鉆井講義.的知識

鉆井工程電話：1第一節(jié)緒論2一、石油鉆井概述1．石油鉆井的概念石油鉆井是指利用專用設(shè)備和技術(shù)，在預(yù)先選定的地表位置處，向下或一側(cè)鉆出一定直徑的孔眼，一直達(dá)到地下油氣層的工作。32．石油鉆井的種類（1）把鉆井按鉆井的目的進(jìn)行分類：區(qū)域普查井：基準(zhǔn)井、剖面井、參數(shù)井、構(gòu)造井探井：預(yù)探井、詳探井、邊探井開發(fā)井：生產(chǎn)井（油井、氣井）、注入井（注水井、注氣井）特殊用途井：檢查井、觀察井、調(diào)整井、救援井等。4基準(zhǔn)井：在區(qū)域普查階段，為了了解地層的沉積特征和含油氣情況、驗證物探成果而鉆的井。剖面井：是為了研究地層巖性、巖相變化，為尋找含油氣構(gòu)造而鉆的井。參數(shù)井：為了解區(qū)域構(gòu)造，提供巖石物性參數(shù)而鉆的井。構(gòu)造井：為了了解地質(zhì)構(gòu)造特征、驗證物探成果，并編制地下某一標(biāo)準(zhǔn)層的構(gòu)造圖。探井：為了確定油氣藏是否存在及其埋藏位置（預(yù)探井），對油氣藏進(jìn)行工業(yè)評價及取得油氣開發(fā)所需的地質(zhì)資料（詳探井），圈定油氣藏邊界及其儲量（邊探井）。5生產(chǎn)井：在進(jìn)行油田開發(fā)時，為開采石油和天然氣而鉆的井。注入井：開發(fā)后期為了提高采收率及開發(fā)速度，而對油田進(jìn)行注水注氣以補(bǔ)充和合理利用地層能量所鉆的井。檢查井：油田開發(fā)到某一含水階段，為了搞清各油層的壓力和油、氣、水分布狀況，剩余油飽和度的分布和變化情況，觀察井：油田開發(fā)過程中專門用來了解地下動態(tài)的井調(diào)整井：油田開發(fā)中后期，為進(jìn)一步提高開發(fā)效果和最終采收率，而調(diào)整原有開發(fā)井網(wǎng)所鉆的井。救援井：為了救援而鉆的井。6（2）把鉆井按井斜角不同分類：

直井、定向井、水平井直井：井口與井底在同一條鉛垂線上定向井：沿著預(yù)先設(shè)計的井眼軌跡鉆達(dá)目的層，井口與井底不在同一條鉛垂線上。水平井：沿著預(yù)先設(shè)計的井眼軌跡以井斜角>85°的角度進(jìn)入目的層。（3）把鉆井按井深不同分類：淺井H<2500m，中深井2500m<H<4500m，深井4500m<H<6000m，超深井H>6000m<H<9000m。特超深井H>9000m7（1）人工掘井：1521年之前（2）人力沖擊鉆：1521～1835年，是靠人力、撈砂筒、特殊鉆頭、懸繩、游梁等來完成的。

支架游梁懸繩井壁鉆頭井底二、鉆井方法8（3）機(jī)械頓鉆（沖鉆）：1859～1901年優(yōu)點：設(shè)備簡單；起下鉆方便。缺點：靠沖擊作用破巖，鉆頭功率小，破巖效率低，鉆井速度慢；破巖和清巖相間進(jìn)行。支架游梁懸繩井壁鉆頭井底9（4）旋轉(zhuǎn)鉆：1901年發(fā)展起來的。旋轉(zhuǎn)鉆井是靠動力帶動鉆頭旋轉(zhuǎn)，在旋轉(zhuǎn)的過程中對井底巖石進(jìn)行破碎，同時循環(huán)鉆井液以清潔井底的鉆井方法。特點是：1）破巖與清巖同時進(jìn)行。2）旋轉(zhuǎn)動力大，轉(zhuǎn)速高，破碎效率高。3）設(shè)備復(fù)雜，起下鉆繁瑣。10轉(zhuǎn)盤鉆井法是利用轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)帶動鉆柱并帶動鉆頭旋轉(zhuǎn)破碎井底巖石的方法。頂部驅(qū)動鉆井：原理與轉(zhuǎn)盤鉆井法相同井下動力鉆具鉆井法是利用井下動力鉆具驅(qū)動鉆頭旋轉(zhuǎn)以破碎井底巖石。常用于打定向井時的井底定向。

現(xiàn)代鉆井是將兩種旋轉(zhuǎn)鉆井方法結(jié)合起來使用，以充分發(fā)揮各自的優(yōu)點。旋轉(zhuǎn)鉆井：11（一）定井位（二）道路勘測

（三）基礎(chǔ)施工（四）安裝井架

（五）安裝設(shè)備（六）鉆進(jìn)

（七）起鉆換鉆頭下鉆（八）測試

（九）固井（十）搬家

三、鉆井施工工序12封井器一開鉆進(jìn)下表層套管注水泥施工安裝井口防噴器井口防溢管鉆井液出口13二開鉆進(jìn)施工三開鉆進(jìn)施工井身結(jié)構(gòu)14四、鉆井主要設(shè)備15對鉆機(jī)的基本要求：起下鉆能力、旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)能力、循環(huán)洗井能力。主要設(shè)備：井架、天車、絞車、游動滑車、大鉤、轉(zhuǎn)盤、水龍頭（動力水龍頭）及鉆井泵（鉆機(jī)八大件），動力機(jī)（柴油機(jī)、電動機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)），聯(lián)動機(jī)，固相控制設(shè)備，井控設(shè)備等。16天車井架游車17游車18鉆機(jī)的八大系統(tǒng)：主要系統(tǒng)1、起升系統(tǒng)2、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)3、鉆井液循環(huán)系統(tǒng)4、傳動系統(tǒng)5、控制系統(tǒng)6、動力驅(qū)動系統(tǒng)7、鉆機(jī)底座8、鉆機(jī)輔助設(shè)備系統(tǒng)1920剎把絞車司鉆控制臺2122大鉤水龍頭23轉(zhuǎn)盤24鉆井泵25

第二節(jié)鉆頭261.結(jié)構(gòu)

上鉆頭體、下鉆頭體（分水帽）、刀翼、水眼。圖1-4刮刀鉆頭結(jié)構(gòu)刀翼三刀翼的稱作三刮刀鉆頭兩刀翼的稱作兩刮刀鉆頭或魚尾刮刀鉆頭四刀翼的稱作四刮刀鉆頭一、刮刀鉆頭27

2、刮刀鉆頭的工作原理

刮刀鉆頭主要以切削作用破碎地層。破碎塑性巖石過程：

在鉆壓W作用下，刀翼容易吃入地層；刃前巖石在扭轉(zhuǎn)力T的作用下不斷產(chǎn)生塑性流動。這和車刀切削軟金屬的過程類似。28破碎脆性巖石過程

刮刀鉆頭破碎脆性巖石的過程為：碰撞→壓碎及小剪切→大剪切。（1）碰撞：刃前巖石發(fā)生剪切破碎后，刀刃在旋轉(zhuǎn)扭矩作用下向前推進(jìn)，碰撞刃前巖石。（2）壓碎及小剪切：扭轉(zhuǎn)力增大，壓碎刃前巖石，產(chǎn)生小剪切破壞。（3）大剪切：扭轉(zhuǎn)力繼續(xù)增大到某一極限值，刃前巖石沿剪切面破碎，而后扭轉(zhuǎn)力突然減小。29刮刀鉆頭制造工藝簡單，成本低；刮刀鉆頭適用于軟地層，鉆速快，每米鉆進(jìn)成本低；刮刀鉆頭容易磨損成錐形，造成縮徑和井斜；刮刀鉆頭產(chǎn)生劇烈的扭轉(zhuǎn)振動，破壞鉆具和設(shè)備；刮刀鉆頭目前已被PDC鉆頭取代。3、刮刀鉆頭的合理應(yīng)用301.牙輪鉆頭結(jié)構(gòu)

牙輪鉆頭由鉆頭體、牙爪（巴掌）及牙輪軸、牙輪及牙齒、軸承、儲油潤滑密封系統(tǒng)、噴嘴等部分組成。二、牙輪鉆頭31

1）牙輪及切削齒

（1）牙輪20CrMo合金鋼錐體，錐面銑齒或鑲裝硬質(zhì)合金齒，內(nèi)腔有軸承跑道。單錐牙輪：主錐+背錐，硬地層復(fù)錐牙輪：主錐+副錐+背錐，軟到中硬

a—單錐；b、c—復(fù)錐；1—主錐；2—副錐；3—背錐abc32

（2）牙齒

銑齒——在牙輪錐面上直接銑出，楔形。

硬質(zhì)合金鑲齒——鑲裝在牙輪錐面上，有多種齒形適應(yīng)不同地層。33銑齒牙輪鉆頭鑲齒牙輪鉆頭34

(2）軸承

牙輪鉆頭軸承有大、中、小和止推四副。根據(jù)軸承的密封與否，可分為密封和非密封兩類。根據(jù)軸承副的結(jié)構(gòu)，可分為滾動軸承和滑動軸承兩大類。滾動軸承結(jié)構(gòu)：滾柱—滾珠—滾柱—止推

滾柱—滾珠—滑動一止推滑動軸承結(jié)構(gòu)：滑動—滾珠—滑動—止推

滑動—滑動（卡簧）—滑動—止推密封圈密封圈滾柱止推臺階滑動摩擦襯套滑動摩擦副35儲油潤滑補(bǔ)償系統(tǒng)密封系統(tǒng)：橡膠密封圈、金屬密封圈工作原理：

儲油壓力補(bǔ)償系統(tǒng)（傳壓孔、壓力補(bǔ)償膜、油杯等）保持軸承腔內(nèi)的油壓與井內(nèi)鉆井液柱壓力相平衡。當(dāng)軸承腔內(nèi)油壓降低，儲油杯中的潤滑油在鉆井液柱壓力作用下補(bǔ)充到軸承腔內(nèi)；當(dāng)軸承腔內(nèi)的油壓升高，則流入儲油杯。其中，有效密封是關(guān)鍵。3）儲油潤滑密封系統(tǒng)3637

4）鉆頭水眼

鉆井液流出鉆頭射向井底的流道。高壓鉆井液流經(jīng)噴嘴后產(chǎn)生高速流動的水射流，清除井底巖屑，輔助破碎巖石。 三牙輪鉆頭一般安裝3個噴嘴，直徑7~13mm。用卡簧固定在水眼內(nèi)，并用o形圈密封。

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縱向振動：牙輪在滾動過程，其中心上下波動，使鉆頭做上下往復(fù)運(yùn)動。

引起縱向振動的原因：

①單、雙齒交替接觸井底，使牙輪中心上下波動；②井底凹凸不平。

2.牙輪鉆頭工作原理1．牙輪鉆頭在井底的運(yùn)動公轉(zhuǎn)：牙輪隨鉆頭一起旋轉(zhuǎn)。自轉(zhuǎn)：牙齒繞牙輪軸線作逆時針方向旋轉(zhuǎn)稱自轉(zhuǎn)?；瑒樱貉垒嘄X相對于井底的滑移，包括徑向（軸向）和切向（周向）滑動。引起滑動的原因：

①超頂和復(fù)錐引起切向（周向）滑動.②移軸引起徑向（軸向）滑動.

392．牙輪鉆頭的破巖作用

（1）沖擊、壓碎作用

縱向振動產(chǎn)生的沖擊力和靜壓力（鉆壓）一起使牙齒對地層產(chǎn)生沖擊、壓碎作用，形成體積破碎坑。

（2）滑動剪切作用

牙輪牙齒的徑向滑動和切向滑動對井底地層產(chǎn)生剪切作用，破碎齒間巖石。

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1）國產(chǎn)牙輪鉆頭分類方法

（1）按結(jié)構(gòu)分類：Y，P，MP，MPB，HP，HPB，XMP，XHP共8個系列

3.牙輪鉆頭分類及合理使用41（2）按地層分類：JR，R，ZR，Z，ZY，Y，JY

1，2，3，4，5，6，7國產(chǎn)三牙輪鉆頭類型及適應(yīng)地層42

類型代號：數(shù)字1~7，表明所適應(yīng)的地層

系列代號：字母Y,P,MP,MPB,HP,HPB,XMP,XH，表明結(jié)構(gòu)特征

鉆頭直徑：用英寸或毫米表示直徑大小例：用于中硬地層、直徑為8-1/2in(215.9mm)的鑲齒滑動密封軸承噴射式三牙輪鉆頭的型號為：8-1/2XHP5或215.9XHP5。（3）型號表示方法433.牙輪鉆頭的正確使用1.根據(jù)地層性質(zhì)合理選擇鉆頭類型地層較軟時：選用牙齒高度大并帶有超頂或移軸的鉆頭；地層較硬時：選用牙齒高度小，無超頂或移軸的鉆頭；研磨性地層：選用帶保徑齒的鑲齒鉆頭。易斜地層鉆進(jìn)：使用不移軸的鉆頭，無保徑的鉆頭。軟硬交錯地層鉆進(jìn)：按較硬巖石選擇鉆頭。淺井段：可選鉆速較高的鉆頭。小井眼：可使用單牙輪鉆頭參考廠家的推薦：參考鄰井資料：考慮每米成本最低：2.優(yōu)選鉆進(jìn)參數(shù)：鉆壓、轉(zhuǎn)速、水力參數(shù)等。

銑齒鉆頭：低鉆壓，高轉(zhuǎn)速

鑲齒鉆頭：高鉆壓，低轉(zhuǎn)速

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軟地層用鉆頭

硬地層用鉆頭牙輪鉆頭（RollerBit)451.金剛石鉆頭的結(jié)構(gòu)

金剛石鉆頭為無活動部件的整體式鉆頭。由鋼體、胎體（冠部和保徑部分）、水眼及水槽、金剛石切削刃等部分組成。三、金剛石鉆頭462.金剛石鉆頭的正確使用

1.適用于硬、研磨性地層，渦輪鉆井，深井鉆井，

取心作業(yè)。壽命長，進(jìn)尺高。2.鉆頭下井前，井底打撈干凈，確保沒有金屬落物。3.先用小鉆壓、低轉(zhuǎn)速跑合，然后用合適鉆壓和高轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)。4.采用低鉆壓（30-50kN）、高轉(zhuǎn)速、大排量鉆進(jìn)。47

四、PDC鉆頭

胎體PDC鉆頭鋼體PDC鉆頭兩類PDC切削元件481.PDC鉆頭的結(jié)構(gòu)特點

聚晶金剛石復(fù)合片（PDC）

PDC既具有金剛石的硬度和耐磨性。弱點是熱穩(wěn)定性差，350℃以上加速磨損?？箾_擊能力較差。熱穩(wěn)定聚晶金剛石復(fù)合片（TSP）

TSP的制造工藝有別于PDC，熱穩(wěn)定性、耐磨性和抗沖擊能力都高于PDC。Φ13.4，Φ191)切削元件49 2)切削齒布置刮刀式布齒方式：特點是整體強(qiáng)度高、抗沖擊能力強(qiáng)、易于清洗和冷卻、排屑好、抗泥包能力強(qiáng)。適用于粘性或軟地層。單齒式布齒方式：布齒區(qū)域大、布齒密度高，可以提高鉆頭的使用壽命，但水力清洗能力低，容易在粘性地層泥包。適用于硬地層。組合式切削齒的布置，具有較好的清洗、冷卻和排屑能力，布齒密度較高。這種布齒方式的鉆頭多用于中等硬度地層。布齒原則：

等切削體積—— 等磨損—— 等功率——502.PDC鉆頭破巖機(jī)理

PDC鉆頭主要以切削方式破碎巖石。切削刃在鉆壓作用下吃入地層，刃前巖石在旋轉(zhuǎn)力作用下發(fā)生剪切破壞。切削塑性巖石和脆性巖石的過程類似于刮刀鉆頭。由于多個切削齒同時工作，井底巖石自由面多，因此破巖效率高。金剛石切削刃耐磨性高，鉆頭壽命長，單只鉆頭進(jìn)尺高。513.PDC鉆頭的正確使用PDC鉆頭適用于軟到中硬的大段均質(zhì)地層，不適合鉆軟硬交錯地層和礫石層。2.與牙輪鉆頭相比，PDC鉆頭宜采用低鉆壓、高轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)。3.鉆頭下井前，井底要清潔，無金屬落物。新鉆頭鉆進(jìn)時，先用小鉆壓和低轉(zhuǎn)速磨合井底。4.PDC鉆頭屬于整體式鉆頭，無任何活動部件，適合高轉(zhuǎn)速的渦輪鉆井。521.鉆柱的組成

鉆柱是鉆頭以上，水龍頭以下部分的鋼管柱的總稱.它包括方鉆桿、鉆桿、鉆挺、各種接頭及穩(wěn)定器等井下工具。一、鉆柱的組成與功用第三節(jié)鉆柱532.鉆柱的功用(1)提供鉆井液流動通道；(2)給鉆頭提供鉆壓；(3)傳遞扭矩；(4)起下鉆頭；(5)計量井深。(6)觀察和了解井下情況（鉆頭工作情況、井眼狀況、地層情況）；(7)進(jìn)行其它特殊作業(yè)（取芯、擠水泥、打撈等）；(8)鉆桿測試(Drill-StemTesting),又稱中途測試。54

3.鉆桿

（1）作用：傳遞扭矩和輸送鉆井液，延長鉆柱。

（2）結(jié)構(gòu)：管體+接頭

常用的加厚形式有內(nèi)加厚(a)、外加厚(b)、內(nèi)外加厚(c)三種.(a)(b)(c)55

（3）規(guī)范：

壁厚：9～11mm外徑：

長度：

根據(jù)美國石油學(xué)會(AmericanPetroleumInstitute,簡稱API)的規(guī)定，鉆桿按長度分為三類：

第一類5.486～6.706米(18～22英尺)；第二類8.230～9.144米(27～30英尺);第三類11.582～13.716米(38～45英尺)。

常用鉆桿規(guī)范（內(nèi)徑、外徑、壁厚、線密度等）見表2-1256（4）鋼級與強(qiáng)度

（5）接頭及絲扣絲扣連接條件：尺寸相等，絲扣類型相同，公母扣相匹配。

鉆桿接頭特點：壁厚較大，外徑較大，強(qiáng)度較高。鉆桿接頭類型：內(nèi)平（IF）、貫眼（FH）、正規(guī)（REG）；NC系列57

內(nèi)平式：主要用于外加厚鉆桿。特點是鉆桿通體內(nèi)徑相同，鉆井液流動阻力??；但外徑較大，容易磨損。貫眼式：主要用于內(nèi)加厚鉆桿。其特點是鉆桿有兩個內(nèi)徑，鉆井液流動阻力大于內(nèi)平式，但其外徑小于內(nèi)平式。正規(guī)式：主要用于內(nèi)加厚鉆桿及鉆頭、打撈工具。其特點是接頭內(nèi)徑加厚處內(nèi)徑管體內(nèi)徑，鉆井液流動阻力大，但外徑最小，強(qiáng)度較大。

三種類型接頭均采用V型螺紋，但扣型、扣距、錐度及尺寸等都有很大的差別。58NC型系列接頭

NC23，NC26，NC31，NC35，NC38，NC40，NC44，NC46，NC50，NC56，NC61，NC70，NC77

NC—NationalCoarseThread，（美國）國家標(biāo)準(zhǔn)粗牙螺紋。

xx—表示基面絲扣節(jié)圓直徑，用英寸表示的前兩位數(shù)字乘以10。