钻井方法及工艺

第六章油气钻井方法及工艺利用一定的工具和技术在地层中钻出一个较大孔眼的过程。第一节钻井方法为了在地下岩层中钻出所要求的孔眼而采用的钻孔方法。人工掘井人力冲击钻井法顿钻钻井法旋转钻井法连续管钻井法目前普遍使用钻井钻井方法钻井方法分类一、顿钻钻井法1.工艺过程钢丝绳提升钻头冲击井底，击碎岩石岩屑、泥土混合成泥水浆提出钻头捞出井内的泥水浆暴露新井底下放下捞砂筒向井内注水积累到一定量设计井深图6－1顿钻钻井示意图2.特点起、下钻费时少，设备简单(1)破碎岩石，取出岩屑的作业都是不连续的；优点：缺点：(2)钻头功率小，破岩效率低，钻井速度慢；(3)不能进行井内压力控制；(4)只适用于钻直井。二、旋转钻井法转盘旋转钻井法井底动力钻具旋转钻井法1.转盘旋转钻井法(1)工艺过程钻头吃入地层破碎岩石清洗井底循环洗井液转盘旋转钻柱加压设计井深图6－2转盘旋转钻井法(2)特点目前这种方法在世界各国被广泛使用。①钻杆完成起下钻具、传递扭矩、为钻头施加钻压、提供洗井液的入井渠道等任务；②钻头在一定的钻压作用下旋转破岩，提高了破岩效率；③在破岩的同时，井底岩屑被清除出来；④提高了钻井速度和效益。钻头吃入地层破碎岩石清洗井底循环洗井液动力钻具旋转钻柱加压设计井深2.井底动力钻具旋转钻井法(1)工艺过程(2)分类涡轮钻具螺杆钻具电动钻具①转动钻头的动力由地面移到井下，直接接在钻头之上；②钻柱的功能只是给钻头施加一定的钻压、形成洗井液通路和承受井下动力钻具外壳的反扭矩；③井底动力钻具的动力是由电源或地面泥浆泵提供的、通过钻柱内孔传递到井下的具有一定动能和压力的洗井液流体或交流电。(3)特点三、连续管钻井法(柔杆钻井法)1.工艺过程钻头、加压装置、动力机下放至井底循环洗井液延伸井眼钻头旋转，破碎岩石为动力机提供动力清洗井底连续管图6－3连续管钻井示意图2.特点(5)具有巨大的发展潜力，目前正在发展、完善中。(1)连续管钻井实现了起、下钻的连续机械化，节省了时间和劳动量；(2)在起下钻时仍能保持洗井液的正常循环；(3)由洗井液直接提供破岩钻进的能量，大大提高了能量的有效利用率；(4)为全自动化控制提供了很好的条件；第二节钻井类型井的类型：由于钻井的目的、要求不同而产生的1.探井通过钻井而达到探明地质情况，获取地下地层油气资源分布及相应性质等方面资料的井地质浅井地质探井预探井详探井资料井为配合地面地质和地球物理工作，以了解区域地质构造，地层剖面和局部构造为目的的浅井以了解地层的时代、岩性、厚度、生储盖层组合，并为地球物理解释提供各种参数为目的而钻的井在地震详查和地质综合研究所确定的有利构造上以发现油气藏为目的所钻的探井在已发现油气的构造上，以探明含油气的面积和储量，了解油气层结构变化和产能为目的所钻的井为编制油气田开发方案，或在开发过程中为某些专题研究取得第一手资料数据而钻的井2.开发井以开发为目的，为了给已探明的地下油气提供通道，或为了采用各种措施使油气被开采出来所钻的井油气井注入井观察井为开发油气田，用大中型钻机所钻的采油、采气井，也叫生产井。为合理开发油气田，提高采收率及开发速度，用以对油气田进行注气、注水以补充和合理利用地层能量所钻的井。在已开发的油气田内，为了研究开发过程中地下情况的变化所钻的井。第三节钻井设备钻机：石油钻井的地面配套设备，由多种机器设备组成的一套大功率重型联合工作机组，可以满足完成钻进、接单根、起下钻、循环洗井、下套管、固井、完井及特殊作业和处理井下事故等要求。图6－4大庆I－130型钻机一、钻机的分类1.钻井深度大型钻机超重型钻机重型钻机中型钻机H5000m，W2500kNH＝1000～2500mW＝800～1600kNH＝3000～5000mW＝2000～2500kN轻便钻机H5000m，W800kN，89～140mm钻杆，井径160mm，深井H3000m，W300kN，42～89mm钻杆，井径150mm，勘探井、水井2.动力设备柴油机驱动钻机直流电驱动钻机交流电驱动钻机以柴油机为动力，通过机械传动或液力传动的钻机工作机用直流电动机驱动。通常用于海上钻井工作机用交流电动机驱动3.使用地区陆地钻机海洋钻机陆地（包括沙漠、沼泽等）使用的钻机自升式钻井平台、半潜式钻井平台、钻井船和钻井固定平台上的各种类型的钻机二、钻机的组成及功能1、起升系统(1)组成(2)功能②起下钻、接单根和钻进时的钻压控制。①下放、悬吊或起升钻柱、套管柱和其它井下设备进、出井眼；井架、天车、游动滑车、大绳、大钩及绞车水龙头、转盘2、旋转系统(1)组成(2)功能保证在洗井液高压循环的情况下给井下钻具提供足够的旋转扭矩和动力，以满足破岩钻进和井下其它要求保证在洗井液循环时钻柱能够旋转带动整个钻柱及钻头旋转的设备泥浆泵、泥浆净化装置(固相控制设备)和泥浆槽、罐等3、循环系统(1)组成(2)功能①从井底清除岩屑；②冷却钻头和润滑钻具。图6－5洗井液循环系统示意图动力机、传动部分4、驱动与传动系统(1)组成(2)功能产生动力，并把动力传递给泥浆泵、绞车和转盘。柴油机或电动机联轴器、离合器、变速箱、皮带传动及链条传动等装置5、气控系统控制面板(控制机构)、传输管线和阀门、执行机构以及压气机等。(1)组成：(2)功能：确保对整个钻机各个工作机构及其部件的准确、迅速控制，使整机协调一致的工作。6、井控系统(1)组成：防喷器组、钻井四通、节流管汇、压井管线以及液、气压控制机构组成。(2)功能：控制井内的压力，防止地层流体无控制地流入井中。钻井现场井架十大件天车游动滑车大钩水龙头转盘绞车泥浆泵柴油机传动装置第四节钻井工具井下钻具井口工具一、井下工具水龙头以下至钻头的管柱和工具的总称。主要包括钻头和钻柱。1、钻头直接破碎岩石形成井眼的工具。影响钻井速度最直接的因素之一用钻头的进尺除以纯钻进时间，即单位纯钻进时间的钻头进尺，表示钻头破碎岩石的能力和效率，单位为m／h。衡量钻头破岩效率高低的主要指标有钻头进尺和机械钻速。钻头寿命：在整个使用过程中，钻头在井下的纯钻进时间(包括划眼——在已钻出的井眼内旋转送钻、修整井壁的过程)，单位为h；钻头进尺：在钻头寿命内，其钻进的井段长度，单位为m；机械钻速：按照钻切岩石面积及形状的不同：钻头的分类全面钻进钻头取芯钻头特种钻头按照结构特点和破岩机理的不同：刮刀钻头牙轮钻头金刚石钻头(1)刮刀钻头图6－6刮刀钻头切削型钻头适用地层：松软地层工作原理：工作时其刀翼在钻压作用下吃入岩石，并在扭矩作用下剪切破碎岩石。破岩方式：以刮削、挤压和剪切为主的方式刀翼数刀冀底刃的形状两翼(鱼尾式)刮刀钻头三翼刮刀钻头四翼刮刀钻头阶梯式刮刀钻头平底式刮刀钻头最常用分类优点：缺点：机械钻速较高扭矩较大，控制不当易造成井斜刮刀钻头的寿命取决于刀翼的寿命(2)牙轮钻头图6－7牙轮钻头破岩形式：具有冲击、压碎和剪切等多种形式。适用地层：从软到坚硬的各种地层。组成：钻头体、水眼、巴掌、轴承和牙轮等。工作原理：牙轮钻头在钻压和钻柱旋转的作用下，牙齿压碎并吃入岩石，同时产生一定的滑动而剪切岩石。当牙轮在井底滚动时，牙轮上的牙齿依次冲击、压入地层，这个作用可以将井底岩石压碎一部分，同时靠牙轮滑动带来的剪切作用削掉牙齿间残留的另一部分岩石，使井底岩石全面破碎，井眼得以延伸。牙齿与井底接触面积小、比压高、工作扭矩小等特点多牙轮钻头牙轮数目分类单牙轮钻头双牙轮钻头三牙轮钻头最常用(3)金刚石钻头图6－9金刚石钻头图6－10PDC钻头磨铣型钻头金刚石作切削刃的钻头破岩形式：破磨和铣削。适用地层：坚硬地层。钻头体、切削齿、水眼、水槽等。组成：分类：金刚石的来源天然金刚石钻头人造金刚石钻头钻头的结构形状金刚石钻头金刚石刮刀钻头聚晶金刚石复合片钻头(PDC钻头)金刚石镶装特点表镶金刚石钻头孕镶金刚石钻头如用钻柱挤注水泥、中途测试、处理事故等。2．钻柱(1)定义钻柱是用各种接头将方钻杆、钻杆和钻铤等部件连接起来组成的入井管柱，通常指钻头以上的钻具。(2)功能①传递扭矩通过钻柱将地面动力机的能量传给钻头，使钻头旋转破碎井底岩石，加深井眼。②施加钻压依靠钻柱中钻铤部分在洗井液中的自重对钻头施加钻压，使钻头工作刃不断吃入地层，破碎岩石。③输送洗井液通过钻柱的中心孔腔将洗井液输送到钻头，由水眼喷射出，冲击到井底，携带岩屑后由环空返回地面。④延伸井眼在钻进中通过不断地增加钻柱长度(接单根)以达到延伸井眼的目的。通常井眼的深度用下入井内的钻柱长度测量。⑤起下钻头钻头在井下工作是靠钻柱连接并传递扭矩和压力的。起出已磨损的钻头和下入新钻头都必须由钻柱完成。另外，针对不同的目的，还可以起下其它井下工具。⑥特殊作业(3)组成①方钻杆位于钻柱的最上端，其上部与水龙头相接，下部与钻杆连接。传递扭矩和承受钻柱的全部重量。作用：断面为中空的正方形或六边形，壁厚比一般钻杆大三倍左右，而且由强度较大的优质合金钢制成。一般长度为13～16米，比一般钻杆长2米以上。性能：具有较高的抗拉强度和抗扭强度形状：图6－11国产方钻杆壁厚而粗大，一般是38～53mm，单位长度重量大，相当于同尺寸钻杆的4～6倍。以满足给钻头施加钻压、增强刚度的要求，在加压时可以减小弯曲，防止井斜和钻具折断。②钻杆与钻杆接头位于方钻杆与钻铤之间，是组成钻柱的基本部分，无缝圆钢管制成的。作用：传递扭矩与输送洗井液形状：壁厚比方钻杆和钻铤薄，壁厚一般为9～11mm，内径大，两端分别接上带粗扣的钻杆接头各一只(合称一副)，称为钻杆单根。一般将三根钻杆连接在一起做为一个单元，称之为立根(或立柱)。③钻铤作用：给钻头施加压力并保持自身处于不弯曲状态以防止井斜。形状：二、井口工具指在起下钻过程中井口所用的工具。主要有吊钳、吊卡、吊环、卡瓦、安全卡瓦、提升短节等。(1)吊钳指用手动卡紧机构来上、卸钻杆、钻铤丝扣和套管丝扣的专用工具。(2)吊卡和吊环吊卡用来卡住钻杆接头，提升钻柱或悬吊钻柱。吊环是悬挂在大钩上，用以悬挂吊卡的专用工具。第五节基本钻井工艺过程三个阶段：即钻前淮备、钻进以及固井与完井1．钻前准备修公路、平井场及打水泥基础、钻井设备的搬运和安排、井口准备（打导管和钻鼠洞）、备足钻井所需要的各种工具、器材等。2．钻进钻进是进行钻井生产取得进尺的唯一过程。其基本工艺过程有：①第一次开钻(一开)②第二次开钻(二开)③第三次开钻(三开)从地面钻出一个大井眼，然后下表层套管。用较小一些的钻头继续钻进，若遇到复杂地层，用洗井液难以控制时，便要下技术套管(中间套管)。再用小一些的钻头往下钻进，直到设计井深，下油层套管，进行固井、完井作业。每改变一次钻头尺寸，开始钻一新的井段的工艺叫开钻3、固井与完井固井即是在已钻成的井眼内下入套管，而后在套管与井眼间的环形空间内注入水泥浆，将套管和地层固结成一体的工艺过程。只有通过下套管、固井，才能防止井眼的坍塌，形成永久的油气通道，并防止地下各层流体的互窜，达到开采油气的目的。完井包括用特定的方法连通油、气层和井筒，替喷或抽汲等方法诱导油、气流进入井筒，然后进行油气生产。图6－15固井后井眼状况示意图（完）