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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：H<2500m。
2.中深井 ：25006000m。
（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=0.00981ρH
式中：ph，静液柱压力，MPa；ρ，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=0.00981ρ。
（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-Φρma+Φρ
po=0.00981ρoiHi （分段计算）
式中：po，上覆岩层压力，MPa；H，地层垂直深度，m；Φ，岩石孔隙度，%；ρma，岩石骨架密度，gcm3；ρ，孔隙中流体的密度，gcm3；Hi，第i层段厚度，m；ρoi，第i层段平均密度，gcm3。
3.上覆岩层压力梯度：
G0=poiHi=0.00981ρoiHiHi
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；ρoi，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(pp>ph)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(pp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：
ln△t=lnt0-cH=a·H+b
推导过程（不用背）：
泥页岩地层声波时差与孔隙度之间关系：
Φ=△t-△tm△tf-△tm 1
式中：Φ，岩石孔隙度，%；△t，地层的声波时差，μsm；△tm，基岩的声波时差，μsm；△tf，地层孔隙内流体的声波时差，μsm。
正常沉积条件下，泥页岩的孔隙度随深度的变化规律为：
Φ=Φ0e-cH 2
式中：Φ，泥页岩的孔隙度，%；Φ0，泥页岩在地面的孔隙度，%；c，常熟；H，井深，m。
由式（1）得，在地面的孔隙度为：
Φ0=△t0-△tm△tf-△tm 3
式中：△t0，泥页岩在地面的声波时差。
联立（1）、（2）、（3）式得：
△t-△tm△tf-△tm=△t0-△tm△tf-△tme-cH
整理得：
△t-△tm=△t0-△tme-cH
在泥页岩的岩性一定的情况下，△tm也为一常熟，若△tm=0，则：
△t=△t0e-cH
即：
ln△t=lnt0-cH=a·H+b
（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。
③读出某深度的实测声波时差△t和该深度所对应的正常趋势线上的声波时差△tn，并计算△t-△tn。
④在△t-△tn和Gp关系曲线上读出△t-△tn所对应的Gp，用Gp乘以井深H，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.dc指数法
（1）宾汉钻速模型：
RN=a·WDd
式中：R，钻速，ftmin；N，转盘转速，rmin；W，钻压，lbs；D，钻头直井，in；a，岩性常数，无量纲；d，压实指数，无量纲。
（2）d指数（泥页岩岩层）：
d=logRNlogWD
采用工程单位：
d=log0.0547RNlog0.0684WD
式中：R，钻速，mh；N，转盘转速，rmin；W，钻压，kN；D，钻头直井，mm。
（3）dc指数：
dc=dρnρd
式中：ρn，正常地层水密度；ρd，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，泥岩段dc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，dc指数则相应减小，偏离原来的正常趋势线。
3.dc指数法地层压力检测步骤
（1）数据采集与整理；
（2）dc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dc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，dc指数法评价地层压力存在较大的误差。
（2）声波时差法和dc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
Gf=ppD+μ1-μpo-ppD=ppD+μ1-μσD
（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0.66～1.32 L/s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pL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pf；最大值过后压力下降并趋于平缓，称为传播压力pr；
5.求地层破裂压力当量密度ρf
ρf=ρm+pL0.00981D
式中：ρm，实验用泥浆密度，gcm3；D，实验井深，指套管下入深度，m。

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）垂直于地层层面方向的岩石强度＞平行于地层层面方向的岩石强度。
（三）复杂应力条件下岩石的强度
1. 常规三轴试验：
将岩样放在一个高压容器中，首先用液压p使其四周处于三向均匀压缩的应力状态，然后保持此压力（围压）不变，对岩样进行纵向加载，直到使其破坏。
2.一般规律：
（1）岩石在三轴应力条件下的强度明显增加。随着围压的增大，岩石强度增大。
（2）随着围压的增大，岩石由脆性向塑性转变，且围压越大，岩石破坏前呈现的也塑性越大。岩石从脆性向塑性转变的压力（围压）称为临界压力。不同的岩石，临界压力不同。
（四）岩石的硬度
1. 概念：岩石的硬度是岩石抵抗其它物体表面压入或侵入的能力。
2. 硬度与抗压强度区别：
（1）前者只是固体表面的局部对另一物体压入或侵入时的阻力，而后者则是固体抵抗固体整体破坏时的阻力。
（2）前者反映岩石颗粒的硬度，其对钻进过程中工具的磨损起重大影响；
（3）后者反映岩石的组合硬度，其对钻进时岩石破碎速度起重大影响。
（五）岩石的脆性和塑性
1.按脆性和塑性将岩石分为三类：脆性岩石、塑性岩石和塑脆性岩石。
2.分类的标准：岩石在外力作用下，直至破碎而无明显的形状改变，这种情况称为脆性的；在外力作用下，岩石只改变其形状和大小而不破坏自身的连续性，这种情况称为塑性的；介乎于两者之间的是塑脆性岩石。
3.塑性系数：岩石破碎前耗费的总功与岩石破碎前弹性变形功的比值。

三、井底各种压力对岩石性质的影响
（一）井眼周围地层岩石的受力：
上覆岩层压力、岩石内孔隙流体的压力、钻井液液柱压力、水平地应力。
（二）岩石有效应力：
σ'=σ-pp
（三）各向压缩效应：对干岩石，增大围压，岩石的强度、塑性都增大，称为“各向压缩效应”。
四、岩石可钻性与研磨性
（一）岩石可钻性
1.概念：
指岩石破碎的难易程度，可以理解为在一定的钻头规格、类型及钻井工艺条件下岩石抵抗钻头破碎的能力。
2.评价方法：微钻头实验法
为应用方便，常用Kd=log2t作为可钻性指标，称为可钻性级值。可钻性级值越大，岩石越难破碎。
（二）岩石的研磨性
概念：岩石磨损钻头切削刃材料的能力称为岩石的研磨性。

钻机简介
一、钻机定义
石油钻井的地面配套设备称为钻机，石油钻机是由多种机器设备组成的一套大功率重型联合工作机组。
二、钻机的综合功能：
完成钻进、接单根、起下钻、循环洗井、下套管、固井、完井和处理井下事故等作业。
三、钻机的分类
（一）钻井深度
1.大型钻机：（1）超重型钻机；（2）重型钻机（3）；中型钻机。
2.轻型钻机
（二）动力设备
1.柴油机驱动钻机；2.直流电驱动钻机；3.交流电驱动钻机。
（三）使用地区
1.陆地钻机；2.海洋钻机。
四、钻机的组成及其功能
（一）起升系统
1.组成
一般由井架、绞车、天车、游车、大钩、滚筒和钢丝绳组成。
2.功能
（1）下放、悬吊或起升钻柱、套管柱和其它井下设备进、出井眼；
（2）起下钻、接单根和钻进时的钻压控制。
（二）循环系统
1.组成
泥浆池（钻机的“心脏”），泥浆泵，立管，水龙带，分离装置。
2.功能
（1）从井底清除岩屑；（2）冷却钻头和润滑钻具。
3.泥浆循环流程
（三）旋转系统
1.组成
转盘，水龙头，钻头，钻柱。
2.功能
保证在钻井液高压循环的情况下，给井下钻具提供足够的旋转扭矩和动力，以满足破岩钻进和井下其它要求。
（四）驱动与传动系统
1.组成
动力机，传动部分；
2.功能
产生动力，并把动力传递给泥浆泵、绞车和转盘。
（五）气控系统
1.组成
控制机构、传输管线和阀门、执行机构（气动离合器等）以及压气机等。
2.功能
确保对整个钻机各个工作机构及其部件的准确、迅速控制，使整机协调一致的工作。
（六）井控系统
1.组成
防喷器组、节流管汇、压井管线以及液、气压控制机构组成。
2.功能
控制井内的压力，防止地层流体无控制地流入井中。
五、钻井八大件（十大件）
天车，游车，大钩，水龙头，转盘，绞车，泥浆泵，井架（柴油机、传动装置）。
第二章 钻进工具
第一节 钻头
一、概述
（一）钻头类型
1.按结构及工作原理分类：刮刀钻头、牙轮钻头、金刚石钻头（天然金刚石钻头、PDC钻头、TSP钻头）。
2.按功用分类：全面钻进钻头、取心钻头、扩眼钻头。
（二）钻头尺寸系列
通常为：3-3/4 " ~ 36 "。
常用尺寸：26 " 、171/2 " 、121/4 "、 81/2 "。
（三）工作指标
1.钻头进尺：在钻头寿命内，其钻进的井段长度，单位为m。
2.机械钻速：用钻头的进尺除以纯钻进时间，即单位纯钻时间的钻头进尺，表示钻头破碎岩石的能力和效率，单位为m/h。
（钻头寿命：在整个使用过程中，钻头在井下的纯钻时间（包括划眼——在已钻出的井眼内旋转送钻、修整井壁的过程），单位为h）
二、刮刀钻头
（一）结构
上钻头体、下钻头体、刀翼（刮刀片）、水眼。
（二）刮刀钻头的工作原理
1.工作原理
刀翼在钻压作用下吃入岩石，并在扭矩作用下剪切
破碎岩石。
2.破岩方式：以刮削、挤压和剪切为主。
3.适用地层：松软－软地层
三、牙轮钻头
（一）结构
牙轮钻头由钻头体、牙爪（巴掌）、牙轮及牙齿、喷嘴、轴承、储油润滑密封系统等部分组成。
1.牙轮：由合金钢经过模锻而成的锥体，锥面铣齿或镶装硬质合金齿，内腔有轴承跑道。
（1）单锥牙轮：主锥+背锥，硬地层。
（2）复锥牙轮（指牙轮由两个或更多锥面的锥体组成）：主锥+副锥+背锥，软到中硬地层。
2.牙齿：
（1）铣齿（钢齿）——在牙轮锥面上直接铣出，楔形。
（2）镶齿（硬质合金）——镶装在牙轮锥面的齿孔中，有多种齿形适应不同地层。
3.轴承：轴承有大轴承、中轴承、小轴承和止推轴承，共四副。
根据轴承副的结构（主要承载轴承即大轴承），可分为两大类：滚动轴承和滑动轴承。
4.储油润滑密封系统（既润滑轴承，又防止钻井液进入轴承）
（1）结构：
①储油润滑补偿系统；②密封系统：橡胶密封圈、金属密封圈。
（2）工作原理：
储油压力补偿系统（传压孔、压力补偿膜、油杯等）保持轴承腔内的油压与井内钻井液柱压力相平衡。
当轴承腔内油压降低，储油杯中的润滑油在钻井液柱压力作用下补充到轴承腔内；当轴承腔内的油压升高，则流入储油杯。其中，有效密封是关键。
4．喷嘴：钻井液流出钻头射向井底的流道。高压钻井液流经喷嘴后产生高速流动的水射流，清除井底岩屑，辅助破碎岩石。
5.几个概念
（1）复锥：指牙轮由两个或更多锥面的锥体组成。
（2）超顶：牙轮的锥顶超过钻头的中心。（复锥产生超顶效果：主锥顶与钻头中心重合，
复锥顶的延伸线是超顶的。）
（3）移轴：牙轮的中心线与钻头的轴线不相交。
6. 牙轮及牙齿的布置方式
（1）布齿原则
①转一周牙齿全部破碎井底，不留下未被破碎的凸起；
②牙轮在重复滚动时应使牙齿不落入别的牙齿的破碎坑内；
③牙齿磨损均匀。
（2）牙轮布置方案
①非自洗无滑动布置：各牙轮牙齿齿圈不嵌合，单锥、不超顶，不移轴，用于硬地层；
②自洗不移轴布置：各牙轮牙齿齿圈相互嵌合，副锥、超顶，不移轴，用于中硬地层；
③自洗移轴布置：各牙轮牙齿齿圈相互嵌合，副锥、超顶，移轴，用于软地层。
（二）牙轮钻头工作原理
1.牙轮钻头在井底的运动
(1)公转：牙轮随钻头绕钻头轴线一起旋转。（顺时针）
(2)自转：牙齿绕牙轮轴线作逆时针方向旋转称为自转。
(3)纵向振动：牙轮在滚动过程中，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：单、双齿交替接触井底，使牙轮中心上下波动；井底凹凸不平。）
(4)滑动：牙齿相对于井底的滑动，包括径向（轴向）和切向（周向）滑动。
（牙轮滑动对破岩的作用：切向滑动剪切掉同一齿圈牙齿之间的岩石。（复锥、超顶）；轴向滑动剪切掉齿圈之间的岩石。（移轴））
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，破碎牙齿间或齿圈间岩石。
（3）射流的冲蚀作用：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。
（三）牙轮钻头的正确使用
1. 根据地层合理选择钻头类型，标准是每米钻进成本最低。
地层较软时：选用牙齿高度大并带有超顶或移轴的钻头；
地层较硬时：选用牙齿高度小，无超顶或移轴的钻头；
2. 优选钻进参数：钻压、转速、水力参数等。
四、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。由钻头体、冠部、水力结构（水眼及水槽、排屑槽）、保径、切削齿组成。
（对于用在研磨性较强地层的钻头都要增强钻头外径部位的耐磨性，这种做法称为保径。保证井径不致缩小的作用。）
1.钻头体和冠部
钻头体为钢质材料体，上部车制丝扣和钻柱连接，下部与冠部胎体烧结在一起。
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。（钢体金刚石钻头－－钻头体与冠部为一整体）
2. 水力结构（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：逼压式水槽，辐射型水槽，辐射型逼压式水槽，螺旋形水槽。
3.金刚石切削齿
（1）金刚石的缺点：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。
（2）金刚石的种类：天然金刚石，人造金刚石单晶和聚晶。
（3）热稳定聚晶金刚石钻头（TSP）：热稳定聚晶金刚石是用金刚石单晶微粉在高温高压下制成的。
（TSP钻头的热稳定性、耐磨性和抗冲击能力都高于一般的金刚石钻头。适用于中至硬地层。）
（二）金刚石钻头的正确使用
1.适用于中至坚硬、研磨性地层，涡轮钻井，深井钻井，取心作业。寿命长，进尺高。
2.钻头下井前，井底打捞干净，确保没有金属落物。
3.先用小钻压、低转速跑合，然后用合适钻压和高转速钻进。
4.采用低钻压（30-50kN）、高转速、大排量钻进。
五、PDC钻头
（一）概念
聚晶金刚石复合片钻头（Polycrystalline Diamond Compact Bit）简称PDC钻头，是将人造聚晶金刚石复合片镶焊于钻头体上而成的一种新型切削型钻头。
（二）分类（按钻头体材料及切削齿结构）
1.钢体：钻头体用整块合金钢制成。切削齿镶嵌在钻头体上。
2.胎体：冠部用铸造碳化钨烧结而成，烧结时在钻头工作面留下窝槽，切削齿焊接在窝槽里。
（三）PDC钻头的结构特点
1. 切削元件—聚晶金刚石复合片（PDC）
特点：PDC具有金刚石的硬度和耐磨性。弱点是热稳定性差，350℃以上加速磨损。抗冲击能力较差。
（四）PDC钻头破岩机理
PDC主要以切削方式破碎岩石。
（五）PDC钻头的正确使用
1.PDC钻头适应于软到中硬的大段均质地层，不适合钻软硬交错的地层和砾石层。
2.与牙轮钻头相比，PDC钻头宜采用低钻压、高转速钻进。
3.钻头下井前，井底要清洁，无金属落物，新钻头钻进时，先用小钻压和低转速磨合井底。
4.PDC钻头属于整体式钻头，无任何活动部件，适合高转速的涡轮钻井。

第二节 钻柱
一、钻柱的作用与组成
（一）钻柱
钻柱是用各种接头将方钻杆、钻杆和钻铤等部件连接起来组成的入井管柱，通常指钻头以上的钻具。
（二）钻柱的作用
1.提供钻井液流动通道；2.给钻头提供钻压；3.传递扭矩；4.起下钻头；5.计量井深；6.观察和了解井下情况（钻头情况、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，又称中途测试。
（三）钻柱的组成
1.方钻杆，钻杆，钻铤，各种接头等。
2.钻具连接满足三个条件：尺寸相等，扣型相同，公母相配。
3.基本钻柱组合：钻铤＋配合接头＋钻杆＋配合接头＋方钻杆
4.钻柱的其它可选组件：
稳定器（提高钻头工作的稳定性），振击器（防止钻具被卡），减振器（减少钻具的冲击振动），
螺杆，加重钻杆。
（四）钻杆
1.作用：传递扭矩和输送钻井液，延长钻柱。
2.结构：管体+接头
3.名义重量（线密度、线重）：在空气中的重量，N/m。
（五）钻铤
1.结构特点：管体两端直接车制丝扣，不另加专门接头；壁厚大（38-53毫米），重量大，刚度大。
2.主要作用：
（1）给钻头施加钻压；
（2）保证压缩应力条件下的必要强度;
（3）减轻钻头的振动、摆动和跳动等，使钻头工作平稳；
（4）控制井斜。
3.类型：光钻铤（圆形的，平滑的）、螺旋钻铤（有浅而宽的螺旋槽，减少与井壁的接触面积，防止卡钻）、扁钻铤。
（六）方钻杆
1.概念：位于钻柱的最上端，其上部与水龙头相接，下部与钻杆连接。
2.作用：传递扭矩和承受钻柱的全部重量。
3.性能：具有较高的抗拉强度和抗扭强度。
4.形状：断面为中空的正方形或六边形，壁厚比一般钻杆大三倍左右，而且由强度较大的优质合金钢制成。一般长度为13～16米，比一般钻杆长2米以上（避免接单根后方钻杆不能进入转盘面以下）。
（七）稳定器（扶正器）
1.类型：刚性稳定器、不转动橡胶套稳定器、滚轮稳定器。
2.作用：（1）防斜，控制井眼轨迹；（2）提高钻头的工作稳定性。
二、钻柱的工作状态
（一）起下钻工况下
整个钻柱被悬挂起来，在重力的作用下，钻柱受拉伸作用。
1.直井：直的拉伸、滑动
2.斜井：随井眼倾斜和弯曲，滑动。
（二）正常钻进工况下
部分钻柱（主要是钻铤）的重量作为钻压施加在钻头上。上部钻柱受拉伸，下部钻柱受压缩；在扭矩作用下旋转。
（下部钻柱弯曲的原因：钻压的作用使下部钻柱受压缩，当压力达到钻柱的临界压力，钻柱将失去直线稳定状态而发生弯曲并与井壁接触（接触点称为切点）。压力较大时可能发生多次弯曲。）
（三）钻柱的旋转运动形式
1.公转：钻柱象一个刚体，围绕着井眼轴线旋转并沿着井壁 滑动。 产生偏磨。

2.自转：弯曲钻柱象一根柔性轴，围绕自身轴线旋转。均匀磨损，易发生疲劳破坏。
3.公转与自转的结合：弯曲钻柱围绕井眼轴线旋转，同时围绕自身轴线转动。
4.纵向振动：钻头振动引起钻柱的纵向振动，产生交变应力。 （振动周期和钻柱本身固有的振动周期相同（或成倍数），产生共振现象，称“跳钻”。）
5.扭转振动：井底对钻头旋转的阻力不断变化时，会引起钻柱的扭转振动，产生交变扭剪应力。
6.横向摆振：达到某一临界转速，钻柱可能产生横向无规则摆动，产生交变弯曲应力。
三、钻柱的受力分析
（一）钻柱的受力
1.拉力：自重产生
2.压力：钻压产生
3.浮力：钻井液产生
4.摩擦阻力：井壁及钻井液对钻柱的摩擦力
5.循环压降产生的附加拉力：钻柱内及钻头水眼上的压力降
6.起下钻时产生的动载荷：速度变化
（轴向力，井眼轴线方向）
7.剪应力：扭矩作用
8.弯曲应力：下部钻柱产生弯曲变形
9.离心力：钻柱绕井眼轴线公转
10.外挤力：钻杆测试
11.振动产生的交变应力
（二）钻柱受力最严重的部位
1.井口断面：拉力最大，扭矩最大（转盘钻）。
2.下部受压弯曲部分：交变轴向应力、弯曲应力、扭剪应力。
3.中性点：拉压交变载荷。
（三）轴向力
1.自重产生的轴向拉力（井内掏空时，空气中）：
F0=qpLp+qcLc
2.浮重产生的轴向力：

Fm=KBqpLp+qcLc=KBF0
式中：KB，浮力系数，KB=1-ρdρs；ρd，钻井液密度；ρs，钢材密度，7.8 gcm3。
3.正常钻进时的轴向力
（1）直井：
Fw=KBqpLp+qcLc-W
（2）斜井：
Fw=KBqpLp+qcLccosα-W
式中：α，井斜角。
（3）钻柱轴向力的分布：
上部钻柱受拉伸作用，井口最大，向下逐渐减小；下部钻柱受压力作用，井底处最大； 在某一深度处，轴向力为零。

（四）中性点（中和点）
1.概念：钻柱上轴向力等于零的点。
2.钻柱的中性点高度
（1）直井：
LN=WqcKB
（2）斜井：
LN=WqcKBcosα
3.中性点特点：
（1）设计钻柱时要确保中性点始终落在钻铤上；（钻铤刚度大，抗弯能力强）
（2）中性点附近钻柱受交变应力作用，易疲劳破坏。
四、钻柱设计
（一）钻铤长度的确定：
1.浮重原则：钻铤的浮重不能小于钻压（钻铤的长度不能小于中性点高度）
即保持中性点始终处在钻铤上。保证在最大钻压时钻杆不承受
压缩载荷。
2.计算公式：
Lc=SNWmaxqcKBcosα
式中：Lc，钻铤长度，m；Wmax，设计的最大钻压，kN；SN，安全系数，一般取1.15 ～1.25；
qc，每米钻铤在空气中的重力，kN/m；KB，浮力系数；α，井斜角。

第四章 钻进参数的优选
概述
一、影响钻速的因素
（一）不可变因素（调节可变因素适应之）
指客观存在、无法改变的因素，如：所钻地层的岩石物理机械性质、储层埋藏深度、地层压力等。
（二）可变因素（优选、设计）
指可人为选择和改变的因素，如：地面机泵设备、钻头类型、钻压、转速、泵压、排量、钻井液性能等。
二、钻进参数优选
指在一定的客观条件下，根据不同参数配合时各因素对钻进速度和钻头寿命的影响规律，采用最优化方法，选择合理的钻进参数配合，使钻进过程达到最优的技术和经济指标。
（机械破岩参数：钻压、转速；水力参数：喷嘴直径、泵压、泵排量。）

第一节 钻进过程中各参数间的基本关系
一、不同因素对钻速的影响
（一）钻压对钻速的影响
Vpc∝W-W0
式中：W0，门限钻压，它是ab线在钻压轴上的截距，认为是钻头牙齿刚开始吃入地层时的钻压，其值的大小主要取决于岩层性质，有较强的地区性。

（二）转速对钻速的影响
Vpc∝nλ
式中：λ，转速指数，一般小于1，数值大小主要与岩层性质有关。极软地层λ =1，随岩石硬度的增大，λ值减小。

（三）牙齿磨损对钻速的影响
Vpc∝11+C2h
式中：C2，牙齿磨损系数，与钻头齿形结构和岩石性质有关；
h，牙齿磨损量，h=s牙齿磨损掉高度H（原齿高），新钻头h=0 ；牙齿全部磨损时h=1 。
（牙齿磨损级别＝8*h）

（四）水力因素对钻速的影响
比水功率：单位面积上的平均水功率。
1.水力净化井底
井底比水功率越大，净化程度越好，钻速越快。
CH=VpcVpcs=PPs
式中：CH，水力净化系数，小于或等于1，井底完全净化后，随着水功率进一步提高，钻速不会再由于净化；Vpcs，净化完善时的钻速；P，实际比水功率；Ps，净化完善时所需的比水功率。
的原因而提高。

2.水力辅助破岩
井底比水功率越大，辅助破岩能力越强，钻速越快。
（原因：水力破岩作用使得门限钻压降低。）
（五）钻井液性能对钻速的影响
1.钻井液密度对钻速的影响
（1）压持效应：钻井液密度越大，井内液柱压力越大，在井内液柱压力大于地层孔隙压力的情况下，产生一个正压差。在正压差作用下，井底岩屑难以离开井底，造成重复破碎现象，钻速降低。
（2）压差影响井底压差与钻速的关系
Vpc=Vpcoe-β△p
（3）压差影响系数：
Cp=e-β△p=VpcVpco
式中：Vpco，零压差时的钻速；。△p，压差；β，与岩性有关的系数。

2.钻井液粘度对钻速的影响
钻井液粘度增大，钻柱内外压耗增大，在泵压一定时钻头压差减小，钻头水功率减小，清岩和破岩能力降低，钻速下降。

3.钻井液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.钻井液分散性（固相颗粒的分散程度）对钻速的影响
分散性钻井液比不分散性钻井液钻速低。

（为了提高钻速，应尽可能采用的钻井液为：低密度、低粘度、低固相、不分散体系钻井液。）
二、钻速方程
Vpc=KRW-Mnλ11+C2hCpCH
式中：Vpc，钻速，m/h；KR，地层可钻系数，与地层岩石的机械性质、钻头类型及钻井液性能等因素有关；W，钻压，kN；M，门限钻压，kN；n，转速，r/min；λ，转速系数；C2，牙齿磨损系数，；h，牙齿磨损量；Cp，压差影响系数；CH，水力净化系数；
三、影响钻头寿命的主要因素
（一）钻压对牙齿磨损速度的影响
dhdt∝1Z2-Z1W
式中：Z1、Z2，钻压影响系数，Z2Z1称为极限钻压。

（二）转速对牙齿磨损速度的影响
dhdt∝a1+a2n3
式中：a1、a2，由钻头类型决定的系数（表4-2，P131）。

（三）牙齿磨损状况对牙齿磨损速度的影响
dhdt∝11+C1h
式中：C1，牙齿磨损减慢系数。

四、牙齿磨损方程
dhdt=Afa1+a2n3Z2-Z1W1+C1h
式中：Af，地层研磨性系数。
五