第一章 钻井工程

钻井工程熊青山：[e-mail]要求：1）1/3作业以上未交者无资格参加考试；2）旷课次数超1/3上课次数者，无资格参加考试；3）旷课1次扣总分2分，迟到1次扣总分1分。4）作业要抄题，字迹工整，严禁抄袭，否则0分处理；5）上课不允许讲话，否则坐到前排或请出教室。本课程主要要求平时成缚：20%，包括考勤、作业、实验、纪律等；期末成绩：80%。竞赛：五月初左右进行。成绩第一章钻井的工程地质条件地层力学特性和压力特性第二章钻进工具钻头、钻柱第三章钻井液组成、类型、性能、防塌和保护油气层本课程主要内容第四章钻进参数优选钻压、转速、钻进方程、水力参数第五章井眼轨道设计及轨迹控制轨道设计、防斜理论与技术、定向钻井工艺与技术第六章油气井压力控制地层压力的平衡与控制本课程主要内容主要参考书1.《钻井工艺原理》（上、中、下），石油工业出版社，刘希圣主编。2.《钻井工艺技术基础》，石油大学出版社，王瑞和编著。3.《钻井手册(甲方)》,石油工业出版社。4.《喷射钻井理论与计算》,石油工业出版社，张绍槐编著。5.《最优化钻井理论基础与计算》,石油工业出版社，郭学增编著。绪论一、钻井的定义二、钻井的应用领域三、钻井的重要性四、钻井技术发展阶段五、旋转钻井发展时期和方向六、旋转钻井发展特点七、旋转钻井的分类八、建井过程－三个阶段绪论一、钻井(图见下页)利用一定的设备、工具、技术形成一条从地表到地下某一深度处具有一定轨迹形状的孔道。1.普查找矿；2.矿产勘探钻探3.水文地质及水井钻；4.工程地质勘察；5.工程施工钻；6.地下管线铺设；7.油气勘探开发等二、钻井的应用三、石油钻井的重要性1.寻找和证实油气构造；2.探明油气面积及储量；3.取得油田地质资料及开发数据；4.将原油从地下取到地面上等。四、钻井技术发展阶段钻井技术发展可分为四个阶段：人工挖掘→人力顿钻→机械顿钻→旋转钻1.人工掘井人工挖孔桩，挖水井。2.人力冲击顿钻2000年前我国四川已钻凿了盐井并创造了冲击钻。北宋时代得到发展。3.近代机械顿钻(1859年)现代石油钻井的开始。顿钻钻机结构1－动力机；2－大皮带轮3－游梁；4－天车；5－井架；6－捞砂筒；7－滚筒；8－拐柄与连杆；9－吊升滚筒；10－钻头4.旋转钻转盘带动钻柱，钻头破碎岩，碎屑通过循环液排出孔外。4.旋转钻转盘带动钻柱，钻头破碎岩，碎屑通过循环液排出孔外。五、旋转钻井发展时期和方向1.四阶段概念行成期即初创期→发展时期→科学化钻井时期→自动化钻井时期2.关于四阶段的说明六、旋转钻井发展特点1.从经验钻井发展到科学化钻井；2.从浅井、中深井发展到深井、超深井；浅井：2000m中深井：2000～4500m深井：井深在4500～6000米的直井。超深井：井深在6000～9000米的直井。特超深井：井深超过9000米的直井。3.从钻直井、定向井发展到大斜度井、丛式井、水平井；4.从陆地钻井发展到近海、深海钻井。七、旋转钻井的分类1.转盘旋转钻井2.井下动力旋转钻3.顶驱动旋转钻1.转盘钻井法概念：旋转系统的工作机是转盘动力传递及原理：1)机械传动钻机：柴油机→机械传动系统(减速箱、链条、齿轮)→转盘；2)电动钻机：发电机→电缆→电动机→转盘。地面旋转设备图3-1旋转系统1-水龙头；2-方钻杆3-转盘；4-驱动链条；5-钻柱；6-钻台；7-方瓦及方补心2.井下动力钻井法(1)概念：井下动力钻具为旋转系统工作机。(2)分类和动力传递：1)电动钻具：地面发电机→钻柱内的电缆→井下电动机→减速装置→钻头；2)涡轮钻具和螺杆钻具：动力机→钻井泵→钻井液→涡轮或螺杆钻具→钻头。七、旋转钻井的分类涡轮钻具涡轮钻具结构示意图螺杆钻具3.顶部驱动系统简介组成：由水龙头-钻井马达总成、导向滑车总成和钻杆上卸扣装置总成三部分组成。动力传递：发电机→电缆→水龙头-钻井马达总成→钻柱。七、旋转钻井的分类顶部驱动系统DQ顶驱系列国外顶驱典型的顶部驱动钻井装置工作原理：顶驱系统可以从井架空间上部直接旋转钻柱，并沿井架内专用导轨向下送钻，完成钻柱旋转钻进、循环钻井液以及接立根、上卸扣和倒划眼等多种钻井操作。七、旋转钻井的分类八、建井过程－三个阶段(一)钻前准备阶段－第一阶段是定井位、完成井设计后第一道工序，包括：1.修公路；2.井场、设备基础准备；3.设备搬运及安装；设备就位、找正、调整、固定及各种管线安装。4.井口设备准备挖圆井、下导管并封固、钻鼠洞。八、建井过程－三个阶段(二)钻进－第二阶段包括：1.钻进以一定的压力作用在钻头上，并带动钻头旋转，使之破碎井底岩石；2.洗井井底岩石被破碎后所产生的岩屑通过循环钻井液被带到地面上来；3.按钻杆（单根）钻进时，bit不断破碎岩石，井眼加深，钻柱也需加长。八、建井过程－三个阶段4.起钻：将全部钻柱从孔内起出。5.下钻：将钻头及全部钻柱下入井内；6.起下钻：起钻、下钻过程；原因？7.开钻：改变钻头尺寸，开始钻新的井段的工艺。一般情况下，一口井的钻井过程应有几次开钻，井深及地层情况不同，开钻的次数也不同。1）第一次开钻（一开）：画图说明；2）第二次开钻（二开）：画图说明；3）第三次开钻（三开）：画图说明；(三)固井、完井阶段－第三阶段固井完井第一大节完第一章钻井的工程地质条件地下各种压力的概念异常高压的成因地层破裂压力岩石的力学特性本章主要内容研究对象－地层了解地层的重要性对地层不了解或了解不多，钻井就如瞎子走路，盲人摸象。“知己知彼，百战不殆”。钻井工程师要想顺利钻井，也必须知己知彼。这个“己”是指设备、钻具、人员和管理，这个“彼”就是指钻井的客观对象—地层。了解地层的具体作用1)钻井的基本工作之一是破岩，这就必须了解地层岩石的可钻性，以便为选用合适的钻头和确定合理的钻进参数提供依据。2)钻井必须处理好井筒内钻井液与井壁地层之间的化学和压力平衡问题。否则会发生缩径、井塌、卡钻、井漏、井喷和压裂地层等事故。这就必须了解井壁地层的稳定性、地层孔隙的流体压力和地层破裂压力等。3)钻井的井眼轨迹控制越来越重要。这就必须了解地层的特性和倾角，掌握地层的自然造斜规律，以便为确定合理的轨迹控制方法、工具和工艺提供依据。小结：一口井开钻之前，钻井工程师应充分认识和了解该地区的工程地质资料，不断积累经验。这是进行一口井设计的重要基础，也是一口井钻井成败的重要基础。第一节地下压力特性一、地下各种压力的概念1.静液压力(次重点)定义：由液柱自身的重力所产生的压力，一般用表示。表达式为：100981.0hphhp式中：—静液压力，MPa；—液体的密度，g/cm3；hl—液柱的垂直高度，m。2.静液压力梯度Gh(次重点)压力梯度概念及意义：单位高度或深度增加的压力。若用Gh表示静液压力梯度(MPa/m)，则hp00981.0/1hpGhh清水：0.00981（MP/m）食盐水：0.0105（MP/m）影响因素与液体中溶解的矿物及气体浓度有关。当量密度概念ρ=Ph/0.00981hl某深度地层压力与等高液柱压力等效时相当的液体密度。3.上覆岩层压力(重点)(1)定义地层某处的上覆岩层压力是指该处以上地层岩石基质和孔隙中流体的总重力所产生的压力，一般用表示。(2)计算0p计算方法一：假设上覆岩层的密度相同，但分别考虑基质和其中的孔隙流体，则：])[(D.pma10098100面积流体重力基岩重力+=po计算方法二：由于上覆岩层的岩性和密度不同，的准确计算应分段算，再迭加。:第i层上覆岩层压力，MPa.上覆岩层压力随深度变化特点：由于沉积压实作用，上覆岩层压力随深度增加而增大。0p)00981.0(ioioioDppip0计算方法三：假设上覆岩层密度相同，设为沉积岩包括基质和孔隙流体的平均密度，则：D:地层垂直深度，m；0pD00981.0式中：—上覆岩层压力，MPa；—地层垂直深度，m；—岩石孔隙度，%；—岩石骨架密度，g/cm3；—孔隙中流体密度，g/cm3—沉积岩包括基质和孔隙流体的平均密度，g/cm3。0pDma4.上覆岩层压力梯度G0：可把进似看作随深度线性增大。工程上常用G0的平均值0.0227MPa/m来做近似计算，但G0的实际变化范围为0.0170～0.0294MPa/m之间。误差估计和海上钻井特殊情况：0piioiioioDDDpG)00981.0(5.地层(孔隙)压力pp(重点)(1)定义指地层孔隙流体所具有的压力，也称地层孔隙压力。包含正常地层压力及异常地层压力。(2)正常地层压力从地表到地下某处连续地层水的静液压力,等于地层流体的静液压力，pp=ph正常地层压力梯度（用Gp表示）为：0.00981MPa/m～0.0105MPa/m。(3)异常地层压力指实际的地层压力大于或小于正常地层压力的地层压力，分异常高压与异常低压。异常高压实际地层压力超过正常地层压力（pp＞ph）异常低压实际地层压力低于正常地层压力（pp＜ph）6.基岩应力(重点)定义：岩石颗粒之间相互接触而支撑的那部分上覆岩层压力，亦称有效上覆岩层压力或颗粒间压力或骨架应力，这部分压力是不被孔隙水所承担的。用σ来表示。7.重力场下几个压力的关系及意义以上所述地下各种压力之间的关系可用下图和下式来说明。式中：po—上覆岩层压力，MPa；pp—地层压力，MPa；σ—基岩应力，即垂直自重基岩应力，MPa。ppp0重点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：当po一定时，σ减小，pp增大，σ→0，pp→po。所以，地层的孔隙压力增大，基岩应力必然减小。poppDp1.异常低压(1)范围低的只有静液压力梯度的一半。(2)成因：a.多年开采的油气藏而又没有足够的压力补充；b.地下水位很低的地区(画图)；c.石灰岩地区的裂缝和溶洞地层。二、异常压力(2)异常高压的范围通常认为其上限为上覆岩层压力。但也曾遇到比上覆岩层压力高的超高压地层(超过40%)，但地层没有被破坏，因为地层有强度。2.异常高压(1)异常高压的分布特点在世界各地广泛存在，从新生代更新统到古生代寒武系、震旦系都曾遇到。(3)异常高压的成因普遍公认的成因主要有：a.沉积压实不均b.渗透作用由浓度高的一侧通过泥岩半透膜向浓度低侧渗透。c.构造作用造成地层上升、巨大地应力的挤压。d.水热增压等且常常是多种因素综合作用的结果。(4)沉积压实机理1)两种压力体系对比正常地层压力体系是一个“开启”系统，即可渗透的、流体可以流通的地层，它允许不断建立静液压力条件。与此相反，异常高压地层压力系统是“封闭”的。且上部基岩重力的部分是由岩石孔隙内的流体所支撑的(画图)。正常压力和异常高压形成的对比（见动画）正常地层压力的形成异常高压的形成2)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），地层孔隙中的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。3）异常高压的成因在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（称之为水力学封闭系统）的条件下，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。(5)沉积压实机理(课本上解释)正常压实地层，随着地层埋藏深度的增加，岩石越致密，密度越大，孔隙度越小。地层压实能否保持平衡，主要取决于四种因素：1.上覆沉积速度的大小；2.地层渗透率的大小；3.孔隙减小的速度；4.排出孔隙流体能力的大小。若沉积物沉积速度与其它过程相比很慢，沉积层正常压实，保持正常静液压力。反之如果保持平衡的任意条件受到影响，正常沉积平衡被破坏，如沉积速度过快，岩石颗粒没有足够的时间排列，孔隙内流体的