钻井工艺技术

钻井工艺技术王勇2016年3月第一章钻头第二章螺杆第三章钻井工艺技术及流程第四章钻井油气层保护技术第五章钻井新技术第一章钻头钻头钻头是破碎岩石形成井眼的主要工具。按结构分：刮刀钻头、牙轮钻头和金刚石钻头三种。按功用分：全面钻进用钻头（全径钻头），环状钻进用钻头（取心钻头）两种。按破岩作用分：切削型，冲击型，复合作用型等。还可按钻井液水力能量的利用，牙齿与轴承的不同类型作多种分类。目前，国内钻井现场普遍采用牙轮钻头、金刚石钻头、取心钻头。一、刮刀钻头刮刀钻头是旋转钻井使用最早的钻头类型。其结构简单，制造方便，成本低。在泥岩和页岩等软地层中，钻井速度比较高。国内外前后充分发挥了刮刀钻头的优势，取得了很高的指第一章钻头标，国内使用刮刀钻头进尺记录达3000多米。刮刀钻头按刀翼数目可分为双翼（鱼尾）、三翼、四翼刮刀钻头，常用到的是三翼刮刀钻头。上钻头体有丝扣，与上部钻具相连，完成整个钻具结构；下钻头体上焊接水眼和刀翼；水眼提高喷射效果，具有抗冲蚀性；刀翼进行破碎岩石。二、牙轮钻头牙轮钻头是近代石油钻井中使用很广的一种钻头。从1909年出现的第一只牙轮钻头，经过了近一个世纪，牙轮钻头无论是钻头的材质、切削部分、钻头轴承、清洗装置等都有很大的改进。喷嘴的改进，解决了钻头的清洁问题，出现了喷射牙轮钻头；使用了硬质合金齿，提高了牙轮的抗磨性；使用密封滑动轴承使钻头的工作寿命大大提高。第一章钻头第二章钻头1、牙轮钻头的组成由于牙轮钻头旋转时具有冲击、压碎和剪切破碎岩石的作用；牙齿与井底接触面积小、比压高；工作扭矩小；工作刃总长度大等优点，适用于多种性质的岩石，而成为使用最广泛的钻头。根据牙轮的数目可将其分为单牙轮钻头和多牙轮钻头。目前使用最多的是三牙轮钻头。三牙轮钻头的结构可分为五个部分，即钻头体、巴掌、牙轮、轴承和水眼。密封喷射式钻头还有储油补偿系统。⑴钻头体与巴掌牙轮钻头的钻头体上部车有丝扣与钻具相连下部带有三个巴掌与牙轮的轴颈相连，起支撑牙轮的作用。钻头体的底端中部镶焊水眼板或安装喷嘴。⑵牙轮牙轮是一个外面带有牙齿，内腔加工成与轴颈相对应的滚动体跑道（或滑动摩擦面）的锥体，分单锥和复锥两第一章钻头种结构。单锥牙轮有主锥和背锥组成，适用于硬或研磨性较高的地层；复锥牙轮有主锥、复锥和背锥组成，适用于软或中硬地层。⑶牙齿牙齿是破岩的主要元件，牙轮钻头的牙齿有铣齿（钢齿）和硬质合金齿（镶齿）两种。由牙轮毛胚铣削加工而成的牙齿叫铣齿。铣齿钻头的牙齿均为楔形齿，为防止钻头直径过度磨损外排齿座成π型、Υ型和L型以提高其对井壁的切削能力，它们被称为保径齿。将硬质合金材料加工成一定形状的牙齿，镶嵌并固定在轮壳上的钻头叫镶齿钻头，镶齿钻头的齿型种类繁多，主要有楔形齿、锥形齿和球形齿等。第一章钻头⑷轴承牙轮钻头的轴承是决定钻头寿命的重要因素之一，按结构不同分为滚动轴承和滑动轴承两类。若使用不当，易出现轴承先期损坏，即轴承先于钻头牙齿及其他部分而报损的现象。⑸储油密封补偿系统其作用是将轴承内腔与外界的钻井液分开，并在钻头工作时，随时向轴承腔内补充润滑脂，从而改善轴承的工作条件。2、牙轮钻头的产品系列1）牙轮钻头的直径系列⑴国产钻头的直径系列，共有15种。江汉常用的有171／2″、121／4″、95／8″、81／2″、37／8″。⑵进口钻头尺寸进口钻头直径系列非常复杂，例如美国休斯公司所产钻头从33／4″到26″共46种直径系列。第一章钻头第二章钻头国产牙轮钻头的结构系列类别全称简称铣齿钻头普通三牙轮钻头喷射式三牙轮钻头滚动密封轴承三牙轮钻头滚动密封轴承喷射式三牙轮钻头滚动密封轴承保径喷射式三牙轮钻头滑动密封轴承喷射式三牙轮钻头滑动密封轴承保径喷射式三牙轮钻头普通钻头喷射式钻头密封钻头密封喷射式钻头密封喷射式保径钻头滑动喷射式钻头滑动喷射式保径钻头YPMMPMPBHPHPB镶齿钻头镶硬合金齿普通三牙轮钻头镶硬合金齿密封滚动轴承三牙轮钻头镶硬合金齿滑动密封轴承三牙轮钻头镶硬合金齿滚动密封轴承喷射式三牙轮钻头镶硬合金齿滑动密封轴承喷射式三牙轮钻头空气钻井用镶硬合金齿三牙轮钻头镶齿普通钻头镶齿密封钻头镶齿滑动钻头镶齿密封喷射式钻头镶齿滑动喷射式钻头空气钻头XXMXHXMPXHPK2）国产三牙轮钻头产品型号表示法第一章钻头例如：215XHP5表示用于中硬地层、直径为215毫米的镶齿密封滑动喷射式钻头。3）江钻油用牙轮钻头型号表示法由四部分组成。钻头直径代号、钻头系列代号、钻头分类号、钻头附加结构特征代号⑴钻头直径代号：用数字（整数或分数）表示，其数字代表钻头直径英寸数。⑵钻头系列代号：对于三牙轮钻头，按其轴承及密封结构主要特征分9个标准系列，在此基础上又细分24个特殊系列，如：常用的H、HA、HJ、HAT、HJT等系列。⑶钻头分类号：由三位数组成，首位数为切削结构类别及地层系列号，第二位数为地层分级号，末位数为钻头结构特征代号。⑷钻头附加结构特征代号：为满足某些特殊需要，钻头需改进或加强时，则在分类号后附加结构特征，用1个或多个字母表示。第一章钻头例如：81／2″HJT537GL钻头表示的意义是：81／2″：钻头直径为81／2″HJT：滑动轴承金属密封特别保径537：低抗压强度、软至中地层、镶齿钻头G：掌背强化L：掌背扶正块江汉油田钻井现场常用的江钻生产的三牙轮钻头类型有SKG124、HAT127、HJ517、HJ517G、HAT517G等。3、牙轮钻头在井下工作情况判断牙轮钻头在井下工作状态复杂，不但要公转、自转还要纵向振动、剪切滑动，不仅受钻压的作用，还要受扭矩的作用。因此，牙轮钻头在井下很容易出现异常情况，若操作者不能及时发现和处理或分析判断的错误处理不当，便会出现井下复杂情况甚至钻头事故。第一章钻头其判断方法：⑴正常情况当地层岩性无变化时，正常钻压下，转盘转动均匀，转盘链条无上下跳动；钻时正常无明显变化；指重表、泵压表指示平稳；刹把无异常感觉。⑵轴承损坏转盘出现周期性蹩跳，钻压小蹩跳轻，钻压大则蹩跳重；钻速下降，泵压正常而指重表指针有摆动。⑶牙轮卡死转盘负荷增大，转盘链条跳动，方钻杆有蹩劲，停转盘打倒车；钻速下降，指重表指针摆动严重。⑷掉牙轮转盘负荷增大，转盘链条严重跳动，停转盘打倒车；蹩钻严重；指重表指针来回摆动；钻速明显下降或无进尺；上提钻具变换方向下探方入有变化，高差约为一牙轮高度。第一章钻头⑸牙齿磨（脱）光转盘负荷减轻；方钻杆无蹩跳；钻速明显下降或无进尺；指重表指示平稳无摆动；泵压正常。⑹钻头泥包转盘负荷增大有蹩跳现象；钻速下降；上提钻具有不同程度的挂卡；泵压上升，严重时蹩泵。牙轮钻头入井前的检查（1）钻头型号应符合地层岩性。（2）钻头直径应与井眼直径相符合。（3）检查钻头螺纹是否完好。（4）检查焊缝质量是否良好。（5）检查水眼是否畅通，喷射式钻头应检查喷嘴尺寸是否合乎要求，固定是否牢固。（6）检查牙轮完好状况，镶齿钻头还应检查固齿质量，如硬质合金齿有无松动、碎裂现象。第一章钻头牙轮钻头钻进时的注意事项（1）钻头到井底后，应轻压跑合0.5h左右，再逐渐加压至规定钻压，严禁加压启动钻头（2）操作刹把时思想要集中，送钻均匀，严防溜钻和顿钻事故（3）钻进时根据钻时变化及钻头运转情况，随时分析、掌握岩性的变化，调整参数配合，以适应所钻地层的需要（4）掌握好起钻时间第一章钻头第一章钻头第一章钻头三、金刚石钻头在坚硬而研磨性高的地层钻进,金刚石钻头比其它类型钻头的钻速和总进尺高,能减少起下钻次数,降低钻井成本。近年来钻井数量在不断增加，随着钻井技术的不断改进，追求更高的钻井经济效益，金刚石钻头的使用非常普遍。由于金刚石具有很高的硬度和耐磨性，因此具有较高的破碎岩石的能力及较长的使用寿命，实践证明金刚石钻头能在多种地层中使用，钻速较其它钻头高，可减少起下钻次数，缩短完井周期。金刚石钻头按其使用地层可分为：普通金刚石钻头、聚晶金刚石复合片钻头（简称PDC钻头）两大类，其中聚晶金刚石复合片钻头适用于软至中硬地层，而普通金刚石钻头适用于及坚硬和研磨性高的地层。第一章钻头1、金刚石钻头的结构普通金刚石钻头由钻头体（又称刚体）、胎体、水眼和金刚石颗粒等部分组成。聚晶金刚石复合片钻头由刚体、胎体、喷嘴、金刚石复合片等组成。2、金刚石钻头入井前的检查与准备工作（1）检查好地面设备与钻具。（2）井底清洁，无落物。（3）使用组合喷嘴钻进，提高清岩效率。3、PDC钻头的正确使用PDC钻头的使用要注意3个关键因素：（1）选择适当的使用条件。第一章钻头（2）依据使用条件选择合适的钻头。（3）正确使用钻头。PDC钻头在软至中硬地层中使用效果明显，一般不太适宜钻硬地层和软硬交错地层，如高研磨性地层、砾石层、燧石及含硬质夹层的地层等。一般适用于较低的钻压、较高的转速，最适用于井下动力钻井。第一章钻头三、取心钻头取心钻头的功用是环形破碎地层，形成岩心。目前，常用的有刮刀取心钻头、领眼式硬质合金取心钻头、硬质合金取心钻头和金刚石取心钻头等。为了提高岩心收获率，除在下部使用扶正器外，首先要求取心钻头工作稳定。因此钻头的切削元件要对称分布，其耐磨性应一致，以免在钻进时发生歪斜，从而破坏及折断岩心。同时要求钻头底面（井底）与岩心爪的距离尽可能短些，使岩心形成后很快就能进入内岩心筒被保护起来，从而避免破坏和冲蚀。第一章钻头第一章钻头第三章钻井工艺技术及流程第四章钻井油气层保护技术第五章钻井新技术第二章螺杆第一章钻头第二章螺杆螺杆钻具是一种把液体的压力能转换为机械能的能量转换装置,由旁通阀、马达、TC轴承、推力轴承、万向轴、传动轴和防掉装置等组成。当高压液体进入钻具时，迫使转子在定子中转动(定子和转子组成了马达)，马达产生的扭矩和转速通过万向轴传递到传动轴和钻头上，达到钻井的目的。第二章螺杆由于这种特殊的结构，螺杆可以准确地进行定向，造斜，纠偏。它广泛用于直井，水平井，丛式井和修井作业。第二章螺杆旁通阀由阀体，阀套，阀芯及弹簧等部件组成。第二章螺杆在压力作用下阀芯在阀套中滑动，阀芯的运动改变了液体的流向，使得旁通阀有旁通和关闭两个状态：在起、下钻作业过程中，阀套与阀体通孔未闭和，旁通阀处于旁通状态，使钻柱中泥浆绕过马达进入环空；当泥浆流量和压力达到标准设定值时，阀芯下移，关闭旁通阀孔，此时泥浆流经马达，把压力能转变成机械能。当泥浆流量值过小或停泵时，弹簧把阀芯顶起，旁通阀孔处于开启位置--处于旁通状态。第二章螺杆马达总成：马达由定子、转子组成。定子是在钢管内壁上压注橡胶衬套而成，其内孔是具有一定几何参数的螺旋；转子是一根有硬层的螺杆。第二章螺杆转子与定子相互啮合，用两者的导程差而形成螺旋密封腔，以完成能量转换。马达转子的螺旋线有单头和多头之分。转子的头数越少，转速越高，扭矩越小；头数越多，转速越低，扭矩越大。仅以转子与定子啮合头数为5：6和9：10的截面参考。5:6截面9:10截面第二章螺杆螺杆钻具在钻进中发生故障如何排除？答：1）泵压逐渐升高。可能是钻头被堵、钻头磨损或地层改变，应将钻头提离井底，若压差高于起始压差，可采取改变排量上提下放的办法清洁钻头，如无效应起钻，若压差相同可考虑地层因素；如钻速下降可考虑起钻换钻头。2）泵压突然升高。可能是螺杆不转或钻具被外来物堵塞，此时应将螺杆钻具提离井底，然后重新轻压钻进，若泵压仍未降低，则应起钻。3）泵压逐渐下降。应检查泵是否上水好，检查钻井液面是否发生井漏，还应考虑钻具是否有刺漏现象，根据不同的情况作出具体决定。4）无进尺。可能是地层改变，钻头磨损严重、螺杆不转，应分析岩性观察钻井液带出物有无铁屑及泵压变化，作出不同的分析与决定。第二章螺杆第一章钻头第二章螺杆第三章钻井工艺技术及流程第四章钻井油气层保护技术第五章钻井新技术第三章钻井工艺技术及流程钻井是一项复杂的系统工程，包括钻前工程、钻井工程和固井工程三个阶段，其主要施工工序一般包括：定井位、井场及道路勘测、基础施工、安装井架、搬家、安装设备、一次开钻、二次开钻、钻进、起钻、换钻头、下钻、中途测试、完井、电测、下套管、固井施工等。一、钻前准备（1）编写钻井工程、地质设计（2）井位测量（定井位）（3