中国石油大学华东钻井工程课后题答案.docx
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中国石油大学华东钻井工程课后题答案
第一章钻井的工程地质条件()
1、简述地下各种压力的基本概念及和答:
P6~P8
2、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。
解:
根据,地层压力pp0.00981pD
地层压力当量密度p
pp0.00981D251.274(g/m3)0.0098120001
6、某井井深2500m,钻井液密度1.18g/cm3,若地层压力27.5MPa/m,求井底压差。
解:
静液压力:
P61-1
Ph0.00981h0.009811.18250028.94(MPa)
井底压差:
PPhPh28.9427.51.44(MPa)
7、某井井深3200m,产层压力为23.1MPa,求产层的地层压力梯度。
解:
/
参考pp0.00981pD
或Gp
pp
Dphh产层压力梯度:
Gp
23.10.00722(MPa/m)3200
8、某井钻至2500m,钻头D=215mm,钻压W=160KN,钻速n=110r/min,机械钻速7.3m/h,钻井液密度1.28g/cm3,正常条件下钻井液密度1.07g/cm3,求d和dc指数。
0.05477.3
1.8868d指数:
dlglgdb215lglg0.0547vpc
dc指数:
dcd
n1.071.88681.5772d1.28
12、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
(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
2
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pL=5.9MPa,井则井深2000m处,地层压力35.0MPa,对应的钻井液密度为:
ppp
0.00981D35.01.784(g/cm3)0.009812000
③比较两当量密度:
pf
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)
①计算1000m处的地层破裂压力:
pfpL0.00981dD5.90.009811.15100017.18(MPa)
②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。
3
地层压力:
pp0.00981pD则井深2000m处,地层压力35.0MPa,对应的钻井液密度为:
hppp
0.00981D35.01.784(g/cm3)0.009812000
③钻开油层时,1000m处的静液柱压力:
ph0.00981hD0.00911.784100017.50(MPa)
④比较两个压力:
由于phpf,则地层被压漏。
解法3:
①计算地层破裂压力当量密度:
fdpL5.91.151.751(g/cm3)0.00981D0.009811000
②破裂压力当量密度在2000m处能产生的静液柱压力:
ph0.00981hD0.00911.751200034.47(MPa)
③比较两个压力:
由于phpp,说明该密度的钻井液在井底产生的静液压力不能平衡地层压力;如果采用平衡压力钻井方式钻开2000m处油气层,所需钻井液密度必定要高于套管鞋处地层破裂压力当量密度,则地层被压漏。
第1章补充复习题:
1、名词解释:
地层破裂压力、岩石的强度、岩石的可钻性
4
第二章钻进工具(P98-99)
7、牙轮的超顶、移轴和复锥各产生哪个方向的滑动?
(P53-54)
答:
超顶和复锥产生切向滑动,可以剪切掉同一齿圈相邻牙齿之间的岩石;移轴产生轴向滑动,可以剪切掉相邻齿圈之间的岩石。
16、PDC钻头是怎样破碎岩石的?
适用于什么样的地层?
答:
(1)工作原理:
与刮刀钻头基本相同。
主要以切削、剪切和挤压方式破碎岩石,具体方式取决于钻头的切削结构及所钻地层的岩性。
(2)适用地层砾石的地层不能使用PDC钻头。
18、钻柱主要由哪几部分组成?
其主要功用有哪些?
答:
23、井下钻柱受到哪些力的作用?
最主要的作用力是什么?
答:
。
24、何为钻柱的中性点?
为什么要保证中性点落在钻铤上?
答:
。
25、钻柱的哪些部位受力最严重?
最主要的作用力是什么?
(P91)
答:
(1)钻进时:
钻柱下部受力最为严重,同时受到轴向压力、扭矩和弯曲力矩作用。
井口处钻柱受力比较严重,所受拉力、扭矩都最大。
(2)起下钻时:
井口处受力最严重,受到最大拉力。
31、某井用91/2in钻头,7in钻铤(qc1632N/m)和5in钻杆(qp284.78N/m),设计钻压为180kN,钻井液密度1.28g/cm3,试计算所需钻铤长度。
3解:
(1)浮力系数:
KB1b1.2810.836s7.8
(2)取安全系数SN=1.2钻铤长度:
LNWSN1801.2189.70(m)qckBcos1.3620.836
若此井为直井,则需要钻铤长度为189.70m。
5
332、已知:
井深Dv1500m,钻压W14t,钻井液密度为d1.38g/cm;
钻具结构:
81/2in钻头+61/2in钻铤200m(qc136.24kg/m)+5in钻杆1300m(qp29.04kg/m)。
求中性点所在井深。
解:
(1)浮力系数:
KB1d1.3810.823s7.8
W14103
124.86(m)
(2)中性点位置:
LNqcKB136.240.823
(3)中性点所在井深:
DvLN1500124.861375.14(m)
34、某井用121/4in钻头钻至3500m,试进行钻柱设计。
13已知:
钻头直径db12/4in,井深D3500m;钻井液密度d1.23g/cm;
钻压W200kN;拉力余量MOP450kN;安全系数St1.30;
卡瓦长度Ls406.4mm;正常润滑;井斜角6。
库存钻具:
9in钻铤(qc2860N/m)27m;7in钻铤(qc1632N/m)81m;
61/4in钻铤(qc1362.4N/m)供应充足;
E级5in钻杆(qp284.78N/m)900m;
95(X)及105(G)级5in钻杆(qp284.78N/m)供应充足。
解:
(1)选择钻铤
查表2-21(P91,“钻头尺寸与钻柱尺寸配合”):
121/4in钻头首选9in钻铤。
浮力系数:
KB1d1.2310.842P87、式(2-3)s7.8
取安全系数SN1.20P92、式(2-12)则钻铤长度:
LcSNW1.20200100.21(m)27(m)qckBcos2.8600.842cos6
6
计算长度Lc100.21m大于库存量(27m),则实际长度Lc127m。
除了9in钻铤、还要选1~2段尺寸较小的钻铤,组成“塔式钻具组合”(直井防斜打直)。
中性点(P87):
“钻柱上轴向力等于0的点”。
W(qciLci)kBcos
i1n
钻铤长度的确定原则:
“保持中性点始终处在钻铤上”。
WmaxSN(qciLci)kBcos
i1n
各段钻铤长度的计算公式如下:
SNWmaxn1
(qciLci)SNWmaxqLqc2Lc2qcn1Lcn1kcosi1LcnBc1c1
qcnqcnkBcosqcn
第2段钻铤选择7in钻铤,则该段钻铤的计算长度为:
Lc2SNWmaxqL1.202002.86027.0c1c1128.30(m)qc2kBcosqc21.6320.842cos61.632
计算长度Lc2128.30m仍然大于库存量(81m),则实际长度Lc281.0m。
除了9in钻铤、7in钻铤,还要使用61/4in钻铤,计算长度为:
Lc3
SNWmaxLqLc2qc2c1c1qc3kBcosqc31.2020027.02.86081.01.63256.68(m)1.3620.842cos61.362
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Lc363.0m。
全部钻铤的总长度:
Lci27.081.063.0171.0(m)
i13
全部钻铤在空气中的重量:
(q
i13ciLci)2.86027.01.63281.01.36263.0295.22(kN)
3
全部钻铤的浮重:
(qciLci)kB295.220.842248.57(kN)
i
1
7
(2)选择第一段钻杆(接钻铤):
E级5in钻杆,线重qp1284.78N/m
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Fy11760.31kN。
A、计算最大安全静拉载荷:
P93-95、分3种情况计算,最后取最小值安全系数法:
0.91760.31Fa10.9Fy1/st1218.68(kN)1.3
设计系数法(卡瓦挤毁):
y0.91760.31Fa10.9Fy1/()1115.69(kN)t1.42
其中,据钻杆外径127.0mm,卡瓦长度Ls406.4mm及正常润滑条件,查表2-22y1.42。
x
拉力余量法:
Fa10.9Fy1MOP0.91760.314501134.28(kN)
显然,按卡瓦挤毁比值计算的最大安全载荷最小,取Fa11115.69kN。
B、计算最大许用长度:
Lp1qcLcFa11115.69295.223616.22(m)qp1KBqp1284.781030.842284.78103
因为库存量仅有900m,实取第1段钻杆长度Lp1900.0m。
(3)选取第2段钻杆:
95X级5in钻杆,线重qp1284.78N/m
同理:
①最小抗拉力Fy22229.71kN
②最大安全静拉载荷:
安全系数法:
Fa20.9Fy2/st0.92229.711543.65(kN)1.3
y0.92229.711413.20(kN)设计系数法(卡瓦挤毁):
Fa20.9Fy2/()t1.42
8
拉力余量法:
Fa20.9Fy2MOP0.92229.714501556.74(kN)实取最大安全静拉载荷Fa21413.20kN。
③最大许用长度:
Lp2
Fa2/KBqcLcqp1Lp1
qp2
3
1413.20/0.842295.22284.7810900
3956.12m
284.78103
因为总井深为3500m,实取第2段钻杆长度:
Lp2DLcLp13500.0168.09002432.0(m)。
设计钻柱组合列表如下:
第3章复习题:
1、钻井液的功用是什么?
P101-1022、名词解释:
井塌(P116)
9
第四章钻进参数优选(P165)
1、某井用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Af=2.33×10-3。
求牙齿磨损量hf。
解:
查表4-1(P130)、表4-2(P131),200mm241型钻头的有关数据:
Z10.0167,Z25.94,a10.9,a20.39210-4,C13Z=0.0167
1
牙齿磨损量:
P132、例4-1
112C1
hf
Af(a1na2n3)tf
Z2Z1WC1
2.33103(0.9700.392104703)14
123
5.940.0167196
3
0.52
2、某井用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。
轴承的磨损速度方程:
dB11.5
P133、式(4-15)WN
dtb
nW1.5t801961.5144.1106轴承工作系数:
bBf0.75
3、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λ。
解:
该表中实验点编号与表4-3(P134)不一致!
10
(1)验证试验是否成功:
P134、L6
PC1PC631303.2%15%PC131
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、W钻速方程:
vpcKR(WM)n1CpCH1C2h
转速nmax120r/min(第3、4点):
M1WminWmaxWmin254196vpc41963431.67(kN)vpc3vpc44634
转速nmin60r/min(第2、5点):
M2WminWmaxWmin254196vpc51962432.24(kN)vpc2vpc532.524则:
M1(M1M2)31.96(kN)2
(2)求转速指数:
钻压W固定,转速n变化-nmax、nmin
钻压Wmax254kN(第2、3点):
1lg(vpc2/vpc3)
lg(nmin/nmax)lg(32.5/46)0.1510.5016lg(60/120)0.301
钻压Wmin196kN(第4、5点):
1
则:
lg(vpc5/vpc4)lg(nmin/nmax)lg(24/34)0.1510.5016lg(60/120)0.3011(12)0.50162
4、某井用215.9mm钻头钻进,喷嘴流量系数C=0.96,钻井液ρd=1.42g/cm3,排量为16L/S,
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,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。
11
(1)射流水功率:
PjpjA0.418
421.592153.03(kW)0.05dQ3
射流水功率PjA02
0.05dQ30.051.42163
A01.3785(cm2)Pj153.03
喷嘴总面积A0
242(d12d2d32),又d19mm、d2d3;则另两个喷嘴的直径:
d1220.92
d2d3A01.37850.687(cm)6.87(mm)22
另两个喷嘴的实际直径d2d37.0mm。
喷嘴总面积:
A0
42(d12d2d32)
4(0.920.720.72)1.406(cm2)
(2)射流水力参数:
射流喷射速度:
vj10Q1016113.80(m/s)A01.406
1.42162
2.585(kN)P145、式(4-51)射流冲击力:
Fj100A01001.406dQ2
(3)钻头水力参数0.05dQ20.051.42162
pb9.977(MPa)钻头压降:
2222CA00.961.406
0.05dQ30.051.42163
159.63(kW)P147:
钻头水功率:
Pb式(4-53)C2A020.9621.4062
5、已知:
钻头直径215.9mm;钻铤外径177.8mm(P152、式(4-73),P153、式(4-80)
pgKgQ1.8Kgpg
Q1.80.3431.30352101.8(22.0)
据P153、式(4-82):
12
0.516550.575030.8.2Kcd0Lpvc4.831.8d(dd)(dd)cihchc
(1.2)0.8(0.022)0.20.516550.575031004.831.8(7.14)(21.5917.78)(21.5917.78)0.53993100(4.124401051.39836105)
2.98190103m0.8
d
0.80.2pvB0.575034.831.8d(dd)(dd)hphppi0.20.516550.57503(1.2)(0.022)4.831.8(10.86)(21.5912.7)(21.5912.7)
0.539930(5.509711061.41151106)
3.73697106
aKgKcmLc
1.303521032.981901033.736971061003.91172103
当井深D2000m时,钻杆长度Lp20001001900m。
循环系统压耗:
pL(mDa)Q1.8(3.7369710620003.91172103)221.8
0.01138566221.82.97(MPa)
8、已知:
钻头直径db215.9mm;喷嘴流量系数C0.98;
钻铤外径dc177.8mm(内径dci71.4mm)、长度Lc120m;
内平钻杆、外径dp127.0mm(内径dpi108.6mm);
钻井液密度d1.64g/cm3、塑性粘度pv0.047Pas;
排量Q22L/s;要求环空返速va0.7L/s;
地面管汇压耗系数Kg1.07103MPas1.8L1.8;
13
配备2台3NB-1000钻井泵;地面泵压不超过18Mpa;
当前井深D4000m。
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:
Va18.2418.240.515(L/s)ddh1.6421.59
要求环空返速va0.7L/s,则实取va0.7L/s
携岩要求最小排量:
Qa
422(dhdp)va
4(21.59212.72)0.716.76(L/s)
(2)计算环空压耗系数:
钻铤0.516550.575030.8.2Kcd0Lpvc4.831.8d(dd)(dd)cihchc
0.516550.57503(1.64)(0.047)1204.831.8(21.5917.78)(21.5917.78)(7.14)
0.80593120(4.124401051.39836105)0.80.2
5.34111103
(1.64)0.8(0.047)0.24.831.8(21.5912.7)(21.5912.7)(10.86)
0.80593(5.509711061.41151106)
5.57799106
aKgKcmLc
1.071035.341111035.577991061205.7404103
井深D4000m时压耗系数:
14
KLmDa5.5779910640005.74041030.028
(3)选择缸套直径
钻井泵排量QrQa(携岩要求的最小排量),要求16.7518.61(L/s)。
0.9
由P156、表4-6知,3NB-1000钻井泵、选择140mm缸套时:
额定排量Qr27.1L/s,额定泵压pr24.3MPa;考虑钻井泵上水效率,则
24.3×0.90=21.87MPa
27.1×0.90=24.39L/s
根据限定条件-“地面泵压以不超过18MPa较合适”,则:
泵的工作额定泵压Pr=18MPa,工作额定排量Qr=24.39L/s
(4)计算按最大钻头水功率方式下的临界井深
第一临界井深:
P159、式(4-96)
3pra185.740410Dpc--1.8m2.85.5779910624.391.85.577991062.8mQr
3.66991031.02911032639.48(m)
第二临界井深为:
Dpapra185.74041031.861.8m2.8mQa2.85.577991016.765.57799106
7.210141030.331791036214.37(m)
(5)计算优选排量
当前井深D4000m,DpcDDpa,则最优排量:
prQopt2.8KL11.8182.80.02811.820.49(L/s)
(6)确定喷嘴直径
当前井深D4000m处的循环压耗:
plKLQ1.80.02820.491.86.43(MPa)
15
或pl0.357pr18.00.3576.43(MPa)当量喷嘴直径:
P160、式(4-99)
de
0.126dQ
prC2
2opt
0.126dQ2pCr
2
opt
0.1261.6420.491.497(cm)
2180.98
2
1
4
(7)计算各水力参数
泵压:
pspr18(MPa)
钻头压降:
pbpspl186.4311.57(MPa)10Q1020.49
116.47(m/s)射流喷速:
Vj2A03.14
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- 中国 石油大学 华东 钻井 工程 课后 答案