钻井生产过程安全技术论文.doc

西安石油大学本科毕业设计（论文）目录1 绪 论11.1 钻井生产安全的目的与意义11.2 毕业设计的目的与主要内容21.3 “钻井生产安全技术”相关书籍现状31.3.1 钻井工程理论与技术41.3.2 钻井工程技术手册(第2版)51.3.3 石油钻井安全培训教材71.4 主要工作内容92. 钻井工程概述102.1 钻井的目的102.2 钻井的类型102.3 钻井的工艺过程112.3.1 钻前工程112.3.2 钻进工程122.3.3 固井工程132.3.4 完井工程153 钻井系统163.1 钻机163.1.1 钻机的提升系统183.1.2 钻机的旋转系统213.1.3 钻机的循环系统213.1.4 钻机的动力与传动系统223.1.5 钻机的气控系统223.1.6 钻机的辅助设备及设施223.2 钻进工具233.3 钻井液243.4 钻井作业人员254 钻井作业的安全技术264.1 钻井作业过程的人身伤害事故及其预防措施264.1.1 机械伤害264.1.2 高处坠落294.1.3 触电伤害304.1.4 车辆伤害304.1.5 预防钻井作业过程人身伤害事故的综合措施-HSE检查表法304.1.6 钻井作业中的生产协调与作业管理354.2 钻井生产复杂情况处理与预防364.2.1 造成井下复杂与事故的因素364.2.2 复杂与事故的诊断374.2.3 井下复杂与事故的处理一般原则394.2.4 卡钻事故发生的原因及预防404.2.5 钻具断落事故的发生原因及预防措施434.2.6 井下落物事故的发生原因及预防措施434.2.7 井喷事故的发生原因和预防措施（概略）464.2.8 处理钻井工程事故中应主要关注的问题465 总结476 参考文献487 致谢491 绪 论1.1 钻井生产安全的目的与意义 石油是现代工业的血液，在国民经济中占有很大的比重，也是国家战略资源之一。石油及其化工产品在日常生活中屡见不鲜，已是人们生活、生产的必需品。对于能源来说，石油的许多优点是其他燃料所无法比拟的。如在物理性质上，石油是可以流动的液体，比重小于水，比其他燃料容易开采；占有的容积小，容易运输。同时，与一般燃料比较，它的可燃性好，发热量高，1 千克石油燃烧起来可以产生1万多大卡的热量，比煤炭的发热量高1倍，比木柴的发热量高45倍。此外，石油又有易燃烧、燃烧充分和燃后不留灰烬的特点，正合于内燃机的要求。所以，在海陆空交通方面，以及各种工厂的生产过程中，石油都是重要的动力燃料。此外，石油还是重要的化工原料。现代有机化学工业就建立在石油、煤炭、天然气等资源的综合利用之上。从原油中可提取几百种有用物质，其经济价值远远超过作为燃料燃烧的经济意义。石油化工可生产出成百上千种化工产品，如塑料、合成纤维，合成橡胶、合成洗涤剂、染料、医药、农药、炸药和化肥等等。石油产品不仅在民用中占有重要地位，现代化的工业、农业、国防都需要石油及石油产品，尤其对工业意义重大。 石油具有优越的物理、化学性质。作为能源，有很高的发热量；作为原料，不仅产量大，而且广泛用于国民经济和各个部门。石油化工产品几乎能用于所有的工业部门中，是促进国民经济和工业现代化的重要物质基础，现代化的工业离不开石油，就像人体离不开血液一样。因此，石油被称为“工业的血液”。在石油开发生产中，钻井是必不可少的基本环节. 钻井就是利用钻井的机械设备在含油气的区域钻探出一口石油井并录取该地区的地质资料以及生产原油。随着石油工业的发展，由于石油勘探开发领域的不断扩大，资源保有量不断减少。所以，钻井技术必将进一步在剩余油挖潜、提高采收率、开发边际油气田、改善油气田开发效果、进一步提高油气田勘探、开发的经济效益。石油工业生产的特点和性质决定了在生产过程中，必须十分强调安全生产，这既是石油工业发展的客观需要，也是社会责任的要求。安全生产工作，既是具体的技术工作，又要求运作管理的组织能力，所以不仅要有扎实的技术理论，还要做广泛的群众思想教育工作，使人人重视，个个自觉，处处留意，互相监督，及时发现并消除隐患，才能确保实现安全生产。石油工业安全生产的基本原则可归纳为下述几项： (1)安全第一、预防为主、综合治理“安全第一、预防为主、综合治理”，是我国指导劳动保护工作的总体方针，同样也是石油工业保证安全生产的基本原则。在贯彻“安全第一，预防为主、综合治理”这一原则时，要求企业在生产中把安全放在首位。当生产与安全发生矛盾时，要首先保证安全，应采取各种措施保障劳动者的安全，尽量做到将事后的事故处理转变为事故苗头的事前控制，使损失和伤亡降低到最低限度。“安全第一、预防为主、综合治理”还要求领导干部对本企业职工的生命安全和健康高度负责，千方百计地努力实现企业的安全文明生产，搞好安全生产的基础工作，不断提高职工安全意识和识别、判断、预防及处理事故的能力，尽量使事故发生率减少，职业病发病率逐步下降。 (2)管生产必须管安全管生产必须同时管安全，这一原则体现了安全和生产是一个有机的整体，它要求生产的领导者和组织者必须生产、安全一起抓，只管生产不管安全的领导不是全面的领导。根据1988年能源部发布的安全生产1号指令中明确规定：企业的整个安全生产工作，要由企业行政正职领导负责。在落实领导干部安全生产责任制时，企业行政负责人员是安全生产的第一责任者，其他领导也要按分管的业务工作对分管范围内的安全生产负责。因此 企业行政负责人是安全生产的第一责任者，石油企业的各级领导者，都要把安全工作渗透到生产管理的各个环节中去，落实到每项具体工作之中，做到生产和安全的“五同时”，即在计划、布置、检查，总结、评比生产的同时，计划、布置、检查、总结、评比安全工作。 （3）安全具有否决权 安全具有否决权的原则是指安全工作是衡量企业经营管理工作好坏的一项基本内容，该原则要求，在对企业各项指标考核、评选先进时，必须要首先考虑安全指标的完成情况。安全生产指标具有一票否决的作用。1.2 毕业设计的目的与主要内容本次毕业设计的主要目的是协助老师完成石油安全工程第二章节“钻井生产安全技术”的前三节编写任务。石油天然气的勘探与开采是石油产业的上游，是石油工业的基础。由于石油、天然气是流体矿产，具有一定的挥发性，且埋藏在一定深度的地下，所以要把石油和天然气开采出来就要采用钻井的方法。钻井是勘探石油和天然气通常做法，其目的有四：首先是通过钻井寻找和证实含油气的地质构造，其次是探明已证实的含油气构造的含油气面积和储量，再次是取得油田的地质资料和开发数据，最后是将油气开采到地面上来。油气的勘探与开发由于技术性强、作业人员多、劳动强度大，容易造成事故，因此对油气田的安全管理十分重要。近几年有关石油钻井安全的书籍越来越多、越来越详细，然而大多数有关书籍多用于石油行业内部培训。这样就存这以下几个特点，一是专业性强、专业词汇、特殊工具名称多；二是着重讲解技术问题，解决生产过程中的技术难题。三是安全要求太过细致繁琐，同时不同的书籍安全要求也不尽相同。目前有关石油安全的书籍，要么只侧重讲解某一个方面的安全生产技术，例如油田生产安全技术、油库安全技术、石油储运安全技术、石油化工安全技术、加油站安全技术等，没有一本贯穿油气开采、储运、加工全过程的教材。要么就是技术性很强专业书籍，这样的书籍对于从事现场作业石油工作的人员来说，相对容易理解，对于没有进行过现场作业的人员来说，理解起来较为困难。特别是本科学生，有关书籍里过于详细的作业规范与要求，学习起来十分枯燥也难于理解。对于石油院校的本科学生来说，石油安全是十分重要，不得不学，但由于没有一本贯穿油气开采、储运、加工全过程的教材和易于的本科生理解的教材，教学工作十分不便，因此汪老师结合教学实际准备编制适合本科教学使用的石油安全教材石油安全工程。我的毕业论文就是从本科生的角度，阐述分析和理解钻井作业过程中的安全问题。利用能量意外释放理论来分析事故危险源，再通过安全检查表找出钻井作业过程中事故伤害的常见原因，最后提出预防措施。通过这一过程，理解钻井作业工艺过程、分析事故伤害因素、总结事故原因、制定预防控制措施，以本科生容易理解的方式将这一过程阐述出来。在这个过程中我以一名本科生的视角来思考相关问题，提出见解，表达自己的学习专业课程的心得以方便老师了解本科生在学习这一章节中存在的问题，以利于日后教学的效果。希望我的探索及论文能为以后的本科石油安全教学尽一份微薄之力。1.3 “钻井生产安全技术”相关书籍现状钻井作业是石油生产开发过程中必不可少的作业过程，也是整个作业过程中劳动强度较大、危险源较多的作业过程，特别是在这一过程中钻井事故的防控十分重要。目前大多数有关钻井生产安全技术的书籍，都十分细致详尽，从作业方法、方式，采用的机械设备，到安全监管制度都有详细阐述。这样对于相关从业人员十分有利，但是对于石油院校的本科学生来说这类书籍内容过多、过细不利于学习。本科学生由于自生能力限制，大多没有接触过相关的大型作业机械也没有从事现场作业，因此在阅读这类书籍时对特殊设备名称和作业过程中的专业词汇比较陌生，不易理解。同时相关书籍有关安全管理的章节，大多是直接罗列管理制度，对本科生来说这些详细的安全制度学习起来枯燥无味，这样造成了大多数本科学生在学习这些制度的过程中不求甚解，很多学生对这些管理制度都是死记硬背，不利于本可得教学工作。这些书籍都是由优秀的一线工作人员、学者总结出来的，经历了实际生产作业的验证，对于相关从业人员来说十分重要。可以说我们的工作就是利用这些书籍的内容，合理简化书籍内容，以这些专业书籍为基础编制适合本科教学的教材。在这个过程中下列书籍起到了至关重要的意义。1.3.1 钻井工程理论与技术钻井工程理论与技术一书注重实用性，主要讲述油气井钻井过程中的基本工艺理论及现代主要钻井技术。全书共八章，并配有便于自学和有利于基本知识掌握的思考题和练习题。主要内容包括：钻井的工程地质条件，钻井工具，钻井液，钻井参数优选，井眼轨道设计及轨迹控制，固井及完井，其它钻井技术及作业。这本书体系完整、层次清楚，深度，作为从事油气井钻探工作的工程和科技人员参考该书是很好的选择，但作为是普通高等院校石油工程专业的教学用书过于专业。主要内容如下表1-1所示；表1-1 钻井工程理论与技术主要内容出版社:中国石油大学出版社 语种：简体中文ISBN:7563611924 主编：陈庭根 管志川 目录绪论.第一章钻井的工程地质条件第一节地下压力特性第二节岩石的工程力学性质第二章钻进工具第一节钻头第二节钻柱第三章钻井液第一节钻井液的定义和功用第二节钻井液的组成和分类第三节钻井液的性能第四节钻井液的固相控制第五节井塌及防塌措施第六节油气层保护及完井液第四章钻进参数优选一节钻井过程中各参数间的基本关系第二节机械破岩钻进参数优选第三节水力参数优化设计第五章井眼轨道设计与轨迹控制第一节 井眼轨迹的基本概念第二节轨迹测量及计算第三节直井防斜技术第四节定向井井眼轨道设计第五节定向井造斜工具及轨迹第六节水平井钻井技术简介第六章油气井压力控制第一节井眼与地层压力系统第二节地层流体的侵入与检测第三节地层流体侵入控制第七章固井与完井第一节井身结构设计第二节套管柱的设计第三节注水泥技术第四节完井技术第八章其他钻井技术及作业第一节井下复杂情况及事故处理第二节取心技术第三节套管开窗技术参考文献该书适合具有一定工作经验的使用，不适合作为本科教材。1.3.2 钻井工程技术手册(第2版)钻井工程技术手册(第2版)是针对石油钻井工程需要而编写的一部工具书，系统介绍了随着钻井技术发展而配套应用的钻井管材、工具与仪器、钻井设备、基础数据与计算等内容。主要章节包括钻井基础数据及有关计算、钻井设备、钻井管材、常用井口工具、钻头及辅助破岩工具、井下动力钻具、随钻震击器与减震器、钻井井控、固井、钻井取心、钻井液、定向井与水平井专用工具及测量仪器、钻井仪器仪表、钻井事故处理亡具、套管开窗侧钻与分支井工具、钻井常用材料及其他十六章。详细情况见表1-2。表1-2 钻井工程技术手册(第2版)主要内容出版社:中国石化出版社出版 2011年3月1日精装:1477ISBN: 9787511405623语种：简体中文主编：张桂林目录第一章钻井基础数据及有关计算第1节 常用材料物理化学性质一、常用材料密度2、 石油的化学成分3、 土壤安全抗压强度4、 岩石的摩擦系数5、 岩石的抗扭破力(破碎压力)6、 岩石强度关系表7、 矿物硬度8、 工业用水硬度分类9、 饮用水的水质标准10、 布氏、洛氏、维氏、肖氏硬度换算11、 标准岩样的物理机械性质及可钻性12、 我国主要油田地质岩石可钻性及机械性质13、 测定结果汇总表14、 、风速及风压袁15、 常用化工产品16、 各油区平均水深数据第2节 常用数值及公式一、时的分数、小数与毫米对照表二、时与毫米对照表三、常用法定计量单位及换算表四、常用面积计算公式表五、常用体积和表面积计算公式表六、浮力系数表第三节 直径与容积关系一、地面管汇及管柱体积、内、外容积二、井眼容积表三、井眼与钻杆环形容积四、井眼与钻铤环形容积五、井眼与套管环形容积六、起钻时井内钻井液液面降低米数七、钻头与套管间隙标准八、API井身结构数据图表第四节 钻井常用计算公式一、井架基础的计算公式二、混凝土体积配合比用料计算三、井身质量计算公式四、喷射钻井水力参数计算公式五、优选参数钻井计算公式六、地层孔隙压力计算公式七、压井计算公式八、油气上窜速度计算公式九、卡点深度、钻杆允许扭转圈数及泡油量的计算公式十、定向井计算公式第二章 钻井设备第一节 钻机技术规范一、石油钻机的基本形式和基本参数行业标准二、石油钻机的主要技术参数及井场布置简图第三章 钻井管材第四章 常用井口工具第五章 钻头及辅助破岩工具第六章 井下动力钻具第七章 随钻震击器、减震器第八章 钻井井控第九章 固井第十章 钻井取心第十一章 钻井液第十二章 定向井、水平井专用工具及测量仪器第十三章 钻井仪器仪表第十四章 钻井事故处理工具第十五章 套管开窗侧钻与分支井工具第十六章 钻井常用材料及其他参考文献本手册内容全面、取材广泛、实用性强，是一本供。大钻井技术人员、管理人员、监督人员和工人使用的工具书，同时又可作为钻井科研机构、石油院校的参考资料，也是勘探、开发等与钻井技术专业紧密行业的参考用书。1.3.3 石油钻井安全培训教材石油钻井安全培训教材的主要内容是讲述了健康、安全与环境管理体系、钻井设备安全、钻井液安全使用与管理，还有一些安全操作、应急救援预案等，通过此书可以让读者学到更有用的知识，进一步了解石油钻井的安全知识。详细内容见下表1-3；表1-3 石油钻井安全培训教材出版社:中国石油大学出版社; 第1版 (2011年7月1日) 平装:398页 开本:16ISBN: 9787563625406 主编：张志远目录第一章 健康、安全与环境管理体系 第一节 HSE管理体系的理念和意义 第二节 HSE管理体系的基本模式和原理 第三节 HSE管理体系的基本框架 第四节 风险管理 第五节 钻井队HSE“两书一表” 第六节 井队作业现场应急救护 第七节 HSE作业指导书编写案例 第八节 HSE作业计划书编写案例-冀东项目HSE作业计划书 第二章 钻机搬迁与安装安全技术及要求 第一节 钻机安装、拆卸的基本要求 第二节 钻机搬迁安全操作规程 第三节 钻机安装安全操作规程 第四节 起放井架安全操作规程 第五节 钻机搬迁、安装事故案例 第三章 钻井设备安全 第一节 钻机的提升系统 第二节 钻机的旋转系统 第三节 钻机的循环系统 第四节 钻机的动力与传动系统 第五节 钻机的气控系统 第六节 钻机的辅助设备及设施 第七节 钻井仪器和仪表 第八节 常用工具 第九节 钻井设备检查点 第十节 塔式钻井设备危险因素及预防和纠正措施 第四章 钻井液安全使用与管理 第一节 钻井液的组成与功用 第二节 钻井液的性能 第三节 处理剂储存、使用和废弃的安全注意事项 第四节 主要施工设备及化验仪器安全操作规程 第五节 钻井液使用安全注意事项及相关HSE知识简介 第六节 事故削减及应急措施 第五章 正常钻进时的安全操作 第一节 钻进施工过程中的危险因素及防范措施 第二节 钻井岗位基本操作规程 第三节 钻进时的安全操作及案例 第六章 起下钻时的安全操作 第一节 起钻时的安全操作 第二节 下钻时的安全操作 第七章 测井时的安全操作 第一节 概述 第二节 测井时的安全操作规程 第三节 测井施工危险因素及安全措施 第四节 测井施工事故的预防和处理 第五节 测井事故案例分析 第八章 完井作业的安全操作 第一节 下套管准备 第二节 下表层套管操作规程 第三节 下油层（技术）套管操作规程 第四节 固井施工准备 第五节 焊井口、卸联顶节、试压、装采油树、交井 第九章 并控安全 第一节 井控装置的安装、试压、使用和管理 第二节 一级井控 第三节 二级井控 第四节 三级井控 第五节 硫化氢防护 第十章 井下复杂情况及安全操作 第一节 卡钻事故的预防 第二节 井下事故的处理 第十一章 油水井大修安全 第一节 油水井大修工艺安全操作规程 第二节 大修作业常见危害及控制措施 第十二章 应急救援预案 第一节 应急预案内容介绍 第二节 中国石油天然气集团公司井喷失控事故应急预案 第三节 井控应急预案制订的方法与步骤 本书适合从事油田作业员工使用，实用意义强。对于现场作业人员有很大的帮助。但由于专业型和实用过强，涉及相关的标准规范过多，不适合本科教学使用。1.4 主要工作内容这次毕业设计主要是为了完成石油安全工程中第二章“钻井安全技术”的第一、二、三节内容。第一节的内容是介绍钻井作业工程概述，这一章中主要讲解了钻井目的、钻井类型、钻井的工艺过程，在这一章节中我借鉴了许多书籍的内容，选取了比较准确的定义，定义了许多井控的基本概念，例如钻井目的、各种类型的井等。同时详细阐述了钻井步骤流程的过程，为以下章节的学习奠定学习基础。第二节最为重要的内容是钻井系统的介绍，主要阐述了钻井系统由钻机、钻进工具、钻井液、钻井作业人员几部分构成。在这部分我参考了大量的书籍，综合比较各种教材的特点，进行组织和补充，但由于个人能力所限绘制的事故树也许有所缺陷，希望大家提出宝贵意见。第三节内容是钻井安全技术，这一节内容主要介绍人身伤害事故、钻井复杂情况和钻井事故，并对伤害类型、部位作出分析，最后提出预防措施。通过危险源辨识和能量意外释放理论的分析，再使用安全检查表的方法客观、直白的表达出伤害事故的因素，为预防伤害事故的预防作出指导。这一章节的内容，资料比较多也比较细致。难点和重点是伤害事故类型、部位以及钻井复杂情况与钻井事故的检查和与预防措施。2. 钻井工程概述2.1 钻井的目的由于石油、天然气是流体矿产，具有一定的挥发性，且埋藏在一定深度的地下，所以要把石油和天然气开采出来就要采用钻井的方法。钻井是勘探石油和天然气通常做法，其目的有四：首先是通过钻井寻找和证实含油气的地质构造，其次是探明已证实的含油气构造的含油气面积和储量，再次是取得油田的地质资料和开发数据，最后是将油气开采到地面上来。2.2 钻井的类型石油勘探、开发过程是由许多不同性质、不同任务的阶段构成的。在不同阶段，钻井的目的和任务也不一样，按用途可分为两种：探井和开发井。探井-在油气田范围内，为确定油气藏是否存在，圈定油气藏边界，并对油气藏进行工业评价，取得油气开发所需要的地质资料而钻的井称为探井。不同勘探阶段所钻的探井又可分为地质探井、预探井、初探井、详探井等。地质探井为了解地质构造，摸清其地下物质、温度、深度、压力等地质条件，评价是否具备生油产油原始条件所钻的各种探井。预探井-为了解底层的时代、岩性、厚度、生储盖层的组合情况和区域地质构造，进而了解地层的含油气性、生油源岩及其储存情况，以发现油气藏并进一步探明含油气边界和位置、油气层结构等为目标所钻的各种探井。详探井-是在预探井所控制的含油面积基础上，为了详细查明油藏构造形态，油层结构、层数、厚度及其变化，油、气、水地下分布规律，获取油层物性、压力、油藏驱动类型及油藏面积等资料，为编制油田开发方案提供必要的参数而钻的探井;开发井-习惯上是指专门为开采石油和天然气而钻的井，按生产用途又可分为油气生产井、注水井、救援井等;油气生产井-是指专门为开采石油和天然气而钻的井；注水井-用来向油层注水的井。在油田开发过程中，通过将水注入油藏，可保持或恢复油层压力，使油藏有较强的驱动力，以提高油藏的开采速度和采收率;救援井-救援井就是在油井的附近再钻一口或数口油井，对事故井进行抑制。在发生油井生产事故时（主要是井喷），救援井可避免油气大量浪费以及污染环境，保护地下地质构造。从安全的角度来看，因为不同类型的井有其不同的作用、所拥有的资料也不尽相同，因此，在钻不同的井时所面对的安全问题也是不尽相同的。在各种类型的钻井过程中，因为对地下情况不明，缺乏第一手资料，故进行探井作业时所面对的危险最大，在钻探过程中发生井喷或者硫化氢中毒等危险事故的概率相对要高。对于生产井而言，因为有探井所提供的基础资料，对地下情况了解比较全面，故在钻井过程中发生井喷事故的概率相对要低一些。但在生产井的钻井过程中，由于地下地质情况的复杂多变，开采方法不合理或者违规操作也可能引发严重钻井事故。2.3 钻井的工艺过程一口井从开始到完成，可分为钻前、钻进、固井、完井等几个作业阶段。2.3.1 钻前工程钻前工程主要是钻井前的准备工作，由于作业环境的不同，可分为陆地钻井和海洋钻井。在陆上油田包括定井位、修井场、安装钻机、安装采油气设施等作业；在海上油田则主要有搭建海上钻井平台、安装钻机或钻井船定位锚固等作业。定井位- 在钻前准备工作中，定井位就是确定井眼。对于陆上钻井来说主要在油气藏的正上方，这样距离最短，对于钻井和开采来说都比较方便和经济；对于海洋来说井位的选择考虑因素比较多，如果油气藏分布在大陆架上，井位便可以设在海边陆地上，这样花费比较少而且开以避开海洋生产的许多不利因素（大风、潮汐、人员工作界面）。修路-为了将各种设备与物资运入井场，需要修公路。由于钻井设备是重型物资，公路应确保能通过重型车辆。修井场-在陆地钻井工程，必须要有一块平整的地方来作为井场，放置、安装钻井设备。安装-安装井架是钻前准备工作的重要环节。包括立井架，安装钻井设备、泥浆泵，安放或挖掘泥浆池等。海上平台-海上钻井平台是用于钻井的海上结构物。上装钻井、动力、通讯、导航等设备，以及安全救生和人员生活设施，是海上油气勘探开发不可缺少的手段。主要有固定式和自升式钻井平台。固定式平台（如图2-1）包括桩基式平台和重力式平台两种。桩基式平台它是由钢管做成的桁架，整体性好，施工快，但抗海水腐蚀性差。为了使平台能稳固地坐于海底，不至因冰、水流、海浪等的影响而移位，需打桩固定，固定后不在拆走，成本高。重力式平台，它是使用钢筋混凝土制造的平台，重量大，可稳定立于海底，不需要打桩，节省钢材，防火、防腐蚀，维修费用低，使用寿命长。缺点是结构分析复杂，要求岸边有较深的隐蔽条件较好的水域，对地基要求高。图2-1自升式钻井平台（如图2-2）是由平台、桩腿和升降机构组成，平台能沿桩腿升降，工作时桩腿下放插入海底，平台被抬起到离开海面的安全工作高度，并对桩腿进行预压，以保证平台遇到风暴时桩腿不致下陷。完井后平台降到海面，拔出桩腿并全部提起，整个平台浮于海面，由拖轮拖到新的井位。 图2-22.3.2 钻进工程石油井眼是用钻头把岩石钻碎、钻柱在地面动力的支持下带动钻头旋转不断加深而造成的，这个过程称为钻进。岩石被钻头破碎后会形成被称为钻屑的小的碎块，钻井液经钻杆的内孔注入冲刷井底，能将钻屑从井底由井壁与钻柱之间的环形空间带到地面，称之为洗井。洗井是钻井过程的重要环节，没有钻井液钻井就不能进行，钻井液与钻井速度、钻井成本密切相关，钻井液的性能是关系钻井成败的重要因素，钻井液也是平衡井底压力、防止井喷事故的重要因素。 在钻进过程中，随着井的不断加深，钻柱也要及时接长，接一根钻杆叫做接单根。由于钻头与地层岩石不断摩擦，会导致钻头摩损，因此在钻进一段距离后要更换破损的钻头，需要将全部钻柱从井下拔出、更换钻头后再重新下到井下，这个作业过程叫做起下钻。在钻井过程中还会遇到断钻杆、掉钻头、井壁垮塌、卡钻等生产事故，所以在钻井过程中要不断勘察井下地质情况，优化钻井设计方案，把握好钻头压力、转盘转速、钻井液排量等钻井工艺参数，做好井控工作，确保钻进工程的顺利完成。2.3.3 固井工程固井的主要作用是加固井壁和隔离钻开的油、气层。固井的方法将称之套管的无缝钢管下入井中，并在井眼和套管之间灌注水泥以固定套管，封闭套管和井壁之间的环形空间，隔开某些底层，将泥浆自下而上地置换出来并固结井壁筒的作业。这就是下套管、注水泥作业。固井过程可分为下套管、注水泥、候凝、井口安装和套管试压等几个工序。下套管工序是在不同地区因底层情况和井深的不同，固井实施的情况也不同。有的井可以一直钻到底，最后下入套管进行一次固井即可；而有的井，则需要下两层或三层四层套管，分别进行固井，才能最终完成。如图2-3对于4000米的深井，设计下三层套管。其目的和实施的步骤是：第一层为表层套管，下深33100米左右，目的是用以封住这一井段的黏土层，流沙层砾石层及水层，并在表层套管井口安装防井喷装置。第二层开钻后，改用小于表层套管直径的钻头，往下钻20003000米处在停钻，下入第二层套管，称之为技术套管。下技术套管的目的是用以封固易踏层和高压水层或为保护浅部的油气层。第三次开钻后改用更小的钻头，一直钻到目的层以下，最后下入第三层套管，称之为油层套管，这主要是为试油和今后采油创造条件。深井或超深井有时需要两次技术套管，依据体需要而定。套管有不同的尺寸和钢级。表层固井通常使用2013 3/8英寸的套管，多数是采用钢级低的“J”级套管。技术套管通常使用13 3/87英寸的套管，采用的钢级较高。油层套管固井通常使用75英寸的套管，钢级强度与技术套管相同。根据用途、地层预测压力和套管下入深度设计套管的强度，确定套管的使用壁厚，钢级和丝扣类型。图2-3注水泥环节是套管下入井后的关键工序，其作用是将套管和井壁的环形空间封固起来，以封隔油气水层，使套管成为油气通向井中的通道。固井主要是用专业的油井水泥。油井水泥是封固套管和井壁环形空间的重要材料。因为井有深有浅，地下有常压常温和高压高温，地层中还含有各种不同的化学物质，所以要求油井水泥有广泛的适应能力。目前我国使用的油井水泥有9个级别和三个类型。不同级别和类型的水泥适用不同的井下条件。所以，根据井的深度和温度选择水泥是注水泥作业的首要任务。井口安装和套管试压 下套管注水泥之后，在水泥凝固期间就要安装井口。表层套管的顶端要安套管头的壳体。各层套管的顶端都挂在套管头内，套管头主要用来支撑技术套管和油层套管的重量，这对固井水泥未返至地面尤为重要。套管头还用来密封套管间的环形空间，防止压力互窜。套管头还是防喷器、油管头的过渡连接。陆地上使用的套管头上还有两个侧口，可以进行补挤水泥、监控井况。注平衡液等作业。套管试压是检查固井质量的重要组成部分。安装好套管头和接好防喷器及防喷管线后，要做套管头密封的耐压力检查，和与防喷器联接的密封试压。探套管内水泥塞后要做套管柱的压力检验，钻穿套管鞋23米后（技术套管）要做地层压裂试验。生产井要做水泥环的质量检验，用声波探测水泥环与套管和井壁的胶结情况。固井质量的全部指标合格后，才能进入到下一个作业程序。2.3.4 完井工程完井是根据油气层的地质特性和开采技术要求，建立油气层与油气井井筒之间的合理连通渠道或连通方式。完井的目的是使油气层与井底有效的连通起来，尽量减少油、气流动阻力；妥善地封隔油、气、水层，防止各层之间互相干扰；克服井壁和油气层处砂的影响，保证油气井长期稳定生产；能为今后的井下修井作业和增产措施（压裂、酸化）提供方便根据油井与油气层的连通方式，完井有裸眼完井、射孔完井、衬管完井和砾石充填完井等方法。裸眼完井-钻井至油气层顶部后，下油层套管，注水泥固井，然后用较小直径的钻头钻开油气层，形成油气通道。（图2-4a）射孔完井-先钻开整个油气层后，下油层套管至井底，固井，油气层射孔，射孔弹穿透套管和水泥环，为油气流入井内打开通道。射孔完井是目前国内使用最广泛的一种完井方法。（图2-4b）衬管完井- 当油层是由胶结差的疏松砂岩组成的，如果采用裸眼完井，油层就容易坍塌，井底被砂堵，使油气流渗透面积减少，为此在裸露的油气层部位，下入一根预先钻好孔眼的衬管并通过衬管顶部的悬挂器，将衬管挂在油层套管上，并密封套管和衬管之间的环形空间，油气经衬管上的孔眼流井中.。（图2-4c）砂石充填完井是人为得在衬管和井壁之间充填一定尺寸的砾石，使它起防砂和保护生产的作用。（图2-4d）图2-4对各种完井方法的要求是：使油气层与井底有效的连通起来，尽量减少油、气流动阻力；妥善地封隔油、气、水层，防止各层之间互相干扰；克服井壁和油气层处砂的影响，保证油气井长期稳定生产；能为今后的井下修井作业和增产措施（压裂、酸化）提供方便；工艺简便、完井速度快、成本低。3 钻井系统钻井系统是整个钻井部分的有机组合，包括钻机、钻井工具、钻井液和钻井作业人员。在石油、天然气钻井中，钻井作业人员操作钻机带动钻井工具破碎岩石，向地下钻进，在钻井液的不断循环下，钻出规定深度的井眼，供采油机或采气机获取石油或天然气。钻井系统的各部分组成不仅是钻井作业需求，也是钻井安全生产技术的研究对象。3.1 钻机钻井用的钻机如图3-1是一套由井架、绞车、游车、大钩、转盘、钻井泵、动力、传动机组等主体设备以及井控、发电机组、液压和空气动力等辅助设备所组成的大型联合机组，可分解为起升系统、旋转系统、循环系统、动力与传动系统、气控系统、辅助系统等六大功能系统。1天车2井架3二层台4游动滑车5大钩6水龙头7吊卡8方钻杆9方钻杆补心10方补心11鼠洞（接单根用）12鼠洞（放方钻杆用13固定大钳14接管用大钳 15绞车16指重表17司钻控制台18井场值班室19水龙带20蓄能装置21管子坡道22管架23井架底座24泥浆返回管线25泥浆振动筛26节流管汇27泥浆-天然气分离器28脱气装置29泥浆储备池30泥浆池31（脱泥机）泥浆过滤设备32脱砂机33离心机34泥浆泵35干水泥储备罐36储水罐37发电机38防喷器图3-1钻机的最大井深、最大起重量、额定钻柱重量、钢丝绳的直径、起升速度及挡数、绞车功率、转盘直径、转盘转速及挡数、转盘扭矩及功率、泵压、泵组功率和钻机总功率等钻机的基本参数，反映了全套钻机工作性能的主要数量指标，是设计和选择钻机类型的基本依据。钻机以ZJD钻机为例见表3-1表3-1钻机主要关键参数钻机型号ZJ50/3150D生产厂家宝鸡石油机械厂名义钻深范围4500m（5”钻杆）5000m(4 1/2”钻杆)最大钩载3150kN绞车最大输入功率1100kW (1500马力)绞车档数4档无级调速提升系统最大绳数12根(67结构)钻井钢丝绳直径35mm水龙头中心管通径75mm转盘开口名义直径952.2mm (37 1/2”)泥浆泵台数功率2台956kW(1300马力)井架型式及有效高度前开口,45m底座型式旋升式或弹弓式钻台高度9m净空高度7.52m传动方式AC-SCR-DC传动控制方式一对二控制柴油发电机组台数输出功率3800kW直流电动机台数及功率6台735kW泥浆罐有效容积320m3高压管汇3-103mm35MPa3.1.1 钻机的提升系统 钻机的提升系统由井架、绞车（图3-2a）、大钩（图3-2b）、天车（图3-2c）、游车（图3-2d）、及钢丝绳、自动送钻装置等组成。主要用来提升钻具和下套管，一套钻具的重量可达数十吨都一百吨，下入套管的重量可达到四五百吨。图3-2a图3-2b图3-2c图3-2d井架用于安放和悬挂天车、游车、大钩、吊环等提升设备和液气大钳、吊钳、吊卡等井口工具。天车和游车组成提升系统的滑轮系。作为定滑轮的天车改变力的方向，作为动滑轮的游车起省力作用，减轻绞车的负荷，从而使提升系统获得很大的机械效能。大钩的功用是在正常钻进时悬挂水龙头和钻具，在起下钻时悬挂吊环起下钻具，完成起吊重物、安放设备及起放井架等辅助工作。绞车如图3-是构成提升系统的主要设备，是组成一部钻机的核心部件，是钻机的主要工作机械之一。其功用是：提供几种不同的起升速度和起重量，满足起下钻具和下套管的需要；悬挂钻具，在钻进过程中送钻和控制钻压；利用绞车的猫头机构上、卸钻具螺纹；作为转盘的变速机构和中间传动机构；当采用整体起升式井架时用来起放井架；当绞车带捞砂滚筒时，还担负着提取岩心筒、试油等项工作；帮助安装钻台设备，完成其他辅助工作。绞车一般由传动部分、提升部分、转盘驱动箱部分、控制部分、润滑部分和刹车机构等组成。钢丝绳用于悬吊游车、大钩并传递绞车动力，所以运动频繁、负荷大，并承受弯曲、挤压、冲击、振动等复杂应力。 自动送钻装置与绞车配合起来，由电脑控制，适应性广，钻压波动可控制在10kN以内，送钻均匀，无冲击，工作安全可靠。在钻遇地层溶洞时可避免钻具快速下放，气路系统出现故障时能自动刹车；全气动控制，体积小、重量轻、移运性好；钻进时也可安装，维修时不影响正常钻进，操作简单。3.1.2 钻机的旋转系统旋转系统包括转盘和水龙头两大部分，其主要作用是在通过钻具不断向井底传送钻井液的同时，保证钻具的旋转。转盘主要由水平轴、转台、主轴承、壳体、方瓦及方补心等组成，其主要作用是带动钻具旋转钻进和在起下钻过程中悬持钻具、卸开钻具螺纹以及在井下动力钻井时承受螺杆钻具的反向扭矩。转盘的动力经水平轴上法兰或链轮输入，通过锥齿轮转动转台，借助转台通孔中的方瓦和方补心带动方钻杆、钻柱和钻头转动；同时，方补心允许方钻杆轴向自由滑动，实现边旋转边送进。水龙头悬挂于大钩之下，上接水龙带、下接方钻杆。在钻进时，悬挂并承受井内钻柱的全部重量，并将钻柱与水龙带连接起来，构成钻井液循环通道。在一部钻机中，水龙头既是旋转系统的设备，又是循环系统的一个部件。3.1.3 钻机的循环系统钻机的循环系统主要包括钻井泵、地面管汇、钻井液净化设备等。在井下动力钻井中，循环系统还担负着传递动力的任务。 钻井泵的作用是为钻井液的循环提供必要的能量，以一定的压力和流量，将钻井液输进钻具，完成整个循环过程。常用的钻井泵有NB600、2PN1258、3NB900、3NB1000、SJ3NB1300、3NB1300、3NB1600型等，前两个是双缸双作用泵，后三个是三缸单作用泵。钻井液净化设备的主要作用是使从井内返出的钻井液能得到充分的净化。钻井液净化设备主要包括振动筛、旋流除砂器、离心分离机、除气器、循环罐和搅拌器等。3.1.4 钻机的动力与传动系统动力设备和传动系统是钻机的两大组成部分。动力设备提供机械设备需要的动力，而传动系统则将动力机和各机械设备联系起来，将动力传递并分配给各机械设备单元。目前，钻机的驱动类型主要有柴油机直接驱动、柴油机液力驱动、柴油机(交)直流电驱动和工业电网电驱动四类。我国石油矿场多采用柴油机作动力，即使是电驱动钻机，例如最大的12000米陆地深井钻机和海洋钻机，它们的发电机仍是由柴油机驱动的，然后由电动机带动钻机的各个设备或部件。钻机传动系统的基本功用是将动力机发出的动力分别传送给绞车、转盘、钻井泵等工作机，并实现增矩减速、变矩变速、并车、倒车以及传动脱离或挂合等功能。3.1.5 钻机的气控系统钻机的控制系统按控制方式分为机械控制、气动控制、液压控制、电动控制及综合控制等几种形式，目前最常用的是气动控制。气控系统主要由供气机构、发令机构、传令机构、执行机构等四个部分组成。主要功能是控制柴油机的启动、停车、调速和联动机并车与停车；控制绞车换档及绞车、转盘、钻井泵的启动与停止；控制绞车、转盘的转速和转动方向；控制滚筒刹车、猫头的运转与停止；控制气动卡瓦、液气大钳、气动旋扣器、顶部驱动装置等起下钻操作机械；控制气动绞车、防碰天车装置、自动送钻装置及井口防喷器装置；控制空气压缩机、发电机、除砂泵、离心泵、搅拌机等装置；控制井架底座的升降、井架的起、放、缓冲作用。钻机的气源设备由空气压缩机、压缩空气处理装置(冷却器、油水分离器、干燥器、除尘器)和贮气罐三部分组成。3.1.6 钻机的辅助设备及设施钻井施工现场的辅助设备有电气设备、消防设备、供水设备、防冻保温设备和焊割设备等。辅助设施传统的有猫头、气动卡瓦、手拉葫芦等，最新的有液力大钳、铁钻工、动力猫道等井口自动化钻井工具。猫头装在绞车轴一端的小型辅助卷筒。钻井时，利用缠绕在其上的猫头绳拉动吊钳上、卸管柱接头螺纹，或用来吊升小型物件。猫头作为钻机上的一种安全吊钩,分为气动猫头和液压猫头两种,解决在提吊过程中被吊物发生旋转问题，在钩体开口处装有带弹簧的自锁活门，把钩体上与提环连接端制成螺栓体，可安全作业。这种螺栓体穿过提环上连接环体，与垫环、螺母和开口销装配成钩体，从而具有环相互转动功能，并在钩体开口处装有弹力的自锁活门。这这种装置目前广泛应用在平台和钻井船上。 两个猫头轴上的死猫头，刚性地安装在绞车猫头轴的两端，并与绞车猫头轴一起旋转，用于起下钻的上卸扣和起吊重物。内、外摩擦猫头的滚筒用滚子轴承支承在猫头轴上，通过安装在滚筒一端法兰内的摩擦离合器控制滚筒的动作，它能独立地转动。外摩擦猫头通常在起下钻时用来拧紧要下入井内的钻具接头丝扣；内摩擦猫头通常用在起钻时卸松钻具接头丝扣。 气动卡瓦是代替手动卡瓦、用于起下钻时夹持井内钻具的机械装置，具有使钻具在任一位置时夹持牢靠，自动定心，操作简便、安全等特点。起下钻时，司钻在提升钻具的同时，应踩下脚踏控制阀，压缩空气与气缸气管路连通，气缸便推动钳体上升，卡瓦钳口即与钻具脱开。松开脚踏控制阀复位时，压缩空气与气缸回气管路连通，钳体靠自重和气压下落，与此同时将吊起的钻具缓慢放下，夹紧钻具。在钻具上提、下放过程中，不得松开脚踏控制阀，钻具座在卡瓦上的操作应平稳、缓慢，不得过猛以免造成冲击，甚至卡瓦碎裂而落井。手拉葫芦是一种使用简易、携带方便的手动起重机械，具有使用安全，维护简便，机械效率高，手链拉力小，自重较轻，尺寸小，经久耐用。 传统的辅助设施虽然降低了劳动强度，但自动化水平较低，对于钻井作业，其含有很大的意外释放能，所以经常伴有多种伤害，比如传统的猫头伤人（机械伤害），随着科技的发展，近十多年新的自动化设施得到广泛应用，对于排列钻杆、接单根、上卸扣等钻井作业实现了完全自动化。有力的降低了作业强度和事故概率，尤其在海洋石油工业。3.2 钻进工具钻进工具主要包括钻头(如图3-3)和钻柱。 钻头是破碎岩石的主要工具。钻头的质量、钻头与岩性以及钻井工艺是否适应，直接关系到钻井的速度、质量和成本。常见的钻头有刮刀钻头、牙轮钻头、金刚石钻头和PDC钻头等。使用较多是牙轮钻头和PDC钻头。图3-3钻柱是钻头以上、水龙头以下的钢管柱的总成，包括方钻杆、钻杆、钻铤，以及各种接头、稳定器、减震器、震击器等井下工具。钻柱是连通地下与地面的纽带，用来传送破碎岩石的能量、给井底施加钻压以及循环钻井液，通过接单根使井不断延伸，并可根据钻柱的长度计算井的深度。3.3 钻井液钻井液是指具有满足钻井和完井工程所需的多种循环液体。钻井液对于钻井，就像血液对于人体一样重要，如果钻井不能正常循环钻井液，钻井将不能进行进行，严重时可能引发钻井事故。为了有效携带钻屑，钻井液一般是溶胶悬浮液，常常由四部分组成液相（可以淡水或盐水，或某种类型的油品）、固相（为增加体系密度，常用重晶石、碳酸钙等）、处理剂（用于调整钻井液的性能，常用各种有机或无机化学处理剂）、污染物（钻井中带来的岩屑及地层中的各种盐类等）。现代钻井要求钻井液具有一定的密度、黏度、以及含沙量等，并且需要能随着地层的变化作出相应调整。钻井液在钻井中的重要作用有如下9个方面。（1）清洁作用；可清洁井底、携带岩屑、保持井底清洁，避免钻头重复切削，减少钻头磨损，提高钻井效率。（2）冷却和润滑作用；可降低钻头温度，减少钻柱磨损，提高钻具的使用寿命。（3）平衡井壁岩石侧压力作用；防止井壁坍塌，避免坍塌卡钻，并可在井壁形成滤饼，封闭和稳定井壁，减少或避免钻井液对油气层的污染。（4）平衡和控制地层压力作用；以防止井喷、井漏，防止地层流体对钻井液的污染。（5）悬浮岩屑和加重剂作用；可降低岩屑沉降速度，避免沉砂卡钻。（6）传递水力功率作用