第一章钻井工艺技术

《钻井机械》共36学时华北油田培训班讲课教师：高学仕工作单位：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；采油机械装备。教材：《石油钻采机械概论》35元；本课程用电子文档形式讲课，听课笔记注意只记标题、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：高合金钢，【含C，Mn，Mo，Cr，Ni，Cu，P，S，Si（硅）。】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，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（）。【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。2/英寸千磅2/英寸磅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（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（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。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，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）和盐岩层，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、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(硫化氢氢脆、电化学腐蚀、环氧霉菌腐蚀)。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.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）抗外挤强度计算看管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（井深）。Lpm8.9pm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。1c2c3c1c2c3c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。2c3c1c2c3c1c2c3c07.9,中原↑1-2（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。iAiqTiLTi1T11TLq2T22TLq3T33TLq2T3T（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，目前分四～五段为宜。07.9,华北↑1-2五、下套管固井↑1-2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，上塞下部注水泥。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—涡轮钻具和螺杆钻具。（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。】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—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、钻井新技术↑1-1（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。采用喷射式钻头，钻井液通过具有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石油工业的前沿研究课题。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。①射流喷速高，100～150m/s；②泵压高，20～35MPa；③喷射钻头压力降和水功率高。07.9,中原↑2-23.喷射钻井工作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）①循环功率消耗（循环管路上NC）②过钻头喷嘴压降（形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。通过压能与动能进行能量交换。入口出口压降压能喷速动能进出口压差喷嘴水马力冲击力井底（2）射流①定义：微孔喷出流体并非重力作用，而传播的现象称射流。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。②有气、液射流③流态：层流（雷诺数小为层流）、紊流。（3）射流结构射流成喇叭形（速度递减）。分三个区：（以喷嘴向外开始）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。221mv20)(21vQNjQQ0v20vNj结论：冲击力：为单位时间内动量