【正文】 c——壓應(yīng)力，Pa； p——鉆壓，N； Ac——鉆柱下部橫截面積，m2； Bc——鉆柱下部所受浮力，N； Hc——鉆柱下部垂深，m。Kf σT= QT/Ap （311） Kf=1－ρm/ρs；式中 Q0——鉆柱在空氣中的總重量，N； QT——最大軸向拉力，N； BT——鉆柱受的總浮力，N（可由阿基米德定律求解）； Kf——浮力系數(shù)； σT——最大軸向拉應(yīng)力，Pa； Ap——井口鉆柱截面積，m2； ρm、ρs——分別為鉆井液和鋼材密度，kg/m3。1．鉆井過程中各種應(yīng)力的計(jì)算1）鉆柱軸向應(yīng)力的計(jì)算（1）在鉆柱使用計(jì)算過程中，最大軸向拉力是在鉆柱空懸時井口部位。（二）、鉆柱的受力分析與強(qiáng)度計(jì)算為了使鉆柱在不同的工作條件下能安全地工作，必須進(jìn)行強(qiáng)度校核，使強(qiáng)度足夠的鉆柱下井使用。如果各段鉆桿的實(shí)際長度不等于理論設(shè)計(jì)長度，則上式不能應(yīng)用，而用下面的方法計(jì)算。對于復(fù)合鉆柱，每種鉆桿都有一個最大設(shè)計(jì)長度，其第二、第三等各段長度可按下式計(jì)算。各段鉆桿長度的確定應(yīng)自下而上進(jìn)行確定，鉆鋌上面第一段鉆桿長度為L1。（4）復(fù)合鉆柱的設(shè)計(jì)：由上可見，單一尺寸鉆柱的下入深度是有限的，往往不能滿足深井和超深井的要求。設(shè)計(jì)系數(shù)值可由卡瓦長度和鉆桿外徑查表而得，見《鉆井手冊（甲方）》。（2）最大允許靜拉載荷Pa的確定：Pa的確定有三種方法，由已知條件具體來確定，選擇其中最小的作為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。在一些特殊作業(yè)時也需要對鉆桿的抗擠及抗內(nèi)壓強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。上述確定鉆鋌質(zhì)量及長度的方法來源于魯賓斯基關(guān)于“中和點(diǎn)”的論述，即中和點(diǎn)將鉆柱分為兩個部分，上段在鉆井液中的質(zhì)量等于大鉤載荷，下段鉆柱的質(zhì)量等于鉆壓，而設(shè)計(jì)鉆鋌長度時應(yīng)保證中和點(diǎn)始終處于鉆鋌柱上。根據(jù)鉆鋌的質(zhì)量并考慮鉆鋌尺寸選擇的有關(guān)因素，即可確定各段鉆鋌的長度和鉆鋌柱的總長度。所需鉆鋌重量= （33）～。（2）鉆鋌長度的確定：鉆鋌長度取決于選定的鉆鋌尺寸與所需鉆鋌重量。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)。（7 1/2in）的井眼中，應(yīng)采用復(fù)合（塔式）鉆鋌結(jié)構(gòu)，但相鄰不同外徑兩段鉆鋌的外徑差不應(yīng)過大。表3131是推薦的與各種鉆頭直徑對應(yīng)的鉆鋌尺寸的范圍。當(dāng)下部組合中采用穩(wěn)定器，可以采用稍小外徑的鉆鋌。有效井眼直徑= （31）霍奇發(fā)展了這一結(jié)論，提出了允許最小鉆鋌外徑的計(jì)算式，即允許最小鉆鋌外徑=2倍套管接箍外徑 一 鉆頭直徑 （32）鉆鋌柱中最下一段鉆鋌（一般應(yīng)不少于一立柱）的外徑應(yīng)不小于這一允許最小外徑，才能保證套管的順利下入。作用于鉆柱上的力有拉力、壓力、彎曲力矩、扭矩等，但其中經(jīng)常作用且數(shù)值較大的力是拉力，因此，鉆柱設(shè)計(jì)一般以拉伸計(jì)算為主。（二）、鉆柱與下部鉆具組合設(shè)計(jì)所需資料（1）組成鉆柱各工具的規(guī)范及特性參數(shù)（查閱相關(guān)手冊）；（2）井身結(jié)構(gòu)；（3）井眼的垂直剖面圖和水平投影圖；（4）設(shè)計(jì)地層分層及故障提示；（5）地層分層。2．鉆柱的受力分析與強(qiáng)度校核（1）鉆井過程中各種應(yīng)力的計(jì)算；（2）危險斷面的校核。一 、鉆柱與下部鉆具組合設(shè)計(jì)的內(nèi)容與所需資料（一）、鉆柱與下部鉆具組合設(shè)計(jì)的內(nèi)容SY/T 5333—1996《鉆井工程設(shè)計(jì)格式》規(guī)定，鉆柱與下部鉆具組合設(shè)計(jì)的內(nèi)容主要包括鉆柱組合設(shè)計(jì)與鉆柱強(qiáng)度校核兩部分。下部鉆具組合是鉆柱的重要部分，它與井斜問題和鉆頭的工作狀況有著十分密切的關(guān)系，是影響井身質(zhì)量和鉆井速度的重要因素。由于鉆柱在井下工作的條件十分復(fù)雜與惡劣，它往往是鉆井工具與裝備的薄弱環(huán)節(jié)。它是鉆井的重要工具與手段，在鉆井過程中，通過鉆柱把鉆頭和地面連接起來。S動切力Pa固相含量膨潤土含量%初，Pa終，Pa平原120760－－－——－－－廣華寺3806010210潛 江荊 江新溝上新溝下沙市組8801450185022102320～40～605008～1020～254～108%2（四）、鉆井液維護(hù)開始前，各井段主要處理劑日平均用量按照表3123配成膠液補(bǔ)充，井隊(duì)?wèi)?yīng)保證二級凈化使用率達(dá)到要求，效果好，并按需要清罐，保證低固相含量。根據(jù)鉆井液密度、固相含量，并考慮油田鉆井液使用的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)的其他性能參數(shù)見表3122。根據(jù)濾失量的控制值，其泥餅厚度淺層在2mm以內(nèi)。在廣華寺組地層以下的膏鹽層中鉆進(jìn)，為防止出現(xiàn)復(fù)雜情況，更應(yīng)控制濾失量。3．濾失量和泥餅厚度本井平原組上部和廣華寺組地層，均屬水敏性泥巖，易產(chǎn)生吸水澎脹。2．鉆井液粘度本井上部平原組地層因流砂層及礫石層膠結(jié)疏松易漏、易垮，因此，粘度應(yīng)大些，其余地層粘度可以小些。由于在鉆井過程中要保證鉆井液性能滿足鉆井工藝要求，控制鉆井液密度低比較困難。（二）、鉆井液體系的選擇江漢油田經(jīng)過多年實(shí)踐，形成了鉆膏鹽地層的鉆井液體系，即用PHP—80A—51—HPAN—鉀鹽或PHP—NaK—鉀鹽體系控制上部地層的造漿和垮塌，進(jìn)鹽層前50～80m加鹽至預(yù)飽和，鉆井時補(bǔ)充加鹽，控制鹽層溶解，保持含鹽井段井壁穩(wěn)定，井徑規(guī)則；使用NTA抑制鉆井液中鹽類重結(jié)晶，解決重結(jié)晶的阻卡、卡鉆等問題。在鉆進(jìn)過程中，上部泥巖大量造漿，致使鉆井液密度高，粘土含量高?？捎脠D3122選取鐵鉻鹽鉆井液的流變性能。固相含量與鉆井液密度可根據(jù)圖3121選一個合適值。若鉆井井段中有特殊要求（如鹽膏層或泥頁巖地層，為防止地層坍塌，縮徑），應(yīng)考慮特殊需要，增加或減小鉆井液密度?！?。1．鉆井液密度鉆井液密度設(shè)計(jì)主要根據(jù)地層孔隙壓力剖面，以保持平衡壓力鉆井的鉆井液密度為最小鉆井液密度。這兩種類型鉆井液分別要求如下：；～。要想調(diào)整鉆井液流變參數(shù)，就必須先確定鉆井液適應(yīng)哪種流變模式，而后才能以其反映攜砂能力的指標(biāo)加以要求。但不能從密度上去尋找解決方法，因?yàn)樗鼤绊懙姐@速。從鉆井液本身的性能看，巖屑上升速度與密度、粘切有關(guān)。勝利油田的實(shí)踐證明，只需從鉆井液及工程上采取相應(yīng)措施，例如起鉆前先充分循環(huán)鉆井液，接單根時晚停泵，鉆進(jìn)一定進(jìn)尺后短起下鉆，盡可能提高泵排量，以及很好地調(diào)整鉆井液流變參數(shù)，把巖屑運(yùn)載比（即巖屑的上返速度與鉆井液在環(huán)空上返速度之比值），就可以把巖屑在環(huán)空鉆井液中的含量放寬到9%，井下也是安全的。例如，鉆頭和鉆具泥包、阻卡、堵塞井眼，甚至卡鉆等。③環(huán)空中鉆井液巖屑含量：指在環(huán)空中鉆井液所含巖屑的濃度，以百分?jǐn)?shù)表示。目前通常檢測的是出口粘度，不能反映出攜砂巖屑的真正能力，因?yàn)槁┒氛扯龋ɑ虮碛^粘度）是隨著剪切速率的變化而增減的，出口時的剪切速率低于環(huán)空的剪切速率，其結(jié)果不能真實(shí)地反映出我們所要求的環(huán)空鉆井液的表觀粘度。①動切力（代號YP）：研究結(jié)果表明，若再提高動切力，那么，攜帶巖屑的能力增加幅度變緩，故動力控制在4Pa左右是合適的。環(huán)空巖屑濃度過大，易堵塞環(huán)空空間，當(dāng)量密度增加，流動阻力增大，對井壁的壓力也增大，壓差增加，易發(fā)生井漏，而且大量巖屑易粘附井壁，造成縮徑，引起起下鉆阻卡，產(chǎn)生井下各種復(fù)雜情況，影響鉆井，甚至發(fā)生井事故。若井底的巖屑不能及時被帶走，就會受到鉆頭的重復(fù)切削，鉆速及鉆頭壽命就會受到影響。（3）較強(qiáng)的清井及攜屑能力。因此，對剪切稀釋特性強(qiáng)弱的要求應(yīng)該控制在低水眼粘度下，環(huán)空粘度達(dá)到滿足清洗井底和攜帶鉆屑要求的范圍內(nèi)就可以了。前者是鉆井工程所需要的，而后者是不希望出現(xiàn)的。因?yàn)樗壅扯冗^大，噴嘴鉆屑含量過大，密度變高，壓差增大，影響鉆速的提高。若這種變化幅度過小，則存在兩種可能：一是水眼粘度過大；二是環(huán)空粘度過小。現(xiàn)代鉆井技術(shù)要求鉆井液通過鉆頭噴嘴時的粘度（即在環(huán)空低剪切速率下）的粘度變大，以便徹底清凈井底，而且這種變化要快，即瞬時改變（鉆井液一出水眼馬上變稠）。（2）具有良好的剪切稀釋特性。③絕對避免鉆頭泥包，尤其是在強(qiáng)造漿地層鉆井時，要求鉆井液具有較強(qiáng)的抑制性，故在鉆井液中應(yīng)加防包劑（或稱洗滌劑）。為此提出下列幾點(diǎn)具體要求：①預(yù)測準(zhǔn)所鉆地層的孔隙壓力及破壞壓力，精確地確定地層壓力梯度值，為設(shè)計(jì)合理的套管程序提供可靠的必要條件，并算準(zhǔn)平衡地層孔隙壓力所需的靜液柱壓力。所謂近平衡壓差，是指無論在鉆井中或起下鉆時，由鉆井液所產(chǎn)生的對地層的壓力要盡量接近地層的孔隙壓力。二是提高機(jī)械鉆速。3．根據(jù)不同的地層特點(diǎn)選擇實(shí)踐證明，不同地層對鉆井液常常提出不同的要求，必須針對其特點(diǎn)采用相應(yīng)的特殊措施，才能安全順利地鉆穿這些地層。（5）開發(fā)井。（4）區(qū)域探井和預(yù)探井。（3）調(diào)整井（含高壓力井）。該類井的主要特點(diǎn)是井眼傾斜，甚至與地面平行，在鉆進(jìn)過程中鉆具與井壁的接觸面積較大，摩阻高。這里一般指深度在5000m以上的井、其特點(diǎn)是高溫、高壓，因而對鉆井液提出穩(wěn)定性好（即恒高溫一定時間后性能變化較?。?、高溫對性能影響較輕（即在高溫下的性能與常溫下對比不能差別過大）及在高壓差下泥餅壓縮性好的要求。2．根據(jù)不同類型井，主要指的是那些對鉆井液體系有特殊要求的井別，而不是完全按習(xí)慣分類的井別。鉆井液體系必須與其相適應(yīng)才能起到保護(hù)作用，并減輕損害，獲取應(yīng)得的產(chǎn)量。因ρf1kρf1700，且相近，所以滿足設(shè)計(jì)要求。（5）確定表層套管下深=試取H11=1700m，1817 kg/m3。（4）校核尾管下入到初選點(diǎn)4400過程是否有發(fā)生壓差卡套管。(3) 計(jì)算中間尾管最大下入深度H3。，中間套管下入深度H2。（2） 驗(yàn)證中間套管下入4100m深度是否有卡套管的危險由圖查得4100m處ρp4100=1670 kg/m3，ρpmin=1080 kg/m3，Hmm=3380m。設(shè)計(jì)系數(shù)取以下值：Sb=36kg/m3；Sg=36 kg/m3Sf=24 kg/m3Sk=60 kg/m3ΔPN=ΔPa=（1） 求中間套管下入深度假定點(diǎn)由圖查得鉆遇最大地層壓力梯度ρpmax=2070 kg/m3，位于4650m處。例某井設(shè)計(jì)井深為4878m，其以地層壓力梯度和地層破裂壓力梯度剖面圖如圖所示。虛線表示不常用的尺寸配合（間隙較?。?。表的流程表明要下該層套管可能需要的井眼尺寸。圖1－1給出了套管和井眼尺寸選擇表。3． 套管及井眼尺寸標(biāo)準(zhǔn)組合目前國內(nèi)外所生產(chǎn)的套管尺寸及鉆間尺寸已標(biāo)準(zhǔn)系列化。（3） 套管與井眼之間有一定間隙，間隙過大則不經(jīng)濟(jì)，過小會導(dǎo)致下套管困難及注水泥后水泥過早脫水形成水泥橋。（2） 生產(chǎn)套管根據(jù)采油方面要求來定。并應(yīng)考慮管材、鉆頭等庫存規(guī)格的限制。（2） 對于探井要考慮原設(shè)計(jì)井深是否要加深，地質(zhì)上的變化會使原來預(yù)靠難于準(zhǔn)確，是否要本井眼尺寸上留有余量以便增下中間套管，以及對巖心尺寸要求等。（二） 套管尺寸與井眼尺寸的選擇與配合1． 設(shè)計(jì)中考慮的因素（1） 生產(chǎn)套管尺寸應(yīng)滿足采油方面要求。某些地區(qū)沒有復(fù)雜情況則不必確定必封點(diǎn)。某些復(fù)雜情況的產(chǎn)生又與時間因素有關(guān)，如鉆進(jìn)速度快，浸泡水時間短，復(fù)雜情況并不顯示出來，反之鉆速慢，上部某些地層裸露時間長或在長時間浸泡下，則發(fā)生坍塌、膨脹、縮徑等情況。但某些影響鉆進(jìn)的復(fù)雜情況因素目前還不能反映到壓力剖面上。校核方法同前所述。 －中間套管鞋處地層破裂壓力梯度時，其下井段所允許的最大地層孔隙壓力梯度，kg/m；　　　－中層套管下深，m； －尾管下入深度初選點(diǎn)，m。2． 尾管設(shè)計(jì)當(dāng)中間套管下入深度淺于初選點(diǎn)（）時，則需要下尾管并要確定尾管下入深度。當(dāng)，則不易發(fā)生壓差卡鉆， 即為該層套管下入深度。2．校核各層套管下列初選點(diǎn)深度時是否會發(fā)生壓差卡鉆先求出該井段中最大泥漿密度與最小地層孔隙壓力之間的最大靜止壓差為：　　　　　　　　　?。?－10）　式中?。趎層套管鉆進(jìn)井段內(nèi)實(shí)際的井內(nèi)最大靜止壓差，MPa；　　?。摼蝺?nèi)最小地層孔隙壓力梯度等效密度，kg/m；　　　－該井段內(nèi)最小地層孔隙壓力梯度的最大深度，m。對中間套管，可用試算法試取值代入式中求，然后由設(shè)計(jì)井的地層破裂壓力梯度曲線上求得即為下入初選點(diǎn)。　　　發(fā)生井涌情況時，由式（1－3）（1－6），(17)，有：　　　　　　　　　　　　　　　　　　?。?－9）式中?。趎層套管以下井段發(fā)生井涌時，在井內(nèi)最大壓力梯度作用下，上部地層不被壓裂所應(yīng)有的地層破裂壓力梯度，kg/m；　　?。趎層套管下入深度初選點(diǎn)，m。正常作業(yè)下鉆時，由式（1－3），（1－4）（17）,有：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　?。?－8）式中　?。趎層套管以下井段下鉆時，在大井內(nèi)壓力梯度作用下，上部裸露地層不被壓裂所應(yīng)有的地層破裂壓力梯度，kg/m。1． 各層套管下入深度初選點(diǎn)的確定套管下入深度的依據(jù)是，其下部井段鉆進(jìn)過程中預(yù)計(jì)的最大井內(nèi)壓力梯度不致使套管鞋處裸露地層被壓裂。油層套管的下入深度主要決定于完井方法和油氣層的位置。在這一裸眼井段中，應(yīng)使鉆進(jìn)過程中及井涌壓井不會壓裂地層而發(fā)生井潛心漏，并在鉆進(jìn)和下套管時不發(fā)生壓差卡鉆事故。四、井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法與步驟（一） 套管層次與深度的確定套管層次和下入深度設(shè)計(jì)的實(shí)質(zhì)是確定兩相鄰套管下入深度之差。而對于深為處，則：　　　　　　　　　　　　　　?。?－6）由上式可見，當(dāng)值小時值大，即壓力梯度大，反之當(dāng)值大時小。如增高值為，剛最大井內(nèi)壓力梯度為：