钻井工艺技术

《石油钻采机械概论》

2009~2010-2

讲课教师：李增亮

工作单位：机电工程学院机电系

联系方式：

2010年2月

引言

“石油钻采机械”包括石油钻井机械装备和采油机械装备两方面的内容，简称石油钻采机械。众所周知，石油钻采机械装备是石油钻井工程和采油工程的载体，离开了石油钻采机械装备，石油钻井和采油工程就成了无源之水，无本之木。

因此，石油工程和海工的同学充分了解石油钻采机械装备的相关知识，对你今后的学习和工作将具有

极大的帮助。

本课主讲内容：以钻井机械为主，采油机械为辅。

教材：《石油钻采机械概论》35元；参考书：《采油机械设计计算》考试：开卷或闭卷，侧重概念性、知识性内容，涉及面广。考试以课堂讲的内容为准，因此平时注意听课，课后认真复习总结，最终以平时和考试两部分成绩综合作为结课成绩。

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形成井筒所用的钢管。1.套管材料：高强度合金钢【含C，Mn，Mo，Cr，Ni，Cu，P，S，Si。】2.钢级：【API标准套管（API5CT美国石油学会标准）】

按强度高低分为不同钢级套管，目前常见的有10级：H-40，J-55，K-55，C-75，N-80，L-80，C-95，P-105，P-110，C-125等。其中最常用的为红字表示的4级。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（）。

【1PSi（）=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.套管螺纹连接（1）三角螺纹连接承载面：齿侧角30°斜面，产生较大径向分力。连接强度：只有管体强度的60~75%。密封方式：齿间干涉及丝扣油的堵塞实现密封，密封性差。

（2）梯形螺纹连接承载面：3°斜面，导向面：10°斜面，增强了齿形，减少了径向力。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塞实现密封，密封性差。（3）套管接头螺纹受力分布规律近似于开口向上的抛物线，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。一口井中最大尺寸的套管（深20~40m）。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（深30～100m）。3.技术套管：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（生产套管）：最后一层套管，形成井筒，使油气入内。内放油管。且只有油层套管是满井身长度。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。（归纳起来有5～6种载荷）1.

外挤压力（1）地层对套管施加的静水压力（均匀外压）。（2）管外泥浆和水泥浆液柱压力；（3）地层中的油、气、水压力；（4）地层侧压力（不均匀侧压）。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，外挤压力以上附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。

注水和注热蒸汽时，受内压（从套管内注入）。3.拉力载荷

主要由套管自重引起。另外：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、腐蚀应力井筒温度分布不均和硫化氢氢脆、电化学腐蚀、环氧霉菌腐蚀造成。

四、套管设计1.

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.设计方法－－等安全系数法

普遍用等安全系数法设计套管柱。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。（具有的强度能力/实际承担载荷）（1）抗外挤强度计算看管柱能承受多大外挤压力。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（即泥浆柱高度），m。具有抗挤强度的套管可下到Hc1深；

可下到Hc2

可下到Hc3以<<为前提。从套管可下深的合理性分析：对而言，下0～Hc2深，不合理；对而言，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）。分段越多从抗挤强度的合理利用来说越合理。原则：低抗挤能力的管放在管柱上段。

（2）抗拉强度计算设—某段上部危险断面；

—套管在泥浆中线密度；

—该段长度

—许用抗拉强度；具有抗拉强度的套管，可悬挂长度LT1。即：本段上部套管断面A1,可承担管柱重；具有的套管可悬挂LT2长，管重（）；的套管可悬挂LT3长，管重（）。原则：低抗拉强度套管放在管柱下段。用同一管柱下井，不合理，需分段。实际分段后以本段上部抗拉强度为准，本段下部强度未充分利用。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）校核计算抗挤强度：从井口到井底逐段计算，下部抗挤强度最大。计算抗拉强度：从井底到井口逐段计算，上部抗拉强度最大。可采用二者分别计算的方法。目前用法：先用抗挤计算设计各段，再用抗拉强度校核。分段：不同强度段，越多越经济，受套管品种限制，目前一般分3～5段为宜。

例，井深3000m。泥浆密度，要求设计127mm（5”）

油层套管的强度，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）

=2168m②选：N-80,

许用抗挤压力：

可下深：=2832m③选：N-80,

许用抗挤压力：

可下深：=4100m按抗挤计算结果：由上到下(II-2)

{I-2}{III-2}J-55,下深2168m（满足强度要求的下深）N-80,下长2832-2168=664m

(减去上部已下深，到2832m)N-80,

下长3000-2832=168m

(可下到4100m,井深只有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）

本段许用拉力（重力）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）本段管柱质量：17.9×664=11900（kg）

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

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

可悬挂长：只需下深：2168-1960=208m（井口段下深）

（3）设计结果将最上部一根管子用最小内径一种，以防止以后下井下工具外径太大，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入水泥浆封固，称为固井。

下完套管后注水泥。【普通井油层套管加固到油层100~200米以上，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★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（或木制塞）。（也承托回流阀中胶木球）。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（需几部）；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，用钻井液循环带出岩屑，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—螺杆钻具和涡轮钻具。（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。】

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、方钻杆组成的钻具）下入井底，准备钻进。②正常钻进—又称纯钻进。启动转盘（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。顶驱时，每次接入一立根（由2～3根单根组成）。

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（立根）→起钻→换钻头→下钻3．固井

套管与井壁的环空注入水泥浆封固，称为固井。

4．完井钻井的最后一道工序。主要用射孔完井法：用子弹射穿油层套管、水泥环和油层，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、平衡压力钻井(II-3)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。平衡钻井：保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①

降低岩石强度、岩屑的压持效应，提高钻速；②

可有效地保护地层，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始终保持平衡。4.

平衡钻井技术保证①

安井控设备，防止井涌、井喷；②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，在地面处理和控制。2.优点①利于发现低压储层；②避免对油层的损害；③减少清堵费用④提高钻速，降低钻井成本。3.适用于地层条件：①存在井漏（泥浆漏走）的油层；②液敏油层，【如对水基钻井液过敏的地层】；③

机械封堵引起的井壁堵塞的井；④

页岩水化引起的井壁堵塞；⑤

低渗透油层、硬地层；⑥

欠压或衰竭地层；⑦

大裂缝地层。4.

保持欠平衡钻井方法①

配注气设备：向井液中注空气或氮气，降低液柱静水头。②

配井控设备