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(pp>ph)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(pp<ph)称为异常低压。4.地层压力当量密度：指某一深度处地层压力用等高度的钻井液柱压力来等效时，所需钻井液的密度。（四）基岩应力（）1.概念：基岩应力是岩石颗粒间相互接触支撑的那一部分上覆岩层压力，亦称有效上覆岩层压力、骨架应力或颗粒

4、间压力。2.上覆岩层压力、地层压力和基岩应力之间的关系是：po=pp+（五）异常地层压力的成因1.正常地层压力的形成：在地层的沉积过程中，随着上覆沉积物不断增多，地层逐渐被压实，孔隙度减小，如果地层是可渗透的、连通的、地层中流体的流动不受限制（称之为水力学开启系统），地层孔隙中流体则随着地层的压实被排挤出去，建立起静液压力条件，形成正常压力地层。2.异常地层压力的成因（1）异常低压产生原因：生产多年而又没有压力补充的枯竭油气层。地下水位极低。（2）异常高压产生原因：地层欠压实作用:随着地层的不断沉积，上覆岩层压力逐渐增大，假若该地层被不渗透的围栅包围（盖层），则该地层孔隙中流体不能被排挤出去，

5、其必然承受部分上覆岩层重力。结果是地层流体压力升高，地层得不到正常压实，孔隙度相对增大，岩石密度相对减小，基岩应力相对降低，这种作用称为欠压实作用。地质构造作用:造成地层上升。如果在抬升过程中有某种因素限制了流体的运移，该地层就会由于深度因素而形成异常高压。水热增压作用:温度升高、流体膨胀。流体运移作用:流体运移效应包括钻开的岩层与超压层的联通以及地层流体等势面的差异造成的压力异常。油田注水二、地层压力评价（一）压力预测1.概念：用邻近井资料进行压力预测，建立地层压力剖面。2.压力预测的方法：地震法、声波时差法和页岩电阻率法。3.声波时差法（1）声波在地层中的传播特性：声波传播速度主要是孔隙度

6、和岩性的函数。如果岩性为泥页岩时，则声波测井主要反映孔隙度的变化。正常压实地层中：随着井深的增加，岩石密度增大，孔隙度减小，声波的速度增大，声波时差减小。异常高压地层：由于前压实作用，随着井深的增加，岩石密度减小，孔隙度增加，声波速度减小，声波时差增大。（2）声波时差与井深的关系式：lnt=lnt0-cH=a·H+b推导过程（不用背）：泥页岩地层声波时差与孔隙度之间关系：=t-tmtf-tm 1式中：，岩石孔隙度，%；t，地层的声波时差，sm；tm，基岩的声波时差，sm；tf，地层孔隙内流体的声波时差，sm。正常沉积条件下，泥页岩的孔隙度随深度的变化规律为：=0e-cH 2式中：，泥

7、页岩的孔隙度，%；0，泥页岩在地面的孔隙度，%；c，常熟；H，井深，m。由式（1）得，在地面的孔隙度为：0=t0-tmtf-tm 3式中：t0，泥页岩在地面的声波时差。联立（1）、（2）、（3）式得：t-tmtf-tm=t0-tmtf-tme-cH整理得：t-tm=t0-tme-cH在泥页岩的岩性一定的情况下，tm也为一常熟，若tm=0，则：t=t0e-cH即：lnt=lnt0-cH=a·H+b（4）声波时差法计算地层压力的步骤：在声波时差测井资料上选择纯泥页岩层，以5m左右为间隔点在测井曲线上读出井深和相应的声波时差值，并在半对数坐标纸上描点。在已知的正常地层压力井段，根据尽可能多

8、的数据点引出声波时差随井深变化的正常趋势线，并将其延伸至异常高压井段。读出某深度的实测声波时差t和该深度所对应的正常趋势线上的声波时差tn，并计算t-tn。在t-tn和Gp关系曲线上读出t-tn所对应的Gp，用Gp乘以井深H，得其深度的地层压力。（二）压力检测1.概念：根据所钻井的实时数据进行压力监测，以掌握地层压力的实际变化规律。2.dc指数法（1）宾汉钻速模型：RN=a·WDd式中：R，钻速，ftmin；N，转盘转速，rmin；W，钻压，lbs；D，钻头直井，in；a，岩性常数，无量纲；d，压实指数，无量纲。（2）d指数（泥页岩岩层）：d=logRNlogWD采用工程单位：d=l

9、og0.0547RNlog0.0684WD式中：R，钻速，mh；N，转盘转速，rmin；W，钻压，kN；D，钻头直井，mm。（3）dc指数：dc=dnd式中：n，正常地层水密度；d，所使用的钻井液的密度。（4）基本原理：在正常压实条件下，岩石强度随井深增加而增强，若钻井参数不变，机械钻速随井深增加而降低，泥岩段dc指数随井深增加而增大；在异常压力段，由于岩石中孔隙压力的影响，不再遵循正常压实的规律，钻速随孔隙压力的增大而增大，dc指数则相应减小，偏离原来的正常趋势线。3.dc指数法地层压力检测步骤（1）数据采集与整理；（2）dc指数的计算；（3）绘制曲线，回归处理；（4）地层压力计算4.声波时

10、差法和dc指数法的不足（1）水力参数、地层岩性、钻头类型、井底压差等因素的变化都会引起机械钻速的变化，从而导致dc指数的变化。因此，dc指数法评价地层压力存在较大的误差。（2）声波时差法和dc指数法只适用于泥页岩地层（砂泥岩剖面），对于碳酸盐岩地层，目前尚无合适的方法。三、地层破裂压力（一）概念在井下一定深度出露的地层，承受流体压力的能力是有限的，当液体压力达到一定数值时会使地层破裂，这个液体压力称为地层破裂压力。即：使地层发生破裂的最小井内液柱压力。（二）影响地层破裂压力大小的因素地层破裂压力的大小取决于许多因素，如上覆岩层压力、地层压力、岩性、地层年代、埋藏深度以及该处岩石的应力状态。（三

11、）地层破裂压力的预测方法伊顿法Gf=ppD+1-po-ppD=ppD+1-D（四）地层破裂压力确定的现场方法：液压实验法实验步骤如下：1.循环调节泥浆性能，保证泥浆性能稳定，上提钻头至套管鞋内，关闭防喷器。2.用较小排量0.661.32 L/s向井内注入泥浆，并记录各个时期的注入量及立管压力。3.做立管压力与累计泵入量的关系曲线图。4.从图上确定各个压力值漏失压力为pL即开始偏离直线点的压力，其后压力继续上升；压力升到最大值即为开裂压力pf；最大值过后压力下降并趋于平缓，称为传播压力pr；5.求地层破裂压力当量密度ff=m+pL0.00981D式中：m，实验用泥浆密度，gcm3；D，实验井深，

12、指套管下入深度，m。第二节 岩石的工程力学性质一、岩石的类型及特点（一）岩石的类型：岩浆岩、沉积岩、变质岩（二）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。（三）不均质性如果物体中不同部分的物理、化学性质不同，称该物体是不均质的。二、岩石的工程力学性质（一）几个概念1.弹性：岩石在外力作用下产生变形，外力撤销后变形随之消失，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。2塑性：岩石在外力作用下产生变形，外力撤销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。3脆性：岩石在外力作用下变形很小（小于3%）就发生破坏的性质。相应的破坏称为脆性破坏。（二

13、）岩石的强度1.概念：岩石在外力作用下达到破坏时的应力称为岩石的强度，是岩石在一定条件下抵抗外力破坏的能力。2.一般规律（1）在简单应力条件下，大部分岩石都接近弹性脆性体，岩石的破坏表现为脆性破坏。（2）一般情况下：抗拉强度抗弯强度抗剪强度抗压强度。 （3）垂直于地层层面方向的岩石强度平行于地层层面方向的岩石强度。（三）复杂应力条件下岩石的强度1. 常规三轴试验：将岩样放在一个高压容器中，首先用液压p使其四周处于三向均匀压缩的应力状态，然后保持此压力（围压）不变，对岩样进行纵向加载，直到使其破坏。2.一般规律：（1）岩石在三轴应力条件下的强度明显增加。随着围压的增大，岩石强度增大。 （2）随着

14、围压的增大，岩石由脆性向塑性转变，且围压越大，岩石破坏前呈现的也塑性越大。岩石从脆性向塑性转变的压力（围压）称为临界压力。不同的岩石，临界压力不同。（四）岩石的硬度1. 概念：岩石的硬度是岩石抵抗其它物体表面压入或侵入的能力。2. 硬度与抗压强度区别：（1）前者只是固体表面的局部对另一物体压入或侵入时的阻力，而后者则是固体抵抗固体整体破坏时的阻力。（2）前者反映岩石颗粒的硬度，其对钻进过程中工具的磨损起重大影响；（3）后者反映岩石的组合硬度，其对钻进时岩石破碎速度起重大影响。（五）岩石的脆性和塑性 1.按脆性和塑性将岩石分为三类：脆性岩石、塑性岩石和塑脆性岩石。 2.分类的标准：岩石在外力作用

15、下，直至破碎而无明显的形状改变，这种情况称为脆性的；在外力作用下，岩石只改变其形状和大小而不破坏自身的连续性，这种情况称为塑性的；介乎于两者之间的是塑脆性岩石。3.塑性系数：岩石破碎前耗费的总功与岩石破碎前弹性变形功的比值。三、井底各种压力对岩石性质的影响（一）井眼周围地层岩石的受力：上覆岩层压力、岩石内孔隙流体的压力、钻井液液柱压力、水平地应力。（二）岩石有效应力：'=-pp（三）各向压缩效应：对干岩石，增大围压，岩石的强度、塑性都增大，称为“各向压缩效应”。四、岩石可钻性与研磨性（一）岩石可钻性1.概念：指岩石破碎的难易程度，可以理解为在一定的钻头规格、类型及钻井工艺条件下岩石抵抗

16、钻头破碎的能力。2.评价方法：微钻头实验法为应用方便，常用Kd=log2t作为可钻性指标，称为可钻性级值。可钻性级值越大，岩石越难破碎。（二）岩石的研磨性概念：岩石磨损钻头切削刃材料的能力称为岩石的研磨性。第二章 钻进工具第一节 钻头一、概述（一）钻头类型1.按结构及工作原理分类：刮刀钻头、牙轮钻头、金刚石钻头（天然金刚石钻头、PDC钻头、TSP钻头）。2.按功用分类：全面钻进钻头、取心钻头、扩眼钻头。（二）工作指标1.钻头进尺：在钻头寿命内，其钻进的井段长度，单位为m。2.机械钻速：用钻头的进尺除以纯钻进时间，即单位纯钻时间的钻头进尺，表示钻头破碎岩石的能力和效率，单位为m/h。（钻头寿命：

17、在整个使用过程中，钻头在井下的纯钻时间（包括划眼在已钻出的井眼内旋转送钻、修整井壁的过程），单位为h）三、牙轮钻头（一）结构牙轮钻头由钻头体、牙爪（巴掌）、牙轮及牙齿、喷嘴、轴承、储油润滑密封系统等部分组成。1.牙轮：由合金钢经过模锻而成的锥体，锥面铣齿或镶装硬质合金齿，内腔有轴承跑道。 （1）单锥牙轮：主锥+背锥，硬地层。 （2）复锥牙轮（指牙轮由两个或更多锥面的锥体组成）：主锥+副锥+背锥，软到中硬地层。2.牙齿：（1）铣齿（钢齿）在牙轮锥面上直接铣出，楔形。（2）镶齿（硬质合金）镶装在牙轮锥面的齿孔中，有多种齿形适应不同地层。3.轴承：轴承有大轴承、中轴承、小轴承和止推轴承，共四副。根据

18、轴承副的结构（主要承载轴承即大轴承），可分为两大类：滚动轴承和滑动轴承。4.储油润滑密封系统（既润滑轴承，又防止钻井液进入轴承）（1）结构：储油润滑补偿系统；密封系统：橡胶密封圈、金属密封圈。（2）工作原理： 储油压力补偿系统（传压孔、压力补偿膜、油杯等）保持轴承腔内的油压与井内钻井液柱压力相平衡。当轴承腔内油压降低，储油杯中的润滑油在钻井液柱压力作用下补充到轴承腔内；当轴承腔内的油压升高，则流入储油杯。其中，有效密封是关键。4喷嘴：钻井液流出钻头射向井底的流道。高压钻井液流经喷嘴后产生高速流动的水射流，清除井底岩屑，辅助破碎岩石。5.几个概念（1）复锥：指牙轮由两个或更多锥面的锥体组成。（2

19、）超顶：牙轮的锥顶超过钻头的中心。（复锥产生超顶效果：主锥顶与钻头中心重合， 复锥顶的延伸线是超顶的。） （3）移轴：牙轮的中心线与钻头的轴线不相交。6. 牙轮及牙齿的布置方式（1）布齿原则 转一周牙齿全部破碎井底，不留下未被破碎的凸起； 牙轮在重复滚动时应使牙齿不落入别的牙齿的破碎坑内； 牙齿磨损均匀。（2）牙轮布置方案 非自洗无滑动布置：各牙轮牙齿齿圈不嵌合，单锥、不超顶，不移轴，用于硬地层； 自洗不移轴布置：各牙轮牙齿齿圈相互嵌合，副锥、超顶，不移轴，用于中硬地层； 自洗移轴布置：各牙轮牙齿齿圈相互嵌合，副锥、超顶，移轴，用于软地层。（二）牙轮钻头工作原理1.牙轮钻头在井底的运动(1)公

20、转：牙轮随钻头绕钻头轴线一起旋转。（顺时针）(2)自转：牙齿绕牙轮轴线作逆时针方向旋转称为自转。(3)纵向振动：牙轮在滚动过程中，其中心上下波动，使钻头做上下往复运动。（引起纵向振动的原因：单、双齿交替接触井底，使牙轮中心上下波动；井底凹凸不平。）(4)滑动：牙齿相对于井底的滑动，包括径向（轴向）和切向（周向）滑动。（牙轮滑动对破岩的作用：切向滑动剪切掉同一齿圈牙齿之间的岩石。（复锥、超顶）；轴向滑动剪切掉齿圈之间的岩石。（移轴）2.牙轮钻头的破岩作用（1）冲击、压碎作用：纵向振动产生的冲击力和静压力（钻压）一起使牙齿对地层产生冲击、压碎作用，形成体积破碎坑。 （2）滑动剪切作用：牙轮牙齿的径

21、向滑动和切向滑动对井底地层产生剪切作用，破碎牙齿间或齿圈间岩石。（3）射流的冲蚀作用：喷嘴喷出的高速射流对井底岩石产生冲蚀作用，辅助破碎岩石。（三）牙轮钻头的正确使用1. 根据地层合理选择钻头类型，标准是每米钻进成本最低。 地层较软时：选用牙齿高度大并带有超顶或移轴的钻头； 地层较硬时：选用牙齿高度小，无超顶或移轴的钻头； 2. 优选钻进参数：钻压、转速、水力参数等。四、金刚石钻头（一）金刚石钻头的结构金刚石钻头为无活动部件的整体式钻头。由钻头体、冠部、水力结构（水眼及水槽、排屑槽）、保径、切削齿组成。（对于用在研磨性较强地层的钻头都要增强钻头外径部位的耐磨性，这种做法称为保径。保证井径不致缩

22、小的作用。）1.钻头体和冠部钻头体为钢质材料体，上部车制丝扣和钻柱连接，下部与冠部胎体烧结在一起。胎体是镶嵌金刚石的基体，为硬质合金材料，用粉末冶金技术烧结在钻头钢体上。（钢体金刚石钻头钻头体与冠部为一整体）2. 水力结构（水眼和水槽）钻井液由水眼流出，经过水槽流过钻头表面，清洗井底，冷却和润滑金刚石。常用水力结构：逼压式水槽，辐射型水槽，辐射型逼压式水槽，螺旋形水槽。3.金刚石切削齿（1）金刚石的缺点： 脆性大，受冲击载荷易碎裂； 具有热敏性，高温下（450以上）石墨化。（2）金刚石的种类：天然金刚石，人造金刚石单晶和聚晶。（3）热稳定聚晶金刚石钻头（TSP）：热稳定聚晶金刚石是用金刚石单晶

23、微粉在高温高压下制成的。（TSP钻头的热稳定性、耐磨性和抗冲击能力都高于一般的金刚石钻头。适用于中至硬地层。）（二）金刚石钻头的正确使用1.适用于中至坚硬、研磨性地层，涡轮钻井，深井钻井，取心作业。寿命长，进尺高。 2.钻头下井前，井底打捞干净，确保没有金属落物。 3.先用小钻压、低转速跑合，然后用合适钻压和高转速钻进。 4.采用低钻压（30-50kN）、高转速、大排量钻进。五、PDC钻头（一）概念聚晶金刚石复合片钻头（Polycrystalline Diamond Compact Bit）简称PDC钻头，是将人造聚晶金刚石复合片镶焊于钻头体上而成的一种新型切削型钻头。 （二）分类（按钻头体材

24、料及切削齿结构）1.钢体：钻头体用整块合金钢制成。切削齿镶嵌在钻头体上。2.胎体：冠部用铸造碳化钨烧结而成，烧结时在钻头工作面留下窝槽，切削齿焊接在窝槽里。（三）PDC钻头的结构特点1. 切削元件聚晶金刚石复合片（PDC）特点：PDC具有金刚石的硬度和耐磨性。弱点是热稳定性差，350以上加速磨损。抗冲击能力较差。（四）PDC钻头破岩机理PDC主要以切削方式破碎岩石。（五）PDC钻头的正确使用1.PDC钻头适应于软到中硬的大段均质地层，不适合钻软硬交错的地层和砾石层。2.与牙轮钻头相比，PDC钻头宜采用低钻压、高转速钻进。3.钻头下井前，井底要清洁，无金属落物，新钻头钻进时，先用小钻压和低转速磨

25、合井底。4.PDC钻头属于整体式钻头，无任何活动部件，适合高转速的涡轮钻井。第二节 钻柱一、钻柱的作用与组成（一）钻柱钻柱是用各种接头将方钻杆、钻杆和钻铤等部件连接起来组成的入井管柱，通常指钻头以上的钻具。（二）钻柱的作用1.提供钻井液流动通道；2.给钻头提供钻压；3.传递扭矩；4.起下钻头；5.计量井深；6.观察和了解井下情况（钻头情况、井眼状况、地层情况）；7.进行其它特殊作业（取芯、挤水泥、打捞等）；8.钻杆测试，又称中途测试。（三）钻柱的组成1.方钻杆，钻杆，钻铤，各种接头等。2.钻具连接满足三个条件：尺寸相等，扣型相同，公母相配。3.基本钻柱组合：钻铤配合接头钻杆配合接头方钻杆4.钻

26、柱的其它可选组件：稳定器（提高钻头工作的稳定性），振击器（防止钻具被卡），减振器（减少钻具的冲击振动），螺杆，加重钻杆。（四）钻杆1.作用：传递扭矩和输送钻井液，延长钻柱。2.结构：管体+接头3.名义重量（线密度、线重）：在空气中的重量，N/m。（五）钻铤 1.结构特点：管体两端直接车制丝扣，不另加专门接头；壁厚大（38-53毫米），重量大，刚度大。 2.主要作用：（1）给钻头施加钻压；（2）保证压缩应力条件下的必要强度; （3）减轻钻头的振动、摆动和跳动等，使钻头工作平稳； （4）控制井斜。 3.类型：光钻铤（圆形的，平滑的）、螺旋钻铤（有浅而宽的螺旋槽，减少与井壁的接触面积，防止卡钻）、扁

27、钻铤。 （六）方钻杆1.概念：位于钻柱的最上端，其上部与水龙头相接，下部与钻杆连接。2.作用：传递扭矩和承受钻柱的全部重量。3.性能：具有较高的抗拉强度和抗扭强度。4.形状：断面为中空的正方形或六边形，壁厚比一般钻杆大三倍左右，而且由强度较大的优质合金钢制成。一般长度为1316米，比一般钻杆长2米以上（避免接单根后方钻杆不能进入转盘面以下）。（七）稳定器（扶正器）1.类型：刚性稳定器、不转动橡胶套稳定器、滚轮稳定器。 2.作用：（1）防斜，控制井眼轨迹；（2）提高钻头的工作稳定性。二、钻柱的工作状态（一）起下钻工况下整个钻柱被悬挂起来，在重力的作用下，钻柱受拉伸作用。1.直井：直的拉伸、滑动

28、2.斜井：随井眼倾斜和弯曲，滑动。（二）正常钻进工况下部分钻柱（主要是钻铤）的重量作为钻压施加在钻头上。上部钻柱受拉伸，下部钻柱受压缩；在扭矩作用下旋转。（下部钻柱弯曲的原因：钻压的作用使下部钻柱受压缩，当压力达到钻柱的临界压力，钻柱将失去直线稳定状态而发生弯曲并与井壁接触（接触点称为切点）。压力较大时可能发生多次弯曲。）（三）钻柱的旋转运动形式1.公转：钻柱象一个刚体，围绕着井眼轴线旋转并沿着井壁 滑动。 产生偏磨。2.自转：弯曲钻柱象一根柔性轴，围绕自身轴线旋转。均匀磨损，易发生疲劳破坏。3.公转与自转的结合：弯曲钻柱围绕井眼轴线旋转，同时围绕自身轴线转动。4.纵向振动：钻头振动引起钻柱的

29、纵向振动，产生交变应力。 （振动周期和钻柱本身固有的振动周期相同（或成倍数），产生共振现象，称“跳钻”。）5.扭转振动：井底对钻头旋转的阻力不断变化时，会引起钻柱的扭转振动，产生交变扭剪应力。6.横向摆振：达到某一临界转速，钻柱可能产生横向无规则摆动，产生交变弯曲应力。三、钻柱的受力分析（一）钻柱的受力1.拉力：自重产生2.压力：钻压产生3.浮力：钻井液产生4.摩擦阻力：井壁及钻井液对钻柱的摩擦力 5.循环压降产生的附加拉力：钻柱内及钻头水眼上的压力降6.起下钻时产生的动载荷：速度变化（轴向力，井眼轴线方向）7.剪应力：扭矩作用8.弯曲应力：下部钻柱产生弯曲变形9.离心力：钻柱绕井眼轴线公转1

30、0.外挤力：钻杆测试 11.振动产生的交变应力 （二）钻柱受力最严重的部位1.井口断面：拉力最大，扭矩最大（转盘钻）。2.下部受压弯曲部分：交变轴向应力、弯曲应力、扭剪应力。3.中性点：拉压交变载荷。（三）轴向力1.自重产生的轴向拉力（井内掏空时，空气中）：F0=qpLp+qcLc2.浮重产生的轴向力：Fm=KBqpLp+qcLc=KBF0式中：KB，浮力系数，KB=1-ds；d，钻井液密度；s，钢材密度，7.8 gcm3。3.正常钻进时的轴向力（1）直井：Fw=KBqpLp+qcLc-W（2）斜井：Fw=KBqpLp+qcLccos-W式中：，井斜角。（3）钻柱轴向力的分布：上部钻柱受拉伸作

31、用，井口最大，向下逐渐减小；下部钻柱受压力作用，井底处最大； 在某一深度处，轴向力为零。（四）中性点（中和点）1.概念：钻柱上轴向力等于零的点。2.钻柱的中性点高度（1）直井：LN=WqcKB（2）斜井：LN=WqcKBcos3.中性点特点：（1）设计钻柱时要确保中性点始终落在钻铤上；（钻铤刚度大，抗弯能力强） （2）中性点附近钻柱受交变应力作用，易疲劳破坏。四、钻柱设计（一）钻铤长度的确定：1.浮重原则：钻铤的浮重不能小于钻压（钻铤的长度不能小于中性点高度） 即保持中性点始终处在钻铤上。保证在最大钻压时钻杆不承受 压缩载荷。2.计算公式：Lc=SNWmaxqcKBcos式中：Lc，钻铤长度，

32、m；Wmax，设计的最大钻压，kN；SN，安全系数，一般取1.15 1.25；qc，每米钻铤在空气中的重力，kN/m；KB，浮力系数；，井斜角。第四章 钻进参数的优选第一节 钻进过程中各参数间的基本关系一、不同因素对钻速的影响（一）钻压对钻速的影响VpcW-W0式中：W0，门限钻压，它是ab线在钻压轴上的截距，认为是钻头牙齿刚开始吃入地层时的钻压，其值的大小主要取决于岩层性质，有较强的地区性。（二）转速对钻速的影响Vpcn式中：，转速指数，一般小于1，数值大小主要与岩层性质有关。极软地层 =1，随岩石硬度的增大，值减小。（三）牙齿磨损对钻速的影响Vpc11+C2h式中：C2，牙齿磨损系数，与钻

33、头齿形结构和岩石性质有关；h，牙齿磨损量，h=s牙齿磨损掉高度H（原齿高），新钻头h=0 ；牙齿全部磨损时h=1 。（牙齿磨损级别8*h）（四）水力因素对钻速的影响比水功率：单位面积上的平均水功率。1.水力净化井底井底比水功率越大，净化程度越好，钻速越快。CH=VpcVpcs=PPs式中：CH，水力净化系数，小于或等于1，井底完全净化后，随着水功率进一步提高，钻速不会再由于净化；Vpcs，净化完善时的钻速；P，实际比水功率；Ps，净化完善时所需的比水功率。 的原因而提高。 2.水力辅助破岩井底比水功率越大，辅助破岩能力越强，钻速越快。（原因：水力破岩作用使得门限钻压降低。）（五）钻井液性能对钻

34、速的影响1.钻井液密度对钻速的影响（1）压持效应：钻井液密度越大，井内液柱压力越大，在井内液柱压力大于地层孔隙压力的情况下，产生一个正压差。在正压差作用下，井底岩屑难以离开井底，造成重复破碎现象，钻速降低。（2）压差影响井底压差与钻速的关系Vpc=Vpcoe-p（3）压差影响系数：Cp=e-p=VpcVpco式中：Vpco，零压差时的钻速；。p，压差；，与岩性有关的系数。2.钻井液粘度对钻速的影响钻井液粘度增大，钻柱内外压耗增大，在泵压一定时钻头压差减小，钻头水功率减小，清岩和破岩能力降低，钻速下降。3.钻井液固相含量对钻速的影响钻井液固相含量增大，机械钻速降低。4.钻井液分散性（固相颗粒的分

35、散程度）对钻速的影响分散性钻井液比不分散性钻井液钻速低。（为了提高钻速，应尽可能采用的钻井液为：低密度、低粘度、低固相、不分散体系钻井液。）二、钻速方程Vpc=KRW-Mn11+C2hCpCH式中：Vpc，钻速，m/h；KR，地层可钻系数，与地层岩石的机械性质、钻头类型及钻井液性能等因素有关；W，钻压，kN；M，门限钻压，kN；n，转速，r/min；，转速系数；C2，牙齿磨损系数，；h，牙齿磨损量；Cp，压差影响系数；CH，水力净化系数；第三节 水力参数优化设计一、喷射钻井的概念采用大功率的泥浆泵和可以产生高速射流的钻头喷嘴，使高压钻井液流过喷嘴时产生高速流动的水射流，给井底以很大的冲击力。把

36、岩屑及时的冲离井底，并辅助破碎岩石，该技术称为喷射钻井技术。二、喷射式钻头的水力特性（一）射流及其对井底的作用1.钻头喷嘴射出的射流为淹没非自由连续射流。2.井底漫流：射流撞击井底后受井底限制，钻井液从冲击中心向四周高流速作横向流动，形成漫流。3.射流对井底的清洗作用（1）射流的冲击压力作用射流冲击井底后形成的冲击压力极不均匀(射流作用中心压力最高，离开中心压力急剧下降)，极不均匀的冲击压力使岩屑受到一个翻转的力矩，从而离开井底。（2）漫流的横推作用射流冲击井底后形成的漫流是一层很薄的高速液流（高速漫流），对井底岩屑产生一个横向推力，使其离开原来的位置。4.射流对井底破岩作用 （1）在岩石强度

37、较低的地层，射流的冲击力超过了地层的破碎强度，直接破碎岩石。（2）在岩石强度较高的地层，射流挤入岩石中由钻头机械力造成的微裂纹和微裂缝内，形成“水楔”，使微裂纹和裂缝扩展，从而大大降低岩石的破碎强度。（二）射流水力参数1.射流喷射速度；2.射流冲击力；3.射流水功率。（三）钻头水力参数1.钻头压力降；2.钻头水功率。三、水功率传递的基本关系压力分配：ps=pg+pst+pan+pb式中：ps，钻井泵压力；pg，地面管汇压耗；pst，钻柱内压耗；pan，环空压耗；pb，钻头压降；pg+pst+pan，循环系统压耗。四、提高钻头水力参数的途径1、提高泵压ps和泵功率Ns；2、降低循环压耗系数KL；

38、（1）使用低密度钻井液；（2）减小钻井液粘度；（3）适当增大管路内径（影响最大）。3、增大钻头压降系数Kb；4、优选排量Q。五、钻井泵的工作特性（一）钻井泵的性能参数1.额定功率钻井泵的最大输出功率，kW；2.额定泵压所用缸套的允许工作压力，MPa；3.额定排量在额定功率和额定泵压时的排量，L/s；4.额定泵冲额定排量时的泵冲数，次分钟。（额定功率、额定泵压和额定排量关系：Nr=prQr）（二）钻井泵的工作状态1.额定泵压工作状态：QQr，ps=pr，NsNr2.额定功率工作状态：Q>Qr，Ns=Nr，ps<pr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，

39、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。2.当DPc<DDPs时，喷嘴直径应随井深的增加而逐渐减小。3.当时D>DPa，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

40、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（

41、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

42、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，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+sin

43、AsinBcosB-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

44、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=416C·E·Jqm·sin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

45、，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）

46、；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.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

47、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.

48、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=0.00981sbD，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：pbm

49、in=ph-psb（八）安全钻井的压力平衡条件：pppbpf，pb>pc（九）不同压力条件的井下情况：（1）pb<pp：地层流体侵入井眼；（2）pb=pp：平衡压力钻井；（3）pb>pp：压裂地层，发生井漏；（4）pp<pb<pf：过平衡压力钻井；（5）pb<pp：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：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

50、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pb<pp，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）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

51、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

52、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

53、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

54、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