第一章钻井工程

,钻井工程,熊青山iongqingshan要求：1）1/3作业以上未交者无资格参加考试；2）旷课次数超1/3上课次数者，无资格参加考试；3）旷课1次扣总分2分，迟到1次扣总分1分。4）作业要抄题，字迹工整，严禁抄袭，否则0分处理；5）上课不允许讲话，否则坐到前排或请出教室。,本课程主要要求,平时成缚：20%，包括考勤、作业、实验、纪律等；期末成绩：80%。竞赛：五月初左右进行。,成绩,第一章钻井的工程地质条件地层力学特性和压力特性第二章钻进工具钻头、钻柱第三章钻井液组成、类型、性能、防塌和保护油气层,本课程主要内容,第四章钻进参数优选钻压、转速、钻进方程、水力参数第五章井眼轨道设计及轨迹控制轨道设计、防斜理论与技术、定向钻井工艺与技术第六章油气井压力控制地层压力的平衡与控制,本课程主要内容,主要参考书,1.钻井工艺原理（上、中、下），石油工业出版社，刘希圣主编。2.钻井工艺技术基础，石油大学出版社，王瑞和编著。3.钻井手册(甲方),石油工业出版社。4.喷射钻井理论与计算,石油工业出版社，张绍槐编著。5.最优化钻井理论基础与计算,石油工业出版社，郭学增编著。,绪论,一、钻井的定义二、钻井的应用领域三、钻井的重要性四、钻井技术发展阶段五、旋转钻井发展时期和方向六、旋转钻井发展特点七、旋转钻井的分类八、建井过程三个阶段,绪论,一、钻井(图见下页)利用一定的设备、工具、技术形成一条从地表到地下某一深度处具有一定轨迹形状的孔道。,1.普查找矿；2.矿产勘探钻探3.水文地质及水井钻；4.工程地质勘察；5.工程施工钻；6.地下管线铺设；7.油气勘探开发等,二、钻井的应用,三、石油钻井的重要性1.寻找和证实油气构造；2.探明油气面积及储量；3.取得油田地质资料及开发数据；4.将原油从地下取到地面上等。,四、钻井技术发展阶段,钻井技术发展可分为四个阶段：人工挖掘人力顿钻机械顿钻旋转钻1.人工掘井人工挖孔桩，挖水井。2.人力冲击顿钻2000年前我国四川已钻凿了盐井并创造了冲击钻。北宋时代得到发展。,3.近代机械顿钻(1859年)现代石油钻井的开始。,顿钻钻机结构1动力机；2大皮带轮3游梁；4天车；5井架；6捞砂筒；7滚筒；8拐柄与连杆；9吊升滚筒；10钻头,4.旋转钻转盘带动钻柱，钻头破碎岩，碎屑通过循环液排出孔外。,4.旋转钻转盘带动钻柱，钻头破碎岩，碎屑通过循环液排出孔外。,五、旋转钻井发展时期和方向,1.四阶段概念行成期即初创期发展时期科学化钻井时期自动化钻井时期2.关于四阶段的说明,六、旋转钻井发展特点,1.从经验钻井发展到科学化钻井；2.从浅井、中深井发展到深井、超深井；浅井：pp+3321,计算公式：,不足：钻井很少在正断层上进行。,（2）马修斯与凯利法(Mathews&Kelly(1967)1）核心观点：水平均匀地应力状态，3=2=Ki(D)1,水平骨架应力的大小与地层压实有关，并非固定值，地层越密实，水平骨架应力越大。,预测方法,井内液柱压力必须克服地层孔隙压力和最小有效水平地应时地层才能破裂。（3）Eaton(1969)伊顿法认为：水平均匀地应力状态，井内液压必须克服地层孔隙压力和最小有效水平地应力时地层才能破裂。,认为：井壁岩石处于三维不均匀应力状态，123水平地应力由上覆岩层压力和构造力两部分产生；当井内液压力超过井壁上某一点处的地层孔隙压力、切向（周向）有效应力和岩石的抗拉强度，地层开裂。,式中：，由现场压裂实验数据求得；St岩心抗拉强度，试验求得。,构造应力系数,（4）黄荣樽法,5液压实验法也称漏失试验，在下完一层套管，注完水泥和钻过水泥塞后进行。也可以在钻井过程中用封隔器对地层进行(画图)。,液压实验法的步骤：1)调节钻井液性能，保证其稳定，上提钻头至套管鞋内，关闭防喷器；2)用较小排量(0.661.32L/s)向井内注入钻井液，并记录各个时期的注入量及立管压力；,3)作立管压力与累计泵入量的关系曲线图(见下图)；4)从图上确定各个压力值(漏失压力、开裂压力和传播压力)；,5)求地层破裂压力当量密度：式中：试验用钻井液密度，g/cm3；漏失压力，MPa；D试验井深，m。,说明：液压实验法适用于砂泥岩为主的地层。对石灰岩、白云岩等硬地层的液压试验有待实验研究。,步骤：1、下套管固井侯凝后，钻4-5米新井眼；2、上提钻头至套管鞋内；3、关闭防喷器（闸板）和节流阀；4、缓慢启动泵，小排量（0.66-1.32L/S)向井内注入钻井液；5、记录注入量和立管压力并随时绘制二者关系曲线；6、当立压开始下降并趋与平缓后，停泵；7、求出地层的破裂压力。,现场液压实验,一、地下各种压力的概念1.静液压力：ph=0.00981hl2.上覆岩层压力的概念；3.基岩应力；4.地层压力正常地层压力：水力学开启系统异常高压：水力学封闭系统5、异常低压和异常高压的成因；,本节小结,二、地层压力评价方法,1.地层压力预测方法声波时差法（原理？）2.地层压力监测（检测）方法dc指数法（原理？）,思考题,1、在正常压力地层声波时差和dc指数随井深变化的规律是什么？2、利用声波时差和dc指数为什么能够预测或监测异常高压地层？3、为什么现场一般在下套管固井后进行压裂实验？4、如何根据压裂试验曲线计算地层破裂压力pf和构造应力系数Kss？5、液压试验时，如果井口压力接近地面设备的承压能力时地层仍未压裂，此时该怎么办？,第三大节完,第二节岩石的工程力学性质,意义：在钻井过程中，一方面要提高岩石破碎效率，另一方面要保证井壁岩层稳定，这些都取决于对岩石的工程力学性质的认识和了解。,本节内容结合钻井工程阐明岩石的工程力学性质以及影响这些性质的有关因素，为正确掌握钻井工程的主要理论与技术打下必要的基础。,(一)岩石的类型及结构特点1.岩石的组成岩石是造岩矿物颗粒的集合体，颗粒之间或者靠直接接触面上的作用力联结，或者由外来的胶结物胶结。大多数岩石由两种以上的矿物成分组成。矿物是具有固定的化学成分和确定的物理性质的天然无机化合物。除了硫、碳的矿物及少数金属外，绝大多数矿物是由两种以上元素组成的化合物。主要造岩矿物一览表如下：,一岩石的机械性质,主要造岩矿物一览表,主要造岩矿物一览表,2.岩石的类型,岩石可分为三大类：火成岩（岩浆岩）由岩浆（硅酸盐）溶体冷凝而成。如花岗岩、玄武岩、橄榄岩、安山岩等。变质岩火成岩和沉积岩等由于高温高压作用或外来物质的加入，改变了原来的成分、结构，变成新的岩石。如:花岗岩片麻岩，石灰岩大理岩，石英砂岩石英岩等。,岩石的结构：是说明小块岩石的组织特征的，主要指岩石晶体的结构和胶结物的结构。据此可分沉积岩为结晶沉积岩和碎屑沉积岩两大类。,沉积岩母岩风化后的产物经过搬运、沉积和成岩作用而形成的岩石,分碎屑沉积岩与结晶沉积岩。如泥岩、砂岩、石灰岩、石膏、盐岩等。,沉积岩类型,(1)碎屑沉积岩母岩风化后的物质经机械沉积作用后形成的岩石。碎屑颗粒（岩石碎屑、矿物碎屑）由胶结物（泥质、铁质、钙质、硅质）胶结在一起。砾岩：颗粒大于1mm。主要是火成岩、变质岩碎屑，碎屑间由胶结物充填。巨砾：1m；粗砾：100-1000mm；中砾：10-100mm；细砾：1-10mm,沉积岩类型,砂岩：颗粒0.1-1mm。石英、长石、辉石、角闪石、云母等矿物颗粒+胶结物粗砂：0.5-1mm；中砂：0.25-0.5mm；细砂：0.1-0.25mm粉砂岩：介于砂岩和泥岩之间的一类岩石，颗粒尺寸0.1-0.01mm。,泥岩：颗粒小于0.01mm。主要成分为粘土矿物，并含有部分碎屑物质（石英、长石、云母等）。,沉积岩类型,（2）结晶沉积岩（化学沉积）盐类物质从水溶液中沉淀或在地壳中发生化学反应而形成。碳酸盐岩石灰岩,主要成分为石灰石（CaCO3）白云岩,主要成分为白云石（MgCa(CO3)2）硫酸盐岩石膏（CaSO4）盐岩食盐（NaCl）评价：在沉积岩中：泥岩60%，砂岩30%，碳酸盐岩居第三位。,3.沉积岩的特点,（1）结构特点结构指岩石的微观组织特征，包括矿物成分、颗粒大小、形状及排列方式、颗粒间的联结情况等。特点：矿物成分不确定、颗粒大小不等、颗粒形状多样、颗粒分布不均匀、胶结强度有强有弱。（2）构造特点构造指岩石的宏观组织特征，是指岩石组分的空间分布及其相互间的位置关系。如层理、页理、节理（裂隙）、孔隙度等。,3.沉积岩的特点,层理沉积岩在垂直方向上岩石成分和结构的变化，它主要表现在不同成分的岩石颗粒在垂直方向上交替变化沉积，岩石颗粒大小在垂直方向上有规律的变化，岩石颗粒按一定方向的定向排列等。页理岩石沿平行平面分裂为薄片的能力。层理与页理面通常不一致。钻井工程有关的岩石物理性质还有岩石的孔隙度及密度等。,二岩石的机械性质（力学性质）,岩石的力学性质岩石受力后表现出来的变形特性和强度特性。(一)弹塑性弹性岩石在外力作用下产生变形，外力撤除后变形随之消失，恢复到原来的形状和体积的性质称为弹性。相应的变形称为弹性变形。塑性岩石在外力作用下产生变形，外力撤除后变形不能完全恢复的性质。相应的残余变形称为塑性变形。,弹性模量和泊松比,虎克定律：,泊松比：,弹性系数之间的关系：,:应力；:应变；E:弹性模量,:剪应力；:剪应变；G:剪切弹性模量,（各向同性材料）,2.决定岩石强度大小因素取决于岩石的“内聚力”和岩石“颗粒间内摩擦力”。(1)内聚力矿物晶体或碎屑间的相互作用力，或是矿物颗粒与胶结物之间的连接力。(2)内摩擦力是颗粒之间的原始接触状态即将被破坏而要产生位移时的摩擦阻力。,(二)岩石强度1.岩石强度定义岩石在一定条件下受外力作用发生破坏时的最大应力。单位：MPa。,3.不同岩石主要影响因素(1)坚固岩石和塑性岩石的强度主要取决于岩石的内聚力和内摩擦力；(2)松散岩石的强度主要取决于内摩擦力。,4.影响岩石强度的因素：分为自然因素和工艺技术因素两类。(1)自然因素岩石的矿物成分（对沉积岩而言还包括胶结物的成分和比例）、矿物颗粒的大小、岩石的密度、孔隙度、结构及缺陷。(2)工艺技术因素岩石的受载方式、外载作用的速度、液体介质性质不同，相同岩石的强度不同；岩石的应力状态不同，相同岩石的强度差别也很大。,(三)简单应力条件下岩石的强度,1.定义简单应力：岩舞石受单一外载（压、拉、剪、弯）作用。,强度:岩石在外力作用下发生破坏时的最大应力。,2.种类,简单应力强度条件下岩石强度分类,单轴抗拉强度岩石单纯受拉伸应力作用时的强度。单轴抗压强度岩石单纯受压缩应力作用时的强度。单轴抗剪强度岩石单纯受剪切应力作用时的强度。单轴抗弯强度岩石单纯受弯曲应力作用时的强度。脆性岩石在外力作用下变形量很小（小于3%）时就发生破坏的性质。相应的破坏称为脆性破坏。,2.简单应力条件下岩石的力学性质,（1）试验方法,抗压试验,抗拉试验-巴西实验,（1）试验方法,抗剪试验,抗弯试验,破坏方式,(2)简单应力条件下岩石的强度规律：1)同一岩石，加载方式不同，岩石强度不同。一般而言，有以下关系：抗拉抗弯抗剪抗压,表1-5岩石几种强度间的比例关系,（2)强度各向异性。方向不同,强度不同（层理存在）。垂直于地层层面方向岩石强度平行于地层层面方向岩石强度岩石的抗压强度：虽不能直接用于石油钻井的井下条件，但仍将它作为钻头选型的参考。,表1-6几种岩石强度的各向异性(MPa),(3）各向异性和非均质性,各向异性：如果物体的某一性质随方向的不同而不同，则称物体具有各向异性。岩石一般具有各向异性的性质。如在垂直于和平行于层理面的方向上，岩石的力学性质（弹性、强度等）有较大的差异。岩石的各向异性性质是由岩石的构造特点所决定的。结晶矿物颗粒的定向排列、层理、片理、节理等使得岩石具有各向异性的特点。,1.研究背景实际条件下，岩石埋藏条件下，受各向压缩作用，处于复杂的多向应力作用。,2.三轴岩石试验三轴岩石试验方法：三轴应力试验是在复杂应力状态下定量测试岩石机械性质可靠方法。下页图是最常见的常规三轴试验。,(四)复杂应力条件下岩石的强度,常规三轴试验,2=3=p，称为围压。,将圆柱状的岩样置于高压容器中，用不变液压p使其四周处于均匀压缩状态，然后纵向加载至破坏，记录纵向的应力和应变关系曲线。,(四)复杂应力条件下岩石的力学性质,其它三轴岩石试验,2.三轴应力条件下岩石的强度变化特点：1)岩石在三轴应力条件下强度明显增加(图1-10和图1-11)。2)对于所有岩石，围压增加强度均要增大。但不同类型的岩石，强度所增加的幅度是不一样的(图1-11)。,岩石在三轴应力条件下强度明显增加,对于所有岩石，围压增加强度均要增大。,不同类型的岩石，强度所增加的幅度是不一样,3)围压对强度的影响程度并不是在所有压力范围内都是一样的。在开始增大围压时，岩石的强度增加比较明显，再继续增加围压时，相应的强度增量就变得越来越小，最后当压力很高时，有些岩石(例如石灰岩)的强度便趋于常量(图1-11)。,4)岩石由脆性向塑性转变的性质三轴应力条件下，岩石表现出从脆性向塑性的转变，并且围压越大，岩石破坏前所呈现的塑性也越大。,1.试验方法在下图装置上进行压入破碎实验。用平底圆柱压头加载压入岩样，记录载荷与吃入深度的相关曲线。可得三种典型形态，据此可把岩石分为脆性岩石、塑性岩石和塑脆性岩石大三类。,(五）岩石的脆性和塑性,压入硬度和塑性系数的测定方法压入试验,岩石硬度试验装置,7,7,1液缸缸体；2液缸柱塞；3岩样；4压头；5压力计；6千分表；7柱塞导向杆,6,岩石硬度和塑性系数的计算,塑性系数:,2.岩石分类,岩石在外力作用下产生变形直至破坏的过程是不同的。1.脆性岩石：在外力作用下，岩石直至破碎无明显的形状改变，此类岩石为脆性岩石。2.塑性岩石：在外力作用下，岩石只改变其形状、大小而不破坏自身的连续性，此类岩石为塑性岩石。反映岩石吸收残余形变或吸收岩石未破碎前不可逆形变的机械能量的特性。3.塑脆性岩石：介于这二者之间分析每一段代表的意义,塑性（plasticity）系数KP：岩石破碎前耗费的总功AF与岩石破碎前弹性变形功AE的比值。计算依据下图曲线。Fragilityelastic,3.定量表征岩石塑性和脆性大小的方法,脆性岩石：AF与AE相等。Kp=1塑脆性岩石：塑性岩石：Kp=4.分类：根据塑性系数的大小分为三类六级，见下表。,4.岩石按塑性系数分类（3类、6级）,5.岩石由脆性向塑性转变的性质三轴应力条件下，岩石表现出从脆性向塑性的转变，并且围压越大，岩石破坏前所呈现的塑性也越大。,6.了解岩石从脆性向塑性的转变压力的意义是选择和使用钻头的重要依据。因为脆性破坏和塑性破坏是两种不同的破坏方式，破坏这两类岩石要应用不同结构类型的钻头、不同的破碎方式和不同的破碎参数的合理组合，才能取得较好的破岩效果。,1.定义岩石表面抵抗其他物体压入或侵入的能力。2.硬度与抗压强度关系硬度只是固体局部表面对另一物体压入或侵入的阻力，对钻进过程中工具的磨损起重大影响。抗压强度则是固体整体破坏时的阻力，对钻进时岩石破碎速度起重大影响。3.岩石及矿物硬度的测量与表示方法有两种：是摩氏硬度（相对硬度）；是压入硬度（史氏硬度）。,(六）岩石的硬度,(1)摩氏硬度(相对硬度)：用10种矿物作为摩氏硬度的标准：滑石(1度)、石膏(2度)、方解石(3度)、萤石(4度)、磷灰石(5度)、长石(6度)、石英(7度)、黄玉(8度)、刚玉(9度)、金刚石(10度)。滑高（石膏）方赢（萤）银（磷灰石），长（长石）石（英）换（黄）钢（刚）筋（金）,现场更简便的方法：指甲(2.5度)、铁刀(3.5度)、普通钢刀(5度)、玻璃(5.5度)、锯条(6度)、锉刀(7度)、硬合金(9度)等刻划矿物或岩石鉴别其硬度。核（合）错（锉）距（锯）离（璃），通切（铁）指。摩氏硬度的意义：是选择破岩工具的参考依据。,（2）岩石的压入硬度(史氏硬度)：1）测试装置（见下页图）2）三类岩石的硬度计算方法,1）压入硬度试验装置,压头,7,7,1液缸缸体；2液缸柱塞；3岩样；4压头；5压力计；6千分表；7柱塞导向杆,6,2）岩石的硬度计算方法如下：a.脆性岩石和塑脆性岩石：,式中：py压入硬度，MPa；P产生脆性破碎时压头上的载荷，N；S压头的底面积，mm2。,b.塑性岩石：取产生屈服时的载荷poy代替p，即：,屈服：从弹性变形开始向塑性变形转化,4.压入硬度的意义：在钻井的岩石破碎过程中有一定的代表性，能在一定程度上反映钻井时岩石抗破碎的能力。因为钻头是在井底岩层表面施加载荷，使其发生局部破碎的。,5.按压入硬度对岩石分类(100MPa)我国按压入硬度的大小将岩石分为六类12级，作为选择钻头的主要依据之一。,(七)井底压力条件下岩石的机械性质及其影响因素,1.井眼周围地层岩石的受力状况包括以下几方面：(1)上覆岩层压力3。(2)岩石内孔隙流体的压力pp3pp=(有效上覆岩层压力),3)水平地应力。地应力：由于地下岩石之间的作用而产生的应力统称为地应力。水平地应力:1和2产生：a.有效上覆岩层压力(3pp)b.地质构造力。关系：12,4)钻井液柱压力ph。,2.井底各种压力对岩石性能的影响(1)地应力的影响1)地应力对钻速的影响：美国盐湖城的全尺寸钻头模拟钻井试验。施载方式如下图所示。,模拟装置,模拟参数试验各压力的梯度取为：G0=0.023MPa/m，Gc=0.016MPa/m，Gp=0.0104MPa/m。结果a.由于所试验的压力较小(35MPa)，上覆岩层压力p0和水平地应力pc都对钻进的速度没有明显影响。,b.地应力对井壁稳定性的的影响：(a)po、pc（均匀与非均匀）均有影响，地应力越不均匀，差值越大，影响越大。(b)如果m太小，软弱岩层就会产生剪切破坏而坍塌或者出现塑性流动而缩径。如果m过大，又会使地层破裂。(c)Pf与地应力的大小紧密相关。,(2)孔隙压力对岩石性能的影响1)孔隙压力的影响各向压缩效应：井底的岩石，如属干的或不渗透、或孔隙度小且孔隙中不存在液气时，增大围压一方面增大岩石的强度，另一方面也增大岩石的塑性，这两方面的作用统称为“各向压缩效应”。当孔隙液体是化学惰性的，岩石的渗透率足以保证液体在孔隙中流通形成一致的压力，且孔隙的形状能使孔隙压力全部传给岩石固体骨架时，“各向压缩效应”取决于外压与内压之差（有效压力），外压指围压，内压指孔隙压力，也即孔隙压力降低了岩石的“各向压缩效应”。,表1-10有效应力的作用(MPa),孔隙压力的影响意义：降低了岩石的各向压缩效应。在考虑井壁的稳定时应对孔隙压力给予足够的重视。相反，在钻井中孔隙压力有助于岩石的破碎，从而提高钻井速度。,（3）液柱压力的影响井底的岩石，如属不渗透、无孔隙液体时，增大钻井液的液柱压力ph将增大对岩石的各向压缩效应。导致岩石从脆性破坏转为塑性破坏，该压力为脆塑性转变压力。详见实验结果,表1-11液压ph对岩石硬度的影响(MPa),1)随着液柱压力的增加，岩石强度有明显的增加。且岩石硬度越小，液柱压力对其硬度的影响越显著。,2)液柱压力对岩石强度起增强作用外，同时也增大了岩石的塑性系数，并在某个压力值时，其破碎特征从脆性转变为塑性。,表1-12几种岩石的脆塑性转变压力,此外，液柱压力对钻井速度有明显的影响，表现在随着钻井液液柱压力的增高，单位破岩能量所破碎的岩石体积（V/W）下降，且钻井液液柱压力对于软而易钻的地层的影响更大；实验结果见表1-13及图1-18。,表1-13一些岩石的脆塑性转变压力,（八）岩石的研磨性,1.定义：岩石磨损钻头切削刃的能力称为岩石的研磨性。2.意义：对于正确地设计和选择使用钻头，延长钻头寿命，提高钻头进尺，提高钻井速度有重要的意义。3.研磨性问题的特点和研究现状：钻头刃部表面的研磨性磨损除了与摩擦付材料的性质有关外，还取决于摩擦的类型和特点、摩擦表面的形状和尺寸、摩擦面的温度、摩擦体的相对运动速度、摩擦体间的接触应力、磨损产物的性质及其清除情况、参与摩擦的介质等因素。是十分复杂和研究得很不够的领域。,(九)岩石的可钻性,1.概念：是岩石抵抗钻头破碎的能力，或为在一定钻头规格、类型及钻井工艺条件下岩石抵抗钻头破碎的能力。通俗地说，是指岩石好不好钻。2.意义可钻性的概念，已经把岩石性质由强度、硬度等比较一般性的概念，引向了与钻孔有联系的概念，在实际应用方面占有重要的地位。通常钻头的选型、确定钻头工作参数、预测钻头工作指标等都以岩石可钻性为基础。,3.岩石可钻性问题的特点和解决办法是岩石在钻进过程中显示出的综合性指标，取决于许多因素(举例)。要找出与其影响因素间的定量关系是比较复杂和困难的，岩石可钻性只能在这种或那种具体破碎方法和工艺规程下，通过试验来确定。,4.岩石可钻性测定和分级方法的现状：不统一。我国石油系统岩石可钻性测定和分级方法：(尹宏锦,1987)在岩石可钻性测定仪上使用31.75（11/4）mm直径钻头，钻压889.66N，转速55r/min的钻进参数，,在标准岩样上钻三个孔，孔深2.4mm，取三个孔钻进时间的平均值为岩样的钻时（td），对td取以2为底的对数值作为该岩样的可钻性级值Kd，一般Kd取整数值。（1-38）,我国将地层可钻性按Kd的整数值分为10级。各主要油田地层可钻性等级所占比例见表1-14。,表1-14我国各油田地层可钻性等级所占比例(%)表,三、影响岩石力学性质的因素分析,1.岩石结构（1）对晶质岩石，由硬度较高的矿物组成的岩石，其硬度也较高。如玄武岩（斜长石、辉石，6）白云岩（4）石灰岩（3）。（2）砂岩的强度随着石英（7）含量的增加而增大；硅质胶结钙质铁质泥质。（3）同种岩石孔隙度增大，密度降低，强度降低。因此，岩石的强度一般随埋藏深度的增加而增大。,2.井底各种压力（1）有效应力（外压与