钻井常用计算公式.docx
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钻井常用计算公式
'.
第四节钻井常用计算公式
一、井架根底的计算公式
〔一〕根底面上的压力
nQ+Q
P基=
OB
4
式中:
P基——根底面上的压力,
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——根底面上的压力,MPa;
W——根底重量,t〔常略不计〕。
〔三〕根底尺寸
P基
1、顶面积F1=
B1
式中:
F1——根底顶面积,cm2;
B1——混凝土抗压强度〔通常为28.1kg/cm2=0.281MPa)
P地
2、底面积F2=
B
2
式中:
F2——根底底面积,cm2;
B2——土地抗压强度,MPa;
P地——土地面上的压力,MPa。
3、根底高度
式中:
H——根底高度,m;
F2、F1分别为根底的底面积和顶面积,cm2;
P基——根底面上的压力,MPa;
B3——混凝土抗剪切强度〔通常为2=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,小基墩井架脚,基墩的上局部。
2.厚而大的突出基墩。
3.支承台、浇灌坑穴及其他。
4.承受很大负荷和
冲击力的小基墩。
5.承受负荷不大的基墩。
1∶2∶43350.450.907442
1∶∶52760.460.916082
1∶3∶62340.460.935042
1∶1∶25850.390.7815002
1∶4∶81800.480.963752
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;
α——测量点a点处的井斜角,°;
a
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,m;
Ss——实际井底与设计井底的水平偏差距,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×Q
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
;
×ρd×μpv
;.
'.
μ
,mpa·s;
pv(塑性粘度)=θ600-θ300
、θ分别为旋转粘度计600r
/min
、300r
/min
的读数,无因次量。
θ600
300
〔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;
μ——塑性粘度,mpa·s;
pv
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;
ρ——钻井液密度,g/cm3;
d
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;
ρ——钻井液密度,g/cm3;
d
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;
ρ——钻井液密度,g/cm3;
d
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
F=ρ×υ×Q
JdJ
式中:
FJ——射流冲击力,N;
ρ——钻井液密度,g/cm3;
d
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;
pb——钻头水功率,kw;
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:
υ——钻井液环空返速,m/s;
a
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;
τ——屈服值〔动切力〕,Pa;
yp
τyp=0.479(2θ300-θ600);
ρ——钻井液密度,g/cm3;
d
dh——井眼直径,mm;
dp——钻杆外径,mm;
Re——雷诺数,无因次量;
υ——钻井液上返速度,m/s;
a
假设υ
或R
e≥2100为紊流。
a≥υcr
υ<υ或R<2100为层流。
acr
e
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;
ρ——钻井液密度,g/cm3;
d
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;
;.
'.
υ——钻井液环空上返速度,m/s;
a
假设υ≥υ或Z≥800为紊数;
acr
υ<υ或Z<800为层流。
acr
〔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;
ρ——岩屑密度,g/cm3(一般取3);
rc
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;
υ——钻井液环空上返速度,m/s。
a
〔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;
ρ——钻井液密度,g/cm3;
d
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;
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:
。
〔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〕钻井本钱方程
式中:
Cu——钻井直接本钱,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;
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,那么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,KN/mm;
Ws——单位钻头直径钻压〔比钻压〕,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×ρ
f×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,2;
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
ρ,那么
m
ph=10
-3×ρ
m×g×H
式中:
ph——静液柱压力,MPa;
ρ——钻井液密度,g/cm3
m
H——目的层深度,m;
g——重力加速度,2。
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;
ρ——岩石骨架密度,g/cm3。
m
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;
;.
'.
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——有效上覆岩层压力〔骨架颗粒间压力或垂直的骨架应力〕,MPa。
z
〔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;
σ——z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:
ρ——破裂压力当量密度,g/cm3;
p
ρ——试验时所用钻井液密度,g/cm3;
m
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;
ρ——钻井液密度,g/cm3。
d
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:
ρ
/cm
3;
d1——压井时所需钻井液密度,g
ρ——钻柱内钻井液密度,g/cm3
d
3
△ρ——压井所需钻井液密度增量,g/cm;
H——井深,m;
g——重力加速度〔〕;
ρ——平安附加当量钻井液密度〔油井3g/cm3,气井为3g
e
/cm3〕。
Pe——平安附加压力,MPa〔油井为1.5MPa~3.5MPa,气井为3.0MPa~5.0MPa〕。
〔五〕压井循环时立管总压力
pT=ps+△pcs+pe
式中:
PT——压井循环时立管总压力,MPa;
Ps——关井立管压力,MPa;
△Pcs——循环压耗,MPa;
Pe——平安附加压力〔同上〕,MPa。
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