石油钻井工艺与设备概论2015.

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1、石油钻井工艺与设备概论石油钻井工艺与设备概论 主讲：贾光政 东北石油大学 机电工程系 一、钻井工艺 由地面向地下钻一孔道，直达油层，叫钻井。 顿钻钻井法：冲击钻井法。 1. 钻井方法 旋转钻井法：转盘旋转钻井法； 井下动力钻具旋转钻井法； 顶部驱动旋转钻井法。 （1）破碎岩石； （2）取出岩屑； （3）固井； （4）完井，形成油流通道。 2. 钻井的工艺过程 一、钻井工艺 2.1 井身结构与钻具组合 井身结构： 指下入井 中的套管层 数、尺寸、 规格和长度 。包括导管 、表层套管 、技术套管 和油层套管 。 2.钻井的工艺过程 一、钻井工艺 导管 表层套管 技术套管 油层套管 D油 D技 D表

2、 D导 油井井身 地面 井底 （2）表层套管 即第二层套管，防止地表土层垮塌，加固 上部疏松岩层井壁和安装防喷器，一般0 500米长度。 2.钻井的工艺过程 井 身 结 构 一、钻井工艺 2.1 井身结构与钻具组合 （1）导管 即第一层套管，最外层，直径最大，起导 向作用，不固定，一般0 40米长度。 （3）技术套管 即第三层套管，用来隔离生产的上部油气水 ，加固浅层疏松易塌井筒以防岩层喷、塌、漏 、膨胀和安装防喷器。技术套管要根据地层条 件而定，中深井尽量不下技术套管，深井、地 层复杂的井，下12层，在复杂地层的深井下 24层。 2.钻井的工艺过程 井 身 结 构 一、钻井工艺 2.1 井身

3、结构与钻具组合 （4）油层套管 即第四层套管，油层套管用来形成坚固的井 筒，用来射孔，也是最后一层套管。 各层套管与井壁之间都注入水泥加固。 井 身 结 构 2.钻井的工艺过程 一、钻井工艺 2.1 井身结构与钻具组合 2.钻井的工艺过程 一、钻井工艺 2.1 井身结构与钻具组合 套 管 规 格 指根据地质条件、井身结构、钻具来源等组 成的钻柱，包括：钻头、钻铤、钻杆、方钻 杆及其配合连接的尺寸、规格和长度。 2.钻井的工艺过程 一、钻井工艺 2.1 井身结构与钻具组合 钻 具 组 合 钻杆 钻铤 钻头 方钻杆 （1）下钻： 将钻杆逐根连接形成钻杆柱并下入井中， 使钻头接触井底，准备钻进。 2

4、.钻井的工艺过程 一、钻井工艺 2.2 钻进作业过程 钻进作业过程的循环： 下钻正常钻进接单根起钻换钻 头下钻 。 紧扣，（拉猫头或用大钳）； 稍提钻杆，移出吊卡； 用刹车控制下放速度，将钻柱下放一立根距离 ； 将钻柱轻坐在转盘上，从吊卡上脱开吊环。 2.钻井的工艺过程 一、钻井工艺 2.2 钻进作业过程 (1 ) 下 钻 挂吊卡，以高速档提升空吊卡至一立根高度； 二层台处扣吊卡，将立根稍提移至井眼中心， 对扣； 上扣，（拉猫头或用旋绳器）； 操作过程： （2）正常钻进： 启动转盘（或井底动力钻具），通过钻 杆柱带动井底钻头旋转，借助刹车，给钻 头施加适当的压力（钻压）以破碎岩石。 2.钻井的

5、工艺过程 一、钻井工艺 2.2 钻进作业过程 (2 ) 正 常 钻 进 (3）接单根： 每次接入一根钻杆，来加长钻杆柱的 作业。 2.钻井的工艺过程 一、钻井工艺 2.2 钻进作业过程 (3 ) 接 单 根 从小鼠洞中提出单根移至井中钻柱上方，对 扣； 上扣，（拉猫头或用旋绳器）； 紧扣，（拉猫头或用大钳）； 稍提钻杆，移开吊卡或提出卡瓦；下放钻柱 至井底，继续钻进。 2.钻井的工艺过程 一、钻井工艺 2.2 钻进作业过程 用吊卡或卡瓦上提钻杆柱，全露方钻杆，并 将钻柱坐在转盘上； 卸开方钻杆，并微提方钻杆移至小鼠洞上方 ，与小鼠洞中的单根对扣； 上扣，（拉猫头或用旋绳器）； 操作过程： (3

6、 ) 接 单 根 (4）起钻： 需更换钻头（或钻井完成）时，将井 中钻柱全部取出的作业。 操作过程： 用吊卡或卡瓦上提钻杆柱，全露方钻杆 ，并将钻柱坐在转盘上； 旋下方钻杆，将方钻杆和水龙头移置大 鼠洞中； 用吊卡或卡瓦提升钻柱至一立根高度， 并让钻柱坐在转盘上； 2.钻井的工艺过程 一、钻井工艺 2.2 钻进作业过程 (4 ) 起 钻 松扣，（拉猫头或用大钳、松扣气缸 ）； 上钳卡住接头，转盘正转卸扣； 移立根入钻杆盒和二层台指梁中，摘 开吊卡； 下放空吊卡至井口。 重复上述起出一个立根的操作步骤，直至 将井中钻柱全部起出。 2.钻井的工艺过程 一、钻井工艺 2.2 钻进作业过程 (4 )

7、起 钻 （5）换钻头： 起钻末了，将钻头提出井口，用专用工具卸 下旧钻头，换上新钻头。 钻进作业过程的循环： 下钻正常钻进接单根起钻换钻 头下钻 。 2.钻井的工艺过程 一、钻井工艺 2.2 钻进作业过程 (5 ) 换 钻 头 (1）固井： 在钻井的井眼内下入一串轴心线重合的套 管柱，并在套管柱与井壁的环形空间里注入 水泥进行封固。 2.钻井的工艺过程 一、钻井工艺 2.3 固井与完井 （2）完井： 固井后，采用射孔枪发射子弹射穿套管、 水泥环、油层，使油层和井筒连通。 一、钻井工艺 思考题： 1. 钻井方法有几种？ 2. 钻井的工艺过程包括什么？ 3. 井身结构的概念？ 4. 钻具组合的概念

8、？ 5. 钻进作业过程分几个步骤？描述每 个步骤的具体操作过程。 6. 固井的概念？ 7. 完井的概念？ 二、钻井设备 1.钻机组成 起升系统、旋转系统和循环系统这三大 系统设备是直接服务于钻井生产的，是 钻机的三大工作机组。 钻机是一套由多台设备组成的大功率联 合机组，包括八大系统： 起升系统、旋转系统、循环系统、动力 系统、传动系统、控制系统、底座、辅 助系统。 1.1 起升系统 1.钻机组成 组成： 绞车、辅助刹车、游动系统（天车、游动滑 车、大钩及钢丝绳）、井架、井口工具及机 械化设备（吊卡、吊环、卡瓦、动力大钳、 旋绳器、立根移运机构等）。 作用： 在起、下钻作业中起、下钻具；在完井

9、作业 中下套管；在正常钻进时控制钻压、送进钻 具。 二、钻井设备 1.2 旋转系统 组成： 转盘、水龙头、钻具。 作用： 驱动钻具旋转，带动钻头破碎岩石。 1.钻机组成 二、钻井设备 1.3 循环系统 组成： 钻井泵、地面管汇、钻井液池和钻井液槽、 钻井液净化设备和钻井液调配设备等。 作用： 提供高压钻井液，以清除井底已破碎的岩 石，保证继续钻进；同时冷却钻头，防止 井喷、井塌；传递动力驱动井下动力钻具 （涡轮、螺杆动力钻具）。 1.钻机组成 二、钻井设备 1.4 动力驱动设备 组成： 内燃机及其供油设备，或者交流、直流电 动机及其供电、保护、控制设备等。 作用： 供给三大工作机组及其他辅助机

10、组动力。 1.钻机组成 二、钻井设备 柴油机 1.钻机组成 二、钻井设备 1.5 传动系统设备 组成： 减速、并车、倒车、变速及换向机构等， 有机械传动、液力传动、液压传动、电传 动等形式。 作用： 连接发动机与工作机，实现从驱动设备到 工作机组的能量传递和分配及运动方式的 转换。 1.钻机组成 二、钻井设备 单独驱动方案 动力 动力 动力 1.钻机组成 二、钻井设备 统一驱动方案 1.钻机组成 二、钻井设备 分组驱动方案 1.钻机组成 二、钻井设备 1.6 控制系统和监测显示仪表 作用： 控制系统用来指挥各机组协调地进行工作； 监测显示仪表用来测量井底参数、监测显示 地面有关系统设备的工况。

11、 组成： 控制系统有机械控制、气控、电控、液控和 电、气、液混合控制； 监测显示仪表有指重表、钻井泵压力表、钻 井八参数仪（大钩负荷、钻进速率及井深、 泵压、转盘扭矩、吊钳扭矩、转盘转送、泵 冲次、泵出口排量）、随钻测量系统。 1.钻机组成 二、钻井设备 控制系统 1.钻机组成 二、钻井设备 1.7 钻机底座 组成： 钻台底座、机房底座、泥浆泵底座。 作用： 安装井架、转盘、放置立根盒及必要的钻井 设备和工具。 1.钻机组成 二、钻井设备 钻机底座 1.钻机组成 二、钻井设备 1.8 辅助设备 作用： 保证正常钻进和安全钻井。 组成： 空气压缩设备、辅助发电设备、井口防喷器、 供水供油系统等。

12、 1.钻机组成 二、钻井设备 井控装置 1.钻机组成 二、钻井设备 ZJ 15 D X 2.1 钻机型号表示 根据GB1806-86 规定，我国石油钻机型 号意义如下： ZJ钻机代号； 15钻机级别，以100m为单位计的 钻机名义钻深范围的上限； 2.钻机型号 二、钻井设备 D钻机特征，L表示链条并车钻机，J 表示三角带并车钻机，C表示齿轮并车钻 机，D表示电驱动钻机，Z表示自行式车装 钻机，T表示拖挂车装钻机。 X厂家代号及改型序号，厂家代号用 一个汉语拼音字母表示；改型序号用阿拉 伯数字表示。 GB1806-86 将我国钻机规定为6级：ZJ15 ，ZJ20，ZJ32，ZJ45，ZJ60，Z

13、J80 2.钻机型号 二、钻井设备 2.1 钻机型号表示 2.2 钻机总体参数 反映一部钻机主要技术性能的参数，称为 钻机的总体参数。 钻机总体参数有三个：名义钻深范围、最 大钩载荷、最大钻柱重量。 2.钻机型号 二、钻井设备 起升系统的组成主要包括井架、绞车总成 、游动系统总成等。 此外起升系统还包括起下钻操作所需的各 种工具，如吊钳、吊卡、卡瓦、安全卡瓦 、旋绳器、和立根移运机构等。 3.1 起升系统组成 3.钻机起升系统 二、钻井设备 3.2 起升系统工作原理 从动力传动设备来的动力经绞车变换后通 过链轮传入滚筒轴，带动滚筒轴旋转；滚 筒旋转缠绕钢丝绳，使天车的轮系和游车 的轮系转动，从

14、而使游车及与之相连的大 钩向上运动；此时，钻柱通过吊卡和吊环 挂在大钩上。 （1）起钻 3.钻机起升系统 二、钻井设备 钻柱或套管柱通过吊卡和吊环挂在大钩 上，在自重作用下带动游车和大钩向下运 动，从而带动滚筒反向旋转；用带刹车和 通过牙嵌离合器与滚筒轴相连的水刹车， 控制滚筒的转速，从而可控制钻柱和套管 的下放速度。 （2）下钻和下套管 3.钻机起升系统 二、钻井设备 （3）送进钻具 在正常钻进过程中，钻具与水龙头相连 ，水龙头挂在大钩上；钻具旋转破碎岩石 ，岩屑由钻井液带走后，钻具要在自重的 作用下向下运动；通过带刹车控制滚筒的 放绳速度，即可调节钻头作用于岩层上的 钻压，从而达到送进钻具

15、的目的。 3.钻机起升系统 二、钻井设备 3.3 井架 功用：安放天车、悬挂游车 、大钩及专用工具；起下钻 过程中，用以存放立根。 （1）井架的功用和结构组成 结构组成：井架本体、天车 台、二层台、立管平台、工 作梯。 3.钻机起升系统 二、钻井设备 塔形井架； K型（前开口）井架； A形井架； 桅形井架； 动力井架； （2）井架整体结构类型 3.钻机起升系统 二、钻井设备 钻机井架 3.钻机起升系统 二、钻井设备 3.4 游动系统 组成：天车、游车、大钩、钢丝绳。 天车：安装于井架顶部的定滑轮组； 游动系统结构是指游车轮数目 天车轮数目。 3.钻机起升系统 二、钻井设备 游车：在井架内作上下往复运动 的动滑轮组； 大钩：主要由构身、钩杆、钩座 、提环、止推轴承和弹簧组成； 钢丝绳：是起升系统中重要的运 动承载件，它悬吊着游车、大钩 ，并通过大钩承受载荷。 3.钻机起升系统 二、钻井设备 3.5 绞车 功用： 用以起、下钻具和下套管；钻进过程中控 制钻压，送进钻具；借助猫头上、卸钻具 丝扣；起吊重物及其他辅助工作。 （1）绞车的功用和结构组