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1、第一章 钻井的工程地质条件(P41 )1、简述地下各种压力的基本概念及上覆岩层压力、地层压力和基岩应力三者之间的关系。答:P6P82、简述地层沉积欠压实产生异常高压的机理。答:P10答:地层在沉积压实过程中,能否保持压实平衡主要取决于四个因素:(1)上覆岩层沉积速度的大小,(2)地层渗透率的大小,(3)地层孔隙减小的速度,(4)排出孔隙流体的能力。在地层的沉积过程中,如果沉积速度很快,岩石颗粒没有足够的时间去排列,孔隙内流体的排出受到限制,基岩无法增加它的颗粒和颗粒之间的压力,即无法增加它对上覆岩层的支撑能力。由于上覆岩层继续沉积,岩层压力增加,而下面的基岩的支撑能力并没有增加,孔隙流体必然开
2、始部分地支撑本应有岩石颗粒所支撑的那部分上覆岩层压力。如果该地层的周围又有不渗透的地层圈闭,就造成了地层欠压实,从而导致了异常高压的形成。3、简述在正常压实地层中岩石的密度、强度、空隙度、声波时差和 dc 指数随井深变化的规律。答:密度、强度、dc 指数随井深增加而增大(见 P10 上、P25 下、P15 中);空隙度、声波时差随井深增加而减小(见 P12 下)。4、解释地层破裂压力的概念,怎样根据液压实验曲线确定地层破裂压力? 答:地层破裂压力:P17 中。根据液压实验曲线确定地层破裂压力:见 P21 中(步骤 4、5)。5、某井井深 2000m,地层压力 25MPa,求地层压力当量密度。3
3、4解:根据 P13、式(1-12),地层压力 pp= 0.00981rDp地层压力当量密度 r=pp=25= 1.274 (g / m3 )p0.00981D0.00981 20006、某井井深 2500m,钻井液密度 1.18 g/cm3,若地层压力 27.5MPa/m,求井底压差。解:井底压差井底钻井液液柱压力地层压力静液压力:P6、式(1-1)P= 0.00981r h = 0.00981 1.18 2500 = 28.94(MPa)hn井底压差: DP = P - Phh= 28.94 - 27.5 = 1.44 (MPa)7、某井井深 3200m,产层压力为 23.1MPa,求产层的
4、地层压力梯度。解:地层压力梯度地层压力/井深参考 P13、式(1-12),地层压力 pp= 0.00981rDp或 P7、式(1-2),静液压力梯度Gp= phh产层压力梯度: G= pp = 23.1= 0.00722 (MPa / m)pD32008、某井钻至 2500m,钻头 D215mm,钻压 W160KN,钻速 n110r/min,机械钻速 7.3m/h,钻井液密度 1.28 g/cm3,正常条件下钻井液密度 1.07 g/cm3,求 d 和 dc指数。解:据 P15、式(1-16)、式(1-17)(注意:各变量的单位)d 指数: d =0.0547vlgpcnlg 0.0547 7
5、.3=110= 1.8868lg 0.0684Wdblg 0.0684 160215dc 指数: dc= d rrd= 1.07 1.8868 = 1.57721.2812、岩石受围压作用时,其强度和塑性是怎样变化的?答:(1)当围压增加时强度均增大,但所增加的幅度对于不同类型的岩石是不一样的(P28);(2)随着围压增大,岩石表现出由脆性向塑性转变,并且围压越大,岩石破坏前所呈现的塑性也越大(P31)。补充题:某井将套管下至 1000m 固井后做漏失试验,测得漏失压力为p=5.9MPa,井内泥L浆密度为 1.15g/cm3。继续钻进至 2000m 将钻遇油气层,预计油气层压力为 35.0MP
6、a。若采用平衡压力钻井方法钻穿油气层,能否压漏地层?(或是否需要下技术套管?)解:等价问题“钻 2000m 处油层时,使用的钻井液在1000m 处产生的液柱压力是否会超过此处的地层破裂压力”。思路: (1)计算套管鞋处地层破裂压力当量密度,与钻开油层所需钻井液密度比较;(2) 计算套管鞋处地层破裂压力,与钻开油层时该处的液柱压力比较;(3) 计算套管鞋处地层破裂压力当量密度,以及采用该密度的钻井液钻开油层时井底液柱压力,与油层压力比较(4) 计算当前密度的钻井液钻开油层时关井套压,与漏失试验的漏失压力比较。解法 1:计算地层破裂压力的当量密度:P21、式(1-27)5.9r= r+pL= 1.
7、15 += 1.751(g / cm3 )fd0.00981D0.009811000计算钻开油层所需要的钻井液密度:采用平衡钻井钻穿油气层,钻井液静液压力等于地层压力。地层压力: pp= 0.00981rDP13、式(1-12)p则井深 2000m 处,地层压力 35.0MPa,对应的钻井液密度为:pr=p=35.0= 1.784(g / cm3 )p0.00981D0.00981 2000比较两当量密度: r rpf采用平衡钻井钻穿油气层时,钻井液密度大于 1000m 处的地层破裂压力当量密度,而此处地层又没有用套管封隔,则地层被压漏。解法 2:(比较 1000m 处的压力)计算 1000m
8、 处的地层破裂压力:p= pfL+ 0.00981rD = 5.9 + 0.00981 1.15 1000 = 17.18(MPa)d计算钻开油层所需要的钻井液密度:(同上)采用平衡钻井钻穿油气层,钻井液静液压力等于地层压力。地层压力: pp= 0.00981rDP13、式(1-12)p则井深 2000m 处,地层压力 35.0MPa,对应的钻井液密度为:r= r=pp=35.0= 1.784(g / cm3 )hp0.00981D0.00981 2000钻开油层时,1000m 处的静液柱压力:p= 0.00981rhD = 0.00911.784 1000 = 17.50(MPa)h比较两个
9、压力:由于 ph p,则地层被压漏。f解法 3:计算地层破裂压力当量密度:P21、式(1-27)5.9r= r+pL= 1.15 += 1.751(g / cm3 )fd0.00981D0.009811000破裂压力当量密度在 2000m 处能产生的静液柱压力:p= 0.00981rhD = 0.00911.751 2000 = 34.47(MPa)h比较两个压力:由于 ph 27(m)cq kcB cosa2.860 0.842 cos 6计算长度 L= 100.21m 大于库存量(27m),则实际长度L= 27m 。除了9in 钻铤、cc1还要选 12 段尺寸较小的钻铤,组成 “塔式钻具组
10、合”(直井防斜打直)。中性点(P87):“钻柱上轴向力等于 0 的点”。W = n (qcii=1 L) kciB cosa钻铤长度的确定原则(P92):“保持中性点始终处在钻铤上”。W SmaxN= n (qcii=1 L) kciB cosa各段钻铤长度的计算公式如下:SWNmax- n-1 (q L)k cosaL=Bcii=1ciS=NWmaxq L+ q L- c1c1c 2c 2+ + qcn-1 Lcn-1cnqcnq kcnB cosaqcn第 2 段钻铤选择 7in 钻铤,则该段钻铤的计算长度为:L=SNWmaxq L1.20 2002.860 27.0-c1c1 =-= 1
11、28.30(m)c 2q kc 2B cosaqc 21.632 0.842 cos 61.632计算长度 L= 128.30m 仍然大于库存量(81m),则实际长度 L= 81.0m 。c 2c 2除了 9in 钻铤、7in 钻铤,还要使用 61/4in 钻铤,计算长度为:SWLq+ LqL=Nmax-c1c1c 2c 2c3q kc3B cosaqc3=1.20 200- 27.0 2.860 + 81.0 1.632= 56.68(m)1.362 0.842 cos 61.362该尺寸钻铤供应充足。若按每根钻铤 9m 计算,需要 7 根,实际长度 L= 63.0m 。c3全部钻铤的总长度
12、: 3Lcii=1= 27.0 + 81.0 + 63.0 = 171.0(m)全部钻铤在空气中的重量:3 (qcii=1 L) = 2.860 27.0 + 1.632 81.0 + 1.362 63.0 = 295.22(kN )ci全部钻铤的浮重: 3 (qcii=1 L) kciB= 295.22 0.842 = 248.57(kN )7(2) 选择第一段钻杆(接钻铤):E 级 5in 钻杆,线重q= 284.78N / mp1据钻杆直径、钢级、线重(或壁厚),查表 2-12(P75)、表 2-14(P77),最小抗拉载荷 F= 1760.31kN 。y1A、计算最大安全静拉载荷:P9
13、3-95、分3 种情况计算,最后取最小值 安全系数法:P95、式(220)0.9 1760.31170F= 0.9F/ sa1y1t= 1218.68 (kN ) 1.3 设计系数法(卡瓦挤毁):P95、式(221)F= 0.9Fa-a1y1s/( s0.9 1760.31y ) = 1115.69 (kN )1.42t其中,据钻杆外径 127.0mm,卡瓦长度 Ls= 406.4mm 及正常润滑条件,查表 2-22s(P94 ),得到防止卡瓦挤毁钻杆的设计系数s y = 1.42 。x 拉力余量法:P95、式(222)F= 0.9Fa1y1- MOP = 0.9 1760.31 - 450
14、= 1134.28 (kN )显然,按卡瓦挤毁比值计算的最大安全载荷最小,取 Fa1= 1115.69kN 。B、计算最大许用长度:L=F 1p1qKp1Bq Lccqp1=1115.69-295.22= 3616.22(m)284.78 10-3 0.842284.78 10-3因为库存量仅有 900m,实取第 1 段钻杆长度 L= 900.0m 。p1(3) 选取第 2 段钻杆: 95 X 级 5in 钻杆,线重q= 284.78N / mp1同理:最小抗拉力 F= 2229.71kNy 2最大安全静拉载荷: 安全系数法: Fa 2= 0.9F/ sy 2t= 0.9 2229.71 =
15、1543.65 (kN )1.3 设计系数法(卡瓦挤毁): Fa 2= 0.9Fy 2s/( s y ) =t0.9 2229.71 = 1413.20 (kN )1.42拉力余量法: Fa 2= 0.9Fy 2- MOP = 0.9 2229.71 - 450 = 1556.74 (kN )实取最大安全静拉载荷 Fa 2= 1413.20kN 。最大许用长度:F/ K L=a 2Bp 2- q Lccq- qLp1p1p 2= 1413.20 / 0.842 - 295.22 - 284.78 10-3 900 = 3956.12m284.78 10-3因为总井深为 3500m,实取第 2
16、段钻杆长度:p 2cp1设计钻柱组合列表如下:规范长度 /m空气中重 /kN第 1 段钻铤:9in,线重 2.860kN/m2777.22第 2 段钻铤:7in,线重 1.632kN/m81132.19第 3 段钻铤:61/2in,线重 1.362kN/m6385.81第 1 段钻杆:5in,E 级,线重 284.78N/m900256.30第 2 段钻杆:5in,95 X 级,线重 284.78N /m2432692.59合计35001144.11L= D - L- L= 3500.0 -168.0 - 900 = 2432.0(m) 。第 3 章复习题:1、钻井液的功用是什么?P101-1
17、022、名词解释:井塌(P116)第四章 钻进参数优选(P165)1、某井用F 200mm241 型钻头钻进,W=196kN,n=70r/min,井底净化条件较好,钻头工作14h 后起钻,已知 A =2.3310-3。求牙齿磨损量 h 。ff解:查表 41(P130)、表 42(P131), F 200mm241 型钻头的有关数据:12121Z= 0.0167,Z= 5.94,a= 0.9,a= 0.392 10-4,C= 3Z =0.01671牙齿磨损量:P132、例4-1h=- 1 +1 + 2CA (a n + a n3 )tf11Z- Z W2f21实验点123456钻压/kN2252
18、54254196196225转速/(r.min-1)70601201206070钻速/(m.h-1)3132.546342430fC1- 1 +1 + 2 3 2.33 10-3 (0.9 70 + 0.392 10-4 703 ) 14=5.94 - 0.0167 1963= 0.522、某井用F 200mm211 型钻头钻进,W=196kN,n=80r/min,钻头工作 14h 后起钻,轴承磨损到 B6 级,求轴承工作系数 b。解:轴承磨损到 B6 级,表示轴承磨损了 6/8。参考P141、例4-2轴承的磨损速度方程: dB =1W 1.5NP133、式(4-15)dtbnW 1.5t80
19、 1961.5 14轴承工作系数: b = 4.1106B0.75f3、已知某井五点法钻进试验结果如下,求该地区钻压 M 和转速系数。解:该表中实验点编号与表4-3(P134)不一致!(1) 验证试验是否成功:P134、L6uPC1= 31 - 30uPC1-uPC 631= 3.2% 15%W所以试验成功。(2) 计算门限钻压 M:转速n 固定,钻压W 变化W、Wmaxmin钻速方程: v= K(W - M )n l1C CP129:式(4-9)pcR1 + C hpH2转速n= 120r / min (第 3、4 点):参考P134、式(4-18)、式(4-19)maxM= W1min-
20、maxvpc3- Wmin- vpc4 vpc4= 196 - 254 -196 34 = 31.67(kN )46 - 34转速n= 60r / min (第 2、5 点):minM= W2min- Wmaxv- Wmin- v vpc5= 196 - 254 -196 24 = 32.24(kN )32.5 - 24pc 2pc5则: M =1 (M21+ M) = 31.96(kN )2(2)求转速指数l :钻压 W 固定,转速 n 变化 n、nm axmin钻压W= 254kN (第 2、3 点):参考P135、式(4-21)、式(4-22)maxlg(vl=1lg(npc 2min/
21、 v)pc3/ n)max= lg(32.5 / 46) = - 0.151 = 0.5016lg(60 /120)- 0.301钻压W= 196kN (第 4、5 点):minlg(vl=1lg(npc5min/ v)pc4/ n)max= lg(24 / 34) = - 0.151 = 0.5016lg(60 /120)- 0.301则: l =1 (l + l ) = 0.50162124、某井用F 215.9mm 钻头钻进,喷嘴流量系数 C=0.96,钻井液 =1.42g/cm3,排量为 16L/S,d若要求井底比水功率为 0.418kW/cm2,且三个喷嘴中拟采用一个直径为 9mm,
22、另两个为等径。试求另两个喷嘴的直径,并计算射流水力参数和钻头水力参数。解:比水功率通常为射流水功率与井底面积的比值。(1) 射流水功率: Pj= p A = 0.418 jp 21.592 = 153.03(kW ) 4射流水功率 P= 0.05rd Q3P146 、式(4-52)jA200.05r Q3dPj0.05 1.42 163153.03A=0p= 1.3785(cm2 )喷嘴总面积 A=(d 2 + d 2 + d 2 ) ,又d= 9mm 、d= d ;则另两个喷嘴的直径:04123123p A-20d 212p2 1.3785 - 0.922d= d=23= 0.687(cm)
23、 6.87(mm)另两个喷嘴的实际直径d= d= 7.0mm 。23喷嘴总面积: A= p (d 2 + d 2 + d 2 ) = p (0.92 + 0.72 + 0.72 ) = 1.406(cm 2 )041234(2) 射流水力参数:射流喷射速度: vj= 10QA0= 10 16 1.406= 113.80(m / s)P145、式(4-50)射流冲击力: Fr Q2=d= 1.42 162= 2.585(kN )P145、式(4-51)j100A0100 1.406(3) 钻头水力参数0.05 r Q20.05 1.42 162钻头压降:Dp=bdC 2 A20= 9.977(M
24、Pa)P146、式(4-53)0.962 1.4062钻头水功率:P= 0.05 rd Q3 = 0.05 1.42 163 = 159.63(kW )P147:式(4-53)bC 2 A2 00.962 1.40625、已知:钻头直径215.9mm;钻铤外径 177.8mm(内径 71.4mm)、长度 100m;内平钻杆、外径 127mm(内径 108.6mm);钻井液密度 d=1.2g/cm3、塑性粘度 PV=0.022PaS、排量Q=22L/S;地面管汇压耗 Pg=0.34MPa。求 m,a 值及井深 D = 2000m 时循环系统压耗。解:地面管汇压耗公式:P152、式(4-73),
25、P153、式(4-80)Dp= K Q1.8 K= Dpg=0.34= 1.3035210-3gggQ1.8(22.0)1.8据P153、式(4-82):K= r 0.8 m 0.2 L 0.51655 +0.57503cdpvcd 4.8(d- d )3 (d+ d )1.8 cihchc 0.51655= (1.2)0.8 (0.022)0.2 100 +0.57503 (7.14)4.8(21.59 - 17.78)3 (21.59 + 17.78)1.8 = 0.53993 100 (4.12440 10-5 + 1.39836 10-5 )= 2.98190 10-3内平钻杆,常数
26、B = 0.51655:P152、式(4-74)m = r 0.8 m 0.2 B0.57503+dpv d 4.8pi(d- d)3 (d+ d)1.8 hphp 0.516550.57503= (1.2)0.8 (0.022)0.2 + (10.86)4.8(21.59 - 12.7)3 (21.59 + 12.7)1.8 = 0.539930 (5.5097110-6 + 1.4115110-6 )= 3.73697 10-6(P153)a = Kg+ K- m Lcc= 1.30352 10-3 + 2.98190 10-3 - 3.73697 10-6 100(P154)= 3.91
27、172 10-3当井深 D = 2000m 时,钻杆长度 Lp= 2000 - 100 = 1900m 。循环系统压耗:P154、式(4-83)Dp= (mD + a)Q1.8 = (3.73697 10-6 2000 + 3.91172 10-3 ) 221.8L= 0.01138566 221.8 = 2.97(MPa)8、已知:钻头直径db= 215.9mm ;喷嘴流量系数C = 0.98 ;钻铤外径dc= 177.8mm (内径dci= 71.4mm )、长度 Lc= 120m ;内平钻杆、外径dp= 127.0mm (内径dpi= 108.6mm );钻井液密度rd= 1.64 g
28、/ cm 3 、塑性粘度mpv= 0.047 Pa s ;排量Q = 22L / s ;要求环空返速va 0.7L / s ;地面管汇压耗系数 Kg= 1.07 10-3 MPa s1.8 L-1.8 ;配备 2 台 3NB-1000 钻井泵;地面泵压不超过 18Mpa; 当前井深 D = 4000m 。试按最大钻头水功率方式对该井深处进行水力参数设计。解:(1)确定最小排量Qa:P162、式(4-112)V= 18.24=18.24= 0.515(L / s)ar d1.64 21.59dh要求环空返速va 0.7L / s ,则实取va= 0.7L / s携岩要求最小排量:P163、式(4
29、-116)Q= p (d 2a4h- d 2 ) vpa= p (21.592 - 12.72 ) 0.7 = 16.76(L / s)4(2) 计算环空压耗系数:钻铤内外压耗系数:P153、式(4-82)K= r 0.8 m 0.2 L 0.51655 +0.57503cdpvcd 4.8(d- d )3 (d+ d )1.8 = (1.64) 0.8 (0.047) 0.2cihchc 120 0.51655 +0.57503 (7.14) 4.8(21.59 - 17.78)3 (21.59 + 17.78)1.8 = 0.80593 120 (4.12440 10 -5 + 1.39836 10 -5 )= 5.34111 10 -3内平钻杆,则常数 B = 0.51655m = r 0.8 m 0.2 B0.57503+dpv d 4.8pi(d- d)3 (d+ d)1.8 hphp 0.516550.57503(P153)= (1.64)0.8 (0.047)0.2 + (10.86)4.8(21.59 - 12.7)3 (21.59 + 12.7)1.8 = 0.80593 (5.5097110-6 + 1.4115110-6 )= 5
限制150内