钻井与完井工程（第一至第四章） .ppt

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1、钻井与完井工程,目录第一章 绪论第二章 岩石与钻头第三章 井眼轨道设计与控制第四章 钻井液第五章 优选参数钻井第六章 油气井压力预测与控制第七章 固井与完井技术,第二章 岩石与钻头,第一节 岩石的力学性质第二节 岩石的研磨性与可钻性第三节 刮刀钻头及其破岩原理第四节 牙轮钻头及其破岩原理第五节 金刚石钻头及其破岩原理,第一节 岩石的力学性质,岩石的力学性质,变形特征强度特征,主要内容,一、岩石的应力应变曲线,二、简单应力条件下岩石的强度,三、复杂应力条件下岩石的强度,四、岩石的弹性,五、岩石的抗压入破碎强度,点B：发生弹性到塑性行为过渡点，称为屈服点，S称为屈服应力。,CD段：曲线下降，是由于

2、裂缝发生了不稳定传播，新的裂隙分叉发展，使岩石开始解体。CD段以脆性形态为其特征。,一、岩石的应力应变曲线,BC段：随着荷载的继续增大，变形和荷载呈非线性关系，裂隙进入不稳定发展状态，这是破坏的先行阶段。这一段应力-应变曲线的斜率随着应力的增加逐渐减小到零，曲线向下凹，在岩石中引起不可逆变化。塑性变形阶段。,强度获取方法：对具体的岩石进行强度试验,二、简单应力条件下岩石的强度,岩石的强度,抗压强度抗拉强度抗压强度抗弯曲强度,通常情况下：抗压抗剪抗弯抗拉强度,指岩石抵抗外力压缩的能力，其数值大小等于在岩样上施加轴向压缩载荷直至破坏时单位面积上的载荷，可通过单轴抗压缩强度试验来获。,岩石抗压缩强度

3、：,实验要求：*施加压力的方向应平行于岩心的轴线*岩样长度L应适当，L/D很小时，试件中的应力分布趋于三轴应力状态，具有较高的强度；L/D很大时，将发生弹性不稳定破坏；L/D应适中，一般以L/D=2.53.0较好。*尽量减小端面效应，设法降低试件端面与加压板间的摩擦。*试件尺寸取决于组成岩石的颗粒的尺寸，试件直径与最大颗粒尺寸的比值至少营为10：1。因此，原则上应尽量采用较大直径的试件。建议采用2.22.6厘米直径的试件。,直接测量：把岩样加工成拉伸试样，置于材料拉伸试验机上进行简单应力状态下(或称单轴抗拉伸状态)的拉伸试验。岩样拉断时的应力值即为岩石的抗拉伸强度。,岩石抗拉伸强度,可通过直接

4、和间接抗拉伸强度试验来确定,实验要求：*设计恰当的夹紧机构；*制备一定形状的岩样；*确保加载方向严格平行于岩样轴线。,内压胀裂实验：对圆筒状岩样施以均匀内压，直到圆筒胀裂的试验方法。通过运用拉梅厚壁圆筒应力理论，可确定岩样的抗拉伸强度。,巴西劈裂实验：这一试验是将一个薄圆盘试件沿其直径方向上加载，在沿着加载直径上分布着垂直于加载方向拉伸应力如图所示。,间接测量,圆盘的破裂是从圆的中心开始,并沿着加载直径向上下两个方向扩展开来。当拉应力达到岩样的抗拉强度时，试件在加载点连线上呈现清晰的破裂。岩石的抗张强度可按下式计算：,1.常规三轴试验 常规三轴试验是最为常用的一种三轴应力试验方法。它是将圆柱形

5、的岩样置于一个高压(a)压缩试验；(b)拉伸试验。首先用液压p使其四周处于三向均匀压缩的应力状态下，然后保持此压力不变，对岩样加载，直到使其破坏。可以进行三轴压缩试验(12=3=p)，也可以进行三轴拉伸试验。,三、复杂应力条件下的岩石强度,常规三轴试验,（a）压缩试验,（b）拉伸试验,2.三轴应力下岩石的强度和变形的特点,库仑-莫尔强度理论：岩石的强度是随作用于破坏面(或剪切滑动面)的垂直(法向)压应力的增加而增大的。,三轴应力作用下岩石机械性质的变化,两方面显著变化,一个显著变化是：随着围压的增大，岩石强度极限明显增大，但对于不同的类型的岩石，增大幅度和倍数是不一样的；同时，围压对岩石强度的

6、影响程度，并不是在所有压力范围内都相同，一般围压增大初期，强度增加较明显，围压继续增加时，相应的强度增量就越来越小，最后当围压很高时，有些岩石（如石灰岩）的强度将趋于常数。,另一个显著变化是：随着围压的增大，岩石表现出从脆性到塑性的转变，且围压越大，岩石破碎前所呈现的塑性也越大。,研究岩石从脆性到塑性的转变点（或称临界压力）对深井钻井具有重要意义：,脆性破坏和塑性破坏是两种具有本质差别的破坏形式，需分别用不同的破碎工具（如不同结构的钻头类型），采用不同的破碎方式（冲击、压碎、挤压、剪切或切削、磨削等），以及不同的破碎参数（钻压、转速及水力参数等）的组合。因此，确定岩石的脆塑性转变的“临界压力”

7、将为设计和合理选择使用钻头提供科学依据。,前苏联学者史立涅尔分析了具有圆柱形的平底压头静压入岩石时在岩石中产生的应力状态并提出了确定岩石“硬度”和速性性质的一套方法。岩石的硬度（即抗压入强度）：岩石抵抗外力压入的能力。平底圆柱压模压入岩石时，在压头下的岩体中发展了轴对称分布的三向应力状态，这种应力状态使压头下岩石的强度会急剧增大，同时多数岩石具有塑性性质。,五、岩石的抗压入破碎强度,a,圆柱压模压入时岩石中的应力状态及沿对称轴的应力分布,P-岩石平均压强 a-压头底面的半径z-距岩石表面的深度-岩石泊松比,压入实验确定岩石的硬度和塑性系数,第二节 岩石的研磨性与可钻性,岩石研磨性概念：钻井过程

8、中，钻井工具和岩石产生连续的或间歇的接触和摩擦，从而在破碎岩石的同时，这些工具本身也受到岩石的磨损而逐渐变钝甚至损坏。岩石磨损这些材料的能力称为岩石的研磨性。,研磨性磨损是由钻头工作刃与岩石相摩擦的过程中产生微切削、刻划、擦痕等所造成，属表面磨损。这种研磨性磨损除了与摩擦副材料性的性质（如化学组成和结构）有关外，还取决于摩擦的类型和特点、摩擦表面的形状和尺寸（如表面粗糙度）及摩擦面的介质等因素。研磨性磨损是一个十分复杂的问题。,一、岩石的研磨性,实验证明，金属环的单位摩擦路程的磨损不取决于圆盘的转速，而只与载W成正比，因而可用一个比例常数来表示：,摩擦磨损法,实验方法优点：在相对较小的载荷作用

9、下，可使圆环与岩石试件间的接触压力达到非常高的值；圆环的转动使其接触表面不断改变，有利于冷却和清除磨损产物；岩石试件的平移也保证了岩石的摩擦表面不断更新，并且使得接触压力在实验过程中保持不变。,岩石的研磨性不仅取决于岩石的结构和组织特点、组成岩石的矿物的性质和颗粒大小（对于碎屑岩还取决于胶结强度）等一系列岩石本身的性质，还取决于用于磨损的金属材料的性质。,二、岩石的可钻性,岩石的可钻性：岩石破碎的难易性称为岩石的可钻性，由此把岩石分为难钻的和易钻的。目前研究可钻性大致有两种：其一是把可钻性的分类建立在生产工艺的指标上。这种方法量度可钻性的单位采用在确定条件下的钻头进尺或者机械钻速，最常用的是按

10、初始机械钻速来评价岩石的可钻性。其二是是把可钻性分类建立在岩石机械性质的基础上，它不受人为技术、工艺等的影响。自50年代以来，随着钻井技术水平的提高，先后出现了许多从量的概念上评价岩石可钻性的方法。例如，以抗压强度，d指数、压痕指数、纵波速度、抗钻强度（Drilling Strength）、实钻速度、杨氏钻速模式中的地层可钻性系数等几十种，这充分说明了地层的复杂性和地层岩石可钻性是受多因素控制的综合指标。,由岩石可钻性概念和研究方法可知，岩石可钻性会因条件不同，所以实际应用时就有一定的困难。如果设法固定工作条件，使可钻性指标只反映岩石破碎难易程度，有可能就能克服应用时的问题，采用微钻头可钻性是

11、行之有效的研究方法。所谓微钻头岩石可钻性是指在室内固定测试条件下，通过微钻头模拟试验，将所测得的微钻头指标称之为微钻头岩石可钻性或条件可钻性。我国钻井界目前广泛采用的岩石可钻性测定仪为华东型微钻头测定仪。测试条件为：钻压W889.7牛，转速N55转分，钻头直径D31.75毫米（它是由八片厚2.5毫米硬质合金材料组成的，硬度为HRC 58）。实测记录钻孔深度H为2.4毫米所需的时间。测量精度要求控制在测量仪器本身允许的误差范围以内。由测量值表示的钻速公式可知，当以钻速作为可钻性指标时，钻进速度V与测量钻进深度H和钻进时间T之间的表达式为：,式中 V为微钻速；H为钻孔深度；T为钻孔时间；为单位钻进

12、深度的时间，简称为钻时或岩石可钻性指标，以秒表示。为简化计算，以钻孔深度为定值（即2.4毫米深度），故可将钻时简写为T。这样地层可钻性就简单地同基本测量值（秒）联系在一起了。并以钻时大小来表示地层被破碎时的难易程度。为了统计研究方法的需要，对钻时T作对数变换，便可得岩石可钻性级值（Kd）与微钻时之间的关系式：,第三节 刮刀钻头及其破岩原理,刮刀钻头结构简单、制造方便，在泥岩和页岩等软地层中可以得到高的机械钻速和钻头进尺，在钻遇较硬地层或软硬交错硬夹层时，钻头吃入困难，钻井效率低。,1.刀翼结构角刀翼的结构角包括：刃尖角、切削角、刃前角和刃后角,一、刮刀钻头刀翼的几何形状和结构参数,刃尖角：刀翼

13、尖端前后刃之间的夹角，它表示刀翼的尖锐程度。刃尖角的确定原则：在保证刀翼有足够强度的条件下，尽可能减小角。一般岩石软时：角可以稍小，平均角为10左右，甚至小到8 9；岩石较硬时，角适当增大，平均角为12 15；夹层多，井又较深时，角应适当增大。,刃前角与切削角互为补角(=90-)。刃后角=-，当角和角确定后，刃后角就确定了。刃后角必须大于井底角，如果刃后角小于井底角，刀翼以正螺旋面吃入切削地层，刀翼背部将直接和井底接触，将增加刀翼的承压面，影响钻速。井底角：和井眼轴线垂直的平面与实际井底平面间的夹角。,切削角：刀翼前刃和水平面之间的夹角。其它条件一定时，角越大，吃入深度越深，但如角过大，刃前岩

14、石破碎困难，钻进时的蹩劲大。角的大小应根据岩石性质来确定，一般软地层角取小一些，硬地层角取大一些。松软地层：=70；软地层：=7080；中硬地层：=8085。,刮刀钻头刀翼底刃几何形状,2 刀翼几何形状,背部几何形状：抛物线型，满足强度要求。即刀翼的宽度一定（为钻头直径的一半），刀翼的厚度随距刀刃的距离增加应逐渐增厚，呈抛物线形。,刀翼底部形状：平底、正阶梯、反阶梯和反锥等,刀翼底刃厚度b：要适当，过薄，刃尖易折断；过厚增加承压面积，影响吃入深度。从等磨损考虑，底刃一般做成内薄外厚。,刀翼长度：不要过长，加长刀翼固然可以增加刀翼的磨损量，从而增加钻头进尺，但刀翼过长，水眼至井底的距离增大，使射

15、流对井底的冲击力减小，不利于清洗井底和破碎地层。目前国内各油田刀翼的磨损长度一般设计为5070，如果正常磨损，可以不必设计这么长。,提高刮到钻头耐磨性：目前国内一般采取选择高强度材质作为刀翼材料，在刀翼侧面、刀翼正面镶装或平铺硬质合金及孕镶金刚石（或人造金刚石）块等方法来提高钻头的耐磨性。,二、刮刀钻头破碎岩石的基本原理,根据摩尔强度理论，如果忽略摩擦力，当F力等于或大于剪切面积与岩石抗剪极限强度乘积时，岩石沿剪切面破碎。,1.塑性岩石,塑性岩石硬度小，在钻压W的作用下容易吃入地层，刃前岩石在扭转力T作用下不断产生塑性流动。由于破碎岩石是在力W和T的同时作用下，因此，吃入深度要比力W单独作用时

16、深得多。,2.塑脆性岩石 在力W和T的同时作用下,垂直压强不必大于岩石硬度(大约比硬度小614倍即可)刀翼就可沿角切入岩石,使其产生体积破碎。这是因为，此时岩石的应力状态不同于刃前岩石的应力状态，刀翼吃入深度与岩石性质和力R的大小有关。塑脆性岩石的破碎大体可分为：碰撞、压碎及小剪切、大剪切三个过程 刃前岩石沿剪切面破碎后，T减小，刀翼向前推进，碰撞刃前岩石；刀翼在扭力T作用下压碎前方的岩石，使其产生小剪切破碎，旋转力增大；刀翼继续挤压前方的岩石(部分被压成粉状)，当扭力T增大到极限值时，岩石沿剪切面产生大剪切破碎，然后扭力又突然变小。,刮刀钻头在钻进时，钻头不均匀地给进和刀翼不均匀剪切岩石，使

17、钻头产生了扭转振动和横向振动，而钻柱的弹性变形所产生的较大位能又是促使振动进一步发展的条件。扭转振动由于钻进时给进不均匀，使钻压和钻头吃入深度发生变化，使钻头的旋转速度在某一振幅和频率的平均值上变化。同时由于钻具也参与这种不均匀的旋转运动，在钻头上产生很大的动载和使工具在慢速旋转阶段承受很大的冲击。如果钻柱强迫振动频率接近自身扭转振动频率，就会产生有害于钻头和钻具的共振现象。横向振动是由于刀翼不均匀地切削、破碎岩石过程中，钻头瞬时旋转轴心发生变化，导致刀翼切入或离开井壁而造成的。刀翼间歇地切入或离开井壁使得刮刀钻头形成的井眼形状为多角形的几率比圆形的要多，角顶数比刀翼数多一个。采取在钻头上安装

18、扶正器，是减小横向振动和获得圆形井眼的有效方法。,第四节 牙轮钻头及其破岩原理,牙轮钻头是石油钻井中使用最多、适应性最强的钻头。按钻头上牙轮的个数可将牙轮钻头分为单牙轮钻头、两牙轮钻头、三牙轮钻头和四牙轮钻头，其中使用最多的是三牙轮钻头。,一、三牙轮钻头破碎岩石的基本原理,1、钻头的复合运动,牙轮钻头在钻头旋转运动过程中，由于牙轮钻头在运动过程中受到井底岩石对钻头牙齿的摩阻力，钻头牙轮要向钻头前进时相反的方向旋转，因此，钻头与井底接触母线上任意点的实际运动速度应为该点随钻头运动所产生的速度(称为牵连速度)与该点随牙轮旋转所产生的速度(称为相对速度)的矢量和(称为绝对速度)。,牙轮钻头复合运动,

19、2.钻头的冲击和压碎作用,由于牙轮钻头的纵向振动，钻头对岩石产生冲击和压碎，单双齿着地的频率为：,钻头上下往复一次为一周期,由单齿着地和双齿着地之间所耗费的时间为T/2。T为牙齿与岩石的接触时间，必须大于破碎岩石所需的时间。,设牙轮轴线与水平面的夹角为，牙轮半径为Rc，以单齿着地时(轴心在O点)为研究起点(t=0,h=0)，经过时间t，当牙轮转过ct角后(c为牙轮的角速度)，轮心移到O点，此时钻头的纵向位移h为:,时，h值最大,最大纵向位移即振幅与牙轮半径成正比，与齿数成反比。,纵振速度,牙轮半径越大，转速越高、齿数越少，冲击速度越大。,3.牙齿对地层的剪切作用,二、牙轮钻头的结构和类型,1.

20、牙轮钻头的基本参数,（1）钻头直径：根据需要，与井身结构有关。（2）牙轮轴线偏移值：软地层，偏移值大，硬地层，偏移值应小（3）牙轮轴线与钻头轴线夹角：夹角的大小影响到牙轮的空间体积大小和轴承的承受力状况，角增大时，相邻两牙轮的夹角也增加，因而牙轮体积可加大；一般角为51 59，软地层钻头角较大，硬地层角小。（4）牙轮的形状与布置：牙轮形状应能在有限空间内尽量加大牙轮的体积，这样可以加大轴承的尺寸，使轴承有较的的工能力，并保证轮壳有足够的厚度以免断裂。同时在牙轮的外表可以布置更多的牙齿，以延长切削部分的寿命。形状有两种：即单锥牙轮和复锥牙轮，硬地层使用单锥，软地层使用复锥牙轮。,牙轮的布置主要有

21、三种：,(5)牙轮上牙齿的布置 牙齿在牙轮上的排列布置直接影响钻头的钻进效率，因此是非常重要的。1)在钻头每转一周中，牙齿应全部破碎井底。2)牙轮在重复滚动时应使牙齿不致落入别的齿已破碎的旧坑内，因此应使钻头转动一周每个齿圈在井底滚动的周长与齿距之比值不为整数，且各齿圈之距不应大于井底破碎坑之宽。3)各牙轮齿圈上的牙齿数应使每齿均匀地承担破碎井底岩石的任务，因此外圈齿数应多些，内圈齿数可少些。,2.牙轮钻头的牙齿,目前牙轮钻头的牙齿有铣齿(也称钢齿)和硬质合金齿(简称镶齿)两大类。,3.牙轮钻头的轴承,滚动轴承滑动轴承,4.钻头水眼,分两种：普通钻头水眼，在钻头适当部位开孔焊上水眼；喷射式钻头

22、则要在水眼处安装硬质合金喷嘴，且对水眼有关的钻头结构有特殊的要求,第五节 金刚石钻头及其破岩原理,金刚石钻头是以锋利、耐磨和能够自锐的天然金刚石或人造金刚石为切削齿，在钻低钻压下即可获得较高的钻速和钻头进尺，是石油钻井中广泛使用的一种高效钻头。,按金刚石来源可分为天然金刚石钻头和人造金刚石钻头按功用可分为取心钻头和全面钻进钻头；按镶嵌方式可分为表镶和孕镶两类；按钻井方式则可分为转盘钻井和涡轮钻井用两类。,分类：,一、金刚石钻头1、金刚石钻头的结构,钢体胎体切削刃水眼与水槽,(1)钢体 钢体上部车有螺纹连接钻具，下部与胎体烧结在一起。刚体有一体式的，也有由两部分构成的，即上部为合金钢车有螺纹，下

23、部为低碳钢连接胎体。钢体上下两部分以螺纹连接在一起然后焊死。(2)胎体 胎体是镶嵌金刚石颗粒的基体，是由一定粒度的硬质合金粉加上适当的易熔金属作粘合剂，压制烧结面而成。胎体形状即工作剖面，主要是指工作面的几何形状和工作面积的大小，是根据适用不同岩性而设计的。,(3)切削刃 金刚石钻头的切削刃根据金刚石颗粒镶装在胎体上的形式有表镶式、孕镶式和表孕镶式三种。,(4)水眼与水槽 金刚石钻头的水眼与水槽是构成钻头水动力的通道。水眼和水槽的布置原则：是使金刚石钻头在钻进过程中，保证供给钻头工作面足够的水力能量，既能清除岩屑，又能很好地冷却和润滑钻头上的金刚石。用于软到中硬地层的金刚石钻头，由于其工作面小

24、，金刚石颗粒粗而稀，钻进时钻速快，岩屑多而粗，因此水槽应宽而少。而对于硬和坚硬地层，由于钻头工作面大、金刚石颗粒细而密，且出刃低，钻压大，水槽则应多、密、窄。表镶式金刚石钻头通常采用的水槽结构大体上可分为：逼压式水槽、辐射形水槽、辐射形逼压式水槽和螺旋形水槽四种。,2.金刚石钻头破岩原理,当钻某些硬地层时，钻头上的每粒金刚石在钻压作用下压入岩石使下面的岩石处于极高的应力状态，呈现塑性，同时在旋转扭矩的作用下产生切削作用，破碎岩石的体积大体上等于金刚石吃入岩石的位移体积。,对于脆性较大的岩石，在钻压和扭力的作用下所产生的应力可使岩石沿剪切面产生裂缝,此时,岩石破碎体积远大于金刚石吃入后位移体积。

25、脆性较大的岩石其破碎深度可达金刚石压入深度的25倍。金刚石破碎岩石的效果，除与岩石的性能有关外，还与井筒和地层孔隙流体的压差有大小、钻压大小及金刚石几何形状、粒度和出露有关。,二、PDC钻头,聚晶金刚石复合片(Polycrystalline Diamond Compact)钻头，简称PDC钻头。它是用聚晶金刚石(薄圆片状)做成小型切削块镶装或烧结到钻头体上而形成的。使用于软到中硬地层。,（1）钻头基体 PDC钻头可分为钢体PDC钻头和碳化钨胎体PDC钻头。钢体式PDC钻头的表面不耐冲蚀，规径易于磨小，而胎体式钻头的碳化钨合金耐冲蚀、耐磨损，允许使用较高的钻头压力降、较高钻井液含砂量，易于进行优

26、化水力设计，具有较大的设计灵活性，鱼尾形钻头寿命较长。,PDC钻头为一整体式钻头，整个钻头没有活动零部件，结构比较简单，大致由钻头基体、钻头切削齿、喷嘴及排屑槽等几部分组成。,1.PDC钻头结构,，,（2）钻头切削齿,聚晶金刚石复合片是经过特殊工艺将金刚石微粒粘结在一起形成的复合材料。复合片上部为聚晶金刚石薄层，其厚度为0.5000.635mm，是切削齿锋利的刃口，硬度及耐磨性极高，当抗冲击性较差。复合片下部为碳化钨基片，聚晶金刚石片与碳化钨基片之间的有机结合，使得PDC齿既具有金刚石的硬度和耐磨性，又具有碳化钨的结构强度的抗冲击能力。,PDC齿具有良好的自锐性，聚晶金刚石晶粒在切削岩石的过程

27、中不断脱落，形成刃面的晶粒更新自锐。此外，碳化钨基片先磨损，形成锋利的刃口，同时具有良好的抗冲击性能为金刚石提供良好的弹性依托。,标准切削齿,圆柱状和栓销状切削齿是两种基本类型，圆柱状是标准切削齿，使用最普遍。其它几类切削齿都是以标准切削齿为基础而产生的。标准切削齿很容易受冲击载荷而损坏，使金刚石薄片与碳化钨基片分离，或者产生大块金刚石薄层破裂，在钻硬地层时效果不理想。,牙嵌式切削齿,在增加了金刚石薄层厚度的同时，增加了金刚石层与碳化钨基片的接触面积，提高了切削齿的研磨性和强度。,环嵌式切削齿,是牙嵌式切削齿的特殊形式，在嵌牙的外缘增加了一周聚晶金刚石环。不仅提高了切削齿的耐磨强度，还提高了耐

28、冲击强度。,（3）切削齿的排列方向 PDC钻头设计中用负前角、侧偏角和切削齿出露高度来规定切削齿的排列方向。负前角又称后倾角，它是指复合片层面与岩石工作面垂线之间的夹角。采用适当的负前角，可以大大改善切削齿的抗冲击性。一般负前角取值范围为0 25。软地层：取0或较小负前角值；硬地层，负前角应较大，以保证有效切削，并防止冲击载荷引起切削齿的损坏。,侧偏角是指切削齿面与钻头径向平面之间的夹角，有侧偏角的钻头比无侧偏角的钻头钻进性能好，钻速快，并可以改善钻头的清洗和岩屑的及时排除；减少岩屑粘附切削齿的机会。实验表明，侧偏角为-15时粘附机会最小。切削齿的出露高度与所钻岩性有关，可分为全出露和部分出露

29、两种。全部出露：适于钻软地层；部分出露：使于钻硬地层，可以提高切削齿刚度，有利于延长PDC钻头的寿命。,（4）喷嘴水道及排屑槽 喷嘴出口形状、射流喷嘴方向、流道的设计，以及排屑槽的形状和布置都是PDC钻头设计中重要组成部分。喷嘴的配置和取向基本原则：每个喷嘴或水眼能清洗和冷却一组复合片。按喷嘴的形状可将喷嘴分为：标准喷嘴、扇射式喷嘴、矩形喷嘴和六角形喷嘴。排屑槽的形状主要有楔形、扇形、半圆形。,2.PDC钻头破岩原理,PDC钻头是以切削 齿对地层进行切削来破碎岩石，整个切削过程，与金属切削过程很相似。岩石的切削过程实质：是一种挤压过程，在挤压过程中，岩石主要以滑移变形方式成为切屑。,当岩石开始

30、接触切削齿的刀刃最初瞬时，接触点的压力使岩石内部产生弹性应力和应变；当切削刃逼近岩石时，岩石内部弹性应力逐渐增大，在岩石内某一位置，剪应力达到岩石的屈服强度，因而，岩石开始沿剪切力相等的“初滑移面”滑移（OA面，该面左边代表弹性变形区，右边代表塑性变形区）。,岩石经过OA面在当切削刃移动时，滑移变形越来越大，当岩石移到OE面时，将不在沿OE面滑移（如1、2面），而是一起沿切削齿前倾面流出，所以称OA为初始滑移线，而称OE为终止滑移线。当岩石沿前倾面流出时，由于受到切削齿前倾面的压力和摩擦，切削的底层（靠近前倾面的一层）产生较大的挤压和剪切变形，结果，下层膨胀，切削向前倾相反方向流出，离开前倾面

31、而成为切屑。PDC钻头的破岩机理可概括为：PDC钻头切削齿在钻压作用下能自锐地吃入地层，在扭矩作用下向前移动剪切岩石。PDC钻头不存在由于压差作用引起的岩屑清楚障碍；因此，破岩效率高。,第三章 井眼轨道设计与控制,井眼轨道,定向井,直井：设计井眼轴线为一铅垂线，其井斜角、井底水平位移和全角变化率均在限定范围。,定向井：沿着预先设计的井眼轨道，按既定方向偏离井口垂线一定距离，钻达一定目标的井,普通定向井：一个井场内仅有1口最大井斜角小于60的定向井。斜直井：用斜直钻机或斜井架完成，自井口开始井眼轨道一直是一段斜井段的定向井。大斜度井：最大井斜角在60 80范围内的定向井水平井：最大井斜角大于或等

32、于86，并保持这种井斜角钻完一定长度段的井。长曲率半径：6/30m 中曲率半径：6 20/30m水平井 中短曲率半径：1 20/30m 短曲率半径：1 10/m 径向水平井：k=丛式井：在一个井场内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。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。,第一节 井眼轨道设计的原则和方法,一、基本概念1 井眼轨道的基本要素井眼轨道：表示井眼轴线形状的图形。,井深D：转盘补心到井底的深度。,测深m：某测点到转盘补心的井眼轴线实际长度。,垂深：井眼轴线上某测点至井口转盘所在平面的垂直距离。,井斜角i：轴线切向方向与垂线的夹角。,方位角：正

33、北顺时针转至轴线上某点切线在水平面的投影的夹角。,井眼曲率Rh：单位长度井段井眼轴线的切线所转过的角度。井斜变化率Rn：单位长度井段井斜角变化值。方位变化率Ri：单位长度井段方位角变化值。,井底闭合方位角h：从正北方向顺时针转至井口与井底的水平投影连线的夹角。,井底水平位移Sh：井口与井底两点在水平投影面上的直线距离。,1)直井段:设计井斜角为零度的井段。2)造斜点（）:开始定向造斜的位置称为造斜点。通常以该点的井深来表示。3)造斜率（）:造斜工具的造斜能力,即该造斜工具所钻出的井段的井眼曲率。4)造(增)斜段:井斜角随井深增加的井段。5)稳斜段:井斜角保持不变的井段。6)降斜段:井斜角随着井

34、深的增加而减小的井段。7)目标点:设计规定的、必须钻达的地层位置，通常以地面井口为坐标原点的空间坐标系的坐标值来表示.8)靶区及靶区半径（）:包含目标点在内的一个区域称为靶区。在一般油气井中，靶区半径为允许实钻井眼轨道偏离设计目标点的水平距离,靶区为在目标点所在的水平面上,以目标点为圆心,以靶区半径为半径的一个圆面积。在大斜度井和水平井中，靶区为包含设计井眼轨道的一个柱状体。9)靶心距（）:在靶区平面上,实钻井眼轴线与目标点之间的距离,2.井身剖面,井身在垂直平面内的投影,1)工具弯角（）:在造斜钻具组合中,拐弯处上下两段的轴线间的夹角。2)工具面:在造斜钻具组合中,由弯曲工具的两个轴线所决定

35、的平面。3)反扭角（）:在使用井下动力钻具进行定向造斜或扭方位时,动力钻具启动前的工具面与启动后且加压钻进时的工具面之间的夹角。反扭角总是使工具面逆时针转动。4)高边：定向井的井底是个呈倾斜状态的圆平面，称为井底圆；井底圆上的最高点称为高边；从井底圆心至高边之间的连线所指的方向称为高边方向；从正北方向线顺时针转至高边方向在水平面上的投影所转过的角度称为高边方位角。5)工具面角（）：造斜工具下到井底以后，工具面所在的角度。它有两种表示方法：高边工具面角和磁工具面角。高边工具面角是以高边方向线为始边，顺时针转到工具面与井底圆平面的交线所转过的角度；磁工具面角为以正北方向线为始边，顺时针转到工具面与

36、井底圆平面的交线在水平面上的投影线所转过的角度。,3.井眼轨道水平投影,6)装置角（）:在启动钻具后且加压钻进时,工具面所处的角度，与工具面角一样，既可用高边工具面表示，也可用磁工具面表示。7)安置角（）：在启动钻具前,工具面所处的角度。与工具面角一样，既可用高边工具面表示，也可用磁工具面表示。8)安全控制圆锥（柱）:以设计井眼轴线为中心所限定的圆锥（柱）空间。9)误差椭球:由测量和计算误差引起的井底位置不确定性所构成的以井底为中心的椭球体。,井眼曲率的计算,1）简单表示法,方位角不变的井眼轴线,此时：,若AB弧有均匀曲率，则根据定义：,对于空间井眼轴线，可以用两个平面来表示,垂直：,水平：,

37、空间曲率的计算,设有一空间曲线L，L上点A的定向要素为：DA、EA、NA、A、A、ShA；井深增加到B点，设AB弧与整个井眼相比为小量，其长设为dl，B点的定向要素为：DA+dD、EA+dE、NA+dN、A+d、ShA+dShA、A+d。连接AB两点，AB线段水平投影为AB线段。可以近似地认为：AB弧长=AB线段长=dl。,在垂直投影面中：A、A+d在平面AAB 内，令 AAB=，则,水平投影面中：,由于：,则：,坐标参数与基本参数间的关系：,Rn、Ri对Rh都有影响。,四、井眼轨道设计的原则和方法,1.井眼轨道的类型,2.设计井眼轨道的原则1)根据油气田勘探开发要求，保证实现钻井目的；2)根

38、据油气田的构造特征、油气产状，有利于提高油气产量和采收率，改善投资效益；3)在选择造斜点、井眼曲率、最大井斜角等参数时，有利于钻井、采油和修井作业；4)在满足钻井目的的前提下，应尽可能选择比较简单的剖面类型，力求使设计的斜井深最短，以减小井眼轨道控制的难度和钻井工作量，有利于安全、快速钻井、降低钻井成本。,(1)造斜点的 选择原则,3.井眼轨道设计中有关因素的选择,1)造斜点的选择在比较稳定的地层，避免在岩石破碎带、漏失地层2）地层可钻性均匀，不应有硬夹层；3）要满足采油工艺要求；4)垂深大、水平位移小的井，造斜点应深，以简化井身结构、加快钻速；5)垂深小、水平位移大的井，造斜点应浅，以减少定

39、向施工的工作量；6)在井眼方位漂移地区，应使斜井段避开方位漂移大的地层或利用井眼方位漂移规律钻达目标点。,(2)最大井斜角,(3)井眼曲率,直井在规定井斜角内；常规井和水平井交斜角小于15时，方位不稳定，因此，最大井斜角应大于15。,井眼曲率过大会给钻井、采油和修井作业造成困难，因此，应根据具体情况，适当选择井眼曲率。,4.井眼轨道类型的选择 设计井眼轨道时，一般选择简单的二维轨道。二维轨道由垂直井段、造斜井段、稳斜井段、降斜井段组合而成，最常用的有四种类型。,直井,三段制,五段制,“S”型,5.二维定向井井眼轨道设计方法 定向井井眼轨道设计一定要认真执行井眼轨道设计原则，选择合理的井眼轨道类

40、型，结合本井情况，设计出良好的井眼轨道。1)掌握原始资料主要是该地区的地质剖面、地表对井位的限制条件、目的层位的垂直井深和总水平位移、自然造斜规律、工具造斜能力、钻井技术水平以及故障提示等；2)根据井眼轨道确定原则，选定一个井眼轨道类型；3)根据原始资料选定造斜点的位置，并确定造斜率和降斜率的大小；4)确定最大井斜角；5)计算剖面上各井段的井斜角、方位角、垂直井深、水平位移；6)核算井眼曲率，使其满足对它的各种限制条件，并做出井身的控制圆柱，即误差范围；7)绘制井眼轨道图，标出安全圆柱。,设计实例,例：已知某设计井的垂深D=3000m，水平位移Sh=1500m，方位角=30，造斜点垂直深度Dk

41、op=400m，造斜率Rb1=2/30m，降斜率Rb2=1.5/30m，油层垂直深度De=2700m，要求稳斜进入油层，井斜角不大于e=8。,目前常用的设计方法,查图法作图法解析法,d,最大井斜角m的确定,在 kjf中：,She：油层内水平位移De：油层深度,若令：,造斜率与曲率半径的关系：,计算：,井段：Oa最大井斜角:0方位角:0垂直井深增量D(m):Da=Dkop=400垂直井深D(m):Da=Dkop=400水平位移增量Sh(m):Sha=0 水平位移Sh(m):Sh=0 段长l(m):la=Dkop=0井深Dw(m):Dw=Dkop=0,井段：ab最大井斜角:40.51 方位角:30

42、垂直井深增量D(m):Dab=R1sinm=558.31垂直井深D(m):Db=Da+Dab=958.31水平位移增量Sh(m):Shab=R1(1-cos m)=206.03 水平位移Sh(m):Shb=Shab=206.03 段长l(m):lab=R1m/57.3=607.65井深Dw(m):Dwb=Dwa+lab=1007.65,垂直井深D(m):Dc=Db+Dbc=2115.07水平位移增量Sh(m):Shbc=Dbc tgm=988.32 水平位移Sh(m):Shc=Shb+Shbc=1194.35 段长l(m):lbc=Shbc/sin m=1521.47井深Dw(m):Dwc=D

43、wb+lbc=2529.12,井段：bc最大井斜角:40.51 方位角:30垂直井深增量D(m):Dbc=De-Dkop-Dab-Dcd=1156.76,水平位移Sh(m):Shd=Shc+Shcd=1457.9 段长l(m):lcd=R2(m-e)/57.3=1521.47井深Dw(m):Dwd=Dwc+lcd=3179.32,井段：cd最大井斜角:40.51 方位角:30垂直井深增量D(m):Dcd=R2(sinm-sine)=584.93,垂直井深D(m):Dd=Dc+Dcd=2700水平位移增量Sh(m):Shcd=R2(cos e-cos m)=263.35,井段：dt最大井斜角:8

44、 方位角:30垂直井深增量D(m):Ddt=D-De=300垂直井深D(m):Dt=Dd+Ddt=3000水平位移增量Sh(m):Shdt=Ddt tge=42.16 水平位移Sh(m):Sht=Shd+Shdt=1500.06 段长l(m):ldt=Shdt/sin e=302.93井深Dw(m):Dwt=Dwd+ldt=3482.25,6.井眼轨道随钻修正设计7.井眼轨道绕障或防碰设计8.丛式井总体设计的原则(1)丛式井位置、数量和井数的确定(2)防止井眼相碰 防止井眼相碰是丛式井设计和施工的关键。为此，我们应该注意下述几个方面。1)井网类型。2)井眼轨道设计。3)井口布置4)造斜点位置5

45、)造斜率与最大井斜角6)钻井次序7)控制安全圆柱8)提高测斜仪器的精度9)使用电子计算机绘制井眼防碰图,第二节 钻柱及下部钻柱组合设计,钻柱：是指自方钻杆至钻头以上的钻具管串的总称。钻柱由方钻杆、钻杆、钻铤、接头和稳定器等钻具组成。在钻井过程中，通过钻柱把钻头和地面连接起来。钻柱的主要作用有:1)提供钻机到钻头的钻井液通道,即输送钻井液；2)把地面动力传递给钻头并给钻头加压,使钻头破碎岩石；3)起下钻头；4)通过钻柱可以了解钻头工作情况、井眼状况及地层情况等；5)进行取心、处理井下事故与复杂情况、打捞；6)对地层流体及压力状况等进行测试与评价。,钻具是钻井工具的简称,常用钻具包括钻头、钻铤、稳

46、定器、减振器、震击器、加重钻杆、钻杆、方钻杆、井底马达和连续导向动力钻具组合等。,二、钻柱的工作状态及受力分析,1、钻柱的工作状态,起下钻：钻柱不接触井底，钻柱处于悬持状态，在自重作用下，钻柱处于受拉伸的直线稳定状态正常钻进：部分钻柱的重量作为钻压施加在钻头上，使得下部钻柱受压缩。在钻压小和直井条件下，钻柱也是直的，而当压力达到某一临界值时，下部钻柱将失去直线稳定状态，发生弯曲，并在某一点与井壁接触，称为钻柱的第一次弯曲；如果继续加大钻压则弯曲形状改变，切点下移，当钻压增大到新的临界值时，钻柱弯曲出现第二个半波，着是钻柱的第二次弯曲。如果继续增大钻压，则会出现第三次弯曲。正常钻进过程中，钻柱处

47、于不停的旋转状态，作用在钻柱上的力除拉力、压力外，还有由于钻柱旋转产生的离心力，离心力的作用有可能加剧下部钻柱的弯曲，使弯曲半波长度缩短。,一、常用钻井工具,钻柱旋转运动的可能形式：自转、公转、公转+自转、不规则运动,2、钻柱的受力分析及计算,不同的工作条件、不同部位，钻柱受载荷不同,拉、压扭矩弯矩内外压力,1）轴向载荷包括稳态载荷和动态载荷，一般除振动严重外，忽略动态。,中和点：轴向应力线与静液柱压力的交点。此点的静液柱压力等于钻柱中压缩应力。,中和点位置可以由钻压W除以单位长度浮重来确定,钻进过程中钻柱轴向载荷：,Wpt为任意截面处轴向载荷。Wp为该截面以下钻柱在空气中的重量。若设分析截面

48、距井底长度为L，则,2）扭矩,转盘钻进时，钻柱扭矩在井口处最大，钻头处最小。采用井下动力钻具时，钻头施加给钻柱反扭矩，扭矩在钻头处最大，井口处最小。,当能够确定某一截面的钻柱承受的扭矩时，可以计算该截面上钻柱由于承受扭矩而产生的剪切应力,转盘钻进时，钻柱所受的扭矩取决于转盘传给钻柱的功率,正常钻进时，N的大小与钻头类型及直径、岩石性质、钻柱尺寸、钻压、转速、钻井液性能及井眼质量的功能因素有关，可以用经验公式确定,式中：N空转钻柱空转功率，kW；d 钻井液密度，N/m3；de钻柱外径，cm；L钻柱长度，m；n转速，r/min。,刮刀钻头钻进,牙轮钻头钻进,W钻压，N；Db钻头直径，cm。,C为经

49、验系数，与岩性、钻井液性质、井眼清洁程度、钻头磨损等有关。一般取：0.350.6。,若钻头或钻柱突然被卡，旋转钻柱的动能可能全部转变为变形位能，引起瞬时扭矩，产生很大的扭矩和剪应力旋转动能,变形位能：,被卡时：,最大扭矩：,3）钻柱弯矩,直井中钻柱上部弯矩是由离心力引起的，钻柱下部则是由钻柱受压弯曲和离心力共同作用引起的，一般下部弯曲应力大。在弯曲井眼中，钻柱被约束，受到弯矩的作用。弯曲状态下，钻柱自转，产生交变弯曲应力。,4)内外压力,内外压力作用下产生径向应力和周向应力,5）其它力的作用,离心力纵向振动横向振动动载钻柱与井壁的正压力和摩擦力,3 钻柱强度及稳定性校核,钻柱所受的四种主要载荷

50、,1）强度校核,最大应力应满足：,2)稳定性校核,无论是直井还是定向井，当钻柱所受的轴向压力小于一定值时，钻柱为直线稳定状态；当轴向压力大于一定值时，钻柱就发生正弦屈曲；当轴向力继续增大时，钻柱就会发生螺旋屈曲。钻柱屈曲后，钻柱与井壁的压力、摩擦力急剧增加，钻柱应力增大。钻柱失稳及形式可用下列式子计算分析,4、钻柱的破坏,统计资料说明，绝大多数钻柱的损坏有下述几种情况：（1）钻柱的疲劳破坏 疲劳破坏有三种形式：纯疲劳、伤痕疲劳和腐蚀疲劳。（2）钻杆的氢脆破坏,1）钻柱的物理机械性能,(1)钻柱的材质 钻柱的各个组成部分均由优质合金钢或优质铝合金制造。在API标准中，规定钻杆的钢级有D级、E级、