鉆井工程 復習

1、靜液壓力由液柱自身的重力所引起的壓力靜液壓力梯度單位深度的液柱壓力稱為靜液壓力梯度上覆巖層壓力地層某處的上覆巖層壓力是該處以上地層（包括巖石基質(zhì)和巖石孔隙中流體）總重力所產(chǎn)生的壓力。地層壓力指巖石孔隙中的流體所具有的壓力，也稱地層孔隙壓力由巖石顆粒間相互接觸支撐的那一部分上覆巖層壓力，稱為基巖應(yīng)力上覆巖層壓力由巖石骨架和孔隙中的流體共同承擔，因此上覆巖層壓力、地層壓力和基巖應(yīng)力之間存在以下關(guān)系： 當po一定時，減小，pp增大，0，pp po。所以，地層的孔隙壓力增大，基巖應(yīng)力必然減小。正常地層壓力的形成: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

2、、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(tǒng)），地層孔隙中的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。異常高壓的成因：在地層被不滲透的圍柵包圍，流體被圈閉在地層的孔隙空間內(nèi)不能自由流通（稱之為水力學封閉系統(tǒng)）的條件下，隨著地層的不斷沉積，上覆巖層壓力逐漸增大，而圈閉在地層孔隙內(nèi)的流體排不出去，必然承受部分上覆巖層重力。結(jié)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，巖石密度相對減小，基巖應(yīng)力相對降低。這種作用稱為欠壓實作用。在正常地層壓力條件下，若巖性和鉆井條件不變，機械鉆速隨井深增加而減小，則d指數(shù)隨井深增加而增大。鉆遇異常高壓層，由于地層

3、欠壓實，機械鉆速增大，d指數(shù)則相對減小。地層破裂壓力 ：某深度處地層破裂時所能承受的液體壓力稱為該處地層的破裂壓力巖石在三軸應(yīng)力條件下的強度明顯增加。隨著圍壓的增大，巖石強度增大。 隨著圍壓的增大，巖石由脆性向塑性轉(zhuǎn)變，且圍壓越大，巖石破壞前呈現(xiàn)的塑性越也大。巖石從脆性向塑性轉(zhuǎn)變的壓力（圍壓）稱為臨界壓力。巖石的硬度：巖石抵抗其它物體表面壓入的能力。強度巖石在外力作用下發(fā)生破壞時的最大應(yīng)力塑性系數(shù)：塑性系數(shù):表征巖石塑性和脆性大小的參數(shù)。巖石的強度：巖石在外力作用下發(fā)生破壞時的最大應(yīng)力。巖石可鉆性：巖石可鉆性可理解為巖石破碎的難易性，它反映了是巖石抵抗鉆頭破碎的能力牙輪鉆頭在井底的運動：1公轉(zhuǎn)

4、：牙輪隨鉆頭一起旋轉(zhuǎn)。2 自轉(zhuǎn)：牙齒繞牙輪軸線作逆時針方向旋轉(zhuǎn)稱自轉(zhuǎn)。 3滑動：牙輪齒相對于井底的滑移，包括徑向（軸向）和切向(周向)滑動。 4縱向振動：牙輪在滾動過程，其中心上下波動，使鉆頭做上下往復運動引起滑動的原因： 超頂和復錐引起切向（周向）滑動 移軸引起徑向（軸向）滑動 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 牙輪鉆頭的破巖作用：（1）沖擊、壓碎作用：縱向振動產(chǎn)生的沖擊力和靜壓力（鉆壓）一起使牙齒對地層產(chǎn)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(chǎn)生剪切作用， 破碎齒間巖石。 （3）射流的沖蝕

5、作用 ：由噴嘴噴出的高速射流對井底巖石產(chǎn)生沖蝕作用，輔助破碎巖石。 國產(chǎn)三牙輪鉆頭分類、型號表示法 ：用于中硬地層、直徑為81/2”(215.9mm)的鑲齒滑動密封軸承噴射式三牙輪鉆頭的型號為： 81/2” HP5或215.9HP5。金剛石鉆頭的破巖機理：概括地講，金剛石鉆頭以磨削（研磨）方式破碎巖石，類似于砂輪磨削金屬的過程：在塑性地層中：如泥巖、泥質(zhì)砂巖、石膏等，以切削作用破碎巖石，類似于金屬的切削過程。 在脆性地層中：如石英砂巖等，金剛石破碎巖石的特點主要表現(xiàn)為脆性體積破碎，破巖效率高。 在堅硬巖石中：如燧石、硅質(zhì)白云巖、硅質(zhì)石灰?guī)r等，一般用孕鑲鉆頭鉆進，金剛石以微切削、刻劃方式破碎巖石

6、。 PDC鉆頭：聚晶金剛石復合片鉆頭PDC鉆頭破巖機理：1PDC鉆頭主要以切削方式破碎巖石。 2 切削刃在鉆壓作用下吃入地層，刃前巖石在旋轉(zhuǎn)力作用下 3發(fā)生剪切破壞。 切削塑性巖石和脆性巖石的過程類似于刮刀鉆頭。由于多個 切削齒同時工作，井底巖石自由面多，因此破巖效率高。 4金剛石切削刃耐磨性高，鉆頭壽命長，單只鉆頭進尺高。 鉆柱的作用：(1)提供鉆井液流動通道(2)給鉆頭提供鉆壓(3)傳遞扭距 (4)起下鉆頭(5)計量井深(6)觀察和了解井下情況（鉆頭工作情況、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。 鉆柱的旋轉(zhuǎn)運動形式：(1)自轉(zhuǎn)(2

7、)公轉(zhuǎn)(3)公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)的結(jié)合（4） 縱向振動鉆頭振動引起，產(chǎn)生交變應(yīng)力。（5）扭轉(zhuǎn)振動由井底對鉆頭旋轉(zhuǎn)阻力的變化引起，產(chǎn)生交變扭剪應(yīng)力。（6）橫向擺振達到某一臨界轉(zhuǎn)速，可能產(chǎn)生無規(guī)則擺動，產(chǎn)生交變彎曲應(yīng)力。中性點：鉆柱上軸向力等于零的點鉆井液的定義：鉆井時用來清洗井底并把巖屑攜帶到地面、維持鉆井操作正常進行的流體稱為鉆井液或洗井液。 鉆井液的功用：1攜巖 2冷卻和潤滑鉆頭及鉆柱 3造壁，維持井壁穩(wěn)定 4控制地層壓力 5. 懸浮鉆屑和加重材料，防止下沉 6. 獲得地層和油氣資料 7. 傳遞水功率 鉆井液的濾失和造壁過程：鉆井液中的液體(剛開始也有鉆井液)在壓差的作用下向地層內(nèi)滲濾的過程稱為鉆井液

8、的濾失。 鉆井液中的固相顆粒附著在井壁上形成濾餅的過程稱為造壁過程。 影響鉆速的主要因素：1.鉆壓對鉆速的影響，2.轉(zhuǎn)速對鉆速的影響，鉆速隨轉(zhuǎn)速的增大而增大，并呈指數(shù)關(guān)系變化。3.牙齒磨損對鉆速的影響，隨著鉆頭牙齒的磨損，鉆頭工作效率明顯下降，鉆速下降。4.水力因素對鉆速的影響，（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。 （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。 5.鉆井液性能對鉆速的影響，（1）鉆井液密度對鉆速的影響 鉆井液密度越大，井內(nèi)液柱壓力越大。造成重復破碎現(xiàn)象，鉆速降低。（2）鉆井液粘度對鉆速的影響間接影響在一定的地面功率條件下，鉆井液粘度

9、增大，將會增大環(huán)空壓降，使井底壓差增大，鉆速降低； 鉆井液粘度增大，鉆柱內(nèi)壓耗增大， 在泵壓一定時鉆頭壓降減小，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）鉆井液分散性對鉆速的影響 分散性鉆井液比不分散性鉆井液的鉆速低；鉆井液中小于1m的固體顆粒越多，對鉆速的影響越大。 鉆速方程（修正楊格模式）vpc 鉆速,m/h； W 鉆壓,kN； M 門限鉆壓,kN； n轉(zhuǎn)速,r/min 轉(zhuǎn)速指數(shù)； C2牙齒磨損系數(shù)； CH 水力凈化系數(shù)； Cp壓差影響系數(shù)； h 牙齒磨損相對高度； KR 地層可鉆系數(shù)，與地層巖石的機械性質(zhì)、鉆頭

10、類型以及 鉆井液性能等因素有關(guān)。射流是指通過管嘴或孔口過水斷面周界不與固體壁接觸的液流。射流中心部分保持初始速度流動的流束，稱為射流等速核。等速核長度與噴嘴直徑和流道形狀有關(guān)射流對井底的清洗作用：（1）射流的沖擊壓力作用（2）漫流的橫推作用 提高鉆頭水力參數(shù)的主要途徑： 1. 提高泵壓ps和泵功率Ns2. 降低循環(huán)壓耗系數(shù)Kl （1）使用低密度鉆井液（2）減小鉆井液粘度 （3）適當增大管路直徑 3. 增大鉆頭壓降系數(shù)Kb 唯一有效的途徑是減小噴嘴直徑。 4. 優(yōu)選排量Q 井眼軌道：一口井開鉆之前，預先設(shè)計的井眼軸線形狀。 軌跡的三個基本參數(shù)：井深、井斜角和井斜方位角井斜角()：指井眼方向線與重

11、力線之間的夾角。井斜方位角：在水平投影圖上，以正 北方位線為始邊，順時針方 向旋轉(zhuǎn)到井眼方位線上所轉(zhuǎn) 過的角度。 井眼方位線：某測點處的井眼方向線 在水平面上的投影。 水平位移（平移）：軌跡上某點至井口所在鉛垂線的距離（或：在水平投影面上，軌跡上某點至井口的距離）。滿眼鉆具組合基本原理：增大下部鉆具組合的尺寸和剛度，近似“填滿井眼”，防止鉆柱彎曲和傾斜。鐘擺鉆具組合控制井斜：在下部鉆柱的適當位置安裝一個扶正器，當發(fā)生井斜時，該扶正器支撐在井壁上形成支點，使下部鉆柱懸空。則該扶正器以下的鉆 柱就好象一個鐘擺，產(chǎn)生一個鐘擺力。鉆頭在此鐘擺力的作用下切削下井壁。從而 使新鉆的井眼 不斷降斜。 平衡壓

12、力鉆井：在有效地控制地層壓力和維持井壁穩(wěn)定的前提下，盡可能降低鉆井液密度，使鉆井液液柱壓力剛好平衡或略大于地層壓力，達到解放鉆速和保護油氣層的目的。這種鉆井方法稱為平衡壓力鉆井。 欠平衡壓力鉆井：在井底有效壓力低于地層壓力的條件下進行鉆井作業(yè)。在井下，允許地層流體進入井內(nèi)；在井口，利用專門的井控裝置對循環(huán)出井的流體進行控制和處理。井侵：當?shù)貙涌紫秹毫Υ笥诰讐毫r，地層孔隙中流體（油、氣、水）將侵入井內(nèi)，通常稱之為井侵。壓井目的恢復井眼與地層之間的壓力平衡，使井內(nèi)泥漿液柱壓力不低于地層孔隙壓力。在整個壓井過程中，通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥的開啟度始終保持井底壓力稍大于地層壓力。-井底常壓原則。司鉆法（二次

13、循環(huán)壓井法） 發(fā)現(xiàn)溢流關(guān)井后，先用原鉆井液循環(huán)一周排除井內(nèi)受污染鉆井液。然后用配制好的重鉆井液進行第二次循環(huán)，建立地層-井眼系統(tǒng)的壓力平衡。 工程師法（一次循環(huán)壓井法，等待加重法） 關(guān)井等侯配制壓井重鉆井液，然后開啟節(jié)流閥并開泵注入壓井液；在一個循環(huán)周內(nèi)用重泥漿將原來鉆井液替出，恢復地層-井眼系統(tǒng)的壓力平衡。典型鉆柱的設(shè)計舉例（1）設(shè)計參數(shù) 井深:5000m; 井徑:215.9mm(8-1/2in); 鉆井液密度:1.2g/cm3; 鉆壓:180kN; 井斜角:3; 拉力余量:200kN(本例假設(shè)); 卡瓦長度:406.4mm; 安全系數(shù)：1.30(本例假設(shè))。 （2）鉆鋌選擇： （1）選用外

14、徑158.75mm(6-1/4in)、內(nèi)徑57.15mm(2-1/4in)鉆鋌，每米重力qc=1.35kN/m。 （2）計算鉆鋌長度: 式中: Wmax最大鉆壓,180 kN; SN安全系數(shù),取 =1.18; qc每米鉆鋌在空氣中的重力,1.35 kN/m； KB浮力系數(shù),計算得 KB=0.85; 井斜角, =3。 計算得：LC=1801.18/1.350.85cos3=185(m) 按每米鉆鋌10m計，需用19根鉆鋌,總長190m。 （3）選擇第一段鉆桿（接鉆鋌） 選用外徑127mm、內(nèi)徑108.6mm，每米重284.69N/m，E級新鉆桿，最小抗拉載荷=1760KN。 最大長度計算: 最大

15、安全靜拉載荷為: Fa1=0.9Fy /St=0.91760/1.30=1218.46(kN) Fa1=0.9Fy /(y /t) =0.91760/1.42=1115.49(kN) Fa1=0.9Fy -MOP =0.91760-200=1384(kN) 由上面的計算可以看出,按卡瓦擠毀比值計算的最小，則第一段鉆桿的許用長度為： L1=Fa1/qp1K-qcLc/qp1 =1115.49/284.6910-30.856-1901.35/284.6910-3=3675(m) （4）選擇第二段鉆桿 選用外徑127mm,內(nèi)徑108.6mm，每米重284.69N/m，X-95級新鉆桿， 最小抗拉載荷

16、為=2229.71 kN。 最大長度計算: 最大安全靜拉載荷計算如下: Fa2 =0.92229.71/1.30=1543.645(kN) Fa2 =0.92229.71/1.42=1413.196(kN) Fa2 =0.92229.71-200=1806.739(kN) 第二段鉆桿的最大允許長度為：L2= Fa2/qp2KB-(qcLc+qp1Lp1)/qp2 =1413.196/287.6910-30.856-.35190+284.6910-33675/284.6910-3=1221(m) 鉆柱總長已超過設(shè)計井深平移方位角：平移方位線所在的方位角。 視平移： 水平位移在設(shè)計方位線上的投影長

17、度。水平位移（平移）：軌跡上某點至井口所在鉛垂線的距離關(guān)井方式及選擇 1、硬關(guān)井 發(fā)生溢流后，在節(jié)流閥關(guān)閉的情況下關(guān)閉防噴器。 優(yōu)點：關(guān)井程序簡單，時間短，地層流體侵入量少。缺點：產(chǎn)生“水擊”，使井口裝置、套管和地層所承受的壓力急劇增加，可能超過井口裝置的額定壓力、套管抗內(nèi)壓強度和地層破裂壓力。易損壞井口裝置或壓漏薄弱地層。適用于井涌速度不高、井口裝置承壓能力高的情況。 2、軟關(guān)井 發(fā)生溢流后，先打開節(jié)流閥，然后關(guān)閉防噴器，再關(guān)閉節(jié)流閥。 優(yōu)點：可避免“水擊”現(xiàn)象。 缺點：關(guān)井程序較復雜，時間長，地層流體侵入量較大。適用于井涌速度較高、井口裝置承壓能力較低、裸眼井段有薄弱地層的情況。3、半軟關(guān)

18、井 發(fā)現(xiàn)井涌后，先適當打開節(jié)流閥，再關(guān)防噴器。或邊開節(jié)流閥邊關(guān)防噴器。 特點：適用于井涌速度較高、井口裝置承壓能力較低、裸眼井段有薄弱地層的情況。 地層流體侵入井內(nèi)的原因 1、鉆井液密度低1)地層壓力掌握不準，使設(shè)計的鉆井液密度偏低；2)、地層流體（油、氣、水）侵入，使鉆井液密度降低；2、 環(huán)空鉆井液液柱降低起鉆時補灌鉆井液不足，或井漏使井內(nèi)液面降低3、起鉆抽汲在鉆井液循環(huán)或靜止情況下，井底壓力大于地層壓力，而提鉆產(chǎn)生抽汲后則井底壓力小于地層壓力4、停止循環(huán)循環(huán)情況下井底壓力大于或等于地層壓力，停止循環(huán)后，則井底壓力小于地層壓力。 溢流:井侵發(fā)生后，井口返出的鉆井液量大于泵入量，或停泵后鉆井液從井口