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1、第一节第一节 石油地质常识石油地质常识一一 地壳地壳1.地壳的组成地壳的组成地球内部分为三个圈层地球内部分为三个圈层地壳有岩石组成，岩石可分为：火成岩，变质岩，沉积岩；地壳有岩石组成，岩石可分为：火成岩，变质岩，沉积岩；2.沉积岩种类及特点沉积岩种类及特点沉积岩可分为：沙岩，泥岩，石灰岩三种沉积岩可分为：沙岩，泥岩，石灰岩三种3.地质构造地质构造（1.背斜构造背斜构造（2.向斜构造向斜构造（3.单歇构造单歇构造（4.断层断层第二节第二节 钻井工艺概述钻井工艺概述本节概略介绍常规钻井（通常指钻直井）的钻井方法，钻井工艺，钻井本节概略介绍常规钻井（通常指钻直井）的钻井方法，钻井工艺，钻井参数，井斜
2、及其控制方面的基本知识和定向钻井的概念。参数，井斜及其控制方面的基本知识和定向钻井的概念。一一 钻井方法钻井方法从地面钻一孔道直达油气层，即钻井。从地面钻一孔道直达油气层，即钻井。钻井的实质就是要设法解决破碎岩石和取钻井的实质就是要设法解决破碎岩石和取出岩屑，保护井壁，继续加深钻进方面的问题。出岩屑，保护井壁，继续加深钻进方面的问题。两种钻井方法：顿钻钻井法，旋转钻井法两种钻井方法：顿钻钻井法，旋转钻井法第三节常规钻井技术第三节常规钻井技术一喷井式钻井一喷井式钻井喷射式钻井采用喷射式钻头，钻井液通过具有特殊形式和结构的小尺寸喷嘴，喷射式钻井采用喷射式钻头，钻井液通过具有特殊形式和结构的小尺寸喷
3、嘴，形成高速射流，射向井底主要是利用水的高压作用形成高速射流，射向井底主要是利用水的高压作用喷射式钻井工作方式取决于钻头喷嘴处射出的喷射流，主要用喷射速度，冲喷射式钻井工作方式取决于钻头喷嘴处射出的喷射流，主要用喷射速度，冲击力和水功率三个参数来表征的这三个参数是影响钻速的关键因素也击力和水功率三个参数来表征的这三个参数是影响钻速的关键因素也不是这三个数越大越好，要经济合理不是这三个数越大越好，要经济合理必须配备大功率的高压钻井泵及高压闸门，高压管汇，水龙带，水龙头，配必须配备大功率的高压钻井泵及高压闸门，高压管汇，水龙带，水龙头，配备完善的固控设备备完善的固控设备二平衡压力钻井二平衡压力钻井
4、平衡压力钻井是指钻井过程中保持钻井液动压力与地层空隙相等，即平衡压力钻井是指钻井过程中保持钻井液动压力与地层空隙相等，即第四节钻井技术的新发展第四节钻井技术的新发展一欠平衡钻井技术一欠平衡钻井技术当今新兴的钻井技术之一保持钻井液柱静水头施加的井底压强低于井当今新兴的钻井技术之一保持钻井液柱静水头施加的井底压强低于井孔的地层压强，容许地层流体进入井内，循环出井，并在地面上得到孔的地层压强，容许地层流体进入井内，循环出井，并在地面上得到处理和控制处理和控制二深井，超深井钻井技术二深井，超深井钻井技术-m称为深井，称为深井，m以上称为超深井以上称为超深井深井，超深井钻井中，机械钻速低，钻头寿命短，起
5、下作业频繁，建井深井，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，费用很高周期长，费用很高三水平井技术三水平井技术是石油工业油气勘探的一次技术革命是石油工业油气勘探的一次技术革命我过也在年代以来，先后在吉林，大庆和新疆等地用常规钻机打了我过也在年代以来，先后在吉林，大庆和新疆等地用常规钻机打了余口小井眼井国产小井眼钻机的研制工作已提上日程，期望在世纪余口小井眼井国产小井眼钻机的研制工作已提上日程，期望在世纪能见到具有现代化水平的国产小静眼钻机投入使用能见到具有现代化水平的国产小静眼钻机投入使用.小井眼钻井系统小井眼钻井系统典型的小井眼钻井系统有种型式转盘钻进，连续取心钻进和
6、井下马达钻进典型的小井眼钻井系统有种型式转盘钻进，连续取心钻进和井下马达钻进系统系统共同特点：采用小钻机，小直径钻具（钻头，钻杆柱，井下马达）和高速钻进，共同特点：采用小钻机，小直径钻具（钻头，钻杆柱，井下马达）和高速钻进，比常规钻井系统可节约钻井成本比常规钻井系统可节约钻井成本-（，转盘钻井系统才用小直径钻杆和高速度的金刚石钻头（，转盘钻井系统才用小直径钻杆和高速度的金刚石钻头（，连续取心钻进系统（，连续取心钻进系统（，井下动力钻具钻进系统（，井下动力钻具钻进系统（，小井眼水平钻井系统（，小井眼水平钻井系统第二章采油工程基本知识第二章采油工程基本知识石油开发的基本目的是尽可能将储存在油、气层
7、深处的油、气开采出来，石油开发的基本目的是尽可能将储存在油、气层深处的油、气开采出来，提高采收率提高采收率(油田开发结束后，累积的采油量与实际的储油量之比，称油田开发结束后，累积的采油量与实际的储油量之比，称作采收率作采收率)，降低成本。因此，钻井完井之后，油田主要的和大量的工，降低成本。因此，钻井完井之后，油田主要的和大量的工作就是实施各项完善的采油工艺，集中解决如何将井下的原油提升作就是实施各项完善的采油工艺，集中解决如何将井下的原油提升到地面并向外输送，以及如何使地层中的原油流向井底两大问题。到地面并向外输送，以及如何使地层中的原油流向井底两大问题。本章将就诸如自喷井采油、机械采油、油田
8、增产措施、第三次采油、油本章将就诸如自喷井采油、机械采油、油田增产措施、第三次采油、油水井维护与修理等技术问题作概要的介绍，使读者对采油工程工艺技水井维护与修理等技术问题作概要的介绍，使读者对采油工程工艺技术建立起必要的总体概念，初步了解完成这些工艺所应用到的主要采术建立起必要的总体概念，初步了解完成这些工艺所应用到的主要采油设备，为进一步学习、研究相关的工艺和设备奠定必要的基础。油设备，为进一步学习、研究相关的工艺和设备奠定必要的基础。第一节第一节 自喷井采油自喷井采油开采原油的方法有自喷井采油法和机械采油法两大类。白喷井采油法就开采原油的方法有自喷井采油法和机械采油法两大类。白喷井采油法就
9、是利用地层本身的能量由井底向地面举升原油，称作自喷井采油。其是利用地层本身的能量由井底向地面举升原油，称作自喷井采油。其工艺和设备比较简单工艺和设备比较简单 一、油井自喷基本原理一、油井自喷基本原理 1自喷的诱导自喷的诱导 钻井作业完成以后，由于井简内充满着钻井液，液柱作用于井底的压力钻井作业完成以后，由于井简内充满着钻井液，液柱作用于井底的压力一般大于油、气层压力，加上钻井和射孔过程中污染物的堵塞和阻碍，一般大于油、气层压力，加上钻井和射孔过程中污染物的堵塞和阻碍，油、气一般不能流入井筒内，更不能自动喷到地面。因此，采油之前油、气一般不能流入井筒内，更不能自动喷到地面。因此，采油之前一般要降
10、低井简内的液性压力，清除堵塞油层的污物，使油、气能够一般要降低井简内的液性压力，清除堵塞油层的污物，使油、气能够畅流到地面。这种诱导作业过程称作诱喷或诱流。畅流到地面。这种诱导作业过程称作诱喷或诱流。方法：替喷法，抽及法，气举法，提捞法方法：替喷法，抽及法，气举法，提捞法 分层配产管拄由套管、油管、分层配产管拄由套管、油管、封封隔隔器器、工作简配产器、锚工作简配产器、锚类及油嘴等组成，各组成部类及油嘴等组成，各组成部分问通过螺纹连接。分层配分问通过螺纹连接。分层配产管柱根据油井内各油层的产管柱根据油井内各油层的性质，用封隔器将各油层分性质，用封隔器将各油层分隔开，选择不同大小的油嘴，隔开，选择
11、不同大小的油嘴，控制生产压差，使各层段按控制生产压差，使各层段按照其自身特占讲行照其自身特占讲行生生产。产。井井口口装置的组成装置的组成 井口装置一般由套管头、油井口装置一般由套管头、油管头和采油树等部分组成。管头和采油树等部分组成。（，（，套管头套管头 安装在井口装置的最下方，其安装在井口装置的最下方，其作用是固定整套井口装置，连接井下各层套管作用是固定整套井口装置，连接井下各层套管柱，使各层套管间的环形空间相互密封。目前柱，使各层套管间的环形空间相互密封。目前下人油井的套管栓多达下人油井的套管栓多达5层，故套管头有单层、层，故套管头有单层、双层及多层之分。双层及多层之分。（，（，油管头油管
12、头 位于套管头的上方，由油管头位于套管头的上方，由油管头四通和油管悬挂器等组成；其功能是悬挂油管四通和油管悬挂器等组成；其功能是悬挂油管柱，密封油管与生产套管之间的环形空间，并柱，密封油管与生产套管之间的环形空间，并可进行各种工艺作业。可进行各种工艺作业。（，（，采油树采油树 安装在油管头的上部，作用是安装在油管头的上部，作用是引导油并喷出的油气通向地面的输油管线，控引导油并喷出的油气通向地面的输油管线，控制和调节油井的流量和井口压力，必要时可关制和调节油井的流量和井口压力，必要时可关闭油井。闭油井。第二节第二节 机械采油机械采油 随着自喷油井油层压力的逐步降低，流到井底的随着自喷油井油层压力
13、的逐步降低，流到井底的油气所有的剩余能量油气所有的剩余能量不足以将油液喷不足以将油液喷到地面时，或者在低渗透、低压力油层，其原始能量到地面时，或者在低渗透、低压力油层，其原始能量不能将油液自喷到地面时，通常要应用专门的抽油装置，特油井中的不能将油液自喷到地面时，通常要应用专门的抽油装置，特油井中的油浓举升到地面，以便保持并底和油层之间油浓流动的压力差，保证油浓举升到地面，以便保持并底和油层之间油浓流动的压力差，保证油气源源不断地流向井底。这种采油方式称作机械采油或人工举升采油气源源不断地流向井底。这种采油方式称作机械采油或人工举升采油。油。按照按照抽抽油装置动力传递方式的不同，机械采油要分为有
14、杆泵采油、无杆油装置动力传递方式的不同，机械采油要分为有杆泵采油、无杆泵采油和气举法采油等多种类型。泵采油和气举法采油等多种类型。一、宵扦聂采油一、宵扦聂采油 有杆泵采油是机械采油方法中应用最广的一种，在前苏联大约占有杆泵采油是机械采油方法中应用最广的一种，在前苏联大约占77，美国占美国占815，我国则占，我国则占90以上。以上。设备包括设备包括3部分：地面部分部分：地面部分游梁式、游梁式、链条式或液压式抽油机；井下链条式或液压式抽油机；井下部部分分抽油泵又称深并泵；抽油机与抽油泵又称深并泵；抽油机与抽油泵连接部分抽油泵连接部分抽油杆。习惯上抽油杆。习惯上将有杆泵上述将有杆泵上述3部分称作部分
15、称作“三抽三抽”设备。设备。动力机通过减速箱、曲柄连杆机构和动力机通过减速箱、曲柄连杆机构和游粱等，将高速旋转运动变为抽油机游粱等，将高速旋转运动变为抽油机驴头的低速上下往复运动；井通过悬驴头的低速上下往复运动；井通过悬绳器、光杆和抽油杆带动有绳器、光杆和抽油杆带动有游动阀的游动阀的柱塞，在深井泵筒中上下往复运动，柱塞，在深井泵筒中上下往复运动，实现抽油实现抽油 抽油泵总是下放到液面以下的某一深抽油泵总是下放到液面以下的某一深度，故当柱塞上行时，游动阀受油管度，故当柱塞上行时，游动阀受油管内液校的压力自动关闭，随着校塞的内液校的压力自动关闭，随着校塞的上行，油管上部的一部分液体排出地上行，油管
16、上部的一部分液体排出地面；与此同时，柱塞下部泵筒空间内面；与此同时，柱塞下部泵筒空间内压力降低，井内液体在压差作用下顶压力降低，井内液体在压差作用下顶开安装于泵筒上的固定阎阀球，进入开安装于泵筒上的固定阎阀球，进入泵筒，抽油泵处于吸人过程，直至栓泵筒，抽油泵处于吸人过程，直至栓塞到达上死点为止。当拄塞下行时，塞到达上死点为止。当拄塞下行时，泵筒内液体受压缩，压力升高达到泵筒内液体受压缩，压力升高达到与泵筒外环形空间液拄压力相等后，与泵筒外环形空间液拄压力相等后，固定阀阀球靠自重下落，使固定阀关固定阀阀球靠自重下落，使固定阀关闭；校塞继续下行，泵内压力进一步闭；校塞继续下行，泵内压力进一步升高，
17、当超过油管内液柱压力时，泵升高，当超过油管内液柱压力时，泵筒内液体即顶开游动阀阀球并进入油筒内液体即顶开游动阀阀球并进入油管，抽油泵开始排出过程直至校塞管，抽油泵开始排出过程直至校塞到达下死点，如此循环不已。到达下死点，如此循环不已。地面柱塞泵将处理合格的动力液地面柱塞泵将处理合格的动力液增压后、经过地面管网和井口四增压后、经过地面管网和井口四通阀，沿中心油管注入并内，驱通阀，沿中心油管注入并内，驱动井下液马达工作；液马达的话动井下液马达工作；液马达的话塞带动抽油泵的校塞作往复动，塞带动抽油泵的校塞作往复动，使抽油泵的固定阀和游动阀交替使抽油泵的固定阀和游动阀交替打开和关闭，实现吸油和排油动打
18、开和关闭，实现吸油和排油动作；液马达的乏动力液和抽汲的作；液马达的乏动力液和抽汲的原油原油，一起从油，套管环行空间，一起从油，套管环行空间排到地面，通过井口四通阀进入排到地面，通过井口四通阀进入地面输油管道地面输油管道5涡轮驱动沼油泵采油涡轮驱动沼油泵采油 上部为轴流涡轮级，下部为轴流泵级，上部为轴流涡轮级，下部为轴流泵级，共同固定在一根轴上，其问有止推轴承共同固定在一根轴上，其问有止推轴承和密封装置。地须提供的高压动力液通和密封装置。地须提供的高压动力液通过井口阀和中心油管进入井下机组的中过井口阀和中心油管进入井下机组的中间部位，从涡轮级的下方向上流动，推间部位，从涡轮级的下方向上流动，推动
19、涡轮级带动离心泵级转动，抽出地层动涡轮级带动离心泵级转动，抽出地层液。采出液自下向上流动，与乏动力液液。采出液自下向上流动，与乏动力液混合，一起进入泊套管环形空间排出。混合，一起进入泊套管环形空间排出。井下部分井下部分 由油管由油管和气举和气举(单硫单硫)阀阀等组成的气举装等组成的气举装置，其类型一般置，其类型一般也相应地分为开也相应地分为开式、半封闭式和式、半封闭式和全封闭式全封闭式3种。种。式中式中 h冲程长度；冲程长度；D、d下、上柱塞直径下、上柱塞直径；校塞下行时，固定阀关闭，游动阀打开，液体进入泵腔；与此同时，校塞下行时，固定阀关闭，游动阀打开，液体进入泵腔；与此同时，两柱间的腔体增
20、大，一部分液体储存在腔内，另一部分液体沿空心抽两柱间的腔体增大，一部分液体储存在腔内，另一部分液体沿空心抽油扦排出。这种技术主要适用于小井眼、单井产量较低、原油粘度低油扦排出。这种技术主要适用于小井眼、单井产量较低、原油粘度低和含水较高的油井和含水较高的油井第三节第三节 油田增产工艺技术油田增产工艺技术 为了提高油层的产量和采收李，我国各油田广泛采用多种增产技术为了提高油层的产量和采收李，我国各油田广泛采用多种增产技术措施，包括油田注水、压裂和酸化、剖面调整、防砂及大修等作措施，包括油田注水、压裂和酸化、剖面调整、防砂及大修等作业业.一、油田注水工艺技术一、油田注水工艺技术 一般说来，油田开发
21、初期，因一般说来，油田开发初期，因地层压力较高，原油所受的驱动地层压力较高，原油所受的驱动力较大。但随着原油不断被采出，力较大。但随着原油不断被采出，地层压力逐渐降低。为了保持和地层压力逐渐降低。为了保持和提高油层的压力，进面保证油田提高油层的压力，进面保证油田稳产高产，并提高最终采收率，稳产高产，并提高最终采收率，从油田开发初期起，除了钻出大从油田开发初期起，除了钻出大量的采油井外还要钻出一批注量的采油井外还要钻出一批注水井，专门用于从地面向油层注水井，专门用于从地面向油层注入高压水，以补充采油过程中不入高压水，以补充采油过程中不断消耗的天然能量。这种作业过断消耗的天然能量。这种作业过程称油
22、田注水。程称油田注水。体即压裂液，通过液体的传压作体即压裂液，通过液体的传压作用，在油层中用，在油层中扩大或造成裂缝，扩大或造成裂缝，改善油层的渗透性和油气的流动改善油层的渗透性和油气的流动状态，提高油井的油气产量；对状态，提高油井的油气产量；对于于注水井，则是提高油层的吸水注水井，则是提高油层的吸水性，增加注水效果。性，增加注水效果。第四节第四节 高新采油技术知识高新采油技术知识经过白喷井采油、机械采油和通常的注水和压裂等提高采收串措施后，经过白喷井采油、机械采油和通常的注水和压裂等提高采收串措施后，总的采油星加在一起，一般不超过原始地质储量的总的采油星加在一起，一般不超过原始地质储量的40
23、，大量的石油，大量的石油仍然埋藏在地下。因此，进一步提高原始地质储量的采收仍然埋藏在地下。因此，进一步提高原始地质储量的采收率率，特别是，特别是复杂油藏的原油最终采收率，潜力很大成为石油工作者最大的追求复杂油藏的原油最终采收率，潜力很大成为石油工作者最大的追求目标。目前广泛采用的许多高新采油技术或统称目标。目前广泛采用的许多高新采油技术或统称“三次采油三次采油”，取得了，取得了很好的效果。本节将就相关的内容作简要介绍。很好的效果。本节将就相关的内容作简要介绍。一，一，微生物采油技术微生物采油技术将经过选择的微生物及其代谢产物注入油层，利用其在油藏内增殖产物将经过选择的微生物及其代谢产物注入油层
24、，利用其在油藏内增殖产物的激励和运移作用，增加二次采油后枯竭的油井产量，减少二次采油的激励和运移作用，增加二次采油后枯竭的油井产量，减少二次采油后留在地层中的残余石油以提高采收后留在地层中的残余石油以提高采收率率的技术，称微生物采油技术。的技术，称微生物采油技术。微生物采油的关键是必须保证微生物的生命活动，井使其在地层中繁微生物采油的关键是必须保证微生物的生命活动，井使其在地层中繁殖。在其生命过程中，首先要求有有利于微生物生长的环境，同时必殖。在其生命过程中，首先要求有有利于微生物生长的环境，同时必须不断地从外界环境吸收各种营养物质，以便在培养微生物过程中提须不断地从外界环境吸收各种营养物质，
25、以便在培养微生物过程中提供其生命的能源和碳源、氯源、无机盐、生长因子及水等。供其生命的能源和碳源、氯源、无机盐、生长因子及水等。第五节第五节 油、水并的维护与修理油、水并的维护与修理在油在油井井自喷、抽油和自喷、抽油和注注水过程中、由于地质、工程和水过程中、由于地质、工程和人人为等因素，常会为等因素，常会有一些影响生产的情况发生，有时还会出现油、水井或设备故障。因有一些影响生产的情况发生，有时还会出现油、水井或设备故障。因此，必须建立一套系统的维护和修理工艺程序，并配备相应的设备。此，必须建立一套系统的维护和修理工艺程序，并配备相应的设备。一、油井清蜡及降粘技术一、油井清蜡及降粘技术我国有些油
26、田生产的原油我国有些油田生产的原油含含蜡量很高，开采过程中，无论蜡在油层内还蜡量很高，开采过程中，无论蜡在油层内还是在油管、集输管内析出都会增加油流阻力，甚至堵塞油层影响生是在油管、集输管内析出都会增加油流阻力，甚至堵塞油层影响生产。因此，在开采过程中，油井清蜡、防蜡和降粘是开采含蜡原油的产。因此，在开采过程中，油井清蜡、防蜡和降粘是开采含蜡原油的主要措施之一。清蜡和防蜡技术由初期的机械清蜡、热载体循环清蜡，主要措施之一。清蜡和防蜡技术由初期的机械清蜡、热载体循环清蜡，已发展到电热清蜡、化学清蜡、微生物清蜡等，并且做到清、防结合，已发展到电热清蜡、化学清蜡、微生物清蜡等，并且做到清、防结合，以
27、防为主，效果很好。以防为主，效果很好。1机械清蜡机械清蜡以机械刮削方式清除油管、抽油杆及输油管中沉积的蜡物质，称机械清以机械刮削方式清除油管、抽油杆及输油管中沉积的蜡物质，称机械清蜡。蜡。如图250所示，由地面绞车滚筒缠绕钢丝或钢丝绳，通过滑轮、防喷管将加重铅锤、副蜡片、麻花钻头、矛刺钻头等刮蜡器具下入油管，在油管结蜡部位上、下活动，刮碎管壁上的结蜡，并被油流带出地面。如图如图250所示，由地面所示，由地面绞绞车滚筒缠绕钢丝或钢丝绳，车滚筒缠绕钢丝或钢丝绳，通过滑轮、防喷管将加重铅通过滑轮、防喷管将加重铅锤、副蜡片、麻花钻头、矛锤、副蜡片、麻花钻头、矛刺钻头等刮蜡器具下入管，刺钻头等刮蜡器具下
28、入管，在油管结蜡部位上、下活动，在油管结蜡部位上、下活动，刮碎管壁上的结蜡，并被油刮碎管壁上的结蜡，并被油流带出地面。流带出地面。机械清蜡的优点是操作简机械清蜡的优点是操作简便有效，成本较低，缺点是便有效，成本较低，缺点是清下的结蜡块容易落人井底，清下的结蜡块容易落人井底，堵塞射孔孔眼，加剧设备磨堵塞射孔孔眼，加剧设备磨损。损。第六节第六节 油气集输油气集输 油田上的油井分布很广，从地下开采的产出液都需有油田上的油井分布很广，从地下开采的产出液都需有一一个收集、输送、个收集、输送、储存和计量的过程；与此储存和计量的过程；与此同时同时，井，井下下产出产出液中液中，除原油外，同时伴有，除原油外，同
29、时伴有大量的天然气、水、砂子、大量的天然气、水、砂子、盐盐类及其它杂质，类及其它杂质，在在送往炼油送往炼油厂厂及共它用及共它用户户之前，还必须经过初步的净化处理等一系列工作。这些工作一般也之前，还必须经过初步的净化处理等一系列工作。这些工作一般也属于采油属于采油工工程的范畴，油程的范畴，油田田上统称上统称油油气集输，实质是多相流体的混合气集输，实质是多相流体的混合输送与分离工作。输送与分离工作。一，集油和集气一，集油和集气这项工作的目的是将各油井产出的原油和天然气等汇集起来，经过计量，这项工作的目的是将各油井产出的原油和天然气等汇集起来，经过计量，输送到集油站输送到集油站(联合站或处理场联合站
30、或处理场)，进行分离、脱水等净化处理。对于，进行分离、脱水等净化处理。对于高粘度、高凝固点的原油，还要采用加热、化学或物理等方法进行降高粘度、高凝固点的原油，还要采用加热、化学或物理等方法进行降粘、降凝处理，以保证在允许的输送压力下能够将原油输送到粘、降凝处理，以保证在允许的输送压力下能够将原油输送到集集油油站站，而不至于凝固在管道内。而不至于凝固在管道内。第第三三章章 石油石油钻钻机总机总论及旋转设备论及旋转设备石油钻机或油、气钻机是指用来进行油气勘探、开发的成套钻井设备，石油钻机或油、气钻机是指用来进行油气勘探、开发的成套钻井设备，通称钻机。通称钻机。陆用转盘钻机是成套钻井设备中的基本型式
31、即通常所说的钻机，也称陆用转盘钻机是成套钻井设备中的基本型式即通常所说的钻机，也称常规钻机。常规钻机。为适应各种地理环境和地质条件，为加快钻井速度，降低钻井成本，提为适应各种地理环境和地质条件，为加快钻井速度，降低钻井成本，提高钻高钻井井综合经济效益近年来相继研制了各种具有特殊用途的钻机，综合经济效益近年来相继研制了各种具有特殊用途的钻机，如沙漠钻机、丛式井钻机、斜并钻机、顶驱钻机、且升飞机吊运的钻如沙漠钻机、丛式井钻机、斜并钻机、顶驱钻机、且升飞机吊运的钻机、小机、小井井眼钻机、连续柔管钻机等，可称为特种钻机。眼钻机、连续柔管钻机等，可称为特种钻机。整套钻机包括驱动与传动、旋转、起升、循环等
32、系统设备，以及辅助设整套钻机包括驱动与传动、旋转、起升、循环等系统设备，以及辅助设备与测量仪表等。本章简要介绍钻机的组成、类型、基本参数与标准备与测量仪表等。本章简要介绍钻机的组成、类型、基本参数与标准系列、主要国产机械驱动与电驱动钻机传动方案、特点以及旋转设备。系列、主要国产机械驱动与电驱动钻机传动方案、特点以及旋转设备。第一节第一节 石油钻机概述石油钻机概述一，石油钻机组成一，石油钻机组成石油钻机属于重型矿业机械，是由多种机器设备组成、具有多种功能的石油钻机属于重型矿业机械，是由多种机器设备组成、具有多种功能的联合工作机组。为联合工作机组。为满足钻井工艺要求，整套钻机必须具备下列八大系统设
33、备。满足钻井工艺要求，整套钻机必须具备下列八大系统设备。(1)旋转设备旋转设备 为了转动井中钻具，带动钻头破碎岩石，常规钻机配备有为了转动井中钻具，带动钻头破碎岩石，常规钻机配备有转盘和水龙头，顶驱动钻机配备有顶驱钻井装置。转盘和水龙头，顶驱动钻机配备有顶驱钻井装置。(2)循环系统设备循环系统设备 为了及时清洗井底、携带岩屑、保护井壁，钻机配备为了及时清洗井底、携带岩屑、保护井壁，钻机配备有全套钻井液的循环设备，如钻井泵、地面高压管汇、钻有全套钻井液的循环设备，如钻井泵、地面高压管汇、钻井井液净化及液净化及调配装置调配装置(固控设备固控设备)等。当采用井下动力钻具钻进时，本系统提供高等。当采用
34、井下动力钻具钻进时，本系统提供高压钻井液，以驱动井下涡轮钻具或螺杆钻具。压钻井液，以驱动井下涡轮钻具或螺杆钻具。(3)起升系统设备起升系统设备 为了起下钻具、下套管，控制钻压及钻头钻进等，钻为了起下钻具、下套管，控制钻压及钻头钻进等，钻机配备有一套起升设备，以辅助完成钻井生产。这套设备由钻井绞车、机配备有一套起升设备，以辅助完成钻井生产。这套设备由钻井绞车、辅助刹车、游动系统辅助刹车、游动系统(钢丝绳、天车、游动滑车及大钩钢丝绳、天车、游动滑车及大钩)和井架组成。和井架组成。另外还有用于起下操作的井另外还有用于起下操作的井口口工具及机械化设备，如吊环、吊卡、工具及机械化设备，如吊环、吊卡、卡瓦
35、、动力大钳或卡瓦、动力大钳或“铁钻工铁钻工”、立根移运机构等。、立根移运机构等。第二节第二节 机械驱动钻机机械驱动钻机机械驱动钻机是指以柴油机为动力，通过液力变矩器、链条、齿轮、三机械驱动钻机是指以柴油机为动力，通过液力变矩器、链条、齿轮、三角胶带等不同组合的传动形式所驱动的钻机。依据所采用的主传动副角胶带等不同组合的传动形式所驱动的钻机。依据所采用的主传动副类型，可分为齿轮钻机、胶带钻机和链条钻机。类型，可分为齿轮钻机、胶带钻机和链条钻机。一、齿轮钻机一、齿轮钻机 我国在我国在60、70年代曾致力于齿轮钻机的设计制造，如年代曾致力于齿轮钻机的设计制造，如ZJ754、ZJ150、zJl302、
36、ZJl303，此类钻机采用齿轮为主传动副，配合万，此类钻机采用齿轮为主传动副，配合万向轴，传动绞车和转盘，成采用圆锥齿轮万向轴并车驱动绞车、转盘向轴，传动绞车和转盘，成采用圆锥齿轮万向轴并车驱动绞车、转盘和钻井泵。和钻井泵。齿轮传动允许线速度高，体积小，结构紧齿轮传动允许线速度高，体积小，结构紧凑凑；万向轴结构简单、紧凑，；万向轴结构简单、紧凑，维护保养方便，互换性好。但大功率螺旋齿圆锥齿轮制造困难，质量维护保养方便，互换性好。但大功率螺旋齿圆锥齿轮制造困难，质量不易保证，成本高，且现场不能更换、修理。因此进人不易保证，成本高，且现场不能更换、修理。因此进人80年代后，中年代后，中深井以上钻机
37、不再采用齿轮而改用链条为主传动副，不过在深井以上钻机不再采用齿轮而改用链条为主传动副，不过在2000 m级以下的浅井和轻便钻机中，齿轮传动钻机仍具有优越性。级以下的浅井和轻便钻机中，齿轮传动钻机仍具有优越性。第三节第三节 电驱动钻机电驱动钻机一、发展历程一、发展历程电驱动钻机发展历程可分为：电驱动钻机发展历程可分为：(1)交流电驱动钻机交流电驱动钻机 即交流发电机即交流发电机(或工业电网或工业电网)交流电动交流电动机驱动。机驱动。(2)直流心驱动钻机直流心驱动钻机 即直流发电机即直流发电机直流电功机驱动。直流电功机驱动。(3)可可控控硅整流直流电驱动钻机硅整流直流电驱动钻机 即交流发电机即交流
38、发电机可控硅整流可控硅整流直流电动机驱动。直流电动机驱动。正正在在发发展展中的交流变频调速驱动钻机，中的交流变频调速驱动钻机，即即交交流流发电机发电机变变频频调速器调速器交流电动机驱动。交流电动机驱动。目前、目前、海洋海洋和陆地采用的几乎和陆地采用的几乎全全是可是可控控硅整流直流电驱动钻硅整流直流电驱动钻机。随着大功率机。随着大功率交交流变频调速器的研制成功流变频调速器的研制成功并并投入工业投入工业应应用，交流用，交流变变频调速频调速电电驱功钻机将会日益增多。驱功钻机将会日益增多。第四节第四节 地面旋转设备地面旋转设备地面旋转设备包括转盘和水龙头及顶驱钻井装置。本节介绍转盘和水龙地面旋转设备包
39、括转盘和水龙头及顶驱钻井装置。本节介绍转盘和水龙头。转盘是旋转系统工作机，是钻机的关键部件。水龙头在钻井过程头。转盘是旋转系统工作机，是钻机的关键部件。水龙头在钻井过程中悬持并允许钻杆柱旋转，让钻井液进入钻杆柱内腔完成循环洗井作中悬持并允许钻杆柱旋转，让钻井液进入钻杆柱内腔完成循环洗井作业，是起升、循环与旋转三个系统交汇的业，是起升、循环与旋转三个系统交汇的“关节关节”部件，习惯上把它归部件，习惯上把它归人钻机的地面旋转设备之列。钻井转盘与水龙头，人钻机的地面旋转设备之列。钻井转盘与水龙头，80年代已基本定型，年代已基本定型，90年代在结构上和技术上没有多大的变化和发展。年代在结构上和技术上没
40、有多大的变化和发展。1.转盘转盘 转盘的功用与使用要求转盘的功用与使用要求(I)转盘的功用转盘的功用 钻井过程中，转盘要完成如下主要工作：钻井过程中，转盘要完成如下主要工作：转动井中钻具，传递足够大的扭短和必要的转速。转动井中钻具，传递足够大的扭短和必要的转速。下套管或起下钻时，承托井中全部套管柱或钻杆下套管或起下钻时，承托井中全部套管柱或钻杆柱柱重量。重量。第五节第五节 顶驱钻井系统顶驱钻井系统一，概述一，概述顶驱钻顶驱钻井井系统系统(Top Drive Drilling System)或简称顶驱系统或简称顶驱系统(Top Drive SystcmTDS)，是一套安装于井架内部空间、由游车悬
41、持的顶部，是一套安装于井架内部空间、由游车悬持的顶部驱动钻井装置。常规水龙头与钻井马达相结合，并配备驱动钻井装置。常规水龙头与钻井马达相结合，并配备种结构新颖种结构新颖的钻杆上卸扣装置的钻杆上卸扣装置(或称或称管柱管柱处理装置处理装置Pipehander)，从，从井井架空间架空间上部直接旋转钻柱，并沿井架内专用导轨向下送进，可完成旋转钻进、上部直接旋转钻柱，并沿井架内专用导轨向下送进，可完成旋转钻进、倒划眼、循环钻并液、接钻杆倒划眼、循环钻并液、接钻杆(单根、立根单根、立根)、下套管和上卸管拄丝扣、下套管和上卸管拄丝扣等各种钻井操作。等各种钻井操作。顶驱钻井系统是顶驱钻井系统是80年代以来钻井
42、设备发展的四大新技术年代以来钻井设备发展的四大新技术(顶驱、盘式刹车、顶驱、盘式刹车、液压钻井泵和液压钻井泵和Ac变频驱动变频驱动)之一，钻井实践表明，顶驱钻井系统突出之一，钻井实践表明，顶驱钻井系统突出的优点是：可节省钻井时间的优点是：可节省钻井时间20一一25，可大大减少卡钻事故，可控，可大大减少卡钻事故，可控制井涌，避免制井涌，避免井井喷，用于深井、超深井、斜井及各种高难度的定向井喷，用于深井、超深井、斜井及各种高难度的定向井钻井时、其综合经济效益尤为显著。钻井时、其综合经济效益尤为显著。二，顶驱钻井系统的特点二，顶驱钻井系统的特点第四章第四章 钻钻机的驱机的驱动与传动动与传动现代石油钻
43、机具有绞车、转盘、钻井泵三大工作机组，为适应石油钻井现代石油钻机具有绞车、转盘、钻井泵三大工作机组，为适应石油钻井工艺过程的要求，工作机组具有不同的负载特点和运动特性。驱动设工艺过程的要求，工作机组具有不同的负载特点和运动特性。驱动设备和传动系统是钻机八大系统设备中的两大部分，它们是为三大工作备和传动系统是钻机八大系统设备中的两大部分，它们是为三大工作机组服务的。机组服务的。驱动设备，或称动力机组，提供各工作机需要的动力和运动。驱动设备，或称动力机组，提供各工作机需要的动力和运动。传动系统，将动力机和各工作机联系起来，将动力和运动传递并分配给传动系统，将动力机和各工作机联系起来，将动力和运动传
44、递并分配给各工作机。各工作机。钻机驱动设备类型的选择和传动系统的设计，必须满足钻井过程中各工钻机驱动设备类型的选择和传动系统的设计，必须满足钻井过程中各工作机对驱动特性及运动关系的要求，并具有良好的经济性。作机对驱动特性及运动关系的要求，并具有良好的经济性。3分组驱动方案分组驱动方案典型的分组驱动，将三工作机分成两组，绞车、转盘为油机或电动机典型的分组驱动，将三工作机分成两组，绞车、转盘为油机或电动机)分分别驱动，也称为二分组驱动。别驱动，也称为二分组驱动。分组驱动的目的主要是：分组驱动的目的主要是：(1)兼有统一驱动利用兼有统一驱动利用率率高和单独驱动传动简单、安装方便的优点；高和单独驱动传
45、动简单、安装方便的优点；(2)现代深井、超深并钻机采用现代深井、超深并钻机采用79m高钻台，分组驱动可实现转盘、辅高钻台，分组驱动可实现转盘、辅助绞车助绞车(猫头轴猫头轴)在高钻台上，而主绞车不上高钻台的方案；在高钻台上，而主绞车不上高钻台的方案；(3)满足丛式井钻机对工作机平面布置的要求：转盘、绞车在钻台上满足丛式井钻机对工作机平面布置的要求：转盘、绞车在钻台上并并可可随钻台一起作纵横方向的移动，而钻井泵组不必移动。因此转盘、绞随钻台一起作纵横方向的移动，而钻井泵组不必移动。因此转盘、绞车同钻车同钻井井泵组不能有任何机械传动方面的泵组不能有任何机械传动方面的联系，必须进行两组驱动。联系，必须
46、进行两组驱动。四、钻机驱动类型及典型驱动设备的外特四、钻机驱动类型及典型驱动设备的外特性性按照采用的动力设备的不同，分为机械驱动与电驱动两大类。按照采用的动力设备的不同，分为机械驱动与电驱动两大类。机械驱动以柴油机为动力机；电驱动以直流或交流电动机为动力机。机械驱动以柴油机为动力机；电驱动以直流或交流电动机为动力机。1.机械驱动机械驱动机械驱动，依驱动机组驱动特性的不同可进一步分为，柴油机直接驱动机械驱动，依驱动机组驱动特性的不同可进一步分为，柴油机直接驱动(或简称柴油机驱动或简称柴油机驱动)和柴油机和柴油机液力驱动机械传动两种。液力驱动机械传动两种。(1)柴油机驱动机械传动柴油机驱动机械传动
47、 以柴油机为动力，以柴油机为动力，24台柴油机，经齿轮、胶台柴油机，经齿轮、胶带、链条、万向轴等机械传动元件的多种形式的组合实现并带、链条、万向轴等机械传动元件的多种形式的组合实现并车车、减、减速增矩、换向、倒车，以驱动传动绞车、转盘和钻井泵。驱动特性就速增矩、换向、倒车，以驱动传动绞车、转盘和钻井泵。驱动特性就是柴油机本身的特性，工作机只能得到有限挡的有级调速。是柴油机本身的特性，工作机只能得到有限挡的有级调速。2电驱动电驱动电驱动，依其发展历程可分为电驱动，依其发展历程可分为：交：交流流AC-AC驱动，直流驱动，直流DC-DC驱驱动，交直流动，交直流AC-SCR-DC驱动，驱动，交流变频驱
48、动。交流变频驱动。3.几种典型驱动设备的外特性几种典型驱动设备的外特性所谓动力机的外特性，指的是扭矩所谓动力机的外特性，指的是扭矩M随转速随转速n而变化的规律性，即而变化的规律性，即MF(n)，常用曲线描述，称为，常用曲线描述，称为外特性曲线。外特性曲线。第二节第二节 柴油机驱动柴油机驱动-机械传动机械传动一、柴油一、柴油机机驱动特点驱动特点柴油机柴油机广广泛用作钻井设备动力。其主要特点是：泛用作钻井设备动力。其主要特点是：(1)不受地区限制，具有自持能力。无论寒带、热带、高原、山地、平原、不受地区限制，具有自持能力。无论寒带、热带、高原、山地、平原、沙漠、沼泽、海洋、自带燃料都可工作，这对勘
49、探和开发新油田是非沙漠、沼泽、海洋、自带燃料都可工作，这对勘探和开发新油田是非常重要的。常重要的。(2)产品系列化后，不同级别钻机，可采用所谓产品系列化后，不同级别钻机，可采用所谓“积木式积木式”即增加相同类型即增加相同类型机组数目的办法，以增加总装机功率，从而减少柴油机品种。机组数目的办法，以增加总装机功率，从而减少柴油机品种。(3)在性能上，转速可平稳调节、能防止工作机过载，避免出设备事故。在性能上，转速可平稳调节、能防止工作机过载，避免出设备事故。装上全制式调速装上全制式调速器，油门手柄处不同位置时，即可得到不同的稳定工器，油门手柄处不同位置时，即可得到不同的稳定工作转速。当外载增加超过
50、作转速。当外载增加超过Mmax时时,柴油机便越过外特性上稳定的工作柴油机便越过外特性上稳定的工作点而灭火，不致造成传动机构或工作机因过载而损坏。点而灭火，不致造成传动机构或工作机因过载而损坏。(4)结构紧凑，体积小，重量轻，便于搬迁移运，适于野外流动作业。结构紧凑，体积小，重量轻，便于搬迁移运，适于野外流动作业。(5)作为钻机动力机，它也有不足之处。扭矩曲线较平坦，适应性系数小，作为钻机动力机，它也有不足之处。扭矩曲线较平坦，适应性系数小，过载能力有限，噪音大等。过载能力有限，噪音大等。二，柴油机的驱动特性二，柴油机的驱动特性柴油机的特性就是柴油机自身的特性，包括外特性，负载特性和调速特柴油机