钻井工程复习资料.docx

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6080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。（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。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）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（ph）1.概念：由液柱自身的重力所引起的压力。2.公式：ph=0.00981H式中：ph，静液柱压力，MPa；，液体的密度，gcm3；H液柱的垂直高度，m。3.压力梯度：单位高度或单位深度的压力，单位MPam。4.静液柱压力梯度：Gh=phH=0.00981。（二）上覆岩层压力（po）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：po=基岩重力+流体重力面积po=0.00981H1-ma+po=0.00981oiHi （分段计算）式中：po，上覆岩层压力，MPa；H，地层垂直深度，m；，岩石孔隙度，%；ma，岩石骨架密度，gcm3；，孔隙中流体的密度，gcm3；Hi，第i层段厚度，m；oi，第i层段平均密度，gcm3。3.上覆岩层压力梯度：G0=poiHi=0.00981oiHiHi式中：G0，上覆岩层压力梯度，MPam；poi，第i段上覆岩层压力，MPa；Hi，第i层段厚度，m；oi，第i层段平均密度，gcm3。（三）地层压力（pp）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。（用Gp表示正常地层压力梯度：淡水，Gp=0.00981MPam；盐水，Gp=0.0105MPam）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(ppph)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(ppQr，Ns=Nr，pspr只有当泵排量等于额定排量时，钻井泵才能同时达到额定输出功率和额定泵压，因此，应尽量选用额定排量与实际排量相近的缸套。（三）获得最大钻头水功率的条件喷嘴直径与临界井深的关系：1.当DDPc时，喷嘴直径应随井深的增加而逐渐增大。2.当DPcDPa，喷嘴直径应随井深的增加而逐渐增大。DPc，第一临界井深；DPa，第二临界井深。（四）水力参数优化设计的步骤举升效率：Ks=vsva=va-vHva=1-vHva式中：Ks，岩屑举升效率，无因此；va，钻井液环空反速；vs，岩屑在环空的实际上反速度；vH，岩屑下滑速度。第五章 井眼轨迹设计与轨迹控制概述一、基本概念（一）井眼轨道一口井开钻之前，预先设计的井眼轴线形状。（二）井眼轨迹一口井实际钻成后的井眼轴线形状。第一节 井眼轨迹的基本概念一、轨迹的图示方法（一）三维坐标法：X、Y、Z（二）柱面图示法垂直剖面图（柱面展开图）：经过井眼轨迹上每一个点作一条铅垂线，这些铅垂线构成了一个曲面，称为柱面。将此柱面展开到一个平面上，就形成了垂直剖面图。水平投影图：俯视图。将井眼轨迹这条空间曲线投影到井口所在的水平面上，形成水平投影图。（三）投影图示法水平投影图：俯视图。将井眼轨迹这条空间曲线投影到井口所在的水平面上，形成水平投影图。垂直投影图：侧视图。将井眼轨迹这条空间曲线投影到设计方位线所在的铅垂面（即：井口和目标点所在的铅锤面）。二、轨迹的基本参数（一）井深（斜深、测深）1.定义：井口（通常以转盘面为基准）至测点的轨迹长度。以字母Dm表示 ，单位为米（m）。2.井深增量（井段长度）：下测点井深与上测点井深之差。以Dm表示。（二）井斜角（）1.概念：指井眼方向线与重力线之间的夹角。单位为（度）。2.井眼方向线：过井眼轴线上某测点作井眼轴线的切线，该切线向井眼前进方向延伸的部分称为井眼方向线。3.井斜角增量（）：下测点井斜角与上测点井斜角之差。（三）井斜方位角（方位角）（）1.概念：在水平投影图上，以正北方位线为始边，顺时针方向旋转到井眼方位线上所转过的角度。2.井眼方位线（井斜方位线）：某测点处的井眼方向线在水平面上的投影。3.井斜方位角增量（）：下测点的井斜方位角与上测点的井斜方位角上之差。三、轨迹的计算参数（一）垂直深度（D）（垂深）轨迹上某点至井口所在水平面的垂直距离。（二）水平位移（Lp）（平移） 轨迹上某点至井口所在铅垂线的水平距离（或：在水平投影面上，轨迹上某点至井口的直线距离）。（国外：将水平位移称为闭合距；国内：将完钻时的水平位移称为闭合距。）（三）平移方位角（）1.概念平移方位线所在的方位角。2.平移方位线：在水平投影面上，井口至轨迹上某点的连线。（国外：将平移方位角称作闭合方位角；国内：指完钻时的平移方位角为闭合方位角。）（四）视平移（V）水平位移在设计方位线上的投影长度。（五）水平投影长度（水平长度、平长） ：井眼轨迹上某点至井口的轨迹长度在水平面上的投影，即井深在水平面上的投影长度。 （六）N坐标和E坐标：井口为原点；南北坐标轴，以正北方向为正；东西坐标轴，以正东方向为正。（七）井眼曲率（K）1.概念：指单位井眼长度内井眼全角的变化值，通常也叫狗腿严重度。2.狗腿角（全角变化）：对于一个侧段（或井段）来说，上、下二测点处的井眼方向线之间的空间夹角。3.公式：K=30DmLubinski公式：cos=cosAcosB+sinAsinBcosB-A第三节 直井防斜技术一、井斜的原因（一）地质因素地层倾斜和地层可钻性不均匀两个方面1.地层可钻性各向异性因素2.地层可钻性的纵向变化3.地层可钻性的横向变化（二）钻具因素主要原因是钻具的倾斜和弯曲：（导致钻具倾斜和弯曲的原因：钻具和井眼有一定的间隙；钻压的作用，钻柱受压靠近井壁或发生弯曲（“轻压吊打”）；钻具本身的弯曲，转盘安装不平、井架安装不正等。（三）井眼扩大钻头在井眼内左右移动，靠向一侧，钻头轴线与井眼轴线不重合，导致井斜。二、满眼钻具组合控制井斜（实质是稳斜组合）（一）基本原理：增大下部钻具的尺寸和刚度，近似“填满井眼”，防止钻柱弯曲和倾斜。（二）方法在下部钻具适当位置安放34个扶正器。（三）YXY组合的结构 1.近扶正器：紧装在钻头之上，抵抗钻头所受侧向力、防止侧向切削和不对称切削。2.中扶正器：保证中扶正器和钻头之间的钻具不发生弯曲，其安放位置需要严格计算。3.上扶正器：保证钻具上至少有三个稳定点与井壁接触，从而保证井眼的直线性，距中扶 1 钻铤单根。4.第四扶正器：增大下部钻柱的刚度，协助中扶防止钻柱弯曲。一般不装，特别易斜地层才用。（四）YXY组合“中扶”位置的计算Lp=416CEJqmsin式中：Lp，中扶距钻头的最优长，m；C，扶正器与井眼的间隙，m，C=dh-ds2；dh，井眼直井，m；ds，扶正器直井，m；E，钻铤钢材的杨式模量，kNm2；J，钻铤的截面的轴惯性矩，m4，J=dco4-dci464；dco，钻铤外径，m；doi，钻铤内径，m；qm，钻铤在钻井液中的线重，kN/m；，允许的最大井斜角，（度）。三、钟摆组合控制井斜（一）钟摆钻具组合的原理 在下部钻柱的适当位置安装一个扶正器，当井斜时，该扶正器支撑在井壁上形成支点，使下部钻柱悬空。则该扶正器以下的钻柱就好像一个钟摆，产生一个钟摆力，钻头在此钟摆力的作用下切削下井壁。从而使新钻的井眼不断降斜。四、其它直井防斜技术1.塔式钻具（钟摆钻具）；2.偏心钻铤（形成公转和钟摆力）；3.方钻铤（满眼钻具组合）；4.钻铤偏心短节（形成钻铤公转）；5.微机控制自动 垂直钻井系统（VDS）。第五节 定向造斜工具及轨迹控制一、概念1.造斜：由垂直井段开始钻出一定方位的斜井段的工艺过程。2.造斜点：开始造斜时的深度。垂直井段开始倾斜的起点。二、造斜工具（一）井底动力钻具造斜工具；1.弯接头；2.弯外壳；3.偏心垫块。（二）转盘钻造斜工具。斜向器、射流钻头和扶正器组合。四、扭方位的计算1.装置角（工具面角）（w）：以高边方向线为始边，顺时针旋转到装置方位线所转过的角度，称为“装置角”。2.装置方位线：井底平面上自井眼低边指向井眼高边的方向线 OA线称为“高边方向线”，C点是钻头中心，OC线称为“装置方位线”。3. 工具面：造斜工具作用方向线与钻柱轴线构成的平面（弯接头的两条交叉轴线所在的平面，图中的三角形）。4.装置方位角w：装置角与井斜方位角之和。（装置角和装置方位角在 0 360度内变化，顺时针为“+”，逆时针为“-”）5. 反扭角（n）：由于动力钻具反扭矩，使钻柱反时针扭转的角度，称为动力钻具的反扭角。（反扭角将使已确定好的装置角减小。）6. 定向方位角（s）：造斜工具定向时的方位角称为定向方位角s=w+n=1+wn7. 摆工具面：把造斜工具的工具面摆在预定的定向方位线上。第六章 油气井压力控制第一节 井眼与地层压力系统一、井眼内的各种压力（一）地层孔隙压力（pp）pp=0.00981pD（二）地层破裂压力（pf）pf=0.00981fD（三）地层坍塌压力（pc）pc=0.00981cD（四）钻井液静液柱压力（ph）ph=0.00981dD（五）环空循环压降（pa）pa=0.57503m0.8pv0.2Q1.8Kp