钻井作业习题

钻井工程理论与技术 第一章 1．简述地下各种压力的基本概念及上覆岩层压力、地层空隙压力和基岩应力三者之间的关系 静液压力——自身的重力所引起的压力. 其大小与液体的密度与液柱的垂直高度成正比。h=0.00981ρH 上覆岩层压力—地层某处的上覆岩层压力是该处以上地层（包括岩 石基质和岩石孔隙中流体）总重力所产

生的压力。

地层压力—指岩石孔隙中的流体所具有的压力，也称地层孔隙压力，用pp 表示。

基岩应力—由岩石颗粒间相互接触支撑的那一部分上覆岩层压力，称为基岩应力，亦称有效上覆岩层压力、

骨架应力或颗粒间压力，用σ表示

上覆岩层压力由岩石骨架和孔隙中的流体共同承担，因此上覆岩层压力、地层压力和基岩应力之间存在以下关系：Po =σ+Pp。po一定时，σ减小，pp增大， σ→0，pp → po。所以，地层的孔隙压力增大，基岩应力必然减小

2．简述地层沉积欠压实产生异常高压的机理 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，孔隙度相对增大，岩石密度相对减小，基岩应力相对降低。这种作用称为欠压实作用

3．简述在正常压实的地层中岩石的密度、强度、空隙度、声波时差和dc指数随井深变化的规律。 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。 某深度处地层破裂时所能承受的液体压力称为该处地层的破裂压力，用Pf表示。它取决于井眼周围岩石的应力状态和岩石强度。 5．某井井深2000m，地层压力25MPa，求地层压力当量密度。 6．某井垂深2500m，井内钻井液密度为1.18g/cm3，若地层压力为27.5MPa，求井底压差。 7．某井井深3200m，产层压力为23.1MPa，求产层的地层压力梯度。 8．某井钻至2500m，钻进时所用的钻头直径为215mm，钻压160kN，钻速110r/min，机械钻速7.3m/h，钻井液密度1.28g/cm3，正常条件下钻井液密度为1.07g/cm3，求d和dc指数。 9．岩石的硬度与抗压强度有何区别？ 硬度与抗压强度区别： 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样定义的？简述脆性、塑脆性和塑性岩石在压入破碎时的特征。 塑性系数： 表征岩石塑性和脆性大小的参数。

11．岩石在平行层理和垂直层理方向上的强度有何不同？岩石的这种性质叫什么？ 各向异性： 如果物体的某一性质随方向的不同而不同，则称物体具有各向异性

12．岩石受围压作用时，其强度和塑脆性是怎样变化的？ 岩石在三轴应力条件下的强度明显增加。随着围压的增大，岩石强度增大。 随着围压的增大，岩石由脆性向塑性转变，且围压越大，岩石破坏前呈现的也塑性越大

13．影响岩石强度的因素有哪些？ 14．什么是岩石的可钻性？我国石油部门采用什么方法评价岩石的可钻性？将地层按可钻性分为几级？ （1）概念 岩石可钻性可理解为岩石破碎的难易性，它反映了是岩石抵抗钻头破碎的能力。 （2）评价方法 在钻压889.7N（200磅）、转速55r/min的固定条件下，用直径31.75mm （1-1/4in）的微型钻头在岩心上钻孔，以钻进2.4mm孔深所需要的时间td

作为岩石可钻性指标，由此把岩石分为易钻的和难钻的。 为应用方便，常用 Kd=Log2td 作为可钻性指标，称为可钻性级值。

15．井底和井眼周围地层岩石受哪些力？ 16．水平地应力是怎样产生的？它与上覆岩层压力的关系是怎样的？ 17．什么叫有效应力、有效上覆岩层压力、各向压缩效应？ 第二章 钻进工具 1．评价钻头性能的指标有那几项钻头进尺（米） 钻头工作寿命（小时）

机械钻速（米/小时） 单位进尺成本（元/米） ： 2．石油钻井钻头可分为哪几类？哪类钻头用量最大？ 3．简述刮刀钻头破岩原理。 刮刀钻头主要以切削作用破碎地层。

1.破碎塑性岩石过程： 在钻压W作用下，刀翼容易吃入地层；刃前岩石在扭转力T 的作用 下不 断产生塑性流动。这和车刀切削软金属的过程类似。 2.破碎脆性岩石过程：

刮刀钻头破碎脆性岩石的过程为： 碰撞→ 压碎及小剪切→大剪切。

（1）碰 撞：刃前岩石发生剪切破碎后，刀刃在旋转扭矩作用下向前推进， 碰撞刃前岩石。 （2）压碎及小剪切：扭转力增大，压碎刃前岩石，产生小剪切破坏。

（3）大剪切：扭转力继续增大到某一极限值，刃前岩石沿剪切面破碎，而后扭转力突然减小

4．刮刀钻头其刀翼结构角有哪几个？有什么影响？如何取值？ 刃尖角β—刀翼尖端前后刃之间的夹角。 它反映了刀翼的尖锐程度。 β越小，刃部越尖锐，越容易吃入

地层，但强度越低。 一般: 软地层 β=8 ～ 10°；硬地层 β=12°～ 15°

切削角α— 刀翼前刃和水平面之间的夹角。在相同钻压下， α越大，刀刃越容易吃入地层，但旋转扭矩大，剪切刃 前岩石困难。一般: 松软地层 α＝70° 软地层 α＝70～80°；中硬地层 α＝80～85°。 刃后角ψ＝α-β：刃后角必须大于井底角θ。 刃前角φ：φ＝90°－α。

5．铣齿牙轮钻头和镶齿牙轮钻头有哪些不同？ 铣齿——在牙轮锥面上直接铣出，楔形。

硬质合金镶齿——镶装在牙轮锥面上，有多种齿形适应不同地层

6．牙轮钻头有哪几副轴承？按结构不同可分为几类？滑动轴承有什么特点？ 牙轮钻头轴承有大、中、小和止推四副。根据轴承的密封与否，可分为密封和非密封两类。根据轴承副的结构，可分为滚动轴承和滑动轴承两大类。

滚动轴承结构：滚柱—滚珠—滚柱—止推 滚柱—滚珠—滑动一止推 滑动轴承结构：滑动—滚珠—滑动—止推 滑动—滑动（卡簧）—滑动—止推 7．牙轮钻头的储油润滑密封系统包括几部分？其作用是什么？ 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。 8．牙轮的超顶、移轴和复锥各产生哪个方向的滑动？ 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 9．牙轮的布置方案有哪几种？ 牙轮布置方案：

（1）非自洗无滑动布置： 各牙轮牙齿齿圈不嵌合，单锥、不超顶，不移轴，用于硬地层； （2）自洗不移轴布置： 各牙轮牙齿齿圈相互嵌合，副锥、超顶，不移轴，用于中硬地层； （3）自洗移轴布置： 各牙轮牙齿齿圈相互嵌合，副锥、超顶，移轴，用于软地层；

10．牙轮钻头在井底工作时有哪几种运动形式？ 1．牙轮钻头在井底的运动

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公转：牙轮随钻头一起旋转。

自转：牙齿绕牙轮轴线作逆时针方向旋转称自转。

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。 纵向振动：牙轮在滚动过程，其中心上下波动，使钻头做上下往复运动。

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

引起纵向振动的原因：① 单、双齿交替接触井底，使牙轮中心上下波动； ② 井底

凹凸不平

11．简述牙轮钻头破岩原理 牙轮钻头的破岩作用

（1）冲击、压碎作用：纵向振动产生的冲击力和静压力（钻压）一起使牙齿对地层产生冲击、压碎作用，形成体积破碎坑。

（2）滑动剪切作用： 牙轮牙齿的径向滑动和切向滑动对井底地层产生剪切作用， 破碎齿间岩石。 （3）射流的冲蚀作用： 由喷嘴喷出的高速射流对井底岩石产生冲蚀作用，辅助破碎岩

12．国产三牙轮钻头有哪几个系列？试解释 HP5的含义。 国产牙轮钻头分类方法

（1）按结构分类：Y，P，MP，MPB，HP，HPB，XMP，XH共8个系列 （2）按地层分类：JR，R，ZR，Z，ZY，Y，JY

1 ，2 ， 3 ， 4， 5 ， 6， 7

13．IADC钻头编码的三位数各代表什么？解释\ 系列代号—用数字1~8表示钻头牙齿特征及适钻地层； 1-3为铣齿，5-8为镶齿。 地层等级代号—用数字1~4表示所钻地层再分为4个等级；

钻头结构特征代号—用数字1~9表示钻头结构特征，其中1~7表示钻头轴承及保径特征； 附加结构特征代号—用英文字母表示钻头附加特征。

祥见书P66-67.

例如：341S——表示适用于中等研磨性或研磨性4级硬地层非密封 滚动轴承的标准铣齿钻头。

537C——表示适用于底抗压强度的软到中硬的3级地层滑动 密封轴承保径带中心喷嘴钻头。

14．与牙轮钻头相比，金刚石材料钻头有哪些突出优点？ 15．按切削齿材料可将金刚石钻头分为几种类型？

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