钻井讲义.的知识

钻井工程电话：1第一节绪论2一、石油钻井概述1．石油钻井的概念石油钻井是指利用专用设备和技术，在预先选定的地表位置处，向下或一侧钻出一定直径的孔眼，一直达到地下油气层的工作。32．石油钻井的种类（1）把钻井按钻井的目的进行分类：区域普查井：基准井、剖面井、参数井、构造井探井：预探井、详探井、边探井开发井：生产井（油井、气井）、注入井（注水井、注气井）特殊用途井：检查井、观察井、调整井、救援井等。4基准井：在区域普查阶段，为了了解地层的沉积特征和含油气情况、验证物探成果而钻的井。剖面井：是为了研究地层岩性、岩相变化，为寻找含油气构造而钻的井。参数井：为了解区域构造，提供岩石物性参数而钻的井。构造井：为了了解地质构造特征、验证物探成果，并编制地下某一标准层的构造图。探井：为了确定油气藏是否存在及其埋藏位置（预探井），对油气藏进行工业评价及取得油气开发所需的地质资料（详探井），圈定油气藏边界及其储量（边探井）。5生产井：在进行油田开发时，为开采石油和天然气而钻的井。注入井：开发后期为了提高采收率及开发速度，而对油田进行注水注气以补充和合理利用地层能量所钻的井。检查井：油田开发到某一含水阶段，为了搞清各油层的压力和油、气、水分布状况，剩余油饱和度的分布和变化情况，观察井：油田开发过程中专门用来了解地下动态的井调整井：油田开发中后期，为进一步提高开发效果和最终采收率，而调整原有开发井网所钻的井。救援井：为了救援而钻的井。6（2）把钻井按井斜角不同分类：

直井、定向井、水平井直井：井口与井底在同一条铅垂线上定向井：沿着预先设计的井眼轨迹钻达目的层，井口与井底不在同一条铅垂线上。水平井：沿着预先设计的井眼轨迹以井斜角>85°的角度进入目的层。（3）把钻井按井深不同分类：浅井H<2500m，中深井2500m<H<4500m，深井4500m<H<6000m，超深井H>6000m<H<9000m。特超深井H>9000m7（1）人工掘井：1521年之前（2）人力冲击钻：1521～1835年，是靠人力、捞砂筒、特殊钻头、悬绳、游梁等来完成的。

支架游梁悬绳井壁钻头井底二、钻井方法8（3）机械顿钻（冲钻）：1859～1901年优点：设备简单；起下钻方便。缺点：靠冲击作用破岩，钻头功率小，破岩效率低，钻井速度慢；破岩和清岩相间进行。支架游梁悬绳井壁钻头井底9（4）旋转钻：1901年发展起来的。旋转钻井是靠动力带动钻头旋转，在旋转的过程中对井底岩石进行破碎，同时循环钻井液以清洁井底的钻井方法。特点是：1）破岩与清岩同时进行。2）旋转动力大，转速高，破碎效率高。3）设备复杂，起下钻繁琐。10转盘钻井法是利用转盘旋转带动钻柱并带动钻头旋转破碎井底岩石的方法。顶部驱动钻井：原理与转盘钻井法相同井下动力钻具钻井法是利用井下动力钻具驱动钻头旋转以破碎井底岩石。常用于打定向井时的井底定向。

现代钻井是将两种旋转钻井方法结合起来使用，以充分发挥各自的优点。旋转钻井：11（一）定井位（二）道路勘测

（三）基础施工（四）安装井架

（五）安装设备（六）钻进

（七）起钻换钻头下钻（八）测试

（九）固井（十）搬家

三、钻井施工工序12封井器一开钻进下表层套管注水泥施工安装井口防喷器井口防溢管钻井液出口13二开钻进施工三开钻进施工井身结构14四、钻井主要设备15对钻机的基本要求：起下钻能力、旋转钻进能力、循环洗井能力。主要设备：井架、天车、绞车、游动滑车、大钩、转盘、水龙头（动力水龙头）及钻井泵（钻机八大件），动力机（柴油机、电动机、燃气轮机），联动机，固相控制设备，井控设备等。16天车井架游车17游车18钻机的八大系统：主要系统1、起升系统2、旋转系统3、钻井液循环系统4、传动系统5、控制系统6、动力驱动系统7、钻机底座8、钻机辅助设备系统1920刹把绞车司钻控制台2122大钩水龙头23转盘24钻井泵25

第二节钻头261.结构

上钻头体、下钻头体（分水帽）、刀翼、水眼。图1-4刮刀钻头结构刀翼三刀翼的称作三刮刀钻头两刀翼的称作两刮刀钻头或鱼尾刮刀钻头四刀翼的称作四刮刀钻头一、刮刀钻头27

2、刮刀钻头的工作原理

刮刀钻头主要以切削作用破碎地层。破碎塑性岩石过程：

在钻压W作用下，刀翼容易吃入地层；刃前岩石在扭转力T的作用下不断产生塑性流动。这和车刀切削软金属的过程类似。28破碎脆性岩石过程

刮刀钻头破碎脆性岩石的过程为：碰撞→压碎及小剪切→大剪切。（1）碰撞：刃前岩石发生剪切破碎后，刀刃在旋转扭矩作用下向前推进，碰撞刃前岩石。（2）压碎及小剪切：扭转力增大，压碎刃前岩石，产生小剪切破坏。（3）大剪切：扭转力继续增大到某一极限值，刃前岩石沿剪切面破碎，而后扭转力突然减小。29刮刀钻头制造工艺简单，成本低；刮刀钻头适用于软地层，钻速快，每米钻进成本低；刮刀钻头容易磨损成锥形，造成缩径和井斜；刮刀钻头产生剧烈的扭转振动，破坏钻具和设备；刮刀钻头目前已被PDC钻头取代。3、刮刀钻头的合理应用301.牙轮钻头结构

牙轮钻头由钻头体、牙爪（巴掌）及牙轮轴、牙轮及牙齿、轴承、储油润滑密封系统、喷嘴等部分组成。二、牙轮钻头31

1）牙轮及切削齿

（1）牙轮20CrMo合金钢锥体，锥面铣齿或镶装硬质合金齿，内腔有轴承跑道。单锥牙轮：主锥+背锥，硬地层复锥牙轮：主锥+副锥+背锥，软到中硬

a—单锥；b、c—复锥；1—主锥；2—副锥；3—背锥abc32

（2）牙齿

铣齿——在牙轮锥面上直接铣出，楔形。

硬质合金镶齿——镶装在牙轮锥面上，有多种齿形适应不同地层。33铣齿牙轮钻头镶齿牙轮钻头34

(2）轴承

牙轮钻头轴承有大、中、小和止推四副。根据轴承的密封与否，可分为密封和非密封两类。根据轴承副的结构，可分为滚动轴承和滑动轴承两大类。滚动轴承结构：滚柱—滚珠—滚柱—止推

滚柱—滚珠—滑动一止推滑动轴承结构：滑动—滚珠—滑动—止推

滑动—滑动（卡簧）—滑动—止推密封圈密封圈滚柱止推台阶滑动摩擦衬套滑动摩擦副35储油润滑补偿系统密封系统：橡胶密封圈、金属密封圈工作原理：

储油压力补偿系统（传压孔、压力补偿膜、油杯等）保持轴承腔内的油压与井内钻井液柱压力相平衡。当轴承腔内油压降低，储油杯中的润滑油在钻井液柱压力作用下补充到轴承腔内；当轴承腔内的油压升高，则流入储油杯。其中，有效密封是关键。3）储油润滑密封系统3637

4）钻头水眼

钻井液流出钻头射向井底的流道。高压钻井液流经喷嘴后产生高速流动的水射流，清除井底岩屑，辅助破碎岩石。 三牙轮钻头一般安装3个喷嘴，直径7~13mm。用卡簧固定在水眼内，并用o形圈密封。

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纵向振动：牙轮在滚动过程，其中心上下波动，使钻头做上下往复运动。

引起纵向振动的原因：

①单、双齿交替接触井底，使牙轮中心上下波动；②井底凹凸不平。

2.牙轮钻头工作原理1．牙轮钻头在井底的运动公转：牙轮随钻头一起旋转。自转：牙齿绕牙轮轴线作逆时针方向旋转称自转。滑动：牙轮齿相对于井底的滑移，包括径向（轴向）和切向（周向）滑动。引起滑动的原因：

①超顶和复锥引起切向（周向）滑动.②移轴引起径向（轴向）滑动.

392．牙轮钻头的破岩作用

（1）冲击、压碎作用

纵向振动产生的冲击力和静压力（钻压）一起使牙齿对地层产生冲击、压碎作用，形成体积破碎坑。

（2）滑动剪切作用

牙轮牙齿的径向滑动和切向滑动对井底地层产生剪切作用，破碎齿间岩石。

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1）国产牙轮钻头分类方法

（1）按结构分类：Y，P，MP，MPB，HP，HPB，XMP，XHP共8个系列

3.牙轮钻头分类及合理使用41（2）按地层分类：JR，R，ZR，Z，ZY，Y，JY

1，2，3，4，5，6，7国产三牙轮钻头类型及适应地层42

类型代号：数字1~7，表明所适应的地层

系列代号：字母Y,P,MP,MPB,HP,HPB,XMP,XH，表明结构特征

钻头直径：用英寸或毫米表示直径大小例：用于中硬地层、直径为8-1/2in(215.9mm)的镶齿滑动密封轴承喷射式三牙轮钻头的型号为：8-1/2XHP5或215.9XHP5。（3）型号表示方法433.牙轮钻头的正确使用1.根据地层性质合理选择钻头类型地层较软时：选用牙齿高度大并带有超顶或移轴的钻头；地层较硬时：选用牙齿高度小，无超顶或移轴的钻头；研磨性地层：选用带保径齿的镶齿钻头。易斜地层钻进：使用不移轴的钻头，无保径的钻头。软硬交错地层钻进：按较硬岩石选择钻头。浅井段：可选钻速较高的钻头。小井眼：可使用单牙轮钻头参考厂家的推荐：参考邻井资料：考虑每米成本最低：2.优选钻进参数：钻压、转速、水力参数等。

铣齿钻头：低钻压，高转速

镶齿钻头：高钻压，低转速

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软地层用钻头

硬地层用钻头牙轮钻头（RollerBit)451.金刚石钻头的结构

金刚石钻头为无活动部件的整体式钻头。由钢体、胎体（冠部和保径部分）、水眼及水槽、金刚石切削刃等部分组成。三、金刚石钻头462.金刚石钻头的正确使用

1.适用于硬、研磨性地层，涡轮钻井，深井钻井，

取心作业。寿命长，进尺高。2.钻头下井前，井底打捞干净，确保没有金属落物。3.先用小钻压、低转速跑合，然后用合适钻压和高转速钻进。4.采用低钻压（30-50kN）、高转速、大排量钻进。47

四、PDC钻头

胎体PDC钻头钢体PDC钻头两类PDC切削元件481.PDC钻头的结构特点

聚晶金刚石复合片（PDC）

PDC既具有金刚石的硬度和耐磨性。弱点是热稳定性差，350℃以上加速磨损。抗冲击能力较差。热稳定聚晶金刚石复合片（TSP）

TSP的制造工艺有别于PDC，热稳定性、耐磨性和抗冲击能力都高于PDC。Φ13.4，Φ191)切削元件49 2)切削齿布置刮刀式布齿方式：特点是整体强度高、抗冲击能力强、易于清洗和冷却、排屑好、抗泥包能力强。适用于粘性或软地层。单齿式布齿方式：布齿区域大、布齿密度高，可以提高钻头的使用寿命，但水力清洗能力低，容易在粘性地层泥包。适用于硬地层。组合式切削齿的布置，具有较好的清洗、冷却和排屑能力，布齿密度较高。这种布齿方式的钻头多用于中等硬度地层。布齿原则：

等切削体积—— 等磨损—— 等功率——502.PDC钻头破岩机理

PDC钻头主要以切削方式破碎岩石。切削刃在钻压作用下吃入地层，刃前岩石在旋转力作用下发生剪切破坏。切削塑性岩石和脆性岩石的过程类似于刮刀钻头。由于多个切削齿同时工作，井底岩石自由面多，因此破岩效率高。金刚石切削刃耐磨性高，钻头寿命长，单只钻头进尺高。513.PDC钻头的正确使用PDC钻头适用于软到中硬的大段均质地层，不适合钻软硬交错地层和砾石层。2.与牙轮钻头相比，PDC钻头宜采用低钻压、高转速钻进。3.钻头下井前，井底要清洁，无金属落物。新钻头钻进时，先用小钻压和低转速磨合井底。4.PDC钻头属于整体式钻头，无任何活动部件，适合高转速的涡轮钻井。521.钻柱的组成

钻柱是钻头以上，水龙头以下部分的钢管柱的总称.它包括方钻杆、钻杆、钻挺、各种接头及稳定器等井下工具。一、钻柱的组成与功用第三节钻柱532.钻柱的功用(1)提供钻井液流动通道；(2)给钻头提供钻压；(3)传递扭矩；(4)起下钻头；(5)计量井深。(6)观察和了解井下情况（钻头工作情况、井眼状况、地层情况）；(7)进行其它特殊作业（取芯、挤水泥、打捞等）；(8)钻杆测试(Drill-StemTesting),又称中途测试。54

3.钻杆

（1）作用：传递扭矩和输送钻井液，延长钻柱。

（2）结构：管体+接头

常用的加厚形式有内加厚(a)、外加厚(b)、内外加厚(c)三种.(a)(b)(c)55

（3）规范：

壁厚：9～11mm外径：

长度：

根据美国石油学会(AmericanPetroleumInstitute,简称API)的规定，钻杆按长度分为三类：

第一类5.486～6.706米(18～22英尺)；第二类8.230～9.144米(27～30英尺);第三类11.582～13.716米(38～45英尺)。

常用钻杆规范（内径、外径、壁厚、线密度等）见表2-1256（4）钢级与强度

（5）接头及丝扣丝扣连接条件：尺寸相等，丝扣类型相同，公母扣相匹配。

钻杆接头特点：壁厚较大，外径较大，强度较高。钻杆接头类型：内平（IF）、贯眼（FH）、正规（REG）；NC系列57

内平式：主要用于外加厚钻杆。特点是钻杆通体内径相同，钻井液流动阻力小；但外径较大，容易磨损。贯眼式：主要用于内加厚钻杆。其特点是钻杆有两个内径，钻井液流动阻力大于内平式，但其外径小于内平式。正规式：主要用于内加厚钻杆及钻头、打捞工具。其特点是接头内径加厚处内径管体内径，钻井液流动阻力大，但外径最小，强度较大。

三种类型接头均采用V型螺纹，但扣型、扣距、锥度及尺寸等都有很大的差别。58NC型系列接头

NC23，NC26，NC31，NC35，NC38，NC40，NC44，NC46，NC50，NC56，NC61，NC70，NC77

NC—NationalCoarseThread，（美国）国家标准粗牙螺纹。

xx—表示基面丝扣节圆直径，用英寸表示的前两位数字乘以10。