;
m。
5、平均井径扩大系数计算同
(一)4。
6、最大井径扩大系数计算同
(一)5。
三、喷射钻井水力参数计算公式
(一)钻井泵额定水功率
Ppr=pr×Qr
式中:
Ppr——钻井泵额定水功率,kw;
pr——钻井泵额定泵压,MPa;
Qr——钻井泵额定流量,L/s。
(二)钻井泵实发水功率
Pp=ps×Q
式中:
Pp——钻井泵实发水功率,kw;
ps——钻井泵工作泵压,MPa;
Q——钻井泵工作流量,L/s。
(三)钻井泵水功率分配关系
Pp=Pb+△Pcr
式中:
Pp——钻井泵实发水功率,kw;
Pb——钻头(喷咀)水功率,kw;
△Pcr——循环系统损耗水功率,kw。
(四)钻井泵压力分配关系
ps=△pb+△pg+△pcs
式中:
ps——钻井泵实发泵压,MPa;
△pb——钻头喷咀压降,MPa;
△pg——地面管汇压力损耗,MPa;
△pcs——循环系统压力损耗,MPa。
△pcs=△ppi+△pci+△ppa+△pca+△pg
△ppi、△ppa分别为钻杆内外循环压力损耗,MPa;
△pci、△pca分别为钻铤内外循环压力损耗,MPa。
(五)钻头(喷咀)压力降
△pb=kb×Q2
式中:
△pb——钻头(喷咀)压力降,MPa;
Q——钻井液流量,L/s;
kb——钻头(喷咀)压降系数,无因次量。
式中:
ρ——钻井液密度,g/cm3;
d
AJ——喷咀截面积,mm2。
式中:
ρ——钻井液密度,g/cm3;
d
Q——钻井液流量,L/s;
Ps——钻井泵实发泵压,MPa;
△pcs——循环系统压力损耗,MPa。
(六)地面管汇压力损耗
△pg=kg×Q1.8
式中:
△pg——地面管汇压力损耗,MPa;
Q——流量,L/s;
kg——地面管汇压力损耗系数;
kg=3.767×10
-4
0.80.2
;
×ρd
×μpv
μpv(塑性粘度)=θ600-θ300,mpa·s;
θ600、θ300分别为旋转粘度计600r/min、300r/min的读数,无因次量。
(七)管内循环压力损耗
1、钻杆内
式中:
△ppi——钻杆内循环压力损耗,MPa;
kpi——钻杆内循环压力损耗系数,无因次量;
LP——钻杆长度,m;
Q——流量,L/s;
ρd——钻井液密度,g/cm3;
μpv——塑性粘度,mpa·s;
dpi——钻杆内径,mm。
2、钻铤内
式中:
△pci——钻铤内循环压力损耗,MPa;
kci——钻铤内循环压力损耗系数,无因次量;
LC——钻铤长度,m;
Q——流量,L/s;
ρd——钻井液密度,g/cm3;
μpv——塑性粘度,mpa·s
dci——钻铤内径,mm。
(八)管外循环压力损耗
1、钻杆外
式中:
△ppa——钻杆外循环压力损耗,MPa;
kpa——钻杆外循环压力损耗系数,无因次量;
LP——钻杆长度,m;
Q——流量,L/s;
ρd——钻井液密度,g/cm3;
μpv——塑性粘度,mpa·s;
dh——井眼直径,mm;
dp——钻杆外径,mm。
2、钻铤外
式中:
△pca——钻铤外循环压力损耗,MPa;
kca——钻铤外循环压力损耗系数,无因次量;
LC——钻铤长度,m;
Q——流量,L/s;
ρd——钻井液密度,g/cm3;
μpv——塑性粘度,mpa·s;
dh——井眼直径,mm;
dc——钻铤外径,mm。
(九)钻头(喷咀)水功率
pb=△pb×Q
式中:
pb——钻头(喷咀)水功率,kw;
△pb——钻头(喷咀)压力降,MPa;
Q——流量,L/s。
(十)射流喷射速度
式中:
VJ——射流喷射速度,m/s;
Q——流量,L/s;
AJ——喷咀截面积,mm2。
(十一)射流冲击力
FJ=ρd×υJ×Q
式中:
FJ——射流冲击力,N;
ρd——钻井液密度,g/cm3;
υJ——射流喷射速度,m/s;
Q——流量,L/s。
(十二)钻头单位面积水功率(比水功率)
式中:
Pbs——钻头单位面积水功率(比水功率)
,W/mm2;
p——钻头水功率,kw;
b
Ab——井底面积(即钻头面积),mm2;
db——钻头直径,mm。
(十三)钻井泵功率利用率
式中:
——钻井泵功率利用率,无因次量;
Pb——钻头水功率,kw;
Pp——钻井泵实发水功率,kw。
(十四)钻井液环空返速
式中:
υa——钻井液环空返速,m/s;
Q——流量,L/s;
dh——井眼直径,mm;
dp——钻杆外径,mm。
(十五)环空临界流速
1、宾汉流体
式中:
υ——环空临界流速,m/s;
cr
μpv——塑性粘度,mPa·s;
τyp——屈服值(动切力),Pa;
τyp=0.479(2θ300-θ600);
3
ρd——钻井液密度,g/cm;
dh——井眼直径,mm;
dp——钻杆外径,mm;
υ
m/s;
a——钻井液上返速度,
若υ
Re≥2100为紊流。
a≥υ或cr
υa<υcr或Re<2100为层流。
2、幂律流体
式中:
υ——环空临界流速,m/s;
cr
n——钻井液流型指数,无因次量;
K——钻井液稠度系数,Pa·sn;
ρd——钻井液密度,g/cm3;
dh——井眼直径,mm;
dp——钻杆外径,mm;
Z——钻井液流态指示值,无因次量;
υa——钻井液环空上返速度,m/s;
若υa≥υcr或Z≥800为紊数;
υa<υcr或Z<800为层流。
(十六)岩屑滑落速度
式中:
υ——岩屑滑落速度,m/s;
s
drc——岩屑直径,mm;
ρrc——岩屑密度,g/cm3(一般取2.5g/cm3);
ρd——钻井液密度,g/cm3;
μf——视粘度,mPa·s。
(十七)环空净化能力
式中:
Lc——环空净化能力,无因次量;
υs——岩屑滑落速度,m/s;
υa——钻井液环空上返速度,m/s。
(十八)临界井深(选择宾汉流体)
1、最大钻头水功率工作方式
式中:
Dcr——临界井深,m;
pr——钻井泵额定泵压,MPa;
kg——地面管汇循环压力损耗系数,无因次量;
kc——钻铤循环压力损耗系数,无因次量;
Lc——钻铤长度,m;
Q——流量,L/s;
kp——钻杆循环压力损耗系数,无因次量。
2、最大冲击力工作方式
式中:
Dcr——临界井深,m;
pr——钻井泵额定泵压,MPa;
kg——地面管汇循环压力损耗系数,无因次量;
kc——钻铤循环压力损耗系数,无因次量;
Lc——钻铤长度,m;
Q——流量,L/s;
kp——钻杆循环压力损耗系数,无因次量。
(十九)最优流量(选择宾汉流体)
1、最大钻头水功率工作方式
式中:
Qopt——最优流量,L/s;
pr——钻井泵额定泵压,MPa;
kg——地面管汇循环压力损耗系数,无因次量;
kp——钻杆循环压力损耗系数,无因次量;
Lp——钻杆长度,m;
kc——钻铤循环压力损耗系数,无因次量;
Lc——钻铤长度,m。
2、最大冲击力工作方式
式中:
Qopt——最优排量,L/s;
pr——钻井泵额定泵压,MPa;
kg——地面管汇循环压力损耗系数,无因次量;
kp——钻杆循环压力损耗系数,无因次量;
Lp——钻杆长度,m;
kc——钻铤循环压力损耗系数,无因次量;
Lc——钻铤长度,m。
四、优选参数钻井计算公式
(一)钻速方程
式中:
υ——机械钻速,m/h;
pe
d——钻压指数(d=0.5366+0.1993kd),无因次量;
kd——岩石可钻性级值;
λ——转速指数(λ=0.9250-0.0375kd),无因次量;
f——地层水力指数(f=0.7011-0.05682kd),无因次量;
Ws——单位钻头直径钻压(比钻压),KN/mm;
nr——转速,r/min;
HPe——喷咀等效比水功率,W/mm2;
△ρd——钻井液密度差系数(0.97673kd-7.2703),无因次量;
ρd——钻井液密度,g/cm3;
Pbs——钻头比水功率,W/mm2;
d1、d2、d3分别为钻头喷咀直径,mm。
(二)钻头牙齿磨损方程
式中:
——钻头牙齿磨损速度,无因次量;
P——钻头系数,镶齿钻头P=0.5;
Af——地层研磨性系数,无因次量;
nr——转速,r/min;
D1——钻压影响系数,无因次量;
db——钻头直径,mm;
Wcr——单位钻头直径临界比钻压,KN/mm;
Ws——单位钻头直径钻压(比钻压),KN/mm;
c1——钻头牙齿磨损减慢系数,无因次量;
hf——牙齿磨损量,无因次量。
单位钻头直径临界比钻压取值:
D1——钻压影响系数,无因次量;
D2——钻压影响系数,无因次量;
铣齿牙轮钻头:
Wcr=1.77KN/mm;
锒齿牙轮钻头:
Wcr=1.34KN/mm。
(三)钻头轴承磨损方程
式中:
——钻头轴承磨损速度,无因次量;
nr——转速,r/min;
db——钻头直径,mm;
Ws——单位钻头直径钻压(比钻压),KN/mm;
b——钻头轴承工作系数,无因次量。
(四)钻井成本方程
式中:
Cu——钻井直接成本,元/m;
Cb——钻头单价,元/只;
Cr——钻机作业费,元/h;
td——纯钻进时间,h;
tt——起下钻时间,h;
tcn——接单根时间,h;
Fb——钻头进尺,m。
(五)其他参数
1、地层研磨性系数Af
式中:
c1——钻头牙齿磨损减慢系数,无因次量;
Af——地层研磨性系数,无因次量;
hf——钻头牙齿磨损量,无因次量;
nr——转速,r/min;
D1——钻压影响系数,无因次量;
db——钻头直径,mm;
P——钻头系数,镶齿钻头P=0.5;
td——钻头纯钻进时间,h;
Wcr——单位钻头直径临界比钻压,KN/mm;
Ws——单位钻头直径钻压(比钻压),KN/mm。
2、当Af≤4,由轴承决定钻头寿命td
式中:
td——钻头轴承寿命,h;
bf——钻头轴承磨损量,无因次量;
b——钻头轴承工作系数,无因次量;
nr——转速,r/min;
db——钻头直径,mm;
ws——单位钻头直径钻压(比钻压)KN/mm。
当Af>4,则由牙齿决定钻头寿命td
式中:
Tt——钻头牙齿寿命,h;
c1——钻头牙齿磨损减慢系数,无因次量;
hf——钻头牙齿磨损量,无因次量;
Af——地层研磨性系数,无因次量;
nr——转速,r/min;
D1——钻压影响系数,无因次量;
db——钻头直径,mm;
Wcr——单位钻头直径临界比钻压,
Ws——单位钻头直径钻压(比钻压)
KN/mm;
,KN/mm。
五、地层孔隙压力计算公式
(一)地层孔隙压力和压力梯度
1、地层孔隙压力
pp=10-3×ρf×g×H
式中:
pp——地层孔隙压力(在正常压实状态下,地层孔隙压力等于静液柱压力),MPa;
ρf——地层流体密度,g/cm3;
g——重力加速度,9.81m/s2;
H——该点到水平面的重直高度(或等于静液柱高度),m。
在陆上井中,H为目的层深度,起始点自转盘方钻杆补心算起,液体密度为钻井液密度
ph=10-3×ρm×g×H
式中:
ph——静液柱压力,MPa;
ρm——钻井液密度,g/cm3
H——目的层深度,m;
g——重力加速度,9.81m/s2。
在海上井中,液柱高度起始点自钻井液液面(即出口管)高度算起,它与方补心高差约为
0.6m~3.3m,此高差在浅层地层孔隙压力计算中要引起重视,在深层可忽略不计。
2、地层孔隙压力梯度
式中:
Gp——地层孔隙压力梯度,MPa/m。
其它单位同
(一)中1。
(二)上覆岩层压力
1、上覆岩层压力
po=9.81×10-3H〔(1-Φ)ρm+Φρ〕
式中:
po——上覆岩层压力,MPa;
H——目的层深度,m;
Φ——岩石孔隙度,%;
ρ——岩层孔隙流体密度,g/cm3;
ρm——岩石骨架密度,g/cm3。
2、上覆岩层压力梯度
Go——上覆岩层压力梯度,MPa/m;
Po——上覆岩层压力,MPa;
ρ,则
m
H——深度(高度),m。
(三)压力间关系
Po=Pp+σz
式中:
Po——上覆岩层压力,MPa;
Pp——地层孔隙压力,MPa;
σ
,MPa。
z——有效上覆岩层压力(骨架颗粒间压力或垂直的骨架应力)
(四)地层破裂压力和压力梯度
1、地层破裂压力(伊顿法)
式中:
Pf——地层破裂压力(为岩石裂缝开裂时的井内流体压力),MPa;
μ——地层的泊松比;
σz——有效上覆岩层压力,MPa;
Pp——地层孔隙压力,MPa。
或Pf=Ph+P试
式中:
Pf——地层破裂压力,MPa;
Ph——液柱压力,MPa;
P试——试验时地层破裂时的立管压力,MPa。
2、破裂压力当量密度
式中:
ρp——破裂压力当量密度,g/cm3;
ρm——试验时所用钻井液密度,g/cm3;
PL——试验时地层漏失压力,MPa;
H——裸眼段中点井深,m。
3、地层破裂压力梯度
式中:
Gf——地层破裂压力梯度,MPa/m;
Pf——地层破裂压力,MPa。
(五)dc指数
1、dc指数方程
式中:
dc——修正d指数,无因次量;
nr——转速,r/min;
td——纯钻时,min;
w——钻压,KN;
db——钻头直径,mm;
ρp——正常地层孔隙压力当量钻井液密度,g/cm3;
ρd——钻井液密度,g/cm3。
2、正常趋势线方程
dcn=a×10bh
式中:
dcn——dc指数正常趋势线方程(无因次量);
a——正常趋势线截距,无因次量;
b——正常趋势线的斜率,m-1;
h——做dc指数试验时的井深,m。
六、压井计算公式
(一)关井立管压力
Ps+Pd=Pa+Pad=Pp
式中:
Ps——关井立管压力,MPa;
Pd——钻柱内钻井液液柱压力,MPa;
Pa——关井套管压力,MPa;
Pad——环空受油气侵钻井液静液柱压力,MPa;
Pp——地层孔隙压力,MPa。
(二)装有钻具回压阀的关井立管压力
Ps=Ps1-△Pa
式中:
Ps——关井立管压力,MPa;
Ps1——仃泵时立管压力,MPa;
△Pa——关井时套管压力升高值,MPa;
(三)在循环钻井液情况下求关井立管压力
Ps=PT-△Pci
式中:
Ps——关井立管压力,MPa;
PT——压井时立管总压力,MPa;
Pci——压井时的循环压力,MPa;
(四)压井时所需钻井液密度
式中:
ρd1——压井时所需钻井液密度,g/cm3;
ρd——钻柱内钻井液密度,g/cm3
△ρ——压井所需钻井液密度增量,g/cm3;
Ps——关井立管压力,MPa;
H——井深,m;
g——重力加速度(=9.81m/s2);
ρe——安全附加当量钻井液密度(油井0.05g/cm3~0.1g/cm3,气井为0.07g/cm3~0.15g
/cm3)。
Pe——安全附加
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