中国石油大学华东钻井工程课后题答案.doc

第一章 钻井的工程地质条件（P41）1、简述地下各种压力的基本概念及上覆岩层压力、地层压力和基岩应力三者之间的关系。答：P6P82、简述地层沉积欠压实产生异常高压的机理。答：P10答：地层在沉积压实过程中，能否保持压实平衡主要取决于四个因素：（1）上覆岩层沉积速度的大小，（2）地层渗透率的大小，（3）地层孔隙减小的速度，（4）排出孔隙流体的能力。在地层的沉积过程中，如果沉积速度很快，岩石颗粒没有足够的时间去排列，孔隙内流体的排出受到限制，基岩无法增加它的颗粒和颗粒之间的压力，即无法增加它对上覆岩层的支撑能力。由于上覆岩层继续沉积，岩层压力增加，而下面的基岩的支撑能力并没有增加，孔隙流体必然开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P13、式（1-12），地层压力地层压力当量密度 6、某井井深2500m，钻井液密度1.18 g/cm3，若地层压力27.5MPa/m，求井底压差。解：井底压差井底钻井液液柱压力地层压力静液压力： P6、式（1-1）井底压差：7、某井井深3200m，产层压力为23.1MPa，求产层的地层压力梯度。解：地层压力梯度地层压力/井深参考P13、式（1-12），地层压力或P7、式（1-2），静液压力梯度 产层压力梯度：8、某井钻至2500m，钻头D215mm，钻压W160KN，钻速n110r/min，机械钻速7.3m/h，钻井液密度1.28 g/cm3，正常条件下钻井液密度1.07 g/cm3，求d和dc指数。解：据P15、式（1-16）、式（1-17） （注意：各变量的单位）d指数：dc指数：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（P28）；（2）随着围压增大，岩石表现出由脆性向塑性转变，并且围压越大，岩石破坏前所呈现的塑性也越大（P31）。补充题：某井将套管下至1000m固井后做漏失试验，测得漏失压力为pL=5.9MPa，井内泥浆密度为1.15g/cm3。继续钻进至2000m将钻遇油气层，预计油气层压力为35.0MPa。若采用平衡压力钻井方法钻穿油气层，能否压漏地层？（或是否需要下技术套管？）解：等价问题“钻2000m处油层时，使用的钻井液在1000m处产生的液柱压力是否会超过此处的地层破裂压力”。思路：（1）计算套管鞋处地层破裂压力当量密度，与钻开油层所需钻井液密度比较；（2）计算套管鞋处地层破裂压力，与钻开油层时该处的液柱压力比较；（3）计算套管鞋处地层破裂压力当量密度，以及采用该密度的钻井液钻开油层时井底液柱压力，与油层压力比较（4）计算当前密度的钻井液钻开油层时关井套压，与漏失试验的漏失压力比较。解法1：计算地层破裂压力的当量密度： P21、式（1-27）计算钻开油层所需要的钻井液密度：采用平衡钻井钻穿油气层，钻井液静液压力等于地层压力。地层压力： P13、式（1-12）则井深2000m处，地层压力35.0MPa，对应的钻井液密度为：比较两当量密度：采用平衡钻井钻穿油气层时，钻井液密度大于1000m处的地层破裂压力当量密度，而此处地层又没有用套管封隔，则地层被压漏。解法2：(比较1000m处的压力)计算1000m处的地层破裂压力：计算钻开油层所需要的钻井液密度：（同上）采用平衡钻井钻穿油气层，钻井液静液压力等于地层压力。地层压力： P13、式（1-12）则井深2000m处，地层压力35.0MPa，对应的钻井液密度为：钻开油层时，1000m处的静液柱压力：比较两个压力：由于，则地层被压漏。解法3：计算地层破裂压力当量密度： P21、式（1-27）破裂压力当量密度在2000m处能产生的静液柱压力：比较两个压力：由于，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（P45：）：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（P69）：软到中硬地层；地层必须是均质地层，以避免冲击载荷；含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：P73中、P73上。23、井下钻柱受到哪些力的作用？最主要的作用力是什么？ 答：P8690。24、何为钻柱的中性点？为什么要保证中性点落在钻铤上？ 答：P87下、P88中上。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（）和5in钻杆（），设计钻压为180kN，钻井液密度1.28g/cm3，试计算所需钻铤长度。解：钢材密度统一取（1）浮力系数： P87、式（2-3）（2）取安全系数SN1.2 P88、式（2-7）钻铤长度：若此井为直井，则需要钻铤长度为189.70m。32、已知：井深，钻压，钻井液密度为；钻具结构：81/2 in钻头61/2 in钻铤200m（）5in钻杆1300m（）。求中性点所在井深。解：（1）浮力系数: P87、式（2-3）（2）中性点位置： P88、式（2-7）（3）中性点所在井深：34、某井用121/4in钻头钻至3500m，试进行钻柱设计。已知：钻头直径，井深；钻井液密度；钻压；拉力余量；安全系数；卡瓦长度；正常润滑；井斜角。库存钻具：9in钻铤（）27m；7in 钻铤（）81m；61/4in钻铤（）供应充足;E级5in钻杆（）900m；95（X）及105（G）级5in钻杆（）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”）：121/4 in钻头首选9in钻铤。浮力系数： P87、式（2-3）取安全系数 P92、式（2-12）则钻铤长度：计算长度大于库存量（27m），则实际长度。除了9in钻铤、还要选12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”。 钻铤长度的确定原则（P92）：“保持中性点始终处在钻铤上”。各段钻铤长度的计算公式如下：第2段钻铤选择7in钻铤，则该段钻铤的计算长度为：计算长度仍然大于库存量（81m），则实际长度。除了9in钻铤、7in钻铤，还要使用61/4in钻铤，计算长度为：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。全部钻铤的总长度：全部钻铤在空气中的重量：全部钻铤的浮重：（2）选择第一段钻杆（接钻铤）：E级5in钻杆，线重据钻杆直径、钢级、线重（或壁厚），查表2-12（P75）、表2-14（P77），最小抗拉载荷。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： P95、式（220） 设计系数法（卡瓦挤毁）： P95、式（221）其中，据钻杆外径127.0mm，卡瓦长度及正常润滑条件，查表2-22（P94），得到防止卡瓦挤毁钻杆的设计系数。 拉力余量法： P95、式（222）显然，按卡瓦挤毁比值计算的最大安全载荷最小，取。B、计算最大许用长度：因为库存量仅有900m，实取第1段钻杆长度。（3）选取第2段钻杆： 95 X级5in钻杆，线重同理：最小抗拉力最大安全静拉载荷： 安全系数法： 设计系数法（卡瓦挤毁）： 拉力余量法：实取最大安全静拉载荷。最大许用长度：因为总井深为3500m，实取第2段钻杆长度：。设计钻柱组合列表如下：规范长度 /m空气中重 /kN第1段钻铤：9in，线重2.860kN/m2777.22第2段钻铤：7in，线重1.632kN/m81132.19第3段钻铤：61/2in，线重1.362kN/m6385.81第1段钻杆：5in，E级，线重284.78N/m900256.30第2段钻杆：5in，95 X级，线重284.78N /m2432692.59合计35001144.11第3章复习题：1、 钻井液的功用是什么？P101-102 2、 名词解释：井塌（P116）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=2.3310-3。求牙齿磨损量hf。解：查表41（P130）、表42（P131），200mm241型钻头的有关数据：Z1=0.0167牙齿磨损量： P132、例4-12、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。 参考P141、例4-2轴承的磨损速度方程： P133、式（4-15）轴承工作系数: 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。实验点123456钻压/kN225254254196196225转速/(r.min-1)70601201206070钻速/(m.h-1)3132.546342430解：该表中实验点编号与表4-3（P134）不一致！（1）验证试验是否成功： P134、L6所以试验成功。（2）计算门限钻压M： 转速n固定，钻压W变化、钻速方程： P129：式（4-9）转速（第3、4点）： 参考P134、式（4-18）、式（4-19）转速（第2、5点）：则：（2）求转速指数：钻压W固定，转速n变化、钻压（第2、3点）： 参考P135、式（4-21）、式（4-22）钻压（第4、5点）：则：4、某井用215.9mm钻头钻进，喷嘴流量系数C=0.96，钻井液d=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。（1）射流水功率：射流水功率 P146、式（4-52）喷嘴总面积，又、；则另两个喷嘴的直径：另两个喷嘴的实际直径。喷嘴总面积：（2）射流水力参数：射流喷射速度： P145、式（4-50）射流冲击力： P145、式（4-51）（3）钻头水力参数钻头压降： P146、式（4-53）钻头水功率： P147：式（4-53）5、已知：钻头直径215.9mm；钻铤外径177.8mm（内径71.4mm）、长度100m；内平钻杆、外径127mm（内径108.6mm）；钻井液密度d=1.2g/cm3、塑性粘度PV=0.022PaS、排量Q=22L/S；地面管汇压耗Pg=0.34MPa。求m，a值及井深时循环系统压耗。解：地面管汇压耗公式： P152、式（4-73）, P153、式（4-80） 据P153、式（4-82）：内平钻杆，常数： P152、式（4-74）（P153） （P154） 当井深时，钻杆长度。循环系统压耗： P154、式（4-83）8、已知：钻头直径；喷嘴流量系数； 钻铤外径（内径）、长度；内平钻杆、外径（内径）；钻井液密度、塑性粘度；排量；要求环空返速；地面管汇压耗系数；配备2台3NB-1000钻井泵；地面泵压不超过18Mpa；当前井深。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： P162、式（4-112）要求环空返速，则实取携岩要求最小排量： P163、式（4-116）（2）计算环空压耗系数：钻铤内外压耗系数： P153、式（4-82）内平钻杆，则常数 （P153） （P154）井深时压耗系数： （P154）（3）选择缸套直径钻井泵排量（携岩要求的最小排量），要求(L/s)。由P156、表4-6知，3NB-1000钻井泵、选择140mm缸套时: 额定排量，额定泵压；考虑钻井泵上水效率，则24.30.90=21.87MPa27.10.90=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）第二临界井深为: P159、式（4-97）（5）计算优选排量当前井深，则最优排量： P158、式（4-92）（6）确定喷嘴直径当前井深处的循环压耗： P158、式（4-92）或（4-93）或 当量喷嘴直径：P160、式（4-99）（7）计算各水力参数泵压：钻头压降：射流喷速：射流水功率：射流冲击力：钻头水功率：第4章补充复习题：1、 提高钻头水力参数的途径？（P154-1552、 水力参数优化设计步骤？（P162-163 3、 名词解释：门限钻压（P125）、压持效应（P127）、 第五章 井眼轨道设计与轨迹控制（P211）34. 井斜方位角与象限角的换算解：（1）方位角：50o，90o，175o，200o， 315o， 0o象限角：N50 o E，N90 o E，S5 o E，S20 o W，N45 o W，N0 o（2）象限角：S13.5oE，S70oW，N50oE，N33oW方位角：166.5o，250o，50o，327o35.用两种井眼曲率公式分别计算表中所列三个测斜段井眼曲率。测 段123段长/m333535井斜角/3380853539方位角/15194100160303295法1狗腿角/ 6.0059.626.25曲率5.4551.115.36法2狗腿角/ 9.3759.706.26曲率8.5251.175.37解：（1）Lubinski公式： P170：式（5-1）、（5-2）狗腿角：平均井眼曲率：以测段1为例： （三角函数值保留4位小数）（2）行业标准计算公式： P170：式（5-3）、（5-2）其中： 注意测段1：狗腿角平均井眼曲率：36. 求井斜方位角增量及平均井斜方位角测 段1234300185345102535523070-160-8-175335105-1-42.5解：当时要特别注意！（1）时： （2）时：37. 分别用平均角法和校正平均角法完成测斜计算，设计方位角L/m平均角法校正平均角法N/mE/mD/mV/mDLS/mN/mE/mD/mV/mDLS/m1524.246.111.061.330.011524.201.240.2441.330.011524.101.240.2441532.2417.340.892.960.041532.032.761.4042.950.041531.872.751.4041542.8919.00358.26.280.011542.155.830.1756.270.011541.985.820.1751551.9420.120.999.31-0.011550.688.630.2359.30-0.011550.508.620.235解：（1）根据行业标准，由第1测点推算第0测点参数：，（2）计算所需参数列于下表：， 注意：、采用弧度测段125.06.1103.0550.530.9961.00028.011.23-0.1711.7250.9750.9920.998310.651.66-2.6918.17-0.4550.9991.00049.051.122.7919.56359.5950.9991.000（3）平均角法：测段1：水平位移平移方位角视平移狗腿角曲率测段2：测段3：测段4：（2）校正平均角法：同样依据公式计算。测段1：测段2：测段3： 测段4：39、满眼钻具组合扶正器最优距离计算。Dh216mm，Ds214mm，Dc178mm（内径75mm），E=20.5841010Pa ，d1.33kg/L；设计允许最大井斜角（3）。试求该组合的中扶正器距离钻头的最优距离。解：据P183、式（5-30），可以参考例5-2： 注意各变量的单位 （P183、例5-2） 中扶正器距钻头最优距离为5.83m40钟摆钻具组合扶正器最优距离计算。Dh=216mm，Ds=214mm，Dc=178mm（内径75mm），E=20.5941010Pa，d1.33kg/L，设计允许最大井斜角3o，钻压w=120KN。试求该组合扶正器距离钻头的最优距离。解：据P185、式（5-31）： 注意各变量的单位 （r为环空间隙）扶正器距钻头的最优距离为24.21m。41、某定向井设计目标点垂深800m，造斜点垂深500m，造斜率1.8/30m。设计轨道形状为三段式。设计该轨道，并按表计算有关未知参数。（水平位移40m）节点井斜角 /垂深 /m水平位移 /m井深 /m00000a05000500b10.8678.9016.92680.01t10.880040801.11解：已知、计算稳斜段井斜角： 据P189、式（5-33）（5-37） 增斜段计算： 据P190、式（5-52）（5-54）稳斜段计算： 据P190、式（5-55）（5-56）检验t点位移：44、某井井深2000m处，井斜角，方位角。根据轨迹控制要求，希望钻进，使井斜角，方位角，求造斜工具的装置角及造斜率。解：据P202、式（5-69）（5-73），采用解析法，可以参考P202、例55令，则代入数据： 注意：三角函数值保留4位小数！造斜率 ，实取45、某井方位控制计算。已知：当前井底井斜角，方位角，造斜工具的造斜率，装置角，求钻进以后的井斜角，方位角。解： 由公式得： 由公式得：（相当于全力增方位），第5章补充复习题：1、 名词解释：井斜角、方位角、水平位移、狗腿角（全角变化）：P167-169装置角（P200）、反扭角（P203）、造斜（P199）、定向（P204）2、 井斜原因及防斜打直措施？P179-1813、 满眼钻具、钟摆钻具的原理及使用特点？（P182、184；P184、185186第六章 油气井压力控制（P248）47、简述地层流体侵入井眼的原因、征兆、检测方法。答：原因（P222）、征兆（P226-227）、检测方法（P227229）14、某井D=4000m，钻头尺寸为215.9mm；钻杆尺寸为114.3mm，24.72kg/m，壁厚8.6mm；钻井液密度d=1.5g/cm3；技术套管下至3000m，该处地层破裂压力梯度Gf=19.9kPa/m。根据溢流发生之前的记录，泵速30冲每分时，循环压力；钻井泵类型为3NB-900，缸套直径120mm，泵速30冲每分时排量Q=15.56L/S，最大泵压为33.27MPa；发生井涌关井后10min，立管压力psp4.67MPa，套压pa6.65MPa；钻井液池内钻井液量增加4.5m3。利用工程师法设计一压井施工单。解：工程师法压井与司钻法压井的工艺不同，但压井数据计算是相同的。可以参考P242-例，P237、式（6-16）（6-28）比较关井立管压力和套压，钻井液增量4.5m3，说明环空气侵不严重，关井及时。计算地层压力： P237、式（6-16）计算压井所需钻井液密度： P237、式（6-17）计算钻井时所需钻井液密度： P237、式（6-19）将整个井筒容积二倍的钻井液加重，根据经验公式4000m井筒容积：二倍为： 144.52=289(m3)由钻井手册查得，将密度为1.5g/cm3的钻井液加重到1.674g/cm3，每1 m3原浆需要重晶石（密度4.0 g/cm3）0.2784t。因此，压井需重晶石2890.2784=80.4576（t）。计算初始立管压力： P237、式（6-25）小于最大泵压（33.27MPa）,则120mm缸套可用。计算终了立管总压力： P237、式（6-26）计算重钻井液到达钻头所需的时间：由钻井手册查得114.3mm、24.72kg/m的钻柱每米长的内容积Vd=7.417L/m，则计算许可的最大关井套压： P237、式（6-26）第6章补充复习题：1、 名词解释：平衡压力钻井、欠平衡压力钻井、硬（软）关井（P230）、压井第7章补充复习题：1、 名词解释：井身结构、水泥浆的稠化时间、裸眼完井、射孔完井2、 套管种类及作用？（P250）3、 井身结构设计原则？（P257）4、 提高固井（或注水泥）质量的技术措施？（P280-283）