钻井与完井工程教学大纲.docx

1、钻井与完井工程教学大纲一、课程在本专业的定位与课程目标 (1) 课程在本专业的定位 本课程为石油工程专业的主干课程，同时也为石油工程专业所属的“油气井工程”国家级重点学科的主干课程。本课程的改革内容为教育部“面向21世纪石油主干专业课程体系和教学内容改革”项目中“石油工程专业的改革与建设”项目的主要内容之一。其自编教材钻井与完井工程被教育部列为“面向21世纪课程教材”。 钻井与完井工程涉及到石油勘探开发过程中的一个重要技术环节，石油勘探开发投资的60用于钻井与完井工程，钻井速度的高低、完井方式是否合理、储存保护的效果的好坏直接关系到油田勘探开发的整体效益。石油行业本身就是一个资金密集和技术密集

2、的行业，同时又是一个高技术风险的行业，技术应用不合理或者工程措施不周全可能会导致重大的经济损失、财产损失甚至是生命损失。由此可见，钻井与完井工程在石油勘探开发占有非常重要的地位。 本课程积极采用国家级教改项目“石油工程专业的改革与建设”的成果，使本课程在师资队伍培养、教材建设、网络教学、多媒体教学方面上了一个台阶，尤其是该课程在国内同类院校中率先推出全程英语教学或双语教学，率先提出钻井与完井工程工程设计教学环节，编写了钻井与完井工程设计指导书并在几所石油院校中得到推广，该教材于1998年获西南石油学院优秀教学成果(教材) 一等奖，2000年获CNPC优秀教学成果(教材) 二等奖。在本课程实验教

3、学环节中，学院不仅开放教学实验室，而且对“油气藏地质及开发工程国家重点实验室”和其它省部级重点实验室也进行开放。在实验教学手段上，让学生自主设计实验方案、实验流程，人人有机会动手实验。在实验教学形式上，除传统的验证型实验外，增加了设计型、综合性乃至研究型实验专题，以培养学生的基本工程素质、创造性思维和综合分析能力；双语班学生在四年级进行毕业论文(设计) 时，要求必须用英语撰写论文，并用英语进行答辩，虽然学生感到有一定的压力，但对学生能力提高促进大，有助于提高学生适应石油工业国际化的能力，有助于培养国际合作型的石油工业人才。这些都使本课程在国内处于领先地位。 (2) 课程目标 本课程在国内首次将

4、油气井建井工程所涉及的工艺技术“钻井工艺原理”和“完井工程”进行重组和整合，既注入了现代科研成果，又遵循了传统教学规律与方法，充分体现了现代教学思想，形成了覆盖一个油气井工程学科的专业课钻井与完井工程。课程内容有较大幅度更新，突出理论联系实际、应用基础和设计理论与方法。课程注重内容的基础性、系统性、完整性和实用性，便于引导式教学和学生自学，同时增加了反映新技术发展动向的内容。 通过本课程的学习，让学生全面掌握钻井与完井工程的基本工艺原理及工艺技术，初步具有发现问题、分析问题和解决问题的能力。为此，本课程除了讲述传统的钻井技术外，强化了完井工程部分的内容，同时注意引入国内外最新工艺技术与系统理论

5、，强调学科交叉。课程既突出成熟的理论，又介绍了相关新理论和新技术的发展，有利于学生对此有一个全面的了解。注意了工程实践环节的阐述，使理论联系实际，增强学生的工程意识。课程主讲教师承担科研项目多、科研经验丰富、科研能力强，具有博士学历的中青年教师比例大，有助于促进了科研和教学为一体、建设高水平的教学队伍，同时课程教学注重理论联系实际。培养扎实理论基础和工程师基本素质是钻井与完井工程课程的重要目标。二、教学大纲内容1、课程基本信息1）课程英文名称：Drilling and Completion Engineering2）课程类别：专业课程3）课程学时：总学时64，实验学时64）学 分：45）先修课

6、程：工程力学、流体力学6）适用专业：石油工程7）大纲执笔：石油工程教研室付建红8）大纲审批：石油工程学院学术委员会9）制定（修订）时间：2006.102、课程的目的与任务 钻井与完井工程是为石油工程专业本科生讲授的一门专业课程，是一门实践性非常强的课程，也是本科石油工程专业学生必修的一门重要专业课程。钻井与完井工程课程教学的目的就是为了培养高素质的从事石油钻井与完井工作，并具有丰富专业技能的石油工程技术人员或科研人员，造就一批合格的从事石油勘探和开发工作的从业者3、课程的基本要求本门课程的教学的基本要求是让学生了解一口井的建井过程，并掌握建井过程中所涉及的基本概念、采用的技术措施、计算方法。要

7、求学生在课后完成一定量的课后作业，以加强对课堂内容的理解，在作业过程中掌握每个章节的重点和难点。要求学生能够独立完成如井身结构设计计算、水力参数设计计算、套管柱强度设计与校核等与钻井工程设计与施工密切相关的计算内容，学生还能够独立地完成钻井液流变性测试、水泥浆的配制和常规性能测试等实验。4、教学内容、要求及学时分配(一)理论教学：（58学时）第一章 绪论 （2学时）教学内容及学时分配第一节、钻井与完井工程及其在石油工业中的地位 （一）、石油、天然气在国民经济中的地位 （二）、石油天然气勘探、开发、生产的主要环节（三）、钻井与完井工程在石油工业中的作用和地位 （勘探、开发、提高采收率）第二节、钻

8、井与完井工程的内容（一）、一口井的钻井流程：钻前工程、钻井工程、完井工程（二）、钻井工程设计：地质设计、工程设计（三）、钻井工程设计所包含的内容：井身结构设计、钻机性能、钻井液设计、钻头设计、水力参数和钻井参数设计、钻具组合设计、固井完井设计（四）、钻井过程：旋转钻井系统简介、固井过程、完井方法简介（五）、井史整理第三节、钻井与完井工程技术的发展（一）、深井复杂井钻井技术（二）、特殊工艺井钻井技术（定向井、丛式井、水平井、大位移井、分枝井）（三）、欠平衡钻井技术（四）、连续油管钻井技术（五）、保护油气层的钻井完井技术（六）、小井眼钻井技术教学要求：1）通过了解钻井与完井工程的定义及其在石油工业

9、中的地位，明确学习本门功课的重要性；2）过了解钻井与完井工程的主要内容及其衔接关系，建立钻井与完井工程的整体与系统的概念。3）解钻井与完井工程技术的发展过程。重点：各个教学环节之间的相互关联关系。难点：第二章 井身结构设计（6学时）教学内容及学时分配第一节 地层孔隙压力预测方法（2学时）（一）、几个基本概念（二）、异常压力形成原因（三）、地层孔隙压力预测方法（掌握dc指数法，了解声波时差、地震法）第二节 地层破裂压力预测方法（1学时）（一）、破裂压力定义、地应力、构造应力系数（二）、预测模型建立（三）、液压法试验测取破裂压力原理、方法、步骤第三节 井眼坍塌压力预测方法（1学时）（一）、井眼系统

10、稳定性与安全、快速钻井的关系（二）、井眼坍塌压力梯度公式推导（三）、有关岩石力学特性参数测取第四节 井身结构设计（2学时）（一）、井身结构设计内容（二）、井身结构设计原理（三）、井身结构设计方法、步骤（四）、井身结构设计例题第五节 生产套管尺寸设计（自学）（一）、生产套管设计的影响因素（二）、生产套管尺寸设计三、重点与难点教学要求：要求掌握地层压力预测的基本原理、方法和井身结构设计的主要内容（设计步骤及相关计算方法）。了解异常压力形成的环境条件，了解生产套管尺寸设计内容及影响因素。重点：1）地层压力、地层破裂压力、地层坍塌压力的预测方法2）井身结构的设计方法和步骤难点： 岩石力学理论模型、井身

11、结构设计计算第三章 钻井液 （8学时） 教学内容及学时分配第一节、钻井液的功用、组成和类型（0.5学时）（一）、钻井液的功用（二）、钻井液的组成和类型第二节、粘土胶体化学基础（1.5学时）（一）、粘土胶体化学的几个基本概念（二）、主要粘土矿物的晶体构造和特点（三）、粘土-水界面扩散双电层（四）、粘土的水化（五）、粘土-水悬浮体的稳定性第三节：钻井液的工艺性（4学时）（一）、钻井液的流变性能（二）、钻井液的失水造壁性能（三）、钻井液的其它性能第四节：钻井液常用原材料和处理剂（自学）（一）、钻井液常用原材料和处理剂的分类（二）、钻井液原材料和处理剂作用原理（选修内容）第五节：钻井液体系 （2学时）

12、（一）、水基钻井液体系（二）、油基钻井液体系（三）、气基钻井液体系教学要求： 掌握钻井液的基本组成、特点、作用原理及不同钻井液体系所适用的条件；掌握粘土胶体化学基本知识；重点掌握钻井液两个工艺性能对钻井工程的影响，了解胶体化学特点及其对钻井液性能的影响。了解相关的化学添加剂类型及其作用原理；了解钻井液性能的测量、维护控制和调整的基本原理和方法，了解常用钻井液体系的类型、原理和使用条件。重点：1）粘土晶体结构、扩散双电层、电动电势、粘土的水化。2）流变参数及其胶体化学性质；流变性能调节原理；影响静失水的因素分析。3）水基钻井液（分散型、抑制型、聚合物钻井液）体系的组成及其适用的地层条件。难点：1

13、）粘土晶体结构与扩散双电层概念。2）流变参数及其胶体化学性质、影响静失水的因素分析、泥饼质量评价和控制原理。3）钻井液各组分的基本物理化学作用原理。第四章 钻井工艺（10学时）教学内容及学时分配第一节、钻井过程的系统分析（1学时）（一）、系统特征（二）、影响因素（三）、研究方法第二节、地层岩性（1学时）（一）、岩石的物理机械性质（二）、岩石的强度（三）、岩石的硬度和塑性系数（四）、岩石的研磨性（五）、岩石的可钻性第三节、钻头（2学时）（一）、钻头类型（二）、破岩机理（三）、钻头选择第四节、水力参数（2学时）（一）、水功率传递原理（二）、水力参数计算（三）、钻头喷嘴组合（四）、水力参数设计方法（

14、五）、实例第五节：机械参数（2学时）（一）、牙轮钻头机械参数（二）、金刚石钻头机械参数（三）、取心钻头机械参数（四）、机械参数优选方法第六节：钻具（2学时）（一）、钻柱（二）、其它钻具（三）、深井钻柱的设计第七节：钻井经济技术指标（自学）教学要求：要求学生掌握钻井工艺的基本思想、基本原理、基本方法。了解钻井过程的系统分析方法，掌握与钻井工艺有关的地层岩性，掌握常用钻头的基本特征和工作原理，掌握水力参数和机械参数的计算原理和方法，掌握钻具的基本组成及设计方法，了解相关的钻井经济技术指标。重点：（1） 岩石的强度、研磨性和可钻性的定义及其与破岩的关系（2） 牙轮钻头、PDC的破岩机理（3） 水力参

15、数设计方法（4） 机械参数优选方法（5） 深井钻柱的设计难点：（1） 牙轮钻头运动学（2） 水力参数计算模型及喷嘴的选择（3） 钻柱受力分析第五章 钻井过程压力控制（6学时） 教学内容及学时分配第一节 井控的基本概念（1学时）（一）、介绍平衡钻井、欠平衡钻井和过平衡钻井的概念和基本过程（二）、介绍与井控有关的地面设备和地面管汇第二节 井内波动压力计算方法（2学时）（一）、井内波动压力的定义（二）、稳定井内波动压力计算原理、方法步骤及计算方法（三）、公式推导（四）、例题讲解第三节 溢流及井喷控制（3学时）（一）、溢流及井喷原因（二）、气浸特性（三）、溢流及关井方法（四）、压井基本数据计算（六）、

16、司钻法压井定义、方法、步骤及计算方法（七）、工程师法定义、方法、步骤及计算方法（八）、非常规井控（九）、井控装置选择原则（十）、例题讲解第四节：欠平衡钻井技术（自学） 教学要求：掌握压力控制钻井中的基本概念，井内波动压力计算的原理、方法、步骤及计算方；，掌握溢流及井喷原因、溢流关井井筒压力变化及压井基本数据的计算；掌握司钻法、工程师压井法的定义、方法、计算步骤。本章为英语教学，相关内容的英语建材不甚丰富，具体教学内容由任课教师酌情增减，但应照顾到中文教材的教学内容，以保证教学内容的完整性，以下教学内容供任课教师参考。重点： （1）波动压力的计算 （2）溢流及井喷的原因分析 （3）常用的压井方法

17、及其计算难点：（1）井筒压力平衡关系（2）不同压井方法的立管压力、套管压力变化趋势及其原因第六章 井眼轨迹设计与控制 （10学时）教学内容及学时分配第一节、概述（1学时）定向井的应用、发展现状、最新技术。第二节、定向井井眼轨迹设计（3学时）（一）基本概念（井斜角、方位角、井深、水平位移、垂深）（二）井眼曲率（三）轨迹设计原则（四）二维剖面设计方法（S型井眼）第三节、井眼轨迹测量计算（2学时）（一）井眼轨迹测量目的和测量方法（简述，属了解内容）（二）井眼轨迹计算（主要讲述曲率半径法和最小曲率法）（三）实钻轨迹作图（视平移、投影图、剖面图）第四节、井眼轨迹控制（4学时）（一）影响井眼弯曲原因1）地

18、层及其各向异性2）钻柱弯曲引起的钻头侧向力3）钻头结构引起的各向异性（二）井斜控制方法（了解理论分析方法，掌握钟摆钻具稳定器位置计算）1）钟摆钻具（引用纵横弯曲梁理论导出钻头侧向力、转角计算式）2）多稳定器钻具（属了解内容，简介其力学分析原理）3）其它方法简介（偏重钻铤、井下动力钻具）（三）方位控制方法1）装置角及其计算（扭方位公式推导见附录）2）扭方位计算（解析法）3）反扭角及其计算教学要求： 要求学生掌握定向井轨迹设计计算方法、测斜计算方法、井斜和方位轨迹控制方法、井斜的原因及控制井斜的技术，课后能独立完成一口定向井轨迹设计。重点：（1）定向井轨迹设计（2）测斜计算各种方法的基本假设（3）

19、工具面角对定向井井斜、方位的影响（4）防斜打直的下部钻具组合结构难点：（1）轨迹设计过程中H0、A0的确定以及最大井斜角的计算（2）曲率半径法和最小曲率法计算实钻井眼轨迹（3）工具面角的定义及其对轨迹发展的影响（4）防斜打直下部钻具组合结构参数和钻井参数的确定第七章 固井（8学时）教学内容及学时分配第一节 套管与固井工艺流程 （1学时）（一）、油气井套管：介绍单根套管结构、套管尺寸、螺纹类型及套管钢级。（二）、常规固井工艺流程：简单介绍常规固井施工的工艺流程。第二节 套管柱强度设计（3学时）（一）、套管柱外载计算：外挤压力、内压力、轴向拉力。（二）、套管强度1）套管强度：抗挤强度、抗内压强度、

20、抗拉强度2）复合外载作用下的套管强度：重点是复合外载作用下套管的抗挤强度。（三）、套管柱强度设计方法设计原理（等安全系数）、设计安全系数、设计方法、设计举例。第三节 油井水泥（2学时）（一）、油井水泥（二）、水浆性能与固井工程的关系（三）、油井水泥外加剂第四节 注水泥（2学时）（一）、提高注水泥顶替效率的措施：（二）、水泥浆在凝结过程中的失重与油、气、水窜问题（三）、注水泥计算（四）、水泥环质量检测和评价教学要求： 掌握固井工程的基本概念；掌握套管柱强度设计的基本原理和方法，能进行基本的套管柱强度设计；掌握水泥浆（石）性能与固井工程的关系以及提高注水泥顶替效率措施的原理，能进行基本的注水泥设计

21、。了解固井质量检测和评价的常规方法。重点：（1）套管柱外载计算方法、套管强度概念、复合外载作用下套管抗挤强度的计算。（2）油井水泥及油井水泥外加剂、水泥浆性能与固井工程的关系。（3）密度、稠化时间、流变性、失水量、自由水含量、抗压强度的基本概念。（4）注水泥顶替效率的措施、注水泥计算。难点：（1）套管外载荷计算（2）复合外载作用下的套管强度。（3）失重与油、气、水窜机理解释。第八章 完井（4学时）教学内容及学时分配第一节 完井方法（1学时）（一）、常规完井方法（二）、其它完井方法1）贯眼套管（尾管）完井；2）预充填砾石绕丝筛管完井；3）其它防砂筛管完井；4）化学固砂完井；5）压裂砾石充填完井；

22、6）欠平衡打开产层的完井。第二节 完井方法选择（2学时）1）完井方法分类2）生产过程中井眼的力学稳定性判断3）生产过程中地层出砂的判断4）完井方法选择的地质及工程依据5）完井方法选择的原则与思路第三节 完井井口装置及完井管柱（1学时）1）井口装置2）完井管柱第四节 完井投产措施（自学）1）投产前的准备2）排液措施3）解堵措施教学要求：掌握完井的定义、合理完井方法应满足的要求，掌握常规完井方法及其适用的地质条件，掌握完井方法的选择。了解完井井口装置及完井管柱，了解完井投产措施。重点：（1）完井方式及其适合的地层条件（2）出砂的机理及其防止出砂的措施难点：（1）完井方式的选择（2）出砂计算过程中地

23、层参数的确定第九章 储层保护（4学时）教学内容及学时分配第一节：储层损害的室内评价技术（2学时）（一）、储层敏感性评价讲清速敏、水敏、盐敏、碱敏、酸敏的基本概念，五敏评价的目的，如何评价及评价指标。（二）、工作液对储层的损害评价讲清工作液包括的范围、评价的目的，如何评价损害程度、动静态损害评价的区别及如何评价损害深度。第二节：钻井过程中的储层保护技术（1学时）（一）、储层损害原因分析（掌握）重点讲清钻井液滤液与储层岩石不配伍引起的损害和钻井液滤液与储层流体不配伍引起的损害。（二）、保护储层的钻井液技术（理解）（三）、保护储层的钻井工艺技术（了解）第三节：完井过程中的储层保护技术（1学时）（一）

24、、保护储层的固井技术（了解）1）固井质量与保护储层的关系（四点）2）水泥浆对储层损害的原因分析（三方面）3）保护储层的固井技术（三大措施）（二）、射孔完井保护储层技术（了解）1）射孔对储层的损害分析（四方面原因）2）保护储层的射孔完井技术教学要求： 要求学生掌握储层保护技术的基本概念，研究思路及室内评价方法。了解油气层损害的普遍性、各种不同作业条件下潜在损害因素的特殊性、钻井完井过程中储层保护技术的针对性。掌握在钻井完井过程中对储层保护技术各项基础资料的收集、分析及处理方法。重点：（1） “五敏”概念（2）油气层损害原因分析及保护油气层的钻井液技术（3）保护油气层的固井技术、保护油气层的射孔完

25、井技术难点：（1） 保护储层的“屏蔽”暂堵原理。（2） “五敏”的原因和实质。（3） 水泥浆对油气层损害原因分析，射孔对油气层的损害原因分析。第十章 环境保护 （自学）教学内容及学时分配第一节 前期工程环境管理（一）、环境保护程序（二）、井场及其用地的选择第二节 钻井完井施工中的环境保护（一）、水污染的防治（二）、大气污染的防治（三）、噪声污染的防治（四）、废弃钻井液、钻屑及废油的处置（五）、完井后的场地管理（六）、法律责任教学要求： 建立环境保护意识，了解钻井完井施工中可能的环境污染的主要来源，造成环境污染的简要原因，以及环境保护的主要措施途径。（二）实验（6学时）1、实验内容和占用学时的具

26、体分配（l）实验项目名称：水基钻井液配制及常规性能测定（2学时、验证型）实验目的：了解钻井液配制过程，掌握钻井液配制方法，学会正确使用配浆设备；学会钻井液常规性能（流变性能、滤失性能、PH值、密度）的测定原理和仪器使用方法；认识钻井液流变特性和静滤失特性，掌握钻井液流变性能的测定和计算、漏斗粘度的测定、滤失性能的测定以及密度的测定基本方法与原理。仪器设备：旋转粘度计、电动搅拌机、泥浆比重计、漏斗粘度计、气压失水仪、电热水器、电子天平、秒表。（2）实验项目名称：水泥浆常规性能测试（2学时、验证型）实验目的：掌握水泥浆（石）密度、流动度、失水量、初凝时间、终凝时间、抗压强度、渗透率、稠化时间参数测

27、定的基本原理、方法。讨论测量数据的准确性，分析产生误差的原因，了解测试数据与固并施工的关系，并与API标准进行对比。仪器设备：高速搅拌器、比重计、失水仪、稠化仪、恒温水浴、流动度测定仪、凝结时间测定仪、秒表。（3）实验项目名称：井控模拟演示试验（2学时、验证型）实验目的：使学生了解钻井压力控制的基本过程、基本装置、设备和井控程序，学生到现场后，能尽快将所学知识用于实际。弄清地层破裂压力试验、钻井过程中发生溢流的关井操作、起下钻过程中发生溢流的关井操作、起下钻时发生溢流的关并操作、空井时发生溢流的关井操作、司钻法压井、工程师法压井、超重泥浆法压井、空井压井（考虑井内有、无钻具的情况）的方法。仪器

28、设备：井控模拟试验装置、数据采集系统（数据转换、计算机）。2、实验课的考核办法以实验报告考核。5、考试、考核办法本课程考试成绩由两部分组成：平时成绩占30%、期末考试成绩占70%。1）平时成绩包括：（1）课后布置的平时作业。（2）上课回答问题。（3）不定期课堂测验。（4）实验报告成绩。2）期末闭卷考试：实行闭卷考试，按学校规定提供A卷和B卷。6、教材及参考书（一）教材钻井与完井工程, 陈平主编，北京，石油工业出版社（面向二十世纪课程教材），2005 （二）参考书（1） 实用钻井工程，Adams，北京，石油工业出版社，（2） 钻井工艺原理（上、中、下）. 刘希圣等编，北京，石油工业出版社，199

29、8（3） 定向井设计与计算，韩志勇 北京，石油工业出版社，1989（4） 现代完井工程. 万仁溥，北京，石油工业出版社，20007、其它1）课程网站2）与钻井与完井工程课程相关的专业网站（1） （2） （3） （4） （5） www.iadc.org（6） （7） （8） （9） （10） www.smithdrilling.co.za（11） （12） （13） （14） www.spe.org（15） 三、课程的重点、难点及解决办法 (1) 课程的重点、难点 课程包含有工程施工技术内容，突出了应用基础和设计理论与方法，体现了“突出重点，考虑未来”。注重内容的基础性、系统性、完整性和实用性。同时，突出理论