石油钻井连续循环系统
石油钻井循环系统设备考试精华知识点
《电驱动钻机》(中原油田专升本) 2005.4.7第六章往复泵及泥浆净化装置第一节往复泵结构组成及工作原理一、结构组成曲柄连杆机构，往复泵。
1. 动力端：曲柄，连杆，十字头（十字头为动力—液力分界）2.液力端：液缸，活塞，活塞杆，阀室（阀箱），吸、排阀，吸、排管。
二、工作原理曲柄旋转，通过连杆、活塞杆，带动活塞往复运动。
（1）吸液：活塞向动力端运动，缸内形成真空，吸入阀开，排出阀关，吸液；（2）排液：活塞向液力端运动，缸内压力升高，吸入阀关，排出阀开，排液。
三、分类1. 按缸数分：单缸、双缸、三缸泵2. 按作用方式分：单作用（往复一次，一吸一排。
），双作用（往复一次，两吸两排。
）3. 按缸的布置方式：卧式、立式4. 活塞泵、柱塞泵四、基本参数1. 泵的流量：单位时间内泵排出或吸入的液体量。
体积流量单位：L/s 、m 3/s ，用Q 表示； 重量流量单位：N/s ，用Q G 表示。
g Q Q G ρ=ρ为密度，kg/m 3；g 为重力加速度，9.8m/s 2。
2. 泵的排量：曲柄转一周泵排出或吸入的液体量。
3. 泵的压力：泵排出口单位面积上所受的液体力，用p 表示，单位MPa 。
4. 泵的功率：单位时间内动力机传到往复泵主动轴的能量，即输入功率N a ；有效功率，N 。
5. 泵的效率：aN N=η 6. 泵速：单位时间内活塞或柱塞往复次数，称冲数n ，单位：min -1。
7. 冲程S ：活塞在缸内移动的距离S=2r ， r —曲柄半径第二节 往复泵的流量分析一、 往复泵运动规律曲柄连杆机构，将曲柄的旋转运动转换成活塞的往复运动。
往复泵活塞运动示意图1. 活塞位移x 计算①当活塞在液缸左端时，连杆和曲柄在同一直线上，O 1O 间的总长为： r l +；曲柄转过ϕ角，活塞向右移动的距离为：)cos cos ()(1ϕβr l r l X +-+=（6-1）②当曲柄转过180°时，活塞到达液缸右位，连杆和曲柄在同一直线上，O 2O 总长为：r l -由于从180°起，活塞开始左移，活塞左移的距离为:)()cos cos (2r l r l X ---=ϕγ)cos 1()cos 1(2γϕ---=l r X连杆用ϕ代替ϕ，用β代替γ结果相同。
石油钻井机工作原理
石油钻井机工作原理石油钻井机是一种复杂的机械设备，用于在地层中钻探油井或气井。
其工作原理可以概括为以下几个核心部分：1. 动力系统：石油钻井机通常配备有强大的动力源，如柴油发动机、电动机或燃气轮机等，它们为整个钻井作业提供所需的能量。
2. 旋转系统：通过传动装置将动力传递给转盘，转盘带动钻杆及连接在钻杆底部的钻头进行高速旋转。
钻头利用切削、研磨等方式破碎地下岩石。
3. 起升系统：包括井架、天车、绞车和游动滑车等组件。
绞车通过钢丝绳（或链条）拉动大钩，从而实现钻具（包括钻杆、钻铤等）的起下动作，以便于更换钻头或者加深井眼。
4. 钻井液循环系统：泥浆泵（也称为钻井泵）将钻井液（通常是经过处理的水、泥浆或其它流体混合物）压入钻杆内腔，然后从钻头喷嘴喷出，以冷却钻头、润滑钻柱并携带破碎后的岩石颗粒返回地面。
在某些情况下，采用泵吸反循环方式，即通过钻杆内部形成的负压将破碎的岩屑吸入钻杆，并由泥浆泵排出到沉淀池，经分离处理后循环使用。
5. 控制系统和监测显示仪表：钻井过程中的各种参数，如钻压、扭矩、深度、钻井液性能等，均受到严格监控和控制，以确保钻井操作的安全性和有效性。
6. 辅助设备系统：这包括固控设备（用于处理和回收钻井液）、井控设备（防止井喷事故）、压缩空气系统（供气动工具使用）、液压系统以及供电系统等。
总的来说，石油钻机通过钻进、冷却润滑、钻井液循环等步骤，将地下的岩石层削碎并将油气储层暴露出来，从而实现石油和天然气的提取。
此外，石油钻井机还可以采用旋冲钻井技术，通过在钻头顶端设置冲击器装置，利用动力源给冲击器施加压力，使钻头持续旋转并产生更大的冲击力，从而快速击碎岩石，提高钻进效果。
同时，冲击器的工作内容也是旋冲钻井技术的关键部分，其工作原理是将系统力直接作用到钻头结构上，与防回水的动力联合，产生更大的冲击力，并将扭矩传输到钻头上。
在电力驱动方面，石油钻井机通常采用直流电动机进行驱动，通过通电导体在磁场中受电磁力的作用实现连续供电。
钻井液循环系统
钻井液循环系统钻井是勘探和开发石油和天然气资源的基本方法之一，也是现代工业生产的重要手段。
而钻井的成功与否离不开钻井液循环系统。
钻井液循环系统是指通过钻井液将钻废岩挖掘上来，并进行处理和再利用的系统。
下面我们来详细地了解一下钻井液循环系统。
1. 钻井液循环系统的工作原理钻井液循环系统的工作原理非常简单。
首先，钻头在地层下面钻井的同时，钻井液被泵入钻杆内，通过钻杆逐层往下推进。
随着钻头不断钻进地层，钻井液经过管柱流入井底，然后经过钻头，喷向地层。
钻井液在喷向地层的过程中，既能冷却和润滑钻头，又能将打破的岩屑和泥土带回井口，完成钻井液循环的整个过程。
而钻井液循环系统还需要完成以下的工作：一是沉降和过滤岩屑和泥土；二是将钻井液进行处理，如去除杂质和再生利用等；三是控制井下的压力和温度等；四是进行泥浆的泵送和储存，以及压力和重量的调整等。
2. 钻井液循环系统的组成和结构钻井液循环系统主要由工作液循环系统、固控系统、泥浆处理系统、泥浆泵浦系统、压力控制系统、热控制系统、测井系统、安全防护系统等组成。
其中，工作液循环系统是钻井液循环系统最为重要的一部分，主要由井口、固井器、钻杆、钻头、鉴定器、工作液泵、输送管道、坑、固井液池等组成。
而固控系统则负责控制岩屑和泥土的沉淀和过滤，主要由固体分离器、岩屑分级器、过滤器、坑、固控系统、切屑器等组成。
泥浆处理系统主要负责对钻井液进行再利用，泥浆泵浦系统则用于将处理好的钻井液泵送到井底，压力控制系统则用于控制井下的压力，确保钻进工作的顺利进行。
而热控制系统则主要用于控制钻进过程中产生的热量，保持井下的恒定温度，测井系统则用于获取井下的地质和状况信息。
3. 钻井液循环系统的应用钻井液循环系统广泛应用于石油和天然气开采领域。
通过采用钻井液循环系统，不仅可以提高钻井的效率，更可以保证钻井的成功。
此外，钻井液循环系统还可以帮助钻井人员预测地下水位及水位变化情况，有利于防止地下水污染。
钻井连续循环系统卡瓦极限卡紧力分析
外 表 面受 到卡 瓦 卡紧 力 的作用 ， 于 圆筒 的压 力 属 隧洞 问题 ， 时钻杆 的机 械性 能 反而得 到提 高 ， 杆 此 钻 不 会 出现危 险截 面 由图 ３可知 ， 卡 瓦卡 紧段下 部 在 的钻杆 ， 到钻 柱 的轴 向拉力 ，、 环 泥浆 压 力 ｑ和 受 循 卡 瓦 卡紧力 的共 同作 用 ， 处 （ ３中 Ｂ截 面 ） 此 图 为 钻 杆 的危险 截 面 ； 卡 瓦卡 紧段上 部 的钻杆 ， 到 内 在 受
动， 无法 悬挂 钻柱 并提 供足 够大 的反 向扭矩 ； 瓦的 卡
转换 装 置的部 分重 力 由卡 瓦支座作 用在 卡瓦上 ．
上卸扣卡瓦
卡 紧力 大 ， 卡瓦可 能 咬坏 钻 杆 ， 至将 钻 杆 挤 爆． 甚 合 理 确定 卡 瓦的卡 紧 力 ， 析钻 杆 的应 力 分布 意 义 重 分 大． 文在 分析 钻井 连 续 循 环 系统 的卡 瓦 与钻 杆 工 本 作 时应 力状 态 的基 础 上 ， 出 了一 种 较 为合 理 的计 提 算 钻井 连续 循 环 系统 卡 瓦极 限卡 紧力 的计 算方法 ．
２ 横 向载荷与方瓦摩擦力的关系
假设卡瓦和方 瓦之 间发生相对运动 ， 分析卡瓦
纵截 面 上 的受力情 况 如 图 ２所示 ． 引， 下列 ２个方程 满 足卡 瓦受力 平衡 条件 ：
收 稿 日期 ： ０ ９１－１ ２０ ．２０
基金项 目：中国石油化工集 团公 司先导性项 目“ 钻柱连续循环 系统 技术 研究” 编号 ：０ ０ ４ （ Ｐ ７４ ） 作 者简 介 ： 缪建 （９ ３ ） 男 ， １７ ． ， 主要从事钻井设备方面的研究． — ａ ： ｉ ｊ ｎ １ ＠ｙｈｏ ｔｍ．ｎ Ｅ ｍ ｉ ｍ ａ ｉ ６ ２ ａｏ．ｏ ｃ ｌ ｏａ
井下动力钻井工作原理
井下动力钻井工作原理
井下动力钻井是一种常用的石油钻井技术，其工作原理主要包括以下几个步骤：
1. 钻井液循环系统：井下动力钻井中，钻井液循环系统起着重要的作用。
钻井液通过泵送进入井底钻头，然后通过钻杆中的通道进入钻头内部，冲刷岩层并将钻屑带到地面。
2. 旋转系统：井下动力钻井中，井下动力装置驱动钻杆旋转，钻杆通过旋转带动钻头在地层中钻探。
旋转系统通常由绕组电动机、蜗轮蜗杆减速器和转动装置组成。
3. 推进系统：在井下动力钻井中，推进系统主要是通过钻杆的上下运动来实现。
钻井液通过钻杆通道进入钻头底部，然后冲击岩层并将钻屑带到井上。
通过调节钻杆的推进速度，可以控制钻头的下压力和钻井速度。
4. 钻头：井下动力钻井中，钻头是进行岩层钻探的关键工具。
钻头通常由钻杆接头、钻头身和钻头嘴三部分组成。
钻头嘴采用合适的切削结构和硬质合金材料，可以快速切削岩石并将钻屑冲刷出井口。
总之，井下动力钻井通过钻井液循环系统、旋转系统、推进系统和钻头等组成部分的相互配合，实现了从井底到地面的高效钻井作业。
石油钻井系统
石油钻井系统一般情况下，钻井系统被砍成了八大块：提升系统、旋转系统、循环系统、传动系统、驱动系统、控制系统、辅助系统。
所谓提升系统，主要包括了Drawworks, crown block，travelling block，swivel, hook这几样东西,这几个货长相如下：所谓旋转系统，以前讲的是水龙头和转盘，但是现在这个玩意儿基本是个摆设了，钻井都用顶驱从上面这张照片上中间那一大坨黄色的东西就是顶驱了……等一下，突然发现我并不擅长按着教材的思路去讲，还是按我自己的感觉随便讲比较那个……大致是这样王二麻子一大早就从床上爬起来，开着他50m³的柴油罐罐车高高兴兴的往二道沟三号井场去。
他一边嚼着油条，一边盘算李队长这个月给他抽多少柴油。
前天晚上他又请队长去旁边的白马村里喝了几斤江津五粮液。
那天给马丽丽的钱没白花啊，据说把李队的腰都要崩断了，领导必须很满意啊！想到这，王二麻子不由得兴奋地搓起了手……苟曰的，老子今天晚上也要去会会这个妖精！王二麻子到了队上，管后勤的老秦把车招呼靠到了柴油罐上，拉过管子接上泵就开始倒油了。
王二麻子给他散了一根烟，就直接去队长板房敲门了。
叫了几声，门支拉一声开了，王二麻子抢进去一看，李队正躺在床上抽烟呢。
见他进来，领导开腔了“ 苟曰的二麻子，你给老子那天晚上找的女娃是哪里来的，把老子的老腰都要盘断老”。
“嘿嘿，李队，那是你老人家身体好，雄起老撒“ 王二麻子脸都快笑裂了，”那个这个月的柴油钱，你看给返几个点？”“ 曹，老子就晓得你一天净想得这些，老规矩20个点，你一天把事情给老子办利索了”“ 要得，要的，领导你放心” ……………………话分两头，书讲两边这边柴油倒进了柴油罐，队上的人就开始把油往日用油罐里面倒，这个罐子小，一般就5,6个方，带了一套滤子，这样灌到柴油发电机的柴油就会比较清洁。
上次滤子堵了，motor man 霍二哥这个懒怂半天没换，结果把柴油机都差点搞毁了，本来队上就穷，以前用的都是volvo,现在好不容易换了4台CAT 3512B柴油发电机，还弄这事，李队差点没把老霍给劈了。
钻井液连续循环系统过程控制技术分析与探讨
０ 引 言
钻井液连续循 环 系统 是 国外 近年 来开 发 的一 种
能 ，与主 机配合 完成 钻井 液分 流切换 操作 ；动力单 元为 主机 和分流 装置 提供 液压动 力 ，并 配备 了数据 自动记 录仪 器 ；控 制 系 统 能 够 实 现 系 统 状 态 的检
测 、识 别 和 分 析 ，根 据 工 艺 操 作 要 求 编 制 控 制 流 程 ，实现 完全 自动控制 。
针 对 陛地对一些关键 技术展开研 究和探讨 。
图 １ 钻 井 液 连 续 循 环 系 统 现 场 布 置 示 意 图
１ 钻 井 液连 续循 环 系统 组成 与控 制
流 程
１ １ 系统组成 ．
１ 一动力单元 ；２ 主机 ；３ 一 一立管 ；４ 一延伸／ 耐
磨短 节 ；一 顶驱 ； ５ ６一 顶 驱 连 接 工 具 ； ７一
一
线 管 线
种有效 的解 决方 法 ¨ 。钻 井 液连 续循 环 系 统是 Ｊ
集机 、电 、液控 制于一 体 的先进 技 术 装备 ，由于 油 气钻井的复杂性 以及 对井 口操 作安全 性 的严 格要 求 ， 在充分掌握该 系统 工作 原 理 的基础 上 ，必须 对 系统
各执行 机构动作 及 其控 制 流程 进行 深 入分 析 ，并有
石 油
一
机
械
６２ 一
Ｃ ＩＡＰ Ｔ Ｏ Ｅ ＭＭ Ｃ ＩＥ Ｙ ＨＮ Ｅ Ｒ Ｌ Ｕ Ａ ＨＮ Ｒ
２１ ０ ０年
第３ ８卷
第 ２期
●技 术 讨 论
钻 井 液 连 续 循 环 系 统 过 程 控 制 技 术 分 析 与 探 讨
胡 志 坚 马 青 芳 侯 福 祥
（ 国石 油 集 团钻 井 工程 技 术研 究 院 ） 中
石油钻井循环系统培训
04
石油钻井循环系统的优化与改进
石油钻井循环系统的性能优化
优化钻井液性能
通过调整钻井液的密度、粘度、切力等参数，提高钻井液 的携带和悬浮能力，减少岩屑和钻屑的沉积，降低钻头和 钻具的磨损。
改进钻头设计和材料
采用新型的钻头设计和材料，提高钻头的耐磨性、抗冲击 性和抗研磨性，延长钻头使用寿命，提高钻井效率。
史数据的学习和分析，为钻井工程师提供智能化的决策建议和优化方案
。
05
石油钻井循环系统的发展趋势与展望
石油钻井循环系统的发展历程与现状
石油钻井循环系统的起源
石油钻井循环系统的起源可以追溯到20世纪初，当时人们开始利 用钻井技术开采石油。
石油钻井循环系统的现状
随着技术的不断进步，石油钻井循环系统已经发展成为一个复杂而 高效的体系，能够满足各种钻井需求。
随着环保意识的提高，石油钻井循 环系统将更加注重环保，减少对环 境的负面影响，同时推动可持续发 展。
谢谢您的聆听
THANKS
钻井过程中应合理利用资源， 降低能源消耗，提高资源利用 效率。
钻井循环系统应符合国家和地 方环保法规要求，确保合规运 营。
石油钻井循环系统的安全与环保事故应急处理
制定应急预案，明确应急组织、救援队伍 、救援装备和救援流程。 加强应急演练，提高操作人员的应急处置 能力。 对事故原因进行深入分析，总结经验教训 ，完善安全与环保管理体系。
优化井身结构和钻井参数
根据地质条件和工程要求，合理设计井身结构和钻井参数 ，如开钻井深、井眼尺寸、钻进速度、钻压等，以实现高 效、安全、低成本的钻井作业。
石油钻井循环系统的节能减排技术
优化泥浆泵和传动系统
通过改进泥浆泵和传动系统的设计， 提高其效率和可靠性，降低能耗和机 械磨损，减少废水和废气的排放。
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石油钻井连续循环系统
连续循环系统是在钻井过程中，起下钻或接单根时，可以不停泵而保持井眼处于连续循环状态的系统，它以钻台为基础，适用于任何带有顶部驱动钻井装置的井架。
该系统主要包括连续循环连接器、钻井液分流及输送装置、顶部驱动连接工具、控制系统和液压动力系统。
常规钻井过程中，钻杆上卸扣时 IJ一由于泥浆循环通道中断，被迫停止泥浆的循环. 造成不利影响：
一是造成环空中产生动态压差，导致泥浆循环漏失。
二是造成井底压力下降，有时会引起井涌。
三是循环恢复时井底压力剧增对敏感性地层可能引起循环漏失。
四是钻屑的沉降会减小有效井径并增加钻柱的扭矩和阻力。
五是欠平衡钻井时气体连续循环，会导致环空内的压力极不稳定。
上述影响会产生诸如井眼不稳定、井壁坍塌、卡钻、地层裂缝以及泥浆漏失等问题。
严重时会造成巨大的经济损失，甚至是人员伤亡。
而采用连续循环系统，以上的问题都可以得到很好的解决。
连续循环系统解决了井底压力控制、孔隙压力与破裂压力窄小、井眼鼓胀、油气意外入侵井眼等问题。
主要是在保持钻井液连续循环和压井的条件下，使井下由于泥
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浆的中断而产生的许多问题得到解决。
，连续衙环系统的纰成与原理连续循环系统是 sheIuK、 BP、Siafoll、 BG、 TOIa 以及 En 共同合作开发的。
首台连续循环系统在意大利和埃及海上已成功地完成 2 次独立的钻井作业。
在 2005年的海洋技术会议上，介绍了连续循环系统（获世界石油杂志 2004 年新视野奖）商业性应用情况。
迄今为止，该系统在钻进和起下钻过程中已在 600 次连接中保持连续循环。
这项新技术是谢非尔公司与 BP 公司、英国天然气公司、壳牌商业公司和道达尔公司合资开发的。
连续循环系统把 3 个闸板防喷器与类似于铁钻工的设备和整体钻杆卡瓦结合在一起，在接单根时保持连续循环。
该系统利用光导纤维在系统内传递信号并带有操作者控制的触感屏幕用户界面。
在接单根期间，连续循环系统不用停泵来保持恒压。
这就使我们很容易地在孔隙压力与破裂压力窗口很窄的条件下钻进，而在此之前在这些地区钻进是困难的或用常规钻井技术是无法钻进的。
连续循环系统还减少了卡钻事故。
连续循环减轻了井眼的鼓胀效应并可避免油气意外侵入井眼的可能性。
---------------------------------------------------------------最新资料推荐------------------------------------------------------ 另外，携屑和钻屑的清除能力也得到改善。
首次应用连续循环系是在意大利南部的陆上油田。
目的是评价连续循环系以及使操作人员和井队人员掌握和了解该系统。
选择了 Monte Eno10 井作为连续循环系统的试验井，之所以选择这口井是因为大家能接受，而且在该井的设计中没有难钻的地层。
使用连续循环系统和 5in 钻杆打一段长 660m 的 121/4in井眼。
这是首次使用连续循环系统来接立根而且是首次使用完整的生产控制软件。
在以前的试验中，仅仅是利用连续循环系统来接单根。
利用该系统进行了82 次连接，其中 20 次是在钻进中接单根，62 次是在起下钻时接立根。
在整个试验中连续循环系统性能良好，总连接时间为18～20min。
总连接时间为机械连接时间、钻杆提升时间以及停止循环与重新形成循环所损失的时间之和。
采用连续循环系统接单根时所消耗时间比常规接单根的时间长，其原因是要采取多个步骤来关闭压力腔内的液流通道，但是总的连接时间缩短了，因为泥浆泵照常运转。
试验所取得的经验是，该系统的信号传送有所改善而且钻机的
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安装和拆卸方法得到了优化。
在意大利成功地完成了试验之后, Eni 公司立即制定了在埃及海上一口难钻井中使用连续系统的计划。
这是一口重返井，开始侧钻的深度约为 5000m，地层的孔隙压力为 2. 0，孔隙压力与破裂压力梯度的窗口很窄，为 0. 03。
钻进时经常发生井涌、天然气侵入井中、漏失和膨胀效应等复杂情况。
这些复杂情况使钻达设计深度成为泡影，而且大幅度增加了非生产时间。
这些情况导致在油井中打临时水泥塞和报废。
而连续循环系统可以产生恒定的井下压力，所以允许以低于孔隙压力的钻井液密度或高于孔隙压力的当量循环密度进行侧钻。
这就克服了第一次钻该层所遇到的困难。
在井上安装了连续循环系统后，在连续循环的条件下，进行了 500 多次连接，现在已钻达原设计深度。
使用连续循环系统后，接单根或接立根的时间减少，并减少了钻机的安装和拆卸时间。
更重要的是可以钻达设计深度，开采以前不能开采的储层。
首次使用时, 连续循环系统的可靠性十分惊人。
在约 5 个月运转期内，连续循环系统只有一次意外中断运行，中断时间不超过 3min，其原因是误操作。
另外，在首次商业性应用中，连续循环系统的累计停工时间不
---------------------------------------------------------------最新资料推荐------------------------------------------------------ 超过总施工时间的 1%。
Eni 公司打算在埃及继续使用连续循环系统并开始在其他几个钻井作业区推广这种设备。
第 2 台连续循环系统以运抵挪威的井场，已决定在墨西哥湾使用第 3 台连续循环系统。
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