《钻井工程》
课堂重点与复习纲要
划线部分为2007级钻井工程课老师所给复习重点本资料由石工07级石工学生hail收集整理，仅供参考
2010-5-20
绪论
1.钻井：利用一定工具和技术在地层中钻出一个较大孔眼的过程。
2.按目的分类：区域普查井、探井、资料井、开发井、特殊用途井。
3.按形状分类：直井、定向井、大斜度井、大位移井、水平井、丛式井、多井底（分支井）。
普通定向井（1个井场仅有1口井，最大井斜角小于60°）
大斜度井 （最大井斜角在60~80°）
大位移井 （水平位移大于2倍井深 或 测深大于2倍垂深）
水平井 （最大井斜角大于86°，并保持这种井斜角钻一定长度）
丛式井 （在一个井场有计划地钻两口或两口以上定向井组，其中可以有一口直井）
多井底 （一口井下面有两个或多个井底的定向井）
4.按钻进方式分：人工掘井、人力冲击钻、机械顿钻、旋转钻、连续管钻井。
旋转钻——转盘钻井、井下动力钻具钻井、顶部驱动钻井
5.按深度分类：浅井(<2500m)、中深井(2500~4500m)、深井(4500~6000m)、超深井(>6000m)
6.高温高压井 >150℃ >70MPa 超高温高压井 >220℃ >105MPa
7.油井建设过程：钻前准备、钻进、固井和完井。
8.钻进的基本工艺：
一开：从地面钻出较大井眼，到设计深度后下表层套管。
二开：从表层套管内用较小一些的钻头继续钻进，若地层不复杂可直接钻到目的层后下油层套管完井。如果地层复杂，则要下技术套管。
三开：从技术套管内用再小一些的钻头往下钻进。一直钻到目的地层深度，下油层套管，进行固井完井作业。也可能根据具体情况，钻到某深度后下入第二层、第三层技术套管。
第一章 钻井的工程地质条件
1.静液压力：液柱自身的重力引起的压力。（淡水g 取0.00981，盐水g 取0.0105）
l h h p ρ00981.0=2.上覆岩层压力：地层某处以上地层岩石基质和孔隙中流体的总重力所产生的压力。
D—地层垂直深度 ma ρ一般为2.5g/cm 3
])1[(00981.0ρ+Φ?=ma o D p Φρ 上覆岩层压力梯度一般分层段计算，即按深度进行加权。
3.地层压力：岩石孔隙中的流体所具有的压力。
4.基岩应力：即有效上覆岩层压力或颗粒间压力，由岩石颗粒之间相互接触来支撑的那部分上覆岩层压力。
5.基岩应力与上覆岩层压力、地层压力的关系：p o p p ?=σ （掌握教材P8页图）
6.异常压力的成因：异常低压——1）多年开采的油气藏没有充足压力的补充2）地下水位很低的地区也产生异常低压。 异常高压——1）地层压力系统“封闭”2）快速沉降、沉积压实不均、水热增压、渗透作用、构造作用。（详细分析异常高压原因）
7.地层压力预测：地震法、声波时差法m
f m t t t t Δ?ΔΔ?Δ=Φ（掌握测井图）、页岩电阻率法等。 声波在底层中传播速度与岩石的密度和弹性系数有关。不同地层、不同岩性有不同的传播速度。在正常地层压力井段，随井深增加，岩石的孔隙度减小，声波速度增加，声波时差减小。
8.地层压力监测：机械钻速法（原理：利用泥页岩压实规律和压差对机械钻速的影响理论）
若其他因素不变，只考虑压差的影响，机械钻速随压差的减小而增加。在正常地层压力情况下，不考虑其他因素，随着井深增加，机械钻速下降。（掌握教材P17页图）
9.压持效应：钻进过程中，井内始终存在压差，在该压差作用下，井底岩屑难以离开井底，造成钻头重复破碎的现象。随着井深增大，附加密度在井底形成的压差越大，该压差对井底岩屑形成的压持效应使得井底岩屑难以离开井底，造成重复破碎从而使得机械钻速下降。
9.d 指数法：由钻速方程 取K=1， e=1
d b
e pc d W Kn v )/(=b
pc d W n v d 0684.0lg 0547.0lg
= （注意：分子分母均为负数） 正常情况下，d 指数随井深增加而增大。 10. c d 指数法： 考虑了钻井液的密度 d n
c d d ρρ= ， d ρ—钻井液密度
11.等效深度法：用于求地层压力。若地层具有相等的dc 指数，可视其骨架应力相等。
e pm p D G G D G p )(00??=
D 所求地层压力点深度 上覆岩层压力梯度 等效深度处的正常地层压力梯度 等效深度
0G pm G e D 12.地层破裂压力：井下一定深度裸露的地层，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。
13.液压实验法：也称漏失实验。液压实验曲线上，开始偏离直线点的压力为漏失压力，压力最大值为开裂压力，之后趋于平缓的压力称为传播压力。（掌握液压实验曲线图）
L p f p r p 地层破裂压力当量密度)00981.0/(D p L m f +=ρρ 钻井液密度m ρ
14.岩石强度：岩石在一定条件下受外力的作用而达到破坏时的应力，大小取决于内聚力和内摩擦力。
15.岩石强度特征：
1）大部分岩石接近弹性脆性体
2）载荷小时弹性模量接近常数，载荷大时弹性模量随载荷增大而增大
3）动外力作用下大多岩石服从胡克定律
4）抗拉<抗弯≤抗剪<抗压
5）沉积岩由于层理的影响，不同方向上强度不同。平行层理方向强度小于垂直层理方向。
16.间接法测拉应力：内压涨裂、巴西劈裂实验
17.三轴岩石试验结论：围压增加时强度增大，向塑性转变。
18.岩石分类：脆性岩石、塑性岩石、塑脆性岩石。
脆性岩石：在外力作用下，直至破碎而无明显的形状改变。
塑性岩石：岩石只改变其形状和大小而不破坏自身的连续性。
19.塑性系数：即破碎前消耗的总功与破碎前弹性变形功之比。
E F p A A K /=20.岩石的硬度：抵抗其他物体表面压入或侵入的能力。（硬度与抗压强度？ P32页）
压入硬度 即 产生脆性破裂时压头上的载荷 / 压头底面积 或 产生屈服时的载荷 / 底面积
21.井眼周围地层岩石受力：上覆岩层压力、地层压力、水平地应力、钻井液液柱压力。
22.钻头的研磨性：钻头与岩石接触的部分一般为钢、硬质合金、金刚石，岩石磨损这些材料的能力。
23.岩石的可钻性：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。
24.岩石按硬度分类：软、中软、中硬、硬、坚硬、极硬
25.岩石按塑性分类：Kp=1为脆性，Kp 大于6为塑性，介于中间位塑脆性
第二章 钻进工具
1.钻头分类：牙轮钻头、金刚石材料钻头、刮刀钻头。
金刚石材料钻头——天然金刚石钻头、聚晶金刚石复合片钻头（PDC ）、热稳定性聚晶金刚石钻头（TSP ）
2.钻头的经济、技术指标：
钻头进尺：一个钻头钻进的井眼总长度
钻头工作寿命：一个钻头的累积总使用时间
钻头平均机械钻速：一个钻头的进尺与工作寿命之比 钻头单位进尺成本：H t t C C C t r b pm )(++=
b C —钻头成本 —钻机作业费 t—钻进时间 —起下钻及接单根时间
r C t t 3.刮刀钻头的结构：上钻头体（有丝扣）、下钻头体（三个水眼）、刀翼。
4.刀翼结构角：刃尖角β，刀翼尖端前后刃之间的夹角，岩石越硬β应大一些
切削角α，刀翼前刃与水平面之间的夹角，α越大吃入深度越大，但扭矩增大
刃后角ψ=α-β，它必须大于井底角θ，否则刀翼背部将直接和井底接触，影响钻速 刃前角φ=90°-α
5刀翼的形状：背部呈抛物线形状，底部形状有平底、正阶梯、反阶梯、反锥形
阶梯刮刀钻头的钻速比平底钻头快，而扭矩和消耗功率比平底钻头要小。阶梯钻头易引起缩径，反阶梯可以解决缩径但蹩钻严重。
6.刮刀钻头工作原理：钻头主要以切削、剪切、挤压方式破碎地层。
1）刃前岩石沿剪切面破碎后，扭矩力减小，切削刃向前推进，碰撞刃前岩石。（碰撞）
2）在扭矩力作用下压碎前方的岩石，使其产生小剪切破碎，旋转力增大。（压碎及小剪切）
3）刀翼或切削齿继续挤压岩石，扭力增大到极限值时岩石沿剪切面破碎，扭力突然变小。（大剪切）
7.牙轮钻头：单锥牙轮（主锥和背锥组成）、复锥牙轮（主锥、副锥、背锥组成）
8.牙齿分类：铣出牙齿（主要是楔状齿）、镶装硬质合金齿。
9.轴承：按密封性分为 密封轴承和非密封轴承，按轴承副分为 滚动轴承和滑动轴承，
滚动轴承的结构形式有“滚柱-滚柱-止推”、“滚柱-滚珠-滑动-止推”
滑动轴承的结构形式有“滑动-滚动-滑动-止推”、“滑动-滑动-滑动-止推”
10.储润滑密封系统：既能保证轴承得到润滑，又能防止钻井液进入钻头轴承内，大大提高轴承及钻头寿命
11.牙轮钻头工作原理：（冲击压碎、滑动剪切、射流冲蚀）
1.1牙齿的公转：固定在牙轮上的牙齿随钻头一起绕钻头轴线作顺时针方向的旋转运动。
1.2牙齿的自转：牙齿绕着牙轮轴线作逆时针方向的旋转。
2.钻头的纵向振动：单齿与双齿交替与井底接触引起的钻头沿轴向作上下往复运动。纵向振动转化为对地层的冲击作用力，与静压入力一起形成对岩石的冲击、压碎作用。（牙轮钻头破岩的主要方式）
3.对地层的剪切作用：超顶、复锥、移轴引起的滑动剪切
超顶，牙轮锥顶超过钻头轴线，滑动速度随超顶距增加而增加。
复锥牙轮由于副锥是超顶的因而产生了滑动。
移轴，牙轮轴线相对于钻头轴线平移了一段距离。
超顶和复锥引起的切线方向活动除可在切线方向与冲击、压碎作用共同破碎岩石外，还可以剪切掉同一圈相邻牙齿破碎坑之间的岩石。移轴则在轴向产生滑动和切削作用，可以剪切掉齿圈之间的岩石。
12.自洗：钻头通过牙齿布置使得各牙齿的牙齿齿圈互相啮合，一个牙齿的齿圈之间积存的岩屑由另一个牙齿的齿圈牙齿剔除。（分为两类：自洗不移轴、自洗移轴）
13.金刚石钻头结构：一体式钻头，无活动部件，主要有钻头体、冠部、水力结构、保径、切削刃五个部分。
14.聚晶金刚石复合片的结构：它是以金刚石粉为原料加入粘结剂在高温高压下烧结而成。复合片为圆片状，金刚石层厚度小于1mm ，切削时为工作层。碳化钨硬质合金对聚晶金刚石薄层起支撑作用。PDC 既具有金刚石的强度和耐磨度，又有碳化钨的结构强度和抗冲击能力。
15.PDC 钻头分类：胎体PDC 钻头和刚体PDC 钻头。
16.PDC 钻头工作原理：
1）钻硬地层时，在钻压作用下压入岩石，使与金刚石接触的岩石处于极高的应力状态下而呈现塑性。
2）在塑性地层，金刚石吃入地层并在钻头扭矩作用下使前方岩石内部发生破碎或塑性流动，脱离岩石基体，形成岩屑。
3）在脆性较大的岩石中，在钻压和扭矩作用下产生的应力使岩石表现为脆性破碎，属于以剪力和张力
破坏岩石。
17.国产三牙轮钻头系列：Y普通钻头、P喷射式钻头、MP滚动密封轴承喷射式三牙轮钻头、MPB滚动密封轴承保径喷射式三牙轮钻头、HP滑动密封轴承喷射式三牙轮钻头、HPB滑动密封轴承保径喷射式三牙轮钻头、XMP镶硬质合金齿滚动密封轴承喷射式三牙轮钻头、XH镶硬质合金齿滑动密封轴承喷射式三牙轮轴承。18.地层性质及代号：1.极软、2.软、3.中软、4.中、5.中硬、6.硬、7.极硬
19国产牙轮钻头型号表示方法：钻头直径×钻头系列代号地层类型代号
例：215.9×HP5 用于中硬地层直径215.9毫米，铣齿滑动密封轴承喷射式三牙轮钻头
20.金刚石材料钻头适应的地层：TSP适合研磨性中等至硬地层
PDC适合软到中硬地层，含砾石的地层不能用PDC
21.钻柱：钻头以上，水龙头以下部分的钢管柱的总称。包括：方钻杆、钻杆、钻铤、各种接头和稳定器等。
22.钻柱的作用：为钻井液由井口流向钻头提供通道；
给钻头施加适当的钻压，使钻头不断吃入地层；
把地面动力传递给钻头，使钻头不断旋转破碎岩石；
起下钻头；根据钻柱长度计算井深；
观察了解井下情况；进行其他特殊作业（取心等）
钻杆测试DST等
23.钻杆：无缝钢管，作用是传递扭矩和输送钻井液，壁厚9~11毫米，并靠其逐渐加长使井眼不断加深。
钻杆由钻杆管体和钻杆接头两部分组成。包括两种链接方式，对焊链接、细丝扣链接（已淘汰）
24.管体两端加厚：目的增加链接强度，分为内加厚、外加厚、内外加厚三种。
25.钻杆接头及丝扣：钻杆接头分公接头和母接头，接头壁厚较大，接头外径大于管体外径。
丝扣连接必须满足三个条件：尺寸相等、丝扣类型相同、公母丝扣相匹配。
旧API标准接头分类：内平式、贯眼式、正规式三类。
内平式接头用于外加厚钻杆，钻杆内径与管体加厚处内径、接头内径相等，钻井液流动阻力小，有利于提高钻头水功率，但接头外径较大易磨损。
贯眼式用于内加厚钻杆，钻杆有两个内径，接头内经等于管体加厚处内径，小于管体部分内径。钻井液流经接头时阻力大于内平式接头，但外径小于内平式接头。
正规式接头用于内外加厚钻杆。钻杆由三个不同的内径，钻井液流过这种接头时阻力最大，但它外径最小，强度最大。
新API标准：NC型系列钻头，标准粗牙螺纹，两位数字表示丝扣基面节圆直径的大小。
26.钻铤：处在钻柱的最下部，具有较大的重力和刚度，主要为圆形钻铤和螺旋形钻铤两种。
给钻头施加钻压；保证压缩条件下必要的强度；
减轻钻头的震动、摆动、跳动等，使其工作平稳；控制井斜。
27.方钻杆：位于钻柱的最上端，有四方形和六方形两种。钻进时，方钻杆与方补心、转盘补心配合，将地面转盘的扭矩传递给钻杆，以带动钻头转动。
28.稳定器（扶正器）：用于防止井斜、控制井眼轨迹。
分为刚性稳定器、不转动橡胶套稳定器、滚轮稳定器。
29.钻柱的工作状态：起下钻和正常钻进两种条件下工作。
起下钻时，整个钻柱只受自重力，钻柱处于受拉伸的直线稳定状态。
正常钻进时，上部钻柱受拉伸而下部钻柱受压缩。当压力达到钻柱的临界压力值时，下部钻柱将失去直线稳定状态而发生弯曲并与井壁接触于某个点，出现钻柱第一次弯曲。若压力继续加大，可能出现第二次或更多次弯曲。此外，离心力的作用有可能加剧下部钻柱的弯曲变形。
30.钻柱的旋转：自转，围绕自身轴线旋转产生均匀磨损，容易发生疲劳破坏。在软地层弯曲井段形成键槽
公转，围绕着井眼轴线旋转并沿着井壁滑动，发生偏磨
公转与自转的结合，沿井壁滚动，磨损均匀
无规则的旋转摆动
31.钻柱的受力分析：受力严重部位，1井口断面、2下部受压弯曲部分、3中性点（交变载荷、疲劳）
轴向力：自重拉力、钻压压力、浮力、摩擦力、循环压降产生的附加拉力、起下钻时动载
32.钻柱垂直悬挂时
钻柱任一截面处轴向拉力O B c c p p B m F K L q L q K F =+=)(
33.中性点：正常钻进时，钻柱上轴向力等于零的点定义为中性点。
任一截面处的轴向拉力 W L q L q K F c c p p B w ?+=)( 单位kN 中性点高度B
c N K q W L = 必须保证中性点落在刚度大、抗弯能力强的钻铤上 34.起下钻时受力分析：
单一钻柱任一截面处轴向力Ft 为：
d f c c p p B t F F L q L q K F +±+=)( 其中，浮力系数s d B
K ρρ/1?= —钻杆线重 —钻铤线重 p q c q —摩擦力，起钻取正号，下钻取负号
—动载荷 —截面以下钻杆长度 f F d F p L 35.钻柱设计：原则一，满足强度要求，保证安全；原则二，尽量减轻整个钻柱的重力，以便在现有的抗负荷能力下钻更深的井。
36.设计过程：1尺寸选择、2钻铤长度计算、3强度校核
钻柱尺寸选择，依据井眼尺寸、钻机能力、地质条件、工艺、供货等
原则：尽量选用大尺寸方钻杆，选用大尺寸钻杆，钻铤尺寸一般选用与钻杆接头外径相等或接近的尺寸。 钻铤长度确定：α
cos max B c N c K q W S L = —安全系数，一般取1.15~1.25 （注意钻铤数取整） N S 钻杆强度设计：主要是抗拉强度设计，按抗拉强度确定其可下深度。
任一截面上静拉伸载荷小于等于钻杆柱的最大安全静拉力，即a t
F F ≤。 钻杆的最大允许拉伸力P y y P A F F σ1.09.09.0×==
y F 最小屈服强度下的抗拉力，kN 钻杆横截面积，cm 2 P A y σ最小屈服强度，MPa
Fa 的安全系数法： St 一般取1.3
t p a S F F /= Fa 的计算系数法（考虑卡瓦挤压）：1(?=t
y p a F F σσ t σ为拉伸应力 Fa 的拉力余量法： MOP 一般取200~500kN
MOP F F p a ?= 在三者中取最低者作为最大安全静拉力，据此计算钻杆柱的最大允许长度。
37.单一钻柱设计：最大允许长度为p
c c B a q q L K F L ?=/ 38.复合钻柱设计：采用不同尺寸（上大下小）、或不同壁厚（上厚下薄）、或不同钢级（上高下低）的钻杆组成的钻杆柱称为复合钻柱。计算步骤：确定钻铤长度，确定钻铤上第一段钻杆长度，确定钻铤上第二段钻杆长度，以此类推。
补1：牙轮钻头的布齿原则：
1.转一周牙齿全部破碎井底，不留下未被破碎的突起
2.牙齿在重复滚动时应使得牙齿不落入其他牙齿形成的破碎坑内
3.牙齿磨损均匀
第四章 钻进参数优选
1.钻进过程中的影响因素：可控因素（钻头类型、钻井液性能、钻压、转速、排量、泵压）和不可控因素
2.钻进参数（可控因素）优选：采用最优化方法，选择合理的钻进参数配合，使钻进过程达到最优的技术和经济指标。
3.钻压对钻速的影响： (W 钻压，kN M 门限钻压，kN)
)(M W v PC ?∝ 门限钻压是直线AB 在钻压轴上的截距，相当于牙齿开始压入地层时的钻压。
4.转速对钻速的影响： (λn v PC ∝λ转速指数，一般小于1 n 的单位r/min)
5.牙齿磨损对钻速的影响：h C v PC
211+∝ (牙齿磨损系数 h 牙齿磨损量，0≤h ≤1) 2C 6.水力因素对钻速的影响：表现在井底水力净化能力对钻速的影响。 水力净化系数S
PCS PC H P P v v ==C () 2/,/,cm kW P h m v S PCS 净化完善时比水功率，净化完善时钻速比水功率，井底单位面积上的平均水功率
水力净化系数小于等于1，实际水功率大于净化所需水功率时净化系数仍取1
7.钻井液性能对钻速的影响：压差影响系数p PC PC P e v v C Δ?==β0
，β为与岩石性质有关 钻井液粘度增大，井底压差增大，钻头获得水功率降低，钻速减小，但携岩能力增大。
固相颗粒增大，钻速减小。为提高钻速，应采用低固相不分散钻井液。
8.钻速方程：H P R PC C C h
C n M W K v 211)(+?=λ 前面的系数即可钻性系数 9.钻头磨损方程：)1)(()
(112321h C W Z Z n a n a A dt dh f +?+= (地层研磨系数)
f A 分子体现转速对磨损的影响，分母体现钻压和牙齿磨损状况对磨损速度的影响，其中Z1、Z2为钻压影响系数，C1为牙齿磨损减慢系数。
10.轴承磨损速度方程：n W b
dt dB 5.11= b 称为轴承工作系数 11.门限钻压和转速指数的确定：五点法钻速试验（钻压、转速的最值点，平均钻压转速点）
单一变量思想，算出两个值取平均
12.可钻性系数得确定：牙齿磨损量h=0时，由钻速方程计算得到。
13.牙齿磨损系数C2的确定：开始钻进 和 起钻 时的钻速相比，由钻速方程求解。f pcf pcf pc h v v v C ?=02
14.岩石研磨性系数Af 的确定：由牙齿磨损速度方程积分解得。)2()(2132112f f f f
h C h t n a n a W Z Z A ++?= 15.机械破岩钻进参数优选：优选钻压和转速
目标函数建立 联立h C n M W K C C dt dH R P H pc 211)(+?==λv ， dh h C n a n a A W Z Z dt f )1()
(132112+??= 积分求解
可得E S
J H f ·= J 为牙齿无磨损时的初始钻速
λn M W K C C J R R H )(?= S 为牙齿磨损量为0时牙齿的磨损速度W
Z Z n a n a A S f 12321)(?+= 它的倒数是不考虑磨损影响时钻头理论寿命
J/S 为不考虑牙齿磨损影响时钻头理论进尺
E 为考虑牙齿磨损对钻速和磨速影响后的进尺系数 )1ln(222
1221f f h C C C C h C C E +?+= 牙齿磨损对钻速和磨速影响后的寿命系数 212f f h C h F += ， S
F t f = 目标表达式：)()(F S t JE C JE F S t C S C C E r t r b pm +=++= ,t b E t C C t +=r
16.目标函数的极值条件和约束条件
000=??=??=??f
pm pm pm h C n C W C ，， （计算得到的公式太复杂或无解析解）
牙齿磨损量 0≤h ≤1， 轴承磨损量 0≤B ≤1
钻压 M>0时，M
/Z Z 12/Z Z 17.轴承的最后磨损量：b
nW S F B f 5
.1= （原理，牙齿和轴承工作时间相同） 18.喷射钻井：采用大功率泥浆泵和可以产生高速射流的钻头喷嘴进行钻井。
19.喷射式钻头：在钻头上安放具有一定结构特点的喷嘴，使钻井液通过喷嘴后形成高速射流。
20.射流：通过管嘴或空口过水断面周界不与固体壁接触的液流。作用：清洗井底和破岩作用。分类：淹没射流（周围流体密度大）和非淹没射流（射流流体密度大）、自由射流和非自由射流（受到井壁限制）、连续射流和脉冲射流（流束内压力不稳定），钻井液喷出后属于淹没非自由射流。
21.射流扩散角α：射流纵剖面上周界母线的夹角。α越小，能量越集中。
22.等速核：射流中心一部分保持初始速度流动的流束。它的长度受喷嘴直径和喷嘴内流道影响。 23.射流清洗井底的形式：冲击压力波和井底漫流。
井底岩屑受到的冲击压力极不均匀，使得岩屑产生一个翻转力矩，从而离开井底，即为冲击翻转作用 井底漫流速度高，对岩屑产生一个横向推力，使其离开原来位置
24.射流的破岩作用：
强度较低的地层直接破碎岩石，强度较高的地层，射流挤入岩石中形成的微裂纹和裂缝，形成“水楔”，使裂纹和裂缝扩大。
25.射流水力参数：喷射速度、射流冲击力、射流水功率。
∑==z i i d A 1204π 喷速m/s 流量L/s 截面积cm 2 z 喷嘴个数
喷射速度 010A Q v i =射流冲击力 02100A Q F d j ρ= 单位kN 射流水功率 2
0305.0A Q P d j ρ= 单位kW 26.钻头水力参数：反应喷嘴对射流的影响
∑==z i i ne d d 12 喷嘴流量系数C 一般0.9 钻头压力降 4222022081.005.0ne d d b d C Q A C Q p ρρ==Α 钻头水功率 钻井液流过钻头时所消耗的水力功率 4232023081.005.0ne d d b d C Q A C Q P ρρ== 钻头射流速度 b d j p C v Α=ρ2010 钻头射流冲击力 b j p C A F Α=202.027.泵压传递公式：b an st g s p p p p p Δ+Δ+Δ+Δ= 钻井泵压力=地面管汇压耗+钻柱内压耗+环空压耗+钻头压降 （单位MPa ） 28.水功率公式： Q 为排量 P 为输出功率 p 为钻井泵压力 Q p P s s =29.泵功率传递基本关系 b an st g s P P P P P +++= （单位KW ） 30.管内流动的沿程水头损失 g v p p h 2221ξγ =?=Δ ξ--水头损失系数 γ--流体重度， 3/m N 31. 管路中流动压耗 2 22222v r L f v g v p d w L ρρξξγ===Δ 32.宾汉紊流下水力摩阻系数近似关系2 .0Re k f = （K 与管路条件有关） 33.循环系统压耗计算：地面管汇、钻杆内压耗、钻杆外环空压耗、钻铤内压耗、钻铤外环空压耗 整个循环系统的压耗公式为 8.18.1)(Q K Q K K K p p p p L C P g C P g L =++=Δ+Δ+Δ=Δ 其中Kp 与钻杆长度有关，设 并令D 为井深 P P mL K =a mD mL K K mL K c C g L +=?++= 最终 8.18.1)(Q a mD Q K p L L +==Δ34.提高钻头水力参数的途径：提高泵压和泵功率，降低循环系统压耗系数（1降低泥浆密度、2降低泥浆粘度、3增大管路内径），增大钻头压降系数（缩小喷嘴直径），优选排量 钻头压降2202205.0Q K A C Q p b d b ==Δρ 称为钻头压降系数 b K 钻头压降 钻头水功率 8.12Q K p p p Q K p L s L s b b ?=Δ?==Δ8.2Q K P P L s b ?=35.泵的工作特性：额定泵压、额定功率（掌握书P156页泵的工作状态图） 额定功率，井泵的最大输出功率 额定泵压，每种套缸都有一定的允许压力 额定功率、额定排量、额定泵压之间的关系：r r r Q p P = 额定泵压工作状态下，排量小于额定排量，泵功率要小于额定功率 额定功率工作状态下，泵压要小于额定泵压，随着排量的增加实际工作压力要降低 工作图中Q 36.水力参数优化：五个水力参数，实际只计算钻头水功率Pb ，其他四个参数可以转化求得。 优化标准：最大钻头水功率和最大射流冲击力 37.最大钻头水功率：额定功率工作状态下， r opt Q Q =额定泵压状态下 8.11 )(8.2[a mD p Q r opt += L L r P Q K p Δ==8.28.28.1 井深小于第一临界井深时，泵处于额定功率状态，泵排量为额定排量 井深介于第一、第二临界井深，泵处于额定泵压状态，泵排量取最优排量 井深大于大二临界井深，泵处于额定泵压状态，排量取携岩所需最小排量 第一临界井深m a mQ p D r r Pc ?=8.18.2 第二临界井深m a mQ p D a r Pa ?=8.18.2 38.最优喷嘴直径的确定：小于第一临界井深时，喷嘴直径应随井深增加而增大；介于第一、第二临界井深时，喷嘴直径随井深增加而减小；大于第二临界井深时，直径随井深增大而增大。 39.最大射流冲击力：额定功率状态下 r opt Q Q = 额定泵压状态下8.11])(9.1[a mD p Q r opt += L L r P Q K p Δ==9.19.18.1第一临界井深m a mQ p D r r Fc ?=8.19.1 第二临界井深m a mQ p D a r Fa ?=8.19.1 40.最小排量a P h a v d d Q )(4022?=π h d a d v ρ24.18= 第五章 井眼轨道设计与轨迹控制 1.轨道：钻进之前人们预想的该井井眼轴线形状。 2.轨迹：一口已钻成的井的实际井眼轴线形状。 3.定向井的用途：地面环境条件限制、地下地质条件的要求、处理井下事故的特殊手段、提高采收率的手段 4.每隔一定长度的井段测一个点，这些井段称为“测段” ，这些点称为“测点” 5.井深Dm ：井口至测点的井眼长度。以钻柱或电缆的长度来测量。一个测段中，井深小的为上测点，井深大的为下测点，井深的增量为下测点减去上测点井深。 6.井斜角α：井眼轴线上某测点作轴线的切线，切线向井眼前进方向延伸的部分称为井眼方向线。井眼方向线与重力线之间的夹角为井斜角。 7.井斜方位角：某测点处井眼方向线投影到水平面上，称为井眼方位线。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即井斜方位角。 8.磁偏角校正： 真方位角=磁方位角+东磁偏角 真方位角=磁方位角-西磁偏角 磁偏角，磁北方位与正北方位并不重合而有一个夹角。 9.垂深D ：轨迹上某点至井口所在水平面的距离。 10.水平投影长度（平长）Lp ：轨迹上某点至井口的长度在水平面上的投影，即井深在水平面上的投影长度 11.水平位移（平移）S ：轨迹上某点至井口所在铅垂线的距离。国外将水平位移称作闭合距，在我国常特指完钻时的水平位移称为闭合距。 12.平移方位角θ：平移方位线所在的方位角。 13.N 坐标和E 坐标：轨迹上某点在以井口为原点的水平面坐标系里的坐标值。 14.视平移V ：水平位移在设计方位线上的投影。 15.井眼曲率：井眼轨迹曲线的曲率。工程上常用平均曲率，即“狗腿严重度”、“全角变化率”。 上下测点两条方向线之间的夹角称为“狗腿角”γ， )cos(sin sin cos cos cos A B B A B A γ+?=ααα?α?Φ?Φ 单位° 测段的平均井眼曲率m C D K Δ=/30γ 单位： °/30m 16.井眼轨迹图示法：垂直投影图和水平投影图配合，垂直剖面图与水平投影图配合。 水平投影图，将井眼轨迹投影到井口所在的水平面上 垂直投影图，轨迹投影到铅垂平面上。坐标为垂深D 和视平移V 垂直剖面图，经过井眼轨迹上每一个点做一条铅垂线，这些铅垂线所构成的曲面，将曲面展平到一个平面上即为垂直剖面图。两个坐标是垂深D 和平长Lp 。 17.测斜仪器：单点测斜器、多点测斜器、随钻测斜器 18.磁性多点测斜仪原理：“十字”所在的同心圆就是该井深处的井斜角。“十字”所在的放射线就是该井深处的井斜方位角。 19.测点编号：测斜是自下而上的，编号是自上而下的。第一个井斜角不等于0的作为第一测点。 20.侧段编号：第i-1点与第 i 点之间为第i 侧段 21.第0测点：第一测点井深大于25米时，规定第0测点井深比第一测点小25米 22.若αi=0，则计算第i 段时，φi=φi-1，计算第i +1段时，φi=φi+1 23.轨迹计算方法：垂深 平长i i i D D D Δ+=?1i P Pi Pi L L L Δ+=?1 N 坐标 E 坐标 i i i N N N Δ+=?1i i i E E E Δ+=?1 平均角法 C m D D αcos ?Δ=Δ C m P D L αsin ?Δ=Δ C C m D N Φ??Δ=Δcos sin α C C m D E Φ??Δ=Δsin sin α 2/)(1i i C ααα+=? 2/)(1i i C Φ+Φ=Φ? 24.直井防斜技术：直井的轨迹控制 25.井斜的原因分析： 地质因素，主要是可钻性的不均匀和底层的倾斜。1.各向异性，垂直层面方向可钻性高，地层倾角小于 45°时，钻头前进方向垂直于层面，大于60°后钻头前进方向沿层面方向下滑。2地层可钻性纵向变化。3地层可钻性横向变化。 钻具原因，主要是钻具的倾斜和弯曲。钻具和井眼之间有一定间隙，给钻具的倾斜的弯曲创造了空间条件。由于钻压的作用，下部钻具受压后将向井壁一侧倾斜，甚至产生弯曲。 井眼扩大。 钻井参数不当。 归结起来：钻头对井底的不对称切削，钻头轴线相对井眼轴线发生倾斜，钻头上侧向力导致侧向切削 26.底部钻具组合：靠近钻头的那部分钻具。 27.满眼钻具组合：靠近钻头大约20米长的钻铤上适当位置安置扶正器，以此达到防斜目的。 28.YXY 组合： 近钻头扶正器，直径较大，抵抗钻头所受侧向力，有效防止钻头侧向切削。 中扶正器，直径与近扶相同，保证中扶与钻头之间的钻柱不弯曲，使钻柱不发生倾斜，防止不对称切削 上扶正器，中扶之上一个钻铤单根处，保证钻具上至少有3个稳定接触点，从而保证井眼的直线性 第四扶正器，直径与上扶相同 29.中扶位置的计算： 25.0)]sin /()16[(α???=m P q J E C L C —半间隙：C=，m E —钻铤的杨氏模量，kN/m 2 2/)(s h d d ? J —轴惯性矩：)(64 44ci c d d J ?=π4m —钻铤在泥浆中的线重，kN/m m q 30.满眼钻具组合的使用： 1只能稳斜，不能增斜或者降斜 2该钻具组合关键在于“满”，使用时应尽可能减小扶正器与井眼间的间隙。使用过程中扶正器受磨损，当间隙达到设计值2倍时应更换扶正器 3保满的另一个关键是井径不能扩大，因此在使用过程中提出“以快保满”，“以满保直”。 4在软硬交替地层和倾斜角过大的地层，要减小钻压，勤划眼，以消除可能出现的“狗腿角” 31.钟摆钻具组合的原理：在钻柱下部适当位置加一扶正器，该扶正器支撑在井壁上，下部钻柱悬空，则要产生一个钟摆力。此钟摆力可使钻头切削井壁的下侧，从而不断降斜。 32.钟摆钻具组合的设计： A B A C B L z 242?+= απsin 2??=m q A r W B ??=04.82 r J E C ???=26.184π2/)(c h d d r ?= 32.钟摆钻具的使用： 1井斜角越大，钟摆力越大，井斜角越小，钟摆力越小。因此该组合多用于井斜角较大的井的纠斜 2该组合对钻压敏感，钻压增加，增斜力增加，钟摆力减小，甚至消失。所以必须严格控制钻压 3井斜角为0或者很小的时候，要保持不斜，只能减小钻压进行“吊打”，而“吊打”钻速很慢，所以除非对直井段要求很高，否则不适用该组合。 4扶正器与井眼间隙对该组合性能影响明显，要及时更换扶正器 33.定向井轨道分类：二维定向井和三维定向井。 二维定向井，轨道都在一个铅垂平面上变化。即只有井斜角变化，无方位角变化 二维定向井分为常规和非常规两类，常规二维定向井井段都是由直线和圆弧构成。 三维定向井可分为绕障定向井和纠偏定向井。 34.轨道类型：三段式、多靶三段式、五段式、双增式 35.三段式设计原理：b t b z kop t ctg S R D D αα++=)2/tan( b b z mw t R D S ααsin )]2/tan([+Δ=36.曲率半径求法： C K R /1719=37造斜概念：由直井段开始钻出一定方位的斜井段。 38.动力钻具：涡轮钻具、蜗杆钻具、电动钻具。 39.动力钻具造斜工具：1.弯接头，动力钻具和钻铤之间，造成不对称切削 2.弯外壳，将动力钻具的外壳做成弯曲形状 3.偏心垫块，在动力钻具壳体的下端一侧加焊一块“垫块” 40.转盘钻造斜工具：1.变向器 2.射流钻头（一个大喷嘴，两个小喷嘴） 3.扶正器组合钻具（增斜、稳斜、降斜组合） 41.装置角ω：高变方向线为始边，顺时针转到装置方向线上所转过的角度 42装置方位角φω：等于装置角+井斜方位角 43.工具面：弯接头的轴线是一条折线，折线构成一个平面。 44.装置角的计算：?ααααγΔ+=cos sin sin cos cos cos 2121 )sin /(sin )cos cos (cos cos 121γααγαω?= 取负值为负值时，ω?ΔC m K /30D γ=Δ 45.图解法 46.反扭角：液流作用于定子，使定子也受到一扭矩，反扭矩将使钻柱有旋转的趋势，但钻柱在井口被锁住，所以只能扭转一定角度，该角度为反扭角。Φn 47.为弥补反扭角的影响，在定向时，需要在原先计算好的装置角上加上此反扭角，称作定向方位角。 Φs=φw+φn 48.求反扭角：试钻一段井眼，求得狗腿角，再求出实际装置角，最后反算反扭角 49.定向方法：地面定向法、井下定向法（工具面的标记方法：定向齿刀法、定向磁铁法、定向键法）。 50水平井：井眼轨迹达到水平以后，井眼继续延伸一定长度的定向井。 第六章 油气井压力控制 1.井控：对地层压力进行控制，防止地层流体进入井眼 2.井眼压力系统：1、地层孔隙压力 2、地层破裂压力 3、钻井液静液柱压力 4、环空循环压降 5、井内波动压力 6、抽汲压力和激动压力 井底有效压力： sb h b sg a h b sg h b sb h b a h b p p p p p p p p p p p p p p p p ?=+Δ+=+=?=Δ+=min max 正常钻进时： 起钻时： 下钻时： 最大井底压力： 最小井底压力： 3.平衡压力钻井：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。 4.欠平衡压力钻井：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。（空气钻井、泡沫钻井、雾化钻井、充气钻井、边喷边钻） 5.溢流：地层流体侵入井内，井口返出的液量大于泵入量或停泵以后井液从井口自动外溢。 6.井喷：地层流体失控喷出地面。 7.地层流体侵入原因：1地层压力掌握不准，钻井液密度设计过低，2地层流体侵入使钻井液密度下降，3起钻时未及时灌泥浆，环空钻井液液柱降低，4起钻过快抽汲取作用过强，5停止循环，环空循环压降引起的附加压力消失。百分之七十的井喷发生在起钻。 8.关井：利用防喷器将井口关闭，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，防止地层流体继续侵入。 9.圈闭压力：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。 10.圈闭压力的释放： 适当开启节流阀，释放40~80升钻井液后，关闭节流阀并观察立管压力变化。 若立管压力无变化或略有增高，表明无圈闭压力。此时记录的立管压力即是关井立管压力。 若立管压力下降，则继续释放钻井液，直到立管压力不再下降。 此时圈闭压力已释放掉，所读取得立管压力就是真实的关井立管压力。 11.气侵的原因： ? 岩石孔隙内的气体随钻碎的岩屑进入井内钻井液 ? 气层中的气体由于浓度差通过泥饼向井内扩散 ? 当井底压力小于地层压力时，气层中的气体大量流入或深入井内 12.硬关井：发现井涌后，在节流阀关闭的情况下关闭防喷器。地层流体侵入最少，但对井口装置产生水击作用，水击波还会反作于整个环空，可能出现上喷下漏。 13.软关井：先打开节流阀，再关防喷器。 14.半软关井：先适当打开节流阀，再关闭防喷器。 15.U 型管原理：关井立管压力+钻柱内静液柱压力=地层压力=关井套压+环空内汽液混合静液柱压力
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