正常作业下钻时，由（1-4)，（1-5），（1-8）式，有：(1-9)Pinr=Ppmax+Sw+Sg+St式中pinr—第n层套管以下井段下钻时，在最大井内压力梯度作用下，上部裸露地层不被压裂所应有的地层破裂压力梯度，g/cm3：Ppmax——第n层套管以下井段预计最大地层孔隙压力等效密度，g/cm。发生井涌情况时，由（1-4）、（1-7）（1-8）式，有：Ham.S(1-10)Pfnk=Ppmax+Sw+Sr+H..式中Pmk——第n层套管以下井段发生井涌时，在井内最大压力梯度作用下，上部地层不被压裂所应有的地层破裂压力梯度，g/cm；Hni——第n层套管下入深度初选点，m。对比（1-9）、（1-10）两式，显然，pnk>pir，所以，一般用pnk计算，在肯定不会发生井涌时，用pfmr计算。对中间套管，可用试算法试取Hni值代入式中求pfk，然后由设计井的地层破裂压力梯度曲线上求得Hn深度时实际的地层破裂压力梯度。如计算的值pink与实际相差不多且略小于实际值时，则Hn即为下入初选点。否则另取一Ha值计算，直到满足要求为止。（2）校核各层套管下到初选点深度Hni时是否会发生压差卡钻。先求出该井段中最大泥浆密度与最小地层孔隙压力之间的最大静止压差△Pm为：△Pm=9.81Hm（Ppmax+Sw-Ppmin）×10-3(1-11)式中△Pm—第n层套管钻进井段内实际的井内最大静止压差，MPa；Ppmin—该井段内最小地层孔隙压力梯度效密度，g/cm；Hm——该井段内最小地层孔隙压力梯度的最大深度，m。比较△Pm和△P（压差允值，正常压力地层用△PN，异常压力地层用△Pa，见前所述)。当△Pm<△P时，则不易发生压差卡钻，Hm即为该层套管下入深度。当△Pm>△P时，则可能发生压差卡钻，这时，该层套管下深Ha应浅于初选点Hai。Hn的计算如下：令△Pm=△P，则允许的最大地层孔隙压力Ppper为：16
16 正常作业下钻时，由（1-4），（1-5），（1-8）式，有： ρfnr=ρpmax+Sw+Sg+Sf （1-9） 式中 ρfnr——第 n 层套管以下井段下钻时，在最大井内压力梯度作用下，上部裸 露地层不被压裂所应有的地层破裂压力梯度，g/cm3； ρpmax——第 n 层套管以下井段预计最大地层孔隙压力等效密度，g/cm3。 发生井涌情况时，由（1-4）、（1-7）（1-8）式，有： ρfnk=ρpmax+Sw+Sf+ k ni p S H H max （1-10） 式中 ρfnk——第 n 层套管以下井段发生井涌时，在井内最大压力梯度作用下，上 部地层不被压裂所应有的地层破裂压力梯度，g/cm3； Hni——第 n 层套管下入深度初选点，m。 对比（1-9）、（1-10）两式，显然，ρfnk＞ρfnr，所以，一般用 ρfnk 计算，在肯定不会 发生井涌时，用 ρfnr计算。 对中间套管，可用试算法试取 Hni 值代入式中求 ρfnk，然后由设计井的地层破裂压 力梯度曲线上求得 Hni 深度时实际的地层破裂压力梯度。如计算的值 ρfnk 与实际相差不 多且略小于实际值时，则 Hni 即为下入初选点。否则另取一 Hni 值计算，直到满足要求 为止。 （2）校核各层套管下到初选点深度 Hni 时是否会发生压差卡钻。 先求出该井段中最大泥浆密度与最小地层孔隙压力之间的最大静止压差△Prn 为： △Prn=9.81Hm·（ρpmax+Sw-ρpmin）×10-3 （1-11） 式中 △Prn——第 n 层套管钻进井段内实际的井内最大静止压差，MPa； ρpmin——该井段内最小地层孔隙压力梯度效密度，g/cm3； Hm——该井段内最小地层孔隙压力梯度的最大深度，m。 比较△Prn 和△P（压差允值，正常压力地层用△PN，异常压力地层用△Pa，见前所 述）。 当△Prn＜△P 时，则不易发生压差卡钻，Hm即为该层套管下入深度。 当△Prn＞△P 时，则可能发生压差卡钻，这时，该层套管下深 Hn 应浅于初选点 Hni。 Hn 的计算如下： 令△Prn=△P，则允许的最大地层孔隙压力 ρpper为：
AP(1-12)9.8×10-×H+Ppmn-SwPpper=由地层孔隙压力梯度曲面图上查Ppper所在井深即该层套管下入深度Hn。（3）当中间套管下入深度浅于初选点H<Hni时，则需要下尾管并要确定尾管下入深度Hn+1(i）确定尾管下入深度初选点Ha+1)i。由中间套管鞋处的地层破裂压力梯度p可求得允许的最大地层孔隙压力梯度Ppper，由（1-10）式，有：H(a+ILS.(1-13)Ppper =Pm-Sw-S, -H,式中pm——中间套管鞋处地层破裂压力梯度，g/cm3；Ppper——中间套管鞋处地层破裂压力梯度为pn时，其下井段所允许的最大地层孔隙压力梯度，g/cm；Ha——中层套管下深，m；H(n+1)i——尾管下入深度初选点，m。其他符号代表意义同前。（i）校核尾管下入到深度初选点H(a+1)i——时，是否会发生压差下钻。校核方法同前所述。（4）必封点的确定。以上套管层次、下入深度的确定是以井内压力系统平衡为基础，以压力面为依据的。但某些影响钻进的复杂情况因素目前还不能反映到压力剖面上。如吸水膨胀易塌泥页岩、含蒙脱石的泥页岩、岩膏层、盐岩层蠕变、胶结不良的砂岩等。某些复杂情况的产生又与时间因素有关，如钻进速度快，浸泡水时间短，复杂情况并不显示出来，反之钻速慢，上部某些地层裸露时间长或在长时间浸泡下，则发生塌、膨胀、缩径等情况。这需要根据已钻过井的经验来确定某些应及时封隔的地层即必封点。某些地区没有复杂情况则不必确定必封点。另外，为了求得控制复杂情况所需的塌压力梯度值是非常必要的，这样可以在确定必封点上不必凭经验来进行。如中原油田对盐膏层引起的缩径复杂情况与石油大学合作研究，得出了控制井眼面积收缩率小于0.1%h所需的泥浆密度17
17 3 min w 9.8 10 S H P p m pper + − = − （1-12） 由地层孔隙压力梯度曲面图上查 ρpper所在井深即该层套管下入深度 Hn。 （3）当中间套管下入深度浅于初选点 Hn＜Hni 时，则需要下尾管并要确定尾管下 入深度 Hn+1 （i）确定尾管下入深度初选点 H(n+1)i。 由中间套管鞋处的地层破裂压力梯度 ρfn 可求得允许的最大地层孔隙压力梯度 ρpper，由（1-10）式，有： k n n i pper fn f S H H S S ( 1) w + = − − − （1-13） 式中 ρfn——中间套管鞋处地层破裂压力梯度，g/cm3； ρpper——中间套管鞋处地层破裂压力梯度为 ρfn 时，其下井段所允许的最大地层孔 隙压力梯度，g/cm3； Hn——中层套管下深，m； H(n+1)i——尾管下入深度初选点，m。 其他符号代表意义同前。 （ii）校核尾管下入到深度初选点 H(n+1)i——时，是否会发生压差下钻。 校核方法同前所述。 （4）必封点的确定。 以上套管层次、下入深度的确定是以井内压力系统平衡为基础，以压力剖面为依据 的。但某些影响钻进的复杂情况因素目前还不能反映到压力剖面上。如吸水膨胀易塌泥 页岩、含蒙脱石的泥页岩、岩膏层、盐岩层蠕变、胶结不良的砂岩等。某些复杂情况的 产生又与时间因素有关，如钻进速度快，浸泡水时间短，复杂情况并不显示出来，反之 钻速慢，上部某些地层裸露时间长或在长时间浸泡下，则发生坍塌、膨胀、缩径等情况。 这需要根据已钻过井的经验来确定某些应及时封隔的地层即必封点。某些地区没有复杂 情况则不必确定必封点。另外，为了求得控制复杂情况所需的坍塌压力梯度值是非常必 要的，这样可以在确定必封点上不必凭经验来进行。如中原油田对盐膏层引起的缩径复 杂情况与石油大学合作研究，得出了控制井眼面积收缩率小于 0.1%h 所需的泥浆密度
值。图1-3表示盐膏层在该面积收缩率下随井深变化所需的泥浆密度值。当量泥菜密度：g/cm1.82.02.201.21.41.6Log150320002500300w*isa4co45005005500sund图1-3并眼收缩率在0.1%/h下，不同井深所需泥浆密度值破裂压力当量密度值：S3-2盐膏层-盐膏层：岩盐层井时收缩率：0.1%/h五、套管尺寸与井眼尺寸选择及配合套管尺寸及井眼（钻头）尺寸的选择和配合涉及到采油、勘探以及钻井工程的顺利进行和成本。1、设计中考虑的因素（1）生产套管尺寸应满足采油方面要求。根据生产层的产能、油管大小、增产措施及井下作业等要求来确定。（2）对于探井，要考虑原设计井深是否要加深，地质上的变化会使原来预告难于准确，是否要本井眼尺寸上留有余量以便增下中间套管，以及对岩心尺寸要求等。（3）要考虑到工艺水平，如井眼情况、曲率大小、井斜角以及地质复杂情况带来的问题。并应考虑管材、钻头等库存规格的限制。2、套管和井眼尺寸的选择和确定方法（1）确定井身结构尺寸一般由内向外依次进行，首先确定生产套管尺寸，再确定下入生产套管的井眼尺寸，然后确定中层套管尺寸等，依此类推，直到表层套管的井眼尺寸，最后确定导管尺寸。（2）生产套管根据采油方面要求来定。勘探井则按照勘探方面要求来定。18
18 值。图 1-3 表示盐膏层在该面积收缩率下随井深变化所需的泥浆密度值。 图 1-3 井眼收缩率在 0.1%/h 下，不同井深所需泥浆密度值 破裂压力当量密度值； S3-2 盐膏层 盐膏层；岩盐层井时收缩率：0.1%/h 五、套管尺寸与井眼尺寸选择及配合 套管尺寸及井眼（钻头）尺寸的选择和配合涉及到采油、勘探以及钻井工程的顺利 进行和成本。 1、设计中考虑的因素 （1）生产套管尺寸应满足采油方面要求。根据生产层的产能、油管大小、增产措 施及井下作业等要求来确定。 （2）对于探井，要考虑原设计井深是否要加深，地质上的变化会使原来预告难于 准确，是否要本井眼尺寸上留有余量以便增下中间套管，以及对岩心尺寸要求等。 （3）要考虑到工艺水平，如井眼情况、曲率大小、井斜角以及地质复杂情况带来 的问题。并应考虑管材、钻头等库存规格的限制。 2、套管和井眼尺寸的选择和确定方法 （1）确定井身结构尺寸一般由内向外依次进行，首先确定生产套管尺寸，再确定 下入生产套管的井眼尺寸，然后确定中层套管尺寸等，依此类推，直到表层套管的井眼 尺寸，最后确定导管尺寸。 （2）生产套管根据采油方面要求来定。勘探井则按照勘探方面要求来定
（3）套管与并眼之间有一定间隙，间隙过大则不经济，过小会导致下套管困难及注水泥后水泥过早脱水形成水泥桥。间隙值一般最小在9.5～12.7mm（3/81/2in）范围，最好为19mm（3/4in）。3、套管及井眼尺寸标准组合目前国内外所生产的套管尺寸及钻头尺寸已标准系列化。套管与其相应井眼的尺寸配合基本确定或在较小范围内变化。[本讲课程的小结]井身结构的设计方法和步骤[本讲课程的作业]1、试述异常地层压力形成的原因。2、临界压差卡钻值（ApN或Apa与哪些因素有关？在井身结构设计中如何保证压差卡钻校核的可靠性？课程名称：《钻井工程》第7周第2讲摘要授课题目（章、节）第三章钻井液第一节钻井液的功用、组成和类型第二节粘土胶体化学基础本讲目的要求及重点难点：【目的要求】要求掌握钻井液的基本组成、特点、作用原理及不同钻井液体系所适用的条件；掌握粘土胶体化学基本知识。【重点】粘土晶体结构、扩散双电层、电动电势、粘土的水化[难点]粘土晶体结构与扩散双电层概念内容[本讲课程的内容]第三章钻井液第一节钻井液的功用、组成和类型一、钻并液的功能1、在钻井方面，钻井液的功能有：（1）清洗井底，携带岩屑。（2）冷却、润滑钻头和钻柱。（3）形成泥饼，保护井壁。（4）控制和平衡地层压力。（5）悬浮岩屑和加重材料。19
19 （3）套管与井眼之间有一定间隙，间隙过大则不经济，过小会导致下套管困难及 注水泥后水泥过早脱水形成水泥桥。间隙值一般最小在 9.5～12.7mm（3/8～1/2in）范 围，最好为 19mm（3/4in）。 3、套管及井眼尺寸标准组合 目前国内外所生产的套管尺寸及钻头尺寸已标准系列化。套管与其相应井眼的尺寸 配合基本确定或在较小范围内变化。 [本讲课程的小结] 井身结构的设计方法和步骤 [本讲课程的作业] 1、试述异常地层压力形成的原因。2、临界压差卡钻值（pN 或pa） 与哪些因素有关？在井身结构设计中如何保证压差卡钻校核的可靠性？ 课程名称：《钻井工程》 第 7 周 第 2 讲 摘 要 授课题目（章、节） 第三章 钻井液 第一节 钻井液的功用、组成和类型 第二节 粘土胶体化学基础 本讲目的要求及重点难点： [目的要求] 要求掌握钻井液的基本组成、特点、作用原理及不同钻井液体系所适用的条件； 掌握粘土胶体化学基本知识。 [重点] 粘土晶体结构、扩散双电层、电动电势ζ、粘土的水化 [难点] 粘土晶体结构与扩散双电层概念 内 容 [本讲课程的内容]： 第三章 钻井液 第一节 钻井液的功用、组成和类型 一、钻井液的功能 1、在钻井方面，钻井液的功能有： （1）清洗井底，携带岩屑。 （2）冷却、润滑钻头和钻柱。 （3）形成泥饼，保护井壁。 （4）控制和平衡地层压力。 （5）悬浮岩屑和加重材料
（6）提供所钻地层的地质资料。（7）传递水功率。（8）防止钻具腐蚀。2、在保护油气储集层方面，钻井液（此时称完井液）的主要功能是保护油气层的渗透性，尽量降低对原始油气层物化性质的损害。主要表现在两方面：（1）控制固相粒子类型、含量及级配，防止固相粒子对油气层通道的阻塞损害。（2）保持液相与地层的相容性。二、钻井液的组成和类型1、钻井液的组成分散相+分散介质+化学处理剂2、钻井液的类型（1）不分散钻井液（2）分散钻井液（3）钙处理钻井液（4）聚合物钻井液（5）低固相钻井液（6）盐水钻井液（7）油基钻井液（8）合成基钻井液（9）空气、雾、泡沫和充气体系第二节粘土胶体化学基础一、粘土胶体化学的几个基本概念1、相和相界面相：指物质的物理化学性质都完全相同的均匀部分。相界面：相与相之间的宏观物理界面。2、分散相与分散介质分散相：指在多相分散体系中被分散的物质。分散介质：分散相所在的连续介质。3、分散度和比表面积20
20 （6）提供所钻地层的地质资料。 （7）传递水功率。 （8）防止钻具腐蚀。 2、在保护油气储集层方面，钻井液（此时称完井液）的主要功能是保护油气层的 渗透性，尽量降低对原始油气层物化性质的损害。主要表现在两方面： （1）控制固相粒子类型、含量及级配，防止固相粒子对油气层通道的阻塞损害。 （2）保持液相与地层的相容性。 二、钻井液的组成和类型 1、钻井液的组成 分散相 + 分散介质 + 化学处理剂 2、钻井液的类型 （1）不分散钻井液 （2）分散钻井液 （3）钙处理钻井液 （4）聚合物钻井液 （5）低固相钻井液 （6）盐水钻井液 （7）油基钻井液 （8）合成基钻井液 （9）空气、雾、泡沫和充气体系 第二节 粘土胶体化学基础 一、粘土胶体化学的几个基本概念 1、相和相界面 相：指物质的物理化学性质都完全相同的均匀部分。 相界面：相与相之间的宏观物理界面。 2、分散相与分散介质 分散相：指在多相分散体系中被分散的物质。 分散介质：分散相所在的连续介质。 3、分散度和比表面积