第六屆石油工程設計大賽方案設計類鉆完井單項組

ChinedetitionChinedetitiongineering第六屆中國石油工程設計大賽方案設計類作品方案設計類鉆完井單項組作品簡介本次鉆完井設計研究目標區(qū)塊為3井、5井所在的半背斜斷塊油氣地質資料和測量資料，本設計完成了在該區(qū)塊的三口叢式井設計，提團隊以安全高效為原則，以區(qū)塊油藏地質資料為依據(jù)，遵照鉆完井相關設計規(guī)范手冊，設計包括井眼軌道設計、井身結構設計、鉆頭及鉆具組合設計、水力參數(shù)設計、鉆井液設計、套管強度設計、深水鉆井裝置及井控設計、固井設計和鉆井作業(yè)程序優(yōu)化設計等。針對目(1)井眼軌道設計采用3段式井眼軌道剖面，得到3口井的計算結果，繪制了井眼軌(2)井身結構設計計算了坍塌壓力當量鉆井液密度，得到了三壓力剖面圖，設計了滿足壓力約束條件的井身結構，繪制了井身結構示意圖。此外，井身結構滿足對淺層氣的預防以及目的層段凝析氣的控制。(3)鉆井液設計選擇了各井段鉆井液體系，確定了各井段鉆井液配置，針對儲層(4)鉆柱設計PDC鉆頭的型號；得到各井眼鉆具組合設計結果，鉆桿柱的設計結果。(5)固井與完井設計得到各層套管固井設計結果，確定了各層套管固井施工程序；確介紹了鉆前準備工作，確定了用半潛式鉆井平臺進行水下井口作(7)HSE要求 11.1編制步驟、原則與依據(jù) 11.2資料收集及深水鉆井設計 11.2.1資料收集 11.2.2深水鉆井設計 21.3設計依據(jù)的標準與規(guī)范 2第2章區(qū)域環(huán)境與地質概況 42.1地形條件 42.1.1區(qū)域地形 42.1.2風向和風速 52.2水文條件 5 62.2.2波浪 62.2.3海浪 62.2.4施工設計參數(shù) 7 72.3.1地質背景 72.3.2淺層地質災害分析 3.1遵循原則 3.2叢式井軌道設計應注意的要點 3.3井身剖面設計依據(jù) 3.4井眼軌跡設計基礎數(shù)據(jù) 3.4井眼軌跡設計基礎數(shù)據(jù) 3.5井眼軌跡設計 第4章井身結構設計 4.1井身結構設計原則 4.2深水井身結構特點 4.4井身結構設計方法 4.4.1深水導管下入深度確定方法 4.4.2深水鉆井表層套管下入深度設計方法 4.4.3深水鉆井套管層次及下深設計方法 4.6井身結構優(yōu)化設計 第5章鉆井液設計 5.1深水鉆井對鉆井液的要求 5.1.2易坍塌地層 5.1.3易漏地層 5.1.4深水鉆井液流變性控制 5.1.5深水鉆井液后勤保障 5.2選擇鉆井液體系的原則和方法 5.2.1根據(jù)目的層特性選擇鉆井液 5.2.2根據(jù)非目的層特性選擇鉆井液 5.3各井段鉆井液體系與主要性能 5.4各井段鉆井液配置與維護方法 5.4.1開鉆鉆井液體系 5.4.2正電膠鉆井液體系 5.4.3無黏土相儲層鉆開液體系(PRD) 5.5.1保護油氣層的鉆井液技術 5.5.2常規(guī)油氣層鉆井工藝技術 第6章套管強度設計 6.1套管強度設計的原則及要求 6.2套管強度設計方法 6.2.1有效外載荷計算 6.2.2套管強度校核 6.3套管強度校核 6.3.1選擇各層套管的材質、鋼級、壁厚和扣型 6.3.2有效外載荷計算 第7章鉆柱設計 7.1鉆頭設計 7.1.1選型原則和考慮因素 7.1.2地層硬度等級 7.1.3牙輪鉆頭選型 7.1.4金剛石鉆頭選型 7.2底部鉆具組合設計 7.2.1鉆鋌柱的設計 7.2.2定向儀器和工具的設計 7.3鉆桿柱設計 7.3.1鉆柱的設計與計算 7.3.2鉆柱的受力分析與強度計算 7.4方鉆桿設計 7.4.1方鉆桿的特性和選擇的原則 7.4.2方鉆桿使用注意事項 7.5井下四器 7.5.1震擊器的安放位置 7.5.2減振器的安放位置 7.5.3減振器的選用 7.5.4穩(wěn)定器 第8章水力參數(shù)設計 8.1水力參數(shù)設計的原則與內容 8.2水力參數(shù)設計方法 8.2.1雙約束條件下定流量水力參數(shù)設計方法 8.2.2優(yōu)選鉆井泵的缸套尺寸 8.2.3優(yōu)選泵型 8.2.4計算循環(huán)壓耗 8.2.5噴射鉆井的工作方式 8.2.6鉆頭水力參數(shù)計算 8.2.7噴嘴組合 8.3水力參數(shù)設計結果 9.1固井質量要求 9.2固井工藝設計 9.4水泥漿配方及性能 第10章井控設計 10.2深水井控的特點和難點 10.3關井方法的選擇 10.4壓井方法的選擇 10.6深水井控的幾個特殊問題 10.6.1壓井、阻流管線壓耗的測量 10.6.2防止阻流壓井管線的堵塞 10.6.3動態(tài)允許環(huán)空壓力 第11章完井設計 11.1完井方式 11.1.1完井方式選擇依據(jù) 11.1.2完井方式的選擇 11.2.1套管頭規(guī)范 11.2.2采油樹及油管規(guī)范 11.2.3完井要求 11.3定方位射孔工藝技術 第12章油氣層保護 12.1油氣層保護的重要性 12.2油氣層保護技術特點和原則 12.2.1油氣層保護技術特點 12.2.2油氣層保護原則 第13章經濟評價 13.1投資估算 13.1.1投資估算及經濟評價思路 13.1.2投資估算及經濟評價目的 13.1.3評價依據(jù)及原則 13.1.4投資估算 13.2經濟評價 13.2.1成本費用估算 13.2.2收入和稅金估算 13.3經濟評價結論 第14章健康安全環(huán)保 14.1健康、安全、環(huán)保要求 14.2關鍵崗位配置要求 14.3健康管理要求 14.4安全管理要求 14.4.1安全標志牌的要求(位置、標識等) 14.4.2設備的安全檢查與維護 14.4.3易燃易爆物品的管理要求 14.4.4平臺滅火器材和防火安全要求 14.5作業(yè)安全分析及應急計劃 14.6深水作業(yè)安全要點 14.6.3下部井眼作業(yè) 參考文獻 11.1編制步驟、原則與依據(jù)鉆井的目的是為了勘探和開發(fā)油氣資源或完成其他特殊的任務。設計必須符合國家及政府有關機構的法律法規(guī)要求，保證鉆井設計的合法性，體現(xiàn)健康、安全、環(huán)保、優(yōu)質、高效和經濟的原則。依據(jù)鉆完井“健康、安全、環(huán)?！惫芾眢w系、行業(yè)標準和企業(yè)標準等科學地編制設計并經過規(guī)定程序的審核和批準。因此，鉆井作業(yè)必須嚴格遵循和執(zhí)行鉆井設計。鉆井設計應體現(xiàn)安全第一的原則。大到井身結構，小到每一項作業(yè)程序，都要重視安全，把保障人身、環(huán)境、設備及井下安全的原則貫穿到整個設計中。對于重大作業(yè)和高風險作業(yè)，還應進行安全風險分析，并制定相應的安全措施和應急程序。開發(fā)井設計基本內容應包括：基本數(shù)據(jù)、地質油藏基本數(shù)據(jù)、叢式井設計、井身結構和套管設計、鉆頭設計、鉆具組合設計、鉆井液設計、固井設計、水力參數(shù)設計、摩阻扭矩計算、取心設計、資料錄取要求及測井計劃、井口裝置及試壓標準、地漏試驗、鉆井作業(yè)程序、工程質量要求、工程進度計劃、作業(yè)材料計在設計之前，負責鉆井設計的技術人員，應廣泛地收集以下主要資料：地質資料：地理位置、水深、地質構造情況、地層分層及巖性、地層特點、油藏及儲層特征、流體性質、地層壓力梯度、地溫梯度、地質風險提示等。地質要求：井深、井位坐標、目的層深度、靶點坐標、完鉆原則、地層評價計劃及取資料要求、完井方法、油層套管尺寸、人工井底口袋長度。井場調查資料：水深測量、海底地貌測量、土壤物理和力學性質、淺氣層深度及厚度、水文和氣象資料、海底地貌及障礙物等。應在鉆井船拖航前45天完成井場調查。鄰井地質資料：地質日報，地質完井報告，地質綜合錄井圖，測井資料、測試日報，測試完井報告等。鄰井鉆井資料：鉆井日志、地層壓力及破裂壓力、井身結構及套管程序、鉆井液體系及密度、固井施工情況、鉆頭使用情況、鉆具組合及井眼軌跡、井下事故及復雜情況的原因和處理情況、作業(yè)總結及建議等。2由于本次賽題所需設計設計的區(qū)塊屬于深海鉆井設計，下面就深海鉆井所需要注意的基本原則、編制的程序和設計的主要內容進行概述。深水鉆井設計所遵循的基本原則、編制的程序和設計的主要內容正如陸地鉆井的多數(shù)情況一樣。但是，在進行深水鉆井設計時，應特別考慮深水鉆井作業(yè)的特點和難點。除需要對鄰井資料分析設計與陸地基本類似之外，還需注意以下幾(1)地質設計地質設計是鉆井設計最主要的依據(jù)。深水鉆井技術為當今的前沿技術，由于其作業(yè)的特殊性、高難度及高投入，為充分準備，在接到正式的地質基本設計后，應進行專題研究。地質基本設計應提供鉆井所需的地質信息及鉆井地質風險提示，包括但不限于：地質目的、地層描述、分層深度、地溫梯度、三壓力曲線(孔隙壓力/破裂壓力/上覆巖層壓力)、工程地質風險提示以及地質評價要求等。(2)海洋環(huán)境資料設計前期要考慮與深水鉆井作業(yè)相關的海洋環(huán)境因素，這些因素包括水深、海水溫度、氣象、海況(風、浪、流)、自然災害、生態(tài)系統(tǒng)、海底危害和環(huán)保要求等，還要考慮井場附近的海上設施、海管、海底電纜等。(3)淺層鉆井地質災害資料作業(yè)區(qū)域的淺層氣、淺層流、水合物、海底河道、斷層、泥火山等資料是進行鉆井設計必須考慮的因素。作業(yè)前必須對淺層的這些鉆井地質災害進行充分的研究和風險評估，要根據(jù)淺層的地質災害信息設計井場調查方案。1.3設計依據(jù)的標準與規(guī)范第1章總論3(21)《含硫油氣井鉆井井控配套、安裝和使用規(guī)范》(22)《鉆井完井交接驗收規(guī)則》SY/T5678-2003;(24)《石油天然氣鉆井健康、安全與環(huán)境管理體系指南》SY/T6283-1997;第2章區(qū)域環(huán)境與地質概況4第2章區(qū)域環(huán)境與地質概況2.1地形條件本次設計方案研究目標區(qū)塊為一具有復雜斷層的半背斜斷塊油氣藏。工區(qū)面積約5.5km2,東西寬約1858m,南北長約2980m。構造區(qū)距離最近港口油庫為120海里，區(qū)域水深1350～1525m。區(qū)域地形示意圖見圖2.1,區(qū)塊海域等高線示意圖見圖2.2,工區(qū)邊界坐標詳見表2.1。試探井礁石圖2.1海區(qū)地形示意圖第2章區(qū)域環(huán)境與地質概況5圖2.2區(qū)塊海域等高線圖表2.1工區(qū)邊界坐標XY2484703.12481723.52481723.52484703.12.1.2風向和風速經統(tǒng)計，該海域主導風向為NE,次主風向S。圖2.3全年風玫瑰第2章區(qū)域環(huán)境與地質概況6海區(qū)表層及近底層水溫參數(shù)可參見表2.2。表2.2水溫參數(shù)位置最高水溫(℃)最低表層水溫近底層水溫(1500m深度)由于該海域海浪以風浪為主，常浪向與主風向具有較強的一致性，該海域的主浪向為NE,次主浪向為S,浪玫瑰見圖2.6。圖2.4全年波浪玫瑰圖經統(tǒng)計，該海域主流向為WNW,流玫瑰見圖2.5。第2章區(qū)域環(huán)境與地質概況7圖2.5全年海流玫瑰圖(表層)圖2.6海區(qū)臺風條件下波高譜峰周期曲線A油田自上而下揭示的地層層系包括：第四系A組，新近系B1組、B2組，古8第2章區(qū)域環(huán)境與地質概況地屜出性具景瓊敬素生異新近京厚層泥巖為主，來商園好灰色源巖、粉砂戀泥巖夾灰色泥質粉砂巖，高古近系統(tǒng)綠水益泥卷與減水品泥度密砂巖、粉砂老不等可五及且事報極灰應泥進巨事陽極決。深農動泥擊貞剪三深夫次貞剪三深夫次業(yè)系題來功題來功具人份流老常正不始款統(tǒng)1精的壞思指非形黷泥：忍共巖泥見黷巖的巖沉云文上情淺地泥爭淺的…下畏和指官謂患不的加沖相前出根，市過的麟移和指官謂患不的加沖相前出根，市過的麟移安：白第灰官泥國未下臣期見泥色與巖圖2.7A油田地層綜合柱狀圖區(qū)域上將C2組細分為四段，本油田主要鉆遇CPEDC1、CPEDC2、CPEDC3段。其中CPEDC3段又細分為上、中、下三個亞段。CPEDC1段：地層厚度60.5～157.0m,以褐灰色泥巖為主，夾灰質頁巖，局部見薄層泥質白云巖，為一套特殊巖性段。第2章區(qū)域環(huán)境與地質概況9CPEDC2段：地層厚度41.5～115.0m,上部為褐灰色泥巖夾粉砂巖；下部灰色泥巖與淺灰色細砂巖、含礫中粗砂巖不等厚互層。段(未穿):油田范圍內CPEDC3上段地層缺失。CPEDC3中段鉆井揭示的地層厚度204.5～746.5m,巖性以巨厚層淺灰色、褐灰色泥巖為主，在泥巖中部發(fā)育一套單井厚度18.5～166.5m的儲層，為本油田的主要含油層系。CPEDC3下段為紅褐色泥巖與白灰色灰質粉砂巖不等厚互層。段為中孔中滲儲層，孔隙度分布范圍4.5-40.1%,平均值22.5%,滲透率分布范圍0.1-1687.8mD,平均值為267.9mD,儲層毛管壓力曲線以粗歪度為主，排驅壓力0.013～0.298MPa,飽和度中值壓力0.112-2.433MPa,平均孔喉半CPEDC3段為中孔中滲儲層，孔隙度分布范圍9.8-34.8%,平均值為21.3%,滲透率分布范圍0.2-3535.1mD,平均值382.3mD,儲層毛管壓力曲線以中-粗歪度為主，排驅壓力0.013-0.997MPa,飽和度中值壓力0.098-15.529MPa,平均孔喉該油田CPEDC3段儲層巖性以細砂巖、含礫中粗砂巖為主，巖礦物成分主要為石英、長石、巖屑，粘土礦物以高嶺石和伊/蒙混層為主，其次為伊利石和綠泥CPEDC2段儲層巖性以細砂巖、含礫中粗砂巖為主，礦物成分主要為石英、長石、巖屑，分選中等，粘土礦物以高嶺石和伊/蒙混層為主，其次為伊利石和綠泥地溫梯度：3.6℃/100m;海底溫度：2~3.5℃;地層溫度：預測主要目的層溫度為76℃~84℃,井底溫度約為86℃該油田油藏地層流體井流組分包括：甲烷、辛烷、壬烷、癸烷、二氧化碳等，加之低溫條件，要注意考慮水合物的預防。測試井段3608.00～3640.00m地層流體類型為黑油，地層油粘度(79.8℃,35.93MPa)為1.28mPa·s,地層油體積系數(shù)(79.8℃,35.93MPa)為1.2293,氣油比(閃蒸氣/閃蒸油)為66.3m3/m3。度中等偏強，中等偏強酸敏，無堿敏現(xiàn)象，屬弱應力敏感。圖2.8CPEDC3段3井-5井連線儲層剖面圖本區(qū)塊海底200m處可能存在淺層氣，對于埋藏在深水海底淺層的高壓淺層第3章井眼軌道設計(1)平臺位置優(yōu)選1)現(xiàn)有設備能力和工藝技術必須滿足叢式井作業(yè)要求。2)考慮潛力區(qū)并兼顧周邊油田開發(fā)。3)考慮依托周邊已有工程設施，如海管及附近可利用的生產設施。4)盡量避開古河道、埋積谷等易發(fā)生復雜地質災害的區(qū)域。6)考慮復雜地層，如淺層氣和斷層的因素影響。7)盡可能避免繞障作業(yè)。(2)造斜點和造斜率1)推薦相鄰井的造斜點深度錯開30m以上，防止井眼間竄通和磁干擾。2)位移小的井，選擇深造斜點；位移較大的井，選擇淺造斜點。3)如最大井斜角超過采油工藝或常規(guī)測井的限制或要求，應嘗試提高造斜點根據(jù)區(qū)塊地質情況及開發(fā)需求，本區(qū)塊采用叢式井開發(fā)，每個鉆井井場鉆3(1)造斜點選擇在比較穩(wěn)定、可鉆性較好的地層；(2)井組中相鄰兩井的造斜點錯開50m以上；(3)井組中，鄰井之間的直井段盡可能短；(4)同排井口距一般取2.5~5m,井排距不小于30m。采油工藝的要求，多數(shù)設計成S形井眼。為(2)應盡可能利用地層的造斜規(guī)律。利用地層的造斜規(guī)段鉆進時間長，導致穩(wěn)斜段短，會造成方位調整回旋余地小的問題。(式3.1)式中K--最大井眼曲率限制數(shù)值，度/100m;(式3.2)σ=1.797×108DcKm(式3.3)②選擇易鉆的井眼形狀。在滿足工藝以及設計要求的前提下，盡可能縮短井眼長度，因為井身短則可能鉆井時間短。但也要注意井身短往往施工難度較大。如下圖，虛線所示的井身較短，但長段的穩(wěn)斜是很困難的；而按實線所示井身雖長，施工卻容易。實線所示的剖面是在增斜時多增幾度，然后穩(wěn)斜鉆進，在穩(wěn)斜過程中自然緩慢降斜。把這種穩(wěn)斜稱作“緩降穩(wěn)斜”。(a)圖3.1穩(wěn)斜示意圖第3章井眼軌道設計③選擇恰當?shù)脑煨秉c。造斜點應選在比較穩(wěn)定的地層，巖石硬度不太高，不能有易坍塌、易膨脹的地層，也不能有其它復雜地層。在叢式鉆井中，相鄰井不要在同一深度處造斜，造斜點應上下錯開，以免井眼相交。3.4井眼軌跡設計基礎數(shù)據(jù)3.4井眼軌跡設計基礎數(shù)據(jù)本設計的叢式井組井型為定向井，目的層為新生界始新統(tǒng)CPEDC3段含油層，巖性以巨厚層淺灰色、褐灰色泥巖為主，在泥巖中部發(fā)育一套單井厚度18.5-166.5m的儲層。由于地層上部有砂粒以及疑似淺層氣，在此位置段不適合選取造斜點，所以取靶點A的造斜點垂深D,=2700m,取B靶點的造斜點垂深Do,=2730m,C靶點造斜點垂深D。=2760m,井口坐標以及靶點坐標見表1。表3.1井眼軌跡設計基礎數(shù)據(jù)XYZ(深度)井口坐標0靶點A靶點B靶點C根據(jù)上述設計原則，采用三段式井眼軌道設計方法進行軌道設計，取三口井造斜段的造斜率K=3°/30m,以井口為坐標原點建立北(N)東(E)坐標以及井深的坐標系。計算可得各靶點相對于井口的坐標值如下表：表3.2井眼軌道相對坐標值XY閉合方位角井眼坐標0000根據(jù)上述坐標值作圖，可得到井口和三個靶點在水平面上的投影圖，如下：第3章井眼軌道設計圖3.2靶點位置水平投影示意圖井眼和靶點Y坐標井眼和靶點X坐標圖3.3靶點位置示意圖三段式井眼軌道設計所需關鍵參數(shù)為穩(wěn)斜段井斜角α,和穩(wěn)斜段長度△D,。按R?=R?=1719/Kc(式3.8)其中，D,---目標點或目標段入口點的垂深，m;造斜段的曲率半徑：圖3.4A井軌道圖第3章井眼軌道設計Plan.A(WelR2Webore#t)圖3.5A井垂直剖面圖Pian:AWull#2Wesbore#1)圖3.6A井水平投影圖靶點B計算：靶點B的垂深D,=3675m,所以求得D:D。=D,-D=3675-2730=945m靶點A的水平位移S,:將上述結果代入公式(式3.7)(式3.8)計算得：第3章井眼軌道設計圖3.8B井垂直剖面圖圖3.9B井水平投影圖R=R?=1719/K=1719/3=573m靶點B的垂深D,=3655m,所以求得D:D。=D,-D=3655-2760=895m靶點A的水平位移S,:將上述結果代入公式(式3.7)(式3.8)計算得：圖3.10C井軌道圖第3章井眼軌道設計圖3.11C井垂直剖面圖Plan:Desion#tfWellN2Welbore#t圖3.12C井水平投影圖landmark作圖，可得到如下井眼軌道圖：第4章井身結構設計設計井深，還要保證在海床面上，安全穩(wěn)定地支撐住重981kN(100t)以上的水下防噴器系統(tǒng)，或在水面以上20米左右，支撐住約重294kN(30t)的地面全套井口1)滿足勘探和開發(fā)要求①對于探井，井身結構設計應滿足地質取資料要求(如：取心、測井、測試和加深等),考慮探井作業(yè)的不確定性，應盡量預留一層技術套管。護油氣層，可考慮必要時增加一層技術套管。2)壓力平衡原則深確定原則是：保證下部井段鉆進、起下鉆及壓井作業(yè)中不壓裂套管鞋處裸露地3)安全作業(yè)原則深水井身結構設計應充分考慮地層壓力窗口和潛在的鉆井地質風險，井口的工作壓力、套管層次、軸向的承載能力、抗彎能力、可靠1)深水鉆井投資巨大，為保證勘探開發(fā)的經濟效益及考慮完井或測試設備的4)淺層地質災害的處理措施十分有限，不能完全通過增加套管層次來處理淺層復雜情況。開眼循環(huán)鉆進井段不能采用長時間調整鉆井液5)廣泛應用隨鉆擴眼。深水井尤其是探井普遍使用隨鉆擴眼方式，其中一部6)深水鉆井套管下入層次及深度確定普遍采用自上而下的設計方法。由于深如圖4.1,在一般情況下為五層套管：導管(隔水導管)、表層套管、兩層中(1)導管(隔水導管)也稱表層導管，主要用作建立井口、支撐井口和防噴1)隔水導管串設計要求第4章井身結構設計其下入海床一下的深度，根據(jù)地層破裂強度確定，只要能建立起循環(huán)而不壓裂地層即可，一般為30-60米。經驗證明，浮式鉆井裝置使用外徑762毫米(30英寸)、內徑711.2毫米(28英寸)、鋼級為X52或B級的套管作表層導管，是保證水下防噴器組安全穩(wěn)定的關鍵。固定式鉆井裝置作業(yè)時，把導管稱為隔水導管，一般情況下，必須使用762毫米(30英寸)套管作隔水導管，只有井口防噴組較簡單、重量輕、上下扶正支撐又比較好、以及水淺的情況下，可考慮用508毫米(20英寸)套管作隔水導管。(2)表層套管主要用于封住表層的疏松地層，建立起井口控制系統(tǒng)。常用508毫米(20in)套管作表層套管，下入深度一般在500米左右，有時也用339.73毫米(13%in)套管作表層套管。(3)中間套管也稱技術套管，主要用于封住復雜地層，保證井眼安全順利鉆達設計深度，常用339.73毫米和244.48毫米(9%in)套管作中間套管。(4)油氣層套管或尾管。油氣層套管常用244.48毫米和177.8毫米(7英寸)套管，油氣層尾管常用177.8毫米和114.3毫米(4%in)套管。密度窗口狹窄的情況下，并且在淺層有淺層水流或淺層氣，一般復雜情況下需要下入7～9層套管。另外，由于地質條件復雜，需要下入的套管層次更多。如圖為較常使用的復雜套管層次。φ660.4mm套管φ457.2mm井眼φ419.1mm井眼或φ374.6mm井眼擴眼至φ431.8mmφ2159mm井眼或φ215.9mm井眼擴眼至φ250.8mmφ660.4mm井眼中558.8mm井眼或φ457.2mm井眼φ177.8或φ193.7mm套管0346.1mm套管Kφ2445mm套管(B)(b)φ508.0mm套管φ346.1mm套管4269.9mm井眼擴眼至φ311.1mm—φ215.9mm井眼或φ215.9mm井眼φ419.1mm井眼或φ374.6mm井眼φ346.1mm套管+660.4mm套管圖4.2復雜地質條件下典型套管層次示意圖4.4井身結構設計方法4.4.1深水導管下入深度確定方法(1)導管下入工藝目前世界多數(shù)深水區(qū)域鉆井普遍采用噴射下導管工藝，其底部鉆具組合及工藝過程如下圖所示。由圖可知，底部鉆具組合主要由鉆桿、鉆鋌、穩(wěn)定器、MWD及動力鉆具等組成，且鉆頭稍微露出導管外面一部分；噴射流體從導管內上返，在井口及其下入工具的開口返出，其井眼尺寸要小于導管尺寸，導管將在自重及鉆壓作用下擠入地層，從而使導管管壁和地層之間的摩擦阻力盡量不受擾動。(2)導管下入深度確定方法國外分別對深水鉆井導管噴射下入過程中的受力進行了研究，初步形成了通過分析導管承載能力確定導管下入深度的思想。國內在上述基礎上，建立了井口力學穩(wěn)定性和管柱承載能力分析理論，重點考慮時間效應對導管承載力的影響，提出了深水鉆井導管下入深度確定方法，并給出了確定導管下深的必要條件，即為了防止導管下陷且不下入過量，導管承擔的總載荷應小于且接近于導管在被擾動后一定恢(式4.1)E?<Q?-Qu<E(式4.1)ε--合理的安全余量上限值，kN;Q,--t時刻導管的實時承載力，kN;Q.--導管承擔的總載荷，kN。其求解流程如圖所示：導管、噴射導管、噴射工具等數(shù)據(jù)得到導管側阻力和端阻力剖面計算1時刻導管的實時承載力Q是得到合理的導管下入深度假設導管下入深度x計算導管需要淺部地層的取樣數(shù)據(jù)圖4.3導管下入深度求解流程4.4.2深水鉆井表層套管下入深度設計方法深水鉆井表層套管井段為開眼循環(huán)鉆進，以海水為鉆井液，配合使用高黏劑清洗井眼。通過對大量深水井井身結構設計資料的調研和統(tǒng)計可知，目前深水鉆井表層套管(508.0mm)的下深的確定依據(jù)主要包括：1)依據(jù)地層孔隙壓力剖面，表層套管的理論下深可到達地層孔隙壓力梯度出現(xiàn)2)根據(jù)地層巖性和構造性質，表層套管的下深為地質必封點處；3)對于探井，表層套管的下深不超過泥線以下800m,目前多數(shù)深水井的表層套管下深為泥線以下500～800m。國外曾提出依據(jù)地層壓力當量密度與鉆井液密度的差值及巖性確定508.8mm表層套管下入深度的方法，但該方法經驗性較強。國內部分學者在此基礎上提出了表層套管下入深度極限的計算方法，即使用加重鉆井液開眼循環(huán)鉆進的方法，可增加表層套管下深，但其下入深度理論上受4個條件的限制：1)受鉆井平臺(船)鉆井液池容積和處理能力的限制；2)受地層破裂壓力的限制；4)受表層套管下深的經驗極限深度(800m)的限制。井液密度上限約束條件中增加了深水增量pw,則防漏失鉆井液密度上限約束條件p≤p(p;)-pa-Pr-P?(式4.2)第4章井身結構設計p,--地層破裂壓力當量密度的安全增量，kg/L;p--深水鉆井液密度安全增量，kg/L根據(jù)上述相關設計系數(shù)的分布和鉆井液密度約束條件，即可建立具有可信度信息的鉆井液安全密度窗口剖面。3)套管層次及下入深度方案的確定。根據(jù)不同可信度的鉆井液安全密度窗口可往往不能過于保守地選擇可靠度最高的設計方案，通過建立風險評判模型對多個設計方案進行風險評價，優(yōu)選出套管層次和風險值在接受范圍內的設計方案作為優(yōu)選推薦方案。鉆井液密度約束準則鉆井液密度約束準則含可信度信息的安全鉆井液密度窗口的建立約束條件設計系數(shù)分布的求取或設定考慮深水鉆井鉆井液液密度的變化井身結構設計方案的制定(多套)井身結構設計優(yōu)化推薦方案的確定基礎資料的獲取(地震、鄰井測井資料)地層壓力預測模型的選取模型參數(shù)數(shù)值概率分布統(tǒng)計或設定可信度的定義及其數(shù)值與概率分布的轉換關系含可信度信息的地層壓力剖面的確立圖4.4壓力信息不確定條件下的井身結構設計方法4.5井壁穩(wěn)定性分析井壁不穩(wěn)定分為兩種情況：一是井壁坍塌，從力學的角度來說，造成井壁坍塌的原由主要由于井內液柱壓力較低，使得井壁周圍巖石所受應力超過巖石本身的強度而產生剪切破壞所造成。此時，對于脆性地層會產生坍塌掉塊，井徑擴大，而對塑性地層，則向井眼內產生塑性變形，造成縮徑；二是地層破裂，從力學上說，地層破裂是由于井內泥漿密度過大使巖石所受的周向應力超過巖石的抗拉強本節(jié)通過井壁穩(wěn)定性數(shù)學模型，對井壁穩(wěn)定性的影響因素進行分析，得出適合本區(qū)塊鉆井的最佳井斜方位。表賽題里給出的5號探井的地層數(shù)據(jù)，賽題之外數(shù)據(jù)通過相關文獻資料計算得出。井深(m)4335地層壓力(MPa)水平最大主應力(MPa)77.783水平最小主應力(MPa)62.39上覆巖石壓力(MPa)92.612有效應力系數(shù)泊松比地層孔隙度(%)4.87巖石內摩擦角(°)巖石內聚力(MPa)關于井壁坍塌壓力當量密度的計算，石油工庫倫強度準則，參考《鉆井與完井工程》,采用下式計算井壁未定的鉆井液當量(式4.3)第4章井身結構設計從題中所給的數(shù)據(jù)可以得到地層破裂壓力的變化曲線，從曲線中可以看出在2300m到2800m左右地層破裂壓力出現(xiàn)異常。在井段的套管應該直接穿過，在套管鞋處必須設為必封點。深度(m)圖4.6破裂壓力隨深度變化圖井身結構設計六個基礎參數(shù)可用當量密度表示，按以下范圍選?。?1)抽汲壓力允許值(S。):一般取0.02～0.04g/cm3,或根據(jù)設計鉆井液性能和鉆具組合及操作參數(shù)計算。(2)激動壓力允許值(Sg):一般取Sg=0.02～0.04g/cm3,或根據(jù)設計鉆井液性能和鉆具組合及操作參數(shù)計算。(3)地層壓裂安全增值(S):為防止預測的地層破裂壓力偏低而定的安全(4)井涌條件壓力允許值(Sk):該值衡量井涌的大小，一般取Sk=0.05~0.10g/cm3;當使用軟件計算時，也可通過設定的井涌溢流量和井涌深度計算井涌條件允許值。(5)正常壓差允許值(△pn):鉆井液液柱壓力與地層孔隙壓力的最大壓差允許值，壓差過大則容易造成壓差卡鉆，特別是卡套管，使施工無法正常進行。正常壓力井段一般取?！鱬n<12MPa。(6)異常壓差允許值(△pa):在異常壓力井段，取△p?<15MPa。表4.2井身結構設計結果套管名稱井眼尺寸(in)套管尺寸(in)泥線以下套管下深(m)導管表層套管技術套管生產套管8么72300(2305或2325)26in井眼×40m171/2in井眼x310m第4章井身結構設計26in井眼×40m171/2in井眼x310m95/8in技術套管×1960m121/4in井眼x2000m7in生產套管×2305m圖4.8B井井身結構設計圖第5章鉆井液設計1)長隔水管段低速情況下的懸浮和攜巖能力；2)能夠有效抑制氣體水合物的形成；3)適應海底低溫和井底溫度之間較大的溫差環(huán)境，要求在低溫下具有良好的銨鹽類)和聚合物類(如聚N-乙烯基吡咯烷酮等)。(1)對于因地層應力不平衡所引起的坍塌地層，鉆井液密度應大于地層的坍(2)易坍塌地層鉆井，鉆井液的黏度、切力不能過低，返速不能過高，以免(4)水敏性強的地層鉆井，鉆井液的高溫高壓濾失量應控制在12mL之內。(5)對脆性頁巖及微裂縫發(fā)育塌層，應添加封堵材料，對微裂縫起到封閉縫(6)使用抑制性強的鉆井液體系。(7)若地層復雜，水基鉆井液不能解決問題，可使用活度值平衡的油基鉆井(1)盡可能使用平衡地層壓力的鉆井液密度。(2)鉆井液具有強的封堵性能，可提高地層承壓能力。(3)鉆井液具有良好流變性，獲得較低的循環(huán)當量密度。(4)針對漏層性質選用相應堵漏措施。在可能的情況下，最好把漏層鉆穿后環(huán)困難。通過對鉆井液體系的流變性進行全溫度段和全壓力范圍壓井的材料備用，作業(yè)中又極易發(fā)生井漏，因此，應對鉆井裝置、5.2選擇鉆井液體系的原則和方法層的傷害。鉆井液的選擇應注意鉆井液材料、(1)速度敏感性儲集層。應選用高溫高壓濾失量低的鉆井液，使進入儲層的(2)水敏感性儲集層。首選不濾失水的油基鉆井液或氣體鉆井液，其次可采(3)酸敏感性儲集層。鉆井液中不應加入酸溶性的處理劑或加重劑，而要使(4)化學敏感性儲集層。選用與地層水相匹配的鉆井液體系，當?shù)貙铀?5)物理敏感性儲集層。物理敏感性儲集層指的是那些容易引起儲集層潤濕(1)高壓水層1)掌握高壓水層的地層壓力系數(shù)，確定合適的鉆井液密度，防止地層水侵入污2)根據(jù)水質，采用可抗相應鹽污染的鉆井液類型。3)加強鉆井液的封堵性和提高薄弱地層的承壓能力。(2)鹽膏地層1)若屬薄層或夾層鹽膏，可以選用抗鹽膏的鉆井液處理劑來維護所需鉆井液性2)若屬厚或較純的鹽層，選用飽和鹽水鉆井液，并根據(jù)井溫選擇加入適量的鹽3)若屬厚雜鹽層，應分析鹽的種類及含量，采用與地層鹽類相同的飽和鹽水鉆4)若屬純石膏層，可選用石膏鉆井液。5)為了防止井眼的塑性變形，應盡可能提高鉆井液密度，以防止縮徑和卡鉆事(3)易坍塌地層1)對于因地層應力不平衡所引起的坍塌地層，鉆井液密度應大于地層的坍塌壓2)易坍塌地層鉆井，鉆井液的黏度、切力不能過低，返速不能過高，以免形成3)鉆井液的膠凝強度不能過大，以免造成起下鉆及開泵時壓力激動。第5章鉆井液設計4)水敏性強的地層鉆井，鉆井液的高溫高壓濾失量應控制在12cm3之內。5)對脆性頁巖及微裂縫發(fā)育塌層，應添加封堵材料，對微裂縫起到封閉縫作用，減少濾液進入塌層。6)使用抑制性強的鉆井液體系7)若地層復雜，水基鉆井液不能解決問題，可使用活度值平衡的油基鉆井液。(4)易發(fā)生壓差卡鉆地層易發(fā)生壓差卡鉆的地層，主要是高滲透性地層，如粗砂巖等，易形成較厚的泥餅。對鉆井液的要求如下：1)鉆井液具有好的流變性能和泥餅質量，泥餅薄而韌。2)降低鉆井液液柱壓力與地層孔隙壓力的壓差是防卡的最有效措施。3)鉆井液固相含量盡可能降低，特別是有害低密度固相不要超過5%(體積比)。4)根據(jù)鉆井液類型，選擇添加有效的潤滑劑。5)儲備必要數(shù)量的解卡劑，一旦發(fā)生壓差卡鉆，及時進行浸泡解卡。(5)易漏地層1)盡可能使用平衡地層壓力的鉆井液密度。2)鉆井液具有強的封堵性能，可提高地層承壓能力。3)鉆井液具有良好流變性，獲得較低的循環(huán)當量密度。4)針對漏層性質選用相應堵漏措施。在可能的情況下，最好把漏層鉆穿后再采5)儲備必要數(shù)量的堵漏材料，一旦發(fā)生漏失進行及時處理。5.3各井段鉆井液體系與主要性能表5.1各井段鉆井液體系與主要性能井眼尺寸井段，m泥線以下501476～1626鉆井液體系開鉆鉆井液體系正電膠鉆井液體系正電膠鉆井液體系無黏土相儲層鉆開液體系密度，g/cm3漏斗粘度s/qt005.4各井段鉆井液配置與維護方法(1)預水化膨潤土漿的配制方法1)當使用的水含鹽量不大于3000mg/L,總硬度為300～500mg/L時，用純堿按2)當使用的水含鹽量大于3000mg/L,總硬度大于500mg/L時，應先用0.40~土粉(水的硬度越高，土粉加量越大),攪拌后充分水化6h以上，最好達10h。Na?CO?1~(3)維護方法1)維持屈服值(單位取“Pa”)等于或大于塑性黏度值(單位取“mPa·s”)的一3)按1.5~3kg/m3的加量將石灰加入預水化膨潤土中提高漏斗黏度至80~4)如果使用抗鹽土，要保證足夠的剪切攪拌以便造漿。(1)基本配方Na?CO?(2)維護方法1)正電膠體系用天然鈉膨潤土配漿效果最好，其他膨潤土配制的鉆井液，其3)加入的海水需先用Na?CO?和NaOH軟化，然后再用于配漿。4)體系中總的膨潤土含量應控制在6%以下，因此配漿時可根據(jù)需要調節(jié)預水5)體系中不能用帶有強陰離子基團的大分子聚合物作增黏劑，可用XC生物聚6)加入0.5%～1%的潤滑劑提高體系的潤滑性，大斜度井和水平井中潤滑劑加量提高至2%～3%。7)體系中加入任何處理劑都將使MMH-膨潤土-水復合體的獨特流變性損失一8)在本體系中，瀝青類處理劑用于提高體系的防塌性能，加量1%～2%。9)向體系中補加MMH時應先配制成水溶液再緩慢加進循環(huán)體系中。11)本體系密度有一定的限制，高密度(>1.50g/cm3)時體系不穩(wěn)定。12)用于其他水基鉆井液體系的稀釋劑，也可用在本體系中控制流變性。13)進入儲層前體系中加PF-BPA和超細碳酸鈣等橋堵劑可大大提高對儲層的(1)基本配方NaOHNa?CO?2~3kg/m3(2)維護方法3)加入PF-JLX增強鉆井液的抑制性和潤滑性。4)加入潤滑劑PF-LUBE,保證鉆井液具有良好的潤滑性能。6)裸眼完井時，根據(jù)需要進行破膠處理。5.5儲層保護措施由給定的油層五敏實驗數(shù)據(jù)可知，儲層具有無速敏、中等偏強的水敏、中等偏強酸敏、無堿敏、弱應力敏感等特點，故需要針對儲層的水敏性、酸敏性進行(1)預防儲層內粘土水化膨脹的措施是減少入井流體的濾失量，提高濾液的1)減少粘土表面的負電性，這類防膨劑包括鹽(如KCl、NH、C1)、陽離子2)防膨劑與粘土表面的羥基作用，使粘土變成親油表面或將晶層聯(lián)接起來，3)轉變粘土礦物類型，將膨脹型粘土礦物轉變?yōu)榉桥蛎浶偷钠渌V物。在一(2)預防流體不配伍性的最好方法是，入井前對入井流體進行配伍性試驗，對于常規(guī)油氣層，其現(xiàn)場鉆井過程中所實施的鉆井工藝技術也是實現(xiàn)油氣層保護(1)鉆開油氣層前應對設備全面檢查和維修，確保其處于良好的工作狀態(tài)；(2)鉆進至預測的油氣層前50～100m,應考慮增加一趟起下，保證上部井段(3)鉆進至預測的油氣層前50～100m,應調整好鉆井液性能，加足鉆井液儲(5)應提前采取防漏堵漏措施，特別是防止發(fā)生地層誘導性漏失，提高地層(6)應控制油氣層段的起下鉆和下套管的速度，盡量減小和控制由此引起的(7)提高測井成功率，縮短油氣層裸眼浸泡時間；(8)提高固井水泥漿與鉆井液的配伍性，在保證作業(yè)安全的前提下，適當降(9)優(yōu)化固井作業(yè)參數(shù)，確保固井過程中不壓漏地層，提高固井一次成功率第6章套管強度設計據(jù)對套管服役的全壽命周期內可以預見的各種載荷，在滿足安全可靠各種工況和載荷條件，即套管柱在整個使用期內，其任一點的強度均應大于(1)油氣井套管柱設計包括進行強度、密封和耐腐蝕設計；(2)在進行套管柱強度設計時，生產套管和尾管抗內壓設計除滿足井口最大壓力外，還應考慮滿足后期措施的壓力增加值(如壓裂等增產措施)及測試要求；中間技術套管抗內壓強度設計應考慮下次開鉆相關作業(yè)要求(如鉆遇高壓層等);(3)氣舉油井的底封隔器以上井段、高壓井和氣井的生產套管應使用氣密封(4)對于地層滑移、鹽巖層、軟泥巖等塑性蠕動地層、泥巖膨脹、含腐蝕流體地層(硫化氫、二氧化碳、高礦化度水層等)等特殊條件，應在套管鋼級、壁(5)對于高溫井和熱采井套管設計中應考慮溫度應力和對套管強度的影響。(6)在滿足安全和油井壽命的前提下，優(yōu)化套管組合，降低鉆井作業(yè)成本。(1)有效內壓力1)油井表層套管和技術套管：P=0.00981phP=P-0.00981P2)油井生產套管和生產尾管：P=G,H,Pon=G,H?+0.00981p,hP=Pn-0.00981P(式6.6)(2)有效外壓力1)表層套管和技術套管：(式6.7)(式6.7)式中式中k--掏空系數(shù)(0~1),1表示全掏空；2)生產套管和生產尾管：對非塑性蠕變地層P=0.00981[p-(1-k)p.]h(3)軸向力造斜段井段，管柱和下井壁接觸(N>0)(式6.8)(式6.9)(式6.10)(式6.11)(式6.12)式6.13)造斜段井段，管柱和上井壁接觸(N<0)T=(T?+Acosa,+Bsina:)elan(式6.14)(式6.15)F,=2.32DqθT=F,+T48其中(式6.21)(式6.22)(式6.23)A=2.8762+1.54885×10-4Yp+4.4806×10-7Yp2-1.621×10-10Yp3B=0.026233+7.34×10~5YpC=-465.93+4.471Yp-2.205×10-4Yp2+1.1285×10-7Yp3T?=9.5×10-?ApUp[25.623-1.007(1.083-Yp/Up)Dc]接箍螺紋強度值T?=9.5×10-4AcUc其中(式6.24)(式6.25)(式6.26)(式6.27)De——套管外徑，mm依據(jù)《海洋鉆井手冊》P125～P126,常用API套管及螺紋性能參數(shù)表，選擇各套管名稱井眼尺寸in套管尺寸in鋼級及材質公稱質量kg/m扣型導管表層套管技術套管N-80生產套管7N-801)有效內壓力套管名稱鉆井液密度g/cm3套管下深m表層套管技術套管生產尾管將表4.2中的數(shù)據(jù)代入式6.1、式6.2,pc=1.03g/cm3,解得2)有效外壓力將表6.2中的數(shù)據(jù)代入式6.7,解得將表6.2中的數(shù)據(jù)代入式6.9,解得：3)軸向力T=(T-Asinβ-Bcosβ)ea.M)+Asinβ,+BcoquRcosβ=(T+Asinβ,-Bcosβ,)e1(Bu-A)-Asinβ+Bcosβ,N>0其中A=qeiR=508.66×773=2.915×105N,代入式5.38,解得：Te=3.319×10?+6.266×103×766.3+第7章鉆柱設計鉆桿、鉆桿柱和底部鉆具組合等組成。底部鉆具組合主要包括鉆頭、鉆鋌、穩(wěn)定目前牙輪鉆頭的牙輪上的牙齒按材料的不同分為銑齒(也稱鋼齒)或鑲齒(也稱硬質合金齒)兩大類。金剛石材料鉆頭按破巖元件材料分為天然金剛石鉆頭(常稱金剛石鉆頭)、聚晶金剛石復合片鉆頭(簡稱PDC鉆頭)以及熱穩(wěn)定性聚晶金剛石鉆頭(簡稱TSP鉆頭)。層分為6個硬度級別，分別是極軟(SS)、軟(S)、中(M)、中硬(MH)、硬(H)和極硬(EH)。由地層硬度結合鉆頭的IADC分類標準，就可以進行選(1)根據(jù)地層的巖性和巖石抗壓強度來選擇鉆頭。如在泥頁巖和疏松砂巖地(2)根據(jù)鄰井鉆頭記錄和鄰井其他資料選擇鉆頭。對鄰井鉆頭的鉆井參數(shù)、(3)利用測井資料選擇鉆頭。該方法主要是通過伽馬、聲波時差、中子密度等測井資料計算出巖石的彈性模量和巖石的內摩擦角及抗壓強度。試驗可建立巖(4)根據(jù)井身結構選擇鉆頭。淺井段的大井眼，因巖石膠結疏松，應選擇盡量長牙齒或者大片切削齒的鉆頭，以提高鉆進效率；深井段的中小井眼，因巖石(5)依據(jù)鉆井方式和鉆具組合來選擇鉆頭。如使用馬達導向或旋轉導向等鉆具組合鉆井時，要盡量多的選擇PDC鉆頭或其他金剛石鉆頭。(1)牙輪鉆頭定向井中盡可能使用專門設計的鉆頭，若選擇常規(guī)鉆頭時，要盡量①造斜段。鉆頭保徑長度盡量短(1.5in～2.5in),短保徑鉆頭調節(jié)方向能力成分、大小及顆粒間的膠結物性質有關。比較級別為：1級—滑石；2級一石膏9級一剛玉；10級一金剛石。級數(shù)越高，硬度越大，鉆速越慢。表7.1地層硬度等級地層硬度極軟SS軟S中M中硬MH硬H極硬EH巖石類型黏土，粉砂巖疏松砂巖黏土巖，泥灰?guī)r，褐煤粉砂巖，凝灰?guī)r泥巖，灰?guī)r，鈣凝灰?guī)r，褐煤灰?guī)r，硬石膏，白云巖鈣質頁巖，硅質頁巖石英巖，火成巖地層地層硬度系統(tǒng)段新近系中新統(tǒng)1——中M2中M古近系漸新統(tǒng)1——中M,極軟SS——中M——中M——2CPEDC1CPEDC2上部中M:下部中M始新統(tǒng)CPEDC3中段上部中M;中部軟S;下部中MCPEDC3下段頂部中M;上部中M;下部中MIADC新的牙輪鉆頭分類系統(tǒng)確立了有關牙輪鉆頭的四種設計特征的編碼標準，更能體現(xiàn)牙輪鉆頭結構的設計特征。按此標準，每個牙輪鉆頭四個與鉆頭設計特征相關的編碼(數(shù)字的或字母的)來表示，即“IADC編碼”。①第一位編碼——切削結構系列(1~8)。八種分類或系列數(shù)字代表著一般的鉆頭所適用的地層特征。系列1~3為鋼齒(或銑齒)鉆頭，4~8為鑲齒(碳化鎢硬質合金齒)鉆頭。不論是鋼齒鉆頭還是鑲齒鉆頭，隨著系列數(shù)字的增大，其所②第二位編碼——切削類型(1~4)。每種切削結構系列又可分為四個“類型”或硬度級別。類型1是專為某一系列中最軟的地層所設計的鉆頭，類型4是為這③第三位編碼——軸承與保徑(1~7)。軸承和保徑設計分為七種，詳細內容B—特殊軸承密封。密封結構具有特殊的優(yōu)點，像具備承受高轉速的能力等。頭G—保徑與鉆頭體保護。焊在鉆頭裙部的碳化鎢層(表面硬化層)或碳化鎢鑲井眼軌跡的變化。這種鉆頭通常具有兩個標準噴嘴和一個大尺寸噴嘴，并能按設S—標準的鋼齒(或銑齒)鉆頭。人造聚晶金剛石鉆頭(PDC鉆頭)的IADC分類是由4位編碼組成，第一位使用字母，后3位使用數(shù)字。(1)第一位編碼表示的是鉆頭體特征和切削齒的材料種類：(2)第二位編碼指的是切削齒的尺寸或布齒密度，數(shù)值的選擇與切削齒的數(shù)從1到4,布齒密度呈增大趨勢，相對應的鉆頭適應地層也由軟變硬。數(shù)字1指齒第7章鉆柱設計數(shù)少于30個，2指齒數(shù)在30～40個之間，3指齒數(shù)在40～50個之間，4指多于50個齒的鉆頭。(3)第三位編碼，表示切削齒的尺寸。分為4種類型：I指直徑大于24mm的切削齒，2指直徑在14～24mm之間的切削齒，3指直徑為13mm的切削齒，而4則指直徑小于13mm的切削齒。(4)第四位編碼簡單地表示了鉆頭的基本外觀形狀。這個外觀形狀主要是根據(jù)冠部的長度而定的。1指的是“魚尾”形或平頂形鉆頭；數(shù)字2、3、4是指鉆頭切削齒部分(冠部)的長度，分別表示短、中和長冠部。表7.3鉆頭計劃表鉆頭尺寸in鉆頭類型鉆頭型號牙輪鉆頭PDC鉆頭M233PDC鉆頭M233牙輪鉆頭7.2底部鉆具組合設計(1)鉆鋌尺寸的確定采用光鉆鋌柱鉆進，鉆鋌柱中最下面一段鉆鋌(一般應不少于一根立柱)的外徑應不小于允許最小外徑，才能保證套管的順利下入。所選用的最大外徑鉆鋌應保證在打撈作業(yè)中能夠套銑。當下部組合中采用了穩(wěn)定器，可以采用稍小外徑在大于190.5mm(7%)的井眼中，應采用復合(塔式)鉆鋌結構，但相鄰不同外徑兩段鉆鋌的外徑差不應過大。一般情況下，相鄰兩段鉆鋌外徑差值以不超過25.4mm為宜。合理控制鉆鋌柱中相鄰兩段不同規(guī)范(外徑、內徑及材料等)鉆鋌的抗彎強度的比值，可以避免在連接處以及最上一段鉆鋌與鉆桿連接處產生過大的應力集中與疲勞。根據(jù)經驗，這一比值應小于2.5?；羝嫣岢隽嗽试S最小鉆鋌外徑的計算公式，即：dmin=2×dcs-d?(式7.1)表7.4允許最小鉆鋌外徑鉆頭直徑mm套管接箍外徑mm最小鉆鋌外徑mm(2)鉆鋌長度的確定鉆鋌長度取決于選定的鉆鋌尺寸與所需鉆鋌重量。按目前廣泛采用的浮力系數(shù)法，應保證在最大鉆壓時鉆桿不承受壓縮載荷，所需鉆鋌重量由下式計算：式中m--所需鉆鋌的重量，kN;在斜井條件下，應按下式計算所需鉆鋌的重量m:(式7.2)(式7.3)P=2.04q√EI1qm(式7.4)參考《海洋鉆井手冊》,查閱推薦的鉆鋌尺寸范圍表、常用鉆鋌尺寸和基本鉆頭直徑mm鉆鋌尺寸mm名義重量kg/m臨界鉆壓KN776(1)定向儀器1)單多點定應2)陀螺定向器可將井下數(shù)據(jù)通過電纜傳至地面處理系統(tǒng)或采取投測力工具彎角調整到預定方向。該方法也不能實時監(jiān)測工具面，其適用條件和3)隨鉆測斜儀(MWD)定向接收解碼處理。隨鉆測斜儀(MWD)應用于實時定向造斜和測量。組合時應準確(2)導向鉆具組合1)井下動力導向鉆具組合2)旋轉導向鉆具組合旋轉導向鉆進利于井眼清潔，鉆出的井眼光滑且作業(yè)(3)常規(guī)鉆具組合(1)鐘擺鉆具組合技術1)鐘擺鉆具組合②多穩(wěn)定器鐘擺鉆具。為了增加下部鉆鋌柱的剛性及提高防黏卡能力，可在2)單穩(wěn)定器安放位置確定(2)剛性滿眼鉆具組合技術制鉆頭橫向位移，促使“鉆頭沿著或趨向井眼軸線方向鉆進”,從而達到防斜目1)滿眼鉆具的設計要求①最小間隙。穩(wěn)定器外徑應接近鉆頭直徑，尤其是近鉆“以滿保直”的作用；近鉆頭穩(wěn)定器的外徑磨損不大于1.588mm(1/16”),第二個穩(wěn)定器的外徑磨損不大于3.18mm(1/8”),其他穩(wěn)定器的外徑磨損不大于6mm。④最大剛度。鉆鋌的剛度是隨直徑的四次方增大的，如直徑增大1倍，其剛度增大15倍。為了增大滿眼鉆具的剛度，應選用能安全下井的直徑盡可能大的鉆鋌，特別是最下面的短鉆鋌。同時，最少安放3個穩(wěn)定器，使下部鉆具有3點與2)滿眼鉆具組合中穩(wěn)定器位置的計算中穩(wěn)定器的理想安放高度主要取決于短鉆鋌的尺寸、穩(wěn)定器與井壁的間隙值、井斜角及鉆井液密度等因素。應根據(jù)實際條件，盡可能選用適當?shù)亩蹄@鋌，使中穩(wěn)定器的實際安放高度接近理想高度。圖7.1是中穩(wěn)定器理想高度曲線圖，圖7.2是推薦的常用滿眼防斜鉆具的最優(yōu)圖7.1中穩(wěn)定器理想高度曲線圖圖7.2滿眼防斜鉆具的組合方式(3)高陡構造防斜打直鉆具組合控制井斜技術向，發(fā)揮PDC鉆頭的優(yōu)點，提高鉆井速度，具有較好的防斜特點和抗方位漂移能1)鉆具組合設計①鉆具組合的設計要求。在鉆具組合中馬達彎角離底部扶正器的距離約1m。底部扶正器是馬達本身自帶的扶正器，上扶正器是鉆具扶正器。馬達自帶扶正器距離井底約1.2m,上扶正器距離底部扶正器約16m。a.①311.2mm井眼.單彎螺桿1根(0.75°)+197mm短鉆鋌1根(2m)c.①215.9mm井眼。①215.9mm鉆頭+D172mm單彎螺桿1根(1°)+D214mm穩(wěn)定器+D165mm鉆鋌(4)其他技術井眼尺寸，in鉆具組合功能①660.4mm鉆頭+浮閥/承托環(huán)+φ228.6mm鉆鋌2根+接頭+①203.2mm鉆鋌7~10根+接頭+加重鉆桿一開①444.5鉆頭+D244.5單彎螺桿1根(0.75°)+①241.3短鉆鋌1根(2m)+D444.5穩(wěn)定器+D241.3鉆鋌7根二開直井段①311.2鉆頭+D244.5單彎螺桿1根(0.75°)+①228.6短鉆鋌1根(2m)+D311.2穩(wěn)定器三開直井段+D228.6鉆鋌6根+隨鉆震擊器①311.2鉆頭+雙彎螺桿鉆具1根(1.6°)+穩(wěn)定器+浮閥接頭+隨鉆測量儀器(MWD/LWD)+震擊器+D228.6鉆鋌6根+隨鉆震擊器三開造斜段①311.2鉆頭+D228.6短鉆鋌1根(1m)+φ311.2穩(wěn)定器+①228.6短鉆鋌1根(3m)+D311.2穩(wěn)定器+D228.6鉆鋌1根+D311.2穩(wěn)定器+D228.6鉆鋌1根+D311.2穩(wěn)定器+①228.6鉆鋌5根+隨鉆震擊器三開穩(wěn)斜段①215.9鉆頭+①203.2短鉆鋌1根(1m)+D215.9穩(wěn)定器+D203.2短鉆鋌1根(4.5m)+0215.9穩(wěn)定器+D203.2鉆鋌1根+φ215.9穩(wěn)定器+φ203.2鉆鋌5根+隨鉆震擊器四開穩(wěn)斜段柱的設計主要考慮鉆柱自身重量的拉伸載荷，并通過一定的設計系數(shù)來考慮起下鉆時的動載及其他力的作用。在一些特殊作業(yè)時也需要對鉆柱的外抗擠及安全系數(shù)和拉力余量的取值要充分考慮鉆柱被卡和深井卡瓦擠毀鉆桿的影響。表7.7A井鉆柱組合設計結果規(guī)范長度/m在空氣中重/KN在鉆井液中重/KN鉆鋌：外徑241.3mm,內徑76.2mm名義重量321.8Kg/m第一段鉆桿：外徑168.3mm,內徑151.5mm線重367.5N/m,鋼級E合計規(guī)范長度/m在空氣中重/KN鉆鋌：外徑228.6mm,內徑76.2mm名義重量290.6Kg/m第一段鉆桿：外徑168.3mm,內徑151.5mm線重367.5N/m,鋼級E合計規(guī)范長度/m在空氣中重/KN在鉆井液中重/KN鉆鋌：外徑203.2mm,內徑71.4mm名義重量223.5Kg/m第一段鉆桿：外徑168.3mm,內徑151.5mm線重367.5N/m,鋼級E合計(1)鉆井過程中各種應力的計算1)鉆柱軸向應力的計算Qr=Qo-BrQr=Qo·Kfσr=Q?lA,K=1-Pm/p(式7.7)(式7.8)(式7.9)(式7.10)B,--鉆柱受的總浮力，N(可由阿基米德定律求解);pm,P,--分別為鉆井液和鋼材密度，kg/m3。Qc=P+Bcσ=Qc/AcB=PmgHcAc(式7.11)2)鉆柱外擠應力的計算P=PmgH(式7.12)若是鉆柱受到了較大的拉力(鉆柱測試上提鉆柱松動封隔器)必須按雙向應(2)危險斷面的強度校核同尺寸的鉆桿組成時，還應校核不同尺寸、PaPa分別為76.2mm(3")、88.9mm(3%")、108.0mm(4Y")、133.4mm(54")、152.4mm(6”),四方方鉆桿為63.5mm(2%")、76.2mm(3")、88.9mm(3%")、108.0mm(4)")、133.4mm((1)在相同的拉力載荷下，在六方方鉆桿斷面中應力分布較低，因此在彎曲(2)驅動部分的壽命與方補心的配合有關。四角形的驅動截面通常比六角形(3)方鉆桿長度要比鉆桿長度長一級。通常轉盤面到最頂層套管頭的高度應(1)新方鉆桿應與新滾柱的補心配合使用；(2)滾柱磨損后，應立刻更換；(3)加強滾輪與方鉆桿面之間的潤滑，以及滾輪軸承的潤滑。(式7.13)(1)鉆壓較大，轉速較高時，選用剛度大的減振器(2)在低鉆速下工作時，應采用小剛度的減振器；(3)裝有減振器的鉆具，盡可能在高于80~100r/min的轉速下工作。眼等的異常情況；也能使鉆頭比較準確地圍繞其(1)穩(wěn)定器類型穩(wěn)定器的結構設計應具有小的間隙(相對于井眼)、足夠的支撐面、較高的耐磨性和足夠的剛度，同時還要具有良好的鉆井液循環(huán)通路，以滿足不同的地層(2)穩(wěn)定器的選用地層易斜程度以及穩(wěn)定器所處的位置，合理選擇穩(wěn)定器的類型。通常硬地層選用第8章水力參數(shù)設計擬定一個實現(xiàn)最優(yōu)水力參數(shù)的綜合全面方案。這個最優(yōu)水力參數(shù)應據(jù)鉆井實際條件和地區(qū)經驗選擇某一個恰當?shù)淖顑?yōu)工作方式作為(1)優(yōu)選鉆井泵的缸套尺寸。(2)設計參數(shù)：流量Q,泵壓P,噴嘴尺寸及噴嘴組合。(3)計算參數(shù)：鉆頭壓降P,鉆頭水功率N,射流沖擊力F,噴嘴射流速度水力設計方法、定泵功率水力設計方法、定鉆頭水功率(或比水功率)設計方法，定流量水力設計")、地層水力可鉆指數(shù)確定最經濟水力參數(shù)設計方法等。下面主該設計方法就是在給定的井內流道(井身結構，鉆柱組合)和鉆井液性能條1.環(huán)空攜巖能力Le20.5,也就是計算環(huán)空當量直徑的巖屑在鉆井液中的下沉速度小于或等于上返速度的一半。在這種條件下循環(huán)鉆進，環(huán)空中的巖屑2.環(huán)空巖屑濃度Ca≤9%,由于環(huán)空巖屑濃度過度，常常發(fā)生環(huán)空堵塞，泵壓井眼穩(wěn)定Z值不大于井眼穩(wěn)定臨界值。該Z值與非牛頓流體判定層流和紊流流態(tài)的Z值(Z=808)是兩個截然不同的概念。該Z值與井壁巖石應力狀態(tài)、巖層式中Z--井眼穩(wěn)定Z值(無因次);(1)由井壁穩(wěn)定條件確定最大允許流量Qmax(2)由井眼凈化條件確定最小流量Qmin(式8.2)式中Ve—-環(huán)空返速，m/s:環(huán)空剪切速度為(式8.3)(式8.4)(式8.6)(3)由現(xiàn)場經驗確定Qmin鉆機類型選擇：選配2臺3NB—1300型鉆井泵；F320-3DH型鉆機；選配2臺3NB一1300型或2臺3NB-1600型鉆井泵。柴油機轉速r/min泵速沖/min缸套直徑(mm)與理論流量(L/s)41.5246.5443.4448.4040.3444.9441.48最大工作壓力MPaSL3NB-1000ASL3NB-1300ASL3NB-1600A按照慣例，鉆井泵的輸出功率一般在額定功率的80%～90%之間。鉆井泵的泵壓在額定最大工作壓力的75%以下能長期正常進行。(1)若AV≤AVc,則環(huán)空井段的層流壓降Pa為：(式8.8)(式8.9)(式8.10)(2)若AV>AVc,則環(huán)空井段的紊流壓耗Pa為(式8.11)2.計算鉆具內紊流壓耗P(式8.12)(式8.14)(式8.15)(式8.16)(式8.17)(式8.18)井深部分是劃分井段的依據(jù)。在一只鉆頭進尺行程范圍內，下鉆井深和起鉆井深是該井段上、下界面，在井深坐標上是兩個點。在設計和優(yōu)選該井段的水力參數(shù)時，一般以下界面(即以起鉆井深)作為設計井深(L)。選擇好某一種最優(yōu)工作方式后，就可根據(jù)具體條件通過計算優(yōu)選各水力參數(shù)實現(xiàn)對泵功率的合理分配。兩種工作方式的優(yōu)選條件分別見表8.2和表8.3。井深范圍流量選擇范圍優(yōu)選流量Q優(yōu)泵的工作壓力優(yōu)選循環(huán)壓耗Pp優(yōu)優(yōu)選鉆頭壓降P。最大射流沖擊力FQ優(yōu)=6PP優(yōu)<0.526PPP優(yōu)=0.526PP?=0.474P井深范圍L<LCL>LC流量選擇范圍優(yōu)選流量Q優(yōu)泵的工作壓力優(yōu)選循環(huán)壓耗Pp優(yōu)優(yōu)選鉆頭壓降P最大射流沖擊力FQ優(yōu)=PP優(yōu)≤0.357PR≥0.643PN≥0.643NPB優(yōu)=0.357PR=0.643PN=0.643N實2.鉆頭水功率N,比水功率和泵輸出水(式8.23)(式8.25)(式8.26)理論和實踐業(yè)已證明，在相同的鉆頭水力功率條件下，不同尺寸的優(yōu)選噴嘴組合，能改善井底流場和壓力分布狀況，提高漫流的清巖作用，減少鉆頭對井底巖屑的重復破碎，從而提高破巖效率和機械鉆速。(1)φ660.4mm鉆頭在軟地層中，可采用二大一小，直徑比為0.5的組合；在中硬地層中，可用一大一小雙噴嘴，直徑比為0.5的組合。(2)大直徑鉆頭，可采用一個中心噴嘴加兩個不等徑噴嘴。(3)應盡可能選加長噴嘴、斜噴嘴和脈沖噴嘴等。(4)設計中先求出水眼總面積，再確定最小直徑噴嘴(為了防堵，噴嘴直徑，一般不小于7mm),然后再配最大直徑噴嘴，使直徑差盡可能拉大，而總面積不噴嘴組合直徑級差多大合適，尚需進一步研究，目前一般采用直徑級差δ(兩噴嘴直徑之差)為1～2mm,或用直徑比值q=(0.5～0.62)進行組合。1)以噴嘴直徑差δ進行組合設計(1)雙噴嘴組合：J?=J?+δ(2)三噴嘴組合：2)以噴嘴直徑比q進行組合設計(1)雙噴嘴組合：(式8.27)(式8.28)(式8.29)(式8.30)(式8.31)(式8.32)(式8.33)第8章水力參數(shù)設計(2)三噴嘴組合：(式8.34)(式8.35)(式8.36)配備有2臺3NB-1300型鉆井泵，三開使用的鉆頭尺寸為φ311.2mm,有一只+①244.5mm單彎螺桿1根(0.75°)+D228.6mm短鉆鋌1根(2m)+D311.2mm穩(wěn)定器+0203mm鉆鋌。鉆井液性能為：密度pm=1.7g/cm3,假設粘度計數(shù)φ3o=25,由井壁穩(wěn)定條件確定最大允許流量Qmax:最大允許流量Qmax為根據(jù)以往深海鉆完井設計的經驗，環(huán)空返速一般在1m/s可保證井眼凈化，則因此，選用一臺鉆井泵工作，缸套尺寸為φ150mm,泵速為112沖/min,理論流量為32.26L/s。3.計算循環(huán)壓耗鉆桿外環(huán)空返速因為Vpo<AVe,Veo>AV所以，鉆鋌處環(huán)空為紊流，鉆桿處環(huán)空為層流，則環(huán)空壓耗為由于鉆具內截面積小，流速高，故用紊流計算，鉆具內壓耗?？傃h(huán)系統(tǒng)壓耗Po為Pp=Pa+P?+P=1.187+0.475+3.07+1.22+0.04.計算鉆頭壓降P?當缸套尺寸為150mm時，鉆井泵的最大工作壓力為27MPa,取75%為工作壓力，則工作壓力Pm為20.25MPa。說明鉆頭所鉆井段在臨界井深之前，按循環(huán)系統(tǒng)傳遞關系鉆頭壓降P為P?=Pm-Pp=20.25—5.91=14.34(MPa)根據(jù)噴嘴選擇原則，選一大一小雙噴嘴，直徑比為0.5的組合。鉆頭水功率No=14.34×30.17=432.6(kW)射流沖擊力(aw)第9章固井設計準確預測和模擬注水泥及候凝期水泥漿溫度變化也是保證施工安1)深水固井水泥漿設計特殊要求低，且破裂壓力與孔隙壓力間的窗口小。要求使用低密度水泥漿體系且具有良好應提高水泥漿附加量至200%~300%。井底溫度可通過海底調查、區(qū)域或鄰井資料以和模擬預測出井底循環(huán)溫度(BHCT)。2)深水固井水泥漿體系實現(xiàn)顆粒緊密堆積。顆粒級配水泥漿含水量低、水泥石孔隙度小、滲透率低、強膠體氧化鋁作為水泥填充材料配制的水泥漿。具有反應活性高、凝固快、稠化轉水層頂界以上150m。注水井、高壓氣井、高含硫氣井、高溫井(蒸汽井)水泥應返至井口，或進入上層套管200m。以此為100基數(shù)，聲幅在10%～15%以下為優(yōu)質，30%下以下為合格，大于30%為(3)水泥漿密度一般要求達到1.85g/cm3(特殊井按特殊要求設計),要求(4)套管試壓：油層套管，裝采油樹清水試壓，小于177.8mm套管試壓20MPa,30min內下技術套管(注水井、高壓油氣井、尾管完井)裝特制絲堵試壓，177.8mm套管試壓15MPa,30min內下降不大于0.3MPa為合格；套管試壓12MPa,30min內下降不大于0.3MPa為合格；套管試壓10MPa,30min內下降不大于0.3MPa為合井，水泥漿返至井深300m。(3)中215.9mm生產套管下入深度2300m,采用G級水泥單級有控固井，水泥漿返至井深600m。9.3固井施工要求(1)表層套管①采用內管注水泥固井工藝固井。④內管串：鉆桿插入接頭十扶正器+鉆鋌+扶正器+①127mm鉆桿十方鉆桿。⑤注水泥前注入2m3清水作隔離液。⑧注水泥結束后候凝8h再動井口。(2)技術套管②電測完后井口蹩壓做地層承壓試驗，提高地層的承壓能力，要求井口壓力(3)油層套管高排量至正常鉆進時排量洗井，洗井過程中調整泥漿性能，要求④根據(jù)地層壓力和完鉆泥漿密度，嚴格控制清洗液用量，防固井過程中油氣竄。⑤采用過渡罐注水泥，水泥漿密度偏差范圍控制在±0.02g/cm3內，注水泥施工要連續(xù)進行，水泥漿返至井深1800m。固完井后2小時內環(huán)空用水泥車逐漸加壓至7～8MPa,保持壓力至水泥漿終凝。(6)(代替圓圈的)固完井后2小時內環(huán)空用水泥車逐漸加壓至7～8MPa,保持壓力至水泥漿終凝。⑦固完井后控制好井口，候凝48h后測聲幅，測完聲幅后再進行套管內試壓。9.4水泥漿配方及性能水泥配方及性能見表9.2。套管程序表層套管技術套管油層套管配方DS-B?+44%H?O4%SW-1A+2%KQ-C+{2%ST300C+0.6%ST300L+0.35%ST200R+0.1%ST500L}(濕混)+52%H?O+SEP+2%ST200S+0.6%SXY-2+2%KQ-C+0.35%ST200R+0.1%ST500L+44%H?O試驗條件6.9MPax30℃密度g/cm3稠化時間minAPI濾失ml(6.9MPax30min)抗壓強度MPa/24h注：現(xiàn)場施工前要根據(jù)井下情況做復核試驗。第10章井控設計第10章井控設計主要依據(jù)標準及文件1)SY/T6426-2005《鉆井井控技術規(guī)程》2)Q/SHS0003.1-2004《天然氣井工程安全技術規(guī)范》3)SY/T5964-2006《鉆井井控裝置4)SY/T5623-2009《地層壓力預(監(jiān))測方法》7)其它相關標準。(1)壓力窗口窄(2)壓井、阻流管線的壓耗大最大允許的環(huán)空壓力。如果設計不合理，使用循環(huán)壓井時間如忽略阻流管線中的壓耗影響，在深水壓井時將阻流井控時計算所得的關井套壓(psi),那么裸眼地層將會額外承受一個等于阻流管線中壓耗(p)的壓力，這樣會帶來災難性的后果。如圖10.1所示，即：Pch=Psicp—Pfc(式10.1)第10章井控設計1)井控系統(tǒng)響應時間要求高格外注意防噴器的壓力等級，以及所使用的鉆井液與海水產生的壓差變化，隨著水深的增加，壓差會更大。若控制不當，會超過防噴器的額定承壓能力，導致?lián)p會阻塞管線、影響防噴器的開關和連接器解脫等，因此在深水作業(yè)的較多地層流體侵入有可能造成關井后壓破地層，造成井漏和