《石油钻井工程》课程教学大纲 Drilling Engineering

西北联启大学钻井工程课程教学大纲课程名称：钻井工程课程编号：H01610课程属性：必修课英文名称：DrillingEngineering学时：64学分：4适用专业：石油工程专业一、课程简介《钻井工程》是为石油工程专业本科生讲授的一门专业课程，是一门实践性非常强的课程，也是本科石油工程专业学生必修的一门重要专业课程。《钻井工程》课程教学目的就是为了培养高素质的从事石油钻井与完井工作，并具有丰富专业技能的石油工程技术人员或科研人员，造就一批合格的从事石油勘探开发工作的从业者。本课程是石油工程专业的主要专业课之一。学生通过对钻井岩石基础、钻井液、钻井工艺技术、钻井过程压力控制和井控技术的学习，要求学生能够掌握油气钻井过程中的各环节、掌握相关的基本概念和理论，初步具有应用获得的知识分析、解决工程实际问题的能力。同时要求学生了解钻井技术的现状和发展趋势。二、课程内容及学时分配教学环节课时安排讲课上机合计习题课讨论课实验课其它64568第一单元：绪论（建议学时数：2学时）【学习目的和要求】通过了解钻井与完井工程的定义及其在石油工业中的地位，明确学习本门功课的重要性；通过了解钻并与完工程的主要内容及其衔接关系，建立钻并与完并工程的整体与系统的概念；了解钻并与完并工程技术的发展过程

钻井工程课程教学大纲 课程名称：钻井工程 课程编号：H01610 英文名称：Drilling Engineering 课程属性：必修课 学 时：64 学 分：4 适用专业：石油工程专业 一、课程简介 《钻井工程》是为石油工程专业本科生讲授的一门专业课程，是一门实践性非常强 的课程，也是本科石油工程专业学生必修的一门重要专业课程。《钻井工程》课程教学 目的就是为了培养高素质的从事石油钻井与完井工作，并具有丰富专业技能的石油工程 技术人员或科研人员，造就一批合格的从事石油勘探开发工作的从业者。 本课程是石油工程专业的主要专业课之一。学生通过对钻井岩石基础、钻井液、钻 井工艺技术、钻井过程压力控制和井控技术的学习，要求学生能够掌握油气钻井过程中 的各环节、掌握相关的基本概念和理论，初步具有应用获得的知识分析、解决工程实际 问题的能力。同时要求学生了解钻井技术的现状和发展趋势。 二、课程内容及学时分配 教 学 环 节 课 时 安 排 讲课 习题课 讨论课 实验课 上机 其它 合计 56 8 64 第一单元：绪论（建议学时数：2 学时） 【学习目的和要求】通过了解钻井与完井工程的定义及其在石油工业中的地位，明 确学习本门功课的重要性；通过了解钻井与完井工程的主要内容及其衔接关系，建立钻 井与完井工程的整体与系统的概念；了解钻井与完井工程技术的发展过程

西北联启大学【重点】各个教学环节之间的相互关联关系【难点】第一节钻井与完井工程及其在石油工业中的地位一、石油、天然气在国民经济中的地位二、石油天然气勘探、开发、生产的主要环节三、钻与完井工程在石油工业中的作用和地位（勘探、开发、提高采收率）第二节钻井与完井工程的内容一、一口井的钻井流程：钻前工程、钻井工程、完井工程二、钻井工程设计：地质设计、工程设计三、钻井工程设计所包含的内容：井身结构设计、钻机性能、钻井液设计、钻头设计、水力参数和钻井参数设计、钻具组合设计、固井完井设计四、钻井过程：旋转钻井系统简介、固井过程、完井方法简介五、井史整理第三节钻井与完井工程技术的发展一、深井复杂井钻井技术二、特殊工艺井钻井技术（定向井、丛式井、水平井、大位移井、分枝井）三、欠平衡钻井技术四、连续油管钻井技术五、保护油气层的钻井完井技术六、小井眼钻井技术第二单元：井身结构设计（建议学时数：6学时）【学习目的和要求】要求掌握地层压力预测的基本原理、方法和并身结构设计的主

【重点】各个教学环节之间的相互关联关系。 【难点】 第一节 钻井与完井工程及其在石油工业中的地位 一、石油、天然气在国民经济中的地位 二、石油天然气勘探、开发、生产的主要环节 三、钻井与完井工程在石油工业中的作用和地位（勘探、开发、提高采收率） 第二节 钻井与完井工程的内容 一、一口井的钻井流程：钻前工程、钻井工程、完井工程 二、钻井工程设计：地质设计、工程设计 三、钻井工程设计所包含的内容：井身结构设计、钻机性能、钻井液设计、钻 头设计、水力参数和钻井参数设计、钻具组合设计、固井完井设计 四、钻井过程：旋转钻井系统简介、固井过程、完井方法简介 五、井史整理 第三节 钻井与完井工程技术的发展 一、深井复杂井钻井技术 二、特殊工艺井钻井技术（定向井、丛式井、水平井、大位移井、分枝井） 三、欠平衡钻井技术 四、连续油管钻井技术 五、保护油气层的钻井完井技术 六、小井眼钻井技术 第二单元：井身结构设计（建议学时数：6 学时） 【学习目的和要求】要求掌握地层压力预测的基本原理、方法和井身结构设计的主

西北联启大学要内容（设计步骤及相关计算方法）了解异常压力形成的环境条件，了解生产套管尺寸设计内容及影响因素【重点】地层压力、地层破裂压力、地层塌压力的预测方法；井身结构的设计方法和步骤。【难点】岩石力学理论模型、井身结构设计计算。第一节地层孔隙压力预测方法（2学时）一、几个基本概念二、异常压力形成原因三、地层孔隙压力预测方法（掌握dc指数法，了解声波时差、地震法）第二节地层破裂压力预测方法（1学时）一、破裂压力定义、地应力、构造应力系数二、预测模型建立三、液压法试验测取破裂压力原理、方法、步骤第三节井眼塌压力预测方法（1学时）一、并眼系统稳定性与安全、快速钻井的关系二、井眼塌压力梯度公式推导三、有关岩石力学特性参数测取第四节井身结构设计（2学时）一、并身结构设计内容二、井身结构设计原理三、井身结构设计方法、步骤四、井身结构设计例题

要内容（设计步骤及相关计算方法）。了解异常压力形成的环境条件，了解生产套管尺 寸设计内容及影响因素。 【重点】地层压力、地层破裂压力、地层坍塌压力的预测方法；井身结构的设计方 法和步骤。 【难点】岩石力学理论模型、井身结构设计计算。 第一节 地层孔隙压力预测方法（2 学时） 一、几个基本概念 二、异常压力形成原因 三、地层孔隙压力预测方法（掌握 dc 指数法，了解声波时差、地震法） 第二节 地层破裂压力预测方法（1 学时） 一、破裂压力定义、地应力、构造应力系数 二、预测模型建立 三、液压法试验测取破裂压力原理、方法、步骤 第三节 井眼坍塌压力预测方法（1 学时） 一、井眼系统稳定性与安全、快速钻井的关系 二、井眼坍塌压力梯度公式推导 三、有关岩石力学特性参数测取 第四节 井身结构设计（2 学时） 一、井身结构设计内容 二、井身结构设计原理 三、井身结构设计方法、步骤 四、井身结构设计例题

西北联启大学第五节生产套管尺寸设计（自学）一、生产套管设计的影响因素二、生产套管尺寸设计第三单元：钻井液（建议学时数：8学时）【学习目的和要求】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；重点掌握钻井液两个工艺性能对钻工程的影响，了解胶体化学特点及其对钻并液性能的影响。了解相关的化学添加剂类型及其作用原理；了解钻并液性能的测量、维护控制和调整的基本原理和方法，了解常用钻并液体系的类型、原理和使用条件。【重点】粘土晶体结构、扩散双电层、电动电势、粘土的水化。流变参数及其胶体化学性质；流变性能调节原理；影响静失水的因素分析。水基钻井液（分散型、抑制型、聚合物钻井液）体系的组成及其适用的地层条件。【难点】粘土晶体结构与扩散双电层概念。流变参数及其胶体化学性质、影响静失水的因素分析、泥饼质量评价和控制原理。钻井液各组分的基本物理化学作用原理。第一节钻井液的功用、组成和类型（0.5学时）一、钻井液的功用二、钻井液的组成和类型第二节粘土胶体化学基础（1.5学时）一、粘土胶体化学的几个基本概念二、主要粘土矿物的晶体构造和特点三、粘土-水界面扩散双电层

第五节 生产套管尺寸设计（自学） 一、生产套管设计的影响因素 二、生产套管尺寸设计 第三单元：钻井液（建议学时数：8 学时） 【学习目的和要求】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；重点掌握钻井液两个工艺性能对钻井工程的 影响，了解胶体化学特点及其对钻井液性能的影响。了解相关的化学添加剂类型及其作 用原理；了解钻井液性能的测量、维护控制和调整的基本原理和方法，了解常用钻井液 体系的类型、原理和使用条件。 【重点】粘土晶体结构、扩散双电层、电动电势 ζ、粘土的水化。流变参数及其胶 体化学性质；流变性能调节原理；影响静失水的因素分析。水基钻井液（分散型、抑制 型、聚合物钻井液）体系的组成及其适用的地层条件。 【难点】粘土晶体结构与扩散双电层概念。流变参数及其胶体化学性质、影响静失 水的因素分析、泥饼质量评价和控制原理。钻井液各组分的基本物理化学作用原理。 第一节 钻井液的功用、组成和类型（0.5 学时） 一、钻井液的功用 二、钻井液的组成和类型 第二节 粘土胶体化学基础（1.5 学时） 一、粘土胶体化学的几个基本概念 二、主要粘土矿物的晶体构造和特点 三、粘土-水界面扩散双电层

杨北联后大学四、粘土的水化五、粘土-水悬浮体的稳定性第三节钻井液的工艺性（4学时）一、钻并液的流变性能二、钻井液的失水造壁性能三、钻井液的其它性能第四节钻井液常用原材料和处理剂（自学）一、钻井液常用原材料和处理剂的分类二、钻井液原材料和处理剂作用原理（选修内容）第五节钻井液体系（2学时）一、水基钻井液体系二、油基钻井液体系三、气基钻井液体系第四单元：钻井工艺（建议学时数：10学时）【学习目的和要求】要求学生掌握钻井工艺的基本思想、基本原理、基本方法。了解钻井过程的系统分析方法，掌握与钻井工艺有关的地层岩性，掌握常用钻头的基本特征和工作原理，掌握水力参数和机械参数的计算原理和方法，掌握钻具的基本组成及设计方法，了解相关的钻并经济技术指标。【重点】岩石的强度、研磨性和可钻性的定义及其与破岩的关系；牙轮钻头、PDC的破岩机理；水力参数设计方法；机械参数优选方法；深井钻柱的设计。【难点】牙轮钻头运动学；水力参数计算模型及喷嘴的选择；钻柱受力分析

四、粘土的水化 五、粘土-水悬浮体的稳定性 第三节 钻井液的工艺性（4 学时） 一、钻井液的流变性能 二、钻井液的失水造壁性能 三、钻井液的其它性能 第四节 钻井液常用原材料和处理剂（自学） 一、钻井液常用原材料和处理剂的分类 二、钻井液原材料和处理剂作用原理（选修内容） 第五节 钻井液体系 （2 学时） 一、水基钻井液体系 二、油基钻井液体系 三、气基钻井液体系 第四单元：钻井工艺（建议学时数：10 学时） 【学习目的和要求】要求学生掌握钻井工艺的基本思想、基本原理、基本方法。了 解钻井过程的系统分析方法，掌握与钻井工艺有关的地层岩性，掌握常用钻头的基本特 征和工作原理，掌握水力参数和机械参数的计算原理和方法，掌握钻具的基本组成及设 计方法，了解相关的钻井经济技术指标。 【重点】岩石的强度、研磨性和可钻性的定义及其与破岩的关系；牙轮钻头、PDC 的破岩机理；水力参数设计方法；机械参数优选方法；深井钻柱的设计。 【难点】牙轮钻头运动学；水力参数计算模型及喷嘴的选择；钻柱受力分析

西北联启后大学第一节钻井过程的系统分析（1学时）一、系统特征二、 影响因素三、研究方法第二节地层岩性（1学时）一、岩石的物理机械性质二、岩石的强度三、岩石的硬度和塑性系数四、岩石的研磨性五、岩石的可钻性第三节钻头（2学时）一、钻头类型二、破岩机理三、钻头选择第四节水力参数（2学时）一、水功率传递原理二、水力参数计算三、钻头喷嘴组合四、水力参数设计方法五、实例第五节机械参数（2学时）一、牙轮钻头机械参数

第一节 钻井过程的系统分析（1 学时） 一、系统特征 二、影响因素 三、研究方法 第二节 地层岩性（1 学时） 一、岩石的物理机械性质 二、岩石的强度 三、岩石的硬度和塑性系数 四、岩石的研磨性 五、岩石的可钻性 第三节 钻头（2 学时） 一、钻头类型 二、破岩机理 三、钻头选择 第四节 水力参数（2 学时） 一、水功率传递原理 二、水力参数计算 三、钻头喷嘴组合 四、水力参数设计方法 五、实例 第五节 机械参数（2 学时） 一、牙轮钻头机械参数

杨北联后大学二、金刚石钻头机械参数三、取心钻头机械参数四、机械参数优选方法第六节钻具（2学时）一、钻柱二、其它钻具三、深井钻柱的设计第七节钻井经济技术指标（自学）第五单元：钻井过程压力控制（建议学时数：6学时）【学习目的和要求】掌握压力控制钻井中的基本概念，并内波动压力计算的原理方法、步骤及计算方；，掌握溢流及并喷原因、溢流关并并筒压力变化及压并基本数据的计算；掌握司钻法、工程师压井法的定义、方法、计算步骤。本章为英语教学，相关内容的英语建材不甚丰富，具体教学内容由任课教师情增减，但应照顾到中文教材的教学内容，以保证教学内容的完整性，以下教学内容供任课教师参考。【重点】波动压力的计算；溢流及井喷的原因分析；常用的压井方法及其计算。【难点】井筒压力平衡关系；不同压井方法的立管压力、套管压力变化趋势及其原因。第一节井控的基本概念（1学时）一、介绍平衡钻井、欠平衡钻井和过平衡钻井的概念和基本过程二、介绍与井控有关的地面设备和地面管汇第二节井内波动压力计算方法（2学时）一、井内波动压力的定义二、稳定井内波动压力计算原理、方法步骤及计算方法

二、金刚石钻头机械参数 三、取心钻头机械参数 四、机械参数优选方法 第六节 钻具（2 学时） 一、钻柱 二、其它钻具 三、深井钻柱的设计 第七节 钻井经济技术指标（自学） 第五单元：钻井过程压力控制（建议学时数：6 学时） 【学习目的和要求】掌握压力控制钻井中的基本概念，井内波动压力计算的原理、 方法、步骤及计算方；，掌握溢流及井喷原因、溢流关井井筒压力变化及压井基本数据 的计算；掌握司钻法、工程师压井法的定义、方法、计算步骤。本章为英语教学，相关 内容的英语建材不甚丰富，具体教学内容由任课教师酌情增减，但应照顾到中文教材的 教学内容，以保证教学内容的完整性，以下教学内容供任课教师参考。 【重点】波动压力的计算；溢流及井喷的原因分析；常用的压井方法及其计算。 【难点】井筒压力平衡关系；不同压井方法的立管压力、套管压力变化趋势及其原 因。 第一节 井控的基本概念（1 学时） 一、介绍平衡钻井、欠平衡钻井和过平衡钻井的概念和基本过程 二、介绍与井控有关的地面设备和地面管汇 第二节 井内波动压力计算方法（2 学时） 一、井内波动压力的定义 二、稳定井内波动压力计算原理、方法步骤及计算方法

西北联启大学三、公式推导四、例题讲解第三节溢流及井喷控制（3学时）一、溢流及井喷原因二、气浸特性三、溢流及关井方法四、压并基本数据计算五、司钻法压井定义、方法、步骤及计算方法六、工程师法定义、方法、步骤及计算方法七、非常规井控八、并控装置选择原则九、例题讲解第四节欠平衡钻井技术（自学）第六单元：井眼轨迹设计与控制（建议学时数：10学时）【学习目的和要求】要求学生掌握定向井轨迹设计计算方法、测斜计算方法、并斜和方位轨迹控制方法、井斜的原因及控制井斜的技术，课后能独立完成一口定向井轨迹设计。【重点】定向并轨迹设计；测斜计算各种方法的基本假设；工具面角对定向井井斜方位的影响：防斜打直的下部钻具组合结构。【难点】轨迹设计过程中HO、AO的确定以及最大并斜角的计算；曲率半径法和最小曲率法计算实钻井眼轨迹；工具面角的定义及其对轨迹发展的影响；防斜打直下部钻

三、公式推导 四、例题讲解 第三节 溢流及井喷控制（3 学时） 一、溢流及井喷原因 二、气浸特性 三、溢流及关井方法 四、压井基本数据计算 五、司钻法压井定义、方法、步骤及计算方法 六、工程师法定义、方法、步骤及计算方法 七、非常规井控 八、井控装置选择原则 九、例题讲解 第四节 欠平衡钻井技术（自学） 第六单元：井眼轨迹设计与控制（建议学时数：10 学时） 【学习目的和要求】要求学生掌握定向井轨迹设计计算方法、测斜计算方法、井斜 和方位轨迹控制方法、井斜的原因及控制井斜的技术，课后能独立完成一口定向井轨迹 设计。 【重点】定向井轨迹设计；测斜计算各种方法的基本假设；工具面角对定向井井斜、 方位的影响；防斜打直的下部钻具组合结构。 【难点】轨迹设计过程中 H0、A0 的确定以及最大井斜角的计算；曲率半径法和最 小曲率法计算实钻井眼轨迹；工具面角的定义及其对轨迹发展的影响；防斜打直下部钻

西北联启大学具组合结构参数和钻井参数的确定第一节概述（1学时）定向井的应用、发展现状、最新技术第二节定向井井眼轨迹设计（3学时）一、基本概念（井斜角、方位角、井深、水平位移、垂深.）二、井眼曲率三、轨迹设计原则四、二维剖面设计方法（S型井眼）第三节井眼轨迹测量计算（2学时）一、并眼轨迹测量自的和测量方法（简述，属了解内容）二、井眼轨迹计算（主要讲述曲率半径法和最小曲率法）三、实钻轨迹作图（视平移、投影图、部面图）第四节井眼轨迹控制（4学时）一、影响井眼弯曲原因1、地层及其各向异性2、钻柱弯曲引起的钻头侧向力3、钻头结构引起的各向异性二、井斜控制方法（了解理论分析方法，掌握钟摆钻具稳定器位置计算）1、钟摆钻具（引用纵横弯曲梁理论导出钻头侧向力、转角计算式）2、多稳定器钻具（属了解内容，简介其力学分析原理）3、其它方法简介（偏重钻链、井下动力钻具）

具组合结构参数和钻井参数的确定。 第一节 概述（1 学时） 定向井的应用、发展现状、最新技术。 第二节 定向井井眼轨迹设计（3 学时） 一、基本概念（井斜角、方位角、井深、水平位移、垂深.） 二、井眼曲率 三、轨迹设计原则 四、二维剖面设计方法（S 型井眼） 第三节 井眼轨迹测量计算（2 学时） 一、井眼轨迹测量目的和测量方法（简述，属了解内容） 二、井眼轨迹计算（主要讲述曲率半径法和最小曲率法） 三、实钻轨迹作图（视平移、投影图、剖面图） 第四节 井眼轨迹控制（4 学时） 一、影响井眼弯曲原因 1、地层及其各向异性 2、钻柱弯曲引起的钻头侧向力 3、钻头结构引起的各向异性 二、井斜控制方法（了解理论分析方法，掌握钟摆钻具稳定器位置计算） 1、钟摆钻具（引用纵横弯曲梁理论导出钻头侧向力、转角计算式） 2、多稳定器钻具（属了解内容，简介其力学分析原理） 3、其它方法简介（偏重钻铤、井下动力钻具）

西北联大学三、方位控制方法1、装置角及其计算（扭方位公式推导见附录）2、扭方位计算（解析法）3、反扭角及其计算第七单元：固井（建议学时数：8学时）【学习目的和要求】掌握固井工程的基本概念；掌握套管柱强度设计的基本原理和方法，能进行基本的套管柱强度设计；掌握水泥浆（石）性能与固井工程的关系以及提高注水泥顶替效率措施的原理，能进行基本的注水泥设计。了解固井质量检测和评价的常规方法。【重点】（1）套管柱外载计算方法、套管强度概念、复合外载作用下套管抗挤强度的计算。（2）油井水泥及油井水泥外加剂、水泥浆性能与固井工程的关系。（3）密度、稠化时间、流变性、失水量、自由水含量、抗压强度的基本概念。（4）注水泥顶替效率的措施、注水泥计算。【难点】（1）套管外载荷计算（2）复合外载作用下的套管强度。（3）失重与油、气、水窜机理解释。第一节套管与固井工艺流程（1学时）一、油气井套管：介绍单根套管结构、套管尺寸、螺纹类型及套管钢级。二、常规固井工艺流程：简单介绍常规固井施工的工艺流程。第二节套管柱强度设计（3学时）

三、方位控制方法 1、装置角及其计算（扭方位公式推导见附录） 2、扭方位计算（解析法） 3、反扭角及其计算 第七单元：固井（建议学时数：8 学时） 【学习目的和要求】掌握固井工程的基本概念；掌握套管柱强度设计的基本原理和 方法，能进行基本的套管柱强度设计；掌握水泥浆（石）性能与固井工程的关系以及提 高注水泥顶替效率措施的原理，能进行基本的注水泥设计。了解固井质量检测和评价的 常规方法。 【重点】（1）套管柱外载计算方法、套管强度概念、复合外载作用下套管抗挤强 度的计算。 （2）油井水泥及油井水泥外加剂、水泥浆性能与固井工程的关系。 （3）密度、稠化时间、流变性、失水量、自由水含量、抗压强度的基本概念。 （4）注水泥顶替效率的措施、注水泥计算。 【难点】（1）套管外载荷计算 （2）复合外载作用下的套管强度。 （3）失重与油、气、水窜机理解释。 第一节 套管与固井工艺流程 （1 学时） 一、油气井套管：介绍单根套管结构、套管尺寸、螺纹类型及套管钢级。 二、常规固井工艺流程：简单介绍常规固井施工的工艺流程。 第二节 套管柱强度设计（3 学时）