第1节钻井技术的发展演变

1、第六章第六章 油气钻井工程油气钻井工程 第一节第一节 钻井技术的发展演变钻井技术的发展演变 第二节第二节 旋转钻机系统旋转钻机系统 第三节第三节 钻具与井口工具钻具与井口工具 第四节第四节 井身结构与钻井工艺井身结构与钻井工艺 第五节第五节 定向钻井定向钻井 第六节第六节 钻井复杂事故处理钻井复杂事故处理 第六章第六章 油气钻井工程油气钻井工程 一、大口径顿钻钻井一、大口径顿钻钻井 二、小口径顿钻钻井二、小口径顿钻钻井 三、近代顿钻钻井三、近代顿钻钻井 四、旋转钻井四、旋转钻井第一节 钻井技术的发展演变 1973年出土于浙江余姚县年出土于浙江余姚县的河姆渡古井是的河姆渡古井是5700年前的井，

2、年前的井，世界上目前已知的最古老的水世界上目前已知的最古老的水井井 河姆渡古井呈方形，边长约河姆渡古井呈方形，边长约2 2米，深米，深1.351.35米，用米，用200200多根木多根木棒来建造井壁，井底还留有汲棒来建造井壁，井底还留有汲水的陶罐和生产工具。水的陶罐和生产工具。 第一节 钻井技术的发展演变一、大口径顿钻钻井一、大口径顿钻钻井顿钻钻具一上一下地活动，是手工挖井发展的必然。顿钻钻具一上一下地活动，是手工挖井发展的必然。在手工挖的井里，有人突发灵感，用一个尖头铁器冲击井底，破碎的岩屑较在手工挖的井里，有人突发灵感，用一个尖头铁器冲击井底，破碎的岩屑较多时，就把岩屑装入筐里，由井口的工

3、人从井里提上来。多时，就把岩屑装入筐里，由井口的工人从井里提上来。 这块成都出土的汉砖这块成都出土的汉砖画像画像生动地记述了当时生动地记述了当时凿井、打猎、农耕的生产场面。凿井、打猎、农耕的生产场面。有了井架的雏形有了井架的雏形。顶部横梁上装。顶部横梁上装有滑轮（天车的有滑轮（天车的雏形）。井下凿雏形）。井下凿碎的岩石盛到筐碎的岩石盛到筐里，用绳索提捞里，用绳索提捞到地面上来。到地面上来。一、大口径顿钻钻井一、大口径顿钻钻井天车的发明最初在井上横一根横木，发现时间久了绳子会锯木，最初在井上横一根横木，发现时间久了绳子会锯木，于是人们需找更加省力且不会起下绳锯断木头于是人们需找更加省力且不会起下

4、绳锯断木头 ，于是，于是就出现了天车。井架的顶部横梁上装有滑轮，也就是就出现了天车。井架的顶部横梁上装有滑轮，也就是天车。清除井下凿碎的岩石（即岩屑）的捞砂筒或汲天车。清除井下凿碎的岩石（即岩屑）的捞砂筒或汲取井中液体的提捞筒，就是由穿过天车滑轮来提升的。取井中液体的提捞筒，就是由穿过天车滑轮来提升的。一、大口径顿钻钻井一、大口径顿钻钻井绳锯木断绳锯木断 最初的顿钻冲击是由人手直接举起钻具来达到的，但这种方法只是用最初的顿钻冲击是由人手直接举起钻具来达到的，但这种方法只是用于钻具较轻的浅井。为了钻凿更深的井发明了原始的顿钻钻机于钻具较轻的浅井。为了钻凿更深的井发明了原始的顿钻钻机碓架。碓碓架。

5、碓架是一种省力杠杆机构，碓架的命名脱胎于架是一种省力杠杆机构，碓架的命名脱胎于3000多年前中国古代用来捣多年前中国古代用来捣谷的碓，而杠杆原理的运用可追溯到战国时期用作汲水的桔槔上。谷的碓，而杠杆原理的运用可追溯到战国时期用作汲水的桔槔上。一、大口径顿钻钻井一、大口径顿钻钻井原始钻机碓架碓架的工作原理：碓架的工作原理： 碓架上固定有踩碓架上固定有踩板（又称为碓），工板（又称为碓），工作时劳动者站在碓架作时劳动者站在碓架上，用脚踏碓梢。踩上，用脚踏碓梢。踩下时，碓头随之翘起，下时，碓头随之翘起，提起井下铁锉；松开提起井下铁锉；松开时，钻具的重力冲击时，钻具的重力冲击井底。这样不断地反井底。这样

6、不断地反复冲击，井底下的岩复冲击，井底下的岩石在锉头的冲击下被石在锉头的冲击下被击碎。击碎。一、大口径顿钻钻井一、大口径顿钻钻井 大口盐井的代表是陵大口盐井的代表是陵井，陵井是后汉张道陵即井，陵井是后汉张道陵即张天师组织人民开凿的张天师组织人民开凿的。陵州盐井深陵州盐井深180米，四周皆米，四周皆石也，上、下甚宽广，独石也，上、下甚宽广，独中间稍狭，谓之杖鼓腰中间稍狭，谓之杖鼓腰 。一、大口径顿钻钻井一、大口径顿钻钻井一、大口径顿钻钻井一、大口径顿钻钻井绞车绞车大车大车 为了起下钻头、捞为了起下钻头、捞砂砂，需要一套起重设备绞车。打浅井用的绞车是用横，需要一套起重设备绞车。打浅井用的绞车是用横

7、轴绞车，一至二人即可驱动。轴绞车，一至二人即可驱动。到了唐代，开始使用到了唐代，开始使用立轴绞车，俗称大车，大立轴绞车，俗称大车，大车由人力或畜力驱动。车由人力或畜力驱动。横轴绞车立轴绞车一、大口径顿钻钻井一、大口径顿钻钻井经过多年的技术革新和积累，所有工作都可由人在地面上操作完成，不再需要人员下入井下，所以井眼直径可以大大缩小，这就是小口径顿钻钻井。二、小口径顿钻钻井二、小口径顿钻钻井 在人力的作用下，锉不断地被高高吊起，然后依靠自在人力的作用下，锉不断地被高高吊起，然后依靠自身的重力不断地冲击地下的泥土和岩石。圆锉的每冲身的重力不断地冲击地下的泥土和岩石。圆锉的每冲击一次之后就换个角度，以

8、便锉内的直刃把井底的岩击一次之后就换个角度，以便锉内的直刃把井底的岩石击碎。这种钻井方式就叫做石击碎。这种钻井方式就叫做“冲击式顿钻法冲击式顿钻法”。 卓筒井钻凿过程中最早使用卓筒井钻凿过程中最早使用的钻头是用圜刃来钻进的。的钻头是用圜刃来钻进的。“圜圜刃刃”的图形和实物都无法见到了。的图形和实物都无法见到了。根据有限的描述，结合岩石破根据有限的描述，结合岩石破碎原理和钻井工具的继承性来碎原理和钻井工具的继承性来推测。推测。圜刃的发展历程圜刃的发展历程二、小口径顿钻钻井二、小口径顿钻钻井 在卓筒井钻进过程中需要将井内的岩屑清理出来，祖先发明了在钻井时灌在卓筒井钻进过程中需要将井内的岩屑清理出来

9、，祖先发明了在钻井时灌入清水使岩屑与清水混合成泥浆，然后用吞泥筒把泥浆提出地面的方法，吞泥筒入清水使岩屑与清水混合成泥浆，然后用吞泥筒把泥浆提出地面的方法，吞泥筒又名扇泥筒。又名扇泥筒。扇泥筒二、小口径顿钻钻井二、小口径顿钻钻井 扇泥筒的工作原理是：当扇泥筒下放接触泥水时，井内泥水对筒底皮钱产生的扇泥筒的工作原理是：当扇泥筒下放接触泥水时，井内泥水对筒底皮钱产生的压力迫使皮钱向内张开，泥水进入筒内，扇泥筒提起时井下泥水对筒底的压力消失。压力迫使皮钱向内张开，泥水进入筒内，扇泥筒提起时井下泥水对筒底的压力消失。相反，筒内泥水在重力作用下对皮钱产生向下压力，使皮钱向下运动，皮钱因受筒相反，筒内泥水

10、在重力作用下对皮钱产生向下压力，使皮钱向下运动，皮钱因受筒壁凸出部的阻碍而关闭泥水不漏失。壁凸出部的阻碍而关闭泥水不漏失。二、小口径顿钻钻井二、小口径顿钻钻井固井用分级箍抽油泵 扇泥筒关键部件皮钱有着与单向阀相同的扇泥筒关键部件皮钱有着与单向阀相同的作用。在此基础上得到了推广和应用。比如作用。在此基础上得到了推广和应用。比如现代固井用的分级箍以及采油时用到的抽油现代固井用的分级箍以及采油时用到的抽油泵，它们的工作原理是一样的。泵，它们的工作原理是一样的。二、小口径顿钻钻井二、小口径顿钻钻井在防止井壁坍塌保持井壁稳定所采用的方法以及设备 一口井钻凿完成之后要加以巩固防止井壁坍塌。我国古代通过用下

11、入木柱的一口井钻凿完成之后要加以巩固防止井壁坍塌。我国古代通过用下入木柱的方法来解决这一问题。在宋代，刚开始钻凿卓筒井时，四川的盐井钻凿工人就方法来解决这一问题。在宋代，刚开始钻凿卓筒井时，四川的盐井钻凿工人就地取材，用楠竹中空，去掉节头，牝牡相连制造了防水入井的竹套管。随着井地取材，用楠竹中空，去掉节头，牝牡相连制造了防水入井的竹套管。随着井径的扩大和对套管强度要求的提高，选用更加坚固的柏木。径的扩大和对套管强度要求的提高，选用更加坚固的柏木。竹制木竹柏木柱二、小口径顿钻钻井二、小口径顿钻钻井木竹外面用布包裹，再缠上麻，并用桐油、石灰涂敷，就木竹外面用布包裹，再缠上麻，并用桐油、石灰涂敷，就

12、不致渗漏了。木竹的下端带有用麻丝、桐油、石灰等做成的不致渗漏了。木竹的下端带有用麻丝、桐油、石灰等做成的大麻头，其作用是把木竹下端与井底岩石粘接在一起，防止大麻头，其作用是把木竹下端与井底岩石粘接在一起，防止淡水从这里渗入井中。淡水从这里渗入井中。二、小口径顿钻钻井二、小口径顿钻钻井三、近代顿钻钻井三、近代顿钻钻井三、近代顿钻钻井三、近代顿钻钻井 最初采用的接长钻具的材料是竹竿，最初采用的接长钻具的材料是竹竿，但竹竿太重，连接起下困难，钻井深度但竹竿太重，连接起下困难，钻井深度受到限制。在钻凿深井中，应用的钻井受到限制。在钻凿深井中，应用的钻井索是用楠竹片连接而成。索是用楠竹片连接而成。古今钻

13、井绳三、近代顿钻钻井三、近代顿钻钻井天车井架捞砂筒钻井滚筒动力机皮带轮游梁曲柄连杆提升滚筒钻头三、近代顿钻钻井三、近代顿钻钻井用钢丝绳把顿钻钻头送用钢丝绳把顿钻钻头送到井底，由动力驱动游到井底，由动力驱动游梁机构，使游梁一端上梁机构，使游梁一端上下运动，并带动钢丝绳下运动，并带动钢丝绳和钻头产生上下冲击作和钻头产生上下冲击作用，使岩石破碎。用，使岩石破碎。 四、旋转钻井四、旋转钻井起源于工厂常见的在木头和金属上用旋转起源于工厂常见的在木头和金属上用旋转工具钻孔而同时清除钻屑的实际工作。工具钻孔而同时清除钻屑的实际工作。旋旋转转钻钻井井四、旋转钻井四、旋转钻井1901年用旋转钻机打出纺锤顶的万吨

14、油井后，又发明了黏土泥浆年用旋转钻机打出纺锤顶的万吨油井后，又发明了黏土泥浆。在井场上挖一个泥浆池，用救火用水龙带往池子里加水，把牲。在井场上挖一个泥浆池，用救火用水龙带往池子里加水，把牲口赶到池子里用脚踏，口赶到池子里用脚踏，“搅拌搅拌”成黏土泥浆，用泵灌注到井下去成黏土泥浆，用泵灌注到井下去。钻钻井液的循环过程是这样的：井液的循环过程是这样的：钻钻井液首先由泵从泥浆罐中吸入，增加液井液首先由泵从泥浆罐中吸入，增加液压之后通过立管和水龙带进入钻柱内孔，通过钻头水眼到达井底，然后从井压之后通过立管和水龙带进入钻柱内孔，通过钻头水眼到达井底，然后从井底携带岩屑由环空上返，返到地面后流至固相消除设

15、备，最后再流回泥浆罐。底携带岩屑由环空上返，返到地面后流至固相消除设备，最后再流回泥浆罐。四、旋转钻井四、旋转钻井旋旋转转钻钻井井四、旋转钻井四、旋转钻井机械钻机机械钻机水龙头水龙头方钻杆方钻杆转转 盘盘顶驱顶驱四、旋转钻井四、旋转钻井最早使用，适用于软岩层，无最早使用，适用于软岩层，无法在较硬地层钻进。法在较硬地层钻进。19091909年，休斯发明了牙轮钻头，使旋转钻年，休斯发明了牙轮钻头，使旋转钻井法在钻任何地层时能比顿钻有明显优势井法在钻任何地层时能比顿钻有明显优势。应用新的破岩原理：锥形牙轮在井底转。应用新的破岩原理：锥形牙轮在井底转动，起切削破岩作用。动，起切削破岩作用。牙轮钻头在转动时具牙轮钻头在转动时具有冲击、压碎和剪切等多种破岩形式。有冲击、压碎和剪切等多种破岩形式。 1903年，第一次在井内进行套管注水泥。年，第一次在井内进行套管注水泥。 出现了一位下套管配套工具发明家出现了一位下套管配套工具发明家-贝克石油公司创始贝克石油公司创始人卡尔人卡尔贝克。贝克。 19071907年发明了贝