東北石油大學(xué)鉆井工程設(shè)計(jì)

1、第一章 鉆井工程設(shè)計(jì)鉆井是石油、天然氣勘探與開(kāi)發(fā)的主要手段。鉆井工程質(zhì)量的優(yōu)劣和鉆井速度的快慢，直接關(guān)系到鉆井成本的高低、油田勘探開(kāi)發(fā)的綜合經(jīng)濟(jì)效益及石油發(fā)展速度。鉆井設(shè)計(jì)是鉆井施工作業(yè)必須遵循的原則，是組織鉆井生產(chǎn)和技術(shù)協(xié)作的基礎(chǔ)，是搞好單井預(yù)算和決算的唯一依據(jù)。鉆井設(shè)計(jì)的科學(xué)性、先進(jìn)性關(guān)系到一口井作業(yè)的成敗和效益?？茖W(xué)鉆井水平的提高，搞好鉆井設(shè)計(jì)也是提高技術(shù)管理和加強(qiáng)企業(yè)管理水平的一項(xiàng)重要措施，是鉆井生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)科學(xué)化管理的前提。本章介紹了鉆井設(shè)計(jì)的原則，內(nèi)容及設(shè)計(jì)方法和步驟。第一節(jié) 鉆井設(shè)計(jì)的內(nèi)容與原則鉆井是石油、天然氣勘探與開(kāi)發(fā)的主要手段。鉆井工程質(zhì)量的優(yōu)劣和鉆井速度的快慢，直接關(guān)系到鉆井

2、成本的高低、油氣田勘探開(kāi)發(fā)的綜合經(jīng)濟(jì)效益和石油工業(yè)的發(fā)展速度。鉆井設(shè)計(jì)是鉆井施工作業(yè)必須遵循的原則，是組織鉆井生產(chǎn)和技術(shù)協(xié)作的基礎(chǔ)，是搞好單井預(yù)算和決算的唯一依據(jù)。鉆井設(shè)計(jì)的科學(xué)性、先進(jìn)性關(guān)系到一口井作業(yè)的成敗和效益?？茖W(xué)鉆井水平的提高，很大程度上依靠鉆井設(shè)計(jì)水平的提高。搞好鉆井設(shè)計(jì)也是提高技術(shù)管理和加強(qiáng)企業(yè)管理水平的一項(xiàng)重要措施，是鉆井生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)科學(xué)管理的前提。下面依據(jù)SY/T 5331996鉆井工程設(shè)計(jì)格式及石油工程專業(yè)學(xué)生進(jìn)行鉆井設(shè)計(jì)的具體情況，對(duì)鉆井設(shè)計(jì)的內(nèi)容、原則、方法及需收集的原始數(shù)據(jù)作一介紹。一、鉆井設(shè)計(jì)的內(nèi)容現(xiàn)場(chǎng)鉆井設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括地質(zhì)設(shè)計(jì)和鉆井工程設(shè)計(jì)兩大部分,其中地質(zhì)設(shè)計(jì)的基本

3、內(nèi)容包括：（1）區(qū)域地質(zhì)概況；（2）地理及環(huán)境資料；（3）設(shè)計(jì)依據(jù)與鉆井目的；（4）設(shè)計(jì)地層、油氣水及巖性礦物、物性；（5）取資料要求；（6）地層孔隙壓力、破裂壓力預(yù)測(cè)；（7）技術(shù)說(shuō)明及要求；（8）地質(zhì)附圖。鉆井工程設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容包括：（1）確定合理的井身結(jié)構(gòu)；（2）選擇鉆機(jī)類型；（3）鉆柱組合和強(qiáng)度設(shè)計(jì)；（4）鉆井參數(shù)設(shè)計(jì)；機(jī)械破巖參數(shù)：包括鉆頭類型、尺寸、數(shù)量、鉆壓、轉(zhuǎn)數(shù)、洗井液排量等。鉆井液性能；水力參數(shù)設(shè)計(jì)；（5）固井工程：固井要求；套管柱強(qiáng)度設(shè)計(jì)；水泥漿性能參數(shù)設(shè)計(jì)；流變學(xué)注水泥漿設(shè)計(jì)；（6）油氣井壓力檢測(cè)；（7）環(huán)境保護(hù)要求（8）成本及材料預(yù)算；（9）技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)及時(shí)效分析。二、鉆

4、井設(shè)計(jì)的基本原則鉆井設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下基本原則：（1）鉆井設(shè)計(jì)的兩部分應(yīng)按SY/T 533的規(guī)定進(jìn)行。（2）地質(zhì)設(shè)計(jì)應(yīng)明確提出設(shè)計(jì)依據(jù)、鉆探目的、設(shè)計(jì)井深、目的層、完井層位及原則，完井方法、取資料要求、井身質(zhì)量、油層套管尺寸及強(qiáng)度要求、阻流環(huán)位置及固井水泥上返高度等要求。水平位移要求嚴(yán)的直井，要考慮鉆井的難度和鉆井綜合成本。（3）地質(zhì)設(shè)計(jì)應(yīng)為鉆井工程設(shè)計(jì)提供全井地層孔隙壓力梯度曲線、破裂壓力梯度曲線、鄰區(qū)鄰井資料、試油壓力資料、設(shè)計(jì)地層、油氣水及巖性礦物、物性、設(shè)計(jì)地質(zhì)剖面、地層傾角及故障提示等資料。新區(qū)探井應(yīng)按科學(xué)打探井技術(shù)規(guī)定，提供五種必需的地質(zhì)圖件（設(shè)計(jì)井所在區(qū)域的構(gòu)造及地理位置圖、主要目的

5、層的局部構(gòu)造井位圖、過(guò)井“十字”地震時(shí)間剖面圖、過(guò)井地質(zhì)解釋橫剖面圖、設(shè)計(jì)柱狀剖面圖），開(kāi)發(fā)井應(yīng)提供區(qū)塊壓力高線圖及500m井距以內(nèi)注水井位圖和注水壓力曲線圖。（4）調(diào)整井地質(zhì)設(shè)計(jì)依據(jù)是上級(jí)批準(zhǔn)的油田開(kāi)發(fā)實(shí)施方案，鉆井區(qū)塊的地質(zhì)構(gòu)造，區(qū)塊內(nèi)已完成井的各種地質(zhì)、鉆井資料，區(qū)塊井位設(shè)計(jì)等。甲方地質(zhì)部門應(yīng)為鉆井工程區(qū)塊設(shè)計(jì)提供調(diào)整井區(qū)塊地質(zhì)設(shè)計(jì)，為單井設(shè)計(jì)提供地層分層內(nèi)容，地質(zhì)要求，設(shè)計(jì)井與鄰近油、水井地下壓力動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)資料，設(shè)計(jì)井位示意圖，地下復(fù)雜情況，故障提示等。調(diào)整井地質(zhì)設(shè)計(jì)分層誤差應(yīng)控制在10m以內(nèi)。（5）調(diào)整井應(yīng)采用集中打井，分片停注溢流的原則，調(diào)整井開(kāi)鉆前，區(qū)塊內(nèi)的注水井應(yīng)根據(jù)井口壓力，提

6、前若干天（一般為1030天）采取注水井停注和放溢流、油井轉(zhuǎn)抽降壓等具體措施，以降低區(qū)塊內(nèi)地層壓力，為鉆井安全施工，確保固井質(zhì)量、保護(hù)油氣層產(chǎn)能，提高綜合經(jīng)濟(jì)效益創(chuàng)造條件。（6）鉆井工程設(shè)計(jì)必須以地質(zhì)為依據(jù)，并且要有利于取全取準(zhǔn)各項(xiàng)地質(zhì)、工程資料；要有利于開(kāi)發(fā)油氣層，保護(hù)油氣層，充分發(fā)揮每個(gè)產(chǎn)層的生產(chǎn)能力；要保證油氣井井眼軌跡符合勘探開(kāi)發(fā)的要求；油水井的完井質(zhì)量滿足油田各種作業(yè)的要求，保證油氣井長(zhǎng)期開(kāi)采的需要；要充分體現(xiàn)采用本地區(qū)和國(guó)內(nèi)外鉆井先進(jìn)技術(shù)，保證安全、優(yōu)質(zhì)、快速鉆井，實(shí)現(xiàn)最佳的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。（7）鉆井工程設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)地質(zhì)設(shè)計(jì)的鉆探深度和工程施工的最大負(fù)荷，合理地選擇鉆機(jī)裝備，選用的鉆機(jī)負(fù)

7、荷不得超過(guò)鉆機(jī)最大額定負(fù)荷能力的80%。（8）鉆井工程設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)地質(zhì)設(shè)計(jì)提供的地層孔隙壓力梯度曲線及地層破裂壓力梯度曲線或鄰井試油壓力資料、設(shè)計(jì)鉆井液密度、水泥漿密度和套管程序。對(duì)設(shè)計(jì)鉆探多套壓力層系的探井，應(yīng)采用多層套管程序，以利保護(hù)油氣層、鉆桿中途測(cè)試和安全鉆井。（9）調(diào)整井鉆井液密度應(yīng)根據(jù)鉆井區(qū)塊所在采油廠（站）提供的地層壓力進(jìn)行設(shè)計(jì)。目的層地層壓力高于地層原始?jí)毫r(shí)，鉆井液密度設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下四條原則：根據(jù)采油廠提供的注水地層壓力，設(shè)計(jì)注水井附近或注水井之間新鉆井的鉆井液密度；根據(jù)采油廠提供的采油井的井下靜壓，設(shè)計(jì)采油井附近或采油井之間新鉆調(diào)整井的鉆井液密度；根據(jù)采油廠提供的采油井和注水

8、井的靜壓，設(shè)計(jì)采油和注水井之間新鉆調(diào)整井的鉆井液密度；根據(jù)采油廠提供的套管斷裂注水井的靜壓，設(shè)計(jì)套管斷裂地區(qū)新鉆調(diào)整井的鉆井液密度。當(dāng)目的層地層壓力低于原始地層壓力時(shí)，應(yīng)以裸眼井段最高地層壓力梯度設(shè)計(jì)鉆井液的密度。調(diào)整井鉆井液的密度附加值，可根據(jù)各油田所鉆區(qū)塊統(tǒng)計(jì)資料實(shí)際值附加或經(jīng)驗(yàn)公式附加。（10）調(diào)整井鉆井設(shè)計(jì)應(yīng)考慮新鉆井的套管防斷、防擠毀問(wèn)題。（11）探井應(yīng)開(kāi)展隨鉆壓力監(jiān)測(cè)。如dc指數(shù)壓力監(jiān)測(cè)等方法。若隨鉆壓力監(jiān)測(cè)值與地質(zhì)設(shè)計(jì)提供的地層孔隙壓力梯度不符，應(yīng)以隨鉆壓力監(jiān)測(cè)值及時(shí)調(diào)整鉆井液密度。但應(yīng)報(bào)地質(zhì)設(shè)計(jì)審批部門備案。（12）在探井鉆井設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)工程需要，設(shè)計(jì)一定數(shù)量的工程取心。（1

9、3）鉆井要按設(shè)計(jì)的施工進(jìn)度計(jì)劃施工。對(duì)地貌條件困難或鉆前工程耗資較大的地區(qū)，應(yīng)盡量采用定向井、叢式井技術(shù)設(shè)計(jì)。對(duì)井斜嚴(yán)重的地區(qū)用一般的方法控制井斜困難時(shí)，應(yīng)利用地層自然造斜規(guī)律，移動(dòng)地面井位，采用“中靶上環(huán)”的方法，使井底位置達(dá)到地質(zhì)設(shè)計(jì)要求。（14）費(fèi)用預(yù)算和施工進(jìn)度計(jì)劃應(yīng)建立在本地區(qū)切實(shí)可靠的定額基礎(chǔ)上。每隔二至三年要對(duì)定額指標(biāo)進(jìn)行修訂與核算。三、鉆井工程設(shè)計(jì)的基本方法鉆井工程設(shè)計(jì)必須以地質(zhì)設(shè)計(jì)為依據(jù)，在此基礎(chǔ)上，按鉆井工程總體設(shè)計(jì)程序框圖來(lái)進(jìn)行，見(jiàn)圖3-1-1-1。圖3-1-1-1 鉆井工程總體設(shè)計(jì)程序框圖四、鉆井工程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)資料鉆井工程設(shè)計(jì)和鉆井施工中最重要的方面就是確定該井將遇到的

10、問(wèn)題和預(yù)期的特征。如果這些情況事先不知道，那么就不可能恰當(dāng)?shù)刈鞒鲆豢诰脑O(shè)計(jì)。所以鉆井工程設(shè)計(jì)必須在開(kāi)始前就搜集各種不同的資料，從而獲得詳細(xì)情況，以適應(yīng)設(shè)計(jì)的鉆井條件。在進(jìn)行鉆井工程設(shè)計(jì)以前，必須了解和收集相關(guān)基礎(chǔ)資料。1地質(zhì)資料地質(zhì)資料是鉆井工程設(shè)計(jì)的第一手資料，在收集地質(zhì)資料時(shí)主要收集設(shè)計(jì)井的地質(zhì)分層、地層巖性、可鉆性、研磨性、故障提示、地層傾角、地層壓力、破裂壓力等。2完井方法和井身結(jié)構(gòu)在完井方法和井身結(jié)構(gòu)確定過(guò)程中，要了解設(shè)計(jì)井油田的各種完井方法和井身結(jié)構(gòu)、施工和生產(chǎn)中的情況、各種完井方法和井身結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)。3鉆頭資料收集35口設(shè)計(jì)區(qū)塊的全井實(shí)際鉆頭使用資料，包括每只鉆頭的類型，所鉆地

11、層井深、層、段、主要巖性，鉆頭進(jìn)尺、鉆頭工作時(shí)間，主要技術(shù)參數(shù)（鉆壓、轉(zhuǎn)速、排量、鉆井液密度），鉆頭磨損特點(diǎn)，鉆頭成本。4鉆井液資料收集12口井的鉆井液的資料，總結(jié)對(duì)分層鉆井液性能的要求，使用過(guò)程中遇到的問(wèn)題，如何處理維護(hù)鉆井液性能，全井鉆井液材料及處理劑消耗情況，鉆井液成本，鉆井液凈化系統(tǒng)情況、數(shù)量、規(guī)格、使用效果和存在問(wèn)題。5技術(shù)參數(shù)收集35口井的鉆井技術(shù)參數(shù)資料（鉆壓、轉(zhuǎn)速、排量、鉆井液密度、泵壓、鉆頭尺寸），同時(shí)，收集噴射鉆井資料，鉆具及井眼尺寸，鉆頭水眼尺寸，泵排量和泵壓，噴射鉆井的效果。6鉆具結(jié)構(gòu)資料收集設(shè)計(jì)井油田的鉆頭尺寸與鉆具尺寸的配合，常用鉆具尺寸、類型、鋼級(jí)、壁厚、國(guó)別、合

12、理使用鉆具的措施，易斜井段所用的鉆具結(jié)構(gòu)的防斜效果，穩(wěn)定器的使用情況。7壓力控制資料包括設(shè)計(jì)區(qū)塊各地層的地層壓力值，所采用的附加壓力數(shù)值，井口裝置及防噴設(shè)備、規(guī)格、類型，除氣設(shè)備，除氣措施。8套管柱設(shè)計(jì)及注水泥收集設(shè)計(jì)井油田所用的各種載荷的安全系數(shù)、設(shè)計(jì)方法，實(shí)際套管柱的區(qū)域、套管柱下部結(jié)構(gòu)，所用注水泥措施（替鉆井液速度，隔離液、水泥漿密度，速凝劑，緩凝劑，放壓與環(huán)空蹩壓候凝，注水泥計(jì)算，水泥量附加數(shù)，井徑擴(kuò)大情況，注水泥泵壓的計(jì)算方法，提高固井質(zhì)量的措施與方法。）第二節(jié) 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)井身結(jié)構(gòu)包括套管層次和下入深度以及井眼尺寸（鉆頭尺寸）與套管尺寸的配合。井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是鉆井工程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。一、

13、 套管柱類型（1） 表層套管；（2） 中間套管（技術(shù)套管）（3） 生產(chǎn)套管（油層套管）（4） 尾管。二、井眼中壓力體系 在裸眼井段中存在著地層孔隙壓力、泥漿液柱壓力、地層破裂壓力。三個(gè)壓力體系必須同時(shí)滿足于以下情況：（11）式中地層的破裂壓力，MPa；鉆井液的液柱壓力，MPa；地層孔隙壓力，MPa。即泥漿液柱壓力應(yīng)稍大于孔隙壓力以防止井涌，但必須小于破裂壓力以防止壓裂地層發(fā)生井漏。由于在非密閉的洗井液壓力體系中（即不關(guān)封井器憋回壓時(shí)），壓力隨井深是呈線性變化的，所以使用壓力梯度概念是較方便的。式（11）可寫成：（12）式中破裂壓力梯度，MPa/m；液柱壓力梯度，MPa/m；孔隙壓力梯度，MPa

14、/m。一、 井身結(jié)設(shè)計(jì)所需基礎(chǔ)資料（一） 地質(zhì)資料（1） 巖性剖面及事故提示（2） 地層壓力數(shù)據(jù)（3） 地層破裂壓力數(shù)據(jù)（二） 工程資料（1） 抽吸壓力與激動(dòng)壓允許值（）。各油田應(yīng)根據(jù)各自的情況來(lái)確定。（2） 地層壓裂安全增值（）。該值是為了避免將上層套管鞋處地層壓裂的安全增值，它與預(yù)測(cè)破裂壓力值的精度有關(guān)，可以根據(jù)該地區(qū)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)確定。以等效密度表示g/cm。美國(guó)現(xiàn)場(chǎng)將取值為0.024，中原油田取值為0.03。（3） 井涌條件允許值（）。此值是衡量井涌的大小，用泥漿等效密度差表示（用于壓井計(jì)算，另一種計(jì)量方法是以進(jìn)入井眼的流體的總體積來(lái)表示，多用于報(bào)警）。美國(guó)現(xiàn)場(chǎng)取值為0.06。該值可由各

15、油田根據(jù)出現(xiàn)井涌的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析后得出。中源油田將值定為0.060.14。（4） 壓差允值（）。裸眼中，泥漿液柱壓力與地層孔隙壓力的差值過(guò)大，除使機(jī)械鉆速降低外，而且也是造成壓差鉆的直接原因，這會(huì)使下套管過(guò)程中，發(fā)生卡套管事故，使已鉆成的井眼無(wú)法進(jìn)行地固井和完井工作。壓差允值和工藝技術(shù)有很大關(guān)系。如使用優(yōu)質(zhì)的具有良好潤(rùn)滑性能的泥漿體系，則壓差允值可以提高，壓差允值也與裸眼井段的孔隙壓力大小有關(guān)。若在正常壓力井段，為鉆開(kāi)下部高壓層需要使用加重泥漿，則壓差卡鉆易發(fā)生在正常壓力井段的較深部位（即易發(fā)生在靠近壓力過(guò)渡帶的正?？紫秹毫Φ貙樱?。若在異常高壓井段，剛易卡部位發(fā)生在最小孔隙壓力點(diǎn)，故壓差允值有

16、正常壓力井段（）與異常壓力井段（）之分。一般值大于值。如美國(guó)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)取值為16.66MPa，對(duì)取值為21.66MPa。壓差允值的確定，各油田可以從卡鉆資料中（卡點(diǎn)深度、當(dāng)時(shí)泥漿密度、卡點(diǎn)地層孔隙壓力等）反算出當(dāng)時(shí)的壓差值。再由大量的壓差值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得出該地區(qū)適合的壓差允值。二、 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法和步驟（一） 鉆井液壓力體系1 最大泥漿密度某一套管的鉆井井段中所用的最大泥漿密度和該井段中的最大地層壓力有關(guān)。即：（13）式中某層套管鉆井井段中所用最大泥漿密度，kg/m；該井段中的最大地層孔隙壓力梯度等效密度，kg/m；抽吸壓力允許值的當(dāng)量密度，kg/m。2 最大井內(nèi)壓力梯度為了避免將井段內(nèi)的地層壓

17、裂，應(yīng)求得最大井內(nèi)壓力梯度。在正常作業(yè)時(shí)和井涌壓井時(shí)，井內(nèi)壓力梯度有所不同。最大井內(nèi)壓力梯度發(fā)生在下放鉆柱時(shí)，由于產(chǎn)生激動(dòng)壓力而使井內(nèi)壓力升高。如增高值為，剛最大井內(nèi)壓力梯度為： （14）3 發(fā)生井涌情況為了平衡地層孔隙壓力制止井涌而壓井時(shí)，也將產(chǎn)生最大井內(nèi)壓力梯度。壓井時(shí)井內(nèi)壓力增高值以等效密度表示為，剛最大井內(nèi)壓力梯度等效密度為： （15）但式（15）只適用于發(fā)生井涌時(shí)最大地層孔隙壓力所在井深的井底處。而對(duì)于深為處，則：（16）由上式可見(jiàn)，當(dāng)值小時(shí)值大，即壓力梯度大，反之當(dāng)值大時(shí)小。，為了確保上一層套管鞋處裸露地層不被壓裂，則應(yīng)有： （1-7）或 式中為上一層套管鞋處薄弱地層破裂壓力等效密

18、度值，kg/m；地層壓裂安全增值，kg/m。四、井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法與步驟（一） 套管層次與深度的確定套管層次和下入深度設(shè)計(jì)的實(shí)質(zhì)是確定兩相鄰套管下入深度之差。它取決于裸眼井段的長(zhǎng)度。在這一裸眼井段中，應(yīng)使鉆進(jìn)過(guò)程中及井涌壓井不會(huì)壓裂地層而發(fā)生井潛心漏，并在鉆進(jìn)和下套管時(shí)不發(fā)生壓差卡鉆事故。設(shè)計(jì)時(shí)由下而上逐層確定下入深度。油層套管的下入深度主要決定于完井方法和油氣層的位置。因此設(shè)計(jì)的步驟是由中間套管開(kāi)始。1 各層套管下入深度初選點(diǎn)的確定套管下入深度的依據(jù)是，其下部井段鉆進(jìn)過(guò)程中預(yù)計(jì)的最大井內(nèi)壓力梯度不致使套管鞋處裸露地層被壓裂。根據(jù)最大井內(nèi)壓力梯度可求得上部地層不致被壓裂所應(yīng)有的地層破裂壓力梯度。

19、正常作業(yè)下鉆時(shí)，由式（13），（14）（1-7）,有：（18）式中第n層套管以下井段下鉆時(shí)，在大井內(nèi)壓力梯度作用下，上部裸露地層不被壓裂所應(yīng)有的地層破裂壓力梯度，kg/m; 第n層管以下井段預(yù)計(jì)最大地層隙壓力等效密度，kg/m。發(fā)生井涌情況時(shí)，由式（13）（16），(1-7)，有：（19）式中第n層套管以下井段發(fā)生井涌時(shí)，在井內(nèi)最大壓力梯度作用下，上部地層不被壓裂所應(yīng)有的地層破裂壓力梯度，kg/m；第n層套管下入深度初選點(diǎn)，m。對(duì)比式（18）、（19），顯然，所以，一般用計(jì)算，在肯定不會(huì)發(fā)生井涌時(shí)，用計(jì)算。對(duì)中間套管，可用試算法試取值代入式中求，然后由設(shè)計(jì)井的地層破裂壓力梯度曲線上求得即為下入

20、初選點(diǎn)。否則另取一值計(jì)算，直到滿足要求為止。2校核各層套管下列初選點(diǎn)深度時(shí)是否會(huì)發(fā)生壓差卡鉆先求出該井段中最大泥漿密度與最小地層孔隙壓力之間的最大靜止壓差為：（110）式中第n層套管鉆進(jìn)井段內(nèi)實(shí)際的井內(nèi)最大靜止壓差，MPa；該井段內(nèi)最小地層孔隙壓力梯度等效密度，kg/m；該井段內(nèi)最小地層孔隙壓力梯度的最大深度，m。比較和（壓差允值，正常壓力地層用，異常壓力地層用）。當(dāng)，則不易發(fā)生壓差卡鉆， 即為該層套管下入深度。當(dāng)時(shí)，則可能發(fā)生壓差卡鉆，這時(shí)，該層套管下深應(yīng)淺于初選點(diǎn)、的計(jì)算如下：令，允許的最大地孔隙壓力為：（111）由地層孔隙壓力梯度曲面圖上查所在井深即該層套管下深度。2 尾管設(shè)計(jì)當(dāng)中間套管

21、下入深度淺于初選點(diǎn)（）時(shí)，則需要下尾管并要確定尾管下入深度。（1） 確定尾管下入深度初選點(diǎn)（）由中間套管鞋處的地層破裂壓力梯度可求得允許的最大地層孔隙壓力梯度，由式（19），有：（112）式中中間套管鞋處地層破裂壓力梯度，g/cm; 中間套管鞋處地層破裂壓力梯度時(shí)，其下井段所允許的最大地層孔隙壓力梯度，kg/m；中層套管下深，m； 尾管下入深度初選點(diǎn)，m。（2） 校核尾管下入到深度初選點(diǎn)時(shí)，是否會(huì)發(fā)生壓差卡鉆。校核方法同前所述。4.必封點(diǎn)的確定以上套管層次，下入深度的確定是以井內(nèi)壓力系統(tǒng)平衡為基礎(chǔ)，以壓力剖面為依據(jù)的。但某些影響鉆進(jìn)的復(fù)雜情況因素目前還不能反映到壓力剖面上。如吸水膨脹易塌泥頁(yè)巖

22、、含蒙脫石的泥頁(yè)巖、巖膏層、鹽巖層蠕變、膠結(jié)不良的砂巖等。某些復(fù)雜情況的產(chǎn)生又與時(shí)間因素有關(guān)，如鉆進(jìn)速度快，浸泡水時(shí)間短，復(fù)雜情況并不顯示出來(lái)，反之鉆速慢，上部某些地層裸露時(shí)間長(zhǎng)或在長(zhǎng)時(shí)間浸泡下，則發(fā)生坍塌、膨脹、縮徑等情況。這需要根據(jù)已鉆過(guò)井的經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定某些應(yīng)及時(shí)封隔的地層即必封點(diǎn)。某些地區(qū)沒(méi)有復(fù)雜情況則不必確定必封點(diǎn)。另外，為了求得控制復(fù)雜情況所需的坍塌壓力梯度值是非常必要的，這樣可以確定必封點(diǎn)上不必憑經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行。（二） 套管尺寸與井眼尺寸的選擇與配合1 設(shè)計(jì)中考慮的因素（1） 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(lái)確定。（2） 對(duì)于探井要考

23、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(lái)預(yù)靠難于準(zhǔn)確，是否要本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。（3） 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)情況帶來(lái)的問(wèn)題。并應(yīng)考慮管材、鉆頭等庫(kù)存規(guī)格的限制。2 套管和井眼尺寸的選擇和確定方法（1） 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。（2） 生產(chǎn)套管根據(jù)采油方面要求來(lái)定?？碧骄畡t按照勘探方面要求來(lái)定。（3） 套管與井眼之間有一定間隙，間隙過(guò)大則不經(jīng)濟(jì)，過(guò)小會(huì)導(dǎo)致下套管困難及注水泥后水泥

24、過(guò)早脫水形成水泥橋。間隙值一般最小在9.512.7mm范圍，最好為19mm。3 套管及井眼尺寸標(biāo)準(zhǔn)組合目前國(guó)內(nèi)外所生產(chǎn)的套管尺寸及鉆間尺寸已標(biāo)準(zhǔn)系列化。套管與其相應(yīng)井眼尺寸配合基本確定或在較小范圍內(nèi)變化。圖11給出了套管和井眼尺寸選擇表。使用該表時(shí)，先確定最后一層套管（或尾管）尺寸。表的流程表明要下該層套管可能需要的井眼尺寸。實(shí)踐表套管與井眼尺寸的常用配合，它有足夠的間隙以下入該套管及注水泥。虛線表示不常用的尺寸配合（間隙較?。?。如選用虛線所示的組合時(shí)，則須對(duì)套管接箍、泥漿密度、注水泥及井眼曲率大小等應(yīng)予注意。例1、某井設(shè)計(jì)井深為4878m，其以地層壓力梯度和地層破裂壓力梯度剖面圖如圖所示。該

25、井無(wú)地質(zhì)復(fù)雜層。設(shè)計(jì)系數(shù)取以下值：Sb=36kg/m3；Sg=36 kg/m3Sf=24 kg/m3Sk=60 kg/m3PN=16.66MPaPa=21.33MPa（1） 求中間套管下入深度假定點(diǎn)由圖查得鉆遇最大地層壓力梯度pmax=2070 kg/m3，位于4650m處。=試取H21=4100m，則f2k=2198 kg/m3由上圖查得4100m處地層破裂壓力梯度f(wàn)4100=2205 kg/m3，因?yàn)閒2k<f4100，確定中間套管下入深度初選點(diǎn)為H21=4100m。（2） 驗(yàn)證中間套管下入4100m深度是否有卡套管的危險(xiǎn)由圖查得4100m處p4100=1670 kg/m3，pmin

26、=1080 kg/m3，Hmm=3380m。P=9.81×Hmm(pmax+Sb-pmin)×10-6=9.81×3380×(1670+36-1080)×10-6=20.76MPa20.76MPa>16.66MPa，所以中間套管下入井深當(dāng)4100m處有卡套管的危險(xiǎn)，中間套管下入深度應(yīng)減小。求在允許壓差16.66Mpa的條件下，中間套管下入深度H2。pper= kg/m3相應(yīng)井深3900m。(3) 計(jì)算中間尾管最大下入深度H3。確定尾管下入深度初選點(diǎn)為H3，由剖面圖查得中間套管下入深度3900m處地層破裂壓力梯度f(wàn)3900=2160，則有：

27、=試取H31=4400，pper=2032 kg/m3，由剖面圖查得4400處地層壓力梯度p4400=1950 kg/m3，因?yàn)閜4400<pper，且相差不大，所以確定尾管下入深度初選點(diǎn)為4400m。（4）校核尾管下入到初選點(diǎn)4400過(guò)程是否有發(fā)生壓差卡套管。=15.84 kg/m3Pm<Pa，所以尾管下入深度為4400m，滿足設(shè)計(jì)要求。（5）確定表層套管下深=試取H11=1700m，1817 kg/m3。由剖面圖查井深1700m處f1700=1820 kg/m3。因f1k<f1700，且相近，所以滿足設(shè)計(jì)要求。套管層次表層套管中間套管鉆井尾管生產(chǎn)套管下入深度1700390

28、044004878第二節(jié) 鉆井液設(shè)計(jì)一、鉆井液體系的選擇與性能設(shè)計(jì)（一）、選擇鉆井液體系的原則1根據(jù)不同油氣層性質(zhì)選擇油氣層的特性不同，對(duì)鉆井液體系的要求也不同。鉆井液體系必須與其相適應(yīng)才能起到保護(hù)作用，并減輕損害，獲取應(yīng)得的產(chǎn)量。例如，水敏性很強(qiáng)的蒙脫土含量很高的油氣層，就該選用對(duì)膨潤(rùn)土具有很強(qiáng)抑制能力的鉆井液類型。2根據(jù)不同類型井，主要指的是那些對(duì)鉆井液體系有特殊要求的井別，而不是完全按習(xí)慣分類的井別。（1）超深井。這里一般指深度在5000m以上的井、其特點(diǎn)是高溫、高壓，因而對(duì)鉆井液提出穩(wěn)定性好（即恒高溫一定時(shí)間后性能變化較?。?、高溫對(duì)性能影響較輕（即在高溫下的性能與常溫下對(duì)比不能差別過(guò)大

29、）及在高壓差下泥餅壓縮性好的要求。（2）定向斜井（含水平井）。該類井的主要特點(diǎn)是井眼傾斜，甚至與地面平行，在鉆進(jìn)過(guò)程中鉆具與井壁的接觸面積較大，摩阻高。故對(duì)鉆井液提出低泥餅?zāi)ψ柘禂?shù)的要求，而且必須嚴(yán)格控制濾失量及泥餅質(zhì)量。（3）調(diào)整井（含高壓力井）。該類型的主要特點(diǎn)是地層壓力異常高，由于密度要求特別高，故一般選用分散型鉆井液體系。（4）區(qū)域探井和預(yù)探井。該類井的主要要求是能夠隨時(shí)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)層，為此要求選用不影響地質(zhì)錄井（即鉆井液熒光低）及易發(fā)現(xiàn)油氣層位（即鉆井液密度低）的鉆井液體系。（5）開(kāi)發(fā)井。該類井的主要要求是在保護(hù)油層及提高鉆速上，故在油氣層上部采用聚合物不分散鉆井液，到油氣層即換用相適應(yīng)的

30、鉆井液。3根據(jù)不同的地層特點(diǎn)選擇實(shí)踐證明，不同地層對(duì)鉆井液常常提出不同的要求，必須針對(duì)其特點(diǎn)采用相應(yīng)的特殊措施，才能安全順利地鉆穿這些地層。4根據(jù)工程要求確定鉆井液性能鉆井工程對(duì)鉆井液性能要求體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是確保安全鉆進(jìn)，就是要求性能能夠適合井下的具體情況，能夠?qū)Ω毒鲁霈F(xiàn)的復(fù)雜情況。二是提高機(jī)械鉆速。提高機(jī)械鉆速的要求如下：（1）盡可能保持近平衡的壓差。所謂近平衡壓差，是指無(wú)論在鉆井中或起下鉆時(shí)，由鉆井液所產(chǎn)生的對(duì)地層的壓力要盡量接近地層的孔隙壓力。具體地說(shuō)就是，盡可能降低鉆井液密度的附加值，做到即安全又快速鉆井。為此提出下列幾點(diǎn)具體要求：預(yù)測(cè)準(zhǔn)所鉆地層的孔隙壓力及破壞壓力，精確地確定地

31、層壓力梯度值，為設(shè)計(jì)合理的套管程序提供可靠的必要條件，并算準(zhǔn)平衡地層孔隙壓力所需的靜液柱壓力。調(diào)整鉆井液的流變性能時(shí)，在保持洗井液效能的前提下，盡可能采用較低的粘度和切力，以便在正常起鉆速度下盡可能降低因抽吸而引起的壓力降。絕對(duì)避免鉆頭泥包，尤其是在強(qiáng)造漿地層鉆井時(shí)，要求鉆井液具有較強(qiáng)的抑制性，故在鉆井液中應(yīng)加防包劑（或稱洗滌劑）。盡可能降低鉆井液流動(dòng)阻力及保持適當(dāng)?shù)谋昧浚笤阢@井液中加入有效的潤(rùn)滑劑（或稱減阻劑），以便降低由此所引起的對(duì)地層的附加壓力。（2）具有良好的剪切稀釋特性。剪切稀釋特性是指鉆井液的表觀粘度隨剪切速率而變化的性質(zhì)。現(xiàn)代鉆井技術(shù)要求鉆井液通過(guò)鉆頭噴嘴時(shí)的粘度（即在環(huán)空低

32、剪切速率下）的粘度變大，以便徹底清凈井底，而且這種變化要快，即瞬時(shí)改變（鉆井液一出水眼馬上變稠）。高與低剪切速率下鉆井液粘度變化幅度的大小，表征著該鉆井液的剪切稀釋特性的強(qiáng)弱。若這種變化幅度過(guò)小，則存在兩種可能：一是水眼粘度過(guò)大；二是環(huán)空粘度過(guò)小。這都不利于提高鉆速。因?yàn)樗壅扯冗^(guò)大，噴嘴鉆屑含量過(guò)大，密度變高，壓差增大，影響鉆速的提高。若其變化幅度過(guò)大，也存在兩種情況：一是水眼粘度很??；二是環(huán)空粘度很大。前者是鉆井工程所需要的，而后者是不希望出現(xiàn)的。因?yàn)榄h(huán)空粘度過(guò)大，流動(dòng)阻力也大，對(duì)地層的回壓必然增高，流壓增大，鉆速下降。因此，對(duì)剪切稀釋特性強(qiáng)弱的要求應(yīng)該控制在低水眼粘度下，環(huán)空粘度達(dá)到滿足

33、清洗井底和攜帶鉆屑要求的范圍內(nèi)就可以了。過(guò)高或過(guò)低都對(duì)鉆速的提高不利。（3）較強(qiáng)的清井及攜屑能力。在鉆井中，井底干凈與否直接影響鉆頭的切削效率。若井底的巖屑不能及時(shí)被帶走，就會(huì)受到鉆頭的重復(fù)切削，鉆速及鉆頭壽命就會(huì)受到影響。若巖屑雖然被及時(shí)沖離井底，而鉆井液的攜帶能力差，巖屑上返速度慢，那么可以產(chǎn)生不利于鉆井的后果。環(huán)空巖屑濃度過(guò)大，易堵塞環(huán)空空間，當(dāng)量密度增加，流動(dòng)阻力增大，對(duì)井壁的壓力也增大，壓差增加，易發(fā)生井漏，而且大量巖屑易粘附井壁，造成縮徑，引起起下鉆阻卡，產(chǎn)生井下各種復(fù)雜情況，影響鉆井，甚至發(fā)生井事故。一般用下列指標(biāo)來(lái)檢查其清井及攜屑能力的好壞。動(dòng)切力（代號(hào)YP）：研究結(jié)果表明，動(dòng)

34、切力達(dá)到2.394Pa后鉆井液就有足夠的攜帶巖屑的能力，若再提高動(dòng)切力，那么，攜帶巖屑的能力增加幅度變緩，故動(dòng)力控制在4Pa左右是合適的。有效粘度（代號(hào)）：是指在環(huán)空剪切速度下的表觀粘度。目前通常檢測(cè)的是出口粘度，不能反映出攜砂巖屑的真正能力，因?yàn)槁┒氛扯龋ɑ虮碛^粘度）是隨著剪切速率的變化而增減的，出口時(shí)的剪切速率低于環(huán)空的剪切速率，其結(jié)果不能真實(shí)地反映出我們所要求的環(huán)空鉆井液的表觀粘度。為此，必須事先根據(jù)所使用的鉆井液類型，作剪切速率與粘度值的曲線圖，使用時(shí)查出環(huán)空剪切速率對(duì)應(yīng)的表觀粘度值來(lái)，對(duì)此值的要求應(yīng)根據(jù)當(dāng)時(shí)鉆井的具體情況加以確定。環(huán)空中鉆井液巖屑含量：指在環(huán)空中鉆井液所含巖屑的濃度，

35、以百分?jǐn)?shù)表示。在鉆井中，若鉆速很快而泵量不足，鉆井液攜砂能力欠佳，那就會(huì)使巖屑在環(huán)空中的上升速度降低，鉆井液中巖屑的含量大量增加，結(jié)果常造成一系列井下復(fù)雜情況的發(fā)生。例如，鉆頭和鉆具泥包、阻卡、堵塞井眼，甚至卡鉆等。國(guó)外經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的試驗(yàn)及實(shí)踐后得出結(jié)論，環(huán)空鉆井液巖屑含量在5%以內(nèi)是比較安全的。勝利油田的實(shí)踐證明，只需從鉆井液及工程上采取相應(yīng)措施，例如起鉆前先充分循環(huán)鉆井液，接單根時(shí)晚停泵，鉆進(jìn)一定進(jìn)尺后短起下鉆，盡可能提高泵排量，以及很好地調(diào)整鉆井液流變參數(shù)，把巖屑運(yùn)載比（即巖屑的上返速度與鉆井液在環(huán)空上返速度之比值）控制在0.5以上，就可以把巖屑在環(huán)空鉆井液中的含量放寬到9%，井下也是安全

36、的。在泵排量最大許可范圍內(nèi)，環(huán)空間隙一定的情況下，要達(dá)到上述巖屑濃度要求，主要應(yīng)從調(diào)整鉆井液性能方面入手。從鉆井液本身的性能看，巖屑上升速度與密度、粘切有關(guān)。鉆井液的密度越大，即同樣的巖屑在鉆井液中所受的浮力越大，下沉速度越慢。但不能從密度上去尋找解決方法，因?yàn)樗鼤?huì)影響到鉆速。故應(yīng)從粘切上去解決鉆井液攜砂能力問(wèn)題。要想調(diào)整鉆井液流變參數(shù)，就必須先確定鉆井液適應(yīng)哪種流變模式，而后才能以其反映攜砂能力的指標(biāo)加以要求。例如，用動(dòng)塑比值來(lái)要求屬于賓漢模式流體的鉆井液，而用N值來(lái)要求適應(yīng)冪律模式流體的鉆井液。這兩種類型鉆井液分別要求如下：賓漢模式的動(dòng)塑比值為0.48；冪律模式的N值為0.50.7。（二）

37、、鉆井液性能設(shè)計(jì)當(dāng)選定鉆井液體系后，還需要對(duì)鉆井液進(jìn)行分層設(shè)計(jì)。1鉆井液密度鉆井液密度設(shè)計(jì)主要根據(jù)地層孔隙壓力剖面，以保持平衡壓力鉆井的鉆井液密度為最小鉆井液密度。為了保證鉆井安全，通常在鉆井液密度設(shè)計(jì)中增加安全附加值C。國(guó)內(nèi)外油田在油層附加0.050.10g/cm3，氣層附加0.070.15g/cm3。則鉆井液密度設(shè)計(jì)可按下式計(jì)算m=p+c式中m鉆井液密度，g/cm3； p地層孔隙壓力當(dāng)量鉆井液密度，g/cm3； c安全附加密度值，g/cm3。若鉆井井段中有特殊要求（如鹽膏層或泥頁(yè)巖地層，為防止地層坍塌，縮徑），應(yīng)考慮特殊需要，增加或減小鉆井液密度。2鉆井液固相含量鉆井液的密度主要是由其所含

38、固相而造成的。固相含量與鉆井液密度可根據(jù)圖3-1-2-1選一個(gè)合適值。圖3-1-2-1 一般鉆井液密度與固相含量的關(guān)系3鉆井液流變性能鉆井液的流變性能與鉆井液密度、固相含量、鉆井液化學(xué)處理劑有關(guān)，一般以鉆井液密度為根據(jù)，選擇在不同密度下的最佳固相含量和流變性能的范圍。可用圖3-1-2-2選取鐵鉻鹽鉆井液的流變性能。圖3-1-2-2鐵鉻鹽鉆井液的流變性能的關(guān)系二、設(shè) 計(jì) 實(shí) 例 （一）、實(shí)例井的基本情況江漢油田沔陽(yáng)凹陷某井的地質(zhì)剖面見(jiàn)表3-1-2-1表3-1-2-1 地質(zhì)預(yù)告剖面層 位底深，m厚度，m巖性簡(jiǎn)述故障提示平原組120120中上部泥砂夾粘土，下部礫石層夾粘土松散 廣華寺組380260粘

39、土巖、疏松砂巖夾礫石層防塌、防漏荊河鎮(zhèn)組880500泥巖夾砂巖防塌潛江組1450570泥巖、含膏泥巖防垮新溝嘴組上1850400泥巖、泥膏巖不等互層防斜卡新溝嘴組下大膏層187020泥膏巖夾薄層泥巖防卡防斜油組190060泥巖、膏質(zhì)泥巖、砂巖1930油組2060130泥巖、膏質(zhì)泥巖夾砂巖泥隔組209030泥巖油組2210120泥巖、膏質(zhì)泥巖夾薄層砂巖沙市組2320110泥巖、膏質(zhì)泥巖夾薄層砂巖防卡根據(jù)地質(zhì)預(yù)告剖面和鄰井鉆井實(shí)踐，該井有大段的膏鹽層和純鹽層。在鉆進(jìn)過(guò)程中，上部泥巖大量造漿，致使鉆井液密度高，粘土含量高。當(dāng)鉆遇可溶性鹽層溶解，可能會(huì)使鉆井液性能惡化，流動(dòng)性變差，以及鹽層井徑變大，鉆

40、至深部引起鹽類重結(jié)晶，給鉆井液維護(hù)處理，處理井下事故，以及正常鉆井帶來(lái)許多困難。（二）、鉆井液體系的選擇江漢油田經(jīng)過(guò)多年實(shí)踐，形成了鉆膏鹽地層的鉆井液體系，即用PHP80A51HPAN鉀鹽或PHPNaK鉀鹽體系控制上部地層的造漿和垮塌，進(jìn)鹽層前5080m加鹽至預(yù)飽和，鉆井時(shí)補(bǔ)充加鹽，控制鹽層溶解，保持含鹽井段井壁穩(wěn)定，井徑規(guī)則；使用NTA抑制鉆井液中鹽類重結(jié)晶，解決重結(jié)晶的阻卡、卡鉆等問(wèn)題。（三）、鉆井液性能的確定1鉆井液密度根據(jù)鄰井的地層壓力剖面，全井地層壓力系統(tǒng)小于1.0g/cm3。由于在鉆井過(guò)程中要保證鉆井液性能滿足鉆井工藝要求，控制鉆井液密度低比較困難。根據(jù)鄰井鉆井液的使用情況，要求鉆

41、井液密度控制在1.2g/cm3左右。2鉆井液粘度本井上部平原組地層因流砂層及礫石層膠結(jié)疏松易漏、易垮，因此，粘度應(yīng)大些，其余地層粘度可以小些。但隨著井深的增大，易出現(xiàn)流砂和易垮、易漏地層，因此在粘度較小的基礎(chǔ)上逐漸增加粘度。3濾失量和泥餅厚度本井平原組上部和廣華寺組地層，均屬水敏性泥巖，易產(chǎn)生吸水澎脹。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，鉆井液性能濾失量應(yīng)控制在10ml以內(nèi)較合適。在廣華寺組地層以下的膏鹽層中鉆進(jìn)，為防止出現(xiàn)復(fù)雜情況，更應(yīng)控制濾失量。根據(jù)鄰井經(jīng)驗(yàn)應(yīng)控制在5ml以內(nèi)。根據(jù)濾失量的控制值，其泥餅厚度淺層在2mm以內(nèi)，深部地層在0.5mm以內(nèi)。4含砂和固相含量本井使用的是低固相鉆井液，要求固相含量小于8%

42、。根據(jù)鉆井液密度、固相含量，并考慮油田鉆井液使用的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)的其他性能參數(shù)見(jiàn)表3-1-2-2。表3-1-2-2 本井各井段鉆井液性能設(shè)計(jì)地層底 界m鉆井液性能流變及固相密度g/cm3粘度S失水ml泥餅厚度mm切 力PH值含砂%塑粘Pa·S動(dòng)切力Pa固相含量膨潤(rùn)土含量%初，Pa終，Pa平原1201.057603.06.0廣華寺3801.20>60<10<23.08.0<10潛 江荊 江新溝上新溝下沙市組88014501850221023201.201.25406050.500810<0.62025410<8%>2（四）、鉆井液維護(hù)開(kāi)始前，各

43、井段主要處理劑日平均用量按照表3-1-2-3配成膠液補(bǔ)充，下油套之前加0.8t石墨粉減阻，井隊(duì)?wèi)?yīng)保證二級(jí)凈化使用率達(dá)到要求，效果好，并按需要清罐，保證低固相含量。表3-1-2-3 各井段主要處理劑日均用量井段，m低粘CMS，kg高粘CMS，kgCMS，kgPHP，kg鉀鹽，kg01502501001602320100405600第三節(jié) 鉆柱與下部鉆具組合設(shè)計(jì)方鉆桿、鉆桿、鉆鋌及其他井下工具組成的管串稱為鉆柱。它是鉆井的重要工具與手段，在鉆井過(guò)程中，通過(guò)鉆柱把鉆頭和地面連接起來(lái)。隨著鉆井深度的增加和鉆井工藝的發(fā)展，對(duì)鉆柱性能的要求越來(lái)越高。由于鉆柱在井下工作的條件十分復(fù)雜與惡劣，它往往是鉆井工具

44、與裝備的薄弱環(huán)節(jié)。鉆具事故是最常見(jiàn)的鉆井事故，并常導(dǎo)致井下復(fù)雜情況的發(fā)生，甚至造成井的報(bào)廢。下部鉆具組合是鉆柱的重要部分，它與井斜問(wèn)題和鉆頭的工作狀況有著十分密切的關(guān)系，是影響井身質(zhì)量和鉆井速度的重要因素。所以，根據(jù)井下工作條件及工藝要求，合理地設(shè)計(jì)鉆柱與下部鉆具結(jié)合，對(duì)于預(yù)防鉆具事故，提高鉆頭工作指標(biāo)和有效地克服井斜問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)安全快速鉆井和完成各種井下作業(yè)具有十分重要的意義。一 、鉆柱與下部鉆具組合設(shè)計(jì)的內(nèi)容與所需資料（一）、鉆柱與下部鉆具組合設(shè)計(jì)的內(nèi)容SY/T 53331996鉆井工程設(shè)計(jì)格式規(guī)定，鉆柱與下部鉆具組合設(shè)計(jì)的內(nèi)容主要包括鉆柱組合設(shè)計(jì)與鉆柱強(qiáng)度校核兩部分。具體來(lái)說(shuō)，主要包括

45、以下內(nèi)容：1鉆柱的設(shè)計(jì)與計(jì)算（1）鉆鋌柱的設(shè)計(jì)與計(jì)算；（2）桿柱的設(shè)計(jì)與計(jì)算。2鉆柱的受力分析與強(qiáng)度校核（1）鉆井過(guò)程中各種應(yīng)力的計(jì)算；（2）危險(xiǎn)斷面的校核。3下部鉆具組合設(shè)計(jì)（1）鐘擺鉆具組合設(shè)計(jì)；（2）滿眼鉆具組合設(shè)計(jì)；（3）滿眼一鐘擺鉆具組合設(shè)計(jì)；（4）震擊器與減震器的安放設(shè)計(jì)。（二）、鉆柱與下部鉆具組合設(shè)計(jì)所需資料（1）組成鉆柱各工具的規(guī)范及特性參數(shù)（查閱相關(guān)手冊(cè)）；（2）井身結(jié)構(gòu)；（3）井眼的垂直剖面圖和水平投影圖；（4）設(shè)計(jì)地層分層及故障提示；（5）地層分層。二、鉆柱與下部鉆具組合設(shè)計(jì)的方法（一）、鉆柱的設(shè)計(jì)與計(jì)算鉆柱的主要組成有方鉆桿、鉆桿、鉆鋌及其他井下工具，這些工具的規(guī)范與特

46、性請(qǐng)查閱鉆井手冊(cè)（甲方）或海洋鉆井手冊(cè)相關(guān)部分。作用于鉆柱上的力有拉力、壓力、彎曲力矩、扭矩等，但其中經(jīng)常作用且數(shù)值較大的力是拉力，因此，鉆柱設(shè)計(jì)一般以拉伸計(jì)算為主。1鉆鋌柱的設(shè)計(jì)（1）鉆鋌尺寸的確定：鉆鋌尺寸決定著井眼的有效直徑。有效井眼直徑= （3-1）霍奇發(fā)展了這一結(jié)論，提出了允許最小鉆鋌外徑的計(jì)算式，即允許最小鉆鋌外徑=2倍套管接箍外徑 一 鉆頭直徑 （3-2）鉆鋌柱中最下一段鉆鋌（一般應(yīng)不少于一立柱）的外徑應(yīng)不小于這一允許最小外徑，才能保證套管的順利下入。采用光鉆鋌鉆井，這一結(jié)論是正確的。當(dāng)下部組合中采用穩(wěn)定器，可以采用稍小外徑的鉆鋌。鉆鋌中選用的最大外徑鉆鋌應(yīng)保證在打撈作業(yè)中能夠套

47、銑。表3-1-3-1是推薦的與各種鉆頭直徑對(duì)應(yīng)的鉆鋌尺寸的范圍。表3-1-3-1 推薦的鉆鋌尺寸范圍*鉆 頭 直 徑mm（in）鉆 鋌 直 徑mm（in）120.6（4 3/4）79.3（3 1/8）88.9（3 1/2）142.9（5 5/8）152.4（6）104.7（4 1/8）120.6（4 3/4）158.7（6 1/4）171.4（6 3/4）120.6（4 3/4）127.0（5）190.5（7 1/2）200.0（7 7/8）127.0（5）158.7（6 1/4）212.7（8 3/8）222.2（8 3/4）158.7（6 1/4）171.4（6 3/4）241.3（9 1

48、/2）250.8（9 7/8）177.8（7）203.2（8）269.9（10 5/8）177.8（7）203.2（8）311.1（12 1/4）288.6（9）254.0（10）374.6（14 3/4）228.6（9）254.0（10）444.5（17 1/2）228.6（9）279.4（11）508.0（20）660.4（26）254.0（10）279.4（11）*摘自SY/T 51721996直井下部鉆具組合設(shè)計(jì)方法。在大于190.5mm（7 1/2in）的井眼中，應(yīng)采用復(fù)合（塔式）鉆鋌結(jié)構(gòu)，但相鄰不同外徑兩段鉆鋌的外徑差不應(yīng)過(guò)大。合理控制鉆鋌柱中相鄰兩段不同規(guī)范（外徑、內(nèi)徑及材料等）

49、鉆鋌的抗彎剛度EIZ的比值，可以避免在連接處以及最上一段鉆鋌與鉆桿連接處產(chǎn)生過(guò)大的應(yīng)力集中與疲勞。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，這一比值應(yīng)小于2.5。一般情況下，相鄰兩段鉆鋌外徑差值以不超過(guò)25.4mm為宜。（2）鉆鋌長(zhǎng)度的確定：鉆鋌長(zhǎng)度取決于選定的鉆鋌尺寸與所需鉆鋌重量。按目前廣泛采用的浮力系數(shù)法，應(yīng)保證在最大鉆壓時(shí)鉆桿不承受壓縮載荷，所需鉆鋌重量由下式計(jì)算。所需鉆鋌重量= （3-3）式中安全系數(shù)的合理取值范圍是1.151.25。在斜井條件下，應(yīng)按下式計(jì)算所需鉆鋌的重量m：m= （3-4）式中m所需鉆鋌的重量，kN；Wn設(shè)計(jì)最大鉆壓，kN；Sf安全系數(shù)Kf鉆井液浮力系數(shù)；井斜角，度。根據(jù)鉆鋌的質(zhì)量并考慮鉆鋌尺寸

50、選擇的有關(guān)因素，即可確定各段鉆鋌的長(zhǎng)度和鉆鋌柱的總長(zhǎng)度。在鉆大斜度定向井時(shí)，應(yīng)減少鉆鋌數(shù)量，代之以加重鉆桿。上述確定鉆鋌質(zhì)量及長(zhǎng)度的方法來(lái)源于魯賓斯基關(guān)于“中和點(diǎn)”的論述，即中和點(diǎn)將鉆柱分為兩個(gè)部分，上段在鉆井液中的質(zhì)量等于大鉤載荷，下段鉆柱的質(zhì)量等于鉆壓，而設(shè)計(jì)鉆鋌長(zhǎng)度時(shí)應(yīng)保證中和點(diǎn)始終處于鉆鋌柱上。2鉆桿的設(shè)計(jì)不論起下鉆或正常鉆進(jìn)時(shí)，經(jīng)常作用于鉆桿且數(shù)值較大的力是拉力，所以鉆柱的設(shè)計(jì)主要考慮鉆柱自身質(zhì)量的拉伸載荷，并通過(guò)一定的設(shè)計(jì)系數(shù)來(lái)考慮起下鉆時(shí)的動(dòng)載及其他力的作用。在一些特殊作業(yè)時(shí)也需要對(duì)鉆桿的抗擠及抗內(nèi)壓強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。（1）鉆桿設(shè)計(jì)所必需的參數(shù)包括設(shè)計(jì)下入深度、井眼尺寸、鉆井液密度、抗拉安全系數(shù)、鉆鋌長(zhǎng)度、外徑及鉆桿規(guī)范等級(jí)等。（2）最大允許靜拉載荷Pa的確定：Pa的確定有三種方法，由已知條件具體來(lái)確定，選擇其中最小的作為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。Pa1=0.9Py/安全系數(shù)Pa2=0.9Py/設(shè)計(jì)系數(shù) （3-5）Pa3=0.9Py拉力余量Pa=min（Pa1，Pa2，Pa3）式中 Py最小屈服強(qiáng)度下的抗拉