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1、东北石油大学钻井习题分析第一章 钻井的工程地质条件1 简述地下各种压力的基本概念及上覆岩层压力、地层孔隙压力和基岩应力三者之间的关系。答：08地下压力包括静液压力 、上覆岩层压力 、地层压力 和基岩应力 等。静液压力是由液柱自身的重力所引起的压力，它的大小与液体的密度、液柱的垂直高度或深度有关。地层某处的上覆岩层压力是指该处以上地层岩石基质和空隙中流体的总重力所产生的压力。基岩应力是指由岩石颗粒之间相互接触来支撑的那部分上覆岩层压力，也称有效上覆岩层压力或颗粒间压力，这部分压力是不被孔隙水所承担的。上覆岩层的重力是由岩石基质（基岩）和岩石孔隙中的流体共同承担的，即上覆岩层压力是地层压力与基岩应

2、力的和：不管什么原因使基岩应力降低时，都会导致孔隙压力增大。2 简述地层沉积欠压实产生异常高压的机理。答：沉积物的压缩过程是由上覆沉积层的重力所引起的。随着地层的沉降，上覆沉积物重复地增加，下覆岩层就逐渐被压实。如果沉积速度较慢，沉积层内的岩石颗粒就有足够的时间重新排列，并使孔隙度减小，空隙中的过剩流体被挤出。如果是“开放”的地质环境，被挤出的流体就沿着阻力小的方向，或向着低压高渗的方向流动，于是便建立了正常的静液压力环境。这种正常沉积压实的地层，随着地层埋藏深度的增加，岩石越致密，密度越大，孔隙度越小。 在稳定沉积过程中，若保持平衡的任意条件受到影响，正常的沉积平衡就被破坏。如果沉积速度很快

3、，岩石颗粒就没有足够的时间去排列，孔隙内流体的排出受到限制，基岩无法增加它的颗粒与颗粒之间的压力。由于上覆岩层继续沉积，负荷增加，而下面基岩的支撑能力没有增加，孔隙中的流体必然开始部分地支撑本来应由岩石颗粒所支撑的那部分上覆岩层压力，从而导致了异常高压。3 简述在正常压实的地层中岩石的密度、强度、孔隙度、声波时差和dc指数随井深变化的规律。答：正常压实的地层中，随着地层的沉降，上覆沉积物重复的增加，下覆岩层就逐渐的被压实。所以随着地层埋藏深度的增加，即随井深的增加，地层中岩石密度逐渐变大，而岩石的空隙度变小。而随着地层埋藏深度的增加，围压增大，对所有岩石，当围压增大时强度均增大，即随着井深的增

4、加，岩石的强度增大。常用声波到达井壁上不同深度的两点所用的时间之差来表示声波在地层中传播的快慢，即声波时差。在正常地层压力井段，随着井深增加，岩石的空隙度减小，声波速度增大，声波时差减小。在正常地层压力情况下，机械钻速随井深增加而减小，d指数随井深增加而增大。因为dc指数只是对d指数因钻井液密度不同而做的修正，所以dc指数也随井深的增加而增大。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。答：在井下一定深度的裸露地层，承受流体压力的能力是有限的，当液体压力达到一定数值时会使地层破裂，这个液体压力称为地层破裂压力。在确定地层破裂压力的液压试验曲线中，开始偏离原始直线点的压力称

5、为漏失压力。试验曲线上达到最高点时的压力称为破裂压力，这时地层开始破裂。通常将漏失压力与第一个砂层深度的比值作为该处砂层的地层破裂压力梯度，并以此作为确定井控作业的关井压力依据。5 某井井深2000m，地层压力25MPa，求地层压力当量密度。08答：根据公式：Pp=0.00981h = Pp0.00981h=25MPa(0.009812000m)=1.27gcm36 某井垂深2500m,井内钻井液密度为1.18g/cm3,若地层压力为27.MPa，求井底压差。08答: Ph=gh=1.18g/cm30.009812500m =28.94Mpa P=Ph-Pp=28.94-27.5=1.44MP

6、a 即井底压差为1.44Mpa.7 某井井深3200m，产层压力为23.1MPa,求产层的地层压力梯度。答：产层的地层压力梯度 Gp=Pp/h=23.1MPa/3200m=0.0072Mpa/m8 某井井深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。答： d=10(0.0547vpc/n)/ 10(0.0684W/db) =10(0.05477.3/110)/ 10(0.0684160/215) =1.8866 dc=dn/d=1.88661.0

7、7/1.28=1.5779 岩石的硬度与抗压强度有何区别？答：硬度只是固体表面的局部对另一物体压入或侵入时的阻力，而抗压强度则是固体抵抗固体整体破坏时的能力。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性。答：岩石的塑性系数是用来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与岩石破碎前弹性变形功的比值。塑性岩石在外力压入时，岩石只改变形状和大小而不破坏自身的连续性；脆性岩石当外力压入时，岩石直至破碎无明显的形状改变；而塑脆性岩石受外力作用时首先发生形状改变，当外力达到一定程度后岩石破碎。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

8、的这种性质叫什么？答：12 岩石受围压作用时，其强度和塑脆性是怎样变化的？答：当岩石受到围压作用时，所有岩石的强度均增大，但压力对砂岩和花岗岩强度的影响要比石灰岩、大理岩大；在开始增大围压时，岩石强度的增加比较明显，再继续增加围压时，相应的强度增量就变得越来越小，最后当压力很高时，有些岩石的强度便趋于常量。 随着围压的增大，岩石表现从脆性向塑性的转变，并且围压越大，岩石破碎前所呈现的塑性也越大。13 影响岩石强度的因素有哪些？答：影响岩石强度的因素可以分为自然因素和工艺技术因素两类： 自然因素方面包括：岩石的矿物成分、矿物颗粒的大小、岩石的密度和空隙度。同种岩石的空隙度增加，密度降低，岩石的强

9、度也随之降低。一般情况下，岩石的空隙度随着岩石的埋藏深度的增加而减小；因此，岩石的强度一般情况下随着埋藏深度的增加而增加。工艺技术方面包括：岩石的受载方式不同，相同岩石的强度不同；岩石的应力状态不同，相同岩石的强度差别也很大；此外还有外载的速度、液体介质性质等等。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？答：岩石的可钻性是岩石抗破碎的能力。即一定钻头规格、类型及钻井工艺条件下岩石抵抗钻头破碎的能力。 我国石油系统岩石可钻性分类方法是用微钻头在岩样上钻孔，通过实钻钻时（即钻速）确定岩样的可钻性。将地层按可钻性分为10级。15 井底和井眼周围地层岩

10、石受哪些力？答：井眼周围地层岩石受力包括：上覆岩层压力、岩石内空隙流体的压力（地层压力）、水平地应力、钻井液液柱压力。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？答：水平地应力由两部分组成，一部分是由上覆岩层的重力作用引起的，它是岩石泊松比的函数；另一部分是地质构造力，它随着埋藏深度的增加而线形增大，和有效上覆岩层压力成正比。有效上覆岩层压力指上覆岩层压力和岩石内孔隙流体压力的差。17 什么叫有效应力、有效上覆岩层压力、各向压缩效应？答：在“各向压缩效应”试验中，如果岩石孔隙中含有流体且具有一定的孔隙压力，这种孔隙压力的作用降低了岩石的各向压缩效应，这样，把岩石所受外压与内压

11、之差称为有效应力。上覆岩层压力和岩石内孔隙流体压力的差称为有效上覆岩层压力。 在三轴应力试验中，如果岩石是干的或者不渗透的，或孔隙度小且孔隙中不存在液体或者气体时，增大围压则一方面增大岩石的强度，另一方面也增大岩石的塑性，这两方面的作用统称为“各向压缩效应”。18 简述地下各种压力的基本概念及上覆岩层压力、地层孔隙压力和基岩应力三者之间的关系。08答：地下压力包括静液压力 、上覆岩层压力 、地层压力 和基岩应力 等。静液压力是由液柱自身的重力所引起的压力，它的大小与液体的密度、液柱的垂直高度或深度有关。地层某处的上覆岩层压力是指该处以上地层岩石基质和空隙中流体的总重力所产生的压力。基岩应力是指

12、由岩石颗粒之间相互接触来支撑的那部分上覆岩层压力，也称有效上覆岩层压力或颗粒间压力，这部分压力是不被孔隙水所承担的。上覆岩层的重力是由岩石基质（基岩）和岩石孔隙中的流体共同承担的，即上覆岩层压力是地层压力与基岩应力的和：不管什么原因使基岩应力降低时，都会导致孔隙压力增大。19 简述液压试验法（漏失试验）的方法和步骤：答： 循环调节钻井液性能，保证钻井液性能稳定，上提钻头至套管鞋内，关闭防喷器（环形空间）； 以低速起泵后用较小排量（0.661.32 L/s）向井内注入钻井液，并计录各个时间的泵入量和立管压力； 作立管压力与泵入量（累计）的关系曲线图，这条曲线开始时为过作标原点的直线，然后会在某处

13、偏离此直线，但压力仍继续上升； 标出试验曲线上偏离原始直线之点的压力，即为漏失压力； 试验曲线达到最高点的压力称为破裂（开裂）压力，这时地层开使破裂； 最大值过后压力下降并趋于平缓，平缓的压力称为传播压力。20 绘出平底圆柱压头压入脆性岩石、塑脆性岩石、塑性岩石时的典型变形曲线，并给出脆性岩石、塑脆性岩石的岩石硬度计算式。给出塑脆性岩石塑性系数的定义和计算式。答：岩石硬度计算式： N/mm2式中 P产生脆性破碎时压头上的载荷，N；S压头的底面积，mm2。衡量岩石塑性的大小可以用岩石破碎前耗费的总功AF与弹性变形功AE的比值表示，这个比值称为岩石的塑性系数。因此，塑性系数K等于K=AF/AE21

14、 塑性岩石的特点有那些？脆性岩石的特点有那些？简要说明流体介质对岩石机械性质的影响。答：塑性岩石的特点是岩石在破碎前发生永久变形，抗刮切能力弱。脆性岩石的特点是岩石在破碎前未发生永久变形，抗冲击能力弱。流体介质对岩石机械性质的影响包含以下两方面：第一，岩石中所含的水分都使岩石的强度下降，而且含水量越多，强度下降得也越多，含水量对一些岩石，例如泥页岩，也会影响其塑性性质，增大其流变特性；第二，具有化学活性的液体对岩石强度的降低，要比同类岩石在相同条件下以非活性液体所饱和时对岩石强度的降低要大得多。22 岩石的力学性质含义包括哪些？它们反映了岩石的什么规律？绘出平底圆柱压头压入脆性岩石、塑脆性岩石

15、、塑性岩石时的吃入深度与所加载荷关系的典型变形曲线。答：岩石力学性质的含义包括两个：岩石的变形特征和强度特征。岩石的变形特征是指岩石试件在载荷作用下的变形规律，其中包括岩石的弹性变形、塑性变形、粘性流动和破坏规律，它反应了岩石的力学属性。岩石强度是指岩石试件在载荷作用下开始破坏的最大应力（极限强度）以及应力与破坏之间的关系，它反映了岩石抵抗破坏的能力和破坏规律。岩石的变形规律和强度特征，由岩石试件在单轴或三轴试验机上所得到的应力应变曲线来描述。23 分析井内液柱压力和地层孔隙压力对钻井岩石破碎的影响。答：岩石的屈服强度随着孔隙压力的减小而增大。当围压 一定时，只有当孔隙压力相对地小时，岩石才呈

16、现塑性的破坏；增大孔隙压力将使岩石由塑性破坏转变为脆性破坏。一些受压岩页（Pressured shale）由于孔隙压力相当高，当钻开井眼后，从井壁上因产生脆性的破坏而崩落，大概与这种机理有关。因此，在考虑页岩井壁的稳定时应对孔隙压力给予足够的重视。相反地，在钻井工程中，孔隙压力有助于岩石的破碎从而提高钻井的速度。井底的岩石，如果不渗透、无孔隙液体时，则增大泥浆的液柱压力Ph，也将增大对岩石的“各向压缩效应”。其结果必然导致岩石抗压入强度（或即岩石的硬度）的增加和塑性的增大，并且在一定的液柱压力下，岩石将从脆性的破坏转变为塑性破坏。这个转变压力可称为脆塑性转变的临界压力。第二章 钻进工具1 评价

17、钻头性能的指标有那几项？答：钻头进尺，钻头工作寿命，钻头平均机械钻速，钻头单位进尺成本。2 简述刮刀钻头破岩原理。答：刮刀钻头刀翼在钻压W和扭转力T的作用下，一方面作向下的运动，一方面围绕钻头轴线旋转，刀翼以正螺旋面吃入并切削岩层，井底平面与水平面成 角。刮刀钻头主要以切削和挤压方式破碎地层，具体方式主要取决于钻头的切削结构及所钻地层的岩性。由于这几种破岩方式主要要克服岩石的抗剪强度，所以它比克服岩石的抗压强度的破岩方式要容易得多。3 刮刀钻头其刀翼结构角有哪儿个？有什么影响？如何取值？答：刃尖角、切削角、刃前角、刃后角。刃尖角、切削角、刃前角、刃后角；刃尖角表示刀翼的减为尖锐程度。从吃入岩石

18、和提高钻速出发，刃尖角越小越好，但是强度不能保证。一般要根据上述因素及岩石性能确定角的大小。岩石软时，角可以稍小，较硬时硬适当增大，夹层多，井较深时，角应适当增大。切削角刀以前刃和水平面之间的夹角，在其他情况一定时，越大，吃入深度越深，但过大时，刃前岩石剪切破碎困难，钻进憋劲大。一般情况下，松软地层=70度；软地层=7080度；中硬地层，=8085度。刃后角=-。刃后角必须大于井底角。刃前角与切削角互为补角，刃前角=90-4 铣齿牙轮钻头和镶齿牙轮钻头有哪些不同？答：牙轮钻头按材料不同分为铣齿（钢齿）和镶齿（硬质合金齿）两大类。铣齿牙轮钻头的牙齿石油牙轮毛胚铣削加工而成，主要是楔型齿，齿的结构

19、参数要兼顾有利于破岩和齿的强度。一般软地层牙轮钻头的齿高、齿宽、齿距都较大，硬地层则相反。通常要在齿的工作面上敷焊硬质合金以提高齿的耐磨性，在背椎部位业要敷焊硬质合金层已达到保径的目的。 镶齿牙轮钻头是在牙轮上钻出孔后，将硬质合金材料制成的齿镶入孔中。其齿型较多，如楔型齿、圆锥形齿、球型齿、勺型齿、主要依据岩石的性能和齿材料性能、强度、相撞工艺等。目前向齿牙轮钻头在软地层、中硬地层及坚硬地层中都得到了广泛应用。5 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？答：有大、中、小和止推轴承。钻头轴承按结构分为滚动轴承和滑动轴承两大类。6 牙轮钻头的储油滑密封系统包括几部分？其作用

20、是什么？答：储油囊、护膜杯、压盖、密封圈。7 牙轮的超顶、移轴和复锥各产生哪个方向的滑动？答：由于牙轮的超顶、移轴、复锥，使牙轮在滚动的同时在井底产生滑动。超顶和复锥引起沿切线方向滑动，这种作用除了冲击、压碎作用破碎岩石外，还可以剪切掉同一齿圈相邻牙齿破碎坑之间的岩脊；移轴产生轴向方向的滑动，可以剪切掉齿圈之间的岩脊。8 国产三牙轮钻头有哪个系列？试解释812HP5的含义？答：普通钻头、喷射式钻头、密封钻头、密封保径钻头、滑动轴承钻头、滑动保径钻头、乡齿密封钻头、镶齿滑动轴承钻头8个系列。表示用于中硬地层、直径为81/2英寸的铣齿滑动密封喷射式三牙轮钻头。9 金刚石钻头有哪些突出优点？答：（1

21、）是一体性钻头，没有结构薄弱的环节，因而可以使用较高的转速，可以承载较大的侧向载荷而不发生井下事故，（2）金刚石钻头在正确使用的情况下，耐磨且寿命长，适合于深井及研磨性地层。（3）在高温下，牙轮密封易失效，金刚石钻头则不会出现此问题。（4）金刚石钻头不受空间尺寸的限制，适合于小井岩钻井。（5）在钻牙受限的情况下可以使用金刚石钻头。（6）结构设计制造比较灵活，生产设备简单，能满足非标的需要。（7）PDC钻头是一种切削型钻头，实践表明在适应地层可以取得很高的经济效益。（8）由于热稳定性的限制，必须保证充分的冲洗和冷却。（9）金刚石钻头抗载荷、抗冲击能力较差，使用时必须岩严格的规程。（10）金刚石材

22、料价格较高。10 按切削齿材料可将金刚石钻头分为几种类型？答：天然、人造11 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?答：它们均采用水孔水槽式水力结构，这种结构是钻井液游说空中流出经水槽流过钻头工作面，冲洗每一粒金刚石前的岩屑并冷却、润滑每一粒金刚石。防止金刚石杯烧毁。其结构有：副压式水槽结构；辐射型水槽；辐射型逼压式水槽；螺旋形水槽。12 天然金刚石钻头是怎样破碎岩石的？适用钻什么样的地层?答：聚晶金刚石复合片。既有金刚石的硬度和耐磨性，又有碳化钨的结构强度和抗冲击能力。金刚石钻头由于岩石性能技工条件的复杂性至今没有统一结论，但是可以归纳以下几点：（1）在钻遇硬地层时，

23、在钻压的作用下压入岩石，使接触岩石呈现极高的应力状态而使岩石呈现塑性。（2）在塑性地层，金刚石吃入地层并在钻头扭矩的作用下使前方的岩石内部发生破碎或塑性流动，脱离岩石基体，这一过程称作犁削。（3）在脆性较大的岩石中，在钻压和扭矩的作用下，岩石表现为脆性破碎，在这种情况下，金刚石钻头的破岩速度较高，岩石破碎的体积远大于金刚石吃入后位移的体积。13 “PDC”含义是什么？有哪些特点?答：“PDC”是聚晶金刚石复合片钻头的简称，它是金刚石材料钻头的一种。 它是一体式钻头，在钻进时钻头部件不宜掉落；它主要靠PDC复合片的切削作用破碎岩石，类似于刮刀钻头的切削原理，在钻进过程中扭矩小，稳定性好，在较小钻

24、压、高转速下机械钻速高，但在含砾岩和软硬互层的地层不宜使用PDC钻头，以防崩掉PDC钻头的复合片；分为胎体PDC钻头和刚体PDC钻头。14 PDC钻头切削刃的后倾角和侧倾角各起什么作用?答：后倾角的作用是减少切削齿在工作时的振动，延长使用寿命； 侧倾角的作用是使切削齿在切削地层时对齿前切削产生侧向推力，使岩屑想钻头外缘移动，以利排出岩屑。15 PDC钻头切削齿布置有哪几种方式？有何特点?答：PDC钻头切削齿的排列及分布方式有刮刀式、单齿式及组合式三种。刮刀式布齿方式将切削齿沿着从钻头中心附近到保径部位的直线（或接近于直线的曲线）不知在胎体刮刀上，在适当的位置布置喷嘴，每个喷嘴起到清洗或冷却一个

25、或两个挂刀片上的切削齿的作用。这种布置方式整体强度高，抗冲击力强，易于清洗和冷却，排屑好，抗泥包能力强，适宜于在粘性或软地层中使用。单齿式布齿方式是将切削齿一个一个单独布置在钻头工作面上，在适当的地方布置喷嘴或水眼，钻井液从喷嘴流出后，切削齿受到清洗及冷却，但同时也起到阻流和分配液流的作用。这种结构的布齿区域大、布齿密度高，可以提高钻头的寿命，但水力控制能力低，容易在粘性地层泥包。16 PDC钻头是怎样破碎岩石的？适用于什么样的地层?答：PDC钻头实质上就是具有负切削角度的微型切削片刮刀钻头，其工作原理与刮刀钻头基本相同。在钻压和扭矩的作用下，PDC复合片吃入地层，充分利用复合片极硬、耐磨（磨

26、耗比是碳化钨的100多倍）、自锐的特点犁削和剪切地层、破碎岩石。 PDC钻头适宜于在软到中硬的均质、无砾岩的地层中钻进。17 TSP钻头与PDC钻头相比有什么优点?答：TSP具有良好的热稳定性，齿型也比较多，尺寸也可根据要求而定。其耐磨性高于PDC，抗冲击能力强，具有金刚石材料的优点。18 钻柱主要由哪几部分组成？其主要功用有哪些? 08答：钻柱由方钻杆、钻杆段和下部钻具组合三部分组成。钻杆段包括钻杆和街头，有时也装扩眼器。下部钻具组合主要时钻停，也可能安装稳定器、减震器、震击器、扩眼器及其他特殊工具。主要作用有：为钻井液提供通道；为钻头施加适当的压力；把地面扭矩传到井底；起下钻头；计算井深1

27、9 钻杆的API钢级有哪几种?答：D、E、95(X)、105(G)、135(S)级共5种。20 为什么钻柱下部使用钻铤而不使用钻杆？答：钻挺具有加大的中立和刚度，它在钻井工程中有加钻压、保证压缩条件下必要的强度；减轻钻头的振动、摆动、跳动等，使钻头工作平稳；控制井斜等作用不能由钻杆替代。21 内平、贯眼和正规三种接头的主要内别是什么?答：内平式接头主要用于外加厚钻杆，其特点时钻杆内径与管体加厚处内径，接头内径相同，钻井液流动阻力笑，有利于提高水功率，但外径较大，易磨损。惯眼式接头适用予内加厚杆，其特点是钻杆有两个内径，接头内径等于管体加厚处内径，但小于管体部分内径。正规式接头适用于内加厚钻杆。

28、这种接头的内径比较小，这种接头的内径比较小，小于钻杆加後处的内径，所以钻井液六国的阻力最大，但它的外径最小，强度较大。22 钻柱在井下的运动形式可能有哪几种?答：自转、公转、自转和公转结合、无规则的旋转摆动。23 井下钻柱受到哪些力的作用？最主要的作用力是什么?答：钻柱在井下受到多种载荷的作用，在不同的工作状态下，不同部位的钻柱受力是不同的。（1）、轴向压力和拉力（2）、在转盘钻井时，受到扭矩（3）在钻压超过钻柱临界值时等情况下，将受到弯曲力距。（4）当钻柱绕井眼轴线公转时，将产生离心力。（5）钻杆测试时，钻杆将受到很大的外挤压力。（6）钻进时会引起钻柱的纵向振动。（7）在某一临界转速下钻头将

29、出现横向摆振。24 何谓钻柱的中性点？为什么要保证中性点落在钻铤上? 08答：中性点的概念是由鲁宾斯基提出来的。他认为中性点时钻柱受拉和受压的分届点。在管柱的设计中，我们希望中性点始终落在刚度大，抗弯能力强的钻挺上，使钻杆一直处于受拉伸的直线稳定状态。25 钻柱的哪些部位受力最严重？都受到什么载荷的作用?答：钻柱在两端口处受力最严重，在上端口受到在大拉力，在井底处受到最大压力。26 钻柱设计应满足哪些要求?答：满足强度要求，保证钻柱安全工作；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。27 在条件允许的情况下，为什么要尽可能选用在尺寸钻柱?答：方钻杆由于受到扭矩和拉力最大，在供应可能的情况下，应尽量选用大尺寸钻杆，因为大尺寸钻杆强度大，水眼大，钻井液流动阻力小，钻井液上返速度高，有利于携带岩屑。28 什么叫复合钻柱，使用复合钻柱有何优点?答：即采用不同尺寸（上打下小）、或不同壁厚（上后下薄）、不同钢号（上高下低）的钻杆组成的钻杆柱。它既能满足强度要求又能减轻