第1章钻井工艺技术简介

第一部分钻井机械设备第一章钻井工艺技术第二章石油钻机概论第三章我国常用钻机第四章旋转系统系统第五章起升系统工作原理与设备第六章循环系统设备第一章钻井工艺技术钻井方法及设备钻井工艺过程井身结构钻井事故及处理第一节钻井方法及设备钻井工艺任务破碎岩层取出岩屑形成油流通道钻井方法顿钻旋转钻井转盘钻井顶部驱动钻井井下动力钻具其它钻井方法冲蚀（射流）熔化气化（激光钻井）化学反应（酸化）空气钻井一、顿钻钻井法过程破岩——用顿钻钻头，上下冲击。排屑——用捞砂筒。特点：破岩和排屑交替进行，钻进过程不连续，效率低，速度慢，设备简单，适于浅井，农用水井。二、旋转钻井法形式:地面动力：钻具旋转，带动钻头旋转，破碎岩石井下动力：钻具不旋转，井下马达带动钻头旋转，破碎岩石过程：破岩—用旋转钻头排屑—用循环钻井液三、钻井设备概述钻机起升系统旋转系统循环系统动力系统传动系统监控系统钻机底座辅助系统钻具方钻杆钻杆钻杆接头钻铤钻头井口工具吊卡卡瓦猫头液压大钳铁钻工第二节钻井工艺过程1．钻前准备定井位平井场打基础备器材塔形井架，在搬迁钻井设备之前由专业安装队完成安装：打摆基础、安装底座、主体和附件A型井架和前开口井架，与钻井设备一同运到现场，由钻井队安装：安装底座、绞车就位、对接井架主体和天车、安装附件、照明电路和灯具、穿大绳、起井架2、钻井作业全井钻进过程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。操作流程准备：班前会，全面检查首次钻进：方钻杆接钻头，提大方瓦，下放；放回大方瓦、方补心；开泵；启动转盘；同时吊钻铤入小鼠洞；钻完方钻杆，上提接近转盘，提出大方瓦，卸钻头，接钻铤接钻头；继续钻进正常钻进—又称纯钻进。开泵循环泥浆：冲洗，携岩，保护井壁，冷却钻具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循环工作：下钻→正常钻进→接单根（立根）→起钻→换钻头→下钻接单根从小鼠洞接单根录像起钻录像液压大钳吊钳卡瓦拉钳绳下钻作业（用吊钳紧扣）液压大钳上扣录像接单根：每次接入一根钻杆，称为接单根。不断钻进，加长钻柱。顶驱时，每次接入一立根（由2～3根单根组成）。操作：距井底2～3米开泵；启动转盘；下放，小钻压修井底；正常参数钻进；提钻杆放至小鼠洞；钻完方钻杆，上提，停泵，坐卡瓦；卸方钻杆，联钻杆并与井口钻杆对接；开泵、下放、启动转盘钻进起钻：换钻头时，取出钻柱，称起钻作业。以立根为单位起卸。具体操作：循环钻井液一周，停泵；提出方钻杆坐卡；卸扣并与水龙头放入大鼠洞；与大钩脱开；挂吊卡；上提，坐卡、卸扣、排立根；摘吊卡，下放卸下空吊卡；吊环挂井口负荷吊卡，上提，新循环。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。操作：挂吊卡；上提至二层台；立根扣吊卡；钻工送至井口，安钻头或钻具；提起下放换钻头：起钻结束，卸下旧钻头，换上新钻头。下表层套管，固井：完钻后清理钻台；换套管钳；检查套管吊卡；小绞车提套管至坡道；安装吊卡；提至钻台；安装套管鞋等下部结构；提出转盘方瓦下套管；提第二根套管与第一根联接直至井深；接顶节、水泥头、管汇；注钻井液，替入水泥浆下套管3．固井套管与井壁的环空注入水泥浆封固，称为固井。操作：下套管、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，以防止热应力膨胀举升井口固井现场套管下部结构套管柱下部结构引鞋：在管柱最下端，锥形。防止套管下端插入井壁。采用易钻材料。套管鞋：在引鞋上部，一厚壁短节。内下部有锥面，起钻时，减轻钻头、钻杆接头与套管底部碰撞回压阀：套管引鞋之上，防止水泥浆回流井内。阻流环（承托环）：承托下胶塞（或木制塞）和回压阀中胶木球。扶正器：弹簧钢片做成，防止套管偏斜。泥饼刷：刮去井壁泥饼，提高水泥胶结强度。注水泥设备材料注水泥设备：水泥车、车装高压泵（需几部）、灰罐车、混合漏斗。水泥：固井用水泥为硅酸盐水泥，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。凝速快，有较高早期强度。耐地下腐蚀，射孔时不开裂。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）。井身结构注水泥工艺流程（a）循环钻井液（b）注隔离液和水泥浆（c）替浆（d）替浆（e）碰压1—压力表2—上胶塞3—下胶塞4—钻井液5—浮箍6—引鞋7—水泥浆8—隔离液9—钻井液注水泥流程下套管循环钻井液，清洗井壁；注隔离液下放下胶塞，注水泥；注完水泥，下放上胶塞，钻井液替水泥浆；替浆到上、下胶塞相碰结束。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，提醒操作人员：注水泥完成。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。录像4．完井完井：又叫井底完成，油层与油井连通起来的方法。钻井的最后一道工序。过程：从钻开油层开始，到下油层套管注水泥固井、射孔、下生产管柱、排液，直至投产。完井要求最佳的连通条件，油层所受的损害小尽可能大的渗流面积，油气流入井筒阻力最小有效地封隔油、气、水层，防止气窜或水窜，防止层间的相互干扰能有效地防止油层出砂，防止井壁坍塌，确保油井长期生产便于人工举升和井下作业等条件工艺过程简便、先进、安全可靠，成本低。完井方法裸眼完井射孔完井衬管完井砾石填充完井第三节井身结构概念：下不同层次的套管固结井壁就构成了井身结构。一、井身结构组成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（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。只有油层套管是满井身长度。二、套管概述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、制造方法：热轧：无缝钢管套管，上海宝钢焊接：钢板卷筒直焊缝，宝鸡钢管厂3、套管尺寸规格：均用外径表示：41/2、5、51/2、65/8、7、75/8、73/4、85/8、95/8、103/4、113/4、133/8、16、185/8、20。石油套管生产直径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（用钢板卷成管子，接缝焊接。）4、钢级API标准套管（API5CT美国石油学会标准）按强度高低分为10级：H40，J55，K55，M65，C75，N80，L80，C90，C95，T95，P105，P110，C125，Q125等。其中最常用的为红字表示的4级。（HJKN，CLMT，P，Q）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，kpsi（千磅/英寸2）。1psi（磅/英寸2）=6.89kPa=0.00689MPa例：N80，最小屈服极限550MPa5.套管螺纹功能：联接或紧固，传递载荷，密封种类：圆螺纹：牙形为三角形偏梯形螺纹：牙形为偏梯形密封螺纹：用于密封连接，主要是管用螺纹、锥螺纹与锥管螺纹圆螺纹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。偏梯形螺纹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。密封螺纹VAM及VAM扣基础上发展NEWVAM，VAM-top螺纹：瓦鲁瑞克和曼内斯曼公司开发，应用广NS-CC螺纹：日本新日铁开发的Fox螺纹：日本川崎制铁和英国Hunting公司共同开发TM螺纹：日本住友金属SEC螺纹：阿根廷Siderca公司设计生产TP-CQ螺纹：天钢开发BGT螺纹：宝钢WSP螺纹：无锡西姆莱斯HSM螺纹：衡钢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。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。外挤压力内压力拉力载荷击震载荷热应力腐蚀应力1.外挤压力来源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（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，外挤压力以上部岩层压力为计算依据。2.内压力内压力的产生正常钻井，泥浆压力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）。内压力的计算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。3.拉力载荷主要由套管自重引起。影响因素泥浆浮力注水泥流动阻力；下套遇卡阻力；下套遇卡提力；下套刹车动载等。4.击震载荷完井时，射孔固井后射孔后使油流入井筒5.热应力、腐蚀应力井筒温度分布不均硫化氢氢脆电化学腐蚀环氧霉菌腐蚀四、套管设计设计内容决定下套管层数。（根据地质情况）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。设计原则和方法安全系数：具有的强度能力/实际承担载荷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。设计原则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设计方法：等安全系数法。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。（1）抗外挤强度计算原则：低抗挤能力的管放在管柱上段各段底端安全系数近似相等理论上，分段越多从抗挤强度的合理利用来说越合理。举例假设：3种管材，抗挤强度c1c2c3按照抗挤强度c1套管可下到Hc1c2套管可下到Hc2c3套管可下到Hc3实际方案：c1的套管下0～Hc1深；c2的套管下Hc1～Hc2深；c3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（2）抗拉强度计算原则：低抗拉强度套管放在管柱下段各段顶端安全系数近似相等理论上，分段越多，从抗挤强度的合理利用来说越合理。悬挂长度具有Ti抗拉强度的套管，可悬挂长度LTi式中Ai—某段上部危险断面qi—套管在泥浆中线密度LTi—该段长度Ti—许用抗拉强度n—安全系数iTiiTinqALT1套管断面A1，可悬挂长度LT1，承担管柱重q1LT1；T2套管断面A2，可悬挂长度LT2，承担管柱重q2LT2；T3套管断面A3，可悬挂长度LT3，承担管柱重q3LT3。用同一管柱下井，不合理，需分段。iTiiTinqAL实际分段后，原来单一的套管柱由多段串接而成高强度大尺寸套管在上，低强度小尺寸在下各段上部抗拉强度近似相等（3）校核计算抗挤强度：逐段计算，每段下部应力最大。计算抗拉强度：逐段计算，每段上部应力最大。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4～5段为宜。套管设计样例例，井深3000m，打井泥浆密度，设计外径127mm（5”）油层套管柱，水泥返高500m（略）。抗挤安全系数