4钻井(2010)

石油大学化学化工学院环境科学与工程系2010.06钻井工程第四章钻井工程4.1钻井的基本方法常用的钻井方法有：①顿钻钻井（冲击钻井）：顿钻钻井功率小，速度慢。它不适应快速钻井的要求，特别钻深井或超深井它更不能满足生产的需要，因此代替它的是转盘旋转钻井。②旋转钻钻井法转盘钻井：是从顿钻钻井演变而来的，转盘钻井是旋转钻井方法之一。主要过程：钻进、洗井、接单根、起下钻、固井、完井③射流钻井法此法利用高压、高速射流冲击井底，使岩石破碎，并随时由射流流体将破碎的岩屑清除出去，图4-1旋转钻井示意图石油大学化学化工学院环境科学与工程系2010.06钻井工程4.2常用钻井设备、工具和材料4.2.1钻机的分类及组成（1)钻机的分类根据钻机的起重能力和所用钻杆直径的大小,可对钻机进行如下分类：大型钻机（超重型钻机、重型钻机、中型钻机）轻便钻机（2）钻机的组成①起升系统井架、天车、游动系统(包括游动滑车、大绳、大钩)及绞车天车装在井架顶部,游动滑车用大绳吊在天车上。②旋转系统转盘、水龙头、钻柱（有时也用井底动力钻具）。在旋转钻井中,转盘的主要作用是在不断地往井中送进钻具的情况下转动井中的钻具,传递扭矩和转速。③循环系统泥浆池、泥浆槽、振动筛、除砂器、除泥器、离心等。④传动系统传动系统的作用是将动力机的动力按照钻井工艺的要求传递分配给泥浆泵、绞车和转盘等。⑤控制系统：包括机械控制、气控制、液压控制、电控制、集中控制台及观测记录仪表等。⑥动力设备⑦底座石油大学化学化工学院环境科学与工程系2010.06钻井工程4.2.2钻具转盘钻井地面要使用一套设备，地下还要使用一套钻具，这套钻具包括有方钻杆、钻杆、钻铤等，钻进中，将方钻杆、钻杆、钻铤用接头连接起来组成的管串叫钻柱(1)方钻杆：位于钻柱的最上端，其上部和水龙头相连接，下部和钻杆相连接。（2）钻杆：主要用以传递扭矩、输送泥浆、钻进使用。（3）钻铤：位于钻柱最下部，两端分别与钻杆和钻头相连接。（4）接头：是钻柱的组成部分,它的主要作用是连接管柱、保护重要部件的丝扣等。4.2.3钻头钻井使用的钻头通常有三种，即刮刀钻头、牙轮钻头和金刚石钻头。1.刮刀钻头分类：按刀翼数分为两翼(鱼尾)、三翼和四翼刮刀钻头。三翼的最常用。•适用范围：普通刮刀钻头是剪切、切削型,适用于松软地层。镶齿刮刀钻头,是切削研磨型,可用于软、中硬和硬地层。2.牙轮钻头分类：按照牙轮钻头的几何形状，可分为双牙轮钻头、三牙轮钻头和多牙轮钻头。适用范围：牙轮钻头使用的数量最多，它既可用于软地层、中硬地层，也可用于硬地层。3、金刚石钻头分类：天然金刚石钻头，人造金刚石钻头。金刚石钻头由于没有轴承等转动部件，因此钻头寿命比牙轮钻头长，一般可用几百小时，进尺可钻达1000多米，特别用于深井效果更好。石油大学化学化工学院环境科学与工程系2010.06钻井工程•4.特殊钻头(1)取心钻头：了钻井取心而专门设计的钻头。(2)矛形钻头用途:钻水泥塞;打捞时用来钻破井下的铁块或将铁块挤入井壁;在换小钻头之前用它打导眼,起找中和领眼作用。(3)菱形钻头：主要用途是下套管前或钻进过程中遇泥饼太厚时进行划眼钻进(4)偏心钻头用于扩大井下部分井段的直径或用来拨井底落物使其居中,便于打捞。(5)梯形钻:是当井眼直径由大变小时,用来找中的专门工具。石油大学化学化工学院环境科学与工程系2010.06钻井工程4.2.4洗井液洗井液（泥浆）是钻井的“血液”，在旋转钻井中使用的循环流体统称洗井液。1、洗井液的作用①悬浮和携带岩屑，通过井口返出岩屑和泥浆性能进行录井；②润滑、冷却钻头和钻具；③稳定井壁，防止井壁剥落和坍塌；④平衡地层压力，能发挥水力效能，实行喷射钻井和优选参数钻井。2、泥浆的分类和组成粘土颗粒是分散体,水是分散介质(或称粉散相),泥浆就是以粘土为分散体,水为分散介质的分散体系。通常我们把洗井液都惯称为泥浆,这样,构成泥浆的分散体就不只是粘土颗粒,而分散介质也不只是水了。石油大学化学化工学院环境科学与工程系2010.06钻井工程3.洗井液性能要求①洗井液的密度：洗井液密度主要用于调节洗井液静液柱压力，以平衡地层孔隙压力，防止发生井喷。②洗井液的流动性：流动性主要指的是粘度，粘度是洗井液流动的内阻力的大小，切力是洗井液结构强度的大小。切力和粘度过大会引起流动阻力大，能量消耗大，钻速慢，易泥包钻头。过小，携屑能力差，井眼净化不好，易引起井下事故.③洗井液的造壁性能：洗井液造壁性能主要是指滤入数量，即滤液进入地层的多少，再一个是在井壁形成泥饼质量的好坏。要求滤失量越低越有利于减少油气层损害，要求泥饼薄而坚韧，有利于保护井壁。④洗井液的固相含量：固相含量一般是指洗井液中水不溶物的全部含量及可溶性盐类，其中包括加重材料、膨润土和钻屑，膨润土和加重材料为有用同相，钻屑为无用固相，无用同相要彻底清除，固相含量高，洗井液柱压力大，洗井液易进入油气层，并且降低钻速。⑤洗井液的酸碱度：洗井液的酸碱度指的是洗井液中含碱量的多少，也就是它对酸中和能力的大小，常用pH值表示。石油大学化学化工学院环境科学与工程系2010.06钻井工程•4.3钻井工艺技术以转盘钻井法为例，钻井可分为三个阶段：即钻前准备、钻进和完井，而每个阶段又包括了许多具体的工艺过程。4.3.1钻前准备1.定井位2.修公路3.平井场4.打基础5.供水、供电、通讯6.钻井设备的搬家和安装7.井口准备：主要包括打导管（即打一孔并下人导管）和钻鼠洞。8.备足钻井所需要的各种工具、器材，如钻杆、钻铤、钻头及泥浆泵必要的配件、洗井液处理剂等。石油大学化学化工学院环境科学与工程系2010.06钻井工程4.3.2钻进过程1.钻进钻进是进行钻井生产取得进尺的唯一手段，是用足够的压力把钻头压到井底岩石上，使钻头牙齿吃入岩石中并旋转以破碎井底岩石的过程。2.洗井在钻柱转动的同时，泥浆泵不断地工作，在井底产生岩屑后，流经钻柱内孔和钻头喷嘴的洗井液，冲击井底，随时将井底岩屑清洗、携带到地面，这一过程称之为洗井。3.接单根随着岩石的破碎，钻柱逐渐地下落，方钻杆也缓缓进入转盘，直至方钻杆完全落人转盘内，这时一个钻杆长度不能再向深钻，必须增加钻柱长度才行，这种接长钻杆的工作叫做接单根。4.起、下钻如钻头己被磨损，应将井内钻柱全部起出，另换新钻头再钻，起出钻柱的工作叫做起钻，下入钻柱的工作叫下钻，总称为起、下钻。5.固井固井就是在井眼内下人套管柱，在套管柱与井壁环形空间注入水泥浆进行封固。固井的目的是封隔疏松、易塌、易漏等地层；封隔油、气、水层，防止互相窜通，形成油气通道；安装井口，控制油气流，以利于钻进和生产。石油大学化学化工学院环境科学与工程系2010.06钻井工程(1)套管层次①表层套管下入深度可以从几十米到几百米。管外水泥通常返至地面。②技术套管用于封堵复杂地层，保证顺利地进行钻进。技术套管的水泥返高，一般应返至所封地层100M以上，对高压气井为防止漏气，常将水泥返至地面。导管表层套管技术套管油层套管③油层套管用以将不同压力的油、气、水层与其它地层分隔开来，以形成油气通道，保证长期生产，满足开采和增产措施的要求。（2）注水泥注水泥就是将配制好的水泥浆，通过一定的设备和工艺注入套管，并按照设计要求使水泥浆在管外环形空间上返到上定的高度。6.油气井完井完井方法一般分为套管完井和裸眼完井两大类。①套管射孔完成法射孔完成法能够封油、气、水层，防止互相窜扰，有利于分层试油、分层开采、分层酸化、分层压裂、分层注水等，能防止井壁坍塌。这种完井法适应能力强，是我国采用最多的一种完井方法。缺点是，在钻井过程中洗井液易损害油气层，加上射孔穿透能力小，使油气与井眼连通不好，影响油气井产量。石油大学化学化工学院环境科学与工程系2010.06钻井工程②裸眼完井法这种完井法又分三种情况：裸眼完井、衬管完井、砾石充填衬管完ⅰ裸眼完井法：就是将套管下到油气层顶部，然后钻开油气层，油气层完后，不再下套管，使油气层部位裸露而完井。这种完井方法适合石灰岩裂缝性油气藏，或是比较坚硬、不易坍塌的气层，而且没有水层时，才能使用这种方法。方法优点是钻开油气层时，使用的泥浆密度可和油气层配伍，以减少对油气层的损害，有利于保护油气层；缺点是进行分层酸化，分层压裂比较困难。ⅱ衬管完井法：钻开油气层前，先将套管下至油气层顶部，然后钻穿油气层，再下一种衬管（带割缝的套管，或带眼的管子）。衬管顶部用封隔器悬挂于油层套管上。ⅲ砾石衬管完井法：对较疏松的油气层，出砂较严重的井，为了更好支撑井壁，防止形成砂堵，可在衬管和井壁之间填充砾石，称砾石衬管完成法。衬管的眼，均为割缝孔眼，孔眼为外窄内宽，缝大小和出砂颗粒大小相匹配，砾石直径大小也要和油层出砂直径大小相匹配，油层中夹有气、水层时，这种完成法不宜采用。石油大学化学化工学院环境科学与工程系2010.06钻井工程4.4特殊钻井4.4.1定向井、丛式井、水平井靠使用定向井仪器，工具、钻具和技术，使井眼沿着预定的斜度和方位钻进，直到钻达目的层。定向钻井的用途：①海上钻井，在钻井平台或钻井船上采用定向钻井可以钻数十口甚至一百多口，这种井叫丛式井。它可大大地提高平台利用率。②在地面条件受限制时，例如油田在城市建筑、文化古迹、良田、湖泊、沼泽下部，这种情况下就要钻定向井开采，见图。③油层地质条件不适宜于直井开采，可以采用钻定向井、钻水平井、多底井等，见图。石油大学化学化工学院环境科学与工程系2010.06钻井工程•4.5钻井过程的环境污染与控制•4.5.1钻井过程中的污染因子–钻井废水、废弃钻井液、钻屑、柴油机烟气、噪声等。（1）废弃钻井液•产生于钻井过程和完井过程被更换的不适于钻井过程和地质要求；性能不合格而被排放的钻井液；完井时清水替出的钻井液；循环系统跑、冒、滴、漏部分钻屑»钻井液池储存，尽量回收•性质pH较高，造成附近土地盐碱化；加重剂、化学处理剂、石油类、特殊地层中的有害物•排放量估算在考虑回收率的条件下、估算全井段更换或替出排入废钻井液池的废弃钻井液•钻井液的危害：NaOH、CaCO3、Fe3+、SO42-、NaCl影响地下水地表水pH值；聚合物丙烯腈、丙烯酰胺、丙烯酸具有毒性；Cr3+对环境和人体具有毒性；盐水钻井液、油基钻井液污染水体。（2）钻井废水•来源：机械废水、冲洗废水、钻井液废水、其它废水•性质pH值偏高：7.5～10；悬浮物含量高：2000～2500mg/L以上；含有一定数量的污染物：有毒聚合物、有机污染物和无机污染物。hdDw2石油大学化学化工学院环境科学与工程系2010.06钻井工程•产生量估算–根据统计得出。单位进尺产生废水量约0.4m3。（3）钻井噪声•来源•机械噪声：柴油机（100～120dBA)、发电机组（100～110dBA)、钻机、钻井泵（97dBA)。作业噪声：固井作业、下套管、起下钻、碰撞声；事故噪声：井喷事故噪声。（4）钻井烟气•主要污染物：烃类、二氧化碳、氮氧化物、SO2•排放量：与运转台数有关；与使用情况有关；与柴油机工况有关；石油大学化学化工学院环境科学与工程系2010.06钻井工程•4.5.2钻井过程的污染控制（1）废弃钻井液（含碎岩屑）①固化法用固化剂将废弃泥浆固化在井场中，处理费用低，环境经济可行，但处理复杂（各类剂）。②回收利用（干粉、用于新井、）③国外方法：直接排放、注入环形空间、指定定点集中处理、回填、坑内密封、土地耕作和固化处理。（2）钻井废水减少用水量（3）其它①噪声②植被恢复③水土保持石油大学化学化工学院环境科学与工程系2010.06钻井工程•作业：1、简述钻井的基本工艺过程？2、钻头分为哪几类？各自的应用范围？3、泥浆的主要成份和作用？4、完井的基本方法有哪些？5、简述钻井过程中产生的主要污染物有哪些，主要产生在哪个工艺过程中？6、如何处理废泥浆、岩屑？