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钻井工程设计指导前言一、钻井设备二、井身结构设计三、钻具组合设计四、钻井液设计五、钻井参数六、油气井压力控制七、固井设计前言钻井是石油、天然气勘探与开发的主要手段。
钻井工程质量的优劣和钻井速度的快慢，直接关系到钻井成本的高低，油田勘探开发的综合经济效益及石油工业发展速度。
钻井程设计是钻井施工作业必须遵循的原则，是组织钻井生产和技术协作的基础，搞好单井预算和决算的唯一依据。
钻井设计的科学性，先进性关系到一口井作业的成败和效益。
科学钻井水平的提高，在一定程度上依靠钻井设计水平的提高。
搞好钻井工程设计也是提高技术管理和加强企业管理水平的一项重要措施，是钻井生产实现科学化管理的前提。
钻井工程设计应包括以下方面的内容：1.地面井位的选择及钻井设备的确定；2.井身结构的确定；3.钻柱设计与下部钻具的组合；4.钻井参数设计；5.钻井液设计；6.油气井压力控制；7.固井设计；一钻井设备(一) 钻进设备的选择钻井设备可以按设计及分类细分为若干部件系统。
这些系统可分为：1.动力系统；2.起升系统；3.井架及井架底座；4.转盘；5.循环系统；6.压力控制系统。
这些系统是选择钻井设备的基础。
钻井设备的选择主要依据钻机类型，地表条件及钻井设计所确定的最大载荷而定。
(二) 钻井设备选择实例表1-1是大庆地区45110钻井队芳深三井的钻进设备记录。
二井身结构设计(一) 井身结构确定的原则1.能有效的保护油气层，使不同压力梯度的油气层不受泥浆污染损害。
2.应避免漏、喷、塌卡等情况发生，为全井顺利钻进创造条件，使钻井周期最短。
3.钻下部高压地层时所用的较高密度泥浆产生的液柱压力，不致压裂上一层管鞋处薄弱的露地层。
4.下套管过程中，井内泥浆液柱压力之间的压差，不致产生压差卡套管事故。
(二) 井身结构设计步骤1.根据地区特点和井的自身条件，确定在保证工程需要的条件下应下几层套管，做出井身结构设计图。
2.确定套管尺及相应钻头尺寸。
3.确定各层套管的下入深度。
倒装钟摆钻具组合设计方法倒装钟摆钻具是一种常用于岩层钻探的工具，它通过在井口设置钻台和旋挖台，使得钻杆能够下垂到井底。
倒装钟摆钻具和常规钻具相比，具有更广泛的适用性和更高的效率。
在设计倒装钟摆钻具组合时，需要考虑多种因素，包括井口状况、岩层性质和钻具性能等。
1.井口状况分析：首先需要对井口进行详细的调查和分析，包括井口尺寸、地形条件、井口设备和周围环境等。
这些信息对于确定钻台和旋挖台的位置和大小至关重要。
2.岩层性质分析：了解岩层性质对倒装钟摆钻具组合设计至关重要。
岩层的硬度、厚度和稳定性等因素都会影响钻具的选择和设计。
3.钻具选择和设计：根据井口状况和岩层性质，选择适当的钻具。
常用的倒装钟摆钻具包括钻台、旋挖台、钻杆、套管和钻头等。
钻具的尺寸、材质和刚度需要根据实际情况进行选择和设计。
4.钻井液设计：钻井液在倒装钟摆钻具组合中起着重要的作用。
它不仅需要提供足够的冲刷和冷却能力，还需要保持井底稳定。
钻井液的密度、粘度和循环能力等参数需要根据岩层性质和井口状况进行合理的设计。
5.施工方案设计：根据倒装钟摆钻具组合的设计，制定详细的施工方案。
包括实施步骤、操作流程、作业参数和安全措施等。
确保施工按照设计要求进行，达到预期的钻井效果。
6.检测和调整：在施工过程中需要进行实时的监测和调整。
监测包括各种参数的记录和分析，如钻杆下垂、钻进速度和钻头进度等。
根据监测结果进行必要的调整，保证施工的顺利进行。
7.结束和总结：施工结束后，对整个倒装钟摆钻具组合的设计和施工进行总结和评估。
分析施工中的问题和不足，并提出改进意见。
这些经验和教训对于今后的倒装钟摆钻具组合设计具有重要的参考价值。
综上所述，倒装钟摆钻具组合的设计方法包括井口状况分析、岩层性质分析、钻具选择和设计、钻井液设计、施工方案设计、检测和调整以及结束和总结。
这些步骤相互关联，需要综合考虑各种因素，以确保倒装钟摆钻具组合能够在复杂的工况下有效地进行钻探作业。
一、直井下部钻具组合设计方法(一)钻铤尺寸及重量的确定1.钻铤尺寸的确定(1)为保证套管能顺利下入井内，钻柱中最下段（一般不应少于一立柱）钻铤应有足够大的外径，推荐按表1选配。
表1：与钻头直径对应的推荐钻铤外径钻头直径钻铤外径142.9～152.4 104.7～120.6158.8～171.4 120.6，127.0190.5～200.0 127.0～158.8212.7～222.2 158.8～171.4241.3～250.8 177.8～203.2269.9 177.8～228.6311.2 228.6～254.0374.6 228.6～254.0444.5 228.6～279.4508.0～660.4 254.0～279.4(2)钻铤柱中最大钻铤外径应保证在打捞作业中能够套铣。
(3)在大于190.5mm的井眼中,应采用复合(塔式)钻铤结构(包括加重钻杆)，相邻两段钻铤的外径差一般不应大于25.4mm。
最上一段钻铤的外径不应小于所连接的钻杆接头外径。
每段长度不应少于一立柱。
(4)钻具组合的刚度应大于所下套管的刚度。
2.钻铤重量的确定：根据设计的最大钻压计算确定所需钻铤的总重量,然后确定各种尺寸钻铤的长度,以确保中性点始终处于钻铤柱上，所需钻铤的总重量可按式(1)计算：Wc= PmaxKs/K f (1)其中：K f=1-ρm/ρs式中：Wc——所需钻铤的总重力，kN；Pmax——设计的最大钻压，kN；Ks——安全系数，一般条件下取1.25，当钻铤柱中加钻具减振器时，取1.15；K f——钻井液浮力减轻系数；ρm——钻井液密度，g/cm3；ρs——钻铤钢材密度，g/cm3。
(二)钟摆钻具组合设计1.无稳定器钟摆钻具组合设计：为了获得较大的钟摆降斜力,最下端1～2柱钻铤应尽可能采用大尺寸厚壁钻铤。
2.单稳定器钟摆钻具组合设计(1)稳定器安放高度的设计原则：a.在保证稳定器以下钻铤在纵横载荷作用下产生弯曲变形的最大挠度处不与井壁接触的前提下,尽可能高地安放稳定器。
常用打捞工具操作使用方法一、公锥公锥是钻具、油管的水眼打捞工具（内部打捞工具），公锥是一次性打捞工具，因为在造扣和卸开时可能会受损伤。
特点：造扣面积小，容易造进扣；直径小，易断裂；水眼小，不能进行爆炸松扣、浴井等作业。
公锥的规格是根据钻具水眼的尺寸设计和制造的，常用的规格有：27/8''、31/'、41/'、5"、5%、、6%"等。
公锥的锥度通常是1:16,也有1:20、1:24,、1:32的。
锥度小，造进的扣数多；在落鱼比较轻的情况下，可以加工成1:12的锥度。
操作使用方法：1、钻具组合：公锥+安全接头+钻杆。
3/2、、以下的钻杆要接钻铤。
2、测量、会草图。
3、计算鱼顶方入和造扣方入。
4、冲洗鱼顶，探鱼顶，根据泵压判断公锥是否插进水眼。
5、停泵造扣，开始加压10KN左右，转1〜2圈引扣，再逐渐增加造扣扭矩及钻压。
41/2'以上的公锥一般加压30〜40KN ,有效造进6〜8扣以后才上提钻具。
在公锥小、井眼大、无钻铤的情况下，要控制造扣钻压。
6、捞住落鱼以后，试开泵，观察水眼是否畅通。
上提3〜5m猛刹2〜3次，证实捞稳方可起钻。
注意事项1、下车、搬运和上扣时防止碰撞，用液气打钳紧扣，控制扭矩，不宜过紧。
2、造扣时加压不得过多，在大井眼和大斜度井内加压后，要控制扭矩，防止公锥折断。
3、可以短期循环，起钻控制速度，不允许转动转盘。
4、起出井口时防止挂断，不允许在井口卸公锥。
二、大头公锥大头公锥是钻具的丝扣打捞工具（内部打捞工具），在打捞丝扣完好的情况下可以再次使用。
其型号与钻具的扣型相同，锥度与同扣型的接头锥度一样（内平扣1:6,贯眼扣1:4）。
特点：强度高，不会折断，与丝扣接触的锥面同时造扣，牢靠（造扣很紧），不易滑扣，可接震击器；水眼比较大，便于测卡、爆炸松扣。
要损坏钻具丝扣。
操作使用方法：1、钻具组合：大头公锥+安全接头+钻杆。
3%、、以下的钻杆要接钻铤。
水平定向钻进和导向钻进施工法水平定向钻进施工法最初是从事又钻进技术引入的，主要用于穿越河流、湖泊、建筑物等障碍物，铺设大口径、长距离的石油和天然气管道。
定向钻进施工时，按设计的钻孔轨迹，于扩空钻头的代铺设管线，在回拉扩空的同时，将待铺设的管线拉入钻孔，完成铺管作业。
有时根据钻机的能力和待铺设管线的直径大小，可先专门进行一次或多次扩孔后再回拉管线。
在定向钻中，大多数工作是通过回转钻杆柱来完成的，钻机的扭矩与轴向给进力和回拉力同样重要。
水平定向钻进铺管在美国使用最多。
美国按照钻机铺设管线的直径和长度能力，将用于非开挖铺管的定向钻机分为三类，即小型(Mini)、中型(Midi)和大型(Maxi)。
各类设备的能力和应用范围见表4-1。
大致和定向钻进相同，即先钻一个小口径的先导孔，随后边扩孔边回拉铺设地下管线。
由于小型钻机的钻孔轨迹量测、控制技术与大中型钻机的不一样。
因此，国际上通用的分类方法将采用小型定向钻及施工的方法称之为“导向钻进”。
“导向钻进”一般是指用于铺设小治警、长度较短的管线；而将采用大中型定向钻及施工的方法称之为“定向钻进”。
对于大型工程，直径较大（有些直径大于1m）的管线施工则属于“定向钻进”这一范畴，如穿越较大的河流、运河和高速公路施工。
水平定向钻进河导向钻进技术在铺设新管线中所占有的市场比例在不断的增加。
最近几年，设备的能力得到了改进，非开挖铺设新馆显得有点也越来越被广泛地重视。
非开挖施工除了明显的环境上的优点外，导向钻进的相对成本在许多应用场合也讲到开挖施工的成本一下，即是忽略干扰交通等社会成本也是如此。
水平定向钻和导向钻进的优点为：对地表的干扰较小；施工速度快；可控制铺管方向，施工精度高。
定向钻进的不足之处在于对施工场地要求较大，在非粘性土层和砾石层中施工比较困难，一般是用于不含大卵石的各种地层，包括含水地层。
导向钻进不适用于砂层和砾石层，一般适用于软土层；由于受到探测器的探测深度的限制，导向钻进的深度有限。
一、直井下部钻具组合设计方法（一）钻铤尺寸及重量的确定1.钻铤尺寸的确定（1）为保证套管能顺利下入井内，钻柱中最下段（一般不应少于一立柱）钻铤应有足够大的外径，推荐按表1选配。
表1:与钻头直径对应的推荐钻铤外径（2）钻铤柱中最大钻铤外径应保证在打捞作业中能够套铣。
⑶ 在大于190.5mm的井眼中，应采用复合（塔式）钻铤结构（包括加重钻杆），相邻两段钻铤的外径差一般不应大于25.4mm最上一段钻铤的外径不应小于所连接的钻杆接头外径。
每段长度不应少于一立柱。
（4）钻具组合的刚度应大于所下套管的刚度。
2.钻铤重量的确定：根据设计的最大钻压计算确定所需钻铤的总重量,然后确定各种尺寸钻铤的长度，以确保中性点始终处于钻铤柱上，所需钻铤的总重量可按式（1）计算:Wc= Pm axKs/K 其中:(1)K = 1- P m/ p s式中：Wc所需钻铤的总重力，kN;Pma——设计的最大钻压，kN;Ks——安全系数，一般条件下取，当钻铤柱中加钻具减振器时, 取;Kf——钻井液浮力减轻系数;P m -- 钻井液密度，g/cm3；P s -- 钻铤钢材密度，g/cm3。
( 二 ) 钟摆钻具组合设计1. 无稳定器钟摆钻具组合设计：为了获得较大的钟摆降斜力 , 最下端1〜2柱钻铤应尽可能采用大尺寸厚壁钻铤。
2.单稳定器钟摆钻具组合设计(1) 稳定器安放高度的设计原则：a. 在保证稳定器以下钻铤在纵横载荷作用下产生弯曲变形的最大挠度处不与井壁接触的前提下 , 尽可能高地安放稳定器。
b. 在使用牙轮钻头、钻铤尺寸小，井斜角大时，应低于理论高度安放稳定器。
(2) 当稳定器以下采用同尺寸钻铤时 , 可用式(2) 计算稳定器的理论安放高度：Ls={[-b+ （b2-4ac ）1/2 ]/2a} 1/2其中：2)b=+r)2式中：Ls――稳定器的理论安放高度，mP --- 钻压，kN;e ――稳定器与井眼间的间隙值，即稳定器外径与钻头直径差值 之半， m ；r ――钻铤与井眼间的间隙值，即井眼直径与钻铤外径的差值之 半，mq ——单位长度钻铤在钻井液中的重力，kN/m;a -- 井斜角，(°)El ――钻铤的抗弯刚度，kN - m 。
(3) 稳定器的实际安放高度一般在计算的理论高度的 90%以内。
a. 根据实际钻铤单根长度确定的长钟摆钻具组合 , 应用式 (3) 、 (4) 分别计算使用这种组合在钻压一定时的允许最大井斜角a max 和井斜角一定时的允许最大钻压 Pmax ： a max =arcsin[ n 2EI (n 2qL 4) +r) 2(n 2qL 4)] P max =[ n 2EI184.6L式中：L ——稳定器的实际安放高度， mb. 当稳定器与井眼间的间隙 e 值趋于零时 , 式(3) 、式( 4)可分 别简化为；224a max =arcsin[ (n rEI —) / n qL] • (5)（ 三 ） 多稳定器钟摆钻具组合设计： 多稳定器钟摆钻具组合是在单 稳定器钟摆组合的稳定器上 , 每间隔一定长度 （一般是单根钻铤 ）(3)(4)P max= (n 2rEI —n 2qL4sin a) / (6)再安放1~ 3只稳定器。
3.钻具减振器安放位置（1）钻具减振器的安放位置应尽量靠近接头。
（2）在钟摆钻具组合中 , 钻具减振器一般应直接安放在钻头之上。
4.钻具震击器安放位置（1）为防止震击器早期损坏 , 不得将震击器安放在中性点附近。
（2）钻具震击器安放在钻柱受拉部位 , 推荐在轴向应力零点以上的 1 个立柱。
三、定向井下部钻具组合设计方法（一）钻铤尺寸及重量的确定：1.钻铤尺寸的确定（1）在斜井段使用的最下一段（应大于27m钻铤的刚度应适用于设计的井眼曲率。
(2)入井的下部钻具组合中，钻铤的外径应能满足打捞作业。
(3)钻头直径与相应钻铤尺寸范围的要求见表1。
表1:钻头直径与相应的钻铤尺寸 mm(in)2.无磁钻铤安放位置及长度的确定(略)3.钻铤重量的确定(1)常规定向井中钻铤重量的确定：根据设计的最大钻压，确定所需钻铤的总重量， 再确定钻铤尺寸和长度。
所需钻铤在空气中的总 重量按式（ 1）计算：G=pk/fcos a 式中：Gi ――所需钻铤在空气中的总重量，kN;p -- 设计的最大钻压，kN;k ——安全系数，可取〜;f ——钻井液浮力校正系数；a 井斜角，（°）。
（2） 深定向井及难度较大定向井中钻铤重量的确定：为了减少钻 柱的扭矩、 摩擦阻力以及高密度钻井液造成粘附卡钻的可能性， 可采 取加重钻杆、 普通钻杆和铝合金钻杆代替钻铤加钻压， 但应进行稳定 性分析计算。
钻杆开始弯曲时的临界压缩载荷按式（ 2）计算：式中：E 弹性模量可取X 1011N/ ,N/ m^;1）F max =2 (p Asin a / 丫)1/2(2)F max钻杆开始弯曲时的临界压缩载荷， KN;——钻井液浮力校正系数；I――管材的轴惯性矩，m 4P――管材密度，1/m 3A --- 管材横截面积，mm 2 a――井斜角，（°）丫钻杆与井眼间的间隙值，mm。
钻杆稳定性设计所需的条件按式（3）计算:F max> p-WcOSa3）式中:p -- 设计的最大钻压，kN;下部钻具组合钻杆以下钻铤的浮重，kN;应用式（ 2）和式（ 3）确定钻铤、加重钻杆、普通钻杆和铝合金钻杆重量。
（二）螺杆钻具定向井造斜钻具组合的设计 1. 螺杆钻具有以下四种基本型式:弯接头式、单弯壳体式、同向双弯壳体式、异向双弯壳体式。
2.弯接头度数的确定：使用井下动力钻具定向造斜时，弯接头度数的确定根据井眼轨迹所需造斜率结合该区的地层造斜特性、钻井参数等因素综合考虑。
表3、4仅供参考。
3.钻井队一般配备。
、1 等五种规格的弯接头。
4.钻头与井底动力钻具之间，一般不能加配合接头。
表3:螺杆钻具预计造斜率（弯接头式）表4:螺杆钻具预计造斜率(弯壳体式弯接头角井径造斜造斜井径造斜mm(in)(6 3/4mm100mmm(in)100m (in)100m(63/4(97/8)(105/8)（三）转盘钻增斜钻具组合:1.转盘钻增斜钻具按增斜能力的大小分为强增中等增斜、弱增斜三种组合，基本尺寸要求见表 5。
在定向井钻井中，一般应设计多稳定器组合。
单稳定器组合在井斜较小（小于30°）时，井眼方位稳定性差；在稳斜组合中，降斜率较大，不易稳斜。
表5:转盘钻增斜钻具组合稳定器安放高度2.稳定器组合的受力及安放高度的计算，推荐采用纵横弯曲连续梁法计算，也可采用有限单元法计算。
每一口井的钻具组合计算，应采用同一个计算机程序。
3.调整钻头侧向力的一般方法:(1)改变近钻头稳定器与钻头之间的距离(L i);(2)改变稳定器之间的距离或钻铤尺寸;(3)改变钻压;(4)调整稳定器与井壁的间隙。
（四）一般定向井队应配备1.5 m、2 m两种规格的短钻铤。
（五）为获得较高的侧向力，近钻头稳定器与钻头之间应有一定距离。
（六）用单稳定器组合钻进的井眼，若需下入多稳定器组合，必须逐渐增加稳定器的个数进行扩划眼。
（七）多稳定器组合钻进时，蹩劲较大，起钻时易遇阻，操作时一定要小心，最好除近钻头稳定器外，其它均采用变径稳定器。
四、转盘钻稳斜钻具组合：（一）转盘钻稳斜钻具组合按稳斜能力大小所分为强稳斜，中等稳斜、弱稳斜组合三种基本型式，基本尺寸要求见表 6，一般地说，只要安放距离合适，稳定器越多，稳斜能力越强，稳定器越少降斜就越大。
（二）设计稳斜钻具组合主要是尽可能减少钻头上的侧向力，使井眼曲率无大的变化。
（三）在硬地层或研磨性地层中稳斜钻进时，如果扭矩过大或钻头与稳定器的直径磨损严重，可把螺旋稳定器换成滚轮稳定器。
表 6：转盘钻稳斜钻具组合稳定器安放高度（四）长井段及大井斜角井段中稳斜钻进时，应采用弱增斜钻具组合（即增加近钻头稳定器与中稳定器之间的距离）钻进，以平衡钟摆降斜力，达到长井段稳斜的目的。
（五）为加强稳斜效果，可将近钻头稳定器串联使用。
（六）可采用井底动力钻具带稳斜组合稳斜钻进。
（七）每套稳斜钻具组合的稳斜效果分析至少应在钻进两个组合长度后才可确定。
一般多稳定器稳斜组合可控制井斜变化率在士/100m范围内。
五、转盘钻降斜钻具组合:（一）按降斜能力分为强降斜、弱降斜两种基本型式，基本尺寸要求见表7表7:转盘钻降斜钻具组合稳定器安放高度（二）设计降斜钻具主要是保证稳定器以下的钻柱在所施加的钻压下，不与井壁接触，以获得降斜力，达到降斜的目的。
（三）调整侧向力的方法:1.调整稳定器以下钻具长度和重量;2. 调节稳定器的直径；3. 调整钻压。
（四）在井斜角小于30°或井径大于 311.2mm 时，一般采用单稳定器强降斜组合。
（五）在井斜角大于30°或井径大于311.2mm时，一般采用双稳定器强降斜组合。
这样可使井眼轨迹变化较平缓。
（六）如采用钟摆钻具降斜效果不好时，可采用井底动力钻具强力降斜。
六、稳定器的要求：（一）定向井稳定器的选择：在软地层中，一般选用支撑面较宽，扶正条较长、过水断面积较大的三螺旋稳定器，在硬地层中应选用支撑面较窄、扶正条较短的螺旋稳定器。
（二）稳定器与钻头的直径差值：一般近钻头稳定器的外径磨损不大于2mm第二个稳定器外径磨损不大于 4mm其它稳定器外径磨损不大于6mm在不同的钻井工艺条件下，上述差值可稍有变化。
七、随钻震击器的安放位置：（一）随钻震击器上部的钻柱外径，应不大于随钻震击器的外径。
在保证震击器正常工作条件下，尽可能靠近下部钻具组合。
而其上部应有小尺寸钻铤提供震击力。
（二）随钻震击器如果安放在钻铤之上，应在震击器上部再加 3〜5 柱加重钻杆。
