2025年井下作業(yè)工高級(jí)工計(jì)算試題及答案一、管柱力學(xué)綜合計(jì)算1.某井需下入Φ73mm（2-7/8″）N80油管進(jìn)行修井作業(yè)，油管單根長(zhǎng)度9.6m，總下入根數(shù)285根，鋼級(jí)N80的屈服強(qiáng)度為552MPa，油管壁厚5.51mm。井內(nèi)修井液密度1.15g/cm3，重力加速度取9.8m/s2，鋼材密度7.85g/cm3。計(jì)算：（1）油管在空氣中的總重量（kN）；（2）油管在修井液中的浮重（kN）；（3）若油管懸掛器最大承載能力為1200kN，判斷是否需使用加重桿（需寫出判斷依據(jù)）。2.某井使用Φ127mm鉆桿進(jìn)行打撈作業(yè)，鉆桿鋼級(jí)G105（彈性模量2.06×10?MPa），單根長(zhǎng)度9.45m，下入210根，鉆桿壁厚9.19mm。井口施加上提拉力1500kN時(shí)，測(cè)得鉆桿伸長(zhǎng)量為0.85m。計(jì)算此時(shí)鉆桿所受的實(shí)際拉應(yīng)力（MPa），并判斷是否超過(guò)G105鉆桿的屈服強(qiáng)度（G105屈服強(qiáng)度724MPa）。二、卡點(diǎn)及解卡力計(jì)算1.某井油管遇卡，已知油管為Φ73mmN80（壁厚5.51mm，彈性模量2.06×10?MPa），卡點(diǎn)以上油管總長(zhǎng)度2800m。在井口施加上提拉力F=800kN時(shí)，測(cè)得油管伸長(zhǎng)量ΔL=1.2m。按胡克定律計(jì)算卡點(diǎn)深度L（m）（公式：ΔL=FL/(EA)，E為彈性模量，A為油管截面積）。2.某井鉆桿遇卡，卡點(diǎn)深度3200m，鉆桿為Φ127mmG105（壁厚9.19mm），井內(nèi)修井液密度1.20g/cm3。需計(jì)算解卡時(shí)至少需要的上提力（kN），已知鉆桿在空氣中每米重量310N，浮力系數(shù)取0.85（浮力系數(shù)=1-修井液密度/鋼材密度，鋼材密度7.85g/cm3）。三、泵類設(shè)備性能計(jì)算1.某修井作業(yè)使用三缸單作用柱塞泵，柱塞直徑100mm，沖程長(zhǎng)度200mm，沖次60次/分鐘，泵效85%。計(jì)算：（1）泵的理論排量（m3/h）；（2）實(shí)際排量（m3/h）（π取3.14）。2.某注水井采用離心泵注水，泵出口壓力18MPa，井口壓力15MPa，管線總長(zhǎng)度3500m，管徑Φ89mm（壁厚6mm），水的密度1000kg/m3，摩阻系數(shù)0.02。計(jì)算管線沿程摩阻損失（MPa），并驗(yàn)證是否符合能量守恒（沿程摩阻公式：ΔP=λ×(L/D)×(ρv2)/2，v為流速，v=Q/(πr2)，Q為排量，假設(shè)Q=0.03m3/s）。四、酸化作業(yè)參數(shù)計(jì)算1.某井需進(jìn)行鹽酸酸化，目的層厚度8m，油層孔隙度20%，有效滲透率50mD，地層壓力15MPa，井眼半徑0.1m。設(shè)計(jì)酸液有效作用半徑1.2m，酸液濃度15%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），鹽酸與碳酸鈣反應(yīng)的摩爾比為2:1（2molHCl反應(yīng)1molCaCO3），地層中碳酸鈣含量12%（體積分?jǐn)?shù)），巖石密度2.65g/cm3。計(jì)算：（1）酸液需要溶蝕的碳酸鈣體積（m3）；（2）所需15%鹽酸溶液的質(zhì)量（t）（HCl摩爾質(zhì)量36.5g/mol，CaCO3摩爾質(zhì)量100g/mol）。2.某酸化作業(yè)需配置膠凝酸，配方為：90%工業(yè)鹽酸（濃度31%）、5%膠凝劑、3%緩蝕劑、2%鐵離子穩(wěn)定劑。若需配置80m3膠凝酸（酸液密度1.08g/cm3），計(jì)算各組分的體積（m3）及工業(yè)鹽酸的質(zhì)量（t）。五、壓裂施工參數(shù)計(jì)算1.某井壓裂施工，設(shè)計(jì)總液量1200m3，其中前置液400m3，攜砂液600m3（平均砂比25%），頂替液200m3。支撐劑密度2.65g/cm3，壓裂液密度1.05g/cm3。計(jì)算：（1）攜砂液中支撐劑總質(zhì)量（t）；（2）若砂比按體積比計(jì)算（砂比=支撐劑體積/(支撐劑體積+壓裂液體積)），實(shí)際攜砂液中壓裂液體積（m3）。2.某壓裂井層破裂壓力梯度0.018MPa/m，油層中部深度3500m，施工排量4.5m3/min，壓裂液在裂縫中的摩阻系數(shù)0.005MPa·m/(m3·min)，裂縫長(zhǎng)度120m。計(jì)算施工時(shí)井口需要的泵壓（MPa）（井口泵壓=破裂壓力+裂縫摩阻）。答案一、管柱力學(xué)綜合計(jì)算1.（1）油管在空氣中總重量計(jì)算：油管體積V=π×(D2-d2)/4×L總，其中D=73mm=0.073m，d=D-2×壁厚=73-2×5.51=61.98mm=0.06198m，單根長(zhǎng)度9.6m，總長(zhǎng)度L總=285×9.6=2736m。V=3.14×(0.0732-0.061982)/4×2736≈3.14×(0.005329-0.003842)/4×2736≈3.14×0.001487/4×2736≈0.001168×2736≈3.197m3?？諝庵兄亓縂=ρ鋼×V×g=7850kg/m3×3.197m3×9.8m/s2≈7850×3.197×9.8≈24996.45×9.8≈244965N≈245kN。（2）浮重計(jì)算：浮力F浮=ρ液×V×g=1150kg/m3×3.197m3×9.8≈1150×3.197×9.8≈3676.55×9.8≈36030N≈36kN。浮重=空氣中重量-浮力=245-36=209kN。（3）判斷：油管浮重209kN＜懸掛器最大承載1200kN，無(wú)需加重桿。2.鉆桿拉應(yīng)力計(jì)算：鉆桿截面積A=π×(D2-d2)/4，D=127mm=0.127m，d=127-2×9.19=108.62mm=0.10862m。A=3.14×(0.1272-0.108622)/4≈3.14×(0.016129-0.01180)/4≈3.14×0.004329/4≈0.00339m2。拉應(yīng)力σ=F/A=1500×103N/0.00339m2≈442,478,000Pa≈442.5MPa＜724MPa，未超過(guò)屈服強(qiáng)度。二、卡點(diǎn)及解卡力計(jì)算1.卡點(diǎn)深度計(jì)算：油管截面積A=π×(D2-d2)/4=3.14×(0.0732-0.061982)/4≈0.001168m2（同第一題）。由ΔL=FL/(EA)得L=ΔL×EA/F。E=2.06×10?MPa=2.06×1011Pa，ΔL=1.2m，F(xiàn)=800×103N。L=1.2×2.06×1011×0.001168/(800×103)=1.2×2.06×1011×0.001168/8×10?≈1.2×2.06×116800/8×10?≈1.2×2.06×146≈1.2×300.76≈360.9m。卡點(diǎn)深度=總長(zhǎng)度-自由段長(zhǎng)度=2800-360.9≈2439.1m（注：公式中L為自由段長(zhǎng)度，卡點(diǎn)深度=總長(zhǎng)度-L）。2.解卡力計(jì)算：鉆桿在修井液中每米浮重=310N×浮力系數(shù)=310×0.85=263.5N/m。卡點(diǎn)以上鉆桿總浮重=3200m×263.5N/m=843,200N=843.2kN。解卡力需至少等于卡點(diǎn)以上鉆桿浮重，即843.2kN（實(shí)際需考慮安全系數(shù)，此處取理論值）。三、泵類設(shè)備性能計(jì)算1.（1）理論排量Q理=3×(πr2×S×n)×60（三缸，單作用）。r=100mm/2=0.05m，S=0.2m，n=60次/分鐘。Q理=3×(3.14×0.052×0.2×60)×60=3×(3.14×0.0025×0.2×60)×60=3×(0.000785×12)×60=3×0.00942×60=0.02826×60=1.6956m3/h≈1.70m3/h。（2）實(shí)際排量Q實(shí)=Q理×泵效=1.70×0.85≈1.445m3/h。2.沿程摩阻計(jì)算：管徑內(nèi)徑d=89-2×6=77mm=0.077m，截面積A=π×(0.077/2)2≈0.00465m2。流速v=Q/A=0.03/0.00465≈6.45m/s。ΔP=λ×(L/D)×(ρv2)/2=0.02×(3500/0.077)×(1000×6.452)/2≈0.02×45454.55×(1000×41.60)/2≈0.02×45454.55×20800≈0.02×945,454,545≈18,909,090Pa≈18.91MPa。驗(yàn)證：泵出口壓力18MPa，井口壓力15MPa，摩阻損失應(yīng)為18-15=3MPa，但計(jì)算得18.91MPa，明顯矛盾，說(shuō)明假設(shè)排量Q=0.03m3/s過(guò)大（實(shí)際注水井排量通常遠(yuǎn)低于此，可能題目參數(shù)需調(diào)整）。四、酸化作業(yè)參數(shù)計(jì)算1.（1）碳酸鈣體積=油層體積×孔隙度×碳酸鈣含量。油層體積=π×(r有效2-r井眼2)×h=3.14×(1.22-0.12)×8=3.14×(1.44-0.01)×8=3.14×1.43×8≈35.96m3。碳酸鈣體積=35.96×20%×12%=35.96×0.024≈0.863m3。（2）碳酸鈣質(zhì)量=0.863m3×2650kg/m3≈2286.95kg=2286950g。碳酸鈣物質(zhì)的量=2286950g/100g/mol=22869.5mol。需HCl物質(zhì)的量=2×22869.5=45739mol。HCl質(zhì)量=45739mol×36.5g/mol≈1,669,473.5g≈1669.47kg。15%鹽酸溶液質(zhì)量=1669.47kg/0.15≈11129.8kg≈11.13t。2.各組分體積：工業(yè)鹽酸體積=80×90%=72m3；膠凝劑=80×5%=4m3；緩蝕劑=80×3%=2.4m3；鐵離子穩(wěn)定劑=80×2%=1.6m3。工業(yè)鹽酸質(zhì)量=72m3×1080kg/m3=77760kg=77.76t（酸液密度1.08g/cm3=1080kg/m3）。五、壓裂施工參數(shù)計(jì)算1.（1）支撐劑質(zhì)量=攜砂液體積×砂比×支撐劑密度。砂比25%（質(zhì)量比）時(shí)，支撐劑質(zhì)量=600m3×1.05t/m3×25%/(1-25%)×2.65t/m3（注：砂比為質(zhì)量比時(shí)，需考慮壓裂液與支撐劑的質(zhì)量關(guān)系；若為體積比則直接計(jì)算）。假設(shè)砂比為體積比：支撐劑體積=600×25%=150m3，質(zhì)量=150×2650kg/m3=397,500kg=397.5t。（2）體積比砂