石油工程机装备第一章钻井工艺技术(11版)解读

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1、 石油工程与装备 机自09级（共48学时） 2-17周： 机自0906-06：周一，1,2节：东廊102；周三， 3,4节：双周南堂317 机自0901-03：周三，1,2节：南教211；周五， 3,4节：双周南堂315； 讲课教师：高学仕 工作单位：机电工程学院机电系 2012年9月17日 引 言 “石油工程与装备”包括两大部分： 石油工程（油田开发）和石油装备（石油机械） 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。 本课主要内容：钻井、采油机械各半。 【07年9月21日

2、报道我国是世界最大钻机生产国，年产钻机 700多台，已研制出打12000m井深控制系统。】 教材：石油钻采机械概论35元； 2011年新版50元 参考书：采油机械设计计算 考试：学校统一安排考试，闭卷，侧重概念 性、知识性内容，涉及面广。考试以笔记 内容为准，平常注意听课，最后集中总结 一下即可。 听课笔记，只记标题、彩体字。 作业甚少，算总成绩，一次作业510分。 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 （美国石油学会标准）标准套管】 套管按强度高

3、低分级，有：H-40，J-55，C-75 ，N-80，P-110等。 字母：含化学成份的分类代号； 数字：最小屈服极限，单位：KSI（ ）。 【1 PSi（ ）=6.89kPa=0.00689MPa】 3.制造方法：无缝套管，用热轧，上海宝钢； 焊接套管，用钢板卷筒直焊缝，宝鸡钢管厂。 4. 尺寸规格：用外径表示。 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 石油套管 5.套管螺纹连接 主要有： 三角螺纹连接； 偏梯形螺纹连接 ； 特殊螺纹连接。 偏梯形螺纹 套管端 接箍端 5. 套管螺纹连接 （1）三角螺纹连接 承载

4、面：齿侧角30；在轴向拉力下，产生较大径向分力。 连接强度：为管体强度的6075%。 密封方式：齿间干涉及丝扣油堵塞，密封性差。 5. 套管螺纹连接 （1）三角螺纹连接 承载面：齿侧角30；在轴向拉力下，产生较大径向分力。 连接强度：为管体强度的6075%。 密封方式：齿间干涉及丝扣油堵塞，密封性差。 （2）偏梯形螺纹连接 承载面： 3；导向面：10； 增强了齿形，减少了径向力。 连接强度：为管体强度的85%。 密封方式：齿间干涉和丝扣油堵 塞，密封性差。 （2）偏梯形螺纹连接 承载面： 3；导向面：10； 增强了齿形，减少了径向力。 连接强度：为管体强度的85%。 密封方式：齿间干涉和丝扣油

5、堵 塞，密封性差。 轴向拉力 套管接头扣牙 （3）套管接 头螺纹受力分 布规律 在轴向拉力作 用下，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。 【一口井中最大尺寸套管（20-40m）】 。 2.表层套管：加固上部疏松岩层井壁 。封隔浅层水；【安装防喷器、套管头、采 油树（30100m）】。 3.技术套管：封隔上部油、水、气层 、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

6、、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 固井时，管外泥浆和水泥浆液柱压力； 地层对套管施加的静水压力（均匀外压）； 地层中的油、气、水压力； 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）和岩盐层 ，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柱或气柱压力之 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。

7、 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。 四、套管设计 1-2 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=1.622.0 抗挤安全系数： n安=1.01.25 抗内压安全系数：n安=1.01.33 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

8、强度计算 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）。 具有 抗挤强度的套管可下深Hc1； 可下深Hc2 可下深Hc3 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 （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。 钻井液通过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 超高压喷射钻井是前沿课题。 破

9、岩压力：150200Mpa（需增压） 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35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。 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

10、点 用超高压液体，高速冲击岩石，钻进快，钻头寿命 长。 3. 喷射钻井工作方式 用射流喷速、冲击力和水功率三参数来表征。 （1）泵的水功率分配（NP=pP.Q） 循环管路上功率消耗（NC） 过喷嘴压降（形成高速射流作用的水功率Nb） 压降：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、大动能、大冲 击力。 通过压能与动能进行能量交换。 （2）射流 定义：微孔喷出流体并非重力作用，而传播的现象称 射流。 （3）射流结构 射流成喇叭形（速度递减）。 分三个区： 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

11、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 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。 结论 ： 冲击力：为单位时间内动量变化 ， （ 动量）。冲击 力大破岩能力高。 提高喷速途径 其一， 只有减小喷嘴孔径 其二，提高喷嘴压降 ，大进出口压差（ ）。 从能量方程知： ， ，只有提高 ，即增压。 故，井下增压（提高喷嘴入口压力），可提高射流水功率 和冲击力，进而提高破岩能力。 结论： 水力破岩，压力必须提高到破岩的门值，

12、约150 200Mpa。 （5）有效喷距 从喷嘴到井底的距离。 保证在（B区）紊流混合区。 最佳喷射距离，与喷嘴直径、结构有关。 沈忠厚教授加长喷嘴是根据最佳喷距而来。 喷嘴距井底太近：冲蚀体积过小，破岩效果差。 太远：喷速大大降低，破岩效果也差。 （二）井下增压器技术 “井下增压器”，是超高压喷射钻井的 一种辅助工具。 1. 井下增压器研究的目的意义 它在地面泵输入的动力泥浆的推动下 ，将小部分钻井液压力大幅度提高，经 喷嘴喷出后冲刺岩石，并与钻头配合达 到大幅度提高钻速的目的。 （二）井下增压器技术 “井下增压器”，是超高压喷射钻井的 一种辅助工具。 1. 井下增压器研究的目的意义 它在地

13、面泵输入的动力泥浆的推动下 ，将小部分钻井液压力大幅度提高，经 喷嘴喷出后冲刺岩石，并与钻头配合达 到大幅度提高钻速的目的。 2.井下增压器联接 井下增压器串接于钻头与钻 铤之间。 它以地面泵排出的钻井液为 动力，将小股钻井液的压力提 高到超高压，经钻头上的特殊 喷嘴高速喷出，帮助钻头破碎 岩石。 3.井下增压器的要求 在井下增压器的水力设计中，不仅要 使增压器得到足够的水功率，满足常规 钻井的要求，而且要设法减少动力传递 过程中的能量损失。 （三）平衡压力钻井 1. 平衡压力钻井含义 钻井用泥浆密度 正好等于平衡地层压力所需泥浆密度 ，称为平衡压力钻井。 2. 平衡压力钻井目的 降低岩石强度

14、、岩屑的压持效应，提高钻速； 防止地层污染、井漏。 3. 实现平衡钻井的关键 是选控合理的钻井液密度，使钻井液柱静液压力和环空压降之和同地层孔隙压力始 终保持平衡。 4. 平衡钻井技术保证 安井控设备，防止井涌、井喷； 配先进固控设备，适时调、控配井液性能。 （四） 欠平衡钻井 欠平衡钻井是钻井新技术之一。 （钻井用泥浆密度 平衡地层压力所需泥浆密度，称为 欠平衡钻井） 1. 欠平衡钻井原理 井底液柱压力低于地层孔隙压力。 允许地层流体进入井内，循环出井。 2.优点 利于发现低压储层； 避免对油层的损害； 减少清堵费用 提高钻速，降低钻井成本。 3. 适用于地层条件： 井漏油层（泥浆易漏走）；

15、 机械封堵引起井壁堵塞的井 页岩水化引起的井壁堵塞； 低渗透油层、硬地层； 欠压或衰竭地层； 大裂缝地层。 4. 保持欠平衡钻井方 法 配注气设备：向 井液中注空气或氮气， 降低液柱静水头。 配井控设备 流体地面处理设备 随钻测量仪。 （五）水平井技术 水平井是从定向斜井发展起来的。 目前，胜利油田打水平井的技术起 到领头羊的作用。 1. 水平井技术 （1）水平井优化设计技术 借助于计算机模拟技术，对油藏、地质、钻井、 测井、完井、采油等进行优化设计。 （2）井眼轨迹检测技术 应配导向钻进系统，用随钻测量（MWD）仪器和 技术，实现井眼轨迹的连续控制。 2. 导向钻具组合 通过不同造斜、导向工具实现打水平井。 （1）导向涡轮钻具组合 （2）导向螺杆钻具组合 二者是通过液动力带动钻头旋转。