钻井工艺技术

1、 共36学时华北油田培训班 讲课教师：高学仕 任务单位：中国石油大学(华东) 机电工程学院机电系 2007年9月14日. 引 言 石油工程：包括钻井工程工艺，采油工程工艺。即如何打井，怎样采油。 石油配备：是钻井、采油机械的概括。配备可以为是机械工程机械系统，并应包括电器设备。 本课程讲授内容： 钻井方法；钻机总论；机械驱动钻机；电驱动钻机；电机特性；顶部驱动钻机；起升系统与设备；泥浆循环系统与设备；钻井工具；采油机械配备。 教材：35元； 本课程用电子文档方式讲课，听课笔记留意只记标题、彩色标识字体。. 第一章 钻井工艺技术 第一节 井身构造一、套管套管是加固井壁构成井筒所用的钢管。1. 套

2、管资料：高合金钢，【含C，Mn，Mo，Cr，Ni，Cu，P，S，Si硅。】2.钢级：【API规范套管API 5CT美国石油学会规范】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 。【1 PSi =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。 上海宝钢热轧；宝鸡钢管厂焊接4.套管尺寸规格：均用外径表示。. 5. 套管螺纹衔接1三角螺纹衔接承载面：齿侧角30斜面，

3、产生较大径向分力。衔接强度：只需管体强度的6075%。密封方式：齿间干涉及丝扣油的堵塞实现密封，密封性差。 2梯形螺纹衔接承载面： 3斜面，导向面：10斜面，加强了齿形，减少了径向力。衔接强度：到达管体强度的85%。密封方式：靠齿间干涉和丝扣油堵塞实现密封，密封性差。3套管接头螺纹分布规律近似于抛物线，接头螺纹两端扣牙受力大，中间部位大多数扣牙受力很小。 .二、井身构造下不同层次的套管固结井壁就构成了井身构造。参看图1-16 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；封隔浅层水；安装防喷器、套管头、采油树30100m。3.技术套管

4、：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.油层套管消费套管：最后一层套管，构成井筒，使油气入内。内放油管。.三、套管在井下的承载情况套管在下井、固井、完井射孔过程中，接受复杂载荷。1. 外挤压力地层对套管施加的静水压力均匀外压。管外泥浆和水泥浆液柱压力；地层中的油、气、水压力；地层侧压力。设计套管外挤压力时，以为管内掏空，管外按泥浆柱计算外挤压力。对于高塑性地层如膨胀性页岩和盐岩层，外挤压力以上覆岩层压力为计算根据。 . 2. 内压力井口开时，等于管内液柱或气柱压力; 井口关时，等于井口压力与管内液、气柱压力之和。井喷和压裂时受内压。注水和注热蒸汽内压从套管内注入

5、。3. 拉力载荷主要由套管自重引起。泥浆浮力、注水泥流动阻力；下套遇卡提力；下套刹车动载等。 4.击震载荷：完井时，射孔。固井后射孔使油流入井筒 5.热应力、腐蚀应力(硫化氢氢脆、电化学腐蚀、环氧霉菌腐蚀)。 .四、套管设计1. 决议下套管层数。根据地质情况2. 确定套管尺寸确定完井最小井眼，各层套管尺寸；选不同钢级、不同壁厚的套管组成管柱。3. 设计原那么按三准那么计算：抗拉平安系数： n安=1.622.0 抗挤平安系数： n安=1.01.25 抗内压平安系数：n安=1.01.33管柱载荷：顶部受拉力最大，下部受内、外压最大，应合理设计管柱。. 4. 等平安系数法 普遍用等平安系数法设计套管

6、柱。 即：管柱由数段不同强度套管组成，各段平安系数一样。具有的强度才干/实践承当载荷才干 1抗外挤强度计算 看管能接受多大外挤压力。 外挤计算法：按管内掏空无内压，计算一定深度管柱所接受的外压力。 外挤压力值：按打井时泥浆密度计算。 确定所受外压力 外挤压力，Pa； 环空泥浆密度，kg/m3； L管柱长井深。.具有 抗挤强度的套管可下到Hc1深； 可下到Hc2 可下到Hc3以 地层压力时，使泥浆进入地层。应加堵漏物封堵。井塌井壁坍塌，应加重泥浆。2井喷地层压力泥浆柱压力，井口都装防喷器。【防喷器产品消费前景良好，要求打井必需安防喷器。】3卡钻转不动、起下钻遇阻，由沉砂、落石呵斥。 .三、钻井新

7、技术1-1一放射式钻井利用高速射流作用，结合机械破岩，提高钻速，即放射式钻井。采用放射式钻头，钻井液经过具有特殊外形和小尺寸喷嘴构成高速射流射向井底。1. 现状与前景超高压放射钻井是石油工业的前沿研讨课题。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，打井实验，效果很好，提高钻速35倍。地面增压缺陷：高压传输密封难保证接头，沿程损失太大。94年后，开场研讨井下增压器，96年下井实验。 .中国：92年构思用“井下增压器研讨由矿机教研室增压器科研组完成。94年石油总公司招标，由石大、勘探院两家分别进展可行性研讨。99年，单元、整机地面实验胜利。技

8、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：实验胜利是钻井的一场革命；增压技术可用于地面和井下增压注水。 .2. 放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。射流喷速高，100150m/s；泵压高，20 35MPa；放射钻头压力降和水功率高 。07.9, 中原 2-2.3. 放射钻井任务方式钻头喷嘴的射流，用喷速、冲击力和水功率三参数来表征。1泵的水功率分配NP=pP.Q循环功率耗费循环管路上NC过钻头喷嘴压降构成高速射流作用的水功率Nb.压降：喷嘴进、出口压差。希望：降低NC，提高Nb；提高压降手段：减小喷嘴直径。提高压降目的：使射

9、流获得大喷速、大水马力，大动能；使射流到达井底有大冲击力。.经过压能与动能进展能量交换。 .2射流 定义：微孔喷出流体并非重力作用，而传播的景象称射流。水力学定义：液体过流断面周界不与固体接触的流动称射流。 有气、液射流流态：层流雷诺数小为层流、紊流。.3射流构造射流成喇叭形速度递减。分三个区：以喷嘴向外开场A区等速核长度区，喷速为定值。B区紊流混合区，喷度衰减。C区紊流构成区，喷度衰减显著。.4压降、射流、破岩的关系放射破岩机理。为何“井下增压能提高破岩才干？本节重点了解的问题 从能量角度分析提高射流的水功率和冲击力能提高破岩才干。水功率：是单位时间内射流动能 单位时间内液体质量m， 密度；

10、 流量； 喷嘴出口流速。 结论：.冲击力：为单位时间内动量变化 ， 动量。冲击力大破岩才干高。 提高喷速途径其一， 只需减小喷嘴孔径 其二，提高喷嘴压降 ，大进出口压差 。从能量方程知： ， ，只需提高 ，即增压。故，井下增压提高喷嘴入口压力，可提高射流水功率和冲击力，进而提高破岩才干。 结论：.1-25有效喷距从喷嘴到井底的间隔。保证在B区紊流混合区。最正确放射间隔，与喷嘴直径、构造有关。加长喷嘴就是根据最正确喷距而来。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。最正确喷距涉及一系列研讨课题。07.9,华北 2-2. 二井下增压器技术 “井下增压器，是超高压

11、放射钻井的一种辅助工具。 1.井下增压器研讨的目的意义 它在地面泵输入的动力泥浆的推进下，将小部分钻井液压力大幅度提高，经喷嘴喷出后冲刺岩石，并与钻头配合到达大幅度提高钻速的目的。. 2.井下增压器联接 井下增压器串接于钻头与钻铤之间。 它以地面泵排出的钻井液为动力，将小股钻井液的压力提高到超高压，经钻头上的特殊喷嘴高速喷出，协助钻头破碎岩石。. 3.井下增压器的要求 在井下增压器的水力设计中，不仅要使增压器得到足够的水功率，满足常规钻井的要求，而且要设法减少动力传送过程中的能量损失。 .三平衡压力钻井1. 平衡压力钻井含义钻井用泥浆密度 正好等于平衡地层压力所需泥浆密度 ，称为平衡压力钻井。

12、平衡钻井：坚持井内钻井液动压力与地层孔隙压力相等，即 式中， 地层孔隙压力地层压力； 钻井液柱静压力； 钻井液循环时的环空压降。2. 平衡压力钻井目的 降低岩石强度、岩屑的压持效应，提高钻速； 可维护地层，防止地层污染、井漏。3. 实现平衡钻井的关键是选控合理的钻井液密度，使钻井液柱静液压力和环空压降之和同地层孔隙压力一直坚持平衡。4. 平衡钻井技术保证 安井控设备，防止井涌、井喷； 配先进固控设备，适时调、控配井液性能。 .四 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 平衡地层压力所需泥浆密度时称为欠平衡钻井1. 欠平衡钻井原理井底液柱压力低于地层孔隙压力。允许地层流体进入井内，循环出井，在地面处置和控制。2.优点利于发现低压储层；防止对油层的损害；减少清堵费用提高钻速，降低钻井本钱。.3. 适用于地层条件：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； 低浸透油层、硬地层； 欠压或衰竭地层； 大裂痕地层。4. 坚持欠平衡钻井方法 配注气设备：向井液中注空气或氮气，降低液柱静水头。 配井控设备 流体地面处置设备 随钻丈量仪。 .五程度井技术 程度井是从定向斜井开展起来的。目前，胜利油田打程度井的技术起到领头羊的作用。1. 程度井技术1程度井优化设计技术 借助于计算机模拟技术，对油藏