石油工程Ⅲ复习资料讲解.docx

1、石油工程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

2、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：tt0e-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t和该深度D所对应的正常趋势 线上的声波时差tn，计算t-tn； 4.从经验图版上读出t-tn所对应的当量密度p；5.计算地层压力：pp=0.00981

3、pD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

4、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：刀翼尖端前后刃之间的夹角。 它反

5、映了刀翼的尖锐程度。越小，刃部越尖锐， 越容易吃入地层，但强度越低。一般: 软地层=810；硬地层=1215 切削角： 刀翼前刃和水平面之间的夹角。 在相同钻压下，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 70软地层7080；中硬地层8085刃后角-：刃后角必须大于井底角。 刃前角：90。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

6、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： 超顶和复锥引起切向（周向）滑动 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： 单、双齿交替接触井底，使

7、牙轮中心上下波动； 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(点) (亦称中和点，Neutral Point )。 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，

8、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,kNm； 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API RP7G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

9、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：一般小于1，数值大小主要与岩层性质有关。极软地层1，随着岩石硬度增大，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

10、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1m的固体颗粒越多，对钻速的影响越大。五点钻速法：P133、135M 和 的确定五点法钻

11、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。 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

12、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

13、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()：指井眼方向线与重力线之间的夹角。单位为度()。井斜方位角 （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

14、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b、Dmw； De=Dt-Dkop Se=St Re=Rz Dmw=(De2+Se2-2ReSe)0.5 b=2arctan(De-Dmw)/(2Re-Se)b给定Dt、St、q0、Dkop、 b 时，计算Kz 、Dmw； Rz=(Dt-Dkop-St/tanb)/tan(b/2) Kz=1719

15、/Rz Dmw=(Dt-Dkop-Rzsinb)/cosb c给定Dt、St、q0、Kz 、b 时，计算 Dkop 、Dmw； Dkop=Dt-St/tanb-Rztan(b/2) Dmw=(Dt-Dkop-Rzsinb)/cosb 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

16、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

17、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

18、、成本低。 2、完井井底结构因素：P287水平位移（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 4400 m，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 =18 MPa；pN=12 MPa，试进行该井的井身结构设计。 P254例题：某井177

19、.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。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 =38500 kPa 筛选套管： C-75，L-80，N-80，C-90，C-95，P-110。 按成本排序： N-80 C-75 L-80 C-90 C-95 P-110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

20、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

21、。 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： 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。 桥堵引起失重，从而引起油气水上窜； 水泥浆凝结后体积收缩；收缩率小于0.2%。 套管内原来有压力，放压后使套管收缩。 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； 采用套管扶正器，改善套管居中条件； 注水泥过程中活动套管； 调节注水泥速度，使水泥浆在环空呈紊流状态； 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 采用多级注水泥或两种凝速（上慢下快）的水泥； 注完水泥后及时使套管内卸压，并在环空加回压； 使用膨胀性水泥，防止水泥收缩； 使用刮泥器，清除井壁泥饼。