1、石油工程概论 李宾飞 副教授 办公地点：工科楼B418 电话 ： 15253288551 E-mail：第六章 油气钻井方法及工艺 钻井：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。 第一节 钻井方法 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。不同钻井方法所采用的工具和工艺不同。 区别：如何破碎岩石、怎样取出岩屑、净化井眼、稳固井 眼。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 钻井方法一、顿钻钻井法 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
2、水浆 暴露新井底 下放 下捞砂筒 向井内注水 积累到一定量 设计井深一、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。二、旋转钻井法 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（ 1 ） 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（ 1 ） 转盘旋转钻井法 转盘旋转钻井法 特点： 目前该方法在世界各国被广泛使用。 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
3、渠道等任务； 钻头在一定的钻压作用下旋转破岩，提高 了破岩效率； 在破岩的同时，井底岩屑被清除出来； 提高了钻井速度和效益。（2）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（2）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（2）井底动力钻具旋转钻井法 特点： 转动钻头的动力由地面移到井下，直接接 在钻头之上； 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； 井底动力钻具的动力是
4、由电源或地面泥浆 泵提供的、通过钻柱内孔传递到井下的洗井 液流体或交流电。三、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 连续管钻井示意图三、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。第二节 钻井类型 井的类型：由于钻井的目的、要求不同而
5、产生的 通过钻井而达到探明地质情况，获取地下地层 油气资源分布及相应性质等方面资料的井。 1.探井 2.开发井 以开发为目的，为了给已探明的地下油气提供 通道，或为了采用各种措施使油气被开采出来所钻 的井。探井 地质浅井 地质探井 预探井 详探井 资料井 为配合地面地质和地球物理工作，以了解区域地质构 造，地层剖面和局部构造为目的的浅井 以了解地层的时代、岩性、厚度、生储盖层组合，并 为地球物理解释提供各种参数为目的而钻的井 在地震详查和地质综合研究所确定的有利构造上以发 现油气藏为目的所钻的探井 在已发现油气的构造上，以探明含油气的面积和储 量，了解油气层结构变化和产能为目的所钻的井 为编制
6、油气田开发方案，或在开发过程中为某些专题 研究取得第一手资料数据而钻的井开发井 油气井 注入井 观察井 为开发油气田，用大中型钻机所钻的采 油、采气井，也叫生产井。 为合理开发油气田，提高采收率及开发 速度，用以对油气田进行注气、注水以 补充和合理利用地层能量所钻的井。 在已开发的油气田内，为了研究开发过 程中地下情况的变化所钻的井。第三节 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。 大庆I 130型钻机钻机的分类 大型钻机 超重型钻机 重型钻
7、机 中型钻机 H5000m，W2500kN H10002500m W8001600kN H30005000m W20002500kN 轻便钻机 H5000m，W800kN， 89 140mm钻杆，井 径 160mm，深井 H3000m，W300kN， 42 89mm钻杆，井 径 150mm，勘探井、水井 (1)按钻井深度分类钻机的分类 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 (2)按动力设备分类钻机的分类 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
8、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 (3)按使用地区分类钻机的分类 自升式钻井平台 半潜式钻井平台钻机的组成及功能 1.起升系统 2.旋转系统 3.循环系统 4.驱动与传动系统 5.气控系统 6.井控系统1.起升系统 (1)组成 (2)功能 起下钻、接单根和钻进时的钻 压控制。 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 大庆I 130型钻机 钻机的组成及功能1.起升系统 钻机的组成及功能1.起升系统 钻机的组成及功能1.起升系统 钻机的组成及功能1.起升系统 钻机的组成及功能水龙头、转盘 2.旋转系统 (1)组成
9、 (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 转的设备 钻机的组成及功能2.旋转系统 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 3.循环系统 (1)组成 (2)功能 从井底清除岩屑； 冷却钻头和润滑钻具。 洗井液循环系统示意图 钻机的组成及功能动力机、传动部分 4.驱动与传动系统 (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 钻机的组成及功能
10、5.气控系统 控制面板(控制机构)、传输管线和阀门、 执行机构以及压气机等。 (1)组成： (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。 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。 钻机的组成及功能6.井控系统 钻机的组成及功能 防喷器井架 天车 游动滑车 大钩 水龙头 转盘 绞车 泥浆泵 柴油机 传动装置 钻井现场“十大件” 钻机的组成及功能 钻井设备： 6大系统 10大件第四节 钻井工具 井下钻具 井口工具 一、井
11、下钻具 水龙头以下至钻头的管柱和工具的总称。 主要包括钻头和钻柱。 1.钻头 直接破碎岩石形成井眼的工具。 影响钻井速度最直接的因素之一衡量钻头破岩效率高低的主要指标 用钻头的进尺除以纯钻进时间，即单位纯钻进时 间的钻头进尺，表示钻头破碎岩石的能力和效率，单 位为mh。 钻头寿命： 在整个使用过程中，钻头在井下的纯钻进时间 (包括划眼在已钻出的井眼内旋转送钻、修整井 壁的过程)，单位为h； 钻头进尺： 在钻头寿命内，其钻进的井段长度，单位为m； 机械钻速：钻头的分类 按照钻切岩石面积及形状的不同： 全面钻进钻头 取心钻头 特种钻头 按照结构特点和破岩机理的不同： 刮刀钻头 牙轮钻头 金刚石钻头
12、钻头的分类(刮刀钻头) (1)刮刀钻头 图66 刮刀钻头 切削型钻头 适用地层：松软地层 工作原理：工作时其刀翼在钻压作用下吃入岩石， 并在扭矩作用下剪切破碎岩石。 破岩方式：以刮削、挤压和 剪切为主的方式钻头的分类(刮刀钻头) 刀翼数 刀冀底刃的形状 两翼(鱼尾式)刮刀钻头 三翼刮刀钻头 四翼刮刀钻头 阶梯式刮刀钻头 平底式刮刀钻头 分类 优点： 缺点： 机械钻速较高 扭矩较大，控制不当易造成井斜 刮刀钻头的寿命取决于刀翼的寿命 图66 刮刀钻头钻头的分类(牙轮钻头) (2)牙轮钻头 组成：钻头体、水眼、巴掌、轴承和牙轮等。 图67 牙轮钻头钻头的分类(牙轮钻头) (2)牙轮钻头 破岩形式：
13、具有冲击、压碎和剪切等多种形式。 适用地层：从软到坚硬的各种地层。 工作原理：牙轮钻头在钻压和钻柱旋转的作用下，牙齿压碎并 吃入岩石，同时产生一定的滑动而剪切岩石。当牙轮在井底滚 动时，牙轮上的牙齿依次冲击、压入地层，这个作用可以将井 底岩石压碎一部分，同时靠牙轮滑动带来的剪切作用削掉牙齿 间残留的另一部分岩石，使井底岩石全面破碎，井眼得以延伸。钻头的分类(牙轮钻头) 牙齿与井底接触面积小、比压高、 工作扭矩小等 特点 多牙轮钻头 牙轮数目 分类 单牙轮钻头 双牙轮钻头 三牙轮钻头 最常用钻头的分类(金刚石钻头) (3)金刚石钻头 磨铣型钻头 破岩形式：破磨和铣削。 适用地层：坚硬地层。 钻头
14、体、切削齿、水眼、水槽等。 组成： PDC 钻头钻头的分类(金刚石钻头) 金刚石的来源 天然金刚石钻头 人造金刚石钻头 钻头的结构形状 金刚石钻头 金刚石刮刀钻头 聚晶金刚石复合片钻头(PDC钻头) 金刚石镶装特点 表镶金刚石钻头 孕镶金刚石钻头钻头的分类(取心钻头) 钻杆 取芯钻头 岩心 岩心筒 砂子钻头的分类(特种钻头) 矛形钻头：在换小钻头 之前用它打导眼，起找 中和领眼作用。 菱形钻头：它的侧边和底部都具 有刀刃，工作时都加焊硬质合金。 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。 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。 梯形钻头：是
15、当井眼直 径由大变小时,用来找中 的专门工具2.钻 柱 (1)定义 钻柱是用各种接头将方钻杆、钻 杆和钻铤等部件连接起来组成的入井 管柱，通常指钻头以上的钻具。 (2)功能 传递扭矩 施加钻压 输送洗井液 延伸井眼 起下钻头 特殊作业钻柱 (方钻杆) 方钻杆 传递扭矩和承受钻柱的全部重量。 作用： 性能： 具有较高的抗拉强度和抗扭强度。 图611 国产方钻杆 形状： 断面：中空的正方形或六边形 壁厚：比一般钻杆大三倍左右 材料：强度较大的优质合金钢 长度：一般为1316m钻柱 (钻杆与钻杆接头) 钻杆与钻杆接头 作用： 传递扭矩与输送洗井液 形状： 材料：无缝圆钢管制成的； 壁厚：一般为911
16、mm； 钻杆单根： 立根(或立柱)：三根钻杆连接在一起做为一个单元； 两端分别接上带粗扣的钻杆接头各一只(合 称一副)；钻柱 (钻铤) 钻铤 作用：给钻头施加压力并保持自身处于不 弯曲状态以防止井斜。 形状： 壁厚而粗大，一般是3853mm 单位长度重量大，相当于同尺寸钻杆的46倍。二 、 井口工具 指在起下钻过程中井口所用的工具。主要有吊钳、 吊卡、吊环、卡瓦、安全卡瓦、提升短节等。 (1)吊钳 (2)吊卡二 、 井口工具第五节 基本钻井工艺过程 1.钻前准备 修公路、平井场及打水泥基础、钻井设备的搬运 和安排、井口准备（打导管和钻鼠洞）、备足钻井所 需要的各种工具、器材等。 三个阶段： 钻
17、前淮备 钻进 固井与完井第五节 基本钻井工艺过程 2.钻进：进行钻井生产取得进尺的唯一过程。 基本工艺过程： 第一次开钻(一开)：下表层套管 第二次开钻(二开)：下技术套管 第三次开钻(三开)： 设计井深，下油层套管，进行固井、完井作业 每改变一次钻头尺 寸，开始钻一新的井 段的工艺叫开钻第五节 基本钻井工艺过程 3.固井 固井即是在已钻成的井眼内 下入套管，而后在套管与井眼 间的环形空间内注入水泥浆， 将套管和地层固结成一体的工 艺过程。 图6 15 固井后井眼 状况示意图第五节 基本钻井工艺过程 4.完井 包括用特定的方法连通油、气层和井筒，替喷 或抽汲等方法诱导油、气流进入井筒，然后进行油 气生产。 (END)
