鉆井工程復習資料

1、鉆井工程復習資料 石工11-10班鉆井工程緒論第一節(jié) 鉆井概述一、鉆井的概念鉆井：利用一定的工具和技術在地層中鉆出一個較大孔眼（井眼）的過程。二、鉆井的分類（一）按目的分類1.探井：為探明地下地質情況、獲取地下油氣資源分布及相應性質等方面資料而鉆的井。（1）區(qū)域探井：為了解地層年代、地層時序、巖性、厚度、生儲蓋組合，并為物探解釋提供參數而鉆的探井。（2）預探井：在確定含油氣有利構造的基礎上，以發(fā)現油氣藏為目的而鉆的探井。（3）詳探井：在已發(fā)現油氣構造上，為探明含油氣的面積和儲量，了解油氣層產能為目的而鉆的探井。2.開發(fā)井：以開發(fā)為目的，為了給已探明的地下油氣提供通道所鉆的井，或為了采用各種措施

2、使油氣被開采出來所鉆的井。（1）生產井：為完成產能任務和生產油、氣所鉆的井。（2）注入井：為提高油、氣井生產能力所鉆的井。（用于注水所鉆的井為注水井，用于注氣所鉆的井為注氣井。）（二）按幾何形狀不同分類1.直井：井口與井底在同一條鉛垂線上。2.定向井：井口與井底不在同一條鉛垂線上。（1）普通定向井：一個井場內僅鉆1口最大井斜角小于60°的定向井。（2）大斜度井：最大井斜角在60°80°范圍內的定向井。（3）水平井：最大井斜角大于或等于86°，并保持這種井斜角鉆完一定長度井段的井。（4）大位移井：水平位移/垂深>=2的定向井或水平井（或測深/垂深&g

3、t;= 2的定向井或水平井）。（5）叢式井：在一個井場（海洋平臺）上有計劃地鉆出兩口或兩口以上的定向井組，其中可含1口直井。（6）多底井（分支井）：一個井口下面有兩個或兩個以上井底的定向井。（三）按井深不同分類1.淺井：H<2500m。2.中深井 ：2500<H<4500m。3.深井：4500<H<6000m。4.超深井：H>6000m。（H為完鉆垂直井深）（深水鉆井：超過500m水深的海洋鉆井。超深水鉆井：大于1500m水深的海洋鉆井。）（四）按溫度和壓力的高低分類（1）高溫高壓井：按國際通用概念，地溫超過150度稱為高溫，地層壓力當量密度超過1.8g/c

4、m3或用超過70MPa井口裝置時稱高壓，兩者同時具備的井稱為高溫高壓井。（2）超高溫高壓井：井底溫度超過220度，井底壓力超過105MPa的井。第二節(jié) 鉆井方法一、概念鉆井方法：為了在地下巖層中鉆出所要求的孔眼而采用的鉆孔方法。二、分類（一）人工掘井（二）人力沖擊鉆井法（三）機械頓鉆鉆井法（沖擊鉆）（四）旋轉鉆井法1.概念：是靠動力帶動鉆頭旋轉，在旋轉的過程中對井底巖石進行破碎，同時循環(huán)鉆井液以清潔井底的鉆井方法。2.分類：分為轉盤鉆井、井下動力鉆具鉆井、頂部驅動鉆井。3.特點是：（1）破巖與清巖相接進行。（2）旋轉動力大，轉速高，破碎效率高。（3）設備復雜，起下鉆繁瑣。第三節(jié) 基本鉆井工藝過

5、程一、鉆前準備修公路、平井場、鉆井設備的搬運和安排、井口準備（打導管和鉆鼠洞）、備足鉆井所需要的各種工具、器材等。（大鼠洞：放方鉆桿和水龍頭；小鼠洞：接單根時存放鉆桿）二、鉆進鉆進是進行鉆井生產取得進尺的唯一過程。（一）第一次開鉆（一開）：從地面鉆出一個大井眼，然后下表層套管。（二）第二次開鉆（二開）：用較小一些的鉆頭繼續(xù)鉆進，若遇到復雜地層，用鉆井液難以控制時，便要下技術套管（中間套管）。（三）第三次開鉆（三開）：再用小一些的鉆頭往下鉆進，直到設計井深，下油層套管，進行固井、完井作業(yè)。（開鉆：每改變一次鉆頭尺寸，開始鉆一新井段的工藝叫開鉆）三、固井與完井（一）固井：固井即是在已鉆成的井眼內下

6、入套管，而后在套管與井眼間的環(huán)形空間內注入水泥漿，將套管和地層固結成一體的工藝過程。（二）完井：完井包括用特定的方法連通油、氣層和井筒，使用替噴或抽汲等方法誘導油、氣流進入井筒，然后進行油氣生產。第四節(jié) 其他概念1.接單根：向鉆柱上連接一根鉆桿，以便繼續(xù)鉆進，使井深不斷加深。2.起鉆：為了更換鉆頭，將井內鉆柱取出換下舊鉆頭。3.下鉆：換上新鉆頭后，重新將鉆柱下入井內。4.立柱：起下鉆時，為了提高效率，一般將三根鉆桿連接在一起作為一個單元，這一單元稱為立柱（立根）。（頂驅鉆進時，無接單根作業(yè)。一個立柱一個立柱的打。）5.懸重：鉆柱在泥漿中的總重量（不鉆進時的大鉤負荷）。6.鉆重（大鉤載荷）：鉆進

7、時的大鉤負荷。7.鉆壓：鉆進時鉆頭上作用的壓力。（鉆壓懸重鉆重）第一章 鉆井的工程地質條件第一節(jié) 地下壓力特性一、地下各種壓力的概念（一）靜液柱壓力（ph）1.概念：由液柱自身的重力所引起的壓力。2.公式：ph=0.00981H式中：ph，靜液柱壓力，MPa；，液體的密度，gcm3；H液柱的垂直高度，m。3.壓力梯度：單位高度或單位深度的壓力，單位MPam。4.靜液柱壓力梯度：Gh=phH=0.00981。（二）上覆巖層壓力（po）1.概念：地層某處的上覆巖層壓力是指該處以上地層巖石基質和巖石孔隙中流體總重力所產生的壓力。2.公式：po=基巖重力+流體重力面積po=0.00981H1-ma+p

8、o=0.00981oiHi （分段計算）式中：po，上覆巖層壓力，MPa；H，地層垂直深度，m；，巖石孔隙度，%；ma，巖石骨架密度，gcm3；，孔隙中流體的密度，gcm3；Hi，第i層段厚度，m；oi，第i層段平均密度，gcm3。3.上覆巖層壓力梯度：G0=poiHi=0.00981oiHiHi式中：G0，上覆巖層壓力梯度，MPam；poi，第i段上覆巖層壓力，MPa；Hi，第i層段厚度，m；oi，第i層段平均密度，gcm3。（三）地層壓力（pp）1.概念：指巖石孔隙中的流體所具有的壓力，也稱地層孔隙壓力。2.正常地層壓力：等于從地表到地下某處的連續(xù)地層水的靜夜壓力。（用Gp表示正常地層壓力

9、梯度：淡水，Gp=0.00981MPam；鹽水，Gp=0.0105MPam）3.異常地層壓力：地層壓力大于或小于正常地層壓力。（1）異常高壓：超過正常地層靜液壓力的地層壓力(pp>ph)稱為異常高壓。（2）異常低壓：低于正常地層靜液壓力的地層壓力(pp<ph)稱為異常低壓。4.地層壓力當量密度：指某一深度處地層壓力用等高度的鉆井液柱壓力來等效時，所需鉆井液的密度。（四）基巖應力（）1.概念：基巖應力是巖石顆粒間相互接觸支撐的那一部分上覆巖層壓力，亦稱有效上覆巖層壓力、骨架應力或顆粒間壓力。2.上覆巖層壓力、地層壓力和基巖應力之間的關系是：po=pp+（五）異常地層壓力的成因1.正常

10、地層壓力的形成：在地層的沉積過程中，隨著上覆沉積物不斷增多，地層逐漸被壓實，孔隙度減小，如果地層是可滲透的、連通的、地層中流體的流動不受限制（稱之為水力學開啟系統），地層孔隙中流體則隨著地層的壓實被排擠出去，建立起靜液壓力條件，形成正常壓力地層。2.異常地層壓力的成因（1）異常低壓產生原因：生產多年而又沒有壓力補充的枯竭油氣層。地下水位極低。（2）異常高壓產生原因：地層欠壓實作用:隨著地層的不斷沉積，上覆巖層壓力逐漸增大，假若該地層被不滲透的圍柵包圍（蓋層），則該地層孔隙中流體不能被排擠出去，其必然承受部分上覆巖層重力。結果是地層流體壓力升高，地層得不到正常壓實，孔隙度相對增大，巖石密度相對減

11、小，基巖應力相對降低，這種作用稱為欠壓實作用。地質構造作用:造成地層上升。如果在抬升過程中有某種因素限制了流體的運移，該地層就會由于深度因素而形成異常高壓。水熱增壓作用:溫度升高、流體膨脹。流體運移作用:流體運移效應包括鉆開的巖層與超壓層的聯通以及地層流體等勢面的差異造成的壓力異常。油田注水二、地層壓力評價（一）壓力預測1.概念：用鄰近井資料進行壓力預測，建立地層壓力剖面。2.壓力預測的方法：地震法、聲波時差法和頁巖電阻率法。3.聲波時差法（1）聲波在地層中的傳播特性：聲波傳播速度主要是孔隙度和巖性的函數。如果巖性為泥頁巖時，則聲波測井主要反映孔隙度的變化。正常壓實地層中：隨著井深的增加，巖石

12、密度增大，孔隙度減小，聲波的速度增大，聲波時差減小。異常高壓地層：由于前壓實作用，隨著井深的增加，巖石密度減小，孔隙度增加，聲波速度減小，聲波時差增大。（2）聲波時差與井深的關系式：lnt=lnt0-cH=a·H+b推導過程（不用背）：泥頁巖地層聲波時差與孔隙度之間關系：=t-tmtf-tm 1式中：，巖石孔隙度，%；t，地層的聲波時差，sm；tm，基巖的聲波時差，sm；tf，地層孔隙內流體的聲波時差，sm。正常沉積條件下，泥頁巖的孔隙度隨深度的變化規(guī)律為：=0e-cH 2式中：，泥頁巖的孔隙度，%；0，泥頁巖在地面的孔隙度，%；c，常熟；H，井深，m。由式（1）得，在地面的孔隙度為

13、：0=t0-tmtf-tm 3式中：t0，泥頁巖在地面的聲波時差。聯立（1）、（2）、（3）式得：t-tmtf-tm=t0-tmtf-tme-cH整理得：t-tm=t0-tme-cH在泥頁巖的巖性一定的情況下，tm也為一常熟，若tm=0，則：t=t0e-cH即：lnt=lnt0-cH=a·H+b（4）聲波時差法計算地層壓力的步驟：在聲波時差測井資料上選擇純泥頁巖層，以5m左右為間隔點在測井曲線上讀出井深和相應的聲波時差值，并在半對數坐標紙上描點。在已知的正常地層壓力井段，根據盡可能多的數據點引出聲波時差隨井深變化的正常趨勢線，并將其延伸至異常高壓井段。讀出某深度的實測聲波時差t和該深

14、度所對應的正常趨勢線上的聲波時差tn，并計算t-tn。在t-tn和Gp關系曲線上讀出t-tn所對應的Gp，用Gp乘以井深H，得其深度的地層壓力。（二）壓力檢測1.概念：根據所鉆井的實時數據進行壓力監(jiān)測，以掌握地層壓力的實際變化規(guī)律。2.dc指數法（1）賓漢鉆速模型：RN=a·WDd式中：R，鉆速，ftmin；N，轉盤轉速，rmin；W，鉆壓，lbs；D，鉆頭直井，in；a，巖性常數，無量綱；d，壓實指數，無量綱。（2）d指數（泥頁巖巖層）：d=logRNlogWD采用工程單位：d=log0.0547RNlog0.0684WD式中：R，鉆速，mh；N，轉盤轉速，rmin；W，鉆壓，kN

15、；D，鉆頭直井，mm。（3）dc指數：dc=dnd式中：n，正常地層水密度；d，所使用的鉆井液的密度。（4）基本原理：在正常壓實條件下，巖石強度隨井深增加而增強，若鉆井參數不變，機械鉆速隨井深增加而降低，泥巖段dc指數隨井深增加而增大；在異常壓力段，由于巖石中孔隙壓力的影響，不再遵循正常壓實的規(guī)律，鉆速隨孔隙壓力的增大而增大，dc指數則相應減小，偏離原來的正常趨勢線。3.dc指數法地層壓力檢測步驟（1）數據采集與整理；（2）dc指數的計算；（3）繪制曲線，回歸處理；（4）地層壓力計算4.聲波時差法和dc指數法的不足（1）水力參數、地層巖性、鉆頭類型、井底壓差等因素的變化都會引起機械鉆速的變化，

16、從而導致dc指數的變化。因此，dc指數法評價地層壓力存在較大的誤差。（2）聲波時差法和dc指數法只適用于泥頁巖地層（砂泥巖剖面），對于碳酸鹽巖地層，目前尚無合適的方法。三、地層破裂壓力（一）概念在井下一定深度出露的地層，承受流體壓力的能力是有限的，當液體壓力達到一定數值時會使地層破裂，這個液體壓力稱為地層破裂壓力。即：使地層發(fā)生破裂的最小井內液柱壓力。（二）影響地層破裂壓力大小的因素地層破裂壓力的大小取決于許多因素，如上覆巖層壓力、地層壓力、巖性、地層年代、埋藏深度以及該處巖石的應力狀態(tài)。（三）地層破裂壓力的預測方法伊頓法Gf=ppD+1-po-ppD=ppD+1-D（四）地層破裂壓力確定的現

17、場方法：液壓實驗法實驗步驟如下：1.循環(huán)調節(jié)泥漿性能，保證泥漿性能穩(wěn)定，上提鉆頭至套管鞋內，關閉防噴器。2.用較小排量0.661.32 L/s向井內注入泥漿，并記錄各個時期的注入量及立管壓力。3.做立管壓力與累計泵入量的關系曲線圖。4.從圖上確定各個壓力值漏失壓力為pL即開始偏離直線點的壓力，其后壓力繼續(xù)上升；壓力升到最大值即為開裂壓力pf；最大值過后壓力下降并趨于平緩，稱為傳播壓力pr；5.求地層破裂壓力當量密度ff=m+pL0.00981D式中：m，實驗用泥漿密度，gcm3；D，實驗井深，指套管下入深度，m。第二節(jié) 巖石的工程力學性質一、巖石的類型及特點（一）巖石的類型：巖漿巖、沉積巖、變

18、質巖（二）各向異性：如果物體的某一性質隨方向的不同而不同,則稱物體具有各向異性。（三）不均質性如果物體中不同部分的物理、化學性質不同，稱該物體是不均質的。二、巖石的工程力學性質（一）幾個概念1.彈性：巖石在外力作用下產生變形，外力撤銷后變形隨之消失，恢復到原來的形狀和體積的性質稱為彈性，相應的變形稱為彈性變形。2塑性：巖石在外力作用下產生變形，外力撤銷后變形不能完全恢復的性質。相應的殘余變形稱為塑性變形。3脆性：巖石在外力作用下變形很?。ㄐ∮?%）就發(fā)生破壞的性質。相應的破壞稱為脆性破壞。（二）巖石的強度1.概念：巖石在外力作用下達到破壞時的應力稱為巖石的強度，是巖石在一定條件下抵抗外力破壞的

19、能力。2.一般規(guī)律（1）在簡單應力條件下，大部分巖石都接近彈性脆性體，巖石的破壞表現為脆性破壞。（2）一般情況下：抗拉強度抗彎強度抗剪強度抗壓強度。 （3）垂直于地層層面方向的巖石強度平行于地層層面方向的巖石強度。（三）復雜應力條件下巖石的強度1. 常規(guī)三軸試驗：將巖樣放在一個高壓容器中，首先用液壓p使其四周處于三向均勻壓縮的應力狀態(tài)，然后保持此壓力（圍壓）不變，對巖樣進行縱向加載，直到使其破壞。2.一般規(guī)律：（1）巖石在三軸應力條件下的強度明顯增加。隨著圍壓的增大，巖石強度增大。 （2）隨著圍壓的增大，巖石由脆性向塑性轉變，且圍壓越大，巖石破壞前呈現的也塑性越大。巖石從脆性向塑性轉變的壓力（

20、圍壓）稱為臨界壓力。不同的巖石，臨界壓力不同。（四）巖石的硬度1. 概念：巖石的硬度是巖石抵抗其它物體表面壓入或侵入的能力。2. 硬度與抗壓強度區(qū)別：（1）前者只是固體表面的局部對另一物體壓入或侵入時的阻力，而后者則是固體抵抗固體整體破壞時的阻力。（2）前者反映巖石顆粒的硬度，其對鉆進過程中工具的磨損起重大影響；（3）后者反映巖石的組合硬度，其對鉆進時巖石破碎速度起重大影響。（五）巖石的脆性和塑性 1.按脆性和塑性將巖石分為三類：脆性巖石、塑性巖石和塑脆性巖石。 2.分類的標準：巖石在外力作用下，直至破碎而無明顯的形狀改變，這種情況稱為脆性的；在外力作用下，巖石只改變其形狀和大小而不破壞自身的

21、連續(xù)性，這種情況稱為塑性的；介乎于兩者之間的是塑脆性巖石。3.塑性系數：巖石破碎前耗費的總功與巖石破碎前彈性變形功的比值。三、井底各種壓力對巖石性質的影響（一）井眼周圍地層巖石的受力：上覆巖層壓力、巖石內孔隙流體的壓力、鉆井液液柱壓力、水平地應力。（二）巖石有效應力：'=-pp（三）各向壓縮效應：對干巖石，增大圍壓，巖石的強度、塑性都增大，稱為“各向壓縮效應”。四、巖石可鉆性與研磨性（一）巖石可鉆性1.概念：指巖石破碎的難易程度，可以理解為在一定的鉆頭規(guī)格、類型及鉆井工藝條件下巖石抵抗鉆頭破碎的能力。2.評價方法：微鉆頭實驗法為應用方便，常用Kd=log2t作為可鉆性指標，稱為可鉆性級

22、值?？摄@性級值越大，巖石越難破碎。（二）巖石的研磨性概念：巖石磨損鉆頭切削刃材料的能力稱為巖石的研磨性。鉆機簡介一、鉆機定義石油鉆井的地面配套設備稱為鉆機，石油鉆機是由多種機器設備組成的一套大功率重型聯合工作機組。二、鉆機的綜合功能：完成鉆進、接單根、起下鉆、循環(huán)洗井、下套管、固井、完井和處理井下事故等作業(yè)。三、鉆機的分類（一）鉆井深度1.大型鉆機：（1）超重型鉆機；（2）重型鉆機（3）；中型鉆機。2.輕型鉆機（二）動力設備1.柴油機驅動鉆機；2.直流電驅動鉆機；3.交流電驅動鉆機。（三）使用地區(qū)1.陸地鉆機；2.海洋鉆機。四、鉆機的組成及其功能（一）起升系統1.組成一般由井架、絞車、天車、游

23、車、大鉤、滾筒和鋼絲繩組成。2.功能（1）下放、懸吊或起升鉆柱、套管柱和其它井下設備進、出井眼；（2）起下鉆、接單根和鉆進時的鉆壓控制。（二）循環(huán)系統1.組成泥漿池（鉆機的“心臟”），泥漿泵，立管，水龍帶，分離裝置。2.功能（1）從井底清除巖屑；（2）冷卻鉆頭和潤滑鉆具。3.泥漿循環(huán)流程（三）旋轉系統1.組成轉盤，水龍頭，鉆頭，鉆柱。2.功能保證在鉆井液高壓循環(huán)的情況下，給井下鉆具提供足夠的旋轉扭矩和動力，以滿足破巖鉆進和井下其它要求。（四）驅動與傳動系統1.組成動力機，傳動部分；2.功能產生動力，并把動力傳遞給泥漿泵、絞車和轉盤。（五）氣控系統1.組成控制機構、傳輸管線和閥門、執(zhí)行機構（氣動

24、離合器等）以及壓氣機等。2.功能確保對整個鉆機各個工作機構及其部件的準確、迅速控制，使整機協調一致的工作。（六）井控系統1.組成防噴器組、節(jié)流管匯、壓井管線以及液、氣壓控制機構組成。2.功能控制井內的壓力，防止地層流體無控制地流入井中。五、鉆井八大件（十大件）天車，游車，大鉤，水龍頭，轉盤，絞車，泥漿泵，井架（柴油機、傳動裝置）。第二章 鉆進工具第一節(jié) 鉆頭一、概述（一）鉆頭類型1.按結構及工作原理分類：刮刀鉆頭、牙輪鉆頭、金剛石鉆頭（天然金剛石鉆頭、PDC鉆頭、TSP鉆頭）。2.按功用分類：全面鉆進鉆頭、取心鉆頭、擴眼鉆頭。（二）鉆頭尺寸系列 通常為：3-3/4 " 36 &quo

25、t;。常用尺寸：26 " 、171/2 " 、121/4 "、 81/2 "。（三）工作指標1.鉆頭進尺：在鉆頭壽命內，其鉆進的井段長度，單位為m。2.機械鉆速：用鉆頭的進尺除以純鉆進時間，即單位純鉆時間的鉆頭進尺，表示鉆頭破碎巖石的能力和效率，單位為m/h。（鉆頭壽命：在整個使用過程中，鉆頭在井下的純鉆時間（包括劃眼在已鉆出的井眼內旋轉送鉆、修整井壁的過程），單位為h）二、刮刀鉆頭（一）結構上鉆頭體、下鉆頭體、刀翼（刮刀片）、水眼。（二）刮刀鉆頭的工作原理1.工作原理刀翼在鉆壓作用下吃入巖石，并在扭矩作用下剪切 破碎巖石。2.破巖方式：以刮削、擠壓和剪

26、切為主。3.適用地層：松軟軟地層三、牙輪鉆頭（一）結構牙輪鉆頭由鉆頭體、牙爪（巴掌）、牙輪及牙齒、噴嘴、軸承、儲油潤滑密封系統等部分組成。1.牙輪：由合金鋼經過模鍛而成的錐體，錐面銑齒或鑲裝硬質合金齒，內腔有軸承跑道。 （1）單錐牙輪：主錐+背錐，硬地層。 （2）復錐牙輪（指牙輪由兩個或更多錐面的錐體組成）：主錐+副錐+背錐，軟到中硬地層。2.牙齒：（1）銑齒（鋼齒）在牙輪錐面上直接銑出，楔形。（2）鑲齒（硬質合金）鑲裝在牙輪錐面的齒孔中，有多種齒形適應不同地層。3.軸承：軸承有大軸承、中軸承、小軸承和止推軸承，共四副。根據軸承副的結構（主要承載軸承即大軸承），可分為兩大類：滾動軸承和滑動軸承

27、。4.儲油潤滑密封系統（既潤滑軸承，又防止鉆井液進入軸承）（1）結構：儲油潤滑補償系統；密封系統：橡膠密封圈、金屬密封圈。（2）工作原理： 儲油壓力補償系統（傳壓孔、壓力補償膜、油杯等）保持軸承腔內的油壓與井內鉆井液柱壓力相平衡。當軸承腔內油壓降低，儲油杯中的潤滑油在鉆井液柱壓力作用下補充到軸承腔內；當軸承腔內的油壓升高，則流入儲油杯。其中，有效密封是關鍵。4噴嘴：鉆井液流出鉆頭射向井底的流道。高壓鉆井液流經噴嘴后產生高速流動的水射流，清除井底巖屑，輔助破碎巖石。5.幾個概念（1）復錐：指牙輪由兩個或更多錐面的錐體組成。（2）超頂：牙輪的錐頂超過鉆頭的中心。（復錐產生超頂效果：主錐頂與鉆頭中心

28、重合， 復錐頂的延伸線是超頂的。） （3）移軸：牙輪的中心線與鉆頭的軸線不相交。6. 牙輪及牙齒的布置方式（1）布齒原則 轉一周牙齒全部破碎井底，不留下未被破碎的凸起； 牙輪在重復滾動時應使牙齒不落入別的牙齒的破碎坑內； 牙齒磨損均勻。（2）牙輪布置方案 非自洗無滑動布置：各牙輪牙齒齒圈不嵌合，單錐、不超頂，不移軸，用于硬地層； 自洗不移軸布置：各牙輪牙齒齒圈相互嵌合，副錐、超頂，不移軸，用于中硬地層； 自洗移軸布置：各牙輪牙齒齒圈相互嵌合，副錐、超頂，移軸，用于軟地層。（二）牙輪鉆頭工作原理1.牙輪鉆頭在井底的運動(1)公轉：牙輪隨鉆頭繞鉆頭軸線一起旋轉。（順時針）(2)自轉：牙齒繞牙輪軸線

29、作逆時針方向旋轉稱為自轉。(3)縱向振動：牙輪在滾動過程中，其中心上下波動，使鉆頭做上下往復運動。（引起縱向振動的原因：單、雙齒交替接觸井底，使牙輪中心上下波動；井底凹凸不平。）(4)滑動：牙齒相對于井底的滑動，包括徑向（軸向）和切向（周向）滑動。（牙輪滑動對破巖的作用：切向滑動剪切掉同一齒圈牙齒之間的巖石。（復錐、超頂）；軸向滑動剪切掉齒圈之間的巖石。（移軸）2.牙輪鉆頭的破巖作用（1）沖擊、壓碎作用：縱向振動產生的沖擊力和靜壓力（鉆壓）一起使牙齒對地層產生沖擊、壓碎作用，形成體積破碎坑。 （2）滑動剪切作用：牙輪牙齒的徑向滑動和切向滑動對井底地層產生剪切作用，破碎牙齒間或齒圈間巖石。（3）

30、射流的沖蝕作用：噴嘴噴出的高速射流對井底巖石產生沖蝕作用，輔助破碎巖石。（三）牙輪鉆頭的正確使用1. 根據地層合理選擇鉆頭類型，標準是每米鉆進成本最低。 地層較軟時：選用牙齒高度大并帶有超頂或移軸的鉆頭； 地層較硬時：選用牙齒高度小，無超頂或移軸的鉆頭； 2. 優(yōu)選鉆進參數：鉆壓、轉速、水力參數等。四、金剛石鉆頭（一）金剛石鉆頭的結構金剛石鉆頭為無活動部件的整體式鉆頭。由鉆頭體、冠部、水力結構（水眼及水槽、排屑槽）、保徑、切削齒組成。（對于用在研磨性較強地層的鉆頭都要增強鉆頭外徑部位的耐磨性，這種做法稱為保徑。保證井徑不致縮小的作用。）1.鉆頭體和冠部鉆頭體為鋼質材料體，上部車制絲扣和鉆柱連接

31、，下部與冠部胎體燒結在一起。胎體是鑲嵌金剛石的基體，為硬質合金材料，用粉末冶金技術燒結在鉆頭鋼體上。（鋼體金剛石鉆頭鉆頭體與冠部為一整體）2. 水力結構（水眼和水槽）鉆井液由水眼流出，經過水槽流過鉆頭表面，清洗井底，冷卻和潤滑金剛石。常用水力結構：逼壓式水槽，輻射型水槽，輻射型逼壓式水槽，螺旋形水槽。3.金剛石切削齒（1）金剛石的缺點： 脆性大，受沖擊載荷易碎裂； 具有熱敏性，高溫下（450以上）石墨化。（2）金剛石的種類：天然金剛石，人造金剛石單晶和聚晶。（3）熱穩(wěn)定聚晶金剛石鉆頭（TSP）：熱穩(wěn)定聚晶金剛石是用金剛石單晶微粉在高溫高壓下制成的。（TSP鉆頭的熱穩(wěn)定性、耐磨性和抗沖擊能力都高

32、于一般的金剛石鉆頭。適用于中至硬地層。）（二）金剛石鉆頭的正確使用1.適用于中至堅硬、研磨性地層，渦輪鉆井，深井鉆井，取心作業(yè)。壽命長，進尺高。 2.鉆頭下井前，井底打撈干凈，確保沒有金屬落物。 3.先用小鉆壓、低轉速跑合，然后用合適鉆壓和高轉速鉆進。 4.采用低鉆壓（30-50kN）、高轉速、大排量鉆進。五、PDC鉆頭（一）概念聚晶金剛石復合片鉆頭（Polycrystalline Diamond Compact Bit）簡稱PDC鉆頭，是將人造聚晶金剛石復合片鑲焊于鉆頭體上而成的一種新型切削型鉆頭。 （二）分類（按鉆頭體材料及切削齒結構）1.鋼體：鉆頭體用整塊合金鋼制成。切削齒鑲嵌在鉆頭體上

33、。2.胎體：冠部用鑄造碳化鎢燒結而成，燒結時在鉆頭工作面留下窩槽，切削齒焊接在窩槽里。（三）PDC鉆頭的結構特點1. 切削元件聚晶金剛石復合片（PDC）特點：PDC具有金剛石的硬度和耐磨性。弱點是熱穩(wěn)定性差，350以上加速磨損?？箾_擊能力較差。（四）PDC鉆頭破巖機理PDC主要以切削方式破碎巖石。（五）PDC鉆頭的正確使用1.PDC鉆頭適應于軟到中硬的大段均質地層，不適合鉆軟硬交錯的地層和礫石層。2.與牙輪鉆頭相比，PDC鉆頭宜采用低鉆壓、高轉速鉆進。3.鉆頭下井前，井底要清潔，無金屬落物，新鉆頭鉆進時，先用小鉆壓和低轉速磨合井底。4.PDC鉆頭屬于整體式鉆頭，無任何活動部件，適合高轉速的渦輪

34、鉆井。第二節(jié) 鉆柱一、鉆柱的作用與組成（一）鉆柱鉆柱是用各種接頭將方鉆桿、鉆桿和鉆鋌等部件連接起來組成的入井管柱，通常指鉆頭以上的鉆具。（二）鉆柱的作用1.提供鉆井液流動通道；2.給鉆頭提供鉆壓；3.傳遞扭矩；4.起下鉆頭；5.計量井深；6.觀察和了解井下情況（鉆頭情況、井眼狀況、地層情況）；7.進行其它特殊作業(yè)（取芯、擠水泥、打撈等）；8.鉆桿測試，又稱中途測試。（三）鉆柱的組成1.方鉆桿，鉆桿，鉆鋌，各種接頭等。2.鉆具連接滿足三個條件：尺寸相等，扣型相同，公母相配。3.基本鉆柱組合：鉆鋌配合接頭鉆桿配合接頭方鉆桿4.鉆柱的其它可選組件：穩(wěn)定器（提高鉆頭工作的穩(wěn)定性），振擊器（防止鉆具被卡

35、），減振器（減少鉆具的沖擊振動），螺桿，加重鉆桿。（四）鉆桿1.作用：傳遞扭矩和輸送鉆井液，延長鉆柱。2.結構：管體+接頭3.名義重量（線密度、線重）：在空氣中的重量，N/m。（五）鉆鋌 1.結構特點：管體兩端直接車制絲扣，不另加專門接頭；壁厚大（38-53毫米），重量大，剛度大。 2.主要作用：（1）給鉆頭施加鉆壓；（2）保證壓縮應力條件下的必要強度; （3）減輕鉆頭的振動、擺動和跳動等，使鉆頭工作平穩(wěn)； （4）控制井斜。 3.類型：光鉆鋌（圓形的，平滑的）、螺旋鉆鋌（有淺而寬的螺旋槽，減少與井壁的接觸面積，防止卡鉆）、扁鉆鋌。 （六）方鉆桿1.概念：位于鉆柱的最上端，其上部與水龍頭相接，下

36、部與鉆桿連接。2.作用：傳遞扭矩和承受鉆柱的全部重量。3.性能：具有較高的抗拉強度和抗扭強度。4.形狀：斷面為中空的正方形或六邊形，壁厚比一般鉆桿大三倍左右，而且由強度較大的優(yōu)質合金鋼制成。一般長度為1316米，比一般鉆桿長2米以上（避免接單根后方鉆桿不能進入轉盤面以下）。（七）穩(wěn)定器（扶正器）1.類型：剛性穩(wěn)定器、不轉動橡膠套穩(wěn)定器、滾輪穩(wěn)定器。 2.作用：（1）防斜，控制井眼軌跡；（2）提高鉆頭的工作穩(wěn)定性。二、鉆柱的工作狀態(tài)（一）起下鉆工況下整個鉆柱被懸掛起來，在重力的作用下，鉆柱受拉伸作用。1.直井：直的拉伸、滑動 2.斜井：隨井眼傾斜和彎曲，滑動。（二）正常鉆進工況下部分鉆柱（主要是

37、鉆鋌）的重量作為鉆壓施加在鉆頭上。上部鉆柱受拉伸，下部鉆柱受壓縮；在扭矩作用下旋轉。（下部鉆柱彎曲的原因：鉆壓的作用使下部鉆柱受壓縮，當壓力達到鉆柱的臨界壓力，鉆柱將失去直線穩(wěn)定狀態(tài)而發(fā)生彎曲并與井壁接觸（接觸點稱為切點）。壓力較大時可能發(fā)生多次彎曲。）（三）鉆柱的旋轉運動形式1.公轉：鉆柱象一個剛體，圍繞著井眼軸線旋轉并沿著井壁 滑動。 產生偏磨。2.自轉：彎曲鉆柱象一根柔性軸，圍繞自身軸線旋轉。均勻磨損，易發(fā)生疲勞破壞。3.公轉與自轉的結合：彎曲鉆柱圍繞井眼軸線旋轉，同時圍繞自身軸線轉動。4.縱向振動：鉆頭振動引起鉆柱的縱向振動，產生交變應力。 （振動周期和鉆柱本身固有的振動周期相同（或成

38、倍數），產生共振現象，稱“跳鉆”。）5.扭轉振動：井底對鉆頭旋轉的阻力不斷變化時，會引起鉆柱的扭轉振動，產生交變扭剪應力。6.橫向擺振：達到某一臨界轉速，鉆柱可能產生橫向無規(guī)則擺動，產生交變彎曲應力。三、鉆柱的受力分析（一）鉆柱的受力1.拉力：自重產生2.壓力：鉆壓產生3.浮力：鉆井液產生4.摩擦阻力：井壁及鉆井液對鉆柱的摩擦力 5.循環(huán)壓降產生的附加拉力：鉆柱內及鉆頭水眼上的壓力降6.起下鉆時產生的動載荷：速度變化（軸向力，井眼軸線方向）7.剪應力：扭矩作用8.彎曲應力：下部鉆柱產生彎曲變形9.離心力：鉆柱繞井眼軸線公轉10.外擠力：鉆桿測試 11.振動產生的交變應力 （二）鉆柱受力最嚴重的

39、部位1.井口斷面：拉力最大，扭矩最大（轉盤鉆）。2.下部受壓彎曲部分：交變軸向應力、彎曲應力、扭剪應力。3.中性點：拉壓交變載荷。（三）軸向力1.自重產生的軸向拉力（井內掏空時，空氣中）：F0=qpLp+qcLc2.浮重產生的軸向力：Fm=KBqpLp+qcLc=KBF0式中：KB，浮力系數，KB=1-ds；d，鉆井液密度；s，鋼材密度，7.8 gcm3。3.正常鉆進時的軸向力（1）直井：Fw=KBqpLp+qcLc-W（2）斜井：Fw=KBqpLp+qcLccos-W式中：，井斜角。（3）鉆柱軸向力的分布：上部鉆柱受拉伸作用，井口最大，向下逐漸減?。幌虏裤@柱受壓力作用，井底處最大； 在某一深

40、度處，軸向力為零。（四）中性點（中和點）1.概念：鉆柱上軸向力等于零的點。2.鉆柱的中性點高度（1）直井：LN=WqcKB（2）斜井：LN=WqcKBcos3.中性點特點：（1）設計鉆柱時要確保中性點始終落在鉆鋌上；（鉆鋌剛度大，抗彎能力強） （2）中性點附近鉆柱受交變應力作用，易疲勞破壞。四、鉆柱設計（一）鉆鋌長度的確定：1.浮重原則：鉆鋌的浮重不能小于鉆壓（鉆鋌的長度不能小于中性點高度） 即保持中性點始終處在鉆鋌上。保證在最大鉆壓時鉆桿不承受 壓縮載荷。2.計算公式：Lc=SNWmaxqcKBcos式中：Lc，鉆鋌長度，m；Wmax，設計的最大鉆壓，kN；SN，安全系數，一般取1.15 1

41、.25；qc，每米鉆鋌在空氣中的重力，kN/m；KB，浮力系數；，井斜角。第四章 鉆進參數的優(yōu)選概述一、影響鉆速的因素（一）不可變因素（調節(jié)可變因素適應之）指客觀存在、無法改變的因素，如：所鉆地層的巖石物理機械性質、儲層埋藏深度、地層壓力等。（二）可變因素（優(yōu)選、設計）指可人為選擇和改變的因素，如：地面機泵設備、鉆頭類型、鉆壓、轉速、泵壓、排量、鉆井液性能等。二、鉆進參數優(yōu)選指在一定的客觀條件下，根據不同參數配合時各因素對鉆進速度和鉆頭壽命的影響規(guī)律，采用最優(yōu)化方法，選擇合理的鉆進參數配合，使鉆進過程達到最優(yōu)的技術和經濟指標。（機械破巖參數：鉆壓、轉速；水力參數：噴嘴直徑、泵壓、泵排量。）第一

42、節(jié) 鉆進過程中各參數間的基本關系一、不同因素對鉆速的影響（一）鉆壓對鉆速的影響VpcW-W0式中：W0，門限鉆壓，它是ab線在鉆壓軸上的截距，認為是鉆頭牙齒剛開始吃入地層時的鉆壓，其值的大小主要取決于巖層性質，有較強的地區(qū)性。（二）轉速對鉆速的影響Vpcn式中：，轉速指數，一般小于1，數值大小主要與巖層性質有關。極軟地層 =1，隨巖石硬度的增大，值減小。（三）牙齒磨損對鉆速的影響Vpc11+C2h式中：C2，牙齒磨損系數，與鉆頭齒形結構和巖石性質有關；h，牙齒磨損量，h=s牙齒磨損掉高度H（原齒高），新鉆頭h=0 ；牙齒全部磨損時h=1 。（牙齒磨損級別8*h）（四）水力因素對鉆速的影響比水功

43、率：單位面積上的平均水功率。1.水力凈化井底井底比水功率越大，凈化程度越好，鉆速越快。CH=VpcVpcs=PPs式中：CH，水力凈化系數，小于或等于1，井底完全凈化后，隨著水功率進一步提高，鉆速不會再由于凈化；Vpcs，凈化完善時的鉆速；P，實際比水功率；Ps，凈化完善時所需的比水功率。 的原因而提高。 2.水力輔助破巖井底比水功率越大，輔助破巖能力越強，鉆速越快。（原因：水力破巖作用使得門限鉆壓降低。）（五）鉆井液性能對鉆速的影響1.鉆井液密度對鉆速的影響（1）壓持效應：鉆井液密度越大，井內液柱壓力越大，在井內液柱壓力大于地層孔隙壓力的情況下，產生一個正壓差。在正壓差作用下，井底巖屑難以離

44、開井底，造成重復破碎現象，鉆速降低。（2）壓差影響井底壓差與鉆速的關系Vpc=Vpcoe-p（3）壓差影響系數：Cp=e-p=VpcVpco式中：Vpco，零壓差時的鉆速；。p，壓差；，與巖性有關的系數。2.鉆井液粘度對鉆速的影響鉆井液粘度增大，鉆柱內外壓耗增大，在泵壓一定時鉆頭壓差減小，鉆頭水功率減小，清巖和破巖能力降低，鉆速下降。3.鉆井液固相含量對鉆速的影響鉆井液固相含量增大，機械鉆速降低。4.鉆井液分散性（固相顆粒的分散程度）對鉆速的影響分散性鉆井液比不分散性鉆井液鉆速低。（為了提高鉆速，應盡可能采用的鉆井液為：低密度、低粘度、低固相、不分散體系鉆井液。）二、鉆速方程Vpc=KRW-M

45、n11+C2hCpCH式中：Vpc，鉆速，m/h；KR，地層可鉆系數，與地層巖石的機械性質、鉆頭類型及鉆井液性能等因素有關；W，鉆壓，kN；M，門限鉆壓，kN；n，轉速，r/min；，轉速系數；C2，牙齒磨損系數，；h，牙齒磨損量；Cp，壓差影響系數；CH，水力凈化系數；三、影響鉆頭壽命的主要因素（一）鉆壓對牙齒磨損速度的影響dhdt1Z2-Z1W式中：Z1、Z2，鉆壓影響系數，Z2Z1稱為極限鉆壓。（二）轉速對牙齒磨損速度的影響dhdta1+a2n3式中：a1、a2，由鉆頭類型決定的系數（表4-2，P131）。（三）牙齒磨損狀況對牙齒磨損速度的影響dhdt11+C1h式中：C1，牙齒磨損減慢

46、系數。四、牙齒磨損方程dhdt=Afa1+a2n3Z2-Z1W1+C1h式中：Af，地層研磨性系數。五、軸承磨損方程dBdt=1bW1.5n式中：b，軸承工作系數。第二節(jié) 鉆進參數優(yōu)選（一）每米鉆井成本C=Cb+Crt+trH式中：C，每米鉆井成本，元/米；Cb，鉆頭成本，元/只；Cr，鉆機作業(yè)費，元/h；tr，起下鉆、接單根時間，h；t，鉆頭工作時間，h；H，鉆頭總進尺，m。第三節(jié) 水力參數優(yōu)化設計一、噴射鉆井的概念采用大功率的泥漿泵和可以產生高速射流的鉆頭噴嘴，使高壓鉆井液流過噴嘴時產生高速流動的水射流，給井底以很大的沖擊力。把巖屑及時的沖離井底，并輔助破碎巖石，該技術稱為噴射鉆井技術。二

47、、噴射式鉆頭的水力特性（一）射流及其對井底的作用1.鉆頭噴嘴射出的射流為淹沒非自由連續(xù)射流。2.井底漫流：射流撞擊井底后受井底限制，鉆井液從沖擊中心向四周高流速作橫向流動，形成漫流。3.射流對井底的清洗作用（1）射流的沖擊壓力作用射流沖擊井底后形成的沖擊壓力極不均勻(射流作用中心壓力最高，離開中心壓力急劇下降)，極不均勻的沖擊壓力使巖屑受到一個翻轉的力矩，從而離開井底。（2）漫流的橫推作用射流沖擊井底后形成的漫流是一層很薄的高速液流（高速漫流），對井底巖屑產生一個橫向推力，使其離開原來的位置。4.射流對井底破巖作用 （1）在巖石強度較低的地層，射流的沖擊力超過了地層的破碎強度，直接破碎巖石。（

48、2）在巖石強度較高的地層，射流擠入巖石中由鉆頭機械力造成的微裂紋和微裂縫內，形成“水楔”，使微裂紋和裂縫擴展，從而大大降低巖石的破碎強度。（二）射流水力參數1.射流噴射速度；2.射流沖擊力；3.射流水功率。（三）鉆頭水力參數1.鉆頭壓力降；2.鉆頭水功率。三、水功率傳遞的基本關系壓力分配：ps=pg+pst+pan+pb式中：ps，鉆井泵壓力；pg，地面管匯壓耗；pst，鉆柱內壓耗；pan，環(huán)空壓耗；pb，鉆頭壓降；pg+pst+pan，循環(huán)系統壓耗。四、提高鉆頭水力參數的途徑1、提高泵壓ps和泵功率Ns；2、降低循環(huán)壓耗系數KL；（1）使用低密度鉆井液；（2）減小鉆井液粘度；（3）適當增大管

49、路內徑（影響最大）。3、增大鉆頭壓降系數Kb；4、優(yōu)選排量Q。五、鉆井泵的工作特性（一）鉆井泵的性能參數1.額定功率鉆井泵的最大輸出功率，kW；2.額定泵壓所用缸套的允許工作壓力，MPa；3.額定排量在額定功率和額定泵壓時的排量，L/s；4.額定泵沖額定排量時的泵沖數，次分鐘。（額定功率、額定泵壓和額定排量關系：Nr=prQr）（二）鉆井泵的工作狀態(tài)1.額定泵壓工作狀態(tài)：QQr，ps=pr，NsNr2.額定功率工作狀態(tài)：Q>Qr，Ns=Nr，ps<pr只有當泵排量等于額定排量時，鉆井泵才能同時達到額定輸出功率和額定泵壓，因此，應盡量選用額定排量與實際排量相近的缸套。（三）獲得最大鉆

50、頭水功率的條件噴嘴直徑與臨界井深的關系：1.當DDPc時，噴嘴直徑應隨井深的增加而逐漸增大。2.當DPc<DDPs時，噴嘴直徑應隨井深的增加而逐漸減小。3.當時D>DPa，噴嘴直徑應隨井深的增加而逐漸增大。DPc，第一臨界井深；DPa，第二臨界井深。（四）水力參數優(yōu)化設計的步驟舉升效率：Ks=vsva=va-vHva=1-vHva式中：Ks，巖屑舉升效率，無因此；va，鉆井液環(huán)空反速；vs，巖屑在環(huán)空的實際上反速度；vH，巖屑下滑速度。第五章 井眼軌跡設計與軌跡控制概述一、基本概念（一）井眼軌道一口井開鉆之前，預先設計的井眼軸線形狀。（二）井眼軌跡一口井實際鉆成后的井眼軸線形狀。第

51、一節(jié) 井眼軌跡的基本概念一、軌跡的圖示方法（一）三維坐標法：X、Y、Z（二）柱面圖示法垂直剖面圖（柱面展開圖）：經過井眼軌跡上每一個點作一條鉛垂線，這些鉛垂線構成了一個曲面，稱為柱面。將此柱面展開到一個平面上，就形成了垂直剖面圖。水平投影圖：俯視圖。將井眼軌跡這條空間曲線投影到井口所在的水平面上，形成水平投影圖。（三）投影圖示法水平投影圖：俯視圖。將井眼軌跡這條空間曲線投影到井口所在的水平面上，形成水平投影圖。垂直投影圖：側視圖。將井眼軌跡這條空間曲線投影到設計方位線所在的鉛垂面（即：井口和目標點所在的鉛錘面）。二、軌跡的基本參數（一）井深（斜深、測深）1.定義：井口（通常以轉盤面為基準）至測

52、點的軌跡長度。以字母Dm表示 ，單位為米（m）。2.井深增量（井段長度）：下測點井深與上測點井深之差。以Dm表示。（二）井斜角（）1.概念：指井眼方向線與重力線之間的夾角。單位為（度）。2.井眼方向線：過井眼軸線上某測點作井眼軸線的切線，該切線向井眼前進方向延伸的部分稱為井眼方向線。3.井斜角增量（）：下測點井斜角與上測點井斜角之差。（三）井斜方位角（方位角）（）1.概念：在水平投影圖上，以正北方位線為始邊，順時針方向旋轉到井眼方位線上所轉過的角度。2.井眼方位線（井斜方位線）：某測點處的井眼方向線在水平面上的投影。3.井斜方位角增量（）：下測點的井斜方位角與上測點的井斜方位角上之差。三、軌跡

53、的計算參數（一）垂直深度（D）（垂深）軌跡上某點至井口所在水平面的垂直距離。（二）水平位移（Lp）（平移） 軌跡上某點至井口所在鉛垂線的水平距離（或：在水平投影面上，軌跡上某點至井口的直線距離）。（國外：將水平位移稱為閉合距；國內：將完鉆時的水平位移稱為閉合距。）（三）平移方位角（）1.概念平移方位線所在的方位角。2.平移方位線：在水平投影面上，井口至軌跡上某點的連線。（國外：將平移方位角稱作閉合方位角；國內：指完鉆時的平移方位角為閉合方位角。）（四）視平移（V）水平位移在設計方位線上的投影長度。（五）水平投影長度（水平長度、平長） ：井眼軌跡上某點至井口的軌跡長度在水平面上的投影，即井深在水

54、平面上的投影長度。 （六）N坐標和E坐標：井口為原點；南北坐標軸，以正北方向為正；東西坐標軸，以正東方向為正。（七）井眼曲率（K）1.概念：指單位井眼長度內井眼全角的變化值，通常也叫狗腿嚴重度。2.狗腿角（全角變化）：對于一個側段（或井段）來說，上、下二測點處的井眼方向線之間的空間夾角。3.公式：K=30DmLubinski公式：cos=cosAcosB+sinAsinBcosB-A第三節(jié) 直井防斜技術一、井斜的原因（一）地質因素地層傾斜和地層可鉆性不均勻兩個方面1.地層可鉆性各向異性因素2.地層可鉆性的縱向變化3.地層可鉆性的橫向變化（二）鉆具因素主要原因是鉆具的傾斜和彎曲：（導致鉆具傾斜和彎曲的原因：鉆具和井眼有一定的間隙；鉆壓的作用，鉆柱受壓靠近井壁或發(fā)生彎曲（“輕壓吊打”）；