第1章 钻井工艺技术简介

1、第一部分第一部分 钻井机械设备钻井机械设备第一章第一章 钻井工艺技术钻井工艺技术第二章第二章 石油钻机概论石油钻机概论第三章第三章 我国常用钻机我国常用钻机第四章第四章 旋转系统系统旋转系统系统第五章第五章 起升系统工作原理与设备起升系统工作原理与设备第六章第六章 循环系统设备循环系统设备第一章第一章 钻井工艺技术钻井工艺技术钻井方法及设备钻井方法及设备钻井工艺过程钻井工艺过程井身结构井身结构钻井事故及处理钻井事故及处理第一节第一节 钻井方法及设备钻井方法及设备钻井工艺任务钻井工艺任务n破碎岩层破碎岩层n取出岩屑取出岩屑n形成油流通道形成油流通道钻井方法钻井方法顿钻顿钻旋转钻井旋转钻井n转盘钻

2、井转盘钻井n顶部驱动钻井顶部驱动钻井n井下动力钻具井下动力钻具其它钻井方法其它钻井方法n冲蚀（射流）冲蚀（射流）n熔化气化（激光钻井）熔化气化（激光钻井）n化学反应（酸化）化学反应（酸化）n空气钻井空气钻井一、顿钻钻井法一、顿钻钻井法过程过程n破岩破岩用顿钻钻头，上用顿钻钻头，上下冲击。下冲击。n排屑排屑用捞砂筒。用捞砂筒。特点：破岩和排屑交替特点：破岩和排屑交替进行，钻进过程不连续，进行，钻进过程不连续，效率低，速度慢，设备效率低，速度慢，设备简单，适于浅井，农用简单，适于浅井，农用水井。水井。二、二、旋转钻井法旋转钻井法形式形式: :n地面地面动力：钻具旋转，带动力：钻具旋转，带动钻头旋转

3、，破碎岩石动钻头旋转，破碎岩石n井井下动力下动力：钻具不旋转，：钻具不旋转，井下马达带动钻头旋转，井下马达带动钻头旋转，破碎岩石破碎岩石过程过程：n破岩破岩用旋转钻头用旋转钻头n排屑排屑用循环钻井液用循环钻井液三、钻井设备概述三、钻井设备概述钻机钻机n起升系统起升系统n旋转系统旋转系统n循环系统循环系统n动力系统动力系统n传动系统传动系统n监控系统监控系统n钻机底座钻机底座n辅助系统辅助系统钻具钻具n方钻杆方钻杆n钻杆钻杆n钻杆接头钻杆接头n钻铤钻铤n钻头钻头井口工具井口工具n吊卡吊卡n卡瓦卡瓦n猫头猫头n液压大钳液压大钳n铁钻工铁钻工第二节第二节 钻井工艺过程钻井工艺过程1钻前准备钻前准备定

4、井位定井位平井场平井场打基础打基础备器材备器材n塔形井架，在搬迁钻井设备之前由专业安装队完成安装：塔形井架，在搬迁钻井设备之前由专业安装队完成安装：打摆基础、安装底座、主体和附件打摆基础、安装底座、主体和附件nA型井架和前开口井架，与钻井设备一同运到现场，由钻型井架和前开口井架，与钻井设备一同运到现场，由钻井队安装：安装底座、绞车就位、对接井架主体和天车、井队安装：安装底座、绞车就位、对接井架主体和天车、安装附件、照明电路和灯具、穿大绳、起井架安装附件、照明电路和灯具、穿大绳、起井架2、钻井作业、钻井作业全井钻进过程全井钻进过程 一次开钻，下表层一次开钻，下表层套管。套管。 二次开钻，从表层二

5、次开钻，从表层套管内钻进。套管内钻进。 三次开钻，从技术三次开钻，从技术套管内钻进。套管内钻进。操作流程操作流程准备：准备：班前会，全面检查班前会，全面检查首次钻进：首次钻进：n方钻杆接钻头，提大方瓦，下放；放回大方瓦、方补心；方钻杆接钻头，提大方瓦，下放；放回大方瓦、方补心；开泵；启动转盘；开泵；启动转盘；同时同时吊钻铤入小鼠洞；钻完方钻杆，吊钻铤入小鼠洞；钻完方钻杆，上提接近转盘，提出大方瓦，卸钻头，接钻铤接钻头；上提接近转盘，提出大方瓦，卸钻头，接钻铤接钻头；继续钻进继续钻进正常钻进正常钻进又称纯钻进。又称纯钻进。n开泵循环泥浆：冲洗，携岩，保护井壁，冷却钻具开泵循环泥浆：冲洗，携岩，保

6、护井壁，冷却钻具n启动转盘（或井底动力钻具）通过钻柱带动钻头旋转启动转盘（或井底动力钻具）通过钻柱带动钻头旋转n借助手刹车，给钻头施加适当的钻压以破碎岩石借助手刹车，给钻头施加适当的钻压以破碎岩石循环工作：下钻循环工作：下钻正常钻进正常钻进接单根（立根）接单根（立根）起起钻钻换钻头换钻头下钻下钻接单根接单根从小鼠洞接单根从小鼠洞接单根录像录像起钻起钻录像录像液压大钳液压大钳吊钳吊钳卡瓦卡瓦拉钳绳拉钳绳下钻作业下钻作业（用吊钳紧扣）（用吊钳紧扣）液压大钳上扣液压大钳上扣录像录像接单根：每次接入一根钻杆，称为接单根。接单根：每次接入一根钻杆，称为接单根。不断钻进，加长钻柱。顶驱时，每次接入一不断钻

7、进，加长钻柱。顶驱时，每次接入一立根（由立根（由23根单根组成）。根单根组成）。操作：距井底操作：距井底23米开泵；启动转盘；下放，米开泵；启动转盘；下放，小钻压修井底；正常参数钻进；提钻杆放至小钻压修井底；正常参数钻进；提钻杆放至小鼠洞；钻完方钻杆，上提，停泵，坐卡瓦；小鼠洞；钻完方钻杆，上提，停泵，坐卡瓦；卸方钻杆，联钻杆并与井口钻杆对接；开泵、卸方钻杆，联钻杆并与井口钻杆对接；开泵、下放、启动转盘钻进下放、启动转盘钻进起钻：换钻头时，取出钻柱，称起钻作业。以立根起钻：换钻头时，取出钻柱，称起钻作业。以立根为单位起卸。具体操作：循环钻井液一周，停泵；为单位起卸。具体操作：循环钻井液一周，停

8、泵；提出方钻杆坐卡；卸扣并与水龙头放入大鼠洞；与提出方钻杆坐卡；卸扣并与水龙头放入大鼠洞；与大钩脱开；挂吊卡；上提，坐卡、卸扣、排立根；大钩脱开；挂吊卡；上提，坐卡、卸扣、排立根；摘吊卡，下放卸下空吊卡；吊环挂井口负荷吊卡，摘吊卡，下放卸下空吊卡；吊环挂井口负荷吊卡，上提，新循环。上提，新循环。下钻：将钻具（由钻头、钻铤、方钻杆组成的钻具）下钻：将钻具（由钻头、钻铤、方钻杆组成的钻具）下入井底，准备钻进。操作：挂吊卡；上提至二层下入井底，准备钻进。操作：挂吊卡；上提至二层台；立根扣吊卡；钻工送至井口，安钻头或钻具；台；立根扣吊卡；钻工送至井口，安钻头或钻具；提起下放提起下放换钻头：起钻结束，卸

9、下旧钻头，换上新钻头。换钻头：起钻结束，卸下旧钻头，换上新钻头。下表层套管，固井：下表层套管，固井：完钻后清理钻台；换套完钻后清理钻台；换套管钳；检查套管吊卡；小绞车提套管至坡道；管钳；检查套管吊卡；小绞车提套管至坡道；安装吊卡；提至钻台；安装套管鞋等下部结安装吊卡；提至钻台；安装套管鞋等下部结构；提出转盘方瓦下套管；提第二根套管与构；提出转盘方瓦下套管；提第二根套管与第一根联接直至井深；接顶节、水泥头、管第一根联接直至井深；接顶节、水泥头、管汇；注钻井液，替入水泥浆汇；注钻井液，替入水泥浆下套管下套管3固井固井套管与井壁的环空注入水泥浆封固，称为固井。套管与井壁的环空注入水泥浆封固，称为固井

10、。操作：下套管、注水泥操作：下套管、注水泥普通井油层套管加固到油层普通井油层套管加固到油层100200米以上米以上热采井加固到井口，以防止热应力膨胀举升井口热采井加固到井口，以防止热应力膨胀举升井口固井现场固井现场套管下部结构套管下部结构套管柱下部结构套管柱下部结构引鞋：在管柱最下端，锥形。防止套管下端插入井引鞋：在管柱最下端，锥形。防止套管下端插入井壁。采用易钻材料。壁。采用易钻材料。套管鞋：在引鞋上部，一厚壁短节。内下部有锥面，套管鞋：在引鞋上部，一厚壁短节。内下部有锥面，起钻时，减轻钻头、钻杆接头与套管底部碰撞起钻时，减轻钻头、钻杆接头与套管底部碰撞回压阀：套管引鞋之上，防止水泥浆回流井

11、内。回压阀：套管引鞋之上，防止水泥浆回流井内。阻流环（承托环）：承托下胶塞（或木制塞）和回阻流环（承托环）：承托下胶塞（或木制塞）和回压阀中胶木球。压阀中胶木球。扶正器：弹簧钢片做成，防止套管偏斜。扶正器：弹簧钢片做成，防止套管偏斜。泥饼刷：刮去井壁泥饼，提高水泥胶结强度。泥饼刷：刮去井壁泥饼，提高水泥胶结强度。注水泥设备材料注水泥设备材料注水泥设备：水泥车、车装高压泵（需几注水泥设备：水泥车、车装高压泵（需几部）、灰罐车、混合漏斗。部）、灰罐车、混合漏斗。水泥：固井用水泥为水泥：固井用水泥为硅酸盐水泥硅酸盐水泥，用石灰石、，用石灰石、粘土、页岩、铁矿石按比例混合，在粘土、页岩、铁矿石按比例混

12、合，在14001600下烧成熟料，冷后磨细。下烧成熟料，冷后磨细。n凝速快，有较高早期强度。凝速快，有较高早期强度。n耐地下腐蚀，射孔时不开裂。耐地下腐蚀，射孔时不开裂。路线路线：水泥混合：水泥混合水泥泵水泥泵套管内套管内环空（几分钟到十几分环空（几分钟到十几分钟完成（快凝水泥）。钟完成（快凝水泥）。井身结构井身结构注水泥注水泥工艺流程工艺流程（a）循环钻井液）循环钻井液 （b）注隔离液和水泥浆）注隔离液和水泥浆 （c）替浆）替浆 （d）替浆）替浆 （e）碰压）碰压1压力表压力表 2上胶塞上胶塞 3下胶塞下胶塞 4钻井液钻井液 5浮箍浮箍 6引鞋引鞋 7水泥浆水泥浆 8隔离液隔离液 9钻井液钻

13、井液注水泥流程注水泥流程下套管下套管循环钻井液，清洗井壁；循环钻井液，清洗井壁；注隔离液注隔离液下放下胶塞，注水泥；下放下胶塞，注水泥；注完水泥，下放上胶塞，钻井液替水泥浆；注完水泥，下放上胶塞，钻井液替水泥浆；替浆到上、下胶塞相碰结束。替浆到上、下胶塞相碰结束。下胶塞：中间为空，上部有一层隔膜，外层为橡胶。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，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。高使薄膜破裂，使水泥形成通道。上胶

14、塞：实心，注足水泥后，放入上胶塞，上塞上上胶塞：实心，注足水泥后，放入上胶塞，上塞上方注泥浆，上塞下部是注入的水泥。上塞与水泥一方注泥浆，上塞下部是注入的水泥。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，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，称将循环通路堵塞，泵压升高，称碰压碰压，提醒操作人，提醒操作人员：注水泥完成。员：注水泥完成。注完水泥后，套管内留注完水泥后，套管内留1020m水泥塞，如果不是水泥塞，如果不是油层套管要钻开。油层套管要钻开。录像录像4完井完井完井：又叫井底完成，油层与油井连通完井：又叫井底完成，油层与油井连通起来的方法。起来的方

15、法。钻井的最后一道工序。钻井的最后一道工序。过程：从钻开油层开始，到下油层套管过程：从钻开油层开始，到下油层套管注水泥固井、射孔、下生产管柱、排液，注水泥固井、射孔、下生产管柱、排液，直至投产直至投产。完井要求完井要求最佳的连通条件，油层所受的损害小最佳的连通条件，油层所受的损害小 尽可能大的渗流面积，油气流入井筒阻力最小尽可能大的渗流面积，油气流入井筒阻力最小有效地封隔油、气、水层，防止气窜或水窜，防止有效地封隔油、气、水层，防止气窜或水窜，防止层间的相互干扰层间的相互干扰能有效地防止油层出砂，防止井壁坍塌，确保油井能有效地防止油层出砂，防止井壁坍塌，确保油井长期生产长期生产便于人工举升和井

16、下作业等条件便于人工举升和井下作业等条件工艺过程简便、先进、安全可靠，成本低。工艺过程简便、先进、安全可靠，成本低。完井方法完井方法裸眼完井裸眼完井射孔完井射孔完井衬管完井衬管完井砾石填充完井砾石填充完井第三节第三节 井身结构井身结构概念：下不同层概念：下不同层次的套管固结井次的套管固结井壁就构成了井身壁就构成了井身结构。结构。一、井身结构组成一、井身结构组成1.导管：导管：n防止防止表土表土坍塌坍塌，引入钻头引入钻头。n一口井中一口井中最大尺寸最大尺寸的套管（深的套管（深2040m）。）。2.表层套管：表层套管：n加固加固上部上部疏松岩层疏松岩层的井壁；的井壁；n封隔封隔浅层水浅层水；n安装

17、防喷器、套管头、采油树（安装防喷器、套管头、采油树（30-100m）。）。3.技术套管：技术套管：n封隔封隔上部上部油、水、气层油、水、气层；漏失层；坍塌层。；漏失层；坍塌层。n根据地质情况，下根据地质情况，下n层技术套管。层技术套管。4.油层套管（生产套管）：油层套管（生产套管）：n最后一层套管，形成井筒，使油气入内。内最后一层套管，形成井筒，使油气入内。内放油管。放油管。n只有油层套管是满井身长度只有油层套管是满井身长度。二、套管概述二、套管概述套管是加固井壁、形成井筒所用的套管是加固井壁、形成井筒所用的钢管钢管。n1、套管材料：、套管材料：高强度合金钢（高强度合金钢（含含C，Mn，Mo，

18、Cr，Ni，Cu，P，S，Si）n2、制造方法：、制造方法：n热轧：热轧：无缝钢管无缝钢管套管，上海宝钢套管，上海宝钢n焊接：钢板卷筒直焊缝，宝鸡钢管厂焊接：钢板卷筒直焊缝，宝鸡钢管厂n3、套管尺寸规格：均用、套管尺寸规格：均用外径外径表示：表示：41/2、5、51/2、65/8、7、75/8、73/4 、85/8、95/8 、103/4 、113/4 、133/8、16 、185/8、20 。石油套管石油套管生产直径生产直径400mm400mm以上的中大口径无缝管坯以上的中大口径无缝管坯 无缝管：无缝管：先穿孔。穿孔是靠外径布置的轧辊和心塞头的作用来实现的。先穿孔。穿孔是靠外径布置的轧辊和心

19、塞头的作用来实现的。直焊缝套管直焊缝套管（用钢板卷成管子，接缝焊接。）（用钢板卷成管子，接缝焊接。）4、钢级、钢级API标准套管（标准套管（API 5CT美国石油学会标准）按美国石油学会标准）按强度强度高低高低分为分为10级：级：nH40，J55，K55，M65，C75，N80，L80，C90，C95，T95，P105，P110，C125，Q125等。其中最常用的为红等。其中最常用的为红字表示的字表示的4级。（级。（HJKN，CLMT，P，Q）字母字母：含不同：含不同化学成份化学成份的分类的分类代号代号数字数字：管材的最小：管材的最小屈服极限屈服极限，kpsi（千磅（千磅/英寸英寸2）。）。

20、1 psi（磅（磅/英寸英寸2 ）=6.89kPa=0.00689MPa例：例：N80，最小屈服极限，最小屈服极限550MPa 5. 5. 套管螺纹套管螺纹功能：联接功能：联接或紧固或紧固，传递载荷，密封，传递载荷，密封种类：种类：n圆螺纹：圆螺纹：牙形为三角形牙形为三角形n偏梯形螺纹：牙形为偏梯形偏梯形螺纹：牙形为偏梯形n密封螺纹：用于密封连接，主要是管用螺纹、密封螺纹：用于密封连接，主要是管用螺纹、锥螺纹与锥管螺纹锥螺纹与锥管螺纹 圆螺纹圆螺纹承载面：齿侧角承载面：齿侧角30斜斜面，产生较大径向分面，产生较大径向分力。力。连接强度：只有管体连接强度：只有管体强度的强度的6075%。密封方式

21、：齿间干涉密封方式：齿间干涉及丝扣油的堵塞实现及丝扣油的堵塞实现密封，密封性差。密封，密封性差。 偏梯形螺纹偏梯形螺纹承载面：承载面：3斜面，导向面：斜面，导向面：10斜面，增强了齿形，减少了径向力。斜面，增强了齿形，减少了径向力。连接强度：达到管体强度的连接强度：达到管体强度的85%。密封方式：靠齿间干涉和丝扣油堵密封方式：靠齿间干涉和丝扣油堵塞实现密封，密封性差。塞实现密封，密封性差。密封螺纹密封螺纹VAM及及VAM扣基础上发展扣基础上发展NEW VAM，VAM-top螺纹：瓦鲁瑞克和曼内斯曼公司开发，应用广螺纹：瓦鲁瑞克和曼内斯曼公司开发，应用广NS-CC螺纹：日本新日铁开发的螺纹：日本

22、新日铁开发的Fox螺纹：日本川崎制铁和英国螺纹：日本川崎制铁和英国Hunting公司共同开公司共同开发发TM螺纹：日本住友金属螺纹：日本住友金属SEC螺纹：阿根廷螺纹：阿根廷Siderca公司设计生产公司设计生产TP-CQ螺纹：天钢开发螺纹：天钢开发BGT螺纹：宝钢螺纹：宝钢WSP螺纹：无锡西姆莱斯螺纹：无锡西姆莱斯HSM螺纹：衡钢螺纹：衡钢套管接头螺纹受力分布规律套管接头螺纹受力分布规律 近似于开口向上近似于开口向上的抛物线，接头的抛物线，接头螺纹两端扣牙受螺纹两端扣牙受力大，中间部位力大，中间部位大多数扣牙受力大多数扣牙受力很小。很小。三、套管在井下的承载情况三、套管在井下的承载情况套管在

23、下井、固井、完井（射孔）过程中，套管在下井、固井、完井（射孔）过程中，承受复杂载荷。承受复杂载荷。n外挤压力外挤压力n内压力内压力n拉力载荷拉力载荷n击震载荷击震载荷n热应力热应力n腐蚀应力腐蚀应力1. 外挤压力外挤压力来源来源n地层对套管施加的地层对套管施加的静水压力静水压力（均匀外压均匀外压）。）。n管外泥浆和水泥浆管外泥浆和水泥浆液柱压力；液柱压力；n地层中的地层中的油、气、水压力油、气、水压力；n地层地层侧压力侧压力（不均匀侧压）（不均匀侧压）。 设计设计套管外挤压力时，认为管内掏空，管外套管外挤压力时，认为管内掏空，管外按泥浆柱计算外挤压力。按泥浆柱计算外挤压力。 对于对于高塑性地层

24、高塑性地层（如膨胀性页岩）和（如膨胀性页岩）和岩盐层岩盐层，外挤压力以上部岩层压力为计算依据。外挤压力以上部岩层压力为计算依据。2.内压力内压力内压力的产生内压力的产生n正常钻井，泥浆压力正常钻井，泥浆压力n井喷和压裂时，受内压。井喷和压裂时，受内压。n注水和注热蒸汽时，受内压（从套管内注入）。注水和注热蒸汽时，受内压（从套管内注入）。内压力的计算内压力的计算n井口开时，等于管内液柱或气柱压力井口开时，等于管内液柱或气柱压力; n井口关时，等于井口压力与管内液柱或气柱压力井口关时，等于井口压力与管内液柱或气柱压力之和。之和。3.拉力载荷拉力载荷主要由套管主要由套管自重自重引起。引起。影响因素影

25、响因素n泥浆泥浆浮力浮力n注水泥流动阻力；注水泥流动阻力；n下套遇卡阻力；下套遇卡阻力；n下套遇卡下套遇卡提力提力；n下套刹车下套刹车动载动载等。等。4.击震载荷击震载荷完井时，射孔完井时，射孔固井后射孔后使油流入井筒固井后射孔后使油流入井筒5.热应力、腐蚀应力热应力、腐蚀应力井筒温度分布不均井筒温度分布不均硫化氢氢脆硫化氢氢脆电化学腐蚀电化学腐蚀环氧霉菌腐蚀环氧霉菌腐蚀四、套管设计四、套管设计设计内容设计内容n决定下套管层数。（根据地质情况）决定下套管层数。（根据地质情况）n确定套管尺寸确定套管尺寸n确定完井最小井眼，各层套管尺寸；确定完井最小井眼，各层套管尺寸；n选不同钢级、不同壁厚的套管

26、组成管柱。选不同钢级、不同壁厚的套管组成管柱。设计原则和方法设计原则和方法安全系数：安全系数：具有的强度能力具有的强度能力/实际承担载荷实际承担载荷管柱载荷：管柱载荷：顶部顶部受受拉力最大拉力最大，下部受内、外压最下部受内、外压最 大大，应合理设计管柱。，应合理设计管柱。设计原则设计原则n抗拉抗拉安全系数：安全系数：n安安=1.622.0n抗挤抗挤安全系数：安全系数：n安安=1.01.25n抗内压抗内压安全系数：安全系数：n安安=1.01.33设计方法：设计方法：等安全系数法。即当管柱由数段不同强等安全系数法。即当管柱由数段不同强度套管组成时，要求各段的安全系数相同度套管组成时，要求各段的安全系数相同。（1）抗外挤强度计算）抗外挤强度计算原则：原则：n低抗挤能力的管放在管柱上段低抗挤能力的管放在管柱上段n各段底端安全系数近似相等各段底端安全系数近似相等n理论上，分段越多从抗挤强度的合理利用来说越理论上，分段越多从抗挤强度的合理利用来说越合理。合理。举例举例假设：假设：3种管材，抗挤强度种管材，抗挤强度 c1 c2 地层压力时，使泥浆进地层压力时，使泥浆进入地层。应加堵漏物封堵。入地层。应加堵漏物封堵。井塌：井壁坍塌，应加重泥浆。井塌：井壁坍塌，应加重泥浆。井喷：地层压力井喷：地层压力泥浆