钻井工程理论与技术

钻井工程理论与技术王越峰2011.1.5钻井工艺简介勘探与开发石油资源的重要环节和重要手段寻找和证实含油气构造获得工业油气流取得地质资料，开发数据将原油从地下取到地上钻井工程地质条件钻进的参数优选固井和完井技术目录12344钻进工具完井技术1.静液压力（hydrostaticpressure）lhh00981.0p00981.0Ghhp——静液压力，MPa;——液体密度，淡水：1.0g/cm3；盐水：1.05g/cm3；——液柱的垂直高度，m。lh——静液压力梯度，MPa/m；淡水：0.00981MPa/m；盐水：0.0105MPa/m。hG一、地下各种压力的概念由液柱自身的重力所引起的压力2.上覆岩层压力（Overburdenpressure）指该处以上地层岩石基质和孔隙中流体的总重量所产生的压力面积流体重力基岩重力po（1）上覆岩层压力梯度一般随深度增加而增大。（2）沉积岩的平均密度大约为2.5克/厘3，平均上覆岩层压力梯度一般为0.0227兆帕/米。（3）在石油钻井中，以钻台作为各种压力的计算基准面。注意2.上覆岩层压力（Overburdenpressure）3.地层压力（formationpressure）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（formationporepressue），用pp表示。正常地层压力——等于静液压力，pp=ph。异常地层压力——地层压力大于或小于正常地层压力。。★超过正常地层压力的地层压力(ppph)称为异常高压。★低于正常地层静液压力的地层压力(ppph)称为异常低压。异常低压和异常高压统称为异常压力产生异常低压的原因（1）生产多年而又没有压力补充的枯竭油气层。（2）地下水位很低。钻井工程地质特性地下压力特性异常地层压力的成因2)异常高压压力梯度大于10.5千帕／米的是异常高压。（1）形成异常高压的地质条件①地层具有保存流体的空隙；②地层周围存在不渗透围栅，构成圈闭；③具有一定的埋藏深度，形成足够大的上覆岩层压力。异常地层压力的成因2)异常高压（2）沉积型异常高压的成因水力学开方系统：地层是可渗透的、连通的，地层中流体的流动不受限制，建立起静液压力条件。正常压实地层异常地层压力的成因异常地层压力的成因水力学封闭系统：地层被不渗透的围栅包围，流体被圈闭在地层的孔隙空间内不能自由流通，随着地层的不断沉积，上覆岩层压力逐渐增大，而圈闭在地层孔隙内的流体排不出去，必然承受部分上覆岩层重。地层流体压力升高，地层得不到正常压实，孔隙度相对增大，岩石密度相对减小，基岩应力相对降低。这种作用称为欠压实作用。4.基岩应力由岩石颗粒之间相互接触来支撑的那部分上覆岩层压力，也称为有效上覆岩层压力，用σ表示上覆岩层压力，地层压力，基岩应力σ存在何种关系？opPPPo、σ、Pp的关系上覆岩层压力由岩石骨架和孔隙中的流体共同承担，因此上覆岩层压力、地层压力和基岩应力之间存在以下关系：popp钻井工程地质条件钻进的参数优选固井和完井技术目录12344钻进工具完井技术1.钻头类型按结构及工作原理分类刮刀钻头、牙轮钻头、PDC钻头、金刚石钻头按功用分类全面钻进钻头、取心钻头、扩眼钻头2.工作指标钻头进尺（米）：指一个钻头钻进的井眼总长度钻头工作寿命（小时）机械钻速（米/小时）：单位进尺成本（元/米）一.钻头刮刀钻头（DragBit）（一）刮刀钻头的结构上钻头体、下钻头体（分水帽）、刀翼、水眼。图2-1刮刀钻头结构刀翼•三刀翼的称作三刮刀钻头•两刀翼的称作两刮刀钻头或鱼尾刮刀钻头•四刀翼的称作四刮刀钻头钻头（DrillBit)——刮刀钻头（二）刮刀钻头的工作原理刮刀钻头主要以切削作用破碎地层。钻头（DrillBit)——刮刀钻头破碎塑脆性岩石过程：（1）碰撞：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。钻头（DrillBit)——刮刀钻头（三）刮刀钻头的应用刮刀钻头制造工艺简单，成本低；刮刀钻头适用于(泥，页岩）软地层，钻速快，每米钻进成本低；刮刀钻头容易磨损成锥形，造成缩径和井斜；刮刀钻头产生剧烈的扭转振动，破坏钻具和设备；刮刀钻头目前逐渐被PDC钻头取代。钻头（DrillBit)——刮刀钻头牙轮钻头（RollerBit）（一）牙轮钻头结构牙轮钻头由钻头体、牙爪（巴掌）及牙轮轴、牙轮及牙齿、轴承、储油润滑密封系统、喷嘴等部分组成。钻头（DrillBit)——牙轮钻头（二）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）滑动和切向（周向）滑动。引起滑动的原因：①超顶和复锥引起切向（周向）滑动②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：①单、双齿交替接触井底，使牙轮中心上下波动；②井底凹凸不平钻头（DrillBit)——牙轮钻头超顶引起切向滑动副锥产生超顶效果移轴引起径向滑动单、双齿交替接触井底引起纵向振动O’a’O’a’a’O’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。金刚石钻头金刚石钻头（切削齿材料）天然金刚石钻头人造金刚石聚晶金刚石复合片（简称PDC）热稳定聚晶金刚石（简称TSP）胎体PDC钻头钢体PDC钻头金刚石钻头（一）金刚石钻头的结构金刚石钻头为无活动部件的整体式钻头。由钢体、胎体（冠部和保径部分）、水眼及水槽、金刚石切削刃等部分组成。第二章钻进工具§2-1钻头（DrillBit)——金刚石钻头1.钢体钢体是金刚石钻头的骨架。上部柱体车制丝扣和钻柱连接，下部铣成爪形和胎体烧结在一起。2.胎体（冠部和保径）胎体是镶嵌金刚石的基体，为硬质合金材料，用粉末冶金技术烧结在钻头钢体上。常用剖面形状：3.水眼和水槽钻井液由水眼流出，经过水槽流过钻头表面，清洗井底，冷却和润滑金刚石。常用水力结构：a．双锥阶梯形；b．双锥形；c．“B”形；d．脊圈式“B”形钻头（DrillBit)——金刚石钻头金刚石特性金刚石为碳在高温高压下形成的结晶体，正四面体晶体结构。每个碳原子与邻近的四个碳原子形成四个共价键。因共价键结合力强，故金刚石具有极高的硬度（莫氏硬度10）、抗压强度（8800MPa）和耐磨性钢的9000倍。其缺点是：①脆性大，受冲击载荷易碎裂；②具有热敏性，高温下（450℃以上）石墨化。第二章钻进工具§2-1钻头（DrillBit)——金刚石钻头PDC钻头（PolycrystallineDiamondCompactBit）胎体PDC钻头钢体PDC钻头两类PDC切削元件第二章钻进工具§2-1钻头（DrillBit)——PDC钻头主要以切削作用破碎岩石PDC结构特点切削元件—聚晶金刚石复合片（PDC）特性PDC既具有金刚石的硬度和耐磨性，又具有碳化钨合金的结构强度和抗冲击能力。弱点是热稳定性差，350℃以上加速磨损。抗冲击能力较差。Φ13.4，Φ19钻头（DrillBit)——PDC钻头工作剖面形状特点•内外锥有利于钻头稳定；•外锥较长，可多布齿，使磨损均匀；•钻硬夹层，冠部齿易早期损坏。•适合中等均质地层。特点•钻头表面积较小，水力集中，清洗效果好；•载荷分布较均匀；•用于钻石灰岩、白云岩等较硬地层。特点•侧向推力指向钻头中心，有利于防斜；•钻头外部表面积大，可布置较多切削齿，利于提高寿命。•用于软地层。特点•冠顶较宽且较平缓，载荷分布较均匀。•外侧采用圆弧，布齿面积较大。•用于硬地层。双锥形浅锥形抛物线形B形钻头（DrillBit)——PDC钻头概念：钻柱(DrillStem)是钻头以上，水龙头以下部分的钢管柱的总称。它包括方钻杆(SquareKelly)、钻杆(DrillPipe)、钻挺(DrillCollar)、各种接头(Joint)及稳定器(Stabilizer)等井下工具。（一）钻柱的作用(1)提供钻井液流动通道；(2)给钻头提供钻压；(3)传递扭距；(4)起下钻头；(5)计量井深。(6)观察和了解井下情况（钻头工作情况、井眼状况、地层情况）；(7)进行其它特殊作业（取芯、挤水泥、打捞等）；(8)钻杆测试(Drill-StemTesting),又称中途测试。钻进工具钻柱——钻柱的作用与组成二.钻柱钻柱设计的“中性点”正常钻进时的轴向力：WLqLqKFccppBwWF中性点钻柱上轴向力等于零的点(Ｎ点)(亦称中和点，NeutralPoint)。1）垂直井眼中单一钻铤时钻柱的中性点高度：重要意义：设计钻柱时要确保中性点始终落在钻铤上。为什么？BcNKqWL钻柱轴向力分布与中性点w0(+)(-)拉力压力FWwNLN钻进工具钻柱“浮重原则”①安全系数法（考虑起下钻时的动载及摩擦力）②设计系数法（考虑卡瓦挤压）③拉力余量法tpaSFF/1typaFFMOPFFpa钻进工具钻柱——钻柱设计钻柱强度设计确定钻杆最大安全静拉力的方法：从三者中取最低者最为最大安全静拉力，据此计算钻杆柱的最大允许长度钻井工程地质条件钻进的参数优选固井和完井技术目录12344钻进工具影响钻速的主要因素及钻速方程1.岩石可钻性2.钻头类型3.钻压4.转速5.钻头齿磨损量6.水力因素7.钻井液性能影响钻速的主要因素：1.钻压对钻速的影响钻速与钻压的关系曲线门限钻压M：几何意义—AB直线在钻压轴上的截距。物理意义—牙齿开始压入地层时的钻压，其大小取决所钻地层的抗压入强度。M)(MWVpc在某一钻压范围内，钻速与钻压成正比关系。2.转速对钻速的影响nvpc钻速随转速的增大而增大，并呈指数关系变化。λ—称为转速指数,其大小与岩性及井底净化程度。软地层λ≈1，一般小于1，岩石硬度增大，λ值减小。3.牙齿磨损量对钻速的影响hCvpc211随着钻头牙齿的磨损，钻速下降。C2—称为牙齿磨损系数,与钻头齿形结构和岩层性质有关。h—为牙齿磨损量,以牙齿的相对磨损高度表示。新钻头时h=0；牙齿全部磨损时h=1。4.水力因素的影响（1）水力的清洗作用井底比水功率——作用在井底单位面积上的水功率。净化不完善区净化完善区（1975，AMOCO）pcssv.P210729经验公式：钻速越快，岩屑量越大，清洗井底需要的比水功率越大。水力净化系数：spcspcHP/PvvC当实际比水功率低于井底净化完善的需要值，则钻速降低。（2）水力的破岩作用对软地层，射流的冲击压力超过岩石的抗压强度，将直接破碎岩石;对硬地层，“水楔”作用使岩石强度降低，从而使门限钻压降低。5.钻井液性能的影响●井底正压差越大，钻速越慢。●压持效应：在正压差作用下，井底岩屑难以离开井底，造成重复破碎，使钻速降低的现象。vvepcpcop●井底压差与钻速的关系：ppcpcpevvC0●压差影响系数Cp：pmppp（1）钻井液的密度→井底压差（2）粘度对钻速的影响钻井液粘度增大，钻速降低。（3）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）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；且钻井液中小于1μm的固体颗粒越多，对钻速的影响越大。5.钻井液性能的影响二、影响钻头寿命的主要因素1.岩石研磨性2.钻头类型3.钻压4.转速5.牙齿磨损量影响钻头寿命的主要因素：1.钻压对牙齿磨损速度的影响牙齿磨损速度随钻压的增大而增大。当钻压增大到某一极限值时，牙齿磨损速度趋于无穷大。WZZdtdh121式中：Z1与Z2称为钻压影响系数,与牙轮钻头尺