第一章 钻井工艺技术(第二节 钻井方法)讲稿

《石油工程与装备》第二节钻井方法（机自02级，第二次课）一、机械钻井法1. 顿钻钻井法破岩—用顿钻钻头，上下冲击。

排屑—用捞砂筒。

二者交替进行，钻进过程不连续。

特点：低效慢速，设备简单，适于浅井，农用水井。

我校新建体育馆进行地质勘查使用的是顿钻法。

2．旋转钻井法（1）过程：破岩—用旋转钻头；排屑—用循环井液；（2）钻具组合钻杆：传矩、加长、循环；钻铤：提供钻压）→（3）分类地面动力——转盘钻（常规）【钻头旋转，连续破岩，用钻井液循环带屑，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——有涡轮、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。

相当于液马达。

】二、钻井工艺过程干三件事：破碎岩石；取出岩屑、保护井壁；固井和完井，形成油流通道。

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，下表管。

②二次开钻，从表管内钻进。

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—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岩。

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—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4．固井套管与井壁的环空注入水泥浆封固，称为固井。

5．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。

6．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）井喷地层压力大于泥浆柱压力，井口应装防喷器。

（3）卡钻转不动、起下钻遇阻，由沉砂、落石造成。

三、钻井新技术（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。

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。

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处射出的喷射流，用喷度、冲击力和水功率三个参数来表征。

（1）泵的水功率分配（N P=p P.Q）①循环功率消耗（循环管路上N C）②过钻头喷嘴压降（形成高速射流作用的水功率N b）压降：进、出口压差值。

钻井时，希望降低N C，提高N b；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。

（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。

喷嘴直径：2～3mm,超高压喷嘴孔径<2mm。

水力学定义：液体的过流断面周界不与固体接触的液体流动称射流。

②有气、液射流③流态：层流（雷诺数小为层流）、紊流（喷射钻井）。

（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。

（中心线喷速等于出口速度）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。

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。

水功率：是单位时间内射流动能（221mv ） 20)(21v Q N j ρ= Q ρ —单位时间内液体质量（m ），ρ—密度；Q —流量；0v —喷嘴出口流速。

冲击力：为单位时间内动量变化（b I ，动量mv ）。

冲击力大破岩能力高。

00Qv tmv I b ρ==②提高喷速途径其一，AQ v =0 只有减小喷嘴孔径0d 其二，提高喷嘴压降b p ，大进出口压差（21p p -）。

从能量方程知：220212)(c v p p p b ρ=-=故，提高喷射压力，可提高射流水功率和冲击力，进而提高破岩能力。

水力破岩，压力必须提高到破岩的门值【实际破岩机理具有较深研究课题，并非简单能量关系。

】（5）有效喷距保证在（B 区）紊流混合区。

最佳喷射距离，与喷嘴直径、结构有关。

有圆弧、椭圆、圆锥、双圆弧形入口（目的减少入口损失）。

沈忠厚教授加长喷嘴就是根据最佳喷距而来。

喷嘴距井底太近：冲蚀体积过小，破岩效果差。

太远：喷速大大降低，破岩效果也差。

最佳喷距涉及一系列研究课题。

高压水射流研究内容：破岩机理；岩石性能、岩石力学；沉没流喷射破岩机理；射流流态分析；流体力学；喷射压力；喷嘴结构；喷距、喷嘴截面；喷射角优选。

（二）平衡压力钻井1. 平衡压力钻井含义钻井用泥浆密度m ρ正好等于平衡地层压力所需泥浆密度p ρ，称为平衡压力钻井。

平衡钻井：保持等，即 a f fp p p p +=式中，fp p —地层孔隙压力（地层压力）；f p —钻井液柱静压力；a p —钻井液循环时的环空压降。

2. 平衡压力钻井目的① 降低岩石强度、岩屑的压持效应，提高钻速； ② 可有效地保护地层，防止地层污染、井漏。

3. 实现平衡钻井的关键是选控合理的钻井液密度，使钻井液柱静液压力和环空压降之和同地层孔隙压力始终保持平衡。

4. 平衡钻井技术保证① 安井控设备，防止井涌、井喷；② 配先进固控设备，适时调、控配井液性能。

（三） 欠平衡钻井欠平衡钻井是当今钻井新技术之一。

（钻井用泥浆密度m ρ<p ρ平衡地层压力所需泥浆密度时称为欠平衡钻井）1. 欠平衡钻井原理井底液柱压力低于地层孔隙压力。

允许地层流体进入井内，循环出井，在地面处理和控制。

2.优点①利于发现低压储层；②避免对油层的损害；③减少清堵费用④提高钻速，降低钻井成本。

3. 适用于地层条件：①存在井漏（泥浆漏走）的油层；②液敏油层，【如对水基钻井液过敏的地层】；③机械封堵引起的井壁堵塞的井；④页岩水化引起的井壁堵塞；⑤低渗透油层、硬地层；⑥欠压或衰竭地层；⑦大裂缝地层。

5.保持欠平衡钻井方法①配注气设备：向井液中注空气或氮气，降低液柱静水头。

②配井控设备③流体地面处理设备④随钻测量仪。

（四）深、超深井钻井技术深井：4500～6000m；超深井：6000m以上。

目的：开发深部资源。

如四川盆地、塔里木盆地、准葛尔盆地。

1. 要研究和掌握的关键技术井眼稳定技术、井斜控制技术、高效破岩与洗井技术、固井技术、钻井液技术和管柱优化设计技术等。

2.特点深井、超深井钻井中，机械钻速低、钻头寿命短、起下作业频繁，建井周期长，费用很高。

3.对钻井设备和钻具要求（1）加速研制先进的深井、超深井钻机。

国产已有ZJ60级深井钻机，兰石厂04年生产出ZJ70LDB,04年8月在胜利钻井四公司安装试车，之后准备到四川打气井（转盘电驱，其他机驱，链条并车）。

深井、超深井钻机应采用电驱动，配备顶驱钻井装置，提高机械化水平。

（2）深井、超深井钻机应配备三台大功率钻井泵。

井段上部大直径需双泵打钻（一台泵检修），以满足破岩与洗井的排量要求，提高机械钻速。

（3）研制、配置高效先进的固控系统。

有效控制钻井液密度和性能，保证稳定井眼技术、钻井与完井技术的顺利实施。

（4）研制适于不同岩层的大尺寸（171″）钻头2（5）开发中速大扭矩井下动力钻具。

（200～250r/min）如涡轮钻具、螺杆钻具。

目的是提高钻速。

（五）水平井技术水平井是从定向斜井发展起来的。

目前，胜利油田打水平井的技术起到领头羊的作用。

1. 水平井技术（1）水平井优化设计技术借助于计算机模拟技术，对油藏研究、地质分析、钻井、测井、完井、采油等进行优化设计。

（2）井眼轨迹检测技术根据优化设计的井眼轨迹，配备先进的导向钻进系统，采用先进的随钻测量（MWD）仪器和技术，实现井眼轨迹的连续控制。

（3）优化完井技术水平井完井难度大，需研究专用的完井技术和工具。

2. 导向钻具组合导向钻井系统：包括高效钻头、导向钻具组合、随钻测量系统、计算机技术。

通过不同造斜、导向工具实现打水平井。

（1）导向涡轮钻具组合（2）导向螺杆钻具组合。