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钻井工程

石油勘探的步骤：

1、确定古代的湖泊和海洋(古盆地)的范围；

2、然后从中查出可能生成石油的深凹陷来；

3、在可能生油的凹陷周围寻找有利于油气聚集的地质圈闭；

4、对评价最好的圈闭进行钻探，查证是否有石油或天然气，并搞清它有多少储量。

探井分类：

参数井：了解一个地区(盆地或凹陷)生油岩和储集岩存在和分布的情况的井；

预探井：了解一个圈闭中是否含有油气和储集岩分布情况的井；

评价井：在预探井发现含油气储集层后，为探明这个圈闭(油气藏)含油气面积和地质储量所

钻的井；

所钻的井。

压力梯度Gh，即单位深度的液柱压力，来表示静液压力随高度或深度的变化。

地层压力PP是指岩石孔隙中的流体所具有的压力，也称地层孔隙压力（formationpore

preure），用PP表示。 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、

骨架应力或颗粒间压力。

上覆岩层压力、地层压力和基岩应力之间的关系是：op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。

异常高压的形成与地质作用、构造作用和沉积速度有关。

（1）沉积物的快速沉降，压实不均匀。

从沉降压实的原理来看，在正常压实的地层，随着深度的增加，岩石越致密，密度

越大，孔隙度越小，强度越高。欠压实地层的岩石密度低，孔隙度大。

（2）水热增压。

（3）渗透作用。

（4）构造作用。

地层压实能否保持平衡，主要取决于四个因素：

（1）上覆岩层沉积速度的大小，

（2）地层渗透率的大小，

（3）孔隙减小的速度，

（4）排出孔隙流体的能力。PP 常用的地层压力预测的方法有:地震法、声波时差法和页岩电阻率法等。依据是地层压实理

论或地层欠压实理论:纵波的传播速度取决于传播介质的密度ρ，密度ρ越大，传播速度Vp

越快。

正常压力地层：H↗→↗，孔隙度↘→VP↗→声波时差Δt↘；

异常高压层：地层欠压实，孔隙度↗，↘→VP↘→Δt↗。

常用的地层压力监测的方法是dc指数法。dc指数法实质上是在机械钻速法基础上发展起来

的。

钻遇异常高压地层：岩石孔隙度突然增大，孔隙压力突然增加，压差减小，机械钻速突然加

快。

压持效应：在在钻进过程中，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。

d（钻压指数，无因次）指数法是在宾汉钻速方程的基础上建立的。影响钻压指数d

的因素有机械钻速（Vpc）、转速（n）、钻压（w）、钻头直径（db）。 d指数与机械钻速也成反比，可用来检测异常高压。在正常地层压力，机械钻速随井深增加

而减小，d指数随井深增加而增大。进入压力过渡带和异常高压地层后，实际的d指数较正

常基线偏小。

d指数法的前提之一是保持泥浆密度不变，为消除钻井液密度的变化对d指数的影响，提出

了修正的d指数法，即dc指数法。

根据dc指数法计算地层压力的方法有两种：直接计算和等效深度法计算。

地层破裂压力的计算：

（一）休伯特和威利斯(Hubbert&Willi)法：3维应力状态计算

（二）马修斯和凯利（Mathew&Kelly）法：选择最小破裂压力等于地层压力，最

大破裂压力等于上覆岩层压力。骨架应力系数Ki是井深的函数，与岩性有关在正常

地层压力情况下，Ki随井深增加而增加。如遇异常高压，地层的压实程度降低，地

层压力增大，则Ki减小。

（三）伊顿（Eaton）法：把上覆岩层压力梯度作为一个变量来考虑，伊顿的泊松比 不是作为岩石本身特性的函数，而是作为区域应力场的函数来考虑。

（四）计算地层破裂压力的新方法：构造应力系数(K)、岩石的抗拉强度（Srt）、破

裂层的泊松比（μ）用“液压实验法”也称漏失实验，可以确定破裂压力。

岩石的构造是指岩石在大范围内的结构特征。

沉积岩：层理和片理。

层理是指沉积岩在垂直方向上岩石成分和结构的变化。

片理是指岩石沿平行平面分裂为薄片的能力，它与岩石的显微结构有关。

影响岩石强度的因素：岩石本身特性（内因）和破碎时的工艺技术因素（外因）。

一般说来，岩石的强度有以下顺序关系：

抗拉

岩石在三轴应力条件下的强度明显增加。其原因：岩石不同于钢铁材料，其内部存在着

大量的微裂纹、裂隙，在围压的作用下，裂纹、裂隙闭和，岩石变得致密，强度增加。裂纹、

裂隙全部闭和后，岩石强度基本稳定；另外，围压会限制岩石的横向变形。 岩石分为脆性岩石（brittlerock）、塑性岩石（platicrock）和塑脆性岩石（brittle-platic

rock）三大类。

用岩石的塑性系数KP作为定量表征岩石塑性及脆性大小的参数。塑性系数为岩石破碎

前耗费的总功AF与岩石破碎前弹性变形功AE的比值。

脆性系数KP=1；塑性岩石，KP=∞。随着围压的增大，岩石表现出从脆性向塑性的转变。

井眼周围地层岩石受力包括上覆岩层压力、岩石内孔隙流体的压力、水平地应力和钻井液液

柱压力。

岩石磨损与之相接触的物体的能力，即岩石磨损钻头切削刃材料的能力称为岩石的研磨性。

岩石可钻性是岩石抵抗破碎的能力。也是钻井时岩石破碎难易程度的具体表现。

岩石的可钻性只能在具体破碎方法和工艺流程下，通过试验来确定的。

钻头类型

按结构及工作原理分类：刮刀钻头、牙轮钻头、PDC钻头、金刚石钻头、TSP钻头

按功用分类：全面钻进钻头、取心钻头、扩眼钻头

刃尖角β 切削角α

刃后角ψ

刃前角φ

刀翼底部形状：平底、正阶梯、反阶梯、反锥。

刮刀钻头主要以切削作用破碎地层。

刮刀钻头破碎脆性岩石的过程为：碰撞→压碎及小剪切→大剪切。

牙轮滑动对破岩的作用:牙轮的超顶和复锥引起的切向滑动剪切掉牙齿之间的岩石。超顶引

起的轴向滑动剪切掉齿圈之间的岩石。

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。

（3）射流的冲蚀作用

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。

。国产牙轮钻头分类方法 （1）按结构分类：Y，P，MP，MPB，HP，HPB，MP，H共8个系列

（2）按地层分类：JR，R，ZR，Z，ZY，Y，JY

1,2，3,4,5，6,7

（3）型号表示方法

IADC分类法

为了消除因钻压变化对扭矩产生的影响，采用比扭矩M。

PDC钻头工作剖面形状：双锥形、浅锥形、抛物线形、B形。

钻柱(DrillingString)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

(SquareKelly)、钻杆(DrillPipe)、钻铤(DrillCollar)、各种接头(Joint)及稳定器

(Stabilizer)等井下工具。

钻柱的作用

(1)提供钻井液流动通道；

(2)给钻头提供钻压；

(3)传递扭距；

(4)起下钻头；

(5)计量井深。

(6)观察和了解井下情况（钻头工作情况、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(Drill-StemTeting),又称中途测试。

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

常用的加厚形式有内加厚(a)、外加厚(b)、内外加厚(c)三种。

钻杆接头类型：内平（IF）、贯眼（FH）、正规（REG），NC系列。

钻柱正常钻进工况下：上部受拉伸，下部受压弯曲；在扭矩作用下旋转运动。

钻柱的旋转运动形式：自转、公转、公转与自转的结合、纵向振动、扭转振动、横向摆振。

钻柱受力最严重的部位：

1）井口断面—拉力最大，扭距最大；

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。

钻柱的受力分析：

（1）自重产生的拉力

（2）钻压产生的压力

（3）钻井液的浮力 （4）摩擦阻力

（5）循环压降产生的附加拉力

（7）起下钻时产生的动载荷

（8）扭距

（9）弯曲应力

（10）离心力

（11）外挤力

（12）振动产生的交变应力

中性点：钻柱上轴向力等于零的点，即钻柱受拉与受压的分解点。

浮重原则：保证在最大钻压时钻杆不承受压缩载荷，即保持中性点始终处在钻铤上。

钻井时用来清洗井底并把岩屑携带到地面、维持钻井操作正常进行的流体称为钻井液或洗井

液。

钻井液的功用

1．携岩

2．冷却和润滑钻头及钻柱

3．造壁，维持井壁稳定

4．控制地层压力 5、悬浮钻屑和加重材料，防止下沉

7。传递水功率

钻井液的组成

（1）液相：液相是钻井液的连续相，水或油。

（2）活性固相：包括人为加入的商业膨润土（般土）、有机膨润土(油基钻井液用)和地层

进入的造浆粘土。

（3）惰性固相：惰性固相是钻屑和加重材料。

（4）各种钻井液添加剂:增粘、稀释、浆失水、PH值、防塌等。

API和IADC把钻井液体系共分为九类，前七类为水基型钻井液，第八类为油基型，最后一

类以气体为基本介质。

（1）不分散体系，膨润土+清水

（2）分散体系，水+膨润土+分散剂（铁络木质素黄酸盐等）

（3）钙处理体系，水基钻井液+钙盐（石灰、石膏、氯化钙）

（4）聚合物体系，水基钻井液+高聚物（聚丙烯酰胺PAM、PHP）

(5）低固相体系，总固相含量6%，10%的水基钻井液。其中，膨润土含量小于3%，钻屑与膨润土的比值小于2∶1。

（6）饱和盐水体系，氯离子含量达189g、L的水基钻井液。

（7）修井完井液体系，水+盐+聚合物等；油基钻井液