钻井技术是什么？
为满足不同条件的钻井需要，优质、安全、快速钻进，钻井工作者几十年来研究了各种钻井技术，现已发展成为以喷射钻井及优化参数钻井为核心的钻井综合配套技术。下面重点介绍喷射钻井技术、优选参数钻井技术、直井防斜技术、定向井技术、钻井取心技术等。
一、喷射钻井技术
喷射钻井技术在我国是从1978年开始试验并在生产上逐渐推广的。喷射钻井的实质就是钻井水力参数的优化。喷射钻井的一个显著特点是从钻头喷射出来的钻井液射流具有很高的喷射速度，井底得到较大的冲击力和水功率，从而及时清除井底岩屑，破碎井底岩石，提高钻井速度。
（一）射流对井底的水力作用
1．射流特性
图4-7 射流结构
射流是指通过管嘴或孔口，过水断面周界不与固体壁接触的液流，见图4-7。射流出喷嘴后，由于摩擦作用，射流流体与周围流体产生动量交换，带动周围流体一起运动，使射流的周界直径不断扩大。射流纵剖面上周界母线的夹角称为射流扩散角（α）。α越小，则射流的密集性越高，能量就越集中。在射流中心，各点的流速等于出口流速（vjo）部分称等速核。在射流的任一横截面上，从等速核向外速度很快降低，到射流边界上速度为零。超过等速核以后，射流轴线上的速度迅速降低。当射流撞击井底后，形成井底冲击压力波和井底漫流。L为射流轴线上某点距出口的距离，vjm为距出口L处的最大射液速度。
2．射流对井底的清洗作用
射流撞击井底后形成的井底冲击压力波和井底漫流是射流对井底清洗的两种主要形式。
（1）射流的冲击压力作用。射流撞击井底后形成的冲击压力波并不是作用在整个井底，而是作用在如＜ahref="4797B51267B0427EB929F1C52E1E6774"＞图4-8＜/a＞所示的小圆面积上，井底岩屑所受冲击压力极不均匀。极不均匀的冲击压力使岩屑产生一个翻转力矩，从而离开井底，如＜ahref="DA46E734B8C842C68F156F57585D79AE"＞图4-9＜/a＞所示，这就是射流对井底岩屑的冲击翻转作用。
（2）漫流的横推作用。射流撞击井底后形成的漫流是一层很薄的高速液流层，具有附面射流的性质。这层具有很高速度的井底漫流，对井底岩屑产生一个横向推力，使其离开原来的位置。因此，井底漫流对井底清洗有非常重要的作用。
图4-8 射流作用
图4-9 岩屑翻转
3．射流对井底的破岩作用
当射流的水功率足够大时，射流不但有清洗井底的作用，而且还有直接或辅助破碎岩石的作用。
（二）射流水力参数和钻头水力参数
射流水力参数包括射流的喷射速度、射流冲击力和射流水功率。钻头喷嘴出口处的射流速度称为射流喷射速度，习惯上称为喷速。射流冲击力是指射流在其作用的面积上的总作用力的大小。单位时间内射流所具有的做功能量就是射流水功率。
钻头水力参数包括钻头压力降和钻头水功率。钻头压力降是指钻井液流过钻头喷嘴以后钻井液压力降低的值。钻头水功率是指钻井液流过钻头时所消耗的水力功率。
二、最优化钻井技术（优选参数钻井技术）
钻进过程中的机械破岩参数主要包括钻压和转速。为寻求一定的钻压、转速参数配合，使钻进过程达到最佳的技术经济效果，首先需要确定一个衡量钻进技术经济效果的标准，并将各参数对钻进过程影响的基本规律与这一标准结合起来，建立钻进目标函数。然后，运用最优化数学理论，在各种约束条件下，寻求目标函数的极值点。满足极值点条件的参数组合，即为钻进过程的最优机械破岩参数。利用这个最优参数实施的钻井方法称为最优化钻井。因此，最优化钻井的实质就是对影响钻进速度的主要因素以及钻进过程中的基本规律进行分析，并建立相应的数学模型。
（一）影响钻速的主要因素
除了前面已经介绍的岩石特性和钻头类型对钻速有重要影响外，钻进过程中的钻压、转速、水力因素、钻井液性能以及钻头的牙齿磨损等也是影响钻速的主要因素。
1．钻压对钻速的影响
在钻进过程中，钻头牙齿在钻压的作用下吃入地层、破碎岩石。钻压的大小决定了牙齿吃入岩石的深度和岩石破碎体积的大小。因此，钻压是影响钻速的最直接和最显著的因素之一。钻进实践表明，在其他钻进条件保持不变的情况下，钻压与钻速的典型关系近似于线性关系。
2．转速对钻速的影响
转速对钻速的影响是人们早就认识到，并已研究解决了的问题。在钻压和其他钻井参数保持不变的条件下，随着转速的提高，钻速是以指数关系变化的，但指数一般都小于1。
3．牙齿磨损对钻速的影响
钻进过程中钻头在破碎地层岩石的同时，其牙齿也受到地层的磨损。随着钻头牙齿的磨损，钻头工作效率将明显下降，钻进速度也随之降低。
4．水力因素对钻速的影响
表征钻头及射流水力特性的参数统称为水力因素，其总体指标通常用井底单位面积上的平均水功率（称为比水功率）来表示。水力因素对钻速的影响表现为两个方面：一是水功率大，钻头喷嘴所产生的钻井液射流对井底岩屑的冲洗作用大。但当实际水功率大于净化所需的水功率时，井底达到完全净化后，水功率的提高不会进一步提高钻速。二是水力能量的破岩作用。当水功率超过井底净化所需的水功率后，机械钻速仍有可能增加。
5．钻井液性能对钻速的影响
钻井液性能对钻速的影响规律比较复杂，其复杂性不仅在于表征钻井液性能的各参数对钻速都有不同程度的影响，而且几乎不可能在改变钻井液某一性能参数时不影响其他性能参数的变化。因此要单独评价钻井液的某一性能对钻速的影响相当困难。试验研究表明，钻井液的密度、黏度、失水量和固相含量及其分散性等，都对钻速有不同程度的影响。
（二）目标函数的建立
衡量钻井整体技术经济效果的标准有多种类型。目前，一般都以钻头单位进尺成本作为标准，其表达式为：
式中 Cpm——单位进尺成本，元/m；
Cb——钻头成本，元；
Cr——钻机作业费，元/h；
t——钻头钻进时间，h；
tt——起下钻及接单根时间，h；
H——钻头进尺，m。
式中的钻头进尺和钻头工作时间与钻进过程中所采用的各参数有关。建立各参数与H和t的关系，并代入进尺成本表达式，即形成以每米钻井成本表示的钻进目标函数。并对目标函数的极值条件和约束条件进行确定。各种条件确定后，就可以通过最优化数学方法，求解出在约束条件限定范围内使钻井成本最低的一组最优钻压、最优转速和最优钻头磨损量组合。
三、直井防斜技术
直井就是设计轨道是一条铅垂线的井。直井防斜技术也称直井的轨迹控制，就是要防止实钻轨迹偏离设计的铅垂直线。一般来说，实钻轨迹总是要偏离设计轨道的，所以实钻的直井总是会发生井斜的。要想控制直井井眼绝对不斜是不可能的，问题在于能否控制井斜的度数或井眼的曲率在一定范围之内。
（一）井斜的原因分析
影响井斜的因素很多，但概括起来可分为两大类：一类是地质因素，一类是钻具因素。找到井斜的原因，就可以提出防斜的措施。
1．地质因素
地质因素导致的井斜最本质的原因是地层可钻性的不均匀性（由地层层理、岩层硬度不同引起）和地层的倾斜。
1）地层层理的影响
沉积岩具有层理，在垂直于层面方向上可钻性高，平行于层面方向的可钻性低，如图4-10所示。钻头总是有向着容易钻进的方向前进的趋势。在地层倾斜且地层倾角小于45°时，钻头前进方向偏向垂直于地层层面的方向，于是偏离铅垂线。在地层倾角超过60°以后，钻头前进方向则沿着平行于地层层面方向下滑，也要偏离铅垂线。当地层倾角在45°～60°之间时，井斜方向属不稳定状态。
图4-10 地层可钻性的各向异性导致井斜
2）地层硬度的影响
在沉积过程中，由于沉积环境的不同，造成不同地层的硬度不同。如图4-11所示，由于地层倾斜，钻头底面遇到“软”侧地层时钻速高，遇到“硬”侧地层时钻速低，于是井沿轴线偏离，发生井斜。如图4-12所示，在钻头的一侧下面钻遇溶洞或较疏松的地层，而另一侧则遇较致密的地层。于是钻头前进方向发生偏离，偏向难以钻进的一侧。
从以上分析可知，地层可钻性的各种不均匀性和地层倾斜引起井斜的机理，最终体现在钻头对井底的不对称切削，使钻头轴线相对于井眼轴线发生倾斜，从而使新钻的井眼偏离原井眼。
2．钻具因素
钻具，尤其是靠近钻头部分钻具（称作“底部钻具组合”）的倾斜和弯曲是导致井斜的主要因素。钻具的倾斜和弯曲将产生两个后果：一是引起钻头倾斜，在井底形成不对称切削，如图4-13所示，新钻的井眼不断偏离原井眼方向；二是钻头受到侧向力的作用，迫使钻头进行侧向切削，如图4-14所示，也使新钻的井眼不断偏离原井眼方向。导致钻具倾斜和弯曲的原因有：
图4-11 地层可钻性纵向变化引起井斜
图4-12 地层可钻性的横向变化引起井斜
（1）入井钻具本身弯曲。
（2）由于钻具直径小于井眼直径，钻具和井眼之间有一定的间隙，所以钻具在井眼内活动余地很大，这就给钻具的倾斜和弯曲创造了空间条件。在井眼扩大的井中尤其如此。
（3）钻压的作用。下部钻具受压后必将向井壁一侧倾斜。当压力超过一定值后，钻柱将发生弯曲。弯曲的钻柱将使靠近钻头的钻具倾斜更大。
（4）安装误差。在安装设备时，天车、游车和转盘三点不在一条铅垂线上，或转盘安装不平而引起钻具一开始就倾斜。
图4-13 钻头不对称切削导致井斜
图4-14 钻头侧向切削导致井斜
（二）防斜技术
上述井斜原因中，地质原因是客观存在的，无法改变；井眼扩大总是有个过程，不会刚一钻成就马上扩大，所以可以利用这个过程防斜；钻具原因则可以人为控制。在防斜方面人们进行了大量研究，设计了许多种防斜钻具组合，最常见的两种是满眼钻具组合和钟摆钻具组合。
1．满眼钻具组合控制井斜
从上述对井斜原因的分析可知，井斜的原因可归结为钻头对井底的不对称切削、钻头轴线相对于井眼轴线发生倾斜，以及钻头上侧向力导致对井底的侧向切削。防斜的措施就是想办法克服这三个原因，满眼钻具组合就是这样设计的。
设想，如果钻具的直径与钻头的直径完全相等，上述三个井斜原因就都会被克服。但这样做将无法循环钻井液，而且会引起一系列其他问题，在工程上是行不通的。实际应用中采用扶正器组合的办法来解决。
满眼钻具组合的结构是，在靠近钻头大约20cm长的钻铤上适当安置扶正器，以此来达到防斜的目的。所谓“适当安置”，包括扶正器的数量、位置和直径。一般安装四个扶正器，如图4-15所示。
（1）近钻头扶正器：安装在钻头之上，简称“近扶”。近扶直径较大，与钻头直径仅差1～2mm。在易斜地区，近扶的长度可加长；在特别易斜的地层，可将两个扶正器串联起来作为近扶。近扶的主要作用是，依靠其支撑在尚未扩大的井壁上，抵抗钻头所受的侧向力，有效防止钻头侧向切削。同时，近扶由于直径大、长度大、刚性大，也可有效防止钻头倾斜，从而阻止钻头的不对称切削。
图4-15 满眼钻具组合
（2）中扶正器：简称“中扶”或“二扶”。中扶的位置需要经过严格计算。中扶的直径与近扶相同。中扶的主要作用是保证中扶与钻头之间的钻柱不发生弯曲，使这段钻柱不发生倾斜，从而防止钻头对井底的不对称切削。
（3）上扶正器：简称“上扶”或“三扶”。上扶安置位置在中扶之上的一个钻铤单根处。上扶的直径一般与近扶和中扶相同，但要求可以稍松。
（4）第四扶正器：简称“四扶”，一般情况下不需要，仅在特别易斜的地层才安装四扶。四扶安置位置在上扶之上的一个钻铤单根处，直径要求与上扶相同。上扶与四扶的作用在于增大下部钻柱的刚度，协助中扶防止下部钻柱轴线发生倾斜。
2．钟摆钻具组合控制井斜
钟摆钻具原理如图4-16所示。当钟摆摆过一定角度时，在钟摆上会产生一个向回摆的力GC，简称钟摆力，GC=G·sinα，G为切点A到井底钻头位置B点的重力。显然，钟摆摆动的角度越大，钟摆力就越大。如果在钻柱的下部适当位置加一个扶正器，该扶正器支撑在井壁上，使下部钻柱悬空，则该扶正器以下的钻柱就好像一个钟摆，也要产生一个钟摆力。此钟摆力的作用是使钻头切削井壁的下侧，从而使新钻的井眼不断下斜。
钟摆钻具组合设计的关键在于计算扶正器至钻头的距离LZ，此距离太小则钟摆力小；此距离太大则扶正器和钻头间的钻柱与井壁会产生新的接触点，所以LZ称为最优距离。考虑到扶正器的磨损和井径的扩大，在实际使用时，扶正器至钻头的距离可比计算的LZ降低5%～10%。
四、定向井技术
图4-16 钟摆钻具原理图
（一）定向井及其应用领域
使井眼轴线沿着预计轨迹钻达目的层的钻井方法称为定向钻井。
定向井应用领域大体有三种情况。
（1）受地面环境条件限制的情况：当地面上是高山、湖泊、沼泽、河流、沟壑、海洋、农田或重要的建筑物等，难以安装钻机进行钻井作业或者安装钻机和钻井作业费用很高时，为了勘探和开发地下油田，最好是钻定向井。
（2）地下地质条件有要求的情况：对于断层遮挡油藏，定向井比直井可发现和钻穿更多的油层；对于薄油层，定向井和水平井比直井的油层裸露面积要大得多。另外，侧钻井、多底井、分支井、大位移井、侧钻水平井、径向水平井等定向井的新种类，显著扩大了勘探效果，增加了原油产量，提高了油藏采收率。
（3）处理某些井下事故时：当井下落物或断钻事故最终无法捞出时，可从上部井段侧钻打定向井；特别是遇到井喷着火，用常规方法难以处理时，在事故井附近打定向井（称作救援井），与事故井贯通，进行引流或压井，处理井喷着火事故。
目前，定向钻井已成为油田勘探开发极为重要的手段。井眼轨道设计和井眼轨迹控制是定向钻井技术的基本内容。事实上，直井可以看作是定向井的特例，其设计的轨道为一条铅垂线。直井防斜和定向井井眼轨迹控制，在技术原理上是一致的，只是应用方向不同而已。
（二）定向井的基本参数
所谓井眼轨迹，实质就是井眼轴线。一口实钻井的井眼轴线乃是一条空间曲线。为了进行轨迹控制，就要了解这条空间曲线的形状，就要进行轨迹测量，这就是“测斜”。目前常用的测斜方法并不是连续测斜，而是每隔一定长度的井段测一个点，这些井段称为“测段”，这些点被称为“测点”。测斜仪器在每个点上测得的参数有三个，即井深、井斜角和井斜方位角，这三个参数就是井眼轨迹的基本参数。
井深指井口（通常以转盘面为基准）至测点的井眼长度，也有人称之为斜深，国外称为测量井深。井深是以钻柱或电缆的长度来量测。井深既是测点的基本参数之一，又是表明测点位置的标志。
过井眼轴线上某测点作井眼轴线的切线，该切线向井眼前进方向延伸的部分称为井眼方向线。井眼方向线与重力线之间的夹角就是井斜角。井斜角表示了井眼轨迹在该测点处倾斜度的大小。
某测点处的井眼方向投影到水平面上，称为井眼方位线或井斜方位线。以地理正北方位线为始边，顺时针方向旋转到井眼方位线上所转过的角度，即井眼方位角。
需要注意的是，目前广泛使用的磁性测斜仪是以地球磁北方位为基准的。磁北方位与地理正北方位并不重合，而是有个夹角，称为磁偏角。用磁性测斜仪测得的井斜方位角称为磁方位角，并不是真方位角，需要经过换算求得真方位角。
（三）定向井轨道分类
根据设计轨道（而不是根据实钻轨迹）的不同，定向井可分为二维定向井和三维定向井两大类。所谓二维定向井，是指设计的轨道都在一个铅垂线平面上变化，即设计轨道只有井斜角的变化而无井斜方位角的变化。三维定向井则既有井斜角的变化又有井斜方位角的变化。二维定向井又可分为常规二维定向井和非常规二维定向井。常规二维定向井段形状都是由直线和圆弧曲线组成。非常规二维定向井的井段形状除了直线和圆弧曲线外，还有某种特殊曲线，例如悬链线、二次抛物线，等等。三维定向井可分为纠偏三维定向井和绕障三维定向井。
在实际工程中，最常见的是常规二维定向井。
（四）定向控制技术
在定向井、水平井及大位移井等特殊工艺钻井中，不仅需要对垂直井段防斜打直，更需要定向造斜、定向增斜或降斜及定向稳斜等作业。在这些定向钻进过程中，井眼轨迹的定向控制技术是不可缺少的关键性技术。在井眼轨迹的定向控制中，井下动力钻具组合和转盘钻具组合均获得了成功的应用。
1．井下动力钻具组合
在定向井和水平井钻井中，广泛采用了导向钻井系统。导向钻井系统包括井下动力钻具组合、长寿命的高效钻头、随钻测量工具及地面配套系统等，其中井下动力钻具组合是核心部分，它主要由带弯接头或具有弯外壳或偏心稳定器的井下动力钻具及普通稳定器构成。采用井下动力钻具组合滑动钻进，可以有效控制井眼轨迹。井下动力钻具组合具有多种不同的组合形式，比较典型的是带弯接头的井下动力钻具组合、涡轮钻具组合、螺杆钻具组合。
2．转盘钻具组合
对于转盘钻具组合，扶正器（稳定器）的安装位置和个数是至关重要的。通过合理的扶正器安放组合，便可得到所需要的增斜、稳斜或降斜钻具组合，如图4-17所示。
1）增斜钻具组合
在定向井中，用造斜工具初始造斜后，通常使用增斜钻具组合。紧接在钻头上方的单稳定器因支点效应可使井斜角增加，为了达到所要求的井眼轨迹，可通过增加稳定器来改变增斜组合的造斜率。
2）稳斜钻具组合
一旦井斜角增至所需的角度，就要用稳斜钻具组合来钻稳斜井段。现在的问题是要减小钻具组合的增斜或降斜趋势。实际上这一点很难做到，因为地层效应和重力会改变井斜角。为了消除增斜和降斜趋势，稳定器安装间隔要小，必要时可采用短钻铤。一般稳斜组合只装三个稳定器。钻压变化基本上不影响这种组合的定向特性。
3）降斜组合组合
在定向井中，只有S形（五段制）的剖面设计要求降斜。降斜钻具组合的另一个应用是，当井斜角增加到超出设计要求时必须降斜，以把井眼纠回到原定的轨道。最好是在较软的地层中降斜，因为在硬地层钟摆钻具组合降斜很慢。
五、钻井取心技术
岩心是提供地层剖面原始标本的唯一途径，从岩心标本可以得到其他方法无法得到的资料。在油气田勘探、开发各阶段，为查明储油、储气层的性质或从大区域的地层对比到检查油气田开发效果、评价和改进开发方案，任一研究步骤都离不开对岩心的观察和研究。
常规钻进取心工具的基本组成都包括：取心钻头，内、外岩心筒，岩心爪，扶正器及其悬挂装置，见图4-18。
图4-17 转盘钻具组合
图4-18 取心工具组成示意图
1—取心钻头；2—岩心爪；3—内岩心筒；4—外岩心筒；5—扶正器；6—回压阀；7—悬挂轴承；8—悬挂装置
取心钻头是钻进地层、形成岩心的关键工具。取心钻头可分为刮刀式取心钻头、牙轮取心钻头、金刚石取心钻头三种。
岩心筒是取心工具的重要部分之一，包括内岩心筒、外岩心筒、扶正器、回压阀及悬挂总成等部件。外岩心筒为优质无缝钢管制成，上接钻柱，下接取心钻头。内岩心筒的作用是在取心钻进时接受、储存和保护岩心。
悬挂总成包括悬挂轴承组和悬挂装置。
岩心爪的作用是在取心钻进结束后用以割断岩心，并在起钻时承托已割取的岩心以防其脱落。
