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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）固井和完井，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1~2层，在复杂地层的深井下2~4层。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（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.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→……。④紧扣，（拉猫头或用大钳）；⑤稍提钻杆，移出吊卡；⑥用刹车控制下放速度，将钻柱下放一立根距离；⑦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①挂吊卡，以高速档提升空吊卡至一立根高度；②二层台处扣吊卡，将立根稍提移至井眼中心，对扣；③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④从小鼠洞中提出单根移至井中钻柱上方，对扣；⑤上扣，（拉猫头或用旋绳器）；⑥紧扣，（拉猫头或用大钳）；⑦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①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；②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；③上扣，（拉猫头或用旋绳器）；操作过程：(3)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：①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；②旋下方钻杆，将方钻杆和水龙头移置大鼠洞中；③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④松扣，（拉猫头或用大钳、松扣气缸）；⑤上钳卡住接头，转盘正转卸扣；⑥移立根入钻杆盒和二层台指梁中，摘开吊卡；⑦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)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？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。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。1.钻机组成二、钻井设备井控装置1.钻机组成二、钻井设备ZJ15DX2.1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，ZJ802.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成3.钻机起升系统二、钻井设备钻井绞车3.钻机起升系统二、钻井设备钻机绞车结构组成：滚筒、滚筒轴总成；制动机构（机械刹车和水刹车）；猫头和猫头轴总成；传动系统（包括链条、齿轮、轴系零件等）；控制系统（包括牙嵌、齿式、气动离合器，司钻控制台，控制阀件等）；润滑系统（包括黄油润滑、滴油润滑、飞溅润滑、强制润滑）；支撑系统（焊接的框架式支架、箱壳式座架）。3.钻机起升系统二、钻井设备单轴绞车：猫头直接装在滚筒两端，滚筒装在轴上；另有一齿轮箱，绞车外变速；结构简单，移运方便。缺点是使用猫头不方便，滚筒高档不能独立安排，影响起下钻速度。（2）绞车的结构类型双轴绞车：滚筒轴与猫头轴分别独立；绞车外变速；猫头位置及速度可不受限制，比单轴绞车方便。3.钻机起升系统二、钻井设备三轴绞车：多加了一根引入动力的传动轴，并在绞车内实现链条变速传动，变速机构同时兼顾转盘的传动变速机构。缺点是结构复杂，运输、安装不太方便。多轴绞车：四轴以上的绞车。3.钻机起升系统二、钻井设备旋转系统主要包括转盘、水龙头、方钻杆、钻杆、钻铤、扶正器、减震器、配合接头、钻头等。4.1旋转系统组成4.钻机旋转系统二、钻井设备4.2旋转系统工作原理在正常钻井工程中，方钻杆、钻杆、钻铤和钻头等钻具采用螺纹连接形成细长的钻柱，它们都借助水龙头悬挂在大钩上。从动力传动设备来的动力输给转盘，转盘带动方钻杆旋转，从而带动整个钻柱旋转起来。在一定的压力作用下，依靠钻头在井底旋转来破碎岩石。4.钻机旋转系统二、钻井设备4.3旋转系统工作参数转盘开口直径D盘；转盘一档转速、最高档转速和档数；转盘功率N盘。4.钻机旋转系统二、钻井设备4.４转盘功用：正常钻进时，带动井中钻具旋转，传递足够大的扭矩和必要的转速；起下钻和下套管时，承托井中全部钻杆柱或套管柱重量；卸扣、卸钻头和处理事故时，完成倒扣、进扣等辅助工作；采用井底动力钻具