石油钻井行业用电动钻机.docx

1、石油钻井行业用电动钻机E 1-16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

2、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；平井场；打基础；备器材。2.钻进（1） 全井钻进过程1一次开钻，下表管。二次开钻，从表管内钻进。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

3、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（API 5CT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

4、，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） 【1 PSi （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（2040m）。2表层套管：加固上部疏松岩层的井壁；封隔浅

5、层水； 安装防喷器、套管头、采油树（30100m）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100200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

6、：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1020m水泥塞，如果不是油层 套管要钻开。扶正器：弹簧

7、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14001600 C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）

8、 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：150200Mpa （需增压）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35倍。地面增压缺点

9、：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，100150m/s;2泵压高，2035MPa;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

10、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（23）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

11、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1 2 _ mv水功率：是单位时间内 射流井底的动能（2 ）1Nj =2（ Q）vopQ 单位时间内液体质量 （m），密度；Q 流量;V。一

12、喷嘴岀口流速。N j oc v0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。. mv0I b = = rQV0t提高喷射速度途径lb OC V0Qv0 = 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)2c2v oc Pb v oc P15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150200Mpa。（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

13、）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 = Pf Pa式中，PfP 地层孔隙压力（地层压力）；Pf 钻井液柱静压力

14、；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；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100 10-3）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：45006000m ；超深井：6000m以上。目的：