钻井工程基础知识

第一节钻井工程钻井分直井和定向井。定向井可分为：普通定向井、大斜度井、丛式井、多底井、斜直井、水平井等。普通定向井：在一个井场内仅有一口最大井斜角小于60°的定向井。大斜度井：在一个井场内仅有一口最大井斜角在60°～86°范围内的定向井。丛式井：在一个井场内有计划地钻出的两口或两口以上的定向井组，其中可含一口直井。多底井：一个井口下面有两个或两个以上井底的定向井。斜直井:用倾斜钻机或倾斜井架完成的，自井口开始井眼轨道一直是一段斜直井段的定向井。动画3-1一、钻井过程1、准备工作定井位：地质师根据地质上或生产上的需要确定井身轴线或井底的位置。修公路：主要保障能通行重车，有的满载车总重可达39～40吨或更多。平井场：在井口周围平整出一块场地以供施工之用。井场面积因钻机而异，大型钻机约需120×90m2，中型钻机可为100×60m2。打基础：为了保证施工过程中各设备不因下陷不均匀而歪斜，要打基础。小些的基础用预制件，大的基础则在现场用混凝土浇灌。安装：立井架，安装钻井设备。2、钻进当前世界各地普遍使用的打井方法是旋转钻井法，此法始于1900年。钻进：钻进直接破碎岩石的工具叫钻头。钻进时用足够的压力把钻头压到井底岩石上，使钻头的刃部吃入岩石中。钻头上边接钻柱，用钻柱带动钻头旋转以破碎并底岩石广井就会逐渐加深。加到钻头上的压力叫钻压，是靠钻柱在洗井液中的重量(即减去浮力后的重量)的一部分产生的。钻柱把地面的动力传给钻头，所以，钻柱是从地面一直延伸到井底的，井有多深，钻柱就有多长。随着井的加深，钻柱重量将逐渐加大，以致于将超过钻压的需要。过大的钻压将会引起钻头、钻柱、设备的损坏，所以必需将大于钻压的那部分钻柱重量吊悬起来，不使作用到钻头上。钻柱在洗井液中的重量称为悬重，大于钻压需要而吊悬起来的那部分重量称为钻重。亦即钻压=悬重一钻重。井加深的快慢，即钻进的速度，用机械钻速或钻时表示。机械钻速是每小时破碎井底岩石的米数，即每小时进尺数。钻时是每进尺1m所需时间，以分钟表示。此二者互成倒数。洗井：井底岩石被钻头破碎以后形成小的碎块，称为岩屑。岩屑积多了会妨碍钻头钻切新的井底，引起机械钻速下降。所以必需在岩屑形成以后及时地把它们从井底上清除掉，并携出地面，这就是洗井。洗井用洗井液进行。洗井液可以是水、油等液体或空气、天然气等气体。当前用得最多的是水基泥浆，即粘土分散于水中所形成的悬浮液。也有人称洗井液为钻井液，但多数人则把各种洗井液统称之为泥浆。钻柱是中空的管柱，把洗井液经钻柱内孔柱入井中，从钻头水眼中流出而冲向井底，将岩屑冲离井底，岩屑随同洗井液一同进入井眼与钻柱之间的环形空间，向地面返升，一直返出地面，见图3-1。岩屑在地面上从洗井液中分离出来井被清除掉，不含岩屑的洗井液再度被注入井内，重复使用。洗井液为气体时则不再回收。图3-1泥浆循环示意图在钻进时，洗井是与破碎岩石同时迸行的。为了维持洗井液不间断地循环，就需用泵连续灌注。液体在流经管路时是要损耗能量的，即要克服流动阻力而损耗洗井液所具有的压力。因此，泵的出口压力要较高。接单根：在钻进过程中井不断加深，钻柱也要及时接长，每次接入一根钻杆，叫做接单根。打一口井要接很多次单很。起下钻：为了更换磨损了的钻头，需将全部钻柱从井中起出，换了新钻头以后再重新下入井中，叫起钻或下钻。一口井要用很多只钻头才能钻成，所以起下钻的次数是很多的。为了提高效率，节省时间，起下钻时不是以单根钻杆为单位进行接卸，而是以二或三根钻杆为一接卸单位，称为立根。立根长度一般为24-25m。为了配合这么长的立根，井架高度一般应为41m左右。固井：一口井在形成时，要穿过各种性质不同的地层，有的地层岩石坚硬，井眼形成以后可以维持较长时间而不致坍塌，有的地层则很松软、破碎，形成的井壁不稳定，井壁上的岩石极易坍塌落入井内，有的地层内含有高压油，气，水等流体，有的地层则压力很低，易使洗井液漏失，有的地层含有某些盐类，会使洗井液性能变坏。尽管地层复杂多变，还是得设法将这些地层钻穿，否则无法继续向下钻进。当这些地层被钻穿以后，上述的各种复杂情况有的可能消失，对以后的钻井工作不再造成危害。而有的则继续给钻井工作造成麻烦，也许会形成隐患。为了保护已钻成的井眼和使以后的钻井工作顺利进行，或为生产造成通路，应当在适当的时候对井眼进行加固，称为固井。固井的方法是将称做套管的薄壁无缝钢管下入井中，井在井眼与套管之间灌注水泥浆以固定套管，封闭住某些地层。这就是下套管，注水泥作业。一口井从开始到完成，常需下入多层套管井注水泥，即需进行数次固井作业。事故处理：如物件落入井内需进行打捞，钻杆断在井内也要打捞，钻柱被卡在井内则要设法解卡。除落物外，引起井内复杂情况而需处理的原因多系洗井液性能不合要求所造成的。二、钻井设备常用钻具包括钻头、钻挺、稳定器、减振器、震击器、加重钻杆、钻杆、方钻杆、井底马达和连续导向动力钻具组合等。1、钻头（DrillBit）钻头是钻井时直接破碎岩石的工具。它的结构特点，制造工艺及选用是否得当对提高钻井速度，降低钻井成本很重要。近十多年来，随着钻井技术的提高，冶金和机械制造工艺的改进，钻头的设计、制造和使用都有了很大的改善，使各类钻头的技术经济指标有了很大的提高。目前石油钻井常用的钻头(不包括地质钻探、矿产采掘等工业所用钻头)，按其破碎岩石的作用原理分类，可分为切削型(刮刀钻头)，冲击压碎剪切型(牙轮钻头)和研磨型(金刚石钻头)三类（图3-2）。图3-2钻头类型介绍图图3-3刮刀、牙轮、取心、金刚石钻头图片2、钻杆（Drillpipe）用于将破碎岩石的扭矩从地面传递给钻头，并形成洗井液循环的通路。钻杆用薄壁无缝钢俐管制成，每根长8-12m。为了适应不同使用条件的要求，钻杆采用不同的钢级生产出不同直径、不同壁厚的多种规格（均为API标准）以供选用。钻杆由厚壁高强度钢管制成。两端的接头比本体粗。一端为公扣，一端为母扣。其管体外径为73mm～168mm，壁厚8.38mm～11.40mm，内径为33mm～126mm。在钻头与方钻杆之间。作用是：l）将钻头送入井底，起下井内钻具；2）输送高压钻井液；3）传递扭矩；4）控制钻压。三方、四方或六方空心钢管称方钻杆（Kelly），上接水龙头，下接钻杆，作用是将钻盘扭矩传递给钻柱。API钻杆规范见表2-20。表3-1API钻杆规范外径mm（英寸）内径mm壁厚mm线密度kg/m114.3（41/2）100.536.8824.597.188.5624.795.359.4726.992.4610.9229.8127(5)111.967.5224.2108.619.1929.0图3-4钻杆（左图方钻杆；钻井现场的钻杆）2、钻铤（DrillCollar）钻挺由厚壁高强度钢管制成，两端有接头。一端为公扣，一端为母扣。通体外径相等，内径相等；其外径在79mm～355mm的范围内；内径为31mm～76mm。位置在钻柱下部、钻头之上。其作用是：1.提供钻压；2.传递运动力和力矩；3.控制井眼轨道；4.传递泥浆。表3-2为API钻铤规范表。表3-2API钻铤规范外径mm（英寸）内径mm壁厚mm线密度kg/m146.1（53/4）57.1544.46111.2152.4（6）57.1547.6122.7158.8（61/4）57.1550.8135.1177.8（7）71.4453.2163.2203.2（8）71.4465.9223.9228.6（9）71.4478.6290.2254（10）76.288.9361.6279.4（11）76.2101.6444.93、加厚钻杆普通钻杆的壁厚约8-12mm,钻艇壁厚约45-100mm,两者直接相接，刚度差别太大，对钻杆不利。应当在两音之间接上加厚钻杆18～21根，使刚度不突然变化。加厚钻杆实际上是一种特殊的厚壁钻杆,壁厚为22-25mm，。由于壁较厚，所以单位长度重量为普通钻杆的2.4倍以上。这种钻杆通常接在钻铤和普通钻杆之间。其作用：1)钻挺不足时可给钻头提供钻压；2)由于壁厚大，具有较高抗张、抗弯曲强度，可以有效地防止和减少钻具事故。结构同于普通钻杆。加厚钻杆规范见表3-3。表3-3加厚钻杆规范外径mm（英寸）内径mm壁厚mm线密度kg/m114.3（41/2）69.922.259.4127(5)76.225.472.24、配合接头钻杆与钻镇有多种不同的外径，它们的接头丝扣也就具有不同的节圆直径，锥度与螺距也可能不同。即使是外径相同的钻杆，也由于加厚方式的不同或其他原因，其接头丝扣的尺寸也不尽相同。钻柱配合有多种不同的组合，相互连接处的接头丝扣尺寸可能是不一样的，这就无法相互连接。解决的办法就是用配合接头，它两端的丝扣各与拟连接的丝扣同尺寸。5、保护接头方钻杆下端接头丝扣处由于起下钻，接单根等作业接卸频繁而容易磨损。磨损后不易修复。水龙头中心曾下端也有这问题。这些丝扣需要加以保护以延长其使用寿命。采用的办法是在该处再加用一个接头，使经常接卸处移到这个新加的接头上就行了，如果损坏，换个接头还是简单易行的。这个接头就叫保护接头。6、吊卡、卡瓦、吊钳、提升短接、安全卡瓦钻井起下钻时常用到吊卡、卡瓦、吊钳（Tong）、提升短接、安全卡瓦设备（图3-5~图3-10）。安全卡瓦（Safetyclamp）在钻铤上无接头台肩，用普通卡瓦卡紧在转盘上时可能滑落井中。因此，在卸下吊卡前要卡上安全卡瓦，扣上吊卡以后再去掉。利用尖劈原理将钻杆、钻铤卡紧在转盘孔斜面上，以悬持钻杆柱重量，以进行起、下管柱的作业。图3-5吊卡与卡瓦1－钻杆；2－吊环；3－吊卡；4－卡瓦；5－转盘图3-6液压大钳图片（HydraulicTong）图3-7钻杆吊卡图片（Elevatorsforhangingdrillrod）图3-8套管吊卡（Elevatorsforhangingcasings）图3-9钻具卡瓦图3-10钻具安卡7、打捞工具：公锥（PinTap）、母锥（HenTap）、打捞筒、打捞蓝（FishingBasket）、打捞矛、磁力打捞器（Fishingmagnet）、磨鞋（Mill）。（图3-11～3-14）。图3-11打捞工具－铣鞋和倒扣接头图3-12打捞工具－引子磨鞋和母锥图3-13打捞工具－公锥、磨鞋捞杯和平底磨鞋图3-14打捞工具－套子磨鞋、引子磨鞋和母锥8、稳定器（Stabilizer）：一端有母扣、一端有公扣的高强度钢管（图3-15）。两端设有接头，中间有加粗钢筋。位置在钻铤及钻杆中间。作用是控制井眼轨道。是满眼（保持原井眼轴线钻进）、钟摆和增稳降斜钻具组合中的必需部件。一般扶正器用3个，放置在钻头以上1.3m,7.6m,19m左右处。扶正器的外径应等于钻头外径。应及时更换掉直径已磨小了的扶正器。通常有直棱和螺旋两种类型。图3-15可换套螺旋稳定器；滚轮稳定器；组合稳定器9、减震器（Bumper）：是一段轴向弹性较好的钻挺（图3-16）。利用工具内部的减震元件或可压缩液体吸收或减小钻井过程中对钻头和钻具的冲击和振动负荷，保护钻头牙齿、轴承和钻具，延长钻头寿命和减少钻具刺漏的一种钻井工具。位置在钻铤中间。图3-16减震器10、震击器（Jar）：是钻往的一个短节（图3-17）。当轴向拉力或压力达到一定的数值时，产生一个剧烈的轴向振动，以解除卡钻。位置在钻铤中间。图3-17减震器，震击器11、井下动力装置（DownholeMotor）所谓井下动力钻具，是指用循环钻井液作动力驱动工具芯轴带动钻头旋转钻井的钻具。井下动力钻具的共同特点是，钻井时钻柱不旋转。利用这一特点，在定向井斜钻进中，可以使井身沿一定方向倾斜钻进至预定目标。井下动力装置有三种：螺杆钻具（液压驱动、螺杆转子、定子）、涡轮钻具（液压驱动、涡轮、叶轮）和电动钻具（电动机驱动）。图3-18为螺杆图片。图3-18螺杆图片防喷设备：钻井过程中存在井内压力平衡问题。泥浆漏失、溢流都可能使压力平衡被破坏，为了防止井场发生井喷事故(动画3-2)，必须安装防喷设备，主要包括多效能防喷器、闸板防喷器、旋转防喷器。多效能防喷器装在最上部。发生溢