钻井方法及工艺

1、第六章第六章 油气钻井方法及工艺油气钻井方法及工艺 利用一定的工具和技术在地层中钻出一个较大 孔眼的过程。 第一节第一节 钻井方法钻井方法 为了在地下岩层中钻出所要求的孔眼而采用的 钻孔方法。 人工掘井 人力冲击钻井法 顿钻钻井法 旋转钻井法 连续管钻井法 目前普遍使用 钻井钻井 钻井方法钻井方法 钻井方法钻井方法 分分 类类 一、顿钻钻井法顿钻钻井法 1.工艺过程 钢丝绳提升钻头 冲击井底，击碎岩石 岩屑、泥土混合成泥水浆 提出钻头 捞出井内的泥水浆 暴露新井底 下放 下捞砂筒 向井内注水 积累到一定量 设计井深 图61 顿钻钻井示意图 2.特点 起、下钻费时少，设备简单 (1)破碎岩石，取

2、出岩屑的作业都是不连续的； 优点： 缺点： (2)钻头功率小，破岩效率低，钻井速度慢； (3)不能进行井内压力控制； (4)只适用于钻直井。 二、旋转钻井法旋转钻井法 转盘旋转钻井法 井底动力钻具旋转钻井法 1.转盘旋转钻井法 (1)工艺过程 钻头 吃入地层 破碎岩石 清洗井底 循环洗井液 转盘旋转 钻柱加压 设计井深图62 转盘旋转钻井法 (2) 特点 目前这种方法在世界各国被广泛使用。 钻杆完成起下钻具、传递扭矩、为钻头施加钻压、提 供洗井液的入井渠道等任务； 钻头在一定的钻压作用下旋转破岩，提高了破岩效率； 在破岩的同时，井底岩屑被清除出来； 提高了钻井速度和效益。 钻头 吃入地层 破碎

3、岩石 清洗井底 循环洗井液 动力钻具旋转 钻柱加压 设计井深 2. 井底动力钻具旋转钻井法 (1)工艺过程(2)分类 涡轮钻具 螺杆钻具 电动钻具 转动钻头的动力由地面移到井下，直接接在钻头之上； 钻柱的功能只是给钻头施加一定的钻压、形成洗井液 通路和承受井下动力钻具外壳的反扭矩； 井底动力钻具的动力是由电源或地面泥浆泵提供的、 通过钻柱内孔传递到井下的具有一定动能和压力的洗井 液流体或交流电。 (3) 特点 三、连续管钻井法连续管钻井法( (柔杆钻井法柔杆钻井法) ) 1.工艺过程 钻头、加压装置、动力机 下放至井底 循环洗井液 延伸井眼 钻头旋转，破碎岩石 为动力机提供动力 清洗井底 连续

4、管 图63 连续管钻井示意图 2.特点 (5)具有巨大的发展潜力，目前正在发展、完善中。 (1)连续管钻井实现了起、下钻的连续机械化，节省了 时间和劳动量； (2)在起下钻时仍能保持洗井液的正常循环； (3)由洗井液直接提供破岩钻进的能量，大大提高了能 量的有效利用率； (4)为全自动化控制提供了很好的条件； 第二节第二节 钻井类型钻井类型 井的类型：由于钻井的目的、要求不同而产生的 1.探井 通过钻井而达到探明地质情况，获取地下地 层油气资源分布及相应性质等方面资料的井 地质浅井 地质探井 预探井 详探井 资料井 为配合地面地质和地球物理工作，以了解区域地质构造， 地层剖面和局部构造为目的的

5、浅井 以了解地层的时代、岩性、厚度、生储盖层组合，并为 地球物理解释提供各种参数为目的而钻的井 在地震详查和地质综合研究所确定的有利构造上以发现 油气藏为目的所钻的探井 在已发现油气的构造上，以探明含油气的面积和储量， 了解油气层结构变化和产能为目的所钻的井 为编制油气田开发方案，或在开发过程中为某些专题研究 取得第一手资料数据而钻的井 2.开发井 以开发为目的，为了给已探明的地下油气提供通道， 或为了采用各种措施使油气被开采出来所钻的井 油气井 注入井 观察井 为开发油气田，用大中型钻机所钻的采 油、采气井，也叫生产井。 为合理开发油气田，提高采收率及开发 速度，用以对油气田进行注气、注水以

6、 补充和合理利用地层能量所钻的井。 在已开发的油气田内，为了研究开发过 程中地下情况的变化所钻的井。 第三节第三节 钻井设备钻井设备 钻机：石油钻井的地面配 套设备，由多种机器设备 组成的一套大功率重型联 合工作机组，可以满足完 成钻进、接单根、起下钻、 循环洗井、下套管、固井、 完井及特殊作业和处理井 下事故等要求。 图64 大庆I130型钻机 一、钻机的分类钻机的分类 1.钻井深度 大型钻机 超重型钻机 重型钻机 中型钻机 H5000m，W2500kN H10002500m W8001600kN H30005000m W20002500kN 轻便钻机 H5000m，W800kN， 89 1

7、40mm 钻杆，井径 160mm，深井 H3000m，W300kN， 42 89mm 钻杆，井径 150mm，勘探井、水井 2.动力设备 柴油机驱动钻机 直流电驱动钻机 交流电驱动钻机 以柴油机为动力，通过机 械传动或液力传动的钻机 工作机用直流电动机驱动。 通常用于海上钻井 工作机用交流电动机驱动 3.使用地区 陆地钻机 海洋钻机 陆地（包括沙漠、沼泽等）使用的 钻机 自升式钻井平台、半潜式钻井平台、 钻井船和钻井固定平台上的各种类 型的钻机 二、钻机的组成及功能钻机的组成及功能 1、起升系统 (1)组成 (2)功能 起下钻、接单根和钻进时的钻压控制。 下放、悬吊或起升钻柱、套管柱和其它井下

8、设备进、出井眼； 井架、天车、游动滑车、大绳、大钩及绞车 水龙头、转盘 2、旋转系统 (1)组成 (2)功能 保证在洗井液高压循环的情况下给井下钻具提供足够的旋转扭矩 和动力，以满足破岩钻进和井下其它要求 保证在洗井液循环时钻柱能够旋转 带动整个钻柱及钻头旋转的设备 泥浆泵、泥浆净化装置(固相控制设备)和泥浆 槽、罐等 3、循环系统 (1)组成 (2)功能 从井底清除岩屑； 冷却钻头和润滑钻具。 图65 洗井液循环系统示意图 动力机、传动部分 4、驱动与传动系统 (1)组成 (2)功能 产生动力，并把动力传递给泥浆泵、 绞车和转盘。 柴油机或 电动机 联轴器、离合器、 变速箱、皮带传动 及链条

9、传动等装置 5、气控系统 控制面板(控制机构)、传输管线和阀门、执行 机构以及压气机等。 (1)组成： (2)功能： 确保对整个钻机各个工作机构及其部件的准确、迅速控制，使整机 协调一致的工作。 6、井控系统 (1)组成： 防喷器组、钻井四通、节流管汇、压井管线以 及液、气压控制机构组成。 (2)功能： 控制井内的压力，防止地层流体无控制地流入井中。 钻井现场 井架 十大件 天车游动滑车大钩水龙头 转盘绞车泥浆泵柴油机传动装置 第四节 钻井工具 井下钻具井口工具 一、井下工具一、井下工具 水龙头以下至钻头的管柱和工具的总称。 主要包括钻头和钻柱。 1、钻头直接破碎岩石形成井眼的工具。 影响钻井

10、速度最直接的因素之一 用钻头的进尺除以纯钻进时间，即单位纯钻 进时间的钻头进尺，表示钻头破碎岩石的能 力和效率，单位为mh。 衡量钻头破岩效率高低的主要指标有钻头进尺和机械钻速。 钻头寿命： 在整个使用过程中，钻头在井下的纯钻进时间 (包括划眼在已钻出的井眼内旋转送钻、 修整井壁的过程)，单位为h； 钻头进尺： 在钻头寿命内，其钻进的井段长度，单位为m； 机械钻速： 按照钻切岩石面积及形状的不同： 钻头的分类 全面钻进钻头取芯钻头特种钻头 按照结构特点和破岩机理的不同： 刮刀钻头牙轮钻头金刚石钻头 (1)刮刀钻头 图66 刮刀钻头 切削型钻头 适用地层：松软地层 工作原理：工作时其刀翼在 钻压

11、作用下吃入岩石，并在 扭矩作用下剪切破碎岩石。 破岩方式：以刮削、挤压和 剪切为主的方式 刀翼数 刀冀底刃的形状 两翼(鱼尾式)刮刀钻头 三翼刮刀钻头 四翼刮刀钻头 阶梯式刮刀钻头 平底式刮刀钻头 最常用 分类 优点： 缺点： 机械钻速较高 扭矩较大，控制不当易造成井斜 刮刀钻头的寿命取决于刀翼的寿命 (2)牙轮钻头 图67 牙轮钻头 破岩形式：具有冲击、压碎和剪切等多种形式。 适用地层：从软到坚硬的各种地层。 组成：钻头体、水眼、巴掌、轴承和牙轮等。 工作原理：牙轮钻头在钻压和 钻柱旋转的作用下，牙齿压碎 并吃入岩石，同时产生一定的 滑动而剪切岩石。当牙轮在井 底滚动时，牙轮上的牙齿依次 冲

12、击、压入地层，这个作用可 以将井底岩石压碎一部分，同 时靠牙轮滑动带来的剪切作用 削掉牙齿间残留的另一部分岩 石，使井底岩石全面破碎，井 眼得以延伸。 牙齿与井底接触面积小、比压高、工作扭矩小等 特点 多牙轮钻头 牙轮数目 分类 单牙轮钻头 双牙轮钻头 三牙轮钻头 最常用 (3)金刚石钻头 图69 金刚石钻头 图610 PDC钻头 磨铣型钻头 金刚石作切削刃的钻头 破岩形式：破磨和铣削。 适用地层：坚硬地层。 钻头体、切削齿、水眼、水槽等。 组成： 分类： 金刚石的来源 天然金刚石钻头 人造金刚石钻头 钻头的结构形状 金刚石钻头 金刚石刮刀钻头 聚晶金刚石复合片钻头 (PDC钻头) 金刚石镶装

13、特点 表镶金刚石钻头 孕镶金刚石钻头 如用钻柱挤注水泥、中途测试、处理事故等。 2钻柱 (1)定义 钻柱是用各种接头将方钻杆、钻杆和钻铤等部件连接起来组 成的入井管柱，通常指钻头以上的钻具。 (2)功能 传递扭矩 通过钻柱将地面动力机的能量传给钻头，使钻头旋转破碎 井底岩石，加深井眼。 施加钻压 依靠钻柱中钻铤部分在洗井液中的自重对钻头施加钻压， 使钻头工作刃不断吃入地层，破碎岩石。 输送洗井液 通过钻柱的中心孔腔将洗井液输送到钻头，由水眼喷射 出，冲击到井底，携带岩屑后由环空返回地面。 延伸井眼 在钻进中通过不断地增加钻柱长度(接单根)以达到延伸井眼 的目的。通常井眼的深度用下入井内的钻柱长

14、度测量。 起下钻头 钻头在井下工作是靠钻柱连接并传递扭矩和压力的。 起出已磨损的钻头和下入新钻头都必须由钻柱完成。 另外，针对不同的目的，还可以起下其它井下工具。 特殊作业 (3)组成 方钻杆 位于钻柱的最上端，其上部与水龙头相接， 下部与钻杆连接。 传递扭矩和承受钻柱的全部重量。作用： 断面为中空的正方形或 六边形，壁厚比一般钻 杆大三倍左右，而且由 强度较大的优质合金钢 制成。一般长度为13 16米，比一般钻杆长2米 以上。 性能： 具有较高的抗拉强度和抗扭强度 形状： 图611 国产方钻杆 壁厚而粗大，一般是3853mm，单位长度重量大，相当于 同尺寸钻杆的46倍。以满足给钻头施加钻压、

15、增强刚度 的要求，在加压时可以减小弯曲，防止井斜和钻具折断。 钻杆与钻杆接头位于方钻杆与钻铤之间，是组成钻 柱的基本部分，无缝圆钢管制成的。 作用： 传递扭矩与输送洗井液 形状： 壁厚比方钻杆和钻铤薄，壁厚一般为911mm，内径大， 两端分别接上带粗扣的钻杆接头各一只(合称一副)，称为 钻杆单根。一般将三根钻杆连接在一起做为一个单元，称 之为立根(或立柱)。 钻铤 作用： 给钻头施加压力并保持自身处于不弯曲状态 以防止井斜。 形状： 二、井口工具二、井口工具指在起下钻过程中井口所用的工具。 主要有吊钳、吊卡、吊环、卡瓦、安全卡瓦、提升短节等。 (1)吊钳 指用手动卡紧机构来上、卸钻杆、钻铤丝扣

16、和套管丝扣 的专用工具。 (2)吊卡和吊环 吊卡用来卡住钻杆接头，提升钻柱或悬吊钻柱。 吊环是悬挂在大钩上，用以悬挂吊卡的专用工具。 第五节 基本钻井工艺过程 三个阶段：即钻前淮备、钻进以及固井与完井 1钻前准备 修公路、平井场及打水泥基础、钻井设备的搬运和安排、 井口准备（打导管和钻鼠洞）、备足钻井所需要的各种 工具、器材等。 2钻进钻进是进行钻井生产取得进尺的唯一过程。 其基本工艺过程有： 第一次开钻(一开) 第二次开钻(二开) 第三次开钻(三开) 从地面钻出一个大井眼，然后下表层套管。 用较小一些的钻头继续钻进，若遇到复杂地 层，用洗井液难以控制时，便要下技术套管 (中间套管)。 再用小一些的钻头往下钻