钻井工程理论和技术ppt课件

1、钻井工程理论与技术 王越峰 2019.1.5 钻井工艺简介勘探与开发石油资源的重要环节和重要手段勘探与开发石油资源的重要环节和重要手段寻寻找和找和证证实实含油含油气气构构造造获获得工得工业业油油气气流流取得地取得地质质资资料，料，开开发数发数据据将将原油原油从从地下取到地下取到地上地上 钻井工程地质条件钻井工程地质条件 钻进的参数优选钻进的参数优选 固井和完井技术固井和完井技术 目录1234 4钻进工具钻进工具完井技术完井技术1. 静液压力静液压力hydrostatic pressure） lhh00981.0p00981. 0Ghhp 静液压力，MPa; 液体密度，淡水：1.0g/cm3；

2、盐水：1.05g/cm3； 液柱的垂直高度，m。lh 静液压力梯度静液压力梯度 ，MPa/m； 淡水：淡水：0.00981MPa/m；盐水：；盐水：0.0105MPa/m。hG一、地下各种压力的概念一、地下各种压力的概念 由液柱自身的重力所引起的压力由液柱自身的重力所引起的压力2.上覆岩层压力上覆岩层压力Overburden pressure） 指该处以上地层岩石基质和指该处以上地层岩石基质和孔隙中流体的总重量所产生的压孔隙中流体的总重量所产生的压力力面积流体重力基岩重力 po（1 1上覆岩层压力梯度一般随深度增加而增大。上覆岩层压力梯度一般随深度增加而增大。（2 2沉积岩的平均密度大约为沉积

3、岩的平均密度大约为2.52.5克克/ /厘厘3 3，平均上覆岩层压力，平均上覆岩层压力 梯度一般为梯度一般为0.02270.0227兆帕兆帕/ /米。米。（3 3在石油钻井中，以钻台作为各种压力的计算基准面。在石油钻井中，以钻台作为各种压力的计算基准面。2.上覆岩层压力上覆岩层压力Overburden pressure）3.地层压力地层压力formation pressure）地层压力地层压力指岩石孔隙中的流体所具有的压力，指岩石孔隙中的流体所具有的压力，也称地层孔隙压力也称地层孔隙压力formation pore pressueformation pore pressue），），用用pp p

4、p 表示。表示。正常地层压力正常地层压力 等于静液压力，等于静液压力，pp=phpp=ph。异常地层压力异常地层压力 地层压力大于或小于正常地地层压力大于或小于正常地层压力。层压力。 超过正常地层压力的地层压力超过正常地层压力的地层压力(ppph)(ppph)称为称为异常高压。异常高压。 低于正常地层静液压力的地层压力低于正常地层静液压力的地层压力(pp ph)(pp ph)称为异常低压。称为异常低压。异常低压和异常高压统称为异常压力产生异常低压的原因 （1） 生产多年而又没有压力补充的枯竭油气 层。 （2） 地下水位很低。钻井工程地质特性 地下压力特性 异常地层压力的成因 2)异常高压异常高

5、压 压力梯度大于压力梯度大于10.5千帕米的是异常高压。千帕米的是异常高压。（1形成异常高压的地质条件形成异常高压的地质条件 地层具有保存流体的空隙；地层具有保存流体的空隙； 地层周围存在不渗透围栅，构成圈闭；地层周围存在不渗透围栅，构成圈闭； 具有一定的埋藏深度，形成足够大的上具有一定的埋藏深度，形成足够大的上覆岩层压力。覆岩层压力。 异常地层压力的成因 2)异常高压异常高压 （2沉积型异常高压的成因沉积型异常高压的成因 水力学开方系统：地层是可渗透的、连通的，地层中流体的流动不受限水力学开方系统：地层是可渗透的、连通的，地层中流体的流动不受限制，建立起静液压力条件。制，建立起静液压力条件。

6、正常压实地层异常地层压力的成因异常地层压力的成因异常地层压力的成因异常地层压力的成因 水力学封闭系统：地层被不渗透的围栅包围，流体被圈闭在地层的孔隙空间内不能自由流通，随着地层的不断沉积，上覆岩层压力逐渐增大，而圈闭在地层孔隙内的流体排不出去，必然承受部分上覆岩层重。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。4.基岩应力基岩应力 由岩石颗粒之间相互接触来支撑的那部分上由岩石颗粒之间相互接触来支撑的那部分上覆岩层压力，也称为有效上覆岩层压力，用覆岩层压力，也称为有效上覆岩层压力，用表示表示上覆岩层压力 ，地层压力 ，基岩应力

7、存在何种关系？opPPn PoPo、 、PpPp的关系的关系 上覆岩层压力由岩石骨上覆岩层压力由岩石骨架和孔隙中的流体共同承担，架和孔隙中的流体共同承担，因此上覆岩层压力、地层压因此上覆岩层压力、地层压力和基岩应力之间存在以下力和基岩应力之间存在以下关系：关系： popp 钻井工程地质条件钻井工程地质条件 钻进的参数优选钻进的参数优选 固井和完井技术固井和完井技术 目录1234 4钻进工具钻进工具完井技术完井技术 1. 钻头类型钻头类型按结构及工作原按结构及工作原理分类理分类 刮刀钻头、牙轮刮刀钻头、牙轮钻头、钻头、PDC钻头、钻头、金刚石钻头金刚石钻头按功用分类按功用分类 全面钻进钻头、全面

8、钻进钻头、取心钻头、扩眼取心钻头、扩眼钻头钻头2. 工作指标工作指标钻头进尺米）：钻头进尺米）：指一个钻头钻进指一个钻头钻进 的井眼总长度的井眼总长度钻头工作寿命钻头工作寿命小时）小时）机械钻速米机械钻速米/小小时）：时）：单位进尺成本单位进尺成本元元/米）米）一.钻头刮刀钻头刮刀钻头Drag Bit） （一刮刀钻头的结构（一刮刀钻头的结构上钻头体、下钻头体分水帽）、刀翼、水眼。上钻头体、下钻头体分水帽）、刀翼、水眼。图图2-1 刮刀钻头结构刮刀钻头结构刀翼刀翼三刀翼的称作三刮刀三刀翼的称作三刮刀钻头钻头两刀翼的称作两刮刀两刀翼的称作两刮刀钻头或鱼尾刮刀钻头钻头或鱼尾刮刀钻头四刀翼的称作四刮刀

9、四刀翼的称作四刮刀钻头钻头 钻钻 头头Drill Bit)刮刀钻头刮刀钻头 （二刮刀钻头的工作原理（二刮刀钻头的工作原理 刮刀钻头主要以切削作刮刀钻头主要以切削作用破碎地层。用破碎地层。钻钻 头头Drill Bit)刮刀钻头刮刀钻头n破碎塑脆性岩石过程：破碎塑脆性岩石过程：n（1碰撞：刃前岩石发生剪切破碎后，碰撞：刃前岩石发生剪切破碎后，刀刃在旋转扭矩作用下向前推进，刀刃在旋转扭矩作用下向前推进， 碰撞碰撞刃前岩石。刃前岩石。n（2压碎及小剪切：扭转力增大，压压碎及小剪切：扭转力增大，压碎刃前碎刃前n岩石，产生小剪切破坏。岩石，产生小剪切破坏。n（3大剪切：扭转力继续增大到某一大剪切：扭转力继

10、续增大到某一极限值，极限值，n刃前岩石沿剪切面破碎，而后扭转力刃前岩石沿剪切面破碎，而后扭转力突然减小。突然减小。 钻钻 头头Drill Bit)刮刀钻头刮刀钻头（三刮刀钻头的应用（三刮刀钻头的应用刮刀钻头制造工艺简单，成本低；刮刀钻头制造工艺简单，成本低；刮刀钻头适用于刮刀钻头适用于(泥，页岩软地层，泥，页岩软地层，钻速快，每米钻进成本低；钻速快，每米钻进成本低；刮刀钻头容易磨损成锥形，造成缩径刮刀钻头容易磨损成锥形，造成缩径和井斜；和井斜；刮刀钻头产生剧烈的扭转振动，破坏刮刀钻头产生剧烈的扭转振动，破坏钻具和设备；钻具和设备；刮刀钻头目前逐渐被刮刀钻头目前逐渐被PDC钻头取代。钻头取代。钻

11、钻 头头Drill Bit)刮刀钻头刮刀钻头 牙轮钻头牙轮钻头Roller Bit） （一牙轮钻头结构（一牙轮钻头结构 牙轮钻头由钻头体、牙爪巴掌）牙轮钻头由钻头体、牙爪巴掌）及牙轮轴、牙轮及牙齿、轴承、储油润及牙轮轴、牙轮及牙齿、轴承、储油润滑密封系统、喷嘴等部分组成。滑密封系统、喷嘴等部分组成。钻钻 头头Drill Bit)牙轮钻头牙轮钻头（二牙轮钻头工作原理（二牙轮钻头工作原理 1牙轮钻头在井底的运动牙轮钻头在井底的运动公转：牙轮随钻头一起旋转。公转：牙轮随钻头一起旋转。自转：牙齿绕牙轮轴线作逆时针方向旋转称自转。自转：牙齿绕牙轮轴线作逆时针方向旋转称自转。滑动：牙轮齿相对于井底的滑移，

12、包括径向轴向滑动和切滑动：牙轮齿相对于井底的滑移，包括径向轴向滑动和切向周向）向周向） 滑动。滑动。 引起滑动的原因：引起滑动的原因： 超顶和复锥引起切向周向滑动超顶和复锥引起切向周向滑动 移轴引起径向轴向滑动移轴引起径向轴向滑动纵向振动：牙轮在滚动过程，其中心上下波动，使钻头做上下纵向振动：牙轮在滚动过程，其中心上下波动，使钻头做上下往复运动。往复运动。 引起纵向振动的原因：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；单、双齿交替接触井底，使牙轮中心上下波动； 井底凹凸不平井底凹凸不平 钻钻 头头Drill Bit)牙轮钻头牙轮钻头超顶引起切向滑动超顶引起切向滑动副锥产生

13、超顶效果副锥产生超顶效果移轴引起径向滑动移轴引起径向滑动单、双齿交替接触单、双齿交替接触井底引起纵向振动井底引起纵向振动OaOaaO 2牙轮钻头的破岩作用牙轮钻头的破岩作用 （1冲击、压碎作用冲击、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、压产生冲击、压碎作用，形成体积破碎坑。碎作用，形成体积破碎坑。 （2滑动剪切作用滑动剪切作用 牙轮牙齿的径向滑动和切向滑动对井底地层产生剪切作用，牙轮牙齿的径向滑动和切向滑动对井底地层产生剪切作用，破碎齿间岩石。破碎齿间岩石。（3射流的冲蚀作用射流的冲蚀作用由喷嘴喷出的高速射流对井底岩

14、石产生冲蚀作用，辅助破碎岩由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。石。金刚石钻头金刚石钻头金刚石钻头（切削齿材料）天然金刚石钻头人造金刚石聚晶金刚石复合片（简称PDC）热稳定聚晶金刚石简称TSP）胎体PDC钻头钢体PDC钻头 金刚石钻头金刚石钻头（一金刚石钻头的结构（一金刚石钻头的结构 金刚石钻头为无活动部件金刚石钻头为无活动部件的整体式钻的整体式钻头。由钢体、胎体冠部和头。由钢体、胎体冠部和保径部分）、保径部分）、水眼及水槽、金刚石切削刃水眼及水槽、金刚石切削刃等部分组成。等部分组成。第二章第二章 钻进工具钻进工具 2-1 钻钻 头头Drill Bit)金刚石钻头金刚石钻头

15、 1. 钢体钢体是金刚石钻头的骨架。上部柱体车制丝扣和钻柱连接，下部铣成爪形和胎体烧结在一起。2. 胎体冠部和保径）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。常用剖面形状：3. 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： a双锥阶梯形； b双锥形； c“B形； d脊圈式“B形钻钻 头头Drill Bit)金刚石钻头金刚石钻头 金刚石特性金刚石特性 金刚石为碳在高温高压下形成的金刚石为碳在高温高压下形成的结晶体，正四面体晶体结构。每个碳结晶体，正四面体晶体结构。每个碳原子与邻近的四个碳原子形成四个共原子与邻近的四个

16、碳原子形成四个共价键。因共价键结合力强，故金刚石价键。因共价键结合力强，故金刚石具有极高的硬度莫氏硬度具有极高的硬度莫氏硬度10）、抗）、抗压强度压强度8800MPa和耐磨性钢的和耐磨性钢的9000倍。倍。 其缺点是：其缺点是： 脆性大，受冲击载荷易碎裂；脆性大，受冲击载荷易碎裂； 具有热敏性，高温下具有热敏性，高温下450以上以上石墨化。石墨化。第二章第二章 钻进工具钻进工具 2-1 钻钻 头头Drill Bit)金刚石钻头金刚石钻头PDC钻头Polycrystalline Diamond Compact Bit）胎体PDC钻头钢体PDC钻头两类PDC切削元件第二章第二章 钻进工具钻进工具

17、2-1 钻钻 头头Drill Bit)PDC钻头钻头 主要以切削作用破碎岩石PDC结构特点结构特点 切削元件切削元件聚晶金刚石复合片聚晶金刚石复合片PDC）特特 性性 PDC既具有金刚石既具有金刚石的硬度和耐磨性，又具的硬度和耐磨性，又具有碳化钨合金的结构强有碳化钨合金的结构强度和抗冲击能力。度和抗冲击能力。 弱点是热稳定性差，弱点是热稳定性差，350以上加速磨损。以上加速磨损。抗冲击能力较差。抗冲击能力较差。13.4， 19 钻钻 头头Drill Bit)PDC钻头钻头工作剖面形状工作剖面形状特点 内外锥有利于钻头稳定； 外锥较长，可多布齿，使磨损均匀； 钻硬夹层，冠部齿易早期损坏。 适合中

18、等均质地层。特点 钻头表面积较小，水力集中，清洗效果好； 载荷分布较均匀；用于钻石灰岩、白云岩等较硬地层。特点 侧向推力指向钻头中心，有利于防斜； 钻头外部表面积大，可布置较多切削齿，利于提高寿命。 用于软地层。特点 冠顶较宽且较平缓，载荷分布较均匀。 外侧采用圆弧，布齿面积较大。用于硬地层。双锥形浅锥形抛物线形B 形钻钻 头头Drill Bit)PDC钻头钻头 概念：钻柱概念：钻柱(Drill Stem)(Drill Stem)是钻头以上，水龙头以是钻头以上，水龙头以下部分的钢管柱的总称。它包括方钻杆下部分的钢管柱的总称。它包括方钻杆(Square (Square Kelly)Kelly)、

19、钻杆、钻杆(Drill Pipe)(Drill Pipe)、钻挺、钻挺(Drill (Drill Collar)Collar)、 各种接头各种接头(Joint)(Joint)及稳定器及稳定器(Stabilizer)(Stabilizer)等井下工具。等井下工具。（一钻柱的作用（一钻柱的作用(1)(1)提供钻井液流动通道；提供钻井液流动通道； (2)(2)给钻头提供钻压；给钻头提供钻压； (3)(3)传递扭距；传递扭距； (4)(4)起下钻头；起下钻头； (5)(5)计量井深。计量井深。(6)(6)观察和了解井下情况钻头工作情况、井眼状观察和了解井下情况钻头工作情况、井眼状况、地层情况）；况、地

20、层情况）；(7)(7)进行其它特殊作业取芯、挤水泥、打捞等）；进行其它特殊作业取芯、挤水泥、打捞等）；(8)(8)钻杆测试钻杆测试 ( Drill-Stem Testing),( Drill-Stem Testing),又称中途又称中途测试。测试。钻进工具钻进工具 钻柱钻柱钻柱的作用与组成钻柱的作用与组成二.钻柱钻柱设计的“中性点”正常钻进时的轴向力：正常钻进时的轴向力：WLqLqKFccppBwWF 中性点中性点 钻柱上轴向力等于零的点钻柱上轴向力等于零的点(点点) (亦称中和点，亦称中和点，Neutral Point )。1垂直井眼中单一钻铤时钻柱的垂直井眼中单一钻铤时钻柱的中性点高度：中

21、性点高度：重要意义：重要意义：设计钻柱时要确保中性点始终落在设计钻柱时要确保中性点始终落在钻铤上。为什么？钻铤上。为什么？BcNKqWL 钻柱轴向力分布与中性点w w 0 ( (+ +) ) ( (- -) ) 拉力拉力 压力压力 FW w w N N L LN 钻进工具钻进工具 钻柱钻柱“浮重原则” 安全系数法考虑起下钻时的动载及摩擦力）安全系数法考虑起下钻时的动载及摩擦力） 设计系数法考虑卡瓦挤压）设计系数法考虑卡瓦挤压） 拉力余量法拉力余量法tpaSFF/1typaFFMOPFFpa钻进工具钻进工具 钻柱钻柱钻柱设计钻柱设计钻柱强度设计确定钻杆最大安全静拉力的方法：从三者中取最低者最为最

22、大安全静拉力，据此计算钻杆柱的最大允许长度 钻井工程地质条件钻井工程地质条件 钻进的参数优选钻进的参数优选 固井和完井技术固井和完井技术 目录1234 4钻进工具钻进工具影响钻速的主要因素及钻速方程影响钻速的主要因素及钻速方程 1. 岩石可钻性 2. 钻头类型 3. 钻压 4. 转速 5. 钻头齿磨损量 6. 水力因素 7. 钻井液性能影响钻速的主要因素：影响钻速的主要因素： 1. 1.钻压对钻速的影响钻压对钻速的影响钻速与钻压的关系曲线钻速与钻压的关系曲线门限钻压门限钻压 M：几何意义几何意义AB直线在钻压轴上直线在钻压轴上的截的截 距。距。 物理意义物理意义牙齿开始压入地层牙齿开始压入地层

23、时的钻时的钻 压，其大小取决所钻压，其大小取决所钻地层地层 的抗压入强度。的抗压入强度。 M)(MWVpc 在某一钻压范围内，钻速与在某一钻压范围内，钻速与钻压成正比关系。钻压成正比关系。2.2.转速对钻速的影响转速对钻速的影响nvpc 钻速随转速的增大而增大，钻速随转速的增大而增大，并呈指数关系变化。并呈指数关系变化。称为转速指数称为转速指数, 其大小与岩性其大小与岩性 及井底净化程度及井底净化程度 。 软地层软地层1，一般小于，一般小于1， 岩石硬度增大，岩石硬度增大，值减小。值减小。3.3.牙齿磨损量对钻速的影响牙齿磨损量对钻速的影响 hCvpc211随着钻头牙齿的磨损，钻速下降。随着钻

24、头牙齿的磨损，钻速下降。C2 称为牙齿磨损系数称为牙齿磨损系数, 与钻头齿形结构和岩层性质有关。与钻头齿形结构和岩层性质有关。 h 为牙齿磨损量为牙齿磨损量, 以牙齿的相对磨损高度表示。以牙齿的相对磨损高度表示。 新钻头时新钻头时h =0； 牙齿全部磨损时牙齿全部磨损时h =1。 4.4.水力因素的影响水力因素的影响（1水力的清洗作用水力的清洗作用 井底比水功率井底比水功率作用在井底单位面积上的水功率。作用在井底单位面积上的水功率。净化不完善区净化完善区（1975，AMOCO）pcssv.P210729经验公式：经验公式：钻速越快，岩屑量越大，清洗井底需要的钻速越快，岩屑量越大，清洗井底需要的

25、 比水功率越大。比水功率越大。 水力净化系数：水力净化系数：spcspcHP/PvvC当实际比水功率低于井底净化完善的需要值，当实际比水功率低于井底净化完善的需要值， 则钻速降低。则钻速降低。（2水力的破岩作用水力的破岩作用p 对软地层，射流的冲击压力超过岩石的抗压强度，将直接破碎岩石对软地层，射流的冲击压力超过岩石的抗压强度，将直接破碎岩石;p 对硬地层，对硬地层，“水楔作用使岩石强度降低，从而使门限钻压降低。水楔作用使岩石强度降低，从而使门限钻压降低。5.5.钻井液性能的影响钻井液性能的影响 井底正压差越大，钻速越慢。井底正压差越大，钻速越慢。 压持效应：压持效应： 在正压差作用下，井底岩

26、屑难以离开井底，在正压差作用下，井底岩屑难以离开井底，造成重复破碎，使钻速降低的现象。造成重复破碎，使钻速降低的现象。vvepcpcop 井底压差与钻速的关系：井底压差与钻速的关系：ppcpcpevvC0 压差影响系数压差影响系数Cp：pmppp（1钻井液的密度钻井液的密度井底压差井底压差（2 2粘度对钻速的影响粘度对钻速的影响钻井液粘度增大，钻速降低。钻井液粘度增大，钻速降低。（3固相含量对钻速的影响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。钻井液固相含量增大，机械钻速降低。（4分散性对钻速的影响分散性对钻速的影响 分散性钻井液比不分散性钻井液的钻速低；且钻井液中小于分散性钻井液比不分散性钻井液的钻速低；且钻井液中小于1m的的固体颗粒越多，对钻速的影响越大。固体颗粒越多，对钻速的影响越大。5.5.钻井液性能的影响钻井液性能的影响二、影响钻头寿命的主要因素二、影响钻头寿命的主要因素 1. 岩石研磨性岩石研磨性 2. 钻头类型钻头类型 3. 钻压钻压 4. 转速转速 5. 牙