钻井工程课程要点
第一章 工程地质基础
第一节 压力概念
1、 静液柱压力、上覆岩层压力、基岩应力、地层孔隙压力（地层压力）、破裂压力的概念。 2、 上覆岩层压力=基岩应力+地层压力。 3、 用欠压实理论解释异常高压的成因。 4、 解释声波时差预测地层压力原理。 5、 解释Dc指数法监测地层压力原理。
6、 地破实验（漏失实验、地漏实验）曲线绘制及解释。 第二节 岩石力学概念
1、 岩石分类（火成岩、变质岩、沉积岩）
2、 沉积岩的类型（碎屑沉积岩、化学沉积岩）和特点（结构特点—微观特点、构造特点——宏观特点、
各向异性、不均匀性）。
3、 岩石的力学性质——岩石受力后表现出来的变形特性和强度特性。 4、 岩石的强度（抗拉强度＜抗弯强度≤抗剪强度＜抗压强度） 5、 弹性、脆性、塑性概念。
6、 巴西实验是测量岩石的抗拉强度的。
7、 简单应力条件下压力的力学性质的一般规律。 8、 复杂应力条件下岩石的力学性质的一般规律。 9、 岩石的各向压缩效应。 10、 岩石的硬度、可钻性、研磨性概念。 11、 塑性系数表征的含义及数值大小说明岩石具有的性质。 12、 井壁失稳形式（坍塌、破裂）。 13、 钻井液密度窗口【max(ρp，ρt)，ρf】
第二章 钻进工具
第一节 钻头
1、 钻头结构和工作原理上分类（牙轮、金刚石（PDC、TSP、天然金刚石））。
2、 牙轮钻头的结构由钻头体、牙爪（巴掌）及牙轮轴、牙轮及牙齿、轴承、储油润滑密封系统、喷嘴等
部分组成。
3、 牙轮锥面形状对应的地层：（1）单锥牙轮：主锥+背锥，硬地层；（2）复锥牙轮：主锥+副锥+背锥，
软到中硬。
4、 牙轮的滑动轴承比滚动的寿命高，解释原因？
5、 牙轮滑动对破岩的作用：超顶和复锥：切向滑动，剪切同一齿圈相邻牙齿间的岩石。移轴：径向滑动，
剪切相邻齿圈之间的岩石。 6、 牙轮钻头的破岩机理：（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，破碎齿间岩石。（3）射流的冲蚀作用，由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。
7、 国产牙轮钻头按结构分类共8个系列的含义Y，P，MP，MPB，HP，HPB，XMP，XH。 8、 解释钻头类型代号的含义：
用于中硬地层、直径为8in(215.9mm)的镶齿滑动密封轴承喷射式三牙轮钻头的型号为：8XHP5或215.9XHP5。
9、 金刚石具有极高的硬度（莫氏硬度10）、抗压强度（8800MPa）和耐磨性钢的9000倍）。其缺点是：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。 10、 金刚石钻头为无活动部件的整体式钻头。由钢体、胎体（冠部和保径部）、水眼及水槽、金刚石
切削刃等部分组成。
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11、 PDC钻头——聚晶金刚石复合片钻头，TSP钻头——热稳定聚晶金刚石钻头。 12、 金刚石钻头以磨削（研磨）方式破碎岩石。 13、 PDC钻头切削齿布置：（1）刮刀式布齿方式：特点是整体强度高、抗冲击能力强、易于清洗和冷
却、排屑好、抗泥包能力强。适用于粘性或软地层。（2）单齿式布齿方式：布齿区域大、布齿密度高，可以提高钻头的使用寿命，但水力清洗能力低，容易在粘性地层泥包。适用于硬地层。（3）组合式切削齿的布置：具有较好的清洗、冷却和排屑能力，布齿密度较高。这种布齿方式的钻头多用于中等硬度地层。 14、 PDC钻头切削齿工作角作用：（1）后倾角：起到保护切削齿，延长寿命的作用。取值0°～ 20°，
软地层小一些，硬地层大一些。（2）侧倾角：钻头旋转时，切削刃面对切屑产生向外侧的推力，有利于向外排除岩屑。15°左右。 15、 IADC分类法中，金刚石钻头切削齿种类和钻头体材料：D-天然金刚石，M-胎体PDC，S-钢体PDC，
T-胎体TSP，O-其他 16、 牙轮钻头和金刚石钻头使用时主要区别？
牙轮钻头主要应用：因其牙齿设计和轴承结构的不同而应用各种类型的地层，特点：因时因地选用，合理的使用可获得满意的进尺和机械钻速。大钻压，低转速。破岩方式：冲击、压碎。
金刚石钻头的金刚石是人类目前知道最硬的材料，耐磨性最高，金刚石钻头用于硬的，高研磨性地层。可获得高进尺，虽然昂贵，但单只进尺高，而在石油行业中有很强的竞争力。主要应用：旋转钻井、涡轮钻井和取芯作业中。破岩方式：塑性或应力塑性地层是犁削，脆性地层是压碎。硬地层是微刻划，微切削。注意事项：小钻压高转速，大排量。 第二节 钻柱 1、 钻柱的作用。（1）提供钻井液流动通道；（2）给钻头提供钻压；（3）传递扭距；（4）起下钻头；（5）
计量井深；（6）观察和了解井下情况（钻头工况、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(Drill-Stem Testing)，又称中途测试。 2、 钻杆接头类型：内平（IF）、贯眼（FH）、正规（REG）。
3、 钻铤结构特点：管体两端直接车制丝扣，无专门接头；壁厚大(38-53毫米），重量大，刚度大。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。
4、 钻柱正常钻进工况下：上部受拉伸，下部受压弯曲；在扭矩作用下旋转运动。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。压力较大时可能发生多次弯曲。 5、 钻柱受力最严重的部位：（1）井口断面拉力最大，对于转盘钻井井口扭距最大，对于井下动力钻具钻
井，钻头处扭矩最大；（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。
6、 中性点的概念：钻柱上轴向力等于零的点。 7、 钻柱设计计算。（钻杆柱设计时不考虑井斜角）。
第三章 钻井液
第一节 钻井液的定义和功用 1、钻井液的功用：（1）携岩；（2）冷却和润滑钻头及钻柱 ；（3）造壁，维持井壁稳定；（4）控制地层压力；（5）悬浮钻屑和加重材料，防止下沉；（6）获得地层和油气资料；（7）传递水功率。 第二节 钻井液的组成和分类 1、钻井液的组成：（1）液相：钻井液的连续相，水或油。（2）活性固相：包括人为加入的商业膨润土（般土）、有机膨润土(油基钻井液用)和地层进入的造浆粘土。（3）惰性固相：惰性固相是钻屑和加重材料。（4）各种钻井液添加剂: 增粘、稀释、降失水、PH值、防塌等。 2、钻井液的分类（API和IADC分类）：（1）不分散体系（2）分散体系（3）钙处理体系（4）聚合物体系（5）低固相体系（6）饱和盐水体系（7）修井完井液体系（8）油基钻井液体系（9）空气、雾、泡沫和
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气体体系。
第三节 钻井液的性能
1、 钻井液的密度 调节井内钻井液的静液柱压力，地层压力及地层构造应力，避免发生井喷及井塌等事故。 2、 钻井液密度调整钻井液密度的方法：提高密度（加重），加重晶石、石灰石、可溶性无机盐；降低密度，
降低固相含量，加水稀释，混油，充气。 3、 静切力（静切应力）：使钻井液开始流动所需的最低切应力，它是钻井液静止时单位面积上所形成的连
续空间网架结构(凝胶结构)强度的量度。它反映了钻井液触变性的好坏。 （静止时悬浮钻屑、加重材料的能力）
4、 动切应力（屈服值）：流变曲线直线段的延长线与切应力轴交点的应力大小（假想值）。反映在层流状
态下粘土颗粒之间及高聚物分子之间的相互作用力（形成空间网状结构之力）的大小。
5、 塑性粘度：是塑性流体流变曲线直线段斜率的倒数，不随剪切力变化，反映结构拆散的速度等于恢复
速度时的粘度。它是钻井液流动时固相颗粒之间、固相颗粒与周围液相间以及液相分子间的内摩擦作用的总反映。固相含量、颗粒形状和分散程度、表面润滑性、液相性质。它反映了液体粘滞力的大小。 6、 表观粘度（视粘度或有效粘度）：它是在某一流速梯度下剪切应力与相应流速梯度的比值。等于塑性粘
度与结构粘度之和，它反映两者的总的粘滞作用，是“总粘度”的意思。
7、 动切力与塑性粘度之比，反映了钻井液结构强度与塑性粘度的比例关系。动塑比大，流动过水断面较
平缓，剪切稀释能力强，但流动阻力大，泵压高。动塑比小，尖峰层流，钻屑转动。理想值（0.36～0.48）。
8、 滤失和造壁过程：钻井液中的液体(刚开始也有钻井液)在压差的作用下向地层内渗滤的过程称为钻井液
的滤失。钻井液中的固相颗粒附着在井壁上形成滤饼的过程称为造壁过程。
9、 瞬时滤失：在钻头破碎岩石形成新的井眼而滤饼尚未形成的一段时间内，钻井液迅速向地层渗滤，此
时的滤失称为瞬时滤失。瞬时滤失量有利于提高钻速，但严重损害油气层。 10、 动滤失：在已形成的井眼内，随着钻井液的渗滤，在井壁上形成一层滤饼，并不断增厚、密实。
同时，形成的滤饼又受到钻井液的冲刷和钻柱的碰撞、刮挤而遭到破坏。最终，滤饼形成速度等于破坏速度而达到平衡，此时滤饼厚度不变，滤失速率也保持不变。这种钻井液在井内循环流动时的滤失过程称为动滤失。 11、 静滤失：钻井液在停止循环时的滤失过程称为静滤失。随着滤失过程的进行，滤饼逐渐增厚，滤
失阻力逐渐增大，滤失速率逐渐减小。 第四节 钻井液的固相控制 1、 固相对钻井的影响：（1）固相含量升高，钻速降低；（2）固相含量高，形成的滤饼厚，容易引起压差
卡钻。（3）固相含量高，对油气层损害严重。 2、 固相控制方法：（1）大池子沉淀；（2）清水稀释；（3）替换部分钻井液；（4）利用机械设备清除固相
（振动筛：清除0.5mm以上固相颗粒。旋流分离器：除砂器>74μm、除泥器 10 ~ 74 μm；超级分离器：5 ~ 10μm;离心机：清除2～5μm以上的颗粒和回收重晶石。）（5）聚合物絮凝剂：清除更细小的颗粒，作用机理是吸附→架桥→形成团块。
3、 泥页岩的水化膨胀：泥页岩中的粘土矿物容易吸水膨胀和分散，造成井壁岩石强度降低，引起井壁不
稳定。井壁不稳定主要是泥页岩的水化问题。 1、 防塌措施：
（1）钻井液中加入K+、NH+4等无机阳离子 （2）加入高聚物
（3）利用沥青类物质在井壁上起封堵作用
第四章 钻进参数优选
第一节 钻进过程中各参数间的基本关系
1、钻进参数：表征钻进过程中的可控因素所包含的设备、工具、钻井液以及操作条件的重要性质的量。如钻头类型、钻井液性能参数、钻压、转速、泵压、排量、钻头喷嘴直径、钻头水功率等。
2、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
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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。 3、影响钻速的主要因素
（1）钻压对钻速的影响（图）
门限钻压：认为是牙齿开始吃入地层时的钻压,其值的大小主要取决于岩层性质,并具有较强的地区性。 （2）钻速随转速的增大而增大，并呈指数关系变化。 （3）随着钻头牙齿的磨损，钻速下降。
（4）水力因素对钻速的影响：井底比水功率越大，净化程度越好，钻速越快。井底比水功率越大，辅助破岩能力越强，钻速越快。 （5）钻井液性能对钻速的影响
①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。此现象称为压持效应。
②钻井液粘度增大，将会增大环空压降，使井底压差增大，钻速降低；钻井液粘度增大，钻柱内压耗增大，在泵压一定时钻头压降减小，钻头水功率减小，清岩和破岩能力降低，钻速下降。
③钻井液固相含量增大，机械钻速降低
④分散性钻井液比不分散性钻井液的钻速低；钻井液中小于1μm的固体颗粒越多，对钻速的影响越大。
4、影响钻头寿命的主要因素
（1）钻压对牙齿磨损速度的影响
牙齿磨损速度随钻压的增大而增大。当钻压增大到某一极限值时，牙齿磨损速度趋于无穷大。 （2）增大转速，牙齿磨损速度加快。
（3）牙齿磨损量增大，其工作面积增大，磨损速度减小。 第二节 机械破岩参数优选
1、机械破岩参数优选目的：寻求最优的钻压、转速组合，使钻井过程达到最佳技术经济效果。
2、机械破岩参数优选步骤：确定标准→建立目标函数→在各种约束条件下寻求目标函数的极值点→满足极值点条件的参数组合即为最优参数。 第三节 水力参数优化设计
1、水力参数优化设计：寻求合理的水力参数配合，使井底获得最大的水力能量分配，从而达到最优的井底净化效果和提高机械钻速之目的。
2、常规钻头喷嘴射出的射流为淹没非自由连续射流。 3、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。
4、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。 5、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，NS≤Nr （2）额定功率工作状态：当Q＞Qr时，Ns=Nr，pS?pr 钻井泵的实际工作状态取决于所选用钢套的大小。
6、同等井身及钻柱条件下，以最大钻头水功率和最大射流冲击力进行水力参数优选，获得的最优排量Qb≤QF， pLb=0.357pr，pLF=0.526pr。
7、当地面机泵设备、钻具结构、井身结构、钻井液性能和钻头类型确定以后，真正对各水力参数大小有影响的可控参数就是钻井液排量和喷嘴直径。
第五章 井眼轨道设计与轨迹控制
第一节 井眼轨迹的基本概念
1、井眼轨道：一口井开钻之前，预先设计的井眼轴线形状。 2、井眼轨迹：一口井实际钻成后的井眼轴线形状。轨迹控制：（1）直井防斜打直。（2）特殊工艺井控制井斜和方位，使轨道与轨迹相一致。 3、定向井用途：（1）克服地面环境条件的限制；（2）地下地质条件的要求；（3）处理井下事故的特殊手
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段；（4）提高油藏采收率的手段；
4、井眼轨迹的三个基本参数：井深、井斜角和井斜方位角。 5、方位角的表示方法的转换。地理北极表示法和象限角表示法。 6、井眼曲率K（“狗腿严重度”、“全角变化率”）：K=30γ/ΔDm。 “狗腿角”或“全角变化”（γ）：上、下二测点的两条方向线之间的夹角(空间夹角)。 8、柱面图示法：垂直剖面图（柱面展开图）+水平投影图。 9、垂直剖面图（柱面展开图）：设想经过井眼轨迹上每一个点作一条铅垂线，所有这些铅垂线构成的曲面称为柱面。将柱面展开，就形成了垂直剖面图。 第二节 轨迹测量及计算
1、测斜仪分类按工作原理分：磁性测斜仪（罗盘）、陀螺测斜仪（高速陀螺空间指向恒定）；
2、轨迹计算方法多样性的原因。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。
第三节 定向井井眼轨道设计
1、大位移井：水平位移与垂深之比大于2.0。
2、二维定向井井段形状有：直线、园弧曲线，四种类型。 第四节 直井防斜技术 1、井斜的危害：
（1）在地质勘探方面：造成地质资料失真；打乱合理的地下井网和开发方案。
（2）在钻井施工方面：恶化钻柱工作条件；易造成井壁坍塌和卡钻；易造成固井下套管困难和注水泥窜槽；纠斜侧钻增加成本。
（3）在开发采油方面：影响分层开采；影响修井工作；影响采收率（死油区）。 2、井斜的原因：
（1）地质因素：地层倾斜和地层可钻性不均匀性两个方面。 （2）钻具因素：主要因素是钻具的倾斜和弯曲。
（3）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。
3、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。 4、满眼钻具组合基本原理：增大下部钻具组合的尺寸和刚度，近似“填满井眼”，防止钻柱弯曲和倾斜。方法：在下部钻具适当位置上安装3～4个扶正器。扶正器尺寸：Δd=dh-ds=1.0 ～2.0 mm。 5、满眼钻具组合的使用注意事项。
（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。
6、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，当发生井斜时，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象一个钟摆，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。 7、钟摆钻具组合的使用注意事项。
(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”。
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钻井工程要点提示
