钻井工程 复习.docx

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钻井工程复习

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钻井工程复习

地点：

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时间：

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静液压力—由液柱自身的重力所引起的压力

静液压力梯度—单位深度的液柱压力称为静液压力梯度

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

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

上覆岩层压力由岩石骨架和孔隙中的流体共同承担，因此上覆岩层压力、地层压力和基岩应力之间存在以下关系：

当po一定时，σ减小，pp增大，σ→0，pp→po。

所以，地层的孔隙压力增大，基岩应力必然减小。

正常地层压力的形成:

在地层的沉积过程中，随着上覆沉积物不断增多，地层逐渐被压实，孔隙度减小。

如果地层是可渗透的、连通的，地层中流体的流动不受限制（称之为水力学开启系统），地层孔隙中的流体则随着地层的压实被排挤出去，建立起静液压力条件。

形成正常压力地层。

异常高压的成因：

在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（称之为水力学封闭系统）的条件下，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力。

结果是地层流体压力升高，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。

在正常地层压力条件下，若岩性和钻井条件不变，机械钻速随井深增加而减小，则d指数随井深增加而增大。

钻遇异常高压层，由于地层欠压实，机械钻速增大，d指数则相对减小。

地层破裂压力：

某深度处地层破裂时所能承受的液体压力称为该处地层的破裂压力

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。

随着围压的增大，岩石由脆性向塑性转变，且围压越大，岩石破坏前呈现的塑性越也大。

岩石从脆性向塑性转变的压力（围压）称为临界压力。

岩石的硬度：

岩石抵抗其它物体表面压入的能力。

强度——岩石在外力作用下发生破坏时的最大应力

塑性系数：

塑性系数:

表征岩石塑性和脆性大小的参数。

岩石的强度：

岩石在外力作用下发生破坏时的最大应力。

岩石可钻性：

岩石可钻性可理解为岩石破碎的难易性，它反映了是岩石抵抗钻头破碎的能力

牙轮钻头在井底的运动：

1公转：

牙轮随钻头一起旋转。

2自转：

牙齿绕牙轮轴线作逆时针方向旋转称自转。

3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。

4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

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。

国产三牙轮钻头分类、型号表示法：

用于中硬地层、直径为81/2”（215.9mm）的镶齿滑动密封轴承喷射式三牙轮钻头的型号为：

81/2”×HP5或215.9×HP5。

金刚石钻头的破岩机理：

概括地讲，金刚石钻头以磨削（研磨）方式破碎岩石，类似于砂轮磨削金属的过程：

在塑性地层中：

如泥岩、泥质砂岩、石膏等，以切削作用破碎岩石，类似于金属的切削过程。

在脆性地层中：

如石英砂岩等，金刚石破碎岩石的特点主要表现为脆性体积破碎，破岩效率高。

在坚硬岩石中：

如燧石、硅质白云岩、硅质石灰岩等，一般用孕镶钻头钻进，金刚石以微切削、刻划方式破碎岩石。

PDC钻头：

聚晶金刚石复合片钻头

PDC钻头破岩机理：

1PDC钻头主要以切削方式破碎岩石。

2切削刃在钻压作用下吃入地层，刃前岩石在旋转力作用下3发生剪切破坏。

切削塑性岩石和脆性岩石的过程类似于刮刀钻头。

由于多个切削齿同时工作，井底岩石自由面多，因此破岩效率高。

4金刚石切削刃耐磨性高，钻头寿命长，单只钻头进尺高。

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）钻杆测试又称中途测试。

钻柱的旋转运动形式：

（1）自转

（2）公转（3）公转与自转的结合（4）纵向振动—钻头振动引起，产生交变应力。

（5）扭转振动—由井底对钻头旋转阻力的变化引起，产生交变扭剪应力。

（6）横向摆振—达到某一临界转速，可能产生无规则摆动，产生交变弯曲应力。

中性点：

钻柱上轴向力等于零的点

钻井液的定义：

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6.获得地层和油气资料7.传递水功率

钻井液的滤失和造壁过程：

钻井液中的液体（刚开始也有钻井液）在压差的作用下向地层内渗滤的过程称为钻井液的滤失。

钻井液中的固相颗粒附着在井壁上形成滤饼的过程称为造壁过程。

影响钻速的主要因素：

1.钻压对钻速的影响，

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，钻头工作效率明显下降，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。

造成重复破碎现象，钻速降低。

（2）钻井液粘度对钻速的影响—间接影响在一定的地面功率条件下，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。

钻速方程（修正杨格模式）

vpc—钻速,m/h；W—钻压,kN；M—门限钻压,kN；n—转速,r/minλ—转速指数；C2—牙齿磨损系数；CH—水力净化系数；Cp—压差影响系数；h—牙齿磨损相对高度；KR—地层可钻系数，与地层岩石的机械性质、钻头类型以及钻井液性能等因素有关。

射流是指通过管嘴或孔口过水断面周界不与固体壁接触的液流。

射流中心部分保持初始速度流动的流束，称为射流等速核。

等速核长度与喷嘴直径和流道形状有关

射流对井底的清洗作用：

（1）射流的冲击压力作用

（2）漫流的横推作用

提高钻头水力参数的主要途径：

1.提高泵压ps和泵功率Ns

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

井眼轨道：

一口井开钻之前，预先设计的井眼轴线形状。

轨迹的三个基本参数：

井深、井斜角和井斜方位角

井斜角（α）：

指井眼方向线与重力线之间的夹角。

井斜方位角：

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。

井眼方位线：

某测点处的井眼方向线在水平面上的投影。

水平位移Ｓ（平移）：

轨迹上某点至井口所在铅垂线的距离（或：

在水平投影面上，轨迹上某点至井口的距离）。

满眼钻具组合基本原理：

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。

钟摆钻具组合控制井斜：

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。

平衡压力钻井：

在有效地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，使钻井液液柱压力刚好平衡或略大于地层压力，达到解放钻速和保护油气层的目的。

这种钻井方法称为平衡压力钻井。

欠平衡压力钻井：

在井底有效压力低于地层压力的条件下进行钻井作业。

在井下，允许地层流体进入井内；在井口，利用专门的井控装置对循环出井的流体进行控制和处理。

井侵：

当地层孔隙压力大于井底压力时，地层孔隙中流体（油、气、水）将侵入井内，通常称之为井侵。

压井目的恢复井眼与地层之间的压力平衡，使井内泥浆液柱压力不低于地层孔隙压力。

在整个压井过程中，通过调节节流阀的开启度始终保持井底压力稍大于地层压力。

----井底常压原则。

司钻法（二次循环压井法）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。

工程师法（一次循环压井法，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。

典型钻柱的设计举例

（1）设计参数

①井深:

5000m;②井径:

215.9mm（8-1/2in）;

③钻井液密度:

1.2g/cm3;④钻压:

180kN;⑤井斜角:

3°;

⑥拉力余量:

200kN（本例假设）;⑦卡瓦长度:

406.4mm;

⑧安全系数：

1.30（本例假设）。

（2）钻铤选择：

（1）选用外径158.75mm（6-1/4in）、内径57.15mm（2-1/4in）钻铤，每米重力qc=1.35kN/m。

（2）计算钻铤长度:

式中:

Wmax─最大钻压,180kN;

SN─安全系数,取=1.18;

qc─每米钻铤在空气中的重力,1.35kN/m；

KB─浮力系数,计算得KB=0.85;

α─井斜角,α=3°。

计算得：

LC=180×1.18/1.35×0.85×cos3°=185（m）

按每米钻铤10m计，需用19根钻铤,总长190m。

（3）选择第一段钻杆（接钻铤）

①选用外径127mm、内径108.6mm，每米重284.69N/m，E级新钻杆，最小抗拉载荷=1760KN。

②最大长度计算:

最大安全静拉载荷为:

Fa1=0.9Fy/St=0.9×1760/1.30=1218.46（kN）

Fa1=0.9Fy/（σy/σt）=0.9×1760/1.42=1115.49（kN）

Fa1=0.9Fy-MOP=0.9×1760-200=1384（kN）

由上面的计算可以看出,按卡瓦挤毁比值计算的最小，则第一段钻杆的许用长度为：

L1=Fa1/qp1K-qcLc/qp1=1115.49/284.69×10-3×0.856-190×1.35/284.69×10-3=3675（m）

（4）选择第二段钻杆

①选用外径127mm,内径108.6mm，每米重284.69N/m，X-95级新钻杆，最小抗拉载荷为=2229.71kN。

②最大长度计算:

最大安全静拉载荷计算如下:

Fa2=0.9×2229.71/1.30=1543.645（kN）

Fa2=0.9×2229.71/1.42=1413.196（kN）

Fa2=0.9×2229.71-200=1806.739（kN）

第二段钻杆的最大允许长度为：

L2=Fa2/qp2KB-（qcLc+qp1Lp1）/qp2

=1413.196/287.69×10-3×0.856-.35×190+284.69×10-3×3675/284.69×10-3=1221（m）

钻柱总长已超过设计井深

平移方位角θ：

平移方位线所在的方位角。

视平移Ｖ：

水平位移在设计方位线上的投影长度。

水平位移Ｓ（平移）：

轨迹上某点至井口所在铅垂线的距离

关井方式及选择

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。

易损坏井口装置或压漏薄弱地层。

适用于井涌速度不高、井口装置承压能力高的情况。

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。

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。

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。

地层流体侵入井内的原因

1、钻井液密度低

1）地层压力掌握不准，使设计的钻井液密度偏低；

2）、地层流体（油、气、水）侵入，使钻井液密度降低；2、环空钻井液液柱降低起钻时补灌钻井液不足，或井漏使井内液面降低3、起钻抽汲在钻井液循环或静止情况下，井底压力大于地层压力，而提钻产生抽汲后则井底压力小于地层压力4、停止循环循环情况下井底压力大于或等于地层压力，停止循环后，则井底压力小于地层压力。

溢流:

井侵发生后，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。

井涌:

当溢流进一步发生，钻井液涌出井口的现象称之为井涌。

地层流体侵入的征兆

（1）钻速（钻时）加快、蹩跳钻、钻进放空；

（2）泥浆池液面升高；（3）钻井液返出量增加；（4）钻井液性能发生变化；（5）循环压力降低地层流体侵入井眼后，使环空钻井液密度降低，钻柱内钻井液液柱压力高于环空液柱压力，在其压差的作用下，使泵压降低，泵速加快。

（6）地面油气显示油花增多，油味、天然气味增浓等。

（7）大钩负荷增大地层流体侵入钻井液后，钻井液密度降低，浮力减小，悬重增大，泵压减小。

（8）起钻时灌不进泥浆或泥浆灌入量少于正常值（9）停止循环后，井口仍有泥浆外溢。