机自08现代钻井机械概论总论

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1、现代钻井机械概论A方向限选2教材与主要参考资料l张阳春等国内外石油钻采设备技术水平分析石油工 业出版社2001l李继志石油钻采机械概论中国石油大学出版社 2005l陈朝达顶部驱动钻井系统石油工业出版社2000l苏义脑螺杆钻具研究及应用石油工业出版社2001l万仁薄现代钻井工程石油工业出版社2000l刘海浪小井眼和连续油管技术的进展与应用石油工 业出版社1998l郝俊芳平衡钻井与井控石油工业出版社19923总论钻井机械用来进行油气勘探、开发的整套钻井设备 （石油钻机）。钻机是石油钻井用的成套重型机械设备，是油 田上各种机械设备中最大、最重并具有不可或缺重 大作用的装备。可以毫不夸张地说，钻机是油

2、气田 的设备之王。随着石油工业的发展，钻机也在不断发展，钻 井能力越来越强，功率越来越大，传动越来越先进 ，机械化、自动化程度越来越高。4总论钻机随某种钻井方法、钻井工艺的出现而产生， 又随着钻井技术不断的发展而发生相应的变化。一、钻井从地面钻一孔道直达油气层，即钻井。1、钻井目的 1）确切地了解地下地质情况，正确判断储油构 造，为油田开发方案提供第一手资料。钻井过程中，可以通过岩屑录井、取心、电测 得到地层分层、岩性、岩石的物理化学性质、含油 气情况。 5总论2）形成油气到地面通道。 3）油田开采后期钻注水或注气井。6总论2、油气井类型 1）地质基准井（参考井） 为了了解地层的沉积年代、岩性

3、、厚度、生储 盖层组合，并为地球物理勘探提供各种参数所钻的 井。 2）预探井 主要为探明油田面积，油水边界线，为油田计 算可靠工业储量提供资料。 7总论3）详探井 在已证实有工业开采价值的油田上，为确定油 层参数，查明油田地质特性，为油田开发做好准备 的井，这种井在油层部位要求全取心。 4）生产（或开发）井 在已探明储量，有开采工业价值的油田构造上 钻产油产气井 。8总论5）注水（气）井 为了提高采收率，达到稳产所钻的井。注水注 气的主要目的是为了给地层提供生产油气所必须的 能量。 9总论二、钻井方法1）顿钻钻井法（冲击钻井法）顿钻钻机或 钢绳冲击钻机2） 旋转钻井法 地面驱动转盘旋转钻井法顶

4、部驱动旋转钻井法井下动力钻具旋转钻井法10总论图1-1 井的示意图图1-2 顿钻钻井示意图11总论图1-3 转盘旋转钻机12总论3）钻井方法的 新进展 熔化及气化法采用电弧法、电加热法等方法，将地层岩石 加热到11002200以上，使其熔化热涨裂法采用电解法、强制火焰法等方法，将岩石 加热到370600，产生的热应力使岩石表面呈片 状剥落。化学反应法使用高度活性的化学剂（如氟）来去除岩 石，如氟钻井法13总论机械诱导应力法以去除单位体积的岩石所需的能量来计算 ，如冲蚀法、爆炸法、喷丸法等共同特点：摒弃了用钻头加压旋转破碎岩石的 原理。遗憾：试验中当前，广泛采用的仍然是旋转钻井法，常规的 钻井机

5、械也就是转盘旋转钻机。14总论三、钻井工艺过程1、井身结构指下入井中套管层数、尺寸、规格和长度 以及各层套管相应的钻头直径。(1)一口井的套管层次；(2)各层套管的直径和下入深度；(3)各层套管相应的钻头直径和钻进深度；(4)各层套管外的水泥上返高度等等。开钻前拟定15总论图1-4 井身结构示意图 1-导管；2-表层套管；3-表层 套管水泥环；4-技术套管；5- 技术套管水泥环；6-高压气层 ；7-高压水层；8-易塌地层；9 -井眼；10-油层套管；11-主油 层；12-油层套管水泥环16总论1）导管下入目的：防止地表土层坍塌，引导钻头入井 ，并导引上返的的钻井液进入净化系统。下入深度：通常为

6、3050m。2）表层套管下入目的：加固上部疏松岩层的井壁，封住 淡水砂层、砾石层或浅气层；安装井控设备并支撑后下入的技术套管重量 。下入深度：一般深度100m，最深300400m。17总论3）技术套管位于表层套管以内的套管下入目的：隔绝上部的高压油、气、水层或漏 失层及坍塌层。注：若钻深井、超深井，或者说地层情况复杂 的情况下，需要下若干层技术套管。18总论4）油层套管下入井内的最后一层套管下入目的：形成坚固的井筒，使生产层的油或 气由井底沿这层套管流至井口。在各层套管与井壁的环形空间，都应注入水泥 加固（固井）。19总论2、钻前准备1）平井场、打水泥基础2）钻井设备的搬迁和安装3）井口准备工

7、作：下导管和钻鼠洞4）备足各种钻井器材（如钻杆、钻铤、钻头 及钻井泵配件）20总论3、钻进取得进尺的唯一手段1）全井钻进过程第一次开钻下表层套管第二次开钻在表层套管内用小一些的钻头 往下钻进第三次开钻在技术套管内再用小一些的钻 头往下钻进 钻完井深，下油层套管，固井，完井。每改变一次钻 头尺寸，开始 钻一新的井段 的工艺叫开钻21总论2）钻进作业a. 下钻将由钻头、钻铤、钻杆、方钻杆组成的钻杆柱下 入井中，使钻头接触井底，准备钻进。b. 正常钻进（纯钻进）启动转盘（或井底动力钻具）通过钻杆柱带动井 底钻头旋转，借助手刹车，给钻头施加适当的压力（ 钻压）以破碎岩石。同时，开动钻井泵循环泥浆，冲洗

8、井底，携出岩 屑，保护井壁，冷却钻头。22总论c. 接单根随着正常钻进的继续进行，井眼深度不断加深， 需要不断地接长钻杆柱，每次接入一根钻杆，称为接 单根。采用顶驱钻井系统时，每次接入一立根（2-3 根单根）。d. 起钻需要更换新钻头时，将井中全部钻柱取出。e. 换钻头起钻结束，将钻头提出井口，用专用工具卸下旧 钻头，换上新钻头。23总论换完钻头，便又开始下钻，重复上述作业，构 成正常钻进作业的大循环：下钻正常钻进接单 根起钻换钻头下钻，直至钻达预定井深。4、固井在井眼内下入一层套管后需在套管与井壁之间 的环形空间里灌注水泥浆进行封固，称为固井。根据井身结构的不同，钻井过程中有时仅需下 一层套

9、管（油层套管），有时需要下多层套管（如 表层套管、技术套管、油层套管），最终形成一串 轴心线重合的套管柱，因此，一口井从开始到完成 ，有时需要进行数次固井作业。24总论5、完井当下油层套管固井后，油层为水泥和套管封固 ，必须设法使油层与井筒相通。射孔完井法、裸眼完井法、贯眼完井法、衬管 完井法25总论四、面向21世纪的重要钻井技术26总论1、高压高温钻井技术按国际通用概念，地温超过150称高温，地层 压力当量密度超过1.8g/m3或须用超过70MPa的井口 装置时称高压，两者同时具备的井称作高压高温 (HPHT)井。井底温度超过220，井底压力超过 105MPa，称作超高压高温井。天然气层的温

10、度较油层的高，地温梯度一般在3 5/100m，5000m的井地温就可能达到150 250，故天然气井，特别是深层天然气井大都是高 压高温井。27总论高压高温井，特别是高压高温深探井，是钻井 工程中难度最大、风险最高、工程费用也最高的一 种苛刻井。例如北海中央地堑的一口5000m探井，钻井费 用近2000万美元，开发井也不低于1200万美元； 南海崖城211构造的3口探井，前两口井未钻达设 计目的层，经济损失较大。 高压高温钻井技术是勘探开发高压高温油气藏 的关键技术，也是代表21世纪钻井技术发展水平的 重要标志之一。 。 28总论2、深井、超深井钻井技术深井是指完钻井深为45006000 m的

11、井；超深 井是指完钻井深为6000m以上的井。进入21世纪，我国西部及东部深层钻探工作将进 一步加强，需要完成的深井、超深井数将进一步增加 。我国深井、超深井比较集中的地区有塔里木盆地、 准噶尔盆地、四川盆地及柴达木盆地等。29总论实践证明，由于深井、超深井地质情况复杂(诸 如山前构造、高陡构造、难钻地层、多压力系统及不 稳定岩层等，有些地层也存在高压高温效应)，我国 在这些地区(或其他类似地区)的深井、超深井钻井技 术尚未过关，表现为井下复杂与事故频繁，建井周期 长，工程费用高，从而极大地阻碍了勘探开发的步伐 ，增加了勘探开发的直接成本。我国在深井、超深井(主要是深探井)钻井方面的 装备和技

12、术水平现状与美国相比还存在较大的差距， 平均建井周期与钻头使用量约为美国的两倍。30总论3、特殊工艺钻井技术特殊工艺钻井主要包括定向井、水平井、丛式 井、大位移井、复杂结构井及欠平衡钻井等，在世界 范围内这些特殊工艺钻井技术的研究与应用已经比较 成熟，并且仍在深入研究与试验，以刷新技术指标。目前，我国已基本掌握了定向井、水平井及丛式 井钻井技术，但是，对复杂结构井、大位移井及欠平 衡钻井的研究仍比较薄弱。31总论1）定向井技术一口井的设计目标点，按照人为的需要，在一 个既定的方向上与井口垂线偏离一定距离的井。2）水平井水平井是垂直或倾斜地钻达油层后，井眼轨迹接 近于水平，以与油层保持平行，得以

13、长井段的在油层 中钻进直到完井。这样的油井穿过油层井段上百米以至二千余米 ，最大限度增加油层裸露面积，有利于多采油，油层 中流体流入井中的流动阻力减小，生产能力比普通直 井、斜井生产能力提高几倍。32总论3） 丛式井技术指在一个井场或平台上，钻出若干口甚至上百口 井，各井的井口相距不到数米，各井井底则伸向不同 方位。丛式井主要有以下优点：可满足钻井工程上某些特殊需要，如制服井喷的 抢险井；可加快油田勘探开发速度，节约钻井成本；便于完井后油井的集中管理，减少集输流程， 节省人、财、物的投资。 33总论4） 大位移井技术指水平位移与垂深之比等于或大于2的定向井。 钻大位移井的主要目的，就是通过大位

14、移延伸实 现对油气资源的高效勘探与开发。因此，大位移井钻 井的关键技术指标是水平位移的长度。在海洋、滩海及特殊区域的油气勘探与开发工程 中，应用大位移井钻井技术，可获得明显的经济和社 会效益。34庄海4X1断 块庄海8断 块埕海1号人工岛庄海8断块距1号人工岛直线距离3-5km ，目前已钻成了11口大位移水平井。大港油田完成了一批水垂比接近4、水平位移接近5000米的大位移井 研制了滚轮扶正器、下套管漂浮装置、钻杆滚轮减阻装置 等大位移水平井专用工具 建立了精细摩阻分析模型，开发了相应软件 集成应用了旋转导向、无固相钻井液等技术3536总论5） 复杂结构井技术主要是指多分支井，可从一个主井筒内

15、侧钻出 若干个分支井筒，并且各分支井都能重入和投产。如 果各分支井都是水平井，则称为多分支水平井。多分支井既可钻新井，也可用于老井侧钻，但只 适用于油气开发目的。由于多分支水平井克服了常规 水平井“一井一层”的不足，可实现“一井多层”， 并共用一个主井筒及地面采油设施，钻井费用少，故 单井产量高，提高采收率效果好。多分支井与我国陆相沉积油层薄及油层多的特点 相适应，对老油田稳产及低压低渗和稠油油藏的高效 开发具有重要意义。37辽河油田小35-HZ1井两个分支跨越两个断块，钻遇三个油层，控制储量85万吨，相当于8口直井控制的储量，日产油气当量180吨，是相邻直井的6到8倍。小35-HZ1分支井井

16、井 身剖面图辽河油田静52-H1Z井完成20个分支，水平段累计长度4334米38总论6）欠平衡钻井技术所谓欠平衡钻井就是人为地使井内流体的有效流 动压力低于地层孔隙压力的钻井方式。在钻进过程中 允许地层流体进入井内，循环出井，并在地面得到控 制。欠平衡钻井有利于发现低压储层，避免对储层的 损害，并且能够提高机械钻速，降低钻井费用，还可 减少储层增产作业等。美国的调查结果表明，石油公司对欠平衡钻井能 够有效地减轻或避免储层伤害最感兴趣，而技术服务 公司则更关注欠平衡钻井的高效率。39总论欠平衡钻井是一种高风险的钻井作业，容易引发 井壁失稳和井喷事故，必须具有相应的套管程序和增 加一整套地面控制装置，故所需费用一般较近平衡钻 井要高。在“九五”期间，我国已经钻探了一批欠平衡井 ，但所用的主要装备是进口的，并且对欠平衡钻井的 机理认识还不够深入。40总论4、三维可控与可视化钻井技术实钻井眼轨迹通常是在复杂的三