鉆井與完井工程完整超值

鉆井與完井工程完整超值第1頁/共230頁《鉆井與完井工程》課時(shí)安排概述(2學(xué)時(shí))井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（6學(xué)時(shí)）

鉆井液（8學(xué)時(shí)）鉆井工藝（12學(xué)時(shí)）壓力控制(6學(xué)時(shí))定向鉆井與防斜（10學(xué)時(shí)）

固井（

8學(xué)時(shí)）完井（4學(xué)時(shí)）儲(chǔ)層保護(hù)（4學(xué)時(shí)）課內(nèi)教學(xué)課時(shí)（60學(xué)時(shí)）實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)

（4學(xué)時(shí)）考試統(tǒng)一安排，不占學(xué)時(shí)第2頁/共230頁第一章:緒論第3頁/共230頁第一章:緒論第一節(jié)：鉆井與完井的定義第二節(jié)：一口井的鉆井過程第三節(jié)：鉆井與完井工程技術(shù)發(fā)展第4頁/共230頁鉆井定義、目的定義利用機(jī)械設(shè)備，將地層鉆成具有一定深度的園柱形孔眼的工程。

鉆井目的

確切地了解地下地質(zhì)情況，正確判斷儲(chǔ)油構(gòu)造，為油田開發(fā)方案提供第一手資料。鉆井過程中，可以通過巖屑錄井、取心、電測(cè)得到地層分層、巖性、巖石的物理化學(xué)性質(zhì)、含油氣情況。開采油氣，提高油氣采收率形成油氣到地面通道。油田開采后期鉆注水或注氣井。

第5頁/共230頁油氣井類型地質(zhì)基準(zhǔn)井（參考井）為了了解地層的沉積年代、巖性、厚度、生儲(chǔ)蓋層組合，并為地球物理勘探提供各種參數(shù)所鉆的井預(yù)探井主要上為探明油田面積，油水邊界線，為油田計(jì)算可靠工業(yè)儲(chǔ)量提供資料。詳探井在已證實(shí)有工業(yè)開采價(jià)值的油田上，為確定油層參數(shù)，查明油田地質(zhì)特性，為油田開發(fā)做好準(zhǔn)備的井，這種井在油層部位要求全取心。第6頁/共230頁油氣井類型生產(chǎn)（或開發(fā)）井在已探明儲(chǔ)量，有開采工業(yè)價(jià)值的油田構(gòu)造上鉆產(chǎn)油產(chǎn)氣井

注水（氣）井為了提高采收率，達(dá)到穩(wěn)產(chǎn)所鉆的井。注水注氣的主要目的是為了給地層提供生產(chǎn)油氣所必須的能量。

第7頁/共230頁國(guó)外鉆井水平世界上最深的直井12260米，原蘇聯(lián)在科拉半島的Ｇ３井，德國(guó)正在施工一口設(shè)計(jì)14000ｍ的井。世界最深的水平井Cliffs油氣公司1991.11在

BagouJack油田鉆成一口水平井，造斜點(diǎn)井深：4446ｍ、垂深4672ｍ，測(cè)深5212ｍ創(chuàng)世界水平井最深紀(jì)錄。第8頁/共230頁國(guó)外鉆井水平世界水平段最長(zhǎng)紀(jì)錄Ｍaersk油氣公司1991.11在北海、丹麥海域TvraWestBravo油田鉆成一口水平井、測(cè)深4768ｍ、垂深2266ｍ、水平段長(zhǎng)2501ｍ創(chuàng)當(dāng)時(shí)世界水平段最長(zhǎng)紀(jì)錄。水平位移最大的大位移井Statoil公司在施達(dá)福油田鉆成一口水平井、測(cè)深7028ｍ，垂深2681ｍ、水平位移6086ｍ創(chuàng)世界紀(jì)錄英國(guó)WitchFarm油田，水平位移已經(jīng)超過10,000m。

第9頁/共230頁鉆井工程技術(shù)的發(fā)展概念時(shí)期（1900-1920）鉆井和鉆井液配套牙輪鉆頭使用下套管用水泥封固發(fā)展時(shí)期（1920-1948）以上概念進(jìn)一步發(fā)展，開始使用大功率鉆機(jī)?？茖W(xué)化鉆井時(shí)期（1948-1968）噴射鉆井技術(shù)（水射流理論）鑲齒、滑動(dòng)密封軸承鉆頭的使用低固相、無固相不分散鉆井液體系和固控技術(shù)地層壓力檢測(cè)技術(shù)、井控技術(shù)、平衡壓力鉆井技術(shù)第10頁/共230頁鉆井工程技術(shù)的發(fā)展自動(dòng)化鉆井時(shí)期（1968－目前）自動(dòng)化鉆機(jī)井口自動(dòng)化工具鉆井參數(shù)自動(dòng)測(cè)量計(jì)算機(jī)在鉆井工程中應(yīng)用最優(yōu)化鉆井技術(shù)（系統(tǒng)工程分析理論）井下閉環(huán)鉆井系統(tǒng)隨鉆地震第11頁/共230頁一口井鉆井過程鉆前工程

定井位、平井場(chǎng)及修公路鉆井工程

鉆機(jī)搬安、一開、固表層套管、二開、固技術(shù)套管、…,鉆至完鉆井深、完井電測(cè)、固油層套管完井工程

第12頁/共230頁鉆井設(shè)計(jì)

地質(zhì)設(shè)計(jì)：

構(gòu)造、井口坐標(biāo)、目的層、巖性描

述、地質(zhì)錄井要求工程設(shè)計(jì)：

鉆井設(shè)備、井身結(jié)構(gòu)、鉆頭設(shè)計(jì)、鉆柱設(shè)計(jì)、鉆井液設(shè)計(jì)、水力參數(shù)設(shè)計(jì)、套管強(qiáng)度設(shè)計(jì)、井口裝置、鉆井施工措施

第13頁/共230頁oilzone井身結(jié)構(gòu)(CasingProgram)一開：第一次開鉆二開：固表層套管后在開鉆三開：。。。第14頁/共230頁與鉆進(jìn)有關(guān)的幾個(gè)基本概念鉆機(jī)鉆頭鉆具鉆柱鉆井液鉆壓轉(zhuǎn)速排量接單根

第15頁/共230頁與鉆進(jìn)有關(guān)的幾個(gè)基本概念起下鉆第16頁/共230頁旋轉(zhuǎn)鉆井鉆機(jī)

動(dòng)力系統(tǒng)

旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)

提升系統(tǒng)

循環(huán)系統(tǒng)

井控系統(tǒng)

第17頁/共230頁旋轉(zhuǎn)鉆井系統(tǒng)第18頁/共230頁動(dòng)力系統(tǒng)(Powersystem)柴油機(jī)

(dieselengine)發(fā)電機(jī)

(generator)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

(compound)機(jī)械傳動(dòng)

(MechanicalPowerTransmission)柴油機(jī)-電傳動(dòng)

(diesel－electricPowerTransmission)第19頁/共230頁旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)(Rotatingsystem)轉(zhuǎn)盤

(RotaryTable)轉(zhuǎn)盤方補(bǔ)心

（MasterBushing)方補(bǔ)心

(kellyBushing)方鉆桿

(kelly)鉆柱

(drillstring)鉆頭

(bit)

第20頁/共230頁轉(zhuǎn)盤(RotaryTable)第21頁/共230頁

轉(zhuǎn)盤(RotaryTable)第22頁/共230頁鉆

鋌DrillCollar穩(wěn)定器Stabilizer接

頭(Tooljoint)鉆

頭RockBit接

頭sub鉆

桿drillpipe鉆

桿DrillPipe方鉆

桿Kelley

鉆柱組成

Compositionofdrillstring第23頁/共230頁鉆頭(RockBit)

第24頁/共230頁

第25頁/共230頁起升系統(tǒng)(Hoistingsystem)井架（derrick)絞車（drawworks)鋼絲繩

(wirerope、fastline、deadline)天車（Crown)游動(dòng)滑車

(travelingBlock)大鉤

（Hook)第26頁/共230頁第27頁/共230頁

第28頁/共230頁循環(huán)系統(tǒng)（CirculatingSystem)泥漿泵（pump)立管(standpipe)水龍頭(swivel)方鉆桿(kelly)鉆柱(drillstem)鉆頭(bit)環(huán)空(annulus)

出口管線(dischargeline)震動(dòng)篩shaleshaker除氣器(degasser)除砂器desander除泥器(desilter)泥漿罐

(mudtank)

第29頁/共230頁泥漿泵

第30頁/共230頁第31頁/共230頁鉆井泵（Pump)第32頁/共230頁鉆井泵（Pump)第33頁/共230頁井控系統(tǒng)（ThewellControl)球型防噴器（AnnularBOP）旋轉(zhuǎn)防噴器（RotatingBOP)閘板防噴器（RamBOP）方鉆桿旋塞（Kellycock）壓井管匯（chokemanifold）第34頁/共230頁第35頁/共230頁球型防噴器（AnnularBOP）

第36頁/共230頁閘板防噴器（

RamBOP）

第37頁/共230頁旋轉(zhuǎn)防噴器（

RBOP）第38頁/共230頁地面節(jié)流管匯

chokemanifold

第39頁/共230頁oilzone井身結(jié)構(gòu)(CasingProgram)第40頁/共230頁固井在鉆井到設(shè)計(jì)套管下入深度后，下入套管在套管和裸眼之間注入滿足一定性能要求的水泥漿候凝，使得套管和裸眼之間的水泥石具有一定的強(qiáng)度固井的關(guān)鍵技術(shù)下套管工藝水泥漿的配方設(shè)計(jì)注水泥工藝（漿柱結(jié)構(gòu)、注水泥排量、注水泥過程中的壓力控制）固井質(zhì)量檢測(cè)第41頁/共230頁完井方法(Completiom)1、射孔完井oilzoneoilzone2、裸眼完井第42頁/共230頁oilzoneoilzone裸眼礫石充填完井套管礫石充填完井grabedpacked第43頁/共230頁oilzone割縫襯管完井(slottedLiner)第44頁/共230頁鉆井新技術(shù)深井超深井技術(shù)（DeepwellDrilling)水平井鉆井技術(shù)（HorizontalwellDrilling)大位移井

ERDDrillingTech.

(ExtendedReachDisplacement)欠平衡鉆井技術(shù)(UnderbalancedDrilling)連續(xù)油管的應(yīng)用(CoiledtubingTech.)保護(hù)油氣層的鉆井完井技術(shù)小井眼鉆井技術(shù)（SlimHoleDrilling）

第45頁/共230頁鉆井新技術(shù)深井超深井技術(shù)（DeepwellDrilling)高溫高壓的鉆井液技術(shù)高溫高壓的固井技術(shù)深井鉆柱、套管柱強(qiáng)度設(shè)計(jì)深井提高鉆速技術(shù)深井井斜控制技術(shù)第46頁/共230頁鉆井新技術(shù)水平井鉆井技術(shù)（Horizontalwell)定義長(zhǎng)半徑（2-6/30m、半徑：300m-900m）中半徑（8-20/30m、半徑：86m-215m）短半徑

(5-10/m、半徑：10m-20m)關(guān)鍵技術(shù)井眼軌跡測(cè)量和控制技術(shù)地質(zhì)導(dǎo)向鉆井技術(shù)井下閉環(huán)鉆井技術(shù)應(yīng)用是提高開發(fā)效益的有效手段。其優(yōu)點(diǎn)包括提高單井產(chǎn)量，減小水錐和氣錐，已經(jīng)在全國(guó)各大油田進(jìn)行了推廣應(yīng)用。第47頁/共230頁鉆井新技術(shù)大位移井鉆井技術(shù)（測(cè)深/垂深>2的井）應(yīng)用范圍：海上鉆井平臺(tái)海邊開采近海油藏環(huán)境保護(hù)要求特別嚴(yán)格的地區(qū)設(shè)備：頂驅(qū)大尺寸鉆桿改進(jìn)鉆機(jī)，增大鉆機(jī)負(fù)荷可變徑穩(wěn)定器先進(jìn)的隨鉆測(cè)量系統(tǒng)

第48頁/共230頁大位移井

ERDDrillingTech.

(ExtendedReachDisplacement)理論問題井身軌跡優(yōu)化井壁穩(wěn)定理論摩阻分析扭矩測(cè)量及分析環(huán)空流體學(xué)及環(huán)空攜巖鉆柱強(qiáng)度分析

鉆井新技術(shù)第49頁/共230頁鉆井新技術(shù)欠平衡鉆井技術(shù)(UnderbalancedDrilling)定義：指鉆井過程井內(nèi)壓力小于地層壓力一定值的鉆井過程設(shè)備：旋轉(zhuǎn)防噴器、井內(nèi)流體的地面多級(jí)分離器、惰性氣體發(fā)生器基本理論：多相流理論優(yōu)點(diǎn)：適合于在異常低壓地區(qū)鉆井及時(shí)發(fā)現(xiàn)和保護(hù)油氣層提高機(jī)械鉆速，降低鉆井成本

第50頁/共230頁鉆井新技術(shù)連續(xù)油管的應(yīng)用(CoiledtubingTech.)應(yīng)用：鉆井完井修井理論：流體力學(xué)分析疲勞壽命估計(jì)第51頁/共230頁CoiledTubing(reeledtubing)第52頁/共230頁CoiledTubing(reeledtubing)

第53頁/共230頁CoiledTubing(reeledtubing)ApplicationsThrough-tubingre-entryConventionalre-entryUnderbalanceddrillingSlimholeexplorationOperationUnitisautomatedandcontrolledusingaPC-basedsystemwithagraphicaloperatorinterfaceinsidethecontrolcabin.Operatedbyamulti-taskcrewOn-linedirectionaldrillingprocess第54頁/共230頁鉆井新技術(shù)保護(hù)油氣層的鉆井完井技術(shù)巖性測(cè)定及分析技術(shù)儲(chǔ)層敏感性評(píng)價(jià)技術(shù)有氣層損害機(jī)理研究油氣層損害評(píng)價(jià)技術(shù)保護(hù)有氣層的鉆井液完井液技術(shù)保護(hù)油氣層的固井技術(shù)負(fù)壓射孔技術(shù)保護(hù)油氣層的壓裂酸化技術(shù)第55頁/共230頁第二章：井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第56頁/共230頁第二章：井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第一節(jié)：地層壓力理論及預(yù)測(cè)方法Dc指數(shù)聲波時(shí)差地震層速度法第二節(jié)：地層破裂壓力預(yù)測(cè)理論計(jì)算地破試驗(yàn)第三節(jié)：地層坍塌壓力預(yù)測(cè)第四節(jié)：井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第五節(jié)：生產(chǎn)套管尺寸設(shè)計(jì)（自學(xué)）第57頁/共230頁井身結(jié)構(gòu)定義套管層次、套管下入深度以及井眼尺寸（鉆頭尺寸）與套管尺寸的配合。

主要內(nèi)容確定套管的層數(shù)確定各層套管的下深

確定套管尺寸與井眼尺寸的配合

影響因素地層壓力（地層壓力、破裂壓力、地層坍塌壓力）工程參數(shù)

地層必封點(diǎn)第58頁/共230頁地層壓力理論及預(yù)測(cè)方法靜液柱壓力（Hydrostaticpressure）Ph定義靜液壓力是由液柱重力引起的壓力。計(jì)算

ρ：液體密度,（g/cm3）H:液柱垂直高度，mPh

第59頁/共230頁地層壓力理論及預(yù)測(cè)方法壓力梯度(Pressuregradient)單位高度（或深度）增加的壓力值

在油田，為方便起見，有時(shí)壓力梯度單位直接用密度單位。或直接用壓力系數(shù)的概念。有效密度（當(dāng)量密度）鉆井液在流動(dòng)過程或被激勵(lì)中有效地作用在井內(nèi)的壓力為有效液柱壓力通過有效壓力換算得到的液體密度稱為等效密度。第60頁/共230頁地層壓力理論及預(yù)測(cè)方法上覆巖層壓力PO定義：某處地層的上覆巖層壓力是指覆蓋在該地層以上的地層基質(zhì)（巖石）和孔隙中流體（油氣水）的總重力造成的壓力。計(jì)算

P0：上覆巖層壓力；MPa；Φ：無量綱的小數(shù)ρrm:巖石骨架密度，g/cm3；ρ:地層空隙中流體密度，g/cm3；H：井深，m.Po

第61頁/共230頁地層壓力理論及預(yù)測(cè)方法地層壓力(FormationPressure)PP地層壓力是指巖石孔隙中流體（油氣水）的壓力，也叫地層孔隙壓力。骨架應(yīng)力(matrixpressure)由巖石顆粒之間來支撐的那部分上覆巖層壓力。

PoPp

第62頁/共230頁地層壓力理論及預(yù)測(cè)方法地層破裂壓力(fracturepressure)在井中，當(dāng)井內(nèi)液體壓力達(dá)到某一值時(shí)會(huì)使地層破裂，這個(gè)壓力稱為地層破裂壓力。地層坍塌壓力(Cavingpressure)當(dāng)井內(nèi)液柱壓力低于某一值時(shí)，地層出現(xiàn)坍塌或縮徑，我們稱這個(gè)壓力為地層坍塌壓力?，F(xiàn)象：當(dāng)井內(nèi)液柱壓力低于地層坍塌壓力時(shí)，對(duì)于脆性地層出現(xiàn)坍塌，對(duì)于塑性地層出現(xiàn)縮徑。第63頁/共230頁2008-9-18

井底環(huán)空壓力

1、不循環(huán)時(shí)：

2、鉆進(jìn)時(shí)：

3、起下鉆時(shí)：

Pg為起下鉆波動(dòng)壓力

地層壓力理論及預(yù)測(cè)方法第64頁/共230頁地層壓力理論及預(yù)測(cè)方法異常地層壓力正常地層壓力一般為鹽水液柱壓力PW。不在正常地層壓力范圍內(nèi)的壓力稱為異常地層壓力。異常低壓PP<Pw異常高壓

PP>PwH

P

Pw

Po

上覆巖層壓力孔隙壓力高骨架應(yīng)力正常地層壓力異常低壓異常高壓孔隙壓力第65頁/共230頁地層壓力理論及預(yù)測(cè)方法異常低壓產(chǎn)生原因生產(chǎn)層長(zhǎng)期開采衰竭地下水位很低異常高壓產(chǎn)生原因特點(diǎn)異常高壓地層與正常地層之間有一個(gè)封閉層原因沉積物的快速沉積，壓實(shí)不均勻滲透作用構(gòu)造作用水增熱作用油田注水第66頁/共230頁2008-9-18

壓實(shí)效應(yīng)

P

DP

PO

海面/地面異常高壓形成的原因地層保持正常的壓實(shí)平衡，取決于：（1）沉積速率（2）孔隙空間減少速率（3）地層滲透率（4）排出孔隙流體的能力第67頁/共230頁異常高壓形成的原因水熱作用：巖層孔隙中的流體受熱膨脹，一旦出現(xiàn)隔絕的環(huán)境，地層孔隙中流體的壓力就會(huì)急劇增加。滲透作用：水或者溶液被適當(dāng)?shù)谋∧ぃ鄮r層）隔開時(shí)，水從淡溶液到濃溶液的自然流動(dòng)，導(dǎo)致高濃度溶液一側(cè)水增多，如果排水作用受到阻礙，形成高壓。低濃度高濃度第68頁/共230頁2008-9-18

流體運(yùn)移異常高壓形成的原因第69頁/共230頁2008-9-18

地層壓力理論及預(yù)測(cè)方法地層壓力預(yù)測(cè)（監(jiān)測(cè)）方法Dc指數(shù)法原理：機(jī)械鉆速隨壓差的減少而增加。正常情況下，鉆速隨井深的增加而減小，Dc增加，在異常高壓地層，鉆速增加而dc減小。

適用范圍：巖性為泥巖、頁巖；鉆進(jìn)過程中的地層壓力監(jiān)測(cè)和完鉆后區(qū)塊地層壓力統(tǒng)計(jì)分析。dH第70頁/共230頁地層壓力理論及預(yù)測(cè)方法Dc指數(shù)法預(yù)測(cè)的原理D指數(shù)鉆速方程：

D指數(shù)

V:鉆速,m/h;N:轉(zhuǎn)速：r/minP:鉆壓,kN;Db:鉆頭尺寸,mm第71頁/共230頁第72頁/共230頁地層壓力理論及預(yù)測(cè)方法dc指數(shù)法預(yù)測(cè)的原理dc指數(shù)對(duì)鉆井液密度變化進(jìn)行修正

dc指數(shù)

ρmN:正常地層壓力梯度，g/cm3;ρm:實(shí)際鉆井液密度，

g/cm3;第73頁/共230頁地層壓力理論及預(yù)測(cè)方法 d指數(shù)

dc指數(shù)第74頁/共230頁地層壓力理論及預(yù)測(cè)方法dc指數(shù)監(jiān)測(cè)地層壓力的方法按一定深度取點(diǎn)，一般1.5－3m取一點(diǎn)，如果鉆速高可以5－10m一個(gè)點(diǎn)，重點(diǎn)井段1m一點(diǎn)，同時(shí)記錄每個(gè)記錄點(diǎn)的鉆頭尺寸、鉆速、鉆壓、轉(zhuǎn)速、地層水和鉆井液密度。計(jì)算dc指數(shù)通過統(tǒng)計(jì)分析的方法建立正常壓力趨勢(shì)線計(jì)算地層壓力提示如有必要，必須對(duì)鉆頭尺寸進(jìn)行校正；一個(gè)構(gòu)造上的正常壓力可以通過多個(gè)井得到，以提高預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確程度；Dc指數(shù)預(yù)測(cè)地層壓力所得到的結(jié)果可能與其它方法所得到的結(jié)果不盡一致。第75頁/共230頁地層壓力理論及預(yù)測(cè)方法地層壓力計(jì)算反算法

P——所求井深地層壓力當(dāng)量密度，g/cm3；

n——所求井深正常地層壓力當(dāng)量密度，g/cm3

dCN——所求井深處正常趨勢(shì)線上的dc指數(shù)值；

dcR——所求井深實(shí)際dc指數(shù)。

dcHdcndcR第76頁/共230頁地層壓力理論及預(yù)測(cè)方法地層壓力計(jì)算等效深度法：若地層具有相同的dc指數(shù)，則認(rèn)為其骨架應(yīng)力相等,即：

PP——所求深度的地層壓力，MPa

H——所求地層壓力點(diǎn)的深度，m；

G0——上覆地層壓力梯度，MPa/m

Gn——等效深度處的正常地層壓力梯度，MPa/m

HE——等效深度，m。

dcHHEH

第77頁/共230頁2008-9-18

dcH地層壓力理論及預(yù)測(cè)方法等效深度計(jì)算

地層壓力計(jì)算步驟鉆井參數(shù)錄入鉆速、鉆壓、轉(zhuǎn)速、地層水密度、鉆井液密度計(jì)算dc指數(shù)回歸正常趨勢(shì)線計(jì)算地層壓力HEH

第78頁/共230頁地層壓力理論及預(yù)測(cè)方法地層壓力預(yù)測(cè)（監(jiān)測(cè)）方法聲波時(shí)差法原理：聲波在地層中的傳播速度與巖石的密度、結(jié)構(gòu)、孔隙度及埋藏深度有關(guān)。當(dāng)巖性一定時(shí)，聲波的速度隨巖石孔隙度的增大而減小，對(duì)于沉積壓實(shí)作用形成的泥巖、頁巖，在正常地層壓力井段，隨著井深增加，巖石孔隙度減少，聲波速度增加，聲波時(shí)差減??；在異常壓力井段，巖石空隙度增加，聲波速度減少，聲波時(shí)差增大。因此，可以通過聲波時(shí)差偏離正常趨勢(shì)線的大小預(yù)測(cè)地層壓力。適用范圍：巖性為泥巖、頁巖；完鉆后進(jìn)行地層壓力評(píng)價(jià)。

第79頁/共230頁2008-9-18

H地層壓力理論及預(yù)測(cè)方法聲波時(shí)差（用頁巖的聲波時(shí)差）要求：足夠數(shù)量的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)H：井深，mΔt:井深H處的泥巖聲波時(shí)差，μs/ftΔt0:表層泥巖聲波時(shí)差,μs/ftC：正常趨勢(shì)線斜率A:正常趨勢(shì)線截距第80頁/共230頁地層壓力理論及預(yù)測(cè)方法聲波時(shí)差法預(yù)測(cè)地層壓力預(yù)測(cè)步驟在標(biāo)準(zhǔn)聲波時(shí)差測(cè)井資料上選擇泥質(zhì)含量大于80%的泥頁巖層段，以5m為間隔點(diǎn)讀出井深相應(yīng)的聲波時(shí)差值，并在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)上描點(diǎn)；建立正常壓實(shí)趨勢(shì)線及正常壓實(shí)趨勢(shì)線方程；將測(cè)井曲線上的聲波時(shí)差值代入趨勢(shì)線方程，求出等效深度HE；用等效深度法計(jì)算地層壓力PP。

對(duì)于碳酸巖類地層的孔隙壓力預(yù)測(cè)，除了隨鉆測(cè)量外，目前還未研究出成熟的技術(shù)。

第81頁/共230頁地層壓力理論及預(yù)測(cè)方法地層壓力預(yù)測(cè)（監(jiān)測(cè)）方法地震層速度法原理：在不同巖性、不同壓實(shí)程度情況下，地震波速存在差異。在正常壓實(shí)地層，隨著深度增加，地震波速增加；在異常壓力地層，隨著深度的增加，地震波速減小。適用范圍：鉆前對(duì)區(qū)域地層壓力進(jìn)行評(píng)價(jià)。

第82頁/共230頁地層破裂壓力確定方法理論計(jì)算井眼井壁的應(yīng)力：

最大最小水平主應(yīng)力第83頁/共230頁地層破裂壓力確定方法理論計(jì)算井壁上的周向應(yīng)力（切向應(yīng)力）：

井壁破裂的原因井壁上的有效切向應(yīng)力超過巖石的抗拉強(qiáng)度（破壞準(zhǔn)則）

井壁上的有效應(yīng)力

α有效應(yīng)力系數(shù)，Biot系數(shù)第84頁/共230頁地層破裂壓力確定方法地層破裂壓力計(jì)算地層的破裂是由井壁上的應(yīng)力狀態(tài)決定的。地層破裂是由于井壁上的有效切向應(yīng)力達(dá)到或超過巖石的拉伸強(qiáng)度（抗張強(qiáng)度）

St：地層的拉伸強(qiáng)度，MPa；

μ：泊松比Po:上覆巖層壓力MPa;α

：有效應(yīng)力系數(shù)A、B：構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)Pp：地層孔隙壓力，MPa第85頁/共230頁2008-9-18

測(cè)試方法

PPf=Pstand_pipe+Pm

地層破裂壓力確定方法第86頁/共230頁2008-9-18

液壓試驗(yàn)（泄漏試驗(yàn)）

P泵入量：V立管壓力PA地層破裂壓力確定方法第87頁/共230頁地層破裂壓力確定方法地層破裂壓力的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試循環(huán)調(diào)節(jié)泥漿性能，保證泥漿性能穩(wěn)定，上提鉆頭至套管鞋內(nèi)，關(guān)閉防噴器。

用較小排量（0.66~1.32l/s）向井內(nèi)泵入泥漿，并記錄各個(gè)時(shí)間的注入量及立管壓力。

作立管壓力與泵入量（累計(jì)）的關(guān)系曲線圖，如右圖所示。

從圖上確定各個(gè)壓力值，漏失壓力P1，即開始偏離直線點(diǎn)的壓力，其后壓力繼續(xù)上升；壓力上升到最大值，即為斷裂壓力Pf；最大值過后壓力下降并趨于平緩，平緩的壓力稱為傳播壓力。

第88頁/共230頁地層破裂壓力確定方法地層破裂壓力的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試求破裂壓力當(dāng)量泥漿密度ρmax

m——試驗(yàn)用泥漿密度，g/cm3；

P1——漏失壓力，MPa；H——裸眼段中點(diǎn)井深，m。

地層破裂壓力梯度(MP/m)第89頁/共230頁地層坍塌壓力確定方法造成井壁坍塌的原因主要是由于井內(nèi)液柱壓力太低，使得井壁周圍巖石所受應(yīng)力超過巖石本身的強(qiáng)度而產(chǎn)生剪切破壞所造成的，此時(shí)，對(duì)于脆性地層會(huì)產(chǎn)生坍塌掉塊，井徑擴(kuò)大，對(duì)塑性地層，則向井眼內(nèi)產(chǎn)生塑性變形，造成縮徑。巖石的強(qiáng)度條件（強(qiáng)度準(zhǔn)則）根據(jù)庫侖-莫爾的研究，巖石破壞時(shí)剪切面上的剪應(yīng)力必須克服巖石的固有剪切強(qiáng)度值（稱為粘聚力），加上作用于剪切面上的內(nèi)摩擦阻力。

C:巖石的粘聚力(內(nèi)聚力)Φ：巖石的內(nèi)摩擦角；σN:巖石剪切面上的法向正應(yīng)力.第90頁/共230頁地層坍塌壓力確定方法巖石破壞準(zhǔn)則Mohr—Coulomb準(zhǔn)則

巖石的剪切破壞α

有效應(yīng)力系數(shù)（Biot系數(shù)），

Φ內(nèi)摩擦角σ1和σ1分別為井壁上的最大和最小主應(yīng)力第91頁/共230頁地層坍塌壓力確定方法地層坍塌壓力計(jì)算

H：井深，m；Ρ：鉆井液密度，g/cm3；

C：巖石的粘聚力，MPa；η:地層非線性彈性修正系數(shù)（0.9～0.95）；σH

、σh：地層最大和最小水平地應(yīng)力，MPa

第92頁/共230頁地層壓力理論及預(yù)測(cè)方法泥頁巖強(qiáng)度和力學(xué)參數(shù)的確定

巖石強(qiáng)度參數(shù)的確定

內(nèi)聚力內(nèi)摩擦角

抗拉伸強(qiáng)度

靜態(tài)彈性參數(shù)的確定

泊松比彈性模量地層有效應(yīng)力系數(shù)α的確定

利用聲波時(shí)差測(cè)井參數(shù)第93頁/共230頁井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)定義套管層次、套管下入深度以及井眼尺寸（鉆頭尺寸）與套管尺寸的配合。

目的保證安全、優(yōu)質(zhì)、快速和經(jīng)濟(jì)地鉆達(dá)目的層內(nèi)容下入套管層數(shù)各層套管的下入深度選擇合適的套管尺寸與鉆頭尺寸組合第94頁/共230頁2008-9-18

井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要原則能有效保護(hù)油氣層能避免產(chǎn)生井漏、井噴、井塌、卡鉆等井下復(fù)雜情況,為全井安全、優(yōu)質(zhì)、快速和經(jīng)濟(jì)地鉆進(jìn)創(chuàng)造條件；當(dāng)實(shí)際地層壓力超過預(yù)測(cè)值使井出現(xiàn)液流時(shí)，在一定范圍內(nèi)，具有壓井處理溢流的能力。第95頁/共230頁2008-9-18

井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)套管類型導(dǎo)管鉆表層井眼時(shí)，將鉆井液從地表引導(dǎo)到鉆臺(tái)平面上來。表層套管防止淺層水受污染，封閉淺層流砂、礫石層及淺層氣，支撐井口設(shè)備裝置，懸掛依次下入的各層套管的載荷。技術(shù)套管（中間套管）封隔坍塌地層及高壓水層封隔不同的壓力體系繼續(xù)鉆井的需要第96頁/共230頁井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

套管類型油層套管（生產(chǎn)套管）為油氣生產(chǎn)提供流通通道保護(hù)產(chǎn)層、分層測(cè)試、分層采油、分層改造尾管技術(shù)尾管生產(chǎn)尾管尾管回接第97頁/共230頁2008-9-18

井深當(dāng)量泥漿密度GpGf井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮的因素

巖性剖面及故障提示地層壓力、地層破裂壓力工程參數(shù)正常作業(yè)：抽吸壓力系數(shù)Sw、激動(dòng)壓力系數(shù)Sg、地層壓裂安全增值Sf出現(xiàn)液流：抽吸壓力系數(shù)Sw、地層壓裂安全增值Sf、考慮液流情況下地層壓力增加值

SK最大允許壓差ΔPN(ΔPa)第98頁/共230頁井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)最大鉆井液密度：某一層套管的鉆進(jìn)井段中所用的最大鉆井液密度，和該井段中的最大地層壓力有關(guān)：

ρmax:某層套管的鉆進(jìn)井段中所使用的最大鉆井液密度，g/cm3；ρpmax該井段的最大地層壓力梯度，

g/cm3；Sw:考慮到上提鉆柱時(shí)抽吸作用使井底壓力降低，為了平衡地層壓力所加的附加鉆井液密度，

g/cm3。Sw=0.024-0.048g/cm3.第99頁/共230頁井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)最大井內(nèi)壓力梯度正常作業(yè)（起下鉆、鉆進(jìn)）：正常鉆井條件下，井內(nèi)最大壓力梯度是發(fā)生在下放鉆柱時(shí)，由于產(chǎn)生壓力激動(dòng)使得井內(nèi)壓力增高，設(shè)由于壓力激動(dòng)使井內(nèi)的壓力增加值為Sg，則最大井內(nèi)壓力梯度為：

Sg:激動(dòng)壓力梯度當(dāng)量密度；

g/cm3；Sg=0.024-0.048g/cm3第100頁/共230頁井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)最大井內(nèi)壓力梯度（續(xù)）發(fā)生液流時(shí)：為了制止液流，如壓井時(shí)井內(nèi)壓力增高值為Sk,則最大井內(nèi)壓力梯度為：

Sk=0.060g/cm3

上式只適用于發(fā)生液流時(shí)最大地層壓力所在的井深Hpmax的井底處，而對(duì)于井深為Hn的任意井深處的井內(nèi)壓力梯度為：第101頁/共230頁2008-9-18

關(guān)井井底最大壓力

PsdPmE=Psd+Pm

井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)HpmaxH對(duì)于任意井深H處：

第102頁/共230頁井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)套管下深的臨界條件為了確保上一層套管鞋處的裸露地層不被壓裂，應(yīng)該保證，某一井段的最大井內(nèi)液柱壓力梯度滿足：

ρf:上一層套管下入深度處裸露地層的破裂壓力梯度；

g/cm3Sf：為避免將上一層套管下入深度處裸露地層壓裂的安全值，

Sf=0.024-0.048g/cm3當(dāng)量泥漿密度GpGf第103頁/共230頁井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最大允許壓差為了在下套管過程中，不致于發(fā)生壓差粘卡套管的事故，應(yīng)該限制井內(nèi)鉆井液液柱壓力與地層壓力的壓力差值，即規(guī)定最大允許壓差。最大允許壓差的取值在正常壓力地層：

ΔPN=11-17MPa在異常壓力井段：

ΔPa=14-22MPaPPPm第104頁/共230頁井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)步驟和方法（1）各層套管（不含油層套管）下入深度初選點(diǎn)Hni的確定正常鉆進(jìn)時(shí)：

ρfnr:在設(shè)計(jì)套管層所在的裸眼井段內(nèi)，在最大井內(nèi)液柱壓力梯度作用下，上部裸露地層不致破裂所應(yīng)有的地層破裂壓力梯度，g/cm3;（裸眼井段井內(nèi)最大液柱壓力梯度）ρmax:裸露井段預(yù)計(jì)的最大地層壓力梯度，

g/cm3;第105頁/共230頁井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)步驟和方法（1）各層套管（不含油層套管）下入深度初選點(diǎn)Hni的確定（續(xù)1）發(fā)生液流時(shí)時(shí)：

ρfnk:在設(shè)計(jì)套管層所在的裸眼井段發(fā)生液流時(shí)，在最大井內(nèi)壓力梯度作用下，上部裸露地層不致破裂所應(yīng)有的地層破裂壓力梯度，g/cm3;（井深為Hni處井內(nèi)液柱壓力梯度）Hni:設(shè)計(jì)層套管的初始下入深度，m;Hpmax:最大地層壓力所對(duì)應(yīng)的井深;m。第106頁/共230頁井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)步驟和方法（1）各層套管（不含油層套管）下入深度初選點(diǎn)Hni的確定（續(xù)2）比較正常鉆井情況下和發(fā)生液流情況下的最小地層破裂壓力，

一般地ρfnk>ρfnr,因此通常按ρfnk計(jì)算，只有在肯定不會(huì)發(fā)生液流的情況下，才按ρfnr計(jì)算。對(duì)于技術(shù)套管，首先計(jì)算出ρfnk，然后通過作圖或數(shù)字計(jì)算的方法找到地層破裂壓力為ρfnk的井深，該井深即為技術(shù)套管下入的初選點(diǎn)。對(duì)于技術(shù)套管，需要校核是否會(huì)卡套管，對(duì)于表層套管，則一般不必進(jìn)行壓差粘卡套管的校核第107頁/共230頁當(dāng)量泥漿密度GpGf正常工況（起鉆、下鉆）發(fā)生液流時(shí)當(dāng)量泥漿密度GpGf第108頁/共230頁井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)步驟和方法（2）校核套管下入初選點(diǎn)Hni是否會(huì)發(fā)生壓差粘卡套管所用最大鉆井液密度與最小地層壓力之間實(shí)際的最大靜止壓差：

ΔP：套管所受到的最大靜止壓差，MPa；ρmin：該井段內(nèi)最下地層壓力,g/cm3;Hmm：該井段最小地層壓力所對(duì)應(yīng)的最大井深,m。GpGfHmm第109頁/共230頁井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)步驟和方法（2）校核套管下入初選點(diǎn)Hni是否會(huì)發(fā)生壓差粘卡套管（續(xù)1）比較ΔP與ΔPN(ΔPa)PPN（或Pa），則假定深度Hni為中間套管下入深度。

若P>PN（或Pa），則中間套管下至Hni過程中有被卡危險(xiǎn)。在這種情況下,必須采取下尾管的方法解決。

確定技術(shù)套管的下入深度：先計(jì)算不卡套管的最大地層壓力梯度，g/cm3;

與ρpper對(duì)應(yīng)的井深即為經(jīng)過校核的技術(shù)套管下深Hn第110頁/共230頁井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)步驟和方法（3）在技術(shù)套套下入深度淺于初選點(diǎn)的情況下，確定尾管的下入深度Hn+1確定尾管下入深度的初選點(diǎn)Hn+1,I

由技術(shù)套管鞋處的地層破裂壓力梯度ρfn可求得允許的最大地層壓力梯度ρpper:

通過數(shù)字計(jì)算或作圖法找到與ρpper相等的地層壓力梯度所對(duì)應(yīng)的井深，該井深即為尾管下入深度的初選點(diǎn)。校核尾管的下入深度初選點(diǎn)是否會(huì)發(fā)生卡套管第111頁/共230頁采用迭代法，試取一個(gè)Hn+1值求ρpper，如果ρpper大于該深度的實(shí)際地層壓力梯度，且二者接近，則Hn+1就是尾管下入深度。GpGfHnHn+11)中間套管下深Hn的確定與ρpper相對(duì)應(yīng)的井深即為中間套管下深Hn。2)尾管下深Hn+1的確定ρfn:技術(shù)套管下深Hn處的地層破裂壓力梯度第112頁/共230頁2008-9-18

步驟1、定中間套管最大下入深度假定點(diǎn)。

根據(jù)可能鉆遇的最大地層壓力求設(shè)計(jì)破裂壓力梯度

井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)量泥漿密度GpGf第113頁/共230頁2008-9-18

步驟2、驗(yàn)證中間套管是否有卡套管的危險(xiǎn)。

如有，則應(yīng)減小下深3、加下一層尾管井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)量泥漿密度GpGf第114頁/共230頁2008-9-18

步驟4、 確定表層套管下入 深度。

井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)量泥漿密度GpGf第115頁/共230頁井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)油層套管從井底到井口（對(duì)于射孔完井）當(dāng)量泥漿密度GpGf第116頁/共230頁生產(chǎn)套管尺寸應(yīng)滿足采油方面要求。根據(jù)生產(chǎn)層的產(chǎn)能、油管大小、增產(chǎn)措施及井下作業(yè)等要求來確定。對(duì)于探井，要考慮原設(shè)計(jì)井深是否要加深，地質(zhì)上的變化會(huì)使原來的預(yù)告難于準(zhǔn)確，是否要求井眼尺寸上留有余量以便增下中間套管，以及對(duì)巖心尺寸要求等。要考慮到工藝水平，如井眼情況、曲率大小、井斜角以及地質(zhì)復(fù)雜情況帶來的問題。并應(yīng)考慮管材、鉆頭庫存規(guī)格等的限制。

1．設(shè)計(jì)中考慮的因素

套管尺寸與井眼尺寸選擇及配合第117頁/共230頁確定井身結(jié)構(gòu)尺寸一般由內(nèi)向外依次進(jìn)行，首先確定生產(chǎn)套管尺寸，再確定下入生產(chǎn)套管的井眼尺寸，然后確定中層套管尺寸等，依此類推，直到表層套管的井眼尺寸，最后確定導(dǎo)管尺寸。生產(chǎn)套管根據(jù)采油方面要求來定?？碧骄畡t按照勘探方要求來定。套管與井眼之間有一定間隙，間隙過大則不經(jīng)濟(jì)，過小會(huì)導(dǎo)致下套管困難及注水泥后水泥過早脫水形成水泥橋。間隙值一般最小在9.5~12.7mm(3/8~1/2in)范圍，最好為19mm（3/4in）。

2．套管和井眼尺寸的選擇和確定方法

套管尺寸與井眼尺寸選擇及配合

第118頁/共230頁3．套管及井眼尺寸標(biāo)準(zhǔn)組合

四、套管尺寸與井眼尺寸選擇及配合

81/2第119頁/共230頁井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—實(shí)例計(jì)算分析

例1某井設(shè)計(jì)井深4873m，其地層壓力梯度和地層破裂壓力梯度剖面圖如圖2-11示。該井無地質(zhì)復(fù)雜層。設(shè)計(jì)系數(shù)取以下值：

Sw=0.036g/cm3

Sg=0.036g/cm3

Sf=0.024g/cm3

Sk=0.060g/cm3

Pn=16.56MPa

Pa=21.36MPa破裂壓力梯度1450m3826m4146m地層壓力梯度HN

第120頁/共230頁（1）求中間套管初始下入深度

鉆遇最大地層壓力梯度=2.113g/cm3

考慮抽汲壓力Sw=0.036g/cm3

考慮鉆柱下放、壓力激動(dòng)Sg=0.036g/cm3

考慮安全因素Sf

=0.024g/cm3

如按正常工況，則：

fnr

=2.209g/cm3

從壓力剖面圖橫坐標(biāo)上2.209處引垂直線，該垂線與地層破裂壓力梯度曲線相交，交點(diǎn)H3的相應(yīng)井深4146m為中間套管下入深度初始選定點(diǎn)，該深度地層壓力梯度為1.74g/cm3。破裂壓力梯度1450m3826m4146m地層壓力梯度HN

fD井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—實(shí)例計(jì)算分析

第121頁/共230頁（2）驗(yàn)證中間套管下入4146m深度是否有卡套管的危險(xiǎn)

其中m=PH2+Sw(PH2即4146m井深地層壓力梯度)，PH2=1.74（g/cm3）

1.74+0.036=1.776g/cm3。

HN=3384m（壓力剖面圖最小地層壓力對(duì)應(yīng)的最大井深），代入上式

=23.08MPa

因?yàn)?3.08>16.56

所以中間套管下入井深4146m有卡套管的危險(xiǎn)，中間套管下入井深應(yīng)當(dāng)減小。井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—實(shí)例計(jì)算分析

第122頁/共230頁

求在允許壓力差16.56MPa的條件下，中間套管下入深度H2

HN=3384m

m-Sw=中間套管下入深度處的地層壓力梯度

1.579-0.036=1.543g/cm3

在壓力剖面圖上找到1.543g/cm3

，引垂線與地層壓力梯度線相交，交點(diǎn)即為新計(jì)算的中間套管下入深度3826m

。

破裂壓力梯度1450m3826m4146m地層壓力梯度井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—實(shí)例計(jì)算分析

第123頁/共230頁（3）計(jì)算中間尾管最大下入深度H3

4146m-3826m=320m

校核尾管下入4146m井深壓差卡鉆可能性。鉆井尾管下入4146m時(shí)采用的鉆井液密度=4146m處地層壓力梯度+Sw=1.74+0.036=1.776g/cm3

P=0.00981(1.775-1.543)3826=8.745MPa

因?yàn)?.745<21.36，下入中間尾管時(shí)不會(huì)卡尾管。校核鉆井至4146m時(shí)，如果產(chǎn)生溢流，給定0.060g/cm3溢流條件，壓井時(shí)中間套管3826m處是否會(huì)被壓裂，產(chǎn)生地下井噴危險(xiǎn)。中間尾管井深4146m處地層壓力梯度=1.74g/cm3

=1.865g/cm3

井深3826m處地層破裂壓力梯度=2.172g/cm3。因?yàn)?.865<2.172，所以當(dāng)鉆至井深4146m，若發(fā)生溢流，關(guān)井不會(huì)壓裂中間套管鞋處地層。井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—實(shí)例計(jì)算分析

第124頁/共230頁（4）表層套管可下深度H1

根據(jù)中間套管下入深度3826m處地層壓力梯度，給定0.060g/cm3的溢流條件，試算表層套管可下深度。

設(shè)表層套管下入深度=1067m

=1.819g/cm3

井深1067m處地層破裂壓力梯度=1.693g/cm3。溢流后壓井時(shí)，給予1067m處的壓力負(fù)荷大于該處地層破裂壓力梯度，會(huì)壓裂地層產(chǎn)生地下井噴的危險(xiǎn)。試算深度不能滿足要求。

井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—實(shí)例計(jì)算分析

第125頁/共230頁設(shè)表層套管下入深度=1450m，則

井深1450m處地層破裂壓力梯度=1.780g/cm3。因?yàn)閒1450>fD1450，且相近，所以表層套管下入深度H1=1450m，滿足設(shè)計(jì)要求。破裂壓力梯度1450m3826m4146m地層壓力梯度井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—實(shí)例計(jì)算分析

第126頁/共230頁（5）油層套管下入4878m深度是否有卡套管的危險(xiǎn)P=0.00981（2.113+0.035-1.74）4146=16.635MPa因?yàn)?6.635<21.36，油層套管下入4878m不會(huì)卡套管。

這樣，該井設(shè)計(jì)的套管程序如表

套管層次下入深度m

表層套管中間套管中間尾管油層套管1450382641464878破裂壓力梯度1450m3826m4146m地層壓力梯度井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—實(shí)例計(jì)算分析

第127頁/共230頁第二章作業(yè)

井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的任務(wù)、依據(jù)。有關(guān)的基本概念（地層壓力、地層破裂壓力、地層坍塌壓力）簡(jiǎn)述dc指數(shù)法、聲波時(shí)差法預(yù)測(cè)地層壓力的原理和使用的條件。（書面作業(yè)）什么是破裂壓力？巖石破裂的力學(xué)機(jī)理是什么？液壓試驗(yàn)確定地層破裂壓力的原理、步驟。坍塌壓力是什么？摩爾-庫侖準(zhǔn)則的含義和適用范圍。井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的步驟和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是什么？（書面作業(yè)）熟悉掌握井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的計(jì)算方法第128頁/共230頁第三章

鉆井液技術(shù)第129頁/共230頁本章內(nèi)容包括:概論粘土礦物和粘土膠體化學(xué)基礎(chǔ)鉆井液的工藝性能鉆井液的流變性鉆井液的濾失和造壁性鉆井液的其它性能鉆井液處理劑及原材料鉆井液體系復(fù)雜情況處理第130頁/共230頁概論——鉆井液定義狹義鉆井液:粘土以小顆粒狀態(tài)(<2μ)分散在水中所形成的溶膠-懸浮體.(mud)廣義鉆井液:一切有助于從井眼中產(chǎn)生和清除鉆屑的流體.(drillingfluid)API定義:用于鉆井的具有各種各樣功用以滿足鉆井工作需要的循環(huán)流體第131頁/共230頁概論——鉆井液的功用清除井底鉆屑并將其攜帶至地面穩(wěn)定井壁及控制地層壓力冷卻和潤(rùn)滑鉆頭、鉆具提供低滲透、韌性好的泥餅保護(hù)井壁停止循環(huán)時(shí)懸浮環(huán)空中的鉆屑及加重材料給鉆頭傳遞水力能量

第132頁/共230頁ThePrimaryFunctionsofDrillingFluidCleantherockfragmentsfrombeneaththebitandcarrythemtothesurfaceExertsufficienthydrostaticpressureagainstsubsurfaceformationstopreventformationfluidsfromflowingintothewell.Keepthenewlydrilledwellboreopenuntillsteelcasingcanbecementedinthehole.Coolandlubricatetherotatingdrillstringandbit.第133頁/共230頁概論——鉆井液不應(yīng)具有既不能傷害鉆井人員，又不能損害或污染環(huán)境對(duì)所設(shè)計(jì)的地層評(píng)估有不利的性能對(duì)產(chǎn)層產(chǎn)生傷害對(duì)鉆井設(shè)備和管材造成較大腐蝕Detrimentaltotheoperatorsandenvironment.Detrimentaltotheformationevaluation.Causeanyformationdamage.Causeanycorrosionofthedrillingequipmentandsubsurfacetubulars.第134頁/共230頁概論——鉆井液的分類液體氣體氣－液混合物水基鉆井液泡沫（以氣為主）充氣泥漿（以液為主）空氣天然氣油基鉆井液合成基鉆井液第135頁/共230頁概論——鉆井液的分類LiquidGasGas-liquidmixtureWaterbasemudsFoam(mostlygas)

Areatedmuds(mostlyliquid)

airNaturegasOilbasemudsSyntheticbasemuds第136頁/共230頁概論——優(yōu)質(zhì)鉆井液的標(biāo)準(zhǔn)有利于安全、快速、優(yōu)質(zhì)、低耗鉆井；有利于取全、取準(zhǔn)各項(xiàng)工程、地質(zhì)資料；有利于發(fā)現(xiàn)、保護(hù)油氣層。Safe,Fast,Best,low-costdrilling.Getallkindsofengineeringandgeologicalinformation.Findandprotectpayzones.第137頁/共230頁概論——鉆井液的分類分散鉆井液(dispersedDrillingFluids)定義：用淡水、膨潤(rùn)土和各種對(duì)粘土與鉆屑起分散作用的處理劑配制而成的水基鉆井液特點(diǎn)可容納較多的固相，適合于配制較高密度的鉆井液容易在井壁上形成較致密的泥餅，失水較低某些分散鉆井液具有較強(qiáng)的抗溫能力，適合于深井和超深井使用。第138頁/共230頁概論——鉆井液的分類鈣處理鉆井液(Calciumtreateddrillingfluids)定義：體系中同時(shí)含有一定濃度的Ca2+

和分散劑。特點(diǎn)抗鹽、鈣污染的能力強(qiáng)抑制粘土的水化分散作用，控制頁巖坍塌和井徑擴(kuò)大，減少對(duì)油氣層的損害鹽水鉆井液(saltwaterdrillingfluid)定義：用鹽水或海水配制而成。含鹽量從1％（Cl-為6000mg/l)直至飽和(Cl-為189,000mg/l)之前。特點(diǎn)對(duì)粘土水化有較強(qiáng)的抑制作用第139頁/共230頁概論——鉆井液的分類飽和鹽水鉆井液(Saturatedsaltwatermuds)定義：鉆井液中

NaCl的含量達(dá)到飽和的鉆井液體系。特點(diǎn)：用于鉆進(jìn)大段鹽層和和復(fù)雜的鹽膏層第140頁/共230頁概論——鉆井液的分類聚合物鉆井液(Polymerdrillingfluid)定義:以某些具有絮凝和包被作用的高分子聚合物作為主處理劑的水基鉆井液體系。特點(diǎn)各種固相顆粒可以保持在較粗的范圍內(nèi)鉆屑不易分散成細(xì)微顆粒優(yōu)點(diǎn)鉆井液密度和固相含量低，鉆速高，地層損害小剪切稀釋特性強(qiáng)聚合物處理劑有較強(qiáng)的包被和抑制分散的作用，有利于抑制地層造漿和保持井壁穩(wěn)定。

第141頁/共230頁概論——鉆井液的分類鉀基聚合物鉆井液(potassium-basepolymerDF)定義：以各種聚合物的鉀（或銨、鈣）鹽和KCl為主處理劑的防塌鉆井液體系特點(diǎn)在各種無機(jī)鹽中，以KCl抑制粘土水化的效果最好。聚合物處理劑的存在使該鉆井液體系具有聚合物鉆井液的各種優(yōu)良特性。在鉆遇泥頁巖地層時(shí)，具有理想的防塌效果。第142頁/共230頁概論——鉆井液的分類油基鉆井液(oilbasedmuds)定義：以油作為連續(xù)相的鉆井液為油基鉆井液。油水比在（50－80）:(50－20)油包水乳化鉆井液最為常用。特點(diǎn)抗高溫有很強(qiáng)的抑制性有很強(qiáng)的抗鹽、鈣的污染能力潤(rùn)滑性好能有效地減輕對(duì)油氣層的傷害成本較高、配制工藝復(fù)雜、污染環(huán)境第143頁/共230頁概論——鉆井液的分類合成基鉆井液(syntheticbasemuds)定義：以合成的有機(jī)化合物作為連續(xù)相，鹽水作為分散相，并含有乳化劑、降濾失劑、流型改進(jìn)劑的一類新型鉆井液。特點(diǎn)：使用無毒并且能夠生物降解的非水溶性的有機(jī)物取代了油基鉆井液中柴油，該鉆井液不僅保持了油基鉆井液的優(yōu)良特性，而且大大減輕了鉆井液排放時(shí)對(duì)環(huán)境造成的不良影響，尤其適合于海上鉆井。氣體型鉆井流體空氣或天然氣鉆井流體霧狀鉆井流體泡沫鉆井流體充氣鉆井液保護(hù)儲(chǔ)層的鉆井液第144頁/共230頁概論——鉆井液的組成水基泥漿：固相顆粒懸浮在水中或鹽水中，油可以乳化到水中，此時(shí)，水是連續(xù)相。(膨潤(rùn)土+水+化學(xué)處理劑+加重材料＋鉆屑)油基泥漿：固相顆粒懸浮在油中，水或鹽水乳化在油中，即油是連續(xù)相。

(柴油+瀝青/有機(jī)土+處理劑)氣體：用高速氣體或天然氣清除鉆屑

第145頁/共230頁概論——鉆井液的組成

第146頁/共230頁概論——鉆井液技術(shù)發(fā)展概況發(fā)展水基鉆井液清水

分散鉆井液

抑制性鉆井液

不分散聚合物鉆井液油基鉆井液原油

柴油為連續(xù)相鉆井液

油包水乳化鉆井液預(yù)測(cè)鉆井液強(qiáng)化井壁技術(shù)復(fù)雜地質(zhì)條件下深井、超深井、大位移井鉆井液技術(shù)新型鉆井液體系及其處理劑的研制與應(yīng)用廢棄鉆井液的處理技術(shù)保護(hù)油氣層的鉆井液技術(shù)第147頁/共230頁概論——國(guó)內(nèi)鉆井液技術(shù)發(fā)展特點(diǎn)同樣經(jīng)歷了這些階段,但滯后一定時(shí)間;水基體系的研究應(yīng)用比油基體系多;深井水基鉆井液、防塌鉆井液、聚合物鉆井液理論較成熟；成功研制了一些鉆井液處理劑，如FA367,XY27,SMP,80A51等；成功應(yīng)用了一些鉆井液體系，如三磺體系，兩性離子聚合物體系、聚磺體系等；研制了大量鉆井液性能評(píng)價(jià)儀器；計(jì)算機(jī)應(yīng)用相對(duì)滯后。第148頁/共230頁概論

——鉆井液工作的基本任務(wù)根據(jù)所鉆井類型、地層特性、孔隙壓力及破裂壓力、井溫、測(cè)井及環(huán)保要求正確選擇鉆井液類型；自始至終維護(hù)、保持良好的鉆井液性能；預(yù)防、處理各種井下復(fù)雜情況和事故；保證安全順利鉆井前提下，盡可能降低鉆井液成本。

第149頁/共230頁粘土膠體化學(xué)基礎(chǔ)(Fundamentsofclaycolloidchemistry)粘土膠體化學(xué)：在一般膠體化學(xué)規(guī)律指導(dǎo)下，專門研究粘土膠體的生成、破壞和物理化學(xué)性質(zhì)的科學(xué)。狹義膠體：膠體大小（三維中任一維尺寸在1-100μm之間）的微粒分散在另一種連續(xù)介質(zhì)中所形成的分散體系。廣義膠體：包括粗分散體系（懸浮體、乳狀液、泡沫）；溶膠；高分子真溶液；締合膠體。學(xué)習(xí)本章的意義:粘土是配漿的基礎(chǔ)材料

泥漿是粘土--水的溶膠--懸浮體

地層造漿、井壁穩(wěn)定、儲(chǔ)層保護(hù)等均與地層粘土礦物有關(guān)。第150頁/共230頁粘土膠體化學(xué)基礎(chǔ)相和相界面(phaseandinterface)相是指物質(zhì)的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)都完全相同的均勻部分。體系中若有兩個(gè)或兩個(gè)以上的相稱為多相體系。相與相之間的接觸面成為界面。分散相與分散介質(zhì)分散相是指在多相分散體系中被分散的物質(zhì)，分散介質(zhì)則是分散相所在的連續(xù)介質(zhì)。(粘土和水)分散度和比表面積分散度：分散相的分散程度。比表面積：?jiǎn)挝惑w積或單位重量物質(zhì)的總的表面積。比表面積越大，物質(zhì)分散越小，分散度就越高。第151頁/共230頁粘土礦物的晶格構(gòu)造和特點(diǎn)常見的粘土礦物(clayminerals)高嶺土（Kaolinite）蒙脫石(Montmorillonite)伊利石(illite)化學(xué)組成

第152頁/共230頁粘土礦物的兩個(gè)基本結(jié)構(gòu)單元

硅氧四面體

鋁氧八面體第153頁/共230頁粘土礦物的晶體構(gòu)造及特點(diǎn)晶片的結(jié)合晶層:硅氧四面體和鋁氧八面體片沿C軸按一定比例相互重合，通過共用的氧原子連接形成電中性的同一結(jié)構(gòu)層；晶體：許多單位晶層在同一方向上按一定距離反復(fù)重合，形成晶體。晶格取代：在晶體結(jié)構(gòu)保持不變的情況下，中心高價(jià)陽離子被低價(jià)陽離子取代的現(xiàn)象。（這是粘土表面帶負(fù)電的主要原因）補(bǔ)償陽離子：粘土帶負(fù)電，為了平衡負(fù)電性，晶層間必然吸附部分陽離子作為補(bǔ)償陽離子。交換陽離子：在有水存在的時(shí)候，補(bǔ)償陽離子的部分或者全部被溶液中的其它陽離子交換，這部分補(bǔ)償陽離子成為交換陽離子。第154頁/共230頁粘土膠體化學(xué)粘土的界面吸附作用(adsorption)可交換陽離子：粘土表面帶負(fù)電，為了保持電中性，必然從分散介質(zhì)中吸附等量的陽離子。這些吸附的陽離子可以被分散介質(zhì)中的其它陽離子所交換，稱為粘土的可交換陽離子。陽離子交換容量(cationsexchangecapacity)在PH值為7的條件下，粘土所能交換的可交換陽離子總量。（CEC：在PH=7時(shí)，每100g粘土能交換下來的陽離子的毫克當(dāng)量數(shù)（按1價(jià)陽離子定義）通過測(cè)定粘土的陽離子交換容量，可以了解粘土表面所帶的負(fù)電荷，粘土的陽離子交換容量及吸附的陽離子的種類對(duì)粘土的膠體活性影響較大。

CEC越大，說明粘土有較多的晶格取代現(xiàn)象，負(fù)電荷豐富，有大量的可交換陽離子，有很強(qiáng)的表面水化、滲透水化作用。第155頁/共230頁高嶺石結(jié)構(gòu)(1:1)

粘土礦物的晶格構(gòu)造和特點(diǎn)鋁氧八面體片硅氧四面體片共用氧原子連接第156頁/共230頁粘土礦物的晶格構(gòu)造和特點(diǎn)高嶺土的結(jié)構(gòu)及性能特點(diǎn)晶體構(gòu)造由一個(gè)硅氧四面體片和一個(gè)鋁氧八面體片組成，硅氧四面體片和鋁氧八面體片由共用的氧原子聯(lián)結(jié)在一起。高嶺石的單位晶層中，一面為OH層，另一面為氧層，片與片之間容易形成氫鍵，因而晶胞之間連接緊密，晶格底面間距僅為7.2Ａ（1A=10-1nm=10-10m），故高嶺石的分散度較低比較穩(wěn)定，晶格中的離子取代現(xiàn)象幾乎不存在；水分不易進(jìn)入晶層中間，為非膨脹類型的粘土礦物，水化性能差，造漿性能不好，不是配制泥漿的好材料。第157頁/共230頁蒙脫石晶格結(jié)構(gòu)（2:1）

粘土礦物的晶格構(gòu)造和特點(diǎn)硅氧四面體片鋁氧八面體片硅氧四面體片第158頁/共230頁粘土礦物的晶格構(gòu)造和特點(diǎn)蒙脫石的結(jié)構(gòu)及性能特點(diǎn)蒙脫石的每一構(gòu)造單位由兩層硅氧四面體片和夾在它們中間的一層鋁氧八面體片組成。四面體片中的部分Si+4可被Al+3取代，八面體片中的Al+3可被Fe+2、

Mg+2

、Zn+2等陽離子取代。取代后，晶體帶負(fù)電，能吸附較多的陽離子，有較強(qiáng)的離子交換能力。晶層間靠微弱的分子間力連接，連接不緊密，水分子容易進(jìn)入兩個(gè)晶層之間發(fā)生膨脹（全脫水時(shí)晶格間距為9.6A，吸水后可達(dá)21.4A），水化分散性能較好（造漿能力強(qiáng)），是配制泥漿的優(yōu)質(zhì)材料。第159頁/共230頁粘土礦物的晶格構(gòu)造和特點(diǎn)伊利石伊利石的晶體構(gòu)造和蒙脫石相類似，不同之點(diǎn)在于伊利石中硅氧四面體中有較多的硅被鋁取代，因取代所缺的正電荷由處在相鄰兩個(gè)硅氧層之間的K+補(bǔ)償，因K+存在于晶層之間并進(jìn)入相鄰氧原子網(wǎng)格形成的孔穴中，使各晶胞間拉得較緊，水分不易進(jìn)入層間，因此它是不易膨脹的粘土礦物。第160頁/共230頁粘土膠體化學(xué)粘土的水化作用(hydrationofclay)粘土礦物的水分結(jié)晶水：粘土礦物晶體構(gòu)造的一部分。吸附水：具有極性的水分子可以吸附在粘土表面，在粘土顆粒周圍形成水化膜，并隨粘土顆粒一起運(yùn)動(dòng)，成為束縛水。自由水：存在于粘土顆粒的空穴或孔道中，不受粘土的束縛，可以自由運(yùn)動(dòng)。粘土的水化作用粘土表面吸附水分子，使粘土表面形成水化膜，粘土晶格層面間的距離擴(kuò)大，產(chǎn)生膨脹以至分散的作用。它是影響水基泥漿性能和井壁穩(wěn)定的重要因素。第161頁/共230頁粘土膠體化學(xué)水化機(jī)理粘土表面直接吸引水分子而水化降低體系表面能粘土表面帶負(fù)電，水分子極化、定向、濃集晶格里的氧和氫氧層，均可以與水分子形成氫鍵而吸引水分子。粘土表面間接吸引水分子而水化粘土表面的吸附溶劑化層里，緊密地連接若干陽離子，這些陽離子的水化給粘土顆粒帶來水化膜。第162頁/共230頁粘土膠體化學(xué)---水化示意圖第163頁/共230頁粘土膠體化學(xué)---水化示意圖第164頁/共230頁粘土膠體化學(xué)影響水化作用的因素粘土晶體部位不同，水化強(qiáng)度也不同層面上水化膜厚，端面上薄。粘土礦物不同，水化作用的強(qiáng)弱不同蒙脫石、伊利石、高嶺石泥漿中可溶性鹽類及泥漿處理劑的影響可溶性鹽類，減低電位有機(jī)處理劑的親水基團(tuán)，被粘土吸附后形成較大的水化膜。不同的交換性陽離子對(duì)粘土水化的影響

Ca2+max17A,Na+max40A第165頁/共230頁粘土膠體化學(xué)粘土-水界面的擴(kuò)散雙電層理論(theelectric-doublelayeratclay-waterinterface)擴(kuò)散雙電層的形成與結(jié)構(gòu)膠體顆粒帶電，在其周圍分布著電荷數(shù)相等的反離子，在固——液界面形成雙電層。雙電層中的反離子，一方面受到固面電荷的吸引，不能遠(yuǎn)離固面，另一方面，由于反離子的熱運(yùn)動(dòng)，又有擴(kuò)散到液相內(nèi)部去的能力。這兩種相反作用的結(jié)果，使得反離子擴(kuò)散地分布在界面周圍，構(gòu)成擴(kuò)散雙電層。粘土溶膠的雙電層層面和端面稍有不同:表明帶負(fù)電，端面帶正電第166頁/共230頁粘土雙電層理論（表面帶負(fù)電）第167頁/共230頁滑動(dòng)面從固體表面到過剩正電荷為0處的這一層為擴(kuò)散雙電層均勻液相擴(kuò)散層第168頁/共230頁粘土雙電層理論（端面帶正電）粘土礦物晶體端面上裸露的原子結(jié)構(gòu)和表面上不同。在端面上，粘土晶格中鋁氧八面體與硅氧四面體原來的鍵被斷開，當(dāng)介質(zhì)中的PH低于9時(shí)，八面體端面上的OH－解離，露出帶正電的Al+3的，形成正溶膠性質(zhì)的雙電層粘土硅氧四面體的端面，同上由于H+的解離而負(fù)電，但粘土懸浮體中常常有少量的Al+3存在，被吸附在硅氧四面體破鍵處，從而使之帶正電。第169頁/共230頁粘土-水界面的擴(kuò)散雙電層理論電解質(zhì)對(duì)雙電層厚度和電動(dòng)電位的影響膠體體系的穩(wěn)定性與雙電層的厚度、電動(dòng)電位(電位)大小有密切關(guān)系：雙電層愈厚，電位愈大，膠體愈穩(wěn)定。在溶液中加入電解質(zhì)后，反離子（正電荷）濃度隨著增大，反離子進(jìn)入吸附溶劑化層的機(jī)會(huì)增加，膠粒電荷減少，同時(shí)擴(kuò)散雙電層變薄，

電位降低，當(dāng)所加電解質(zhì)把雙電層壓縮到吸附溶劑化層厚度時(shí)，膠粒不帶電，

電位降到0（等電態(tài)），此時(shí)膠粒容易聚結(jié)。第170頁/共230頁粘土膠體化學(xué)粘土－水膠質(zhì)懸浮體系的穩(wěn)定性沉降穩(wěn)定性和聚結(jié)穩(wěn)定性(settleandaggregativestability)沉降穩(wěn)定性：在重力作用下分散相顆粒是否容易下沉的性質(zhì)。聚結(jié)穩(wěn)定性：分散相顆粒是否容易自動(dòng)聚結(jié)變大的性質(zhì)。影響沉降穩(wěn)定性的因素分散相粒子的大小、分散相與分散介質(zhì)的密度差、分散介質(zhì)的粘度影響聚結(jié)穩(wěn)定性的因素吸力和排斥力第171頁/共230頁粘土膠體化學(xué)聚結(jié)作用和凝膠聚結(jié)（Aggregation）形式面－面：顆粒變大，分散度降低，不利于片架結(jié)構(gòu)的形成，粘度下降。端－端／端－面：形成片架結(jié)構(gòu)，片架結(jié)構(gòu)增強(qiáng)，引起粘度切力增加。凝膠（gel）聚結(jié)嚴(yán)重時(shí)，體系失去了流動(dòng)性，變成豆腐塊狀的凝膠。形成膠凝的強(qiáng)度，主要取決于單位體積中片架結(jié)構(gòu)的數(shù)目和每個(gè)片架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。第172頁/共230頁粘土膠體化學(xué)第173頁/共230頁鉆井液的流變性鉆井液流變性(rheologicalpropertiesofDF)在外力作用下，鉆井液流動(dòng)和變形的特性。如鉆井液的塑性粘度、動(dòng)切力、表觀粘度、有效粘度、靜切力和觸變性等性能都屬流變性參數(shù)。