某大学石油工程电子教案（2—4）章.ppt

,2005 版权所有 Copyright-DQPI,石油工程电子教案,第二章,岩石与钻头,Daqing Petroleum Institute,2.1 岩石的力学性质,2.2岩石的研磨性与可钻性,2.3刮刀钻头及其破岩原理,2.4牙轮钻头及其破岩原理,2.5金刚石钻头及其破岩原理,第二章 岩石与钻头,岩石的力学性质,变形特征 强度特征,2.1 岩石的力学性质,一、应力应变曲线,二、强度(简单应力),主要内容,三、强度(复杂应力),四、弹性,一、应力应变曲线,一、应力应变曲线,BC段：随着荷载的继续增大，变形和荷载呈非线性关系，裂隙进入不稳定发展状态，这是破坏的先行阶段。这一段应力-应变曲线的斜率随着应力的增加逐渐减小到零，曲线向下凹，在岩石中引起不可逆变化。塑性变形阶段。,CD段：曲线下降，是由于裂缝发生了不稳定传播，新的裂隙分叉发展，使岩石开始解体。CD段以脆性形态为其特征。,点B：发生弹性到塑性行为过渡点，称为屈服点，S称为屈服应力。,二、简单应力条件下岩石的强度,岩石的强度,抗压强度 抗拉强度 抗压强度 抗弯曲强度,通常情况下： 抗压抗剪抗弯抗拉强度,强度获取方法：对具体的岩石进行强度试验,岩石抗压缩强度,指岩石抵抗外力压缩的能力其大小等于在岩样上施加轴向压缩载荷直至破坏时单位面积上的载荷，可通过单轴抗压缩强度试验来获得。,岩石抗拉伸强度,*设计恰当的夹紧机构； *制备一定形状的岩样； *确保加载方向严格平行于岩样轴线。,实验要求,测量方法,间接抗拉伸强度试验,直接抗拉伸强度试验,破裂从圆的中心开始,沿加载直径向上下扩展。 岩石的抗张强度可按下式计算：,巴西劈裂实验,三、复杂应力条件下的岩石强度,1. 常规三轴试验,(a)液压作用下的压（拉）试验（常规三轴试验）,1,2 = 3,(c)液压作用下的压扭试验,(b)三个液缸的柱塞进行三面压缩试验（真三轴试验）,1,2,3,(d)液压作用下的两面柱塞压缩试验,1,P=2 = 3,3,P=1 = 2,（a）压缩试验,（b）拉伸试验,四、三轴应力作用下岩石机械性质的变化,两方面显著变化,一：随着围压的增大，岩石强度极限增大。 （）不同类型的岩石，增大幅度和倍数是不一样的； （）围压对岩石强度的影响程度，并不是在所有压力范围内都相同。,二：随着围压的增大，岩石表现出从脆性到塑性的转变，且围压越大，岩石破碎前所呈现的塑性也越大。,岩石从脆性到塑性的转变点（或称临界压力）对深井钻井的重要意义：,脆性破坏,塑性破坏,本质差别,不同的破碎工具,不同的破碎方式,不同的破碎参数,因此，确定岩石的脆塑性转变的“临界压力”将为设计和合理选择使用钻头提供科学依据。,岩石的硬度（即抗压入强度）：岩石抵抗外力压入的能力。 平底圆柱压模压入岩石时，在压头下的岩体中发展了轴对称分布的三向应力状态，这种应力状态使压头下岩石的强度会急剧增大，同时多数岩石具有塑性性质。,五、岩石的抗压入破碎强度,z,z,r = ,z0,p,z,z,r,z,r = ,a,a,a,p,圆柱压模压入岩石的应力状态及分布,P-岩石平均压强 a-压头底面的半径 z-距岩石表面的深度-岩石泊松比,W0,O,C,E,D,W,载荷 W/N,W0,载荷 W/N,吃入深度/m,(b)塑脆性岩石,E,D,W,吃入深度/m,载荷 W/N,吃入深度/m,(a)脆性岩石,(c)塑性岩石,O,O,B,A,压入实验确定岩石的硬度和塑性系数,硬度,屈服极限,塑性系数,2.2 岩石的研磨性与可钻性,钻井过程中，钻井工具和岩石产生接触和摩擦，从而在破碎岩石的同时，工具本身也受到岩石的磨损而逐渐变钝甚至损坏。岩石磨损这些材料的能力称为岩石的研磨性。,一、岩石的研磨性,测定岩石研磨性的方法,钻磨法,磨削法,微钻头钻进法,摩擦磨损法,各种岩石的研磨性,二、岩石的可钻性,岩石破碎的难易性称为岩石的可钻性，由此把岩石分为难钻的和易钻的。,研究可钻性方法,生产工艺的指标,岩石机械性质,可钻性的单位采用在确定条 件下的钻头进尺或者机械钻速,可用抗压强度，d指数、压 痕指数、纵波速度、抗钻强度、 实钻速度、杨氏钻速模式中的地 层可钻性系数等几十种评价方法,2.3 刮刀钻头及其破岩原理,刮刀钻头特点,结构简单，制造方便。,在软地层中，可以得到高的机械钻速和钻头进尺。,在较硬地层中，钻头吃入困难，钻井效率低。,一、刮刀钻头刀翼的几何形状和结构参数,1. 刀翼结构角,刀翼结构角,刃尖角,切削角,刃前角,刃后角,刀翼尖端前后刃之间的夹角，它表示刀翼的尖锐程度。,刀翼前刃和水平面之间的夹角。,刃前角与切削角互为补角,刃后角=-,2. 刀翼几何形状,背部几何形状,抛物线型,刀翼的厚度随距刀刃的距离增加应逐渐增厚，呈抛物线形。,刀翼底部形状,平底,正阶梯,反阶梯,反锥,二、刮刀钻头破碎岩石的基本原理,根据摩尔 强度理论，如 果忽略摩擦力， 当F力等于或 大于剪切面积 与岩石抗剪极 限强度乘积时， 岩石沿剪切面 破碎。,1.塑性岩石,塑性岩石硬度小，在钻压W的作用下容易吃入地层，刃前岩石在 扭转力T作用下不断产生塑性流动。因此，吃入深度要比力W单独作用 时深得多。,2.塑脆性岩石,塑脆性岩石的破碎过程,碰撞,压碎及小剪切,大剪切,2.4 牙轮钻头及其破岩原理,牙轮钻头分类,单牙轮钻头,两牙轮钻头,三牙轮钻头,四牙轮钻头,一、三牙轮钻头破碎岩石的基本原理,1、钻头的复合运动,绝对速度,牵连速度,2.钻头的冲击和压碎作用,由于牙轮钻头的纵向振动，钻头对岩石产生冲击和压碎，单双齿着地的频率为：,3.牙轮对地层的剪切作用,二、牙轮钻头的结构和类型,钻头直径,牙轮轴线偏移值,牙轮轴线与钻头轴线夹角,牙轮的形状与布置,牙轮上牙齿的布置,.牙轮钻头的基本参数,2.牙轮钻头的牙齿,3.牙轮钻头的轴承,4.钻头水眼,铣齿(也称钢齿),硬质合金齿(简称镶齿),滚动轴承,滑动轴承,普通钻头水眼，在钻头适当部位开孔焊。,喷射式钻头在水眼处安装硬质合金喷嘴，且对水眼有关的钻头结构有特殊要求。,2.5 金刚石钻头及其破岩原理,类型,金刚石钻头是以锋利、耐磨和能够自锐的天然金刚石或人造金刚石为 切削齿，在钻低钻压下即可获得较高的钻速和钻头进尺，是石油钻井中广 泛使用的一种高效钻头。,按来源分,按功用分,按镶嵌方式分,按钻井方式分,天然金刚石钻头人造金刚石钻头,全面钻进钻头,表镶,孕镶,转盘钻井,涡轮钻井,取心钻头,一、金刚石钻头,1、金刚石钻头的结构,钢体,胎体,切削刃,水眼与水槽,(1) 钢体,双锥阶梯形剖面,软到中硬地层,带波纹的“B”型剖面,坚硬地层,上部螺纹连接钻具，下部与胎体烧结。,(2) 胎体,镶嵌金刚石颗粒的基体胎体形状，主要指工作面的几何形状和工作面积的大小，根据岩性设计的。,(3) 切削刃,切削刃,表镶式,孕镶式,表孕镶式,(4) 水眼与水槽,金刚石钻头的水眼与水槽是构成钻头水动力的通道。,水眼和水槽的布置原则,使金刚石钻头在钻进时，保证供给钻头工作面有足够的水力能量。,用于软到中硬地层的金刚石钻头，由于工作小，金刚石颗粒粗而稀，钻进时钻速快，岩屑多而粗，因此水槽应宽而少。,对于硬和坚硬地层，钻头工作面大、金刚石颗粒细而密，且出刃低，钻压大，水槽应多、密、窄。,2.金刚石钻头破岩原理,当钻某些硬地层时，钻头上的每粒金刚石在钻压作用下压入岩石使 下面的岩石处于极高的应力状态，呈现塑性，同时在旋转扭矩的作用下 产生切削作用，破碎岩石的体积大体上等于金刚石吃入岩石的位移体积。,二、 PDC钻头,PDC钻头为一整体式钻头，整个钻头没有活动零部件，结构比较简单，大致由钻头基体、钻头切削齿、喷嘴及排屑槽等几部分组成。,1. PDC钻头结构,（1）钻头基体,PDC钻头基体冠部外形,鱼尾形,浅锥形,短抛物线形,抛物线形,特点：钻头的磨损更为平衡。,特点：钻头的磨损更为平衡。,特点：快速钻进中，能保持方位和井斜。,特点：较长的寿命；要求较高的水力能量，钻头鼻部在夹层时易损坏。,标准切削齿,牙嵌式切削齿,增加金刚石薄层厚度、金刚石层与碳化钨基片的接触面积，提高研磨性和强度。,环嵌式切削齿,嵌牙外缘增加一周聚晶金刚石环，提高耐磨、冲击强度。,（2） 钻头切削齿,凿形切削齿,倒角切削齿,凸圆形切削齿,齿状碳化钨基柱,（3）切削齿的排列方向,PDC钻头设计中用负前角、侧偏角和切削齿出露高度规定排列方向。,负前角又称后倾角,侧偏角,切削齿的出露高度,复合片层面与岩石工作面垂线之间的夹角。,切削齿面与钻头径向平面之间的夹角。,与岩性有关，分全出露和部分出露两种。,（4） 喷嘴水道及排屑槽,喷嘴出口形状、射流喷嘴方向、流道的设计，以及排屑槽的形状和布置都是PDC钻头设计中重要组成部分。,喷嘴的配置和取向基本原则,每个喷嘴或水眼能清洗和冷却一组复合片,喷嘴形状分类,标准喷嘴,扇射式喷嘴,矩形喷嘴,六角形喷嘴,排屑槽的形状,楔形,扇形,半圆形,第三章 井眼轨道设计与控制,井眼轨道,直井：设计井眼轴线为一铅垂线，其井斜角、井底水平位移和全角变化率均在限定范围。,定向井：沿着预先设计的井眼轨道，按既定方向偏离井口垂线一定距离，钻达一定目标的井。,第三章,定向井,第三章,第一节 井眼轨道设计的原则和方法,一、基本概念 1 .井眼轨道的基本要素 井眼轨道：表示井眼轴线形状的图形。,其它基本要素如下图所示：,第三章,第三章,1) 直井段:设计井斜角为零度的井段。 2) 造斜点（）:开始定向造斜的位置称为造斜点。通常以该点的井深来表示。 3) 造斜率（）:造斜工具的造斜能力,即该造斜工具所钻出的井段的井眼曲率。 4) 造(增)斜段:井斜角随井深增加的井段。,2.井身剖面,井身在垂直平面内的投影,第三章,9) 靶心距（）:在靶区平面上,实钻井眼轴线与目标点之间的距离 。,6) 降斜段:井斜角随着井深的增加而减小的井段。,5) 稳斜段:井斜角保持不变的井段。,7) 目标点:设计规定的、必须钻达的地层位置，通常以地面井口为坐标原点的空间坐标系的坐标值来表示。,8) 靶区及靶区半径（）:包含目标点在内的一个区域称为靶区。在大斜度井和水平井中，靶区为包含设计井眼轨道的一个柱状体。,第三章,1) 工具弯角（）:在造斜钻具组合中,拐弯处上下两段的轴线间的夹角。 2) 工具面:在造斜钻具组合中,由弯曲工具的两个轴线所决定的平面。 3) 反扭角（）:在使用井下动力钻具进行定向造斜或扭方位时,动力钻具启动前的工具面与启动后且加压钻进时的工具面之间的夹角。反扭角总是使工具面逆时针转动。,3. 井眼轨道水平投影,第三章,5)工具面角（）：造斜工具下到井底以后，工具面所在的角度。它有两种表示方法：高边工具面角和磁工具面角。高边工具面角是以高边方向线为始边，顺时针转到工具面与井底圆平面的交线所转过的角度；磁工具面角为以正北方向线为始边，顺时针转到工具面与井底圆平面的交线在水平面上的投影线所转过的角度。,4)高边：定向井的井底是个呈倾斜状态的圆平面，称为井底圆；井底圆上的最高点称为高边；从井底圆心至高边之间的连线所指的方向称为高边方向；从正北方向线顺时针转至高边方向在水平面上的投影所转过的角度称为高边方位角。,第三章,6) 装置角（）:在启动钻具后且加压钻进时,工具面所处的角度，与工具面角一样，既可用高边工具面表示，也可用磁工具面表示。 7) 安置角（）：在启动钻具前,工具面所处的角度。与工具面角一样，既可用高边工具面表示，也可用磁工具面表示。 8) 安全控制圆锥（柱）:以设计井眼轴线为中心所限定的圆锥（柱）空间。 9) 误差椭球:由测量和计算误差引起的井底位置不确定性所构成的以井底为中心的椭球体。,第三章,井眼曲率的计算,1）简单表示法,方位角不变的井眼轴线,此时：,若AB弧有均匀曲率，则根据定义：,第三章,对于空间井眼轴线，可以用两个平面来表示,垂直：,水平：,第三章,空间曲率的计算,设有一空间曲线L，L上点A的定向要素为：DA、EA、NA、A 、 A 、ShA；井深增加到B点，设AB弧,第三章,在垂直投影面中： A 、A+d在平面AAB 内，令 AAB= ，则,第三章,水平投影面中：,水平投影面中：,第三章,由于：,则：,坐标参数与基本参数间的关系：,第三章,Rn、Ri对Rh都有影响。,第三章,四、井眼轨道设计的原则和方法,井眼轨道的类型,二维井眼轨道,三维井眼轨道,设计井眼轴线仅在设计方位线所在铅垂平面上变化的井眼轨道。,二维井眼轨道由垂直井段、增斜井段、稳斜井段和降斜井段组合而成。,在设计井眼轴线上，既有江斜角变化又有方位角变化的井眼轨道。,三维井眼轨道设计用于绕障井和现场待钻修正井眼轨道设计。,1. 井眼轨道的类型,第三章,1) 根据油气田勘探开发要求，保证实现钻井目的； 2) 根据油气田的构造特征、油气产状，有利于提高油气产量和采收率，改善投资效益； 3) 在选择造斜点、井眼曲率、最大井斜角等参数时，有利于钻井、采油和修井作业； 4) 在满足钻井目的的前提下，应尽可能选择比较简单的剖面类型，力求使设计的斜井深最短，以减小井眼轨道控制的难度和钻井工作量，有利于安全、快速钻井、降低钻井成本。,2. 设计井眼轨道的原则,第三章,造斜点的选择原则,3. 井眼轨道设计中有关因素的选择,1)造斜点的选择在比较稳定的地层，避免在岩石破碎带、漏失地层 2）地层可钻性均匀，不应有硬夹层； 3） 要满足采油工艺要求； 4) 垂深大、水平位移小的井，造斜点应深，以简化井身结构、加快钻速； 5) 垂深小、水平位移大的井，造斜点应浅，以减少定向施工的工作量； 6) 在井眼方位漂移地区，应使斜井段避开方位漂移大的地层。,(1),第三章,(3)井眼曲率,井眼曲率过大会给钻井、采油和修井作业造成困难，因此，应根据具体情况，适当选择井眼曲率。,(2)最大井斜角,直井在规定井斜角内；常规井和水平井交斜角小于15时，方位不稳定，因此，最大井斜角应大于15。,4. 井眼轨道类型的选择 设计井眼轨道时，一般选择简单的二维轨道。二维轨道由垂直井段、造斜井段、稳斜井段、降斜井段组合而成，最常用的有四种类型。,第三章,直井,三段制,五段制,“S”型,第三章,1) 掌握原始资料主要是该地区的地质剖面、地表对井位的限制条件、目的层位的垂直井深和总水平位移、自然造斜规律、工具造斜能力、钻井技术水平以及故障提示等； 2) 根据井眼轨道确定原则，选定一个井眼轨道类型； 3) 根据原始资料选定造斜点的位置，并确定造斜率和降斜率的大小；,5. 二维定向井井眼轨道设计方法,4) 确定最大井斜角；,5) 计算剖面上各井段的井斜角、方位角、垂直井深、,水平位移；,第三章,6) 核算井眼曲率，使其满足对它的各种限制条件，并做 出井身的控制圆柱，即误差范围；,7) 绘制井眼轨道图，标出安全圆柱。,设计实例：已知某设计井的垂深D=3000m ，水平位移Sh=1500m，方位角=30，造斜点垂直深度Dkop=400m，造斜率Rb1=2/30m，降斜率Rb2=1.5/30m ，油层垂直深度De=2700m，要求稳斜进入油层，井斜角不大于e=8 .,目前常用的设计方法,查图法 作图法 解析法,第三章,d,最大井斜角m的确定:,在 kjf中：,第三章,若令：,She ：油层内水平位移 De：油层深度,有:,第三章,造斜率与曲率半径的关系：,计算：,第三章,井段：Oa 最大井斜角:0 方位角:0 垂直井深增量D(m): Da= Dkop=400 垂直井深D(m): Da = Dkop =400 水平位移增量Sh (m): Sha =0 水平位移Sh(m): Sh =0 段长l(m): la= Dkop =0 井深Dw(m) : Dw = Dkop =0,第三章,水平位移增量Sh (m): Shab =R1(1-cos m )=206.03 水平位移Sh(m): Shb = Shab = 206.03 段长l(m): lab= R1m /57.3=607.65 井深Dw(m) : Dwb = Dwa + lab =1007.65,井段：ab 最大井斜角:40.51 方位角: 30 垂直井深增量D(m): Dab= R1sinm =558.31 垂直井深D(m):Db = Da + Dab =958.31,第三章,垂直井深D(m): Dc = Db+ Dbc =2115.07 水平位移增量Sh (m): Shbc = Dbc tgm=988.32 水平位移Sh(m): Shc = Shb + Shbc = 1194.35 段长l(m): lbc= Shbc /sin m =1521.47 井深Dw(m) ： Dwc = Dwb + lbc =2529.12,井段：bc ; 最大井斜角:40.51 方位角: 30 垂直井深增量D(m): Dbc=De - Dkop - Dab - Dcd =1156.76,第三章,水平位移Sh(m): Shd = Shc + Shcd = 1457.9 段长l(m): lcd= R2 (m - e ) / 57.3=1521.47 井深Dw(m) : Dwd = Dwc+ lcd =3179.32,井段：cd 最大井斜角:40.51 方位角: 30 垂直井深增量D(m): Dcd= R2 (sinm - sine ) =584.93,垂直井深D(m): Dd= Dc + Dcd =2700 水平位移增量Sh (m): Shcd =R2(cos e -cos m )=263.35,第三章,水平位移Sh(m): Sht = Shd + Shdt = 1500.06 段长l(m): ldt= Shdt /sin e =302.93 井深Dw(m) : Dwt = Dwd + ldt =3482.25,井段：dt 最大井斜角: 8 方位角: 30 垂直井深增量D(m): Ddt=D - De =300 垂直井深D(m):Dt= Dd+ Ddt =3000 水平位移增量Sh (m):Shdt= Ddt tge=42.16,第三章,6. 井眼轨道随钻修正设计 7. 井眼轨道绕障或防碰设计 8. 丛式井总体设计的原则 (1) 丛式井位置、数量和井数的确定 (2) 防止井眼相碰,防止井眼相碰是丛式井设计和施工的关键。为此，我们应该注意下述几个方面。 1) 井网类型。 2) 井眼轨道设计。 3) 井口布置,第三章,4) 造斜点位置 5) 造斜率与最大井斜角 6) 钻井次序 7) 控制安全圆柱 8) 提高测斜仪器的精度 9) 使用电子计算机绘制井眼防碰图,第三章,第二节 钻柱及下部钻具组合设计,钻柱的主要作用有: 1) 提供钻机到钻头的钻井液通道,即输送钻井液； 2) 把地面动力传递给钻头并给钻头加压,使钻头破碎岩石； 3) 起下钻头；,钻柱：是指自方钻杆至钻头以上的钻具管串的总称。钻柱由方钻杆、钻杆、钻铤、接头和稳定器等钻具组成。在钻井过程中，通过钻柱把钻头和地面连接起来。,第三章,4) 通过钻柱可以了解钻头工作情况、井眼状况及地层情况等； 5) 进行取心、处理井下事故与复杂情况、打捞； 6) 对地层流体及压力状况等进行测试与评价。,一、 常用钻井工具, 钻具是钻井工具的简称,常用钻具包括钻头、钻铤、稳定器、减振器、震击器、加重钻杆、钻杆、方钻杆、井底马达和连续导向动力钻具组合等。,二、钻柱的工作状态及受力分析,1、钻柱的工作状态,起下钻:钻柱不接触井底，钻柱处于悬持状态，在自重,第三章,正常钻进：部分钻柱的重量作为钻压施加在钻头上，使得下部钻柱受压缩。 在钻压小和直井条件下，钻柱也是直的，而当压力达到某一临界值时，下部钻柱将失去直线稳定状态，发生弯曲，并在某一点与井壁接触，称为钻柱的第一次弯曲；如果继续加大钻压则弯曲形状改变，切点下移，当钻压增大到新的临界值时，钻柱弯曲出现第二个半波，着是钻柱的第二次弯曲。如果继续增大钻压，则会出现第三次弯曲。 正常钻进过程中，钻柱处于不停的旋转状态，钻柱旋转运动的可能形式：自转、公转、公转+自转、不规则运动,作用下，钻柱处于受拉伸的直线稳定状态。,第三章,2、钻柱的受力分析及计算,不同的工作条件、不同部位，钻柱受载荷不同：,拉、压 扭矩 弯矩 内外压力,1）轴向载荷 包括稳态载荷和动态载荷，一般除振动严重外，忽略动态。,第三章,钻柱轴向载荷,钻柱重量 钻井液浮力 钻压 与井壁摩擦,第三章,中和点：轴向应力线与静液柱压力的交点。此点的静液柱压力等于钻柱中压缩应力。,中和点位置可以由钻压W除以单位长度浮重来确定。,第三章,钻进过程中钻柱轴向载荷：,Wpt为任意截面处轴向载荷；Wp为该截面以下钻柱在空气中的重量。若设分析截面距井底长度为L，则,对于井口处：,钻柱的平均应力：,第三章,2）扭矩,转盘钻进时，钻柱扭矩在井口处最大，钻头处最小。 采用井下动力钻具时，钻头施加给钻柱反扭矩，扭矩在钻头处最大，井口处最小。,当能够确定某一截面的钻柱承受的扭矩时，可以计算该截面上钻柱由于承受扭矩而产生的剪切应力,转盘钻进时，钻柱所受的扭矩取决于转盘传给钻柱的功率,第三章,正常钻进时，N的大小与钻头类型及直径、岩石性质、钻柱尺寸、钻压、转速、钻井液性能及井眼质量的功能因素有关，可以用经验公式确定。,式中： N空转钻柱空转功率，kW； d 钻井液密度，N/m3； de钻柱外径，cm； L钻柱长度，m； n转速，r/min。,刮刀钻头钻进：,W钻压，N； Db钻头直径，cm。,第三章,牙轮钻头钻进：,C为经验系数，与岩性、钻井液性质、井眼清洁程度、钻头磨损等有关。一般取：0.350.6。,若钻头或钻柱突然被卡，旋转钻柱的动能可能全部转变为变形位能，引起瞬时扭矩，产生很大的扭矩和剪应力 旋转动能,第三章,变形位能：,最大扭矩：,3）钻柱弯矩,被卡时：,直井中钻柱上部弯矩是由离心力引起的，钻柱下部则是由钻柱受压弯曲和离心力共同作用引起的，一般下部弯曲应力大。,第三章,在弯曲井眼中，钻柱被约束，受到弯矩的作用。弯曲状态下，钻柱自转，产生交变弯曲应力。,4)内外压力,内外压力作用下产生径向应力和周向应力,第三章,5）其它力的作用,离心力 纵向振动 横向振动 动载 钻柱与井壁的正压力和摩擦力,3. 钻柱强度及稳定性校核,1）强度校核,钻柱所受的四种主要载荷：,第三章,最大应力应满足：,2)稳定性校核,无论是直井还是定向井，当钻柱所受的轴向压力小于一定值时，钻柱为直线稳定状态；当轴向压力大于一定值时，钻柱就发生正弦屈曲；当轴向力继续增大时，钻柱就会发生螺旋屈曲。钻柱屈曲后，钻柱与井壁的压力、摩擦力急剧增加，钻柱应力增大。钻柱失稳及形式可用下列式子计算分析。,第三章,未失稳,正弦屈曲,螺旋屈曲,第三章,4、钻柱的破坏,1）钻柱的物理机械性能,(1) 钻柱的材质 钻柱的各个组成部分均由优质合金钢或优质铝合金制造。在API标准中，规定钻杆的钢级有D级、E级、95（X）级、105（G）级和135（S）级共五种。其中X级、G级和S级钻杆为高强度钻杆；钻铤和方钻杆的钢级为AISI4145和AISI4150，其机械物理性能见有关手册或API公报。 (2) 钻柱的物理机械性能 钻杆的强度数据主要包括钻杆外径、壁厚、名义重量、材质、扭力屈服强度、按最小屈服强度计算的最小抗,第三章,统计资料说明，绝大多数钻柱的损坏有下述几种情况： （1）钻柱的疲劳破坏 疲劳破坏有三种形式：纯疲劳、伤痕疲劳和腐蚀疲劳。 （2）钻杆的氢脆破坏,2）钻柱的破坏,拉力、最小抗挤压力、抗内压力等；钻铤规范数据主要包括外径、内径、长度、质量、紧扣扭矩等。具体数据请查阅有关册或API公报。,第三章,5、钻柱组合设计,设计内容,钻铤的确定,内、外径，内小、外大，受井径限制、钻井 液流动限制，长度满足钻压要求。,强度足够，钻进不断，尽量保证钻井液正常循环减少能量损耗。,钻杆的确定,钻铤的安放位置,井斜小：提供钻压的钻铤安放在钻具下部，钻具上部采用钟摆、塔式、满眼结构。钻井斜大或水平井：钻铤放在井斜较小的井段，大斜度井段或水平井段则在承压钻杆与下部钻具连接。,第三章,6、下部钻具组合设计方法, 1）设计原则 下部钻具组合设计的原则是: a.有效地钻出设计的井眼轨道； b.钻头、马达和测量系统工作稳定性高，能加较大钻压，有利于提高钻速； c.具有较高的强度和寿命； d.便于安装和起下。,钻井中常用的钻具组合中包括稳斜钻具、降斜钻具、防斜钻具、造斜钻具、增斜钻具、几何导向钻井系统和地质导向钻井系统等。下部钻具结构如图3-6所示。,第三章,2）稳斜钻具 保持井斜角和方位角不变。稳斜钻具是采用刚性满眼钻具结构，通过增大下部钻具组合的刚性，控制下部钻具组合在外力作用下的变形达到稳定井斜和方位的效果。 常用组合：钻头+近钻头稳定器+短钻铤=稳定器+单根钻铤+稳定器+钻铤+钻杆,3）降斜钻具和防斜钻具 降斜钻具用于定向井中降低井眼轨道的井斜角。防斜钻具用于直井中抑制和防止井斜的产生。 降斜钻具一般采用钟摆钻具组合，利用钻具自身的重力产生的钟摆力实现降斜。根据设计井眼轨道要求的井斜角大小，设计钻头与稳定器之间的距离，便可以改变钟摆力的大小。,第三章,4）造斜钻具和增斜钻具 造斜钻具用于从直井段沿一定方位钻出斜井段。增斜钻具用于增加井段待钻部分的井斜角。 常用的造斜钻具组合为：弯接头+井下动力钻具、各种弯外壳井下动力钻具（包括导向钻井系统）。所有的造斜钻具都可作为增斜钻具使用。 普通的增斜钻具指转盘钻增斜钻具。它是利用杠杆原理设计的，一般采用双稳定器或三稳定器钻具组合。它有一个近钻头足尺寸稳定器为支点，第二个稳定器与钻头之间的距离应根据两稳定器之间钻铤的刚性和要求的增斜率大小而定，一般距离较长。,第三章,5）几何导向钻井系统 几何导向钻井系统由钻头、导向马达、无线随钻测斜仪和地面计算机系统组成。它的主要特点为不需要起下钻就可以连续地完成造斜、增斜、降斜、扭方位、稳斜钻进，有利于提高钻进速度和控制井眼轨道沿设计轨道钻进。,6） 地质导向钻井系统 地质导向钻井系统由钻头、导向马达、无线随钻测井仪、无线随钻测斜仪和地面计算机系统组成。它的主要特点为为不需要起下钻就可以连续地完成造斜、增斜、降斜、扭方位、稳斜钻进，有利于提高钻进速度和控制井眼轨道，并且可以随时测得地层参数，以便及时休修改地质设计和井眼轨道。,第三章,第三节 井眼轨道控制理论与技术,井眼轨道控制是钻井工作中的一项重要工作。在石油开发的早期，对井眼轨道控制并不严格。本世纪20年代末期，人们发现了钻井过程中井眼弯曲问题并认识到要钻绝对直的井是不可能的，并逐渐认识到了井斜的危害。40年代末至50年代初期，防斜成为钻井技术领域所关注的问题。后来，利用井斜钻成了定向井、水平井和丛式井解决了许多油田开发中的难题并取得了良好的经济效益。从防斜打直、造斜、增斜、稳斜到降斜，井眼轨道控制研究取得了一系列重要成果。,第三章,操作原因：,下部钻具的工作状态对井斜影响很大，当下部钻具受压产生弯曲就会使钻头偏斜导致井斜。,井斜原因,地质条件：,技术原因：,由于所钻地层的倾角和非均质性使钻头受力不平衡。,即使有性能良好的防斜钻具，也会因操作不当而造成井斜。,一、直井井斜及控制,第三章,1、 地质条件,地层倾角、层状地层、各向异性、岩性软硬交错、断层,最主要的作用是地层倾角，其它诸因素对井斜的作用都与地层倾角紧密相关。 当地层倾角小于45时,井眼一般沿上倾方向偏斜； 当地层倾角大于60时，井眼将顺着地层面下滑发生偏斜； 在4560之间不稳定。,第三章,钻头在倾斜的层状地层中钻进时，当钻至每个层面交界处时，此处岩层不能长时间支持所加钻压而趋向沿垂直层面发生破碎。在井眼上倾一侧的小斜台很容易钻掉。相反，在井眼下倾一侧却留有一个小斜台；它就像小变向器作用一样，对钻头施加一个横向力，把钻头推向上倾一侧，从而引起井斜。 逐层钻进时，斜台大，井斜增长快。 所以：地层倾角大，成层性越强，钻压越大，井斜越大。,1) 层状地层对井斜的影响,第三章,2）地层各向异性对井斜的影响,由于岩层的成层状况、层理、节理、纹理以及岩石的成分、结构、胶结物、颗粒大小等因素造成岩层在不同方向上的强度不同，一般来说垂直地层层面的强度较小，钻进时钻头将沿着这个破碎阻力最小的方向倾斜。,第三章,3）岩性交错变化对井斜的影响,（1）钻头从软地层进入硬地层时 钻头在上倾侧先接触到硬岩石，在下倾侧仍为软岩石。这样在钻压作用下，由于上倾侧岩石的硬度大，可钻性差，钻头吃入地层少，钻速慢，而在下倾侧，可钻性好，吃入地层多，钻速快，因此，井眼向上倾侧偏斜。 此外，钻头两侧受力不均匀，上倾侧井底反力的合力比下倾侧大。将产生弯矩扭转钻钻头，使其向上倾方向倾斜。,第三章,（2）钻头由硬地层进入软地层时 开始时由于钻头在软地层一侧吃入多，钻速卡，而在硬地层一侧吃入少，钻速慢，井眼有向地层下倾方向倾斜的趋势。但当钻头快钻出硬地层时，此处岩石不能再支撑钻头的中负荷，岩石将沿着垂直于层面方向发生破碎，在硬地层一侧留下一个台肩，迫使钻头回到上倾方向。,第三章,上述分析说明，地质条件对井斜角的影响，主要是通过地层作用于钻头一个横向造斜力，使钻头偏离原井眼轴线，且一般情况下是使井眼向上倾方向发生偏斜。 可以推出该地层造斜力：,讨论：,第三章,2、下部钻柱弯曲对井斜的影响,由于钻柱时稳而发生弯曲，钻头及相邻连接部分钻柱的中心轴线偏离井眼轴线，从而使钻头偏离一角度 （称为钻头倾角）。钻头枪械后对井底形成了不对称切削，这是产生井斜的重要因素。,显然： 越大，井斜越大。,讨论： 1）钻压下于发生弯曲的临界钻压时，钻柱是直的，钻铤无倾斜现象；当钻压达到弯曲临界钻压时，钻柱发生弯曲，产生钻头倾角。如果钻压继续增大、则切点下降，钻头倾角也越大。,第三章,2）钻头直径一定，井径越大，钻柱越细、则钻铤与井眼的间隙越大，因而钻头的倾角越大、井越容易钻斜。所以从防斜角度，应选用直径大、刚性大的钻铤，并尽量减小下部钻柱与井眼的间隙，以减少钻头倾角。,二、斜井内钻柱的受力分析,斜井井眼的斜度是增大还是减小或是保持某个平衡角度，取决于钻头的受力情况。,假设： （1）钻头可以象球窝一样自由转动，但其横向运动受到约束。,第三章,（2）钻铤稳定地靠在井的低边。 （3）钻头由于受力情况不同，可自由地向任一方向切割。,钻压 钟摆力 地层造斜力,作用在钻头上的力,第三章,1、钻压,由于钻柱弯曲，钻压不是沿着井眼轴线方向施加给钻头，而是偏离一个角度。因此钻压可分解为与井眼轴线相平行的力Wo和与井眼相垂直的力Fi,使钻头偏离井眼，造成井斜，为增斜力,沿井眼轴向继续钻进，对井斜无影响,2、钟摆力,井内切点以下的重量Wp势必在垂直于井壁方向产生一个分力。此力与钟摆作用相似，将驱使钻头破碎井眼低侧岩石，使井眼恢复垂直状态，所以，为一减斜力。,第三章,3、地层造斜力,Ff取决于地层倾角和各向异性等因素，多数情况下增斜，也可以降斜（水平井）。,钻头上作用的力：,造斜力 降斜力,第三章,讨论： （1）当F1=Fd时，平衡，保持原井斜角 ； （2）当F1Fd时， 增大，此时， Fd也增大，达到一个新的大于平衡井斜角； （3）当F1Fd时， 减小，达到一个小于的新平衡角。,在直井防斜方面提出了：,钟摆钻具,偏重钻铤,刚性满眼钻具,各向异性地层中的平衡角数值主要取决于三个因素：钻压、钻铤尺寸和井眼尺寸。,第三章,三、定向井眼轨道控制理论与技术,造成井斜的原因是多方面的，如地质条件、钻具结构、钻井技术措施以及设备安装质量等。但归纳起来，主要有两方面原因：一是钻头与岩石的相互作用方面的原因，即由于所钻地层的倾斜、各向异性和非均质性使井眼轨道发生弯曲；二是钻柱力学方面的原因，即下部钻具受压发生弯曲变形使钻头偏斜和在钻头上产生侧向力使井眼轨道发生弯曲。,第三章,1. 下部钻具力学分析,(2)井斜角的影响 钻具的横向分布载荷是由于重力和井斜而产生的。当下部钻具组合选定后,横向分布载荷大小取决于井斜角的大小,同时轴向载荷密度也随井斜角而变化。因此,钻头与地层的作用力必然与井斜角有密切的关系。降斜钻具的降斜力随井斜角的增大而增大; 增斜钻具、单弯导向钻具、反向双弯钻具的增井斜力随井斜角的增大而增,(1) 钻压的影响 钻压是影响钻头与地层作用力的重要参数之一, 而且是一个可以人为控制的钻井参数, 研究它的影响规律,对于井眼轨道的预测和控制是十分必要的。多数情况下,增井斜力随钻压增加微增。,第三章,大, 其中以增斜钻具组合最为明显。井斜角对稳斜钻具的增斜特性无明显作用。,(3) 井眼曲率的影响 各种钻具组合均具有抗弯刚度, 当它们受到井眼弯曲作用时, 必然出现自身的反抗效应。井眼曲率对钻头与地层的作用力影响很大, 增斜力随井眼造斜率的增加迅速线性下降，其中稳斜、增斜和导向钻具斜率最大, 降斜钻具斜率较小。某一曲率下的增斜钻具在另一曲率下可能产生降斜力,反之亦然; 某一曲率下的增方位钻具在另一曲率下, 可能产生降方位力, 反之亦然。,第三章,(5) 井径扩大或稳定器偏心的影响 下部钻具组合的变形，一直受到井眼几何形状的严格约束。当遇到井径扩大或采用偏心稳定器导向钻井系统时，井眼对钻具的约束条件就发生了变化，从而影响到钻柱的变形和受力状态。井径扩大或稳定器偏心对不同钻具的力学特性影响不同。对图3-7中(b)、(c)、(d)、(e)具有近钻头稳定器的钻具影响很大，而对图3-7中(a)稳定器距钻头很远的钻具影响很小。其规律是井径扩大或稳定器,(4) 主法线方向的影响 井眼的主法线方向即井眼的弯曲方向 (类似于装置角, 增斜井眼主法线方向角为零, 顺时针方向为正)对增井斜力和增方位力有很大影响。,第三章,偏心 (偏心稳定器窄边向下) 导致增井斜力减小、降斜力增加；井径扩大或稳定器偏心使方位力有所增加，但数值很小。对于多稳定器钻具组合，近钻头稳定器与井壁的间隙对钻头侧向力影响最大，离钻头越远的稳定器的间隙对钻头侧向力的影响越小。,第三章,(7) 稳定器安放位置的影响 稳定器安放位置对钻具的力学特性影响是很大的。所谓的”钟摆作用”、“杠杆作用”和“满眼稳斜作用”等主要取决于稳定器安放位置。当第一个稳定器距钻头足够远时，上述钻具都具有降斜作用；当第一个稳定器距钻头较近时，在同一条件下，不同钻具产生不同的钻头侧向力，即使同一钻具，在不同条件下钻头侧向力也不同。,(6) 钻井液密度的影响 下部钻具组合在充满钻井液的井眼里工作，必然受到浮力的作用，但钻井液密度对钻头侧向力的影响较小。,第三章,(8) 导向钻具弯角位置的影响 向钻具弯角的位置是导向钻具重要的结构参数之一。随着第一弯角到近钻头稳定器距离的增加，两种导向钻具的增井斜力都迅速直线下降；随着弯角间距的增加,钻具的增井斜力直线增加。 (9) 导向钻具弯角大小的影响 导向钻具弯角大小是导向钻具重要的结构参数之一。导向钻具的增井斜力随第一弯角的增加而迅速线性增加，随第二弯角的增加而迅速线性减小。 (10) 导向钻具弯角装置角的影响 弯角的装置角是导向钻具的重要结构参数之一。钻具的增井斜力与装置角有关系。,随着两稳定器间距的增长，增井斜力增加，但增长到一定值时，反而降低。,第三章,第四章 钻井液,钻井液的作用： 1、清洗井底，携带和悬浮岩屑； 2 、保护井壁； 3 、冷却和润滑钻头及钻柱； 4 、平衡地层压力； 5 、协助破碎岩石； 6 、保护油气层。,钻井液的基本类型：,主要内容,第一节 粘土基本知识 第二节 钻井液性能及调控 第三节 常用钻井液简介,第一节 粘土基本知识,粘土是钻井液的主要成分，水基钻井液就是粘土分散在水中形成的胶体悬浮体。粘土对钻井液的性质有很大影响，其类型不同，造浆率差别很大。,一、 几种主要粘土矿物的晶体构造及特点,粘土主要是由很细（ 2m以下 ）的粘土矿物组成，许多粘土中含有非晶体质的胶体矿物如蛋白石、氢氧化铁、氢氧化铝，还含有不定量的石英、长石等粘土矿物。但粘土的主要化学成分为铝硅酸盐。 因此虽然粘土矿物的种类很多,不同粘土矿物有不同的晶体构造及特点，但其晶体都是由两种基本构造单位组成的。,1. 粘土晶体构造中的基本单位,硅氧四面体,每个四面体中都有一个硅原子与四个氧原子以相等的距离相连，硅在四面体的中心，四个氧原子(或氢氧)在四面体的顶点。在大多数粘土矿物中排列成六角形网络。,铝氧八面体,铝原子处于八面体的中心，与上面和下面的各三个氧原子或氢氧形成一个正八面体。 八面体片状构造中，铝占2/3位置，空余位置以 表示。,2. 高岭石的晶体结构,高岭石晶体由一个硅氧四面体片和一个铝氧八面体片组成。四面体片的顶尖都朝着八面体片，二者由共用的氧原子和氢氧原子团联结在一起。 由于它是一个硅氧四面体片和一个铝氧八面体片组成，所以称高岭石为11型粘土矿物。 高岭石单元晶层，一面为OH层，另一面为O层,片与片之间易形成氢键,晶胞之间连结紧密,故高岭石的分散度低。 高岭石晶格中几乎没有晶格取代现象，它的电荷是平衡的，因此高岭石电性微弱。 这些特点决定了高岭石水化很差，造浆性能不好，不是配浆的好材料。 油气层中高岭石颗粒大而附着力弱，常常因运移堵塞孔喉而降低渗透率。,3. 蒙脱石的晶体结构, 蒙脱石是由上下两个硅氧四面体片中间夹一层铝氧八面体片组成，硅氧四面体的尖顶朝向铝氧八面体，铝氧八面体片和上下两层硅氧四面体片通过共用氧原子和氢氧联结形成紧密的晶层，因此称为21型。 在铝氧八面体中，有部分Al3+被Mg2+或Fe2+取代，四面体中的Si4+也有少量被Al3+取代，显负电性，这种现象称为晶格取代现象。因此，吸附较多阳离子，有较强的离子交换能力。 同时，蒙脱石晶层上下皆为氧原子层，各晶层间以分子间力联结，联结力弱。蒙脱石是极易水化、分散、膨胀的粘土矿物。 这些特点决定了蒙脱石是配浆的好材料，但地层中蒙脱石也会因水化膨胀而造成井塌和油层损害。,4. 伊利石的晶格结构,伊利石的晶体构造和蒙脱石相似，也是21型晶体结构，即伊利石也由两层硅氧四面体片夹一层铝氧八面体片组成。 区别：伊利石的硅氧四面体中有较多的Si4+被Al3+取代，晶格出现的负电荷由吸附在伊利石晶层表面氧分子层中的K+所中和。K+的直径为2.66，而晶层表面的氧原子六角环空穴直径为2.80，因此K+正好嵌入氧原子六角环中。由于嵌入氧层的吸附K+的作用，将伊利石的相邻二晶层拉得很紧，联结力很强，水分不易进入层间，所以它不易膨胀。 伊利石由于晶格取代显示的负电性已由K+中和，K+嵌入氧原子六角环中，接近于成为晶格的组成部分，不易解离，因此伊利石电性微弱。,5. 海泡石族,晶体构造为链状、棒状、或纤维状，晶体结构中有很大的空穴。 有极大的内表面积，因此，含有较多的吸附水，有很高的热稳定性和坑盐侵污能力。在淡水和饱和盐水中的水化情况几乎一样。因此是配制深井钻井液和眼水钻井液的好材料。,6. 绿泥石,由三层型晶层与一层水镁石交替组成的。 水镁石层有些Mg2+被Al3+取代，因而带正电。于是三层型晶层与水镁石层间以静电相吸联结，同时还有氢键存在，因此遇水不膨胀。 对酸敏感。,二、 粘土的吸附及水化作用,粘土的吸附作用： 钻井液中粘土颗粒和分散介质的界面上，自动浓集介质中分子或离子的现象称为粘土的吸附。 粘土的水化作用： 由于粘土颗粒表面通常带有负电荷，因而能吸附水分子和各种水化离子，使粘土颗粒表面形成一层具有一定厚度的水化膜，这种现象称为粘土的水化作用。 粘土的吸附和水化作用是使钻井液分散体系稳定的重要因素。,1. 粘土的吸附性能,(1) 粘土颗粒表面电荷种类及原因,1) 永久电荷。它是由于粘土在自然界形成时发生晶格取代所产生的。 2) 可变负电荷。在粘土晶体的断键边缘上有很多裸露的Al-OH键，其中OH中的H在碱性条件下解离，会使粘土负电荷过剩；另外粘土晶体的边面上吸附了OH-、SiO32-等无机离子或吸附了有机阴离子聚电解质也使 粘土带负电。由于这种负电荷的数量随介质的pH值而改变，故称为可变负电荷。 3) 正电荷。不少研究者指出，当pH值低于9时，粘土晶体边面上带正电荷。多数人认为其原因是由于裸露在边缘上的Al-O八面体在碱性条件从介质中接受质子引起的。 粘土的负电荷与正电荷的代数和即为粘土的净电荷数，由于粘土的负电荷一般都多于正电荷，因此粘土一般都带负电荷。,(2) 粘土的吸附性能, 吸附现象在钻井液中是经常发生的，化学处理剂改善钻井液性能，侵入物损坏钻井液的性能都是通过吸附改变粘土表面的性质而起作用的。钻井液中粘土的吸附作用，可分为物理吸附、化学吸附和离子交换吸附三种。 1) 物理吸附。物理吸附是靠吸附剂和吸附质之间分子间引力产生的，物理吸附是可逆的，吸附速度与脱附速度在一定条件下呈动态平衡。非离子型的有机处理剂，往往是因在粘土表面发生物理吸附而起作用的。 2) 化学吸附。化学吸附是靠吸附剂与吸附质之间的化学键力而产生的。例如铁铬木质素磺酸盐在粘土晶体的边缘上可以发生螯合吸附。 3) 离子交换吸附。粘土颗粒因晶格取代等原因，一般是带负电的，为了保持整体的电中性，必然要吸附阳离子。而吸附的阳离子一般来说并不固定，可以与溶液中的阳离子进行交换，这种作用称为离子交换吸附。,离子交换吸附的特点：,同号离子相互交换；等电量相互交换；离子交换吸附的反应是可逆的，吸附和脱附的速度受离子浓度的影响。 离子交换吸附的规律： 浓度相同，价数越高，与粘土表面的吸力越强，交换到粘土表面上的能力越强； 价数相同、浓度相近时，离子半径越小，水化半径越大，离子中心离粘土表面越远，吸附能力弱(K+与H+除外)； 当浓度很高时，低价离子同样能交换高价离子。常见的阳离子交换能力强弱顺序是： H+Fe3+Al3+Ba2+Ca2+Mg2+NH4+K+Na+Li+ 粘土的阳离子交换容量是指在pH等于7的条件下，粘土所能交换下来的阳离子总量。它包括交换性氢和交换性盐基，其数值均以每100 g粘土所交换下来的阳离子的量表示。 粘土的阳离子交换容量，直接关系到粘土颗粒带电荷的多少和吸附处理剂的能力。影响粘土阳离子交换容量的因素有粘土矿物的本性、粘土矿物的分散度及溶液的pH值。,2. 粘土的水化作用,(1) 粘土水化膨胀机理 粘土水化膨胀机理主要有两方面： 1) 表面水化 是由粘土晶体表面上水分子的吸附作用引起的，引起表面水化的作用力是表面水化能，第一层水是水分子与粘土表面的六角形网络的氧形成H键而保持在平面上。因此，水分子也通过氢键结合为六角环，下一层也以类似情况与第一层以氢键连接，以后的水层照此继续。 2) 渗透水化 由于晶层之间的阳离子浓度大于溶液内部的浓度，水发生浓差扩散，进入层间，在双电层斥力作用下层间距增大。渗透膨胀引起的体积增加比晶格膨胀大得多