鉆井工藝技術

《石油鉆采機械概論》

2009~2010-2

講課教師：李增亮

工作單位：機電工程學院機電系

聯(lián)系方式：

2010年2月

引言

“石油鉆采機械”包括石油鉆井機械裝備和采油機械裝備兩方面的內(nèi)容，簡稱石油鉆采機械。眾所周知，石油鉆采機械裝備是石油鉆井工程和采油工程的載體，離開了石油鉆采機械裝備，石油鉆井和采油工程就成了無源之水，無本之木。

因此，石油工程和海工的同學充分了解石油鉆采機械裝備的相關知識，對你今后的學習和工作將具有

極大的幫助。

本課主講內(nèi)容：以鉆井機械為主，采油機械為輔。

教材：《石油鉆采機械概論》35元；參考書：《采油機械設計計算》考試：開卷或閉卷，側重概念性、知識性內(nèi)容，涉及面廣?？荚囈哉n堂講的內(nèi)容為準，因此平時注意聽課，課后認真復習總結，最終以平時和考試兩部分成績綜合作為結課成績。

第一章鉆井工藝技術

第一節(jié)

井身結構一、套管套管是加固井壁形成井筒所用的鋼管。1.套管材料：高強度合金鋼【含C，Mn，Mo，Cr，Ni，Cu，P，S，Si?！?.鋼級：【API標準套管（API5CT美國石油學會標準）】

按強度高低分為不同鋼級套管，目前常見的有10級：H-40，J-55，K-55，C-75，N-80，L-80，C-95，P-105，P-110，C-125等。其中最常用的為紅字表示的4級。字母：含不同化學成份的分類代號；數(shù)字：管材的最小屈服極限，單位是KSI（）。

【1PSi（）=6.89kPa=0.00689MPa】3.制造方法：無縫鋼管套管，用熱軋鋼制造；焊接套管，用鋼板卷筒直焊縫。上海寶鋼—熱軋；寶雞鋼管廠—焊接4.套管尺寸規(guī)格：均用外徑表示。

5.套管螺紋連接（1）三角螺紋連接承載面：齒側角30°斜面，產(chǎn)生較大徑向分力。連接強度：只有管體強度的60~75%。密封方式：齒間干涉及絲扣油的堵塞實現(xiàn)密封，密封性差。

（2）梯形螺紋連接承載面：3°斜面，導向面：10°斜面，增強了齒形，減少了徑向力。連接強度：達到管體強度的85%。密封方式：靠齒間干涉和絲扣油堵塞實現(xiàn)密封，密封性差。（3）套管接頭螺紋受力分布規(guī)律近似于開口向上的拋物線，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、井身結構下不同層次的套管固結井壁就構成了井身結構。（參看圖1-16）

1.導管：防止表土坍塌，引入鉆頭。一口井中最大尺寸的套管（深20~40m）。2.表層套管：加固上部疏松巖層的井壁；封隔淺層水；安裝防噴器、套管頭、采油樹（深30～100m）。3.技術套管：封隔上部油、水、氣層；漏失層；坍塌層。根據(jù)地質(zhì)情況下n層技術套管。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。且只有油層套管是滿井身長度。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，承受復雜載荷。（歸納起來有5～6種載荷）1.

外擠壓力（1）地層對套管施加的靜水壓力（均勻外壓）。（2）管外泥漿和水泥漿液柱壓力；（3）地層中的油、氣、水壓力；（4）地層側壓力（不均勻側壓）。設計套管外擠壓力時，認為管內(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，外擠壓力以上附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。

注水和注熱蒸汽時，受內(nèi)壓（從套管內(nèi)注入）。3.拉力載荷

主要由套管自重引起。另外：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.熱應力、腐蝕應力井筒溫度分布不均和硫化氫氫脆、電化學腐蝕、環(huán)氧霉菌腐蝕造成。

四、套管設計1.

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.

設計原則按三準則計算：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，應合理設計管柱。

4.設計方法－－等安全系數(shù)法

普遍用等安全系數(shù)法設計套管柱。即：當管柱由數(shù)段不同強度套管組成時，要求各段的安全系數(shù)相同。（具有的強度能力/實際承擔載荷）（1）抗外擠強度計算看管柱能承受多大外擠壓力。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（即泥漿柱高度），m。具有抗擠強度的套管可下到Hc1深；

可下到Hc2

可下到Hc3以<<為前提。從套管可下深的合理性分析：對而言，下0～Hc2深，不合理；對而言，下0～Hc3深，更不合理。應該用：的套管下0～Hc1深；的套管下Hc1～Hc2深；的套管下Hc2～Hc3深。結果：三段套管抗擠強度不同，安全系數(shù)相同（，，中安全系數(shù)相同）。分段越多從抗擠強度的合理利用來說越合理。原則：低抗擠能力的管放在管柱上段。

（2）抗拉強度計算設—某段上部危險斷面；

—套管在泥漿中線密度；

—該段長度

—許用抗拉強度；具有抗拉強度的套管，可懸掛長度LT1。即：本段上部套管斷面A1,可承擔管柱重；具有的套管可懸掛LT2長，管重（）；的套管可懸掛LT3長，管重（）。原則：低抗拉強度套管放在管柱下段。用同一管柱下井，不合理，需分段。實際分段后以本段上部抗拉強度為準，本段下部強度未充分利用。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）校核計算抗擠強度：從井口到井底逐段計算，下部抗擠強度最大。計算抗拉強度：從井底到井口逐段計算，上部抗拉強度最大?？刹捎枚叻謩e計算的方法。目前用法：先用抗擠計算設計各段，再用抗拉強度校核。分段：不同強度段，越多越經(jīng)濟，受套管品種限制，目前一般分3～5段為宜。

例，井深3000m。泥漿密度，要求設計127mm（5”）

油層套管的強度，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抗擠強度MPa抗拉強度

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）

=2168m②選：N-80,

許用抗擠壓力：

可下深：=2832m③選：N-80,

許用抗擠壓力：

可下深：=4100m按抗擠計算結果：由上到下(II-2)

{I-2}{III-2}J-55,下深2168m（滿足強度要求的下深）N-80,下長2832-2168=664m

(減去上部已下深，到2832m)N-80,

下長3000-2832=168m

(可下到4100m,井深只有3000m)鋼的密度泥漿密度（2）按抗拉強度校核，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）

本段許用拉力（重力）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）本段管柱質(zhì)量：17.9×664=11900（kg）

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

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

可懸掛長：只需下深：2168-1960=208m（井口段下深）

（3）設計結果將最上部一根管子用最小內(nèi)徑一種，以防止以后下井下工具外徑太大，下到中途下不去。（按上段小徑選擇相應的工具，無問題，且強度有保證。）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)空注入水泥漿封固，稱為固井。

下完套管后注水泥?！酒胀ň蛯犹坠芗庸痰接蛯?00~200米以上，熱采井加固到井口（防止熱應力膨脹舉升井口）?！繛榱斯ぷ黜樌_鉆方便，套管柱下部要有附加裝置。①套管柱下部結構★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★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（或木制塞）。（也承托回流閥中膠木球）。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?。★泥漿刷：刮去井壁泥餅，提高水泥膠結強度?！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?！锷先▽嵭模┳⒆闼嗪?，放入上膠塞，上塞上方注泥漿，上塞下部是注入的水泥。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注水泥設備：水泥車、車裝高壓泵（需幾部）；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。固井用水泥為硅酸鹽水泥，凝速快，有較高早期強度。耐地下腐蝕，射孔時不開裂。第二節(jié)

鉆井方法一、機械鉆井法

1.頓鉆鉆井法

破巖——用頓鉆鉆頭，上下沖擊。

排屑——用撈砂筒。

二者交替進行，鉆進過程不連續(xù)。

特點：效率低，速度慢，設備簡單，適于淺井，農(nóng)用水井。

2．

旋轉鉆井法

（1）過程：破巖—用旋轉鉆頭；

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—轉盤鉆（常規(guī)）【鉆頭旋轉，連續(xù)破碎巖層，用鉆井液循環(huán)帶出巖屑，鉆井效率高?！?/p>

★地上動力—頂部驅動（前景好）【水龍頭＋轉盤，以立根鉆井?！?/p>

★井下動力—螺桿鉆具和渦輪鉆具。（斜井、水平井用）【鉆井液經(jīng)鉆桿柱內(nèi)腔泵入渦輪鉆具中，驅動轉子由主軸帶動鉆頭旋轉，實現(xiàn)破巖鉆進?！?/p>

二、鉆井工藝過程多道工序完成三件事：

破碎巖石；取出巖屑、保護井壁；

固井和完井，形成油流通道。

1．鉆前準備①

定井位；②平井場；③打基礎；④備器材。

2．鉆進

（1）全井鉆進過程

①一次開鉆，下表層套管。

②二次開鉆，從表層套管內(nèi)鉆進。

③三次開鉆，從技術套管內(nèi)鉆進。

（2）鉆井作業(yè)①下鉆—將鉆具（由鉆頭、鉆鋌、方鉆桿組成的鉆具）下入井底，準備鉆進。②正常鉆進—又稱純鉆進。啟動轉盤（或井底動力鉆具）通過鉆柱帶動鉆頭旋轉，借助手剎車，給鉆頭施加適當?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，保護井壁，冷卻鉆具。③接單根—不斷鉆進，加長鉆柱；每次接入一根鉆桿，稱為接單根。頂驅時，每次接入一立根（由2～3根單根組成）。

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—起鉆結束，卸下舊鉆頭，換上新鉆頭。

⑥循環(huán)工作：下鉆→正常鉆進→接單根（立根）→起鉆→換鉆頭→下鉆3．固井

套管與井壁的環(huán)空注入水泥漿封固，稱為固井。

4．完井鉆井的最后一道工序。主要用射孔完井法：用子彈射穿油層套管、水泥環(huán)和油層，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，使泥漿進入地層。應加堵漏物封堵。井塌—井壁坍塌，應加重泥漿。（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?）卡鉆轉不動、起下鉆遇阻，由沉砂、落石造成。。

三、平衡壓力鉆井(II-3)1.平衡壓力鉆井含義鉆井用泥漿密度正好等于平衡地層壓力所需泥漿密度，稱為平衡壓力鉆井。平衡鉆井：保持井內(nèi)鉆井液動壓力與地層孔隙壓力相等，即

式中，—地層孔隙壓力（地層壓力）；

—鉆井液柱靜壓力；

—鉆井液循環(huán)時的環(huán)空壓降。2.平衡壓力鉆井目的①

降低巖石強度、巖屑的壓持效應，提高鉆速；②

可有效地保護地層，防止地層污染、井漏。3.實現(xiàn)平衡鉆井的關鍵是選控合理的鉆井液密度，使鉆井液柱靜液壓力和環(huán)空壓降之和同地層孔隙壓力始終保持平衡。4.

平衡鉆井技術保證①

安井控設備，防止井涌、井噴；②配先進固控設備，適時調(diào)、控配井液性能。

四、

欠平衡鉆井欠平衡鉆井是當今鉆井新技術之一。（鉆井用泥漿密度<平衡地層壓力所需泥漿密度時稱為欠平衡鉆井）1.欠平衡鉆井原理井底液柱壓力低于地層孔隙壓力。允許地層流體進入井內(nèi)，循環(huán)出井，在地面處理和控制。2.優(yōu)點①利于發(fā)現(xiàn)低壓儲層；②避免對油層的損害；③減少清堵費用④提高鉆速，降低鉆井成本。3.適用于地層條件：①存在井漏（泥漿漏走）的油層；②液敏油層，【如對水基鉆井液過敏的地層】；③

機械封堵引起的井壁堵塞的井；④

頁巖水化引起的井壁堵塞；⑤

低滲透油層、硬地層；⑥

欠壓或衰竭地層；⑦

大裂縫地層。4.

保持欠平衡鉆井方法①

配注氣設備：向井液中注空氣或氮氣，降低液柱靜水頭。②

配井控設備