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钻井习题

钻井工程理论与技术

第一章 

   1．简述地下各种压力的基本概念及上覆岩层压力、地层空隙压力和基岩应力三者之间的关系

静液压力——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成正比。

h=0.00981ρH

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

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：

Po=σ+Pp。

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

2．简述地层沉积欠压实产生异常高压的机理

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

   3．简述在正常压实的地层中岩石的密度、强度、空隙度、声波时差和dc指数随井深变化的规律。

4．解释地层破裂压力的概念，怎样根据液压实验曲线确定地层破裂压力。

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，用Pf表示。

它取决于井眼周围岩石的应力状态和岩石强度。

5．某井井深2000m，地层压力25MPa，求地层压力当量密度。

   6．某井垂深2500m，井内钻井液密度为1.18g/cm3，若地层压力为27.5MPa，求井底压差。

   7．某井井深3200m，产层压力为23.1MPa，求产层的地层压力梯度。

   8．某井钻至2500m，钻进时所用的钻头直径为215mm，钻压160kN，钻速110r/min，机械钻速7.3m/h，钻井液密度1.28g/cm3，正常条件下钻井液密度为1.07g/cm3，求d和dc指数。

   9．岩石的硬度与抗压强度有何区别？

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。

   10．岩石的塑性系数是怎样定义的？

简述脆性、塑脆性和塑性岩石在压入破碎时的特征。

 塑性系数：

表征岩石塑性和脆性大小的参数。

   11．岩石在平行层理和垂直层理方向上的强度有何不同？

岩石的这种性质叫什么？

各向异性：

如果物体的某一性质随方向的不同而不同，则称物体具有各向异性

   12．岩石受围压作用时，其强度和塑脆性是怎样变化的？

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，岩石破坏前呈现的也塑性越大

   13．影响岩石强度的因素有哪些？

   14．什么是岩石的可钻性？

我国石油部门采用什么方法评价岩石的可钻性？

将地层按可钻性分为几级？

（1）概念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。

（2）评价方法在钻压889.7N（200磅）、转速55r/min的固定条件下，用直径31.75mm

（1-1/4in）的微型钻头在岩心上钻孔，以钻进2.4mm孔深所需要的时间td

作为岩石可钻性指标，由此把岩石分为易钻的和难钻的。

为应用方便，常用Kd=Log2td作为可钻性指标，称为可钻性级值。

   15．井底和井眼周围地层岩石受哪些力？

   16．水平地应力是怎样产生的？

它与上覆岩层压力的关系是怎样的？

   17．什么叫有效应力、有效上覆岩层压力、各向压缩效应？

第二章  钻进工具

   1．评价钻头性能的指标有那几项钻头进尺（米）

钻头工作寿命（小时）

机械钻速（米/小时）

单位进尺成本（元/米）

：

   2．石油钻井钻头可分为哪几类？

哪类钻头用量最大？

   3．简述刮刀钻头破岩原理。

 刮刀钻头主要以切削作用破碎地层。

1.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的过程类似。

2.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

   4．刮刀钻头其刀翼结构角有哪几个？

有什么影响？

如何取值？

 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。

   5．铣齿牙轮钻头和镶齿牙轮钻头有哪些不同？

铣齿——在牙轮锥面上直接铣出，楔形。

硬质合金镶齿——镶装在牙轮锥面上，有多种齿形适应不同地层

   6．牙轮钻头有哪几副轴承？

按结构不同可分为几类？

滑动轴承有什么特点？

牙轮钻头轴承有大、中、小和止推四副。

根据轴承的密封与否，可分为密封和非密封两类。

根据轴承副的结构，可分为滚动轴承和滑动轴承两大类。

滚动轴承结构：

滚柱—滚珠—滚柱—止推滚柱—滚珠—滑动一止推

滑动轴承结构：

滑动—滚珠—滑动—止推滑动—滑动（卡簧）—滑动—止推

   7．牙轮钻头的储油润滑密封系统包括几部分？

其作用是什么？

 储油润滑补偿系统

密封系统：

橡胶密封圈、金属密封圈

工作原理：

储油压力补偿系统（传压孔、压力补偿膜、油杯等）保持轴承腔内的油压与井内钻井液柱压力相平衡。

当轴承腔内油压降低，储油杯中的润滑油在钻井液柱压力作用下补充到轴承腔内；当轴承腔内的油压升高，则流入储油杯。

其中，有效密封是关键。

   8．牙轮的超顶、移轴和复锥各产生哪个方向的滑动？

 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

   9．牙轮的布置方案有哪几种？

牙轮布置方案：

（1）非自洗无滑动布置：

各牙轮牙齿齿圈不嵌合，单锥、不超顶，不移轴，用于硬地层；

（2）自洗不移轴布置：

各牙轮牙齿齿圈相互嵌合，副锥、超顶，不移轴，用于中硬地层；

（3）自洗移轴布置：

各牙轮牙齿齿圈相互嵌合，副锥、超顶，移轴，用于软地层；

   10．牙轮钻头在井底工作时有哪几种运动形式？

 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

   11．简述牙轮钻头破岩原理 

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

12．国产三牙轮钻头有哪几个系列？

试解释 HP5的含义。

国产牙轮钻头分类方法

（1）按结构分类：

Y，P，MP，MPB，HP，HPB，XMP，XH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

   13．IADC钻头编码的三位数各代表什么？

解释"221”、“635"、的含义。

系列代号—用数字1~8表示钻头牙齿特征及适钻地层；1-3为铣齿，5-8为镶齿。

地层等级代号—用数字1~4表示所钻地层再分为4个等级；

钻头结构特征代号—用数字1~9表示钻头结构特征，其中1~7表示钻头轴承及保径特征；

附加结构特征代号—用英文字母表示钻头附加特征。

祥见书P66-67.

例如：

341S——表示适用于中等研磨性或研磨性4级硬地层非密封

滚动轴承的标准铣齿钻头。

537C——表示适用于底抗压强度的软到中硬的3级地层滑动

密封轴承保径带中心喷嘴钻头。

   14．与牙轮钻头相比，金刚石材料钻头有哪些突出优点？

   15．按切削齿材料可将金刚石钻头分为几种类型？

   16．天然金刚石钻头及TSP钻头常用的水力结构有哪几种？

各有何优点？

   17．天然金刚石钻头是怎样破碎岩石的？

适用钻什么样的地层？

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。

1在钻进某些硬地层时，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而使岩石呈现塑性；

2在塑性地层（或岩石在应力作用下呈塑性的地层），使前方的岩石内部发生破碎或塑性流动，脱离岩石基体，形成岩屑，称作犁削。

3在脆性较大的岩石中，在钻压和扭矩作用下所产生的应力使岩石表现为脆性破碎，即属于以剪力和张力形式破碎岩石。

4在坚硬岩石（如隧石、硅质白云岩、硅质石灰岩等）中，是要靠金刚石的棱角实现微切削、刻划等方式来破碎岩石。

【1.适用于硬、研磨性地层，涡轮钻井，深井钻井，

取心作业。

寿命长，进尺高。

【2.钻头下井前，井底打捞干净，确保没有金属落物。

【3.先用小钻压、低转速跑合，然后用合适钻压和高

转速钻进。

【4.采用低钻压（30-50kN）、高转速、大排量钻进。

   18．“PDC”的含义是什么？

有哪些特点？

切削元件—聚晶金刚石复合片（PDC）

PDC既具有金刚石的硬度和耐磨性。

弱点是热稳定性差，350℃以上加速磨损。

抗冲击能力较差

   19．PDC钻头的切削齿布置有哪几种方式？

有何特点？

切削齿布置

刮刀式布齿方式：

特点是整体强度高、抗冲击能力强、易于清洗和冷却、排屑好、抗泥包能力强。

适用于粘性或软地层。

单齿式布齿方式：

布齿区域大、布齿密度高，可以提高钻头的使用寿命，但水力清洗能力低，容易在粘性地层泥包。

适用于硬地层。

组合式切削齿的布置，具有较好的清洗、冷却和排屑能力，布齿密度较高。

这种布齿方式的钻头多用于中等硬度地层。

布齿原则：

等切削体积，等磨损，等功率

   20．PDC钻头切削刃的后倾角和侧倾角各起什么作用？

切削齿工作角

1后倾角（负前角）α：

起到保护切削齿，延长寿命的作用。

取值0°-20°，软地层小一些，硬地层大一些。

2侧倾角（旁锋刀面角）β：

钻头旋转时，切削刃面对切屑产生向外侧的推力，有利于向外排除岩屑。

β=15°左右。

   21．PDC钻头是怎样破碎岩石的？

适用于什么样的地层？

PDC钻头破岩机理

ØPDC钻头主要以切削方式破碎岩石。

Ø切削刃在钻压作用下吃入地层，刃前岩石在旋转力作用下

发生剪切破坏。

Ø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。

Ø金刚石切削刃耐磨性高，钻头寿命长，单只钻头进尺高。

PDC钻头的正确使用

1.PDC钻头适用于软到中硬的大段均质地层，不适合钻软硬交错

地层和砾石层。

2.与牙轮钻头相比，PDC钻头宜采用低钻压、高转速钻进。

3.钻头下井前，井底要清洁，无金属落物。

新钻头钻进时，

先用小钻压和低转速磨合井底。

4.PDC钻头属于整体式钻头，无任何活动部件，适合高转速的涡轮钻井。

   22．TSP钻头与PDC钻头相比有什么优点？

   23．钻柱主要由哪几部分组成？

其主要功用有哪些？

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）、钻挺（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-StemTesting）,又称中途测试

   24．钻杆的API钢级有哪几种？

   25．为什么钻柱下部使用钻挺而不使用钻杆？

   26．内平、贯眼和正规三种接头的主要区别是什么？

丝扣连接条件：

尺寸相等，丝扣类型相同，公母扣相匹配。

1.钻杆接头特点：

壁厚较大，外径较大，强度较高。

2.钻杆接头类型：

内平（IF）、贯眼（FH）、正规（REG）；NC系列

（1.内平式：

主要用于外加厚钻

杆。

其特点是钻杆通体内径相同，

钻井液流动阻力小；但外径较大，

容易磨损。

（2.贯眼式：

主要用于内加厚钻

杆。

其特点是钻杆有两个内径，

钻井液流动阻力大于内平式，但

其外径小于内平式。

（3.正规式：

主要用于内加厚钻

杆及钻头、打捞工具。

其特点是

接头内径加厚处内径管体内径，

钻井液流动阻力大，但外径最小，

强度较大。

三种类型接头均采用V型螺纹，但扣型、扣距、锥度及尺寸等都有很大的差别。

27．钻柱在井下的运动形式可能有哪几种？

钻柱的旋转运动形式：

（1）自转—钻柱象一根柔性轴，围绕自身轴线旋转。

均匀磨损，易发生疲劳破坏。

（2）公转—钻柱象一个刚体，围绕着井眼轴线旋转并沿着井壁滑动。

产生偏磨。

（3）公转与自转的结合弯曲钻柱围绕井眼轴线旋转，同时围绕自身轴线转动

（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。

一般认为弯曲钻柱旋转的主要形式是自转，但也可能产生公转或两种运动形式的结合。

由于在转动过程中受到阻力的作用，钻具的转动是不平稳的。

   28．井下钻柱受到哪些力的作用？

最主要的作用力是什么？

（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

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。

   29．何谓钻柱的中性点？

为什么要保证中性点落在钻挺上？

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

   30．钻柱的哪些部位受力最严重？

都受到什么载荷的作用？

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

   31．钻柱设计应满足哪些要求？

设计原则：

（1）满足强度（抗拉、抗挤强度等）要求，保证钻柱安全工作；

（2）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

32．在条件允许的情况下，为什么要尽可能选用大尺寸钻柱？

选择的基本原则:

1.方钻杆由于受到扭矩和拉力最大，在供应可能的情况下，应尽

量选用大尺寸方钻杆。

2.在钻机提升能力允许的情况下，选择大尺寸钻杆是有利的。

3.钻铤尺寸一般选用与钻杆接头外径相等或相近的尺寸，有时根据

防斜措施来选择钻铤的直径。

使用大直径钻铤具有下列优点：

（1）可用较少的钻铤满足所需钻压的要求，可减少钻铤，从而减

少起下钻时连接钻铤的时间；

（2）提高了钻头附近钻柱的刚度，有利于改善钻头工况；

（3）钻铤和井壁的间隙较小，可减少连接部分的疲劳破坏；

（4）有利于防斜。

   33．什么叫复合钻柱，使用复合钻柱有何优点？

 复合钻杆柱设计（深井）

思路：

由下而上，所受拉伸载荷逐渐增大，强度应逐渐增大。

故由钻铤上面第一段钻杆开始，先选择强度较低的钻杆，确定其许用长度；再逐段向上选择强度更高的钻杆进行设计。

这样设计出来的钻杆柱，由下而上强度逐级增大以满足抗拉强度的要求

   34．钻杆柱设计主要考虑哪种力的作用？

强度条件是什么？

钻杆柱强度设计

1.强度条件

Ft≤Fa

式中：

Ft—钻杆柱任一截面上的静拉伸载荷，kN；

Fa—钻杆柱的最大安全静拉力，kN。

（1）钻杆在屈服强度下的抗拉载荷：

钻杆材料的屈服强度所允许的最大抗拉载荷。

•

式中：

—钻杆钢材的最小屈服强度，MPa；

—钻杆的横截面积，cm2；

—最小屈服强度下的抗拉载荷，kN。

可以计算,也可以从表2－14中查出

2）钻杆的最大允许拉伸力Fp：

式中：

—钻杆的最大允许拉伸载荷，kN。

（3）钻杆的最大安全静拉力Fa：

①安全系数法（考虑起下钻时的动载及摩擦力）

式中：

—安全系数，一般取1.30。

②设计系数法（考虑卡瓦挤压）

③拉力余量法

式中：

MOP—拉力余量，一般取200～500KN。

   35．什么叫最大安全静拉载荷？

如何确定钻柱的最大安全静拉载荷？

   36．某井用241mm钻头,178mm钻铤（线重1632N/m）和127mm钻杆（线重284.78N/m），设计钻压为180kN,钻井液密度为1.28g/cm3,试计算所需钻挺长度。

   37．已知井深1500m，钻压W=14t,钻井液密度为1.389/cm,，钻具结构为：

216mm钻头+165mm钻铤200m（线重136.24kg/m）+127mm钻杆1300m（线重29.04kg/m）.求中性点所在井深。

   38．试计算由114mm内外加厚，壁厚为10.92mm的E级钻杆和138mm内外加厚，壁厚为10.54mm的E级钻杆组成的复合钻柱在密度为1.2g,/cm3的钻并液中的可下深度。

若将138mm钻杆换成114mm内外加厚，壁厚为10.92mm的95（X）级钻杆，可下深度又是多少？

   39．某井用318mm钻头钻至3500m,试根据以下条件进行钻柱设计：

钻井液密度为1.25g/em3；钻压:

W=200kN;拉力余量：

MOP=450kN；安全系数:

St=1.30；卡瓦长度Ls=406.4mm,正常润滑；井针角为6°；库存钻具：

钻挺：

229mm钻艇（线重2860N/m）27m,7in钻挺（线重1632N/m）81m，165mm钻挺（线重1362.4N/m）供应充足。

钻杆:

E级127mm钻杆（线重284.78N/m）900m，95（X）}及105（G）级127mm钻杆（线重284.78N/m）供应充足。

第三章  钻井液

   1．钻井液与钻井工程关系如何？

钻井液有哪些功用？

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

   2．说明钻井液的一般组成及钻井液的分类

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。

钻井液的分类

API和IADC分类：

（1）不分散体系——膨润土+清水；天然钻井液（自然造浆而成），浅层钻进。

（2）分散体系——水+膨润土+分散剂（铁络木质素黄酸盐等），深井或复杂井。

（3）钙处理体系——水基钻井液+钙盐（石灰、石膏、氯化钙），抑制粘土膨胀。

（4）聚合物体系——水基钻井液+高聚物（聚丙烯酰胺PAM、PHP），絮凝劣质土，抑制粘土分散。

（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。

特点：

提高钻速，减少对产层的伤害。

（6）饱和盐水体系——氯离子含量达189g/L的水基钻井液。

特点：

抗盐侵，抑制粘土水化。

海上钻井、钻盐岩层和泥页盐层。

（7）修井完井液体系——水+盐+聚合物等；油基钻井液。

特点：

低密度、无固相、抑制粘土膨胀、低滤失，保护油气层

（8）油基钻井液体系—油包水乳化钻井液：

油+水+乳化剂

油基钻井液：

柴油+氧化沥青、有机酸、碱

特点：

耐高温、保护油气层、防止水敏性地层吸水膨胀。

摩阻小，用于大位移水平井，或特出复杂层段。

（9）空气、雾、泡沫和气体体系——欠平衡压力钻井。

特点：

提高钻速，保护油气层。

适用于低压油气层、易漏的裂缝性油气层、低渗透油气层等。

井壁应比较稳定的地层。

   3．大多数钻井液属什么流体类型，写出其流变方程。

   4．说明静切力、动切力、表观粘度、塑性拈度的物理意义。

怎样调整这些参数？

静切力（静切应力）：

使钻井液开始流动所需的最低切应力，它是钻井液静止时单位面积上所形成的连续空间网架结构强度的量度。

它反映了钻井液触变性的好坏。

调整方法：

无机盐（改变粘土颗粒间静电力）、降粘剂或增粘剂

动切应力（屈服值）：

流变曲线直线段的延长线与切应力轴交点的应力大小。

反映在层流状态下粘土颗粒之间及高聚物分子之间的相互作用力（形成空间网状结构之力）的大小。