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钻井工程理论与技术复习题

1. 静液压力 由液柱自身的重力所引起的压力,其大小与液体的密度与液柱的垂直高度或深度有关。
2. 静液压力梯度的大小与液体中溶解的矿物或气体的浓度有关。
3.液柱的静液压力随液柱垂直高度的增加而增加
4．上覆岩层压力 地层某处的上覆岩层压力是该处以上的岩石基质和岩石孔隙中流体的总重力所产生的压力。
5.上覆岩层压力随深度增加而增大。
6.地层压力 指岩石孔隙中的流体所具有的压力，亦称地层孔隙压力。
7.异常高压 超过正常地层静液压力的地层压力(Pp >Ph)称为异常高压。
异常低压 低于正常地层静液压力的地层压力(Pp <Ph)称为异低压
8. 异常地层压力 地层压力大于或小于正常地层压力。
9.基岩应力是由岩石颗粒间相互接触支撑的那一部分上覆岩层压力，称为基岩应力。
10.异常低压是压力梯度小于0.00981MPa/m
11.正常的流体压力体系可以看成是一个水力学的“开启”系统。
12.异常高压被公认的成因只要有沉积压实不均、水热增压、渗透作用和构造作用等。
13.与正常压实的地层相比，欠压实地层的岩石密度低，孔隙度大。
14.地层压力预测典型的方法有地震法、声波时差法、页岩电阻（电位）法。
15.在正常地层压力井段，随着井深增加岩石的孔隙度减小，声波速度增大，声波时差减小。
16.地层压力监测常用的方法有dc指数法、d指数法、页岩密度法、标准化钻速法。
17.机械钻速会随井深增加而减小，d指数随井深增加而增大。
18.地层破裂压力概念能够使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的压力称为地层破裂压力。
19.层理是指沉积岩在垂直方向上岩石成分和结构的变化。
20.页理是岩石沿平行平面分裂为薄片的能力。
21.岩石的孔隙度为岩石中孔隙的体积与岩石体积的比值。
22.物体在外力作用下产生变形，外力撤除以后变形随之消失，物体恢复到原来的形状和体积的性质为弹性变形，当外力撤除后变形不能消失的为塑性变形。
23.岩石在一定条件下受外力的作用而达到破坏时的应力称为岩石在这种条件下的强度。
24.岩石强度的大小取决于岩石的内聚力和岩石颗粒间的内摩擦力。
25.影响岩石强度的因素自然因素为岩石的矿物成分、矿物颗粒的大小、岩石的密度和孔隙度。
26.岩石的强度一般情况下随着埋藏深度的增加而增加。
27. 抗拉强度＜抗弯强度≤抗剪强度＜抗压强度
28. 随着围压的增大，岩石由脆性向塑性转变，且围压越大，岩石破坏前呈现的塑性也越大。
29.塑性系数为岩石破碎前耗费的总功与岩石破碎前弹性变形功的比值。
30.硬度的概念岩石抵抗其它物体表面压入的能力
31.硬度只是固体表面的局部对另一物体压入或侵入时的阻力，而抗压强度是固体抵抗固体整体破坏时的阻力。
32.增大围压一方面增大岩石 的强度，另一方面也增大岩石的塑性，统称“各向压缩效应”。
33.在一定的液柱压力下岩石从脆性破坏转为塑性破坏。
34.随着井的加深或钻井液密度的增大，钻速的下降不仅是由于岩石硬度的增大，而且也由于岩石塑性的增大。
35.岩石的研磨性表现在对钻头刃部表面的磨损即研磨性磨损
36.岩石的可钻性是岩石抗破碎的能力
37.钻头的工作指标钻头进尺、钻头工作寿命、机械钻速、单位进尺成本
38.刮刀钻头的结构上钻头体、下钻头体、刀翼、水眼。
39.刮刀钻头破碎塑脆性岩石的过程为：碰撞→ 压碎及小剪切→大剪切。
40.牙轮钻头上使用的硬质合金是碳化钨——钴系列硬质合金
41.牙轮钻头轴承由牙轮内腔、轴承跑道、牙掌轴颈、锁紧元件等
42.滚动轴承结构：滚柱—滚珠—滚柱—止推和滚柱—滚珠—滑动一止推
滑动轴承结构：滑动—滚珠—滑动—止推及滑动—滑动（卡簧）—滑动—止推
43.牙轮钻头的工作原理
①牙齿的公转和自转
②钻头的纵向振动及对地层的冲击、压碎作用
③牙齿对地层的剪切作用
④牙轮钻头的自洗
44.牙轮超顶产生滑动滑动速度随超顶距的增加而增加
45.金刚石钻头为无活动部件的整体式钻头。由钻头体、冠部、水力结构、保径、切削刃等部分组成
46.人造金刚石材料主要有聚晶金刚石复合片（PDC） 和热稳定聚晶金刚石复合片（TSP）
47.TSP的耐磨性高于PDC ，抗冲击能里力强
48.牙轮钻头选型的原则及应考虑的问题
①地层的软硬程度和研磨性
②钻进井段的深浅
③易斜地层
④软硬交错地层
49.金刚石材料钻头的钻压低于牙轮钻头
50.TSP钻头适合与在具有研磨性的中等至硬地层钻井，PDC钻头适用于软到中等硬度地层
51.金刚石钻头不同冠部形状分类：双锥阶梯型、双锥型、B型、脊圈式B型。
52.复合片在钻头上安装时，具有后倾角α和侧倾角β。
钻柱是由方钻杆、钻柱段和下部钻具组合三大部分组成。
下部钻具组合主要是钻挺，也可以安装稳定器、减震器、震击器、扩眼器及其它特殊井下工具。
常用的加厚形式有内加厚(a)、外加厚(b)、 内外加厚(c)三种.
丝扣连接条件：尺寸相等，丝扣类型相同，公母扣相匹配。
钻杆接头类型：内平（IF）、贯眼（FH）、正规（REG）。
内平式：主要用于外加厚钻杆。特点是钻杆通体内径相同，钻井液流动阻力小；但外径较大，容易磨损。
方钻杆上端至水龙头的连接部位的丝扣均为左旋丝扣（反扣），方钻杆下端至钻头的所有连接丝扣均为右旋扣（正扣）。
贯眼式：主要用于内加厚钻杆。其特点是钻杆有两个内径，钻井液流动阻力大于内平式，但其外径小于内平式。
正规式：主要用于内加厚钻杆及钻头、打捞工具。其特点是接头内径<加厚处内径<管体内径，钻井液流动阻力大，但外径最小，强度较大。

稳定器类型：旋转叶片型（旋转叶片、直叶片）、不转动套、滚轮。
钻柱的旋转运动形式：（1）自转 （2）公转 （3）公转与自转的结合
垂直井眼中钻柱的中性点高度：

中性点是钻柱受拉与受压的分界点（钻柱上轴向力等于零的点）。设计钻铤长度不能小于中性点高度，也就是说钻铤的浮重不能小于钻压，这就是所谓的“浮重原则”。

典型钻柱的设计举例
（1）设计参数
① 井深:5000m;
② 井径:215.9mm(8-1/2in);
③ 钻井液密度:1.2g/cm3;
④ 钻压:180kN;
⑤ 井斜角:3°;
⑥ 拉力余量:200kN(本例假设);
⑦ 卡瓦长度:406.4mm;
⑧ 安全系数：1.30(本例假设)。
（2）钻铤选择：
① 选用外径158.75mm(6-1/4in)、内径57.15mm(2-1/4in)钻铤，每米重力qc=1.35kN/m。
② 计算钻铤长度:

式中: ─最大钻压,180 kN;
─安全系数,取 =1.18;
─每米钻铤在空气中的重力,1.35 kN/m；
─浮力系数,计算得 =0.85;
─井斜角, =3°。
计算得： =180×1.18/1.35×0.85×cos3°=185(m)
按每米钻铤10m计，需用19根钻铤,总长190m。
（3）选择第一段钻杆（接钻铤）
① 选用外径127mm、内径108.6mm，每米重284.69N/m，E级新钻杆，
最小抗拉载荷=1760KN。
② 最大长度计算:
最大安全静拉载荷为:
Fa1=0.9Fy /St=0.9×1760/1.30=1218.46(kN)
Fa1=0.9Fy /(σy /σt) =0.9×1760/1.42=1115.49(kN)
Fa1=0.9Fy -MOP =0.9×1760-200=1384(kN)
由上面的计算可以看出,按卡瓦挤毁比值计算的最小，则第一段钻杆的许用长度为：

=1115.49/284.69×10-3×0.856-190×1.35/284.69×10-3=3675(m)
（4）选择第二段钻杆
① 选用外径127mm,内径108.6mm，每米重284.69N/m，X-95级新钻杆，
最小抗拉载荷为=2229.71 kN。
② 最大长度计算:
最大安全静拉载荷计算如下:
Fa2 =0.9×2229.71/1.30=1543.645(kN)
Fa2 =0.9×2229.71/1.42=1413.196(kN)
Fa2 =0.9×2229.71-200=1806.739(kN)
那么，第二段钻杆的最大允许长度为：

=1413.196/287.69×10-3×0.856-.35×190
+284.69×10-3×3675/284.69×10-3
=1221(m)
钻柱总长已超过设计井深。

C2 —称为牙齿磨损系数,与钻头齿形结构和
岩层性质有关,由现场数据统计得到。
水力净化能力通常用水力净化系数 CH 表示,其含意为实际钻速与净化完善时的钻速之比.
即：

压差影响系数：实际钻速与零压差条件下的钻速之比

钻速方程（修正杨格模式）

其中：vpc — 钻速,m/h； W — 钻压,kN；
M — 门限钻压,kN； n — 转速,r/min
λ— 转速指数； C2— 牙齿磨损系数；
CH — 水力净化系数； Cp— 压差影响系数；
h — 牙齿磨损相对高度；
KR — 地层可钻系数。
当钻压等于Z2／Z1时,牙齿的磨损速度无限大。Z2／Z1是该尺寸钻头的理论极限钻压。
牙齿磨损速度方程：

式中：Af 称为地层研磨性系数. 需根据现场钻头资料统计计算确定。
轴承磨损量用B表示。轴承磨损速度用dB/dt表示。

式中：

b称为轴承工作系数，与钻头类型与钻井液性能有关，现场资料确定。
衡量钻井技术经济效果的标准：

其中: C pm—单位进尺成本，元/m；C b—钻头成本，元/只；
Cr—钻机作业费，元/h； tt—起下钻、接单根时间，h；
t—钻头工作时间,h； H----钻头总进尺,m。

J的物理意义：
牙齿磨损量 h=0（新钻头）时的初始钻速.

S的物理意义：
牙齿磨损量 h =0 时牙齿的初始磨速。它的倒数相当于不考虑牙齿磨损影响时的钻头理论寿命。

E的物理意义：
考虑牙齿磨损对钻速和牙齿 磨损速度影响后的进尺系数。它是牙齿最终磨损量的函数。

J/S的物理意义：不考虑牙齿磨损影响时的理论进尺。

射流的扩散角：
射流纵剖面上周界母线的夹角称为
射流扩散角（如图4-13中的α）。
射流扩散角α表示了射流的密集程
度。显然，α越小，则射流的密集
性越高，能量就越集中。

速度分布规律
在射流轴线上
① 在喷嘴出口断面，各点的速度基本相
等，为初始速度。
② 射流中心部分保持初始速度流动的流
束，称为射流等速核。
③ 等速核长度与喷嘴直径和流到形状有
关。在等速核以内，射流轴线上的速
度等于出口速度；超过等速核以后，
射流 轴线上的速度迅速降低。
射流轴线上的速度衰减规律
④ 在射流任一横截面上，射流轴心上
的速度最高，由中心向外速度很快
降低，到射流边界上速度降为零。

射流对井底的清洗作用：（1）射流的冲击压力作用（2）漫流的横推作用

射流水力参数包括：1. 射流喷射速度2. 射流冲击力3.射流水功率

钻头水力参数是射流水力能量和喷嘴损耗能量的综合反映，包括钻头压力降和钻头水功率。

按水力参数优选的目的，希望获得较高的钻头压降和钻头水功率。

提高钻头水力参数的主要途径
1. 提高泵压ps和泵功率Ps
2. 降低循环压耗系数Kl
（1）使用低密度钻井液
（2）减小钻井液粘度
（3）适当增大管路直径
3. 增大钻头压降系数Kb
唯一有效的途径是减小喷嘴直径。
4. 优选排量Q

钻杆内外压耗：

钻铤内外压耗：

称为整个循环系统的压耗系数

钻井泵的工作状态：
根据泵排量的大小，可将钻井泵的工作分为两种工作状态：
（1）额定泵压工作状态 当Q≤Qr时，ps=pr，PS≤Pr
（2）额定功率工作状态 当Q＞Qr时， Ps=Pr ，pS< pr
钻井泵的实际工作状态取决于所选用钢套的大小。

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用排量相近的缸套。

各水力参数随排量变化的规律：

由曲线可知，选择一个排量不可能使四个参数同时达到最大，那麽究竟按照什麽标准选择排量呢？
三种选择方式：
以Nb 为标准选排量称为最大水功率工作方式。
以Fj 为标准选排量称为最大冲击力工作方式。
以Vo 为标准选排量称为最大喷射速度工作方式。
当Q＞Qr时 ：

当Q＜Qr时：

不同井深和排量下钻头水功率的变化
规律图象如图4-21所示。
其中，D0＜D1＜D2＜D3＜DNc＜D5＜DNa＜D7。
1→2，D≤DNc时：钻头水功率最高时的排量为额定排量，
此时泵处于额定功率工作状态。
2→3，井深 DNc<D≤DNc 时：
泵处于额定泵压工作状态。
3→4，井深D＞DNa时，Qopt= Qa
Qa为满足携带岩屑所需要的最低排量。
2点和3点是两个转折点，有特殊意义。
2点对应的深度 LNC 为第一临界井深，该井深是钻井泵由额定功率工作方式向额定泵压工作方式的转折点。
3点对应的深度 Lna 为第二临界井深。
当L=LNc时，最优排量：
当井深 L=Lna 时，最优排量：

水力参数优化设计的主要任务是确定钻井液排量、选择合适的钻头喷嘴直径和泵的钢套直径。

井眼轨道：一口井开钻之前，预先设计的井眼轴线形状。
井眼轨迹：一口井实际钻成后的井眼轴线形状。
井斜方位角φ （井眼方位角、方位角）：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。
井斜角(α)：指井眼方向线与重力线之间的夹角。单位为度(°)。
水平投影长度Lp（水平长度、平长）：
井眼轨迹上某点至井口的长度在水平面上的投影，即井深在水平面上的投影长度。
水平位移Ｓ（平移）：轨迹上某点至井口所在铅垂线的距离（或：在水平投影面上，轨迹上某点至井口的距离）。
平移方位角θ ：
平移方位线所在的方位角。即以正北方位为始边顺时针转至平移线上所转过的角度。
井眼曲率K（“狗腿严重度”、“全角变化率”）：
指井眼轨迹曲线的曲率。平均曲率:

Lubinski公式：

钻井行业标准计算公式：

γ——该测段的狗腿角，(°)；
Ｋc——该测段的平均井眼曲率，(°)/30m；
αc——该测段的平均井斜角，（°）。

我国钻井行业标准规定，手工计算时用平均角法，计算机计算时用校正平均角法。
（4）校正平均角法
我国钻井行业标准规定使用的方法（校正平均角法）：
测段计算公式：

其中：

注意：以上二式中的Δα和Δφ的单位为弧度。
测段计算公式与平均角法公式的形式相似，只是在平均角法公式的基础上乘以校正系数fD和fH，因而称之为校正平均角法。
井斜的原因：地质因素，钻具因素。

沉积岩特性：垂直层面方向的可钻性高，平行层面方向
的可钻性低。
钻头总是有向着容易钻进的方向前进的趋势。地层倾角小于45°时，钻头偏向垂直地层层面的方向。地层倾角超过60°时，钻头沿着平行地层层面方向下滑，地层倾角在45°～60°之间时，井斜方向属不稳定状态。
满眼钻具组合的使用
(1).只能控制井眼曲率，不能控制井斜角的大小。不能纠斜。
(2).“以快保满，以满保直”。间隙对满眼钻具组合性能影响显著。设计间隙一般为Δd=dh-ds=0.8～1.6mm。当间隙Δd达到或超过两倍的设计值时，应及时更换或修复扶正器。在井径扩大井段不适用。要抢在井径扩大以前钻出新的井眼。
(3).不宜在井眼曲率大的井段使用。防止卡钻。
(4).在钻进软硬交错，或倾角较大的地层时，要注意适当减小钻压，勤划眼，以便消除可能出现的“狗腿”。
(5).为了发挥满眼钻具的防斜作用，在钻具上至少要有3个稳定点。即：至少要安放3个稳定器。
钟摆钻具组合的使用

(1).多数用于井斜角较大的井纠斜。直井内无防斜作用。
(2).其性能对钻压特别敏感。钻压增大，则增斜力增大，钟摆力减小。使用时必须严格控制钻压。
(3).只能使用小钻压“吊打”。如果使用大钻压,可能形成新的支点。
(4).不能有效控制井眼曲率，易形成“狗腿”。
(5).间隙对钟摆钻具组合性能的影响比较明显。
二维定向井：是指设计的轨道都在一个铅垂平面上变化，即设计轨道只有井斜角的变化而无井斜方位角的变化。
常规二维定向井轨道设计
１．设计原则
(1) 能实现钻定向井的目的。
(2) 有利于安全、优质、快速钻井。
Ø 轨道形状简单，尽量保持较长的直井段，容易实现钻进；
Ø 尽量减小最大井斜角，以便减小钻井难度；
u 15°～30°，小倾角定向井；
u 30°～60°，中倾角定向井；
u 大于60°，大倾角定向井。
u 最大井斜角不得小于15°，否则井斜方位不易稳定。
(3) 有利于采油工艺的要求；
常规二维定向井轨道有四种类型：
三段式，多靶三段式，五段式和双增式。
扶正器钻具组合
仅用于已有一定斜度的井眼内进行增斜、降斜或稳斜。
以高边方向线为始边，顺时针旋转到装置方向线上所转过的角度，称为造斜工具的装置角。用ω表示。
OA线称为高边方向线。Ｃ点是钻头中心，OC线称为装置方向线。

装置角

井身结构：
主要包括套管层次和每层套管的下深，以及套管和井眼尺寸的配合。
井身结构设计的主要依据是地层压力和地层破裂压力剖面。
Ø 设计系数：
抽系压力系数Sb；0.024 ～0.048 g/cm3
激动压力系数Sg；0.024 ～0.048 g/cm3
压裂安全系数Sf； 0.03 ～0.06 g/cm3
井涌允量Sk；： 0.05 ～0.08 g/cm3
压差允值Dp； DPN: 15～18 MPa ， DPA：21～23 MPa
套管和井眼之间间隙值最小一般在9.5～12.7㎜范围内，最好为19㎜。
API 标准把套管钢级分为：H、J、K、C、L、N、C、P、Q八种共计10级。
API 标准规定的各种套管壁厚范围在5.21～16.13 mm。
套管柱（套管串）通常是由同一外径、相同或不同钢级、不同壁厚的套管用接箍连接组成的，应符合强度及生产的要求。
在不同类型的井中或一口井的不同生产时期，套管拄的受力是不同的。
套管柱所受的基本载荷可分为轴向拉力、外挤力及内压力。
套管柱受轴向拉力一般为井口处最大，是危险截面。
套管柱受拉应力引起的破坏形式：套管本体被拉断、螺纹处滑脱（滑扣）。
双向应作用下套管强度的变化：
Ø 第一象限：拉伸与内压联合作用，轴向拉力的存在下使套管的抗内压强度增加。套管的应用趋于安全，因此设计中一般不予考虑。
Ø 第二象限：轴向压缩与内压联合作用。在轴向受压条件下套管抗内压强度降低。少见，因此一般不予考虑
Ø 第三象限：轴向压应力与外挤压力联合作用。在轴向受压条件下套管抗外挤强度增加。一般不予考虑
Ø 第四象限：轴向拉应力与外挤压力联合作用。轴向拉力的存在使套管的抗挤强度降低。由于这种情况在套管柱中是经常出现的。因此在套管柱设计中应当考虑轴向拉力对抗挤强度的影响。
考虑轴向拉力影响时的抗外挤强度计算公式：

Ø 安全系数：
q 抗外挤安全系数 Sc=1.0；
q 抗内压安全系数 Si=1.1；
q 套管抗拉力强度（抗滑扣）安全系数 St=1.8。
等安全系数法
该方法基本的设计思想是使各个危险截面上的最小安全系数等于或大于规定的安全系数。
油井水泥的主要成分
（1）硅酸三钙3CaO·SiO2（简称C3S）
（2）硅酸二钙2CaO·SiO2（简称C2S）
（3）铝酸三钙3CaO·Al2O3（简称C3A）
（4）铁铝酸四钙4CaO2·Al2O3·Fe2O3（简称C4AF）
水泥的硬化分为三个阶段：溶胶期、凝结期、硬化期
API水泥的分类：A、B、C、D、E、F、G、H、J级。
我国油井水泥除向API标准靠近外，还有以温度系列为标准的油井水泥，分为：45℃水泥、75 ℃水泥、95 ℃水泥、120 ℃水泥
油井水泥的性能试验：水泥浆的稠化时间试验、水泥浆的失水试验、水泥浆的流变性测定、水泥石的抗压及抗折。
隔离液性能的要求为：密度应比钻井液大0.06～0.12g/c,粘度值应在40～80mPa·s,失水量在50Ml/30min左右。
完井是使井眼与油、气储集层（产层、生产层）连通的工序。
射孔完井法：是指下入油层套管封固产层后再用射孔弹将套管、水泥环、部分产层射穿，形成油气流通道的完井方法。也是目前使用最多的完井方法，占完井总数的90%以上。
主要优点：
能比较有效地封隔和支持疏松易塌的生产层。
能够分隔不同压力和不同特点的油气层。
可进行无油管完井和多油管完井。
主要不足：
打开生产层和固井的过程中，钻井液和水泥浆对生产层的侵害较严重。
油气流入井内的阻力较大。
长曲率半径水平井其造斜段的造斜率为2～6度/30米，曲率半径在280米以上。
中曲率半径的水平井其造斜段的造斜率为6～20度/30米，曲率半径在85～280米以上。
长曲率半径水平井其造斜段的造斜率为30～150度/30米，曲率半径在10～60米以上。
完井井口装置包括：套管头、油管头和采油树三大部件。