石油工程Ⅲ复习资料讲解.docx

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石油工程Ⅲ复习资料讲解

第一章

静液压力：

由液柱自身的重力所引起的压力,其大小与液体的密度与液柱的垂直高度或深度。

上覆岩层压力：

地层某处的上覆岩层压力是该处以上地层（包括岩石基质和岩石孔隙中流体）总重力所产生的压力。

地层压力：

指岩石孔隙中的流体所具有的压力，也称地层孔隙压力，用pp表示。

基岩应力：

由岩石颗粒间相互接触支撑的那一部分上覆岩层压力，称为基岩应力，亦称有效上覆岩层压力、骨架应力或颗粒间压力，用σ表示。

地层破裂压力：

在井中一定深度处的地层，其承受压力的能力是有限的，当压力达到某一值时会使地层破裂，这个压力称为地层的破裂压力pf。

声波时差法基本原理

在正常压力层段，随着地层埋藏深度的增加，岩石孔隙度减小，密度增大，逐渐减小。

在半对数坐标中，声波时差随井深呈直线变化关系，称之为正常趋势线。

正常沉积条件下，泥页岩的孔隙度随深度的变化规律为：

Δt＝Δt0e-cD进入异常高压地层时，由于岩层欠压实，孔隙度相对增大，声波时差相对增大，则必偏离正常压力趋势线。

据此可预测异常高压，并可根据偏离程度的大小定量计算地层压力。

声波时差法步骤

1.收集声波时差测井资料，读取泥页岩点的声波时差数据；

2.绘制散点图，引出正常压力趋势线；

3.读出异常高压层段的实际Δt和该深度D所对应的正常趋势

线上的声波时差Δtn，计算Δt-Δtn；

4.从经验图版上读出Δt-Δtn所对应的当量密度ρp；

5.计算地层压力：

pp=0.00981ρpD

试述dc指数法预测地层压力的基本原理P14第3段

dc指数法评价地层压力的步骤

1.收集泥页岩地层的正常压力和异常压力层段的钻井资料：

钻速、钻压、转速、钻头直径、地层水密度、实际钻井液密度；

2.计算dc指数；

3.在半对数坐标中绘制散点图，求出正常dc趋势线；

4.计算地层压力,做出曲线，读出结果。

岩石可钻性：

岩石破碎的难易性，它反映了是岩石抵抗钻头破碎的能力。

岩石的研磨性：

岩石磨损钻头切削刃材料的能力。

强度：

岩石在外力作用下发生破坏时的最大应力。

抗拉强度：

岩石单纯受拉伸应力作用时的强度。

抗压强度：

岩石单纯受压缩应力力作用时的强度。

抗剪强度：

岩石单纯受剪切应力作用时的强度

抗弯强度：

岩石单纯受弯曲应力作用时的强度。

岩石抗压强度：

岩石抵抗外力压缩的能力,大小等于在岩样上施加轴向压缩载荷直至破坏时单位面积上的载荷。

硬度：

岩石抵抗其它物体表面压入的能力。

硬度与抗压强度区别：

硬度是岩石表面的局部抵抗外力压入的能力，抗压强度则是岩石整体抗压的能力。

常规三轴试验一般规律：

a.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。

b.随着围压的增大，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。

c.在各向均匀压缩状态下，岩石永远不会破坏。

第二章

刃尖角β：

刀翼尖端前后刃之间的夹角。

它反映了刀翼的尖锐程度。

β越小，刃部越尖锐，越容易吃入地层，但强度越低。

一般:

软地层β=8～10°；硬地层β=12°～15°

切削角α：

刀翼前刃和水平面之间的夹角。

在相同钻压下，α越大，刀刃越容易吃入地层，

但旋转扭矩大，剪切刃前岩石困难。

一般:

松软地层α＝70°软地层α＝70～80°；中硬地层α＝80～85°

刃后角ψ＝α-β：

刃后角必须大于井底角θ。

刃前角φ：

φ＝90°－α。

刮刀钻头的工作原理

刮刀钻头主要以切削作用破碎地层。

破碎塑性岩石过程：

在钻压W作用下，刀翼容易吃入地层；刃前岩石在扭转力T的作用下不断产生塑性流动。

这和车刀切削软金属过程类似。

破碎脆性岩石过程：

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。

（1）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，碰撞刃前岩石。

（2）压碎及小剪切：

扭转力增大，压碎刃前岩石，产生小剪切破坏。

（3）大剪切：

扭转力继续增大到某一极限值，刃前岩石沿剪切面破碎，而后扭转力突然减小。

牙轮钻头工作原理

（1）牙轮钻头在井底的运动

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。

滑动：

牙轮齿相对于井底的滑移，包括径向（轴向）和切向（周向）滑动。

引起滑动的原因：

①超顶和复锥引起切向（周向）滑动

②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，使钻头做上下往复运动。

引起纵向振动的原因：

①单、双齿交替接触井底，使牙轮中心上下波动；

②井底凹凸不平

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。

（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。

中性点：

钻柱上轴向力等于零的点（Ｎ点）（亦称中和点，NeutralPoint）。

垂直井眼中钻柱的中性点高度：

式中：

LN—中性点距井底的高度，m。

重要意义：

1）设计钻柱时要确保中性点始终落在钻铤上？

2）指导松扣、造扣等特殊作业。

3）中性点附近钻柱受交变应力作用，易疲劳破坏。

强度较核

（1）抗外挤强度较核：

式中:

Pac──最大安全外挤载荷,MPa；

Pc──钻杆的最小抗挤压力，MPa；

Sc──安全系数，一般应不小于1.125。

（2）抗扭强度较核：

式中：

M-钻杆承受的扭矩,kN·m；

P-使钻柱旋转所需的功率，kW；

n-转速，rpm。

（3）抗内压强度较核：

不同尺寸、钢级和级别的钻杆的最小抗内压力可在APIRP7G标准中查得，用适当的安全系数去除它，即得其许用净内压力.

典型钻柱的设计举例P97

第四章

门限钻压M：

牙齿开始吃入地层时的钻压,其值的大小主要取决于岩层性质,并具有较强的地区性。

转速指数λ：

一般小于1，数值大小主要与岩层性质有关。

极软地层λ≈1，随着岩石硬度增大，λ值减小。

影响钻速的主要因素及钻速方程

1.钻压对钻速的影响：

钻压（W）与钻速（Vpc）的定量关系

2.转速对钻速的影响：

钻速随转速的增大而增大，并呈指数关系变化。

3.牙齿磨损对钻速的影响：

随着钻头牙齿的磨损，钻速下降。

4.水力因素对钻速的影响

（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。

（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。

5.钻井液性能对钻速的影响

（1）钻井液密度对钻速的影响：

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。

此现象称为压持效应。

（2）钻井液粘度对钻速的影响

钻井液粘度增大，将会增大环空压降，使井底压差增大，钻速降低；

钻井液粘度增大，钻柱内压耗增大，在泵压一定时钻头压降减小，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）钻井液分散性对钻速的影响

分散性钻井液比不分散性钻井液的钻速低；钻井液中小于1μm的固体颗粒越多，对钻速的影响越大。

五点钻速法：

P133、135

M和λ的确定——五点法钻速试验

（1）基本思路

保持钻压和钻速方程中的其它参数恒定，采用两种转速Nmin、Nmax钻进同一地层，可得到两个不同钻速值Vpcmin、Vpcmax，代入钻速方程，联立求解转速指数λ。

保持转速和钻速方程中的其它参数恒定，采用两种钻压Wmin、Wmax钻进同一地层，可得到两个不同钻速值Vpcmin、Vpcmax，代入钻速方程，联立求解门限钻压M。

J的物理意义：

牙齿磨损量h=0（新钻头）时的初始钻速。

S的物理意义：

牙齿磨损量h=0时牙齿的初始磨速。

它的倒数相当于不考虑牙齿磨损影响时的钻头理论寿命。

E的物理意义：

考虑牙齿磨损对钻速和牙齿磨损速度影响后的进尺系数。

它是牙齿最终磨损量的函数。

J/S的物理意义：

不考虑牙齿磨损影响时的理论进尺。

提高钻头水力参数的主要途径

1.提高泵压ps和泵功率Ps

2.降低循环压耗系数Kl

（1）使用低密度钻井液

（2）减小钻井液粘度

（3）适当增大管路直径

3.增大钻头压降系数Kb

唯一有效的途径是减小喷嘴直径。

4.优选排量Q

射流：

指通过管嘴或孔口过水断面周界不与固体壁接触的液流。

射流对井底的清洗作用

（1）射流的冲击压力作用

射流撞击井底后形成的冲击压力极不均匀。

极不均匀的冲击压力使岩屑受到一个翻转力矩，从而离开井底。

（2）漫流的横推作用

射流撞击井底后形成的漫流是一层很薄的高速液流（漫流），对井底岩屑产生一个横向推力，使其离开原来的位置。

漫流：

射流冲到井底后形成的沿井底的横向流动。

射流的基本原理：

P145

计算：

P155-160公式，p3设计举例

第五章

井眼轨道：

一口井开钻之前，预先设计的井眼轴线形状。

井斜角（α）：

指井眼方向线与重力线之间的夹角。

单位为度（°）。

井斜方位角φ（井眼方位角、方位角）：

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。

满眼钻具、钟摆钻具组合定义：

满眼钻具基本原理：

增大下部钻具组合的尺寸和刚度，近似“填满井眼”，防止钻柱弯曲和倾斜。

钟摆钻具组合的原理（图）

在下部钻柱的适当位置安装一个扶正器，当发生井斜时，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象一个钟摆，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。

井眼轨迹设计：

P188

不同轨道类型的关键参数计算

造斜段井眼曲率半径R的计算公式：

Kc的单位是（°/30m），R（m）。

（1）三段式

a给定Dt、St、q0、Dkop、Kz时，计算αb、ΔDmw；

De=Dt-Dkop

Se=St

Re=Rz

ΔDmw=（De2+Se2-2·Re·Se）0.5

αb=2·arctan[（De-ΔDmw）/（2·Re-Se）]

b给定Dt、St、q0、Dkop、αb时，计算Kz、ΔDmw；

Rz=（Dt-Dkop-St/tanαb）/[tan（αb/2）]

Kz=1719/Rz

ΔDmw=（Dt-Dkop-Rz·sinαb）/cosαb

c给定Dt、St、q0、Kz、αb时，计算Dkop、ΔDmw；

Dkop=Dt-St/tanαb-Rz·tan（αb/2）

ΔDmw=（Dt-Dkop-Rz·sinαb）/cosαb

装置角：

以高边方向线为始边，顺时针旋转到装置方向线上所转过的角度，称为造斜工具的装置角。

用ω表示。

第六章

溢流（又称为井涌、静侵）：

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。

关井方式

1、硬关井

发生溢流后，在节流阀关闭的情况下关闭防喷器。

优点：

关井程序简单，时间短，地层流体侵入量少。

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破裂压力。

2、软关井

发生溢流后，先打开节流阀，然后关闭防喷器，再关闭节流阀。

优点：

可避免“水击”现象。

缺点：

关井程序较复杂，时间长，地层流体侵入量较大。

3、半软关井

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。

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。

压井钻井液密度设计：

地层压力和所需钻井液密度的计算

地层压力：

压井钻井液密度：

司钻法和工程师法区别：

1）二次循环压井法（司钻法）

发现溢流关井后，先用原钻井液循环一周排除井内受污染钻井液。

然后用配制好的重钻井液进行第二次循环，建立地层----井眼系统的压力平衡。

2）一次循环压井法（工程师法，等待加重法）

关井等侯配制压井重钻井液，然后开启节流阀并开泵注入压井液；在一个循环周内用重泥浆将原来钻井液替出，恢复地层----井眼系统的压力平衡。

工程师法适用于井口装置承压及地层破裂压力较低的情况；司钻法适用于井下易卡钻的情况。

第七章

1、对完井的要求

（1）最大限度地保护储集层，防止对储集层造成伤害。

（2）减少油气流进入井筒时的流动阻力。

（3）有效地封隔油气水层，防止各层之间的互相干扰。

（4）克服井塌或产层出砂，保障油气井长期稳产，延长井的寿命。

（5）可以实施注水、压裂、酸化等增产措施。

（6）工艺简单、成本低。

2、完井井底结构因素：

P287

水平位移Ｓ（平移）：

轨迹上某点至井口所在铅垂线的距离.

水泥浆的稠化时间：

水泥浆从配制开始到其稠度达到其规定值所用的时间。

裸眼完井：

指完井时井底的储集层是裸露的，只在储集层以上用套管封固的完井方法。

射孔完井：

指下入油层套管封固产层后再用射孔弹将套管、水泥环、部分产层射穿，形成油气流通道的完井方法。

某井设计井深为4400m，地层孔隙压力梯度和地层破裂压力梯度剖面如图7-2。

给定设计系数：

Sb=0.036；Sg=0.04；Sk=0.06；Sf=0.03；△pA=18MPa；△pN=12MPa，试进行该井的井身结构设计。

P254

例题：

某井177.8mm（7英寸）油层套管下至3500m，下套管时的钻井液密度为1.30g/cm3，水泥返至2800m，预计井内最大内压力35MPa，试设计该套管柱（规定最小段长500m）。

（p8）

解：

规定的安全系数：

Sc=1.0，Si=1.1，St=1.8。

①计算最大内压力，筛选符合抗内压要求的套管

抗内压强度≥Pimax×Si=38500kPa

筛选套管：

C-75，L-80，N-80，C-90，C-95，P-110。

按成本排序：

N-80

注水泥的基本要求：

（l）水泥浆返高和套管内水泥塞高度必须符合设计要求；

（2）注水泥井段环形空间内的钻井液全部被水泥浆替走，不存在残留现象；

（3）水泥石与套管及井壁岩石有足够的胶结强度，能经受住酸化压裂及下井管柱的冲击；

（4）水泥凝固后管外不冒油、气、水，环空内各种压力体系不能互窜；

（5）水泥石能经受油、气、水长期的侵蚀。

四、提高注水泥质量的措施

1、对注水泥质量的基本要求

（l）对固井质量的基本要求

水泥浆返高和水泥塞高度必须符合设计要求；

注水泥井段环空内的钻井液顶替干净；

水泥石与套管及井壁岩石胶结良好；

水泥凝固后管外不冒油、气、水，不互窜；

水泥石能经受油、气、水长期的侵蚀。

（2）在固井中常出现的固井质量问题

井口有冒油、气、水的现象。

不能有效地封隔各种层位，开采时各种压力互窜。

因固结质量不良在生产中引起套管变形，使井报废等。

2、影响注水泥质量的因素

（1）顶替效率低，产生窜槽。

注水泥段：

注水泥段任一截面：

窜槽：

由于水泥浆不能将环空中的钻井液完全替走，而使环形空间局部出现未被水泥浆封固住的这种现象。

形成窜槽的原因：

套管不居中；井眼不规则；水泥浆性能及顶替措施不当。

接触时间、顶替速度及流态、水泥浆流变性等。

（2）水泥浆凝结过程中油气水上窜

引起油气水上窜的原因：

①水泥浆失重：

水泥浆柱在凝结过程中对其下部或地层所作用的压力

逐渐减小的现象。

②桥堵引起失重，从而引起油气水上窜；

③水泥浆凝结后体积收缩；收缩率小于0.2%。

④套管内原来有压力，放压后使套管收缩。

⑤泥饼的存在，影响地层——水泥间（第二界面）的胶结。

3、提高注水泥质量的措施

（1）提高顶替效率，防止窜槽；

①采用套管扶正器，改善套管居中条件；

②注水泥过程中活动套管；

③调节注水泥速度，使水泥浆在环空呈紊流状态；

④调整水泥浆性能,加大钻井液与水泥浆的密度差；降低钻井液粘度和切力。

（2）防止油气水上窜

①采用多级注水泥或两种凝速（上慢下快）的水泥；

②注完水泥后及时使套管内卸压，并在环空加回压；

③使用膨胀性水泥，防止水泥收缩；

④使用刮泥器，清除井壁泥饼。