钻井工程井身设计石油工程专业本科毕业论文

*******学院毕业设计（论文）题目：钻井工程井身设计学生： ********学号： *****指导教师：*****专业：钻井技术*****职业技术学院石油工程系****年**月**日*****职业技术学院学生毕业设计（论文）中文摘要摘要钻井是勘探的继续，开发的先导。

石油钻井投资大、风险高，其中井身组合设计的好坏直接关系着施工的效益和成败。

本论文以一口井井身结构设计为框架，包含了井身结构设计概况，井身钻柱组合设计（套管柱设计和钻杆柱设计）。

论文对目前一口井井身结构设计所采用的方法进行了总结和比较。

为了能更好的了解一口井工艺设计，在这里主要介绍了一口井工艺设计包括的井身结构设计的方法步聚，钻柱组合的类型和步聚等等。

重点就是本文以钻井工程一口井井身结构设计理论为基础，介绍了钻井工程井身设计的全过程。

讲述了钻柱组合设计，套管柱设计和钻杆主类型和设计方法。

结合理论基础介绍了在实际生产中的钻井工程设计。

关键词：井身结构，钻具组合（套管柱设计，钻杆柱设计）****职业技术学院学生毕业设计（论文）目录目录中文摘要 (Ⅰ)第1章前言 (2)1.1 课题背景及目的 (2)1.2 本文主要内容 (2)第2章钻井工程井身设计理论基础 (3)2.1 井身组合设计 (3)2.1.1 钻柱尺寸选择 (3)2.1.2 钻铤长度的确定 (3)2.1.3 钻杆柱强度设计 (4)2.2 水力参数设计 (5)2.2.1 钻井液循环系统压耗的计算 (5)2.2.2 确定最优排量和最优压耗的最佳水力路线 (5)2.3 下部防斜钻具设计 (5)2.3.1 井斜的原因分析 (5)2.3.2 满眼钻具控制井斜 (6)2.3.3 钟摆钻具控制井斜 (7)第3章生产实例 (8)3.1 井身设计概况 (8)3.2 地层位置预测及岩性 (8)3.3 技术指标及质量要求 (8)3.3.1 井身质量要求井下复杂情况提示 (8)3.3.2 地层可钻性分级及地层压力预测 (9)3.3.3 井身结构 (9)3.4 钻井主要设备 (9)3.5 钻具组合和强度设计 (9)3.6 计算过程 (9)第4章结论 (15)参考文献 (17)致谢 (18)****职业技术学院学生毕业设计（论文）第1章前言第1章前言1.1课题背景及目的钻井是石油、天然气勘探与开发的主要手段。

钻井工程质量的优劣和钻井速度的快慢，直接关系到钻井成本的高低，油田勘探开发的综合经济效益及石油工业发展速度。

钻井工程设计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，搞好单井预算和决算的唯一依据。

钻井设计的科学性、先进性关系到一口井作业的成败和效益。

科学钻井水平的提高，在一定程度上依靠钻井设计水平的提高。

搞好钻井工程设计也是提高技术管理和加强企业管理水平的一项重要措施，是钻井生产实现科学化管理的前提。

石油工业是国家的支柱产业之一．石油钻井是石油天然气勘探开发不可缺少和最直接的手段。

钻井是勘探的继续，开发的先导，钻井工程的费用约占勘探开发总投入的30-50%，石油钻井投资太、风险高，钻井工程设计是实施钻井工程的前提，而其中钻具组合和水力参数的设计极其重要，直接关系着施工的效益和成败，应该体现其科学性经济性综合性，要实现高水平的钻井工程设计，必须解决目前很多钻井工程技术人员仍然在使用纸和计算器的问题，多年来地质学家地球物理学家和石油物理学家已经把先进的计算能力应用于他们的专业领域，在钻井技术研究和工程设计领域中引入高级的计算技术包括人工智能技术是解决目前存在的问题的重要途径，智能钻井系统的研究是当前钻井与掘进技术的最新研究内容之一。

1.2 本文主要内容本文以钻井工程一口井井身结构设计理论为基础，介绍了钻井工程井身设计的全过程。

其中第2章讲述了钻柱组合设计，水力参数设计，下部防斜钻具设计，第3章结合理论基础介绍了在实际生产中的钻井工程设计及其计算方法等。

第2章钻井工程井身设计理论基础2.1 钻柱组合设计钻柱是钻头以上，水龙头以下部分的钢管柱的总称，它包括方钻杆，钻杆，钻铤，各种接头及稳定器等井下工具。

钻柱是钻井的重要工具，它是联通地下与地面的枢纽。

在转盘钻井时，靠它来传递破碎岩石锁需要的能量，给井底施加钻压，以及循环钻井液等。

在井下动力钻井时，井下动力钻具是用钻柱送到井底并靠它来承受反扭矩，同时钻头和动力钻具所需要的液体能量也是通过钻柱输送到井底的。

钻柱设计包括钻柱尺寸选择和强度设计量方面内容，在设计中一般遵循以下两个原则：第一：满足强度（抗拉强度，抗挤强度）要求，保证钻柱安全工作。

第二：尽量减轻整个钻柱的重力，以便在现有的抗负荷能力下钻更深的井。

2.1.1 钻柱尺寸选择具体对于一口井而言，钻柱尺寸的选择首先取决于钻头尺寸和钻机的提升能力。

同时，还要考虑每个地区的特点，如地质条件，井身结构，钻具供应以及防斜措施等。

选择的基本原则：a.方钻杆由于受到扭矩和拉力最大，在供应可能的情况下，应尽量选用大尺寸方钻杆。

b.在钻机提升能力允许的情况下，选择大尺寸钻杆是有利的。

因为大尺寸钻杆强度大，水眼大，钻井液流动阻力小。

且由于环空小，钻井液上返速度高，有利于携带岩屑。

入井的钻柱力求结构简单，以便于起下钻操作。

c.钻铤尺寸一般选用与钻杆接头外径相等或相近的尺寸，有时根据防斜措施来选择钻铤的直径，常用的钻头尺寸与钻柱尺寸配合列于下表2.1 供参考。

使用大直径钻铤具有下列优点：（1）可用较少的钻铤满足所需钻压的要求，可减少钻铤，从而减少起下钻时连接钻铤的时间（2）提高了钻头附近钻柱的刚度，有利于改善钻头工况；（3）钻铤和井壁的间隙较小，可减少连接部分的疲劳破坏；（4）有利于防斜。

2.1.2 钻铤长度的确定浮重原则：保证在最大钻压时钻杆不承受压缩载荷，即保持中性点始终处在钻铤上。

计算公式：Lc S W q K a n c b * / * cos max（2.1）式中： Lc 钻铤长度mWmax 设计的最大钻压，kN；Sn 安全系数，考虑附加力（动载、井壁摩擦力等）,防止中性点移动较弱的钻杆上，一般取1.15 ～1.25；qc 每米钻铤在空气中的重力，kN/m；Kb 浮力系数；井斜角，直井时， =0°2.1.3 钻杆柱强度设计a. 强度条件（1）钻杆在屈服强度下的抗拉载荷：钻杆材料的屈服强度所允许的最大抗拉载荷。

式中σy —钻杆钢材的最小屈服强度，MPa；Ap—钻杆的横截面积，cm2；Fy —最小屈服强度下的抗拉载荷，kN。

（2）钻杆的最大允许拉伸力Fp：Fp —钻杆的最大允许拉伸载荷，kN（3）钻杆的最大安全静拉力Fa：安全系数法（考虑起下钻时的动载及摩擦力）式中:St—安全系数，一般取1.30。

设计系数法（考虑卡瓦挤压）b. 钻杆柱强度设计按最大安全静拉力F a 设计钻杆柱的最大允许下深（长度）。

（1）单一钻杆柱设计强度条件: Fa Lqp Lcqc} Kb（2）复合钻杆柱设计（深井）思路：由下而上，所受拉伸载荷逐渐增大，强度应逐渐增大。

故由钻铤上面第一段钻杆开始，先选择强度较低的钻杆，确定其许用长度；再逐段向上选择强度更高的钻杆进行设计。

这样设计出来的钻杆柱，由下而上强度逐级增大以满足抗拉强度的要求。

（3）抗内压强度较核：不同尺寸、钢级和级别的钻杆的最小抗内压力可在API RP 7G标准中查得，用适当的安全系数去除它，即得其许用净内压力。

2.2 水力参数设计钻井液水力学的合理设计不仅有利于环空水力参数的优化，提高岩屑携带效率，而且可以通过优化钻头水眼的水力参数，发挥钻井液的高压射流作用，提高岩石破碎效率。

2.2.1钻井液循环系统压耗的计算循环系统压耗由地表管汇、钻具内、环空和钻头各部分组成。

目前考虑到实际钻探以及钻探工艺的结合，大多数石油、水文水井和岩心钻探采用了正循环工艺，而且大量地应用了牙轮钻头、4*5 钻头和金刚石钻头。

在这样的情况下，水力参数设计要充分考虑钻头水功率和钻头射流冲击力的影响。

为了最大程度地模拟井下情况，这里计算井身结构与钻具组合的真实数据，并利用计算机分析，将井段拆分为连续的部分，依次计算。

由于考虑到有些井段长度过大，为防止某些变径井段变化突兀，对于长井段，判断其长度并且将其划分为更小的单位2.2.2确定最优排量和最优压耗的最佳水力路线a. 水力功率b．水力冲击力c. 最小排量的确定2.3 下部防斜钻具设计2.3.1 井斜的原因分析a.地质因素最本质的导致井斜的原因是地层可钻性的不均匀性和地层的倾斜两个因素。

这种地层可钻性的不均匀性表现在许多方面，再与地层倾斜相结合，导致井眼倾斜。

（1）地层可钻性的各向异性，即地层可钻性在不同方向上的不均匀性。

（2）地层可钻性的纵向变化。

地层在沉积过程中，由于沉积环境的不同和变化，形成了沿垂直于地层层面方向可钻性的变化，俗称“软硬交错”。

（3）地层可钻性的横向变化。

地层可钻性不紧沿垂直于地层层面上有变化，而且在平行于地层层面方向也有变化。

从以上分析可知，地层可钻性的各种不均匀性和地层倾斜引起井斜的机理，最终体现在钻头对井底的不对称切削，使钻头轴线相对于井眼轴线发生倾斜，从而使新钻的井眼偏离原井眼。

b.钻具原因钻具导致井斜的主要因素是钻具的倾斜和弯曲。

影响最大的是靠经钻头的那部分钻具，称作“底部钻具组合”（bottom hole assembly，简称BHA），钻具的倾斜和弯曲将产生两个后果，一个是引起钻头倾斜，在井底形成不对称切削，新钻的井眼将不断的偏离井眼方向；二是使钻头受到侧向力的作用，迫使钻头进行侧向切削，这样也会使新的井眼不断的偏离原井眼方向。

而导致钻具的倾斜和弯曲的原因是第一由于钻具直径小于井眼直径，钻具和井眼之间有一定的间隙，所以钻具在井眼内的活动余地很大，这给钻具的倾斜和弯曲创造了空间条件。

其次由于钻压的作用，下部钻具受压后必将靠向井壁而倾斜。

当压力超过一定数值后，钻柱将发生弯曲。

弯曲钻柱将使靠近钻头的钻具倾斜更大。

还有当安装设备时。

天车，游车，转盘三点不在一条铅垂线上；钻盘安装不平从而引起钻具一开始就倾斜。

2.3.2 满眼钻具控制井斜满眼钻具的结构，是在靠近钻头大约20M长的钻铤上适当的安置扶正器，以此来达到放斜的目的。

所谓适当包括扶正器的数量，位置和直径。

这里介绍我国著名石油专家杨勋尧提出的满眼钻具组合，简称YXY组合。

A .yxy组合yxy组合一般包括四个扶正器，自下而上，分别为：(1)近头扶正器：紧装在钻头之上，简称近扶。

近扶直径较大，与钻头直径仅差1-2mm，在易斜的地区，近扶的长度可加长；在特易斜的地区可将两个扶正器串联起来，作为近扶。

近扶的主要作用，是依靠其支撑在尚未扩大的井壁上，抵抗钻头所受的侧向力，有效地防止钻头侧向切削。

(2)中扶正器：简称中扶或二扶。