第二节 钻井工艺概述

第二节钻井工艺概述石油钻井是一项复杂的系统工程，涉及到地质、化学、力学、机械、石油工程等多学科的现代化技术和应用。本节概略介绍常规钻井（通常指直井）的钻井方法、钻井工艺过程、钻井参数。一、钻井方法从地面钻一孔道直达油气层即钻井（图2.2）。钻井的实质就是要设法解决破碎岩石和取出岩屑、保护井壁、继续加深钻进方面的问题。钻井的方法主要有两种：顿钻钻井法和旋转钻井法。图2.2井的示意图1.顿钻钻井法顿钻钻井法又称冲击钻井法。相应的钻井设备称顿钻钻机或钢绳冲击钻机。其设备组成及工作原理如图2.3所示。图2.3顿钻设备的组成1)顿钻钻井的基本原理周期地将钻头提到一定的高度向下冲击井底，破碎岩石。在不断冲击的同时，向井内注水，将岩屑、泥土混成泥浆，等井底泥浆碎块积到一定数量时，便停止冲击，下入捞砂筒捞出岩屑，然后再开始冲击作业。如此交替进行，加深井眼，直至钻到预定深度为止。2）顿钻钻井的特点顿钻法钻井，破碎岩石、取出岩屑的作业都是不连续的，钻头功率小、效率低、速度慢，远不能适应现代石油钻井中优质快速打深井的要求。2.旋转钻井法旋转钻井法即利用驱动设备驱动钻头旋转并给钻头施加钻压破碎岩石，利用钻井液取出岩粉，使井眼连续不断的加深的钻井方式。根据驱动方式的不同主要分为以下两种类型：①地面驱动转盘旋转钻井和顶部驱动钻井法②井下动力钻具旋转钻井法。①转盘旋钻和顶部驱动井法转盘旋钻井法的设备组成和工作原理如图2.4所示。钻进过程：井架、天车、游车、大钩及绞车组成起升系统，以悬持、提升下放钻柱。接在水龙头下的方钻杆卡在转盘中，下部承接钻杆柱、钻铤、钻头。钻杆柱是中空的，可通人清水或钻井液。工作时，动力机驱动转盘，通过方钻杆带动井中钻杆柱，从而带动钻头旋转。控制绞车刹把，可调节由钻柱重量施加到钻头上的压力即俗称钻压的大小，使方钻杆钻头以适当压力压在岩石面上，连续旋转破碎岩层。携岩过程：旋转钻井携岩通过钻井液的循环实现。钻井液的循环路线如下：（与泥浆罐连通）泥浆泵→地面管汇→立管→水龙头→钻杆柱内腔→钻头→井底→环形空间→泥浆净化系统→泥浆罐（如图2.5）钻井液循环连续带出被破碎的岩屑并保护井壁。图2.5钻井液循环线路图示转盘旋转钻井的特点：钻杆代替了顿钻中的钢丝绳，钻头加压旋转代替了冲击，钻井液连续循环携带岩粉。因此转盘旋转钻井法破碎岩石和取出岩屑都是连续的，克服了冲击钻井的缺点，提高了钻井效率。80年代研究开发了顶驱钻井系统，首先成功地应用于海洋钻机，目前已迅速应用到陆地深井、超深井钻机上，呈现良好的发展前景。顶驱钻井系统的设备组成、工作原理将在以后介绍。②井下动力钻具旋进钻井法从顿钻到转盘钻井，是钻井方法上的一次革命。但随着钻井深度的增加，钻杆柱在井中旋转不仅要消耗过多的功率，且容易引起钻杆折断事故，这就促使人们朝钻杆不转或不用钻杆的方向去寻求驱动钻头的方法。将动力装置放到井下去，从而诞生了井下动力钻具旋转钻井法。井下动力钻具的种类：井下动力钻具主要有三类：螺杆钻具和涡轮钻具和冲击器。目前主要用螺杆钻具和涡轮钻具（如图2.6,2.7）两种。冲击器处于研发、推广应用阶段。图2.6涡轮钻具图2.7螺杆钻具单弯螺杆钻具井下动力钻具的工作原理：对于螺杆钻具和涡轮钻具，工作时，钻井泵将高压钻井液从钻柱内腔泵入动力钻具驱动动力钻具转子带动钻头旋转，实现破岩钻进。对于冲击器是利用冲击发生器将高压钻井液转化为冲击能量传递给钻头破碎岩石。二、钻井工艺过程一口井从开钻到完钻要经过破碎岩石、取出岩屑并保护井壁、固井和完井多道工序。石油机械工程技术人员必须掌握井的钻井过程，了解钻机的使用操作及钻井工艺对钻井设备提出的要求。1.钻井工程设计钻井工程设计是钻井过程的指导书，主要包括如下内容：①地层资料②井眼轨迹设计③井身结构设计④钻井设备及钻具组合设计⑤钻井参数⑥钻井液2.钻前准备在确定井位、完成井的设计后，钻前工程是钻井施工中的第一道工序，它主要包括：(1)修公路。修建通往井场的运输用公路，以便运送钻井设备及器材等。(2)井场及设备基础准备。根据井的深浅、设备的类型及设计要求来平整场地，进行设备基础施工(包括钻机、井架、钻井泵等的基础)。(3)钻井设备搬运及安装。包括设备就位、找正、调整、固定；钻井循环管线和油、气、水、保温管线及罐的安装等。(4)井口设备准备。包括挖圆井(或不用)、下导管并封固、钻鼠洞及小鼠洞等。3.钻进钻进是以一定压力作用在钻头上，并带动钻头旋转使之破碎井底地层岩石，井底岩石被破碎后所产生的岩屑通过循环钻井液被携带到地面上来的作业。钻进作业工序：概括起来钻进作业可包括如下5道工序：①下钻将由钻头、钻铤、方钻杆组成的钻杆柱下入井中，使钻头接触井底，准备钻进。②正常钻进又称纯钻进。启动转盘(或井底动力钻具)通过钻杆柱带动井底钻头旋转，给钻头施加适当的压力(钻压)以破碎岩石。与此同时，开动泥浆泵循环泥浆，冲洗井底，携出岩屑，保护井壁，冷却钻头。根据不同的地层情况、钻进深度、钻头类型等，使钻头转速n(r/min)、钻压P(KN)、泵流量Q(L/min)和泥浆性能各自处于最佳参数值，以取得最快的钻进速度。③接单根随着正常钻进的继续进行，井眼不断加深，需不断地接长钻杆柱；每次接入一根钻杆，此作业称为接单根。采用顶驱钻井系统时，每次接入一立根(由2到3单根组成)。④起钻需要更换新钻头时，便将井中全部钻柱取出，称起钻作业。每次起卸一立根，每一立根构成一个起钻操作循环。⑤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。换完钻头，便又开始下钻，重复上述作业：下钻→正常钻进→接单根(立根)→起钻→换钻头→下钻，构成正常钻进作业的大循环，直至钻达预定井深。钻进作业的各道工序中，仅纯钻进取得钻井进尺，其余是辅助操作。4.固井固井是在已钻成的井眼内下入套管，然后在套管与井壁之间的环形空间内注入水泥浆(在套管的下段部分或全部环空)将套管和地层固结在一起的工艺过程。目的：防止复杂情况以保证安全继续钻进下一段井眼(表层、技术套管)或保证顺利开采生产层中的油、气(油层套管)。图2.7套管层次示意依井身结构的不同，钻井过程中有时仅需下一层套管(如油层套管)；有时需下多层套管(如表层套数、技术套管、油层套管），最终形成一串轴心重合的套管柱（如图2.7所示）。因此一口井往往需要数次固井作业。KS1、KS101井井身结构示意图26”*285.4920”*28317½”*3544.2133/8”*354012¼”*502895/8”*50258½”*64817”*4025+5½”*(4025-6479)171/2”*300.16133/8”*300.1612¼”*410295/8”*41008½”*6429.367”*6428.2257/8”*68505”*(6840-6261)5.完井1）概念完井为钻开生产层，确定油、气层和井眼的连通方式即完井井底结构，确定完井的井口装置及有关技术措施的作业环节。2）目的使油层具有最大的渗透面；油藏与油井有最好的流通性；防止油、气、水互窜；对多层油井，能保证各油层互不窜通，以便进行分层开采。3）常规完井方式①射孔完井法钻开整个油层后，下油层套管注水泥，再下射孔枪，发射子弹射穿套管、水泥环和油层，使油层与油井通过这些弹孔孔道相连通。②裸眼完井油层完全裸露，油层内不下任何管柱。有先期裸眼完井和后期裸眼完井两种方式。③贯眼完井法钻完油层后，在油层部位下入带眼的套管（筛管），只用水泥将油层以上的套管封固起来(水泥伞可以防止筛管处进水泥)。④衬管完成法油层套管下到油层顶部，固井；再钻开油层，下入带孔眼的衬管。