钻井技术基础(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者：陈颖超,唐小刚

出版社：石油工业出版社

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钻井技术基础试读：

前言

在教材的编写上，全面贯彻理论联系实际的教学模式，围绕高等职业教育是培养具有一定专业理论知识的高技能人才这一目标，侧重高技能人才必须掌握的石油钻井基本理论和知识，删减一些复杂且不便于学生理解的内容。

在教材的编排上，注重油气井钻井学科知识结构和工艺过程，符合循序渐进的原则，充分考虑到学生对问题的认知规律，有利于学生建立完整的钻井基本理论知识体系。

本教材由承德石油高等专科学校陈颖超和延安职业技术学院唐小刚担任主编，中国石油大学胜利学院王艳丽和湖北科技职业学院付强担任副主编。具体编写分工如下：陈颖超负责编写第一章、第三章、第七章第三节、第九章；唐小刚负责第六章、第十章；付强负责第二章；承德石油高等专科学校苏花卫负责第四章；中国石油大学胜利学院王艳丽负责第五章和第八章；大庆职业学院秦义负责第七章第一节、第二节。全书由胜利油田渤海钻井总公司副总工程师郑志刚主审。

教材编写过程中参考了大量的国内外相关教材、专著和文献，在此，对参与本书编写的老师、出版发行单位及参考文献的作者表示衷心的感谢。

由于编者水平所限，本书的不足和错漏仍将难免，诚请使用本教材的师生和广大读者批评指正。

编者

2017年2月

第一章 绪论

第一节 钻井分类

在石油勘探、开发各个阶段的共同特点是都要钻井。如在地质普查阶段，为了研究地层剖面，寻找储油构造，要钻地质井、基准井、制图井、构造井等；在区域详探阶段，为了寻找油气藏，并详细研究其储量、性质，要钻预探井、详探井、边探井等；在油田开发阶段，为了把石油、天然气开采出来，更需要钻井，如生产井、注水井、观察井等。一、按不同阶段及不同任务分类（1）探井：为确定油气是否存在，并对油气进行工业评价，取得油气开发所需的地质资料而钻的井称为探井，探井又分为预探井、初探井、详探井。（2）生产井：为开采油气而钻的井称为生产井。（3）注水（气）井：为注水、注气而钻的井称为注水（气）井。（4）基准井：为了解地层的沉积特征和含油气井情况，验证物探成果，提供地球物理参数而钻的井称为基准井。（5）剖面井：在覆盖区沿区域性剖面所钻的井称为剖面井。（6）参数井：为了解区域构造，提供岩石物性参数所钻的井称为参数井。（7）构造井：为编制地下某一标准层的构造图，了解其地质构造特征，验证物探成果所钻的井称为构造井。（8）资料井：为编制油气田开发方案而钻的井称为资料井。（9）调整井：为进一步提高开发效果和最终采收率而调整原有开发井所钻的井称为调整井。（10）检查井：为搞清各油层压力，油、气、水分布状况，剩余油饱和度的分布和变化情况，以及调整各项开采措施而钻的井称为检查井。（11）观察井：专门用来了解油田地下动态的井称为观察井。二、按钻井目的分类

1.探井

探井是为了探明经过地球物理勘探证实有储油气潜能的地质构造地下情况，寻找油气田而钻的井。探井一般有4大类。（1）地质浅井：为配合地面地质和地球物理工作，以了解区域地质构造、地层剖面和局部构造为目的，例如剖面探井、制图井、构造井等。（2）地质探井：在对地质情况了解不多的地区，为了解地层的沉积年代、岩性、厚度以及生储盖组合，并为地球物理解释提供各种参数所钻的井。（3）预探井：在地震详查和地质综合研究基础上所确定的有利圈闭范围内，为了发现油气藏所钻的井。（4）详探井：在已发现的油气圈闭上，为探明含油气边界和储量、了解油气层结构变化和产能为目的所钻的井。

2.生产井

生产井是为开发油气田所钻的各种采油、采气井，或在开发油气田期间为保持一定产量并研究地下情况变化所钻的调整井。（1）开发井：油田开发初期布置的第一批用来采出油气的井。（2）调整井：在原有井网基础上，为改善油田开发效果，而补充钻的一些零散井或成批成排的加密井。

3.注水井

注水井是用来向油层内注水的井。

4.其他井

其他井包括：（1）更新井：为了注采系统完善，需要钻的新井。（2）观察井：专门用来观察油田地下动态的井。（3）检查井：为了检查油层开发效果而钻的井。三、按钻井深度分类

油气井按钻井深度可分为浅井、中深井、深井、超深井以及特超深井。（1）浅井：井深小于2000m的井。（2）中深井：井深介于2000～4500m之间的井。（3）深井：井深介于4500～6000m的井。（4）超深井：井深介于6000～9000m的井。（5）特超深井：井深大于9000m的井。

第二节 钻井过程与特点

一口井从开始钻凿到完成，要经过很多流程，分述如下。一、准备工作

1.定井口位置

地质工程师根据地质上或生产上的需要确定井底位置。当井身轴线按铅垂线设计时，井口中心与井底中心位置在同一铅垂线上，这就是直井。如果井身轴线对铅直线而言是斜的或是曲线形状，则井口中心位置将不与井底中心在同一铅垂线上，这就是定向井。

2.平井场

在井口周围平整出一块场地以供施工用。井场面积因钻机而异，22大型钻机约需120×90m ，中型钻机约为100×60m ，形状大致成长方形，可因地制宜。

3.打基础

为了保证设备在钻井过程中不会因下陷不均匀而歪斜，要打基础（或称基礅）。小型的基础可用方木或预制件，大型的基础则在现场用混凝土浇灌。

4.安装设备

立井架，安装钻井设备、钻井泵，挖钻井液池等。二、钻井环节

当前世界各地普遍使用的钻井方法是旋转钻井法（或称转盘钻法），如图1-1所示。此法始于1900年，本节即按此法叙述。图1-1 旋转钻井示意图

1.钻进

直接破碎岩石的工具叫钻头。钻进时用足够的压力把钻头压到井底岩石上，使钻头的刃部吃入岩石中。钻头上边接钻柱，用钻柱带动钻头旋转以破碎井底岩石，井就会逐渐加深。加到钻头上的压力叫钻压，是靠钻柱在钻井液中重量的一部分产生的。

钻柱把地面上的动力传给钻头，钻柱是从地面一直延伸到井底的，井有多深，钻柱就有多长。随着井的加深，钻柱也逐渐增长，其重量也逐渐加大，以致会超过钻压的需要。过大的钻压将会引起钻头、钻柱、设备的损坏，所以必须将大于钻压的那部分钻柱重量悬吊起来，不使其作用到钻头上，形成钻压的部分钻柱处于受压缩应力状态，被吊悬部分受拉伸应力。当井刚开钻时，由于井很浅，钻柱重量小于钻压，所以井内钻柱全部受压，如图1-2（a）所示。当井变深，钻柱重量超过钻压需要时，上部钻柱被悬吊而处于受拉状态，但下部仍处于受压状态，如图1-2（b）所示。图1-2 钻柱的受压、受拉示意图1—钻柱被悬吊部分，受拉伸；2—井筒；3—钻柱形成钻压的部分，受压缩；4—钻头

钻柱在钻井液中的重量称为总重，大于钻压需要而悬吊起来的那部分重量称为悬重，也即

钻压=总重-悬重

井加深的快慢，即钻进的速度，用机械钻速或钻时表示。机械钻速是每小时破碎井底岩石的米数，即每小时进尺数，通常简称钻速。

式中 v ——钻速，m/h；m

T——钻进时间，h；

H——时间T内的钻头进尺数，m。

钻时是每进尺1m所需分钟数：

式中 T ——钻时，min/m；m

H——时间t内的进尺数，m；

t——钻进H所用时间，min。

2.钻井液循环

井底岩石被钻头破碎以后形成小的碎块，称为钻屑，也常称为砂。钻屑积多了会妨碍钻头钻凿新的井底，引起机械钻速下降，所以必须及时地把钻屑从井底清除掉，并携出地面。

钻井用钻井液进行循环，钻井液可以是以水、油为基础的悬浮液，也可以是空气或天然气等气体。当前用得最多的是以水为基础的水基钻井液，即黏土分散于水中所形成的悬浮液。

钻柱是中空的管柱，把钻井液经钻柱内孔注入井中，从钻头水眼中流出以清洗钻头并冲向井底，将钻屑冲离井底，钻屑随同钻井液一同进入井眼与钻柱之间的环形空间，向地面返升，一直返到地面，其流程见图1-3。

钻屑在地面上从钻井液中分离出来并被清除掉，称为除砂。不含钻屑的钻井液再被注入井内，重复使用。在钻进时，钻井液循环是与破碎岩石同时进行的。为了维持钻井液不间断地循环，就需用泵连续灌注。液体在流经管路时是要耗损能量的，即要克服流动阻力而耗损钻井液所具有的压力。因此，泵的出口压力应较高以维持循环。

钻井液还具有保护井壁、控制井内压力等功用，钻井液性能的好坏，直接关系到一口井钻井的成败。如何配制出符合钻井工程要求的钻井液是保证快速、优质、安全钻井的关键，所以钻井液又有“钻井工程的血液”之称。

地层岩石的孔隙、裂缝中存有石油、天然气和水等流体，它们具有一定的压力。这压力因所处地层的深度、地区等条件的不同而有很大差异，这就要求在钻井过程中采用恰当的钻井液密度措施以适应之，如果处置不当，将会引起对产层的损害，或将发生溢流、井喷，给钻井施工带来困难。

3.接单根

在钻进过程中，由于井在不断加深，钻柱也要及时接长，每次接入一根钻杆称作接单根，打一口井要接很多次单根。

4.起下钻

为了更换磨损的钻头，需将全部钻柱从井中取出，换了新钻头以后再重新下入井中，称为起钻和下钻。一口井要用很多只钻头才能钻成，所以起下钻的次数是很多的。为了提高效率，节省时间，起下钻时不是以单根钻杆为单位进行接卸，而是以两根或三根钻杆为一接卸单位，称为立根。立根长度一般为24～28m。为了配合这么长的立根，井架高度一般为45m左右。

5.固井

一口井在钻凿过程中，要穿过各种性质不同的地层：有的地层岩石坚硬，井眼形成以后可以维持较长时间而不致坍塌；有的地层则很松软，破碎形成的井壁不稳定，井壁上的岩石极易坍塌落入井内；有的地层内含有高压油、气、水等流体；有的地层强度不高，易被压裂，造成钻井液漏失；有的地层含有某些盐类，会使钻井液性能改变等。尽管地层复杂多变，还是得设法将这些地层钻穿，否则无法继续向下钻进。当这些地层被钻穿以后，上述的各种复杂情况，有的可能消失，对以后的钻井工作不再造成危害，而有的则继续给钻井工作造成麻烦，会形成隐患。为了保护已钻成的井眼和使以后的钻井工作顺利进行，防止各层间窜通，应当在适当的时候对井眼进行加固，称为固井。固井是将称为套管的薄壁无缝钢管下入井中，并在井眼与套管之间注水泥浆以固定套管，封闭环形空间，隔开某些地层。这就是下套管和注水泥浆作业。一口井从开始到完成，常需下入多层套管并注水泥浆，即需进行数次固井作业。

6.事故处理

如物件落入井内，需进行打捞，钻杆断在井内也要打捞，钻柱被卡在井内时，则要设法解除卡钻。除落物外，引起井内复杂情况而需要处理的原因多系钻井液性能不符合要求所造成的。

7.其他作业

在钻井过程中，要进行钻屑录井，测井以及地层测试，交井以后还有可能射孔、替喷、试油、酸化压裂等各项作业。图1-3 钻井液循环图1—钻井液在钻柱内流动；2—钻井液在环空流动；3—钻井液对井眼进行净化三、钻井特点（1）生产的连续性：一口井从开始钻井到完井，整个过程连续进行。除特殊情况外施工不可以中断，否则易造成井下复杂情况甚至事故的发生，如卡钻等。（2）钻进的不连续性：钻进的过程中要不断地接单根、起下钻，体现出钻进的不连续性。（3）工作的周期性：正常钻井施工，其工序是下钻→钻进→接单根→钻进→起钻→换钻头→下钻……。对各工种而言，工作内容也是基本固定的。（4）井下情况的复杂性：钻头在井下深处旋转破碎岩石，既看不见，也摸不着，属隐蔽钻进，只有借助于地面上的各种仪表和某些设备运转的声音、速度变化等来分析判断井下情况是否正常。由于地层情况复杂，这些分析判断的正确性受到一定的局限。（5）工作流动性大：每钻完一口井，就要搬迁，呈现出流动性。由于建井周期大多较短，故钻井工作流动性大。（6）工作场所的多变性：钻井地点可能在旷野、沙漠，也可能是海洋等，钻井工作场所表现为多变性。（7）工作场所大、震动大、噪声大：由于钻井设备较多，多工种协调操作，需有一个较大的场地。其中所摆放设备（如柴油机）功率大，设备传动采用链条、皮带传动，震动大、噪声大。随着钻机的不断完善，震动及噪声在不断降低。（8）需要丰富的经验和知识：钻井工程在我国有着悠久的历史，前人留下了大量的宝贵经验和教训可以借鉴。随着钻井工艺的日趋完善，尤其是近几十年的飞跃发展，由过去的经验钻井阶段进入科学化钻井阶段，又由于井深逐渐增加等问题，要求钻井工作者必须具备多方面的知识，积累丰富的经验，以适应日趋复杂的钻井工艺要求，做到安全、优质、低耗、快速钻井。

第三节 钻井技术发展

国外在20世纪60年代初期以前，传统的转盘钻井技术仍占主导地位。在这一时期，引入了射流理论和技术，开发了“三合一”牙轮钻头，出现了喷射钻井，使机械钻速大幅度提高。在喷射钻井的基础上，把参数优化从水力参数扩大到机械参数，出现了最优化钻井技术，把目标直指降低钻井成本。这两项技术的研发与应用，标志着传统的转盘钻井技术已趋于成熟。

20世纪60年代中后期，相继开发出螺杆钻具和照相式单点、多点测斜仪，再加上井眼轨道设计和底部钻具组合受力与变形分析方法的发展，为20世纪70年代定向井、丛式井钻井技术的发展与广泛应用打下了良好基础。从此，在钻井工作中，井下动力钻井的比重逐步上升，转盘钻井的比重逐步下降。

20世纪70年代，计算机技术的引入和无线随钻测量技术的研发，是钻井技术发展的一个新的里程碑。计算机作为一种高效计算工具，推动了钻井数学建模与定量分析，加快了科学化钻井的发展，计算机作为接收、处理、存储信息的先进工具，又成为钻井控制系统的广义控制器。MWD（随钻测量）的研发，是遥测遥传技术引入钻井的结果，1979年首先开发出无线随钻测斜仪，以后在测量内容方面向工程和地质两类参数扩展。PDC钻头的研发成功，是硬质耐磨新材料和烧结新工艺引入钻井的结果，延长了钻头的使用寿命，提高了机械钻速。以上新技术的出现，除了进一步提高了定向井和直井的钻井效率外，更重要的是为20世纪80年代发展水平钻井技术创造了条件。

20世纪80年代，导向螺杆钻具替代了直螺杆钻具和弯接头，导向螺杆钻具与MWD结合应用，再加上井眼轨迹控制理论和井下摩阻/扭矩计算方法的研发，成功地实现了水平井钻井的几何导向。1989年第一代LWD（随钻测井）开发成功，使水平井钻井技术由几何导向发展到地质导向，进一步保证了水平井“少井高产”优势的发挥。另外，20世纪80年代前期是深井钻井的高峰期，仅美国在1982年就完成深井、超深井1289口，确保井下安全与质量，是深井、超深井钻井的关键。深井、超深井钻井技术的突出进展，是研发出垂直钻井系统（VDS）的结果，标志着井斜控制技术开始向自动化方向有了突破性发展。

20世纪90年代以来，钻井技术发展突飞猛进。新的工艺技术（定向井、水平井、分支井、大位移井、欠平衡钻井、气体钻井、鱼骨井等）和新的工具设备（PDC钻头、电驱动钻机、顶部驱动装置、MWD、LWD、地质导向钻井系统等）为石油天然气工业带来了前所未有的辉煌。欧美等发达国家，已钻成逾万米的超深井，以及高难度大位移井，目前世界上已经有三口位移超过10000m的大位移井，英国Wytch Farm油田的M11井，水平位移首次突破万米，达到10114m。目前水平位移最大的大位移井在阿根廷海上钻成，其水平位移达11000多米。在研发这些新技术中，最突出的进展有两点：第一是无线随钻测量向近钻头发展，开发出测传马达等机电液一体化的井下导向工具，传感器距钻头仅2m左右，解决了薄油层精确测量等问题，从而为地质导向钻井提供了更好的手段；第二是在遥控可变稳定器的基础上，开发出了旋转导向钻井系统，这不仅解决了大位移井、鱼骨井、滑动钻进困难的问题，更重要的是表明了钻井技术开始进入井下智能化与自动化控制的新阶段。二、国内钻井技术难点

国内钻井工程面临四项技术难点：（1）深探井周期长，钻井速度慢，成本高。（2）低渗透油气藏单井产量低，需降低钻井成本，提高吨油效率。（3）井漏、井斜等复杂情况仍是制约钻井速度提高的瓶颈环节。（4）储层油气保护仍不尽如人意。

新区块深初探井，钻井复杂和事故时效多（超过10%）、钻井周期长（超过2年）、费用高（每米成本超过1万元人民币），暴露出的主要技术问题有：高陡构造井斜严重，窄密度窗口安全钻进无保障，恶性井漏时有发生，复杂层段井眼失稳严重，钻具事故较多，大井眼、深部及难钻地层的机械钻速低、复杂层段及小间隙固井质量不过关，在深井、超深井（主要是深探井）钻井方面的装备和技术还有待改进。

国内油气勘探开发面临的复杂油气井工程理论和技术难题，需要认真研究与解决。对探井来说，要求提高工程的质量和效率，既有利于及时发现油气藏，又能有效地降低勘探工程费用（即降低吨油成本）。对开发井来说，要求尽可能做到“少井高产”和提高油气采收率以及延长油气井的使用寿命等。

西部油田开发了塔里木、准噶尔、柴达木、吐哈、陕甘宁及四川等大中型含油气盆地。由于这些地区地面和地下条件异常复杂以及油气资源埋藏深等原因，在深井和超深井油气钻探与开发工程中经常遇到高温高压、失稳、失效及储层伤害等一系列技术难题，需要进一步加强研究与解决。此外，中国中西部地区占有较大比例的低渗透油气藏和重油资源，要高效开发，也对油气井工程技术提出了特殊要求。

中国东部老油田的开发大多已进入中后期，如何用经济适用的技术提高油田的单井产量和采收率，是一个需要认真研究与解决的重大技术课题。油田套损问题也十分突出，需要从源头探讨有效的防治方法。滩海地区的油气勘探与开发，特别呼唤大位移井技术的研究与发展。同时，东部也需要进行深部钻探，并且也会遭遇高温甚至高温高压等复杂地层。另外煤层气的高效开发也对钻井技术提出了新的要求。三、钻井技术发展新的理念

随着钻井新技术的不断发展，油气勘探开发对钻井技术的需求从来没有像今天这样强烈。钻井的作用已不是以往被传统定义为“建立一条油气从地下运移到地面的通道”了，今天钻井在油气勘探开发领域发挥的作用和扮演的角色要重要得多，需要用新的理念和思路来分析钻井的作用，以便更好地推进钻井技术的发展。这些新的理念包括：（1）钻井的作用已经由单纯的建立地下通道，转向为提高勘探成功率、提高油气采收率服务。地质导向钻井、欠平衡钻井、水平井、分支井、鱼骨井等技术都是为这些目标的实现而发展起来的。实践证明，用钻井方式提高油气采收率是最为经济的工艺措施之一，越来越多的甲方单位将接受这一思路和理念。（2）钻井技术的目标由单纯降低钻井成本转向降低吨油综合成本。钻井作业成本占油气勘探开发生产成本的48%～80%，很多人把降低钻井成本作为提高勘探开发效益的主要途径。事实证明，单纯地强调降低钻井成本，并不能使油气勘探开发效益最大化。比如，水平钻井技术应用可能会增加钻井成本，但提高单井产量使总的效益得到提高。又比如，为保护油气曾在钻井液上多花些钱也是有大效益的。所以，要努力宣传这一理念，使之深入人心，从而使钻井新技术得到广泛应用。近几年来，很多钻井领域专家强调钻井应该以降低吨油成本为目标，实现油气勘探开发效益最大化，也是这层意思。

参考文献

[1]姜仁.钻井工程.北京：石油工业出版社，1984.

[2]孙宁，苏义脑.钻井工技术进展.北京：石油工业出版社，2006.

[3]楼一珊，李琪.钻井工程.北京：石油工业出版社，2013.

第二章 钻进工具

在钻进过程中首先要了解地层岩石的特征，特别是岩石的机械性质；其次要有针对性地选择钻进工具。钻进工具包括钻头、钻柱、井下动力钻具以及稳定器、减振器、震击器等工具。

地层中的岩石是钻探工作的对象，了解岩石的性质，特别是物理力学性质对钻探工作具有十分重要的意义。不同地区不同层位岩石的成分和结构一般会有很大的差异，为了科学、高效地开展钻探工作，首先要对工作区岩石物理力学性质有全面的了解，进而在实际工作中针对岩石机械性质的不同优选钻头和井身结构。（1）岩石机械性质。岩石在外力作用下，从变形到破碎的过程中所表现出来的力学性质称为岩石的机械性质。与石油钻井有关的岩石的机械性质主要包括岩石的强度、岩石的硬度、岩石的塑性、岩石的研磨性和岩石的可钻性。（2）岩石的强度。岩石的强度指岩石抵抗外力破坏的能力。岩石的强度与岩石的孔隙度有关，孔隙度越大，岩石的强度就越小，岩石的强度还与岩石的物质成分有关，由硬度较高的矿物组成的岩石其强度也较高。（3）岩石的硬度。岩石的硬度指岩石抗压入的极限强度。岩石的硬度与造岩矿物的成分、孔隙度、胶结物的性质有关，如砂岩的硬度随胶结物的强度增大而增大。胶结物的强度一般硅质大于铁质，铁质大于钙质，钙质大于泥质。（4）岩石的塑性。在外力作用下，岩石破碎前呈现永久变形的性质称为岩石的塑性。岩石产生塑性变形是由于内部矿物颗粒及矿物胶结物颗粒间的接触而在外力作用下发生相对滑移造成的。塑性岩石一般强度较小，钻头吃入塑性岩石比吃入脆性岩石容易。当钻井中遇到塑性岩石时，可采用切削破碎的方式。（5）岩石的研磨性。钻头破碎岩石的同时，其本身也受到岩石的磨损，这种岩石磨损钻头的能力称为岩石的研磨性。岩石的研磨性与造岩矿物的成分、硬度及胶结物的强度有关。钻井过程中常遇到的石灰岩、泥质页岩等属于研磨性较小的岩石，而各种石英砂岩、粗中粒花岗岩等属于研磨性较大的岩石。（6）岩石的可钻性。岩石的可钻性指在一定条件下，钻井岩石的难易程度。可钻性与很多因素有关，包括岩石的组成、机械性质、破岩方式、钻井参数等。可钻性是选择钻头类型、确定钻井参数等的重要依据。

第一节 钻头

钻头（drilling bit）是石油钻井中用来破碎岩石以形成井眼的工具。它是钻井过程中直接与地层接触的部分，钻头质量好坏直接影响到钻井速度。地下岩石性质变化大，因而就需要针对各种地层选用各种不同类型的钻头。根据所钻地层性质合理选择和使用钻头，对提高钻井速度具有重要的意义。

按照不同的原理和功用可将钻头分为不同的类型，具体如下：

1.按结构、破岩方式及工作原理分类

钻头可分为切削型钻头（刮刀钻头、PDC钻头）、冲击压碎剪切型钻头（牙轮钻头）、研磨型钻头（金刚石钻头）等。表2-1 按钻头结构、破岩方式及工作原理分类

2.按钻头功用分类

钻头可分为全面钻进钻头、环形钻进钻头（取心钻头）、特种钻头（扩眼、偏心）。表2-2 按钻头功用分类

3.钻头尺寸系列

钻头尺寸指以其钻出的井眼内径为工程尺寸，国际上已经形成基本统一的系列，常见的钻头尺寸为26in、20in等。油气钻探中钻头尺寸一般为3¾～36in。

4.钻进工作指标

钻进工作指标一般用钻头进尺（m）、钻头工作寿命（h）、机械钻速度（m/h）和单位进尺成本（元/m）等方面来衡量。

钻头的技术、经济指标包括以下方面：（1）钻头进尺：指一个钻头钻进的井眼总长度。（2）钻头工作寿命：指一个钻头的累计总使用时间。（3）钻头平均机械钻速：指一个钻头的进尺与工作寿命之比。（4）钻头单位进尺成本：钻头每钻进单位长度所花费的成本（C）。

式中 C——单位进尺成本，元/m；

C ——钻头成本，元；b

C ——钻机作业费，元/h；r

t——钻头钻进时间，h；

t ——起下钻及接单根时间，h；r

H——钻头进尺，m。二、刮刀钻头

刮刀钻头是旋转钻井使用最早的一种钻头，从19世纪开始采用旋转钻井方法时就开始使用这种钻头。从结构上来说它是一种带有翼片的切削钻头，有双翼、三翼、四翼之分（也出现过多达十几翼的刮刀钻头，如LX10），最常用的是三翼刮刀钻头。翼片底部有阶梯形和无阶梯形的两种（分为内阶梯、外阶梯、平底三类），其刃部镶焊有硬质合金或金刚石。根据需要，刮刀钻头又分为取心和不取心的两类。这种钻头主要用在软地层，具有很高的机械钻速和钻头进尺。刮刀钻头最大的优点是结构简单，制造方便，成本低。

1.刮刀钻头的结构

刮刀钻头由钻头体、刮刀片、分水帽和水眼四部分组成。钻头体是刮刀钻头焊接刮刀片和分水帽的本体，一般采用中碳钢材料加工而成。下端焊接刮刀片和分水帽，上端车有丝扣和钻柱连接。刮刀片又称刀翼，是刮刀钻头主要工作部件，根据刀翼的多少分别称为两刮刀钻头、三刮刀钻头、四刮刀钻头（图2-1）。图2-1 各种刮刀钻头

2.刮刀钻头的工作原理

刮刀钻头主要以切削、剪切和挤压方式破碎地层，具体方式取决于钻头的切削结构及所钻地层的岩性。

刮刀钻头在软的塑性地层工作时，其切削过程类似于刀具切削软金属。刀片在钻压的作用下吃入地层，与此同时刀刃前面的岩石在扭转力的作用下不断产生塑性流动，井底岩石被层层剥起。具体破碎塑性岩石的方式如图2-2所示，在钻压W和扭转力T的作用下不断产生塑性流动，破碎岩石。图2-2 刮刀钻头破碎塑性岩石过程

刮刀钻头在脆性较大的地层工作时，破碎岩石的过程一般可分为碰撞、压碎及小剪切和大剪切三个阶段。（1）碰撞。刃前岩石沿剪切面破碎后，岩石对刀片的扭转阻力减小，刀片向前推进，碰撞刃前岩石。T减小，切削刃向前推进，碰撞刃前岩石[图2-3（a）]；（2）压碎及小剪切。刀片在扭转力作用下压碎前方的岩石，使其产生小剪切破碎。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T增大[图2-3（b）]；（3）大剪切。扭转力增大，刀片继续挤压前方岩石，当扭转力增大到极限值时，岩石沿剪切面产生大剪切破碎，然后扭转力突然减小。刀翼或切削齿继续压挤前方的岩石（部分被压成粉状），当扭力T增大到极限值时，岩石沿剪切面破碎，然后扭力突然变小[图2-3（c）]。

碰撞、压碎及小剪切、大剪切这三个过程反复进行，形成破碎塑脆性岩石的全过程。

3.刮刀钻头的使用

刮刀钻头适用于软地层和黏软地层。钻进时需要适当控制钻压与转速，注意防斜、防蹩、防止刀翼断裂。由于刮刀钻头在软地层中的机械钻速较快，岩屑量较大，宜采用大排量钻进，充分清洗井底和冷却钻头。刮刀钻头钻进时，刀翼外侧线速度较高，磨损速度较快，钻头容易磨损成锥形，此时要特别注意防斜和防止井径缩小。图2-3 刮刀钻头破碎塑脆性岩石过程三、牙轮钻头

牙轮钻头是使用最广泛的一种钻头。从1909年第一只牙轮钻头问世以来，牙轮钻头便在全世界范围内得到了最广泛的应用。牙轮钻头工作时切削齿交替接触井底，破岩扭矩小，切削齿与井底接触面积小，比压高，易于吃入地层，工作刃总长度大，因而相对减少磨损。牙轮钻头在旋转时具有冲击、压碎和剪切破碎地层岩石的作用，所以，牙轮钻头能够适应软、中、硬的各种地层。喷射式牙轮钻头和长喷嘴牙轮钻头出现后，牙轮钻头的钻井速度大大提高，是钻头发展史上的一次重大革命。

三牙轮钻头是目前使用最普遍的钻头。这种类型的钻头具有不同的牙齿设计和轴承结构类型，因此能够适应各种类型地层。在钻井作业中，根据所钻地层性质来选用合适结构的牙轮钻头，就可获得令人满意的钻进速度和钻头进尺。

1.牙轮钻头的结构和分类

普通三牙轮钻头由钻头本体、牙掌、牙轮、储油密封装置、轴承、喷嘴等组成，如图2-4所示。图2-4 三牙轮钻头的结构（1）钻头本体：有三片牙掌组装焊接在一起，上部有连接丝扣。（2）牙轮：由牙轮体和牙齿组成锥形的金属体。牙齿按材料不同分为铣齿（也称钢齿）和镶齿（称硬质合金齿）两种类型。（3）储油密封装置：牙轮钻头的储油润滑和密封系统既能保证轴承得到润滑又可以有效地防止钻井液包括钻井液中液相和固相以及夹杂在钻井液中的各种岩屑进入钻头的轴承内，大幅度地提高了轴承以及钻头的使用寿命。（4）轴承：牙轮钻头轴承有大、中、小和止锥四副。根据轴承的密封与否，可分为密封和非密封两类。根据轴承的结构，可分为滚动轴承和滑动轴承两类。（5）喷嘴：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。三牙轮钻头一般安装3个喷嘴，直径7～13mm，用卡簧固定在水眼内，并用O形圈密封。

牙轮钻头按牙齿类型可分为铣齿（钢齿）牙轮钻头、镶齿（牙轮上镶装硬质合金齿）牙轮钻头；按牙轮数目可分为单牙轮钻头、三牙轮钻头和组装多牙轮钻头。国内外使用最多、最普遍的是三牙轮钻头。

2.牙轮钻头的工作原理

牙轮钻头在井底工作时，钻头整体围绕钻头轴线旋转（称为公转），三个牙轮则依其自己的轴线在井底滚动（称为自转）。钻头上承受的钻压通过牙齿作用在岩石上，使岩石破碎（压碎作用）。牙轮在滚动过程中，以单齿、双齿交替接触井底，牙轮中心的位置忽高忽低，使钻头产生纵向振动。

钻头在井底的纵向振动使钻柱不断压缩与伸张，下部钻柱把这种周期性变化的弹性变形能通过牙齿转化为对地层的冲击作用力用以破碎岩石。这种冲击、压碎作用是牙轮钻头破碎岩石的主要方式。

牙轮钻头除了对井底岩石产生冲击、压碎作用外，还对井底岩石产生剪切作用。牙轮在井底滚动的同时还产生牙齿对井底的滑动，牙齿的滑动对井底岩石形成剪切作用，像刮刀钻头那样刮削井底。

3.牙轮钻头的使用

牙轮钻头种类很多，适用范围广泛，从松软到坚硬地层均有相适应的钻头类型供选择。在实际钻井作业中，要根据所钻地层性质，选用合适类型的钻头，以获得比较高的机械钻速和钻头进尺。

牙轮钻头使用时要注意保证下钻慢、防止顿钻，避免井内落物，使用减振器，在生产厂家推荐的钻压、转速范围内工作。四、金刚石钻头

金刚石钻头（diamond bit）是指靠镶嵌在钻头胎体上的金刚石颗粒破碎岩石的钻头。金刚石是目前材料中硬度最大、耐磨性最高的材料，因此金刚石钻头用于硬的、高研磨性地层，可获得比较高的钻头进尺。虽然金刚石比较昂贵，但金刚石钻头耐磨损，单只钻头进尺高，在当今的石油钻井仍有较强的竞争力。

1.金刚石钻头的结构和分类

金刚石钻头为无活动部件的整体式钻头，由钢体、胎体（冠部和保径部分）、水眼及水槽、金刚石切削刃等部分组成。

钢体：钢体是金刚石钻头的骨架，上部柱体车制丝扣和钻柱连接，下部铣成爪形和胎体烧结在一起。

胎体：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。

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。

金刚石切削刃：金刚石为碳在高温高压下的结晶体，正四面体晶体结构，在单位晶胞中，碳原子位于四面体顶角及中心。每一个碳原子与邻近的四个碳原子形成四个共价键。因共价键结合力强，金刚石具有极高的硬度（莫氏硬度10）、抗压强度（8800MPa）和耐磨性为钢的9000倍。其缺点为脆性大，受冲击载荷易破碎；具有热敏性，高温下（450℃以上）石墨化。

2.金刚石钻头的工作原理

金刚石钻头钻进时，钻头表面上的多粒金刚石同时作用于岩石。金刚石破碎岩石的作用在不同性质的岩石中表现出不同的特性。在塑性地层（或岩石在应力作用下呈塑性的地层），金刚石在钻压的作用下吃入地层并在钻头扭矩的作用下使前方的岩石发生破碎或塑性流动，该破岩过程类似于“犁地”过程，故称作“犁削”。

在脆性较大的地层中钻进时，金刚石破碎岩石的作用主要是“压碎”，在钻压和扭矩作用下所产生的应力可使刃下岩石沿最大剪应力面开裂，在金刚石移动的后部形成被压裂了的沟槽，这种情况下岩石破碎的体积远大于金刚石吃入后破碎的体积。岩石破碎具有体积破碎的性质，破岩效率较高。在坚硬地层（如燧石、硅质白云岩等）中，一般采用将细颗粒金刚石包镶在胎体内部的孕镶式金刚石钻头钻进，其破岩过程同砂轮的磨削相似。钻头上每一个包孕的金刚石都是小刃齿，钻头可看作有无数个刃的刀具。钻头钻进岩石时，钻头上出露的棱角锋利的金刚石刃齿以微切削、刻划等方式来破碎岩石。磨削破岩属于表面破碎，破岩效率较低。

3.金刚石钻头的使用

金刚石钻头适用钻中到坚硬、研磨性地层和涡轮钻井、深井超深井钻井以及取心作业。使用金刚石钻头前，井底要打捞干净，保证没有金属落物。钻头刚下到井底时，先用小钻压、低转速跑合。然后采用相对较低的钻压（和牙轮钻头相比）、较高的转速和较大的排量钻进。应尽量避免划眼。如果必须进行划眼，应采用低钻压（30～50kN）和低转速，操作要均匀，防止钻头规径部分金刚石碎裂和过度磨损。五、PDC钻头

PDC钻头（polycrystalline diamond compact bit）是聚晶金刚石复合片钻头的简称，也称聚晶金刚石切削块钻头或复合片齿钻头。从1973年美国通用电气公司引入PDC切削块，研制出第一个PDC钻头后，PDC钻头便以其钻速快、寿命长、进尺高等优势，在石油钻井中得到了广泛的应用。几乎所有钻头制造商都采用了这一技术，开始生产自己的PDC钻头系列。

1.PDC钻头的结构和分类

PDC钻头由钻头体、PDC切削齿和喷嘴等部分组成，按结构与制造工艺的不同分为钢体和胎体两大系列（图2-5）。

PDC切削齿：即聚晶金刚石复合片（PDC），见图2-6。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。图2-5 钢体和胎体的PDC钻头图2-6 聚晶金刚石复合片（PDC）

喷嘴：PDC钻头喷嘴数量一般比三牙轮钻头多（图2-7），喷嘴位置和流道结构根据切削齿位置确定。冷却和清洗效果严重影响PDC钻头的钻速和寿命。

2.PDC钻头的工作原理

PDC钻头是以切削方式破碎岩石。能自锐的切削齿在钻压的作用下很容易切入地层，在扭矩的作用下向前移动剪切岩石。多个PDC切削齿同时工作，井底岩石的自由面多，岩石在剪切作用下也容易破碎，因此破岩效率高，钻进速度快。

3.PDC钻头的使用（1）PDC钻头在大段均质的软到中硬地层中使用效果最好，不适合钻砾石层和软硬交错地层。（2）采用低钻压、高转速、大排量钻进，钻头使用效果好。图2-7 PDC钻头喷嘴（3）钻头下井前，井底要清洁，确保无金属落物。（4）新钻头刚下井时，要采用小钻压和低转速磨合井底，待形成井底后恢复正常钻进。（5）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。六、取心钻头

为了更准确地获取地层地质资料，有时需要在钻井过程中取出特定部位的体积较大的岩石，以便能在实验室进行各种岩石物性和储层含油气水的分析，这时就需要用到取心钻头（corn bit）。图2-8 取心钻头

取心钻头为中空（图2-8），用旋转钻井法环状破碎井底岩石，形成岩心柱。一般每起下钻一次可取直径10cm左右的岩心9～20m。在取心过程中除了取心钻头外，一般还需要用到岩心筒、岩心爪、扶正器和回压阀等专用设备。现在，美国已经有了不起下钻的连续取心设备，极大地提高了取心的速度。

取心钻头一般可分为刮刀取心钻头、领眼式硬合金取心钻头、“西瓜皮”取心钻头、金刚石取心钻头、PDC取心钻头等。牙轮取心钻头由于其收获率很低已被淘汰。

第二节 钻柱

在转盘钻井时靠钻柱来传递破碎岩石所需要的能量，给井底施加钻压，以及循环钻井液等。在井下动力钻井时，井下动力钻具是用钻柱送到井底并靠它来承受反扭矩，同时钻头和动力钻具所需的液体能量也是通过钻柱输送到井底的。

钻井过程中，地面动力的传递和钻井液的输送，依靠钻柱来实现，地层的变化、井下的复杂情况，也可以通过钻柱反映到地面上来；此外钻井过程中的其他作业，如取心、处理井下事故、中途测试等都必须依靠钻柱来实现。一、钻柱的构成

钻柱的基本组合一般包括钻杆、钻铤、方钻杆、加重钻杆、转换接头、各种接头（joint）及其他钻井工具（稳定器、减振器、随钻减振器）等井下工具。

1.钻杆

钻杆（drill pipe）是钻柱的基本组成部分，它是用无缝钢管制成，壁厚一般为8～12mm，长度一般为5～14m，丝扣连接。其结构分为钻杆本体和接头两部分，有内加厚、外加厚、内外加厚（图2-10、图2-11）；有正扣、反扣、不同钢材、不同壁厚、不同外径等各种规格。

钻杆的主要作用是传递扭矩，形成钻井液的循环通道，延长钻柱。

2.钻铤

钻铤（drill collar）在钻具组合中位于钻头与钻杆或加重钻杆之间，主要作用是给钻头提供钻压及控制井斜。钻铤一般用高级合金钢精锻而成，现国产钻铤也有轧制钢棒经热处理机加工而成，壁厚相当于钻杆的4～6倍，刚性大。图2-9 钻柱的基本结构图2-10 钻杆结构示意图图2-11 钻杆端部加厚结构示意图d，D—钻杆本体内径和外径；d ，D —接头内径和外径ouou

钻铤根据外形与材料分A型（圆柱式）、B型（螺旋式）、C型（无磁式）三种类型，分别用代号ZT、LT、WT表示。圆柱式钻铤结构示意图见图2-12。

螺旋式钻铤与圆柱式钻铤不同之处就是在外圆柱表面加工有螺旋槽，因此在钻井过程中与井壁接触面积小，可减少黏附卡钻的发生。无磁钻铤用磁导率很低的不锈合金钢制成，主要用于钻井过程中在钻柱内的测斜。

3.方钻杆

方钻杆（square kelly）位于钻柱的最上部，一般采用优质合金钢，长度一般为13～16m，其结构见图2-13。在钻井过程中，它始终是一部分在转盘上而另一部分位于转盘下，以起到将转盘的旋转运动传递给井下钻柱的作用。由于它在钻柱的最上部，所以承受钻柱的全部重量。

方钻杆根据外形分为以下两种形式：（1）四方方钻杆：管体横截面内为圆形，外为正四方形的方钻杆，代号为FZGS。（2）六方方钻杆：管体横截面内为圆形，外为正六方形的方钻杆，代号为FZGL。图2-12 钻铤结构示意图图2-13 方钻杆结构示意图L —驱动部分长度；L—四方钻杆全长；D —四方钻杆对边宽；D —四方钻杆对角宽；R DFLcc—半径；D —上端内螺纹连接外径；L —上端内螺纹连接长度；L —下端外螺纹连接长度；D UULF—上端内螺纹连接倒角直径；D —下端外螺纹连接倒角直径f

4.稳定器

在钻铤柱的适当位置安装一定数量的稳定器（stabilizer），组成各种类型的下部钻具组合（图2-14），可以满足钻直井时防止井斜的要求，钻定向井时可起到控制井眼轨迹的作用。稳定器的使用还可以提高钻头工作的稳定性，从而延长使用寿命，这对金刚石钻头尤为重要。

5.配合接头

配合接头由厚壁无缝钢管制成，用于各种不同类型（尺寸）钻具之间的连接。

6.减振器

减振器位于安装钻头的上面，利用减振器里的减振元件来吸收钻进时的冲击振动载荷，以提高钻井速度，保护钻具，一般有碟簧减振器（以碟簧作为减振元件）、液压减振器（硅油作为减振元件）、单向减振器、双向减振器等。

7.震击器

震击器用于解除卡钻。

另外，在下部组合或钻杆柱中还可装置随钻测量（MWD）工具，钻柱测试工具和打捞篮、扩眼器等特殊工具进行随钻测量、地层测试、打捞、扩眼等特殊作业。图2-14 各种稳定器平面图二、钻柱的作用

钻井方式不同，钻柱的作用不同，井的结构不同，钻具组合形式也不同。在转盘钻井时，钻柱能传递破碎岩石所需要的能量、给井底施加钻压以及循环钻井液等。在井下动力钻井时，井下动力钻具是用钻柱送到井底并承受反扭矩，同时钻头和动力钻具所需的液体能量通过钻柱输送到井底。

总的来说，钻柱在钻井过程中主要有以下作用：（1）为钻井液由井流向钻头提供通道；（2）给钻头施加适当的压力（钻压）；（3）将地面动力（扭矩等）传递给钻头；（4）起下钻头；（5）根据钻柱的长度计算井深；（6）通过钻柱了解钻头工作情况、井眼状况及地层情况等；（7）进行取心、挤水泥、打捞井下落物、处理井下事故等特殊作业；（8）对地层流体及压力状况进行测试和评价。三、钻柱的工作状态与受力分析

1.钻柱的工作状态

钻柱的工作状态分为起下钻工作状态和正常钻进工作状态，起下钻工作状态又分为直井和斜井的情况。

1）起下钻工作状态

直井：钻柱上下运动或悬吊在井眼内，以直的拉伸状态在井内滑动。

斜井：钻柱上下运动或悬吊在井内，随井眼倾斜、弯曲和滑动。

2）正常钻进工作状态

正常钻进时钻柱上部受拉伸，下部受压弯曲，在扭矩作用下做旋转运动。下部钻柱弯曲是由于在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。

3）钻柱的旋转运动形式

钻柱的运动形式主要有自转、公转以及公转与自传结合的转动，也包括各种振动和摆动。

自转：钻柱像一根柔性轴，围绕自身轴线旋转。钻柱自转时在整个圆周上与井壁接触，产生均匀磨损。弯曲钻柱在自转时，受到交变弯曲应力的作用，容易发生疲劳破坏。在软地层弯曲井段，钻柱自转容易形成键槽，起钻时可能造成卡钻事故。

公转：钻柱像一个刚体，围绕着井眼轴线旋转并沿着井壁滑动。钻柱公转时，不受交变弯曲应力的作用，但产生不均匀的单向磨损（偏磨），从而加快了钻柱的磨损和破坏。

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，即不是沿着井壁滑动而是滚动。该情况下，钻柱磨损均匀，但受交变应力的作用，循环次数比自转时低得多。

纵向振动：钻头振动引起，产生交变应力。

扭转振动：由井底对钻头旋转阻力的变化引起，产生交变扭剪应力。

横向摆动：达到某一临界转速，可能产生无规则摆动，产生交变弯曲应力。

一般认为弯曲钻柱旋转的主要形式是自转，但也可能产生公转或两种运动形式的结合，由于在转动过程受到阻力作用，钻具的转动是不平稳的。

2.钻柱受力分析

钻柱的受力状态与所选用的钻井方式有关，不同的位置上作用不同的载荷。概括起来，作用在钻柱上的基本载荷有以下几种：（1）自重产生的拉力；（2）钻压产生的拉力；（3）钻井液的浮力；（4）摩擦阻力；（5）循环压降产生的附加拉力；（6）起下钻时产生的动载荷；（7）扭矩；（8）弯曲应力；（9）离心力；（10）外挤力；（11）振动产生的交变应力。

钻柱受力最严重的部位为井口断面、钻柱下部受压弯曲部分和中性点。井口断面处拉力最大、扭矩最大；钻柱下部受压弯曲部分受交变轴向应力、弯曲应力、扭剪应力的作用，中性点处受拉压交变载荷力的作用。

中性点也称中和点（neutral point），即钻柱上轴向力等于零的点（N点），见图2-15。垂直井眼中钻柱的中性点高度为

式中 L ——中性点距井底的高度，m；N

W——设计钻压，kN；

q ——每米钻铤在空气中的重力，kN/m；C

K ——浮力系数。B图2-15 钻柱轴向力分布与中性点

中性点附近钻柱受交变应力作用，容易疲劳破坏。在设计钻柱时要确保中性点始终落在钻铤上，中性点附近松扣、造扣等特殊作业需特别注意。

习题

1.评价钻头性能的指标有哪几项？

2.简述刮刀钻头破岩原理。

3.简述牙轮的钻头破岩原理。

4.铣齿牙轮钻头和镶齿牙轮钻头有哪些不同？

5.简述金刚石钻头的特点及破岩机理。

6.按切削齿材料可将金刚石钻头分为几种类型？

7.PDC的含义是什么？有哪些特点？

8.PDC钻头的破岩机理是什么？适用于什么样的地层？

9.什么是钻柱？它主要由哪几部分组成？其主要功用有哪些？

10.为什么钻柱下部使用钻铤而不使用钻杆？

11.钻柱在井下的运动形式可能有哪几种？

12.井下钻柱受到哪些力的作用？最主要的作用力是什么？

13.何谓钻柱的中性点？为什么要保证中性点落在钻铤上？

14.钻柱的哪些部位受力最严重？都受到什么载荷的作用？

参考文献

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[2]郭学增.最优化钻井理论基础与计算.北京：石油工业出版社，1987.

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[5]张方杭.钻具手册.北京：石油工业出版社，1992.

[6]刘希圣.钻井工艺原理.北京：石油工业出版社，1988.

第三章 井下压力及井身结构

钻井过程要大量地破碎地层岩石，钻进各种地层，在钻进前，地层中各种压力保持着自身的平衡。在钻进地层的过程中，井眼不断地形成，使地层裸露于井壁，破坏了地层中各种压力的平衡关系，形成地层压力、地层破裂压力、地层坍塌压力与井筒液压力等新的压力关系。对此问题处理不当则会发生井侵、溢流、井涌、井喷或压裂地层发生井漏等复杂情况或事故，使钻进难以进行，甚至是井眼报废。地层压力与地层破裂压力还是钻井工程设计和施工的重要依据之一，只有准确地掌握地层压力，才能做到合理的钻井工程设计，有效地进行油气井压力控制，实现安全快速钻进，降低钻井成本。

经过多年的探索，已形成利用地震资料、测井资料或钻进参数等预测或检测地层压力的方法，通过理论分析、液压试验预测或检测地层破裂压力的方法，对钻井技术的发展起到了重要的作用。

第一节 井下压力概述

地下各种压力主要指地层压力、地层破裂压力、上覆地层压力、基岩应力和静液柱压力，本节简单介绍各种压力的概念。一、压力

1.压力的定义

压力也称压强，是指物体单位面积上所受的垂直力。其数学表达式为2

式中 p——压力，N/m ；

F——作用于面积S上的垂直力，N；2

S——面积，m 。

2.压力的单位及换算

压力的国际标准单位是帕斯卡，简称帕，符号是Pa。1帕就是221m 面积上受到1N的垂直力时形成的压力，即1Pa=1N/m 。帕是一个相对较小的单位，为了现场应用的方便，常使用千帕（kPa）和兆帕（MPa）两个单位，其关系为62

1MPa=1000kPa=10 Pa与过去常用的工程大气压（kgf/cm ）的换算关系是22

1MPa=10.194kgf/cm ，1kgf/cm =98.067kPa粗略计算时，可认2为1kgf/cm =100kPa=0.1MPa。

另外，压力的国际工程单位是巴（bar），1bar=1.01972kgf/2cm 。2

英制中，压力的单位是psi，1psi即1in 面积上受到1lbf的垂直力。与兆帕的换算关系是1000psi=6.895MPa。二、静液压力

静液压力是由静止液体的重力产生的压力。其大小取决于液体的密度和液体的垂直高度，与液体的断面形状无关。其计算式为

p=ρgH （3-2）

式中 p——静液压力，kPa；3

ρ——液体密度，g/cm ；2

g——重力加速度，9.81m/s ；

H——液柱的垂直高度，m。

在陆上钻井作业中，H为井眼的垂直深度，起始点自转盘面算起，液体的密度为钻井液的密度。【例3-1】 如图3-1所示，某井钻至井深3000m处，所用钻井液密3度为1.2g/cm ，求井底处的静液压力。

解：p=9.81ρH=9.81×1.2×3000=35316（kPa）图3-1 静液压力示意图三、地层压力

1.地层压力的定义

地层压力是指地下岩石孔隙内流体的压力，也称孔隙压力。在各种地质沉积中，正常地层压力等于从地表到地下某处的连续地层水的静液压力，其值的大小与沉积环境有关，主要取决于孔隙内流体的密度和环境温度，石油钻井中遇到的地层水大多数为盐水。

2.地层压力的表示方法（1）用压力单位表示，这是一种直接表示法。（2）用压力梯度表示。

压力梯度是指每增加单位垂直深度压力的变化量，即每米井深压力的变化值。根据压力梯度的定义，可知其计算公式为

G=p/H=ρg （3-3）

式中 G——压力梯度，kPa/m；

p——静液压力，kPa；

H——液柱的垂直高度，m；3

ρ——液体密度，g/cm ；2

g——重力加速度，9.81m/s 。3【例3-2】已知地层水密度为1.24g/cm ，计算地层压力梯度。

解：G=ρg=9.81×1.24=12.164（kPa/m）【例3-3】已知地层压力是30MPa，地层深度2000m，计算地层压力梯度。

解：G=p/H=30×1000/2000=15（kPa/m）（3）用当量钻井液密度表示。

工程上为了方便起见，常使用当量钻井液密度这一概念。井内某一位置的当量钻井液密度是这一点所受各种压力之和（静液压力、回压、环空压力损失等）换算成钻井液密度，称为这一点的当量钻井液密度。

把地层压力换算成钻井液密度，称为地层压力当量钻井液密度。地层压力当量钻井液密度的计算如下：

式中 p——地层压力，kPa。【例3-4】某井2000m处的地层压力为24MPa，求地层压力当量密度是多少？（4）用压力系数表示。压力系数是某点压力与该点静水柱压力之比，无因次，数值上等于平衡该压力所需钻井液密度大小。

3.地层压力的分类

1）正常地层压力

正常情况下，地下某一深度的地层压力等于地层流体作用于该处的静液压力，这个压力就是由该深度以上地层流体的静液压力所形成3的。水和盐水是两种常见的地层流体，水的密度是1g/cm ，形成的3压力梯度为9.8kPa/m，地层盐水的密度大约为1.07g/cm ，形成的压力梯度为10.5kPa/m。按习惯，压力梯度在9.8～10.5kPa/m为正常地层压力。

2）异常高压

地层压力梯度大于正常压力梯度时，称为异常高压。地层压力正常或者接近正常，则地层流体必须一直与地面连通。这种通道常常被封闭层或隔层截断。在这种情况下，隔层下部的地层流体必须支撑上部岩层。岩石重于地层流体，所以地层压力可能超过静液压力，形成异常高压地层。

3）异常低压

地层压力梯度小于正常压力梯度时称为异常低压。这种情况多发生于衰竭产层和大孔隙的老地层。四、上覆岩层压力

上覆岩层压力是指某深度以上的岩石和其中的流体的总重量对该3深度所形成的压力。地下岩石平均密度大约为2.16～2.64g/cm ，因此平均上覆岩层压力梯度大约为22.62kPa/m。

上覆岩层压力与地层压力的关系是

p =M+p （3-5）op

式中 p ——上覆岩层压力，kPa；o

M——基岩应力，kPa；

p ——地层压力，kPa。p

基岩应力是指由岩石颗粒之间相互接触来支撑那部分上覆岩层压力，也称有效上覆岩层压力或骨架应力，这部分压力是不被孔隙流体所承担的。

由式（3-5），当基岩应力降低时，地层孔隙压力就会增大，当基岩应力增大时，地层孔隙压力就会减小，如图3-2所示。

试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]

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