钻井工艺技术PPT课件

以本段上部抗拉强度为准，本段下部强度未充分利 用。
合理性考虑： 从LT2中取出一段用LT1代替，并非用 T的2 套管直接
下LT2段。 也T 如3 此，从LT3中取出一段用L T1和
L T2’代替。
（3）校核 计算抗挤强度：从井口到井底逐段计算，下 部抗挤强度最大。 计算抗拉强度：从井底到井口逐段计算，上 部抗拉强度最大。 可采用二者可分别计算的方法。 目前用法：先用抗挤计算设计各段，再用抗 拉强度校核。 分段：不同强度段，越多越经济，受套管品 种限制，目前分四～五段为宜。
教材：《石油钻采机械概论》35元；
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5. 套管螺纹连接 （1）三角螺纹连接 承载面：齿侧角30°斜面，产生较大径 向分力。 连接强度：只有管体强度的60～75% 。 密封方式：齿间干涉及丝扣油的堵塞实 现密封，密封性差。 （2）梯形螺纹连接 承载面： 3°斜面，导向面：10°斜面， 增强了齿形，减少了径向力。 连接强度：达到管体强度的85%。 密封方式：靠齿间干涉和丝扣油堵塞实 现密封，密封性差。 （3）套管接头螺纹分布规律 近似于抛物线，接头螺纹两端扣牙受力
②中国： 92年构思用“井下增压器”研究（由矿机教 研室增压器科研组完成）。 94年石油总公司招标，由石大、勘探院两家 分别进行可行性研究。 99年，单元、整机地面试验成功。 技术特点：利用地面泥浆，井下增压缸自动 水力换向，产生高压射流。难点超高压密封。 前景：试验成功是钻井的一场革命；增压技 术可用于地面和井下增压注水。
1．钻前准备 ① 定井位；②平井场； ③ 打基础；④备器材。 2．钻进 （1）全井钻进过程 ①一次开钻，下表层套管。 ②二次开钻，从表层套管内钻进。 ③三次开钻，从技术套管内钻进。
（2）钻井作业
①下钻—将钻具（由钻头、钻铤、方钻杆组成的钻杆柱）下 入井底，准备钻进。
②正常钻进—又称纯钻进。启动转盘（或井底动力钻具）通 过钻柱带动钻头旋转，借助手刹车，给钻头施加适当的钻压 以破碎岩石。
—p外挤压力，Pa； — m环空泥浆密度，kg/m3；
L—管柱长（井深）。具源自 c1 抗挤强度的套管可下到Hc1深；
c2
可下到Hc2
c3
可下到Hc3
以 c1 < c 2 < c 3 为前提。
07.9,中原↑ 1-2
从套管可下深的合理性分析： 对 c 2 而言，下0～Hc2深，不合理； 对 c 3 而言，下0～Hc3深，更不合理。 应该用：
注水泥时，先（在套管内）放入下胶塞，再注水泥，下塞与水 泥一起下行。下塞遇承托环不动，压力升高使薄膜破裂，使水 泥形成通道。 ★上塞（实心）
注足水泥后，放入上胶塞，上塞上方 注泥浆，上塞下部注水泥。上塞与水 泥一起下行，上塞使水泥和泥浆分开 。上塞遇到下塞，将循环通路堵塞， 泵压升高，称碰压，注水泥完成。
水功率：是单位时间内射流动能（
1 2
m）v 2
Nj 12(Q)v02
Q—单位时间内液体质量（m），
—密度；
Q—流量；
v 0 —喷嘴出口流速。
结论：
N j v02
冲击力：为单位时间内动量变化 I，b （ m动v量）。冲击力
大破岩能力高。
Ib
mv0 t
Qv0
结论： Ib v0
②提高喷速途径
4. 等安全系数法
普遍用等安全系数法设计套管柱。
即：管柱由数段不同强度套管组成，各段安全系数相同。（ 具有的强度能力/实际承担载荷能力）
（1）抗外挤强度计算
看管能承受多大外挤压力。
外挤计算法：按管内掏空（无内压），计算一定深度管柱所 承受的外压力。
外挤压力值：按（打井时）泥浆密度计算。
p9.8mL（确定所受外压力）
07.9,华北↑ 1-2
五、下套管固井↑1-2
套管与井壁的环空注入水泥浆封固，称为 固井。
下完套管后注水泥。
【普通井油层套管加固到油层100~200米 以上，热采井加固到井口（防止热应力膨 胀举升井口）。】
为了工作顺利，开钻方便，套管柱下部要 有附加装置。
①套管柱下部结构
★引鞋：在管柱最下端，锥形。
层，用钻井液环带出岩屑，钻井效率高。】
★地上动力—顶部驱动（前景好）【水龙头＋转盘，以
立根钻井。】
★井下动力—涡轮钻具和螺杆钻具。（斜井、水平 井用）【钻井液经钻杆柱内腔泵入涡轮钻具中，驱动转子由
主轴带动钻头旋转，实现破岩钻进。】
二、钻井工艺过程 多道工序完成三件事： 破碎岩石； 取出岩屑、保护井壁； 固井和完井，形成油流通道。
4.油层套管（生产套管）：最后一层 套管，形成井筒，使油气入内。内放 油管。
三、套管在井下的承载情况 套管在下井、固井、完井（射孔）过程中，承受复 杂载荷。 1. 外挤压力 地层对套管施加的静水压力（均匀外压）。 管外泥浆和水泥浆液柱压力； 地层中的油、气、水压力； 地层侧压力。
设计套管外挤压力时，认为管内掏空，管外按泥浆 柱计算外挤压力。
三、钻井新技术↑1-1 （一）喷射式钻井 利用高速射流作用，结合机械破岩，提高钻速，即喷射式钻 井。 采用喷射式钻头，钻井液通过具有特殊形状和小尺寸喷嘴形 成高速射流射向井底。 1. 现状与前景 超高压喷射钻井是石油工业的前沿研究课题。 破岩压力：150～200Mpa（需增压） ①美国： 94年前，尝试过地面增压，用铍铜合金管将高压液体传输井 下，打井试验，效果很好，提高钻速3～5倍。 地面增压缺点：高压传输密封难保证（接头），沿程损失太 大。 94年后，开始研究井下增压器，96年下井试验。
同时，开泵循环泥浆：冲洗井底，携出岩屑，保护井壁，冷 却钻具。
③接单根—不断钻进，加长钻柱；
每次接入一根钻杆，称为接单根。顶驱时，每次接入一立根 （由2～3根单根组成）。
④起钻—换钻头时，取出钻柱，称起钻作业。
以立根为单位起卸。
⑤换钻头—起钻结束，卸下旧钻头，换上新钻头。
⑥循环工作：下钻→正常钻进→接单根（立根）→起钻→换 钻头→下钻
07.9, 中原↑ 2-2
2. 喷射钻井的主要特点 用超高压液体，高速冲击岩石，钻 进快，钻头寿命长。 ①射流喷速高，100～150m/s； ②泵压高，20～ 35MPa； ③喷射钻头压力降和水功率高 。
3. 喷射钻井工作方式
钻头喷嘴的射流，用喷速、冲击力和 水功率三参数来表征。
（1）泵的水功率分配（NP=pP.Q） ①循环功率消耗（循环管路上NC） ②过钻头喷嘴压降（形成高速射流作 用的水功率Nb）
作用：防止套管下端插入井壁。
易钻材料（水泥）。
上接套管柱
★套管鞋：在引鞋上部，一厚壁短 节。内下部有锥面，防止起钻时， 钻头、钻杆拉住。
★回压阀：套管引鞋之上。
★阻流环（承托环）：承托下胶塞 （或木制塞）。（也承托回流阀中 胶木球）。
注水泥时，要用下胶塞和上胶塞。
★下胶塞：中间为空，上部有一层隔膜，外层为橡胶`。
注完水泥后，套管内留10～20m水泥塞，如果不是油层套管要 钻开。
★扶正器：弹簧钢片做成。
★泥浆刷：刮去井壁泥饼，提高水泥胶结强度。
②注水泥流程
下套管后，循环水洗井壁；
下放下胶塞，注水泥；
注完水泥，下放上胶塞，替泥浆；
替泥浆到上、下胶塞相碰结束。
路线：水泥混合—水泥泵—套管内—环空 （几分钟到十几分钟完成（快凝水泥）。
c1 的套管下 0～Hc1深；
c 2 的套管下Hc1～Hc2深； c 3 的套管下Hc2～Hc3深。 结果：三段套管抗挤强度不同，安全系数相同
（ c1 ， c 2 ， c 3 中安全系数相同）。分段越多
从抗挤强度的合理利用来说越合理。
原则：低抗挤能力的管放在管柱上段。
（2）抗拉强度计算 设 A i —某段上部危险断面；
大，中间部位大多数扣牙受力很小。
二、井身结构
下不同层次的套管固结井壁就构成了 井身结构。（参看图1-16）
1.导管：防止表土坍塌，引入钻头， 一口井中最大尺寸的套管 （20~40m）。
2.表层套管：加固上部疏松岩层的井 壁；封隔浅层水；安装防喷器、套管 头、采油树（30～100m）。
3.技术套管：封隔上部油、水、气层； 漏失层；坍塌层。根据地质情况下n层 技术套管。
钻井工艺技术
引言
石油工程：包括钻井工程（工艺），采油工程（工 艺）。即如何打井，怎样采油。
石油装备：是钻井、采油机械的概括。装备可认为 是机械工程（机械系统），并应包括电器设备。
本课程讲授内容：
钻井方法；钻机总论；机械驱动钻机；电驱动钻机；电机特 性；顶部驱动钻机；起升系统与设备；泥浆循环系统与设备； 钻井工具；采油机械装备。
排屑——用捞砂筒。
二者交替进行，钻进过 程不连续。
特点：效率低，速度慢， 设备简单，适于浅井， 农用水井。
2． 旋转钻井法 （1）过程：破岩—用旋转钻头；
排屑—用循环钻井液； （2）钻具组合：水龙头（输入泥浆）→方钻杆（传 矩）→钻柱（钻杆：传矩、加长、循环；钻铤：提供 钻压）→钻头。
★地面动力—转盘钻（常规）【钻头旋转，连续破碎岩
四、套管设计 1. 决定下套管层数。（根据地质情况） 2. 确定套管尺寸 确定完井最小井眼，各层套管尺寸； 选不同钢级、不同壁厚的套管组成管柱。 3. 设计原则 按三准则计算：抗拉安全系数： n安=1.62～2.0
抗挤安全系数： n安=1.0～1.25 抗内压安全系数：n安=1.0～1.33 管柱载荷：顶部受拉力最大，下部受内、外压最大， 应合理设计管柱。
水力学定义：液体过流断面周界 不与固体接触的流动称射流。
② 有气、液射流
③流态：层流（雷诺数小为层流 ）、紊流。
（3）射流结构
射流成喇叭形（速度递减）。
分三个区：（以喷嘴向外开始）
A区——等速核长度区，喷速为定值 。
B区——紊流混合区，喷度衰减。
C区——紊流形成区，喷度衰减显著 。
（4）压降、射流、破岩的关系 喷射破岩机理。 为何“井下增压”能提高破岩能力？本节重点理解的 问题 ① 从能量角度分析 提高射流的水功率和冲击力能提高破岩能力。
q i —套管在泥浆中线密度； LTi —该段长度 Ti —许用抗拉强度；
具有 T 1 抗拉强度的套管，可悬挂长度LT1。 即：本段上部套管断面A1,可承担管柱重 q1 LT1 ； 具有 T 2 的套管可悬挂LT2长，管重（ q2 LT2 ）；
T 3 的套管可悬挂LT3长，管重（q3 LT3 ）。 原则：低抗拉强度套管放在管柱下段。 用同一管柱下井，不合理，需分段。实际分段后
★压降：喷嘴进、出口压差。
★希望：降低NC，提高Nb； ★提高压降手段：减小喷嘴直径。
★提高压降目的：使射流获得大喷 速、大水马力，大动能；使射流到 达井底有大冲击力。
通过压能与动能进行能量交换。
入口
压降 压能
进出口 喷嘴 压差 水马力
出口
喷速 动能
井底
冲击力
（2）射流
① 定义：微孔喷出流体并非重力 作用，而传播的现象称射流。
③注水泥设备：水泥车、车装高压泵（需 几部）；灰罐车；混合漏斗。
④水泥
用石灰石、粘土、页岩、铁矿石按比例混 合，在1400～1600℃下烧成熟料，冷后 磨细。
固井用水泥为硅 酸盐水泥，凝速 快，有较高早期 强度。耐地下腐 蚀，射孔时不开 裂。
第二节 钻井方法
一、机械钻井法
1. 顿钻钻井法
破 岩 —— 用 顿 钻 钻 头 ， 上下冲击。
3．固井 套管与井壁的环空注入水泥浆封固，称为固井。
4．完井 钻井的最后一道工序。 主要用射孔完井法：用子弹射穿套管、水泥环和油层，使 油层与井筒相通。 5．钻井事故的处理 （1）井漏、井塌 井漏—泥浆压力>地层压力时，使泥浆进入地层。应加堵 漏物封堵。 井塌—井壁坍塌，应加重泥浆。 （2）井喷 地层压力>泥浆柱压力，井口都装防喷器。 【防喷器产品生产前景良好，要求打井必须安防喷器。】 （3）卡钻 转不动、起下钻遇阻，由沉砂、落石造成。。
对于高塑性地层（如膨胀性页岩）和盐岩层，外挤 压力以上覆岩层压力为计算依据。
2. 内压力 井口开时，等于管内液柱或气柱压力; 井口关时，等于井口压力与管内液、气柱压力之和。 井喷和压裂时受内压。 注水和注热蒸汽内压（从套管内注入）。 3. 拉力载荷 主要由套管自重引起。 泥浆浮力、注水泥流动阻力； 下套遇卡提力； 下套刹车动载等。 4.击震载荷：完井时，射孔。（固井后射孔使油流入 井筒） 5.热应力、腐蚀应力(硫化氢氢脆、电化学腐蚀、环 氧霉菌腐蚀)。