钻井技术基础

概述  

   经过石油工作者的勘探会发现储油区块 , 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圆柱孔眼，并钻达地下油气层的工作，称为钻井。

   在石油勘探和油田开发的各项任务中，钻井起着十分重要的作用。诸如寻找和证实含油气构造、获得工业油流、探明已证实的含油气构造的含油气面积和储量，取得有关油田的地质资料和开发数据，最后将原油从地下取到地面上来等等，无一不是通过钻井来完成的。钻井是勘探与开采石油及天然气资源的一个重要环节，是勘探和开发石油的重要手段。
    石油勘探和开发过程是由许多不同性质、不同任务的阶段组成的。在不同的阶段中，钻井的目的和任务也不一样。一些是为了探明储油构造，另一些是为了开发油田、开采原油。为了适应不同阶段、不同任务的需要，钻井的种类可分为以下几种。

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，提供地球物理参数而钻的井。一般钻到基岩并要求全井取心。
剖面井：在覆盖区沿区域性大剖面所钻的井。目的是为了揭露区域地质剖面，研究地层岩性、岩相变化并寻找构造。主要用于区域普查阶段。
参数井：在含油盆地内，为了解区域构造，提供岩石物性参数所钻的井。参数井主要用于综合详查阶段。

构造井：为了编制地下某一标准层的构造图，了解其地质构造特征，验证物探成果所钻的井。
探井：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及取得油气开发所需的地质资料而钻的井。各勘探阶段所钻的井，又可分为预探井，初探井，详探井等。
资料井：为了编制油气田开发方案，或在开发过程中为某些专题研究取得资料数据而钻的井。
生产井：在进行油田开发时，为开采石油和天然气而钻的井。生产井又可分为产油井和产气井。

注水(气)井: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。专为注水注气而钻的井叫注水井或注气井，有时统称注入井。

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，以及了解各项调整挖潜措施的效果而钻的井。
观察井：油田开发过程中，专门用来了解油田地下动态的井。如观察各类油层的压力、含水变化规律和单层水淹规律等!它一般不负担生产任务。
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（包括生产井、注入井、观察井等）。这类井的生产层压力或因采油后期呈现低压，或因注入井保持能量而呈现高压。
    在整个油田的开发中，有勘探、建设、生产几个阶段，各阶段彼此互有联系，而且都需要进行大量钻井工作!高质量、快速和高效率地钻井是开发油田的重要手段!

==钻机八大系统==

    钻机是在石油钻井过程中，带动钻具向地层钻进的一系列机械设备的总称，又叫钻探机。大家常见在耸立在大地上巍峨的井架，只是钻机一部分，下边大家一起来学习钻机八大系统！

石油钻机概念

     钻机是在石油钻井过程中，带动钻具向地层钻进的一系列机械设备的总称，又叫钻探机。主要作用是带动钻具破碎井底岩石，下入或提出在井内的钻具等 。  

钻机八大系统

     钻机一般有八大系统（起升系统、旋转系统、钻井液循环系统、传动系统、控制系统和监测显示仪表、动力驱动系统、钻机底座、钻机辅助设备系统），要具备起下钻能力、旋转钻进能力、循环洗井能力。其主要设备有：井架、天车、绞车、游动滑车、大钩、转盘、水龙头（动力水龙头）及钻井泵（现场习惯上叫钻机八大件）、动力机（柴油机、电动机、燃气轮机）、联动机、固控设备、井控设备等。

起升系统

    为了起升和下放钻具、下套管以及控制钻压、送进钻具，钻具配备有起升系统。起升系统包括绞车、辅助刹车、天车、游车、大钩、钢丝绳以及吊环、吊卡、吊钳、卡瓦等各种工具。起升时，绞车滚筒缠绕钢丝绳，天车和游车构成副滑轮组，大钩上升通过吊环、吊卡等工具实现钻具的提升。下放时，钻具或套管柱靠自重下降，借助绞车的刹车机构和辅助刹车控制大钩的下放速度。在正常钻进时，通过刹车机构控制钻具的送进速度，将钻具重量的一部分作为钻压施加到钻头上实现破碎岩层。

旋转系统

    旋转系统是转盘钻机的典型系统，其作用是驱动钻具旋转以破碎岩层，旋转系统包括转盘、水龙头、钻具。根据所钻井的不同，钻具的组成也有所差异，一般包括方钻杆、钻杆、钻铤和钻头，此外还有扶正器、减震器以及配合接头等。    其中钻头是直接破碎岩石的工具，有刮刀钻头、牙轮钻头、金刚石钻头等类型。钻铤的重量和壁厚都很大，用来向钻头施加钻压，钻杆将地面设备和井底设备联系起来，并传递扭矩。方钻杆的截面一般为正方形，转盘通过方钻杆带动整个钻柱和钻头旋转，水龙头是旋转钻机的典型部件，它既要承受钻具的重量，又要实现旋转运动，同时还提供高压泥浆的通道。

循环系统

    为了将井底钻头破碎的岩屑及时携带到地面上来以便继续钻进，同时为了冷却钻头保护井壁，防止井塌井漏等钻井事故的发生，旋转钻机配备有循环系统。循环系统包括钻井泵，地面管汇、泥浆罐、泥浆净化设备等，其中地面管汇包括高压管汇、立管、水龙带，泥浆净化设备包括震动筛、除砂器、除泥器、离心机等。

     钻井泵将泥浆从泥浆罐中吸入，经钻井泵加压后的泥浆，经过高压管汇、立管、水龙带，进入水龙头，通过空心的钻具下到井底，从钻头的水眼喷出，经井眼和钻具之间的环行空间携带岩屑返回地面，从井底返回的泥浆经各级泥浆净化设备，除去固相含量，然后重复使用。

动力设备

     起升系统、循环系统和旋转系统是钻机的三大工作机组，它们协调工作即可完成钻井作业，为了向这些工作机组提供动力，钻机需要配备动力设备。钻机的动力设备有柴油机、交流电机、直流电机。柴油机适应于在没有电网的偏远地区打井，交流电机依赖于工业电网或者是需要柴油机发出交流电，直流电机需要柴油机带动直流发电机发出直流电，目前更常用的情况是柴油机带动交流发电机发出交流电，再经可控硅整流，将交流电变成直流电。

传动系统

   传动系统将动力设备提供的力和运动进行变换，然后传递和分配给各工作机组，以满足各工作机组对动力的不同需求。传动系统一般包括减速机构、变速机构、正倒车机构以及多动力机之间的并车机构等。由柴油机直接驱动的钻机多采用统一驱动的形式，传动系统相对复杂，由交直流电动机驱动的钻机多采用各机组单独或分组驱动的形式，传动系统得到了很大的简化。

控制系统

   为了保证钻机的三大工作机组协调的工作，以满足钻井工艺的要求，钻机配备有控制系统。控制方式有机械控制、气控制、电控制和液控制等。目前，钻机上常用的控制方式是集中气控制。司钻通过钻机上司钻控制台可以完成几乎所有的钻机控制：如总离合器的离合；各动力机的并车；绞车、转盘和钻井泵的起、停；绞车的高低速控制等。

井架和底座

   井架和底座用来支撑和安装各钻井设备和工具、提供钻井操作场所。井架用来安装天车、悬挂游车、大钩、水龙头和钻具，承受钻井工作载荷，排放立根；底座用来安装动力机组、绞车、转盘、支撑井架，借助转盘悬持钻具，提供转盘和地面之间的高度空间，以安装必要的防喷器和便于泥浆循环。

辅助设备

    为了保证钻井的安全和正常进行，钻机还包括其他的辅助设备，如防喷器组，为钻井提供照明和辅助用电的发电机组，提供压缩空气的空气压缩设备以及供水、供油设备等。

==钻头==

   钻头是石油钻井中，用来破碎岩石形成井眼的工具，其工作性能的好坏将直接影响钻井质量、钻井效率和钻井成本。

钻头分类

   按类型可分为刮刀钻头、牙轮钻头、金刚石钻头和PDC钻头等四种；

    按功用分为全面钻进钻头、取心钻头和特殊工艺用钻头（比如扩眼钻头、定向造斜钻头等）。

刮刀钻头

刮刀钻头是旋转钻井使用最早的一种钻头，从十九世纪开始采用旋转钻井方法的时候就开始使用这 种钻头，而且直到现在某些油田仍在使用。 这种钻头主要用在软地层和粘软地层，具有很高的机械钻速和钻头进尺。 刮刀钻头最大的优点是结构简单，制造方便，成本低，各油田可自行设计和制造。

   1）刮刀钻头的结构

   刮刀钻头由钻头体、刮刀片、分水帽和喷嘴四部分组成。钻头体是刮刀钻头焊接刮刀片和分水帽的 本体，采用中碳钢材料 加工而成。下端焊接 刮刀片和分水帽，上端车有丝扣和钻柱连接 。 刮刀片又称刀翼，是刮刀钻头主要工作部 件。

   2）刮刀钻头工作原理

   刮刀钻头以切削方式破碎岩石。刮刀钻头在 软的塑性地层工作时，其切削过程类似于刀具切削软金属。刀片在钻压的作用下吃入地层，与此同时刀刃前面的岩石在扭转力的作用下不断产生塑性流动， 井底岩石被层层剥起 。刮刀钻头钻进脆性较大的地层时，破碎岩石的过程则分为碰撞 、压碎及小剪切和大剪切三个阶段：

• 碰撞:刃前岩石破碎后，岩石对刀片的扭转 阻力减小， 刀片向前推进，碰撞刃前岩石；

• 压碎及小剪切:刀片在扭转 力作用下压碎前方的岩石，使其产生小剪切破碎；

• 扭转力增大:刀片继续 挤压前方岩石，当扭转力增大到极限值时，岩石沿剪切面产生大剪切破碎，然后扭转力突然减小 。

• 碰撞、压碎及小剪切、大剪切这三个过程反复进行，形成刮刀钻头破碎塑脆性岩石的全过程。

  3）刮刀钻头的正确使用

    刮刀钻头适用于软地层和粘软地层。钻进时需要适当控制钻压与转速，注意防斜、防蹩、防止刀翼断裂。由于刮 刀钻头在软地层中的机钻速较快，岩屑量较大，宜采用 大排量钻进，充分清洗井底和冷却钻头。刮刀钻头钻进时 ，刀翼外侧线速度较高，磨损速度较快，钻头容易磨损成锥形，此时要特别注意防斜和防止井径缩小。

牙轮钻头

     从1909年第一只牙轮钻头问世后，牙轮钻头便在全世界范围内得到了最广泛的应用。三牙轮钻头是目前旋转钻井作业中使用地最普遍的钻头。 这种类型的钻头具有不同的牙齿设计和轴承结类型，因此能够适应各种类型地层。在钻井作业中，根据所钻地层性质正确选用合适结构的牙轮钻头，就可获得令满意的钻进速度和钻头进尺。

    1）三牙轮钻头的基本结构

• 钻头本体：有三 片牙掌组装焊接在一起,上部有连接丝扣。

• 牙轮：由牙轮体和牙齿组成 锥形的 金属体。牙齿分铣齿和镶齿两种类型

• 轴承及其储油密封装置  

• 喷嘴

     2）牙轮钻头的工作原理

    牙轮钻头在井底工作时，钻头整体围绕钻头轴线旋转称之为公转，三个牙轮则依其自己的轴线在井底滚动称之为自转。钻头承受的钻压通过牙齿作用在岩石上，使岩石破碎（压碎作用）。 牙轮在滚动过程中，以单齿、双齿交替接触井底，牙轮中心的位置忽高忽低，使钻头产生纵向振动。这种纵向振动使钻柱不断压缩与伸张，下部钻柱把这种周期性变化的弹性变形能通过牙齿转化为对地层的冲击作用力用以破碎岩石。这种冲击、压碎作用是牙轮钻头破碎岩石的主要方式。 

    牙轮钻头除了对井底岩石产生冲击、压碎作用外，还对井底岩石产生剪切作用。牙轮在井底滚动的同时还产生牙齿对井底的滑动，牙齿的滑动对井底岩石形成剪切作用， 像刮刀钻头那样刮削井底。牙齿的滑动主要是由牙轮的超顶、副锥和移轴布置引起的。牙轮的超顶布置复锥牙轮引起切线方向的滑动， 牙轮的移轴布置则引起轴向方向的滑动。一般地，钻软到中硬地层的钻头兼有超顶、复锥和移轴；钻中硬到硬地层的钻头在设计上有超顶和复锥；钻极硬和研磨性较强地层的钻头常采用单锥牙轮，不超顶也不移轴。

    3）牙轮钻头的分类及选用

    牙轮钻头生产厂商众 多，这些钻头厂商提供了多种类型和结构的钻头。为了便于牙轮钻头的选择和使用， 国际钻井承包商学会(IADC)制定了全世界统一的牙轮钻头分类标准及编号方法。

   IADC规定，每一类钻头用三位数字代表，个数字意义如下：

   第一位数字表示牙齿 类型及适钻地层： 1- 铣齿，软地层； 2- 铣齿，中到中硬地层； 3- 铣齿，硬、研 磨性或半研磨性地层； 4- 备用； 5- 镶齿，软到中等地层； 6- 镶齿，中硬地层； 7- 镶齿，硬、研磨性或半研磨性地层； 8- 镶齿，极硬、高研磨性地层。 

   第二位数字表示所钻地层再细分为1，2，3，4四个硬度等级。

   第三 位数字表示钻头的结构特征： 1- 无密封滚动轴承； 2- T型外排齿保径；3- 规 径上有镶齿保径；4- 密封滚动轴承； 5- 密封滚动轴承，规径上有镶齿保径； 6- 密封滑动轴承； 7- 密封滑动轴承，规径上有镶齿保径；8- 定向井造斜钻头； 9- 其它。 

金刚石钻头

    金刚石钻头是指靠镶嵌在钻头胎体上的金刚石颗粒破碎岩石的钻头。金刚石是目前人类所知材料中硬度最大、耐磨性最高的材料，因此金刚石钻头用于硬的、高研磨性地层，可获得比较高的钻头进尺。虽然金刚石比较昂贵，但金刚石钻头磨损，单只钻头进尺高，在当今的石油钻井仍有较强的竞争力。目前，金刚石钻头在普通的旋转钻井以及涡轮钻井和取芯作业中都得到了广泛的使用，其中热稳定聚晶金刚石齿（TSP），应用尤其广泛。

 1）金刚石钻头结构特点

      金刚石钻头属一体式钻头，整个钻头无活动部件，主要有钻头体，冠部，水力结构（包括水眼或喷嘴、水槽亦称流道，排屑槽），保径、切削刃（齿）五部分 ，金刚石钻头的冠部是钻头切削岩石的工作部分，其表面（工作面）镶装有金刚石材料切削齿，并布置有水力结构，其侧面为保径部分（镶装保径齿）它和钻头体相连，由碳化钨胎体或钢质材料制成。钻头体是钢质材料体，上部是丝扣和钻柱相连接，其下部与冠部胎体连结在一起（钢质的冠部则与钻头体成为一个整体）。 

   2）金刚石钻头的工作原理
     金刚石钻头钻进时，钻头表面上的多粒金刚石同时作用于岩石。金刚石破碎岩石的作用在不同性质的岩石中表现出不同的特性。在塑性地层（或岩石在应力作用下呈塑性的地层），金刚石在钻压的作用下吃入地层并在钻头扭矩的作用下使前方的岩石发生破碎或塑性流动，该破岩过程类似于'犁地'过程，故称作'犁削'。

    在脆性较大的地层中钻进时，金刚石破碎岩石的作用主要是'压碎'，在钻压和扭矩作用下所产生的应力可使刃下岩石沿最大剪应力面开裂，在金刚石移动的后部形成被压裂了沟槽，这种情况下岩石破碎的体积远大于金刚石吃入后破碎的体积，岩石破碎具有体积破碎的性质，破岩效率较高。

    在坚硬地层（如燧石、硅质白云岩等）中，一般采用将细颗粒金刚石包镶在胎体内部的孕镶式金刚石钻头钻进，其破岩过程同砂轮的磨削相似。钻头上每一个包孕的金刚石都是小刃齿，钻头可看作有无数个刃的刀具。钻头钻进岩石时，钻头上出露的棱角锋利的金刚石刃齿以微切削、刻划等方式来破碎岩石。磨削破岩属于表面破碎，破岩效率较低。
  3）金刚石钻头的正确使用
     金刚石钻头适用钻中到坚硬、研磨性地层和涡轮钻井、深井超深井钻井以及取芯作业。使用金刚石钻头前，井底要打捞干净，保证没有金属落物。钻头刚下到井底时，要先用小钻压、低转速跑合。然后采用相对较低的钻压（和牙轮钻头相比），较高的转速和较大的排量钻进。应尽量避免划眼。如果必须进行划眼，应采用低钻压和低转速，操作要均匀，防止钻头规径部分金刚石碎裂和过度磨损。

PDC钻头（Polycrystalline Diamond Compact Bit）
     PDC钻头是聚晶金刚石复合片钻头的简称，亦称聚晶金刚石切削块钻头或复合片齿钻头。从1973年美国通用电气公司引入PDC切削块，研制出第一个PDC钻头后，PDC钻头便以其钻速快、寿命长、进尺高等优势，在石油钻井中得到了广泛的应用。几乎所有钻头制造商都采用了这一技术，开始生产自己的PDC钻头系列。

 1）PDC钻头的结构特点
        PDC钻头由钻头体、PDC切削齿和喷嘴等部分组成，按结构与制造工艺的不同分为钢体和胎体两大系列。

•   刚体PDC钻头的整个钻头体都采用中碳钢材料并采用机械 制造工艺加工成形。在钻头工作面上钻孔，以压入紧配合方式将PDC切削齿固紧在钻头冠部。钻头冠部采用表面硬化工艺（喷涂碳化钨耐磨层、渗碳等）进行处理，以增强其耐冲蚀能力。这种钻头的主要优点是制造工艺简单；缺点是钻头体不耐冲蚀，切削齿难以固牢，目前应用较少。

•   胎体PDC钻头的钻头体上部为钢体，下部为碳化钨耐磨合金 胎体，采用粉末冶金烧结工艺制造成型。用低温焊料将PDC切削齿焊接在胎体预留窝槽上。碳化钨胎体硬度高，耐冲蚀，因而胎体PDC钻头寿命长，进尺高，目前应用比较广泛。
  

 2）PDC钻头的工作原理
       PDC钻头是以切削方式破碎岩石。能自锐的切削齿在钻压的作用下很容易切入地层，在扭矩的作用下向前移动剪切岩石。多个PDC切削齿同时工作，井底岩石的自由面多，岩石在剪切作用下也容易破碎，因此破岩效率高，钻进速度快。

 3）PDC钻头的正确使用

• PDC钻头在大段均质的软到中硬地层中使用效果最好。不适合钻砾石层和软硬交错地层。

• 采用低钻压、高转速、大排量钻进，钻头使用效果好。
  

• 钻头下井前，井底要清洁，确保无金属落物。
  

• 钻头刚下井时，要采用小钻压和低转速跑和，待形成井底后恢复正常钻进。

• PDC钻头属于整体式钻头，无任何活动部件，适合高转速的涡轮钻井。

==定向井==

定向井概念

   定向井就是使井眼轨迹沿着预先设计的井斜和方位钻达目的层的钻井方法。定向井技术是当今世界石油勘探开发领域最先进的钻井技术之一，它是由特殊井下工具、测量仪器和工艺技术有效控制井眼轨迹，使钻头沿着特定方向钻达地下预定目标的钻井工艺技术。

     采用定向井技术可以使地面和地下条件受到限制的油气资源得到经济、有效的开发，能够大幅度提高油气产量和降低钻井成本，有利于保护自然环境，具有显著的经济效益和社会效益。

定向井类型

   定向井主要包括定向井、丛式井、水平井、 大位移井、侧钻井、分支井、径向水平井、小井眼井、柔性管钻井及欠平衡压力钻井等。

定向井的优势

  1、尽可能挖掘各种油气藏潜能，提高采收率；

  2、减少布井数量，减少开发投资；

  3、避免或减少开采过程中的井下复杂情况；

  4、少占用土地，减小环境保护的压力，提高勘探开发的总体经济效益。

基本要素

   描述定向井井身空间位置及形状的方法 是对井眼进行测量，每个测点有 三个数据，即测深、井斜角、井斜方位角，我们称这三项测量数 据为井身的基本要素。

    1）测深(Measure depth)：井身轴线上任一点到井口的井身长度，称为该点的测深，也称为该点的测量斜深。通常用字母L表示，其测量单位是米或英尺。

    2）井斜角(Hole inclination or Hole angle)：井测点处的井眼方向线（切线）与通过该点的重力线之间的夹角称为该点处的井斜角。井眼方向线和重力线都是有向直线。通常用希腊字母α表示，其测量单位为度。

    3）井斜方位角(Hole Direction)：是以正北方位线为始边，顺时针旋转至井斜方位线所转过的角度。通常以?表示，单位度。 它还可以用象限值表示，是指它与正方位线或与正南方位线之间的夹角，象限值在0-90°之间变化，并要注明象限。

井身参数

   1）垂深：(Vertical Depth Or True Vertical Depth)即测点的垂直深度。通常用H表示，如A、B点的垂深分别表示为HA、HB。
   2）水平长度：是指自井口至测点的井眼长度在水平面上的投影长度。用S表示，如A点的水平长度表示为SA。
   3）水平位移：(Displacement or Closure Distance)即井眼轴线某一点在水平面上的投影至井口的距离，也称闭合距。用A表示，如A点的水平位移表示为AA。
   4）闭合方位角或总方位：(Closure Azimuth)是指以正北方位线为始边顺时针转至闭合距方位线上所转过的角度。用θ表示，如A点的闭合方位角表示为θA。
   5）N(北)坐标和E(东)坐标：是指测点在以井口为原点的水平面坐标系里的坐标值。
   6）视平移：(Vertical Section)是井身上某点在某一垂直投影面上的水平位移，它不是真实的水平位移，所以称之为视平移。AA为闭合位移，VA为视平移。视平移与水平位移越接近，说明井眼方位控制的越好。水平位移都是正值，而视平移可能是正值，也可能是负值。负值的视平移说明闭合方位线与设计方位线的差值已大于90度，这种情况常出现于造斜前的直井段。

专用名词

   1）造斜点(Kick Off Point)：在定向井中,开始定向造斜的位置叫 “造斜点”。通常以开始定向造斜的井深来表示。    

   2）井斜变化率：单位井段内井斜角的改变速度称为 “井斜变化率”。通常以两测点间井斜角的变化量与两测点间井段的长度的比值表示。常用单位是：°/10m，°/25m 和°/100 m。  

   3）方位变化率：单位井段内方位角的变化值，称为方位变化率。通常以两测点间方位角的变化量与两测点间 井段长度的比值表示。常用单位有：°/10m，°/25m 和°/100m。  

   4）造斜率：造斜率表示了造斜工具的造斜能力。其值等于用该造斜工具所钻出的井段的井眼曲率。不等于井眼变化率。    

   5）增(降)斜率：指的是增(降)斜井段的井斜变化率。其井斜变化为正值时为增斜率。负值为降斜率。    

   6）全角变化率：(Dogleg Seventy)“全角变化 率 ”、“狗腿严重度 ”、“井眼曲率”，都是相同的意义。指的是在单位井段内井眼前 进的方向在三维空间内的角度变化。它即包含了井斜角的变化又包含着方位角的变化。其计量单位为：°/25m或°/30m。    

   7）增斜段：井斜角随井深增加的井段，称为增斜段。

   8）稳斜段：井斜角保持不变的井段，称为稳斜段。    

   9）降斜段：井斜角随着井深的增加而逐渐减小的井段称为降斜段。  

 10）目标点：(Target)设计规定的、必须钻达的地层位置，称为目标点。通常是以地面井口为坐标原点的空间坐标系的坐标值来表示。    

 11）靶区半径：允许实钻井眼轨迹偏离设计目标点的水平距离，称为靶区半径。所谓靶区，就是在目标点所在的水平面上，以目标点为圆心，以靶区半径为半径的一个圆面积。靶区半径的大小，根据勘探开发的需要或钻井的目的而定。    

 12）靶心距：在靶区平面上，实钻井眼轴线与目标点之间的距离，称为靶心距。    

 13）工具面：(Tool Face)在造斜钻具组合中，由弯曲工具的两个 轴线所决定的那个平面，称为工具面。    

 14）反扭角：使用井底马达带弯接头进行定向造斜或扭方位时，动力钻具启动前的工具面与启动后且加压钻进时的工具面之间的夹角，称为反扭角。反扭角总是使工具面逆时针转动。    

 15）高边：(High Side)定向井的井底是个呈倾斜状态的圆平 面。称为井底圆。井底圆上的最高点称为高边。从井底圆心至高边之间的连线所指的方向，称为井底的“高边方向”。高边方向上的水平投影称为高边方位。即井底的方位。    

 16）工具面角：(Tool Face Angle)工具面角是表示造斜工具下到井底后，工具面所在的位置的参数。工具面角有两种表示方法： 一种是以高边为基准((High Side Mode)，另一种是以磁北为基准(Magnetic Mode）。高边基准工具面角，简称高边工具角。是指高边方向线为始边，顺时针转到工具面与井底圆 平面的交线上所转过的角度。 由于高边方向线在水平面上的投影，即为井底方位线。所以，若以正北方位线为始边，顺 时针转到井底方位线上所转过的角度，即为井底方位角。 磁北基准工具面角(简称磁北工具面角)等于高边工具面角加上井底方位角。

小结 

   定向井就是使井眼轨迹沿着预先设计的井斜和方位钻达目的层的钻井方法，定向井技术可以使地面和地下条件受到限制的油气资源得到经济、有效的开发，大幅度提高油气产量、降低钻井成本，具有显著的经济效益和社会效益。

==钻井液==

钻井液的概念

     钻井液(Dlilling Fluids)是指油气钻井过程中以其多种功能满足钻井工作需要的各种循环流体的总称。钻井液又称做钻井泥浆(Drilling Muds)，或简称为泥浆(Muds)。

钻井液的分类

      钻井液由分散介质、分散相和添加剂组成。钻井液按分散介质(连续相)可分为水基钻井液、油基钻井液、气体型钻井流体等。钻井液主要由液相、固相和化学处理剂组成。液相可以是水(淡水、盐水)、油(原油、柴油)或乳状液（混油乳化液和反相乳化液)。固相包括有用固相(膨润土、加重材料)和无用固相(岩石)。化学处理剂包括无机、有机及高分子化合物。

   1）水基钻井液

  水基钻井液是一种以水为分散介质，以粘土(膨润土)、加重剂及各种化学处理剂为分散相的溶胶悬浮体混合体系。其主要组成是水、粘土、加重剂和各种化学处理剂等。

   2）油连续相钻井液

  油连续相钻井液(习惯称为油基泥浆)，是一种以油(主要是柴油或原油)为分散介质，以加重剂、各种化学处理剂及水等为分散相的溶胶悬浮混合体系。其主要组成是原油、柴油、加重剂、化学处理剂和水等。

   3）气体型钻井流体

  气体钻井液是以空气或天然气作为钻井循环流体的钻井液，泡沫钻井液是以泡沫作为钻井循环流体的钻井液。主要组成是液体、气体及泡沫稳定剂等。

钻井液循环系统

    钻井液的循环是通过循环泥浆泵来维持的，泥浆泵排出的高压钻井液经过地面高压管汇、立管、水龙带、水龙头、方钻杆、钻杆、钻铤到钻头，从钻头喷嘴喷出，以清洗井底并携带岩屑。然后再沿钻柱与井壁（或套管）形成的环形空间向上流动，在到达地面后经排出管线流入泥浆池，再经各种固控设备进行处理后返回上水池，最后进入泥浆泵循环再用。钻井液流经的各种管件、设备构成了一整套钻井液循环系统。

钻井液的功能

    目前，钻井液被公认为至少有以下十种作用：

   1） 清洁井底、携带岩屑。保持井底清洁，避免钻头重复切削，减少磨损，提高效率。
   2） 冷却和润滑钻头及钻柱。降低钻头温度，减少钻具磨损，提高钻具的使用寿命。
   3） 平衡井壁岩石侧压力，在井壁形成滤饼，封闭和稳定井壁。防止对油气层的污染和井壁坍塌。
   4） 平衡(控制)地层压力。防止井喷，井漏，防止地层流体对钻井液的污染。
   5） 悬浮岩屑和加重剂。降低岩屑沉降速度，避免沉沙卡钻。  

   6） 在地面能沉除砂子和岩屑。
   7） 有效传递水力功率。传递井下动力钻具所需动力和钻头水力功率。  

   8） 承受钻杆和套管的部分重力。钻井液对钻具和套管的浮力，可减小起下钻时起升系统的载荷。
   9）  供所钻地层的大量资料。利用钻井液可进行电法测井，岩屑录井等获取井下资料。
 10）水力碎岩石。钻井液通过喷嘴所形成的高速射流能够直接破碎或辅助破碎岩石。

钻井液的组成
     1）水基钻井液是由膨润土(Bentonite)、水(或盐水)、各种处理剂、加重材料以及钻屑所组成的多项分散体系。其中膨润土和钻屑的平均密度均为2.6g/cm3，通常称它们为低密度固相；而加重材料常被称为高密度固相。

    最常用的加重材料为API重晶石，其密度为4.2g/cm3。由于在水基钻井液中膨润土是最常用的配浆材料，在其中主要起提粘切、降滤失和造壁等作用，因而又将它和重晶石等加重材料称做有用固相，而将钻屑称做无用固相。

    在钻井液中，应通过各种固控措施尽量减少钻屑的含量，膨润土的用量也应以够用为度，不宜过大，否则会造成钻井液粘切过高，还会严重影响机械钻速，并对保护油气层产生不利影响。
     2）油基钻井液是以水滴为分散相，油为连续相，并添加适量乳化剂、润湿剂、亲油的固体处理剂(有机土、氧化沥青等)、石灰和加重材料等所形成的乳状液体系。

钻井液性能

     按照API推荐的钻井液性能测试标准，需检测的钻井液常规性能包括：密度、漏斗粘度、塑性粘度、动切力、静切力、API滤失量、HTHP滤失量、PH值、碱度、含砂量、固相含量、膨润土含量和滤液中各种离子的质量浓度等。
   1）钻井液密度
   钻井液的密度是指每单位体积钻井液的重量，常用g/cm3（或kg/cm3）表示。在钻井工程上，钻井液密度和泥浆比重（Mud Weight）是两个等同的术语。钻井液密度是确保安全、快速钻井和保护油气层的一个十分重要的参数。通过钻井液密度的变化，可调节钻井液在井筒内的静液柱压力，以平衡地层孔隙压力。有时亦用于平衡地层构造应力，以避免井塌的发生。如果密度过高，将引起钻井液过度增稠、易漏失、钻速下降、对油气层损害加剧和钻井液成本增加等一系列问题；而密度过低则容易发生井涌甚至井喷，还会造成井塌、井径缩小和携屑能力下降。  

    2）钻井液的流变性
   钻井液的流变性(Rheological  Properties of Drilling Flrids)是指钻井液流动和变形的特性。该特性通常是由不同的流变模式及参数来表征的.此外，漏斗粘度(Funnel Viscosity)、表现粘度(Apparent Viscosity)和静切力(Gel Strength)等也是钻井液的重要流变参数。由于钻井液的流变性与携岩、井壁稳定、提高机械钻速和环空水力参数计算等一系列钻井工作密切相关，因此它是钻井液最重要的性能之一。

    3)钻井液的滤失造壁性
   在钻井过程中，当钻头钻过渗透性地层时，由于钻井液的液柱压力一般总是大于地层孔隙压力，在压差作用下，钻井液的液体便会渗入地层，这种特性常称为钻井液的滤失性(Filtration Properties Fluids)。在液体发生渗滤的同时，钻井液中的固相颗粒会附着并沉积在井壁上形成一层泥饼(Mud Cake)。随着泥饼的逐渐加重以及在压差作用下被压实，针对裸眼井壁有效地起到稳定和保护作用，这就是钻井液的所谓造壁性。

   由于泥饼的渗透率远远小于地层的渗透率，因而形成的泥饼还可以有效地阻止钻井液中的固相和滤液继续侵入地层。在钻井液工艺中，通常用一个重要参数—滤失量(Water Loss or Foltration Rate)来表征钻井油液的渗滤速率。

钻井液的选用标准
     钻井液是钻井的“血液”，在钻井作业中起着非常重要的作用。因此对钻井液要求很高，主要有四个方面：  

   1）钻井循环的要求

   钻井循环对钻井液的要求是泵压低(粘度低)，携砂能力强(动切力高)，启动泵压低(静切力低)，润滑性能好，摩擦力低，磨损小(固体颗粒少)。  

   2）要保持井眼的稳定
  钻穿的地层要用钻井液的压力柱与地层压力取得平衡，钻井液密度稳定；钻井油气层时要靠钻井液的压力柱来平衡油气的压力要求钻井液密度适当。要求钻井液有克服不稳定地层的性能，例如泥岩吸水膨胀造成井眼收缩；砾岩、火山岩遇水造成跨塌，盐岩遇水而形成溶洞等，即要求有不同性质的钻井液。  

  3）要求钻井液保护油气层
 钻开油气层后，钻井液与油气层接触，为防止钻井液损害油气层，要求钻井液的失水小、泥饼薄(钻井液失水后，固压差固体颗粒在井壁上形成泥饼环)、固相含量低、滤液的水化作用低(滤液进入地层后与地层中的液体发生的化学作用)等。  

   4）保护环境和生态
  钻井液中常含有原油、柴油和各种油类以及含有大量的化学处理剂，为防止钻井液对环境和生态可能造成的影响，要求使用无害、无毒的钻井液。

三维动画 | 钻井液

==钻井事故及预防==

    钻井是一项隐蔽的地下工程，存在着大量的模糊性、随机性和不确定问题。由于对客观情况的认识不清或主观意识的决策失误，往往会产生许多复杂情况甚至造成严重的事故，轻者耗费大量人力、物力和时间，重者导致全井的废弃。

常见的钻井事故

    钻井过程中最容易发生的井下工程事故主要有：钻头事故(断刮刀片、掉牙轮和掉钻头等)、钻具事故钻具刺坏、断钻具等)、套管事故(卡套管、断套管等)、井下落物事故(小工具等落入井内)、卡钻事故(钻具在井内不能上下活动或转动)、测井事故(测井电缆遇卡、遇阻或测井仪器落井等)、注水泥事故(固井时水泥浆在钻具内未替出、水泥浆返高不够，或将水泥浆全部替出环形空间等)和井喷失控事故(不能人为控制的钻井井喷)等。

钻井事故发生的原因

1）地质因素

    钻井的对象是地层，而地层结构有硬有软，压力系统有高有低，孔隙有大有小，如果对这些情况没有足够的了解，就难免要发生难以预料的问题。

     首先我们应该了解设计井的地层孔隙压力、地层破裂压力、地层坍塌压力及一些特殊地层（盐膏、软泥岩）的蠕变应力，作为井身结构和钻井液设计的主要依据。一般地说，在同一个裸眼井段内不能让喷、漏层同时存在，不能让蠕变层与漏层同时存在。如果在井身结构上无法实现上述要求，而且高压层和蠕变层在漏层的下部，那就应对漏层进行预处理，不能盲目向深部钻进。如果高压层或蠕变层下部有低压层或漏失层，那就只好把高压层或蠕变层用套管封掉。

     其次，对一些特殊地层如在一定温度、压力下发生蠕变的盐岩层、膏盐层、富含水的软泥岩层、吸水膨胀的泥岩层、裂缝发育容易坍塌剥落的泥岩层、煤层及某些火成岩侵入层都应有较详细的了解，因为这些地层是造成井下复杂的主要原因。同时对一些地质现象如断层、裂缝、溶洞、特高渗透层的位置及硫化氢、二氧化碳的存在和含量也应有所了解。

      以上这些资料对打成一口井来说至关重要。但地质部门所提供的比较详细的资料是油气层资料，而对工程上所需要的重要资料则提供不多，或不够详细，甚至有些数据与实际情况相距甚远，即使是已经开发的油田，由于注水开发的结果，地下的压力系统变化很大，也很难以邻井的资料作为主要依据。这就使钻井过程往往不得不打遭遇战，因而复杂情且况屡屡发生。

2）工程因素

     钻井作业具有隐蔽性、复杂性，由于地质资料掌握不全不准，或者虽有可靠地质资料而未严格地按科学方法进行井身结构设计，使同一段裸眼中喷、漏层并存，治喷则漏，治漏则喷。虽然下了套管但不装并控设备，或者虽然装了井控设备但不讲求质量，一旦钻遇高压层，应急使用时，到处刺漏，甚至造成井喷失控。钻井液体系和性能与地层特性不相适应，甚至片面强调节约钻井液处理剂，使钻井液性能恶化，造成裸眼井段中某些地层的缩径或坍塌。

      钻井液密度不合适，也会造成井喷、井漏或井塌。操作不适当，下钻速度过快会产生很大的激动压力，易将地层憋漏。起钻速度过快会产生很大的抽吸力，易将油气层抽喷或将结构松软的地层抽塌，特别是在钻头或扶正器泥包的情况下更为严重。

      钻井设备发生故障，被迫停止钻具的活动或钻井液的循环，是发生井下事故的最普通最常见的因素。此外，管理工作薄弱，有章不循，有表（指重表、泵压表、扭矩表）不看，遇事不思，盲目决断，但求省力，不顾后果，起钻猛提，下钻猛压，遇卡硬转，遇漏硬憋，这是造成井下事故的常见原因。

常用处理方法

  1)卡钻事故原因及处理

   卡钻及造成原因：卡钻就是在钻井过程中因地质因素、钻井液性能不好、技术措施不当等原因，使钻具在井内长时间不能自由活动，这种现象叫卡钻。主要有黏附卡钻、沉砂卡钻、砂桥卡钻、井塌卡钻、缩径卡钻、泥包卡钻、落物卡钻及钻具脱落下顿卡钻等。

     处理卡钻事故的方法：(1)泡油解卡；(2)使用震击器震击解卡；(3)倒扣套铣；(4)爆炸松扣；(5)爆炸钻具侧钻新眼等。

  2）井塌事故原因及处理

    井塌是钻井过程中井壁失稳垮塌的现象。发生井塌的原因包括：井内液柱压力不能平衡地层压力；地层受钻井液浸泡，发生水敏膨胀、破碎、剥离；地层本身破碎、疏松，上提钻具时造成抽汲现象使下部井筒压力下降；在起钻过程中，未及时回灌钻井液造成井内液柱压力下降；停钻时间过长，钻井液性能发生变化；在裸眼井段长时间、大排量循环等。井塌严重时会导致井眼情况复杂，引起井内事故。