油气钻井方法及工艺PPT课件
第一章油气钻井方法及工艺 第一节钻井方法一 顿钻钻井法顿钻钻井法又叫冲击钻井法 是我们的祖先发明的 古书记载 十一世纪 就已比较完善了 欧洲是在十九世纪才开始这种方法钻井 顿钻钻井的设备组成及钻井工作原理见图6 1所示 其设备主要有 天车 滑轮 井架 捞砂筒 钻井筒 动力机 钻头等 工艺过程是 钻头用钢丝悬吊 周期地将钻头提到一定的高度后 再释放以向下冲击井底 将井底岩石击碎 使井眼向下加深 在不断冲击的同时 向井内注水 使岩屑 泥土混合成泥浆水 当井内岩屑积累一定量时 将钻头自井内提出 下入捞砂筒捞出井内的泥水浆 使新的井底暴露出来 然后继续下入钻头冲击钻井 这样交替进行 二 旋转钻井法包括地面动力转盘旋转钻井法和井底动力钻具旋转钻井法两种 1 转盘旋转钻井法其设备组成和工作原理如图6 2所示 工作原理是通过转盘将柴油机的垂直旋转 经方向轴或链条变成水平旋转 再带动转盘中的方钻杆转动 将动力传给井内的钻柱和井底的钻头 钻头在一定的压力的作用 旋转来破碎井底的岩石 循环系统提供高压的钻井液 从钻柱中流经钻头 冲洗井底 冷却钻头 并把岩屑带冲离井底带至地面 使钻头能接触新的井底岩石 2 井底动力钻具旋转钻井法该方法是将转动钻头的动力由地面移到井下 直接加在钻头之上 钻井时 钻柱不旋转 钻柱的功能只是给钻头施加一定的钻压 形成洗井通路和承受井下动力钻具外壳的反扭矩 动力是由电源和地面高压泥浆泵提供的 通过钻柱内孔传递到井下的具有一定功能和压力的冼井液流体或交流电 目前有三种 即涡轮钻具 螺杆钻具 电动钻具 3 连续管钻井法 柔杆钻井法 如图6 3 原理 是将连续管 柔性钻杆 缠绕在滚筒上 代替钻柱 由牵引装置完成将连续管的运进 回收和悬挂 连续管的下端连接必要的加压装置 动力机和钻头 或者直接接高压水射流破岩钻头 钻井过程中 不用接单根 连续管不转动 洗井液通过它 保持循环 并给井底动力机提供动力等 更换钻头 没有钻杆的接卸和繁重劳动 而只是转动滚筒 将管绕在滚筒上即可 节省时间 按目的不同划分有 探井和开发井 按井眼轨迹来分就有 垂直井 定向井 水平井 分支井 丛式井等 1 探井 是为了探明地质情况 获取地下地层油气资源分布及相应性质等方面资料而钻的井 包括 地质浅井 地层探井 预探井 详探井 资料井等 1 地质浅井 为了进行地面地质和地球物理研究 了解区域地质构造 地层虽面和局部构造而钻的钻井 一般使用轻便钻机 2 地层探井 是指在地质情况了解不多的地区 为了了解地层的时代 岩性 厚度 生储盖层组合 并为地球物理解释提供各种参数而钻的井 第二节钻井类型 3 预探井 是指在地震详查和地质综合研究所确定的有利构造上 以发现油藏为目的所钻的探井 在未知的油气田上 以发现未知的新油气藏也属于 4 详探井 在已发现油气的构造上 为了探明含油气的面积和储量 了解油气层结构变化和产能 所钻的井 5 资料井 为了编制油气田开发方案 或在开发过程中为某些专题研究所取得第一手资料数而钻的井 2 开发井 以开发为目的 对已探明的油气层打开油气到地面的通道 或为了采用各种措施 使地下油气被开采出来而钻的井 1 浅油气井 为开发浅油气层所钻的井 轻便钻机500m以内 2 油气井 也叫生产井 为开发油气田 使用大型钻机所钻的采油 采气井 3 注入井 为了合理开发油气田 提高采油速度和采收率 用来对油气层进行注气 注水以补充和合理利用地层能量所钻的井 4 检查井 在油气田的开发过程中 为了研究油气田开发过程中 地下情况的变化所钻的井 第三节钻井设备石油钻井设备就是钻井所用的地面配套设备 即钻机 井口装置以及钻柱 钻机是主要设备 它由多种机器设备组成的一套大功率重型联合工作机组 以满足钻井过程中的各种工艺的需要 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作业 一 钻机的分类旋转钻井钻机的分类方法有 1 按钻井深度的不同分由于所钻井的深浅不一 要求的设备能力不同 这是钻机的起重能力和所用钻杆直径的大小来分的 1 大型钻机起重量800KN以上 使用89 140mm钻杆 井径在160mm以上 用于钻深井 超重型钻机钻井深度 5000m最大起重量 2500KN 重型钻机3000 5000m2000 2500KN 中型钻机1000 2500m800 1600KN 2 轻便钻机 3000m 300KN使用42 89mm钻杆 井径 150mm 用于地质探井 水井 2 动力设备的驱动 1 柴油机驱动钻机 通过机械传动或液压传动 2 直流电驱动钻机 用柴油机或燃气轮机发电或由电力网供电 供直流电则为有直 直驱动 供交流则为交 直驱动 通常用于海上钻井 3 按使用的地区不同 1 陆地钻机包括沙漠 沼泽地钻井 2 海洋钻机包括钻井平台 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钻机 二 钻机的组成及功能钻机是由多设备组成的 而各部分都又具体的功用 整套钻井设备由六大系统组成 见图6 4 一 起升系统功能是提供一种下放 悬持或起升钻柱 套管柱其它井下设备进 出井眼的功能 钻井过程中 主要完成起下钻 接单根和钻井时的钻压控制 其组成主要有 1 天车2 游动滑车3 大钩4 水龙头5 水刹车6 快绳7 绞车8 井架9 死绳 1 天车 是复滑轮系充中的定滑轮组 固定于井架顶端的天车台上 它的主要规格是轮数和最大载荷 2 游动滑车 是复滑轮系统中的动滑轮组 工作时上下移动 规格同上 有时为了节省高度 将大钩与游动滑车作成一体 3 大绳 是复滑轮系统中的钢丝绳 钻井中常用6 19的钢丝绳 6 19表示有6股 每股有19根钢丝 中心有一根麻心以贮润滑油 a 快绳 固定在滚筒上的钢丝绳端 由于缠绕时速度最快 称为快绳 b 死绳 固定不动的一端钢丝绳称为死绳 用测量死绳中的拉力来确定大钩负载 4 井架及底座井架用于安装天车 提供接卸立根的高度及存放立根 立根长度一般为24 27米 井架高度约为41m 井架结构有塔式及桅杆式两种 后者称A字型井架及绞车 转盘等安装在底座上 井架的主要规格是高度和最大负荷量 5 绞车 用于起重及变速1 为了动力传递及变速 绞车内设有几根轴 分别称为传动轴 猫头轴 滚筒轴等 滚筒装在滚筒轴上 猫头装在猫头轴两端 各一个 2 快绳绕到滚筒上 游动滑车升高 下钩将井内管内柱提起 由滚筒上放出大绳 管柱即下 滚筒上有数多卷绕速度以适应不同的负荷 负荷 速度 变速在绞车内部完成 3 捞砂滚筒是一个小型滚筒 它可用钢丝绳向井内下入及起出下井工具 4 猫头是一个很小的滚筒 绞车两端都有 它上边不缠存绳 只提供轻动力以产生拉力 使用时 用绳子绕到猫头上 人拉绳子一端在绳子的别一端将产生很大的力量 可用于另起小物件 最主要是拉动大钳 卸钻柱 管柱丝扣 5 绞车的动力传动 由三台柴油机并车驱动绞车 转盘和泥浆泵 6 绞车的变速有链轮和离合器 分高速和低速 可以提高速度 通过挂合不同的链轮来变速 一般有4个速度 7 绞车的滚筒刹车是控制管柱下放高度 下放速度的机构 是用刹来完成的 一般由司钻操作 6 水刹车 功用减轻刹带在刹车时的负荷 它装在滚筒轴上 它是靠轮子在水中旋转受有阻力而形成制动力矩 用水位的高低调节制动力矩的大小 滚筒轴不转 水刹车不转 制动力矩消失 用于起下钻时的辅助手段 7 水龙头它处于大钩与钻柱之间 应能承担最大管柱重量 8 起重力的计算整个吊升系统所应具有的起重能力取决于拟钻井深 管柱重量及动力大小 应留20 的重量 G nTG 大钩起重量 N n 有效数 等于游动滑车工作轮数的两倍 T 绞车快绳拉力 N 复滑轮系统中 天车轮数比游动滑车轮数多1个 5 6表示游动滑车5个 天车轮6个 滑轮少 速度快 效率高 但消耗的功率大 二 循环系统 通过循环洗井液从井底清除岩屑 冷却钻头 润滑钻具 或向井下提供水力功率 如图 钻井液循环过程 1 泥浆泵 提高洗井液 钻井液等 的压力 进行洗井循环 或将水力功率送至井下 一般为两台 传动 三角带传动泵的种类 卧式双缸双作用式活塞泵卧式三缸单作用式双作用泵 缸的两端有吸入或排出 工作时总是一个吸入另一个排出 单作用泵 在缸的一端进行 先吸后排 由于洗井液 钻井液 内含有研磨性颗粒 缸套 活塞泵 凡尔 Valve 凡尔等易磨损 是可以更换的 排量 泥浆没有变速机构 不能变速度 柴油机转速一定 则冲数一定就确定了排量 活塞的冲程 即运行距离 行程 是不变的 那么怎样调节排量 主要是更换不同直径的缸套与活塞 所需功率 排量与出口压的乘积 提高压力时 更换成小直径的缸套减少排量 2 地面管汇包括从泵出口到水龙头带的高压管心及低管心 低压为配浆等作业用 3 水龙带材料 缠有多层钢丝的橡胶软管 能耐高压 作用 接在立管与水龙头之间 使水龙头及其以下钻柱可上下活动 4 水龙头 环境 既能承载最大钻柱重量 又允许与它相连的方钻杆及钻柱旋转 它与大钩及水龙带相连部分则不转动 要求它具有良好的密封性能 能承受钻井液的高压力 20 30MPa 规格最大载重量 最大转速和最高压力 5 泥浆灌 用于存放在配好的泥浆 6 泥浆池 积存泥浆 供泵吸入 在地面池边有 也有用活动池 有利于环保 有利于回收 7 泥浆槽 为井内通出泥浆流回泥浆池的通路 8 振动筛 用于除去泥浆中的大颗粒岩屑 9 除砂器 除泥器 是用离心的办法去除泥浆中的小颗粒岩屑的设备 位于振动筛旁 三 旋转系统1 转盘 将经方向轴或链条传来的转动变成水平旋转 其外观如图 1 转盘的重要传动部件是一对伞齿轮 2 钻头是通过转盘的开口 即大伞齿轮的中间部分 下入井内 开口的大小应能通过最大的钻头 3 起下管柱时 需经常将管柱从大钩上脱卸下来 以接 卸钻杆或套管 此时将全部管柱坐于转盘上 让转盘承其重量 4 转盘的主轴承受向下的载荷 由于钻进时常发生上下跳动 所以转盘里存有防跳轴承以承受向上的载荷 5 转盘一般有4个转速 常用 50 60rpm 6 设有锁紧装置 可按需要将它锁死不让转动 如起下钻时用 7 转盘的主要规格是 最大开口直径 最大载荷和高最转速 2 方钻杆 转盘的转动 带动方钻杆转动 将动力传到钻头来切屑岩石 钻井时 钻柱在旋转的同时还应该连续下行以跟上逐渐加深 如使用圆形钻杆来完成 这两种动作 机构上将会很复杂 操作也很麻烦 而当采用四方或六方形载面的钻杆时 这一切就变得简单了 方形孔允许在转动的同时进行轴向移动 这种钻杆就称为方钻杆 四方形的方钻杆是用的较多的一种 优质合金钢制成 由于方钻杆的价格很贵 钻井时只用一根 它一直处在钻柱的最上端 在转盘的一方孔中上下活动 由转盘驱动旋转 动作 当方钻杆移动到最下位置 即其上端与转盘平齐时 就加一根钻杆 叫接单根 长度 方形部分的长度 要大于单根钻杆的长度 一般为13 16m 比一般钻杆长2m以上 如果单根钻杆长于方钻杆 就先接一根短钻杆 完成后 再取下短钻杆 接上长钻杆 3 水龙头 钻进时 钻柱的一部分重量吊悬在大钩上 钻柱要转 大钩不能转 这一矛盾是用水龙头来解决的 4 钻柱 由钻杆 钻链配合接头 保护接头等组成 在后面作介绍 四 驱动与转动系统包括动力机和传动部分 功能 生产动力并把动力传递给泥浆泵 绞车和转盘 1 动力机 一般为柴油机 有时为电动机 2 传动部 用于多台动力机的并联及驱动 深井 柴油机驱动时 多为三台柴油机 包括有 联轴器 离合器 变速箱 皮带传动 链条传动 五 气控系统主要包括控制面板 控制机构 传输管线和阀门执行机构 气动离合器 气缸和气动马达等 以及压气机等 六 井控系统为了钻井安全而设置的设备 主要有防喷器 钻井四通 导流管汇 压井管理及液 气压控制机构 功能 控制井内的压力 防止地层流体 无控制地流入中 动作 发现井涌 在地面关井 防止井喷 循环压井 在有压力的条件下活动井下管柱 导流防喷 主要部件 防喷器的种类较多 第四节钻井工具一 钻头目前石油钻井常用的钻头 按其破碎岩石的作用原理分类 可分为切削型 刮刀钻头 冲击压碎剪切型 牙轮钻头 和