钻井工程理论与技术
钻井工程理论与技术
(5)在有利的集油气构造或油气田范围内，为确定油气藏是否存在， 圈定油气藏的边界，并对油气藏进行工业评价，取得油气开发所
需的地质资料。（探 井） (6)为了编制油田开发方案或在开发过程中为某些专题研究取得资料
数据。（资料井）
3.《钻井工艺技术基础》石油大学出版社，王瑞和编著 4.《钻井工程》郝瑞主编（中等专业用书）。 5.《实用钻井工程》中国石油情报研究所，徐云英主编 6.《喷射钻井理论与计算》石油工业出版社，张绍槐编
著。 7.《最优化钻井理论基础与计算》石油工业出版社，郭
学增编著。
常用的石油论坛
绪论
➢石油钻井概述 ➢钻井技术在石油勘探
2、石油钻井平台介绍
钻井平台：石油钻井的地面配套设备，由多种机 器设备组成的一套大功率重型联合机组，可以满足完 成钻进、接单根、起下钻、循环洗井、下套管、固井、 完井及特殊作业和处理井下事故等要求。
3、石油钻井的种类
(1)把钻井按钻井的目的进行分类：
区域普查井：基准井、剖面井、参数井、构造井 探井：预探井、详探井、边探井 开发井：生产井(油井、气井)、注入井(注水井、 注气井)
与技术、定向钻井工艺与技术 油气井压力控制：地层压力的平衡与控制 固井与完井：井身结构、套管柱设计、油井水泥、
固、完井技术 其他钻井作业：事故处理、取心、套管开窗侧钻
主要参考书
1.《钻井工艺原理》(上、中、下)，石油工业出版社， 刘希圣主编。
2.《钻井事故与复杂问题》，石油工业出版社，蒋希文 编著
探井：为了确定油气藏是否存在及其埋藏位置（预探 井），对油气藏进行工业评价及取得油气开发 所需的地质资料（详探井），圈定油气藏边界 及其储量（边探井）。
钻井工程理论与技术第二章
钻头工作寿命（小时）
机械钻速（米/小时） 单位进尺成本（元/米）：
C pm
Cb C r (t t t ) H
二、牙轮钻头（Roller Bit）
单牙轮钻头
双牙轮钻头
三牙轮钻头
（一）牙轮钻头结构
牙轮钻头由钻头体、牙抓（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。
•滑动轴承结构： 滑动—滑动（卡簧）—滑动—止推
密封圈 滚柱 密封圈 滑动摩擦衬套 止推台阶 滑动摩擦副
3．储油润滑密封系统
储油润滑补偿系统 密封系统： 橡胶密封圈、金属密封圈 工作原理：
储油压力补偿系统（传压孔、 压力补偿膜、油杯等）保持轴 承腔内的油压与井内钻井液柱 压力相平衡。当轴承腔内油压 降低，储油杯中的润滑油在钻 井液柱压力作用下补充到轴承 腔内；当轴承腔内的油压升高， 则流入储油杯。其中，有效密 封是关键。
2. 轴承磨损
轴承磨损以钻头使用时间与轴承寿命（小时）之比分级。 轴承寿命用使用过的同类钻头的资料统计得到。
轴承磨损代号 B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 磨损情况 轴承寿命已用掉1/8 轴承寿命已用掉2/8（轻度磨损） 轴承寿命已用掉3/8 轴承寿命已用掉4/8（中等磨损） 轴承寿命已用掉5/8 轴承寿命已用掉6/8（轴承晃动） 轴承寿命已用掉7/8 轴承寿命已用完（轴承卡死或担子掉落）
•滑动：牙轮齿相对于井底的滑移，包括径向（轴向）和切向(周向)滑动。
引起滑动的原因： ① 超顶和复锥引起切向（周向）滑动 ② 移轴引起径向（轴向）滑动
纵向振动
单、双齿交替接触井底 引起纵向振动
（二）牙轮钻头工作原理
1．牙轮钻头在井底的运动
钻井工程理论与技术课后题简答题答案
钻井⼯程理论与技术课后题简答题答案第⼀章钻井的⼯程地质条件1.简述地下各种压⼒的基本概念及上覆岩层压⼒、地层孔隙压⼒和基岩应⼒三者之间的关系。
答：静液压⼒：是由液柱⾃⾝的重⼒所引起的压⼒，它的⼤⼩与液体的密度、液柱的垂直⾼度或深度有关。
地应⼒：钻井⼯程施⼯之前存在于地下某点的应⼒状态为原地应⼒状态。
地层孔隙压⼒：岩⽯孔隙中流体所具有的压⼒。
也称地层压⼒。
上覆岩层压⼒：是指由上覆岩层重⼒产⽣的铅垂⽅向的地应⼒分量。
该处以上地层岩⽯基质和岩⽯孔隙中流体的总重⼒所产⽣的压⼒。
基岩应⼒：是指由岩⽯颗粒间相互接触⽀撑的那⼀部分上覆岩层压⼒。
也称有效上覆岩层压⼒或⾻架应⼒。
地层破裂压⼒：地层某深度处的井壁产⽣拉伸破坏时的应⼒地层坍塌压⼒：地层某深度处的井壁产⽣剪切破坏时的应⼒上覆岩层的重⼒是由岩⽯基质（基岩）和岩⽯孔隙中的流体共同承担的，即上覆岩层压⼒是地层压⼒与基岩应⼒的和2、简述地层沉积⽋压实产⽣异常⾼压的机理。
答：在稳定沉积过程中，若保持平衡的任意条件受到影响，正常的沉积平衡就被破坏。
如果沉积速度很快，岩⽯颗粒就没有⾜够的时间去排列，孔隙内流体的排出受到限制，基岩⽆法增加它的颗粒与颗粒之间的压⼒。
由于上覆岩层继续沉积，负荷增加，⽽下⾯基岩的⽀撑能⼒没有增加，孔隙中的流体必然开始部分地⽀撑本来应由岩⽯颗粒所⽀撑的那部分上覆岩层压⼒，从⽽导致了异常⾼压。
3、简述在正常压实的地层中岩⽯的密度、强度、孔隙度、声波时差和dc指数随井深变化的规律。
答：所以随井深的增加，地层中岩⽯密度逐渐变⼤，⽽岩⽯的孔隙度变⼩。
随着井深的增加，岩⽯的强度增⼤。
在正常地层压⼒井段，随着井深增加，岩⽯的孔隙度减⼩，声波速度增⼤，声波时差减⼩。
在正常地层压⼒情况下，机械钻速随井深增加⽽减⼩，d指数随井深增加⽽增⼤。
所以dc指数也随井深的增加⽽增⼤。
4、解释地层破裂压⼒的概念，怎样根据液压实验曲线确定地层破裂压⼒。
答：在井下⼀定深度的裸露地层，承受流体压⼒的能⼒是有限的，当液体压⼒达到⼀定数值时会使地层破裂，这个液体压⼒称为地层破裂压⼒。
5钻井工程理论与技术_第5章井眼轨道设计与轨迹控制
4．校正平均角法
校正平均角法假设测段形状为一条圆柱螺线。 如图5—11所示，圆柱螺线在水平投影图上是圆
弧。圆柱螺线在圆柱面展平平面上也是圆弧， 即垂直剖面图是圆弧。根据这个假设推导的计 算方法，称为“圆柱螺线法”。这是我国著名 学者郑基英教授首先提出的。这种方法与美国 人提出的“曲率半径法”的公式表达不同，但 计算结果是完全相同的。
(7)在一个测段内，井斜方位角的变化的绝 对值不得超过180 °。在具体计算时，还
要特别注意平均井斜方位角Φc的计算方 法。
三、轨迹计算的方法
1．轨迹计算的顺序 轨迹计算的最终要求是算出每个测点的坐标值。
D1＝Do+∆D1 Lp1＝Lpo+∆Lp1 N1＝No+∆N1 E1＝Eo+∆E1 第0测点已知，即：Do＝Dmo，Lpo＝0，No＝0， Eo＝0。
（三）随钻随测
二、对测斜计算数据的规定
我国钻井行业标准对测斜计算数据有以下规定。
(1)测点编号：测斜时虽然是自下而上进行的，测点编
号却是规定自上而下进行，第一个井斜角不等于零的测 点作为第一测点，向下类推编号。每个测点的参数皆以 该点编号作为下标符号。
(2)测段编号：也是自上而下编号。且规定第i一1点与
多点测斜仪：即一次下井可记录井眼轨迹上多个井深处的井斜参 数：井斜角和井斜方位角。多点测斜仪的下入，在裸眼井中用 电缆送入到井底，然后在上提过程中每隔一定长度进行静止测 量，并将数据用照相的办法记录在胶片上，提出后进行冲洗阅 读。多点测斜仪也可在起钻前从钻柱内投入到靠近钻头处，然 后在起钻过程中利用每起一个立柱静止卸扣的时间进行测量和 记录。
钻井工程理论与技术
在地热发电项目中，钻井工程是实现 地热能转化为电能的关键环节，通过 钻井将地热流体引入发电机组。
地下水资源开发
地下水勘探
钻井工程可以用于地下水资源的勘探，通过钻井揭示地下水层的分布、水位和水 质等特征。
供水井
钻井工程可以钻凿供水井，为城市或农业提供稳定的水源，满足生活和生产的需 要。
其他领域应用
绿色环保发展
随着环保要求的提高，未来钻井工程 将更加注重绿色环保发展，研发更加 环保的钻井技术和装备，减少对环境 的破坏和污染。
THANKS
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经济与社会发展
钻井工程技术的不断进步和应用，对 于推动经济和社会发展具有重要意义 。
02
钻井工程理论
岩石力学基础
岩石力学性质
研究岩石的应力-应变关系、强度准则和破坏模式 等，为钻井过程中岩石的破碎和稳定性分析提供 理论基础。
岩石可钻性
评估岩石的钻凿难度，为钻头和钻井参数的选择 提供依据，以实现高效钻进。
钻井液处理剂
钻井液处理剂是用于改善和控制钻井液性能的化学药剂。例如，增粘剂可以增加钻井液的 粘度，降滤失剂可以降低滤失量等。
固井与完井技术
固井
固井是指向井内注入水泥浆，以加固井壁、封隔油气水层和保证油气顺利开采 的工艺过程。固井质量对油气田的开发效果具有重要影响。
完井
完井是指在油气田开发过程中，完成油气层的勘探和开发任务后，对油气层进 行封闭处理的过程。完井方式的选择需要考虑油气层的特性和开发要求。
钻井工程技术发展趋势
智能化钻井
利用人工智能、大数据等先进技术， 实现钻井过程的自动化、智能化，提 高钻井效率和安全性。
深海和极地钻井技术
针对深海和极地等复杂地区，发展适 用于该地区的特殊钻井技术和装备， 以满足油气资源开发的需求。
《钻井工程理论与技术》课后题答案
第一章 钻井的工程地质条件2.简述地层沉积欠压实产生异常高压的机理。
答：异常高压的形成是多种因素综合作用的结果，对于沉积岩地层的异常高压，目前世界上公认的成因是由于沉积物快速沉降，压实不均匀造成的。
在稳定沉积过程中，若保持平衡的任意条件受到影响，正常的沉积平衡就破坏。
如沉积速度很快，岩石颗粒没有足够的时间去排列，孔隙内流体的排出受到限制，基岩无法增加它的颗粒与颗粒之间的压力，即无法增加它对上覆岩层的支撑能力。
由于上覆岩层继续沉积，负荷增加，而下面基岩的支撑能力没增加，孔隙中的流体必然开始部分地支撑本来应的岩石颗粒所支撑的那部分上覆岩层压力，从而导致了异常高压。
3.简述在正常压实的地层中岩石的密度、强度、孔隙度、声波时差和d c 指数随井深变化的规律。
答：在正常压实的地层中岩石的密度随井深的增加而增加；强度随井深的增加而增加；孔隙度随井深的增加而减小；声波时差随井深的增加而减小；d c 指数随井深的增加而增大。
5.某井井深2000m ，地层压力25MPa ，求地层压力当量密度。
解： ()()0.00981250.009812000 1.276h h P H ρ==⨯=(g/cm 3)答：地层压力当量密度是1.276 g/cm 36.某井垂深2500m ，井内钻井液密度为1.18 g/cm 3，若地层压力为27.5MPa ，求井底压差。
解：()27.52500 1.180.0098127.5 1.44b h P P P gh MPa ρ∆=-=-=⨯⨯-=答：井底压差是1.44MPa 。
7.某井井深3200m ，产层压力为23.1MPa ，求产层的地层压力梯度。
解： ()23.132000.0072/h h G P H MPa m ===答：产层的地层压力梯度0.0072MPa/m 。
9.岩石硬度与抗压强度有何区别？答：岩石硬度是岩石表面的局部抵抗外力压入的能力，抗压强度则是岩石整体抗压的能力。
10.岩石的塑性系数是怎么样定义的吗？简述脆性、塑脆性和塑性岩石在压入破碎时的特性。
陈庭根、管志川主编,钻井工程理论与技术,石油大学出版社,2000
工程硕士入学考试?石油工程综合测试?大纲〔油气井局部〕主要内容：第一章钻井的工程地质条件地下各种压力的概念、地层压力与地层破裂压力、岩石的工程力学性质第二章钻进工具常用钻头钻头类型、构造、工作原理、使用方法钻柱的组成、功用、钻柱的受力分析、设计方法第三章钻井液钻井液的作用、组成与分类；钻井液的主要性能、主要固控制方法与设备第四章钻进参数优选钻井过程中各参数间的关系、钻速方程、机械破岩钻进参数优选方法、水力参数优化设计方法第五章井眼轨道设计与轨迹控制井眼轨迹的根本概念、轨迹测量及计算、直井防斜技术、定向井眼轨道设计、定向井造斜工具及轨迹控制第六章油气井压力控制与井控井眼与地层压力系统、平衡与欠平衡钻井、地层流体侵入控制第七章固井与完井井身构造的概念与设计方法、套管柱载荷分析与设计方法、注水泥技术、常用完井方法第八章井下复杂情况与事故处理常见的井下复杂情况类型、相应事故处理方法参考书：主要考察学生对油气田开发过程中的各研究对象及工艺流程、设备等内容的理解和掌握程度，主要内容包括油气藏及流体的物理性质、采油〔气〕工程和油气田开发过程中各工艺环节的根本概念、根本技术原理、设备及其功用、主要工艺流程等，进步油气开采技术的根本方法和原理等。
主要考试内容绪论油气田开发的根本概念、任务、目的、根本方法和系统组成。
第1章油层物理根底油藏流体的物理性质；储层岩石的物理性质；含多相流体的储层岩石的渗流机理。
第2章油藏工程根底油气田开发概论；油气田开发动态分析；油气田开发调整。
第3章完井与试油油气井完井方式；试油；油气层保护。
第4章油气井的流入动态、井筒多相流及气体井筒流动油气井的流入动态及其应用；井筒多相流的流动构造；滑脱损失；气体井筒流动。
第5章自喷与气举采油自喷井的流动过程；自喷的条件和产量；自喷井的管理；气举原理、分类。
第6章有杆泵与无杆泵采油有杆泵的根本装置和原理；泵的分类及根本原理、泵效的计算、影响因素及进步泵效的措施；无杆泵采油的分类、根本装置和原理。
钻井工程理论与技术第一章
产生异常低压的原因
(1) 生产多年而又没有压力补充的枯竭油气层。 (2) 地下水位很低。
（2）异常高压的成因
在地层被不渗透的围栅包围，流体被圈闭在地层的孔隙
空间内不能自由流通（称之为水力学封闭系统）的条件下， 随着地层的不断沉积，上覆岩层压力逐渐增大，而圈闭在 地层孔隙内的流体排不出去，必然承受部分上覆岩层重力。 结果是地层流体压力升高，地层得不到正常压实，孔隙度
p f p p (1/ 3 ~ 1/ 2)( p0 p p )
（2）Mathews & Kelly(1967) 认为：① 水平均匀地应力状态，σ 3=σ 2=Ki(D)σ 水平地应力时地层才能破裂。
1
② 井内液柱压力必须克服地层孔隙压力和最小有效
p f p p Ki ( p0 p p )
使孔隙度减小，孔隙中的过剩流体被挤出.如果是“
开放”的地质环境，被挤出的流体就沿着阻力小的 方向，或向着低压高渗透的方向流动，于是便建立 了正常的静液压力环境。于是地层水自上而下形成 连续的正常的静液压力系统。
正常地层压力的形成 在地层的沉积过程中，随着上覆沉积物不断增多， 地层逐渐被压实，孔隙度减小。如果地层是可渗透的、 连通的，地层中流体的流动不受限制（称之为水力学
第一章 钻井的工程地质条件
1、本章重点： （1）地下压力特征； （2）异常高压的形成及地层压力的预测、检测方法 （3）地层破裂压力的获取方法 （4）岩石的工程力学性质 2、难点： （1）异常高压的形成及地层压力的预测、检测方法 （2）地层破裂压力的获取方法
第一节
地下压力特性
一、地下各种压力的概念
（一）静液压力（hydrostatic pressure）
Pp
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超深井 6000m<H<9000开发中的重要作用
1、钻井技术在油气勘探阶段的重要作用：
(1)了解地层的沉积特征和含油气情况，验证物探成果，全井取心。 (基准井)
(2)揭示区域地质剖面，研究地层岩性、岩相变化并寻找构造。(区域 查)、(剖面井)
(3)在含油盆地内，了解区域构造，提供岩石物性参数。（综合详 查）（参数井）
三、钻井技术发展简史
1、钻井的发展史
中国是钻井的起源地。以卓筒井为代表的中国井盐凿井技术在 盐卤凿井中发现了石油矿藏，从而掀起了石油的勘探和开发。
2100多年前，中国就在四川自贡应用顿钻钻井方法开始了钻 井，目的是为了获得地下的盐。
1521年在四川乐山钻盐井偶得石油，这是我国的第一口油井。 1835年在四川钻成了一口天然气井—兴海井，井深达1200m，
固、完井技术 第八章 其他钻井作业：事故处理、取心、套管开窗侧钻
主要参考书
1.《钻井工艺原理》(上、中、下)，石油工业出版社， 刘希圣主编。
2.《钻井事故与复杂问题》，石油工业出版社，蒋希文 编著
3.《钻井工艺技术基础》石油大学出版社，王瑞和编著 4.《钻井工程》郝瑞主编（中等专业用书）。 5.《实用钻井工程》中国石油情报研究所，徐云英主编 6.《喷射钻井理论与计算》石油工业出版社，张绍槐编
编制地下某一标准层的构造图。
探井：为了确定油气藏是否存在及其埋藏位置（预探 井），对油气藏进行工业评价及取得油气开发 所需的地质资料（详探井），圈定油气藏边界 及其储量（边探井）。
生产井：在进行油田开发时，为开采石油和天然气而 钻的井。
注入井：开发后期为了提高采收率及开发速度，而对 油田进行注水注气以补充和合理利用地层能 量所钻的井。
(4)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。（构造井）
(5)在有利的集油气构造或油气田范围内，为确定油气藏是否存在， 圈定油气藏的边界，并对油气藏进行工业评价，取得油气开发所 需的地质资料。（探 井）
(6)为了编制油田开发方案或在开发过程中为某些专题研究取得资料 数据。（资料井）
绪论
石油钻井概述 钻井技术在石油勘探
开发中的重要作用 钻井技术发展简史 现代钻井技术主要进展 我国钻井技术的现状、
难点及展望 钻井施工工序
本章重点：
1.现代钻井技术的进展 2.我国钻井技术的现状及难点 3.钻井施工程序
本章难点
1.钻井施工程序
一、石油钻井概述
1、石油钻井的概念
所谓石油钻井是指利用专用设备和技术， 在预先选定的地表位置处，向下或一侧钻出一 定直径的孔眼，一直达到地下油气层的工作。
是当时世界上最深的井 1850年，钻井深度突破1000米，中国第一口产油的油井在陕西
检查井：油田开发到某一含水阶段，为了搞清各油层 的压力和油、气、水分布状况，剩余油饱和 度的分布和变化情况，
观察井：油田开发过程中专门用来了解地下动态的井 调整井：油田开发中后期，为进一步提高开发效果和
最终采收率，而调整原有开发井网所钻的井 救援井：为了救援而钻的井。
(2)把钻井按井斜角不同分类：
2、石油钻井平台介绍
钻井平台：石油钻井的地面配套设备，由多种机 器设备组成的一套大功率重型联合机组，可以满足完 成钻进、接单根、起下钻、循环洗井、下套管、固井、 完井及特殊作业和处理井下事故等要求。
3、石油钻井的种类
(1)把钻井按钻井的目的进行分类：
区域普查井：基准井、剖面井、参数井、构造井 探井：预探井、详探井、边探井 开发井：生产井(油井、气井)、注入井(注水井、
著。 7.《最优化钻井理论基础与计算》石油工业出版社，郭
学增编著。
常用的石油论坛
1.中国钻井网： /bbs/index.php 。 2.精准石油论： / 3.石油帝国论坛： /bbs/main.asp 4.阿果石油论坛： /bbs/ 5.石油科学与技术论坛 ： /index.asp?BoardID=36
注气井) 特殊用途井：检查井、观察井、调整井、救援井等
基准井：在区域普查阶段，为了了解地层的沉积特征 和含油气情况、验证物探成果而钻的井。
剖面井：是为了研究地层岩性、岩相变化，为寻找含 油气构造而钻的井。
参数井：为了解区域构造，提供岩石物性参数而钻的井 构造井：为了了解地质构造特征、验证物探成果，并
直井、定向井、水平井
直井：井口与井底在同一条铅垂线上 定向井：沿着预先设计的井眼轨迹钻达目的层，井
口与井底不在同一条铅垂线上。 水平井：沿着预先设计的井眼轨迹以井斜角>85°
的角度进入目的层。
(3)把钻井按井深不同分类：
浅井
H<2500m
中深井 2500m<H<4500m
深井 4500m<H<6000m
钻井工程理论与技术
本课程主要内容
绪论 第一章 钻井的工程地质条件：地下压力特性和岩石力学性质 第二章 钻进工具：钻头、钻柱 第三章 钻井液：组成、类型、性能、防塌和保护油气层 第四章 钻进参数优选：钻压、转速、钻进方程、水力参数 第五章 井眼轨道设计及轨迹控制：轨道设计、防斜理论
与技术、定向钻井工艺与技术 第六章 油气井压力控制：地层压力的平衡与控制 第七章 固井与完井：井身结构、套管柱设计、油井水泥、
2、钻井技术在油气开发阶段的重要作用：
(1)油气田开发建立油气生产通道。（生产井） (2)为了提高采收率及开发速度，进行注水、注气以补充
和合理利用地层能量。（注入井） (3)油田含水阶段，为了搞清各油层的压力，油、气、水
分布状况，剩余油饱和度分布和变化情况，了解各项 调整挖潜措施的效果。（检查井） (4)在油气开发过程中，专门用来了解油气田地下动态， 观察油气层压力、含水变化规律和单层水淹规律（不 生产）。（观察井） (5)油气田开发中后期，为进一步提高开发效果和最终采 收率而调整原有开发井网。（调整井）