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1、1钻井技术概要钻井技术概要2011.3.2钻井技术概要提 纲钻井史话钻井工程目标、程序岩石物理力学性质钻井参数及其优化3钻井史话 我国是世界上最早开始进行钻井的国家。我国是世界上最早开始进行钻井的国家。最迟在公元前最迟在公元前1世纪，世纪，我们的祖先已开始有我们的祖先已开始有组织地钻井来采盐水；提取地内的天然气用组织地钻井来采盐水；提取地内的天然气用于燃烧和照明。先民们用传统的方法，于清于燃烧和照明。先民们用传统的方法，于清道光道光6年（年（1835年）钻成了第一口超年）钻成了第一口超1000m深的井，被联合国教科文组织认定为深的井，被联合国教科文组织认定为19世世纪中叶前的钻井世界纪录。自纪
2、中叶前的钻井世界纪录。自18351997年沿用传统的方法（裸眼采气、竹管输气）年沿用传统的方法（裸眼采气、竹管输气）累计产气累计产气1.4亿亿m。4钻井史话 英国的李约瑟博士在英国的李约瑟博士在中国古代科学中国古代科学技术文明史技术文明史一书中认为，中国钻探科一书中认为，中国钻探科学技术对世界石油天然气勘探开发技术学技术对世界石油天然气勘探开发技术产生了巨大的启蒙、奠基和推动作用，产生了巨大的启蒙、奠基和推动作用，在国际上领先数百年至一千多年。被誉在国际上领先数百年至一千多年。被誉为是继指南针、火药、造纸、印刷术之为是继指南针、火药、造纸、印刷术之后的后的中国古代第五大发明中国古代第五大发明。
3、5钻井史话 随随着着工工业业技技术术的的进进步步，破破岩岩磨磨料料及及钻钻探探设设备备、工工具都在不断的改进：具都在不断的改进： 19世纪初叶，出现以世纪初叶，出现以碳化钨碳化钨为基体的为基体的硬质合金硬质合金。 19世世纪纪末末期期，美美国国在在硬硬岩岩（裂裂隙隙性性）岩岩石石中中使使用用钢粒钻进钢粒钻进。 19531954年年瑞瑞典典和和美美国国GE公公司司合合成成了了单单晶晶人人造造金金刚刚石石，前前苏苏联联1966年年开开始始用用人人造造金金刚刚石石钻钻头头。我我国国从从20世世纪纪70年年代代末末开开始始大大批批量量生生产产人人造造金金刚刚石石钻钻头。头。6钻井史话钻头及切削具的改进
4、7钻井史话冲洗循环方式和冲洗介质的改进冲洗循环方式和冲洗介质的改进 冲洗循环方式冲洗循环方式 全孔正循环；孔底局部反循环，全孔全孔正循环；孔底局部反循环，全孔 反循环；反循环； 孔底局部正循环（节水钻井法）孔底局部正循环（节水钻井法） 冲洗介质冲洗介质 泥浆；加重冲洗液；充气冲洗液；乳化液；泥浆；加重冲洗液；充气冲洗液；乳化液； 饱和盐溶液；清水；冷的压缩空气（气体）饱和盐溶液；清水；冷的压缩空气（气体）8钻井史话钻井设备的改进表现为： 专业化、标准化、易搬迁、尽可能的自动化；井底动力装置： 涡涡轮轮钻钻进进；冲冲击击（潜潜孔孔锤锤）回回转转钻进；螺杆钻进；电钻进；钻进；螺杆钻进；电钻进；柔性
5、钻杆、随钻定位装置。碎岩方式的探索。9钻井工程目标、程序 钻探（井）工程钻探（井）工程 为为采采取取岩岩矿矿样样品品，探探明明矿矿产产赋赋存存状状态态和和分分布布规规律律，或或为为实实现现其其它它地地质质和和技技术术目目的的，利利用用专专门门的的机机械械设设备备、工工具具和和一一整整套套工工艺艺措措施施，在在地地壳内钻凿出圆柱形孔壳内钻凿出圆柱形孔(井井)的过程。的过程。 钻井工程的总目标钻井工程的总目标 以最低的成本、高效的钻出高质以最低的成本、高效的钻出高质量的井眼。量的井眼。 钻探（井）的主要程序钻探（井）的主要程序 破碎岩石；清除岩屑；保护孔壁；升降钻具。即破碎岩石；清除岩屑；保护孔壁
6、；升降钻具。即两个基本工序：钻进、起下钻。两个基本工序：钻进、起下钻。1.定井位2.道路勘察3.基础施工4.安装井架（塔型井架）5.搬迁(车载钻机方便)6.安装设备及调试7. 一次开钻8.二次开钻9.钻进10.起钻11.换钻头12.下钻13.完井、电 测14.下套管、固井钻前施工钻井施工完井施工钻井工程目标、程序1011岩石物理力学性质l 岩石物理力学性质岩石物理力学性质l 岩石的研磨性岩石的研磨性l 岩石的可钻性岩石的可钻性12岩石物理力学性质 钻井钻井的工作目标是破碎岩石、形成孔的工作目标是破碎岩石、形成孔井。要优质、高效、低成本的完成钻井井。要优质、高效、低成本的完成钻井任务，就必然要面
7、对两个基本问题：任务，就必然要面对两个基本问题： 如如何有效地何有效地破碎岩石破碎岩石？钻井？钻井(孔孔)形成后，形成后，原始地压失去了平衡，如何原始地压失去了平衡，如何保持保持和和稳定稳定井（孔）壁井（孔）壁？它们均与？它们均与岩石的各种性质岩石的各种性质有密切的关系，对其有所了解是必要的。有密切的关系，对其有所了解是必要的。13岩石物理力学性质 岩石岩石是矿物颗粒的自然混合体。按成因可分是矿物颗粒的自然混合体。按成因可分为为岩浆岩岩浆岩、沉积岩沉积岩和和变质岩变质岩。 岩浆岩岩浆岩 是内力地质作用的产物，是地壳深处是内力地质作用的产物，是地壳深处的岩浆沿地壳裂隙上侵占位或喷出地表冷凝而的岩
8、浆沿地壳裂隙上侵占位或喷出地表冷凝而成。成分有相应矿物的晶体或玻璃质；成。成分有相应矿物的晶体或玻璃质； 沉积岩沉积岩 是母岩在地表条件下风化剥蚀的产物，是母岩在地表条件下风化剥蚀的产物，经搬迁、沉积和硬结成岩等作用而形成的岩石。经搬迁、沉积和硬结成岩等作用而形成的岩石。组成沉积岩的物质成分有矿物碎屑颗粒和胶结组成沉积岩的物质成分有矿物碎屑颗粒和胶结物；物；14岩石物理力学性质 变质岩变质岩 是已有岩石在地壳中受到高温、高压是已有岩石在地壳中受到高温、高压及化学活动性流体的影响而变质形成的岩石。及化学活动性流体的影响而变质形成的岩石。除原岩矿物变晶外，还有变质岩特有的变质矿除原岩矿物变晶外，还
9、有变质岩特有的变质矿物晶体，如石墨、滑石、蛇纹石、红柱石、硅物晶体，如石墨、滑石、蛇纹石、红柱石、硅灰岩等。灰岩等。 组成岩石的矿物解理和岩石劈理、层理的发组成岩石的矿物解理和岩石劈理、层理的发育程度及方向，矿物硬度、晶体结构等特征，育程度及方向，矿物硬度、晶体结构等特征，一定程度上决定着一定程度上决定着岩石抵抗外力的能力岩石抵抗外力的能力。15岩石物理力学性质 造岩矿物和胶结物造岩矿物和胶结物 硬度硬度大的矿物组成的岩石，强度及硬度大的矿物组成的岩石，强度及硬度也较大。通常造岩矿物中石英含量愈多，也较大。通常造岩矿物中石英含量愈多，胶结物的强度愈大，矿物颗粒愈细，岩石胶结物的强度愈大，矿物颗
10、粒愈细，岩石的强度愈大；粘土矿物愈多，岩石的硬度的强度愈大；粘土矿物愈多，岩石的硬度愈低。从硅质铁质钙质泥质胶结的愈低。从硅质铁质钙质泥质胶结的岩石，强度及硬度往往依次下降。岩石，强度及硬度往往依次下降。16岩石物理力学性质 岩石的结构岩石的结构 结构是岩石的结构是岩石的微观组织特征，微观组织特征，指组成岩石的指组成岩石的矿物成分、粒度、形状和矿物颗粒之间的连结矿物成分、粒度、形状和矿物颗粒之间的连结方式，反映了岩石非均质性和孔隙性。方式，反映了岩石非均质性和孔隙性。 致密、胶结牢固、空隙少的岩石，坚固性较致密、胶结牢固、空隙少的岩石，坚固性较好；结构疏松，薄弱多面、空隙多的岩石坚固好；结构疏
11、松，薄弱多面、空隙多的岩石坚固性差。性差。 岩石的坚固性越高，钻进就越困难；但越利岩石的坚固性越高，钻进就越困难；但越利于井壁的稳定性。于井壁的稳定性。17 图1 晶体结构类型图2 胶结支撑类型岩石物理力学性质18岩石物理力学性质 岩石的构造岩石的构造 构造指岩石的宏观特征，即组成岩石的矿物构造指岩石的宏观特征，即组成岩石的矿物间的相互关系，空间排列等。如岩石的层理、间的相互关系，空间排列等。如岩石的层理、劈理、片理等，往往是岩石的弱面，反映了岩劈理、片理等，往往是岩石的弱面，反映了岩石的各向异性。石的各向异性。 层理之间的联结力较弱，在沿平行层理方向层理之间的联结力较弱，在沿平行层理方向加压
12、时，岩石首先从层理面裂开；垂直于岩石加压时，岩石首先从层理面裂开；垂直于岩石层理的抗压强度大，平行层理面的抗压强度小。层理的抗压强度大，平行层理面的抗压强度小。19岩石物理力学性质 由于岩石的由于岩石的构造特征使岩构造特征使岩石的抗压、抗石的抗压、抗拉、抗剪、抗拉、抗剪、抗弯和变形特征弯和变形特征均存在均存在各向异各向异性性。20 沉积岩和变质岩沉积岩和变质岩的主要构造分别为的主要构造分别为层理层理和和片理片理。岩石物理力学性质21岩石物理力学性质 岩石的自然性质岩石的自然性质 岩石的自然性质：岩石的自然性质：岩石在生成过程中，由构岩石在生成过程中，由构造变动和风化过程自然形成的特性。造变动和
13、风化过程自然形成的特性。 密度：密度：单位体积岩石的质量。单位体积岩石的质量。容重：容重：单位体积岩石的重量。单位体积岩石的重量。 比重：比重：单位体积岩石骨架的重量。单位体积岩石骨架的重量。岩石体积岩石体积固相骨架体积岩石中孔隙体积。固相骨架体积岩石中孔隙体积。 孔隙度：孔隙度：岩石中孔隙体积与岩石总体积之比。岩石中孔隙体积与岩石总体积之比。22岩石物理力学性质 一般而言，岩石的密度越大，强度也越一般而言，岩石的密度越大，强度也越大；孔隙度越大，裂隙越多，水对它的影响大；孔隙度越大，裂隙越多，水对它的影响就越大。如石灰岩、泥岩，水浸后，强度和就越大。如石灰岩、泥岩，水浸后，强度和硬度明显下降
14、。硬度明显下降。 23岩石的力学性质岩石的力学性质 岩石的力学性质岩石的力学性质是岩石在外力作用下表现出是岩石在外力作用下表现出来的特性。主要有强度特性、表面特性和变形来的特性。主要有强度特性、表面特性和变形特性。特性。 强度特性：抗压强度、抗拉强度、抗剪强度强度特性：抗压强度、抗拉强度、抗剪强度和抗弯强度和抗弯强度 表面特性：硬度和研磨性表面特性：硬度和研磨性 变形特性：弹性、塑性和脆性变形特性：弹性、塑性和脆性岩石物理力学性质24 与机械碎岩方式相关的与机械碎岩方式相关的岩石力学性质岩石力学性质主要有岩石的主要有岩石的强度、硬度、弹性、脆性、塑性和岩石的耐磨性等。强度、硬度、弹性、脆性、塑
15、性和岩石的耐磨性等。 岩石的强度岩石的强度是指岩石抵抗机械破坏的能力。依据外是指岩石抵抗机械破坏的能力。依据外载性质的不同，可以有抗压、抗拉、抗剪和抗弯强度载性质的不同，可以有抗压、抗拉、抗剪和抗弯强度等。抗拉强度抗弯强度抗剪强度抗压强度。等。抗拉强度抗弯强度抗剪强度抗压强度。 影响岩石强度的因素：影响岩石强度的因素：岩石的物质成份、结构、构造；容重和孔隙度；岩样的受力条件、应力状态、载荷速度、线性尺寸、湿度和温度。岩石物理力学性质25岩石物理力学性质26岩石物理力学性质 岩石的硬度岩石的硬度：岩石表面对工具压入的反抗特性，：岩石表面对工具压入的反抗特性，单位：单位：kg/cm。 影响岩石硬度
16、的因素：岩石的矿物成分和结构、影响岩石硬度的因素：岩石的矿物成分和结构、构造；应力状态、载荷速度；液体介质、工具形状构造；应力状态、载荷速度；液体介质、工具形状和尺寸。和尺寸。 岩石硬度与抗压强度既有联系，又有区别。岩石硬度与抗压强度既有联系，又有区别。硬度硬度只是固体表面的只是固体表面的局部对另一物体侵入的阻力局部对另一物体侵入的阻力；而；而抗抗压强度压强度是是岩石整体抗破坏的能力岩石整体抗破坏的能力。可见，硬度更切。可见，硬度更切合钻进碎岩的实际。层理对硬度的影响与强度相反。合钻进碎岩的实际。层理对硬度的影响与强度相反。水的浸入对岩石的硬度也有很大的影响。水的浸入对岩石的硬度也有很大的影响
17、。岩石物理力学性质岩石硬度的测定岩石硬度的测定 岩石抗压入硬度为单向抗压强度的岩石抗压入硬度为单向抗压强度的（1+2）倍。测定压入硬度实际上使岩样产生局部破碎倍。测定压入硬度实际上使岩样产生局部破碎 (在多向受压状态下进行在多向受压状态下进行)。 常用的硬度测试方法有两种：即压入硬度常用的硬度测试方法有两种：即压入硬度和摆球硬度。和摆球硬度。27岩石物理力学性质压入硬度压入硬度摆球硬度摆球硬度2829岩石物理力学性质l岩石的研磨性岩石的研磨性：在用机械方法破碎岩石的过：在用机械方法破碎岩石的过程中，钻头与岩石产生连续的或间断的接触和摩擦。程中，钻头与岩石产生连续的或间断的接触和摩擦。钻头破碎岩
18、石的同时，其自身也受到岩石的磨损而钻头破碎岩石的同时，其自身也受到岩石的磨损而逐渐变钝。岩石磨损钻头的能力谓之逐渐变钝。岩石磨损钻头的能力谓之研磨性研磨性。l影响岩石研磨性的因素影响岩石研磨性的因素：岩石的矿物成分和结：岩石的矿物成分和结构、构造特征构、构造特征(如如岩石的矿物成分、石英含量、颗粒大小和形状)、正压力、滑动速度以及、正压力、滑动速度以及岩石与工具摩擦表面的温度、相对湿度、介质等。介质等。岩石物理力学性质 岩石研岩石研磨性测量磨性测量方法较多方法较多,而规程参而规程参数对其影数对其影响又很大响又很大,目前尚无目前尚无统一衡量统一衡量指标。右指标。右表为钢杆表为钢杆磨损测量磨损测量
19、法的分类法的分类表。表。30岩石物理力学性质岩石的变形特性岩石的变形特性 弹性弹性：固体卸载后，恢复原来状态的性能：固体卸载后，恢复原来状态的性能. 塑性塑性：当所加载荷卸去后，固体保持其变：当所加载荷卸去后，固体保持其变形的性能。形的性能。 脆性脆性：固体在载荷作用下不引起残余变形：固体在载荷作用下不引起残余变形的性能。脆性岩石的弹性极限与强度极限很接的性能。脆性岩石的弹性极限与强度极限很接近，外载荷达到岩石的弹性极限时，很快出现近，外载荷达到岩石的弹性极限时，很快出现固体的完全破碎。固体的完全破碎。31岩石物理力学性质影响岩石弹性、塑性和脆性的因素：影响岩石弹性、塑性和脆性的因素：岩石岩石
20、的物质成分、结构、构造，应力状态、载荷性的物质成分、结构、构造，应力状态、载荷性质、受力条件，温度和湿度等。质、受力条件，温度和湿度等。脆性破坏脆性破坏塑脆性破坏塑脆性破坏 塑性破坏塑性破坏(弹性变形不明显弹性变形不明显)323333岩石物理力学性质岩石不是理想的弹性体，不符合虎克定律。岩石不是理想的弹性体，不符合虎克定律。组成岩石的矿物多不是塑性的，岩石的塑性变组成岩石的矿物多不是塑性的，岩石的塑性变形主要是由矿物颗粒间沿界面滑动而引起的。形主要是由矿物颗粒间沿界面滑动而引起的。岩石颗粒间相对滑移趋势越强，孔隙度和湿度岩石颗粒间相对滑移趋势越强，孔隙度和湿度越大，则岩石的塑性越强。越大，则岩
21、石的塑性越强。常温、常压下，岩石在单轴压力状态下的塑性常温、常压下，岩石在单轴压力状态下的塑性不明显，但在复杂应力状态以及一定温、压条不明显，但在复杂应力状态以及一定温、压条件下，岩石却表现出明显的塑性。件下，岩石却表现出明显的塑性。3435 可钻性：可钻性：钻进过程中岩石抵抗破碎的程度，钻进过程中岩石抵抗破碎的程度，亦即岩石被破碎的难易程度。亦即岩石被破碎的难易程度。是决定钻进效率的基本因素。 岩石可钻性是个岩石可钻性是个多变量的函数多变量的函数，不仅受控于，不仅受控于岩石的性质，而且与技术条件和钻井参数有密岩石的性质，而且与技术条件和钻井参数有密切的关系。如：切的关系。如：所钻岩石的物理力
22、学性质所钻岩石的物理力学性质、破破碎岩石所采用的方法碎岩石所采用的方法( (破碎工具的结构、种类及破碎工具的结构、种类及质量，钻井参数，井底破碎岩石的能量消耗质量，钻井参数，井底破碎岩石的能量消耗) )、井底岩屑清除的是否干净井底岩屑清除的是否干净等。等。 岩石的可钻性36力学性质指标法力学性质指标法实际钻进速度法实际钻进速度法模拟钻进速度法模拟钻进速度法破碎比功法破碎比功法可可钻钻性性分分级级方方法法 可钻性表示方法目前尚不统一可钻性表示方法目前尚不统一，不同部门因所不同部门因所用的钻探设备、钻进方法不同，而采用不同的表示方用的钻探设备、钻进方法不同，而采用不同的表示方法法：地质勘探岩芯钻探
23、常用机械钻速：地质勘探岩芯钻探常用机械钻速(m/h)表示；石表示；石油部门有时以机械钻速和钻头进尺之积作为衡量指标；油部门有时以机械钻速和钻头进尺之积作为衡量指标；使用冲击钻进的部门多用单位体积破碎功来表示。使用冲击钻进的部门多用单位体积破碎功来表示。 岩石的可钻性37 钻井参数及其优化影响钻速和钻头寿命的因素可归纳为影响钻速和钻头寿命的因素可归纳为： 不可控因素不可控因素：所钻的地层、岩性、储层埋藏：所钻的地层、岩性、储层埋藏深度及地层压力等自然条件。深度及地层压力等自然条件。 可控因素可控因素：可进行人为调节因素，如地面机：可进行人为调节因素，如地面机泵设备、钻法、钻头类型、钻压、转速和钻
24、井泵设备、钻法、钻头类型、钻压、转速和钻井液性能、泵压、排量等。液性能、泵压、排量等。 生产中设备、钻法、钻头类型已依工作区地生产中设备、钻法、钻头类型已依工作区地层组合选定，钻进中的可控因素为层组合选定，钻进中的可控因素为钻压钻压、转速转速和钻井液性能、泵压、和钻井液性能、泵压、排量排量等，谓之钻井参数。等，谓之钻井参数。38钻进过程中各参数间的基本关系3839394040414142424343444445 45钻井参数及其优化钻井参数优化钻井参数优化 目的目的：最优的钻压、转速组合，配以大泵量，：最优的钻压、转速组合，配以大泵量，寻求钻井过程达到最佳技术经济效果。寻求钻井过程达到最佳技术经济效果。 理论上理论上：求解由目标函数、极值条件和约束条件组成的方程组。 实际中实际中：确定钻头磨损量求不同转速下的最优钻压选取单位进尺成本最低的钻压、转速和泵量组合。4647
