钻井工程复习资料

钻井工程复习资料石工11-10班钻井工程绪论第一节钻井概述一、钻井的概念钻井：利用一定的工具和技术在地层中钻出一个较大孔眼（井眼）的过程。二、钻井的分类（一）按目的分类1.探井：为探明地下地质情况、获取地下油气资源分布及相应性质等方面资料而钻的井。（1）区域探井：为了解地层年代、地层时序、岩性、厚度、生储盖组合，并为物探解释提供参数而钻的探井。（2）预探井：在确定含油气有利构造的基础上，以发现油气藏为目的而钻的探井。（3）详探井：在已发现油气构造上，为探明含油气的面积和储量，了解油气层产能为目的而钻的探井。2.开发井：以开发为目的，为了给已探明的地下油气提供通道所钻的井，或为了采用各种措施使油气被开采出来所钻的井。（1）生产井：为完成产能任务和生产油、气所钻的井。（2）注入井：为提高油、气井生产能力所钻的井。（用于注水所钻的井为注水井，用于注气所钻的井为注气井。）（二）按几何形状不同分类1.直井：井口与井底在同一条铅垂线上。2.定向井：井口与井底不在同一条铅垂线上。（1）普通定向井：一个井场内仅钻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°范围内的定向井。（3）水平井：最大井斜角大于或等于86°，并保持这种井斜角钻完一定长度井段的井。（4）大位移井：水平位移/垂深=2的定向井或水平井（或测深/垂深=2的定向井或水平井）。（5）丛式井：在一个井场（海洋平台）上有计划地钻出两口或两口以上的定向井组，其中可含1口直井。（6）多底井（分支井）：一个井口下面有两个或两个以上井底的定向井。（三）按井深不同分类1.浅井：H2500m。2.中深井：2500H4500m。3.深井：4500H6000m。4.超深井：H6000m。（H为完钻垂直井深）（深水钻井：超过500m水深的海洋钻井。超深水钻井：大于1500m水深的海洋钻井。）（四）按温度和压力的高低分类（1）高温高压井：按国际通用概念，地温超过150度称为高温，地层压力当量密度超过1.8g/cm3或用超过70MPa井口装置时称高压，两者同时具备的井称为高温高压井。（2）超高温高压井：井底温度超过220度，井底压力超过105MPa的井。第二节钻井方法一、概念钻井方法：为了在地下岩层中钻出所要求的孔眼而采用的钻孔方法。钻井工程复习资料石工11-10班二、分类（一）人工掘井（二）人力冲击钻井法（三）机械顿钻钻井法（冲击钻）（四）旋转钻井法1.概念：是靠动力带动钻头旋转，在旋转的过程中对井底岩石进行破碎，同时循环钻井液以清洁井底的钻井方法。2.分类：分为转盘钻井、井下动力钻具钻井、顶部驱动钻井。3.特点是：（1）破岩与清岩相接进行。（2）旋转动力大，转速高，破碎效率高。（3）设备复杂，起下钻繁琐。第三节基本钻井工艺过程一、钻前准备修公路、平井场、钻井设备的搬运和安排、井口准备（打导管和钻鼠洞）、备足钻井所需要的各种工具、器材等。（大鼠洞：放方钻杆和水龙头；小鼠洞：接单根时存放钻杆）二、钻进钻进是进行钻井生产取得进尺的唯一过程。（一）第一次开钻（一开）：从地面钻出一个大井眼，然后下表层套管。（二）第二次开钻（二开）：用较小一些的钻头继续钻进，若遇到复杂地层，用钻井液难以控制时，便要下技术套管（中间套管）。（三）第三次开钻（三开）：再用小一些的钻头往下钻进，直到设计井深，下油层套管，进行固井、完井作业。（开钻：每改变一次钻头尺寸，开始钻一新井段的工艺叫开钻）三、固井与完井（一）固井：固井即是在已钻成的井眼内下入套管，而后在套管与井眼间的环形空间内注入水泥浆，将套管和地层固结成一体的工艺过程。（二）完井：完井包括用特定的方法连通油、气层和井筒，使用替喷或抽汲等方法诱导油、气流进入井筒，然后进行油气生产。第四节其他概念1.接单根：向钻柱上连接一根钻杆，以便继续钻进，使井深不断加深。2.起钻：为了更换钻头，将井内钻柱取出换下旧钻头。3.下钻：换上新钻头后，重新将钻柱下入井内。4.立柱：起下钻时，为了提高效率，一般将三根钻杆连接在一起作为一个单元，这一单元称为立柱（立根）。（顶驱钻进时，无接单根作业。一个立柱一个立柱的打。）5.悬重：钻柱在泥浆中的总重量（不钻进时的大钩负荷）。6.钻重（大钩载荷）：钻进时的大钩负荷。7.钻压：钻进时钻头上作用的压力。（钻压＝悬重－钻重）钻井工程复习资料石工11-10班第一章钻井的工程地质条件第一节地下压力特性一、地下各种压力的概念（一）静液柱压力（）1.概念：由液柱自身的重力所引起的压力。2.公式：式中：，静液柱压力，；，液体的密度，；液柱的垂直高度，。3.压力梯度：单位高度或单位深度的压力，单位。4.静液柱压力梯度：。（二）上覆岩层压力（）1.概念：地层某处的上覆岩层压力是指该处以上地层岩石基质和岩石孔隙中流体总重力所产生的压力。2.公式：式中：，上覆岩层压力，；，地层垂直深度，；，岩石孔隙度，%；，岩石骨架密度，；，孔隙中流体的密度，；，第i层段厚度，；，第i层段平均密度，。3.上覆岩层压力梯度：式中：，上覆岩层压力梯度，；，第i段上覆岩层压力，；，第i层段厚度，；，第i层段平均密度，。（三）地层压力（）1.概念：指岩石孔隙中的流体所具有的压力，也称地层孔隙压力。2.正常地层压力：等于从地表到地下某处的连续地层水的静夜压力。钻井工程复习资料石工11-10班（用表示正常地层压力梯度：淡水，；盐水，）3.异常地层压力：地层压力大于或小于正常地层压力。（1）异常高压：超过正常地层静液压力的地层压力()称为异常高压。（2）异常低压：低于正常地层静液压力的地层压力()称为异常低压。4.地层压力当量密度：指某一深度处地层压力用等高度的钻井液柱压力来等效时，所需钻井液的密度。（四）基岩应力（）1.概念：基岩应力是岩石颗粒间相互接触支撑的那一部分上覆岩层压力，亦称有效上覆岩层压力、骨架应力或颗粒间压力。2.上覆岩层压力、地层压力和基岩应力之间的关系是：（五）异常地层压力的成因1.正常地层压力的形成：在地层的沉积过程中，随着上覆沉积物不断增多，地层逐渐被压实，孔隙度减小，如果地层是可渗透的、连通的、地层中流体的流动不受限制（称之为水力学开启系统），地层孔隙中流体则随着地层的压实被排挤出去，建立起静液压力条件，形成正常压力地层。2.异常地层压力的成因（1）异常低压产生原因：①生产多年而又没有压力补充的枯竭油气层。②地下水位极低。（2）异常高压产生原因：①地层欠压实作用:随着地层的不断沉积，上覆岩层压力逐渐增大，假若该地层被不渗透的围栅包围（盖层），则该地层孔隙中流体不能被排挤出去，其必然承受部分上覆岩层重力。结果是地层流体压力升高，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。②地质构造作用:造成地层上升。如果在抬升过程中有某种因素限制了流体的运移，该地层就会由于深度因素而形成异常高压。③水热增压作用:温度升高、流体膨胀。④流体运移作用:流体运移效应包括钻开的岩层与超压层的联通以及地层流体等势面的差异造成的压力异常。⑤油田注水二、地层压力评价（一）压力预测1.概念：用邻近井资料进行压力预测，建立地层压力剖面。2.压力预测的方法：地震法、声波时差法和页岩电阻率法。3.声波时差法（1）声波在地层中的传播特性：声波传播速度主要是孔隙度和岩性的函数。如果岩性为泥页岩时，则声波测井主要反映孔隙度的变化。正常压实地层中：随着井深的增加，岩石密度增大，孔隙度减小，声波的速度增大，声波时差减小。异常高压地层：由于前压实作用，随着井深的增加，岩石密度减小，孔隙度增加，声波速度减小，声波时差增大。（2）声波时差与井深的关系式：钻井工程复习资料石工11-10班推导过程（不用背）：泥页岩地层声波时差与孔隙度之间关系：式中：，岩石孔隙度，%；，地层的声波时差，；，基岩的声波时差，；，地层孔隙内流体的声波时差，。正常沉积条件下，泥页岩的孔隙度随深度的变化规律为：式中：，泥页岩的孔隙度，%；，泥页岩在地面的孔隙度，%；，常熟；，井深，。由式（1）得，在地面的孔隙度为：式中：，泥页岩在地面的声波时差。联立（1）、（2）、（3）式得：整理得：在泥页岩的岩性一定的情况下，也为一常熟，若，则：即：（4）声波时差法计算地层压力的步骤：①在声波时差测井资料上选择纯泥页岩层，以5m左右为间隔点在测井曲线上读出井深和相应的声波时差值，并在半对数坐标纸上描点。②在已知的正常地层压力井段，根据尽可能多的数据点引出声波时差随井深变化的正常趋势线，并将其延伸至异常高压井段。钻井工程复习资料石工11-10班③读出某深度的实测声波时差和该深度所对应的正常趋势线上的声波时差，并计算。④在和关系曲线上读出所对应的，用乘以井深，得其深度的地层压力。（二）压力检测1.概念：根据所钻井的实时数据进行压力监测，以掌握地层压力的实际变化规律。2.指数法（1）宾汉钻速模型：式中：，钻速，；，转盘转速，；，钻压，；，钻头直井，；，岩性常数，无量纲；，压实指数，无量纲。（2）指数（泥页岩岩层）：采用工程单位：式中：，钻速，；，转盘转速，；，钻压，；，钻头直井，。（3）指数：式中：，正常地层水密度；，所使用的钻井液的密度。（4）基本原理：在正常压实条件下，岩石强度随井深增加而增强，若钻井参数不变，机械钻速随井深增加而降低，泥钻井工程复习资料石工11-10班岩段指数随井深增加而增大；在异常压力段，由于岩石中孔隙压力的影响，不再遵循正常压实的规律，钻速随孔隙压力的增大而增大，指数则相应减小，偏离原来的正常趋势线。3.指数法地层压力检测步骤（1）数据采集与整理；（2）指数的计算；（3）绘制曲线，回归处理；（4）地层压力计算4.声波时差法和指数法的不足（1）水力参数、地层岩性、钻头类型、井底压差等因素的变化都会引起机械钻速的变化，从而导致dc指数的变化。因此，指数法评价地层压力存在较大的误差。（2）声波时差法和指数法只适用于泥页岩地层（砂泥岩剖面），对于碳酸盐岩地层，目前尚无合适的方法。三、地层破裂压力（一）概念在井下一定深度出露的地层，承受流体压力的能力是有限的，当液体压力达到一定数值时会使地层破裂，这个液体压力称为地层破裂压力。即：使地层发生破裂的最小井内液柱压力。（二）影响地层破裂压力大小的因素地层破裂压力的大小取决于许多因素，如上覆岩层压力、地层压力、岩性、地层年代、埋藏深度以及该处岩石的应力状态。（三）地层破裂压力的预测方法伊顿法（四）地层破裂压力确定的现场方法：液压实验法实验步骤如下：1.循环调节泥浆性能，保证泥浆性能稳定，上提钻头至套管鞋内，关闭防喷器。2.用较小排量向井内注入泥浆，并记录各个时期的注入量及立管压力。3.做立管压力与累计泵入量的关系曲线图。4.从图上确定各个压力值漏失压力为即开始偏离直线点的压力，其后压力继续上升；压力升到最大值即为开裂压力；最大值过后压力下降并趋于平缓，称为传播压力；5.求地层破裂压力当量密度钻井工程复习资料石工11-10班式中：，实验用泥浆密度，；，实验井深，指套管下入深度，。第二节岩石的工程力学性质一、岩石的类型及特点（一）岩石的类型：岩浆岩、沉积岩、变质岩（二）各向异性：如果物体的某一性质随方向的不同而不同,则称物体具有各向异性。（三）不均质性如果物体中不同部分的物理、化学性质不同，称该物体是不均质的。二、岩石的工程力学性质（一）几个概念1.弹性：岩石在外力作用下产生变形，外力撤销后变形随之消失，恢复到原来的形状和体积的性质称为弹性，相应的变形称为弹性变形。2塑性：岩石在外力作用下产生变形，外力撤销后变形不能完全恢复的性质。相应的残余变形称为塑性变形。3脆性：岩石在外力作用下变形很小（小于3%）就发生破坏的性质。相应的破坏称为脆性破坏。（二）岩石的强度1.概念：岩石在外力作用下达到破坏时的应力称为岩石的强度，是岩石在一定条件下抵抗外力破坏的能力。2.一般规律（1）在简单应力条件下，大部分岩石都接近弹性脆性体，岩石的破坏表现为脆性破坏。（2）一般情况下：抗拉强度＜抗弯强度≤抗剪强度＜抗压强度。（3）垂直于地层层面