石油工程機(jī)裝備 第一章鉆井工藝技術(shù)(11版)

《石油工程與裝備》

機(jī)自09級（共48學(xué)時）

2-17周：

機(jī)自0906-06：周一，1,2節(jié)：東廊102；周三，3,4節(jié)：雙周南堂317

機(jī)自0901-03：周三，1,2節(jié)：南教211；周五，3,4節(jié)：雙周南堂315；

講課教師：高學(xué)仕

工作單位：機(jī)電工程學(xué)院機(jī)電系

2012年9月17日

引言

“石油工程與裝備”包括兩大部分：

石油工程（油田開發(fā)）和石油裝備（石油機(jī)械）

石油工程：包括鉆井工程（工藝），采油工程（工藝）。即如何打井，怎樣采油。

石油裝備：是鉆井、采油機(jī)械的概括。裝備可認(rèn)為是機(jī)械工程（機(jī)械系統(tǒng)），并應(yīng)包括電器設(shè)備。

本課主要內(nèi)容：鉆井、采油機(jī)械各半。

【07年9月21日報道我國是世界最大鉆機(jī)生產(chǎn)國，年產(chǎn)鉆機(jī)700多臺，已研制出打12000m井深控制系統(tǒng)?！?/p>

教材：《石油鉆采機(jī)械概論》35元；

2011年新版50元參考書：《采油機(jī)械設(shè)計計算》考試：學(xué)校統(tǒng)一安排考試，閉卷，側(cè)重概念性、知識性內(nèi)容，涉及面廣。考試以筆記內(nèi)容為準(zhǔn)，平常注意聽課，最后集中總結(jié)一下即可。聽課筆記，只記標(biāo)題、彩體字。

作業(yè)甚少，算總成績，一次作業(yè)5～10分。

第一章鉆井工藝技術(shù)

第一節(jié)

井身結(jié)構(gòu)一、套管套管是加固井壁所用的鋼管。1.套管材料：高合金鋼，【含C，Mn，Mo，Cr，Ni，Cu，P，S，Si（硅）?！?.鋼級：【API（美國石油學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)）標(biāo)準(zhǔn)套管】套管按強(qiáng)度高低分級，有：H-40，J-55，C-75

，N-80，P-110等。字母：含化學(xué)成份的分類代號；數(shù)字：最小屈服極限，單位：KSI（）。【1PSi（）=6.89kPa=0.00689MPa】3.制造方法：無縫套管，用熱軋，上海寶鋼；

焊接套管，用鋼板卷筒直焊縫，寶雞鋼管廠。4.尺寸規(guī)格：用外徑表示。生產(chǎn)直徑400mm以上的中大口徑無縫管坯

無縫管：先穿孔。穿孔是靠外徑布置的軋輥和心塞頭的作用來實現(xiàn)的。直焊縫套管石油套管5.套管螺紋連接主要有：三角螺紋連接；偏梯形螺紋連接；特殊螺紋連接。偏梯形螺紋套管端接箍端

5.套管螺紋連接（1）三角螺紋連接承載面：齒側(cè)角30°；在軸向拉力下，產(chǎn)生較大徑向分力。連接強(qiáng)度：為管體強(qiáng)度的60～75%。密封方式：齒間干涉及絲扣油堵塞，密封性差。

5.套管螺紋連接（1）三角螺紋連接承載面：齒側(cè)角30°；在軸向拉力下，產(chǎn)生較大徑向分力。連接強(qiáng)度：為管體強(qiáng)度的60～75%。密封方式：齒間干涉及絲扣油堵塞，密封性差。

（2）偏梯形螺紋連接承載面：3°；導(dǎo)向面：10°；增強(qiáng)了齒形，減少了徑向力。連接強(qiáng)度：為管體強(qiáng)度的85%。密封方式：齒間干涉和絲扣油堵塞，密封性差。（2）偏梯形螺紋連接承載面：3°；導(dǎo)向面：10°；增強(qiáng)了齒形，減少了徑向力。連接強(qiáng)度：為管體強(qiáng)度的85%。密封方式：齒間干涉和絲扣油堵塞，密封性差。軸向拉力套管接頭扣牙（3）套管接頭螺紋受力分布規(guī)律在軸向拉力作用下，近似于拋物線，接頭螺紋兩端扣牙受力大，中間部位大多數(shù)扣牙受力很小。二、井身結(jié)構(gòu)下不同層次的套管固結(jié)井壁就構(gòu)成了井身結(jié)構(gòu)。（參看圖1-16）1.導(dǎo)管：防止表土坍塌，引入鉆頭?！疽豢诰凶畲蟪叽缣坠埽?0-40m）】。2.表層套管：加固上部疏松巖層井壁。封隔淺層水；【安裝防噴器、套管頭、采油樹（30～100m）】。3.技術(shù)套管：封隔上部油、水、氣層、坍塌層?！靖鶕?jù)地質(zhì)情況下n層技術(shù)套管】。4.油層套管（生產(chǎn)套管）：最后一層套管，形成井筒，使油氣入內(nèi)。內(nèi)放油管。三、套管在井下的承載情況套管在下井、固井、完井（射孔）過程中，承受復(fù)雜載荷。1.

外擠壓力固井時，管外泥漿和水泥漿液柱壓力；地層對套管施加的靜水壓力（均勻外壓）；地層中的油、氣、水壓力；設(shè)計套管外擠壓力時，認(rèn)為管內(nèi)掏空，管外按泥漿柱計算外擠壓力。對于高塑性地層（如膨脹性頁巖）和巖鹽層，外擠壓力以上覆巖層壓力為計算依據(jù)。

2.內(nèi)壓力井口開時，等于管內(nèi)液柱或氣柱壓力;井口關(guān)時，等于井口壓力與管內(nèi)液柱或氣柱壓力之和。井噴和壓裂時受內(nèi)壓。注水和注熱蒸汽內(nèi)壓（從套管內(nèi)注入）。3.拉力載荷主要由套管自重引起。泥漿浮力、注水泥流動阻力；下套遇卡提力；下套剎車動載等。4.擊震載荷：完井時，射孔。（固井后射孔使油流入井筒）5.熱應(yīng)力、腐蝕應(yīng)力。

四、套管設(shè)計↑1-21.

決定下套管層數(shù)。（根據(jù)地質(zhì)情況）2.

確定套管尺寸確定完井最小井眼，各層套管尺寸；選不同鋼級、不同壁厚的套管組成管柱。3.

設(shè)計原則按三準(zhǔn)則計算：抗拉安全系數(shù)：n安=1.62～2.0抗擠安全系數(shù)：n安=1.0～1.25抗內(nèi)壓安全系數(shù)：n安=1.0～1.33管柱載荷：頂部受拉力最大，下部受內(nèi)、外壓最大，應(yīng)合理設(shè)計管柱。

4.等安全系數(shù)法

普遍用等安全系數(shù)法設(shè)計套管柱。即：管柱由數(shù)段不同強(qiáng)度套管組成，各段安全系數(shù)相同。（具有的強(qiáng)度能力/實際承擔(dān)載荷能力）

（1）抗外擠強(qiáng)度計算外擠計算法：按管內(nèi)掏空（無內(nèi)壓），計算一定深度管柱所承受的外壓力。外擠壓力值：按（打井時）泥漿密度計算。

（確定所受外壓力）—外擠壓力，Pa；—環(huán)空泥漿密度，kg/m3；L—管柱長（井深）。具有抗擠強(qiáng)度的套管可下深Hc1；

可下深Hc2

可下深Hc3<<?？上律畹暮侠硇苑治觯河?，下0～Hc2深，不合理；用，下0～Hc3深，更不合理。應(yīng)該用：的套管下0～Hc1深；的套管下Hc1～Hc2深；的套管下Hc2～Hc3深。結(jié)果：三段套管抗擠強(qiáng)度不同，安全系數(shù)相同（，，中安全系數(shù)相同）。原則：低抗擠能力的管放在管柱上段。

（2）抗拉強(qiáng)度計算設(shè)—許用抗拉強(qiáng)度；

具有抗拉強(qiáng)度的套管，可懸掛長度LT1。即：本段,可承擔(dān)管柱重；具有的管可懸掛LT2長，管重（）；的管可懸掛LT3長，管重（）。原則：低抗拉強(qiáng)度套管放在管柱下段。合理性考慮：從LT2中取出一段用LT1代替，并非用的套管直接下LT2段。也如此，從LT3中取出一段用LT1和LT2’代替。

（3）套管柱設(shè)計與校核抗擠計算：從井口到井底逐段計算，下部選抗擠強(qiáng)度最大的套管。抗拉計算：從井底到井口逐段計算，上部選抗拉強(qiáng)度最大的套管?？刹捎枚呖煞謩e計算的方法。目前用法：先用抗擠計算設(shè)計各段，再用抗拉計算校核。強(qiáng)度分段：越多越經(jīng)濟(jì)，受品種限制，

分四～五段為宜。例，井深3000m，打井泥漿密度，設(shè)計外經(jīng)127mm（5”）油層套管柱，水泥返高500m。庫存套管J-55，N-80參數(shù)如下：外徑鋼級壁厚mm線密度kg/m抗擠強(qiáng)度MPa抗拉強(qiáng)度kN

127mmJ-556.4319.3428.5809.67.5222.3238.3992N-807.5222.3250.013849.1926.7872.31760解（1）按抗擠計算下深，安全系數(shù)n擠＝1.125①選J-55,

許用抗擠壓力：

可下深：

由（泥漿柱壓力）

=2168m

②選：N-80,

許用抗擠壓力：

可下深：

=2832m

③選：N-80,

許用抗擠壓力：

可下深：

=4100m按抗擠計算結(jié)果：由上到下J-55,下深2168m（滿足強(qiáng)度要求的下深）N-80,加長2832-2168=664m

(減去上部已下深，到2832m)N-80,

加長3000-2832=168m

(可下到4100m,只有3000m)鋼的密度泥漿密度（2）按抗拉強(qiáng)度校核，安全系數(shù)n拉＝2（自下而上校核）①N-80,（最下段）許用抗拉力：在泥漿中每米質(zhì)量：

（空氣中每米質(zhì)量）（減去泥漿在鋼中占的比例）

可懸掛長：（最下段）

【每米重（力）】本段管柱質(zhì)量：21.4×168=3600（kg）能夠承受的拉力

本段許用拉力（重力）本段許用拉力（重力）抗拉力②N-80,（中間段）許用抗拉力：

能夠承受的拉力在泥漿中每米質(zhì)量：

（空氣中每米質(zhì)量）（減去泥漿在鋼中占的比例）

下段已掛重量（力）可懸掛長：

（中間段）【每米重（力）】本段管柱質(zhì)量：17.9×664=11900（kg）

下段已掛重量（力）抗拉力③J-55,許用抗拉力：在泥漿中每米質(zhì)量：

（空氣中每米質(zhì)量）（減去泥漿在鋼中占的比例）

下二段已掛重量（力）

可懸掛長：井口段抗拉強(qiáng)度不夠（只能懸掛1960m長）；余者改用N-80,④N-80,下三段已掛重量（力）

可懸掛長：只需下深：2168-1960=208m（井口段下深）

下兩段已掛重量抗拉力（3）設(shè)計結(jié)果將最上部一根管子用最小內(nèi)徑一種，以防止修井時，所下工具外徑太大，下到中途下不去。（按上段小徑選擇相應(yīng)的工具，無問題，且強(qiáng)度有保證。）自上而下：N-80,

，10m→N-80,,198m→J-55,，1960m→N-80,，664m→N-80,，168m。

五、下套管固井套管與井壁的環(huán)空注水泥封固，稱為固井。

下完套管后注水泥?！酒胀ň蛯犹坠芗庸痰接蛯由?00～200米，熱采井加固到井口（防止熱應(yīng)力膨脹舉升井口）?！繛榱斯ぷ黜樌?，開鉆方便，套管柱下部要有附加裝置。①套管柱下部結(jié)構(gòu)★引鞋：在管柱最下端，錐形。作用：防止套管下端插入井壁。易鉆材料（水泥）。上接套管柱↑1-2★套管鞋：在引鞋上部，一厚壁短節(jié)。內(nèi)下部有錐面，防止起鉆時，鉆頭、鉆桿拉住。★回壓閥：套管引鞋之上?！镒枇鳝h(huán)（承托環(huán)）：承托下膠塞注水泥時，要用下膠塞和上膠塞。注完水泥后，套管內(nèi)留10～20m水泥塞，如果不是油層套管要鉆開?！锓稣鳎簭椈射撈龀??！锬酀{刷：刮去井壁泥餅，提高水泥膠結(jié)強(qiáng)度?！锵履z塞：中間為空，上部有一層隔膜，外層為橡膠`。注水泥時，先（在套管內(nèi)）放入下膠塞，再注水泥，下塞與水泥一起下行。下塞遇承托環(huán)不動，壓力升高使薄膜破裂，使水泥形成通道?！锷夏z塞（實心）注足水泥后，放入上膠塞，上塞上方注泥漿，上塞下部是水泥。上塞與水泥一起下行，上塞使水泥和泥漿分開。上塞遇到下塞，將循環(huán)通路堵塞，泵壓升高，稱碰壓，注水泥完成。②注水泥流程

下套管后，循環(huán)水洗井壁；下放下膠塞，注水泥；注完水泥，下放上膠塞，替泥漿；替泥漿到上、下膠塞相碰結(jié)束。路線：水泥混合—水泥泵—套管內(nèi)—環(huán)空（幾分鐘到十幾分鐘完成（快凝水泥）。③注水泥設(shè)備：水泥車、車裝高壓泵；灰罐車；混合漏斗。④水泥用石灰石、粘土、頁巖、鐵礦石按比例混合，在1400～1600℃下燒成熟料，冷后磨細(xì)。固井用水泥為硅酸鹽水泥，凝速快，有較高早期強(qiáng)度。耐地下腐蝕，射孔時不開裂。第二節(jié)鉆井方法一、機(jī)械鉆井法1.頓鉆鉆井法

破巖——用頓鉆鉆頭，上下沖擊。

排屑——用撈砂筒。

二者交替進(jìn)行，鉆進(jìn)過程不連續(xù)。

特點：效率低，速度慢，設(shè)備簡單，適于淺井，農(nóng)用水井。

2．

旋轉(zhuǎn)鉆井法

（1）過程：破巖—用旋轉(zhuǎn)鉆頭；

排屑—用循環(huán)鉆井液；

（2）鉆具組合：水龍頭（輸入泥漿）→方鉆桿（傳矩）→鉆柱（鉆桿：傳矩、加長、循環(huán)；鉆鋌：提供鉆壓）→鉆頭。

★地面動力—轉(zhuǎn)盤鉆（常規(guī)）

【鉆頭旋轉(zhuǎn)，連續(xù)破碎巖層，用鉆井液環(huán)帶出巖屑，鉆井效率高?！?/p>

★地上動力—頂部驅(qū)動（前景好）

【水龍頭＋轉(zhuǎn)盤，以立根鉆井?！?/p>

★井下動力—渦輪或螺桿鉆具。（斜井、水平井用）

【鉆井液經(jīng)鉆桿柱內(nèi)腔泵入渦輪鉆具中，驅(qū)動轉(zhuǎn)子由主軸帶動鉆頭旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)破巖鉆進(jìn)?！?/p>

方鉆桿方鉆桿鉆鋌鉆桿將鉆井液的動能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的一種井底動力機(jī)，簡稱渦輪鉆。渦輪鉆鉆探是一種先進(jìn)的鉆探方法，工作時鉆桿不轉(zhuǎn)動，用于打斜井、水平井。螺桿鉆具

二、鉆井工藝過程多道工序完成三件事：

★破碎巖石；

★取出巖屑、保護(hù)井壁；

★固井和完井，形成油流通道。

1．鉆前準(zhǔn)備①

定井位；②平井場；③打基礎(chǔ)；④備器材。2．鉆進(jìn)（1）全井鉆進(jìn)過程①一次開鉆，下表層套管。②二次開鉆，從表層套管內(nèi)鉆進(jìn)。③三次開鉆，從技術(shù)套管內(nèi)鉆進(jìn)。

（2）鉆井作業(yè)①下鉆—將鉆具（由鉆頭、鉆鋌、方鉆桿組成的鉆桿柱）下入井底，準(zhǔn)備鉆進(jìn)。②正常鉆進(jìn)—轉(zhuǎn)盤（或井底動力鉆具）通過鉆柱帶動鉆頭旋轉(zhuǎn)，借助手剎車，給鉆頭施加適當(dāng)?shù)你@壓以破碎巖石。同時，開泵循環(huán)泥漿：沖洗井底，攜出巖屑，保護(hù)井壁，冷卻鉆具。③接單根—不斷鉆進(jìn)，加長鉆柱；每次接入一根鉆桿，稱為接單根。④起鉆—換鉆頭時，取出鉆柱，稱起鉆作業(yè)。以立根為單位起卸。⑤換鉆頭—起鉆結(jié)束，卸下舊鉆頭，換上新鉆頭。⑥循環(huán)工作：下鉆→正常鉆進(jìn)→接單根→起鉆→換鉆頭→下鉆工人們正在起下鉆作業(yè)（用吊鉗緊、松扣）液壓大鉗吊鉗卡瓦拉鉗繩起下鉆作業(yè)（液壓大鉗上扣）液壓大鉗3．固井套管與井壁的環(huán)空注水泥，稱為固井。4．完井鉆井的最后一道工序。主要用射孔完井法：用子彈射穿套管、水泥環(huán)，使油層與井筒相通。5．鉆井事故的處理（1）井漏、井塌井漏—泥漿壓力>地層壓力時，使泥漿進(jìn)入地層。應(yīng)加堵漏物。井塌—井壁坍塌，應(yīng)加重泥漿。（2）井噴地層壓力>泥漿柱壓力，井口都裝防噴器?！痉绹娖鳟a(chǎn)品生產(chǎn)前景良好，要求打井必須安防噴器?！浚?）卡鉆轉(zhuǎn)不動、起下鉆遇阻，由沉砂、落石造成。。

三、鉆井新技術(shù)（一）噴射式鉆井利用高速射流作用，結(jié)合機(jī)械破巖，提高鉆速，即噴射式鉆井。鉆井液通過特殊形狀和小尺寸噴嘴形成高速射流射向井底。1.

現(xiàn)狀與前景超高壓噴射鉆井是前沿課題。破巖壓力：150～200Mpa（需增壓）①美國：94年前，嘗試過地面增壓，用鈹銅合金管將高壓液體傳輸井下，打井試驗，效果很好，提高鉆速3～5倍。地面增壓缺點：高壓傳輸密封難保證（接頭），沿程損失太大。94年后，開始研究井下增壓器，96年下井試驗。

②中國：92年構(gòu)思用“井下增壓器”研究（由礦機(jī)教研室增壓器科研組完成）。94年石油總公司招標(biāo)，由石大、勘探院兩家分別進(jìn)行可行性研究。99年，單元、整機(jī)地面試驗成功。技術(shù)特點：利用地面泥漿，井下增壓缸自動水力換向，產(chǎn)生高壓射流。難點超高壓密封。前景：試驗成功是鉆井的一場革命；增壓技術(shù)可用于地面和井下增壓注水。

2.噴射鉆井的主要特點用超高壓液體，高速沖擊巖石，鉆進(jìn)快，鉆頭壽命長。3.噴射鉆井工作方式用射流噴速、沖擊力和水功率三參數(shù)來表征。（1）泵的水功率分配（NP=pP.Q）①循環(huán)管路上功率消耗（NC）②過噴嘴壓降（形成高速射流作用的水功率Nb）壓降：進(jìn)、出口壓差。希望：降低NC，提高Nb；提高壓降手段：減小噴嘴直徑。提高壓降目的：使射流獲得大噴速、大動能、大沖擊力。通過壓能與動能進(jìn)行能量交換。

（2）射流

定義：微孔噴出流體并非重力作用，而傳播的現(xiàn)象稱射流。（3）射流結(jié)構(gòu)射流成喇叭形（速度遞減）。分三個區(qū)：A區(qū)——等速核長度區(qū)，噴速為定值。B區(qū)——紊流混合區(qū)，噴度衰減。C區(qū)——紊流形成區(qū)，噴度衰減顯著。（4）壓降、射流、破巖的關(guān)系噴射破巖機(jī)理。為何“井下增壓”能提高破巖能力？本節(jié)重點理解的問題①

從能量角度分析提高射流的水功率和沖擊力能提高破巖能力。水功率：是單位時間內(nèi)射流動能（）

—單位時間內(nèi)液體質(zhì)量（m），—密度；—流量；—噴嘴出口流速。

結(jié)論：沖擊力：為單位時間內(nèi)動量變化，（動量）。沖擊力大破巖能力高。

②提高噴速途徑其一，只有減小噴嘴孔徑其二，提高噴嘴壓降，大進(jìn)出口壓差（）。

從能量方程知：

，，只有提高，即增壓。故，井下增壓（提高噴嘴入口壓力），可提高射流水功率和沖擊力，進(jìn)而提高破巖能力。

結(jié)論：水力破巖，壓力必須提高到破巖的門值，約150～200Mpa。（5）有效噴距從噴嘴到井底的距離。保證在（B區(qū)）紊流混合區(qū)。最佳噴射距離，與噴嘴直徑、結(jié)構(gòu)有關(guān)。沈忠厚教授加長噴嘴是根據(jù)最佳噴距而來。噴嘴距井底太近：沖蝕體積過小，破巖效果差。

太遠(yuǎn)：噴速大大降低，破巖效果也差。（二）井下增壓器技術(shù)

“井下增壓器”，是超高壓噴射鉆井的一種輔助工具。

1.

井下增壓器研究的目的意義

它在地面泵輸入的動力泥漿的推動下，將小部分鉆井液壓力大幅度提高，經(jīng)噴嘴噴出后沖刺巖石，并與鉆頭配合達(dá)到大幅度提高鉆速的目的。（二）井下增壓器技術(shù)

“井下增壓器”，是超高壓噴射鉆井的一種輔助工具。

1.

井下增壓器研究的目的意義

它在地面泵輸入的動力泥漿的推動下，將小部分鉆井液壓力大幅度提高，經(jīng)噴嘴噴出后沖刺巖石，并與