钻井工程设计
姓名：张蕾
中国石油大学（北京）远程教育学院
前 言
《钻井与完井工程设计》主要是指在得到地质设计后，如何以地质设计为依据，完成 一口井的综合、合理的钻井工程设计。钻井工程设计是石油工程的一个重要部分，是确保 油气钻井工程顺利实施和质量控制的重要保证，是钻井施工作业必须遵循的原则，是组织 钻井生产和技术协作的基础，是搞好单井预算和决算的唯一依据。
主要目的层段的设计必须体现有利于发现与保护油气层，非目的层段的设计主要考虑 满足钻井工程施工作业和降低成本的需要。
本设计的主要内容包括：一、井身结构设计及井身质量要求，原则是能有效地保护油 气层，使不同地层压力梯度的油气层不受钻井液污染损坏，应避免漏、喷、塌、卡等复杂 情况发生，钻下部高压地层时所用的较高密度钻井液产生的液柱压力，不致压裂上一层管 鞋处薄弱的裸露地层；二、套管强度设计；三、钻柱设计：给钻头加压时下部钻柱是否会 压弯，选用足够的钻铤以防钻杆受压变形；四、机械破岩参数设计；五、水力参数设计等 几个方面的基本设计内。
目录
1.地质概况 .........................................................................................................................................................3
1.1 地理概况...............................................................................................................................................3 1.2 地质基本数据.......................................................................................................................................3
1.2.1 井 号...................................................................................................................................3 1.2.2 井 别...................................................................................................................................3 1.2.3 井 位...................................................................................................................................3 1.2.4 设计井深...................................................................................................................................4 1.2.5 目的层.......................................................................................................................................4 1.2.6 完钻层位...................................................................................................................................4 1.2.7 完钻原则...................................................................................................................................4 1.2.8 钻探目的...................................................................................................................................4 1.3 地层层位预测及岩性...........................................................................................................................4 2.技术指标及质量要求......................................................................................................................................6
2.1 井身质量要求.......................................................................................................................................6 2.2 固井质量要求.......................................................................................................................................6 3.工程设计 .........................................................................................................................................................8
3.1 井下复杂情况提示...............................................................................................................................8 3.2 地层可钻性分级及地层压力预测.......................................................................................................8
3.2.1 地层可钻性分级.......................................................................................................................8 3.2.2 压力剖面预测...........................................................................................................................9 3.3 井身结构...............................................................................................................................................9
3.3.1 钻井液压力体系.....................................................................................................................10 3.3.2 校核各层套管下到初选点深度 H ni 时是否会发生压差卡套 .............................................10 3.3.3 套管层次与深度的确定.........................................................................................................11 3.3.4 套管柱强度设计.....................................................................................................................13 3.3.5 套管柱设计结果.....................................................................................................................18 3.4 钻井主要设备.....................................................................................................................................18
3.4.1 钻机编号.................................................................................................................................18 3.4.2 钻机型号................................................................................................................................18 3.4.3 提升系统................................................................................................................................18 3.4.4 井 架.................................................................................................................................19 3.4.5 转 盘................................................................................................................................19 3.4.6 泥浆泵.....................................................................................................................................19 3.4.7 柴油机.....................................................................................................................................19 3.5 钻具组合.............................................................................................................................................20
3.5.1 各次开钻钻具组合.................................................................................................................25 3.6 钻头及钻井参数设计.........................................................................................................................32
3.6.1 钻头设计.................................................................................................................................32 3.6.2 钻井参数设计.........................................................................................................................34
参考文献： .......................................................................................................................................................49
1.地质概况
1.1 地理概况
该探井位于 504 和 45 地震测线交点，距 XX 省 XX 市东 500m，所在的地质构造为 XX 凹 陷。该井的海拔较低，钻该井目的是通过打开Q层来了解该层的油气情况扩大该油区的勘 J探范围，增加油区的总体油气后备储量。
1.2 地质基本数据
1.2.1 井
号:A5 别:预探井 位： (1)井位座
1.2.2 井 1.2.3 井
标：纵（X）4275165m
横（Y）20416485m
(2)地面海拔:50m
(3)地理位置：XX 省 XX 市东 500m (4)构造位置：XX 凹陷
(5)过井测线：504 和 45 地震测线交点
1.2.4 设计井深： 3716m
1.2.5 目的层： QJ 层，底层深度 3650m，分层厚度 150m
1.2.6 完钻层位：A、B、C、D、E、F3、F2J、F2K、 F1、 QJ 1.2.7 完钻原则：当钻入目的层 150m 完钻
QJ 含油气情况，扩大勘探区域，增加后备油气资源 1.2.8 钻探目的：了解 XX 构造
1.3 地层层位预测及岩性
地质概况如表 2
2.技术指标及质量要求
2.1 井身质量要求
2.2 固井质量要求
固井质量采用声波测井和变密度测井综合评价，要求声幅≤20%；变密度测井反应弱 套管波，强地层波。
（1）完钻前按下套管管串设计准备好套管附件、转换短接、联顶节、循环接头等必要 配件，以保证各配件的尺寸、螺纹类型相匹配；
（2）完钻前取固井水样进行水泥浆性能复核试验；
（3）生产套管下入前认真通井循环，保证套管下到底。套管下完后尽快固井，不能长 时间循环；
（4）固井候凝 48 小时后钻分级箍。钻完分级箍后，必须循环冲洗干净，方可向下钻 进；
（5）钻完全井水泥塞后，必须大排量循环冲洗干净胶皮及铝片,套管内必须替换成清水；
(6)钻水泥塞前及起钻后需丈量并记录钻头外径，钻头外径变化不得超过 0.25mm； （7）必须认真丈量钻具尺寸及方入，留好人工井底，起钻测声、放、磁； （8） 水泥环与套管壁、井壁胶接紧密，管外无串槽；
（9）油层套管水泥浆返深可根据实钻油气显示情况最终确定。原则上含气井水泥浆应 返至地面，不含气井水泥浆返高至少高于最浅油顶 200 米；
（10） 固井质量检查测井测定的固井质量应至少达到合格以上标准；
（11）根据地层特性、储层特点、固井工艺及固井质量要求，科学合理编写固井施工设 计；
（12）固井前井眼及钻井液准备要求：
a.针对易漏、出水地层进行堵漏治水，提高地层承压能力，确保固井质量； b.完钻固井前要求钻井液做到粘切低、动塑比低、泥饼薄而韧，满足固井要求。
（13）下套管前必须认真细致通井，确保井下安全及井眼畅通，通井时应带大接头或欠
尺寸稳定器，防止下套管遇阻和卡钻，气层段反复划眼，以清除井壁的泥饼，充分循环稀 释泥浆，大排量洗井，确保井眼畅通，无漏失、井塌，井底无沉砂；
（14）使用的浮鞋，浮箍，分级箍在下套管前应认真检查，确保附件的正常使用，分级 箍严禁碰撞，用套管钳上扣时。应借用上一跟套管传递扭矩，达到上扣的标准扭矩值和扭 矩图。不得用套管钳咬分级箍的本体；
（15） 严格按照下套管操作规程进行下套管作业，认真检查固井工具及管串附件，合 理加放扶正器，确保套管居中度≥67%。扶正器加放原则：a.浮箍以下加一组扶正器；b. 浮箍到最下气层底部段每根都加扶正器,特别注意弹性扶正器必须加在接箍处；
（16）下套管时必须平稳。若有漏失要严格控制下放速度在 30 秒/根以下，一般情况下 在 15～20 秒/根，不准猛提、猛放、猛刹，应保证井眼稳定，不发生井涌、井喷、井漏和 井塌； （17）在井场通套管内径，通径规规格型号必须按照行业标准，严禁在钻台通套管内径， 用清洗剂清洗套管螺纹，并检查密封面是否有损伤，必须使用带扭矩仪的套管钳紧螺纹， 螺纹扭矩必须符合标准，并将螺纹扭矩打印上报甲方。必须使用拓普套管螺纹密封脂（拓 普 101、拓普 102），确保丝扣的密封性；
（18） 套管下完后，技术员应根据套管头的安装。计算好联入长度。井口安装好吊卡 后，灌满泥浆后，用单凡尔开泵顶通后才可以大排量循环钻井液避免造成井漏；
（19）根据井下工况及管内外液体的流变性能，进行流变性计算，科学合理应用顶替技 术，提高顶替效率及一、二界面水泥环胶结质量；
（20）科学全面的进行气侵、气窜综合评价及预测，为优化注水泥施工参数提供理论依 据；
（21）固井前应认真检查钻机、泵、循环系统、水泥头等设备和工具，确保固井施工连 续顺利；
（22）根据电测井径及现场经验，计算水泥浆量，采用干混工艺，确保水泥、外掺料及 外加剂混拌均匀；
（23）从立式罐及灰罐车取样，模拟井下工况，对现场水样、水泥样品、外加剂等进行 全套性能复核试验，确保固井施工安全；
（24）水泥浆混拌、注替及碰压时，要根据井下情况，及时调整注替排量及流速, 减小 ‚U‛型管效应，降低环空流动阻力，减小压力激动，确保井下正常； （25）细化现场施工措施，加强施工连续性，强化施工人员责任性, 确保设备正常运转、 水泥浆密度均匀、现场施工连续、安全；
（26）用水泥车试压 25MPa，试压合格后方可交井。
3.工程设计
3.1 井下复杂情况提示
3.1.1 在本井的钻井过程中，现场有关技术人员应充分了解、分析邻井事故复杂情况，防 止事故的发生，及时处理好工程复杂。注意观察地震对钻井的影响： ①井漏：井漏深度及层位： ②井斜：易斜井段及对应层位； ③井喷：易井喷井段及对应层位； ④其它情况及对应层位；
⑤易串槽井段及原因。
3.1.2 进入目的层，应根据实钻情况及时调整泥浆密度，注意防喷、防漏和防卡，一方面 要搞好油气层的发现，保护工作，另一方面要切实搞好井控工作，确保安全施工。 3.1.3 根据××油田分公司钻开油气层申报制度要求，由地质监督以书面形式向钻井监督 和井队提出油气层预告；原则： 1）钻揭目的层前 7 天。
2）目的层提前或非目的层发现油气显示要立即通知。 3）邻井没有发现 H2S 气体，但本井应密切监控。
行业标准中 H 2 S 的安全临界浓度为 20mg/m3（约 14PPm），若发现 H 2S ，无论浓度高低， 都要向勘探事业部的钻井技术部及 HSE 管理办公室、生产技术处和质量安全环保处报告， 同时作业队伍要向所属的上级部门报告。
3.2 地层可钻性分级及地层压力预测
3.2.1 地层可钻性分级
钻井工程课程设计
3.2.2 压力剖面预测
图 1 地层压力剖面
3.3 井身结构
钻探目的层为 Q 灰岩地层，确定完井方法为先期裸眼完井。油气套管下入 Q J 层 3－5m。 J
根据地质情况，钻达目的层过程中不受盐岩，高压水层等复杂地层影响，故井身结构设计 按地层压力和破裂压力剖面（图 1）进行。 计系数见表 5。
Sω ———抽吸压力系数。上提钻柱时，由于抽吸作用使井内液柱压力降低的
值，用当量密度表示；
S g ———激动压力系数。下放钻柱时，由于钻柱向下运动产生的激动压力使 井内液柱压力的增加值，用当量密度表示；
S f ———安全系数。为避免上部套管鞋处裸露地层被压裂的地层破裂压力安 全增值，用当量密度表示，安全系数的大小与地层破裂压力的预测精度有关；
Sk ———井涌允量。由于地层压力预测的误差所产生的井涌量的允值，用当 量密度表示，它与地层压力预测的精度有关；
∆PN 、 ∆PA ———压差允值。不产生压差卡套管所允许的最大压力差值。它的大小与 钻井工艺技术和钻井液性能有关，也与裸眼井段的地层孔隙压力有关。若正常地 层压力和异常高压同处一个裸眼井段，卡钻易发生在正常压力井段，所以压差允 值又有正常压力井段和异常压力井段之分，分别用 ∆PN 和 ∆PA 。 3.3.1 钻井液压力体系
最大泥浆密度计算公式为：
ρmax = ρpmax + S w
式中：
3
ρ max ———某层套管钻进井段中所用最大泥浆密度， g/cm ；
（1）
ρ ———该井段中所用地层孔隙压力梯度等效密度， g/cm 3 ； pmax
3 S w ———抽吸压力允许值的当量密度，取 0.05 g/cm 。 发生井涌情况时： H pmax ⋅ S ρ= ρ+ S + S +
f pmax w f k
式中：
ρf ———第 n 层套管以下井段发生井涌时，在井内最大压力梯度作用下，上部地层不 被压裂所应有的地层破裂压力梯度， g/cm 3 ；
H ni ———第 n 层套管下入深度初选点，m；
3
S k ———井涌允量，取 0.05 g/cm ；
3
S f ———安全系数，取 0.03 g/cm 。
3
S w ———抽吸压力允许值的当量密度，取 0.05 g/cm 。3.3.2 校核各层套管下到初选点深度 H ni 时是否会发生压差卡套
∆prn = 9.81H mm (ρpmax + S w − ρ
pmin
H ni
（2）
)×10
−3
（3）
式中：
∆prn ———第 n 层套管钻进井段内实际的井内最大静止压差，MPa；
ρ ———该井段内最小地层孔隙压力梯度等效密度， g/cm 3 ； pmin
H mm ———该井段内最小地层孔隙压力梯度的最大深度，m； 若 ∆prn ∆p N 则有可能产生压差卡套管， 这时中间套管下入深度应小于假定点深度。在第二种情况下中间套管下入深度按下面的方 法计算：
ρ pper =∆p N + ρ p min − S w （4）
0.00981H min
在压力剖面图上找出 ρ pper 值，该值所对应的深度即为中间下入深度 H 。为避免发生压差 卡套的许用压差， ∆pN 取 20MPa 。
3.3.3 套管层次与深度的确定
3.3.3.1 油层套管下入深度初选点 H 2 的确定：
则按设计要求油气套管下入 Q J 层深度为 5m
H 2 = 3500 + 5 = 3505(m)
3 m 3.3.3.2 由图 1 上查得最大地层孔隙压力梯度为 ’位于 3200m 处。
1、确定中间套管下入深度初选点 H 2 ： 由公式（2），将各值代入得：
ρf1k = 1.50 + 0.05 + 0.03 + 3505 0.05
H 2
试取 H 2 = 2480m 代入上式得
3505 3
ρf1k = 1.50 + 0.05 + 0.03 + × 0.05 = m
2480
由上图查得 H 2 = 2480m 处当 ρp2480 = 3 因为 ρf1k
2、校核中间套管下入到初选点 H 2 = 2480m 过程中是否会发生压差卡套管
3 3
，H mm = 2000m ，由式（3） ，ρpmin = m 由上图查得, H 2 = 2480m 处 ρp2480 = m
得：
∆prn = 9.81× 2000 × (1.1 + 0.05 − 1.0)×10 −3 = 2.943MPa
因为 ∆pm
3
ρ= 1.1gm H ,将其它的参数代入（2）式： 由上述计算结果，中间套管鞋处 2
ρ1.1 + 0.05 + 0.03 f =
H= 570m 1 将 ，代入上式得到：
ρf570 = 1.1 + 0.05 + 0.03 + 2480 ⋅ ×0.05 = m 3
570 2480
⋅ ×0.05 H 1
3
ρ= 1.41gm H= 570m p570 查压力剖面图有： 1 处的 ，因 ρf570
要求。
3.3.3.3 井身结构设计结果
套管层次和每层套管的下入深度确定之后，相应的套管尺寸和井眼直径也就确定了。 套管尺寸的确定一般由内向外依次进行，首先确定生产套管的尺寸， 再确定下入生产套管的井眼的尺寸，然后确定中间套管的尺寸等，依次类推，直 到表层套管的井眼尺寸，最后确定导管的尺寸。 查《钻井手册（甲方）》，结合图 2 井身结构参数系列，钻头与套管尺寸匹配结果如表 6， 图 3 所示。
图 2 井身结构参数系列
表层套管φ406.6mm×570m
1000
钻头尺寸φ444.5mm×570m
2000
中间套管φ273mm×2480m
钻头尺寸φ311.5mmm×2480m
3000
生产套管φ177.8mm×3505m
钻头尺寸φ200.0mmmmm×3505m 四开钻头尺寸φ149.2mmmmm×3505m
图 3 井身结构示意图
3.3.4 套管柱强度设计
3.3.4.1 套管和套管柱 油井套管是优质钢材制成的无缝管或焊接管，两端均
加工有锥形螺纹。大多 数的套管是用套管接箍连接组成套管柱。套管柱用于封固井壁的裸露岩石。 某井段的最大外挤压力：
−3 poc = ρd gH ×10（5）
式中：
3
ρd ———该井段所用泥浆的最大密度， g/cm ；
H ———某段钢级的下深度，m。
某段钢级套管的最大下入深度：
H n =
ρdgD S
σ D
（6）
式中：
σ D ———某段钢级套管抗外挤强度，MPa； SD ———最小抗外挤安全系数，取 1.125。 套管浮力系数：
式中：
ρ
K B = 1 −d
ρs
（7）
3
ρd ———钻某段所用的钻井液密度， g/cm ；
3
ρs ———某段所用钢材的密度，取 7.85 g/cm 。
套管浮力：
−3
F = qs lK B ×10
（8）
式中：
q s ———某段所用套管的线重， kN 。
l ———某段所用套管的长度， m 。
安全系数： 抗拉安全系数： S t = 1.8
3.3.4.2 按抗外挤强度设计由下向上选择第一段套管 由公式（5）可知最大外挤压力为：
poc = ρgH 1 ×10 −3 = 1.5 × 9.81× 3505 ×10 −3 = 51.576075(MPa )
d
而允许抗外挤强度为：
pc = poc ⋅ S D = 51.576075 ×1.125 = 58.023(MPa )
查《钻井手册（甲方）》选择第一段套管 均重为：
2 2
D π( 2 ) gρ 1− D q = 4 s
（9）
H 2 = 2300m 。 48.4= 2329.7(m)，取 第二段套管下入深度为 H 2 =
1.50 × 0.00981×1.125
则 第 一 段 套 管 使 用 长 度 为 L1 = H1 − H 2 = 3505 − 2300 = 1205(m) ， 因 此 套 管 根 数 为
1205 L1
n === 132.4175(根) ，实际取 n = 132根 。 9.1 9.1
故第一段套管实际使用长度为 L1 = 132 × 9.1 = 1201.2(m) ，第二段套管实际下入深度为
H 2 = H1 − L1 = 3505 −1201.2 = 2303.8(m)。
双轴应力校核
套管实际所受的挤压力为σ t = ρd gH 2 = 1.5 × 0.00981× 2303.8 = 33.9004(MPa ) 查《钻井手册（甲方）》可知
3314.4 ×103 ×10 −6 = 551.2056(MPa ) σ =S 1
π(0.17782 − 0.154782 )
4
σ 33.8445 = 0.0614 故=551.2056
t
σ
s
图 4 双向应力椭圆
σ
根据双向应力椭圆曲线可知z = 0.94 ，则 σ= 3314.4 × 0.94 = 3148.68(kN)，因此 σ z
σ σ s
s
套管实际所受拉力为
σ
1.5
。 = LqK = 1201.2 × 468.1×10 −3 × 1 − = 454.8394(kN )
z B
7.85
故σ × S t = 454.8394 ×1.8 = 818.7109(kN)
σ zσ s
3.3.4.4 确定第三段套管的下入深度和第二段套管的使用长度 查《钻井手册（甲方）》选择第三段套管
由公式（6）可知
37.3 = 2253.18(m)，取 H = 2200m 。 第三段套管下入深度为 H 3 = 2
1.5 × 0.00981×1.125
则第二段套管使用长度为 L2 = H 2 − H 3 = 2303.8 − 2200 = 103.8(m)，因此套管根
L2 103.8
n == 11.4066(根) =
9.1 9.1
实际取 n = 11根。
故第二段套管实际使用长度为 L2 = 11× 9.1 = 100.1(m) ，第三段套管实际下入深度为
H 3 = H 2 − L2 = 2303.8 − 100.1 = 2203.7(m)
双轴应力校核 套管实际所受挤压力为σ t = ρd gH 3 = 1.5 × 0.00981× 2203.7 = 32.4274(MPa )
查《钻井手册（甲方）》可知
σ 32.5054
= 0.05891 故=
551.815
t
×10−6 = 551.815(MPa ) σ S =1
π(0.17782 − 0.157082 ) 4
3007.2 ×103
σ
s
σ
根据双向应力椭圆曲线可知z = 0.961 ，则σ= 2504.5 × 0.961 = 2404.32(kN)，因此套 σ z
管实际所受拉力为：
LqKz
× S t 故σ
z
σ =
B
1.5 + 454.8394 = 100.1× 423.7 ×10 −3 × 1 − + 454.8394 = 489.1475(kN )
7.85
= 489.1475 ×1.8 = 880.4655(kN)
σ z
σ s
3.3.4.5 校核第三段套管及确定其使用长度
使用长度的确定
第 三 段 套 管 使 用 长 度 为 L3 = H 3 = 2203.7(m) ， 因 此 套 管 根 数 为
2203.7 L3
n === 242.1648(根) ，实际取 n = 242 根 9.1 9.1
故第三段套管实际使用长度为 L3 = 242 × 9.1 = 2202.2(m) 。 抗拉强度校核
第三段套管所受最大拉应力为
1.5 + 492.92 = 2202.2 × 377.9 ×10 −3 × 1 − σ = + 489.1475 = 1162.3376(kN )
LqKz B
7.85
而σ S t = 1162.3376 ×1.8 = 2092.20768(kN)
3.3.4.6 中间套管柱设计
由公式（5）可知，最大外挤压力为：
poc = ρgH ×10 −3 = 1.1× 9.81× 2480 ×10 −3 = 26.76168(MPa )
d
而允许抗外挤强度为：
pc = poc ⋅ S D = 26.76168 ×1.125 = 30.10689(MPa )
查《钻井手册（甲方）》选择中间套管：
则中间套管的根数为 n =
= 272.527(根)，实际取 n = 272根 ，所以实际使用长度为 9.1
L = 272 × 9.1 = 2475.2(m)
抗拉强度校核 中间套管所受
最大拉应力为
1.1
= 2480 × 791.98 ×10 × 1 − ) = 1688.8847 (kNB
7.85
故σ 1688.8847 ×1.8 = 3039.99(kN)
3.3.4.7 表层套管柱设计 由公式（5）可知，最大外挤压力为
σ z = LqK
−3
poc = ρgH ×10 −3 = 1.0 × 9.81 × 570 ×10 −3 = 5.5917(MPa )
d
而允许抗外挤强度为
pc = poc ⋅ S D = 5.5917 ×1.125 = 6.7167(MPa )
查《钻井手册（甲方）》选择表层套管：
表 11 表层套管钢级选择
则表层套管的根数为 n = L = 62 × 9.1 = 564.2(m) 。 抗拉强度校核
表层套管所受最大拉应力为
570
= 62.637(根) ，实际取 n = 62根 ，所以实际使用长度为 9.1
1.0 = 570 ×1064.87 ×10 −3 × 1 − = 529.654(kN )
LqKz B
7.85
故σ S t = 529.654 ×1.8 = 953.3772(kN)
σ =
3.3.5 套管柱设计结果
3.4 钻井主要设备
3.4.1 钻机编号： 1
3.4.2 钻机型号: 3NB1000
3.4.3 提升系统:
天车型号：TC—170 负荷：170t 游车型号：YC—170 负荷：170t 大钩型号：DG—170 负荷：170t 水龙头型号：XSL—170 负荷：170t
3.4.4 井
架:
型
号：JJ170 井架高度：50m
3.4.5 转
盘:
型 号：ZP—445
3.4.6 泥浆泵:
1 号泥浆泵型号: 3NB1000最高压力: 20Mpa
3.4.7 柴油机：
柴油机型号: 3NB-1000 最高压力: 20Mpa
负荷： 170t 井架底座高度：4m
功率: 957kW
功率: 957kW
3.5 钻具组合
钻铤的设计 根据钻头直径选择钻铤外径，钻铤长度取决于选定的钻铤尺寸与所需钻
铤重量。
所需钻铤长度的计算公式：
W ⋅ S N（10） Lc =
qc ⋅ K B ⋅ cos
α 式中：
W ———设计最大钻压，kN；
S N ———安全系数, 此取 S N = 1.2 ； K B ———钻井液浮力系数；
Lc ———所需钻铤的长度, m；
qc ———每次开钻所需钻铤单位长度重量， N ；
n ———每次开钻所需钻铤的根数，每根钻铤的长度 9.1m。 α ———最大允许的井斜角 计算钻柱所受拉力的公式：
p = [(L × q) + (Lc × qc )]K B
式中：
p ———钻柱所受拉力，kN； Lc ———钻铤长度, m；
qc ———钻铤单位长度重量， N ； L ———钻杆长度, m；
q ———钻杆单位长度重量， N 。
p外挤 = ρd gL
式中 ：
p外挤 ———钻杆所受外挤压力，MPa；
3
ρd ———最小钻井液密度， g/cm 。 钟摆防斜钻具的计算：
（11）
（12）
L z =式中 ：
A = π 2 ⋅ qsin α m ⋅
B + 4 AC − B
2 A
2
（13）
B = 82.04 ⋅W ⋅ r
C = 184.6π 2 ⋅ r ⋅ E.J ⋅ r r = (d h − d c ) / 2 ， m
Lz ———算扶正器至钻头的距离， m ； W ———钻压， kN ； d h ———井径， m ；
d h ———钻铤直径， m ；
钻具组合
表 14 钻铤和钻杆的配合
第一次开钻（0-570m）
φ 444.5mm3 A + φ 228mmDC + φ127mmDP +
133mmKL
第二次开钻（570-2480m）
φ311.1mm3 A + φ 203mmDC + φ127mmDP + 133mmKL
第三次开钻（2480-3505m）
φ 200.0mm3 A + φ177.8mmDC + φ127 mmDP + 133mmKL
第四次开钻（3505-3525m）
φ149.2mm3 A + φ120.65mmDC + φ127 mmDP + φ88.9mmKL
式中：
3A ———三牙轮钻头； DC ———钻铤； DP ———钻杆； KL ———方钻杆。
各次开钻，由最大钻压计算钻铤长度
钻铤的长度计算
第一次开钻：α = 3o ，钻压W = 311.1kN ,线重 qc = 2.847kN / m ,A 安全系数 S = 1.2
N
W ⋅ S 311.1×1.2
L1 = == 150.48m
1 qc ⋅ K B ⋅ cos2.847 × (1 −) × cos 3 7.85 α
加上计算误差： L1实 = L1 + 25 = 175.48m
N
第二次开钻：α = 4o ，钻压W = 280kN ,线重 qc = 2.19kN / m ,A 安全系数 S = 1.2 W ⋅ S 280 ×1.2
L2 = == 178.86m qc ⋅ K B ⋅ cosα 2.19 × (1 −1.1
× cos 4 7.85
加上计算误差： L2实 = L2 + 24 = 202.86m
N
第三次开钻：α = 5o ，钻压W = 210kN ,线重 qc = 1.606kN / m ,A 安全系数 S = 1.2
W ⋅ S 210 ×1.2
L3 = == 194.72m
qc ⋅ K B ⋅ cos1.606 × (1 −1.5
× cos 5 7.85 α
N L4 = E = = 365.14m
1.5 qc ⋅ K B ⋅ cos0.73 × (1 −× cos 5
α 22 7.85
加上计算误差： L4实 = L4 + 24 = 389.14m 钻柱强度设计 第一次开钻：
拉力余量为：450kN，设计系数 St = 1.30 ， σ s= 1.42 。
σ t
选φ127mm ，钢级 E , Py = 1760.31kN 因为
σ s
= 1.42 > St = 1.3 ， t
Pa1 =
0.9Py 1.42
=
0.9 ×1760.31 = 1115.69kN
1.42
所以
当拉力余量为 450kN 时，
Paσ = 0.9Py − 450 = 0.9 ×1760.31 − 450 = 1134.279kN
Pa1
1115.69 Paσ 11− 2.847 ×175.48) = 2735.35m L允 =（− qc ⋅ Lc= (10.28478 K B q p
1 −7.85
L允 = 2735.35m > H1 = 570m ，钻杆实际下入长度（570-175.48）=394.52m 第二次开钻：
拉力余量为：450kN，设计系数 St = 1.30 ， σ s= 1.42 。
σ t
选φ127mm ，钢级 E , Py = 1760.31kN 因为
σ s
= 1.42 > St = 1.3 ， t
Pa1 =
0.9Py 1.42
=
0.9 ×1760.31 = 1115.69kN
1.42
所以
当拉力余量为 450kN 时，
Paσ = 0.9Py − 450 = 0.9 ×1760.31 − 450 = 1134.279kN
Pa1
P11 1115.69
− 2.1943 × 202.86) = 2993.08m L允 =（aσ − qc ⋅ Lc= (1.10.28478 K B q p
1 −7.85
L允 = 2993.08m > H 2 = 2480m ，钻杆实际下入长度（2480-202.86）=2277.14m 第三次开钻：
拉力余量为：450kN，设计系数 St = 1.35 ， σ s= 1.42 。
σ t
选φ127mm ，钢级 E , Py = 1760.31kN 因为
σ s
= 1.42 > St = 1.35 ， t
0.9Py 0.9 ×1760.31= 1115.69kN
所以 Pa1 = =
1.42 1.42
当拉力余量为 450kN 时，
Paσ = 0.9Py − 450 = 0.9 ×1760.31 − 450 = 1134.279kN
Pa1
1115.69 Paσ 11− 1.601× 218.72) = 3613.55m L允 =（− qc ⋅ Lc= (1.50.28478 K B q p
1 −7.85
L允 = 3613.55m > H 3 = 3505m ，实际下入长度（3505-218.72）=3286.28m 第四次开钻：
拉力余量为：450kN，设计系数 St = 1.30 ， σ s= 1.40
σ t
选φ127mm ，钢级 E , Py = 1760.31kN 因为
σ s
= 1.40 > St = 1.30 ， σ t
0.9Py 0.9 ×1760.31= 1131.6279kN
所以 Pa1 = =
1.40 1.40
当拉力余量为 450kN 时，
Paσ = 0.9Py − 450 = 0.9 ×1760.31 − 450 = 1134.279kN
Pa1
1115.69 Paσ 11− qc ⋅ Lc= (− 0.681× 389.14) = 3912.61m L允 =（
1.50.28478 K B q p
1 −7.85
L允 = 3912.61m > H 3 = 3525m ，实际下入长度（3525-389.14）=3135.86m
3.5.1 各次开钻钻具组合
钻头的选择：
根据套管的直径在江汉钻头厂生产的江钻牌钻头系列中（如表 21~表 22）中选择合适 钻头。
表 21 江钻牌钢齿牙轮钻头规格系列
表 22 江钻牌镶齿钻头规格系列
钻铤的选择： 根据下入套管的内径选择相应的钻铤尺寸尺寸
如表 23：
表 23 钻铤的参数表
钻柱的选择： 钻杆的参
数如表 24
表 24 钻杆的参数表
方钻杆的选择：
方钻杆的选择可以从表 25 中得到：
表 25 方钻杆参数表
综合上述选取的参数，将结果列到表 26~表 29
3.6 钻头及钻井参数设计
3.6.1 钻头设计 地层
的可钻性如表 4
889.66N 转速 min 的钻进参数$在岩样上钻三个孔，孔深 24mm 取三个孔钻进时间的平 均值为岩样的钻时（ t d ）取以 2 为底的对数值作为该岩样的可钻性级值 K d ，一般取整数 值 td 。 （14） K d = log 2 td
则相应的钻时为：
则地层的相应的钻时为：
t d = 2
K d
（15）
简化起见由单种钻头钻进的累计进尺为相应的开次井段
第 i 种的钻头的总进尺为 L i ，根据可钻性和江汉钻头厂的钻头给出的参数得出相应机 械钻速为 vi ，则纯钻时间为 ti 则 L i = vi ⋅ ti （16） 第一次开钻
A(0~300): 444.5mm × 1 B(300~570): 444.5mm × 1 第二次开钻
B(570~600): 311.1mm × 1 C(600~1100): 311.1mm × 1 D(1100~1600): 311.1mm × 1 E(1600~2000): 311.1mm × 1 F3(2000~2480)：311.1mm × 1 第三次开钻
F3(2480~2700)：200.0mm × 1 F2J(2700~2900)：200.0mm × 1 F2K(2900~3200)：200.0mm × 1
F1(3200~3500)：200.0mm 1 × F1(3500~3505)：149.2mm × 1 第四次开钻
F1(3505~3525)：149.2mm × 1 钻头的选型如表 31
3.6.2 钻井参数设计 3.6.2.1 钻井液密度设计 钻井内钻井液体积
式中：
3
π 2
V i L i = i
i =1 4
n
（17）
Vi ———井筒内钻井液的体积，m ； Di ———第 i 段井径，m； Li ———第 i 段井眼长度，m。
钻井内钻井液体积
由于井深为 3525m，地面泵压不超过 20Mpa，选择缸套直径为 160mm 的 3NB1000 钻机
则地面循环量为Vc = s 。
循环损耗量为Vd ：
Vd = (Vi + Vc )× 20%
需加入的粘土、清水量Vm 为：
（18）
式中：
ρ ———加入粘土的密度，取 2000 Kgm 3 ；
Vm ———所配钻井液的最大体积 m ；
3
m
Vm = Vw +ρ m Vw=5% 1
（19）
（20）
m ———所加粘土质量，t；
3
Vw ———配制钻井液所需要的水的体积， m 。 第一次开钻 需加入的重晶石的量为： m1 = Vm ρ1 − m − mw 式中：
m1 ———加入重晶石的量，t；
3 mρ ———一次开钻钻井液的密度， 。 1 mw ———加入的水的量， t 。
第二次开钻 需加入的重晶石的量为：
（21）
式中：
ρ2 − ρm2 = V（m
1
（22）
）
m2 ———加入重晶石的量，t；
3
ρ ———二次开钻钻井液的密度， m。 2
第三次开钻
需加入的重晶石的量为： m3 = V（m ρ3 − ρ式中： 2）
（23）
ρ m。 3 ———三次开钻钻井液的密度， 第四次开钻
需加入的重晶石的量为： m4 = V（m ρ4 − ρ式中： 3）
3
m3 ———加入重晶石的量，t；
（24）
ρ m。 4 ———四次开钻钻井液的密度， 钻井液的密度计算公式为：
ρ s = ρd + ∆ρ
pd
ρd =0.00981H
式中：
3
ρ m ； s ———钻井液的密度，
ρd ———当量钻井液密度 m3 ；
3
m4 ———加入重晶石的量，t；
（25） （26）
∆ρ ———钻井液密度附加值，一般取 0.05 ~ 0.1gcm 3 ，这里取 0.1gcm 3 。 井筒内的钻井液的体积：
由式（17），一次开钻钻井液的体积：
π 3 2 V = 0.4445 × 570 = 88.45m 1 4
二次开钻钻井液的体积：
()
π 2
V2 = × 0.3111× (2480 − 570) + V1 = 669.19 m 3
4
三次开钻钻井液的体积：
π 3
V = × 0.2 2 × (3505 − 2480) + V2 = 701.39m 3
4
四次开钻钻井液的体积：
π V = 0.1492 2 × 25 + V3 = 701.83m3 4
4
因此井筒内的钻井液的体积为：
( )
()
()
由式（18）得损失的钻井液为： V 20% = 140.37(m 3 ) d = 701.83 × 则所需钻井液原浆体积为
140.37 = 842.2m3 Vm = V + Vd = 701.83 +
V = 701.83m 3
()
实际取Vm = 850(m 3 )
由（19）式得需加入的粘土量为：
Vm850 m === 41.46(t ) 1000 20 + 20 +2000 ρ
由（20）式得加入的水量为： m 41.46
Vw =( = = 829.2 m 3
5% 5%
) 一次开钻时所需的钻井重金石的量
根据式（25）、（26）一次开钻时钻井液密度为
3
ρ 1.0 + 0.1 = cm s1 =
根据式（21）得到重金石的量为
m × (1.1) − 41.46 − 829.2 ×1000 ×10 −3 = 64.34(t ) 1 = 850
二次开钻时所需的钻井重金石的量
根据式（25）、（26）一次开钻时钻井液密度为
3
ρ 1.1 + 0.1 = 1.2 cm s 2 =
根据式（21）得到重金石的量为
m2 = 850 × (1.2 −1.1) = 85(t )
三次开钻时所需的钻井重金石的量
根据式（25）、（26）一次开钻时钻井液密度为
3
ρ 1.5 + 0.1 = 1.6 cm s 2 =
根据式（21）得到重金石的量为
m3 = 850 × (1.6 − 1.2) = 340(t )
四次开钻时所需的钻井重金石的量
m4 = 850 × (1.6 −1.6) = 0
钻井液密度的设计结果为：
表 32 钻井液设计参数表
36
3.6.2.2 钻井水力参数的设计
确定最小排量 Q a ：
K v ss va
v
s = va − vsl
0.0707d (ρ2
v s s − ρ d3 sl = 1 1
3 d 3
e
µ d 1−n n
h − d p 2n + 1e = K
1200v
a 3n
Q π 2 2
a 式中：
40
(d h − d
p)v a
K s ———岩屑举升效率，无因次，取 0.5；
va ———最低环空返速， m ；
vs ———岩 屑在环空的实际上返速度， ； vsl ———岩屑在钻井液的下滑速度， m ；
d s ———岩屑直径，取 0.6cm；
ρs ———岩屑密度，取 2.52 gcm 3 ；
ρ3
d ———钻井液密度， ； µe ———钻井液有效粘度， Pa ⋅ s ； d h 、 d p ———井径和钻柱外径，cm； K ———钻井液稠度系数， Pa ⋅ s n ； n ———钻井液流行指数，无因次； Qa ———携岩屑的最小排量， 。 计算不同井深循环压耗系数 0.8 0.2
B 0.57503 m = ρd µpv d 4.8 +
pi h p h p
K 0.8
0.2 B 0.57503 c = ρd
µpv Lc
d 4.8 +3 1.8 ci d h − d c d h + d c
a = K
g + K c − mLc
式中：
K = 1.07 ×10 −3 MPa ⋅ s
g 1.8 ⋅ L−1.8 ；
37
（27）
（28）
（29）
（30）（31）
（32） （33） （34）
µpv ———钻井液塑性粘度， Pa ⋅ s ； Lc ———钻铤长度，m；
d pi ———钻杆内径，cm；
d ci 、 d c ———钻铤内径、外径，cm。 临界井深的确定
计算按最大钻头水功率方式下的临界井深
第一临界井深为
D Pc =pr a
2.8mQ1.8
−r m
第二临界井深为
D pr Pa =2.8mQ1.8
−a
a m
式中：
B = 0.51655 ；
pr ———额定泵压，MPa；
Qr ———额定排量， L 。
计算按最大射流冲击力方式下的临界井深
第一临界井深为
D Fc =pr 1.9mQ1.8
−a
r m
第二临界井深为
D pr Fa
=a
1.9mQ1.8 − a
m
射流喷射速度：
v 10Q j =A0
其中
Aπ z 2
0 =式中：
4 i =1
d i
v j ———射流喷速，
；
Q ———通过钻头喷嘴的钻井液流量, ；
38
35）
36）
37）
38）
（39）（40）
（
（
（（
A喷嘴出口截面积, cm 2
0 ———；
di ———喷嘴直径（ i = 1、2、3 ….）；
z ———喷嘴个数。
射流喷射冲击力：
ρ Q
2 F
j =100 A
式中：
F j ———射流冲击力， kN ；
ρd ———钻井液密度, cm3
。
射流水功率：
3P0.05ρ
Q
j = A 2 0
式中：
P
j ———射流水功率， kW 。
比水功率：
=4Pj
πD 2
w
式中：
Pj ———比水功率， kW ；
Dw ———井眼直径，mm。 环空压耗计算
钻杆外环空压耗：∆p 0.57503ρ0.8 0.2 pa = d µ pv Lp Q1.8
(d 3
h − d p ) (d h + d 1.8
p )
式中：
∆p pa ———钻杆外环空压耗， MPa ；
d h ———井眼直径， cm ；
d p ———钻杆外径， cm 。
39
（41）
（42）
（43）
44）
（
钻杆外环空压耗：
0.8 0.2 1.8
0.57503ρ µ L Qd pv c∆pca = c )3 (d c )1.8
(d h h
（45）
式中：
∆p pa ———钻铤外环空压耗， MPa ；
d c ———钻铤外径， cm 。 环空压耗：
∆pa = ∆pca + ∆p pa
（46）
即
L p Lc 0.8 0.2 1.8
∆p = 0.57503ρ µ Q×+a d pv
(d h − d c )3 (d h + d c )1.8 (d h − d p ) 3 (d h + d p )1.8
泵的各种参数的计算
第一次开钻时泵的计算（0~570m）
选择一台缸套直径为 φ = 160mm 的型号为 3NB1000 的钻进泵使用，因此额定排量为 Qr = 35.4 L，额定泵压为 pr = 18.6MPa 。
由式（27）~式（31）可知最低环空返速为
2 3 3
0.1 414 × d s × s − ρ d )(ρv a = 1− nn d − d h 2 n + 1 p ρ
× K ×
d 1200 3n
1 n + 2
由钻柱设计参数可知，钻井液密度 ρ= 1.1g cm 3 ，井眼直径 d = 44.45cm ，钻杆外
d
h
径 d p = 12.7cm 。根据经验取岩屑直径 d s = 0.6cm ，岩屑密度 ρs = 2.52g/cm 3 ， n = 0.65 ， K = 0.3 。 则
v = a
2
0.14143 × 0.63× (2.52 − 1.1)
40
1 2.65
= 0.204()
3 × 0.65 1200
41
由公式（31）可知，携岩所需的最小排量为
Qa = π × (44.452 −
12.7 2 )× 0.204 = 29.0735( s)
40
故 Qa
3
由钻柱设计参数可知，钻井液塑性粘度 µpv = 0.0047 Pa ⋅ 钻井液密度 ρd = cm ， s ，钻杆外径 d p = 12.7cm ，钻杆内径 d pi = 10.86cm ，钻铤长度 Lc = 175.48m ，钻铤内径 d ci = 7.14cm ，钻铤外径 d c = 22.8cm ，井眼直径 d h = 44.45cm 。
则由公式（32）可知
0.51655 0.57503 0.8 0.2 −6 m = 1.1× 0.0047×+= 2.04 ×10 4.83 1.8
12.744.45 + 12.710.86 44.45 −
则由公式（33）可知
0.51655 0.57503 0.8 0.2 −3
K = 1.1× 0.0047×175.48 ×= 2.68 ×104.8 c 3 1.8
7.14 44.45 − 22.844.45 + 22.8
则由公式（34）可知
a = 1.07 ×10 −3 + 2.68 ×10 −3 − 2.04 ×10 −6 ×175.48 = 3.39 ×10 −3
则根据最大射流冲击力由公式（37）计算临界井深得
D = Fc
1.9 2.04 ×10-6 × 1.8× 35.4
由于 H = 570m
18.6
3.39 ×10 −3 −
2.04 ×10 −6
6154.2(m)
=
18.6 − 3.39 ×10 −3 + 2.04 ×10 −6 × 570× 35.41.8 = 15.81(MPa) ∆pb = pr − (a + mD )Q1.8r =
最优排量为
()
Q
opt
pr
1 1.8
18.6
1 1.8
35.4
L s
=
2.8(a + mD) 则
= =2.83.39 ×10 −3 + 2.04 ×10 −6 × 570)
Qopt
= 35.4( L( ) >
喷嘴的当量直径为
1
4 0.081×1.1× 35.4 2
1.6469(cm) 2
( ) 1.8 0.982 15.81
r
d ne = d = × =
因此喷嘴的直径为
0.081ρ Q
1 2 4
[]
42
2ne 2d == 0.9508cmi =3 n
43
射流喷射速度：
10Q 10 × 35.4 v = = j =
A0 2.13
射流喷射冲击力：
2
F j =
射流水功率：
ρd Q 1.1× 35.4
= 6.4716kN =
100 A0 100 × 2.13
2
3
0.05ρd Q35.43 = 537.7671kW 0.05 ×1.1× P j ==2
A 2.132 0
比水功率：
4Pj 4 × 537.7671
−3
== 3.465 ×10 kWmm 2 =22
πD π × 444.5 w
环空压耗为：
∆p ×1.1a = 0.57503
0.8
1.8
× 0.0047 × 35.4 175.48 394.52
×+] (44.45 − 22.8) 3 (44.45 + 22.8)1.8 (44.45 − 12.7)3 (44.45 + 12.7)1.8
0.2
= 2.26 ×10 −3 MPa
第二次开钻时泵的计算（570~2480m）
根据设计参数可知选择缸套直径为φ = 170mm 的型号为 3NB1000 的钻进泵一台，其额 定排量为 Qr = 40 ，额定泵压为 pr = 16.5MPa 。
3
由钻柱设计参数可知，钻井液密度 ρ = cm ，井眼直径 d h = 31.11cm 。
d
由经验公式可知
va = 0.1851()
根据公式（31）可知，携岩所需的最小排量为
Qa = π
× (31.112 − 12.7 2 )× 0.1851 = 11.729( s) 40
故 Qa
由钻柱设计参数可知，钻井液塑性粘度 µpv = 0.0047 Pa ⋅ s ，钻井液密度 ρ cm 3 ， d = 钻杆外径 d p = 12.7cm ，钻杆内径 d pi = 10.86cm ，钻铤长度 Lc = 202.86m ，钻铤内径 d ci = 7.14cm ，钻铤外径 d c = 20.3cm ，井眼直径 d h = 31.11cm 。
则由公式（32）可知
m = 1.2
0.8
× 0.0047
0.2
0.51655 0.57503 ×+= 2.22 ×10 −6
4.83 1.8
12.731.11 + 12.710.86 31.11 −
44
0.51655 0.57503 −3
K = 1.20.8 × 0.00470.2 × 202.86 ×= 3.344 ×10 +c
4.83 1.8
7.14 (31.11 − 20.3)(31.11 + 20.3)
由公式（34）可知
a = 1.07 ×10 −3 + 3.344 ×10 −3 − 2.22 ×10 −6 × 202.86 = 3.9638 ×10 −3
则根据最大钻头水功率按照公式（35）计算第一临界井深得
则由公式（33）可知
3.344 ×10 −= 1682.17(m) -6 −6
2.8 × 2.22 ×10× 2.22 ×10
401.8
由最大钻头水功率按照公式（36）计算第二临界井深
DPc =16.5 3.344 ×10
−= 3718.75(m) -6 −6
2.8 × 3.222 ×10× 2.22 ×10
1.8
30.94
由于 DFc
−3
16.5
−3
DPa =
最优排量为
r
∆pb = 9.25(MPa )
1 1.8
1
p1.8 21
Q opt = = 2.83.9638 ×10 −3 + 2.22 ×10 −6 × 2480= 35.651() 2.8a + mD
喷嘴的当量直径为
d ne = 1.8661(cm) 因此喷嘴的直径为 d i =射流喷射速度：
2dne
2
n
=1.8661
= 1.0774(cm) 。 3
10Q 10 × 35.651 v == j =
A0 2.735
射流喷射冲击力：
2
F j =
射流水功率：
ρ 1.2 × 35.651d Q = 5.5765kN =
100 A0 100 × 2.735
2
3 3
0.05ρd Q 0.05 ×1.2 × 35.651 = 363.4436kW P j == 2
A 2.7352 0
比水功率：
4Pj 4 × 363.4436 2−3
mm = 4.781×10 kW=2=2
πD π × 311.1 w
45
钻井工程设计
姓名：张蕾
中国石油大学（北京）远程教育学院
前 言
《钻井与完井工程设计》主要是指在得到地质设计后，如何以地质设计为依据，完成 一口井的综合、合理的钻井工程设计。钻井工程设计是石油工程的一个重要部分，是确保 油气钻井工程顺利实施和质量控制的重要保证，是钻井施工作业必须遵循的原则，是组织 钻井生产和技术协作的基础，是搞好单井预算和决算的唯一依据。
主要目的层段的设计必须体现有利于发现与保护油气层，非目的层段的设计主要考虑 满足钻井工程施工作业和降低成本的需要。
本设计的主要内容包括：一、井身结构设计及井身质量要求，原则是能有效地保护油 气层，使不同地层压力梯度的油气层不受钻井液污染损坏，应避免漏、喷、塌、卡等复杂 情况发生，钻下部高压地层时所用的较高密度钻井液产生的液柱压力，不致压裂上一层管 鞋处薄弱的裸露地层；二、套管强度设计；三、钻柱设计：给钻头加压时下部钻柱是否会 压弯，选用足够的钻铤以防钻杆受压变形；四、机械破岩参数设计；五、水力参数设计等 几个方面的基本设计内。
目录
1.地质概况 .........................................................................................................................................................3
1.1 地理概况...............................................................................................................................................3 1.2 地质基本数据.......................................................................................................................................3
1.2.1 井 号...................................................................................................................................3 1.2.2 井 别...................................................................................................................................3 1.2.3 井 位...................................................................................................................................3 1.2.4 设计井深...................................................................................................................................4 1.2.5 目的层.......................................................................................................................................4 1.2.6 完钻层位...................................................................................................................................4 1.2.7 完钻原则...................................................................................................................................4 1.2.8 钻探目的...................................................................................................................................4 1.3 地层层位预测及岩性...........................................................................................................................4 2.技术指标及质量要求......................................................................................................................................6
2.1 井身质量要求.......................................................................................................................................6 2.2 固井质量要求.......................................................................................................................................6 3.工程设计 .........................................................................................................................................................8
3.1 井下复杂情况提示...............................................................................................................................8 3.2 地层可钻性分级及地层压力预测.......................................................................................................8
3.2.1 地层可钻性分级.......................................................................................................................8 3.2.2 压力剖面预测...........................................................................................................................9 3.3 井身结构...............................................................................................................................................9
3.3.1 钻井液压力体系.....................................................................................................................10 3.3.2 校核各层套管下到初选点深度 H ni 时是否会发生压差卡套 .............................................10 3.3.3 套管层次与深度的确定.........................................................................................................11 3.3.4 套管柱强度设计.....................................................................................................................13 3.3.5 套管柱设计结果.....................................................................................................................18 3.4 钻井主要设备.....................................................................................................................................18
3.4.1 钻机编号.................................................................................................................................18 3.4.2 钻机型号................................................................................................................................18 3.4.3 提升系统................................................................................................................................18 3.4.4 井 架.................................................................................................................................19 3.4.5 转 盘................................................................................................................................19 3.4.6 泥浆泵.....................................................................................................................................19 3.4.7 柴油机.....................................................................................................................................19 3.5 钻具组合.............................................................................................................................................20
3.5.1 各次开钻钻具组合.................................................................................................................25 3.6 钻头及钻井参数设计.........................................................................................................................32
3.6.1 钻头设计.................................................................................................................................32 3.6.2 钻井参数设计.........................................................................................................................34
参考文献： .......................................................................................................................................................49
1.地质概况
1.1 地理概况
该探井位于 504 和 45 地震测线交点，距 XX 省 XX 市东 500m，所在的地质构造为 XX 凹 陷。该井的海拔较低，钻该井目的是通过打开Q层来了解该层的油气情况扩大该油区的勘 J探范围，增加油区的总体油气后备储量。
1.2 地质基本数据
1.2.1 井
号:A5 别:预探井 位： (1)井位座
1.2.2 井 1.2.3 井
标：纵（X）4275165m
横（Y）20416485m
(2)地面海拔:50m
(3)地理位置：XX 省 XX 市东 500m (4)构造位置：XX 凹陷
(5)过井测线：504 和 45 地震测线交点
1.2.4 设计井深： 3716m
1.2.5 目的层： QJ 层，底层深度 3650m，分层厚度 150m
1.2.6 完钻层位：A、B、C、D、E、F3、F2J、F2K、 F1、 QJ 1.2.7 完钻原则：当钻入目的层 150m 完钻
QJ 含油气情况，扩大勘探区域，增加后备油气资源 1.2.8 钻探目的：了解 XX 构造
1.3 地层层位预测及岩性
地质概况如表 2
2.技术指标及质量要求
2.1 井身质量要求
2.2 固井质量要求
固井质量采用声波测井和变密度测井综合评价，要求声幅≤20%；变密度测井反应弱 套管波，强地层波。
（1）完钻前按下套管管串设计准备好套管附件、转换短接、联顶节、循环接头等必要 配件，以保证各配件的尺寸、螺纹类型相匹配；
（2）完钻前取固井水样进行水泥浆性能复核试验；
（3）生产套管下入前认真通井循环，保证套管下到底。套管下完后尽快固井，不能长 时间循环；
（4）固井候凝 48 小时后钻分级箍。钻完分级箍后，必须循环冲洗干净，方可向下钻 进；
（5）钻完全井水泥塞后，必须大排量循环冲洗干净胶皮及铝片,套管内必须替换成清水；
(6)钻水泥塞前及起钻后需丈量并记录钻头外径，钻头外径变化不得超过 0.25mm； （7）必须认真丈量钻具尺寸及方入，留好人工井底，起钻测声、放、磁； （8） 水泥环与套管壁、井壁胶接紧密，管外无串槽；
（9）油层套管水泥浆返深可根据实钻油气显示情况最终确定。原则上含气井水泥浆应 返至地面，不含气井水泥浆返高至少高于最浅油顶 200 米；
（10） 固井质量检查测井测定的固井质量应至少达到合格以上标准；
（11）根据地层特性、储层特点、固井工艺及固井质量要求，科学合理编写固井施工设 计；
（12）固井前井眼及钻井液准备要求：
a.针对易漏、出水地层进行堵漏治水，提高地层承压能力，确保固井质量； b.完钻固井前要求钻井液做到粘切低、动塑比低、泥饼薄而韧，满足固井要求。
（13）下套管前必须认真细致通井，确保井下安全及井眼畅通，通井时应带大接头或欠
尺寸稳定器，防止下套管遇阻和卡钻，气层段反复划眼，以清除井壁的泥饼，充分循环稀 释泥浆，大排量洗井，确保井眼畅通，无漏失、井塌，井底无沉砂；
（14）使用的浮鞋，浮箍，分级箍在下套管前应认真检查，确保附件的正常使用，分级 箍严禁碰撞，用套管钳上扣时。应借用上一跟套管传递扭矩，达到上扣的标准扭矩值和扭 矩图。不得用套管钳咬分级箍的本体；
（15） 严格按照下套管操作规程进行下套管作业，认真检查固井工具及管串附件，合 理加放扶正器，确保套管居中度≥67%。扶正器加放原则：a.浮箍以下加一组扶正器；b. 浮箍到最下气层底部段每根都加扶正器,特别注意弹性扶正器必须加在接箍处；
（16）下套管时必须平稳。若有漏失要严格控制下放速度在 30 秒/根以下，一般情况下 在 15～20 秒/根，不准猛提、猛放、猛刹，应保证井眼稳定，不发生井涌、井喷、井漏和 井塌； （17）在井场通套管内径，通径规规格型号必须按照行业标准，严禁在钻台通套管内径， 用清洗剂清洗套管螺纹，并检查密封面是否有损伤，必须使用带扭矩仪的套管钳紧螺纹， 螺纹扭矩必须符合标准，并将螺纹扭矩打印上报甲方。必须使用拓普套管螺纹密封脂（拓 普 101、拓普 102），确保丝扣的密封性；
（18） 套管下完后，技术员应根据套管头的安装。计算好联入长度。井口安装好吊卡 后，灌满泥浆后，用单凡尔开泵顶通后才可以大排量循环钻井液避免造成井漏；
（19）根据井下工况及管内外液体的流变性能，进行流变性计算，科学合理应用顶替技 术，提高顶替效率及一、二界面水泥环胶结质量；
（20）科学全面的进行气侵、气窜综合评价及预测，为优化注水泥施工参数提供理论依 据；
（21）固井前应认真检查钻机、泵、循环系统、水泥头等设备和工具，确保固井施工连 续顺利；
（22）根据电测井径及现场经验，计算水泥浆量，采用干混工艺，确保水泥、外掺料及 外加剂混拌均匀；
（23）从立式罐及灰罐车取样，模拟井下工况，对现场水样、水泥样品、外加剂等进行 全套性能复核试验，确保固井施工安全；
（24）水泥浆混拌、注替及碰压时，要根据井下情况，及时调整注替排量及流速, 减小 ‚U‛型管效应，降低环空流动阻力，减小压力激动，确保井下正常； （25）细化现场施工措施，加强施工连续性，强化施工人员责任性, 确保设备正常运转、 水泥浆密度均匀、现场施工连续、安全；
（26）用水泥车试压 25MPa，试压合格后方可交井。
3.工程设计
3.1 井下复杂情况提示
3.1.1 在本井的钻井过程中，现场有关技术人员应充分了解、分析邻井事故复杂情况，防 止事故的发生，及时处理好工程复杂。注意观察地震对钻井的影响： ①井漏：井漏深度及层位： ②井斜：易斜井段及对应层位； ③井喷：易井喷井段及对应层位； ④其它情况及对应层位；
⑤易串槽井段及原因。
3.1.2 进入目的层，应根据实钻情况及时调整泥浆密度，注意防喷、防漏和防卡，一方面 要搞好油气层的发现，保护工作，另一方面要切实搞好井控工作，确保安全施工。 3.1.3 根据××油田分公司钻开油气层申报制度要求，由地质监督以书面形式向钻井监督 和井队提出油气层预告；原则： 1）钻揭目的层前 7 天。
2）目的层提前或非目的层发现油气显示要立即通知。 3）邻井没有发现 H2S 气体，但本井应密切监控。
行业标准中 H 2 S 的安全临界浓度为 20mg/m3（约 14PPm），若发现 H 2S ，无论浓度高低， 都要向勘探事业部的钻井技术部及 HSE 管理办公室、生产技术处和质量安全环保处报告， 同时作业队伍要向所属的上级部门报告。
3.2 地层可钻性分级及地层压力预测
3.2.1 地层可钻性分级
钻井工程课程设计
3.2.2 压力剖面预测
图 1 地层压力剖面
3.3 井身结构
钻探目的层为 Q 灰岩地层，确定完井方法为先期裸眼完井。油气套管下入 Q J 层 3－5m。 J
根据地质情况，钻达目的层过程中不受盐岩，高压水层等复杂地层影响，故井身结构设计 按地层压力和破裂压力剖面（图 1）进行。 计系数见表 5。
Sω ———抽吸压力系数。上提钻柱时，由于抽吸作用使井内液柱压力降低的
值，用当量密度表示；
S g ———激动压力系数。下放钻柱时，由于钻柱向下运动产生的激动压力使 井内液柱压力的增加值，用当量密度表示；
S f ———安全系数。为避免上部套管鞋处裸露地层被压裂的地层破裂压力安 全增值，用当量密度表示，安全系数的大小与地层破裂压力的预测精度有关；
Sk ———井涌允量。由于地层压力预测的误差所产生的井涌量的允值，用当 量密度表示，它与地层压力预测的精度有关；
∆PN 、 ∆PA ———压差允值。不产生压差卡套管所允许的最大压力差值。它的大小与 钻井工艺技术和钻井液性能有关，也与裸眼井段的地层孔隙压力有关。若正常地 层压力和异常高压同处一个裸眼井段，卡钻易发生在正常压力井段，所以压差允 值又有正常压力井段和异常压力井段之分，分别用 ∆PN 和 ∆PA 。 3.3.1 钻井液压力体系
最大泥浆密度计算公式为：
ρmax = ρpmax + S w
式中：
3
ρ max ———某层套管钻进井段中所用最大泥浆密度， g/cm ；
（1）
ρ ———该井段中所用地层孔隙压力梯度等效密度， g/cm 3 ； pmax
3 S w ———抽吸压力允许值的当量密度，取 0.05 g/cm 。 发生井涌情况时： H pmax ⋅ S ρ= ρ+ S + S +
f pmax w f k
式中：
ρf ———第 n 层套管以下井段发生井涌时，在井内最大压力梯度作用下，上部地层不 被压裂所应有的地层破裂压力梯度， g/cm 3 ；
H ni ———第 n 层套管下入深度初选点，m；
3
S k ———井涌允量，取 0.05 g/cm ；
3
S f ———安全系数，取 0.03 g/cm 。
3
S w ———抽吸压力允许值的当量密度，取 0.05 g/cm 。3.3.2 校核各层套管下到初选点深度 H ni 时是否会发生压差卡套
∆prn = 9.81H mm (ρpmax + S w − ρ
pmin
H ni
（2）
)×10
−3
（3）
式中：
∆prn ———第 n 层套管钻进井段内实际的井内最大静止压差，MPa；
ρ ———该井段内最小地层孔隙压力梯度等效密度， g/cm 3 ； pmin
H mm ———该井段内最小地层孔隙压力梯度的最大深度，m； 若 ∆prn ∆p N 则有可能产生压差卡套管， 这时中间套管下入深度应小于假定点深度。在第二种情况下中间套管下入深度按下面的方 法计算：
ρ pper =∆p N + ρ p min − S w （4）
0.00981H min
在压力剖面图上找出 ρ pper 值，该值所对应的深度即为中间下入深度 H 。为避免发生压差 卡套的许用压差， ∆pN 取 20MPa 。
3.3.3 套管层次与深度的确定
3.3.3.1 油层套管下入深度初选点 H 2 的确定：
则按设计要求油气套管下入 Q J 层深度为 5m
H 2 = 3500 + 5 = 3505(m)
3 m 3.3.3.2 由图 1 上查得最大地层孔隙压力梯度为 ’位于 3200m 处。
1、确定中间套管下入深度初选点 H 2 ： 由公式（2），将各值代入得：
ρf1k = 1.50 + 0.05 + 0.03 + 3505 0.05
H 2
试取 H 2 = 2480m 代入上式得
3505 3
ρf1k = 1.50 + 0.05 + 0.03 + × 0.05 = m
2480
由上图查得 H 2 = 2480m 处当 ρp2480 = 3 因为 ρf1k
2、校核中间套管下入到初选点 H 2 = 2480m 过程中是否会发生压差卡套管
3 3
，H mm = 2000m ，由式（3） ，ρpmin = m 由上图查得, H 2 = 2480m 处 ρp2480 = m
得：
∆prn = 9.81× 2000 × (1.1 + 0.05 − 1.0)×10 −3 = 2.943MPa
因为 ∆pm
3
ρ= 1.1gm H ,将其它的参数代入（2）式： 由上述计算结果，中间套管鞋处 2
ρ1.1 + 0.05 + 0.03 f =
H= 570m 1 将 ，代入上式得到：
ρf570 = 1.1 + 0.05 + 0.03 + 2480 ⋅ ×0.05 = m 3
570 2480
⋅ ×0.05 H 1
3
ρ= 1.41gm H= 570m p570 查压力剖面图有： 1 处的 ，因 ρf570
要求。
3.3.3.3 井身结构设计结果
套管层次和每层套管的下入深度确定之后，相应的套管尺寸和井眼直径也就确定了。 套管尺寸的确定一般由内向外依次进行，首先确定生产套管的尺寸， 再确定下入生产套管的井眼的尺寸，然后确定中间套管的尺寸等，依次类推，直 到表层套管的井眼尺寸，最后确定导管的尺寸。 查《钻井手册（甲方）》，结合图 2 井身结构参数系列，钻头与套管尺寸匹配结果如表 6， 图 3 所示。
图 2 井身结构参数系列
表层套管φ406.6mm×570m
1000
钻头尺寸φ444.5mm×570m
2000
中间套管φ273mm×2480m
钻头尺寸φ311.5mmm×2480m
3000
生产套管φ177.8mm×3505m
钻头尺寸φ200.0mmmmm×3505m 四开钻头尺寸φ149.2mmmmm×3505m
图 3 井身结构示意图
3.3.4 套管柱强度设计
3.3.4.1 套管和套管柱 油井套管是优质钢材制成的无缝管或焊接管，两端均
加工有锥形螺纹。大多 数的套管是用套管接箍连接组成套管柱。套管柱用于封固井壁的裸露岩石。 某井段的最大外挤压力：
−3 poc = ρd gH ×10（5）
式中：
3
ρd ———该井段所用泥浆的最大密度， g/cm ；
H ———某段钢级的下深度，m。
某段钢级套管的最大下入深度：
H n =
ρdgD S
σ D
（6）
式中：
σ D ———某段钢级套管抗外挤强度，MPa； SD ———最小抗外挤安全系数，取 1.125。 套管浮力系数：
式中：
ρ
K B = 1 −d
ρs
（7）
3
ρd ———钻某段所用的钻井液密度， g/cm ；
3
ρs ———某段所用钢材的密度，取 7.85 g/cm 。
套管浮力：
−3
F = qs lK B ×10
（8）
式中：
q s ———某段所用套管的线重， kN 。
l ———某段所用套管的长度， m 。
安全系数： 抗拉安全系数： S t = 1.8
3.3.4.2 按抗外挤强度设计由下向上选择第一段套管 由公式（5）可知最大外挤压力为：
poc = ρgH 1 ×10 −3 = 1.5 × 9.81× 3505 ×10 −3 = 51.576075(MPa )
d
而允许抗外挤强度为：
pc = poc ⋅ S D = 51.576075 ×1.125 = 58.023(MPa )
查《钻井手册（甲方）》选择第一段套管 均重为：
2 2
D π( 2 ) gρ 1− D q = 4 s
（9）
H 2 = 2300m 。 48.4= 2329.7(m)，取 第二段套管下入深度为 H 2 =
1.50 × 0.00981×1.125
则 第 一 段 套 管 使 用 长 度 为 L1 = H1 − H 2 = 3505 − 2300 = 1205(m) ， 因 此 套 管 根 数 为
1205 L1
n === 132.4175(根) ，实际取 n = 132根 。 9.1 9.1
故第一段套管实际使用长度为 L1 = 132 × 9.1 = 1201.2(m) ，第二段套管实际下入深度为
H 2 = H1 − L1 = 3505 −1201.2 = 2303.8(m)。
双轴应力校核
套管实际所受的挤压力为σ t = ρd gH 2 = 1.5 × 0.00981× 2303.8 = 33.9004(MPa ) 查《钻井手册（甲方）》可知
3314.4 ×103 ×10 −6 = 551.2056(MPa ) σ =S 1
π(0.17782 − 0.154782 )
4
σ 33.8445 = 0.0614 故=551.2056
t
σ
s
图 4 双向应力椭圆
σ
根据双向应力椭圆曲线可知z = 0.94 ，则 σ= 3314.4 × 0.94 = 3148.68(kN)，因此 σ z
σ σ s
s
套管实际所受拉力为
σ
1.5
。 = LqK = 1201.2 × 468.1×10 −3 × 1 − = 454.8394(kN )
z B
7.85
故σ × S t = 454.8394 ×1.8 = 818.7109(kN)
σ zσ s
3.3.4.4 确定第三段套管的下入深度和第二段套管的使用长度 查《钻井手册（甲方）》选择第三段套管
由公式（6）可知
37.3 = 2253.18(m)，取 H = 2200m 。 第三段套管下入深度为 H 3 = 2
1.5 × 0.00981×1.125
则第二段套管使用长度为 L2 = H 2 − H 3 = 2303.8 − 2200 = 103.8(m)，因此套管根
L2 103.8
n == 11.4066(根) =
9.1 9.1
实际取 n = 11根。
故第二段套管实际使用长度为 L2 = 11× 9.1 = 100.1(m) ，第三段套管实际下入深度为
H 3 = H 2 − L2 = 2303.8 − 100.1 = 2203.7(m)
双轴应力校核 套管实际所受挤压力为σ t = ρd gH 3 = 1.5 × 0.00981× 2203.7 = 32.4274(MPa )
查《钻井手册（甲方）》可知
σ 32.5054
= 0.05891 故=
551.815
t
×10−6 = 551.815(MPa ) σ S =1
π(0.17782 − 0.157082 ) 4
3007.2 ×103
σ
s
σ
根据双向应力椭圆曲线可知z = 0.961 ，则σ= 2504.5 × 0.961 = 2404.32(kN)，因此套 σ z
管实际所受拉力为：
LqKz
× S t 故σ
z
σ =
B
1.5 + 454.8394 = 100.1× 423.7 ×10 −3 × 1 − + 454.8394 = 489.1475(kN )
7.85
= 489.1475 ×1.8 = 880.4655(kN)
σ z
σ s
3.3.4.5 校核第三段套管及确定其使用长度
使用长度的确定
第 三 段 套 管 使 用 长 度 为 L3 = H 3 = 2203.7(m) ， 因 此 套 管 根 数 为
2203.7 L3
n === 242.1648(根) ，实际取 n = 242 根 9.1 9.1
故第三段套管实际使用长度为 L3 = 242 × 9.1 = 2202.2(m) 。 抗拉强度校核
第三段套管所受最大拉应力为
1.5 + 492.92 = 2202.2 × 377.9 ×10 −3 × 1 − σ = + 489.1475 = 1162.3376(kN )
LqKz B
7.85
而σ S t = 1162.3376 ×1.8 = 2092.20768(kN)
3.3.4.6 中间套管柱设计
由公式（5）可知，最大外挤压力为：
poc = ρgH ×10 −3 = 1.1× 9.81× 2480 ×10 −3 = 26.76168(MPa )
d
而允许抗外挤强度为：
pc = poc ⋅ S D = 26.76168 ×1.125 = 30.10689(MPa )
查《钻井手册（甲方）》选择中间套管：
则中间套管的根数为 n =
= 272.527(根)，实际取 n = 272根 ，所以实际使用长度为 9.1
L = 272 × 9.1 = 2475.2(m)
抗拉强度校核 中间套管所受
最大拉应力为
1.1
= 2480 × 791.98 ×10 × 1 − ) = 1688.8847 (kNB
7.85
故σ 1688.8847 ×1.8 = 3039.99(kN)
3.3.4.7 表层套管柱设计 由公式（5）可知，最大外挤压力为
σ z = LqK
−3
poc = ρgH ×10 −3 = 1.0 × 9.81 × 570 ×10 −3 = 5.5917(MPa )
d
而允许抗外挤强度为
pc = poc ⋅ S D = 5.5917 ×1.125 = 6.7167(MPa )
查《钻井手册（甲方）》选择表层套管：
表 11 表层套管钢级选择
则表层套管的根数为 n = L = 62 × 9.1 = 564.2(m) 。 抗拉强度校核
表层套管所受最大拉应力为
570
= 62.637(根) ，实际取 n = 62根 ，所以实际使用长度为 9.1
1.0 = 570 ×1064.87 ×10 −3 × 1 − = 529.654(kN )
LqKz B
7.85
故σ S t = 529.654 ×1.8 = 953.3772(kN)
σ =
3.3.5 套管柱设计结果
3.4 钻井主要设备
3.4.1 钻机编号： 1
3.4.2 钻机型号: 3NB1000
3.4.3 提升系统:
天车型号：TC—170 负荷：170t 游车型号：YC—170 负荷：170t 大钩型号：DG—170 负荷：170t 水龙头型号：XSL—170 负荷：170t
3.4.4 井
架:
型
号：JJ170 井架高度：50m
3.4.5 转
盘:
型 号：ZP—445
3.4.6 泥浆泵:
1 号泥浆泵型号: 3NB1000最高压力: 20Mpa
3.4.7 柴油机：
柴油机型号: 3NB-1000 最高压力: 20Mpa
负荷： 170t 井架底座高度：4m
功率: 957kW
功率: 957kW
3.5 钻具组合
钻铤的设计 根据钻头直径选择钻铤外径，钻铤长度取决于选定的钻铤尺寸与所需钻
铤重量。
所需钻铤长度的计算公式：
W ⋅ S N（10） Lc =
qc ⋅ K B ⋅ cos
α 式中：
W ———设计最大钻压，kN；
S N ———安全系数, 此取 S N = 1.2 ； K B ———钻井液浮力系数；
Lc ———所需钻铤的长度, m；
qc ———每次开钻所需钻铤单位长度重量， N ；
n ———每次开钻所需钻铤的根数，每根钻铤的长度 9.1m。 α ———最大允许的井斜角 计算钻柱所受拉力的公式：
p = [(L × q) + (Lc × qc )]K B
式中：
p ———钻柱所受拉力，kN； Lc ———钻铤长度, m；
qc ———钻铤单位长度重量， N ； L ———钻杆长度, m；
q ———钻杆单位长度重量， N 。
p外挤 = ρd gL
式中 ：
p外挤 ———钻杆所受外挤压力，MPa；
3
ρd ———最小钻井液密度， g/cm 。 钟摆防斜钻具的计算：
（11）
（12）
L z =式中 ：
A = π 2 ⋅ qsin α m ⋅
B + 4 AC − B
2 A
2
（13）
B = 82.04 ⋅W ⋅ r
C = 184.6π 2 ⋅ r ⋅ E.J ⋅ r r = (d h − d c ) / 2 ， m
Lz ———算扶正器至钻头的距离， m ； W ———钻压， kN ； d h ———井径， m ；
d h ———钻铤直径， m ；
钻具组合
表 14 钻铤和钻杆的配合
第一次开钻（0-570m）
φ 444.5mm3 A + φ 228mmDC + φ127mmDP +
133mmKL
第二次开钻（570-2480m）
φ311.1mm3 A + φ 203mmDC + φ127mmDP + 133mmKL
第三次开钻（2480-3505m）
φ 200.0mm3 A + φ177.8mmDC + φ127 mmDP + 133mmKL
第四次开钻（3505-3525m）
φ149.2mm3 A + φ120.65mmDC + φ127 mmDP + φ88.9mmKL
式中：
3A ———三牙轮钻头； DC ———钻铤； DP ———钻杆； KL ———方钻杆。
各次开钻，由最大钻压计算钻铤长度
钻铤的长度计算
第一次开钻：α = 3o ，钻压W = 311.1kN ,线重 qc = 2.847kN / m ,A 安全系数 S = 1.2
N
W ⋅ S 311.1×1.2
L1 = == 150.48m
1 qc ⋅ K B ⋅ cos2.847 × (1 −) × cos 3 7.85 α
加上计算误差： L1实 = L1 + 25 = 175.48m
N
第二次开钻：α = 4o ，钻压W = 280kN ,线重 qc = 2.19kN / m ,A 安全系数 S = 1.2 W ⋅ S 280 ×1.2
L2 = == 178.86m qc ⋅ K B ⋅ cosα 2.19 × (1 −1.1
× cos 4 7.85
加上计算误差： L2实 = L2 + 24 = 202.86m
N
第三次开钻：α = 5o ，钻压W = 210kN ,线重 qc = 1.606kN / m ,A 安全系数 S = 1.2
W ⋅ S 210 ×1.2
L3 = == 194.72m
qc ⋅ K B ⋅ cos1.606 × (1 −1.5
× cos 5 7.85 α
N L4 = E = = 365.14m
1.5 qc ⋅ K B ⋅ cos0.73 × (1 −× cos 5
α 22 7.85
加上计算误差： L4实 = L4 + 24 = 389.14m 钻柱强度设计 第一次开钻：
拉力余量为：450kN，设计系数 St = 1.30 ， σ s= 1.42 。
σ t
选φ127mm ，钢级 E , Py = 1760.31kN 因为
σ s
= 1.42 > St = 1.3 ， t
Pa1 =
0.9Py 1.42
=
0.9 ×1760.31 = 1115.69kN
1.42
所以
当拉力余量为 450kN 时，
Paσ = 0.9Py − 450 = 0.9 ×1760.31 − 450 = 1134.279kN
Pa1
1115.69 Paσ 11− 2.847 ×175.48) = 2735.35m L允 =（− qc ⋅ Lc= (10.28478 K B q p
1 −7.85
L允 = 2735.35m > H1 = 570m ，钻杆实际下入长度（570-175.48）=394.52m 第二次开钻：
拉力余量为：450kN，设计系数 St = 1.30 ， σ s= 1.42 。
σ t
选φ127mm ，钢级 E , Py = 1760.31kN 因为
σ s
= 1.42 > St = 1.3 ， t
Pa1 =
0.9Py 1.42
=
0.9 ×1760.31 = 1115.69kN
1.42
所以
当拉力余量为 450kN 时，
Paσ = 0.9Py − 450 = 0.9 ×1760.31 − 450 = 1134.279kN
Pa1
P11 1115.69
− 2.1943 × 202.86) = 2993.08m L允 =（aσ − qc ⋅ Lc= (1.10.28478 K B q p
1 −7.85
L允 = 2993.08m > H 2 = 2480m ，钻杆实际下入长度（2480-202.86）=2277.14m 第三次开钻：
拉力余量为：450kN，设计系数 St = 1.35 ， σ s= 1.42 。
σ t
选φ127mm ，钢级 E , Py = 1760.31kN 因为
σ s
= 1.42 > St = 1.35 ， t
0.9Py 0.9 ×1760.31= 1115.69kN
所以 Pa1 = =
1.42 1.42
当拉力余量为 450kN 时，
Paσ = 0.9Py − 450 = 0.9 ×1760.31 − 450 = 1134.279kN
Pa1
1115.69 Paσ 11− 1.601× 218.72) = 3613.55m L允 =（− qc ⋅ Lc= (1.50.28478 K B q p
1 −7.85
L允 = 3613.55m > H 3 = 3505m ，实际下入长度（3505-218.72）=3286.28m 第四次开钻：
拉力余量为：450kN，设计系数 St = 1.30 ， σ s= 1.40
σ t
选φ127mm ，钢级 E , Py = 1760.31kN 因为
σ s
= 1.40 > St = 1.30 ， σ t
0.9Py 0.9 ×1760.31= 1131.6279kN
所以 Pa1 = =
1.40 1.40
当拉力余量为 450kN 时，
Paσ = 0.9Py − 450 = 0.9 ×1760.31 − 450 = 1134.279kN
Pa1
1115.69 Paσ 11− qc ⋅ Lc= (− 0.681× 389.14) = 3912.61m L允 =（
1.50.28478 K B q p
1 −7.85
L允 = 3912.61m > H 3 = 3525m ，实际下入长度（3525-389.14）=3135.86m
3.5.1 各次开钻钻具组合
钻头的选择：
根据套管的直径在江汉钻头厂生产的江钻牌钻头系列中（如表 21~表 22）中选择合适 钻头。
表 21 江钻牌钢齿牙轮钻头规格系列
表 22 江钻牌镶齿钻头规格系列
钻铤的选择： 根据下入套管的内径选择相应的钻铤尺寸尺寸
如表 23：
表 23 钻铤的参数表
钻柱的选择： 钻杆的参
数如表 24
表 24 钻杆的参数表
方钻杆的选择：
方钻杆的选择可以从表 25 中得到：
表 25 方钻杆参数表
综合上述选取的参数，将结果列到表 26~表 29
3.6 钻头及钻井参数设计
3.6.1 钻头设计 地层
的可钻性如表 4
889.66N 转速 min 的钻进参数$在岩样上钻三个孔，孔深 24mm 取三个孔钻进时间的平 均值为岩样的钻时（ t d ）取以 2 为底的对数值作为该岩样的可钻性级值 K d ，一般取整数 值 td 。 （14） K d = log 2 td
则相应的钻时为：
则地层的相应的钻时为：
t d = 2
K d
（15）
简化起见由单种钻头钻进的累计进尺为相应的开次井段
第 i 种的钻头的总进尺为 L i ，根据可钻性和江汉钻头厂的钻头给出的参数得出相应机 械钻速为 vi ，则纯钻时间为 ti 则 L i = vi ⋅ ti （16） 第一次开钻
A(0~300): 444.5mm × 1 B(300~570): 444.5mm × 1 第二次开钻
B(570~600): 311.1mm × 1 C(600~1100): 311.1mm × 1 D(1100~1600): 311.1mm × 1 E(1600~2000): 311.1mm × 1 F3(2000~2480)：311.1mm × 1 第三次开钻
F3(2480~2700)：200.0mm × 1 F2J(2700~2900)：200.0mm × 1 F2K(2900~3200)：200.0mm × 1
F1(3200~3500)：200.0mm 1 × F1(3500~3505)：149.2mm × 1 第四次开钻
F1(3505~3525)：149.2mm × 1 钻头的选型如表 31
3.6.2 钻井参数设计 3.6.2.1 钻井液密度设计 钻井内钻井液体积
式中：
3
π 2
V i L i = i
i =1 4
n
（17）
Vi ———井筒内钻井液的体积，m ； Di ———第 i 段井径，m； Li ———第 i 段井眼长度，m。
钻井内钻井液体积
由于井深为 3525m，地面泵压不超过 20Mpa，选择缸套直径为 160mm 的 3NB1000 钻机
则地面循环量为Vc = s 。
循环损耗量为Vd ：
Vd = (Vi + Vc )× 20%
需加入的粘土、清水量Vm 为：
（18）
式中：
ρ ———加入粘土的密度，取 2000 Kgm 3 ；
Vm ———所配钻井液的最大体积 m ；
3
m
Vm = Vw +ρ m Vw=5% 1
（19）
（20）
m ———所加粘土质量，t；
3
Vw ———配制钻井液所需要的水的体积， m 。 第一次开钻 需加入的重晶石的量为： m1 = Vm ρ1 − m − mw 式中：
m1 ———加入重晶石的量，t；
3 mρ ———一次开钻钻井液的密度， 。 1 mw ———加入的水的量， t 。
第二次开钻 需加入的重晶石的量为：
（21）
式中：
ρ2 − ρm2 = V（m
1
（22）
）
m2 ———加入重晶石的量，t；
3
ρ ———二次开钻钻井液的密度， m。 2
第三次开钻
需加入的重晶石的量为： m3 = V（m ρ3 − ρ式中： 2）
（23）
ρ m。 3 ———三次开钻钻井液的密度， 第四次开钻
需加入的重晶石的量为： m4 = V（m ρ4 − ρ式中： 3）
3
m3 ———加入重晶石的量，t；
（24）
ρ m。 4 ———四次开钻钻井液的密度， 钻井液的密度计算公式为：
ρ s = ρd + ∆ρ
pd
ρd =0.00981H
式中：
3
ρ m ； s ———钻井液的密度，
ρd ———当量钻井液密度 m3 ；
3
m4 ———加入重晶石的量，t；
（25） （26）
∆ρ ———钻井液密度附加值，一般取 0.05 ~ 0.1gcm 3 ，这里取 0.1gcm 3 。 井筒内的钻井液的体积：
由式（17），一次开钻钻井液的体积：
π 3 2 V = 0.4445 × 570 = 88.45m 1 4
二次开钻钻井液的体积：
()
π 2
V2 = × 0.3111× (2480 − 570) + V1 = 669.19 m 3
4
三次开钻钻井液的体积：
π 3
V = × 0.2 2 × (3505 − 2480) + V2 = 701.39m 3
4
四次开钻钻井液的体积：
π V = 0.1492 2 × 25 + V3 = 701.83m3 4
4
因此井筒内的钻井液的体积为：
( )
()
()
由式（18）得损失的钻井液为： V 20% = 140.37(m 3 ) d = 701.83 × 则所需钻井液原浆体积为
140.37 = 842.2m3 Vm = V + Vd = 701.83 +
V = 701.83m 3
()
实际取Vm = 850(m 3 )
由（19）式得需加入的粘土量为：
Vm850 m === 41.46(t ) 1000 20 + 20 +2000 ρ
由（20）式得加入的水量为： m 41.46
Vw =( = = 829.2 m 3
5% 5%
) 一次开钻时所需的钻井重金石的量
根据式（25）、（26）一次开钻时钻井液密度为
3
ρ 1.0 + 0.1 = cm s1 =
根据式（21）得到重金石的量为
m × (1.1) − 41.46 − 829.2 ×1000 ×10 −3 = 64.34(t ) 1 = 850
二次开钻时所需的钻井重金石的量
根据式（25）、（26）一次开钻时钻井液密度为
3
ρ 1.1 + 0.1 = 1.2 cm s 2 =
根据式（21）得到重金石的量为
m2 = 850 × (1.2 −1.1) = 85(t )
三次开钻时所需的钻井重金石的量
根据式（25）、（26）一次开钻时钻井液密度为
3
ρ 1.5 + 0.1 = 1.6 cm s 2 =
根据式（21）得到重金石的量为
m3 = 850 × (1.6 − 1.2) = 340(t )
四次开钻时所需的钻井重金石的量
m4 = 850 × (1.6 −1.6) = 0
钻井液密度的设计结果为：
表 32 钻井液设计参数表
36
3.6.2.2 钻井水力参数的设计
确定最小排量 Q a ：
K v ss va
v
s = va − vsl
0.0707d (ρ2
v s s − ρ d3 sl = 1 1
3 d 3
e
µ d 1−n n
h − d p 2n + 1e = K
1200v
a 3n
Q π 2 2
a 式中：
40
(d h − d
p)v a
K s ———岩屑举升效率，无因次，取 0.5；
va ———最低环空返速， m ；
vs ———岩 屑在环空的实际上返速度， ； vsl ———岩屑在钻井液的下滑速度， m ；
d s ———岩屑直径，取 0.6cm；
ρs ———岩屑密度，取 2.52 gcm 3 ；
ρ3
d ———钻井液密度， ； µe ———钻井液有效粘度， Pa ⋅ s ； d h 、 d p ———井径和钻柱外径，cm； K ———钻井液稠度系数， Pa ⋅ s n ； n ———钻井液流行指数，无因次； Qa ———携岩屑的最小排量， 。 计算不同井深循环压耗系数 0.8 0.2
B 0.57503 m = ρd µpv d 4.8 +
pi h p h p
K 0.8
0.2 B 0.57503 c = ρd
µpv Lc
d 4.8 +3 1.8 ci d h − d c d h + d c
a = K
g + K c − mLc
式中：
K = 1.07 ×10 −3 MPa ⋅ s
g 1.8 ⋅ L−1.8 ；
37
（27）
（28）
（29）
（30）（31）
（32） （33） （34）
µpv ———钻井液塑性粘度， Pa ⋅ s ； Lc ———钻铤长度，m；
d pi ———钻杆内径，cm；
d ci 、 d c ———钻铤内径、外径，cm。 临界井深的确定
计算按最大钻头水功率方式下的临界井深
第一临界井深为
D Pc =pr a
2.8mQ1.8
−r m
第二临界井深为
D pr Pa =2.8mQ1.8
−a
a m
式中：
B = 0.51655 ；
pr ———额定泵压，MPa；
Qr ———额定排量， L 。
计算按最大射流冲击力方式下的临界井深
第一临界井深为
D Fc =pr 1.9mQ1.8
−a
r m
第二临界井深为
D pr Fa
=a
1.9mQ1.8 − a
m
射流喷射速度：
v 10Q j =A0
其中
Aπ z 2
0 =式中：
4 i =1
d i
v j ———射流喷速，
；
Q ———通过钻头喷嘴的钻井液流量, ；
38
35）
36）
37）
38）
（39）（40）
（
（
（（
A喷嘴出口截面积, cm 2
0 ———；
di ———喷嘴直径（ i = 1、2、3 ….）；
z ———喷嘴个数。
射流喷射冲击力：
ρ Q
2 F
j =100 A
式中：
F j ———射流冲击力， kN ；
ρd ———钻井液密度, cm3
。
射流水功率：
3P0.05ρ
Q
j = A 2 0
式中：
P
j ———射流水功率， kW 。
比水功率：
=4Pj
πD 2
w
式中：
Pj ———比水功率， kW ；
Dw ———井眼直径，mm。 环空压耗计算
钻杆外环空压耗：∆p 0.57503ρ0.8 0.2 pa = d µ pv Lp Q1.8
(d 3
h − d p ) (d h + d 1.8
p )
式中：
∆p pa ———钻杆外环空压耗， MPa ；
d h ———井眼直径， cm ；
d p ———钻杆外径， cm 。
39
（41）
（42）
（43）
44）
（
钻杆外环空压耗：
0.8 0.2 1.8
0.57503ρ µ L Qd pv c∆pca = c )3 (d c )1.8
(d h h
（45）
式中：
∆p pa ———钻铤外环空压耗， MPa ；
d c ———钻铤外径， cm 。 环空压耗：
∆pa = ∆pca + ∆p pa
（46）
即
L p Lc 0.8 0.2 1.8
∆p = 0.57503ρ µ Q×+a d pv
(d h − d c )3 (d h + d c )1.8 (d h − d p ) 3 (d h + d p )1.8
泵的各种参数的计算
第一次开钻时泵的计算（0~570m）
选择一台缸套直径为 φ = 160mm 的型号为 3NB1000 的钻进泵使用，因此额定排量为 Qr = 35.4 L，额定泵压为 pr = 18.6MPa 。
由式（27）~式（31）可知最低环空返速为
2 3 3
0.1 414 × d s × s − ρ d )(ρv a = 1− nn d − d h 2 n + 1 p ρ
× K ×
d 1200 3n
1 n + 2
由钻柱设计参数可知，钻井液密度 ρ= 1.1g cm 3 ，井眼直径 d = 44.45cm ，钻杆外
d
h
径 d p = 12.7cm 。根据经验取岩屑直径 d s = 0.6cm ，岩屑密度 ρs = 2.52g/cm 3 ， n = 0.65 ， K = 0.3 。 则
v = a
2
0.14143 × 0.63× (2.52 − 1.1)
40
1 2.65
= 0.204()
3 × 0.65 1200
41
由公式（31）可知，携岩所需的最小排量为
Qa = π × (44.452 −
12.7 2 )× 0.204 = 29.0735( s)
40
故 Qa
3
由钻柱设计参数可知，钻井液塑性粘度 µpv = 0.0047 Pa ⋅ 钻井液密度 ρd = cm ， s ，钻杆外径 d p = 12.7cm ，钻杆内径 d pi = 10.86cm ，钻铤长度 Lc = 175.48m ，钻铤内径 d ci = 7.14cm ，钻铤外径 d c = 22.8cm ，井眼直径 d h = 44.45cm 。
则由公式（32）可知
0.51655 0.57503 0.8 0.2 −6 m = 1.1× 0.0047×+= 2.04 ×10 4.83 1.8
12.744.45 + 12.710.86 44.45 −
则由公式（33）可知
0.51655 0.57503 0.8 0.2 −3
K = 1.1× 0.0047×175.48 ×= 2.68 ×104.8 c 3 1.8
7.14 44.45 − 22.844.45 + 22.8
则由公式（34）可知
a = 1.07 ×10 −3 + 2.68 ×10 −3 − 2.04 ×10 −6 ×175.48 = 3.39 ×10 −3
则根据最大射流冲击力由公式（37）计算临界井深得
D = Fc
1.9 2.04 ×10-6 × 1.8× 35.4
由于 H = 570m
18.6
3.39 ×10 −3 −
2.04 ×10 −6
6154.2(m)
=
18.6 − 3.39 ×10 −3 + 2.04 ×10 −6 × 570× 35.41.8 = 15.81(MPa) ∆pb = pr − (a + mD )Q1.8r =
最优排量为
()
Q
opt
pr
1 1.8
18.6
1 1.8
35.4
L s
=
2.8(a + mD) 则
= =2.83.39 ×10 −3 + 2.04 ×10 −6 × 570)
Qopt
= 35.4( L( ) >
喷嘴的当量直径为
1
4 0.081×1.1× 35.4 2
1.6469(cm) 2
( ) 1.8 0.982 15.81
r
d ne = d = × =
因此喷嘴的直径为
0.081ρ Q
1 2 4
[]
42
2ne 2d == 0.9508cmi =3 n
43
射流喷射速度：
10Q 10 × 35.4 v = = j =
A0 2.13
射流喷射冲击力：
2
F j =
射流水功率：
ρd Q 1.1× 35.4
= 6.4716kN =
100 A0 100 × 2.13
2
3
0.05ρd Q35.43 = 537.7671kW 0.05 ×1.1× P j ==2
A 2.132 0
比水功率：
4Pj 4 × 537.7671
−3
== 3.465 ×10 kWmm 2 =22
πD π × 444.5 w
环空压耗为：
∆p ×1.1a = 0.57503
0.8
1.8
× 0.0047 × 35.4 175.48 394.52
×+] (44.45 − 22.8) 3 (44.45 + 22.8)1.8 (44.45 − 12.7)3 (44.45 + 12.7)1.8
0.2
= 2.26 ×10 −3 MPa
第二次开钻时泵的计算（570~2480m）
根据设计参数可知选择缸套直径为φ = 170mm 的型号为 3NB1000 的钻进泵一台，其额 定排量为 Qr = 40 ，额定泵压为 pr = 16.5MPa 。
3
由钻柱设计参数可知，钻井液密度 ρ = cm ，井眼直径 d h = 31.11cm 。
d
由经验公式可知
va = 0.1851()
根据公式（31）可知，携岩所需的最小排量为
Qa = π
× (31.112 − 12.7 2 )× 0.1851 = 11.729( s) 40
故 Qa
由钻柱设计参数可知，钻井液塑性粘度 µpv = 0.0047 Pa ⋅ s ，钻井液密度 ρ cm 3 ， d = 钻杆外径 d p = 12.7cm ，钻杆内径 d pi = 10.86cm ，钻铤长度 Lc = 202.86m ，钻铤内径 d ci = 7.14cm ，钻铤外径 d c = 20.3cm ，井眼直径 d h = 31.11cm 。
则由公式（32）可知
m = 1.2
0.8
× 0.0047
0.2
0.51655 0.57503 ×+= 2.22 ×10 −6
4.83 1.8
12.731.11 + 12.710.86 31.11 −
44
0.51655 0.57503 −3
K = 1.20.8 × 0.00470.2 × 202.86 ×= 3.344 ×10 +c
4.83 1.8
7.14 (31.11 − 20.3)(31.11 + 20.3)
由公式（34）可知
a = 1.07 ×10 −3 + 3.344 ×10 −3 − 2.22 ×10 −6 × 202.86 = 3.9638 ×10 −3
则根据最大钻头水功率按照公式（35）计算第一临界井深得
则由公式（33）可知
3.344 ×10 −= 1682.17(m) -6 −6
2.8 × 2.22 ×10× 2.22 ×10
401.8
由最大钻头水功率按照公式（36）计算第二临界井深
DPc =16.5 3.344 ×10
−= 3718.75(m) -6 −6
2.8 × 3.222 ×10× 2.22 ×10
1.8
30.94
由于 DFc
−3
16.5
−3
DPa =
最优排量为
r
∆pb = 9.25(MPa )
1 1.8
1
p1.8 21
Q opt = = 2.83.9638 ×10 −3 + 2.22 ×10 −6 × 2480= 35.651() 2.8a + mD
喷嘴的当量直径为
d ne = 1.8661(cm) 因此喷嘴的直径为 d i =射流喷射速度：
2dne
2
n
=1.8661
= 1.0774(cm) 。 3
10Q 10 × 35.651 v == j =
A0 2.735
射流喷射冲击力：
2
F j =
射流水功率：
ρ 1.2 × 35.651d Q = 5.5765kN =
100 A0 100 × 2.735
2
3 3
0.05ρd Q 0.05 ×1.2 × 35.651 = 363.4436kW P j == 2
A 2.7352 0
比水功率：
4Pj 4 × 363.4436 2−3
mm = 4.781×10 kW=2=2
πD π × 311.1 w
45