钻井工艺技术培训教材

钻井工艺培训材料王永福2004年8月第一章钻井设备第二章钻头及钻柱第三章大庆油田钻井液体系第四章钻井工艺技术及流程第五章钻井油气层保护技术第六章大庆钻井新技术一、概述钻机是钻井地面设备的总称。目前常用的钻井方法是旋转钻井。它的工作原理是:利用钻头旋转破碎岩石,形成井身;利用钻柱将钻头送到井底;利用起升设备起下钻柱;利用转盘或井下动力钻具带动钻柱和钻头旋转;利用泥浆泵循环钻井液带出井底岩屑。为此,钻井工艺对钻机有以下基本要求:旋转钻头的能力。要求钻机能提供足够的扭矩和转速,并维持一定的钻压。起下钻具的能力。要求具有一定的起重量和起升速度,并有一定的超载能力。洗井的能力。要求能提供足够的水力能量,以适应洗井和喷射钻井的需要。为适应钻机搬迁的特点,还要求钻机容易安装、拆卸和运输。第一章钻井设备概括地说钻机是由动力机组、传动机组、工作机组、辅助机组及控制机组等组成。第一章钻井设备钻井按其工作性质又可分为八个部分1.提升系统设备，它是一套大功率的起重设备。主要由钻井绞车、游动系（钢丝绳、天车、游动滑车及大钩）、悬挂游动系统的井架及起升操作用的工具（如：吊钳、吊环、吊卡、卡瓦及上扣器等）组成（图1-1）。它的主要作用是起下钻、换钻头、均匀送钻、下套管及进行井下特殊作业等。第一章钻井设备2.泥浆循环系统设备,主要由泥浆泵、地面高压循环管汇、水龙带、水龙头、钻柱、泥浆净化及调配设备等组成（图1-3）。它的主要作用是清洗井底、携带岩屑、在喷射钻井及井下动力钻具钻井顶部驱动钻井中，还起到传递动力的作用。第一章钻井设备3.地面旋转钻进设备,主要由转盘、水龙头、方钻杆、钻杆、钻铤及钻头等组成。它的主要作用是不断地破碎岩石,加深井眼及处理井下的复杂情况等。4.动力驱动设备,它属于钻机的动力机组,是驱动起升、旋转和循环等三大工作机组的动力设备。钻机用的动力设备主要是柴油机,其次是交流或直流电动机。第一章钻井设备5.传动系统设备,它属示钻机的传动机组。其主要作用是联结动力机与工作机组,并将动力传递到各工作机组(图1-4)。传动系统设备主要由减速箱、离合器、传动皮带轮、传动链轮及并车、倒车机构等组成。根据能量传递的方式不同,可分为机械、液压及液力传动。6.控制系统设备,它属于钻机的控制机组。控制的内容包括发动机的启动、停车、变速和并车等,绞车、转盘、泥浆泵等工作机组的启动、停车、调速和换向等。控制的方式有机械、气动、液压和电力控制等,随钻机的类型不同而异。控制系统的主要作用是远距离操作指挥和协调各机组正常工作。第一章钻井设备7.钻机底座,它属于钻机的辅助机组,包括井架、钻台动力机、传动系统和泥浆泵等的底座。它主要用于安装钻机的各机组,是钻机不可缺少的组成部分。8.辅助设备,它属于钻机的辅助机组,包括供气设备、供水设备、供电设备、钻鼠洞设备、防喷设备、防火设备、辅助起重设备及保温设备等。它是为整套钻机服务的,是钻机不可分割的部分。第一章钻井设备井架与起升系统一、井架井架是钻机起升系统的组成部分。它的主要作用是安装天车、悬挂游车、大钩、水龙头、方钻杆、钻杆及钻链等设备,相当于起重设备的支架,并可存放钻柱。因此,钻井对井架的基本要求是：必须有一定的高度和空间;便于安装、存放钻柱等设备和有利于安全快速地进行起下钻作业;应具有足够的承载能力,以适应井下情况的需要:结构要简单、轻便,便于搬迁、拆装和维修。•目前国内常用的石油钻井井架有塔型和A型两种。第一章钻井设备二、天车和游车1、天车钻机的天车和游车用钢丝绳穿起来,共同组成了钻机的复滑轮系统(或叫游动系统)。天车是定滑轮组,固定在井架的顶部;游车是动滑轮组,在井架内部的空间上下往复运动。它们的主要作用是省力,减轻钢丝绳和钻机绞车的负载,用十多吨的力可起升上百吨的钻柱，获得极大的机械效益。2、游车游车和天车一样,型号较多,其基本结构大同小异。第一章钻井设备三、大钩大钩是起升系统的设备之一,正常钻进时悬挂水龙头、承受井下钻柱的重量,起下钻时悬挂吊环吊卡完成起下作业。对大钩有以下基本要求：有足够的承载能力,能缓冲减震、转动灵活、安全制动、操作方便,结均紧凑、简单。第一章钻井设备四、钻井绞车绞车是起升系统设备的起重部分,随钻机的类型不同,形式有所差异。绞车传动机构的主要作用是传递动力，以不同的速度驱动转盘和滚筒。绞车的刹车机构，钻进时,通过施加在刹把上的压力大小，可以均匀控制滚筒的运动速度和大钩的负荷,从而向钻头施加钻压,确保正常钻进。第一章钻井设备一、水龙头水龙头是旋转、起升与循环系统连接的纽带。它承受井内钻柱的全部重量,保持钻具的自由旋转与水龙带相接,将钻井液注入井底,承受循环过程中的高泵压,同时连接钻进过程中不转动有的大钩与转动的方钻杆。水龙头与转盘第一章钻井设备二、转盘转盘是钻机旋转系统设备之一。其主要作用是：在转盘钻井中,旋转钻头破碎法石;使用井下动力钻具时,承受反扭矩:起下钻作业中支撑和悬挂钻柱,承受轴向负荷,完成上卸扣的操作,处理井下复杂情况和进行井下打捞作业时旋转钻柱等。第一章钻井设备三、转盘的传动方式转盘的传动方式,随钻机的类型不同而有所差异。现场上常见的有两种方式：一是绞车驱动；二是万向轴驱动。1.绞车驱动（又叫链条驱动）转盘的动力是经过绞车的链条传递到转盘上的。其主要优点是简化了传动方式,传动距离大,但要受绞车情况的影响和限制。第一章钻井设备2.万向轴驱动万向轴驱动的动力是经过绞车的双排活动链轮（或经传动系统）直接到变速箱,再经变速箱通过万向轴驱动转盘，它的最大特点是不受绞车位置的影响和限制,操作上方便、灵活,变速档次多。第一章钻井设备泥浆泵泥浆泵是钻机循环系统设备之一,它象人的心脏一祥。常规钻进时,循环钻井液,清洗井底,辅助钻头更有效地破碎岩石；使用井下动力钻具时,通过泵入的钻井液,传递动力带动钻头转动；喷射钻井中,通过泵入的高压钻井液，经过喷嘴转换成水力能量,清洁井底并对岩石直接进行水力破碎,提高钻进速度。根据钻井生产技术发展的需要,对泥浆泵的要求愈来愈高,但其基本要求是：功率大、泵压高、排量大、流量稳定,耐腐蚀、耐磨损、易损件寿命长,重量轻、体积小、拆修方便、自动化程度高。第一章钻井设备泥浆循环流程泥浆循环系统主要由泥浆泵、高压管线、水龙带、水龙头、钻柱及泥浆净化设备等组成。其循环流程如下:动力机驱动泥浆泵,泥浆泵从泥浆池中吸入钻井液,通过泥浆泵增压后进入高压泥浆管线、立管、水龙带、水龙头、钻柱,经钻头水眼冲向井底,然后由钻柱与井壁的环形空间返出井口,再经泥浆净化设备流回泥浆池。第一章钻井设备泥浆净化装置泥浆中的固相含量高时,降低钻速、加剧钻头磨损、污染泥浆性能、污染油气层、影响固井质量等。钻井时要及时清除泥浆中的固相含量，泥浆中固相含量的清除常用机械清除法和化学清除法。机械清除法是利用重力沉淀、筛滤和离心旋流等机械方法清除泥浆中的固相含量。此法在现场上普遍采用（采用震动筛、除砂器等固控设备）,以清除大于l0微米的钻屑。化学清除法是利用选择性的聚沉剂,保留泥浆中的粘土颗粒,对普通粘土颗粒起聚沉作用而达到清除有害固相的目的。此法可清除小于10微米以下的固相颗粒,以弥补机械清除法的不足。第一章钻井设备第一章钻井设备第二章钻头及钻柱第三章大庆油田钻井液体系第四章钻井工艺技术及流程第五章钻井油气层保护技术第六章大庆钻井新技术第二章钻头及钻柱钻头钻头分为：刮刀钻头、牙轮钻头、金刚石钻头等。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。这是由于牙轮钻头具有冲击、压碎和剪切破碎岩石的作用，牙轮钻头与井底的接触面积小、比压高，工作扭矩小，工作刃总长度大等特点。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。第二章钻头及钻柱三、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。近年来大庆油田中深井钻井口数在不断增加，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。第二章钻头及钻柱钻柱在钻井过程中,将方钻杆、钻杆、钻铤等用各种接头连接起来组成入井的管串称为钻柱。钻柱有如下基本作用：（1）通过它把钻头下到井底和提升到地面。钻井过程中,无论钻头能钻多深,都必须通过钻柱来实现。（2）钻柱的钻挺部分是加钻压用的,使钻头能更有效地吃人地层（禁止用钻杆部分来加压,否则钻杆磨损快、断裂快），并能防斜。（3）把旋转运动传给钻头，钻杆可以看作是一根由转盘驱动的传动轴。（4）钻柱将钻井液从地面传送到钻头处,因而,钻柱也是一根竖直的导管。（5）进行特殊作业,如挤水泥、处理井下事故等。钻柱是联通地面和地下的枢纽,工作条件十分复杂,正确的管理、使用钻柱是非常重要的。第二章钻头及钻柱钻钻铤钻头铤钻铤钻杆稳定器稳定器一、钻铤钻挺接在钻头上面,主要是给钻头施加钻压和防止井斜，因此它壁厚而粗大，单位长度重量大。壁厚一般是38~53毫米,相当于同尺寸钻杆的4~6倍。它的直径一般与钻杆接头直径相等。这样可以增强刚度，受压时不易弯曲，因而有利于钻直井眼。二、钻杆钻杆是钻柱的基本组成部分。它是用无逢钢管制成，壁厚一般为9~11mm。其主要作用是传递扭矩和输送钻井液,并靠钻杆的逐渐加长使井眼不断加深。因此,钻杆在石油钻井中占有十分重要的地位。三、方钻杆方钻杆位于钻柱的最上端,有四方形和六方形两种。钻进时,方钻杆与方补心、转盘补心配合,将地面转盘扭矩传递给钻杆，以带动钻头旋转。四、稳定器在钻铤柱的适当位置安装一定数量的稳定器，组成各种类型的下部钻具组合，可以满足钻直井时防止井斜的要求，钻定向井时可起到控制井眼轨迹的作用。此外,稳定器的使用还可以提高钻头工作的稳定性,从而延长使用寿命，这对金刚石钻头尤为重要。第二章钻头及钻柱第一章钻井设备第二章钻头及钻柱第三章大庆油田钻井液体系第四章钻井工艺技术及流程第五章钻井油气层保护技术第六章大庆钻井新技术第三章大庆油田钻井液体系大庆油田钻井液现状、体系基本配方及性能要求大庆油田在长期的钻井生产实践中，钻井液的发展由早期的钙处理泥浆、三钾基泥浆，发展为目前所使用的两性复合离子体系、乳液高分子体系、钾胺聚合物体系、甲酸盐体系及油基钻井液等。一、两性复合离子钻井液体系：该体系在大庆油田外围开发井、勘探井中应用较多，其特点是具有较稳定的性能，抗高温性能较好。1、基本配方膨润土4~6%纯碱0.2~0.3%NPAN0.3~0.5%FA-3680.2~0.3%XY-280.2~0.3%SPNH1.0~2.0%有机硅腐钾0.8~1.0%KOH0.04~0.06%第三章大庆油田钻井液体系2、钻井液性能要求两性复合离子钻井液密度，g/cm3执行地质要求漏斗粘度，s50~70失水/泥饼(API)，ml/mm4/1PH值8~9塑性粘度，mPas23~33屈服值，Pa8~12n值0.65~0.55K值,Pasn0.3~0.610秒钟切力，Pa1.0~2.010分钟切力，Pa4.0~6.0含砂量，%0.6电阻率（18℃），Ωm≥3.5钻井液类型钻井液性能第三章大庆油田钻井液体系二、乳液高分子钻井液体系该体系在大庆油田老区调整井，二次及三次加密井中使用较多，其特点是成本低，配制容易。1、乳液高分子体系钻井液配方：膨润土5t+纯碱160kg+清水50m3预水化24h，用JS-E将粘度调至40~45s，密度