石油工程机装备 第一章钻井工艺技术(11版)

《石油工程与装备》

机自09级（共48学时）

2-17周：

机自0906-06：周一，1,2节：东廊102；周三，3,4节：双周南堂317

机自0901-03：周三，1,2节：南教211；周五，3,4节：双周南堂315；

讲课教师：高学仕

工作单位：机电工程学院机电系

2012年9月17日

引言

“石油工程与装备”包括两大部分：

石油工程（油田开发）和石油装备（石油机械）

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。

石油装备：是钻井、采油机械的概括。装备可认为是机械工程（机械系统），并应包括电器设备。

本课主要内容：钻井、采油机械各半。

【07年9月21日报道我国是世界最大钻机生产国，年产钻机700多台，已研制出打12000m井深控制系统。】

教材：《石油钻采机械概论》35元；

2011年新版50元参考书：《采油机械设计计算》考试：学校统一安排考试，闭卷，侧重概念性、知识性内容，涉及面广。考试以笔记内容为准，平常注意听课，最后集中总结一下即可。听课笔记，只记标题、彩体字。

作业甚少，算总成绩，一次作业5～10分。

第一章钻井工艺技术

第一节

井身结构一、套管套管是加固井壁所用的钢管。1.套管材料：高合金钢，【含C，Mn，Mo，Cr，Ni，Cu，P，S，Si（硅）。】2.钢级：【API（美国石油学会标准）标准套管】套管按强度高低分级，有：H-40，J-55，C-75

，N-80，P-110等。字母：含化学成份的分类代号；数字：最小屈服极限，单位：KSI（）。【1PSi（）=6.89kPa=0.00689MPa】3.制造方法：无缝套管，用热轧，上海宝钢；

焊接套管，用钢板卷筒直焊缝，宝鸡钢管厂。4.尺寸规格：用外径表示。生产直径400mm以上的中大口径无缝管坯

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。直焊缝套管石油套管5.套管螺纹连接主要有：三角螺纹连接；偏梯形螺纹连接；特殊螺纹连接。偏梯形螺纹套管端接箍端

5.套管螺纹连接（1）三角螺纹连接承载面：齿侧角30°；在轴向拉力下，产生较大径向分力。连接强度：为管体强度的60～75%。密封方式：齿间干涉及丝扣油堵塞，密封性差。

5.套管螺纹连接（1）三角螺纹连接承载面：齿侧角30°；在轴向拉力下，产生较大径向分力。连接强度：为管体强度的60～75%。密封方式：齿间干涉及丝扣油堵塞，密封性差。

（2）偏梯形螺纹连接承载面：3°；导向面：10°；增强了齿形，减少了径向力。连接强度：为管体强度的85%。密封方式：齿间干涉和丝扣油堵塞，密封性差。（2）偏梯形螺纹连接承载面：3°；导向面：10°；增强了齿形，减少了径向力。连接强度：为管体强度的85%。密封方式：齿间干涉和丝扣油堵塞，密封性差。轴向拉力套管接头扣牙（3）套管接头螺纹受力分布规律在轴向拉力作用下，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、井身结构下不同层次的套管固结井壁就构成了井身结构。（参看图1-16）1.导管：防止表土坍塌，引入钻头。【一口井中最大尺寸套管（20-40m）】。2.表层套管：加固上部疏松岩层井壁。封隔浅层水；【安装防喷器、套管头、采油树（30～100m）】。3.技术套管：封隔上部油、水、气层、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。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，承受复杂载荷。1.

外挤压力固井时，管外泥浆和水泥浆液柱压力；地层对套管施加的静水压力（均匀外压）；地层中的油、气、水压力；设计套管外挤压力时，认为管内掏空，管外按泥浆柱计算外挤压力。对于高塑性地层（如膨胀性页岩）和岩盐层，外挤压力以上覆岩层压力为计算依据。

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柱或气柱压力之和。井喷和压裂时受内压。注水和注热蒸汽内压（从套管内注入）。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。

四、套管设计↑1-21.

决定下套管层数。（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.

设计原则按三准则计算：抗拉安全系数：n安=1.62～2.0抗挤安全系数：n安=1.0～1.25抗内压安全系数：n安=1.0～1.33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.等安全系数法

普遍用等安全系数法设计套管柱。即：管柱由数段不同强度套管组成，各段安全系数相同。（具有的强度能力/实际承担载荷能力）

（1）抗外挤强度计算外挤计算法：按管内掏空（无内压），计算一定深度管柱所承受的外压力。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深Hc1；

可下深Hc2

可下深Hc3<<。可下深的合理性分析：用，下0～Hc2深，不合理；用，下0～Hc3深，更不合理。应该用：的套管下0～Hc1深；的套管下Hc1～Hc2深；的套管下Hc2～Hc3深。结果：三段套管抗挤强度不同，安全系数相同（，，中安全系数相同）。原则：低抗挤能力的管放在管柱上段。

（2）抗拉强度计算设—许用抗拉强度；

具有抗拉强度的套管，可悬挂长度LT1。即：本段,可承担管柱重；具有的管可悬挂LT2长，管重（）；的管可悬挂LT3长，管重（）。原则：低抗拉强度套管放在管柱下段。合理性考虑：从LT2中取出一段用LT1代替，并非用的套管直接下LT2段。也如此，从LT3中取出一段用LT1和LT2’代替。

（3）套管柱设计与校核抗挤计算：从井口到井底逐段计算，下部选抗挤强度最大的套管。抗拉计算：从井底到井口逐段计算，上部选抗拉强度最大的套管。可采用二者可分别计算的方法。目前用法：先用抗挤计算设计各段，再用抗拉计算校核。强度分段：越多越经济，受品种限制，

分四～五段为宜。例，井深3000m，打井泥浆密度，设计外经127mm（5”）油层套管柱，水泥返高500m。库存套管J-55，N-80参数如下：外径钢级壁厚mm线密度kg/m抗挤强度MPa抗拉强度kN

127mmJ-556.4319.3428.5809.67.5222.3238.3992N-807.5222.3250.013849.1926.7872.31760解（1）按抗挤计算下深，安全系数n挤＝1.125①选J-55,

许用抗挤压力：

可下深：

由（泥浆柱压力）

=2168m

②选：N-80,

许用抗挤压力：

可下深：

=2832m

③选：N-80,

许用抗挤压力：

可下深：

=4100m按抗挤计算结果：由上到下J-55,下深2168m（满足强度要求的下深）N-80,加长2832-2168=664m

(减去上部已下深，到2832m)N-80,

加长3000-2832=168m

(可下到4100m,只有3000m)钢的密度泥浆密度（2）按抗拉强度校核，安全系数n拉＝2（自下而上校核）①N-80,（最下段）许用抗拉力：在泥浆中每米质量：

（空气中每米质量）（减去泥浆在钢中占的比例）

可悬挂长：（最下段）

【每米重（力）】本段管柱质量：21.4×168=3600（kg）能够承受的拉力

本段许用拉力（重力）本段许用拉力（重力）抗拉力②N-80,（中间段）许用抗拉力：

能够承受的拉力在泥浆中每米质量：

（空气中每米质量）（减去泥浆在钢中占的比例）

下段已挂重量（力）可悬挂长：

（中间段）【每米重（力）】本段管柱质量：17.9×664=11900（kg）

下段已挂重量（力）抗拉力③J-55,许用抗拉力：在泥浆中每米质量：

（空气中每米质量）（减去泥浆在钢中占的比例）

下二段已挂重量（力）

可悬挂长：井口段抗拉强度不够（只能悬挂1960m长）；余者改用N-80,④N-80,下三段已挂重量（力）

可悬挂长：只需下深：2168-1960=208m（井口段下深）

下两段已挂重量抗拉力（3）设计结果将最上部一根管子用最小内径一种，以防止修井时，所下工具外径太大，下到中途下不去。（按上段小径选择相应的工具，无问题，且强度有保证。）自上而下：N-80,

，10m→N-80,,198m→J-55,，1960m→N-80,，664m→N-80,，168m。

五、下套管固井套管与井壁的环空注水泥封固，称为固井。

下完套管后注水泥。【普通井油层套管加固到油层上100～200米，热采井加固到井口（防止热应力膨胀举升井口）。】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）。上接套管柱↑1-2★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。★阻流环（承托环）：承托下胶塞注水泥时，要用下胶塞和上胶塞。注完水泥后，套管内留10～20m水泥塞，如果不是油层套管要钻开。★扶正器：弹簧钢片做成。★泥浆刷：刮去井壁泥饼，提高水泥胶结强度。★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。★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。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—水泥泵—套管内—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；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1400～1600℃下烧成熟料，冷后磨细。固井用水泥为硅酸盐水泥，凝速快，有较高早期强度。耐地下腐蚀，射孔时不开裂。第二节钻井方法一、机械钻井法1.顿钻钻井法

破岩——用顿钻钻头，上下冲击。

排屑——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—用旋转钻头；

排屑—用循环钻井液；

（2）钻具组合：水龙头（输入泥浆）→方钻杆（传矩）→钻柱（钻杆：传矩、加长、循环；钻铤：提供钻压）→钻头。

★地面动力—转盘钻（常规）

【钻头旋转，连续破碎岩层，用钻井液环带出岩屑，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—涡轮或螺杆钻具。（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。】

方钻杆方钻杆钻铤钻杆将钻井液的动能转换成机械能的一种井底动力机，简称涡轮钻。涡轮钻钻探是一种先进的钻探方法，工作时钻杆不转动，用于打斜井、水平井。螺杆钻具

二、钻井工艺过程多道工序完成三件事：

★破碎岩石；

★取出岩屑、保护井壁；

★固井和完井，形成油流通道。

1．钻前准备①

定井位；②平井场；③打基础；④备器材。2．钻进（1）全井钻进过程①一次开钻，下表层套管。②二次开钻，从表层套管内钻进。③三次开钻，从技术套管内钻进。

（2）钻井作业①下钻—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—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，携出岩屑，保护井壁，冷却钻具。③接单根—不断钻进，加长钻柱；每次接入一根钻杆，称为接单根。④起钻—换钻头时，取出钻柱，称起钻作业。以立根为单位起卸。⑤换钻头—起钻结束，卸下旧钻头，换上新钻头。⑥循环工作：下钻→正常钻进→接单根→起钻→换钻头→下钻工人们正在起下钻作业（用吊钳紧、松扣）液压大钳吊钳卡瓦拉钳绳起下钻作业（液压大钳上扣）液压大钳3．固井套管与井壁的环空注水泥，称为固井。4．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，使油层与井筒相通。5．钻井事故的处理（1）井漏、井塌井漏—泥浆压力>地层压力时，使泥浆进入地层。应加堵漏物。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。【防喷器产品生产前景良好，要求打井必须安防喷器。】（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）喷射式钻井利用高速射流作用，结合机械破岩，提高钻速，即喷射式钻井。钻井液通过特殊形状和小尺寸喷嘴形成高速射流射向井底。1.

现状与前景超高压喷射钻井是前沿课题。破岩压力：150～200Mpa（需增压）①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3～5倍。地面增压缺点：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。

②中国：92年构思用“井下增压器”研究（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。

2.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。3.喷射钻井工作方式用射流喷速、冲击力和水功率三参数来表征。（1）泵的水功率分配（NP=pP.Q）①循环管路上功率消耗（NC）②过喷嘴压降（形成高速射流作用的水功率Nb）压降：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：使射流获得大喷速、大动能、大冲击力。通过压能与动能进行能量交换。

（2）射流

定义：微孔喷出流体并非重力作用，而传播的现象称射流。（3）射流结构射流成喇叭形（速度递减）。分三个区：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“井下增压”能提高破岩能力？本节重点理解的问题①

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。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；—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）。冲击力大破岩能力高。

②提高喷速途径其一，只有减小喷嘴孔径其二，提高喷嘴压降，大进出口压差（）。

从能量方程知：

，，只有提高，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，进而提高破岩能力。

结论：水力破岩，压力必须提高到破岩的门值，约150～200Mpa。（5）有效喷距从喷嘴到井底的距离。保证在（B区）紊流混合区。最佳喷射距离，与喷嘴直径、结构有关。沈忠厚教授加长喷嘴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。（二）井下增压器技术

“井下增压器”，是超高压喷射钻井的一种辅助工具。

1.

井下增压器研究的目的意义

它在地面泵输入的动力泥浆的推动下，将小部分钻井液压力大幅度提高，经喷嘴喷出后冲刺岩石，并与钻头配合达到大幅度提高钻速的目的。（二）井下增压器技术

“井下增压器”，是超高压喷射钻井的一种辅助工具。

1.

井下增压器研究的目的意义

它在地面泵输入的动力泥浆的推动下，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