东北石油大学钻井工程课程设计

东 北 石 油 大 学

课 程 设 计

东北石油大学课程设计任务书

课程 ： 石油工程课程设计 题目 ： 钻井工程设计

专业 ： 石油工程 姓名： 学号： 主要内容、基本要求、主要参考资料等： 1、设计主要内容：

根据已有的基础数据，利用所学的专业知识，完成一口井的钻井工程相关参数的计算，最终确定出钻井、完井技术措施。主要包括井身结构、钻具组合、钻井液、钻井参数设计和完井设计。 2、设计要求：

要求学生选择一口井的基础数据，在教师的指导下独立地完成设计任务，最终以设计报告的形式完成专题设计，设计报告的具体内容如下：（1）井身结构设计；（2）套管强度设计；（3）钻柱设计；（4）钻井液设计；（5） 钻井水力参数设计；（6）注水泥设计；（7）设计结果；（8）参考文献；设计报告采用统一格式打印，要求图表清晰、语言流畅、书写规范、论据充分、说服力强，达到工程设计的基本要求。 3、主要参考资料：

王常斌等，《石油工程设计》，东北石油大学校内自编教材 陈涛平等，《石油工程》，石油工业出版社，2000

《钻井手册（甲方）》编写组，《钻井手册》，石油工程出版社，1990

完成期限 2014年7月19日 指导教师 专业负责人

2014 年 6 月 30 日

目 录

前 言 .......................................................................................................................... 1 第1章 设计资料的收集 ............................................................ 错误！未定义书签。 1.1预设计井基本参数 ........................................................ 错误！未定义书签。 1.2 邻井基本参数 ............................................................... 错误！未定义书签。 第2章 井身结构设计 .................................................................................................. 6 2.1钻井液压力体系 .............................................................................................. 6 2.2井身结构的设计 .............................................................................................. 7 2.3井身结构设计结果 .......................................................................................... 9 第3章 套管柱强度设计 ............................................................................................ 10 3.1套管柱设计计算的相关公式 ........................................................................ 10 3.2表层套管柱设计 ............................................................ 错误！未定义书签。 3.3技术套管柱设计 ............................................................ 错误！未定义书签。 3.4油层套管柱设计 ............................................................ 错误！未定义书签。 3.5套管柱设计结果 ............................................................................................ 20 第4章 钻柱设计 ........................................................................................................ 21

4.1钻柱设计原理 ................................................................................................. 21 4.2钻柱的设计 ..................................................................................................... 21 4.3钻柱设计结果 ................................................................. 错误！未定义书签。 第5章 钻井水力参数的设计 .................................................... 错误！未定义书签。

5.1钻井水力参数的计算公式 ............................................. 错误！未定义书签。 5.2水力参数计算 ................................................................. 错误！未定义书签。 5.3泵的设计结果 ................................................................................................. 43 第6章 注水泥设计 .................................................................................................... 45

6.1水泥浆排量的确定 ......................................................................................... 45 6.2注水泥浆井口压力 ......................................................................................... 48 6.3水泥浆体积的确定 ......................................................................................... 59 6.4设计结果 ......................................................................................................... 60 第7章 钻井液设计 .................................................................................................... 61

7.1钻井液用量计算公式 ..................................................................................... 61 7.2钻井液用量计算 ............................................................................................. 61 7.3钻井液用量设计结果 ..................................................................................... 64 7.4钻井液体系设计 ............................................................................................. 64 第8章 设计结果 .................................................................................................... 65 参考文献 ...................................................................................................................... 67 附录 .............................................................................................................................. 68

前 言

钻井是石油、天然气勘探开发的主要手段。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利益以及石油发展速度。

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。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。

设计应在充分分析有关地质和工程资料的基础上，遵循国家及当地政府有关法律、法规和要求，按照安全、快速、优质和高效的原则进行，并且必须以保证实施地质任务为前提。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：1、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，为全井顺利钻进创造条件，使钻井周期最短；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；下套管过程中，井内钻井液柱压力之间的压差不致产生压差卡套管等严重事故以及强度的校核。2、套管强度设计；3、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；4、钻井液体系；5、水力参数设计；6，注水泥设计，钻井施工进度计划等几个方面的基本设计内容。

第1章 设计资料的收集

1.1 预设计井基本参数

1.2 邻井基本参数

1．井身结构

2．地层压力

3．钻具组合

续表

4．钻井液性能

5．水力参数

续表

6．钻井参数

7.套管柱设计参数

8.注水泥设计参数

第2章 井身结构设计

2.1 钻井液的压力体系

图2-1 地层压力与地层破裂压力剖面图

2.1.1 最大钻井液密度

ρmaxρpmaxSbSf 式中: ρmax为某层套管钻进井段中所用最大泥浆密度，g/cm3； ρpma为该井段中所用地层孔隙压力梯度等效密度，xg/cm3；

S

Sb为抽吸压力允许值的当量密度，取0.036g/cm3。

(2-1)

发生井涌情况

ρfnkρpmaxSbSf

HpmaxHni

Sk （2-2）

式中：ρf为发生井涌时，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/m3；ρpmax为某井段钻进井段中所用的最大泥浆密度，

g/m3；Sb为抽吸压力允许值的当量密度，取0.036g/m3；Sf为地层压裂安全系数，用当量钻井液密度表示，取0.03g/m3；Sk为发生井涌时的井涌允量，取0.06g/m3。

2.1.2 校核各层套管下到初选点时是否会发生压差卡套

Δpm9.81HmmρpmaxSb-ρpmin10-6



式中：prn为实际井内最大静止压差，MPa；

pmin

为该井段内最小地层孔隙压

力梯度等效密度，g/cm3；Hmm为该井段内最小地层孔隙压力所对应的井 深，m。pN为避免发生压差卡套的许用压差，取12 MPa。

2.2 井身结构的设计

2.2.1 套管层次的确定

查表知最大地层压力梯度的当量密度为1390kg/m3，位于1920m处。 （1）中间套管下入深度初选点D

取初选点H21700

ρfnkρpmaxSbSf

HpmaxHni

Sk

21

13903036

1618kg/m3

1900

60 700

查地层破裂压力梯度表得ρf7001620kg/m3，ρf700ρfnk且相近，因此取

H21700。

（2）校核中间套管下入到初选点H21700过程中是否会发生压差卡套管 由地层压力梯度表查得ρp7001260kg/m3,ρpmin1100kg/m3，Hmm700。 Δpm9.81Hmmρpma10-6 xSb-ρpmin 9.81700126030-110010-6 1.3MPa

pmpN12Mpa，所以不会发生压差卡钻，满足设计要求。

（3）确定表层套管的下入深度H1 取初选点H1=200m时

ρfnρpD2SbSf

12603630

1536kg/m3

由地层破裂压力梯度表得ρfH11536kg/m3，ρfH1ρfn，因此取H1=200m。 校核中间套管下入到初选点H1200过程中是否会发生压差卡套管 由地层压力梯度表查得ρp2001128kg/m3,ρpmin1100kg/m3，Hmm200。 Δpm9.81Hmmρpma10-6 xSb-ρpmin 9.81200112830-110010-6 0.1138MPa

pmpN12Mpa，所以不会发生压差卡钻，满足设计要求。

选择再上层套管下入深度H0=60m

ρfnρpH1SbSf

H1

Sk H0

H2

Sk H1

700

60 200

12403630

1506kg/m3

200

60 60

由地层破裂压力梯度表得ρfH01520kg/m3，ρfH0ρfn且相近，因此取H0=60m。 校核中间套管下入到初选点H060过程中是否会发生压差卡套管

由地层压力梯度表查得ρp601100kg/m3,ρpmin1100kg/m3，Hmm60。 Δpm9.81Hmmρpma10-6 xSb-ρpmin 9.8160110030-110010-6 0.017MPa

pmpN12Mpa，所以不会发生压差卡钻，满足设计要求。

（4）油层套管下入深度H31920m

校核油管下入到H31920m过程中是否会发生压差卡套管

由地层压力梯度表查得ρp19201390kg/m3,ρpmin1100kg/m3，Hmm1920。 Δpm9.81Hmmρpma10-6 xSb-ρpmin 9.811920139030-110010-6 6.02MPa

pmpN12Mpa，所以不会发生压差卡钻，满足设计要求。

2.3 设计结果

第3章 套管柱强度设计

3.1 套管柱设计计算的相关公式

1. 某井段的最大外挤压力

pcodgDw103 （3-1）

式中：pco为套管柱所受外挤压力，Mpa；

3

为该井段所用泥浆的最大密度，； g/cm d

Dw计算点井深，m。 2. 某段钢级套管的最大下入深度

DnD

3

（3-2）

dgSD

10式中：D为某段钢级套管抗外挤强度，MPa； SD为抗外挤安全系数，取1.125。 3. 套管浮力系数

KB1

d

 s

式中：3s为某段所用钢材的密度，取7.8g/cm。

4. 安全系数

抗拉安全系数

St1.8 3.2 表层套管柱设计

3.2.1 按抗外挤强度设计由下向上选择第一段套管

由公式3-1可知最大外挤压力为：

ρdρpmaxSbSf

139030361456kg/m3

pco9.81ρdD

9.811456192010-627.42

σD1pcoSD27.421.12530.85Mpa

查《钻井工具手册》表5-46选择第一段套管

3-3） 3-4）

（ （

实际抗挤安全系数

SD1

σD133.9

1.236 pco127.42

3.2.2 确定第二段套管的下入深度和第一段套管的使用长度

1. 查《钻井工具手册》表5-46选择第二段套管

表5-46第二段套管钢级选择

σD227.9106

1736m实际取1730m，则第第二段套管下入深度为D2

ρdgSD14569.811.125

一段套管使用长度为L1D1D219201730190m

2. 第一段套管抗拉安全系数校核、第二段套管抗挤安全系数校核 浮力系数 ：KB1

ρd1.4561-0.813

ρs7.8

W1q1L1103253.219010348.108KN

抗拉安全系数为：

ST1

FT11099

22.81.8 W148.108

抗拉满足要求。 第二段抗挤安全系数

SD2

σD227.91061.1291.125 ρdgD214569.811730

满足抗挤要求。 考虑应力偶合：

Fmq1L1KB253.21900.813310339.126KN

Fm

pccpc1.030.74Fs39.126

27.91.03-0.7428.07MPa 1214

pocρdgD214569.81173010624.71MPa pcc28.07

1.1351.125 故满足双向校核。 poc24.71

3.2.3 确定第三段套管的下入深度和第二段套管的使用长度

1. 查《钻井工具手册》表5-46选择第三段套管

表5-46第三段套管钢级选择

σD321.5106

1337m，实际取1330m，则第三段套管下入深度为D3

ρdgSD14569.811.125

第二段套管使用长度为L2D2D317301330400m。

2. 第二段套管抗拉安全系数校核、第三段套管抗挤安全系数校核。 W2q2L2103230.940010392.36KN

Wc2KBq2L210375.09KN

第二段套管抗拉安全系数：

ST2

FT21063

7.571.8

W1W2140.468

满足抗拉要求。

第三段抗挤安全系数：

SD3

σD321.51061.1311.125 ρdgD314569.811330

满足抗挤要求。 考虑应力偶合

Fmq1L1q2L2KB(230.9400253.2190)0.8133103114.24KN Fm

pccpc1.030.74Fs

114.24

27.91.03-0.7426.60MPa 1103

pocρdgD314569.81133010619.00MPa

pcc26.60

1.41.125 故满足强度校核 poc19.00

由所选的刚才已经是139.7mm下的最小强度钢材，故选到J-55为止 第三段抗拉强度校核

W3q3L3103208.51330103277.305KN ST3

FT3988

2.361.8

W1W2W3417.7

3.2.4 井口抗内压强度计算

p井口ρpmaxgh10-613909.8192010626.14Mpa

井口处钢材的许用最大内压为29.4Mpa

S

σ内p井口



29.4

1.1251.125，故满足强度要求 26.14

3.2.5 油层套管设计结果

表3-5 油层套管设计参数

3.3技术套管柱设计

3.3.1 按抗外挤强度设计由下向上选择第一段套管

由公式3-1可知最大外挤压力为

ρdρpmaxSbSf

12603036

1326kg/m3

pco19.81ρdD19.81132670010-69.11

σD1pco1SD9.111.12510.25Mpa

查《钻井工艺手册》表3-8选择第一段套管

实际抗挤安全系数

SD1

σD111.86

1.3011.125 pco19.11

3.3.2 确定第二段套管的下入深度和第一段套管的使用长度

1. 查《钻井工艺手册》表3-8选择第二段套管

表3-7 第二段套管钢级选择

σD29.45106

646m，实际取640m，则第第二段套管下入深度为D2

ρdgSD13269.81.125

一段套管使用长度为LD1D270064060m

2. 第一段套管抗拉安全系数校核、第二段套管抗挤安全系数校核。 浮力系数KB1-ρd1.3261-0.83，

ρs7.8

净重W1q1L1103536.26010332.172KN，

浮重WC1KBW10.8332.17226.703KN。第一段套管顶部受到的拉伸载荷为W1，抗拉安全系数为ST1第二段抗挤安全系数

SD2

满足抗挤要求。

考虑应力偶合：

σD29.451061.13261.125 ρdgD29.81326640

FT11308

40.6561.8,抗拉满足要求。 W132.172

Fmq1L1KB32.1720.8326.703KN

Fm26.703pccpc1.030.749.451.03-0.749.62MPa F1624s

pocρdgD213269.816401068.32MPa pcc9.621.1561.125 故满足双向校核。 poc8.32

由于没有更低钢级的套管，故不再更换套管。 第二段抗拉安全强度校核

净重W2q2L2103481.1640103307.904KN

ST2

FT21129

3.321.8

W1W2340

p井口ρpmaxgh10-612609.87001068.6436Mpa

井口处钢材的许用最大内压为15.7Mpa

S

σ内p井口



15.7

1.811.125，故满足内压强度。 8.6436

3.3.4 中间套管设计结果

表3—9 中间套管设计参数

3.4表层套管柱设计

3.4.1按抗外挤强度设计由下向上选择第一段套管

由公式3-1可知最大外挤压力为

ρdρpmaxSbSf

11283036

1194kg/m3

pco19.81ρdD19.81119420010-62..34MPa

σD1pco1SD2.341.1252.63Mpa

查《钻井工艺手册》表3-8选择第一段套管

实际抗挤安全系数

SD1

σD15.1

2.181.125 pco12.34

假设设计到井口

W1q1L1103715.0200103143KN

抗拉安全系数

ST1

FT11432

10.011.8 W1143

满足抗拉要求。

抗内压校核：查《钻井工艺手册》表3-8，第三段套管抗内压强度为σ内11.9MPa

p井口ρpmaxgh10-611289.82001062.21Mpa

抗内压安全系数

S满足抗内压要求。

σ内p井口



11.9

5.41.12 52.2

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3-1可知最大外挤压力为

ρdρpmaxSbSf

11003036

1166kg/m3

pco19.81ρdD19.8111606010-60.68MPa

σD1pco1SD2.341.1250.768Mpa

查《钻井工艺手册》表3-8选择第一段套管

实际抗挤安全系数

SD1

σD14.3

6.321.125 pco10.68

假设设计到井口

W1q1L1103968.26010358KN

抗拉安全系数

ST1

FT11953

33.671.8 W158

满足抗拉要求。

抗内压校核：查《钻井工艺手册》表3-8，第三段套管抗内压强度为σ内10.5MPa

p井口ρpmaxgh10-611009.8601060.65Mpa

抗内压安全系数

S满足抗内压要求。

σ内p井口



11.3

17.381.125 0.65

3.5 套管柱设计结果

表3-12 套管柱设计参数表

第4章 钻柱设计

4.1 钻柱设计原理

4.1.1 所需钻铤长度的计算公式

Lc

SNWmax

qcos

cKB式中：Lc为所需钻铤长度，m；

SN为安全系数，一般取SN=1.15-1.25；

Wmax为设计的最大钻压，kN； qc为每米钻铤在空气中的重力，kNm; KB为浮力系数；

为井斜角度数，直井时0；

4.1.2计算钻柱所受拉力的公式

钻柱所受拉力为

FLcqcLpqpKB 式中：F为钻柱所受拉力，kN；

Lc为钻铤长度，m；

qc为每米钻铤在空气中的重力，kNm；

Lp为钻杆长度，m；

qp为每米钻杆在空气中的重力，kNm；

4.2 钻柱的设计

4.2.1 一次开钻钻柱组合

0-60井段

4-1）4-2） （

（

1. 钻铤长度的确定

允许最小钻铤外径=2倍套管接箍外径-钻头直径 =431.82—508=355.6mm

查《钻井工具手册》选择钻铤,钻铤外径279.4mm，内径76.2mm，均重qc=445.5kg/m。 此时KB1

ρd1.1661-0.85，最大钻压Wmax5t，SN=1.15

ρs7.8

SNWMAX1.155100015.18

15.18，所用根数为n1.65(根)。 qcKB445.50.859.15

则钻铤长度为Lc

从而实际用2根钻铤，钻铤实际度为Lc9.15218.3m。

2. 钻杆长度计算及安全校核

查《钻井工具手册》选择钻杆，钻杆外径127mm，内径108.6mm，均重

qp29.20kg/m,钢级E级，钻杆抗拉强度Fy2465.8MPa，安全系数为St1.18

钻杆长度LpD19.15n60-9.15241.7m根数n计算最大安全静拉载荷为： ① 安全系数法Fa1

0.9FyStσyσt



0.92465.8

1880KN

1.18

41.7

，实际取4根。 4.55（根）

9.15

② 设计系数法： 1.42

Fa2

0.9Fyσy/σt



0.92465.8

1562.8KN

1.42

③ 拉力余量法：取拉力余量MOP=250KN

Fa30.9FyMOP0.92465.82501969.22KN

比较三种安全校核知设计系数法计算的值最小，作为抗拉安全强度Fa=Fa2=1562.8KN。 则钻杆许用长度为

Fa-qcLcgKB1562.8445.527.459.80.85103

Lp6006m60m

qpKB29.209.80.85103

钻杆长度

LpD19.15n60-9.15241.7m 根数n。

41.7

，实际取4根Lp=49.15=36.6m 4.55（根）

9.15

4.2.2 二次开钻钻具组合

60-200井段

1．钻铤长度的确定

允许最小钻铤外径=2倍套管接箍外径-钻头直径 =365.12—347.6=382.6mm

查《钻井工具手册》选择钻铤,钻铤外径279.4mm，内径76.2mm，均重qc=445.5kg/m。 此时KB1

ρd1.1941-0.85，最大钻压Wmax=15t，SN=1.15

ρs7.8

则钻铤长度为Lc

SNWMAX1.1515100045.55

45.55，所用根数为n 4.9(根)。qcKB445.50.859.15

从而实际用5根钻铤，钻铤实际度为Lc9.15545.75m。

2. 钻杆长度计算及安全校核

查《钻井工具手册》选择钻杆，钻杆外径127mm，内径108.6mm，均重

qp29.20kg/m,钢级E级，钻杆抗拉强度Fy2465.8MPa，安全系数为St1.18

钻杆长度LpD19.15n200-9.155154.25m根数n16根。

计算最大安全静拉载荷为： ① 安全系数法Fa1

0.9FyStσyσt

154.25

，实际取16.86（根）

9.15



0.92465.8

1880KN

1.18

② 设计系数法： 1.42

Fa2

0.9Fyσy/σt



0.92465.8

1562.8KN

1.42

③ 拉力余量法：取拉力余量MOP=250KN

Fa30.9FyMOP0.92465.82501969.22KN

比较三种安全校核知设计系数法计算的值最小，作为抗拉安全强度Fa=Fa2=1562.8KN。 则钻杆许用长度为

Fa-qcLcgKB1562.8445.573.29.80.85103

Lp5308m200m 3

qpKB29.209.80.8510

钻杆长度

LpD19.15n200-9.155154.25m

根数n

154.25

，实际取16根Lp=169.15=146.4m 16.86（根）

9.15

。

200-700m井段

1．钻铤长度的确定

允许最小钻铤外径=2倍套管接箍外径-钻头直径 =269.92—311.1=228.7mm

查《钻井工具手册》选择钻铤,钻铤外径241.3mm，内径76.2mm，均重qc=321.8kg/m。 此时KB1

ρ1.3261-0.83，最大钻压Wmax=15t，SN=1.15

ρs7.8

SNWMAX1.1515100064.58

64.58，所用根数为n 7.05(根)。qcKB321.80.839.15

则钻铤长度为Lc

从而实际用8根钻铤，钻铤实际度为Lc9.15873.2m。

2. 钻杆长度计算及安全校核

查《钻井工具手册》选择钻杆，钻杆外径127mm，内径108.6mm，均重

qp29.20kg/m,钢级E级，钻杆抗拉强度Fy2465.8MPa，安全系数为St1.18

钻杆长度LpD19.15n700-9.158626.8m根数n根。

计算最大安全静拉载荷为： ① 安全系数法Fa1

0.9FyStσyσt

626.8

，实际取6868.（根）5

9.15



0.92465.8

1880KN

1.18

② 设计系数法： 1.42

Fa2

0.9Fyσy/σt



0.92465.8

1562.8KN

1.42

③ 拉力余量法：取拉力余量MOP=250KN

Fa30.9FyMOP0.92465.82501969.22KN

比较三种安全校核知设计系数法计算的值最小，作为抗拉安全强度Fa=Fa2=1562.8KN。 则钻杆许用长度为

Fa-qcLcgKB1562.8321.873.29.80.83103

Lp5637m200m

qpKB29.209.80.85103

钻杆长度

LpD19.15n700-9.15862.68m

根数n。

626.8

，实际取68根Lp=689.15=622.2m 68.（根）5

9.15

4.2.3 三次开钻钻具组合

700-1920井段

1．钻铤长度的确定

允许最小钻铤外径=2倍套管接箍外径-钻头直径 =153.72—200=107.4mm

查《钻井工具手册》选择钻铤,钻铤外径165.1mm，内径57.2mm，均重qc=147.5kg/m。 此时KB1

ρd1.4561-0.813，最大钻压Wmax=15t，SN=1.15

ρs7.8

SNWMAX1.15151000143.8

143.8m，所用根数为n 15.7(根)。qcKB147.50.8139.15

则钻铤长度为Lc

从而实际用16根钻铤，钻铤实际度为Lc9.1516146.4m。

2. 钻杆长度计算及安全校核

查《钻井工具手册》选择钻杆，钻杆外径127mm，内径108.6mm，均重

qp29.20kg/m,钢级E级，钻杆抗拉强度Fy2465.8MPa，安全系数为St1.18

钻杆长度LpD19.15n1920-9.15161773.6m根数n193根。

计算最大安全静拉载荷为： ① 安全系数法Fa1

0.9FyStσyσt



0.92465.8

1880KN

1.18

1773.6

，实际取193.（根）8

9.15

② 设计系数法： 1.42

Fa2

0.9Fyσy/σt



0.92465.8

1562.8KN

1.42

③ 拉力余量法：取拉力余量MOP=250KN

Fa30.9FyMOP0.92465.82501969.22KN

比较三种安全校核知设计系数法计算的值最小，作为抗拉安全强度Fa=Fa2=1562.8KN。 则钻杆许用长度为

Fa-qcLcgKB1562.8147.5146.49.80.813103

Lp5977m1773.6m

qpKB29.209.80.813103

钻杆长度

LpD19.15n1920-9.15161773.6m 根数n

1773.6

，实际取193根实际钻杆长Lp=1939.15=1765.95m 193.（根）8

9.15

4.3 钻柱设计结果

表4—1 钻柱设计结果

第5章 钻井水力参数的设计

5.1 钻井水力参数的计算公式

5.1.1 确定最小排量

Va0.6m/s Qπ22

a40

dhdpva （5-1）

式中：Va为最低环空返速，m/s；

dh,dp分别为井径和钻柱外径，cm； Qa为携岩屑的最小排量，L/s。

5.1.2 获得最大钻头水功率时临界井深计算公式

1. 第一临界井深

Dprcr1

0.357mQ1.8n

rm

式中：p为泵的额定压力，MPa； Q为额定排量，L； n和m为相关系数。

2. 第二临界井深

Drcr2

0.357pmQ1.8

n

am

式中：Qa为使岩屑上返的最小泵排量，Ls；

5.1.3 有关压耗系数计算公式

K0.80.2L

1

L2

g0.5165d5

pvd4L3.8L4d4.88 4.8

12d43d.4

5-2）5-3）5-4） （ （ （

B0.57503 （5-5） KpL31.8ddhdpdpdh

0.8

d

0.2pv4.8

pi

B0.57503

 （5-6） KcL 31.8

dddddhcch

0.8

d

0.2pv4.8

ci

m

0.80.2dpv4.8

pi



0.57503B （5-7） 31.8

ddhdpdpdh

nK L （5-8）gKcm c式中：d为钻井液密度,gcm3；



pv

为钻井液塑性粘度,Pas；

L1、L、L、L4d1、d2、d3、d423

和分别为地面高压管线、立管、水龙带、方

L为钻杆总长度,m；

钻杆的长度和内径，长度单位为m，内径单位为cm。

B为常数，内平钻杆取B； 0.51655

d

p为钻杆内径,cm；

d为钻杆外径,cm；

dh为井径,cm； L为钻铤长度，m；

d为钻铤外径,cm； dc为钻铤内径,cm；

5.2 水力参数计算

5.2.1 一开水力参数设计

查得的已知参数： ρd1.166g/cm3，μPV0.018Pas，B0.51655，dpi=10.86cm，

dp12.7cm, dc=27.94cm dci=7.62cm， dh=50.8cm，Lc=18.3m，

C0.98，L1=13.7m，L2=13.7m,L3=13.7，L4=12.2m，d1=10.16cm

d2=10.16cm,d3=7.62cm,d4=10.16cm

1. 确定最小排量、最大允许排量及选泵：

已知 环空最小返速va0.6m/s,最大返速vmax1.2m/s。 最小排量：

Qa

π23.14dh-d250.82-12.720.6113.95L/s pva4040π23.14

dh-d2v50.82-12.721.2227.9L/s pmax4040



最大排量： Qmax



选择缸套直径为180mm的型号为SL3NB—1300A的钻进泵4台并联使用，因此额定排量为Qr46.54186L/s，额定泵压为pr19MPa。 2 . 有关参数计算

由公式（5-4）可知

LL3L2L4.0.80.2

Kg0.51655ρdμPV41.54.54.54.5d2d3d4d1

13.713.712.213.7

0.516551.1660.80.0180.24.5

10.164.57.624.510.164.510.16

=6.651510-4

由公式（5-6）可知

B0.57503.0.80.2

Kcρd μPVLc4.831.8dd-dddcihcch

0.516550.57503 1.1660.80.0180.218.3 50.8-27.9427.9450.87.62

2.710-4

由公式（5-7）可知 m

0.80.2

dpv4.8

pi

B0.57503 31.8ddhdpdpdh

0.516550.57503

1.1660.80.0180.24.831.810.8650.8-27.9427.9450.82.70106

由公式（5-8）可知

nKgKcmLc

6.65110-42.710-4-2.710-618.3 8.8610-4

第一临界井深：

 Dcr1

0.35p7nr

 1.8

mQmr

0.357198.8610-4

- 

2.70101862.70106m -12.1

第二临界井深： Dcr2

0.357prn

 1.8

mQam

0.357198.8610-4

- 

2.7010-6113.951.82.7010-6

170.65m

第一临界井深在地面，第二临界井深在0-60m井段之下 试算

选SL3NB-1300A泵缸套直径Φ180柴油机转速为1400rpm，3台并联使用，这时的排量为340.34=121.02L/s

D

0.357prn

- 1.8

mmQr

0.357198.8610-4

- 

2.710-6130.321.82.710-6

=63.6m

因此在0-60m段使用SL3NB-1300A泵缸套直径Φ180柴油机转速为1400rpm，3台并联使用，最优排量 Qop=121.02L/s。 钻头压降

Λpbpr-Δpcs

1.8

pr-mDnQop

19-2.710-6608.8610-4121.021.8 13.11MPa

钻头水功率

PbΔpbQop13.11121.021586.6KW 比水功率 Ps

Pb1586.6

0.78KW/c2m 2dh50.8244

喷嘴当量直径：

dne2

0.081ρdQop

C2Δpb

2

0.0811.166121.023.24cm

0.98213.11

若安装三个等径喷嘴，则每个喷嘴直径：

dn

dne33.243

1.87cm

5.2.2 二开水力参数设计

60-200m井段

查得已知参数：ρd1.194g/cm3，μPV0.018Pas，B0.51655，dpi=10.86cm，

dp12.7cm, dc=27.94cm dci=7.62cm， dh=34.76cm，Lc=45.65m，

C0.98，L1=13.7m，L2=13.7m,L3=13.7，L4=12.2m，d1=10.16cm

d2=10.16cm,d3=7.62cm,d4=10.16cm

1.确定最小排量、最大允许排量及选泵：

已知 环空最小返速va0.6m/s,最大返速vmax1.2m/s。 最小排量：

Qa

π223.14dh-dpva34.762-12.720.649.24L/s 4040π223.14

dh-dpvmax34.762-12.721.298.49L/s 4040



最大排量： Qmax



选择缸套直径为Φ180转速为1500rpm的型号为SL3NB—1300A的钻进泵2台并联使用，因此额定排量为Qr46.54293.08L/s，额定泵压为pr19MPa。 2 . 有关参数计算

由公式（5-4）可知

LL3L2L4.0.80.2

Kg0.51655ρdμPV41.54.54.54.5d2d3d4d1

13.713.712.213.7

0.516551.1940.80.0180.24.5

10.164.57.624.510.164.510.16

=7.0310-4

由公式（5-6）可知

Kc

0.516550.57503

1.1940.80.0180.245.754.8

34.76-27.94327.9434.761.87.627.3710-4

.0.80.2

ρdμPVLc

B0.57503

4.831.8dd-dddhcchci

由公式（5-7）可知 m

0.80.2

dpv4.8

pi

B0.57503 31.8dddddhpph

0.516550.57503

1.1940.80.0180.24.831.810.8634.76-27.9427.9434.763.39106

由公式（5-8）可知

nKgKcmLc

7.0310-47.0710-4-3.3910-645.75 1.56510-3

第一临界井深： Dcr1

0.357prn

 mQr1.8m

0.357191.56510-3

- 

3.3910-693.081.83.3910-6

110.19m

第二临界井深： Dcr2

0.357prn

 1.8

mQam

0.357191.56510-3

- 

3.3910-649.241.83.3910-6

1337.4m

60-110m井段，在第一临界井深以上，因此， Qop=Qr=93.08L/s。 钻头压降

Λpbpr-Δpcs

1.8

pr-mDnQop

19-3.3910-61101.56510-393.081.8 12.22MPa

钻头水功率

PbΔpbQop12.2293.081137.4KW 比水功率 Ps

Pb1137.4

1.20KW/c2m 2dh34.76244

喷嘴当量直径：

dne2

0.081ρdQop

C2Δpb

2

0.0811.19493.082.9cm 2

0.9812.22

若安装三个等径喷嘴，则每个喷嘴直径：

dn

dne2.91.68cm

200m在第二临界井深以上，因此110-200m井段进行分段试算

选用缸套直径为Φ180转速为1400rpm的型号为SL3NB—1300A的钻进泵2台并联使用，因此额定排量为Qr43.44286.88L/s，额定泵压为pr19MPa

D

0.357prn

- 1.8

mmQr

0.357191.565103

 

3.3910686.881.83.39106

185.89m

故110-185.89m井段的最优排量为Qop=86.88L/s 钻头压降

Λpbpr-Δpcs

1.8

pr-mDnQop

19-3.3910-6185.891.56510-386.881.8 12.22MPa

钻头水功率

PbΔpbQop12.2286.881061.7KW 比水功率 Ps

Pb1061.7

1.12KW/c2m 22dh34.7644

喷嘴当量直径：

dne2

0.081ρdQop

C2Δpb

0.0811.19486.8822.8cm

0.98212.22

若安装三个等径喷嘴，则每个喷嘴直径：

dn

dne2.81.62cm

选用缸套直径为Φ170转速为1500rpm的型号为SL3NB—1300A的钻进泵2台并联使用，因此额定排量为Qr41.52283.04L/s，额定泵压为pr21MPa

D

0.357prn

- 1.8

mmQr

0.357211.565103

 

3.3910683.041.83.39106

5m 31.4

故185.89-200m井段的最优排量为Qop=83.04L/s

钻头压降

Λpbpr-Δpcs

1.8

pr-mDnQop

19-3.3910-62001.56510-383.041.8 12.61MPa

钻头水功率

PbΔpbQop12.6183.041047.1KW 比水功率

Ps

Pb1047.1

1.10KW/c2m 22dh34.7644

喷嘴当量直径：

dne2

0.081ρdQop

C2Δpb

2

0.0811.19483.042.7cm 2

0.9812.61

若安装三个等径喷嘴，则每个喷嘴直径：

dn

dne2.73

1.56cm

200-700m井段

查得已知参数：ρd1.326g/cm3，μPV0.018Pas，B0.51655，dpi=10.86cm，

dp12.7cm, dc=24.13cm dci=7.62cm， dh=31.11cm，Lc=73.2m，

C0.98，L1=13.7m，L2=13.7m,L3=13.7，L4=12.2m，d1=10.16cm

d2=10.16cm,d3=7.62cm,d4=10.16cm

1.确定最小排量、最大允许排量及选泵：

已知 环空最小返速va0.6m/s,最大返速vmax1.2m/s。 最小排量：

Qa

π223.14dh-dpva31.112-12.720.637.99L/s 4040π223.14dh-dpvmax31.112-12.721.275.98L/s 4040



最大排量： Qmax



选择缸套直径为Φ180转速为1200rpm的型号为SL3NB—1300A的钻进泵2台并联使用，因此额定排量为Qr37.24274.48L/s，额定泵压为pr19MPa。 2 . 有关参数计算

由公式（5-4）可知

LL3L2L4.0.80.2

Kg0.51655ρdμPV41.54.54.54.5d2d3d4d1

13.713.712.213.7

0.516551.3260.80.0180.24.5

10.164.57.624.510.164.510.16

=7.6510-4

由公式（5-6）可知

B0.57503.0.80.2

Kcρd μPVLcdh-dcdcdhdci

0.516550.57503

1.3260.80.0180.273.24.831.87.6233.11-24.1333.1124.131.2910-3

由公式（5-7）可知 m

0.80.2

dpv4.8

pi

B0.57503 31.8ddhdpdpdh

0.516550.57503

1.3260.80.0180.24.831.810.8631.11-24.1331.1124.133.79106

由公式（5-8）可知

nKgKcmLc

7.6510-412.910-4-3.7910-673.2 1.77810-3

第一临界井深：

 Dcr1

0.35p7nr

 1.8

mQmr

0.357191.77810-3

- 

3.7910-674.481.83.7910-6

295m

第二临界井深： Dcr2

0.357prn

 1.8

mQam

0.357191.77810-3

-  -61.8

3.791037.993.7910-6

7 209m

因此200-295m井段的最优排量Qop=74.48L/s 钻头压降

Λpbpr-Δpcs

1.8

pr-mDnQop

19-3.7910-62951.77810-374.481.8 12.22MPa

钻头水功率

PbΔpbQop12.2274.48910.1KW 比水功率 Ps

Pb910.1

1.20KW/c2m 22dh31.1144

喷嘴当量直径：

dne2

0.081ρdQop

C2Δpb

0.0811.32674.4822.7cm 2

0.9812.22

若安装三个等径喷嘴，则每个喷嘴直径：

dn

dne2.81.56cm

295-700m采用试算的方法

选择缸套直径为Φ160转速为1500rpm的型号为SL3NB—1300A的钻进泵2台并联使用，因此额定排量为Qr36.78273.56L/s，额定泵压为pr24MPa。

D

0.357prn

- 1.8

mmQr

0.357241.778103

 

3.7910673.561.83.79106567.9m

故295-568m选缸套直径为Φ160转速为1500rpm的型号为SL3NB—1300A的钻进泵2台并联使用，最优排量为Qop=73.56L/s

选择缸套直径为Φ160转速为1400rpm的型号为SL3NB—1300A的钻进泵2台并联使用，因此额定排量为Qr34.32268.64L/s，额定泵压为pr24MPa。

D

0.357prn

- 1.8

mmQr

0.357241.778103

 

3.7910668.641.83.79106648m

故568-648m选缸套直径为Φ160转速为1400rpm的型号为SL3NB—1300A的钻进泵2台并联使用，最优排量为Qop=68.64L/s 钻头压降

Λpbpr-Δpcs

1.8

pr-mDnQop

24-3.7910-66481.77810-368.641.8 15.42MPa

钻头水功率

PbΔpbQop15.4268.641058KW 比水功率 Ps

Pb1058

1.39KW/c2m 2dh31.11244

喷嘴当量直径：

dne2

0.081ρdQop

C2Δpb

2

0.0811.32668.642.4cm 2

0.9815.42

若安装三个等径喷嘴，则每个喷嘴直径：

dn

dne2.41.39cm

选择缸套直径为Φ150转速为1500rpm的型号为SL3NB—1300A的钻进泵2台并联使用，因此额定排量为Qr32.32264.64L/s，额定泵压为pr27MPa。

D

0.357prn

- 1.8

mmQr

0.357271.778103

  61.86

3.791064.643.7910932m

故648-700m选缸套直径为Φ150转速为1500rpm的型号为SL3NB—1300A的钻进泵2台并联使用，最优排量为Qop=64.64L/s 钻头压降

Λpbpr-Δpcs

1.8

pr-mDnQop

27-3.7910-67001.77810-364.641.8 23.77MPa

钻头水功率

PbΔpbQop23.7764.641536KW 比水功率 Ps

Pb1536

2.02KW/cm2 2dh31.11244

喷嘴当量直径：

dne2

0.081ρdQop

C2Δpb

0.0811.32664.6422.1cm

0.98223.77

若安装三个等径喷嘴，则每个喷嘴直径：

dn

dne2.11.21cm

5.2.3 三开水力参数设计

查得已知参数：ρd1.456g/cm3，μPV0.023Pas，B0.51655，dpi=10.86cm，

dp12.7cm, dc=16.51cm dci=7.14cm， dh=20cm，Lc=91.5m，

C0.98，L1=13.7m，L2=13.7m,L3=13.7，L4=12.2m，d1=10.16cm

d2=10.16cm,d3=7.62cm,d4=10.16cm

1.确定最小排量、最大允许排量及选泵：

已知 环空最小返速va0.6m/s,最大返速vmax1.2m/s。 最小排量：

Qa

π223.14dh-dpva202-12.720.611.24L/s 4040π223.14dh-dpvmax202-12.721.222.48L/s 4040



最大排量： Qmax



选择缸套直径为Φ150转速为1000rpm的型号为SL3NB—1300A的钻进泵1台因此额定排量为Qr21.55L/s，额定泵压为pr27MPa。 2 . 有关参数计算

由公式（5-4）可知

LL3L2L4.0.80.2

Kg0.51655ρdμPV41.54.54.54.5d2d3d4d1

13.713.712.213.7

0.516551.4560.80.0230.24.5

10.164.57.624.510.164.510.16

=8.6510-4

由公式（5-6）可知

B0.57503.0.80.2

Kcρd μPVLc4.831.8dd-dddcihcch

0.516550.57503 1.4560.80.0230.2146.4 4.831.820-16.512016.517.14

5.7610-3

由公式（5-7）可知 m

0.80.2

dpv4.8

pi

B0.57503 31.8ddhdpdpdh

0.2

0.516550.57503

1.4560.0234.831.820-16.512016.5110.86

0.8

1.6710-5

由公式（5-8）可知

nKgKcmLc

8.6510-45.7610-3-1.6710-5146.4 4.1210-3

第一临界井深：

 Dcr1

0.35p7nr

 1.8

mQmr

0.357274.1210-3

-  -51.8-5

1.671021.551.6710

9 204m

全井深度小于第一临界井深，因此700-1920m段井的最优排量为21.55L/s。 钻头压降

Λpbpr-Δpcs

1.8

pr-mDnQop

27-1.6710-519204.1210-321.551.8 17.91MPa

钻头水功率

PbΔpbQop17.9121.55385.9KW 比水功率 Ps

Pb386.9

1.23KW/c2m 22dh2044

喷嘴当量直径：

dne2

0.081ρdQop

C2Δpb

0.0811.45621.5521.3cm

0.98217.91

若安装三个等径喷嘴，则每个喷嘴直径：

dn

dne1.30.77cm

5.3 泵的设计结果

表5-1 泵的设计参数表

注：三个等径喷嘴

第6章 注水泥设计

6.1 水泥浆的排量的确定

6.1.1 确定排量的计算公式

流性指数

n3.32log

600

 300

稠度系数

K

N3001.066

10051n1

式中 600600r/min时测得的读值，取20； 300300r/min时测得的读值，取15； 环空临界流速

1

n

N962-n

ReK V

deK

1.86ρ 



式中 NRe—环空雷诺数，无因次； 水泥浆密度，g/cm3 de—当量直径，m 环空临界排量

（6-1） （6-2）6-3）

（

QK实际排量



40

2(D2D12)VK （6-4）

Q1.Q5K

6.1.2 封固表层套管水泥浆排量

n=0.4148，K=0.2407，NRe=2100，D1=40.64cm，D2=50.8cm ，ρ1.7g/cm3 当量直径

2

deD2D1250.8240.64230.48cm

临界流速

1

2-n

96NReK

de VK

1.86ρ

n



9621000.2407

0.3

1.861700



1.42m/s

0.4148

1

2-0.4148



环空临界排量

QK



40

2

(D2D12)VK

π

50.82-40.6421.42 40 103.5L/s



实际排量

s Q1.5QK1.5103.5155.25L/

6.1.3 封固中间套管水泥浆排量

D1=33.97cm，D2=34.76cm,de=7.37cm 临界流速

1

2-n

96NReK

de VK

1.86ρ

n



9621000.2407

0.0737

1.861700



2.06m/s

0.4148

1

2-0.4148



环空临界排量

QK



40

2

(D2D12)VK

π

34.762-33.9722.06 40 8.78L/s



实际排量

Q1.5QK1.58.7813.17L/ s

D1=24.45cm，D2=31.11cm,de=19.24cm 临界流速

96NReK

de VK

1.86ρ

n

12-n



9621000.2407

0.1924

1.861700



1.60m/s

0.4148

12-0.4148



环空临界排量

QK



40

2

(D2D12)VK

π

31.112-24.4521.6 40 46.5L/s



实际排量

Q1.5QK1.546.569.75L/ s

6.1.4 封固油层套管水泥浆排量

D1=14.64cm，D2=20cm,de=13.63cm 临界流速

1n2-n

96NReK

de VK

1.86ρ



1

0.4148

21000.2407962-0.4148

 

0.1363

1.861700







1.75m/s

环空临界排量

QK



40

(D2

22D1)VK

π



40202-14.642

1.75 25.5L/s实际排量

Q1.5QK1.525.538.25L/ s

6.2 注水泥浆井口压力

6.2.1 井口压力计算相关公式

注水泥时压力的计算 井口压力

p井口=pf管+pf环+p静环p静管 式中 pf管套管内浆体流动压力，Mpa； pf环环空内浆体流动压力，Mpa； p静环环空内静夜柱压力，Mpa； p静管套管内静夜柱压力，Mpa；

6-5） （

pf管=

0.2fpVp2L

D

（6-6）

0.2faVa2L

pf环= （6-7）

D2D1式中 L套管或环空计算长度，m Vp、Va管内、环空流速，m/s

D、D1、D2分别为管内、外径及井径，cm 内摩擦系数fp、fa 层流区

fp

16R；f24

aR epea

紊流区

fp

aR；fb

a epRea

式中 a

(long

3.950；3 ) b

(1.75

lnog7

；

) Rep、Re分别为套管内及环空雷诺数。a 套管内雷诺数

R108001n

dnv

2n

i

ep



K(4n

)

n式中

（6-8） （6-9） 6-10）

（

di套管内径，cm；

v套管内浆体流速，m/s 浆体密度，g/cm3 环空雷诺数

1012001n(Dd)nv

Rea

2n1nK()

3n式中

D井眼直径，cm d套管外径，cm； 静液压力

2n



（6-11）

p静管(环)=0.0 （6-12） 1 H式中 浆体密度，g/cm3 H浆体高度，m

6.2.2表层套管注水泥浆井口压力的确定

管内为清水，n1,K0.001；环空内为水泥，n10.75855,K10.058599；

D44.45cm，d33.97cmdi=32.04cm，清水密度1g/cm3，水泥浆密度

11.86g/cm3，钻井液密度20.99g/cm3。

环空流速

v11.5vk=1.50.2810.422(m/s)

套管内流速

v2

Q

4

=

di2

27.171

0.338(m/s)

32.04240

套管内雷诺数

108001ndinv1

Rep

nK()

4n

2n





1080032.040.3381

3111

0.001)

41

1080302000 因此管内为紊流状态。

a

(logn3.93)(log13.93)

0.0786

5050

fp

a0.0786

7.75107； Rep108030

套管内浆体流动压力

0.2fpVp2L

D

pf管=

0.27.751070.33821200



32.04

7

1.0 pa)310(M

套管内静夜柱压力

p静管=0.01H=0.011.0200=2(Mpa)

环空水泥浆雷诺数

东 北 石 油 大 学

课 程 设 计

东北石油大学课程设计任务书

课程 ： 石油工程课程设计 题目 ： 钻井工程设计

专业 ： 石油工程 姓名： 学号： 主要内容、基本要求、主要参考资料等： 1、设计主要内容：

根据已有的基础数据，利用所学的专业知识，完成一口井的钻井工程相关参数的计算，最终确定出钻井、完井技术措施。主要包括井身结构、钻具组合、钻井液、钻井参数设计和完井设计。 2、设计要求：

要求学生选择一口井的基础数据，在教师的指导下独立地完成设计任务，最终以设计报告的形式完成专题设计，设计报告的具体内容如下：（1）井身结构设计；（2）套管强度设计；（3）钻柱设计；（4）钻井液设计；（5） 钻井水力参数设计；（6）注水泥设计；（7）设计结果；（8）参考文献；设计报告采用统一格式打印，要求图表清晰、语言流畅、书写规范、论据充分、说服力强，达到工程设计的基本要求。 3、主要参考资料：

王常斌等，《石油工程设计》，东北石油大学校内自编教材 陈涛平等，《石油工程》，石油工业出版社，2000

《钻井手册（甲方）》编写组，《钻井手册》，石油工程出版社，1990

完成期限 2014年7月19日 指导教师 专业负责人

2014 年 6 月 30 日

目 录

前 言 .......................................................................................................................... 1 第1章 设计资料的收集 ............................................................ 错误！未定义书签。 1.1预设计井基本参数 ........................................................ 错误！未定义书签。 1.2 邻井基本参数 ............................................................... 错误！未定义书签。 第2章 井身结构设计 .................................................................................................. 6 2.1钻井液压力体系 .............................................................................................. 6 2.2井身结构的设计 .............................................................................................. 7 2.3井身结构设计结果 .......................................................................................... 9 第3章 套管柱强度设计 ............................................................................................ 10 3.1套管柱设计计算的相关公式 ........................................................................ 10 3.2表层套管柱设计 ............................................................ 错误！未定义书签。 3.3技术套管柱设计 ............................................................ 错误！未定义书签。 3.4油层套管柱设计 ............................................................ 错误！未定义书签。 3.5套管柱设计结果 ............................................................................................ 20 第4章 钻柱设计 ........................................................................................................ 21

4.1钻柱设计原理 ................................................................................................. 21 4.2钻柱的设计 ..................................................................................................... 21 4.3钻柱设计结果 ................................................................. 错误！未定义书签。 第5章 钻井水力参数的设计 .................................................... 错误！未定义书签。

5.1钻井水力参数的计算公式 ............................................. 错误！未定义书签。 5.2水力参数计算 ................................................................. 错误！未定义书签。 5.3泵的设计结果 ................................................................................................. 43 第6章 注水泥设计 .................................................................................................... 45

6.1水泥浆排量的确定 ......................................................................................... 45 6.2注水泥浆井口压力 ......................................................................................... 48 6.3水泥浆体积的确定 ......................................................................................... 59 6.4设计结果 ......................................................................................................... 60 第7章 钻井液设计 .................................................................................................... 61

7.1钻井液用量计算公式 ..................................................................................... 61 7.2钻井液用量计算 ............................................................................................. 61 7.3钻井液用量设计结果 ..................................................................................... 64 7.4钻井液体系设计 ............................................................................................. 64 第8章 设计结果 .................................................................................................... 65 参考文献 ...................................................................................................................... 67 附录 .............................................................................................................................. 68

前 言

钻井是石油、天然气勘探开发的主要手段。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利益以及石油发展速度。

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。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。

设计应在充分分析有关地质和工程资料的基础上，遵循国家及当地政府有关法律、法规和要求，按照安全、快速、优质和高效的原则进行，并且必须以保证实施地质任务为前提。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：1、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，为全井顺利钻进创造条件，使钻井周期最短；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；下套管过程中，井内钻井液柱压力之间的压差不致产生压差卡套管等严重事故以及强度的校核。2、套管强度设计；3、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；4、钻井液体系；5、水力参数设计；6，注水泥设计，钻井施工进度计划等几个方面的基本设计内容。

第1章 设计资料的收集

1.1 预设计井基本参数

1.2 邻井基本参数

1．井身结构

2．地层压力

3．钻具组合

续表

4．钻井液性能

5．水力参数

续表

6．钻井参数

7.套管柱设计参数

8.注水泥设计参数

第2章 井身结构设计

2.1 钻井液的压力体系

图2-1 地层压力与地层破裂压力剖面图

2.1.1 最大钻井液密度

ρmaxρpmaxSbSf 式中: ρmax为某层套管钻进井段中所用最大泥浆密度，g/cm3； ρpma为该井段中所用地层孔隙压力梯度等效密度，xg/cm3；

S

Sb为抽吸压力允许值的当量密度，取0.036g/cm3。

(2-1)

发生井涌情况

ρfnkρpmaxSbSf

HpmaxHni

Sk （2-2）

式中：ρf为发生井涌时，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/m3；ρpmax为某井段钻进井段中所用的最大泥浆密度，

g/m3；Sb为抽吸压力允许值的当量密度，取0.036g/m3；Sf为地层压裂安全系数，用当量钻井液密度表示，取0.03g/m3；Sk为发生井涌时的井涌允量，取0.06g/m3。

2.1.2 校核各层套管下到初选点时是否会发生压差卡套

Δpm9.81HmmρpmaxSb-ρpmin10-6



式中：prn为实际井内最大静止压差，MPa；

pmin

为该井段内最小地层孔隙压

力梯度等效密度，g/cm3；Hmm为该井段内最小地层孔隙压力所对应的井 深，m。pN为避免发生压差卡套的许用压差，取12 MPa。

2.2 井身结构的设计

2.2.1 套管层次的确定

查表知最大地层压力梯度的当量密度为1390kg/m3，位于1920m处。 （1）中间套管下入深度初选点D

取初选点H21700

ρfnkρpmaxSbSf

HpmaxHni

Sk

21

13903036

1618kg/m3

1900

60 700

查地层破裂压力梯度表得ρf7001620kg/m3，ρf700ρfnk且相近，因此取

H21700。

（2）校核中间套管下入到初选点H21700过程中是否会发生压差卡套管 由地层压力梯度表查得ρp7001260kg/m3,ρpmin1100kg/m3，Hmm700。 Δpm9.81Hmmρpma10-6 xSb-ρpmin 9.81700126030-110010-6 1.3MPa

pmpN12Mpa，所以不会发生压差卡钻，满足设计要求。

（3）确定表层套管的下入深度H1 取初选点H1=200m时

ρfnρpD2SbSf

12603630

1536kg/m3

由地层破裂压力梯度表得ρfH11536kg/m3，ρfH1ρfn，因此取H1=200m。 校核中间套管下入到初选点H1200过程中是否会发生压差卡套管 由地层压力梯度表查得ρp2001128kg/m3,ρpmin1100kg/m3，Hmm200。 Δpm9.81Hmmρpma10-6 xSb-ρpmin 9.81200112830-110010-6 0.1138MPa

pmpN12Mpa，所以不会发生压差卡钻，满足设计要求。

选择再上层套管下入深度H0=60m

ρfnρpH1SbSf

H1

Sk H0

H2

Sk H1

700

60 200

12403630

1506kg/m3

200

60 60

由地层破裂压力梯度表得ρfH01520kg/m3，ρfH0ρfn且相近，因此取H0=60m。 校核中间套管下入到初选点H060过程中是否会发生压差卡套管

由地层压力梯度表查得ρp601100kg/m3,ρpmin1100kg/m3，Hmm60。 Δpm9.81Hmmρpma10-6 xSb-ρpmin 9.8160110030-110010-6 0.017MPa

pmpN12Mpa，所以不会发生压差卡钻，满足设计要求。

（4）油层套管下入深度H31920m

校核油管下入到H31920m过程中是否会发生压差卡套管

由地层压力梯度表查得ρp19201390kg/m3,ρpmin1100kg/m3，Hmm1920。 Δpm9.81Hmmρpma10-6 xSb-ρpmin 9.811920139030-110010-6 6.02MPa

pmpN12Mpa，所以不会发生压差卡钻，满足设计要求。

2.3 设计结果

第3章 套管柱强度设计

3.1 套管柱设计计算的相关公式

1. 某井段的最大外挤压力

pcodgDw103 （3-1）

式中：pco为套管柱所受外挤压力，Mpa；

3

为该井段所用泥浆的最大密度，； g/cm d

Dw计算点井深，m。 2. 某段钢级套管的最大下入深度

DnD

3

（3-2）

dgSD

10式中：D为某段钢级套管抗外挤强度，MPa； SD为抗外挤安全系数，取1.125。 3. 套管浮力系数

KB1

d

 s

式中：3s为某段所用钢材的密度，取7.8g/cm。

4. 安全系数

抗拉安全系数

St1.8 3.2 表层套管柱设计

3.2.1 按抗外挤强度设计由下向上选择第一段套管

由公式3-1可知最大外挤压力为：

ρdρpmaxSbSf

139030361456kg/m3

pco9.81ρdD

9.811456192010-627.42

σD1pcoSD27.421.12530.85Mpa

查《钻井工具手册》表5-46选择第一段套管

3-3） 3-4）

（ （

实际抗挤安全系数

SD1

σD133.9

1.236 pco127.42

3.2.2 确定第二段套管的下入深度和第一段套管的使用长度

1. 查《钻井工具手册》表5-46选择第二段套管

表5-46第二段套管钢级选择

σD227.9106

1736m实际取1730m，则第第二段套管下入深度为D2

ρdgSD14569.811.125

一段套管使用长度为L1D1D219201730190m

2. 第一段套管抗拉安全系数校核、第二段套管抗挤安全系数校核 浮力系数 ：KB1

ρd1.4561-0.813

ρs7.8

W1q1L1103253.219010348.108KN

抗拉安全系数为：

ST1

FT11099

22.81.8 W148.108

抗拉满足要求。 第二段抗挤安全系数

SD2

σD227.91061.1291.125 ρdgD214569.811730

满足抗挤要求。 考虑应力偶合：

Fmq1L1KB253.21900.813310339.126KN

Fm

pccpc1.030.74Fs39.126

27.91.03-0.7428.07MPa 1214

pocρdgD214569.81173010624.71MPa pcc28.07

1.1351.125 故满足双向校核。 poc24.71

3.2.3 确定第三段套管的下入深度和第二段套管的使用长度

1. 查《钻井工具手册》表5-46选择第三段套管

表5-46第三段套管钢级选择

σD321.5106

1337m，实际取1330m，则第三段套管下入深度为D3

ρdgSD14569.811.125

第二段套管使用长度为L2D2D317301330400m。

2. 第二段套管抗拉安全系数校核、第三段套管抗挤安全系数校核。 W2q2L2103230.940010392.36KN

Wc2KBq2L210375.09KN

第二段套管抗拉安全系数：

ST2

FT21063

7.571.8

W1W2140.468

满足抗拉要求。

第三段抗挤安全系数：

SD3

σD321.51061.1311.125 ρdgD314569.811330

满足抗挤要求。 考虑应力偶合

Fmq1L1q2L2KB(230.9400253.2190)0.8133103114.24KN Fm

pccpc1.030.74Fs

114.24

27.91.03-0.7426.60MPa 1103

pocρdgD314569.81133010619.00MPa

pcc26.60

1.41.125 故满足强度校核 poc19.00

由所选的刚才已经是139.7mm下的最小强度钢材，故选到J-55为止 第三段抗拉强度校核

W3q3L3103208.51330103277.305KN ST3

FT3988

2.361.8

W1W2W3417.7

3.2.4 井口抗内压强度计算

p井口ρpmaxgh10-613909.8192010626.14Mpa

井口处钢材的许用最大内压为29.4Mpa

S

σ内p井口



29.4

1.1251.125，故满足强度要求 26.14

3.2.5 油层套管设计结果

表3-5 油层套管设计参数

3.3技术套管柱设计

3.3.1 按抗外挤强度设计由下向上选择第一段套管

由公式3-1可知最大外挤压力为

ρdρpmaxSbSf

12603036

1326kg/m3

pco19.81ρdD19.81132670010-69.11

σD1pco1SD9.111.12510.25Mpa

查《钻井工艺手册》表3-8选择第一段套管

实际抗挤安全系数

SD1

σD111.86

1.3011.125 pco19.11

3.3.2 确定第二段套管的下入深度和第一段套管的使用长度

1. 查《钻井工艺手册》表3-8选择第二段套管

表3-7 第二段套管钢级选择

σD29.45106

646m，实际取640m，则第第二段套管下入深度为D2

ρdgSD13269.81.125

一段套管使用长度为LD1D270064060m

2. 第一段套管抗拉安全系数校核、第二段套管抗挤安全系数校核。 浮力系数KB1-ρd1.3261-0.83，

ρs7.8

净重W1q1L1103536.26010332.172KN，

浮重WC1KBW10.8332.17226.703KN。第一段套管顶部受到的拉伸载荷为W1，抗拉安全系数为ST1第二段抗挤安全系数

SD2

满足抗挤要求。

考虑应力偶合：

σD29.451061.13261.125 ρdgD29.81326640

FT11308

40.6561.8,抗拉满足要求。 W132.172

Fmq1L1KB32.1720.8326.703KN

Fm26.703pccpc1.030.749.451.03-0.749.62MPa F1624s

pocρdgD213269.816401068.32MPa pcc9.621.1561.125 故满足双向校核。 poc8.32

由于没有更低钢级的套管，故不再更换套管。 第二段抗拉安全强度校核

净重W2q2L2103481.1640103307.904KN

ST2

FT21129

3.321.8

W1W2340

p井口ρpmaxgh10-612609.87001068.6436Mpa

井口处钢材的许用最大内压为15.7Mpa

S

σ内p井口



15.7

1.811.125，故满足内压强度。 8.6436

3.3.4 中间套管设计结果

表3—9 中间套管设计参数

3.4表层套管柱设计

3.4.1按抗外挤强度设计由下向上选择第一段套管

由公式3-1可知最大外挤压力为

ρdρpmaxSbSf

11283036

1194kg/m3

pco19.81ρdD19.81119420010-62..34MPa

σD1pco1SD2.341.1252.63Mpa

查《钻井工艺手册》表3-8选择第一段套管

实际抗挤安全系数

SD1

σD15.1

2.181.125 pco12.34

假设设计到井口

W1q1L1103715.0200103143KN

抗拉安全系数

ST1

FT11432

10.011.8 W1143

满足抗拉要求。

抗内压校核：查《钻井工艺手册》表3-8，第三段套管抗内压强度为σ内11.9MPa

p井口ρpmaxgh10-611289.82001062.21Mpa

抗内压安全系数

S满足抗内压要求。

σ内p井口



11.9

5.41.12 52.2

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3-1可知最大外挤压力为

ρdρpmaxSbSf

11003036

1166kg/m3

pco19.81ρdD19.8111606010-60.68MPa

σD1pco1SD2.341.1250.768Mpa

查《钻井工艺手册》表3-8选择第一段套管

实际抗挤安全系数

SD1

σD14.3

6.321.125 pco10.68

假设设计到井口

W1q1L1103968.26010358KN

抗拉安全系数

ST1

FT11953

33.671.8 W158

满足抗拉要求。

抗内压校核：查《钻井工艺手册》表3-8，第三段套管抗内压强度为σ内10.5MPa

p井口ρpmaxgh10-611009.8601060.65Mpa

抗内压安全系数

S满足抗内压要求。

σ内p井口



11.3

17.381.125 0.65

3.5 套管柱设计结果

表3-12 套管柱设计参数表

第4章 钻柱设计

4.1 钻柱设计原理

4.1.1 所需钻铤长度的计算公式

Lc

SNWmax

qcos

cKB式中：Lc为所需钻铤长度，m；

SN为安全系数，一般取SN=1.15-1.25；

Wmax为设计的最大钻压，kN； qc为每米钻铤在空气中的重力，kNm; KB为浮力系数；

为井斜角度数，直井时0；

4.1.2计算钻柱所受拉力的公式

钻柱所受拉力为

FLcqcLpqpKB 式中：F为钻柱所受拉力，kN；

Lc为钻铤长度，m；

qc为每米钻铤在空气中的重力，kNm；

Lp为钻杆长度，m；

qp为每米钻杆在空气中的重力，kNm；

4.2 钻柱的设计

4.2.1 一次开钻钻柱组合

0-60井段

4-1）4-2） （

（

1. 钻铤长度的确定

允许最小钻铤外径=2倍套管接箍外径-钻头直径 =431.82—508=355.6mm

查《钻井工具手册》选择钻铤,钻铤外径279.4mm，内径76.2mm，均重qc=445.5kg/m。 此时KB1

ρd1.1661-0.85，最大钻压Wmax5t，SN=1.15

ρs7.8

SNWMAX1.155100015.18

15.18，所用根数为n1.65(根)。 qcKB445.50.859.15

则钻铤长度为Lc

从而实际用2根钻铤，钻铤实际度为Lc9.15218.3m。

2. 钻杆长度计算及安全校核

查《钻井工具手册》选择钻杆，钻杆外径127mm，内径108.6mm，均重

qp29.20kg/m,钢级E级，钻杆抗拉强度Fy2465.8MPa，安全系数为St1.18

钻杆长度LpD19.15n60-9.15241.7m根数n计算最大安全静拉载荷为： ① 安全系数法Fa1

0.9FyStσyσt



0.92465.8

1880KN

1.18

41.7

，实际取4根。 4.55（根）

9.15

② 设计系数法： 1.42

Fa2

0.9Fyσy/σt



0.92465.8

1562.8KN

1.42

③ 拉力余量法：取拉力余量MOP=250KN

Fa30.9FyMOP0.92465.82501969.22KN

比较三种安全校核知设计系数法计算的值最小，作为抗拉安全强度Fa=Fa2=1562.8KN。 则钻杆许用长度为

Fa-qcLcgKB1562.8445.527.459.80.85103

Lp6006m60m

qpKB29.209.80.85103

钻杆长度

LpD19.15n60-9.15241.7m 根数n。

41.7

，实际取4根Lp=49.15=36.6m 4.55（根）

9.15

4.2.2 二次开钻钻具组合

60-200井段

1．钻铤长度的确定

允许最小钻铤外径=2倍套管接箍外径-钻头直径 =365.12—347.6=382.6mm

查《钻井工具手册》选择钻铤,钻铤外径279.4mm，内径76.2mm，均重qc=445.5kg/m。 此时KB1

ρd1.1941-0.85，最大钻压Wmax=15t，SN=1.15

ρs7.8

则钻铤长度为Lc

SNWMAX1.1515100045.55

45.55，所用根数为n 4.9(根)。qcKB445.50.859.15

从而实际用5根钻铤，钻铤实际度为Lc9.15545.75m。

2. 钻杆长度计算及安全校核

查《钻井工具手册》选择钻杆，钻杆外径127mm，内径108.6mm，均重

qp29.20kg/m,钢级E级，钻杆抗拉强度Fy2465.8MPa，安全系数为St1.18

钻杆长度LpD19.15n200-9.155154.25m根数n16根。

计算最大安全静拉载荷为： ① 安全系数法Fa1

0.9FyStσyσt

154.25

，实际取16.86（根）

9.15



0.92465.8

1880KN

1.18

② 设计系数法： 1.42

Fa2

0.9Fyσy/σt



0.92465.8

1562.8KN

1.42

③ 拉力余量法：取拉力余量MOP=250KN

Fa30.9FyMOP0.92465.82501969.22KN

比较三种安全校核知设计系数法计算的值最小，作为抗拉安全强度Fa=Fa2=1562.8KN。 则钻杆许用长度为

Fa-qcLcgKB1562.8445.573.29.80.85103

Lp5308m200m 3

qpKB29.209.80.8510

钻杆长度

LpD19.15n200-9.155154.25m

根数n

154.25

，实际取16根Lp=169.15=146.4m 16.86（根）

9.15

。

200-700m井段

1．钻铤长度的确定

允许最小钻铤外径=2倍套管接箍外径-钻头直径 =269.92—311.1=228.7mm

查《钻井工具手册》选择钻铤,钻铤外径241.3mm，内径76.2mm，均重qc=321.8kg/m。 此时KB1

ρ1.3261-0.83，最大钻压Wmax=15t，SN=1.15

ρs7.8

SNWMAX1.1515100064.58

64.58，所用根数为n 7.05(根)。qcKB321.80.839.15

则钻铤长度为Lc

从而实际用8根钻铤，钻铤实际度为Lc9.15873.2m。

2. 钻杆长度计算及安全校核

查《钻井工具手册》选择钻杆，钻杆外径127mm，内径108.6mm，均重

qp29.20kg/m,钢级E级，钻杆抗拉强度Fy2465.8MPa，安全系数为St1.18

钻杆长度LpD19.15n700-9.158626.8m根数n根。

计算最大安全静拉载荷为： ① 安全系数法Fa1

0.9FyStσyσt

626.8

，实际取6868.（根）5

9.15



0.92465.8

1880KN

1.18

② 设计系数法： 1.42

Fa2

0.9Fyσy/σt



0.92465.8

1562.8KN

1.42

③ 拉力余量法：取拉力余量MOP=250KN

Fa30.9FyMOP0.92465.82501969.22KN

比较三种安全校核知设计系数法计算的值最小，作为抗拉安全强度Fa=Fa2=1562.8KN。 则钻杆许用长度为

Fa-qcLcgKB1562.8321.873.29.80.83103

Lp5637m200m

qpKB29.209.80.85103

钻杆长度

LpD19.15n700-9.15862.68m

根数n。

626.8

，实际取68根Lp=689.15=622.2m 68.（根）5

9.15

4.2.3 三次开钻钻具组合

700-1920井段

1．钻铤长度的确定

允许最小钻铤外径=2倍套管接箍外径-钻头直径 =153.72—200=107.4mm

查《钻井工具手册》选择钻铤,钻铤外径165.1mm，内径57.2mm，均重qc=147.5kg/m。 此时KB1

ρd1.4561-0.813，最大钻压Wmax=15t，SN=1.15

ρs7.8

SNWMAX1.15151000143.8

143.8m，所用根数为n 15.7(根)。qcKB147.50.8139.15

则钻铤长度为Lc

从而实际用16根钻铤，钻铤实际度为Lc9.1516146.4m。

2. 钻杆长度计算及安全校核

查《钻井工具手册》选择钻杆，钻杆外径127mm，内径108.6mm，均重

qp29.20kg/m,钢级E级，钻杆抗拉强度Fy2465.8MPa，安全系数为St1.18

钻杆长度LpD19.15n1920-9.15161773.6m根数n193根。

计算最大安全静拉载荷为： ① 安全系数法Fa1

0.9FyStσyσt



0.92465.8

1880KN

1.18

1773.6

，实际取193.（根）8

9.15

② 设计系数法： 1.42

Fa2

0.9Fyσy/σt



0.92465.8

1562.8KN

1.42

③ 拉力余量法：取拉力余量MOP=250KN

Fa30.9FyMOP0.92465.82501969.22KN

比较三种安全校核知设计系数法计算的值最小，作为抗拉安全强度Fa=Fa2=1562.8KN。 则钻杆许用长度为

Fa-qcLcgKB1562.8147.5146.49.80.813103

Lp5977m1773.6m

qpKB29.209.80.813103

钻杆长度

LpD19.15n1920-9.15161773.6m 根数n

1773.6

，实际取193根实际钻杆长Lp=1939.15=1765.95m 193.（根）8

9.15

4.3 钻柱设计结果

表4—1 钻柱设计结果

第5章 钻井水力参数的设计

5.1 钻井水力参数的计算公式

5.1.1 确定最小排量

Va0.6m/s Qπ22

a40

dhdpva （5-1）

式中：Va为最低环空返速，m/s；

dh,dp分别为井径和钻柱外径，cm； Qa为携岩屑的最小排量，L/s。

5.1.2 获得最大钻头水功率时临界井深计算公式

1. 第一临界井深

Dprcr1

0.357mQ1.8n

rm

式中：p为泵的额定压力，MPa； Q为额定排量，L； n和m为相关系数。

2. 第二临界井深

Drcr2

0.357pmQ1.8

n

am

式中：Qa为使岩屑上返的最小泵排量，Ls；

5.1.3 有关压耗系数计算公式

K0.80.2L

1

L2

g0.5165d5

pvd4L3.8L4d4.88 4.8

12d43d.4

5-2）5-3）5-4） （ （ （

B0.57503 （5-5） KpL31.8ddhdpdpdh

0.8

d

0.2pv4.8

pi

B0.57503

 （5-6） KcL 31.8

dddddhcch

0.8

d

0.2pv4.8

ci

m

0.80.2dpv4.8

pi



0.57503B （5-7） 31.8

ddhdpdpdh

nK L （5-8）gKcm c式中：d为钻井液密度,gcm3；



pv

为钻井液塑性粘度,Pas；

L1、L、L、L4d1、d2、d3、d423

和分别为地面高压管线、立管、水龙带、方

L为钻杆总长度,m；

钻杆的长度和内径，长度单位为m，内径单位为cm。

B为常数，内平钻杆取B； 0.51655

d

p为钻杆内径,cm；

d为钻杆外径,cm；

dh为井径,cm； L为钻铤长度，m；

d为钻铤外径,cm； dc为钻铤内径,cm；

5.2 水力参数计算

5.2.1 一开水力参数设计

查得的已知参数： ρd1.166g/cm3，μPV0.018Pas，B0.51655，dpi=10.86cm，

dp12.7cm, dc=27.94cm dci=7.62cm， dh=50.8cm，Lc=18.3m，

C0.98，L1=13.7m，L2=13.7m,L3=13.7，L4=12.2m，d1=10.16cm

d2=10.16cm,d3=7.62cm,d4=10.16cm

1. 确定最小排量、最大允许排量及选泵：

已知 环空最小返速va0.6m/s,最大返速vmax1.2m/s。 最小排量：

Qa

π23.14dh-d250.82-12.720.6113.95L/s pva4040π23.14

dh-d2v50.82-12.721.2227.9L/s pmax4040



最大排量： Qmax



选择缸套直径为180mm的型号为SL3NB—1300A的钻进泵4台并联使用，因此额定排量为Qr46.54186L/s，额定泵压为pr19MPa。 2 . 有关参数计算

由公式（5-4）可知

LL3L2L4.0.80.2

Kg0.51655ρdμPV41.54.54.54.5d2d3d4d1

13.713.712.213.7

0.516551.1660.80.0180.24.5

10.164.57.624.510.164.510.16

=6.651510-4

由公式（5-6）可知

B0.57503.0.80.2

Kcρd μPVLc4.831.8dd-dddcihcch

0.516550.57503 1.1660.80.0180.218.3 50.8-27.9427.9450.87.62

2.710-4

由公式（5-7）可知 m

0.80.2

dpv4.8

pi

B0.57503 31.8ddhdpdpdh

0.516550.57503

1.1660.80.0180.24.831.810.8650.8-27.9427.9450.82.70106

由公式（5-8）可知

nKgKcmLc

6.65110-42.710-4-2.710-618.3 8.8610-4

第一临界井深：

 Dcr1

0.35p7nr

 1.8

mQmr

0.357198.8610-4

- 

2.70101862.70106m -12.1

第二临界井深： Dcr2

0.357prn

 1.8

mQam

0.357198.8610-4

- 

2.7010-6113.951.82.7010-6

170.65m

第一临界井深在地面，第二临界井深在0-60m井段之下 试算

选SL3NB-1300A泵缸套直径Φ180柴油机转速为1400rpm，3台并联使用，这时的排量为340.34=121.02L/s

D

0.357prn

- 1.8

mmQr

0.357198.8610-4

- 

2.710-6130.321.82.710-6

=63.6m

因此在0-60m段使用SL3NB-1300A泵缸套直径Φ180柴油机转速为1400rpm，3台并联使用，最优排量 Qop=121.02L/s。 钻头压降

Λpbpr-Δpcs

1.8

pr-mDnQop

19-2.710-6608.8610-4121.021.8 13.11MPa

钻头水功率

PbΔpbQop13.11121.021586.6KW 比水功率 Ps

Pb1586.6

0.78KW/c2m 2dh50.8244

喷嘴当量直径：

dne2

0.081ρdQop

C2Δpb

2

0.0811.166121.023.24cm

0.98213.11

若安装三个等径喷嘴，则每个喷嘴直径：

dn

dne33.243

1.87cm

5.2.2 二开水力参数设计

60-200m井段

查得已知参数：ρd1.194g/cm3，μPV0.018Pas，B0.51655，dpi=10.86cm，

dp12.7cm, dc=27.94cm dci=7.62cm， dh=34.76cm，Lc=45.65m，

C0.98，L1=13.7m，L2=13.7m,L3=13.7，L4=12.2m，d1=10.16cm

d2=10.16cm,d3=7.62cm,d4=10.16cm

1.确定最小排量、最大允许排量及选泵：

已知 环空最小返速va0.6m/s,最大返速vmax1.2m/s。 最小排量：

Qa

π223.14dh-dpva34.762-12.720.649.24L/s 4040π223.14

dh-dpvmax34.762-12.721.298.49L/s 4040



最大排量： Qmax



选择缸套直径为Φ180转速为1500rpm的型号为SL3NB—1300A的钻进泵2台并联使用，因此额定排量为Qr46.54293.08L/s，额定泵压为pr19MPa。 2 . 有关参数计算

由公式（5-4）可知

LL3L2L4.0.80.2

Kg0.51655ρdμPV41.54.54.54.5d2d3d4d1

13.713.712.213.7

0.516551.1940.80.0180.24.5

10.164.57.624.510.164.510.16

=7.0310-4

由公式（5-6）可知

Kc

0.516550.57503

1.1940.80.0180.245.754.8

34.76-27.94327.9434.761.87.627.3710-4

.0.80.2

ρdμPVLc

B0.57503

4.831.8dd-dddhcchci

由公式（5-7）可知 m

0.80.2

dpv4.8

pi

B0.57503 31.8dddddhpph

0.516550.57503

1.1940.80.0180.24.831.810.8634.76-27.9427.9434.763.39106

由公式（5-8）可知

nKgKcmLc

7.0310-47.0710-4-3.3910-645.75 1.56510-3

第一临界井深： Dcr1

0.357prn

 mQr1.8m

0.357191.56510-3

- 

3.3910-693.081.83.3910-6

110.19m

第二临界井深： Dcr2

0.357prn

 1.8

mQam

0.357191.56510-3

- 

3.3910-649.241.83.3910-6

1337.4m

60-110m井段，在第一临界井深以上，因此， Qop=Qr=93.08L/s。 钻头压降

Λpbpr-Δpcs

1.8

pr-mDnQop

19-3.3910-61101.56510-393.081.8 12.22MPa

钻头水功率

PbΔpbQop12.2293.081137.4KW 比水功率 Ps

Pb1137.4

1.20KW/c2m 2dh34.76244

喷嘴当量直径：

dne2

0.081ρdQop

C2Δpb

2

0.0811.19493.082.9cm 2

0.9812.22

若安装三个等径喷嘴，则每个喷嘴直径：

dn

dne2.91.68cm

200m在第二临界井深以上，因此110-200m井段进行分段试算

选用缸套直径为Φ180转速为1400rpm的型号为SL3NB—1300A的钻进泵2台并联使用，因此额定排量为Qr43.44286.88L/s，额定泵压为pr19MPa

D

0.357prn

- 1.8

mmQr

0.357191.565103

 

3.3910686.881.83.39106

185.89m

故110-185.89m井段的最优排量为Qop=86.88L/s 钻头压降

Λpbpr-Δpcs

1.8

pr-mDnQop

19-3.3910-6185.891.56510-386.881.8 12.22MPa

钻头水功率

PbΔpbQop12.2286.881061.7KW 比水功率 Ps

Pb1061.7

1.12KW/c2m 22dh34.7644

喷嘴当量直径：

dne2

0.081ρdQop

C2Δpb

0.0811.19486.8822.8cm

0.98212.22

若安装三个等径喷嘴，则每个喷嘴直径：

dn

dne2.81.62cm

选用缸套直径为Φ170转速为1500rpm的型号为SL3NB—1300A的钻进泵2台并联使用，因此额定排量为Qr41.52283.04L/s，额定泵压为pr21MPa

D

0.357prn

- 1.8

mmQr

0.357211.565103

 

3.3910683.041.83.39106

5m 31.4

故185.89-200m井段的最优排量为Qop=83.04L/s

钻头压降

Λpbpr-Δpcs

1.8

pr-mDnQop

19-3.3910-62001.56510-383.041.8 12.61MPa

钻头水功率

PbΔpbQop12.6183.041047.1KW 比水功率

Ps

Pb1047.1

1.10KW/c2m 22dh34.7644

喷嘴当量直径：

dne2

0.081ρdQop

C2Δpb

2

0.0811.19483.042.7cm 2

0.9812.61

若安装三个等径喷嘴，则每个喷嘴直径：

dn

dne2.73

1.56cm

200-700m井段

查得已知参数：ρd1.326g/cm3，μPV0.018Pas，B0.51655，dpi=10.86cm，

dp12.7cm, dc=24.13cm dci=7.62cm， dh=31.11cm，Lc=73.2m，

C0.98，L1=13.7m，L2=13.7m,L3=13.7，L4=12.2m，d1=10.16cm

d2=10.16cm,d3=7.62cm,d4=10.16cm

1.确定最小排量、最大允许排量及选泵：

已知 环空最小返速va0.6m/s,最大返速vmax1.2m/s。 最小排量：

Qa

π223.14dh-dpva31.112-12.720.637.99L/s 4040π223.14dh-dpvmax31.112-12.721.275.98L/s 4040



最大排量： Qmax



选择缸套直径为Φ180转速为1200rpm的型号为SL3NB—1300A的钻进泵2台并联使用，因此额定排量为Qr37.24274.48L/s，额定泵压为pr19MPa。 2 . 有关参数计算

由公式（5-4）可知

LL3L2L4.0.80.2

Kg0.51655ρdμPV41.54.54.54.5d2d3d4d1

13.713.712.213.7

0.516551.3260.80.0180.24.5

10.164.57.624.510.164.510.16

=7.6510-4

由公式（5-6）可知

B0.57503.0.80.2

Kcρd μPVLcdh-dcdcdhdci

0.516550.57503

1.3260.80.0180.273.24.831.87.6233.11-24.1333.1124.131.2910-3

由公式（5-7）可知 m

0.80.2

dpv4.8

pi

B0.57503 31.8ddhdpdpdh

0.516550.57503

1.3260.80.0180.24.831.810.8631.11-24.1331.1124.133.79106

由公式（5-8）可知

nKgKcmLc

7.6510-412.910-4-3.7910-673.2 1.77810-3

第一临界井深：

 Dcr1

0.35p7nr

 1.8

mQmr

0.357191.77810-3

- 

3.7910-674.481.83.7910-6

295m

第二临界井深： Dcr2

0.357prn

 1.8

mQam

0.357191.77810-3

-  -61.8

3.791037.993.7910-6

7 209m

因此200-295m井段的最优排量Qop=74.48L/s 钻头压降

Λpbpr-Δpcs

1.8

pr-mDnQop

19-3.7910-62951.77810-374.481.8 12.22MPa

钻头水功率

PbΔpbQop12.2274.48910.1KW 比水功率 Ps

Pb910.1

1.20KW/c2m 22dh31.1144

喷嘴当量直径：

dne2

0.081ρdQop

C2Δpb

0.0811.32674.4822.7cm 2

0.9812.22

若安装三个等径喷嘴，则每个喷嘴直径：

dn

dne2.81.56cm

295-700m采用试算的方法

选择缸套直径为Φ160转速为1500rpm的型号为SL3NB—1300A的钻进泵2台并联使用，因此额定排量为Qr36.78273.56L/s，额定泵压为pr24MPa。

D

0.357prn

- 1.8

mmQr

0.357241.778103

 

3.7910673.561.83.79106567.9m

故295-568m选缸套直径为Φ160转速为1500rpm的型号为SL3NB—1300A的钻进泵2台并联使用，最优排量为Qop=73.56L/s

选择缸套直径为Φ160转速为1400rpm的型号为SL3NB—1300A的钻进泵2台并联使用，因此额定排量为Qr34.32268.64L/s，额定泵压为pr24MPa。

D

0.357prn

- 1.8

mmQr

0.357241.778103

 

3.7910668.641.83.79106648m

故568-648m选缸套直径为Φ160转速为1400rpm的型号为SL3NB—1300A的钻进泵2台并联使用，最优排量为Qop=68.64L/s 钻头压降

Λpbpr-Δpcs

1.8

pr-mDnQop

24-3.7910-66481.77810-368.641.8 15.42MPa

钻头水功率

PbΔpbQop15.4268.641058KW 比水功率 Ps

Pb1058

1.39KW/c2m 2dh31.11244

喷嘴当量直径：

dne2

0.081ρdQop

C2Δpb

2

0.0811.32668.642.4cm 2

0.9815.42

若安装三个等径喷嘴，则每个喷嘴直径：

dn

dne2.41.39cm

选择缸套直径为Φ150转速为1500rpm的型号为SL3NB—1300A的钻进泵2台并联使用，因此额定排量为Qr32.32264.64L/s，额定泵压为pr27MPa。

D

0.357prn

- 1.8

mmQr

0.357271.778103

  61.86

3.791064.643.7910932m

故648-700m选缸套直径为Φ150转速为1500rpm的型号为SL3NB—1300A的钻进泵2台并联使用，最优排量为Qop=64.64L/s 钻头压降

Λpbpr-Δpcs

1.8

pr-mDnQop

27-3.7910-67001.77810-364.641.8 23.77MPa

钻头水功率

PbΔpbQop23.7764.641536KW 比水功率 Ps

Pb1536

2.02KW/cm2 2dh31.11244

喷嘴当量直径：

dne2

0.081ρdQop

C2Δpb

0.0811.32664.6422.1cm

0.98223.77

若安装三个等径喷嘴，则每个喷嘴直径：

dn

dne2.11.21cm

5.2.3 三开水力参数设计

查得已知参数：ρd1.456g/cm3，μPV0.023Pas，B0.51655，dpi=10.86cm，

dp12.7cm, dc=16.51cm dci=7.14cm， dh=20cm，Lc=91.5m，

C0.98，L1=13.7m，L2=13.7m,L3=13.7，L4=12.2m，d1=10.16cm

d2=10.16cm,d3=7.62cm,d4=10.16cm

1.确定最小排量、最大允许排量及选泵：

已知 环空最小返速va0.6m/s,最大返速vmax1.2m/s。 最小排量：

Qa

π223.14dh-dpva202-12.720.611.24L/s 4040π223.14dh-dpvmax202-12.721.222.48L/s 4040



最大排量： Qmax



选择缸套直径为Φ150转速为1000rpm的型号为SL3NB—1300A的钻进泵1台因此额定排量为Qr21.55L/s，额定泵压为pr27MPa。 2 . 有关参数计算

由公式（5-4）可知

LL3L2L4.0.80.2

Kg0.51655ρdμPV41.54.54.54.5d2d3d4d1

13.713.712.213.7

0.516551.4560.80.0230.24.5

10.164.57.624.510.164.510.16

=8.6510-4

由公式（5-6）可知

B0.57503.0.80.2

Kcρd μPVLc4.831.8dd-dddcihcch

0.516550.57503 1.4560.80.0230.2146.4 4.831.820-16.512016.517.14

5.7610-3

由公式（5-7）可知 m

0.80.2

dpv4.8

pi

B0.57503 31.8ddhdpdpdh

0.2

0.516550.57503

1.4560.0234.831.820-16.512016.5110.86

0.8

1.6710-5

由公式（5-8）可知

nKgKcmLc

8.6510-45.7610-3-1.6710-5146.4 4.1210-3

第一临界井深：

 Dcr1

0.35p7nr

 1.8

mQmr

0.357274.1210-3

-  -51.8-5

1.671021.551.6710

9 204m

全井深度小于第一临界井深，因此700-1920m段井的最优排量为21.55L/s。 钻头压降

Λpbpr-Δpcs

1.8

pr-mDnQop

27-1.6710-519204.1210-321.551.8 17.91MPa

钻头水功率

PbΔpbQop17.9121.55385.9KW 比水功率 Ps

Pb386.9

1.23KW/c2m 22dh2044

喷嘴当量直径：

dne2

0.081ρdQop

C2Δpb

0.0811.45621.5521.3cm

0.98217.91

若安装三个等径喷嘴，则每个喷嘴直径：

dn

dne1.30.77cm

5.3 泵的设计结果

表5-1 泵的设计参数表

注：三个等径喷嘴

第6章 注水泥设计

6.1 水泥浆的排量的确定

6.1.1 确定排量的计算公式

流性指数

n3.32log

600

 300

稠度系数

K

N3001.066

10051n1

式中 600600r/min时测得的读值，取20； 300300r/min时测得的读值，取15； 环空临界流速

1

n

N962-n

ReK V

deK

1.86ρ 



式中 NRe—环空雷诺数，无因次； 水泥浆密度，g/cm3 de—当量直径，m 环空临界排量

（6-1） （6-2）6-3）

（

QK实际排量



40

2(D2D12)VK （6-4）

Q1.Q5K

6.1.2 封固表层套管水泥浆排量

n=0.4148，K=0.2407，NRe=2100，D1=40.64cm，D2=50.8cm ，ρ1.7g/cm3 当量直径

2

deD2D1250.8240.64230.48cm

临界流速

1

2-n

96NReK

de VK

1.86ρ

n



9621000.2407

0.3

1.861700



1.42m/s

0.4148

1

2-0.4148



环空临界排量

QK



40

2

(D2D12)VK

π

50.82-40.6421.42 40 103.5L/s



实际排量

s Q1.5QK1.5103.5155.25L/

6.1.3 封固中间套管水泥浆排量

D1=33.97cm，D2=34.76cm,de=7.37cm 临界流速

1

2-n

96NReK

de VK

1.86ρ

n



9621000.2407

0.0737

1.861700



2.06m/s

0.4148

1

2-0.4148



环空临界排量

QK



40

2

(D2D12)VK

π

34.762-33.9722.06 40 8.78L/s



实际排量

Q1.5QK1.58.7813.17L/ s

D1=24.45cm，D2=31.11cm,de=19.24cm 临界流速

96NReK

de VK

1.86ρ

n

12-n



9621000.2407

0.1924

1.861700



1.60m/s

0.4148

12-0.4148



环空临界排量

QK



40

2

(D2D12)VK

π

31.112-24.4521.6 40 46.5L/s



实际排量

Q1.5QK1.546.569.75L/ s

6.1.4 封固油层套管水泥浆排量

D1=14.64cm，D2=20cm,de=13.63cm 临界流速

1n2-n

96NReK

de VK

1.86ρ



1

0.4148

21000.2407962-0.4148

 

0.1363

1.861700







1.75m/s

环空临界排量

QK



40

(D2

22D1)VK

π



40202-14.642

1.75 25.5L/s实际排量

Q1.5QK1.525.538.25L/ s

6.2 注水泥浆井口压力

6.2.1 井口压力计算相关公式

注水泥时压力的计算 井口压力

p井口=pf管+pf环+p静环p静管 式中 pf管套管内浆体流动压力，Mpa； pf环环空内浆体流动压力，Mpa； p静环环空内静夜柱压力，Mpa； p静管套管内静夜柱压力，Mpa；

6-5） （

pf管=

0.2fpVp2L

D

（6-6）

0.2faVa2L

pf环= （6-7）

D2D1式中 L套管或环空计算长度，m Vp、Va管内、环空流速，m/s

D、D1、D2分别为管内、外径及井径，cm 内摩擦系数fp、fa 层流区

fp

16R；f24

aR epea

紊流区

fp

aR；fb

a epRea

式中 a

(long

3.950；3 ) b

(1.75

lnog7

；

) Rep、Re分别为套管内及环空雷诺数。a 套管内雷诺数

R108001n

dnv

2n

i

ep



K(4n

)

n式中

（6-8） （6-9） 6-10）

（

di套管内径，cm；

v套管内浆体流速，m/s 浆体密度，g/cm3 环空雷诺数

1012001n(Dd)nv

Rea

2n1nK()

3n式中

D井眼直径，cm d套管外径，cm； 静液压力

2n



（6-11）

p静管(环)=0.0 （6-12） 1 H式中 浆体密度，g/cm3 H浆体高度，m

6.2.2表层套管注水泥浆井口压力的确定

管内为清水，n1,K0.001；环空内为水泥，n10.75855,K10.058599；

D44.45cm，d33.97cmdi=32.04cm，清水密度1g/cm3，水泥浆密度

11.86g/cm3，钻井液密度20.99g/cm3。

环空流速

v11.5vk=1.50.2810.422(m/s)

套管内流速

v2

Q

4

=

di2

27.171

0.338(m/s)

32.04240

套管内雷诺数

108001ndinv1

Rep

nK()

4n

2n





1080032.040.3381

3111

0.001)

41

1080302000 因此管内为紊流状态。

a

(logn3.93)(log13.93)

0.0786

5050

fp

a0.0786

7.75107； Rep108030

套管内浆体流动压力

0.2fpVp2L

D

pf管=

0.27.751070.33821200



32.04

7

1.0 pa)310(M

套管内静夜柱压力

p静管=0.01H=0.011.0200=2(Mpa)

环空水泥浆雷诺数