钻井高效破岩技术55页PPT

井
安装
下油层套
生
井底
完
试油
管注水泥
产
完成
成
井口
石油钻井建井过程 第13页/共61页
主要内容
一、钻井的目的和意义 二、钻井的主要程序 三、钻井设备、工具和仪器 四、钻井的发展及趋势 五、钻井关键技术 六、钻井风险 七、钻井取得的成就
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三、钻井设备、工具和仪器
1. 钻井设备 • 动力系统
定 井 位
候凝 安装 井口
二 开
拆卸 设备 成本 核算
地质 设计
下表 层套 管注 水泥
钻进 取心 测斜 电测井
钻井 设计
钻进 取心 测斜 电测井
下中 层套 管注 水泥
准备 工程
修公路 平场地 打基础 安装 下导管
试车
一 开
安全检查
试油
候凝 安装 井口
钻进
取心
三
测斜
开
电测井
中途测井
移
井口
油
候凝
交
完成
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二、钻井的主要程序
4. 完井和试油 • 试油
对可能出油（气）的生产层，在降低井内 液柱压力的条件下，诱导油、气入井，然后 对生产层的油、气产量、水产量，地层压力 及油、气物理化学性质等进行测定，这一整 套工艺技术就叫试油。只有通过试油才能知 道油气层含油气情况。
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五、钻井关键技术
2. 携岩技术
•将钻头破碎的岩屑从井底及时清除出去是提高钻 速，减少钻井事故的关键。 •在大斜度井中，由于岩屑在重力作用下落到井壁 下侧，影响钻柱的活动，增大了钻柱的摩阻扭矩， 还容易引起井下复杂情况。

刀翼形状： 刀翼形状与钻头的冠部形状、切削齿的空间结构参数有关。 刀翼形状影响钻头流道结构、钻头受力和携岩效果。其基本参数由切 削齿空间结构参数确定，其基本结构形式分为以下三种（见图１１）。
直线型
常规螺旋型
大螺型
图１１ 刀翼的基本结构形式
直刀翼：钻头刀翼的俯视投影为直线。一般其冠部圆弧较 小，用于中软至硬地层钻头。 常规螺旋：刀翼形状由直线段和螺旋线组成，适用于各种 地层。 大螺旋：刀翼形状为螺旋型，由切削齿的位置拟合得到， 适用于软地层。
冠部不同 部位应力 分布
严重磨损部位
图７ 钻头的冠部形状对冠部不同部位切削齿磨损的影响
冠部形状
图８ 冠部形状对井底流场的影响
２、切削齿空间结构参数 ＰＤＣ钻头切削齿空间结构由三个 基本参数确定：切削角度、侧转角和 位置角。其中切削角度对钻头性能的 影响最大． 切削角度： 金刚石复合片绕水平直径线旋转 一个角度，切削齿切削平面和切削齿 轴线所成的角称作切削角度（如图９）。 图９ 切削角度图示
高效破岩新方法
第五讲 破岩工具—ＰＤＣ钻头
一、前言
ＰＤＣ钻头（Ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｄｉａｍｏｎｄ Ｃｏｍｐａｃｔ Ｂｉｔ）， 即聚晶金刚石复合片钻头的简称。 ＰＤＣ钻头与牙轮相比钻速快、寿命长、事故率低，在软到 中硬地层中正逐渐取代牙轮钻头。目前，ＰＤＣ钻头的用量和在 钻井中总进尺的比例逐年上升，迄今ＰＤＣ钻头进尺量已占钻井 总进尺量的６０％左右。但是ＰＤＣ钻头对地层的敏感性强，通常 仅适合在软到中硬地层均质地层中使用。 ＰＤＣ钻头的特性源于其切削齿的材料特性及其结构特点。
图１２ ＰＤＣ钻头保径结构与形状
（二）钻头水力结构
１、流道 流道为钻头流体的通道。流道结构与尺寸结构设计以利于岩粉尽快离开 井底，避免岩粉的二次破碎和钻头“泥包”为目标 。一般流道深度为喷嘴 的最佳喷距，也即喷嘴直径的 ４－７倍；流道的宽度以具体情况确定。

总之增加钻压、提高转速有助于提高破岩效率。但钻压的大小与 其它钻井条件密切相关，如：井眼轨迹控制、钻柱的强度等，钻压的 确定首先取决于钻井工艺的要求。在钻井工艺允许的条件下，只要机 械能量充足、钻柱强度许可，可适当增加钻头钻压。
二、增加钻头转速— 复合钻井技术
转速与机械钻速的关系为指数关系。在一定转速范围内，转速越 快机械钻速越快，超过某一极值钻速会下降。
Depth
0 1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000 7,000 8,000 9,000 10,000 11,000 12,000 13,000 14,000 15,000 16,000 17,000 18,000 19,000 20,000 21,000 22,000 23,000 24,000
第一讲 机械破岩能量有效利用
通常条件下，在岩石性能、钻井方式确定的条件下，破岩能量增加， 破岩效率提高。
钻井过程中破岩的机械能量的构成：地面设备（转盘或顶驱）和井 下动力钻具。
目前石油钻井的井下动力钻具主要有三类：螺杆钻具、涡轮钻具、 冲击器。
有效利用机械破岩能量即合理的优化组合地面设备（转盘或顶驱） 和井下动力钻具的能量。
式中：ＲＯＰ为机械钻速，ｍ／ｈ；Ｋ为地层可钻性系数； Ｗ为待优 化钻压，ｋＮ； Ｍ０为零水功率门限钻压， ｋＮ； Ｎ为待优化转速，ｒｐｍ；
α 为钻压指数，锋利（新）齿且出刃较大 α ≈ 1 ，钝（旧） 齿 α < 1 ； β 为转速指数。
门限钻压 图１ 钻进速度与钻压的关系
合理增加钻压有助于提高破岩效率。 但钻压的大小与其它钻井条件密切相关， 如 ：井眼轨迹控制、钻柱的强度等，钻 压的确定首先取决于钻井工艺的要求。 在钻井工艺允许的条件下，只要机械能 量充足、钻柱强度许可，可适当增加钻 头钻压，例如：在陕北地区８ １／２″ＰＤＣ 钻头的钻压达到１４０－１６０ＫＮ。

• 二、有机处理剂 • 一）、稀释剂（降粘剂） • 稀释作用主要是通过稀释剂分子在粘土颗 粒某些部位的吸附，改变粘土颗粒的表面 水化状态，减弱或拆散钻井液内部的网状 结构来达到稀释的目的。
• • • •
1、单宁碱液：代号NaT 2、磺甲基单宁：又叫磺化单宁，代号SMT 3、铁铬木质素磺酸盐 简称铁铬盐，代号FCLS。为棕黑色粉末，易溶 于水，水溶液呈弱酸性。 • 其主要用作抗盐抗钙的分散型钻井液的稀释剂， 可减弱粘土颗粒间的流动阻力，降低粘度和切 力；也可抑制泥页岩的水化膨胀和分散，而防 止粘度和切力的上升，有利于井壁稳定。此外 铁铬盐还具有降滤失作用和抑制粘土水化膨胀 的作用。
• 3、固相含量高、滤失量大时，泥饼必然 厚，摩阻系数增大，因而易引起井下复 杂情况的发生。 • 4、固相含量高，钻井液的流变性难以控 制，且流阻大，功耗多，钻井效率低。 • 5、含砂量大，易造成钻头、钻具等机械 设备的磨损。 • 6、在固相含量高时，钻井液受外界影响 大且敏感（如对温度、各种污染物等的 影响变大）。
• 2）、旋流器 • 旋流器按其直径不同，可分为除砂器和 除泥器。 • ⑴除砂器。直径为150～300毫米的旋流 器称为除砂器。其处理能力是：在进料 压力为0.2兆帕时不低于20～120立方米 每小时。正常工作的除砂器能清除约95 ％大于74微米的钻屑和约50％大于40微 米的钻屑。为了提高使用效果，在选用 除砂器时，其许可处理量必须为钻井时 最大排量的125％。
2、粘度和切力过低也不利于钻井，如： ⑴洗井不良，井眼净化效果差； ⑵冲刷井壁加剧，引起井塌等井下事故； ⑶岩屑过细影响录井。
• 三）、滤失量和泥饼质量与钻井工作的关系 • 钻井液滤失量过大，泥饼厚而虚，会引起一系 列问题。 • 1、易造成地层孔隙堵塞而损害油气层，滤液 大量进入油气层，会引起油气层的滲透率等物 性变化，损害油气层，降低产能。 • 2、泥饼在井壁堆积太厚，环空间隙变小，泵 压升高。 • 3、易引起泥包钻头，下钻遇阻、遇卡或堵死 水眼。 • 4、在高滲透地层易造成较厚的滤饼而引起阻 卡，甚至发生压差卡钻。

脉冲射流机构工作原理
水力脉冲作为外来激励源，使流入钻头的泥浆流动经过振动腔调制成 脉冲空化射流，增强井底破岩作用同时改善井底流场。
脉冲发生器结构示意图 图3 室内实验测试脉冲波形图
本体（1）、弹性挡圈（2）、导流体（3）、叶轮座 （4）、叶轮轴（5）、叶轮（6）、自激振荡腔（7）
２．自振空化脉冲射流喷嘴 空化射流是有目的地激励和控制射流中的空穴，把空穴破裂时产 生的局部高压施加于岩石表面，使岩石产生破碎和冲蚀。 “空化”是流体流动过程中局部压力低于饱和蒸气压力时出现的 空泡生长、长大和溃破的现象，这种空泡溃破时产生巨大的冲击破坏 作用。空泡爆破时的瞬时压力可为喷嘴压降的８．６￣１２４．０倍。根据瞬态 流和水声学原理来调制连续射流，使射流结构变成断续涡环流，从而 得到自振射流，增强了射流的空化能力。典型的风琴管自振空化喷嘴 （如图３所示） 。
1)井下增压器结构及工作原理
n
该增压器由以下三部分组成：进出液部分控制部分、增压部分。
图1 射流式井下增压器总成
井下增压器的工作原理：
来自钻井泵的钻井液经钻具进入增压工具，假定大活塞处于上位，此 时二位三通阀亦处于上位，活塞腔下腔与节流器下部低压腔相通，上腔与 射流元件进口相连。在节流压降静压差的作用下，钻井液推动大活塞向 下运动，推动增压小活塞向前运动增压，增压后的高压液体经高压管路输 出至钻头特殊喷嘴。 大活塞运动至下死点，推动二位三通阀换向，此时大活塞下腔与节流 器低压端关闭，打开射流元件与下腔通道，利用射流附壁切换功能在射流 动压差作用下将两级大活塞及增压小活塞推至上死点。此时增压小活塞 通过单流阀进液，完成一个增压过程。如此循环，实现相对稳定的射流输 出。

三、脉冲射流技术
１．阀式脉冲喷嘴 当钻井液流经喷嘴时，圆盘必然绕自己的轴转动，在转动过程中，圆 盘面积（Ａ）是变化的，这样，喷嘴出口面积随之作周期变化。当圆盘处于垂 直位置时，面积最大，圆盘处于水平位置时，面积最小，这种周期性的变 化就形成了断续射流。 室内台架实验结果表明，喷嘴有效面积从１００％减小到２０％时，喷嘴射流冲 击力提高１２４％，水功率提高４００％，同时喷嘴射流的冲击作用面积减小而射 流冲击力梯度增加，改善了射流清除钻头下方岩屑作用，井底净化效果显 著，提高了破岩和清岩效率，从而能够提高钻速。

式中：
——岩石的单轴抗压强度，
。
倒炒撬荫溃塔啸瞻瑰缩摇瓮豆烬咯覆伞瘸肃奴铲烛萄窍船图督森泌绷刁驴【采矿课件】第六章 钻眼爆破【采矿课件】第六章 钻眼爆破
表6-1 岩石强度分级表
级别
坚固性程度
岩石
I
最坚固的岩石
最坚固、最致密的石英岩及玄武岩，其它最坚固的岩石
20
II
很坚固的岩石
很坚固的花岗岩类：石英斑岩，很坚固的花岗岩，硅质片岩；坚固程度较I级岩石稍差的石英岩；最坚固的砂岩及石灰岩
采偶羡涯则歧深跳肺搏闰厩腆凌锅份别机视鉴酌费奋甸栖谭姜沾铂泅法迭【采矿课件】第六章 钻眼爆破【采矿课件】第六章 钻眼爆破
第三节 爆破工作
三、起爆器材 起爆器材就是供给炸药能量使其爆炸的器材。起爆器材在煤矿中包括导爆索、雷管及发爆器。 1．导爆索 导爆索(又称导爆线)是用来传递爆炸波，并直接引爆炸药的。但它本身需要雷管引爆。 2．雷管 雷管是用来起爆炸药和导爆索的。它是最常用的起爆器材。 雷管呈圆柱形，管壳用纸、铜和铝制成，内盛起爆炸药，直径为6～8mm，长约40～50mm。 国产毫秒延期电雷管各段的微差时间从25ms到300ms，最大延期可达2000ms。段数可达20段。
财塔榷法媳箭湿框鸭潍跪犹贿痢糖吭升辅堰芥沼盟衅勉辅懒菊掖牡铁媳颗【采矿课件】第六章 钻眼爆破【采矿课件】第六章 钻眼爆破
第三节 爆破工作
二、矿用炸药 炸药是一种固体或液体的化合物或混合物。当这种物质受到一定的外界能量作用时 (遇热、机械冲撞力、其它炸药爆炸的影响)，就能迅速分解，同时产生大量的气体和热量。 在炸药迅速分解的过程中，由于气体的膨胀作用对周围介质产生突然的冲击压力，致使介质破坏，同时发生巨大的音响和振动，这种现象称为爆炸。 爆炸与燃烧的区别：爆炸与燃烧的共同点均是散发气体和热量，但燃烧的反应速度很慢，所以热量不能聚积，气体产生随即溢散。爆炸则反应速度很快，每秒钟达几百乃至几千米，而且产生很高的温度(1500—4500℃)和大量的气体。

图２ 超高压双流道ＰＤＣ钻头
l超高压射流牙轮钻头 有2种：“RT” 与“ST” “ 型：高压管道从原钻头水眼伸出， RT” 高压喷嘴安装在管道末端； “ST” 型：在原钻头水眼处加焊一条内 部车有流道的腿，超高压喷嘴用丝扣拧 在腿上。 喷嘴产生的连续的完全淹没、无空化的 超高压射流射向井眼圆周附近，喷嘴直 径2mm-1.5mm。 RT型
2)超高压双流道PDC钻头工作原理
超高压双流道ＰＤＣ钻头是一种具有射流辅助作用的钻头。钻头的 内部结构设计不改变普通ＰＤＣ钻头基本设计原理和方法，为五刀翼、大 复合片ＰＤＣ钻头，主要是在钢体ＰＤＣ钻头的内部设置超高压管，与井下增 压器直接相连，利用井下增压器输出的超高压射流直接切削岩石，实现 水力机械联合破岩
自振空化喷嘴钻头
1
0.8
深度冲蚀速度
0.6
0.4
— NO.2 风琴 S =— NO.9 风琴管 40 mm — 120o 锥 形
0.2
0
5
7.5
10
12.5
压
力
15 17.5 P (MPa)
20
3、其它强化水力作用的喷嘴
非轴对称型喷嘴 通过改变喷嘴内孔的几何形状，可改善井底水力能量分布，提 高钻头的清洗效果。 传统的钻头喷嘴形状为轴对称形状，只产生作用于工作面上的 正向冲击力。而Ｖｏｒｔｅｘ集团公司研制出一种内孔为非轴对称型的喷 嘴— — 异型喷嘴，喷嘴射流在工作面上产生正、反两个方向的冲击 力。
强化水力辅助破岩作用效果的实质在于增加井底水马力早期的高压喷射钻井技术在软地层中浅井有效的提高了钻井速度但在较硬地层中或深井中常规的高压喷射钻井技术已难以发挥作用近十几年来人们开始探索新一代水力辅助破岩方法与配套工具设备

.
42
W
W 路基
R' W
拟建大坝
R' W
图 7-6 移 挖 作 填 定 向 爆 破 药 包 布 置
图 7-7 定 向 爆 破 筑 坝 药 包 布 置
.
43
第三节 硐室爆破参数的选择与计算
一、装药量计算 （一）松动爆破装药量计算方法
标准松动爆破的装药量计算公式为：
Q0.44（kW 7-31）
式中：— 标准抛掷爆破的单位用药量系数，下同； — 最小抵抗线，下同。
36根据此原理工程上提出了定向坑或定向中心的设计方法它是在自然的或者人为的凹面附近布置主药包使主药包的最小抵抗线垂直于凹面凹面的曲率中心就是定向中心按这种形式布置药包爆落土岩会朝着定向中心抛掷并堆积在定向中心附近获得定向抛掷和堆积的爆破效果
第七章 硐室爆破
自20世纪50年代以来， 我国已将硐室爆破(chamber blasting)技术广泛应用于矿 山、交通、水利水电、农田 基本建设和建筑工程等领域， 并成功地实施了多次万吨级 的爆破。
.
38
主要抛掷方向
A
W1 B
C
定向坑
H W2
O Q1
Q2
图7-5 水平地面定向抛掷爆破药包布置
.
39
(2）群药包作用原理两个或多个对称布 置的等量药包爆破时，其中间的土岩一般不 发生侧向抛散，而是沿着最小抵抗线的方向 抛出。根据这一规律，布置等量对称的群药 包，可将大部分土岩抛掷到预定地点，这种 布置药包的设计方法，称为群药包作用原理。
.
34
5．定向抛掷爆破的药包布置
定向抛掷爆破，药包布置的基本原理有下列几个方 面：
（1）最小抵抗线原理单药包爆破时，土岩向最小

图８ 空气锤结构示意图
１上接头 ２逆止塞 ３密封垫 ４外壳 ５环空气道 ６下排气眼 ７空气锤下气道 ８下腔 ９限 位阀 １０钻头 １１外壳接头 １２塞座１３弹簧 １４节流塞 １５配气尾杆 １６上腔 １７空气锤下 气道 １８上排气眼 １９中排气眼 ２０上气槽 ２１活塞 ２２下气槽 ２３缸体 ２４钻头尾管 ２５ 弹簧圈 ２６花键接头
工作原理：射流式冲击器利用“双稳”射流元件控制改变高压 流体的流向，直接推动活塞冲锤产生往复运动。这种冲击器无弹簧 装置，结构简单，工作性能可靠便于操作，但对钻井液性能要求较 高（如含砂量低）。
图 6 射 流 式 冲 击 器
换向阀的工作原理基于科恩达效应，亦称附壁 作用或康达效应。 流体 （水流或气流）有离开本来的流动方向， 改为随著凸出的物体流动的倾向，当流体与它流 过的物体表面之间存在面摩擦时，流体的流速会 减慢。只要物体表的曲率不是太大，依据流体力 学中的伯努利原理 ，流速的减缓会导致流体被吸 附在物体表面上流动。
工作过程：
回程启动前， 冲击器的阀与活塞均处于行程下限， 阀呈 开启状， 液流通道畅通， 喷嘴与随动阀控系统组成一只喷射 泵（图７ａ）。启动时工作液从喷嘴射出， 高速射流形成卷吸作 用，上腔压力迅速下降， 液流随着通道的扩大和流速的减慢， 节流孔的增压作用使下腔压力升高， 与上腔形成压力差， 阀 与活塞同时上升， 但由于阀质量较小， 先行到行程上限（图 ７ｂ） ， 随后活塞也到上限， 回程完成（图７ｃ）。
三、旋冲复合钻井方式
早在20世纪40年代，前苏联已开发出了石油钻井用滑阀式正作用冲击钻 具，50年代美国开发出了活阀式反作用冲击器，60年代日本开发出液动双作 用冲击钻具。由于石油钻井井内条件恶劣，旋冲钻井主要在地质工程钻井中 得到发展，主要钻浅井。90年代以来，深井、超深井、水平井和大位移井在 石油钻井中所占的比例越来越大。深井、超深井中遇到的坚硬地层钻井速度 大幅度下降、井斜问题也日益突出；在水平井和大位移井中，随着大斜度井 段和水平段加长，加压更为困难，旋冲钻井在石油钻井中再次得到人们的重 视，进入了一个新的发展期。 到20世纪90年代，国内外石油钻井界相继对不同结构的液动冲击器进行 的研究都没有取得令人满意的成果。而在这以前，国内外旋冲钻井技术在地 质岩心钻探、工程钻井和水井钻井领域都有了长足的发展，确定了基本工艺 规范。从20世纪90年代中期开始，我国陆续有多家石油、地质院校及科研单 位对旋冲钻井在石油钻井工程领域的应用进行了可行性研究。接着大胆尝试， 先后设计过各种类型的液动冲击器，但由于种种原因，试验效果仍然不理想。

1.楔形掏槽
钻孔与开挖面斜交。
由2-4对对称的相向倾 斜的掏槽孔组成，爆破 后能形成楔形槽。
楔形掏槽孔与孔底的夹 角在60度左右。
对于层理大至垂直或倾 斜的岩层，往往采用垂 直楔形掏槽。
水平楔形掏槽比较适用 于岩层层理接近于水平 的围岩或整体均匀的围 岩。
2.锥形掏槽 由数个掏槽孔呈角锥形
周边孔尽量同时起爆。
四.钻爆参数设计
1.炮孔直径 2.炮孔深度 3.单位体积耗药量 4.总装药量分配
1.炮孔直径
炮孔直径对凿岩生产率、炮孔数目、单位 体积耗药量和洞壁的平整程度均有影响。
应根据岩性、凿岩设备和工具、炸药性能 等进行综合分析确定，多采用32～50mm的 钻孔。
2.炮孔深度
指炮孔底至开挖面的垂直距离。 合适的炮孔深度有助于提高掘进速度和炮孔利用
一.炮孔种类及作用
为了克服围岩的夹制作用、改善岩石破 碎条件、控制隧洞开挖轮廓以及提高掘进 效率 按作用原理、布置方式及有关参数的不 同，开挖断面上布置的炮孔分成三类： （1）掏槽孔 （2）周边孔 （3）崩落孔
周边孔
崩落孔 掏槽孔
三）炮孔种类及布置
1）掏槽孔：
位置：开挖断面中下部
起爆次序：最先起爆。
作用：爆出平整的洞室开挖轮 廓。
崩落孔 掏槽孔
上述3类炮孔可以通 过微差网路实现毫秒 延迟起爆，先起爆炮 孔为后起爆炮孔减小 了岩石的夹制作用， 并增大了自由面。
为了降低爆破对围岩 的损伤，工程中常常 在周边孔和崩落孔间 布置一排缓冲孔。
二.掏槽爆破的三种形式 楔形掏槽 锥形掏槽 直孔掏槽
根据用药平衡的原则，将上述每一循环总装药量Q分配到 各个炮孔中。
在开挖过程中加以检验和修正。