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钻井工程课程设计

设计编号：

构造：

xx构造

钻井工程设计

井号：

L-27

井别：

探井

井型：

直井

中国地质大学（北京）

工程技术学院

xx构造

L-27井钻井工程设计

中国地质大学（北京）

工程技术学院

2015年4月

设计单位：

设计人：

年月日

初审意见：

初审人：

年月日

审核意见：

审核人：

年月日

业主部门：

审核意见：

审批人：

年月日

批准意见：

批准人：

年月日

1.地质概况

1.1构造名称：

xx构造。

1.2地理及环境资料

1.2.1井口坐标：

纵：

（X）4275165m，横（Y）20416485m。

1.2.2地面海拔：

50m。

1.2.3构造位置：

xx凹陷。

1.2.4地理位置：

xx省xx市东500m。

1.2.5测线位置：

504和45地震测线交点。

1.2.6气象资料（在预计施工期内，本地区的风向、风力、气温和大风雪、汛期等情况）

属中温带大陆性季风气候，春秋两季多大风，年平均气温xx℃，无霜期xxx天左右，年降水量xxx毫米。

1.2.7地形地貌及交通情况

本井位于xx省xx市东500m，区内地势较平坦，地面海拔在50m左右。

地面条件较复杂，分布有农田、盐碱地、居民点等，区内公路交通较为便利。

本井区内公路纵横交错，且有铁路通过，交通十分便利，联通、移动网络均覆盖该区。

1.3地质要求

1.3.1钻井目的

本井钻探的目的是为了进一步了解该地区的构造情况，完善该地区的地层资料，为以后的研究工作提供依据。

1.3.2设计井深：

3100m

1.3.3井别：

探井井型：

直井

1.3.4目的层位：

J层

1.3.5完钻层位及完钻原则

完钻层位：

J层。

完钻原则：

钻穿J层完钻。

1.3.6完井方法：

油层套管射孔完井。

1.3.7地质分层：

表1地层分层数据表

层位代号

底界深度（m）

主要岩性描述

故障提示

Pf

PO

A

300

表层，未胶结

渗漏

1.0

B

800

砾岩夹泥岩

防斜

1.12

1.01

C

980

砂砾岩

防斜

1.20

1.03

D

1200

砂质泥岩

防斜

1.27

1.06

E

1500

泥岩、泥岩砂岩互层

防塌

1.35

1.10

F

1900

页岩、泥岩

防斜、防塌

1.45

1.14

G

2200

砂岩

防漏

1.55

1.18

H

2600

泥岩、泥岩砂岩互层

防斜

1.71

1.20

I

2890

泥岩

防塌

1.99

1.22

J

3100

砂岩

防喷

2.40

1.25

1.4压力梯度预测

/（g·cm-3）

760

980

1840

2200

3500

4100

4600

5080

5300

图一：

地层压力剖面和地层破裂压力坡面曲线

2.设计依据

钻井工程设计依据：

L-27井钻井地质设计、邻区邻井实钻资料、有关技术规范和技术法规以及油勘字[2004]35号《×××井钻井工程设计》标准格式规范。

2.1L-27井井位设计书、设计数据表

表2松科1井（主孔）设计数据表

井号

井别

测线位置

设计坐标m

纵（X）

横（Y）

地震反射标准层（海拔:

m）

地面

高程

m

L-27

探井

504和45地震测线交点

4275165

20416485

50

3.质量要求

3.1井身质量要求

3.1.1井斜

表3井斜、水平位移允许范围

井深

（m）

井斜

（°）

全角变化率

（°）

水平位移

（m）

井径扩大率

（%）

井斜测量间距

（m）

0~1000

≤3.0

≤1°00′

≤25

≤12

25

1000~1750

≤4.0

≤1°15′

≤50

1750~3100

≤5.0

≤2°

≤80

由图一得钻遇最大地层压力当量密度为

pmax=1.25g/cm3，位于

=3100m处

3.1.1.1确定中间套管下入深度假定点

确定套管下入深度的依据，是在钻下部井段的过程中所预计的最大井内压力不致被压裂套管鞋处的裸露地层。

利用压力剖面图中最大地层压力梯度求上部地层破裂压力梯度的当量密度

。

根据公式

（1）：

（1）

其中：

：

剖面图中最大地层压力梯度的当量密度，g/cm3；

：

抽吸压力允许值的当量密度，取0.03g/cm3

：

安全系数，取0.03g/cm3；

：

第1层套管下入深度初选点，m；

：

井涌允量，取0.03g/cm3。

有下面的：

采用试算法可求得H1的值，经试算发现当H1=1750时，

=1.38，从图一中可以读取，当H1=1750时，

=1.39，

略大于

，所以H1=1750即为中间套管下入深度的假定点。

3.1.1.2验证中间套管下入深度H1=1750时是否有卡套管危险

先求出该井段最小地层压力处的最大静止压差，根据公式

（2）可以算出压力差

（2）

其中：

：

压力差，MPa；

：

钻井深度H1时采用的钻井液密度，

；

：

该井段内最小地层压力当量密度，

；

：

最小地层压力点所对应的井深，m。

的大小可以根据公式（3）计算得出：

（3）

经过计算得

=1.28，所以

=0.8《

=14，所以不会发生压差卡套管，故中间套管的下入深度为1750m。

3.1.1.3确定表层套管下入深度

根据中间套管鞋处的地层压力梯度，给定井涌条件

，用试算方法计算表层套管下入深度，用公式（4）来计算：

（4）

其中：

：

井涌压井时表层套管鞋处承受的压力的当量密度，

；

：

中间套管鞋处的地层压力当量密度，

。

当H2=1000时，

=1.21，由图一知道，当H2=1000时，

=1.22，所以H2=1000符合要求，即表层套管的下入深度为1000m。

3.1.2井径

要严格控制井斜与井身质量，目的层井径扩大率不超过12%。

3.1.3井身质量要求执行Q/SYDQ0722－2000《钻井工程质量要求》的相关要求。

3.2固井质量要求

钻头尺寸和套管尺寸根据图2选取

图2井身结构参数系列

表4

开钻

次数

钻头

尺寸

（mm）

井段

（m）

套管

尺寸

（mm）

套管

下深

（m）

水泥封固井段

（m）

阻流环

位置

（m）

测井

项目

固井质

量要求

一开

444.5

0~1000

339.7

1000

0~1000

/

/

合格

二开

311.1

1000~1750

244.5

1750

0~1750

/

/

合格

三开

215.9

1750~3100

177.8

3100

0~3100

/

/

合格

4.井身结构

4.1设计依据

4.1.1设计系数

表5

名称

抽吸压力当量密度

g/cm3

激动压力

当量密度g/cm3

溢流允许值

g/cm3

地层破裂压力安全当量密度允许值g/cm3

异常压力地层压差卡钻临近值

Mpa

正常压力地层压差卡钻临近值

Mpa

数值

0.03

0.03

0.03

0.04

14

23

4.2井身结构示意图

A

A

4.3井身结构设计数据表

表6

开钻次序

钻头尺寸×井深

mm×m

套管尺寸×下深

mm×m

套管下入

地层层位

环空水泥浆返深

m

备注

一开

Φ444.5×1000

Φ339.7×1000

C层

地面

常规固井

二开

Φ311.1×1750

Φ244.5×1750

E层

地面

常规固井

三开

Φ215.9×3100

Φ177.8×3100

F层

地面

常规固井

4.4井身结构设计说明

表7

开钻次序

钻头尺寸mm

套管尺寸mm

设计说明

一开

Φ444.5

Φ339.7

一开采用Φ444.5mm的钻头钻至井深1000m，下入Φ339.7mm的表层套管，采用常规注水泥工艺固井，水泥浆返至地面，封固地表流沙层和水层，保护地下水，为二开安装井口装置和安全钻井提供可靠条件。

二开

Φ311.1

Φ244.5

二开采用Φ311.1mm的钻头钻至井深1750m，下入Φ244.5mm的技术套管，采用常规注水泥工艺固井，水泥浆返至地面。

三开

Φ215.9

Φ177.8

三开采用Φ215.9mm的钻头钻至完钻井深3100m，下入Φ177.8mm的生产套管，采用常规注水泥工艺固井，水泥浆返至地面。

注：

表层套管下深≥500m，同时进入稳定地层30m以上。

5．钻井设备

5.1钻机选型及钻井主要设备

表8

序号

名称

规格型号

主要技术参数

备注

一

钻机

ZJ-30DJ

二

井架

TJ－41

最大载荷2000kN

三

提

升

系

统

绞车

JC－14.5

快绳拉力150kN

天车

TC－200

最大载荷2000kN

游动滑车

YC－200

最大载荷2000kN

大钩

DG－220

最大载荷2200kN

水龙头

SL－225

最大载荷2250kN

四

顶部驱动装置

联动机

五

转盘

ZP－520

开口直径520mm

 六

循环

系统

配置

钻井泵1#

SL3NB－1300

1300HP

钻井泵2#

SL3NB－1300

1300HP

钻井液罐

180m3（循环罐）

含储备罐

搅拌器

七

普通

钻机

动力

系统

柴油机1#

12V190B

1200HP

柴油机2#

12V190B

1200HP

柴油机3#

12V190B

1200HP

八

发

电

机

组

发电机1#

沃尔沃

发电机组

210kW

发电机2#

沃尔沃

发电机组

210kW

节能发电机

CF200

200kW

MCC房

九

钻机控制系统

自动压风机

2V－6.5/12

电动压风机

2V－5.5/12

气源净化装置

刹车系统

辅助刹车

十

固

控

系

统

震动筛1#

ZYNS－D

处理量126m3/h

最低配置要求

震动筛2#

ZYNS－D

处理量126m3/h

最低配置要求

除砂器

NQJ－250×2

处理量200m3/h

最低配置要求

除泥器

NQJ－100×8

处理量200m3/h

最低配置要求

离心机

LW450－842

处理量45m3/h

最低配置要求

十一

加

重

装

置

加重漏斗

1台

电动加重泵

气动下灰装置

十二

仪

器

仪

表

钻井参数仪表

MZ－2500

含死绳固定器

测斜仪

BXJ－4

测斜绞车

十三

液压大钳

ZQ100

16.6MPa时扭矩100kN·m

6．钻具组合与强度校核

6.1钻具组合

表9钻具组合表

开钻次序

井眼尺寸/mm

井段/m

钻具组合

一开

444.5

0～1000

Φ444.5mm钻头+Φ228.6mm钻铤（19根）+Φ127.0mm钻杆+133.4mm方钻杆

二开

311.1

1000～1750

Φ311.1mm钻头+Φ203.2mm钻铤（22根）+Φ127.0mm钻杆+133.4mm方钻杆

三开

215.9

1750～3100

Φ215.9mm钻头+Φ177.8mm钻铤（24根）+Φ127.0mm钻杆+133.4mm方钻杆

注：

二开钻进为防止井斜，采用钟摆钻具组合。

6.2钻具强度校核

表10钻具强度校核表

井眼尺寸mm

井段m

钻井液密度g/cm3

钻具参数

累计重量kN

钻具名称

钢级

外径mm

内径mm

长度m

重量kN/m

444.5

0～1000

1.0～1.04

钻铤

228.6

71.4

175.48

2.847

733.75524

钻杆

E

127.0

108.6

824.52

0.284

311.1

1000～1750

1.04～1.15

钻铤

203.2

71.4

202.86

2.190

883.65116

钻杆

E

127.0

108.6

1547.14

0.284

215.9

1750～3100

1.15～1.27

钻铤

177.8

71.4

218.72

1.606

1169.54784

钻杆

E

127.0

108.6

2881.28

0.284

7．钻头选型与钻井参数

7.1钻头与钻井参数

表11钻头与钻井参数表

开钻次序

井段m

地层分层

钻头

钻压kN

转速r/min

排量L/s

进尺m

纯钻时间h

机械钻速预测m/h

直径mm

型号

数量

一开

0～1000

A、B

444.5

GJ115B

2

20～160

60～300

60

二开

1000～1750

B～F

311.1

HJ117

6～9

20～160

60～300

35

三开

1750～3100

F～J

215.9

H136

5～8

10～120

60～350

20

7.2水力参数设计

表12水力参数设计表

井段m

钻头直径mm

喷嘴当量直径mm

钻井液性能

水力参数

密度g/cm3

塑性粘度mPa·s

动切力Pa

排量L/s

泵压MPa

钻头压降MPa

冲击力kN

喷射速度m/s

钻头水功率kW

比水功率W/mm2

环空返速m/s

0～1000

444.5

22．5

1.0～1.04

/

/

60

18

10.5

8.07

139．8

587

3.64

0.4

1000～1750

311.1

17.4

1.05～1.15

/

/

35

18

10.6

4.85

133.2

336

4.25

0.5

1750～3100

215.9

11.0

1.21～1.30

/

/

20

30

24.1

4.39

188.6

430

11.31

0.7

8.钻井液

各开次适用的钻井液密度如下表所示

表13

开次

井段m

钻井液密度范围g/cm3

一开

0～1000

1.0～1.04

二开

1000～1750

1.05～1.15

三开

1750～3100

1.21～1.30

9．油气井压力控制

9.1各次开钻井口装置示意图

9.1.1二开井口装置示意图

9.1.2三开井口装置示意图

9.2节流管汇及压井管汇示意图

9.3各次开钻试压要求

表14

开钻次数

井控装置

名称

型号

试压要求

介质

压力

MPa

时间

min

允许压降

MPa

二

开

法兰短节

/

清水

15.0

10.0

≤0.5

四通

/

清水

15.0

10.0

双闸板防喷器

2FZ35-21

清水

15.0

10.0

节流管汇

JG-21

清水

15.0

10.0

压井管汇

/

清水

15.0

10.0

三

开

法兰短节

/

清水

21.0

10.0

≤0.5

转换法兰

28×35

清水

21.0

10.0

四通

/

清水

21.0

10.0

双闸板防喷器

2FZ35-21

清水

21.0

10.0

节流管汇

JG-21

清水

21.0

10.0

压井管汇

/

清水

21.0

10.0

9.4井控要求

9.4.1井控设备安装要求

（1）安装防喷器、钻井四通、节流管汇、压井管汇的各部连接法兰的钢圈、钢槽要清洁干净，并涂黄油安装。

各部位的连接螺栓要齐全并扭紧无余扣，法兰间隙要均匀。

安装质量必须达到《石油与天然气钻井井控规定》的标准。

（2）防喷器底法兰套管短节上下连接可靠，无余扣，不得现场电焊。

（3）节流、压井管汇管线要用专用管线，并采用标准法兰连接，不得现场电焊。

（4）防喷器上部必须安装钻井液伞，防喷器重心部位用⅝"钢丝绳正反花蓝螺栓四角固定。

（5）防喷器主体安装平整，天车、转盘与防喷器组的中心最大偏差不超过10mm。

（6）放喷管线通径不小于78mm并且公螺纹朝外，长度不少于75m。

不得有焊接。

要求安装平直，如遇特殊情况,管线需要转弯时，要用铸钢弯头连接，其角度大于120°。

放喷管线每隔10~15m、转弯处用水泥基墩与地角螺栓或地锚固定。

（7）钻井液回收管线内径不小于78mm，拐弯角度大于120°，不得现场焊接。

（8）远程控制台安装在面对井架大门左侧，距井口不少于25m的专用活动房内，距放喷管线或压井管汇有1m以上距离，且专线供电。

9.4.2井控培训要求

（1）对工人的培训，要以能及时发现溢流、正确实施关井操作程序、及时关井、会对井控装备进行日常维护和保养为重点。

（2）对钻井队干部的培训，要以正确判断溢流、正确关井、迅速建立井内压力平衡、能正确判断井控装备故障、具有实施井喷及井喷失控处理能力为重点。

（3）对井控车间技术干部、现场服务人员的培训，要以懂井控装备的结构、原理，会安装、调试，能正确判断和排除故障为重点。

（4）对钻井公司经理和总工程师的培训，要以井控工作的全面监督管理、复杂情况下的二次控制及组织处理井喷失控事故为重点。

9.4.3井控演习要求

（1）钻井队应按钻进时、起下钻杆时、起下钻铤时、空井时发生溢流的四种工况分岗位、按程序定期进行防喷演习。

（2）钻开油气层前，必须进行防喷演习，演习不合格不得打开油气层。

（3）作业班每月不少于一次不同工况下的防喷演习，并做好防喷演习记录。

（4）演习记录包括：

班组、时间、工况、讲评、组织演习人等。

9.4.4井控岗位要求

（1）井控工作是钻井安全工作的重要组成部分，主管钻井工作的局领导是井控工作的第一责任人。

（2）各钻井公司、钻井大队、钻井队、井控车间应成立相应的井控领导小组，并负责本单位的井控工作。

（3）各级负责人按谁主管谁负责的原则，应有职、有权、有责。

（4）凡直接指挥钻井队现场生产的领导干部、技术人员、井控监督、井控车间现场服务人员、钻井队干部、正、副司钻、安全员和大班司钻都应经过培训考核取得井控操作证。

没有取得井控操作证的领导干部和技术人员无权指挥生产，工人不得上岗操作。

凡未取得井控操作证而在井控操作中造成事故者要加重处罚。

（5）进入目的层前按油气田规定时间开始坐岗。

（6）凡坐岗人员上岗前必须经过技术培训。

（7）坐岗记录包括时间、工况、井深、起下立柱数、钻井液灌入量、钻井液增减量、原因分析、记录人、值班干部验收签字等。

（8）发现异常情况应立即报告司钻。

（9）进入油气层前及以后钻井队干部必须坚持24h值班，值班干部应挂牌或有明显标志。

（10）值班干部应检查监督井控岗位执行、落实制度情况，发现问题立即整改。

试压、演习、溢流、井喷、井下复杂等特殊情况，必须在场组织、指挥司钻尽快处理。

9.4.5加重钻井液储备和加重料要求

按钻井液设计部分要求执行。

9.4.6井控主要措施

（1）井场钻井设备的布局要符合防火要求，发电房应设置在季节风的上风方向，距井口30m以远。

（2）二开前施工井队对封井器进行全面的检修，提前做好联接螺栓、升高短节、钢圈、放喷管线等配件的准备工作。

（3）按规定装好封井器的液压远程控制台，电路应从发电房引出专线控制，节流、压井管汇的安装符合标准；方钻杆上下旋塞、单流凡尔、能与钻铤相接的带单流凡尔的钻杆配备齐全。

（4）各种井控设备、专用工具、消防设备、电路系统配备齐全，运转正常。

（5）严格执行钻开油气层准备工作的检查验收制度。

钻达各设计油气层前，井队必须进行一次以班组为单位、以“四七”动作为内容的防喷演习，必须制定出油气层井段安全钻进技术措施。

（6）进入目的层段井场严禁动用明火，并注意做好防喷、防漏、防火工作。

（7）钻进中遇到钻速突然加快、放空、井漏、蹩钻、跳钻、油气水显示等情况，应立即停钻观察，待搞清井下情况后，方可继续钻进。

（8）钻开目的层后，控制起下钻速度，防止因抽吸或压力激动造成井喷、井漏；且每次起下钻要对闸板防喷器开关活动一次。

（9）取心起钻时必须严格控制起钻速度，避免发生“拔活塞”造成井下复杂情况。

（10）在整个钻井作业中，起钻必须向井筒连续灌钻井液，由专人负责起下钻钻井液吞吐量的校核和记录。

（11）发现溢流关井时，其关井压力不得超过井控设备额定工作压力、套管抗内压强度的80%、地层破裂压力允许的关井压力三者中的最小值。

（12）认真做好井控记录，未提及部分按《石油与天然气钻井井控规定》执行。

10．固井设计

10.1套管柱设计

表15套管数据表

套管程序

井段m

套管规范

理论强度值

直径mm

钢级

壁厚mm

扣型

推荐上扣扭矩N·m

抗外挤Mpa

抗内压Mpa

抗拉kN

表层套管

0～1000

339.7

J-55

9.65

LTC

7.8

18.8

2286

技术套管

0～1750

244.5

P-110

11.99

LTC

54.7

65.1

5390

生产套管

0～3100

177.8

V-150B

12.65

LTC

111.8

128.7

6125

表16套管强度校核表

套管程序

井段m

长度m

套管重量

抗外挤

抗内压

抗拉

钻井液g/cm3

每米重N/m

段重kN

累重kN

最大载荷Mpa

安全系数

最大载荷Mpa

安全系数

最大载荷kN

安全系数

表层套管

0～1000

1000

795.4

7.95

477.2

6.12

1.27

5.90

3.19

477.2

4.79

1.0～1.04

技术套管

0～1750

1750

797.8

7.98