石油钻井设备与工具王镇全第六节闭环钻井技术简介
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石油钻井设备与工具-王镇全 第二节 螺杆钻具
定子
转子 转动 方向
封线，形成一Байду номын сангаас一个的密封空
腔。 当具有一定能量的压力液
进入转、定子形成的密封腔，
并从马达的一端流到另一端时， 推动转子在定子中转动，将液 压能转换为机械能，这就是螺 杆马达的基本工作原理。
液流
万向节
3、螺杆马达的机械特性分析
在不计损失时，根据容积式机械工作过程中的能量守恒，在单
1.2 井底温度
型有一定要求外，还要求转子与定子的长度须不小于最小
限度，即最小长度要大于螺距。 转子轴线和定子轴线间有一距离，称为偏心距，一般 以e 表示。
2 、工作原理
螺杆钻具是一种容积式(液压式)机械，其理论基础基于帕斯卡原 理.。
P1>P2
P2
P1
转子和定子具有特殊的啮
合结构，啮合点沿轴向经大于 一个螺距的距离后形成螺旋密
能转换为机械能。
特殊说明
旁通阀不是螺杆钻具工作时的必须部件。在
水平钻井中，为了防止停泵时环空钻井液内的岩 屑从旁通阀的筛板进人马达，往往不装旁通阀， 或把旁通阀的弹簧取出来使旁通阀呈常闭状态， 而在直井段的钻柱上安装一个钻柱旁通阀，来代 替钻具旁通阀的作用。
二、马达的结构及工作原理
1、马达的组成及结构简介
速大扭矩特性。
三） 万向轴总成
万向轴总成由两个元件组成：壳体和万 向轴。壳体通过上、下锥螺纹分别和马达 定子壳下端及传动轴壳体上端相连接。
直螺杆钻具的万向轴壳体无结构弯角， 而弯壳体螺杆钻具万向轴壳体则是一个带 有结构弯角的弯壳体。
万向轴有几种不同的结构形式， 例如应用最普遍的为瓣型连接轴和挠 性连接轴(有一定柔度、上下两端为 连接螺纹的光轴）以及其他形式的万 向轴。万向轴的上端和马达转子下端 相连，而下端则和传动轴上端的导帽 相连。
闭环钻井技术
闭环钻井技术引言石油工业的根本性目的是在提高生产效益的基础上尽量降低生产成本，在钻井工程中的具体反映则是如何更快、更好、更高质量和更经济地完成钻井任务。
这一奋斗目标促使了各种新工艺、新工具、新技术的出现，新颖优质PDC钻头，优质牙钻头，顶部驱动钻机，各种新型井下动力工具，优良的钻井液体系和配方等，为钻井速度的提高提供了坚强的后盾，优化钻井新技术则为降低钻井成本创造了条件。
在此基础上，定向井、水平井、丛式井等一系列特殊形式的新技术在某种意义上使钻井技术发生了质的飞跃。
MWD、LWD测量技术、井身轨迹控制技术、导向技术、轨迹预测技术等都是随之而发展起来的新技术。
而定向井、水平井、丛式井等体现出巨大经济优势，正是这种技术发展的原动力。
一方面，可使油气田开发方式更加多样化，使油田开采真正进入立体化阶段，解除了地面环境条件对油井布置的限制；另一方面，可使油层中井段的长度进一步加长，增加油层的泄油面积，为提高单井或井组产量提供了潜力；再一点就是地面占用面积的减少，为降低钻井成本创造了条件。
大位移井作为定向井、水平井技术的进一步发展形式既能反映定向井、水平井的技术和经济优势，同时是又具有更大的经济效益和更高的技术水平。
分支水平井利用同一主井眼钻出位于不同层位或同一层位的多支水平井体系，一方面可使一口主井眼控制更多的产油区域，使泄油面积进一步增加；另一方面，主井眼、井场、公路和配套设备的节省将使原油成本进一步下降。
尤其是在海上，石油平台的节省使它更具有竞争性。
面对大位移井ERD（Extended Reach Drilling）来说，其主要是利用井眼在地层中超长的延伸长度来控制泄油面积。
可从平台上进行大位移井的钻井，但更主要的是在沿海滩涂向海底延伸钻井，从而节省建造钻井平台的昂贵费用。
提高油层中井眼的长度所产生的经济效益显而易见，却也不易用数字加以说明，但从节约平台费用方面，则可给出两个令人惊讶的数字。
据报道，在英格兰南部Wytch Farm油田的开发中，利用了ERD技术，减少平台所节省的投资高达1.83亿美元。
石油钻井设备与工具-王镇全 《石油钻井设备与工具》说明
《石油钻井设备与工具》
(Oil drilling equipment and tool）
课程编码：
课内学时：32 学分：2
课程性质：选修
内容简介
本课程内容主要包括石油钻井设备的基本构成，设备与工具的功能、种类、工作原理和性能参数，石油钻井设备与工具的优选方法，石油钻井设备与工具的现状和发展趋势；涉及的钻井设备与工具主要包括：钻机、钻头、井下动力钻具、井眼轨迹测量与控制仪器等。
这些教学内容将为学生今后从事油气井工程相关工作时正确地选择、操作、维护及设计改进钻井设备与工具奠定基础。
修课对象
石油工程专业。
先修课程
机械原理，电工学，工程力学。
教材及主要参考书
推荐教材：《石油钻井设备与工具》多媒体课件，中国石油大学（北京）油气井工程系王镇全自编。
主要参考书：
1、钻井工程理论与技术。
陈庭根管志川主编。
石油大学出版社，2000年8月。
2、钻井工程设计。
周开吉郝俊芳编。
石油工业出版社，1996年2月。
开课单位
石油天然气工程学院。
石油钻井设备与工具-王镇全第四节聚晶金刚石钻头
①聚晶金刚石复合片 结构：
复合片为圆片状，金刚石层厚度一般小于3 mm， 切削岩石时作为工作层，碳化钨基体对聚晶金刚石薄 层起支撑作用。 特点：
A、金刚石和硬质合金两种材料的有机结合，使 PDC既具有金刚石的硬度和耐磨性，又具有硬质合金材 料的强度和抗冲击能力。
聚晶金刚石层
硬质合金
图1 爪型复合片
对于通常采用的圆弧形冠部，其形状可由内锥角和外锥圆 弧半径r两个参数确定（图）。
②冠部形状参数确定方法 冠部内锥角的大小影响钻头的稳定性，内锥角越
小钻头越稳定。随着地层硬度的增加，内锥角逐渐减小、 内锥高度增加，以保持钻头的稳定性。内锥深度与内锥 角有关，按内锥角的大小将内锥深度分为浅锥和深锥两 种，对应关系为：
因而，金刚石钻头的设计、制造和使用中必须避免金刚石材料经受高的 冲击载荷并保证金刚石切削齿的及时冷却 。
5、金刚石切削齿
1）单晶金刚石 种类：天然、人造 特点：颗粒小。
2）聚晶金刚石 聚晶金刚石是将直径约1～100um之间的人造金刚石单
晶微粉，加入一定配比的粘结金属或其他材料在高温高压
下聚合而成的大颗粒的多晶金刚石材料。有PDC和TSP两类。
5 、刀翼数量、形状及位置角
①刀翼数量 对刮刀PDC钻头而言，钻头冠部形状确定后， 刀翼数量决定了切削齿的布齿密度和数量。同 时其位置角影响钻头的整体受力和流道的结构。
地层越硬钻头磨损越严重，需要增加切削齿的 数量，刀翼数量也越多。常规钻头刮刀数范围为 3~9。刮刀数量与地层硬度的对应关系为：
②刀翼形状
③ 装配角
切削齿柱轴线与钻头轴线成一角度，此角称 作装配角。装配角为确定参数，由钻头的冠部形 状和齿径向半径决定。
④ 位置角
石油开采业的核心技术与装备介绍
促进石油产业的可持续发展
提高石油开采效率：通过核心技术 与装备的应用，提高石油开采效率， 降低生产成本。
提高能源利用效率：通过核心技术 与装备的应用，提高能源利用效率， 降低能源消耗。
添加标题
添加标题
添加标题
添加标题
减少环境污染：采用环保技术，减 少石油开采过程中的环境污染，保 护生态环境。
促进技术创新：通过核心技术与装 备的应用，促进技术创新，推动石 油产业的可持续发展。
器、控制器等
安全设备：用于保障钻井作 业安全的设备，包括防喷器、
防爆器、灭火器等
采油装备
钻井设备：用于钻探石油井，包括钻头、 钻杆、钻铤等
采油设备：用于提取石油，包括抽油机、 抽油杆、抽油泵等
修井设备：用于维护和修理油井，包括 修井机、修井工具等
井下工具：用于在井下进行各种作业， 包括打捞工具、封隔器、配水管等
3 石油开采的装备
钻井装备
泥浆泵：用于输送泥浆的泵， 用于冷却钻头、清除钻屑等
钻井工具：用于钻井作业的 工具，包括钻头、钻杆、钻 铤等
钻井平台：用于钻井作业的 平台，包括固定式和移动式 两种
循环系统：用于循环泥浆的 系统，包括泥浆罐、泥浆泵、
泥浆管线等
控制系统：用于控制钻井作 业的系统，包括仪表、传感
原理：利用油、 气、水三相的密 度差异进行分离
设备：油气分离 器、气液分离器、 水油分离器等
过程：油气混合 物进入分离器， 通过重力、离心 力等作用进行分 离
应用：广泛应用 于石油开采、炼 油、天然气处理 等领域
油气储存与运输技术
油气储存技术：包括地下储罐、地面储罐、海底储罐等 油气运输技术：包括管道输送、船舶运输、汽车运输等 油气储存与运输的安全性：包括防火、防爆、防泄漏等措施 油气储存与运输的效率：包括优化储罐布局、提高运输效率等措施
石油钻井设备与工具--钻具系统课件
石油钻井设井设备与工具--钻具系统
19
（3）钻杆接头及丝扣
钻杆接头是钻杆的组成邪分，分公接头和母接头， 连接在钻杆管体的两瑞。
接头上车有丝扣（粗扣），用以连接各单根钻杆。在 钻井过程中，接头处要经常拆卸，按头表面受到相当大的 大钳咬合力的作用，所以钻杆接头壁后较大，接头外径大 于管体外径，并采用强度更高的合金钢。
石油钻井设备与工具--钻具系统
6
第一节 钻柱
钻柱是钻头以上，水龙头以下部分的 钢管柱的总称。它包括方钻杆、钻杆、钻 铤、各种接头及稳定器等井下工具
石油钻井设备与工具--钻具系统
7
一、钻柱的作用 1、钻柱在钻井过程中的主要作用 (1)为钻井液由井口流向钻头提供通道； (2)给钻头施加适当的压力(钻压)； (3)把地面动力(扭矩等)传递给钻头； (4)起下钻头； (5)根据钻柱的长度计算井深。
常用钻杆的尺寸：88.9，114.3，127mm（3 1/2″4 ½ ″ 5″）三 种。
石油钻井设备与工具--钻具系统
16
石油钻井设备与工具--钻具系统
17
(2)钻杆的钢级与强度
钻杆的钢级是指钻杆钢材的等级，它由钻杆钢材的 屈服强度决定。
API将钻杆钢材等级分为五级： D、E、95(X)、105(G)、135(S)。 钻杆钢级越高，管材的屈服强度越大，钻杆的各种强 度也就越大。 在钻柱的强度设计中，推荐采用提高钢级的方法来提 高钻柱的强度，而不采用增加璧厚的方法。
内平式接头适用于外加厚钻杆，贯眼式接头适用于内 加厚钻杆，正规式接头适用于内加厚钻杆。
三种形式接头螺纹形状皆为“V”型，但扣型、扣距、 锥度不同。
石油钻井设备与工具--钻具系统
22
石油钻井设备与工具--钻具系统
石油钻井设备与工具-王镇全 6第二节电动钻机
5、可实现反馈制动刹车
AC 变频调速电动机,可对下钻时的钻柱
载荷进行反馈制动刹车,起着绞车辅助刹车
作用,可以代替常规绞车中的水刹车或电磁
涡流刹车,所以AC变频电驱动绞车中可以取
消水刹车或电磁涡流刹车。
6、 使用安全方便、噪音低、维护简便
AC 电动机工作时不会产生工作火花。这意 味着在油田钻井时,不会出现电弧击穿现象,电动 机使用更为安全可靠。 交流变频电驱动调节可以手控和遥控,还可
容易实现正、反转,绞车可以不设倒挡,简
化了绞车结构。
③有很好的时效指标 操作方便,变速快,时间短,具有很好的 处理事故的功能和能力。
④适用深井快速起下钻具作业 在下钻时,利用钻柱自重进行动力制动, 发电反馈到电网,以确保绞车的刹车系统操 作安全省力、节约下钻时间。适用于深井 快速起下钻具。
⑤转速可无级调节能满足各种作业需要 尽管转盘只有两个或4 个钻井挡数,但 是由于直流电动机转速可以无级进行调节,
流变频电驱动钻机数量为全球之最。
与机械传动钻机相比电动钻机的主要特点为: 1、使绞车、转盘、钻井泵都实现了无级调速；
2、绞车设计为单轴, 经减速器驱动。体积小,
质量轻, 故障少;
3、极低速及恒扭矩输出；
5、数控恒钻压自动送钻。
4、司钻控制系统控制精确, 操作简单, 使司
钻摆脱了繁重的体力劳动。
一、直流电驱动钻机
第二节
电动钻机
世界石油钻机电驱动型式的技术发展,
经历了交流电驱动、直流电驱动、交流—
可控硅—直流电驱动和变频交流电驱动等4
个技术发展阶段。
交流变频电动机出现在20世纪80 年代，
交流变频调速电驱动钻机是目前最先进的 电动钻机。
钻井设备和工具PPT课件
环保技术应用
阐述在钻井作业中如何应用环保技术，如使用环保型钻井液、减少 废气废水排放等。
环保效果评价
对采取的环保措施进行效果评价，分析其对改善环境质量、保护生 态环境的实际贡献。
THANKS
感谢观看
定期检查与保养计划制定
制定详细的定期检查计划，包括日检、周检、月 检等，确保设备正常运行。
根据设备使用情况和厂家建议，制定合理的保养 计划，包括更换润滑油、清洗过滤器等。
建立设备检查与保养记录，对每次检查和保养情 况进行详细记录，便于追踪和查询。
常见故障排查及维修方法
熟练掌握钻井设备与工具常见故障类型及原因，如电气故障、机械故障等。 针对不同类型的故障，制定相应的排查方法和维修措施，确保设备及时恢复正常。
制定安全操作规程
明确钻井设备与工具的安全操作 要求，包括设备启动、运行、停
机、维护等各个环节。
实施安全培训
对操作人员进行安全操作培训， 确保他们熟悉安全操作规程，掌
握正确的操作方法。
定期检查与考核
定期对操作人员的安全操作进行 检查和考核，发现问题及时纠正 ，确保安全操作制度得到有效执
行。
危险源辨识及风险评估方法
配电系统
对电力进行合理分配，确保各设备正 常运行。
控制系统
对钻井设备进行集中控制，实现自动 化和智能化钻井。
照明设备
提供钻井现场的照明，确保夜间作业 安全。
03
钻井工具介绍与分类
钻头类型及选择依据
钻头类型
包括刮刀钻头、牙轮钻头、金刚 石钻头等，适用于不同地层和钻 进需求。
选择依据
根据地层岩性、钻进效率、钻头 磨损情况等因素进行选择。
钻井设备和工具PPT 课件
目录
阐述在钻井作业中如何应用环保技术，如使用环保型钻井液、减少 废气废水排放等。
环保效果评价
对采取的环保措施进行效果评价，分析其对改善环境质量、保护生 态环境的实际贡献。
THANKS
感谢观看
定期检查与保养计划制定
制定详细的定期检查计划，包括日检、周检、月 检等，确保设备正常运行。
根据设备使用情况和厂家建议，制定合理的保养 计划，包括更换润滑油、清洗过滤器等。
建立设备检查与保养记录，对每次检查和保养情 况进行详细记录，便于追踪和查询。
常见故障排查及维修方法
熟练掌握钻井设备与工具常见故障类型及原因，如电气故障、机械故障等。 针对不同类型的故障，制定相应的排查方法和维修措施，确保设备及时恢复正常。
制定安全操作规程
明确钻井设备与工具的安全操作 要求，包括设备启动、运行、停
机、维护等各个环节。
实施安全培训
对操作人员进行安全操作培训， 确保他们熟悉安全操作规程，掌
握正确的操作方法。
定期检查与考核
定期对操作人员的安全操作进行 检查和考核，发现问题及时纠正 ，确保安全操作制度得到有效执
行。
危险源辨识及风险评估方法
配电系统
对电力进行合理分配，确保各设备正 常运行。
控制系统
对钻井设备进行集中控制，实现自动 化和智能化钻井。
照明设备
提供钻井现场的照明，确保夜间作业 安全。
03
钻井工具介绍与分类
钻头类型及选择依据
钻头类型
包括刮刀钻头、牙轮钻头、金刚 石钻头等，适用于不同地层和钻 进需求。
选择依据
根据地层岩性、钻进效率、钻头 磨损情况等因素进行选择。
钻井设备和工具PPT 课件
目录
石油钻井设备与工具-王镇全 套管钻井技术
8000ft Water
2000ft Formation
Lii Latco
Tubular Services
Deep Water Drill-In Casing
Sea Level
8000ft Water
2000ft Formation
Lii Latco
Tubular Services
Deep Water Drill-In Casing
HYDRAULIC ACTUATOR
LENGTH 10’
TRIP & TORQUE GRAPPLE
CUP PACKER
STABBING GUIDE
4 ½” to 20” tool sizes available
Lii Latco
Tubular Services
Internal Drive Assembly
Lii Latco
Tubular Services
套管钻井工艺技术简介
Lii Latco
Tubular Services
1、套管钻井工艺技术的优点
套管钻井工艺是取消常规钻杆，以套管代替钻杆，
由此给钻井作业带来以下优点：
① 整个钻井过程不再使用钻杆； ② 减少了起下钻时间。在钻井过程中不再有传统的起下钻 过程，只利用专用绞车通过纲丝绳起下钻头，十分迅速，比传 统的钻杆起下钻大约快5～10倍，大大节约了钻井时间和费用；
Lii Latco
Tubular Services
Deep Water Drill-In Casing
Sea Level
8000ft Water
2000ft Formation
Lii Latco
Tubular Services
石油钻井设备与工具-王镇全第二节钻井工艺概述
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
环保化钻井
总结词
环保化钻井技术注重环境保护和可持续发展，通过减少污染和提高资源利用效率 来降低环境影响。
详细描述
环保化钻井技术包括使用环保钻井液、优化钻井工艺、回收利用钻屑等措施。通 过这些技术手段，可以减少钻井过程中的环境污染，降低对生态系统的破坏。同 时，提高资源利用效率，降低能源消耗和资源浪费，实现可持续发展。
钻井液配制
钻井液是钻井过程中的重要组成 部分，需要根据不同的地质条件 和钻井要求选择合适的钻井液配 方。
环境挑战
环境保护
钻井过程中需要采取措施保护环境，减少对周围生态 的影响。
噪音和振动
钻井设备运行过程中会产生噪音和振动，对周围居民 和环境造成影响。
废弃物处理
钻井过程中会产生大量废弃物，需要进行妥善处理和 回收。
第二节 钻井工艺概述
contents
目录
• 钻井工艺简介 • 钻井工艺流程 • 钻井工艺的应用 • 钻井工艺的挑战与解决方案 • 未来钻井工艺的发展趋势
01
钻井工艺简介
钻井工艺的定义
钻井工艺：指利用钻机设备对地层进 行钻孔、扩孔和成井的工艺过程，包 括钻孔设计、钻进技术、钻孔处理、 钻孔保护和钻孔应用等环节。
03
非常规钻井的难点在于如何应 对低渗透、低压力、低产量的 地质条件，以及如何提高单井 产量和采收率。
04
钻井工艺的挑战与解决 方案
技术挑战
钻井设备老化
随着设备使用时间的增长，钻井 设备的性能和可靠性会逐渐降低， 需要定期维护和更换。
钻井参数优化
钻井过程中需要根据地质条件、 钻井液性能等因素不断调整钻井 参数，以达到最佳的钻井效果。
钻井设备简介课件
contents •钻井设备概述•钻机设备介绍•钻具介绍•钻井泵介绍•辅助设备介绍•钻井设备的发展趋势及展望•钻井设备的应用案例分析目录01陆地钻机主要用于地质勘探、油气开发和地下水开采等领域；而海洋钻机则主要用于海洋油气开发等领域。
此外，根据使用目的和钻探对象，钻井设备还可分为石油钻井设备、地质钻井设备、水文钻井设备等。
根据钻探深度和规模，钻井设备可分为陆地钻机和海洋钻机两大类。
钻井设备的发展历程02钻机的组成01020304钻机主机辅助设备传动系统控制系统井口装置钻头泥浆泵发电机组钻机的主要部件钻机的操作流程准备工作安装钻机调试设备完成作业开始钻井监控数据03稳定器泥浆泵按用途分类可分为整体式钻具、分体式钻具、可调式钻具等。
按结构分类按材质分类确保钻具无损伤、无裂纹、连接部位紧固可靠。
使用前检查操作要求使用过程中监控使用后保养操作人员需经过专业培训，熟悉钻具结构、性能及操作规程。
密切关注钻进状态，发现异常及时停钻检查。
清洗、检查、润滑、存放干燥处。
钻具的使用注意事项04钻井泵的组成01020304钻井泵是一种往复泵，通过柱塞在缸套内作往复运动来吸入和排出流体。
当柱塞向后运动时，缸套内压力降低，流体被吸入；当柱塞向前运动时，缸套内压力增加，流体被排出。
通过多个柱塞的往复运动，可以实现大量流体的吸入和排出。
钻井泵的工作原理钻井泵的分类及特点05作用组成特点030201绞车组成泥浆泵主要由泵头、泵缸、传动轴、吸入管等组成。
作用泥浆泵是钻井设备中的重要组成部分，主要用于向钻头输送高压泥浆，以保持钻头的冷却和清洗。
特点泥浆泵的泵头和泵缸是整个泥浆泵的关键部分，其材料和性能对泥浆泵的使用寿命和效率有重要影响。
泥浆泵组成特点作用顶部驱动装置06高效节能钻井设备智能化技术应用高效节能化自动化钻井技术自动化钻井技术是未来钻井设备的重要发展方向之一。
通过自动化技术，可以实现钻井设备的远程控制、自动化操作等功能，提高钻井作业的效率和安全性。
石油钻井设备与工具王镇全第六节其它类型钻头
种类及特点： 领眼钻头+水力控制扩眼接头 特点：扩眼直径大，但由于水力控制，井眼直径较难
控制。 可膨胀钻头 特点：新型扩眼钻头，克服了以上扩眼钻头的缺点，
但加工制造有难度
石油钻井设备与工具王镇全第六节其 它类型钻头
水 力 胀 开 式 扩 眼 器
石油钻井设备与工具王镇全第六节其 它类型钻头
可变径扩眼钻头( Expandable Bit)
石油钻井设备与工具王镇全第六节其 它类型钻头
Open / Close Function Test
Closed (Low Pressure)
Open (Full Pump Pressure)
石油钻井设备与工具王镇全第六节其 它类型钻头
石油钻井设备与工具王镇全第六节其 它类型钻头
Deep Water Drill-In Casing
石油钻井设备与工具王镇全第六节其 它类型钻头
超高压喷射钻头
石油钻井设备与工具王镇全第六节其 它类型钻头
PDC钻头基本结构
石油钻井设备与工具王镇全第六节其 它类型钻头
3rew
演讲完毕，谢谢听讲!
再见，see you again
2020/11/29
石油钻井设备与工具王镇全第六节其 它类型钻头
Sea Level
8000ft Water
2000ft Formation
石油钻井设备与工具王镇全第六节其 它类型钻头
Deep Water Drill-In Casing
Sea Level
8000ft Water
2000ft Formation
石油钻井设备与工具王镇全第六节其 它类型钻头
Deep Water Drill-In Casing
控制。 可膨胀钻头 特点：新型扩眼钻头，克服了以上扩眼钻头的缺点，
但加工制造有难度
石油钻井设备与工具王镇全第六节其 它类型钻头
水 力 胀 开 式 扩 眼 器
石油钻井设备与工具王镇全第六节其 它类型钻头
可变径扩眼钻头( Expandable Bit)
石油钻井设备与工具王镇全第六节其 它类型钻头
Open / Close Function Test
Closed (Low Pressure)
Open (Full Pump Pressure)
石油钻井设备与工具王镇全第六节其 它类型钻头
石油钻井设备与工具王镇全第六节其 它类型钻头
Deep Water Drill-In Casing
石油钻井设备与工具王镇全第六节其 它类型钻头
超高压喷射钻头
石油钻井设备与工具王镇全第六节其 它类型钻头
PDC钻头基本结构
石油钻井设备与工具王镇全第六节其 它类型钻头
3rew
演讲完毕，谢谢听讲!
再见，see you again
2020/11/29
石油钻井设备与工具王镇全第六节其 它类型钻头
Sea Level
8000ft Water
2000ft Formation
石油钻井设备与工具王镇全第六节其 它类型钻头
Deep Water Drill-In Casing
Sea Level
8000ft Water
2000ft Formation
石油钻井设备与工具王镇全第六节其 它类型钻头
Deep Water Drill-In Casing
钻井设备和工具PPT课件
49
PDC钻头破岩机理
➢ PDC主要以切削方式破碎岩石。
➢ 切削刃在钻压作用下吃入地层，刃前岩石在 旋转力作用下发生剪切破碎。
➢ 切削塑性岩石和脆性岩石的过程类似于刮刀 钻头，由于多个切削齿同时工作，井底岩石 自由面多，因此破碎效率高。
➢ 金刚石切削刃耐磨性高，钻头寿命长，单只 钻头进尺高。
50
PDC钻头的正确使用
38
牙轮钻头
牙轮钻头的结构
牙轮钻头由钻头体、牙爪（巴掌）牙 轮及牙齿、轴承、储油润滑密封系统、 喷嘴等部分组成。
巴掌
钻头体
水眼
39
牙轮钻头牙齿：铣齿、镶齿
铣齿（钢齿）—在牙轮锥面上直接铣出，楔形
镶齿（硬质合金齿）—镶装在牙轮锥面的孔中，有多种齿形适用不同地层。
40
41
牙轮钻头的工作原理
牙轮钻头在井底的运动
3. 副锥、超顶，移轴， 用于软地层 43
44
45
牙轮钻头的工作原理
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或齿圈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。
24
6、井控系统
(1)组成： 防喷器组、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。
25
6、井控系统
国内防喷器产品
闸板防喷器 环形防喷器
分Байду номын сангаас器
旋转防喷器
电缆防喷器 带压作业装置
PDC钻头破岩机理
➢ PDC主要以切削方式破碎岩石。
➢ 切削刃在钻压作用下吃入地层，刃前岩石在 旋转力作用下发生剪切破碎。
➢ 切削塑性岩石和脆性岩石的过程类似于刮刀 钻头，由于多个切削齿同时工作，井底岩石 自由面多，因此破碎效率高。
➢ 金刚石切削刃耐磨性高，钻头寿命长，单只 钻头进尺高。
50
PDC钻头的正确使用
38
牙轮钻头
牙轮钻头的结构
牙轮钻头由钻头体、牙爪（巴掌）牙 轮及牙齿、轴承、储油润滑密封系统、 喷嘴等部分组成。
巴掌
钻头体
水眼
39
牙轮钻头牙齿：铣齿、镶齿
铣齿（钢齿）—在牙轮锥面上直接铣出，楔形
镶齿（硬质合金齿）—镶装在牙轮锥面的孔中，有多种齿形适用不同地层。
40
41
牙轮钻头的工作原理
牙轮钻头在井底的运动
3. 副锥、超顶，移轴， 用于软地层 43
44
45
牙轮钻头的工作原理
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或齿圈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。
24
6、井控系统
(1)组成： 防喷器组、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。
25
6、井控系统
国内防喷器产品
闸板防喷器 环形防喷器
分Байду номын сангаас器
旋转防喷器
电缆防喷器 带压作业装置
石油钻井设备与工具-王镇全 第一节 岩石及其性质
式称为塑脆性破坏。 三种破坏形式的岩石分别称为脆性岩石，塑性岩石，塑脆性岩石。
2、衡量岩石弹塑性的指标
为衡量岩石的弹塑性，引入塑性系数的概念. 岩石的塑性系数(Kn)：岩石破碎前所消耗的总能量与弹性变形所 消耗能量之比。(测定方法见岩石的压入硬度）
A OBDE面积 kn Ae OBC面积
按塑性系数的大小将岩石分为6级（见表）。
强度和抗弯强度。 岩石的强度特性见下表:
从实验结果可以看出：岩石的抗剪强度约为其抗压强度的1／5～1
／11；岩石的抗弯强度约为抗压强度的1／5～1／12，而岩石的抗拉强度 仅为岩石抗压强度的1／10～1／50。 因此，在破碎岩石时需要优选破岩方法，尽量选择拉、剪方式破岩。 根据岩石的强度特性，选择有效的破碎方法，是提高碎岩效率的有效途
在较小的载荷作用下就开始塑性变形，其后形变随变形时间的延长而
增长，曲线倾角趋近于零。
1、岩石的破坏形式
岩石从变形到破坏有三种形式：
破坏前不存在任何不可逆的变形，则这种破坏称为脆性破坏；
破坏前发生大量的不可逆变形，且没有明显的弹性变形阶段，则这 种破坏形式称为塑性破坏；
破坏前经历明显的弹性变形和塑性变形阶段，则岩石的这种破坏形
2、岩石可钻性的意义
①优选钻井方式；
②优选钻头；
③预测钻井速度。
3、岩石可钻性分级方法
目前石油钻井岩石可钻性分级的方法主要有以下几种：
①按岩石的单项力学性质指标； ②综合力学指标法； ③利用模拟钻进实验确定可钻性； ④利用测井资料确定可钻性。
举例：按压入硬度分级 岩石可钻性与压入硬度存在着相关关系，一般情况下机械钻速 和压入硬度成反比。以压入硬度作为衡量可钻性的指标。 按压入硬度将岩石的可钻性分为12级。
2、衡量岩石弹塑性的指标
为衡量岩石的弹塑性，引入塑性系数的概念. 岩石的塑性系数(Kn)：岩石破碎前所消耗的总能量与弹性变形所 消耗能量之比。(测定方法见岩石的压入硬度）
A OBDE面积 kn Ae OBC面积
按塑性系数的大小将岩石分为6级（见表）。
强度和抗弯强度。 岩石的强度特性见下表:
从实验结果可以看出：岩石的抗剪强度约为其抗压强度的1／5～1
／11；岩石的抗弯强度约为抗压强度的1／5～1／12，而岩石的抗拉强度 仅为岩石抗压强度的1／10～1／50。 因此，在破碎岩石时需要优选破岩方法，尽量选择拉、剪方式破岩。 根据岩石的强度特性，选择有效的破碎方法，是提高碎岩效率的有效途
在较小的载荷作用下就开始塑性变形，其后形变随变形时间的延长而
增长，曲线倾角趋近于零。
1、岩石的破坏形式
岩石从变形到破坏有三种形式：
破坏前不存在任何不可逆的变形，则这种破坏称为脆性破坏；
破坏前发生大量的不可逆变形，且没有明显的弹性变形阶段，则这 种破坏形式称为塑性破坏；
破坏前经历明显的弹性变形和塑性变形阶段，则岩石的这种破坏形
2、岩石可钻性的意义
①优选钻井方式；
②优选钻头；
③预测钻井速度。
3、岩石可钻性分级方法
目前石油钻井岩石可钻性分级的方法主要有以下几种：
①按岩石的单项力学性质指标； ②综合力学指标法； ③利用模拟钻进实验确定可钻性； ④利用测井资料确定可钻性。
举例：按压入硬度分级 岩石可钻性与压入硬度存在着相关关系，一般情况下机械钻速 和压入硬度成反比。以压入硬度作为衡量可钻性的指标。 按压入硬度将岩石的可钻性分为12级。
石油钻井设备与工具-王镇全连续油管钻井技术
Coiled Tubing SandVac Rig Up
NWohrethreS?ea Platform
CWThadtr?illing Rig Up
Pumping / displacing
• Create under-balance • Create over-balance (kill) • Circulate • Flush • …..
③ 井控系统：连续油管防喷器组。
2、底部钻具组合（BHA）
① 连续油管连接器 ②紧急分离工具：钻井过程中，钻具遇卡时该工具可 使连续油管与下部钻具分离，并使液压和电力通讯安全切断。 ③ 多路传输接头：实现井下与地面的数据传送。 ④定向工具：定向工具具有在地面控制定向和实时测 得井下数据的能力。
⑤ 助推器 ⑥ 循环阀 ⑦ 导向工具 ⑧ 马达：主要作用是使钻头产生旋转。 ⑨ 钻头
Stuffing box
注入装置的类型
Model Min pipe Max pipe Max Snub Max Pull
HR440
1”
2 ⅜” 20,000 lb 60,000 lb
HR5100 1 ½”
3 ½” 50,000 lb 100,000 lb
HR560
1”
2 ⅜” 26,000 lb 60,000 lb
hydraulic pressure to seal • Self lubricating polymers • Change while CT in wellbore • Intended to wear & be replaced
控制室
CTU Control Cabin
井控系统
Main components
flowrate • Small electric units exist • Future designs electric or electric over
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油气井钻井将发展为像航天、航海领 域的自主导弹那样高水平的“自主钻井导 弹”和双闭环(井下与地面之间的大闭环及 井下导向工具与井下测量系统之间的井下 小闭环) 系统。实现这一目标的核心技术 主要有：
1、先进的导向钻井工具
(1) 滑动式导向工具 滑动式导向工具是导向作业时钻柱不
旋转(随钻头向前推进, 钻柱沿井壁轴向滑 动)。目前这类导向工具占主导地位, 主要 有弯壳体马达(含单弯、同向双弯、异向双 弯导向马达)、可调弯接头、可变径稳定器 等。
第六节 闭环钻井技术简介
前言
环指钻井作业过程。闭环钻井是指钻 井过程的整体优化。
闭环钻井的目标是实现钻井过程的全 面自动化、智能化, 解放钻井人员、提高 整体经济效益。
钻井自动钻具
MWD
计算机
自动化钻井
PDC钻头 井下遥 控工具
1950
1960
1970
1980
1990
如果井下开环钻井用自动化钻机, 就成为地面闭环、 井下开环钻井; 否则为地面开环、井下开环钻井。
2、井下半闭环钻井阶段
有较先进的井下测量工具(如MWD)，有地面可控的井 下工具。测量数据向地面传输, 经过计算机处理及地面模 拟, 通过传输通道向井下传送操作指令, 随后对井下操作 进行控制。
与井下开环系统相比, 测量精度高、实时性强、信 息量大。操作指令更大程度上依靠计算机处理得到, 人为 经验减少。井下可控工具(包括可变径稳定器、可调弯接 头、可变弯角井下动力钻具、可伸缩偏心块等) 使得起下 钻操作大幅度减少, 钻井效率显著提高。目前许多水平井、 定向井都是利用井下半闭环钻井技术完成的。
(1) 中心电脑放在地面。通常是测量信息通过传输通道传到 地面, 经中心处理机处理后, 控制指令传给顶部驱动钻机, 由顶部驱动钻机来改变井下工具的工具面。也可以是中心 电脑发出的控制指令传给井下可控工具, 从而改变井下工 具的结构参数。
(2) 中心电脑放在井下。随钻测量信息传给井下电脑, 由井 下电脑发出控制指令来控制井下可控工具的工作状态。测 量信息同时传给地面计算机进行模拟研究, 用来监测井下 作业效果。
3、 井下闭环阶段
指井身轨迹控制完全可以离开人的干预(特 殊需要时例外) , 井下信息测量、传输、处理以 及控制指令的产生和执行完全自动进行。有先进 的随钻测量工具(MWD 等) 和功能较强的井下可调 控工具。同时, 必须有性能很好的微电脑(能承受 井下的恶劣环境)。
井下闭环钻井作业可分为两类:
(1) 几何导向 主要是以预置的井眼轨迹或井下实时设计的
井眼轨迹为参考量。导向作业时, 将实测的轨迹 参数与控制参考量作比较, 由控制机构给出合适 的控制指令, 从而使钻头沿最优的井眼轨迹钻进。
(2) 地质导向
在拥有几何导向能力的同时, 又能根据随钻 测井(LWD) 得出的地层岩性、地层层面、油层特 点等地质特征参量, 随时控制井下轨迹,使钻头沿 地层最优位置钻进。在预先并不掌握地层性质特 点、层面特征的情况下, 实现精确控制。
4、全闭环钻井阶段
这是钻井技术发展的最高阶段。井下 采用智能化钻井系统, 地面监控和操作采 用规范的自动化系统。地面中心控制计算 机控制整个钻井作业系统, 井下智能钻井 系统则带有独立的井下微电脑。此时, 作 业人员就可全部或大部分从作业环节中解 放出来, 从而实现钻井的整体优化。目前 离实现全闭环钻井还有一段距离。
• Side force or push the bit tool • Pads extend dynamically from a rotating housing • Curvature defined by 3 points of contact
PowerDrive Bias Unit
Pad out
• Has 3
pads
driven by
hydraulic
Pad in
actuators
• Actuators apply lateral force to the bit while always rotating at
2、导向方式
不论是滑动式还是旋转式井下闭环钻井系统, 都必须选择合适的导向方式。导向方式主要有两 种:
2000 2005 2010
常规转盘钻井 喷射钻井 最优化钻井
定向井 丛式井
水平井 多分枝水平井 地质导向钻井 小井眼井 大位移井 自动化钻井
一、钻井作业自动化的发展过程
钻井作业自动化的发展过程可划分为井下开环、井 下半闭环、井下闭环和全闭环四个技术发展阶段： 1、 井下开环钻井阶段
指井下操作全部由人来完成, 只有一般的井下测量 工具。井眼轨迹的控制只能利用预测技术和更换井底钻具 组合来进行。井眼轨迹质量差, 钻井效率低, 安全性差。
钻机 双向通讯
卫星通讯 计算机
地面发射器/接收器
公司办公室
• 执行机构 • 测量系统 • 控制系统 • 双向通讯
井下发射器/接收器 微处理器 传感器组(随钻测量)
可调接头
井下马达 钻头
闭 环 钻 井 技 术 的 流 程 框 图
二、闭环钻井技术的必要条件
要实现闭环钻井作业的全过程, 必须 具备以下六个条件: (1)地面测量,主要包括泥浆录井, 钻井参数 地面测量; (2)井下随钻测量, 目前主要采用MWD、LWD 等井下测量工具; (3)数据采集, 同时包括地面计算;
(4) 数据的整体综合解释, 主要包括把测量 数据解释成有用的参数以指导作业, 同时 用“人工智能”把全世界范围内的专家经 验应用于井场;
(5) 地面操作控制自动化, 把人从钻井作业 过程中解放出来;
(6) 井下操作自动控制, 主要是利用“智能” 型井下工具和自动的井底钻具组合进行控 制。
三、实现闭环钻井的核心技术
导向钻井系统
（AKO导向马达）
可变径稳定器
滑动导向控制
旋转导向控制
Q
(2) 旋转式导向工具
旋转式导向工具是导向作业时钻柱旋 转。现有的旋转式导向工具分为两类：
①静止式旋转导向工具(即导向工具的 导向翼肋相对井壁不转动) ；
②可调节式的旋转导向工具(即在旋转 过程中实现导向)。
PowerDrive Principle of Operation
1、先进的导向钻井工具
(1) 滑动式导向工具 滑动式导向工具是导向作业时钻柱不
旋转(随钻头向前推进, 钻柱沿井壁轴向滑 动)。目前这类导向工具占主导地位, 主要 有弯壳体马达(含单弯、同向双弯、异向双 弯导向马达)、可调弯接头、可变径稳定器 等。
第六节 闭环钻井技术简介
前言
环指钻井作业过程。闭环钻井是指钻 井过程的整体优化。
闭环钻井的目标是实现钻井过程的全 面自动化、智能化, 解放钻井人员、提高 整体经济效益。
钻井自动钻具
MWD
计算机
自动化钻井
PDC钻头 井下遥 控工具
1950
1960
1970
1980
1990
如果井下开环钻井用自动化钻机, 就成为地面闭环、 井下开环钻井; 否则为地面开环、井下开环钻井。
2、井下半闭环钻井阶段
有较先进的井下测量工具(如MWD)，有地面可控的井 下工具。测量数据向地面传输, 经过计算机处理及地面模 拟, 通过传输通道向井下传送操作指令, 随后对井下操作 进行控制。
与井下开环系统相比, 测量精度高、实时性强、信 息量大。操作指令更大程度上依靠计算机处理得到, 人为 经验减少。井下可控工具(包括可变径稳定器、可调弯接 头、可变弯角井下动力钻具、可伸缩偏心块等) 使得起下 钻操作大幅度减少, 钻井效率显著提高。目前许多水平井、 定向井都是利用井下半闭环钻井技术完成的。
(1) 中心电脑放在地面。通常是测量信息通过传输通道传到 地面, 经中心处理机处理后, 控制指令传给顶部驱动钻机, 由顶部驱动钻机来改变井下工具的工具面。也可以是中心 电脑发出的控制指令传给井下可控工具, 从而改变井下工 具的结构参数。
(2) 中心电脑放在井下。随钻测量信息传给井下电脑, 由井 下电脑发出控制指令来控制井下可控工具的工作状态。测 量信息同时传给地面计算机进行模拟研究, 用来监测井下 作业效果。
3、 井下闭环阶段
指井身轨迹控制完全可以离开人的干预(特 殊需要时例外) , 井下信息测量、传输、处理以 及控制指令的产生和执行完全自动进行。有先进 的随钻测量工具(MWD 等) 和功能较强的井下可调 控工具。同时, 必须有性能很好的微电脑(能承受 井下的恶劣环境)。
井下闭环钻井作业可分为两类:
(1) 几何导向 主要是以预置的井眼轨迹或井下实时设计的
井眼轨迹为参考量。导向作业时, 将实测的轨迹 参数与控制参考量作比较, 由控制机构给出合适 的控制指令, 从而使钻头沿最优的井眼轨迹钻进。
(2) 地质导向
在拥有几何导向能力的同时, 又能根据随钻 测井(LWD) 得出的地层岩性、地层层面、油层特 点等地质特征参量, 随时控制井下轨迹,使钻头沿 地层最优位置钻进。在预先并不掌握地层性质特 点、层面特征的情况下, 实现精确控制。
4、全闭环钻井阶段
这是钻井技术发展的最高阶段。井下 采用智能化钻井系统, 地面监控和操作采 用规范的自动化系统。地面中心控制计算 机控制整个钻井作业系统, 井下智能钻井 系统则带有独立的井下微电脑。此时, 作 业人员就可全部或大部分从作业环节中解 放出来, 从而实现钻井的整体优化。目前 离实现全闭环钻井还有一段距离。
• Side force or push the bit tool • Pads extend dynamically from a rotating housing • Curvature defined by 3 points of contact
PowerDrive Bias Unit
Pad out
• Has 3
pads
driven by
hydraulic
Pad in
actuators
• Actuators apply lateral force to the bit while always rotating at
2、导向方式
不论是滑动式还是旋转式井下闭环钻井系统, 都必须选择合适的导向方式。导向方式主要有两 种:
2000 2005 2010
常规转盘钻井 喷射钻井 最优化钻井
定向井 丛式井
水平井 多分枝水平井 地质导向钻井 小井眼井 大位移井 自动化钻井
一、钻井作业自动化的发展过程
钻井作业自动化的发展过程可划分为井下开环、井 下半闭环、井下闭环和全闭环四个技术发展阶段： 1、 井下开环钻井阶段
指井下操作全部由人来完成, 只有一般的井下测量 工具。井眼轨迹的控制只能利用预测技术和更换井底钻具 组合来进行。井眼轨迹质量差, 钻井效率低, 安全性差。
钻机 双向通讯
卫星通讯 计算机
地面发射器/接收器
公司办公室
• 执行机构 • 测量系统 • 控制系统 • 双向通讯
井下发射器/接收器 微处理器 传感器组(随钻测量)
可调接头
井下马达 钻头
闭 环 钻 井 技 术 的 流 程 框 图
二、闭环钻井技术的必要条件
要实现闭环钻井作业的全过程, 必须 具备以下六个条件: (1)地面测量,主要包括泥浆录井, 钻井参数 地面测量; (2)井下随钻测量, 目前主要采用MWD、LWD 等井下测量工具; (3)数据采集, 同时包括地面计算;
(4) 数据的整体综合解释, 主要包括把测量 数据解释成有用的参数以指导作业, 同时 用“人工智能”把全世界范围内的专家经 验应用于井场;
(5) 地面操作控制自动化, 把人从钻井作业 过程中解放出来;
(6) 井下操作自动控制, 主要是利用“智能” 型井下工具和自动的井底钻具组合进行控 制。
三、实现闭环钻井的核心技术
导向钻井系统
（AKO导向马达）
可变径稳定器
滑动导向控制
旋转导向控制
Q
(2) 旋转式导向工具
旋转式导向工具是导向作业时钻柱旋 转。现有的旋转式导向工具分为两类：
①静止式旋转导向工具(即导向工具的 导向翼肋相对井壁不转动) ；
②可调节式的旋转导向工具(即在旋转 过程中实现导向)。
PowerDrive Principle of Operation