鉆井技術概要修改ppt課件

1、鉆井技術概要鉆井技術概要2021.3.鉆井技術概要提 綱鉆井史話鉆井工程目的、程序巖石物理力學性質鉆井參數(shù)及其優(yōu)化鉆井史話 我國是世界上最早開場進展鉆井我國是世界上最早開場進展鉆井的國家。最遲在公元前的國家。最遲在公元前1世紀，我世紀，我們的祖先已開場有組織地鉆井來采們的祖先已開場有組織地鉆井來采鹽水；提取地內的天然氣用于熄滅鹽水；提取地內的天然氣用于熄滅和照明。先民們用傳統(tǒng)的方法，于和照明。先民們用傳統(tǒng)的方法，于清道光清道光6年年1835年鉆成了第一年鉆成了第一口超口超1000m深的井，被結合國教科深的井，被結合國教科文組織認定為文組織認定為19世紀中葉前的鉆井世紀中葉前的鉆井世界紀錄。自世

2、界紀錄。自18351997年沿用年沿用傳統(tǒng)的方法裸眼采氣、竹管輸氣傳統(tǒng)的方法裸眼采氣、竹管輸氣累計產氣累計產氣1.4億億m。4鉆井史話 英國的李約瑟博士在英國的李約瑟博士在一書中以為，中國鉆探科一書中以為，中國鉆探科學技術對世界石油天然氣勘探開發(fā)技術學技術對世界石油天然氣勘探開發(fā)技術產生了宏大的啟蒙、奠基和推進作用，產生了宏大的啟蒙、奠基和推進作用，在國際上領先數(shù)百年至一千多年。被譽在國際上領先數(shù)百年至一千多年。被譽為是繼指南針、火藥、造紙、印刷術之為是繼指南針、火藥、造紙、印刷術之后的中國古代第五大發(fā)明。后的中國古代第五大發(fā)明。5鉆井史話 隨著工業(yè)技術的提高，破巖磨料及鉆探設備、工隨著工業(yè)技

3、術的提高，破巖磨料及鉆探設備、工具都在不斷的改良：具都在不斷的改良： 19世紀初葉，出現(xiàn)以碳化鎢為基體的硬質合金。世紀初葉，出現(xiàn)以碳化鎢為基體的硬質合金。 19世紀末期，美國在硬巖裂隙性巖石中運用世紀末期，美國在硬巖裂隙性巖石中運用鋼粒鉆進。鋼粒鉆進。 19531954年瑞典和美國年瑞典和美國GE公司合成了單晶人造公司合成了單晶人造金剛石，前蘇聯(lián)金剛石，前蘇聯(lián)1966年開場用人造金剛石鉆頭。我年開場用人造金剛石鉆頭。我國從國從20世紀世紀70年代末開場大批量消費人造金剛石鉆年代末開場大批量消費人造金剛石鉆頭。頭。6鉆井史話 鉆頭及切削具的改良7鉆井史話沖洗循環(huán)方式和沖洗介質的改良沖洗循環(huán)方式和

4、沖洗介質的改良 沖洗循環(huán)方式沖洗循環(huán)方式 全孔正循環(huán)；孔底部分反循環(huán)，全全孔正循環(huán)；孔底部分反循環(huán)，全孔孔 反循環(huán)；反循環(huán)； 孔底部分正循環(huán)節(jié)水鉆孔底部分正循環(huán)節(jié)水鉆井法井法 沖洗介質沖洗介質 泥漿；加重沖洗液；充氣沖洗液；泥漿；加重沖洗液；充氣沖洗液；乳化液；乳化液； 飽和鹽溶液；清水；冷的緊縮空氣飽和鹽溶液；清水；冷的緊縮空氣氣體氣體8鉆井史話 鉆井設備的改良表現(xiàn)為： 專業(yè)化、規(guī)范化、易搬遷、盡能夠的自動化； 井底動力安裝： 渦輪鉆進；沖擊潛孔錘回轉鉆進；螺桿鉆進；電鉆進； 柔性鉆桿、隨鉆定位安裝。 碎巖方式的探求。9鉆井工程目的、程序 鉆探井工程鉆探井工程 為采取巖礦樣品，探明礦產賦存形

5、狀和分布規(guī)律，為采取巖礦樣品，探明礦產賦存形狀和分布規(guī)律，或為實現(xiàn)其它地質和技術目的，利用專門的機械設或為實現(xiàn)其它地質和技術目的，利用專門的機械設備、工具和一整套工藝措施，在地殼內鉆鑿出圓柱備、工具和一整套工藝措施，在地殼內鉆鑿出圓柱形孔形孔(井井)的過程。的過程。 鉆井工程的總目的鉆井工程的總目的 以最低的本錢、高效的鉆出高質量的井眼。以最低的本錢、高效的鉆出高質量的井眼。 鉆探井的主要程序鉆探井的主要程序 破碎巖石；去除巖屑；維護孔壁；升降鉆具。即破碎巖石；去除巖屑；維護孔壁；升降鉆具。即兩個根本工序：鉆進、起下鉆。兩個根本工序：鉆進、起下鉆。定井位道路勘察根底施工安裝井架塔型井架搬遷(車

6、載鉆機方便)安裝設備及調試7. 一次開鉆二次開鉆鉆進起鉆換鉆頭下鉆13.完井、電 測14.下套管、固井鉆前施工鉆井施工完井施工鉆井工程目的、程序10巖石物理力學性質l 巖石物理力學性質巖石物理力學性質l 巖石的研磨性巖石的研磨性l 巖石的可鉆性巖石的可鉆性12巖石物理力學性質 鉆井的任務目的是破碎巖石、構成孔井。鉆井的任務目的是破碎巖石、構成孔井。要優(yōu)質、高效、低本錢的完成鉆井義務，就要優(yōu)質、高效、低本錢的完成鉆井義務，就必然要面對兩個根本問題：必然要面對兩個根本問題： 如何有效地破碎如何有效地破碎巖石？鉆井巖石？鉆井(孔孔)構成后，原始地壓失去了平衡，構成后，原始地壓失去了平衡，如何堅持和穩(wěn)

7、定井孔壁？它們均與巖石如何堅持和穩(wěn)定井孔壁？它們均與巖石的各種性質有親密的關系，對其有所了解是的各種性質有親密的關系，對其有所了解是必要的。必要的。13巖石物理力學性質 巖石是礦物顆粒的自然混合體。按成因可分巖石是礦物顆粒的自然混合體。按成因可分為巖漿巖、堆積巖和蛻變巖。為巖漿巖、堆積巖和蛻變巖。 巖漿巖巖漿巖 是內力地質作用的產物，是地殼深處是內力地質作用的產物，是地殼深處的巖漿沿地殼裂隙上侵占位或噴出地表冷凝而的巖漿沿地殼裂隙上侵占位或噴出地表冷凝而成。成分有相應礦物的晶體或玻璃質；成。成分有相應礦物的晶體或玻璃質； 堆積巖堆積巖 是母巖在地表條件下風化剝蝕的產物，是母巖在地表條件下風化剝

8、蝕的產物，經搬遷、堆積和硬結成巖等作用而構成的巖石。經搬遷、堆積和硬結成巖等作用而構成的巖石。組成堆積巖的物質成分有礦物碎屑顆粒和膠結組成堆積巖的物質成分有礦物碎屑顆粒和膠結物；物；14巖石物理力學性質 蛻變巖蛻變巖 是已有巖石在地殼中遭到高溫、高壓是已有巖石在地殼中遭到高溫、高壓及化學活動性流體的影響而蛻變構成的巖石。及化學活動性流體的影響而蛻變構成的巖石。除原巖礦物變晶外，還有蛻變巖特有的蛻變礦除原巖礦物變晶外，還有蛻變巖特有的蛻變礦物晶體，如石墨、滑石、蛇紋石、紅柱石、硅物晶體，如石墨、滑石、蛇紋石、紅柱石、硅灰?guī)r等?；?guī)r等。 組成巖石的礦物解理和巖石劈理、層理的發(fā)組成巖石的礦物解理和巖

9、石劈理、層理的發(fā)育程度及方向，礦物硬度、晶體構造等特征，育程度及方向，礦物硬度、晶體構造等特征，一定程度上決議著巖石抵抗外力的才干。一定程度上決議著巖石抵抗外力的才干。15巖石物理力學性質 造巖礦物和膠結物造巖礦物和膠結物 硬度大的礦物組成的巖石，強度及硬度硬度大的礦物組成的巖石，強度及硬度也較大。通常造巖礦物中石英含量愈多，也較大。通常造巖礦物中石英含量愈多，膠結物的強度愈大，礦物顆粒愈細，巖石膠結物的強度愈大，礦物顆粒愈細，巖石的強度愈大；粘土礦物愈多，巖石的硬度的強度愈大；粘土礦物愈多，巖石的硬度愈低。從硅質鐵質鈣質泥質膠結的愈低。從硅質鐵質鈣質泥質膠結的巖石，強度及硬度往往依次下降。巖

10、石，強度及硬度往往依次下降。16巖石物理力學性質 巖石的構造巖石的構造 構造是巖石的微觀組織特征，指組成巖石構造是巖石的微觀組織特征，指組成巖石的礦物成分、粒度、外形和礦物顆粒之間的連的礦物成分、粒度、外形和礦物顆粒之間的連結方式，反映了巖石非均質性和孔隙性。結方式，反映了巖石非均質性和孔隙性。 致密、膠結結實、空隙少的巖石，鞏固性致密、膠結結實、空隙少的巖石，鞏固性較好；構造疏松，薄弱多面、空隙多的巖石鞏較好；構造疏松，薄弱多面、空隙多的巖石鞏固性差。固性差。 巖石的鞏固性越高，鉆進就越困難；但越巖石的鞏固性越高，鉆進就越困難；但越利于井壁的穩(wěn)定性。利于井壁的穩(wěn)定性。 圖圖1 1 晶體構造類

11、型晶體構造類型圖2 膠結支撐類型巖石物理力學性質18巖石物理力學性質 巖石的構造巖石的構造 構造指巖石的宏觀特征，即組成巖石的礦構造指巖石的宏觀特征，即組成巖石的礦物間的相互關系，空間陳列等。如巖石的層理、物間的相互關系，空間陳列等。如巖石的層理、劈理、片理等，往往是巖石的弱面，反映了巖劈理、片理等，往往是巖石的弱面，反映了巖石的各向異性。石的各向異性。 層理之間的結合力較弱，在沿平行層理方層理之間的結合力較弱，在沿平行層理方向加壓時，巖石首先從層理面裂開；垂直于巖向加壓時，巖石首先從層理面裂開；垂直于巖石層理的抗壓強度大，平行層理面的抗壓強度石層理的抗壓強度大，平行層理面的抗壓強度小。小。巖

12、石物理力學性質 由于巖石的由于巖石的構造特征使巖構造特征使巖石的抗壓、抗石的抗壓、抗拉、抗剪、抗拉、抗剪、抗彎和變形特征彎和變形特征均存在各向異均存在各向異性。性。 堆積巖和蛻變巖堆積巖和蛻變巖的主要構造分別為的主要構造分別為層理和片理。層理和片理。巖石物理力學性質21巖石物理力學性質 巖石的自然性質巖石的自然性質 巖石的自然性質：巖石在生成過程巖石的自然性質：巖石在生成過程中，由構造變動和風化過程自然構成的特中，由構造變動和風化過程自然構成的特性。性。 密度：單位體積巖石的質量。密度：單位體積巖石的質量。容重：單位體積巖石的分量。容重：單位體積巖石的分量。 比重：單位體積巖石骨架的分量。比重

13、：單位體積巖石骨架的分量。巖石體積固相骨架體積巖石中孔隙巖石體積固相骨架體積巖石中孔隙體積。體積。 孔隙度：巖石中孔隙體積與巖石總體積孔隙度：巖石中孔隙體積與巖石總體積之比。之比。22巖石物理力學性質 普通而言，巖石的密度越大，強度也越普通而言，巖石的密度越大，強度也越大；孔隙度越大，裂隙越多，水對它的影響大；孔隙度越大，裂隙越多，水對它的影響就越大。如石灰?guī)r、泥巖，水浸后，強度和就越大。如石灰?guī)r、泥巖，水浸后，強度和硬度明顯下降。硬度明顯下降。 巖石的力學性質巖石的力學性質 巖石的力學性質是巖石在外力作用下巖石的力學性質是巖石在外力作用下表現(xiàn)出來的特性。主要有強度特性、外表表現(xiàn)出來的特性。主

14、要有強度特性、外表特性和變形特性。特性和變形特性。 強度特性：抗壓強度、抗拉強度、抗剪強度特性：抗壓強度、抗拉強度、抗剪強度和抗彎強度強度和抗彎強度 外表特性：硬度和研磨性外表特性：硬度和研磨性 變形特性：彈性、塑性和脆性變形特性：彈性、塑性和脆性巖石物理力學性質24 與機械碎巖方式相關的巖石力學性質主要有與機械碎巖方式相關的巖石力學性質主要有巖石的強度、硬度、彈性、脆性、塑性和巖石巖石的強度、硬度、彈性、脆性、塑性和巖石的耐磨性等。的耐磨性等。 巖石的強度是指巖石抵抗機械破壞的才干。巖石的強度是指巖石抵抗機械破壞的才干。根據(jù)外載性質的不同，可以有抗壓、抗拉、抗根據(jù)外載性質的不同，可以有抗壓、

15、抗拉、抗剪和抗彎強度等。抗拉強度抗彎強度抗剪剪和抗彎強度等?？估瓘姸瓤箯潖姸瓤辜魪姸瓤箟簭姸取姸瓤箟簭姸?。 影響巖石強度的要素：巖石的物質成份、構影響巖石強度的要素：巖石的物質成份、構造、構造；容重和孔隙度；巖樣的受力條件、造、構造；容重和孔隙度；巖樣的受力條件、應力形狀、載荷速度、線性尺寸、濕度和溫度。應力形狀、載荷速度、線性尺寸、濕度和溫度。巖石物理力學性質巖石物理力學性質26巖石物理力學性質 巖石的硬度：巖石外表對工具壓入的對抗巖石的硬度：巖石外表對工具壓入的對抗特性，單位：特性，單位：kg/cm。 影響巖石硬度的要素：巖石的礦物成分和影響巖石硬度的要素：巖石的礦物成分和構造、構造；應

16、力形狀、載荷速度；液體介構造、構造；應力形狀、載荷速度；液體介質、工具外形和尺寸。質、工具外形和尺寸。 巖石硬度與抗壓強度既有聯(lián)絡，又有區(qū)別。巖石硬度與抗壓強度既有聯(lián)絡，又有區(qū)別。硬度只是固體外表的部分對另一物體侵入的硬度只是固體外表的部分對另一物體侵入的阻力；而抗壓強度是巖石整體抗破壞的才干。阻力；而抗壓強度是巖石整體抗破壞的才干。可見，硬度更切合鉆進碎巖的實踐。層理對可見，硬度更切合鉆進碎巖的實踐。層理對硬度的影響與強度相反。水的浸入對巖石的硬度的影響與強度相反。水的浸入對巖石的硬度也有很大的影響。硬度也有很大的影響。巖石物理力學性質 巖石硬度的測定巖石硬度的測定 巖石抗壓入硬度為單向抗壓

17、強度的巖石抗壓入硬度為單向抗壓強度的1+2倍。測定壓入硬度實踐上使巖倍。測定壓入硬度實踐上使巖樣產生部分破碎樣產生部分破碎 (在多向受壓形狀下進展在多向受壓形狀下進展)。 常用的硬度測試方法有兩種：即壓常用的硬度測試方法有兩種：即壓入硬度和擺球硬度。入硬度和擺球硬度。27巖石物理力學性質壓入硬度壓入硬度擺球硬度擺球硬度2829巖石物理力學性質l巖石的研磨性：在用機械方法破碎巖石巖石的研磨性：在用機械方法破碎巖石的過程中，鉆頭與巖石產生延續(xù)的或延的過程中，鉆頭與巖石產生延續(xù)的或延續(xù)的接觸和摩擦。鉆頭破碎巖石的同時，續(xù)的接觸和摩擦。鉆頭破碎巖石的同時，其本身也遭到巖石的磨損而逐漸變鈍。其本身也遭到

18、巖石的磨損而逐漸變鈍。巖石磨損鉆頭的才干謂之研磨性。巖石磨損鉆頭的才干謂之研磨性。l影響巖石研磨性的要素：巖石的礦物成影響巖石研磨性的要素：巖石的礦物成分和構造、構造特征分和構造、構造特征(如巖石的礦物成分、如巖石的礦物成分、石英含量、顆粒大小和外形石英含量、顆粒大小和外形)、正壓力、正壓力、滑動速度以及巖石與工具摩擦外表的溫滑動速度以及巖石與工具摩擦外表的溫度、相對濕度、介質等。度、相對濕度、介質等。巖石物理力學性質 巖石研巖石研磨性丈量磨性丈量方法較多方法較多,而規(guī)程參而規(guī)程參數(shù)對其影數(shù)對其影響又很大響又很大,目前尚無目前尚無一致衡量一致衡量目的。右目的。右表為鋼桿表為鋼桿磨損丈量磨損丈量

19、法的分類法的分類表。表。30巖石物理力學性質 巖石的變形特性巖石的變形特性 彈性：固體卸載后，恢復原來形彈性：固體卸載后，恢復原來形狀的性能狀的性能. 塑性：當所加載荷卸去后，固體塑性：當所加載荷卸去后，固體堅持其變形的性能。堅持其變形的性能。 脆性：固體在載荷作用下不引起脆性：固體在載荷作用下不引起剩余變形的性能。脆性巖石的彈性剩余變形的性能。脆性巖石的彈性極限與強度極限很接近，外載荷到極限與強度極限很接近，外載荷到達巖石的彈性極限時，很快出現(xiàn)固達巖石的彈性極限時，很快出現(xiàn)固體的完全破碎。體的完全破碎。31巖石物理力學性質 影響巖石彈性、塑性和脆性的要素：巖影響巖石彈性、塑性和脆性的要素：巖

20、石的物質成分、構造、構造，應力形狀石的物質成分、構造、構造，應力形狀、載荷性質、受力條件，溫度和濕度等、載荷性質、受力條件，溫度和濕度等。脆性破壞脆性破壞塑脆性破壞塑脆性破壞 塑性破壞塑性破壞(彈性變形不明顯彈性變形不明顯)3233巖石物理力學性質 巖石不是理想的彈性體，不符合虎克定律。巖石不是理想的彈性體，不符合虎克定律。 組成巖石的礦物多不是塑性的，巖石的塑性組成巖石的礦物多不是塑性的，巖石的塑性變形主要是由礦物顆粒間沿界面滑動而引起變形主要是由礦物顆粒間沿界面滑動而引起的。巖石顆粒間相對滑移趨勢越強，孔隙度的。巖石顆粒間相對滑移趨勢越強，孔隙度和濕度越大，那么巖石的塑性越強。和濕度越大，

21、那么巖石的塑性越強。 常溫、常壓下，巖石在單軸壓力形狀下的塑常溫、常壓下，巖石在單軸壓力形狀下的塑性不明顯，但在復雜應力形狀以及一定溫、性不明顯，但在復雜應力形狀以及一定溫、壓條件下，巖石卻表現(xiàn)出明顯的塑性。壓條件下，巖石卻表現(xiàn)出明顯的塑性。34 可鉆性：鉆進過程中巖石抵抗破碎的程度，可鉆性：鉆進過程中巖石抵抗破碎的程度，亦即巖石被破碎的難易程度。是決議鉆進效率亦即巖石被破碎的難易程度。是決議鉆進效率的根本要素。的根本要素。 巖石可鉆性是個多變量的函數(shù)，不僅受控于巖石可鉆性是個多變量的函數(shù)，不僅受控于巖石的性質，而且與技術條件和鉆井參數(shù)有親巖石的性質，而且與技術條件和鉆井參數(shù)有親密的關系。如：

22、所鉆巖石的物理力學性質、破密的關系。如：所鉆巖石的物理力學性質、破碎巖石所采用的方法碎巖石所采用的方法( (破碎工具的構造、種類及破碎工具的構造、種類及質量，鉆井參數(shù)，井底破碎巖石的能量耗費質量，鉆井參數(shù)，井底破碎巖石的能量耗費) )、井底巖屑去除的能否干凈等。井底巖屑去除的能否干凈等。 巖石的可鉆性力學性質目的法力學性質目的法實踐鉆進速度法實踐鉆進速度法模擬鉆進速度法模擬鉆進速度法破碎比功法破碎比功法可鉆性分級方法可鉆性分級方法 可鉆性表示方法目前尚不一致，不同部門因所用的可鉆性表示方法目前尚不一致，不同部門因所用的鉆探設備、鉆進方法不同，而采用不同的表示方法：鉆探設備、鉆進方法不同，而采用不同的表示方法：地質勘探巖芯鉆探