石油钻井行业用电动钻机.docx
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石油钻井行业用电动钻机
E1-16套管层次示意图
《电动钻机》
第一章钻井方法
一、机械钻井法
1.顿钻钻井法
破岩一一用顿钻钻头，上下冲击。
排屑一一用捞砂筒。
二者交替进行，钻进过程不连续。
特点：
效率低，速度慢，设备简单，适于浅井，农用水井。
2.旋转钻井法
（1）过程：
破岩一用旋转钻头；排屑一用循环钻井液；
（2）钻具组合:
水龙头（输入泥浆）t方钻杆（传矩）T钻柱（钻杆：
传矩、加长、循环；钻铤：
提供钻压）t钻头。
（3）分类
地面动力一一转盘钻（常规）【钻头旋转，连续破碎岩层，用钻井液环带岀岩屑，钻井效率高。
地上动力——顶部驱动（前景好）【水龙头+转盘，以立根钻井。
】
井下动力一一有涡轮钻具和螺杆钻具。
（斜井、水平井用）【钻井液经钻杆柱内腔泵入涡轮钻具中，驱动转子由主
轴带动钻头旋转，实现破岩钻进。
】
二、钻井工艺过程
多道工序完成三件事：
破碎岩石；取岀岩屑、保护井壁；固井和完井，形成油流通道。
1•钻前准备
1定井位；②平井场；③打基础；④备器材。
2.钻进
（1）全井钻进过程
1一次开钻，下表管。
②二次开钻，从表管内钻进。
③三次开钻，从技术套管内钻进。
（2）钻井作业
1下钻一将钻具（由钻头、钻铤、方钻杆组成的钻杆柱）下入井底，准备钻进。
2正常钻进一又称纯钻进。
启动转盘（或井底动力钻具）通过钻柱带动钻头旋转，借助手刹车，给钻头施加适当的钻压以破碎岩石。
同时，开泵循环泥浆：
冲洗井底，携岀岩屑，保护井壁，冷却钻具。
3接单根一不断钻进，加长钻柱；
每次接入一根钻杆，称为接单根。
顶驱时，每次接入一立根（由2到3单根组成）。
4起钻一换钻头时，取岀钻柱，称起钻作业。
以立根为单位起卸。
5换钻头一起钻结束，卸下旧钻头，换上新钻头。
6循环工作：
下钻T正常钻进T接单根（立根）T起钻t换钻头T下钻
4.下套管固井套管与井壁的环空注入水泥浆封固，称为固井。
（1）套管——套管是加固井壁形成井筒所用的钢管。
1套管材料：
高合金钢，【含C，Mn，Mo，Cr，Ni，Cu，P，S,Si（硅）。
2钢级：
【API标准套管（API5CT美国石油学会标准）】按强度高低分为不同钢级套管，有：
H-40，J-55，K-55，C-75，N-80，L-80，C-95，P-105，P-110，C-125等。
字母：
含不同化学成份的分类代号；
数字：
管材的最小屈服极限，单位是KSI（千磅/英寸2）【1PSi（磅/英寸2）=6.89kPa=0.00689MPa】
3制造方法：
无缝钢管套管，用热轧钢制造；焊接套管，用钢板卷筒直焊缝。
上海宝钢一热轧；宝鸡钢管厂一焊接
4套管尺寸规格：
均用外径表示。
（2）井身结构
下不同层次的套管固结井壁就构成了井身结构。
（图参看P11,图1-15）
1导管：
防止表土坍塌，引入钻头，一口井中最大尺寸的套管（20〜40m）。
2表层套管：
加固上部疏松岩层的井壁；封隔浅层水；安装防喷器、套管头、采油树（30〜100m）
3技术套管：
封隔上部油、水、气层；漏失层；坍塌层。
根据地质情况下n层技术套管。
4油层套管（生产套管）：
最后一层套管，形成井筒，使油气入内。
内放油管。
（3）固井注水泥下完套管后注水泥。
【普通井油层套管加固到油层
100~200米以上，热采井加固到井口
（防止热应力膨胀举升井口）o]为了工作顺利，开钻方便，套管柱下部要有附加装置。
1套管柱下部结
构
★引鞋：
在管柱最下端，锥形。
作用：
防止套管下端插入井壁。
易钻材料（水泥）。
★套管鞋：
在引鞋上部，一厚壁短节。
内下部有锥面，防止起钻时，钻头、钻杆拉住。
★回压阀：
套管引鞋之上。
作用：
防止泥浆倒流入套管内。
（下套管时起作用，可把泥浆挤
岀）
★阻流环（承托环）：
承托下胶塞（或木制塞）。
（也承托回流阀中胶木球）。
注水泥时，要用下胶塞和上
胶塞。
★下胶塞：
中间为空，上部有一
层隔膜，外层为橡胶'。
注水泥时，先（在套管内）放入下胶塞，再注水泥，下塞与水泥一起下行。
下塞遇承托环不动，压力升高使薄膜破裂，使水泥形成通道。
下塞可刮去管壁泥浆。
★上塞（实心）
注足水泥后，放入上胶塞，上塞上方注泥浆，上塞下部
注水泥。
上塞与水泥一起下行，上塞使水泥和泥浆分开。
上塞遇到下塞，将循环通路堵塞，泵压升高，称碰压，注水泥完成。
注完水泥后，套管内留10〜20m水泥塞，如果不是油层套管要钻开。
★扶正器：
弹簧钢片做成。
★泥浆刷：
刮去井壁泥饼，提高水泥胶结强度。
2注水泥流程
下套管后，循环水洗井壁；下放下胶塞，注水泥；
注完水泥，下放上胶塞，替泥浆；替泥浆到上、下胶塞相碰结束。
路线：
水泥混合一水泥泵一套管内一环空（几分钟到十
几分钟完成（快凝水泥）。
3注水泥设备：
水泥车、车装高压泵（需几部）；灰罐车；混合漏斗。
4水泥
用石灰石、粘土、页岩、铁矿石按比例混合，在1400〜
1600C下烧成熟料，冷后磨细。
油井水泥使用最多的为硅酸盐水泥，凝速快，有较高早期强度。
耐地下腐蚀，射孔时不开裂。
5.完井
钻井的最后一道工序。
主要用射孔完井法：
用子弹射穿套管、水泥环和油层，使油层与井筒相通。
6.钻井事故的处理
（1）井漏、井塌
井漏一泥浆压力＞地层压力时，使泥浆进入地层。
应加堵漏物封堵。
井塌一井壁坍塌，应加重泥浆。
（2）井喷
地层压力＞泥浆柱压力，井口都装防喷器。
（3）卡钻
转不动、起下钻遇阻，由沉砂、落石造成。
三、钻井新技术
（一）喷射式钻井
采用喷射式钻头，钻井液通过具有特殊形状和结构的小尺寸喷嘴形成高速射流射向井底。
充分利用高速射流的水力作用，结合机械破岩，以提高机械钻速和钻头进尺，即喷射式钻井。
超高压喷射钻井是石油工业的前沿研究课题。
破岩压力：
150〜200Mpa（需增压）
①美国
94年前，尝试过地面增压，用铍铜合金管将高压液体传输井下，打井试验，效果很好，提高钻速3〜5倍。
地面增压缺点：
高压传输密封难保证（接头），沿程损失太大。
94年后，开始研究井下增压器，96年下井试验。
注水泥过程
②中国
92年构思“井下增压器”研究（由矿机教研室增压器科研组）。
94年石油总公司招标，由石大、勘探院分别进行可行性研究。
99年，单元、整机地面试验成功。
技术特点：
利用地面泥浆，井下增压缸自动水力换向，产生高压射流。
难点超高压密封。
前景：
试验成功是钻井的一场革命；增压技术可用于地面和井下增压注水。
喷射钻井的主要特点
用超高压液体，高速冲击岩石，钻进快，钻头寿命长。
1射流喷射速度高，100〜150m/s;
2泵压高，20〜35MPa;
3喷射钻头压力降和水功率高喷射式钻井工作方式
钻头喷嘴处射岀的喷射流，用喷射速度、冲击力和水功率三个参数来表征。
（1）泵的水功率分配（Np=pp.Q）循环功率消耗（循环管路上Nc）
过钻头喷嘴压降（形成高速射流作用的水功率Nb）
喷嘴（①2〜①3）压降：
进、出口压差值。
钻井时，希望降低Nc,提高Nb；
提高压降手段：
减小喷嘴直径（直径小了，阻力大了，岀口压力减小。
）
提高压降的目的是：
使射流获得很大喷射速度、很大的
水马力，及动能；使射流到达井底有很大的冲击力
通过压能与动能进行能量交换。
（2）射流定义：
微孔喷岀流体并非重力作用，而传播的现象称射流。
喷嘴直径：
2〜3mm,超高压喷嘴孔径＜2mm。
入口
出口
III.
井底
压降
进出口
压差
喷速
冲击力
压能
喷嘴
水马力
动能
水力学定义：
液体的过流断面周界不与固体接触的液体
流动称射流。
流态：
层流（雷诺数非常小为层流）、紊流（喷射钻井）。
（3）射流结构射流成喇叭形（速度递减）。
分三个区：
（以喷嘴向外开始）
A区一一等速核长度区，喷速为定值。
（中心线喷速等于岀口速度）
B区一一紊流混合区，喷度衰减。
c区一一紊流形成区，喷度衰减显著。
4）压降、射流、破岩的关系
喷射破岩机理。
为何提高压力（增压）能提高破岩能力。
本章重点理解
的问题
从能量角度分析
提高射流的水功率和冲击力能提高破岩能力
12_mv
水功率：
是单位时间内射流井底的动能
（2）
1
Nj=2（Q）vo
pQ—单位时间内液体质量（m），密度；Q—流量;
V。
一喷嘴岀口流速。
Njocv0
冲击力：
为单位时间内动量的变化（|，动量mv）冲
b
击力大破岩能力高。
.mv0
Ib==rQV0
t
提高喷射速度途径
lbOCV0
Q
v0=—d
其一，A只有减小喷嘴孔径uo
其二，提高喷嘴压力降，Pb，进出口压差（P1-P2）大。
从能量方程知：
Pb=（P1—P2）
2c2
v°ocPbv°ocP1
5
只有增压才能提高p1，即增压。
故，提高喷射压力，可提高射流水功率和冲击力，进而提高破岩能力。
用水力
直接破岩，压力必须提高到一定值，即达到破岩的门槛
（门值）值，约150〜200Mpa。
（5）有效喷距
从喷嘴到井底的距离。
一般保证在B区之内（紊流混合区）
最佳喷射距离，与喷嘴直径、结构有关。
有圆弧、椭圆、圆锥、双圆弧形入口（目的减少入口损失）。
加长喷嘴就是根据最佳喷距而来。
喷嘴距井底太近：
冲蚀体积过小，破岩效果差。
太远：
喷速大大降低，破岩效果也差。
高压水射流研究内容：
破岩机理；岩石性能、岩石力学;沉没流喷射破岩机理；射流流态分析；
流体力学；喷射压力；喷嘴结构；喷距、喷嘴截面；喷射角优选。
】
（二）平衡压力钻井
1.平衡压力钻井含义
钻井用泥浆密度心正好等于平衡地层压力所需泥浆密度:
?
p，称为平衡压力钻井。
平衡钻井：
是保持井内钻井液动压力与地层孔隙压力相等，即
Pfp=PfPa
式中，PfP—地层孔隙压力（地层压力）；
Pf—钻井液柱静压力；
Pa—钻井液循环时的环空压降。
2.平衡压力钻井目的
可降低岩石强度和岩屑的压持效应，能大幅提高钻速；
可有效地保护地层，防止地层污染、井漏。
3.实现平衡钻井的关键
是选择合理的钻井液密度，使钻井液柱静液压力和环空压降之和同地层孔隙压力始终保持平衡。
平衡压力钻井技术保证
安装井控设备，防止井涌导致井喷；配置先进的固控设
备，以适时调、控配钻井液性能。
（三）欠平衡钻井
欠平衡钻井是当今钻井新技术之一。
（钻井用泥浆密度匹門平衡地层压力所需泥浆密度时称为欠平衡钻井）
1.欠平衡钻井原理
保持液柱静水头施加的井底压力低于井孔的地层压力；
容许地层流体进入井内，循环岀井，并在地面上得到处理和控制。
2优点
1有利于发现低压储层；
2最大限度地避免对油层的损害；
3减少昂贵清堵费用
4提高钻速，降低钻井成本。
3.适用于地层条件：
1存在井漏（泥浆漏走）的油层；②液敏油层，【如对水基钻井液过敏的地层】；机械封堵引起的井壁堵塞的井；页岩水化引起的井壁堵塞；3低渗透油层、硬地层；4欠压或衰竭地层；5大裂缝（开度大于10010-3）地层。
保持欠平衡钻井方法
需配备注气设备，自地面由钻柱内向钻井液注入空气或氮气，以降低液柱静水头。
1需配备井控设备2•产出流体的地面处理设备3•随钻测量仪器设备。
（四）深、超深井钻井技术
深井：
4500〜6000m；超深井：
6000m以上。
目的：
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