钻井工程复习资料

1、钻井复习资料 1209 白璐钻井工程绪论钻井：利用一定的工具和技术在地层中钻出一个较大孔眼（井眼）的过程。钻井方法：为了在地下岩层中钻出所要求的孔眼而采用的钻孔方法。第一章 钻井的工程地质条件第一节 地下压力特性一、地下各种压力的概念（一）静液柱压力（ph）1.概念：由液柱自身的重力所引起的压力。2.公式：ph=0.00981H式中：ph，静液柱压力，MPa；，液体的密度，gcm3；H液柱的垂直高度，m。3.压力梯度：单位高度或单位深度的压力，单位MPam。4.静液柱压力梯度：Gh=phH=0.00981。（二）上覆岩层压力（po）1.概念：地层某处的上覆岩层压力是指该处以上地层岩石基质和岩石

2、孔隙中流体总重力所产生的压力。2.公式：po=基岩重力+流体重力面积po=0.00981H1-ma+po=0.00981oiHi （分段计算）式中：po，上覆岩层压力，MPa；H，地层垂直深度，m；，岩石孔隙度，%；ma，岩石骨架密度，gcm3；，孔隙中流体的密度，gcm3；Hi，第i层段厚度，m；oi，第i层段平均密度，gcm3。3.上覆岩层压力梯度：G0=poiHi=0.00981oiHiHi式中：G0，上覆岩层压力梯度，MPam；poi，第i段上覆岩层压力，MPa；Hi，第i层段厚度，m；oi，第i层段平均密度，gcm3。（三）地层压力（pp）1.概念：指岩石孔隙中的流体所具有的压力，也

3、称地层孔隙压力。2.正常地层压力：等于从地表到地下某处的连续地层水的静夜压力。（用Gp表示正常地层压力梯度：淡水，Gp=0.00981MPam；盐水，Gp=0.0105MPam）3.异常地层压力：地层压力大于或小于正常地层压力。（1）异常高压：超过正常地层静液压力的地层压力(ppph)称为异常高压。（2）异常低压：低于正常地层静液压力的地层压力(ppQr，Ns=Nr，pspr只有当泵排量等于额定排量时，钻井泵才能同时达到额定输出功率和额定泵压，因此，应尽量选用额定排量与实际排量相近的缸套。（三）获得最大钻头水功率的条件喷嘴直径与临界井深的关系：1.当DDPc时，喷嘴直径应随井深的增加而逐渐增大

4、。2.当DPcDPa，喷嘴直径应随井深的增加而逐渐增大。DPc，第一临界井深；DPa，第二临界井深。（四）水力参数优化设计的步骤举升效率：Ks=vsva=va-vHva=1-vHva式中：Ks，岩屑举升效率，无因此；va，钻井液环空反速；vs，岩屑在环空的实际上反速度；vH，岩屑下滑速度。第五章 井眼轨迹设计与轨迹控制概述一、基本概念（一）井眼轨道一口井开钻之前，预先设计的井眼轴线形状。（二）井眼轨迹一口井实际钻成后的井眼轴线形状。第一节 井眼轨迹的基本概念一、轨迹的图示方法（一）三维坐标法：X、Y、Z（二）柱面图示法垂直剖面图（柱面展开图）：经过井眼轨迹上每一个点作一条铅垂线，这些铅垂线构成

5、了一个曲面，称为柱面。将此柱面展开到一个平面上，就形成了垂直剖面图。水平投影图：俯视图。将井眼轨迹这条空间曲线投影到井口所在的水平面上，形成水平投影图。（三）投影图示法水平投影图：俯视图。将井眼轨迹这条空间曲线投影到井口所在的水平面上，形成水平投影图。垂直投影图：侧视图。将井眼轨迹这条空间曲线投影到设计方位线所在的铅垂面（即：井口和目标点所在的铅锤面）。二、轨迹的基本参数（一）井深（斜深、测深）1.定义：井口（通常以转盘面为基准）至测点的轨迹长度。以字母Dm表示 ，单位为米（m）。2.井深增量（井段长度）：下测点井深与上测点井深之差。以Dm表示。（二）井斜角（）1.概念：指井眼方向线与重力线之

6、间的夹角。单位为（度）。2.井眼方向线：过井眼轴线上某测点作井眼轴线的切线，该切线向井眼前进方向延伸的部分称为井眼方向线。3.井斜角增量（）：下测点井斜角与上测点井斜角之差。（三）井斜方位角（方位角）（）1.概念：在水平投影图上，以正北方位线为始边，顺时针方向旋转到井眼方位线上所转过的角度。2.井眼方位线（井斜方位线）：某测点处的井眼方向线在水平面上的投影。3.井斜方位角增量（）：下测点的井斜方位角与上测点的井斜方位角上之差。三、轨迹的计算参数（一）垂直深度（D）（垂深）轨迹上某点至井口所在水平面的垂直距离。（二）水平投影长度（水平长度、平长） ：井眼轨迹上某点至井口的轨迹长度在水平面上的投影

7、，即井深在水平面上的投影长度。 （三）N坐标和E坐标：井口为原点；南北坐标轴，以正北方向为正；东西坐标轴，以正东方向为正。（四）井眼曲率（K）1.概念：指单位井眼长度内井眼全角的变化值，通常也叫狗腿严重度。2.狗腿角（全角变化）：对于一个侧段（或井段）来说，上、下二测点处的井眼方向线之间的空间夹角。3.公式：K=30DmLubinski公式：cos=cosAcosB+sinAsinBcosB-A第三节 直井防斜技术一、井斜的原因（一）地质因素地层倾斜和地层可钻性不均匀两个方面1.地层可钻性各向异性因素2.地层可钻性的纵向变化3.地层可钻性的横向变化（二）钻具因素主要原因是钻具的倾斜和弯曲：（导

8、致钻具倾斜和弯曲的原因：钻具和井眼有一定的间隙；钻压的作用，钻柱受压靠近井壁或发生弯曲（“轻压吊打”）；钻具本身的弯曲，转盘安装不平、井架安装不正等。（三）井眼扩大钻头在井眼内左右移动，靠向一侧，钻头轴线与井眼轴线不重合，导致井斜。二、满眼钻具组合控制井斜（实质是稳斜组合）（一）基本原理：增大下部钻具的尺寸和刚度，近似“填满井眼”，防止钻柱弯曲和倾斜。（二）方法在下部钻具适当位置安放34个扶正器。（三）YXY组合的结构 1.近扶正器：紧装在钻头之上，抵抗钻头所受侧向力、防止侧向切削和不对称切削。2.中扶正器：保证中扶正器和钻头之间的钻具不发生弯曲，其安放位置需要严格计算。3.上扶正器：保证钻具

9、上至少有三个稳定点与井壁接触，从而保证井眼的直线性，距中扶 1 钻铤单根。4.第四扶正器：增大下部钻柱的刚度，协助中扶防止钻柱弯曲。一般不装，特别易斜地层才用。（四）YXY组合“中扶”位置的计算Lp=416CEJqmsin式中：Lp，中扶距钻头的最优长，m；C，扶正器与井眼的间隙，m，C=dh-ds2；dh，井眼直井，m；ds，扶正器直井，m；E，钻铤钢材的杨式模量，kNm2；J，钻铤的截面的轴惯性矩，m4，J=dco4-dci464；dco，钻铤外径，m；doi，钻铤内径，m；qm，钻铤在钻井液中的线重，kN/m；，允许的最大井斜角，（度）。三、钟摆组合控制井斜（一）钟摆钻具组合的原理 在下

10、部钻柱的适当位置安装一个扶正器，当井斜时，该扶正器支撑在井壁上形成支点，使下部钻柱悬空。则该扶正器以下的钻柱就好像一个钟摆，产生一个钟摆力，钻头在此钟摆力的作用下切削下井壁。从而使新钻的井眼不断降斜。四、其它直井防斜技术1.塔式钻具（钟摆钻具）；2.偏心钻铤（形成公转和钟摆力）；3.方钻铤（满眼钻具组合）；4.钻铤偏心短节（形成钻铤公转）；5.微机控制自动 垂直钻井系统（VDS）。第五节 定向造斜工具及轨迹控制一、概念1.造斜：由垂直井段开始钻出一定方位的斜井段的工艺过程。2.造斜点：开始造斜时的深度。垂直井段开始倾斜的起点。二、造斜工具（一）井底动力钻具造斜工具；1.弯接头；2.弯外壳；3.

11、偏心垫块。（二）转盘钻造斜工具。斜向器、射流钻头和扶正器组合。四、扭方位的计算1.装置角（工具面角）（w）：以高边方向线为始边，顺时针旋转到装置方位线所转过的角度，称为“装置角”。2.装置方位线：井底平面上自井眼低边指向井眼高边的方向线 OA线称为“高边方向线”，C点是钻头中心，OC线称为“装置方位线”。3. 工具面：造斜工具作用方向线与钻柱轴线构成的平面（弯接头的两条交叉轴线所在的平面，图中的三角形）。4.装置方位角w：装置角与井斜方位角之和。（装置角和装置方位角在 0 360度内变化，顺时针为“+”，逆时针为“-”）5. 反扭角（n）：由于动力钻具反扭矩，使钻柱反时针扭转的角度，称为动力钻

12、具的反扭角。（反扭角将使已确定好的装置角减小。）6. 定向方位角（s）：造斜工具定向时的方位角称为定向方位角s=w+n=1+wn7. 摆工具面：把造斜工具的工具面摆在预定的定向方位线上。第六章 油气井压力控制第一节 井眼与地层压力系统一、井眼内的各种压力（一）地层孔隙压力（pp）pp=0.00981pD（二）地层破裂压力（pf）pf=0.00981fD（三）地层坍塌压力（pc）pc=0.00981cD（四）钻井液静液柱压力（ph）ph=0.00981dD（五）环空循环压降（pa）pa=0.57503m0.8pv0.2Q1.8Kp+Kc（六）井内波动压力（1）抽吸压力（psb）：psb=0.00

13、981sbD，sb=0.00360.08gcm3（2）激动压力（psg）：psg=0.00981sgD，sg=0.0240.1gcm3（七）不同时刻的井底有效压力（pb）（1）正常钻进时：pb=ph+p（2）起钻时：pb=ph-psb（3）下钻时：pb=ph+psg（4）最大井底压力：pbmax=ph+p+psg（5）最小井底压力：pbmin=ph-psb（八）安全钻井的压力平衡条件：pppbpf，pbpc（九）不同压力条件的井下情况：（1）pbpp：压裂地层，发生井漏；（4）pppbpf：过平衡压力钻井；（5）pbpp：欠平衡压力钻井。二、井眼地层系统压力基本关系pb=pp+pb=p+式中：

14、p，安全附加压力；，安全附加密度。对于油井：p=1.53.5MPa，=0.050.1gcm3对于气井：p=3.55.0MPa，=0.070.15gcm3三、平衡与欠平衡压力钻井（一）平衡压力钻井1.概念：在有效的控制地层压力和维持井壁稳定的前提下，尽可能降低钻井液密度，使钻井液液柱压力刚好等于或略大于地层压力，达到解放钻速和保护油气层的目的，这种钻井方法称为平衡压力钻井。（二）欠平衡压力钻井：1.概念：指钻井液作用于井底的有效压力小于地层孔隙压力的钻井，即pbpp，在钻井过程中允许地层流体进入井内，循环出井，并在地面得到控制。2.优点：（1）减少油层损害。（2）有利于识别评价低压油气藏。（3）

15、提高机械钻速。（4）减少或避免压差卡钻和井漏事故。3.原理：井底压差小，降低了“压持效应”，钻头破岩效率上升，钻速提高。4.欠平衡钻井适用的储层：（1）高渗透固结砂岩和碳酸岩油气藏；（2）裂缝性油气藏；（3）致密性（低孔低渗）油气藏；（4）压力衰竭的低压油气藏。5.欠平衡钻井的方式（依据欠平衡产生条件）（1）流钻（边喷边钻）：低密度钻井液，边喷边钻。（2）气体钻井：人工诱导产生欠平衡。空气钻井：采用空气作为循环介质。雾化钻井（以气体为主）泡沫钻井充气钻井（以钻井液为主）第二节 溢流的侵入及其检测一、溢流和井喷的概念1.溢流（又称为井涌、气侵）地层流体（油、气、水）侵入井内，井口返出的钻井液量大

16、于泵入量，或停泵后钻井液从井口自动外溢的现象。2.井喷地层流体失去控制地喷出地面。二、地层流体侵入井内的原因1.地层压力掌握不准，使设计的钻井液密度偏低2.地层流体（油、气、水）侵入，使钻井液密度降低3.起钻未按规定灌泥浆，或井漏井内液面降低4.起钻速度过快，抽吸压力过大，地层流体侵入井内5.停止循环时，环空循环压降消失，使井底压力减小。（统计表明，近70% 的井涌或井喷发生在起钻（起完钻）过程中。）第三节 油气井压力控制关井与压井二、关井程序关井：利用井口防喷器将井口关闭，井口防喷器产生的回压与环空泥浆液柱压力之和平衡地层压力，防止地层流体的继续侵入。 （一）关井方式及选择1.硬关井（1）概

17、念：发生溢流后，在节流阀关闭的情况下关闭防喷器。（2）优点：关井程序简单，时间短，地层流体侵入量小。（3）缺点：产生“水击”，使井口装置、套管和地层所承受的压力急剧增加，可能超过井口装置的额定压力、套管抗内压强度和地层破裂压力。2.软关井（1）概念：发生溢流后，先打开节流阀，然后关闭防喷器，再关闭节流阀。（2）优点：可避免“水击”现象。（3）缺点：关井程序较复杂，时间长，地层流体侵入量大。 3.半软关井 （1）概念：发现井涌后，先适当打开节流阀，再关防喷器，或边开节流阀边关防喷器。（2）特点：适用于井涌速度较高、井口装置承压能力较低、裸眼井段有薄弱地层的情况。（关井方式的选择：在溢流速度不高或

18、者井口装置承压能力较高的情况下，可使用“硬关井”，否则，应选择“软关井”或“半软关井”。）（二）“圈闭压力”的释放概念：油水侵时：在关井后，立压和套压达到一定值后趋于稳定。（圈闭压力小）气侵时：在关井后，气体在滑脱上升过程中，侵入的气体不能自由膨胀，会带压上升。因此，即使是立压或套压与泥浆液柱压力之和达到了可平衡地层压力值以后，立压和套压还可能随时间不断升高。有可能压漏地层或超过设备的承压能力。这种在立压或套压记录上超过平衡地层压力值以后，压力继续升高的增量，称为圈闭压力。（针对气侵）（为了防止套压超过极限套压，较为准确地确定地层压力，对圈闭压力可进行释放。）三、压井液密度计算（一）关井时的压

19、力平衡关系（静态关系）psp+phi=pp=pa+pha式中：psp，关井立管压力，psp=pp-phi；phi，钻柱内静液柱压力；pp，地层压力；pa，关井套压；pha，环空内静液柱压力。（二）循环时的压力平衡关系（动态关系）pT+phi-pld=pp+pla=pa+pha+pla式中：pT，循环时的立管压力；pld，管柱内和钻头水眼内循环压耗；pla，环空内循环压耗；pa，循环时的套压。pT=pp-phi+pla+pld=pp-phi+pL=psp+pL式中：psp，关井立管压力；pL，总循环压耗。（三）地层压力和所需钻井液密度的计算1.地层压力pp=psp+phi=psp+0.00981

20、dD（注：不能用pp=pa+pha计算地层压力，因环空钻井液受地层流体污染严重，其密度难以确定。）2.压井钻井液密度：k=pp0.00987D=d+psp0.00987D实际施工中，为安全起见，往往在计算值基础上附加一安全附加值。对于油井：p=1.53.5MPa，=0.050.1gcm3对于气井：p=3.55.0MPa，=0.070.15gcm3四、压井理论与方法（一）压井的概念与原则1.压井的概念：按照一定的方法往井内注入适当密度的加重钻井液来制止井涌(或称溢流)，以达到迅速恢复或重建井内的压力平衡，此作业称为压井。2.压井的目的：复井眼与地层间的压力平衡，使井内泥浆液柱压力不低于地层孔隙压

21、力。3.压井的基本工艺过程：将配置好的具有一定密度的钻井液，采用合适的泵速和泵压泵入井内，替换出井内被污染的泥浆。4.压井过程应遵循的基本原则：（1）在整个压井过程中，通过调节节流阀的开启度始终保持井底压力稍大于地层压力，并且井底压力保持不变。（井底常压法）（2）压井过程中套压不能超过以下压力: 井口装置的额定工作压力；套管抗内压强度的80%；套压与环空内的液柱压力之和不能超过地层的最小破裂压力。（二）压井的基本数据（1）压井钻井液密度k=pp0.00987D=d+psp0.00987D（2）压井泵速确定采用低泵速压井（主要目的是便于在压井过程中控制节流阀和立压）：Qk=1/21/3Q式中：Q

22、k，压井排量，L/s；Q，钻进时的正常排量，L/s；（三）压井立管压力的计算为保证压井过程中井底压力不变，随着重泥浆的不断入井，立管压力应逐渐降低。1.压井过程中井底压力的平衡关系（动态关系）pT+phi-pld=pp+pla=pa+pha+pla循环时的立管总压力：pT=psp+pL式中：pT，循环时的立管压力；pld，管柱内和钻头水眼内循环压耗；pla，环空内循环压耗；pa，循环时的套压；psp，关井立管压力；pL，总循环压耗。（压井时井眼内的钻井液密度由d变为k，因此，循环立管压力从初始循环立管压力pTi逐渐降为压井结束时的终了循环立管压力pTf。）2.初始循环立管压力pTi的确定pTi=psp+pLi式中：pLi，初始循环的总压耗。3.终了循环立管压力pTf的确定当加重的钻井液循环到井底时，钻柱内的钻井液柱