石油钻井.doc

第一章概述 第一节钻井技术发展史 人类最早的井是水井，是用手工工具挖井而成的，显然这还称不上“钻井”。人类历史上真正的钻井技术，诞生于距今大约2800年前的中华大地上，这就是顿钻钻井技术。现代钻井技术就是在我国古代顿钻钻井基础上发展起来的。至今，钻井技术的发展已经历了四个阶段。 一、大口径顿钻钻井 大约从西周末期(公元前8世纪)开始，随着冶铁业的发展，劳动工具的不断改进，特别是机械工具，如滑轮、杠杆、水雄等的发明与应用，在我国出现了顿钻钻井技术。顿钻钻井的地面设备，主要由踩架和井架组成。踩架上有雄板 (杠杆)。雄板一端悬挂着钻头，钻头是直接钻凿岩石的工具，雄板另一端供人踩踏，使钻头反复上提、下顿，产生冲击运动。井架是用来提捞吊升的支架，顶部横梁上装有滑轮。井下凿碎的岩石(即岩屑)使用捞砂筒用绳索提捞到地面上来。绳索穿过井架上的滑轮，一端连接提捞筒，另一端通过滚筒由人力牵引。由于需要人员在井下扶持钻头破碎岩石，并把岩屑装入提捞筒内等，所以井眼直径较大，大约5尺C尺、0. 33米)。所以称为大口径顿钻钻井。 二、小口径顿钻钻井 从北宋初年开始，我国古代顿钻技术又有了重大发展。所有工作都可由人在地面上操作完成，不再需要人员下人井下，所以井眼直径大大缩小。这就是小口径顿钻钻井，如图1-1所示。井眼直径只有碗口大小，称为卓筒井。为了清除井底钻屑，先向井内灌水与岩屑混合，然后下人底部带有活门的捞砂筒进行提捞。为了打捞掉入井下的物品，发明了多种多样的打捞工具。为了加固井壁，防止地层水的浸入，发明了木竹，即木制套管。由于井眼缩小，钻井速度大大加快，钻井深度大大加深。所以，卓筒井的出现，乃是钻井发展史上的一次重大技术革命。 时至清代，我国已形成了由“相井、开井口、下石圈、抽小眼、刮大口、扇泥、下木竹、锉小口、见功”等一套成熟的钻井工序，即从定井位、安装开钻直至出盐卤或油气，形成了一套同现代钻井相似的钻井工艺流程。1835年钻成的兴海井首次突破千米大关，被誉为“世界钻井史上的丰碑，。 英国著名学者李约瑟博士是研究中国古代科学技术发展史的专家，在他的著作中国科学技术史中列举的由中国传到欧洲的20多项重大发明中，就有钻井技术这一项。他说:“今天在勘探油田使用的这种钻深井或凿洞的技术，肯定是中国人的发明，比西方要早1100年”，又说:“中国的卓筒井工艺革新，在11世纪就传入西方，直到公元1900年以前，世界上所有的深井，基本上都是采用中国人创造的方法打成的”。 三、近代顿钻钻井 从19世纪中叶到20世纪初，西方国家应用工业革命的成果，在我国古代顿钻基础上，用蒸汽机做动力，采用钢铁设备和工具，采用钢丝绳代替竹绳或麻绳，形成了近代顿钻钻井，也称机械顿钻，如图1-2所示。1859年，美国人缀克CE. H. Drake)在宾夕法尼亚石油湾，使用蒸汽动力的绳式顿钻钻机钻出了美国的第一口具有开采价值的石油井，井深为21 .64米。直到20世纪以前，这种顿钻钻井技术，一直应用于各国的石油钻井。 四、旋转钻井技术 顿钻钻井的最大缺点是:每钻进30-50厘米，就需要把钻头提出来，下入捞砂筒捞取井底的钻屑，然后再下入钻头钻进，。整个钻进不能连续进行，所以钻进效率非常低。 20世纪前叶的1895年，一种全新的钻井方法旋转钻井，在美国得克萨斯州的Corsicana油田问世。通过转盘驱动钻杆，带动钻头旋转，连续破碎井底岩石，同时通过钻杆循环泥浆，连续不断地把钻屑带出地面。整个钻进可以连续进行，仅仅在加长钻杆时需要停顿。旋转钻井方法极大地提高了钻进效率。 1901年，美国在墨西哥湾的纺锤顶油田运用旋转钻井获得了日产10万桶的高产油井。旋转钻井方法的出现，是整个20世纪世界石油工业大发展的重要技术原因之一。而石油工业的发展和需要，又反过来促进了旋转钻井技术的不断发展和完善。20世纪40年代出现了井底动力钻具，不是通过转盘驱动钻杆带动钻头旋转，而是通过循环钻井液驱动井底动力钻具带动钻头旋转，破碎井底岩石。这样一来，旋转钻井就有两种钻井方式:转盘旋转钻井方式和井底动力钻具钻井方式。我国古代虽然发明了顿钻钻井技术，创造过历史的辉煌，但在近代钻井技术发展中却落在了后面。旋转钻井技术传入我国是在上世纪40年代，直到1949年全国仅有8台钻机。解放后我国钻井技术有了飞快的发展，特别是改革开放以后，钻井技术实现了全面的科学化，现在基本上达到了世界先进水平。 第二节油气井的分类 油气井的类别不同，钻井的要求就不同，钻进的难度也有很大区别。 一、按照钻井目的分类 按照钻井的目的不同，油气井可分为两大类:探井和生产井。进一步细分，见图1-3a 预探井是在一个区域或一个大的构造上钻的第一口井或第一批井。预探井是在对地下情况毫不知情的情况下钻的，俗称为“野猫井”。详探井是在预探井有所发现或取得重大突破的情况下，为了进一步了解地下情况而钻的探井。探边井是为了了解油田的横向面积大小而钻的探井。 基准井则主要目的是获取该区域的地层从上到下的详细资料，所以又称为资料井。基准井往往以钻取岩心为主，所以又称为取心井。根据基准井的资料，将建立该地区的标准地质剖面。当然，基准井如果发现油气显示，也可以中断取心任务，进行测试。例如我国大庆油田的松基三井，原设计井深3200米，打到1000多米时连续发现油气显示，试油时喷出原油，从而发现了大庆油田。 注水井和注气井，目的是通过该井向油气层注人水或气体，利用水或气驱动原油流向采油井中。开发初期的井网井距可能较大，之后在原井网中增加的称为加密井。对原井网进行调整而钻的生产井称为调整井。 此外，当某口井由于井喷着火无法控制时，可以在该井旁边安全范围处打一口定向井，打到喷井的喷发地层，进行引流或压井，从而制服失控的井喷。这种井称为救援井。2010年4月美国墨西哥湾震惊全球的钻井平台爆炸漏油事故，各种手段用尽均不能奏效，最后还是依靠救援井解决了问题。二、按照井眼轴线形状分类按照设计的井眼轴线不同，油气井也可分为两大类:垂直井和定向井。进一步细分见图1-40 垂直井，简称直井，是设计的目标点与井口处在同一条铅垂线上，因而井眼轴线是一条铅垂线。尽管实钻的井眼轨迹总是会偏离铅垂线，但仍然称为垂直井。 定向井，是设计的目标点与井口不在同一条铅垂线上。从井口到目标点的井眼轴线形状，可能有非常大的不同。所以定向井又可以细分为更多种类。 小斜度定向井的最大井斜角在15-35度。中斜度定向井的最大井斜角在35 -55度。最大井斜角超过55度称为大斜度定向井。 水平井是当井眼钻达目标层后，井斜角接近、达到或超过90度，并在目标层内延伸一定长度的井。这个“一定长度，通常要求大于油层厚度的6倍。水平井又可细分为长半径、中半径、短半径和超短半径水平井，还有径向水平井、侧钻水平井、分支水平井等等。 大位移井泛指水平位移很大的定向井(一般超过3000米)。国际上认可的大位移井，通常指平垂比(水平位移和垂深的比值)大于之为”亘官开” 三维多目标井，是指井眼轴线在三维空间内有大幅度的变化，并在进入目标层后继续宛转延伸穿过多个目标点的井。 三、按照井眼深度分类 这种分类通常是对垂直井而言的。在钻井术语中，井眼深度(简称井深)是指井眼的长度。对于设计的垂直井，井深与垂深完全相等。按照这种分类，油井可分为五类:浅井、中深井、深井、超深井和特超深井。浅井是指井深小于2500米的井。中深井的井深在2500-4500米。深井的井深在4500-6000米。井深超过6000米，称为超深并。井深超过9000米，称为特超深井。 这种分类的意义在于根据井深选择钻机。例如，超深井必须选用9000米钻机，深井贝J应选用6000米钻机，中深井则可选择4500米或3500米钻机。 第三节井身结构 井身结构，是一口井工程设计的最基础的内容，也是其他工程设计(例如钻头、钻柱、钻井液、轨迹控制、固井完井等设计)的依据。 要了解一口井的情况，首先要看该井的井身结构。对于非专业人员来说，学会并看懂井身结构，非常重要。通过井身结构，你会知道该井的许多基本情况。图1-5是一个典型的井身结构图，表1-1给出该井身结构的有关数据。 首先，在正式开钻以前，要先钻导管井段并下入导管，为正式开钻做好井口准备。导管上端有一个“喇叭口”，可以引导钻头进入。导管的一侧有一个“溢流管，可以引导从井内返出的钻井液流到钻井液净化装置。 正式开钻是从钻进表层套管井段开始。我们看到该井要进行四次开钻，分别是一开、二开、三开、四开。“一开”，字面意义是“第一次开钻”，而且人们把整个表层套管井段的钻进，都称为“一开”。其余各次开钻也可类似理角军。 其次，我们看到，除了导管外，该井还要下入四层套管，分别是表层套管、技术套管1、技术套管2和油层套管。 表层套管的作用是封固表层的不稳定地层，例如流沙层、浅气层、砾石层等;并封隔浅层的饮用水层，使之不受污染。同时，表层套管头上可以安装防喷器，为后续钻进高压地层防止井喷建立必备的条件，而且以后各层套管的重量都要悬挂在表层套管头上，表层套管还要支撑整个井口装置以及采油树的重量。所以表层套管的水泥浆要充满整个环形空间，返出地面。 油层套管的作用，主要是巩固油气层井段的井壁，并把油气层与其同地层封隔起来，防止互串，为以后油气生产建立通向地面的通道。 技术套管的作用，是封隔井壁不稳定的地层和压力不稳定的地层。对付井壁不稳定和压力不稳定的方法，首先要靠钻井液这个“液体工具”以及其他钻进措施。但是，当钻井液和其他钻进措施解决不了时，最终的方法就是下套管封隔这些地层。可以看出，这种套管是出于钻井技术的需要而下入的，所以称为技术套管。显然，如果采用钻井液技术和其他钻进措施，能够顺利钻过这些地层，这些技术套管就没有必要下入。所以，技术套管是否需要下人，需要下人几层，既与钻遇的地质条件有关，也与施工队伍的技术水平有关。在简单地质条件下，可以一层技术套管都不需要。在复杂地质条件下，可能需要许多层技术套管。 从井身结构我们还可以看到更多的信息:每次开钻的钻头尺寸和钻进的深度;每层套管的尺寸和下人深度;还有每层套管固井时水泥浆的上返深度。所有这些信息，都是钻头设计、钻柱设计、套管柱强度设计、固井设计等的重要依据。 井身结构的设计，是一个非常复杂的问题，需要考虑的因素很多。首要考虑的因素是井内压力不稳定问题。钻井术语中称没有下套管的井段为“裸眼”。当许多地层同时处在一个裸眼中时，他们对钻井液的密度和其他性能的要求就会不同。高压地层要求钻井液密度要高，低压层则要求要低。按照高压层确定钻井液密度，低压层就会“井漏”;按照低压层确定密度，高压层则会“井喷，。即使是同一个地层，钻井液压力小于地层压力就会“井喷”，大于该地层的破裂压力又会压漏地层出现“井漏”，而且井内压力过大还会导致压差卡钻。更为复杂的是，不仅是钻井液密度影响钻井液压力，在起下钻具时，钻头就像一个“活塞”在井眼内运动，钻具上提时会造成“抽吸”，使压力下降;下放时会造成压力激动，使井内压力增大。另外，溢流关井也会引起压力增大。 一、钻前准备 包括钻前工程和搬迁安装。钻前工程主要是井场的准备，包括:平整井场，构建设备基础，水管线铺设，井口和钻井液池的准备等。另外，钻前工程还包括通向井场的道路的修建。井场准备好后，就可以搬迁安装钻井设备，调试和试运转，准备开钻。 二、各井段的钻进和固井 这个阶段的主要任务就是要钻出井眼并巩固井眼，并且要根据井身结构分段钻进和固井。这是一口井施工的最基本的阶段。 钻进，就是利用钻井设备驱动钻柱，带动钻头破碎岩石，不断加深井眼。同时要充分使用好钻井液这个液体工具，携带岩屑，保护井壁，平衡地层压力，确保井眼安全。每钻完一个钻杆单根，需要接单根。钻头由于磨损而不能继续钻进时，需要起下钻更换钻头。这个阶段的主要作业就是钻进、接单根、起下钻。 整个井段钻完之后，就是固井。固井分为三个步骤:下套管、注水泥、候凝。套管是用无缝钢管做成，一个单根大约10米长，两端有公母螺纹，可以连接成套管串下入井下。为了使套管顺利下入和注水泥的需要，套管串上还要有引鞋、套管鞋、回压阀、承托环等。为了确保套管处在井眼中心，在套管外面还要安装扶正器。 注水泥要由专门的队伍固井队来完成，钻井队协助其工作。地面上有一套专用的配制水泥浆的设备，如图1-7所示。水泥粉俗称“洋灰”，所以人们把装水泥粉的罐称为“灰罐”，把水泥粉从漏斗中漏下来称为“下灰”。把干水泥粉下到漏斗中，漏斗下有高压水流通过，立即混合成为水泥浆。然后，由固井泵吸入并注入到井口的水泥头。注水泥浆的流程，可参看图1-8，在注水泥浆前要充分循环钻井液(图1 -8a);然后注入隔离液和水泥浆，水泥浆推动下胶塞下行 (图1 -8b);当预先计算好的水泥浆注入完后，注入顶替液推动上胶塞，上胶塞推动水泥浆继续下行(图1 -8c);继续注入顶替液，下胶塞被承托环阻挡，水泥浆通过单流阀，并从套管鞋处返到环形空间(图1-8d);最后，直到上胶塞也到达承托环处，与下胶塞相碰，此时注入压力突然升高，称为“碰压”，整个作业立即结束. (图1 -8e)。注水泥浆结束以后，胶塞以上的水泥浆全部进入到环形空间。下面的工作就是等候水泥浆凝固。大约48小时以后，水泥浆基本上凝固为水泥石，把套管和井壁凝固为一个整体。 固井结束后，即可进入下一次开钻。在下一次开钻前，还要先把套管内的胶塞、承托环、回压阀、管内的水泥石以及引鞋，用钻头钻掉。 整个第二阶段，经过多次开钻和固井，一直延续到钻开油气层之前。 三、完井 完井阶段是从钻开油气层开始，直到交井(把井及其所有资料交给甲方)。完井阶段的工作主要有:钻开油气层、井底完成、井口完成、诱导油流、完井试油等。对于初探井，完井的这些工作通常都由钻井队完成。但对于生产井，只要完成前三项即可交井，后面的诱导油流和完井试油工作，都由专门的试油队来完成。这样可以缩短钻井周期，提高钻机使用效率，钻更多的井。 1、钻开油气层 油气层的钻进与其他地层的钻进方法是完全相同的，但需要特别注意的就是要千方百计保护好油气层，尽可能减小钻井过程对油气层的污染和损害。要把保护好油气层放到第一位。在钻进油气层中，需要注意以下几个问题: (1)为了保护好油气层，首先要对油气层的各种特性进行试验研究和评价，还要对可能使用的钻井液、完井液进行试验研究和评价，从中选配出与油气层相配伍的损害最小的钻井液和完井液。 (2)特别注意选用钻井液的密度。密度大了会损害油气层，严重时可能压死油气层;密度小了有可能引发井喷，而油气层井喷多数会导致爆炸着火。钻井液密度所形成的压力，必须恰如其分，对油气层来说，要做到“压而不死，活而不喷，。 (3)减小钻井液的压力波动。影响钻井液压力的，除了密度以外，还有钻井作业操作中引起的压力波动。例如，起钻的抽吸作用，下钻和开泵时造成的压力激动，还有循环压力也会使压力增高。需要制定和执行减小压力波动的措施。 (4)减小对油气层的浸泡时间。在钻进中，要完全避免钻井液对油气层的污染和损害是不可能的，我们只能想办法尽可能地减小这种污染和损害。浸泡时间越长，则污染和损害就越严重。所以，一切工作都要井然有序地尽快完成。 (5)如果在油气层固井，要特别注意减小水泥浆对油气层的污染和损害。改善水泥浆的性能，减小固井中的水泥浆压力，缩短水泥浆的凝固时间。 2、井底完成 完井阶段的第二项工作是井底完成，即井底装置的施工。井底装置施工的目的在于在井眼和地层之间建立一个可供油气流动的通道，便于油气进入井眼。井底应该有什么样的装置?这又涉及完井方法问题。完井方法是一个较为复杂问题。完井方法有多种多样，常见的完井方法，如图1-9所示。 射孔完井，如图1 -10所示，钻开油气层后，下套管(或尾管)并固井，把油气层完全封固起来，然后从套管内下入射孔工具，对着地层射孔，把套管和水泥环射穿，并达到地层一定深度。这样，地层里的油气就可以沿着射孔孔眼流到井眼内来。 裸眼完井，如图1 -11所示，不下入任何管件和装置。钻开的油气层完全裸露于井眼中，油气可以自由进入井眼。裸眼完井有两种做法:一种是先把油层套管下入到油气层的顶部，然后再打开油气层，这种做法称为“先期裸眼完井”;另一种做法是先钻开油气层，然后把套管下到油气层顶部，这种做法称为“后期裸眼完井，。 衬管完井，如图1 -12所示。衬管完井也有两种做法:一种是在先期裸眼完井的基础上，在油气层下入衬管并把衬管悬挂在油层套管下端;另一种做法，与后期裸眼完井类似，但在套管前端连接衬管，衬管段不注水泥浆。衬管有两种类型，一种是割缝衬管，一种是钻眼(也称为贯眼)衬管。 砾石充填完井，如图1-13所示，这种完井方法也有两种做法:一种是在先期裸眼完井的基础上，先把油层井眼扩大，按后下入绕丝筛管，并在筛管外面充填一定粒度的砾石;另一种做法是在射孔完井的基础上，在油层内下入绕丝筛管，并在筛管外面充填砾石。每种完井方法各有利弊，需要根据油气层产能大小、井壁是否稳定、是否需要防砂以及其他增产措施和井下作业的需要等因素，选择一种最适合于该油气层的最优完井方法。 3、井口完成 完井阶段的第三项工作是井口的完成，即井口装置的施工。实际上在钻进中也有井口装置，但与完井井口装置不同。完井井口装置包括三部分:套管头、油管头和采油树。 这里所说的套管头，实际上是指各层套管头组合在一起的总成，如图1一14所示，一层套管都是悬挂在上层套管的套管头上，并与上层套管之间进行锁紧可密封。套管的悬挂通常是采用锥面卡瓦悬挂，但表层套管通常采用螺纹连接或焊接方式与套管头连接。套管头的主体是一个四通，两侧还有输入和输出管线、开关闸门以及压力表等。油管头的主要作用是悬挂油管柱，油管柱的悬挂多数采用锥面卡瓦，管头之上也有采用螺纹连接，如图1 -15所示。油管头装在套采油树再装在油管头之上。三者之间的连接，都是采用法兰盘螺栓连接。 采油树的作用是控制油井的生产。打开采油树的生产闸门，采油树就会像圣诞老人那样慷慨地为人们送来极其珍贵的礼物石油，所以在西方国家，人们把采油树称为怪诞树，。 第二章钻井的基本组成 第一节钻井作业队伍 一说到钻井队伍，人们很容易想到钻井队。事实上，钻井队伍是一个复杂的系统，除了钻并队以外，还有许多多的辅助部门、管理人员和科研人员。钻井队伍的组织系统，可参看图2-1。 钻井队伍的组成，是以钻井队为核心。所有的辅助单位和技术部门、科研部门都是为钻井队服务的，他们的工作安排都是围绕钻井队的生产需要进行的。钻井技术部门，主要由钻井工程技术人员组成，负责钻井工程的设计和技术工作，负责处理钻井队解决不了的重大技术问题。 第二节地面钻井设备 当我们走近一个井场，就会看到耸入云霄的井架和一大堆轰鸣震耳的机器。这就是我们要讲的石油钻井设备，总称为钻机。井场的每一件设备都有它的用途，都是根据钻井作业的需要而配置的。一般机器设备，都是由三部分组成:动力机和传动装置;工作机系统;控制装置。石油钻井设备也是由三部分组成。另外，还有一个很重要的工作系统是井控系统。钻井地面设备的组成，见图2-2。地面设备示意图见图一、动力机及传动装置 由于钻井是野外独立作业，所以使用的原动力，通常都是自带的大功率柴油机组。柴油机组输出的功率由扭矩和转速两个参数构成。功率的大小则根据钻机的轻暖而不同。 动力机的驱动方式也有各种类型。有些小型钻机，由柴油机经过传动装置，直接驱动工作机。较大型的钻机，通常是柴油机组带动发电机组发电，经过整流后再，带动电动机，由电动机组再驱动工作机。 动力机除了驱动工作机外，还要供给井场照明、水泵、油泵、电焊以及生活用电的需要，所以不管采用哪种驱动方式，设备中总要有独立发电机组。可见，井场的动力机就像一座自成系统的独立的小工厂。 二、工作机系统 1、起升系统 起升系统包括:井架、天车、游动滑车、大沟、水龙头、绞车以及钢丝绳。起升系统的主要作用是提升和下放井内的管柱(钻柱、套管柱、油管柱等)。其中最频繁的是起下钻柱:一个单根钻杆钻完后需要接单根时，一个钻头磨损需要更换钻头时，一个井段钻过后需要划眼时，都需要起下钻柱。井架越高，起下作业的效率就越高，这就是需要高高的井架的原因。 2、循环系统 循环系统的作用就是循环钻井液。钻井的循环系统就像人体的血液循环系统一样。人的血液是从心脏打出，经过动脉血管，流人肺脏和其他脏腑以及全身各处，最后经静脉血管又返回到心脏，这是一个闭合的回路。钻井循环系统可参看图2-4，钻井泵相当于心脏，其流程为:钻井泵叶地面管汇叶立管叶水龙带叶水龙头叶进入钻柱水眼叶从钻头的水眼喷出叶进入环形空间叶流出地面叶进入钻井液净化装置叶钻井液池叶上水管线叶钻井泵。这也是一个闭合回路。 钻井液的循环，起着类似人体血液循环的作用，是极其重要的。我们在稍后还要重点介绍。 3、旋转系统 旋转系统包括:转盘、水龙头和方钻杆。旋转系统的主要作用，是用转盘通过方钻杆，驱动钻柱带动钻头旋转。旋转钻头的目的乃是破碎井底岩石，加深井眼。钻头破碎岩石的过程，就是钻头的切削齿在钻压作用下吃入井底岩石，同时进行旋转而完成的。这个过程实际上传给钻头一定的扭矩和转速，也就是传给了钻头破碎岩石的功率。正是由于采用旋转钻头的方式破碎岩石，所以这种钻井方式被称为“旋转钻井”。随着技术的发展，旋转系统也出现了新的形式顶部驱动装置，简称“顶驱”，如图2-5所示。顶驱装置是在起升系统的大钩水龙头下面，附加上可以旋转的功能。顶驱旋转系统比转盘旋转系统更为先进。利用顶驱旋转钻柱，带动钻头旋转钻进，具有很大的优越性，可以接立根进行钻进，一个立根长达24一28米，大大提高钻进效率。利用顶驱装置，还可以在起下钻过程中的任何时刻，进行划眼，而且可以正划眼，也可以倒划眼。对于处理井下复杂情况特别有利。 还有一种旋转钻头的方法，不是利用地面设备，而是利用连接在钻头上面的“井下动力钻具”。这种动力钻具我们将在随后介绍。 上述的起升、循环和旋转三大工作机系统，可以完成钻井正常作业需要的起升、旋转循环三大基本功能。我们还可看出一个特点，三大工作机系统中都有水龙头，水龙头乃是三大工作机的交汇点。这是一个非常重要的机器部件。 三、钻机运行控制系统 钻机运行控制系统，简称控制系统，是贯彻人的意志，指挥动力机、工作机以及传动装置的开、关、离、合、并车、倒车、换挡、调速等等动作的系统。通过控制系统，地面所有设备变成了一个有机结合、统一行动的整体。 考虑到安全可靠的因素，石油钻井设备通常采用气动控制系统，该系统包括:空压机、储气瓶、气动马达、活塞汽缸组合、气动离合器、气管线以及各种控制阀件。有些钻机考虑到较为复杂的控制或远程控制的需要，采取气动控制与电液控制相结合的控制系统。 四、井眼压力控制系统 井眼压力控制系统，简称井控系统，是一种特殊的工作机系统，在钻井正常作业期间并不工作，只是在井下压力出现不稳定溢流、井喷等情况时才工作。井控系统的作用是控制井内压力，防止地层流体无控制地进入井内。井控系统如果失灵，或者控制不当，就可能现井喷失控，进而导致爆炸着火的严重事故。所以井控系统是保证安全生产的极为重要的系统。 井控系统包括:防喷器组、四通、压井管汇、节流管汇以及专用的井控控制系统和控制面板。井控系统的核心是防喷器组，如图2-b所示。防喷器组包括:半封闸板防喷器、全封闸板防喷器、剪切防喷器、环形防喷器。半封闸板防喷器用于封闭钻杆和井眼之间的环形空间。全封闸板防喷器用于封闭没有钻柱的空井。剪切防喷器可在紧急情况下将井内钻柱剪断或挤扁从而封住井眼。环形防喷器可以封闭除了钻杆本体以外的任何管柱和缆线，例如钻挺、钻杆接头、测井电缆和钢丝绳等。所以环形防喷器又称为万能防喷器。但万能防喷器的缺点是封闭压力较低。还有一种防喷器是旋转防喷器，是在欠平衡钻井中才使用。第三节钻井工具和仪器 一、钻头 钻头的作用就是钻碎井底岩石，从而使井眼加深。一口井的钻进速度，首先取决于钻头的优劣。好的钻头，应该是与所钻的岩石特性相匹配的钻头。岩石有软有硬、有粗有细、有塑性的有脆性的等等。针对不同的岩石，就应该使用不同的钻头。目前已经广泛应用的钻头，可分为三大类:刮刀钻头、牙轮钻头和金刚石钻头。 1、刮刀钻头 图2-7所示，为通常使用的三翼阶梯式三刮刀钻头。其组成有:钻头体、刀片、喷嘴三部分。刮刀钻头的破岩机理类似于推土机。钻进时，刮刀的刀刃在钻压作用下吃入岩石，然后在钻柱扭矩的作用下，使被吃入的岩块破碎并离开母体。刮刀钻头只能适用于较为松软的塑性岩石，通常只用于2000米以内的浅井或浅层井段。 为了增大刮刀刀刃的耐磨性，在刀刃底面和侧面上焊有硬质合金。为了提高破岩效率，刮刀钻头的刀冀数量、刀片的形状和结构，都需要经过科学的优化设计。喷嘴的作用是钻井液从喷嘴高速喷出，形成射流，可以清洗井底，辅助破碎岩石。 2、牙轮钻头 牙轮钻头的形状如图2-8所示，其结构分为:钻头体、巴掌、牙轮、轴承和喷嘴。巴掌和轴承的轴颈做成一体，巴掌的上部与钻头体焊接，牙轮套在轴颈上，用轴承的滚珠和滚柱锁在一起。牙轮可以绕着轴颈灵活转动。 牙轮钻头的破岩机理类似于履带式拖拉机在马路上行走，在马路上形成破碎坑。在钻进时，牙轮表面上的牙齿在钻压作用下就会压入岩石，形成破碎坑，然后在扭矩作用下，牙轮在井底滚动，将破碎坑中的岩屑“剔出”。 牙轮钻头的牙轮和轴承，需要经过精心设计，使牙轮钻头可以适应中硬地层和硬地层。牙轮钻头的主要缺点是在松软的塑性岩石中钻进容易发生“泥包”，即岩屑充填并塞满牙齿的间隙，不仅使牙齿无法压入岩石，还会使牙轮无法转动。 3、金刚石钻头 金刚石钻头，顾名思义，就是使用金刚石作为切削刃的钻头。目前常用的金刚石钻头分为两大类。一类是镶装式金刚石钻头，一类是PDC钻头。 镶装式金刚石钻头，如图2-9所示。其结构包括:钻头体、钢体、胎体、金刚石。在胎体上留有水眼和水槽。此类钻头采用的是天然金刚石颗粒。将金刚石颗粒表镶于胎体表面，露出一定高度，称为表镶式金刚石钻头;将金刚石颗粒与胎体的硬质合金粉混合后烧结在一起，称为孕镶式金刚石钻头。此类金刚石钻头钻进时，依靠金刚石颗粒露出部分，压入并磨削岩石，就像砂轮磨削金属那样。此类钻头可适用于很硬的地层。 PDC钻头使用的是人造金刚石。如图2-10所示。PDC钻头的碎岩机理与刮刀钻头类似，所以，PDC钻头适用于中硬地层。 金刚石是地球上硬度最高的矿物，耐磨性非常高，所以金刚石钻头和PDC钻头的进尺比牙轮钻头要高得多。特别是PDC钻头，一只钻头进尺都在千米以上，而且钻速很高，被称为“高效钻头”。但是，金刚石有两个最大的缺点，一是遇到冲击振动很容易脆裂，二是在较高温度下容易“碳化”。所以在使用中要特别注意。 二、钻柱 钻柱，是由各种管件连接起来的、下端连接钻头、上端一直延续到井口与方钻杆相连接的一个长长的“管柱”，如图2 -11所示。 钻柱的主体部分是钻杆和钻挺。钻杆部分由钻杆单根连接而成。钻挺部分通常连接在钻杆的下面。钻挺的特点是壁厚很大，因而每米重量很大，主要作用是给钻头加压。还有一种介乎钻杆和钻挺之间的管件，称为加重钻杆，见图2 -11右面的图，主要用于定向钻井。 除了钻杆钻挺以外，钻柱上还会根据需要连接有:扶正器、扩大器、震击器、减震器，以及随钻测量仪器等。钻柱各部分之间的连接，通常都要有配合接头。 这样一个长长的“管串”有什么用呢?其主要功用可归纳如下: (1) 利用钻柱把钻头送到井下，把已经磨损的钻头起来，更换新的钻头下去。 (2) 利用钻柱给钻头施加钻压和扭矩，给钻头传递破碎岩石所需要的功率。 （3）钻柱是中空的，可以循环钻井液; (4) 利用钻柱可以把其他井下作业的工具仪器(例如捞工具、测井仪器、测试装置等)送入井下，进行特殊井下作业。 (5) 随着井眼加深，钻柱也跟着加深，所以利用钻柱 长度可以测量井深。三、井下动力钻具 在机器中有一种互逆机器，例如，电动机和发电机互逆，水轮机与离心泵互逆。同样，井下动力钻具与轴流泵互逆:轴流泵的心轴旋转起来就可以从入口把钻井液吸进去并从出口打出去;井下动力钻具贝J是钻井液从入口流进出口流出，就可以驱动心轴旋转起来。 井下动力钻具处在钻柱最下端与钻头连接。在钻井液循环时，驱动动力钻具的心轴旋转起来，从而带动钻头旋转破碎岩石。值得注意的是，用井下动力钻具钻进，整个钻柱都可以不旋转。这种钻井方式，在定向钻井轨迹控制中，具有特殊的优越，l生。 目前已经广泛应用的井下动力钻具有两种类型:涡轮钻具和螺杆钻具。图2 -12所示为螺杆钻具示意图。还有一种电动井下动力钻具，于20世纪60年代在法国和前苏联曾试用过。由于其通电困难，一直未能推广。 四、井口操作工具 井口的操作工具是指起下钻、接单根等作业的工具，可概括为“三吊一卡”，即:吊钳、吊卡、吊环和卡瓦，如图213所示。另外，起下钻挺时还需要有专用的安全卡瓦和提升短节。下套管和起下油管时，还需要专用的吊卡、卡盘等。 五、钻井仪器仪表 传统的钻井仪器主要有三个，即:指重表、泵压表和扭矩仪。指重表设在司钻的对面可以显示钻柱的重量。钻柱全部悬吊起来的重量称为悬重。如果把钻柱下面的一部分压在钻头上，就是钻压，上面被悬吊的部分重量称为钻重。显然，钻压等于悬重减去钻重。司钻就是这样知道加给钻头的钻压有多大。泵压表可指示钻井袋的输出压力，扭矩仪可以指示大钳上扣的扭矩。 随着钻井技术的发展，现在还出现了井控信息、井下信息和随钻测量等大量钻井仪器仪表。 第四节钻井液 钻井液俗称泥浆，是钻井中一种非常重要的特殊工具，我们可称之为液体工具。我们先来讲讲这个液体工具的主要功能，了解它的重要性。 一、钻井液的功能 (1) 携带岩屑。钻井液的首要功能，是通过钻井液的循环，把岩屑从井下携带到地面上来。这样才能保持井底清洁，使得钻进连续不断地进行。这是旋转钻井区别于顿钻钻井的重要标志之一。 (2) 悬浮岩屑。在起下钻和接单根的过程中，钻井液的循环必须中断，钻井液中的岩屑，就会有下沉的趋势，如果下沉严重就会聚集起来，堵塞井眼，形成卡钻。所以钻井液应该具有悬浮岩屑，使之不会很快下沉的功能。 (3) 稳定井壁。钻井液中的液相渗入地层后，会在井壁留下一层泥饼。泥饼会阻止钻井液中的液相继续进入地层，减轻对地层岩石的浸泡。同时，钻井液的压力，给井壁岩石一个支撑力。这些都有助于稳定井壁。 (4) 平衡压力。利用钻井液的压力，平衡地层中的流体压力，阻止地层中的流体(油、气、水)进入井内。这就是非常重要的压力控制问题。特别是高压地层中的流体，一旦失去压力平衡，就可能导致溢流、井喷。 (5) 冷却和润滑钻具。钻头和钻柱在破碎岩石过程中，要与井底和井壁岩石发生摩擦碰撞，从而产生大量的热。如不能及时冷却，钻具将会很快被烧坏。钻井液的循环将带走这些热量，同时还起到润滑的作用，有效地保护了钻具。 (6) 向井下传递功率。钻并液的液体功率传递给并下动力钻具，可以驱动钻头破碎岩石。而且，液体功率传递给钻头喷嘴，转换成射流水功率，可以辅助钻头破岩，这就是喷身寸钻井的原理。 (7) 传递井下信息。通过钻井液循环，及时地把岩屑以及进入井眼中的地层流体携带到地面上来，而且钻井液从井下返回后的性能变化，都可以间接地反映井下地层的信息。这就构成了钻井液录井。 随着钻井技术的发展，钻井液的功能还在扩大。例如近年来发展的随钻测量技术，井下测量的大量数据，就是依靠钻井液的脉冲压力信号，及时地连续不断地传递到地面上来的。 二、钻井液的性能 钻井液在钻井中具有如此多的功能，所以人们称之为“钻井的血液”，这也表明了钻井液的重要性。那么，钻井液要实现这么多的功能，它应该具有什么样的性能呢?概括起来，钻井液应该具有如下三个主要特性: 1、密度可以大范围调节 钻井液密度就是单位体积含有的钻井液质量。钻井液的压力与其密度成正比。调节钻井液密度，实际上就是调节钻井液的压力。地层压力大，要求钻井液密度大。有的地层压力很大，需要钻井液的密度达到2. 2千克/升以上。而有的地层压力很低，需要钻井液密度比水的密度还要小。所以，好的钻井液首先要能够满足平衡地层压力的要求。 2、具有非常好的护壁性 钻井液与井壁岩石接触时，钻井液中的自由水会渗入地层中，并在井壁上留下一层泥饼。好的泥饼应该是“薄、密、韧”，即泥饼厚度薄，结构致密，且具有较大的韧性。这样的泥饼将会阻止自由水继续渗入地层。钻井液中的自由水渗入地层，称为失水。失水量越少，对地层岩石的浸泡就越小，井壁保持暂时稳定的时间就越长，越有利于保护井壁。 3、具有非常好的流变性 钻井工艺对钻井液性能的有些要求，似乎是互相矛盾的。例如，我们希望钻井液循环时阻力要小，因而希望其勃度越小越好;同时我们希望钻井液在静止时，岩屑和加重材料不要下沉，因而希望其勃度越大越好。钻井液应该具有这种特性，流动起来勃度很小，静止下来就会变得勃度很大。这种特性的专业术语，称为剪切稀释特性。这种特性是因为流动而变化的，所以称为流变性。 除了上述三个主要特性外，钻井液还有一些其他性能要求，倒如含砂量、pH值等。 三、钻井液体系 从上述钻井液的功能和特性看，对钻井液的要求是非常苛刻的，要完全满足和实现这些功能和特性，是非常困难的。 看起来并不起眼的钻井液，实际上是一种非常复杂的，由液、固、气多相组成的，既是悬浮又是分散的流体体系。这种体系是添加了多种处理剂并按照严格配方配制而成的。钻井液的性能不应该随着温度压力而变化，而且具有抵御外来物质污染的能力。目前，钻井液体系已经发展为水基、油基和气基三大类，每大类又可分为许多小类，见图2 -14。钻井液技术已经发展成为一门独立的应用学科分支。 第三章钻井技术简介 我国的现代钻井，在20世纪80年代以前基本处在经验钻井阶段，从80年代初开始进入科学化钻井阶段。我们在本章所讲的钻井技术，绝大多数是科学化钻井阶段发展起来的。 第一节钻井工程的基本技术问题 尽管井有各种各样的类型，但所有的井在钻进过程中都将遇到相同的技术问题，我们称之为基本技术问题。概括起来有五个方面。 一、提高钻速问题 提高钻速的本质，是高效破岩，快速形成井眼。钻速提高，就意味着钻井周期缩短，钻井成本跟着下降。所以，如何不断地提高钻速，这是钻井技术发展的永恒主题之一。 高效破岩的首要条件是要有与地层岩石相匹配的高效钻头。其次，要给钻头供给足够的用于破岩的能量，以及合理的钻进参数。第三，要有高效的清洗井底和携带岩屑技术，及时地把钻碎的岩屑冲离井底并运送到地面上来。从钻井技术诞生以来，人们就是沿着这个思路，不断地进行研究和革新，使钻速不断提高。 二、井壁稳定问题 井壁上的岩石，在井眼钻出之前是在周围岩石的高压作用下，处在静力平衡状态。在井眼钻出之后，井壁岩石的一侧失去了原来岩石的压力支撑，另一侧贝J仍保持着原来的压力。于是，井壁岩石处在不稳定状态。 井壁岩石不稳定的首要因素是地层岩石的特性。脆性的或胶结不好的岩石，将发生掉块坍塌，使井眼扩大，形成“大肚子”。塑性地层在地层压力作用下，将向井眼内流动，使井眼缩小，形成“细脖子”。 导致井壁不稳定的第二个因素，是钻柱和钻头在井眼内的运动。钻柱的旋转，将对井壁产生剧烈的碰撞和切向摩擦;起下钻和划眼过程中钻头和钻柱的轴向运动，将对井壁岩石产生轴向摩擦和刮擦。 第三个因素是钻井液中的水与井壁岩石相互作用，会使一些井壁岩石(例如泥页岩)水化膨胀，或者造成井眼缩小，或者因水化而强度降低，导致井壁坍塌。塑性地层产生缩径，造成井壁不稳定。此外，地层被钻开后，钻井液的滤液进入地层，引起地层孔隙压力增高，岩石强度降低，加剧了井壁不稳定性，另一方面一些地层遇钻井液发生水化膨胀 (如泥页岩)、蠕变(如盐膏层等，从而导致缩径等问题。所以，钻井液使用不当，将会大大加剧井壁的不稳定。 我们知道，岩石是具有一定强度的。所以当井眼刚钻开后，井壁岩石处在不稳定状态，但不会马上垮塌或缩径，而是处在暂时稳定的状态。岩石强度不同，维持这个暂时稳定的时间长短是不同的，甚至差别是很大的。这个暂时稳定的状态，就给钻井工作者提供了解决井壁不稳定问题的时间。钻井工作者的任务，首先就是要在钻进过程中，想方设法延长这个暂时稳定的状态，确保钻完预定的井眼长度。完成这个任务，主要靠钻井液。钻井液具有一定的密度，因而具有一定的液体压力，可以对井壁岩石提供一定的支撑力。能够维持井壁岩石不发生坍塌的钻井液压力，称为坍塌压力。显然，岩石不同，坍塌压力也是不同的。 保持井壁岩石的暂时稳定，不仅需要有合适的钻井液密度提供足够的坍塌压力，而且还要针对井壁岩石的特性，配制恰当的钻井液成分和性能，尽可能减小对井壁岩石的水化作用。 显然，钻井液是对付井壁不稳定问题的一大法宝。但是这个法宝不是万能的。地层岩石是多样的、极其复杂的，一种钻井液不可能同时应付多种不同特性的岩石。在这种情况下，就需要使用第二个法宝下套管固井。在井眼内下入钢管，并在钢管和井壁之间的环形空间注入水泥浆，使钢管与地层形成一个整体，人为地建立一个钢管井壁。 三、井眼压力稳定问题 地层中有油、气、水等各种流体。地层流体具有的压力称为地层压力。井眼钻成以后，地层流体就会在地层压力的作用下，流到井眼内，并流到地面上来。这就是溢流，如果溢流失控就会成为井喷事故。为了防止溢流，可以提高钻井液的压力，平衡地层流体的压力。这是保持井眼压力稳定的一个方面。 另一方面，如果钻井液压力过高，可能把某些地层压裂，形成裂缝。地层刚刚被压裂时的压力称为破裂压力。地层被压裂后，井眼内的钻井液就会顺着裂缝大量流向地层内部，形成井漏。井漏的结果是，不仅损失了宝贵的钻井液，而且会堵塞油气层的孔道。 各种地层由于结构、深浅以及形成条件的差别，地层压力不同，破裂压力也不同。在钻井过程中，井眼内钻井液的压力，会有较大的变化。钻井液循环和下钻会使压力增大，起钻时的抽吸会使压力减小。所以，井眼压力的平衡稳定，就像杂技演员走钢丝一样，稍有差池，不是井喷，就是井漏。 更为严重的是，如果先出现井漏，井眼内液面就会下降，钻井液压力大大降低，就会导致某些地层压力较高的流体流出，形成溢流或井喷。有时在处理溢流或井喷时，如果钻井液压力过大，又会压漏某些地层，导致井漏。这种漏喷交替，石油工人称为“上吐下泻”。 要保持井眼压力稳定，最重要的手段是调整钻井液的密度，控制钻井液的压力。这是一项极其复杂的技术。钻井要穿过的地层是多层系的，各层的地层压力和破裂压力都可能是不同的。对于每个地层，地层流体压力、地层破裂压力，还有前面讲过的井壁坍塌压力，构成一个“压力窗口”。通常破裂压力总是大于地层压力和坍塌压力。所以窗口的上限是破裂压力，下限是地层压力或坍塌压力。钻井液的压力必须小于地层破裂压力，大于地层流体压力和井壁坍塌压力。由于地层特性的多样和埋藏深度等因素，不同地层的压力窗口的宽度有很大差别。有的地层压力窗口非常狭窄，使钻井液密度的选择范围非常小。在钻进这样的地层时稍有不慎，不是井喷就是井漏，还可能发生井塌或缩径，井塌和缩径又会导致卡钻。这种连锁反应就像多米诺骨牌一样，使井眼越来越复杂。 井漏、井喷、井塌和卡钻，人们简称为“漏、喷、塌、卡”，是钻井过程中的四大复杂情况，都与压力不稳定有关。这四种复杂情况如果不能及时解除，就会导致严重的井下事故。 解决井眼压力稳定问题的困难，还在于很多情况下是“遭遇战”。人们对地层压力、破裂压力和坍塌压力不可能事先准确知道，只有出现了复杂情况，并经过摸索处理才能逐渐掌握。 所以，每一口井从井身结构设计开始就应重视这个问题，在钻进过程中要进行地层压力预测和检测，要控制好钻井液密度，要制定减小压力波动的措施，要有一整套井控设备、物资和预案措施;还要有一套堵漏、压井技术等等。 四、轨迹控制问题 按照轨迹形状分类，井可以分为垂直井和定向井两大类，这两类井的轨迹控制要求和方法也就有较大差别。 垂直井的设计轨迹是一条铅垂直线，轨迹控制要求就是要使实钻轨迹垂直向下，尽可能不要发生偏斜，井底位置不要发生大的偏移。所以，钻井工作者把垂直井的轨迹控制，称为“防斜打直”。 定向井的设计轨迹是一条空间曲线，并规定了钻达最终目标地层时的一个目标区。轨迹控制要求就是要使实钻轨迹尽可能沿着这条空间曲线前进，最终进入规定的目标区内。 井眼轨迹控制，并不像在钻床上钻孔那样容易。井眼是用长达几百米、数千米的钻柱钻出来的。尽管钻杆是壁厚1厘米多的钢管做成的，但由于太长了，整体的刚度非常小，人们形容钻柱在井下就像“面条”一样柔软.在钻压的作用下，钻柱就会发生弯曲，并在旋转条件下发生螺旋弯曲。显然，钻头在任何时刻，其前进方向都可能是随机的，新钻出的井眼轨迹都是不可能精确预测的。轨迹控制难度，还在于影响因素的复杂性。地层的倾斜、软硬交错，钻压的跳动以及转速的变化，这些都是不可预知的。 五、油气层保护问题 钻井的目的是要发现油气层，开发油气层，所以钻到油气层的时候一定要保护好油气层，就是尽可能使油气层不要受到损害，或者说使损害降到最低程度。受到损害的油气层，产能就会降低，严量就会下降。受到严重损害的油气层，就可能在试油时完全不出油气，人们称之为“枪毙了油气层”。如果是探井，就会认为没有找到油气;如果是开发井，就会认为地层发生了变化，没有打到油层。所以，保护油气层是钻达目标层时最重要的任务。 不仅在钻井过程中要保护油气层，而且，从打