石油钻井工艺处理与设备概论.ppt

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1、,石油钻井工艺与设备概论,主讲：贾光政,东北石油大学 机电工程系,一、钻井工艺,由地面向地下钻一孔道，直达油层，叫钻井。,顿钻钻井法：冲击钻井法。,1. 钻井方法,旋转钻井法：转盘旋转钻井法； 井下动力钻具旋转钻井法； 顶部驱动旋转钻井法。,（1）破碎岩石； （2）取出岩屑； （3）固井和完井，形成油流通道。,2. 钻井的工艺过程,一、钻井工艺,2.1 井身结构与钻具组合,井身结构：,指下入井中的套管层数、尺寸、规格和长度。包括导管、表层套管、技术套管和油层套管。,2.钻井的工艺过程,一、钻井工艺,（2）表层套管 即第二层套管，防止地表土层垮塌，加固上部疏松岩层井壁和安装防喷器，一般0 500

2、米长度。,2.钻井的工艺过程,井身结构,一、钻井工艺,2.1 井身结构与钻具组合,（1）导管 即第一层套管，最外层，直径最大，起导向作用，不固定，一般0 40米长度。,（3）技术套管 即第三层套管，用来隔离生产的上部油气水，加固浅层疏松易塌井筒以防岩层喷、塌、漏、膨胀和安装防喷器。技术套管要根据地层条件而定，中深井尽量不下技术套管，深井、地层复杂的井，下12层，在复杂地层的深井下24层。,2.钻井的工艺过程,井身结构,一、钻井工艺,2.1 井身结构与钻具组合,（4）油层套管 即第四层套管，油层套管用来形成坚固的井筒，用来射孔，也是最后一层套管。各层套管与井壁之间都注入水泥加固。,井身结构,2.

3、钻井的工艺过程,一、钻井工艺,2.1 井身结构与钻具组合,2.钻井的工艺过程,一、钻井工艺,2.1 井身结构与钻具组合,套管规格,指根据地质条件、井身结构、钻具来源等组成的钻柱，包括：钻头、钻铤、钻杆、方钻杆及其配合连接的尺寸、规格和长度。,2.钻井的工艺过程,一、钻井工艺,2.1 井身结构与钻具组合,钻具组合,钻杆,钻铤,钻头,方钻杆,（1）下钻： 将钻杆逐根连接形成钻杆柱并下入井中，使钻头接触井底，准备钻进。,2.钻井的工艺过程,一、钻井工艺,2.2 钻进作业过程,钻进作业过程的循环：,下钻正常钻进接单根起钻换钻头下钻 。, 紧扣，（拉猫头或用大钳）； 稍提钻杆，移出吊卡； 用刹车控制下放

4、速度，将钻柱下放一立根距离； 将钻柱轻坐在转盘上，从吊卡上脱开吊环。,2.钻井的工艺过程,一、钻井工艺,2.2 钻进作业过程,(1)下钻, 挂吊卡，以高速档提升空吊卡至一立根高度； 二层台处扣吊卡，将立根稍提移至井眼中心，对扣； 上扣，（拉猫头或用旋绳器）；,操作过程：,（2）正常钻进： 启动转盘（或井底动力钻具），通过钻杆柱带动井底钻头旋转，借助刹车，给钻头施加适当的压力（钻压）以破碎岩石。,2.钻井的工艺过程,一、钻井工艺,2.2 钻进作业过程,(2)正常钻进,(3）接单根： 每次接入一根钻杆，来加长钻杆柱的作业。,2.钻井的工艺过程,一、钻井工艺,2.2 钻进作业过程,(3)接单根, 从

5、小鼠洞中提出单根移至井中钻柱上方，对扣； 上扣，（拉猫头或用旋绳器）； 紧扣，（拉猫头或用大钳）； 稍提钻杆，移开吊卡或提出卡瓦；下放钻柱至井底，继续钻进。,2.钻井的工艺过程,一、钻井工艺,2.2 钻进作业过程, 用吊卡或卡瓦上提钻杆柱，全露方钻杆，并将钻柱坐在转盘上； 卸开方钻杆，并微提方钻杆移至小鼠洞上方，与小鼠洞中的单根对扣； 上扣，（拉猫头或用旋绳器）；,操作过程：,(3)接单根,(4）起钻： 需更换钻头（或钻井完成）时，将井中钻柱全部取出的作业。,操作过程：, 用吊卡或卡瓦上提钻杆柱，全露方钻杆，并将钻柱坐在转盘上； 旋下方钻杆，将方钻杆和水龙头移置大鼠洞中； 用吊卡或卡瓦提升钻柱

6、至一立根高度，并让钻柱坐在转盘上；,2.钻井的工艺过程,一、钻井工艺,2.2 钻进作业过程,(4)起钻, 松扣，（拉猫头或用大钳、松扣气缸）； 上钳卡住接头，转盘正转卸扣； 移立根入钻杆盒和二层台指梁中，摘开吊卡； 下放空吊卡至井口。,重复上述起出一个立根的操作步骤，直至将井中钻柱全部起出。,2.钻井的工艺过程,一、钻井工艺,2.2 钻进作业过程,(4)起钻,（5）换钻头： 起钻末了，将钻头提出井口，用专用工具卸下旧钻头，换上新钻头。,钻进作业过程的循环：,下钻正常钻进接单根起钻换钻头下钻 。,2.钻井的工艺过程,一、钻井工艺,2.2 钻进作业过程,(5)换钻头,(1）固井： 在钻井的井眼内下

7、入一串轴心线重合的套管柱，并在套管柱与井壁的环形空间里注入水泥进行封固。,2.钻井的工艺过程,一、钻井工艺,2.3 固井与完井,（2）完井： 固井后，采用射孔枪发射子弹射穿套管、水泥环、油层，使油层和井筒连通。,一、钻井工艺,思考题：,钻井方法有几种？ 钻井的工艺过程包括什么？ 井身结构的概念？ 钻具组合的概念？ 钻进作业过程分几个步骤？描述每个步骤的具体操作过程。 固井的概念？ 完井的概念？,二、钻井设备,1.钻机组成,起升系统、旋转系统和循环系统这三大系统设备是直接服务于钻井生产的，是钻机的三大工作机组。,钻机是一套由多台设备组成的大功率联合机组，包括八大系统：,起升系统、旋转系统、循环系

8、统、动力系统、传动系统、控制系统、底座、辅助系统。,1.1 起升系统,1.钻机组成,组成： 绞车、辅助刹车、游动系统（天车、游动滑车、大钩及钢丝绳）、井架、井口工具及机械化设备（吊卡、吊环、卡瓦、动力大钳、旋绳器、立根移运机构等）。,作用： 在起、下钻作业中起、下钻具；在完井作业中下套管；在正常钻进时控制钻压、送进钻具。,二、钻井设备,1.2 旋转系统,组成： 转盘、水龙头、钻具。,作用： 驱动钻具旋转，带动钻头破碎岩石。,1.钻机组成,二、钻井设备,1.3 循环系统,组成： 钻井泵、地面管汇、钻井液池和钻井液槽、钻井液净化设备和钻井液调配设备等。,作用： 提供高压钻井液，以清除井底已破碎的岩

9、石，保证继续钻进；同时冷却钻头，防止井喷、井塌；传递动力驱动井下动力钻具（涡轮、螺杆动力钻具）。,1.钻机组成,二、钻井设备,1.4 动力驱动设备,组成： 内燃机及其供油设备，或者交流、直流电动机及其供电、保护、控制设备等。,作用： 供给三大工作机组及其他辅助机组动力。,1.钻机组成,二、钻井设备,柴油机,1.钻机组成,二、钻井设备,1.5 传动系统设备,组成： 减速、并车、倒车、变速及换向机构等，有机械传动、液力传动、液压传动、电传动等形式。,作用： 连接发动机与工作机，实现从驱动设备到工作机组的能量传递和分配及运动方式的转换。,1.钻机组成,二、钻井设备,1.钻机组成,二、钻井设备,统一驱

10、动方案,1.钻机组成,二、钻井设备,分组驱动方案,1.钻机组成,二、钻井设备,1.6 控制系统和监测显示仪表,作用： 控制系统用来指挥各机组协调地进行工作； 监测显示仪表用来测量井底参数、监测显示地面有关系统设备的工况。,组成： 控制系统有机械控制、气控、电控、液控和电、气、液混合控制； 监测显示仪表有指重表、钻井泵压力表、钻井八参数仪（大钩负荷、钻进速率及井深、泵压、转盘扭矩、吊钳扭矩、转盘转送、泵冲次、泵出口排量）、随钻测量系统。,1.钻机组成,二、钻井设备,控制系统,1.钻机组成,二、钻井设备,1.7 钻机底座,组成： 钻台底座、机房底座、泥浆泵底座。,作用： 安装井架、转盘、放置立根盒

11、及必要的钻井设备和工具。,1.钻机组成,二、钻井设备,钻机底座,1.钻机组成,二、钻井设备,1.8 辅助设备,作用： 保证正常钻进和安全钻井。,组成： 空气压缩设备、辅助发电设备、井口防喷器、供水供油系统等。,1.钻机组成,二、钻井设备,井控装置,1.钻机组成,二、钻井设备,ZJ 15 D X,2.1 钻机型号表示,根据GB1806-86 规定，我国石油钻机型号意义如下：,ZJ钻机代号； 15钻机级别，以100m为单位计的钻机名义钻深范围的上限；,2.钻机型号,二、钻井设备,D钻机特征，L表示链条并车钻机，J表示三角带并车钻机，C表示齿轮并车钻机，D表示电驱动钻机，Z表示自行式车装钻机，T表示

12、拖挂车装钻机。 X厂家代号及改型序号，厂家代号用一个汉语拼音字母表示；改型序号用阿拉伯数字表示。,GB1806-86 将我国钻机规定为6级：ZJ15，ZJ20，ZJ32，ZJ45，ZJ60，ZJ80,2.钻机型号,二、钻井设备,2.1 钻机型号表示,2.2 钻机总体参数,反映一部钻机主要技术性能的参数，称为钻机的总体参数。,钻机总体参数有三个：名义钻深范围、最大钩载荷、最大钻柱重量。,2.钻机型号,二、钻井设备,起升系统的组成主要包括井架、绞车总成、游动系统总成等。 此外起升系统还包括起下钻操作所需的各种工具，如吊钳、吊卡、卡瓦、安全卡瓦、旋绳器、和立根移运机构等。,3.1 起升系统组成,3.

13、钻机起升系统,二、钻井设备,3.2 起升系统工作原理,从动力传动设备来的动力经绞车变换后通过链轮传入滚筒轴，带动滚筒轴旋转；滚筒旋转缠绕钢丝绳，使天车的轮系和游车的轮系转动，从而使游车及与之相连的大钩向上运动；此时，钻柱通过吊卡和吊环挂在大钩上。,（1）起钻,3.钻机起升系统,二、钻井设备,钻柱或套管柱通过吊卡和吊环挂在大钩上，在自重作用下带动游车和大钩向下运动，从而带动滚筒反向旋转；用带刹车和通过牙嵌离合器与滚筒轴相连的水刹车，控制滚筒的转速，从而可控制钻柱和套管的下放速度。,（2）下钻和下套管,3.钻机起升系统,二、钻井设备,（3）送进钻具,在正常钻进过程中，钻具与水龙头相连，水龙头挂在大

14、钩上；钻具旋转破碎岩石，岩屑由钻井液带走后，钻具要在自重的作用下向下运动；通过带刹车控制滚筒的放绳速度，即可调节钻头作用于岩层上的钻压，从而达到送进钻具的目的。,3.钻机起升系统,二、钻井设备,3.3 井架,功用：安放天车、悬挂游车、大钩及专用工具；起下钻过程中，用以存放立根。,（1）井架的功用和结构组成,结构组成：井架本体、天车台、二层台、立管平台、工作梯。,3.钻机起升系统,二、钻井设备,塔形井架； K型（前开口）井架； A形井架； 桅形井架； 动力井架；,（2）井架整体结构类型,3.钻机起升系统,二、钻井设备,钻机井架,3.钻机起升系统,二、钻井设备,3.4 游动系统,组成：天车、游车、

15、大钩、钢丝绳。 天车：安装于井架顶部的定滑轮组；,游动系统结构是指游车轮数目 天车轮数目。,3.钻机起升系统,二、钻井设备,游车：在井架内作上下往复运动的动滑轮组； 大钩：主要由构身、钩杆、钩座、提环、止推轴承和弹簧组成； 钢丝绳：是起升系统中重要的运动承载件，它悬吊着游车、大钩，并通过大钩承受载荷。,3.钻机起升系统,二、钻井设备,3.5 绞车,功用： 用以起、下钻具和下套管；钻进过程中控制钻压，送进钻具；借助猫头上、卸钻具丝扣；起吊重物及其他辅助工作。,（1）绞车的功用和结构组成,3.钻机起升系统,二、钻井设备,钻井绞车,3.钻机起升系统,二、钻井设备,钻机绞车结构组成： 滚筒、滚筒轴总成

16、；制动机构（机械刹车和水刹车）；猫头和猫头轴总成；传动系统（包括链条、齿轮、轴系零件等）；控制系统（包括牙嵌、齿式、气动离合器，司钻控制台，控制阀件等）；润滑系统（包括黄油润滑、滴油润滑、飞溅润滑、强制润滑）；支撑系统（焊接的框架式支架、箱壳式座架）。,3.钻机起升系统,二、钻井设备,单轴绞车：猫头直接装在滚筒两端，滚筒装在轴上；另有一齿轮箱，绞车外变速；结构简单，移运方便。缺点是使用猫头不方便，滚筒高档不能独立安排，影响起下钻速度。,（2）绞车的结构类型,双轴绞车：滚筒轴与猫头轴分别独立；绞车外变速；猫头位置及速度可不受限制，比单轴绞车方便。,3.钻机起升系统,二、钻井设备,三轴绞车：多加了

17、一根引入动力的传动轴，并在绞车内实现链条变速传动，变速机构同时兼顾转盘的传动变速机构。缺点是结构复杂，运输、安装不太方便。,多轴绞车：四轴以上的绞车。,3.钻机起升系统,二、钻井设备,旋转系统主要包括转盘、水龙头、方钻杆、钻杆、钻铤、扶正器、减震器、配合接头、钻头等。,4.1 旋转系统组成,4.钻机旋转系统,二、钻井设备,4.2 旋转系统工作原理,在正常钻井工程中，方钻杆、钻杆、钻铤和钻头等钻具采用螺纹连接形成细长的钻柱，它们都借助水龙头悬挂在大钩上。从动力传动设备来的动力输给转盘，转盘带动方钻杆旋转，从而带动整个钻柱旋转起来。在一定的压力作用下，依靠钻头在井底旋转来破碎岩石。,4.钻机旋转系

18、统,二、钻井设备,4.3 旋转系统工作参数,转盘开口直径 D盘； 转盘一档转速、最高档转速和档数； 转盘功率 N盘。,4.钻机旋转系统,二、钻井设备,4. 转盘,功用： 正常钻进时，带动井中钻具旋转，传递足够大的扭矩和必要的转速； 起下钻和下套管时，承托井中全部钻杆柱或套管柱重量； 卸扣、卸钻头和处理事故时，完成倒扣、进扣等辅助工作； 采用井底动力钻具时，制动上部钻杆柱，以承受反扭矩。,（1）转盘的功用及使用要求,4.钻机旋转系统,二、钻井设备,使用要求： 转盘的主轴承有足够的强度和寿命； 转台和锥齿轮能够传递足够大的扭矩，并能倒转，能可靠的制动； 密封性好，严防外界的钻井液、油水污液渗入转盘

19、内部。,4.钻机旋转系统,二、钻井设备,（2）转盘的结构组成和特点,水平轴总成： 水平轴内侧装着小锥齿轮，外侧装法兰（万向轴传动时）或链轮（链传动时）。轴通过一对双列调心轴承和套筒坐在壳体中，套筒的作用是使水平轴能进行整体式装配。轴中部有制动棘轮，通过壳体上的棘爪和锥齿轮传动可实现转台的制动。水平轴下方壳体构成一独立油池，使水平轴得到良好的润滑。,4.钻机旋转系统,二、钻井设备,转台总成： 转台用铸钢制成，借助主轴承座在壳体上；下部的辅轴承防止转台倾斜和向上振跳。转台中心通孔内装着方补心和方卡瓦，两者通过锁销锁在转台体上。转台台肩上静配合装着一个大锥齿轮；转台上部静配合装着一个迷宫式密封圈，防

20、止泥浆污水漏入转盘油池中。,4.钻机旋转系统,二、钻井设备,主辅轴承： 主、辅轴承均为向心推力球轴承。主轴承起承载和承转作用；辅轴承起径向扶正和轴向防跳作用。,壳体： 转盘壳体是结构比较复杂的铸钢件，内腔形成两个油池；外形便于安装固定和运输，便于工人进行井口操作。,4.钻机旋转系统,二、钻井设备,4. 水龙头,功用： 悬持旋转着的钻杆柱，承受大部分以致全部钻具重量； 向转动着的钻杆柱内引输高压钻井液。,（1）水龙头的功用及使用要求,4.钻机旋转系统,二、钻井设备,使用要求： 水龙头的主轴承必须具有足够的强度和寿命；高压钻井液密封系统必须可靠，寿命长，更换快速、方便；机油密封良好，能自动补偿工作

21、过程中密封元件的磨损；各承载零件，如提环、壳体、中心管等应具有足够的强度和刚度。,4.钻机旋转系统,二、钻井设备,（2）水龙头的结构组成和特点,承载系统：中心管及其接头、壳体、销轴、提环和主轴承； 钻井液系统：鹅颈管、钻井液冲管总成； 辅助系统：扶正轴承、防跳轴承、机油密封盒组件及上盖等。,4.钻机旋转系统,二、钻井设备,顶驱装置,4.钻机旋转系统,二、钻井设备,循环系统主要包括钻井泵、泵出口管线、立管、水龙带、水龙头、方钻杆、钻杆、钻铤、钻头、环形空间、钻井液管汇、钻井液池等。,.1 循环系统组成,5.钻机循环系统,二、钻井设备,.2 循环系统工作原理,钻井泵把钻井液从钻井液池吸入泵中，钻井

22、泵的机械能转变为液体能，获得能量的高压钻井液经过泵出口管线、立管、高压水龙带、水龙头，进入转动的方钻杆、钻杆、钻铤的内孔中，通过钻头上的水眼喷射到井底，辅助钻头钻进。井底的钻井液把钻头切削下的岩屑通过由钻杆柱和井壁组成的环形空间，带至地面的钻井液管汇中，进入钻井液池；钻井液经过净化设备净化后，又进入钻井泵中重新循环流动。,5.钻机循环系统,二、钻井设备,.3 循环系统工作参数,钻井泵出口压力 P泵； 钻井泵排量 Q泵； 钻井泵功率 N泵。,5.钻机循环系统,二、钻井设备,.4 钻井泵,作用： 用高压向井底输送高粘度、大比重和较高含砂量的液体（泥浆），以便冷却钻头、携带出岩屑；可以辅助钻头钻进；

23、可为井底动力钻具提供动力液。,5.钻机循环系统,二、钻井设备,三缸单作用钻井泵的结构特点： 动力端：主动轴、被动轴（曲轴）、十字头等总成。 液力端：活塞缸套、泵阀、泵体、吸入管汇、排出空气包等。,5.钻机循环系统,二、钻井设备,钻井泵,5.钻机循环系统,二、钻井设备,轨道大钳,6.钻机辅助装置,二、钻井设备,海洋钻井平台,二、钻井设备,车装钻机,二、钻井设备,井架、 天车、游车、大钩、 绞车、 水龙头、 转盘、 泥浆泵,钻机八大件,二、钻井设备,思考题：,钻机的八大系统包括什么？ 钻机的三大动力机组包括什么？ 起升系统的作用和组成？ 旋转系统的作用和组成？ 循环系统的作用和组成。 动力系统的作用和组成？ 传动系统的作用和组成？ 控制系统的作用和组成？ 钻机底座的作用和组成？ 钻机型号怎样表示？,二、钻井设备,思考题：,11. 起升系统的工作原理？ 12. 游动系统的组成？ 13. 井架的作用和结构类型？ 14. 绞车的作用和结构组成？ 15. 绞车的结构类型有哪些？ 16. 旋转系统的工作原理？ 17. 循环系统的工作原理？ 18. 转盘的作用和组成？ 19. 泥浆泵的作用和组成？,二、钻井设备,