石油钻井机械教案)

教材：石油钻井机械（程旭王存喜主编）一、教学目的、要求1.熟悉钻机的结构原理。

2.掌握常规钻井基本方法流程。

二、教学重、难点1.钻机的应用。

2.钻井方法。

三、复习旧课沟通了解学生校外实习教学心得，畅谈内陆现场石油钻井的工艺流程，加以引导，导入我国常规石油钻机的过去、现在与未来发展。

四、导入新课石油钻井是一项系统工程，涉及到石油地质、油田化学、岩石力学、钻井机械与工具的现代设计技术，以及电子技术、计算机技术与人工智能等在钻井测量及自动化、智能化钻井方面的应用。

五、讲授新课第一章钻机概论第一节钻井工艺对钻机的要求及钻机的特点（一）钻井方法1．顿钻钻井方法顿钻钻井方法又称冲击钻井方法。

如图1—2顿钻钻井示意图。

其作用原理:是周期的将钻头提到一定的高度向下冲击井底，破碎岩石。

在不断冲击的同时，向井内注水，便停止冲击，下入捞砂筒捞出岩屑，然后再开始冲击作业。

如此交替，加深井眼，直至钻到预定深度为止。

用这种方法钻井，钻头功率小、效率低、速度慢而且不能进行井内压力控制，代之而起的便是旋转钻井方法。

2．旋转钻井方法（1）转盘旋转和顶驱旋转钻井方法转盘旋转钻井方法的设备组成和工作原理如图l-3所示。

(2) 井下动力钻具旋转钻井方法从顿钻到转盘钻，是钻井方法上的第一次革命。

但随着钻井深度的增加，钻杆柱在井中旋转消耗的功率也越来越大，容易引起钻杆折断事故的发生，从而诞生了井下动力钻具旋转钻井法。

目前常用的井下动力钻具有涡轮钻具、螺杆钻具和电动钻具三种。

3．试验研究中的新钻井方法新提出的钻井方法大致可分为：熔化及气化法、热胀裂法、化学反应法和机械诱导应力法四类。

（二）钻井设备的用途１．具备往地层钻进的能力２．具备及时冲洗井底钻屑的能力３．具备起下钻柱和下套管柱的能力4．具备短期超载处理事故的能力5．具备良好的拆装与移运性能根据钻探目的，当钻机需要在荒野、沙漠、海滩、沼泽、湖泊、山区、森林等艰苦的地方钻井时，必需拆装搬迁方便。

（三）钻井设备的发展现代深井转盘钻机装备情况如图1-6所示截止到目前，国外已研制与应用的新型石油钻机如下。

1．超深井钻机 2．微型钻机 3．顶部驱动钻机 4．自动化钻机 5．斜井钻机6．丛式井钻机 7．移动式钻机 8．沙漠钻机 9．直升飞机吊运的钻机 10．封闭式钻机11．80年代以来钻井设备的新进展（四）目前国内在用钻机情况１．钻井方法２．钻井设备的用途３．钻井设备的发展（五）钻井工艺对钻机的要求1.具有旋转钻进能力。

2.具有起下钻具的能力。

3.具有清洗井底的能力。

（六）钻机的特点1.一套钻机就是一套联合机组。

2.钻井作业是不连续的。

3.钻机的工作场所比较特殊。

六、小结１．钻井方法有几种？２．钻井设备有什么用途？３．钻井设备发展的现状怎样？七、作业１．钻井方法有几种？２．钻井设备有什么用途？一、教学目的、要求1.熟悉钻机的类型。

2.掌握钻机的组成。

二、教学重、难点1.钻机的类型。

2.钻机的组成。

三、导入新课石油钻机或油、气钻机是指用来进行油气勘探、开发的成套钻井地面设备，统称为钻机。

一套钻机组成一个井队，在辅助部门的配合下，独立完成钻井任务。

陆用转盘钻机是成套钻井设备中的基本型式，即通常所说的钻机，也称常规钻机。

四、复习旧课１．钻井方法有几种？２．钻井设备有什么用途？五、讲授新课第二节钻机的组成与类型（一）钻机的组成转盘钻机的各系统和部件示意图，如图2-1所示。

1．动力与传动系统动力系统是用来提供钻机工作的源动力。

现代石油钻机使用的动力主要为柴油机，电动机两大类。

2．提升系统为了起下钻具、下套管，控制钻压及钻头钻进等，钻机配备有一套提升设备，以辅助完成钻井生产。

这套设备主要由井架、天车、游车、大钩、绞车、钢丝绳等部件组成。

3．旋转系统旋转系统由转盘、水龙头等组成。

目的是转动井中钻具，带动钻头破碎岩石。

常规钻机配备有转盘和水龙头，顶部驱动钻机配的是顶驱装置而无转盘。

4．循环系统为了及时清洗井底、携带岩屑、保护井壁，钻机配有全套的钻井液的循环系统。

循环系统由钻井泵、地面高压管汇、立管、水龙带、方钻杆、钻杆、钻头、防喷器，振动筛、除砂器、清洁器、钻井液槽、池、搅拌器、搅拌池等组合而成。

5．操作控制系统为了指挥各工作机组间的协调工作，整套钻机配备有各种控制装置。

常用的有机械控制、气控、电控、液控和电、气、液混合控制。

现代机械驱动钻机，普遍采用集中气控制。

6．井控系统控制井内压力，防止地层流体无控制的流入井中。

主要由防喷器组、防喷器管线、地面节流管汇、液压、气压控制元件等组成。

7．钻机底座底座是钻机的组成部分之一。

用于安置钻井设备，方便钻井设备的移运。

包括钻台底座和机房底座两部分。

8．辅助系统石油钻机因常年分散在野外从事钻井作业，为满足各种季节日夜连续作业的要求，每套钻机都配有发电、照明、供水、供油、通讯、冬季保温及生活等辅助设施。

其中起升系统、旋转系统、循环系统被称为钻机的三大工作机组。

（二）钻机的分类1．按用途分根据钻机使用的不同目的分有：石油钻机、地质钻机、地震钻机、水井钻机等，其中以石油钻机应用最广。

2．按钻井深度不同分为（1）轻便钻机（2）大型钻机大型钻机按钻井深度分：中型钻机可钻井深为1000～2500 m，最大起重量800～1600 kN，也可用于修井。

重型钻机可钻井深为3000～5000 m，最大起重量2000～2500 kN，也称深井钻机。

超重型钻机可钻井深超过5000 m，最大起重量超过2500 kN，也称超深井钻机。

如图2-3所示3．按钻井方法分（1）顿钻钻机地面发动振动钻机是较早的一种钻机。

（2）转盘钻机由转盘通过钻具带动钻头旋转钻进的同时，可利用空心钻具循环钻井液不断清除所钻岩屑，钻进速度快，成本较低，是目前国内外用的较多的一种钻井方法。

（3）井下动力钻机常用的有涡轮钻具、螺杆钻具、电动钻具及井底冲击振动钻具等。

打定向井、水平井时，常用井下动力钻具。

4．按动力设备分（1）蒸汽机驱动钻机（2）机械驱动钻机或称柴油机驱动钻机由一台或几台内燃机提供动力，通过机械传动系统（如链条、链轮、齿轮、三角胶带、离合器、轴等）将动力传给各工作机组的钻机。

电驱动钻机用直流或交流电动机驱动各工作机组的钻机。

直流电驱动钻机以直流电动机为动力，驱动工作机组工作。

一般由柴油机或燃气轮机带动发电机供电。

供直流电的称为直流电驱动钻机，供交流电经过整流者称为交-直流电驱动钻机，多用于海上钻井。

交流电驱动钻机以交流电动机为动力直接驱动工作机或通过传动装置驱动工作机组工作。

适用于有工业电网的油田。

（3）液压钻机采用液压动力和传动，用液缸和液马达作为起升和旋转系统的执行机构，通过液—电控制或液—液控制的钻机。

5．按传动方式分根据钻机选用的主传动方式不同分有齿轮钻机、链条钻机、皮带钻机、万向轴传动钻机，另外有新型全液压钻机、柔杆钻机等。

6．按移运方式分根据钻机搬迁采用的方式不同分有整体搬运、分块搬运、飞机吊运、车载或拖挂自走式钻机等。

7．按使用地区条件分根据钻机工作地区的环境条件不同分有陆地钻机、海上钻机陆地钻机有撬装钻机、拖车钻机、车装自走钻机、沙漠钻机、地震区钻机、热带、寒带地区用钻机等。

它们都是根据地区特点能够适应搬迁和有利于钻井的正常进行而设计、制造的。

海上钻机有海洋钻机、海滩钻机、是在固定式钻井平台、自升式钻井平台、半潜式钻井平台或钻井船上安装的钻机。

8．按钻井井身形式分根据钻机所钻井眼的形状不同分有直井钻机、斜井钻机、斜直井钻机等。

9．按驱动方式分根据钻机的驱动方式不同分为单独驱动、统一驱动、分组驱动。

单独驱动各工作钻机组单独选择大小不同的发动机驱动，多用于电驱动。

统一驱动绞车、钻机泵、转盘三大工作机组由同一台动力机组驱动。

分组驱动动力的组合介于单独驱动和统一驱动之间，三个工作机组可有两种方案，一是绞车、转盘一起驱动，钻井泵单独驱动；另一是绞车、钻井泵一起驱动，转盘单独驱动。

六、小结1.钻机的类型。

2.钻机的组成。

七、作业1.钻机的类型有哪些？2.钻机的组成有哪些？一、教学目的、要求1.熟悉钻机的系列标准。

2.掌握钻机的基本参数。

二、教学重、难点1.钻机的系列标准。

2.钻机的基本参数。

三、导入新课为了规范钻机的设计、制造、维修与设备供应，以达到生产、使用最经济合理，并有利于开展国际技术交流与合作，我国根据油气勘探开发钻井的实际需要，选定主参数，将主参数系列化，也就是将钻机分级，再据此拟定其它基本参数，形成钻机标准系列，经国家标准局批准，予以发布。

四、复习旧课1.钻机的类型。

2.钻机的组成。

五、讲授新课第三节钻机的基本参数及我国石油钻机系列标准（一）我国石油钻机系列标准1．钻机的驱动形式1）机械驱动钻机以柴油机为动力，通过液力变矩器、链条、齿轮、三角胶带等不同组合的传动方式所驱动的钻机称为机械驱动钻机。

2）电驱动钻机用电动机驱动的钻机称为电驱动钻机。

2.钻机级别分为6级：ZJ15、ZJ20、ZJ32、ZJ45、ZJ60、ZJ80。

级别×100 m即为该钻机的名义钻井深度。

3.钻机型号我国钻机型号意义如下图2-4所示ZJ □ □ □厂家代号及改型序号钻机特点：链条并车钻机无或为L ；三角胶带并车钻机为J ；齿轮传动钻机为C ；电驱动钻机为D ；自行式车装钻机为Z ；钻机级别：以100 m 为单位计的钻机名义钻深范围的上限 钻机代号 （二）钻机的基本参数国标中规定的10个基本参数，如表2-1所示： 对其中的几个参数作简要说明如下。

(1) 名义钻井深度L 在标准的钻井绳数下，使用127 mm （5″）钻杆柱可钻达的最大井深。

(2) 名义钻深范围L min ~L max 钻机在现定钻井绳数下，使用规定的钻柱时，钻机的经济钻井深度范围。

即最小钻井深度L min 与最大钻井深度L max 。

名义钻深范围下限L min 与前一级的L max 有重叠，其上限即为该级钻机的名义钻井深度，即L max = L 。

(3) 最大钩载Q hmax 钻机在规定的最大绳数下，起下钻、下套管、处理事故或进行其它特殊作业时，大钩上不允许超过的载荷。

Q hmax 决定了钻机下套管和处理事故的能力，是核算起升系统零件静强度及计算转盘、水龙头主轴承静载荷的依据。

(4) 最大钻柱重量Q stmax 钻机在规定的最大钻井绳数下，正常钻进或进行起下钻作业时，大钩所允许承受的最大钻柱在空气中的重量（质量）。

其值为Q stmax = q st L 式中 q st —— 每米钻柱质量，kg / m ； L —— 名义钻井深度，m 。

规定：计算时按127 mm （5″）钻杆长度，加上80～100 m 的7″钻铤，平均取q st = 36 kg / m 。

计算后化整，便得到系列钻机的Q stmax 值。