工程设计题
一、供单项工程设计的江汉油田某井资料
1．井身结构：
一开：υ450mm×113m井眼，υ339.7mm×110m表层套管，水泥返至地面。
二开：υ311.2mm井眼×1203井眼，υ244.5mm×1200m技术套管，水泥返深800m。
三开: υ215.9mm×2480m井眼，139.7mm×2830m油套，水泥返深2200m，阻流环2810m。 2．井身质量：
设计垂深2790m； 位移195.15m；
设计方位124.09o ； 造斜点深1250m； 造斜率3o/100m。 3．垂直剖面图（略）。 4．水平投影图（略）。
5．设计地层分层，见表3-1-3-8。
表3-1-3-8 设计地层分层情况
设计分层 层 位 第四系平原组 上第三系广华寺组 荆河镇组 潜一段 潜二段 31 潜 三 段 31下底深 m 75 420 750 1150 1650 1720 1790 1880 1950 2070 2240 2320 2360 2405 2615 2740 2790 2840 厚度 m 75 345 330 400 500 70 70 90 70 120 170 80 40 45 210 125 50 50 岩 性 简 述 黄色粘土、砾石、流砂层 杂色粘土层、砾状砂岩 灰、绿灰色泥岩，底部夹油页岩 膏盐韵律层段及砂泥岩互层段 盐岩、油浸泥岩，泥岩组成的韵律层段 灰色泥岩夹粉砂岩 盐岩、油浸泥岩，泥岩组成的韵律层段 灰色泥岩夹粉砂岩 盐岩、油浸泥岩，泥岩组成的韵律层段 盐岩、油浸泥岩，泥岩组成的韵律层段 盐岩、油浸泥岩，泥岩组成的韵律层段 灰色泥岩夹粉砂岩 盐岩、油浸泥岩、泥岩组成的韵律层 盐岩、油浸泥岩，泥岩组成的韵律层 盐岩、油浸泥岩、泥岩组成的韵律层 盐岩、油浸泥岩，泥岩组成的韵律层 灰色泥岩夹粉砂岩 盐岩、油浸泥岩，泥岩组成的韵律层段 灰色泥岩夹粉砂岩 盐岩、油浸泥岩，泥岩组成的韵律层段 地层倾角 下 第 三 系 32 33 3 3下潜 江 组 34 41 41下潜 四 段 40 0 4中0 4下42 2 4下2 4中2 4下6．故障提示：
平原组、广华寺组、荆河镇组地层防垮，潜江组地层防卡、防漏、防垮。
二、单项工程设计的要求
根据上面提供的基本数据进行设计，主要包括以下的设计内容： 1．选配钻具；
2．设计各次开始的钻具组合；
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3．画出各级开钻简图； 4．钻柱强度校核； 5．危险截面校核； 6．完成相应的报告。
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第四节 钻井参数设计
一、水力参数设计
（一）、水力参数设计的原则与内容
水力参数设计就是要根据地质及钻井实际条件分井段进行计算、分析、调整，拟定一个实现最优水力参数的综合全面方案。这个最优水力参数应能全面考虑和综合平衡众多的各个单项水力参数之间的配合关系。在水力参数设计时，必须根据钻井实际条件和地区经验选择某一个恰当的最优工作方式作为水力程序设计的依据；而设计的结果要能在钻井实践中体现所最优工作方式的判别指标。
在水力参数设计之前应了解设计井的地质及分层情况、井深及井身结构、全井钻井液方案、钻头使用方案及各次开钻的钻具组合方案等。
水力参数设计内容包括：
（1）优选钻井泵的缸套尺寸。
（2）设计参数：流量Q，泵压Pr喷嘴尺寸及喷嘴组合。
（3）计算参数：钻头压降Pb，钻头水功率Nb，射流冲击力Fj，喷嘴射流速度Vo，钻头比水功率Nc。
（二）、水力参数设计方法
国内外油田水力参数设计方法有很多种，如常规水力设计方法，定环空返速水力设计方法、定泵功率水力设计方法、定钻头水功率（或比水功率）设计方法，井壁稳定和最小携屑能力约束条件下定流量水力设计方法（简称为“双约束条件下定流量水力设计”）、地层水力可钻指数确定最经济水力参数设计方法等。下面主要就双约束条件下定流量水力设计作一详细介绍。
1．双约束条件下定流量水力参数设计方法
该设计方法就是在给定的井内流道（井身结构，钻柱组合）和钻井液性能条件下，确定保证安全钻进的最大、最小的流量范围，再根据井场的机泵条件优选钻井泵的缸套尺寸，得出优选实际流量。由优选流量计算循环压耗，进而根据喷射钻井的工作方式计算钻头压降。由钻头压降计算喷嘴当量尺寸和确定喷嘴组合。最后根据相关公式计算其他水力参数。
2．优选钻井泵的缸套尺寸
钻井泵的每一种缸套尺寸对应着一个流量，所选的钻井泵流量应既满足有效地携带岩屑，清洁井眼的需要，又能保持井壁稳定。满足上述要求的约束条件是：
（1）环空携岩能力Lc≥0.5，也就是计算环空当量直径的岩屑在钻井液中的下沉速度小于或等于上返速度的一半。在这种条件下循环钻进，环空中的岩屑浓度就不会继续增大，可以保证井眼净化的要求。
（2）环空岩屑浓度Ca≤9%，由于环空岩屑浓度过度，常常发生环空堵塞，泵压升高，悬重降低，循环漏失，导致钻具埋卡事故。
井眼稳定Z值不大于井眼稳定临界值。该Z值与非牛顿流体判定层流和紊流流态的Z值（Z=808）是两个截然不同的概念。该Z值与井壁岩石应力状态、岩层强度、水化能力等有关。如果环空返速过高，会冲蚀井壁，使井眼扩大严重。对于某一特定条件，确定裸眼稳定临界Z值可通过统计分析已钻井的资料而得到。Z值的计算公式为
Z=1517.83
(DH?DP)nAV2?n?m500nn0.387K （4-1）
式中 Z——井眼稳定Z值（无因次）；
DH，DP——分别为钻头直径和钻具外径，cm；
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AV——环空平均返速，m/s； n——流型指数；
K——稠度系数，Pa·sn； ρm——钻井液密度，g/cm3。
1）由井壁稳定条件确定最大允许流量Qmax。 对于宾汉流体： Vk=2100?s?10100?s?2.52?10?3?m?o(DH?DP)2 （4-2）
?m(DH?DP)对于幂律流体：
1???2?n Vk=0.0051??20451Kn0.387?? ?????Dn?H?DP??????2.54???m??式中 Vk——临界环空返速，m/s；
ηs——塑性粘度，Pa·s； τo——屈服值，Pa。
2）由井眼净化条件确定最小流量Qmin 井眼净化能力Lc计算公式为 Lc=
Vc?VEV≥0.5 c由于岩屑几何形状不规则，一般只能理想条件导出钻屑沉降速度公式，即 V?E=
0.071dE(2.5?m)2/3?1 c/3??1/3 式中 Vc——环空返速，m/s；
VE——岩屑沉降速度，m/s；
DE——岩屑当量直径，mm，牙轮钻头岩屑dE通常取10mm； μ——环空钻井液的视粘度，MPa·s。 环空剪切速度
d?d?为
d?1199Vcd?=?D H?DP式中 β——井径扩大系数，取1.1～1.2。 由此可求得，环空最小返速Vcmin。 对于宾汉流体： V.0142d2.5?cmin=
0E(?m)2/3 ??1/3?1o(?DH?Dp)?m/3?????1199V?cmin??对于幂律流体：
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（4-3）4-4） 4-5）
（4-6） （4-7）
（ （ Vcmin=
0.0142dE(2.5??m)2/3n?31/31/31199Vcmin?mK()3?DH?Dp （4-8）
2则 Qmax=0.785（DH?Dp）Vk （4-9） 2 Qmin=0.785（DH?dDp）Vcmin （4-10）
在保证井壁稳定和井眼净化条件约束下，流量选择范围为Qmax≥Q > Qmin。由Qmax，Qmin选择钻井泵缸套尺寸，在满足Qr > Qmin的条件下，选取额定泵压高的缸套。
3）由现场经验确定Qmin
许多油田通过长期的钻井实践已经有一个保证井眼净化的经验环空返速Vk，如江汉油田一般取Vk=1m/s。由该返速可计算得Qmin，再在Qr > Qmin的条件下，选取合适的缸套尺寸。
3．优选泵型
为提高井底钻头的水力参数，应尽量选用泵压高、功率大的钻井泵，同时在确定钻井泵时，又要考虑地面高压管线、阀门和钻具的承受力。通常，钻井泵按钻机类型选择：大庆Ⅰ（或Ⅱ）—130型钻机，推荐选配2台3NB—1300型钻井泵；F320－3DH型钻机选配2台3NB－1300型或2台3NB－1600型钻井泵。泵的性能参数见表3-1-4-1。
表3-1-4-1 钻井泵的技术性能
柴油机转速 r/min 1500 1400 1300 1200 1100 1000 最大工 作压力 MPa 泵速 冲/min 120 112 104 96 88 80 SL3NB-1000A SL3NB-1300A SL3NB-1600A 缸套直径（mm）与理论流量（L/s） υ140 28.16 26.28 24.40 22.53 20.65 18.77 24 31 35 υ150 32.32 30.17 28.01 25.86 23.70 21.55 21 27 33 υ160 36.78 34.32 31.87 39.42 26.97 24.52 18.5 24 29 υ170 41.52 38.75 36.00 33.21 30.44 27.68 16 21 26 υ180 46.54 43.44 40.34 37.24 34.13 31.03 14.5 19 23 υ190 51.85 48.40 44.94 41.48 38.08 34.57 － － 21
按照惯例，钻井泵的输出功率一般在额定功率的80%～90%之间。钻井泵的泵压在额定最大工作压力的75%以下能长期正常进行。
4．计算循环压耗
由前面优选的钻井泵缸套尺寸，即可得到该缸套尺寸的额定流量和泵压，则环空返速AV为
AV=
12.742Q2DH2?DP （4-11）
层流紊流临界环空返速AVc为
AVc=0.00508(20626n0.387?K?2.54n(DH?DP)n?m1)2?n （4-12）
1）计算环空循环压耗
（1）若AV≤AVc，则环空井段的层流压降Pa为
??1600(2n?1)QLK Pa=? （4-13） ??2(DH?Dp)???n(DH?Dp)(DH?Dp)??2500 35
n