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第一章 钻井设计1

第一节 钻井设计的基本原则1

第二节 钻井设计和审批程序3

第三节 钻井工程设计的主要内容3

第四节 调整井区块标准钻井设计的主要内容3

一、调整井区块标准钻井设计的主要内容3

第五节 调整井单井钻井设计的主要内容5

第六节 钻井监督、地质监督职责6

一、钻井监督6

二、地质监督6

附录一 中华人民共和国石油工业部部标准(SY5333—88)7

第二章 地层压力、破裂压力及井身结构38

第一节 概述38

第二节 几个基本概念39

一、静液压力(简称静压)和静压梯度39

二、上覆岩层压力和压力梯度39

三、地层压力(或称地层孔隙压力)42

四、地层破裂压力42

第三节 异常高压地层的形成机理43

一、压实作用43

二、水热增压44

三、蒙脱土的脱水作用45

四、引起异常高压的其它原因45

第四节 利用测井资料计算和预测地层压力46

一、声波测井法47

二、电阻率测井法54

三、密度测井法55

四、计算砂岩层的地层压力56

五、检测地层压力和压力梯度的方法步骤56

六、影响计算地层压力的因素57

七、预测地层压力和压力梯度58

八、计算举例60

第五节 随钻监测地层压力65

一、随钻监测地层压力的基本方法65

二、dc指数法监测地层压力的具体做法68

第六节 用地震方法预测地层压力74

一、原理75

二、方法75

三、几点说明86

第七节 地层破裂压力89

一、地层破裂压力的重要性89

二、影响地层破裂压力的主要因素90

三、地层破裂压力的预测方法92

四、地层破裂压力梯度线的建立101

第八节 井身结构设计102

一、套管柱类型103

二、井眼中的压力体系103

三、井身结构确定的原则及依据103

四、井身结构设计中所需要的基础数据104

五、井身结构设计方法及步骤104

六、套管尺寸与井眼尺寸选择及配合107

七、利用微机设计井身结构108

八、设计举例111

附录一 △t-H关系的线性回归统计计算115

附录二 正常压实趋势线回归程序116

参考文献119

第三章 套管设计与下套管作业120

第一节 套管柱类型120

一、导管120

二、表层套管120

三、技术套管120

四、生产套管(采油或采气套管)121

五、尾管121

六、组合重量套管柱121

七、异径套管柱121

第二节 套管设计的力学基础121

一、静水压力梯度121

二、静水压力121

三、浮力121

四、气体压力梯度122

五、虎克定律(一维)124

六、三维虎克定律126

七、拉梅(Lame)方程127

八、拉梅(Lame)公式在API中的应用130

九、巴洛(Barlow)公式130

十、动载荷(冲击载荷)130

十一、包欣格(Bauschinger)效应131

十二、叠加原理131

十三、弯曲力131

十四、套管中的三维应力设计134

十五、三维条件下的挤毁压力135

十六、三维载荷下的抗内压强度137

十七、双轴应力——塑性椭圆140

十八、双轴应力(二维条件)下的抗挤压力141

十九、二维条件下的抗内压力142

二十、新概念下的双轴(二维条件)应力计算问题分析142

二十一、压力对轴向应力的影响143

二十二、排空应力(Evocuation Stress)144

二十三、温度对轴向应力的影响145

第三节 套管的载荷分析145

一、有效内压力计算145

二、有效外挤压力计算148

三、有效轴向力计算149

四、其它载荷149

第四节 API套管强度计算公式151

一、外挤毁压力151

二、抗拉强度153

三、抗内压强度156

第五节 双轴应力计算158

一、轴向拉应力下双轴应力计算方法159

二、轴向压应力下双轴应力计算方法195

三、双轴应力计算中的查表方法195

四、双轴应力计算中的计算机程序195

五、轴向应力下抗内压的计算197

六、塑性椭圆理论下修正挤毁压力的双轴应力实用计算198

第六节 套管特性200

一、套管制造方法200

二、热处理201

三、制造厂家202

四、套管生产的尺寸系列202

五、套管类型205

六、硫化氢气体与套管的抗硫性能216

七、抗腐蚀合金(CRA)套管218

八、腐蚀性环境(H2S与CO2)下套管钢级的选择219

九、套管的典型破坏227

十、套管的联接螺纹238

十一、套管公差标准及套管标记260

十二、国产套管265

第七节 套管柱设计方法266

一、设计原则266

二、套管设计的具体条件266

三、套管设计的基本参数267

四、设计方法介绍269

五、套管设计中的若干规定271

六、表层套管设计方法271

七、技术套管设计279

八、生产套管设计292

九、钻井尾管299

十、生产尾管304

十一、尾管悬挂器处的套管强度校核309

十二、关于API新标准下的双轴应力设计计算举例310

第八节 各种类型井的套管柱设计312

一、超高外压下的套管柱设计计算312

二、液压下套管弯曲时的套管柱设计323

三、热采井套管设计326

四、技术套管预测磨损的方法及降级使用的原则328

五、定向井的套管柱设计330

六、腐蚀井的套管设计332

第九节 套管扶正器334

一、试验设备及条件336

二、起动力试验336

三、扶正力试验方法337

第十节 下套管作业338

一、下套管作业概述338

二、关于对套管的无损检查(NDI)342

三、螺纹类型的基本认识343

四、常规下套管作业准备347

五、套管的井场准备和工具附件检查348

六、对扣和上扣349

七、正确使用螺纹密封脂352

八、套管上扣密封及有关注意问题和API圆螺纹紧扣扭矩355

九、下套管(螺纹联接后的套管下井过程)370

十、关于井口的套管装定373

十一、钻水泥塞和钻套管串下部附件内部装量及对套管的保护373

第十一节 套管螺纹联接扭矩与密封应力的计算376

一、关于套管的上扣扭矩376

二、API对螺纹联接的质量评价——公螺纹与接箍联接应力和泄漏阻力的计算379

第十二节 套管的井口装定计算385

一、套管的井口载荷交付385

二、套管弯曲判断公式385

三、井口载荷计算公式(连顶计算)388

参考文献403

第四章 水泥及注水泥404

第一节 油井水泥类型、标准及成分404

一、概述404

二、API级别定义及使用范围405

三、国产以温度系列为标准的油井水泥407

四、API标准与东欧及苏联油井水泥标准对比408

五、油井水泥生产及水泥化学性能与API分类关系以及化学性质和物理要求409

六、关于API油井水泥物理性质的说明415

第二节 油井水泥试验条件及方法419

一、油井水泥试验规程的发展说明419

二、油井水泥试验条件及标准419

三、现场有关油井水泥试验方法及条件规定422

第三节 水泥浆性能423

一、水泥浆性能要求423

二、关于水泥浆的水灰比424

三、水泥浆密度426

四、水泥浆失水控制429

五、水泥浆流变性431

六、水泥容积变化431

七、水泥浆稠化时间433

八、水泥浆凝固后的性能简要说明433

第四节 油井水泥外加剂及前置液436

一、主要类别外加剂的作用原理436

二、国外主要注水泥公司采用和生产的油井水泥外加剂介绍437

三、国产油井水泥外加剂446

四、外加剂对水泥物理性能影响449

五、国外某服务公司计算一定密度和造浆率的水泥浆成本说明449

六、注水泥的前置液452

第五节 水泥浆流变学457

一、流变学基本概念和顶替机理457

二、ARCO公司推荐的流动计算和例题及“U”型管计算460

三、DS公司的流动计算及例题466

四、API标准10推荐的流动计算方法476

第六节 水泥浆设计479

一、水泥浆设计有关影响因素479

二、水泥浆性能设计的压力条件479

三、水泥浆使用的井温条件482

四、水泥浆的密度设计488

五、水泥浆的临界流速491

六、水泥浆设计考虑注替过程接触污染496

七、水泥浆设计考虑的水泥石支持强度与胶结质量以及热稳定性和抗腐蚀性496

八、关于水泥浆水灰比、稠化时间、失水量标准等设计497

九、水泥浆设计的现场计算497

第七节 注水泥工艺504

一、注水泥有关概念及注水泥技术504

二、注水泥505

三、注水泥条件参数确定510

四、注水泥的计算517

五、注水泥的各种工艺方法介绍521

六、尾管固井工艺524

七、分级注水泥技术533

八、管外封隔器及其它类型封隔器在固井作业中的应用541

第八节 挤水泥及注水泥塞547

一、挤水泥技术作业547

二、注水泥塞技术557

第九节 各种特殊条件类型井的注水泥工艺561

一、高压气层条件下的固井技术561

二、高温井固井工艺566

三、深井及超深井条件注水泥技术568

四、定向井及大斜度井固井技术571

五、盐岩层注水泥575

第十节 注水泥质量评价576

一、固井质量的鉴定576

二、有关水泥环质量的检查方法577

三、固井质量控制程序及水泥胶结测井指南583

参考文献585

第五章 钻井液586

第一节 概述586

第二节 钻井液性能要求与调整587

一、钻井液密度587

二、钻井液的流动性588

三、钻井液造壁性能588

四、固相含量589

五、钻井液酸碱度590

六、可溶性盐类含量591

第三节 钻井液流变性591

一、流动类型592

二、流变特征593

三、流型595

第四节 钻井液原材料及处理剂602

一、钻井液材料的分类602

二、各种主要钻井液材料604

第五节 常用钻井液体系及其应用630

一、API及IADC认可的钻井液体系630

二、我国标准化钻井液分委会初步分类631

三、钻井液体系的综合分类632

第六节 正确选择体系与搞好设计643

一、设计的前提643

二、选择钻井液体系的原则645

三、搞好设计及实施650

第七节 计算机在钻井液工作中的应用652

一、计算机在三个方面的应用652

二、钻井液程序库653

第八节 钻井液的主要计算653

一、体积计算653

二、钻井液循环数据计算654

三、密度及压力换算654

四、用重晶石加重钻井液的密度计算655

五、用水降低钻井液密度的计算655

六、常用钻井液材料的密度656

七、不同温度下水的密度657

八、氯化钠在水中的最高溶解度657

九、海水的平均密度及成分657

十、NaCI溶液的电阻率657

十一、常用指示剂的pH范围659

十二、各种酸和碱及其溶液的pH值660

第九节 有关规定和标准660

一、钻井泥浆管理条例660

二、钻井液测试推荐程序665

三、中华人民共和国石油工业部部标准 钻井液用膨润土(SY5060—85)674

四、中华人民共和国国家标准 钻井液用重晶石粉(Barite for drilling fluids)677

五、中华人民共和国石油工业部部标准 钻井液用石灰石粉(SY5061—85)682

六、钻井液用钒钛铁矿粉标准685

七、中华人民共和国石油工业部部标准 钻井液用羧甲基纤维素钠盐(Na—CMC)(SY 5093—86)691

八、中华人民共和国石抽工业部部标准 钻井液用水解聚丙烯腈—钙盐(SY 5063—85)696

九、钻井液用水解聚丙烯腈铵盐标准701

十、中华人民共和国石油工业部部标准 钻井液用磺化褐煤(SY 5092—87)706

十一、中华人民共和国石油工业部部标准 钻井液用磺化栲胶标准(SY 5091—87)710

十二、钻井液用铁铬木质素磺酸盐标准712

第六章 钻井液固相控制717

第一节 概述717

一、钻井液固相控制的意义717

二、固控方法717

第二节 钻井液中的固相719

一、钻井液中固相的分类及粒度分布719

二、颗粒大小对钻井和钻井液的影响720

三、固相的数学分析720

第三节 固控设备723

一、振动筛723

二、除气器727

三、旋流器732

四、清洁器736

五、离心机738

六、辅助设备740

第四节 固控系统的合理选择及经济分析743

一、选择固控系统的依据743

二、非加重钻井液的固控系统743

三、加重钻井液的固控系统745

四、密闭固控系统745

五、国内外的固控系统747

六、使用固控设备减少钻井液消耗749

七、固控设备的经济分析749

八、固控系统的经济分析754

第七章 钻井参数设计758

第一节 概述758

一、国外喷射钻井及优化钻井发展简况758

二、国内喷射钻井及优选参数钻井工艺发展简况760

三、钻井参数设计的内容766

第二节 钻井参数作用机理766

一、水力参数与机械参数交互作用的机理766

二、根据地层水力指数确定最经济水力参数的理论依据768

三、钻井液体系和钻井液密度及流变参数对钻速和井眼的作用机理772

第三节 钻井水力参数的设计方法778

一、优选泵型778

二、喷射钻井常用的两种工作方式779

三、计算循环压耗783

四、钻头水力参数的计算784

五、优选水眼组合785

六、水力设计程序786

七、水力分析程序788

八、符号说明789

第四节 钻井液及其参数设计790

一、喷射钻井对钻井液及其流变参数的要求790

二、钻井液流变模式的选择791

三、钻井液参数的设计方法794

四、符号说明805

第五节 地层可钻性与钻头选型806

一、岩石可钻性的测定——微钻头试验法806

二、应用数理统计方法研究地层可钻性——统计地层可钻性807

三、统计地层可钻性应用举例810

四、地层可钻性的梯度规律812

五、钻头选型814

第六节 通用钻速方程的建立815

一、通用钻速方程815

二、应用与说明815

第七节 牙轮钻头钻压和转速优选816

一、钻井模式819

二、钻井模式中系数、指数的确定及应用820

三、优选钻压及转速的计算机程序823

第八节 钻井参数设计程序应用825

一、设计步骤825

二、设计例题825

第九节 优选参数钻井工艺的配套技术及发展827

一、优选参数钻井工艺配套技术827

二、深井钻井工艺的发展829

第十节 附件829

一、石油工业部司局文件829

二、国外钻头分级及选型表831

参考文献846

第八章 井控技术847

第一节 检测地层异常压力的主要方法847

第二节 钻井设计对井控的要求848

一、套管设计848

二、地层分段钻井液密度848

三、油气水显示提示849

四、地层强度试验849

五、井控装置配套849

六、重泥浆及加重剂储备850

七、含硫化氢和二氧化碳井的设计850

八、钻调整井设计850

九、完井井口装置850

第三节 井控装置850

一、高压油气井井控装置的标准配套850

二、液压防喷器组合852

三、套管头862

四、节流压井管汇862

五、钻具内防喷工具865

六、钻具旁通阀866

七、起钻灌泥浆装置867

八、泥浆除气器867

九、泥浆循环池液面监测装置867

十、泥浆气体分离器868

十一、旋转防喷器869

第四节 钻开油气层前的准备工作869

第五节 钻开油气层技术措施870

第六节 预防和发现溢流870

一、溢流显示和征兆870

二、溢流的原因及其尽早发现871

三、气侵对井底压力的影响875

第七节 关井和关井压力876

一、选择关井方式、制订关井程序877

二、测定关井立管压力的方法878

三、各次开钻最大允许关井套压值879

第八节 压井方法879

一、压井基本数据计算880

二、压井方法882

第九节 压井作业中异常情况的判断与处理895

一、钻具断落895

二、钻具刺漏895

三、钻具堵塞896

四、钻头泥包或水眼堵塞896

五、节流管汇堵塞896

六、井漏896

第十节 井控作业中易出现的错误作法896

一、发现溢流后不及时关井、仍循环观察896

二、发现溢流后把钻具起到套管内896

三、起下钻溢流时仍企图起下钻完896

四、关井后长时间不进行压井作业896

五、压井泥浆密度过大或过小897

六、排除天然气溢流时保持泥浆池液面不变897

七、企图敞开井口使压井泥浆的泵入速度大于溢流速度897

八、关井后闸板刺漏仍不采取措施897

第十一节 井喷失控的处理897

一、成立现场抢险组、制订抢险方案897

二、未着火的失控井应严防着火，无论着火与否皆要保护好井口装置897

三、划分安全区898

四、清除井口周围的障碍物898

五、灭火898

六、设计和换装新的井口装置899

七、不压井强行起下管柱、压井或不压井完井900

第十二节 井控技术的有关规定和标准901

一、井控工艺方面901

二、井控装置方面901

附录一 中华人民共和国石油工业部部标准905

附录二 石油与天然气钻井井控计术规定911

参考文献919

第九章 钻柱与下部钻具组合设计920

第一节 钻柱的作用与组成921

一、钻柱的作用921

二、钻柱的组成921

第二节 组成钻柱的主要钻井工具的规范与特性921

一、方钻杆921

二、钻杆921

三、加重钻杆937

四、钻铤937

五、井下马达942

六、其它钻井工具947

第三节 钻柱的设计与计算950

一、钻铤柱的设计与计算950

二、钻杆柱的设计与计算951

三、典型钻柱的设计计算示例——以超拉极限为基础954

四、特殊的计算问题956

第四节 井斜控制958

一、井斜的原因958

二、井斜的危害963

三、井斜控制的要求964

四、防斜钻直井工艺技术966

第五节 下部钻具组合设计969

一、下部钻具组合设计的基本原则969

二、满眼钻具组合设计970

三、钟摆钻具组合的设计971

四、震击器与减震器的安放位置975

五、用金刚石钻头的下部钻具组合976

参考文献976

附录 本手册所用常用许用单位和非许用单位换算表977