钻井与完井工程试题及答案1-8章

钻井与完井工程试题及答案

第一章 钻井的工程地质条件 三、名词解释

1. 岩石的塑性系数是怎样定义的？

答：岩石的塑性系数是用来定量表征岩石塑性及脆性大小的参数。塑性系数为岩石破碎前耗费的总功与岩石破碎前弹性变形功的比值。 2. 什么是岩石的可钻性？

答：岩石的可钻性是岩石抗破碎的能力。即一定钻头规格、类型及钻井工艺条件下岩石抵抗钻头破碎的能力。

什么叫有效应力、有效上覆岩层压力、各向压缩效应？

答：在“各向压缩效应”试验中，如果岩石孔隙中含有流体且具有一定的孔隙压力，这种孔隙压力的作用降低了岩石的各向压缩效应，这样，把岩石所受外压与内压之差称为有效应力。

上覆岩层压力和岩石内孔隙流体压力的差称为有效上覆岩层压力。

在三轴应力试验中，如果岩石是干的或者不渗透的，或孔隙度小且孔隙中不存在液体或者气体时，增大围压则一方面增大岩石的强度，另一方面也增大岩石的塑性，这两方面的作用统称为“各向压缩效应”。 4. 简述地下各种压力的基本概念

答：地下压力包括静液压力Ph、上覆岩层压力Po、地层压力Pp和基岩应力?等。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。地层某处的上覆岩层压力是指该处以上地层岩石基质和空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之间相互接触来支撑的那部分上覆岩层压力，也称有效上覆岩层压力或颗粒间压力，这部分压力是不被孔隙水所承担的。

四、简答题

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： 地下压力包括静液压力Ph、上覆岩层压力Po、地层压力Pp和基岩应力?等。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。地层某处的上覆岩层压力是指该处以上地层岩石基质和空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之间相互接触来支撑的那部分上覆岩层压力，也称有效上覆岩层压力或颗粒间压力，这部分压力是不被孔隙水所承担的。

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：

Po?Pp??

不管什么原因使基岩应力降低时，都会导致孔隙压力增大。

2． 简述地层沉积欠压实产生异常高压的机理。

答：沉积物的压缩过程是由上覆沉积层的重力所引起的。随着地层的沉降，上覆沉积物重

复地增加，下覆岩层就逐渐被压实。如果沉积速度较慢，沉积层内的岩石颗粒就有足够的时间重新排列，并使孔隙度减小，空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，或向着低压高渗的方向流动，于是便建立了正常的静液压力环境。这种正常沉积压实的地层，随着地层埋藏深度的增加，岩石越致密，密度越大，孔隙度越小。

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：正常压实的地层中，随着地层的沉降，上覆沉积物重复的增加，下覆岩层就逐渐的被压实。所以随着地层埋藏深度的增加，即随井深的增加，地层中岩石密度逐渐变大，而岩石的空隙度变小。而随着地层埋藏深度的增加，围压增大，对所有岩石，当围压增大时强度均增大，即随着井深的增加，岩石的强度增大。常用声波到达井壁上不同深度的两点所用的时间之差来表示声波在地层中传播的快慢，即声波时差。在正常地层压力井段，随着井深增加，岩石的空隙度减小，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。因为dc指数只是对d指数因钻井液密度不同而做的修正，所以dc指数也随井深的增加而增大。 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。在确定地层破裂压力的液压试验曲线中，开始偏离原始直线点的压力称为漏失压力。试验曲线上达到最高点时的压力称为破裂压力，这时地层开始破裂。通常将漏失压力与第一个砂层深度的比值作为该处砂层的地层破裂压力梯度，并以此作为确定井控作业的关井压力依据。 3． 岩石的硬度与抗压强度有何区别？

答：硬度只是固体表面的局部对另一物体压入或侵入时的阻力，而抗压强度则是固体抵抗固体整体破坏时的能力。

4． 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性。 答：岩石的塑性系数是用来定量表征岩石塑性及脆性大小的参数。塑性系数为岩石破碎前耗费的总功与岩石破碎前弹性变形功的比值。塑性岩石在外力压入时，岩石只改变形状和大小而不破坏自身的连续性；脆性岩石当外力压入时，岩石直至破碎无明显的形状改变；而塑脆性岩石受外力作用时首先发生形状改变，当外力达到一定程度后岩石破碎。 6.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？ 答：

7.岩石受围压作用时，其强度和塑脆性是怎样变化的？

答：当岩石受到围压作用时，所有岩石的强度均增大，但压力对砂岩和花岗岩强度的影响

要比石灰岩、大理岩大；在开始增大围压时，岩石强度的增加比较明显，再继续增加围压时，相应的强度增量就变得越来越小，最后当压力很高时，有些岩石的强度便趋于常量。 随着围压的增大，岩石表现从脆性向塑性的转变，并且围压越大，岩石破碎前所呈现的塑性也越大。

5． 影响岩石强度的因素有哪些？

答：影响岩石强度的因素可以分为自然因素和工艺技术因素两类：

自然因素方面包括：岩石的矿物成分、矿物颗粒的大小、岩石的密度和空隙度。同种岩石的空隙度增加，密度降低，岩石的强度也随之降低。一般情况下，岩石的空隙度随着岩石的埋藏深度的增加而减小；因此，岩石的强度一般情况下随着埋藏深度的增加而增加。工艺技术方面包括：岩石的受载方式不同，相同岩石的强度不同；岩石的应力状态不同，相同岩石的强度差别也很大；此外还有外载的速度、液体介质性质等等。

6． 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？

答：岩石的可钻性是岩石抗破碎的能力。即一定钻头规格、类型及钻井工艺条件下岩石抵抗钻头破碎的能力。

我国石油系统岩石可钻性分类方法是用微钻头在岩样上钻孔，通过实钻钻时（即钻速）确定岩样的可钻性。将地层按可钻性分为10级。 7． 井底和井眼周围地层岩石受哪些力？

答：井眼周围地层岩石受力包括：上覆岩层压力、岩石内空隙流体的压力（地层压力）、水平地应力、钻井液液柱压力。

8． 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？

答：水平地应力由两部分组成，一部分是由上覆岩层的重力作用引起的，它是岩石泊松比的函数；另一部分是地质构造力，它随着埋藏深度的增加而线形增大，和有效上覆岩层压力成正比。有效上覆岩层压力指上覆岩层压力和岩石内孔隙流体压力的差。 9． 简述液压试验法（漏失试验）的方法和步骤：

答：① 循环调节钻井液性能，保证钻井液性能稳定，上提钻头至套管鞋内，关闭防喷器（环形空间）；② 以低速起泵后用较小排量（0.66～1.32 L/s）向井内注入钻井液，并计录各个时间的泵入量和立管压力；③ 作立管压力与泵入量（累计）的关系曲线图，这条曲线开始时为过作标原点的直线，然后会在某处偏离此直线，但压力仍继续上升；④ 标出试验曲线上偏离原始直线之点的压力，即为漏失压力；⑤ 试验曲线达到最高点的压力称为破裂（开裂）压力，这时地层开使破裂；⑥ 最大值过后压力下降并趋于平缓，平缓的压力称为传播压力。

11.塑性岩石的特点有那些？脆性岩石的特点有那些？简要说明流体介质对岩石机械性质的影响。

答：塑性岩石的特点是岩石在破碎前发生永久变形，抗刮切能力弱。脆性岩石的特点是岩石在破碎前未发生永久变形，抗冲击能力弱。流体介质对岩石机械性质的影响包含以下两方面：第一，岩石中所含的水分都使岩石的强度下降，而且含水量越多，强度下降得也越多，含水量对一些岩石，例如泥页岩，也会影响其塑性性质，增大其流变特性；第二，具有化学活性的液体对岩石强度的降低，要比同类岩石在相同条件下以非活性液体所饱和时

地层压力PP=Pd+9.81?mH=5000+9.81X1.25X3000=41.7875 MPa 压井所需钻井液密度?m1=Pp/9.81/H=41787.5/9.81/3000=1.42 g/cm压井时初始立管总压力：PTi=Pd+Pci=5+9=14 MPa 压井时终了立管总压力：PTf=Pci

3

?m11.42=9X=10.22 MPa ?m1.258． 分析气侵的途径与方式。某井钻至井深2500m由于气侵发生溢流，此时井内泥浆密度

为1.20g/cm。溢流前记录：泵循环排量10L/s，循环压力Pci=8MPa。溢流出现关井15分钟后立管压力稳定，记录：立管压力Pd=4MPa，套管压力Pa=6MPa。试计算出地层压力(单位：MPa)、压井所需泥浆密度(单位：g/cm)、压井时初始立管总压力(单位：MPa)和终了立管总压力(单位：MPa)。 答：

气侵进入井中有这样几种可能的途径和方式：

（1）进入气层时，随着气层岩石的钻碎，岩石孔隙中所含的气体进入泥浆。 （2）气层中气体通过泥饼向进内扩散。

（3）当泥浆柱压力小于地层压力时，气体由气层以气态或溶解态大量地流入和渗入泥浆。

地层压力PP=Pd+9.81?mH=4000+9.81X1.20X2500=33.43 MPa 压井所需泥浆密度?m1=Pp/9.81/H=33430/9.81/2500=1.36 g/cm压井时初始立管总压力：PTi=Pd+Pci=4+8=12 MPa 压井时终了立管总压力：PTf=Pci

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?m11.36=8X=9.09 MPa ?m1.209． 某井钻至井深L=3400m，井底地层压力37.32MPa，泥浆密度ρm=1.22g/cm3，平均上覆

岩层密度ρo =2.6g/cm3，平均孔隙度为10%，地层流体密度为1.02g/cm3；求解： （1）地层压力的当量密度为多少？ （2）钻进时井底压差为多少？

（3）井深3400m处垂直地应力为多少？

（4）使用同样泥浆钻进到3800m时发生井涌，打开节流阀时套管压力为0.9Mpa，测得立管压力为2.8Mpa，求压井所需的最小泥浆密度。 答：

（1）地层压力的当量密度=37.32×10/(9.8×3400)=1.12 (g/cm)

（2）钻进时井底压差=1.22×10×9.8×3400-37.32×10＝3.34×10 （Pa） （3）井深3400m处垂直地应力 =

[2.6×10（1-0.1）+1.02×10×0.1]×9.8×3400-37.32×10=37.25×10 （Pa）

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（4）压井所需的最小泥浆密度 =

[2.8×10+1.22×10×9.8×3800]／(9.8×3800)=1.295 (g/cm)

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3

第二章 钻进工具

三、名词解释

1． “PDC”含义是什么？ 答：

“PDC”是聚晶金刚石复合片钻头的简称，它是金刚石材料钻头的一种。

中性点的概念是由鲁宾斯基提出来的。他认为中性点时钻柱受拉和受压的分届点。

2． 何谓钻柱的中性点？ 答：

中性点的概念是由鲁宾斯基提出来的。他认为中性点时钻柱受拉和受压的分界点。 3． 什么叫复合钻柱？

答：

即采用不同尺寸（上打下小）、或不同壁厚（上后下薄）、不同钢号（上高下低）的钻杆组成的钻杆柱。

4． 什么叫最大安全静拉载荷？

答：

指允许钻杆所承受的由钻柱重力（浮重）引起的最大载荷。

四、简答题

1． 评价钻头性能的指标有那几项？ 答：

钻头进尺，钻头工作寿命，钻头平均机械钻速，钻头单位进尺成本。

2． 简述刮刀钻头破岩原理。 答：

刮刀钻头刀翼在钻压W和扭转力T的作用下，一方面作向下的运动，一方面围绕钻头轴线旋转，刀翼以正螺旋面吃入并切削岩层，井底平面与水平面成? 角。刮刀钻头主要以切削和挤压方式破碎地层，具体方式主要取决于钻头的切削结构及所钻地层的岩性。由于这几种破岩方式主要要克服岩石的抗剪强度，所以它比克服岩石的抗压强度的破岩方式要容易得多。

3． 刮刀钻头其刀翼结构角有哪儿个？有什么影响？如何取值？ 答：

刃尖角、切削角、刃前角、刃后角。

刃尖角β、切削角α、刃前角φ、刃后角ψ；刃尖角表示刀翼的减为尖锐程度。从吃入岩石和提高钻速出发，刃尖角越小越好，但是强度不能保证。一般要根据上述因素及岩石性能确定角的大小。岩石软时，β角可以稍小，较硬时硬适当增大，夹层多，井较深时，β角应适当增大。切削角α刀以前刃和水平面之间的夹角，在其他情况一定时，α越大，吃入深度越深，但α过大时，刃前岩石剪切破碎困难，钻进憋劲大。一般情况下，松软地层α=70度；软地层α=70—80度；中硬地层，α=80—85度。刃后角ψ=α-β。

刃后角必须大于井底角。刃前角与切削角互为补角，刃前角φ=90-α

4． 铣齿牙轮钻头和镶齿牙轮钻头有哪些不同？ 答：

牙轮钻头按材料不同分为铣齿（钢齿）和镶齿（硬质合金齿）两大类。

铣齿牙轮钻头的牙齿石油牙轮毛胚铣削加工而成，主要是楔型齿，齿的结构参数要兼顾有利于破岩和齿的强度。一般软地层牙轮钻头的齿高、齿宽、齿距都较大，硬地层则相反。通常要在齿的工作面上敷焊硬质合金以提高齿的耐磨性，在背椎部位业要敷焊硬质合金层已达到保径的目的。 镶齿牙轮钻头是在牙轮上钻出孔后，将硬质合金材料制成的齿镶入孔中。其齿型较多，如楔型齿、圆锥形齿、球型齿、勺型齿、主要依据岩石的性能和齿材料性能、强度、相撞工艺等。目前向齿牙轮钻头在软地层、中硬地层及坚硬地层中都得到了广泛应用。

5． 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？ 答：

有大、中、小和止推轴承。钻头轴承按结构分为滚动轴承和滑动轴承两大类。

6． 牙轮钻头的储油滑密封系统包括几部分？其作用是什么？ 答：

储油囊、护膜杯、压盖、密封圈。

7． 牙轮的超顶、移轴和复锥各产生哪个方向的滑动？ 答：

由于牙轮的超顶、移轴、复锥，使牙轮在滚动的同时在井底产生滑动。

超顶和复锥引起沿切线方向滑动，这种作用除了冲击、压碎作用破碎岩石外，还可以剪切掉同一齿圈相邻牙齿破碎坑之间的岩脊；移轴产生轴向方向的滑动，可以剪切掉齿圈之间的岩脊。

8． 国产三牙轮钻头有哪个系列？试解释81／2HP5的含义？ 答：

普通钻头、喷射式钻头、密封钻头、密封保径钻头、滑动轴承钻头、滑动保径钻头、乡齿密封钻头、镶齿滑动轴承钻头8个系列。表示用于中硬地层、直径为81/2英寸的铣齿滑动密封喷射式三牙轮钻头。

9． 金刚石钻头有哪些突出优点？ 答：

（1）是一体性钻头，没有结构薄弱的环节，因而可以使用较高的转速，可以承载较大的侧向载荷而不发生井下事故，

（2）金刚石钻头在正确使用的情况下，耐磨且寿命长，适合于深井及研磨性地层。 （3）在高温下，牙轮密封易失效，金刚石钻头则不会出现此问题。 （4）金刚石钻头不受空间尺寸的限制，适合于小井岩钻井。 （5）在钻牙受限的情况下可以使用金刚石钻头。

（6）结构设计制造比较灵活，生产设备简单，能满足非标的需要。

（7）PDC钻头是一种切削型钻头，实践表明在适应地层可以取得很高的经济效益。 （8）由于热稳定性的限制，必须保证充分的冲洗和冷却。

（9）金刚石钻头抗载荷、抗冲击能力较差，使用时必须岩严格的规程。 （10）金刚石材料价格较高。 10． 答：

天然、人造 11． 答：

它们均采用水孔——水槽式水力结构，这种结构是钻井液游说空中流出经水槽流过钻头工作面，冲洗每一粒金刚石前的岩屑并冷却、润滑每一粒金刚石。防止金刚石杯烧毁。其结构有：副压式水槽结构；辐射型水槽；辐射型逼压式水槽；螺旋形水槽。 12． 答：

聚晶金刚石复合片。既有金刚石的硬度和耐磨性，又有碳化钨的结构强度和抗冲击能力。

金刚石钻头由于岩石性能技工条件的复杂性至今没有统一结论，但是可以归纳以下几点：

（1）在钻遇硬地层时，在钻压的作用下压入岩石，使接触岩石呈现极高的应力状态而使岩石呈现塑性。

（2）在塑性地层，金刚石吃入地层并在钻头扭矩的作用下使前方的岩石内部发生破碎或塑性流动，，脱离岩石基体，这一过程称作犁削。

（3）在脆性较大的岩石中，在钻压和扭矩的作用下，岩石表现为脆性破碎，在这种情况下，金刚石钻头的破岩速度较高，岩石破碎的体积远大于金刚石吃入后位移的体积。 13． 答：

“PDC”是聚晶金刚石复合片钻头的简称，它是金刚石材料钻头的一种。

它是一体式钻头，在钻进时钻头部件不宜掉落；它主要靠PDC复合片的切削作用破碎岩石，类似于刮刀钻头的切削原理，在钻进过程中扭矩小，稳定性好，在较小钻压、高转速

“PDC”含义是什么？有哪些特点?

天然金刚石钻头是怎样破碎岩石的？适用钻什么样的地层?

天然金刚石钻头及TSP钻头常用的水力结构有哪几种？各有何优点? 按切削齿材料可将金刚石钻头分为几种类型？

下机械钻速高，但在含砾岩和软硬互层的地层不宜使用PDC钻头，以防崩掉PDC钻头的复合片；分为胎体PDC钻头和刚体PDC钻头。 14． 答：

后倾角的作用是减少切削齿在工作时的振动，延长使用寿命；

侧倾角的作用是使切削齿在切削地层时对齿前切削产生侧向推力，使岩屑想钻头外缘移动，以利排出岩屑。 15． 答：

PDC钻头切削齿的排列及分布方式有刮刀式、单齿式及组合式三种。

刮刀式布齿方式将切削齿沿着从钻头中心附近到保径部位的直线（或接近于直线的曲线）不知在胎体刮刀上，在适当的位置布置喷嘴，每个喷嘴起到清洗或冷却一个或两个挂刀片上的切削齿的作用。这种布置方式整体强度高，抗冲击力强，易于清洗和冷却，排屑好，抗泥包能力强，适宜于在粘性或软地层中使用。

单齿式布齿方式是将切削齿一个一个单独布置在钻头工作面上，在适当的地方布置喷嘴或水眼，钻井液从喷嘴流出后，切削齿受到清洗及冷却，但同时也起到阻流和分配液流的作用。这种结构的布齿区域大、布齿密度高，可以提高钻头的寿命，但水力控制能力低，容易在粘性地层泥包。 16． 答：

PDC钻头实质上就是具有负切削角度的微型切削片刮刀钻头，其工作原理与刮刀钻头 基本相同。在钻压和扭矩的作用下，PDC复合片吃入地层，充分利用复合片极硬、耐磨（磨耗比是碳化钨的100多倍）、自锐的特点犁削和剪切地层、破碎岩石。 PDC钻头适宜于在软到中硬的均质、无砾岩的地层中钻进。 17． 答：

TSP具有良好的热稳定性，齿型也比较多，尺寸也可根据要求而定。其耐磨性高于PDC，抗冲击能力强，具有金刚石材料的优点。 18． 答：

钻柱由方钻杆、钻杆段和下部钻具组合三部分组成。钻杆段包括钻杆和街头，有时也装扩眼器。下部钻具组合主要时钻停，也可能安装稳定器、减震器、震击器、扩眼器及其他特殊工具。主要作用有：

钻柱主要由哪几部分组成？其主要功用有哪些? TSP钻头与PDC钻头相比有什么优点?

PDC钻头是怎样破碎岩石的？适用于什么样的地层? PDC钻头切削齿布置有哪几种方式？有何特点? PDC钻头切削刃的后倾角和侧倾角各起什么作用?

为钻井液提供通道；为钻头施加适当的压力；把地面扭矩传到井底；起下钻头；计算井深 19． 答：

D、E、95(X)、105(G)、135(S)级共5种。 20． 答：

钻挺具有加大的中立和刚度，它在钻井工程中有加钻压、保证压缩条件下必要的强度；减轻钻头的振动、摆动、跳动等，使钻头工作平稳；控制井斜等作用不能由钻杆替代。 21． 答：

内平式接头主要用于外加厚钻杆，其特点时钻杆内径与管体加厚处内径，接头内径相同，钻井液流动阻力笑，有利于提高水功率，但外径较大，易磨损。惯眼式接头适用予内加厚杆，其特点是钻杆有两个内径，接头内径等于管体加厚处内径，但小于管体部分内径。正规式接头适用于内加厚钻杆。这种接头的内径比较小，这种接头的内径比较小，小于钻杆加後处的内径，所以钻井液六国的阻力最大，但它的外径最小，强度较大。 22． 答：

自转、公转、自转和公转结合、无规则的旋转摆动。 23． 答：

钻柱在井下受到多种载荷的作用，在不同的工作状态下，不同部位的钻柱受力是不同的。

（1）、轴向压力和拉力 （2）、在转盘钻井时，受到扭矩

（3）在钻压超过钻柱临界值时等情况下，将受到弯曲力距。 （4）当钻柱绕井眼轴线公转时，将产生离心力。 （5）钻杆测试时，钻杆将受到很大的外挤压力。 （6）钻进时会引起钻柱的纵向振动。 （7）在某一临界转速下钻头将出现横向摆振。 24． 答：

中性点的概念是由鲁宾斯基提出来的。他认为中性点时钻柱受拉和受压的分界点。在何谓钻柱的中性点？为什么要保证中性点落在钻铤上? 井下钻柱受到哪些力的作用？最主要的作用力是什么? 钻柱在井下的运动形式可能有哪几种? 内平、贯眼和正规三种接头的主要内别是什么? 为什么钻柱下部使用钻铤而不使用钻杆？ 钻杆的API钢级有哪几种?

管柱的设计中，我们希望中性点始终落在刚度大，抗弯能力强的钻挺上，使钻杆一直处于受拉伸的直线稳定状态。 25． 答：

钻柱在两端口处受力最严重，在上端口受到在大拉力，在井底处受到最大压力。 26． 答：

满足强度要求，保证钻柱安全工作；尽量减轻整个钻柱的重力，以便在现有的抗负荷能力下钻更深的井。 27． 答：

方钻杆由于受到扭矩和拉力最大，在供应可能的情况下，应尽量选用大尺寸钻杆，因为大尺寸钻杆强度大，水眼大，钻井液流动阻力小，钻井液上返速度高，有利于携带岩屑。 28． 答：

即采用不同尺寸（上打下小）、或不同壁厚（上后下薄）、不同钢号（上高下低）的钻杆组成的钻杆柱。它既能满足强度要求又能减轻钻柱的重力，允许在一定的钻机负荷下钻的更深。 29． 答：

钻杆设计主要是抗拉强度设计，即按抗拉强度进行校核。钻杆强度设计的强度条件是：钻杆柱任意界面上的静拉伸载荷要小于钻杆柱的最大安全静拉力。 30．

什么叫最大安全静拉载荷？如何确定钻柱的最大安全静拉载荷?

答：

指允许钻杆所承受的由钻柱重力（浮重）引起的最大载荷。目前有三种确定钻杆的最大安全静拉力的方法：

（1）安全系数法：考虑起下钻的动载和摩擦力，一般取一个安全系数保证钻柱的安全，一般取1.3。

（2）设计系数法：（考虑卡瓦挤压）

（3）最大余量法：考虑钻柱被卡时的上提解卡力。并以它为最大允许静拉力和最大安全拉伸力的余量。 31．

转盘钻井时，钻柱受那些不变应力和交变应力的作用？分析指出钻柱受力的严重部位。

钻杆柱设计主要考虑哪种力的作用？强度条件是什么? 什么叫复合钻柱，使用复合钻柱有何优点?

在条件允许的情况下，为什么要尽可能选用在尺寸钻柱? 钻柱设计应满足哪些要求?

钻柱的哪些部位受力最严重？都受到什么载荷的作用?

答：

转盘钻井时，属于不变应力的有拉应力、压应力和剪应力；而属于交变应力的有弯曲应力，扭转振动所引起的剪应力以及纵向振动作用所产生的拉应力和压应力。在整个钻柱长度内，载荷作用的特点是在井口处主要是不变载荷的影响，而靠近井底处主要是交变负荷的影响。这种交变载荷的作用正是钻柱疲劳破坏的原因。

（1）钻进时钻柱的下部受力最为严重。因为钻柱同时受到轴向压力、扭矩和弯曲应力矩的作用，更为严重的是自转存在着剧烈的交变应力循环，以及钻头突然遇阻卡，会使钻柱受到的扭矩大大增加。

（2）钻进时和起下钻时井口处受力复杂。起下钻时井口处受到最大拉力，如果下钻时猛提、猛杀，会使井口处钻柱受到的轴向力大大增加，钻进时所受拉力和扭矩最大，受力情况也比较严重。

（3）由于地层岩性变化、钻头的冲击和纵向振动等因素的存在，使得钻压不均匀，因而使中和点位置上下移动，这样，在中和点附近的钻柱就受到交变载荷的作用。 32．

分析单一尺寸（沿钻柱轴线截面积相同）钻柱分别在下列四种条件下轴向受拉、压条件一：井内无流体(钻柱下端面不与井底接触)； 条件二：井内有流体(钻柱下端面不与井底接触)； 条件三：井内无流体钻柱下放（钻进）的情况； 条件四：井内有流体钻柱下放（钻进）的情况。

答：

压0拉压0拉压0拉压0拉ZZNNNN(a) (b) (c) (d)(a) 井内无流体(钻柱下端面不与井底接触)；(b) 井内有流体(钻柱下端面不与井底接触)；(c) 井内无流体钻柱下放（钻进）的情况； (d) 井内有流体钻柱下放（钻进）的情况； N----中和点； Z----轴向应力零点。载荷的情况(用图示之)，并标出轴向应力为零的点和中和点。

N

五、计算题 33． 答：

先根据KB?1??d/?s=1-1.28/7.8=0.8359,由LN?W/KBqc计算中性点得LN=180000/（0.8359*1632）=131.45米，按每根钻挺10米计算，则至少需要140 米钻挺。

某井用91／2in钻头，7in钻铤（qc=1632N/m）和5in钻杆（qc=284.78N/m），设

计钻压为180kN,钻井液密度为1.28g/cm3,计算所需钻铤长度。

LC?(SNWmax)/qcKBCOS?, KB?1??d/?s , LN?W/KBqc

34．

已知井深Dv=1500m,钻压W＝14t,钻井液密度为1.38g/cm3,钻具结构为：81／2in钻头＋61／2in钻铤200m（qc=136.24kg/m）+5in钻杆1300m（qc=29.04kg/m）。求中性点所在井深。 答：

由钻柱任意截面上的轴向拉力FW?KB(qpLp?qcLc)?W得出钻柱和钻挺结合处的拉力FW=(1-1.38/7.8)*(0+0.13624*200)-14=8.428(吨)，所以由线性关系易知（0，-14），（LN,0）,(200,8.428)可假设在钻挺的轴线上。得LN=124.85米。1500-124.85=1375.16米，所以中性点在井深1375.16米处。 35．

试计算由41／2in内外加厚，壁厚为10.92mm的E级钻杆各51／2in内外加厚，壁厚为10.54mm的E级钻杆组成的复合钻柱在密度为1.2 g/cm3的钻井液中的可下深度。若将51／2in钻杆换成41／2in内外加厚，壁厚为10.92mm的95（X）级钻杆，可下深度又是多少？ 答： 36．

某井用121／4in钻头钻至3500m,试根据以下条件进行钻柱设计：钻井液密度：ρd=1.25g/cm3;钻压：W＝200kN;拉力余量：MOP＝450kN;安全系数：St=1.30;卡瓦长度：Ls=406.4mm,正常润滑；井斜角：α＝6°；库存钻具：钻铤：9in钻铤（qc=2860N/m）27m,7in钻铤（qc=1632N/m）81m,61／2in钻铤（qc=1362.4N/m）供应充足。钻杆：E级5in钻杆（qc=284.78N/m）900m,95（X）及105（G）级5in钻杆（qc=284.78N/m）供应充足。 答： 37． 答：

三牙轮钻头是通过两个方面的作用来破碎岩石：

（1）冲击、压碎作用：钻进时钻头承受的钻压经牙齿作用在岩石上压碎岩石。除此静载以外还有一冲击载荷，牙轮在滚动过程中，以单齿和双齿交替与井底相接触引起钻头的纵向振动，使钻头齿对岩石产生冲击作用。

（2）剪切作用：剪切作用主要是通过牙轮在井底滚动的同时还产生牙轮齿对井底的滑动来实现，当牙轮锥顶不与钻头轴线重合时就有滑动产生，引起钻头滑动的主要因数有三个，即超顶、复锥和移轴。

评价钻头的选择是否合适决不能单纯地根据进尺最多或机械钻速最高来衡量，因简要分析三牙轮钻头的破岩机理以及用每米钻井成本评选三牙轮钻头的思路，并给出每米钻井成本的计算式。

12． 答：

（1） 钻井液中的固相含量对钻速的影响：钻速随固相含量升高而下

降。研究表明，固相含量每降低1﹪，钻速至少可以提高10﹪。

（2） 固相类型对钻速的影响：砂子、重晶石等惰性固相对钻速影响

较小，钻屑、低造浆率的劣质土的影响居中，而高造浆率粘土的影响最大。小于1μm的溶胶颗粒对钻速的影响最大。

13．

固相控制设备有几种，各自的使用范围如何？

答：钻井液固相控制设备主要有：

振动筛：主要清除0.5mm以上的岩屑和沙粒。

旋流分离器：按被分离颗粒的大小又分为：（1）旋流除砂器，分离直径在74μm以上的固相颗粒；（2）旋流除泥器，分离直径在10～74μm的固相颗粒；（3）微型旋流分离器，分离5～10μm的固相颗粒。

离心分离机：它主要清除加重钻井液中的固相和从加重钻井液中回收重晶石等加重材料。 14．

引起油气储层损害的主要原因是什么？怎样预防。

答：

（1） 外来流体中的固相颗粒对储层的损害：钻井液、完井液等外来流体中的颗粒在井内液柱压差下在滤饼形成前会侵入储层，造成储层油气流通道堵塞，储层渗透性降低。预防措施：1、实施屏蔽暂堵技术2、使用无固相清洁盐水做完井液。

（2） 储层内部微粒运移造成的损害：在流体的作用下，特别是流体的流速超过临界流速时，储层中附着在岩石表面的矿物微粒会从孔壁冲刷下来，随流体运移预防措施：首先要控制流体（包括储层内流体和外来流体）的流速低于临界流速；另外在入井流体中使用粘土微粒防运移剂。

预防措施：减少入井流体的滤失量，提高滤液的矿化度（提高滤液的抑制性）和使用粘土防膨剂。

（4） 流体的不配伍性对储层的损害：不同流体相遇后会产生沉淀物，这些沉淀物会堵塞储层孔隙喉道，造成储层损害。

预防措施：入井前对入井流体进行配伍性试验，对配伍性差的流体进行改性。 （5） 水锁效应：油流中的水滴在通过狭窄的孔隙喉道时，孔喉两侧必须有一定的压差水滴才能通过，否则孔喉就被水滴堵塞。水锁效应是可以叠加的。故会导致油流阻力大大增加。尽量控制外来流体滤失量是防止发生水所效应的有效措施。 说明钻井液固相对钻速的影响。

到孔喉处，对孔喉造成堵塞或桥堵。

（3）储层内粘土水化膨胀，引起孔喉堵塞。

15．

哪些完井液适用于钻油气储层？

答：由于完井液是直接与产层接触的，必然会给生产层带来不同程度的损害。为了减少对油气层渗透率的损害，必须精心设计和合理使用各种完井液。

（1） 无固相清洁盐水完井液 （2） 水包油完井液 （3） 低膨润土聚合物完井液 （4） 改性完井液 （5） 油基完井液 （6） 气体类完井液

16． 答：

牛顿流型，塑性（宾汉）流型，假塑性（幂律）流型。

牛顿流体加很小的切应力后流体就会开始流动，且流动的流速梯度与切应力成正比，塑性流体存在静切应力，必须施加大于流体静切应力的切应力后流体才会开始流动，当切应力达到一定值时，流变曲线出现直线段，流体粘度不随切应力改变而改变。假塑性流体不存在静切应力，施加很小的切应力后流体就会开始流动，流体粘度随切应力增大而减小。

钻井液的剪切稀释性是指钻井液在高剪切速率下变稀，低剪切速梯下边稠的特点，这一特点对钻井工程非常有用，当钻井循环时钻井液视粘度降低，循环摩阻损失较小，在钻头水眼处紊流摩阻小，有利于提高钻速，而在环空中有利于岩屑和加重材料的悬浮等。

泥浆触变性是指泥浆的切力随搅拌后的静止时间增长而增大的特性，泥浆的剪切稀释性越强，泥浆在静止时悬浮岩屑的能力也越大。 17． 答：

产生井壁不稳定的原因有：

（1）地质因素：异常压力地层的压力释放，钻遇地质破碎带、断层、含有大量微裂缝地层及煤层。

（2）工程因素：钻井液排量过大，冲蚀井壁；起下钻太快，造成压力激动，压裂地层；钻井液液柱压力低于地层压力及钻井液浸泡时间过长等。

（3）泥、页岩的水化造成井壁不稳定：泥、页岩地层中的粘土矿物容易吸水膨胀和分散，造成井壁岩石强度降低，引起井壁不稳定。

防止泥、页岩的水化问题必须采取以下几方面的措施： （1）钻井液中加入K+、NH4+等无机阳离子； （2）加入高聚物；

简述产生井塌（井壁不稳定）的原因。防止泥、页岩的水化问题需采取哪几方面的措施？

钻井液的流变模式主要有哪几种，各有何特点？钻井液剪切稀释性和触变性对钻井工程有何作用？

（3）利用沥青类物质在井壁上起封堵作用。 18． 答：

水侵对油气层的伤害有： （1）油层中的粘土成分膨胀； （2）破坏孔隙内油流的连续性； （3）产生水锁效应、增加油流阻力； （4）在地层孔隙内生成沉淀物。 泥侵对油气层的伤害有： （1）堵塞地层孔隙； （2）减小地层的孔隙直径。

在钻井完井过程中防止和减少对产层损害的方法有：

（1）针对油气层的特点，确定合理的完井方法，以减少钻井液对油气层的浸泡时间； （2）合理选择钻井液密度； （3）用平衡钻井、欠平衡钻井法； （4）完井钻井液中加入桥堵剂； （5）提高钻井液矿化度； （6）使用低固相或无固相洗井液； （7）使用表面活性剂处理钻井液； （8）使用油基钻井液或油包水乳化钻井液； （9）采用挤酸解堵措施。

五、计算题 19． 答：

?AV=(1/2) Φ600=(1/2)×76=38(mPa.s) ?PV=Φ600-Φ300=76-54=22(mPa.s)

?。=0.511(Φ300-?PV)=0.511(54-22)=16.35(Pa)

用旋转粘度计测得钻井液的Φ600＝76，Φ300＝54，计算该钻井液的?AV、?PV、?。 水侵和泥侵对油气层的损害作用有哪些？在钻井完井过程中如何防止和减少对产层的损害？

第四章 试题及答案

一、简答题

1． 影响钻进速度的主要因素有哪些，哪些为可控制的因素？简要分析这些可控因素对钻

进速度的影响。 答：

影响因素：地质条件、岩层性质和钻井深度等客观因素；钻头类型、钻井液性能、水力参数、钻压、转速等可控变量。

钻头类型：因不同的钻头类型适用于不同的地层，选择好钻头可获得高的机械钻速。 钻井液性能：密度增加会降低机械钻速；粘度增加会降低机械钻速，固相含量增加会降低机械钻速，钻井液的分散性增加钻速降低。

钻压：增加钻压，提高机械钻速。

转速：增加转速，一般机械钻速提高，但当钻头齿的接触时间小于破碎岩石的接触时间时，钻速降低。

2． 写出修正的杨格模式钻速方程，简要分析该钻速方程中所列因素对钻进机械钻速的影

响规律。 答：

杨格模式钻速方程为：

?pc?KR(W?M)n?式中 ?pc——钻速，m/h； W——钻压，kN； M——门限钻压，kN； N——转速，r/min；

1CPCH

1?C2h KR、?、C2、CH、CP、h为无因次量。

钻速方程考虑的因素对钻进机械钻速的影响规律如下：

（1）岩石可钻性：它包含了岩石强度，以及与可钻性有关的钻头类型和泥浆性能等对钻速的影响；可钻性越大钻速越高。

（2）井底压差：随着井底压差的增加钻速减小。 （3）单位钻压：随着单位钻压的增加钻速增加。 （4）转速：转速的增加钻速增加。

（5）水力净化和水力参数：随着井眼净化程度和水力能量的提高钻速增加。 （6）牙齿磨损：磨损量增加钻速降低。

3． 什么是喷射钻井？喷射钻井能大幅度提高钻速的主要原因是什么。 答：

简单地说喷射钻井就是充分利用钻井液通过喷射钻头所形成的高速射流的水力作用，以提高机械钻速的一种钻井方法。

喷射钻井的一个显著特点，是从钻头喷嘴中喷出强大的钻井液射流。它具有很高的喷射速度，具有很大的水力功率，它能给予井底岩屑一个很大的冲击力，从而使岩屑及时迅速地离开井底，始终保持井底干净。另当钻井液射流水力功率达到一定程度时，它还具有辅助钻头机械破岩的作用，从而使机械钻速更进一步地提高。 二、计算题

4． 某井用直径φ200mm24l型钻头钻进，钻压W＝196kN,转速n=70r/min,井底净化条件较

好，钻头工作14h以后起钻，已知Af=2.33×10-3。求牙齿磨损量hf。 答：

由表查得φ200mm24l型钻头的有关系数为：

Z1=0.0167 Z2=5.94 a1=0.9 a2=0.392×10 C1=3 tf=14h Af=2.33×10W=196kN

5． 某井用直径φ200mm21l型钻头钻进，钻压W＝196kN,转速n=80r/min,钻头工作14h以

后起钻，轴承磨损到B6级，求轴承工作系数b。 答：

6． 已知某井五点法钻进试验的结果如下表所示： 实验点 钻压／kN 转速／(r·min1--4

-3

n=70

1 225 70 31 2 254 60 32.5 3 254 120 46 4 196 120 34 5 196 60 24 6 225 70 30 ) -1钻速(m·h) 求该地区的门限钻压M和转速指数?。 答：

7． 某井使用215.9mm钻头钻进，喷嘴流量系数C＝0.96，井内钻井液密度为1.42g/cm3,

排量为16L／s。若要求井底比水功率为0.418kW/cm2,且三个喷嘴中拟采用一个直径为9mm,另两个为等径。试求另两个喷嘴的直径，并计算射流水力参数和钻头水力参数。 答：

8． 某井钻进215.9mm井眼，使用127mm内平钻杆（内径108.6mm）,177.8mm钻铤（内径

71.4mm

）

100m

。

测

得

钻

井

液

性

能

ρ

d=1.2g/cm3,

?PV

=0.022Pa·s,Pg=0.34MPa,Q=22L/s。试求m、a值及井深2000m时循环系统的压力损耗。 答：

9． 条件同题5，求允许泵压分别为17.3MPa时钻头所可能获得的压降及相应的喷嘴当量

直径（喷嘴流量系统C＝0.96）和射流水力参数。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/8ffa.html