钻井工程各工艺流程详细介绍

钻井知识及钻井技术讲座主要内容前言第一章油气井钻井方法及工艺第二章现代钻井技术发展概况第一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。钻井钻井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方法分类第一节钻井方法旋转钻井法图1－2转盘旋转钻井法分类转盘旋转钻井法井底动力钻具旋转钻井法旋转钻井示意图转盘旋转钻井法图1－4转盘旋转钻井法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转盘旋转钻井法图1－5转盘旋转钻井法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。井底动力钻具旋转钻井法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井底动力钻具旋转钻井法分类涡轮钻具螺杆钻具电动钻具上轴承定子和转子中心轴下轴承涡轮钻具旁通阀钻头转子主轴外壳方向轴定子螺杆钻具井底动力钻具旋转钻井法特点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。第二节钻井设备钻机：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1－10大庆I－130型钻机钻机的分类（钻井深度）大型钻机目前我油田有70DB、50DB、40DB、30DB钻机钻机的分类（钻井深度）大型钻机此外有ZJ50、ZJ40、ZJ32钻机钻机的分类（钻井深度）中型钻机目前我油田有20D、ZJ15D、20车载钻机钻机的分类（钻井深度）轻型钻机目前我油田有XJ550、XJ350、K61钻机钻机的分类（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。海上钻井普遍采用工作机用交流电动机驱动钻机的组成及功能1、起升系统2、旋转系统3、循环系统4、驱动与传动系统5、气控系统6、井控系统钻机的组成及功能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、大钩及绞车图1－11大庆I－130型钻机钻机的组成及功能水龙头、转盘2、旋转系统(1)组成带动整个钻柱及钻头旋转保证在洗井液循环时钻柱能够旋转钻机的组成及功能2、旋转系统(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。钻机的组成及功能泥浆泵、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。钻机的组成及功能3、循环示意图①②③⑥高架槽泥浆泵泥浆泵节流管汇井口振动筛循环罐钻机的组成及功能(1)泥浆泵3、循环系统设备(2)固控设备钻机的组成及功能3、循环系统洗井:清洗井底、运移岩屑出井的工艺过程。洗井液功能及类型:洗井液：在钻井过程中，能够完成洗井循环而达到清洗井眼目的的流体。包括泥浆、清水、空气和天然气。类型:水基体系、油基体系和空气一天然气体系用的最多用的最少固相颗粒悬浮在水或油中所形成的一种分散体系钻机的组成及功能3、循环系统(1)清洗井底携带岩屑(2)悬浮岩屑(3)阻止地层中油、气、水流入井内(4)保护井壁，防止井壁坍塌(5)冷却、润滑钻头和钻柱(6)向井底传递水功率(7)了解地层(8)减轻钻柱或套管拄的悬重洗井液功能钻机的组成及功能动力机、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钻机的组成及功能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。图1－15大庆I－130型钻机钻机的组成及功能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。图6－4大庆I－130型钻机钻机的组成及功能钻机的组成及功能钻机的组成及功能钻机的组成及功能井架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钻井现场“十大件”第三节钻井工具井下钻具井口工具一、井下钻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衡量钻头破岩效率高低的主要指标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。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：钻头的分类按照钻切岩石面积及形状的不同：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钻头的分类(刮刀钻头)(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钻头的分类(刮刀钻头)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图6－6刮刀钻头钻头的分类(牙轮钻头)(2)牙轮钻头组成：钻头体、水眼、巴掌、轴承和牙轮等。图1－7牙轮钻头钻头的分类(牙轮钻头)(2)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。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。钻头的分类(牙轮钻头)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钻头的分类(金刚石钻头)(3)金刚石钻头磨铣型钻头破岩形式：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：PDC钻头钻头的分类(金刚石钻头)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钻头的分类(取芯钻头)钻杆取芯钻头岩心岩心筒砂子钻头的分类(特种钻头)矛形钻头：在换小钻头之前用它打导眼，起找中和领眼作用。菱形钻头它的侧边和底部都具有刀刃，工作时都加焊硬质合金。主要用途是下套管前或钻进过程中遇泥饼太厚时进行划眼钻进。偏心钻头用于扩大井下部分井段的直径或用来拨井底落物使其居中，便于打捞。梯形钻头是当井眼直径由大变小时,用来找中的专门工具钻柱(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②施加钻压③输送洗井液④延伸井眼⑤起下钻头⑥特殊作业钻柱(方钻杆)①方钻杆传递扭矩和承受钻柱的全部重量。作用：性能：具有较高的抗拉强度和抗扭强度图1－17国产方钻杆形状：断面：中空的正方形或六边形壁厚：比一般钻杆大三倍左右材料：强度较大的优质合金钢长度：一般为13～16米钻柱(钻杆与钻杆接头)②钻杆与钻杆接头钻柱(钻杆与钻杆接头)②钻杆与钻杆接头作用：传递扭矩与输送洗井液形状：材料：无缝圆钢管制成的；壁厚：一般为9～11mm；钻杆单根：立根(或立柱)：三根钻杆连接在一起做为一个单元；两端分别接上带粗扣的钻杆接头各一只(合称一副)；钻柱(钻铤)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：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。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1-18液压大钳和吊钳井口工具(2)吊卡(3)吊环井口工具(3)安全卡瓦(4)钻铤提升短节第四节钻井类型井的类型：由于钻井的目的、要求不同而产生的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1.探井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。探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开发井油气井注入井观察井为开发油气田，用大中小型钻机所钻的采油、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。第五节基本钻井工艺过程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。三个阶段：钻前淮备钻进固井与完井第五节基本钻井工艺过程第五节基本钻井工艺过程第五节基本钻井工艺过程2．钻进：进行钻井生产取得进尺的唯一过程。生产套管技术套管表层套管导管井身结构：指井内所下套管层数、尺寸、深度、水泥返高等。第五节基本钻井工艺过程2．钻进：进行钻井生产取得进尺的唯一过程。基本工艺过程：①第一次开钻(一开)：下表层套管②第二次开钻(二开)：下技术套管③第三次开钻(三开)：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第五节基本钻井工艺过程3、固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。图6－15固井后井眼状况示意图第五节基本钻井工艺过程①安装井口装置：控制钻进过程中遇到的高压油气水层；②巩固疏松井段，隔离复杂地层；③封隔地下油气水层，防止上下串通；④封隔暂不开采的油气层；⑤钻井或作业中出现井喷时，不会因压井而压裂地层；⑥为油气生产建立长期稳定的通道。（1）固井的目的第五节基本钻井工艺过程（2）下套管①定义：将按强度要求设计好的套管及其附件组成的套管柱下入井眼内的工艺②套管性质：无缝钢管，长度一般为10m左右，有足够的强度。⑴套管抗拉强度⑵套管抗挤强度⑶套管抗内压强度③套管柱设计：尺寸设计、强度和密封性设计第五节基本钻井工艺过程一般要求水泥环在最上部油层50～100m以上。（3）注水泥水泥浆是由干水泥和水配制而成，用一套专用设备（水泥车、混合漏斗、灰罐车）将水泥浆按设计用量注入井内，使其返至套管外设计的位置。水泥返高指固井时套管与井壁之间水泥环上升的高度，常指水泥环上端到井口方补心的距离。第二章现代钻井技术发展概况第一节、钻井发展简史及科学化钻井（一）钻井发展简史（以旋转钻井为例）（1）概念阶段（1901--1920）开始把钻井和洗井两个过程联系在一起，并使用了牙轮钻头和注水泥封固套管的工艺。（2）发展阶段（192