钻井方法及工艺

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。
人工掘井
钻井方法 分 类
人力冲击钻井法 顿钻钻井法 目前普遍使用 旋转钻井法 连续管钻井法
一、顿钻钻井法
1.工艺过程
钢丝绳提升钻头 下放 冲击井底，击碎岩石 向井内注水 岩屑、泥土混合成泥水浆 积累到一定量 提出钻头 下捞砂筒 捞出井内的泥水浆 暴露新井底 设计井深 图6－1 顿钻钻井示意图
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
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、 钻井船和钻井固定平台上的各种类 型的钻机
二、钻机的组成及功能
1、起升系统 (1)组成 (2)功能
①下放、悬吊或起升钻柱、套管柱和其它井下设备进、出井眼；
指用手动卡紧机构来上、卸钻杆、钻铤丝扣和套管丝扣 的专用工具。 吊卡用来卡住钻杆接头，提升钻柱或悬吊钻柱。 吊环是悬挂在大钩上，用以悬挂吊卡的专用工具。
(2)吊卡和吊环
第五节 基本钻井工艺过程
三个阶段：即钻前淮备、钻进以及固井与完井 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。
(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、要求不同而产生的 1.探井 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 地质浅井 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
三、连续管钻井法(柔杆钻井法)
1.工艺过程
钻头、加压装置、动力机
连续管 下放至井底 为动力机提供动力 循环洗井液 钻头旋转，破碎岩石 清洗井底 延伸井眼
图6－3 连续管钻井示意图
2.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；
注入井
观察井
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。
图6－4 大庆I－130型钻机
一、钻机的分类
大型钻机
H>5000m，W>800kN， 89 ～ 140mm 钻杆，井径> 160mm，深井
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。
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。
十大件
钻 井 现 场
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
图6－11 国产方钻杆
②钻杆与钻杆接头 位于方钻杆与钻铤之间，是组成钻 柱的基本部分，无缝圆钢管制成的。 作用： 传递扭矩与输送洗井液
形状： 壁厚比方钻杆和钻铤薄，壁厚一般为9～11mm，内径大，
两端分别接上带粗扣的钻杆接头各一只(合称一副)，称为 钻杆单根。一般将三根钻杆连接在一起做为一个单元，称 之为立根(或立柱)。
2. 柱加压 吃入地层
(2)分类 涡轮钻具 螺杆钻具
动力钻具旋转
破碎岩石 循环洗井液
电动钻具
清洗井底
设计井深
(3) 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。
图6－15 固井后 井眼状况示意图
（完）
⑤起下钻头 钻头在井下工作是靠钻柱连接并传递扭矩和压力的。 ⑥特殊作业
(3)组成 ①方钻杆 位于钻柱的最上端，其上部与水龙头相接， 下部与钻杆连接。
作用： 传递扭矩和承受钻柱的全部重量。
性能： 具有较高的抗拉强度和抗扭强度
形状：
断面为中空的正方形或 六边形，壁厚比一般钻 杆大三倍左右，而且由 强度较大的优质合金钢 制成。一般长度为13～ 16米，比一般钻杆长2米 以上。
超重型钻机 重型钻机 1.钻井深度 中型钻机
H>5000m，W>2500kN H＝3000～5000m
W＝2000～2500kN
H＝1000～2500m W＝800～1600kN
轻便钻机
H<3000m，W<300kN， 42 ～ 89mm 钻杆，井径< 150mm，勘探井、水井
柴油机驱动钻机 2.动力设备 直流电驱动钻机 交流电驱动钻机 陆地钻机 3.使用地区 海洋钻机
2.特点 优点： 起、下钻费时少，设备简单 缺点： (1)破碎岩石，取出岩屑的作业都是不连续的；
(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
1.转盘旋转钻井法 (1)工艺过程
钻头
转盘旋转钻井法
井底动力钻具旋转钻井法
钻柱加压
吃入地层 转盘旋转
下油层套管，进行固井、完井作业。
3、固井与完井 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。 只有通过下套管、固井，才能防 止井眼的坍塌，形成永久的油气 通道，并防止地下各层流体的互 窜，达到开采油气的目的。
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。
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。
图6－7 牙轮钻头
地质探井 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
预探井 详探井 资料井
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
①从井底清除岩屑； ②冷却钻头和润滑钻具。 联轴器、离合器、 变速箱、皮带传动 及链条传动等装置 4、驱动与传动系统
(1)组成 (2)功能
动力机、传动部分
柴油机或 电动机
产生动力，并把动力传递给泥浆泵、 绞车和转盘。
图6－5 洗井液循环系统示意图
5、气控系统 (1)组成：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。 (2)功能：
2．钻进 钻进是进行钻井生产取得进尺的唯一过程。 每改变一次钻头尺寸，开始 其基本工艺过程有： 钻一新的井段的工艺叫开钻 ①第一次开钻(一开) 从地面钻出一个大井眼，然后下表层套管。 ②第二次开钻(二开) 用较小一些的钻头继续钻进，若遇到复杂地
层，用洗井液难以控制时，便要下技术套管 (中间套管)。
③第三次开钻(三开) 再用小一些的钻头往下钻进，直到设计井深，
井底岩石，加深井眼。
②施加钻压 依靠钻柱中钻铤部分在洗井液中的自重对钻头施加钻压，
使钻头工作刃不断吃入地层，破碎岩石。
③输送洗井液 通过钻柱的中心孔腔将洗井液输送到钻头，由水眼喷射
出，冲击到井底，携带岩屑后由环空返回地面。
④延伸井眼
在钻进中通过不断地增加钻柱长度(接单根)以达到延伸井眼 的目的。通常井眼的深度用下入井内的钻柱长度测量。 起出已磨损的钻头和下入新钻头都必须由钻柱完成。 另外，针对不同的目的，还可以起下其它井下工具。 如用钻柱挤注水泥、中途测试、处理事故等。
钻头的结构形状
金刚石镶装特点
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) 表镶金刚石钻头 孕镶金刚石钻头
图6－10 PDC钻头
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 ①传递扭矩 通过钻柱将地面动力机的能量传给钻头，使钻头旋转破碎
机械钻速： 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m／h。
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 取芯钻头 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
(1)刮刀钻头
切削型钻头
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
③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38～53mm，单位长度重量大，相当于
同尺寸钻杆的 4～6倍。以满足给钻头施加钻压、增强刚度 的要求，在加压时可以减小弯曲，防止井斜和钻具折断。
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