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第五章石油钻机概论利用一定的工具和技术在地层中钻出一个较大孔眼的过程。一是破碎岩石；二是取出岩屑，保护井壁；三是固井和完井。第一节钻井方法为了在地下岩层中钻出所要求的孔眼而采用的钻孔方法。钻井钻井方法人工掘井人力冲击钻井法顿钻钻井法旋转钻井法连续管钻井法目前普遍使用钻井方法分类第一节钻井方法顿钻钻井法图5－1顿钻钻井示意图钢丝绳提升钻头冲击井底，击碎岩石岩屑、泥土混合成泥水浆提出钻头捞出井内的泥水浆暴露新井底下放下捞砂筒向井内注水积累到一定量设计井深顿钻钻井法起、下钻费时少，设备简单(1)破碎岩石，取出岩屑的作业都是不连续的；优点：缺点：(2)钻头功率小，破岩效率低，钻井速度慢；(3)不能进行井内压力控制；(4)只适用于钻直井。旋转钻井法图5－2转盘旋转钻井法分类转盘旋转钻井法井底动力钻具旋转钻井法顶部驱动旋转钻井泥浆循环过程转盘旋转钻井法图5－2转盘旋转钻井法钻头吃入地层破碎岩石清洗井底循环洗井液转盘旋转钻柱加压设计井深转盘旋转钻井法图5－2转盘旋转钻井法特点目前这种方法在世界各国被广泛使用。①钻杆完成起下钻具、传递扭矩、为钻头施加钻压、提供洗井液的入井渠道等任务；②钻头在一定的钻压作用下旋转破岩，提高了破岩效率；③在破岩的同时，井底岩屑被清除出来；④提高了钻井速度和效益。井底动力钻具旋转钻井法钻头吃入地层破碎岩石清洗井底循环洗井液动力钻具旋转钻柱加压设计井深井底动力钻具旋转钻井法分类涡轮钻具螺杆钻具电动钻具上轴承定子和转子中心轴下轴承涡轮钻具旁通阀钻头转子主轴外壳方向轴定子螺杆钻具井底动力钻具旋转钻井法井底动力钻具旋转钻井法特点①转动钻头的动力由地面移到井下，直接接在钻头之上；②钻柱的功能只是给钻头施加一定的钻压、形成洗井液通路和承受井下动力钻具外壳的反扭矩；③井底动力钻具的动力是由电源或地面泥浆泵提供的、通过钻柱内孔传递到井下的具有一定动能和压力的洗井液流体或交流电。连续管钻井法(柔杆钻井法)钻头、加压装置、动力机下放至井底循环洗井液延伸井眼钻头旋转，破碎岩石为动力机提供动力清洗井底连续管图5－3连续管钻井示意图连续管钻井法(柔杆钻井法)特点：(1)连续管钻井实现了起、下钻的连续机械化，节省了时间和劳动量；(2)在起下钻时仍能保持洗井液的正常循环；(3)由洗井液直接提供破岩钻进的能量，大大提高了能量的有效利用率；(4)为全自动化控制提供了很好的条件；(5)具有巨大的发展潜力，目前正在发展、完善中。顶部驱动旋转钻井法所谓的顶驱，就是可以直接从井架空间上部直接旋转钻柱，并沿井架内专用导轨向下送进，完成钻柱旋转钻进，循环钻井液、接单根、上卸扣和倒划眼等多种钻井操作的钻井机械设备。顶部驱动旋转钻井法第二节钻井设备钻机：石油钻井的地面配套设备，由多种机器设备组成的一套大功率重型联合工作机组，可以满足完成钻进、接单根、起下钻、循环洗井、下套管、固井、完井及特殊作业和处理井下事故等要求。图6－4大庆I－130型钻机1天车，2悬臂吊绳缆，3钻井大绳，4二层台，5游车，6顶驱，7井架，8方钻杆，9司钻偏房，10防喷器，11水箱，12电缆托盘，13发电机组，14储油罐，15电气控制房，16泥浆泵，17泥浆桶箱，18泥浆罐，19泥浆池，20离心器，21振动筛，22节流管汇，23管子坡道，24钻杆架，25蓄电池钻机的组成及功能1、旋转系统3、起升系统2、循环系统4、动力与传动系统5、操作控制系统6、井控系统三大工作机组钻机的组成及功能水龙头、转盘1、旋转系统(1)组成(2)功能保证在洗井液高压循环的情况下给井下钻具提供足够的旋转扭矩和动力，以满足破岩钻进和井下其它要求。保证在洗井液循环时钻柱能够旋转带动整个钻柱及钻头旋转图6－4大庆I－130型钻机钻机的组成及功能泥浆泵、泥浆净化装置(固相控制设备)和泥浆槽、罐等2、循环系统(1)组成(2)功能①从井底清除岩屑；②冷却钻头和润滑钻具。图6－5洗井液循环系统示意图图6－4大庆I－130型钻机钻机的组成及功能2、循环系统洗井:清洗井底、运移岩屑出井的工艺过程。洗井液功能及类型:洗井液：在钻井过程中，能够完成洗井循环而达到清洗井眼目的的流体。包括泥浆、清水、空气和天然气。类型:水基体系、油基体系和空气一天然气体系用的最多用的最少固相颗粒悬浮在水或油中所形成的一种分散体系钻机的组成及功能2、循环系统(1)清洗井底携带岩屑(2)悬浮岩屑(3)阻止地层中油、气、水流入井内(4)保护井壁，防止井壁坍塌(5)冷却、润滑钻头和钻柱(6)向井底传递水功率(7)了解地层(8)减轻钻柱或套管拄的悬重洗井液功能钻机的组成及功能3、起升系统(1)组成(2)功能②起下钻、接单根和钻进时的钻压控制。①下放、悬吊或起升钻柱、套管柱和其它井下设备进、出井眼；井架、天车、游动滑车、大绳、大钩及绞车图6－4大庆I－130型钻机钻机的组成及功能动力机、传动部分4、动力与传动系统(1)组成(2)功能产生动力，并把动力传递给泥浆泵、绞车和转盘。柴油机或电动机联轴器、离合器、变速箱、皮带传动及链条传动等装置图6－4大庆I－130型钻机钻机的组成及功能5、控制操作系统常用的有机械控制、气控、电控、液控等方式。现代机械驱动钻机主要采用集中气控。(1)分类：(2)功能：确保对整个钻机各个工作机构及其部件的准确、迅速控制，使整机协调一致的工作。图6－4大庆I－130型钻机钻机的组成及功能6、井控系统(1)组成：防喷器组、钻井四通、节流管汇、压井管线以及液、气压控制机构组成。(2)功能：控制井内的压力，防止地层流体无控制地流入井中。图6－4大庆I－130型钻机钻机的组成及功能钻机的组成及功能钻机的组成及功能第三节钻机的分类（钻井深度）大型钻机超深井钻机深井钻机浅井钻机H5000mH1500mH＝3200～5000m轻便钻机井深1000m，89～140mm钻杆，井径160mm，H1000m，50～89mm钻杆，井径150mm，勘探井、水井中深井钻机H＝1500～3200m钻机的分类（动力设备）柴油机驱动钻机直流电驱动钻机交流电驱动钻机以柴油机为动力，通过机械传动或液力传动的钻机工作机用直流电动机驱动。通常用于海上钻井工作机用交流电动机驱动钻机的分类（使用地区）陆地钻机海洋钻机陆地（包括沙漠、沼泽等）使用的钻机自升式钻井平台半潜式钻井平台钻井船钻井固定平台各种类型的钻机浅海钻机用于0-5m水深的沿海岸潮向带钻井的钻机沙漠钻机陆地（包括沙漠、沼泽等）使用的钻机第四节钻机基本参数钻机的基本参数是反映其工作性能的主要技术规范和指标，它是设计、制造和使用钻机的基本依据。在国家标准GBl806-86“石油钻机型式与基本参数”中共选定了十项基本参数，作为我国目前设计、制造和选用钻机及钻机部件共同遵守的技术法规，见表5-1。上述国家标准在1993年由全国石油钻采设备和工具标准化委员会在复审中改为SY／T5609-93《石油钻机形式与基本参数》，而其中内容没有变化。把原强制性国家标准变成了一个自愿性(推荐性)的行业标准。在《石油钻机形式与基本参数》标准的指导下，我国石油经过20年的不断发展，已生产出ZJl5、ZJ20、ZJ32、ZJ45和ZJ60共5级钻机，为我国天然气勘探开发作出了重大贡献。在国内油田长期使用和近年来实施的境外钻井经营以及与国外技术和产品的交流活动中，显现出该标准不能完全适应当前形势而需要修订。故于上世纪末修订成为SY／5609-99《石油钻机形式与基本参数》(见表5-2)。1.名义钻井深度L与名义钻深范围名义钻井深度L定义为:在标准规定的钻井绳数下，使用114mm钻杆时可钻达的最大井深。它等于名义钻深范围的上限Lmax。，名义钻深范围是指该级别钻机能够经济利用的最小井深Lmin至最大井深Lmax，即对于井深在Lmin～Lmax范围内的井，采用该型钻机钻井是经济合理的。井深范围下限在标准中是按名义钻井深度的50～70％确定的，这与国外多数公司保持一致。在原标准中是按127mm钻杆确定名义钻井深度，这与我国钻井实践相适应。在这次标准修订中，为与国际接轨，参照API标准，名义钻井深度是按114mm钻杆来确定的，它与美国及大多数国家的习惯保持一致。在该标准中，仍保留了采用127mm钻杆钻井时的名义钻井深度，以适应国内钻井实践。2.最大钩载Qmax与最大钻柱重量Qmax最大钩载Qmax:定义为在标准规定的最大绳数下，在下套管或解卡等其它特殊作业时，指重表上不允许超过的载荷极限值。所谓最大钩载即大钩上不允许超过的极限载荷，它包括大钩上所承受的静载荷和动载荷。它是起升系统各部件的主参数，起升系统各部件及转盘水龙头的设计皆按Qmax设计。最大钻柱重量Qmax：定义为在标准规定的钻井绳数下，正常钻井或进行起下作业时，大钩所允许承受的最大钻柱在空气中的重量(质量)。当采用127mm钻杆时，q＝36kg／m，它是由直径为127mm，壁厚δ＝9.19对焊接头的钻杆柱(包括接头)与长约100m，直径178mm钻铤在空气中的重量之和除以最大钻柱全长所得的平均值。当采用114mm钻杆时q=30kg／m。名义钻柱钩载Q静max在起升钻具过程中，大钩匀速提升井中钻柱时所承受的载荷称为大钩静载荷Q静。而当在名义井深起升最大钻柱时，大钩所承受的载荷称为名义钻柱钩载Q静max。在最大钻柱起升时，起升速度很低(0.5米/秒左右)，起升动载很小，钻杆柱受到井壁的摩擦阻力和井中泥浆浮力可近似认为互相抵消，所以把名义钻柱钩载近似地认为等于最大钻柱在空气中的重量载荷。我国钻机系列的钩载储备系数对于前7级在1．88—2．25之间，而后2级为2．52和2．53。k值越大说明钻机下套管、解卡能力越强。游动系统载荷Q游大钩载荷加上游动系统部件的固定重量载荷就形成游动系统载荷Q游Q游＝Q静+10Gt式中：Gt为游车、大钩、吊环、吊卡与钢绳的固定重量(约为5～18t)，可由实际重量计算或近似估算Gt＝K1Qmax，对于ZJl5、20钻机K1＝0.05；ZJ32以上钻机K1＝0.04。3．绞车输入功率绞车输入功率即绞车的额定功率，它指绞车输入轴上所输入功率的最大值。4．起升系统绳数Z钻井绳数Z为钻井时的游车上方有效工作绳数。最大绳数Z一为起升系统配备的最大可能的绳数，只用于下套管和解卡作业，它确定了游动系统的结构，即例如ZJ32钻机最大绳数为10，即游动系统结构“游轮数X天车轮数”为5×6。5．钢绳直径GBl806-86规定，各级钻机均选用园股钢丝绳中的6X(19)纤维绳芯或6X(19)+7X7金属绳芯钢丝绳(图5-9)。钢丝绳直径指钢绳两个对称股的外圆的距离。表5-4最大泵压系列是根据喷射钻井工艺实践经验以及经过水力计算结果园整后决定的。钻井泵工作压力：P＝Pb＋PcPc为循环管路压力降，它等于地面管汇，钻杆柱内，钻铤内及钻柱环空压降之和。Pb为钻井液通过钻头喷嘴的压力降，为满足喷射钻井的要求Pb＝10～15Mpa。Qmin－泵最小排量，它是泵在最小缸套时的排量。它应能满足单泵在钻井时洗井的要求，从浅井到深井Qmin＝10～25L/sη泵－钻井泵的总效率。η泵＝0.75～0.90在旧标准中，每台钻机一般配置是2～3台同级别或不同级别的钻井泵，以满足钻井工艺的要求(见表5-1)，故钻井泵泵组功率N∑＝∑N泵而新标准中规定了单泵最小功率，即希望可能在全井段(表层除外)实现单泵钻井，(见表5-2)以轮休保养泵，提高钻井效率减少辅助时间。7．转盘开口名义直径D转盘开口直径D为转盘取出大主补心后转台内的最大通孔直径，它是转盘的主参数。它根据各级钻机钻最大井深开钻用的最大钻头直径Dbmax,它由下式确定DDbmax+10mm