壹、噴射鉆井技術
噴射鉆井技術從1978開始在國內試驗，並在生產中逐步推廣。噴射鉆井的本質是鉆井水力參數的優化。噴射鉆井的壹個顯著特點是鉆頭噴出的鉆井液噴射速度快，井底受到的沖擊力和水力大，可以及時清除井底巖屑，破碎井底巖石，提高鉆井速度。
(壹)射流對井底的水力作用
1.噴射特性
圖4-7噴射結構
射流是指液體流過噴嘴或孔口，過水段周邊不與固體壁接觸，如圖4-7所示。射流流出噴嘴後，由於摩擦力的作用，射流流體與周圍流體交換動量，帶動周圍流體壹起運動，使射流的外周直徑不斷擴大。射流縱截面上的周向母線的夾角稱為射流擴散角(α)。α越小，射流密度越高，能量越集中。在射流的中心，每壹點的速度等於出口速度(vjo)，這被稱為等速核。在射流的任何橫截面上，速度從等速核迅速下降到射流邊界的零。超過等速核後，噴流軸上的速度迅速下降。當射流沖擊井底時，形成井底沖擊壓力波和井底溢流。l是從噴射軸線上的壹點到出口的距離，vjm是從出口l的最大噴射速度
2.射流對井底的清潔作用
射流沖擊井底後形成的井底沖擊壓力波和井底溢流是射流清洗井底的兩種主要形式。
(1)射流的沖擊壓力。射流沖擊井底後形成的沖擊壓力波並不作用在整個井底，而是作用在< a href = " 4797 b 51267 b 0427 e b 929 f 1 c52e 1e 6774 " >圖4-8所示的壹個小的圓形區域，井底巖屑受到的沖擊壓力極不均勻。極不均勻的沖擊壓力使鉆屑產生翻轉力矩，從而離開井底，如圖< a href = " da 46 e 734 b 8 c 842 c 68 f 156 f 57585d 79 AE " >圖4-9所示，這是射流對井底鉆屑的沖擊翻轉作用。
(2)溢流的側向推動作用。射流沖擊井底後形成的溢流是壹層很薄的高速液流，具有附著射流的性質。該層井底溢流速度高，對井底巖屑產生側向推力，使其離開原位。因此，井底溢流在井底清洗中起著非常重要的作用。
圖4-8噴射動作
圖4-9碎片翻轉
3.射流對井底的破巖作用
當射流的水力足夠大時，射流不僅具有清潔井底的作用，還可以直接或間接地破碎巖石。
(2)射流和鉆頭的水力參數
射流的水力參數包括射流速度、射流沖擊力和射流功率。鉆頭噴嘴出口處的射流速度稱為射流噴射速度，習慣上稱為射流速度。射流沖擊力是指射流對其作用區域的總作用力。單位時間內射流的工作能量就是噴射水的動力。
鉆頭水力參數包括鉆頭壓降和鉆頭水動力。鉆頭壓降是指鉆井液流經鉆頭噴嘴後，鉆井液壓力的降低。鉆頭水力是指鉆井液流經鉆頭時所消耗的水力。
二、優化鉆井技術(優化參數鉆井技術)
鉆井過程中的機械破巖參數主要包括WOB和轉速。為了尋求鉆進過程中WOB和轉速參數的某種組合，達到最佳的技術經濟效果，需要首先確定壹個衡量鉆進技術經濟效果的標準，將各種參數對鉆進過程影響的基本規律與這個標準結合起來，建立鉆進目標函數。然後，利用最優化數學理論，在各種約束條件下，尋找目標函數的極值點。滿足極值點條件的參數組合是鉆井過程中最佳的機械破巖參數。通過使用該最佳參數實施的鉆孔方法被稱為最佳鉆孔。因此，優化鉆井的實質是分析鉆井過程中影響鉆井速度的主要因素和基本規律，並建立相應的數學模型。
(壹)影響普及率的主要因素
除了上面提到的巖石特性和鉆頭類型外，WOB、轉速、水力因素、鉆井液性能和鉆頭牙齒磨損也是影響機械鉆速的主要因素。
1.WOB對機械鉆速的影響
在鉆進過程中，鉆頭的齒在WOB的作用下，咬入地層，打碎巖石。鉆壓決定了牙齒咬入巖石的深度和巖石破碎體積的大小。因此，WOB是影響機械鉆速的最直接、最重要的因素之壹。鉆井實踐表明，在其他鉆井條件保持不變的情況下，WOB與機械鉆速之間的典型關系近似為線性關系。
2.轉速對鉆井速度的影響
轉速對鉆速的影響是人們早就認識到並研究解決的問題。當WOB等鉆井參數不變時，機械鉆速隨轉速的增加呈指數變化，但指數壹般小於1。
3.牙齒磨損對機械鉆速的影響
在鉆井過程中，鉆頭破碎地層巖石，同時其齒也被地層磨損。隨著鉆頭齒的磨損，鉆頭的工作效率會明顯降低，鉆井速度也會降低。
4.水力因素對機械鉆速的影響
表征鉆頭和射流水力特性的參數統稱為水力因素，其總體指標通常用井底單位面積的平均水功率(稱為比水功率)來表示。水力因素對機械鉆速的影響表現在兩個方面:壹是水力高，鉆頭噴嘴產生的鉆井液射流對井底巖屑有很大的沖刷作用。但當實際水力大於凈化所需的水力時，井底完全凈化後，水力的增加並不會進壹步提高機械鉆速。二是水力能量的破巖作用。當水力超過井底凈化所需的水力時，機械鉆速仍可能增加。
5.鉆井液性能對機械鉆速的影響
鉆井液性能對鉆速的影響是復雜的，這不僅是因為所有代表鉆井液性能的參數對鉆速都有不同程度的影響，而且改變鉆井液的壹個性能參數而不影響其他性能參數的變化幾乎是不可能的。因此，很難單獨評價鉆井液某種性能對機械鉆速的影響。實驗研究表明，鉆井液的密度、粘度、失水、固相含量和分散性對機械鉆速有不同程度的影響。
(二)目標函數的建立
有許多類型的標準來衡量鉆井的總體技術和經濟效果。目前壹般以鉆頭單位進尺成本為標準，其表達式為:
式中CPM--單位進尺成本，元/米；
Cb——鉆頭成本，元；
Cr——鉆機作業成本，元/小時；
T——鉆頭鉆進時間，h；
Tt——下鉆和接單根的時間，h；
H——鉆頭進尺，m
公式中的鉆頭進尺和鉆頭工作時間與鉆井中使用的參數有關。建立參數與H、T的關系，代入進尺成本的表達式，即形成以每米鉆井成本表示的鉆井目標函數。確定目標函數的極限條件和約束。在所有條件確定後，我們可以通過最優化數學方法求解出壹組WOB、最佳轉速和最佳鉆頭磨損的最優組合，使鉆井成本在有限的約束範圍內達到最小。
三、垂直孔防斜技術
直井是設計軌跡為垂直線的井。直井防斜技術又稱直井軌跡控制，是防止實際鉆井軌跡偏離設計垂直線。壹般來說，實際鉆井軌跡總是偏離設計軌跡，所以實際鉆井直井總會有偏差。不可能控制垂直井的絕對偏差。問題在於井斜程度或井的曲率能否控制在壹定範圍內。
(壹)井斜原因分析
影響井斜的因素很多，但可以分為兩類:壹類是地質因素，壹類是鉆井工具。如果找到井斜的原因，就可以提出防止井斜的措施。
1.地質因素
地質因素造成井斜的最本質原因是地層可鉆性(由不同的地層層理和巖石硬度造成)和地層傾角的不均勻性。
1)地層層理的影響
沈積巖具有層理，垂直於層理面的方向可鉆性高，平行於層理面的方向可鉆性低，如圖4-10所示。鉆頭總是傾向於向容易鉆孔的方向移動。當地層傾斜且地層傾角小於45°時，鉆頭前進方向偏離垂直線。地層傾角超過60°後，鉆頭的方向會平行於地層平面向下滑動，偏離垂直線。當地層傾角在45° ~ 60°之間時，井斜方向不穩定。
圖4-10地層可鉆性各向異性導致井斜
2)地層硬度的影響
在沈積過程中，由於沈積環境不同，不同地層的硬度也不同。如圖4-11所示，由於地層的傾斜，鉆頭底面在遇到“軟”地層時機械鉆速較高，遇到“硬”地層時機械鉆速較低，因此井沿軸線發生偏斜，出現井斜。如圖4-12所示，鉆頭壹側鉆遇溶洞或松散地層，另壹側鉆遇致密地層。所以鉆頭的方向偏向難以鉆孔的壹側。
從以上分析可以看出，地層可鉆性和地層傾角的各種不均勻性造成井斜的機理最終體現在鉆頭對井底的不對稱切削，使鉆頭軸線相對於井眼軸線傾斜，從而使新鉆的井眼偏離原井眼。
2.鉆井工具因素
鉆具的傾斜和彎曲，尤其是鉆頭附近的鉆具(稱為“井底鉆具組合”)是導致井斜的主要因素。鉆具的傾斜和彎曲會產生兩種後果:壹是造成鉆頭傾斜，在井底形成不對稱切削，如圖4-13所示，新鉆的井眼會不斷偏離原井眼方向；二是鉆頭受到側向力，迫使鉆頭側向切削，如圖4-14所示，這也使新鉆的井眼偏離了原井眼方向。鉆具傾斜和彎曲的原因有:
圖4-11地層可鉆性垂直變化引起的偏差
圖4-12地層可鉆性橫向變化引起的井斜
鉆具本身彎曲了。
(2)由於鉆具的直徑小於鉆孔的直徑，鉆具與鉆孔之間有壹定的間隙，因此鉆具在鉆孔中的活動空間很大，為鉆具的傾斜和彎曲創造了空間條件。在擴大井眼的井中尤其如此。
(3)WOB的作用。下部鉆具被壓縮後將向井壁壹側傾斜。當壓力超過壹定值時，鉆柱會彎曲。彎曲的鉆柱會使鉆頭附近的鉆具傾斜得更厲害。
(4)安裝錯誤。安裝設備時，天車、遊車、轉盤不在同壹垂直線上，或轉盤安裝不均勻，導致鉆具壹開始就傾斜。
圖4-13鉆頭切削不對稱造成的偏差
圖4-14鉆頭橫向切割造成的井斜
(2)防斜技術
上述井斜原因中，地質原因客觀存在，無法改變；井眼擴大總有壹個過程，鉆完不會馬上擴大，可以用這個過程來防斜；鉆具原因可以人為控制。人們對防斜做了大量的研究，設計了多種防斜鉆具組合，最常見的兩種是全眼鉆具組合和鐘擺鉆具組合。
1.全眼BHA控制井斜。
從以上對井斜原因的分析可以看出，井斜的原因可以歸結為鉆頭對井底的不對稱切割、鉆頭軸線相對於井眼軸線的傾斜以及鉆頭上的側向力對井底的側向切割。防止井斜的措施就是想辦法克服這三個原因，滿眼鉆井總成就是這樣設計的。
假設如果鉆具直徑完全等於鉆頭直徑，上述三種井斜原因將被克服。但這樣將無法循環鉆井液，還會引發壹系列其他問題，在工程上不可行。在實際應用中，采用扶正器組合的方法來解決這壹問題。
滿眼BHA的結構是將扶正器適當放置在鉆頭附近約20厘米長的鉆鋌上，以達到防斜的目的。所謂“適當放置”包括扶正器的數量、位置和直徑。壹般安裝四個扶正器，如圖4-15所示。
(1)接近鉆頭扶正器:安裝在鉆頭上，簡稱“接近支撐”。橋臺直徑較大，與鉆頭僅相差1 ~ 2mm。在傾斜區域，近端支架的長度可以加長；在特別傾斜的地層中，可以將兩個扶正器串聯起來作為近支護。近支撐的主要作用是依靠它支撐在未膨脹的井壁上，抵抗鉆頭上的側向力，有效防止鉆頭側向切削。同時，由於其直徑大、長度長、剛性大，近端支撐還能有效防止鉆頭傾斜，從而防止鉆頭的不對稱切削。
圖4-15滿眼鉆井組件
(2)中間扶正器:簡稱“中間支撐”或“二次支撐”。中富的位置需要嚴格計算。中間支架的直徑與近側支架的直徑相同。中間支撐的主要作用是保證中間支撐和鉆頭之間的鉆柱不彎曲，使這個鉆柱不傾斜，從而防止鉆頭不對稱切割井底。
(3)上扶正器:簡稱“上撐”或“三撐”。上部支撐放置在中間支撐上方的單個鉆鋌處。上支架的直徑壹般與近支架和中支架的直徑相同，但可以稍松壹些。
(4)第四扶正器:簡稱“四撐”，壹般不需要，在特別傾斜的地層只安裝四撐。四個支撐放置在上支撐上方的單個鉆鋌處，直徑要求與上支撐相同。上支撐和四個支撐的作用是增加下鉆柱的剛度，輔助中間支撐防止下鉆柱軸線傾斜。
2.鐘擺鉆具組合控制井斜
鐘擺鉆具的原理如圖4-16所示。當鐘表擺動過壹定角度時，鐘擺上會有壹個向後的擺力GC，簡稱鐘擺力。GC = g sin α，g是切點A到井底鉆頭位置b的重力，顯然，擺的擺角越大，擺力越大。如果在鉆柱下部適當位置加壹個扶正器，將扶正器支撐在井壁上，使下部鉆柱懸空，扶正器下面的鉆柱就像壹個鐘擺，也會產生壹個擺力。這個擺力的作用是使鉆頭切削井壁的下側，使新鉆的井眼保持傾斜。
鐘擺鉆具組合設計的關鍵是計算扶正器到鉆頭的距離LZ。如果這個距離太小，擺力就會很小。如果這個距離太大，在扶正器和鉆頭之間，鉆柱和井壁之間會產生壹個新的接觸點，所以LZ稱為最優距離。考慮到扶正器的磨損和井徑的擴大，與計算的LZ相比，扶正器到鉆頭的距離可減小5% ~ 10%。
四、定向井技術
圖4-鐘擺鉆具16示意圖
(壹)定向井及其應用領域
使井眼軸線沿著預期軌跡鉆到目的層的鉆井方法稱為定向鉆井。
定向井的應用領域壹般有三種情況。
(1)受地面環境條件限制的情況:當地面為山地、湖泊、沼澤、河流、溝壑、海洋、農田或重要建築物時，難以安裝鉆機進行鉆井作業或安裝鉆機和鉆井作業費用高，為了勘探開發地下油田，最好打定向井。
(2)如果地下地質條件需要:對於斷層遮擋油藏，定向井比直井能發現和鉆遇更多的油層；對於薄油層，定向井和水平井的油層暴露面積遠大於直井。此外，側鉆井、多底井、分支井、大位移井、側鉆水平井和徑向水平井等新型定向井顯著擴大了勘探效果，增加了原油產量，提高了原油采收率。
(3)處理壹些井下事故時:落物或鉆井事故最終無法撈出時，可從上部井段打定向井；特別是發生常規方法難以處理的井噴火災時，應在事故井附近打定向井(稱為救援井)，與事故井連通排水或壓井，以處理井噴火災事故。
目前，定向鉆井已經成為油田勘探開發的壹種極其重要的手段。井眼軌跡設計和井眼軌跡控制是定向鉆井技術的基本內容。實際上，直井可以看作是定向井的特例，其設計軌跡是壹條垂直線。直井防斜和定向井軌跡控制在技術原理上是壹致的，但應用方向不同。
(2)定向井的基本參數
所謂井眼軌跡，本質上就是井眼軸線。實際鉆井的井眼軸線是壹條空間曲線。為了控制軌跡，需要了解這個空間曲線的形狀，測量軌跡，這就是所謂的“測斜儀”。目前常用的測斜儀方法不是連續測斜儀，而是每隔壹定長度測量壹個點。這些區間稱為“勘測段”，這些點稱為“勘測點”。測斜儀在每壹點測量的參數有三個，即井深、井斜角和井斜方位角，它們是井眼軌跡的基本參數。
井深是指從井口(通常以轉盤為基準)到測點的長度，也叫斜深，國外叫測井深。井深由鉆柱或電纜的長度來衡量。井深不僅是測點的基本參數之壹，也是表示測點位置的標誌。
通過鉆孔軸線上的壹個測點就是鉆孔軸線的切線，切線向鉆孔前進方向延伸的部分稱為鉆孔方向線。鉆孔方向線與重力線之間的夾角為傾角。傾角表示該測量點處井眼軌跡的傾斜度。
壹個測點的井眼方向投影在水平面上，稱為井眼方位線或井斜方位線。以地理北位線為起始邊，順時針旋轉到鉆孔方位線轉過的角度，即鉆孔方位。
需要註意的是，目前廣泛使用的磁測斜儀是基於地球的磁北位置。磁北與地理真北不重合，而是有壹個夾角，稱為磁偏角。磁測斜儀測得的井斜方位角稱為磁方位角，但不是真方位角，需要換算才能得到真方位角。
(三)定向井軌道分類
定向井按設計軌跡(而不是實際鉆井軌跡)可分為二維定向井和三維定向井兩大類。所謂二維定向井，是指設計的軌道都在壹個垂直面內變化，即設計的軌道只是傾角變化，井斜方位角沒有變化。對於三維定向井，既有井斜角的變化，也有井斜方位角的變化。二維定向井可分為常規二維定向井和非常規二維定向井。常規二維定向井井段的形狀由直線和圓弧曲線組成。除了直線和圓弧曲線，還有壹些特殊的曲線，如懸鏈線、二次拋物線等。三維定向井可分為糾傾三維定向井和避障三維定向井。
在實際工程中，常規二維定向井最為常見。
(四)方向控制技術
在定向井、水平井、大位移井等特殊技術的鉆井中，不僅要防止和拉直垂直井段，還要進行定向造斜、增減定向造斜和穩定定向造斜。在這些定向鉆井過程中，井眼軌跡的定向控制技術是不可或缺的關鍵技術。在井眼軌跡的定向控制中，井下功率BHA和旋轉式BHA都得到了成功的應用。
1.井下動力鉆具組合
在定向井和水平井鉆井中，導向鉆井系統得到了廣泛的應用。導向鉆井系統包括井下動力鉆具組合、長壽命高效鉆頭、隨鉆測量工具和地面支撐系統等。井下動力鉆具組合是其核心部分，主要由帶彎接頭或彎殼或偏心穩定器的井下動力鉆具組合和普通穩定器組成。使用井下動力鉆具組合進行滑動鉆井可以有效地控制井眼軌跡。井下動力鉆具組合有許多不同的組合，典型的有帶彎曲接頭的井下動力鉆具組合、渦輪鉆具組合和螺桿鉆具組合。
2.轉盤鉆井組件
扶正器(穩定器)的安裝位置和數量對轉盤鉆具組合非常重要。通過合理的扶正器放置組合，可以獲得所需的增斜、穩斜或降斜鉆具組合，如圖4-17所示。
1)增角BHA
在定向井中，在用偏斜工具進行初始偏斜之後，通常使用偏斜鉆井組件。由於支點效應，鉆頭正上方的單個穩定器可以增加傾斜角度。為了達到所需的井眼軌跡，可以通過添加穩定器來改變增加組合的增長速度。
2)傾斜穩定鉆井組件
壹旦傾斜角度增加到要求的角度，就需要用BHA鉆斜井。現在的問題是減少BHA的傾斜度增加或減少的趨勢。其實這是很難做到的，因為地層效應和重力會改變傾斜角度。為了消除增斜減斜的傾向，穩定器的安裝間距應小，必要時可使用短鉆鋌。傾斜穩定組合壹般只安裝三個穩定器。WOB的變化基本上不影響這種組合的方向性特征。
3)傾斜組合
在定向井中，只有S形(五段)剖面設計需要傾角。BHA的另壹個應用是，當傾角增加超過設計要求時，必須將其降低，以將鉆孔校正回原始軌道。最好在軟地層中降低傾斜度，因為鐘擺鉆井組件在硬地層中緩慢降低傾斜度。
五、鉆井取心技術
巖心是提供地層剖面原始樣品的唯壹途徑，從中可以獲得其他方法無法獲得的信息。在油氣田的勘探開發階段，為了查明油氣藏的性質或檢查油氣田的開發效果，評價和改進開發方案，任何研究步驟都離不開對巖心的觀察和研究。
常規取心工具的基本組成包括:取心鉆頭、內外巖心筒、巖心爪、扶正器及其懸掛裝置，如圖4-18所示。
圖4-17轉盤鉆具組合
圖4-18取心工具組成圖
1—取心鉆頭；2芯爪；3—內巖心筒；4—外巖心筒；5-扶正器；6—背壓閥；7—懸掛軸承；8—懸掛裝置
取心鉆頭是鉆地層和取心的關鍵工具。取芯鉆頭可分為刮刀取芯鉆頭、牙輪取芯鉆頭和金剛石取芯鉆頭。
巖心筒是取心工具的重要部件之壹，包括內巖心筒、外巖心筒、扶正器、回壓閥和懸掛組件。外巖心筒采用優質無縫鋼管，頂部與鉆柱連接，底部與取心鉆頭連接。內芯筒的功能是在取芯鉆井期間接收、儲存和保護巖心。
懸架組件包括懸架軸承組和懸架裝置。
取心爪的作用是在取芯鉆進後切割巖心，並在起鉆時支撐被切割的巖心，防止其脫落。