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1、,石油钻井工艺与设备概论,主讲：贾光政,东北石油大学机电工程系,一、钻井工艺,由地面向地下钻一孔道，直达油层，叫钻井。,顿钻钻井法：冲击钻井法。,1.钻井方法,旋转钻井法：转盘旋转钻井法；井下动力钻具旋转钻井法；顶部驱动旋转钻井法。,（1）破碎岩石；（2）取出岩屑；（3）固井和完井，形成油流通道。,2.钻井的工艺过程,一、钻井工艺,2.1 井身结构与钻具组合,井身结构：,指下入井中的套管层数、尺寸、规格和长度。包括导管、表层套管、技术套管和油层套管。,2.钻井的工艺过程,一、钻井工艺,（2）表层套管 即第二层套管，防止地表土层垮塌，加固上部疏松岩层井壁和安装防喷器，一般0 500米长度。,2.
2、钻井的工艺过程,井身结构,一、钻井工艺,2.1 井身结构与钻具组合,（1）导管 即第一层套管，最外层，直径最大，起导向作用，不固定，一般0 40米长度。,（3）技术套管 即第三层套管，用来隔离生产的上部油气水，加固浅层疏松易塌井筒以防岩层喷、塌、漏、膨胀和安装防喷器。技术套管要根据地层条件而定，中深井尽量不下技术套管，深井、地层复杂的井，下12层，在复杂地层的深井下24层。,2.钻井的工艺过程,井身结构,一、钻井工艺,2.1 井身结构与钻具组合,（4）油层套管即第四层套管，油层套管用来形成坚固的井筒，用来射孔，也是最后一层套管。各层套管与井壁之间都注入水泥加固。,井身结构,2.钻井的工艺过程,
3、一、钻井工艺,2.1 井身结构与钻具组合,2.钻井的工艺过程,一、钻井工艺,2.1 井身结构与钻具组合,套管规格,指根据地质条件、井身结构、钻具来源等组成的钻柱，包括：钻头、钻铤、钻杆、方钻杆及其配合连接的尺寸、规格和长度。,2.钻井的工艺过程,一、钻井工艺,2.1 井身结构与钻具组合,钻具组合,钻杆,钻铤,钻头,方钻杆,（1）下钻：将钻杆逐根连接形成钻杆柱并下入井中，使钻头接触井底，准备钻进。,2.钻井的工艺过程,一、钻井工艺,2.2 钻进作业过程,钻进作业过程的循环：,下钻正常钻进接单根起钻换钻头下钻。,紧扣，（拉猫头或用大钳）；稍提钻杆，移出吊卡；用刹车控制下放速度，将钻柱下放一立根距离
4、；将钻柱轻坐在转盘上，从吊卡上脱开吊环。,2.钻井的工艺过程,一、钻井工艺,2.2 钻进作业过程,(1)下钻,挂吊卡，以高速档提升空吊卡至一立根高度；二层台处扣吊卡，将立根稍提移至井眼中心，对扣；上扣，（拉猫头或用旋绳器）；,操作过程：,（2）正常钻进：启动转盘（或井底动力钻具），通过钻杆柱带动井底钻头旋转，借助刹车，给钻头施加适当的压力（钻压）以破碎岩石。,2.钻井的工艺过程,一、钻井工艺,2.2 钻进作业过程,(2)正常钻进,(3）接单根：每次接入一根钻杆，来加长钻杆柱的作业。,2.钻井的工艺过程,一、钻井工艺,2.2 钻进作业过程,(3)接单根,从小鼠洞中提出单根移至井中钻柱上方，对扣；
5、上扣，（拉猫头或用旋绳器）；紧扣，（拉猫头或用大钳）；稍提钻杆，移开吊卡或提出卡瓦；下放钻柱至井底，继续钻进。,2.钻井的工艺过程,一、钻井工艺,2.2 钻进作业过程,用吊卡或卡瓦上提钻杆柱，全露方钻杆，并将钻柱坐在转盘上；卸开方钻杆，并微提方钻杆移至小鼠洞上方，与小鼠洞中的单根对扣；上扣，（拉猫头或用旋绳器）；,操作过程：,(3)接单根,(4）起钻：需更换钻头（或钻井完成）时，将井中钻柱全部取出的作业。,操作过程：,用吊卡或卡瓦上提钻杆柱，全露方钻杆，并将钻柱坐在转盘上；旋下方钻杆，将方钻杆和水龙头移置大鼠洞中；用吊卡或卡瓦提升钻柱至一立根高度，并让钻柱坐在转盘上；,2.钻井的工艺过程,一、
6、钻井工艺,2.2 钻进作业过程,(4)起钻,松扣，（拉猫头或用大钳、松扣气缸）；上钳卡住接头，转盘正转卸扣；移立根入钻杆盒和二层台指梁中，摘开吊卡；下放空吊卡至井口。,重复上述起出一个立根的操作步骤，直至将井中钻柱全部起出。,2.钻井的工艺过程,一、钻井工艺,2.2 钻进作业过程,(4)起钻,（5）换钻头：起钻末了，将钻头提出井口，用专用工具卸下旧钻头，换上新钻头。,钻进作业过程的循环：,下钻正常钻进接单根起钻换钻头下钻。,2.钻井的工艺过程,一、钻井工艺,2.2 钻进作业过程,(5)换钻头,(1）固井：在钻井的井眼内下入一串轴心线重合的套管柱，并在套管柱与井壁的环形空间里注入水泥进行封固。,
7、2.钻井的工艺过程,一、钻井工艺,2.3 固井与完井,（2）完井：固井后，采用射孔枪发射子弹射穿套管、水泥环、油层，使油层和井筒连通。,一、钻井工艺,思考题：,钻井方法有几种？钻井的工艺过程包括什么？井身结构的概念？钻具组合的概念？钻进作业过程分几个步骤？描述每个步骤的具体操作过程。固井的概念？完井的概念？,二、钻井设备,1.钻机组成,起升系统、旋转系统和循环系统这三大系统设备是直接服务于钻井生产的，是钻机的三大工作机组。,钻机是一套由多台设备组成的大功率联合机组，包括八大系统：,起升系统、旋转系统、循环系统、动力系统、传动系统、控制系统、底座、辅助系统。,1.1 起升系统,1.钻机组成,组成
8、：绞车、辅助刹车、游动系统（天车、游动滑车、大钩及钢丝绳）、井架、井口工具及机械化设备（吊卡、吊环、卡瓦、动力大钳、旋绳器、立根移运机构等）。,作用：在起、下钻作业中起、下钻具；在完井作业中下套管；在正常钻进时控制钻压、送进钻具。,二、钻井设备,1.2 旋转系统,组成：转盘、水龙头、钻具。,作用：驱动钻具旋转，带动钻头破碎岩石。,1.钻机组成,二、钻井设备,1.3 循环系统,组成：钻井泵、地面管汇、钻井液池和钻井液槽、钻井液净化设备和钻井液调配设备等。,作用：提供高压钻井液，以清除井底已破碎的岩石，保证继续钻进；同时冷却钻头，防止井喷、井塌；传递动力驱动井下动力钻具（涡轮、螺杆动力钻具）。,1
9、.钻机组成,二、钻井设备,1.4 动力驱动设备,组成：内燃机及其供油设备，或者交流、直流电动机及其供电、保护、控制设备等。,作用：供给三大工作机组及其他辅助机组动力。,1.钻机组成,二、钻井设备,柴油机,1.钻机组成,二、钻井设备,1.5 传动系统设备,组成：减速、并车、倒车、变速及换向机构等，有机械传动、液力传动、液压传动、电传动等形式。,作用：连接发动机与工作机，实现从驱动设备到工作机组的能量传递和分配及运动方式的转换。,1.钻机组成,二、钻井设备,1.钻机组成,二、钻井设备,统一驱动方案,1.钻机组成,二、钻井设备,分组驱动方案,1.钻机组成,二、钻井设备,1.6 控制系统和监测显示仪表
10、,作用：控制系统用来指挥各机组协调地进行工作；监测显示仪表用来测量井底参数、监测显示地面有关系统设备的工况。,组成：控制系统有机械控制、气控、电控、液控和电、气、液混合控制；监测显示仪表有指重表、钻井泵压力表、钻井八参数仪（大钩负荷、钻进速率及井深、泵压、转盘扭矩、吊钳扭矩、转盘转送、泵冲次、泵出口排量）、随钻测量系统。,1.钻机组成,二、钻井设备,控制系统,1.钻机组成,二、钻井设备,1.7 钻机底座,组成：钻台底座、机房底座、泥浆泵底座。,作用：安装井架、转盘、放置立根盒及必要的钻井设备和工具。,1.钻机组成,二、钻井设备,钻机底座,1.钻机组成,二、钻井设备,1.8 辅助设备,作用：保证
11、正常钻进和安全钻井。,组成：空气压缩设备、辅助发电设备、井口防喷器、供水供油系统等。,1.钻机组成,二、钻井设备,井控装置,1.钻机组成,二、钻井设备,ZJ 15 D X,2.1 钻机型号表示,根据GB1806-86 规定，我国石油钻机型号意义如下：,ZJ钻机代号；15钻机级别，以100m为单位计的钻机名义钻深范围的上限；,2.钻机型号,二、钻井设备,D钻机特征，L表示链条并车钻机，J表示三角带并车钻机，C表示齿轮并车钻机，D表示电驱动钻机，Z表示自行式车装钻机，T表示拖挂车装钻机。X厂家代号及改型序号，厂家代号用一个汉语拼音字母表示；改型序号用阿拉伯数字表示。,GB1806-86 将我国钻机
12、规定为6级：ZJ15，ZJ20，ZJ32，ZJ45，ZJ60，ZJ80,2.钻机型号,二、钻井设备,2.1 钻机型号表示,2.2 钻机总体参数,反映一部钻机主要技术性能的参数，称为钻机的总体参数。,钻机总体参数有三个：名义钻深范围、最大钩载荷、最大钻柱重量。,2.钻机型号,二、钻井设备,起升系统的组成主要包括井架、绞车总成、游动系统总成等。此外起升系统还包括起下钻操作所需的各种工具，如吊钳、吊卡、卡瓦、安全卡瓦、旋绳器、和立根移运机构等。,3.1 起升系统组成,3.钻机起升系统,二、钻井设备,3.2 起升系统工作原理,从动力传动设备来的动力经绞车变换后通过链轮传入滚筒轴，带动滚筒轴旋转；滚筒旋
13、转缠绕钢丝绳，使天车的轮系和游车的轮系转动，从而使游车及与之相连的大钩向上运动；此时，钻柱通过吊卡和吊环挂在大钩上。,（1）起钻,3.钻机起升系统,二、钻井设备,钻柱或套管柱通过吊卡和吊环挂在大钩上，在自重作用下带动游车和大钩向下运动，从而带动滚筒反向旋转；用带刹车和通过牙嵌离合器与滚筒轴相连的水刹车，控制滚筒的转速，从而可控制钻柱和套管的下放速度。,（2）下钻和下套管,3.钻机起升系统,二、钻井设备,（3）送进钻具,在正常钻进过程中，钻具与水龙头相连，水龙头挂在大钩上；钻具旋转破碎岩石，岩屑由钻井液带走后，钻具要在自重的作用下向下运动；通过带刹车控制滚筒的放绳速度，即可调节钻头作用于岩层上的
14、钻压，从而达到送进钻具的目的。,3.钻机起升系统,二、钻井设备,3.3 井架,功用：安放天车、悬挂游车、大钩及专用工具；起下钻过程中，用以存放立根。,（1）井架的功用和结构组成,结构组成：井架本体、天车台、二层台、立管平台、工作梯。,3.钻机起升系统,二、钻井设备,塔形井架；K型（前开口）井架；A形井架；桅形井架；动力井架；,（2）井架整体结构类型,3.钻机起升系统,二、钻井设备,钻机井架,3.钻机起升系统,二、钻井设备,3.4 游动系统,组成：天车、游车、大钩、钢丝绳。天车：安装于井架顶部的定滑轮组；,游动系统结构是指游车轮数目 天车轮数目。,3.钻机起升系统,二、钻井设备,游车：在井架内作
15、上下往复运动的动滑轮组；大钩：主要由构身、钩杆、钩座、提环、止推轴承和弹簧组成；钢丝绳：是起升系统中重要的运动承载件，它悬吊着游车、大钩，并通过大钩承受载荷。,3.钻机起升系统,二、钻井设备,3.5 绞车,功用：用以起、下钻具和下套管；钻进过程中控制钻压，送进钻具；借助猫头上、卸钻具丝扣；起吊重物及其他辅助工作。,（1）绞车的功用和结构组成,3.钻机起升系统,二、钻井设备,钻井绞车,3.钻机起升系统,二、钻井设备,钻机绞车结构组成：滚筒、滚筒轴总成；制动机构（机械刹车和水刹车）；猫头和猫头轴总成；传动系统（包括链条、齿轮、轴系零件等）；控制系统（包括牙嵌、齿式、气动离合器，司钻控制台，控制阀件
16、等）；润滑系统（包括黄油润滑、滴油润滑、飞溅润滑、强制润滑）；支撑系统（焊接的框架式支架、箱壳式座架）。,3.钻机起升系统,二、钻井设备,单轴绞车：猫头直接装在滚筒两端，滚筒装在轴上；另有一齿轮箱，绞车外变速；结构简单，移运方便。缺点是使用猫头不方便，滚筒高档不能独立安排，影响起下钻速度。,（2）绞车的结构类型,双轴绞车：滚筒轴与猫头轴分别独立；绞车外变速；猫头位置及速度可不受限制，比单轴绞车方便。,3.钻机起升系统,二、钻井设备,三轴绞车：多加了一根引入动力的传动轴，并在绞车内实现链条变速传动，变速机构同时兼顾转盘的传动变速机构。缺点是结构复杂，运输、安装不太方便。,多轴绞车：四轴以上的绞车
17、。,3.钻机起升系统,二、钻井设备,旋转系统主要包括转盘、水龙头、方钻杆、钻杆、钻铤、扶正器、减震器、配合接头、钻头等。,4.1 旋转系统组成,4.钻机旋转系统,二、钻井设备,4.2 旋转系统工作原理,在正常钻井工程中，方钻杆、钻杆、钻铤和钻头等钻具采用螺纹连接形成细长的钻柱，它们都借助水龙头悬挂在大钩上。从动力传动设备来的动力输给转盘，转盘带动方钻杆旋转，从而带动整个钻柱旋转起来。在一定的压力作用下，依靠钻头在井底旋转来破碎岩石。,4.钻机旋转系统,二、钻井设备,4.3 旋转系统工作参数,转盘开口直径 D盘；转盘一档转速、最高档转速和档数；转盘功率 N盘。,4.钻机旋转系统,二、钻井设备,4
18、.转盘,功用：正常钻进时，带动井中钻具旋转，传递足够大的扭矩和必要的转速；起下钻和下套管时，承托井中全部钻杆柱或套管柱重量；卸扣、卸钻头和处理事故时，完成倒扣、进扣等辅助工作；采用井底动力钻具时，制动上部钻杆柱，以承受反扭矩。,（1）转盘的功用及使用要求,4.钻机旋转系统,二、钻井设备,使用要求：转盘的主轴承有足够的强度和寿命；转台和锥齿轮能够传递足够大的扭矩，并能倒转，能可靠的制动；密封性好，严防外界的钻井液、油水污液渗入转盘内部。,4.钻机旋转系统,二、钻井设备,（2）转盘的结构组成和特点,水平轴总成：水平轴内侧装着小锥齿轮，外侧装法兰（万向轴传动时）或链轮（链传动时）。轴通过一对双列调心
19、轴承和套筒坐在壳体中，套筒的作用是使水平轴能进行整体式装配。轴中部有制动棘轮，通过壳体上的棘爪和锥齿轮传动可实现转台的制动。水平轴下方壳体构成一独立油池，使水平轴得到良好的润滑。,4.钻机旋转系统,二、钻井设备,转台总成：转台用铸钢制成，借助主轴承座在壳体上；下部的辅轴承防止转台倾斜和向上振跳。转台中心通孔内装着方补心和方卡瓦，两者通过锁销锁在转台体上。转台台肩上静配合装着一个大锥齿轮；转台上部静配合装着一个迷宫式密封圈，防止泥浆污水漏入转盘油池中。,4.钻机旋转系统,二、钻井设备,主辅轴承：主、辅轴承均为向心推力球轴承。主轴承起承载和承转作用；辅轴承起径向扶正和轴向防跳作用。,壳体：转盘壳体
20、是结构比较复杂的铸钢件，内腔形成两个油池；外形便于安装固定和运输，便于工人进行井口操作。,4.钻机旋转系统,二、钻井设备,4.水龙头,功用：悬持旋转着的钻杆柱，承受大部分以致全部钻具重量；向转动着的钻杆柱内引输高压钻井液。,（1）水龙头的功用及使用要求,4.钻机旋转系统,二、钻井设备,使用要求：水龙头的主轴承必须具有足够的强度和寿命；高压钻井液密封系统必须可靠，寿命长，更换快速、方便；机油密封良好，能自动补偿工作过程中密封元件的磨损；各承载零件，如提环、壳体、中心管等应具有足够的强度和刚度。,4.钻机旋转系统,二、钻井设备,（2）水龙头的结构组成和特点,承载系统：中心管及其接头、壳体、销轴、提
21、环和主轴承；钻井液系统：鹅颈管、钻井液冲管总成；辅助系统：扶正轴承、防跳轴承、机油密封盒组件及上盖等。,4.钻机旋转系统,二、钻井设备,顶驱装置,4.钻机旋转系统,二、钻井设备,循环系统主要包括钻井泵、泵出口管线、立管、水龙带、水龙头、方钻杆、钻杆、钻铤、钻头、环形空间、钻井液管汇、钻井液池等。,.1 循环系统组成,5.钻机循环系统,二、钻井设备,.2 循环系统工作原理,钻井泵把钻井液从钻井液池吸入泵中，钻井泵的机械能转变为液体能，获得能量的高压钻井液经过泵出口管线、立管、高压水龙带、水龙头，进入转动的方钻杆、钻杆、钻铤的内孔中，通过钻头上的水眼喷射到井底，辅助钻头钻进。井底的钻井液把钻头切削
22、下的岩屑通过由钻杆柱和井壁组成的环形空间，带至地面的钻井液管汇中，进入钻井液池；钻井液经过净化设备净化后，又进入钻井泵中重新循环流动。,5.钻机循环系统,二、钻井设备,.3 循环系统工作参数,钻井泵出口压力 P泵；钻井泵排量 Q泵；钻井泵功率 N泵。,5.钻机循环系统,二、钻井设备,.4 钻井泵,作用：用高压向井底输送高粘度、大比重和较高含砂量的液体（泥浆），以便冷却钻头、携带出岩屑；可以辅助钻头钻进；可为井底动力钻具提供动力液。,5.钻机循环系统,二、钻井设备,三缸单作用钻井泵的结构特点：动力端：主动轴、被动轴（曲轴）、十字头等总成。液力端：活塞缸套、泵阀、泵体、吸入管汇、排出空气包等。,5
23、.钻机循环系统,二、钻井设备,钻井泵,5.钻机循环系统,二、钻井设备,轨道大钳,6.钻机辅助装置,二、钻井设备,海洋钻井平台,二、钻井设备,车装钻机,二、钻井设备,井架、天车、游车、大钩、绞车、水龙头、转盘、泥浆泵,钻机八大件,二、钻井设备,思考题：,钻机的八大系统包括什么？钻机的三大动力机组包括什么？起升系统的作用和组成？旋转系统的作用和组成？循环系统的作用和组成。动力系统的作用和组成？传动系统的作用和组成？控制系统的作用和组成？钻机底座的作用和组成？钻机型号怎样表示？,二、钻井设备,思考题：,11.起升系统的工作原理？12.游动系统的组成？13.井架的作用和结构类型？14.绞车的作用和结构组成？15.绞车的结构类型有哪些？16.旋转系统的工作原理？17.循环系统的工作原理？18.转盘的作用和组成？19.泥浆泵的作用和组成？,二、钻井设备,
