石油工程概论第3章钻井设备和工具

第3章钻井设备和工具,主要内容第一节钻机(钻机分类、组成及功能)第二节钻井工具（钻头、钻柱、井口工具）,第一节钻机,钻机定义：石油钻井的地面配套设备称为钻机，石油钻机是由多种机器设备组成的一套大功率重型联合工作机组。,钻机的综合功能：完成钻进、接单根、起下钻、循环洗井、下套管、固井、完井和处理井下事故等作业。,陆上钻机,海洋钻井平台,第一节钻机,一、钻机的分类,1.钻井深度(钻机的起重能力),大型钻机,超重型钻机,重型钻机,中型钻机,H5000m，W2500kN,H10002500mW8001600kN,H30005000mW20002500kN,轻便钻机,W800kN，89140mm钻杆，井径160mm,W300kN，4289mm钻杆，井径150mm，钻井深度从几十米到1000m，常用于钻地质勘探井和水井等。,2.动力设备,柴油机驱动钻机,直流电驱动钻机,交流电驱动钻机,以柴油机为动力，通过机械传动或液力传动的钻机。,工作机用直流电动机驱动。通常用于海上钻井。,工作机用交流电动机驱动。,3.使用地区,陆地钻机,海洋钻机,陆地（包括沙漠、沼泽等）使用的钻机。,自升式钻井平台、半潜式钻井平台、钻井船和钻井固定平台上的各种类型的钻机。,国内外钻机现状,ZJ32钻机、ZJ45钻机、ZJ50钻机、ZJ70钻机美国和德国等已形成9000m以上成套钻机的生产能力，几乎垄断了世界超深井钻机市场。我国已完成了9000米交流变频电驱动钻机的样机试制。我国目前已研制成功12000米钻机。生产厂家国企四家：宝鸡石油机械厂、南阳石油机械厂、江汉第四石油机械厂、胜利油田动力机厂；,起升系统循环系统旋转系统驱动与传动系统气控系统井控系统,二、钻机的组成及功能,动力系统,1、起升系统,旋转钻井平台提升系统,起升系统是必不可少的，一般由井架、绞车、天车、游车、大钩、滚筒和钢丝绳组成。,功能：,起下钻、接单根和钻进时的钻压控制。,下放、悬吊或起升钻柱、套管柱和其它井下设备进、出井眼；,起升系统天车|游车|钢丝绳,转盘水龙头钻头钻柱,2、旋转系统,功能：保证在钻井液高压循环的情况下，给井下钻具提供足够的旋转扭矩和动力，以满足破岩钻进和井下其它要求。,游车下部的大钩正在锁住水龙头提环,钻工正安放卡瓦,2、旋转系统,钻杆与钻铤,转动的转盘与方钻杆(顺时针转),2、旋转系统,PDC钻头,取芯钻头,2、旋转系统钻头,三牙轮钻头,新钻头正准备入井,钻井液高速流过喷嘴,2、旋转系统钻头,钻柱纵振,钻柱扭振,钻柱横振,2、旋转系统井下钻具振动方式,泥浆池泥浆泵立管水龙带分离装置,3、循环系统,功能：,从井底清除岩屑；,冷却钻头和润滑钻具。,泥浆泵号称钻机的“心脏”,泥浆功能：1、悬浮和携带钻屑2、润滑和冷却钻具3、稳定井壁4、平衡地层压力5、传递水功率6、泥浆录井,3、循环系统循环介质,泥浆循环流程,振动筛、除气器、除砂器、除泥器、离心机,环形空间的概念,1井眼,2钻铤外壁,3钻铤内壁,4钻井液,6钻头,5环形空间,3、循环系统流程,除气器,除泥器,除砂器,3、循环系统分离装置,动力机、传动部分,4、驱动与传动系统,(1)组成：,(2)功能,产生动力，并把动力传递给泥浆泵、绞车和转盘。,柴油机或电动机,联轴器、离合器、变速箱、皮带传动及链条传动等装置,5、气控系统,控制机构、传输管线和阀门、执行机构（气动离合器等）以及压气机等。,(1)组成：,(2)功能：,确保对整个钻机各个工作机构及其部件的准确、迅速控制，使整机协调一致的工作。,钻机平台上的气体发动机,远离钻机平台的柴油机,动力系统：驱动与传动系统、气控系统,6、井控系统,(1)组成：,防喷器组、节流管汇、压井管线以及液、气压控制机构组成。,(2)功能：,控制井内的压力，防止地层流体无控制地流入井中。,6、井控系统,防喷器可实现的功能：1)密封钻具2)强行起下钻3)悬挂钻具4)手动、液动锁紧闸板用作分流系统可以剪断钻具,国内防喷器产品闸板防喷器环形防喷器分流器旋转防喷器电缆防喷器带压作业装置,井口防喷器组,节流管汇：由一系列特殊的、可远程控制的管线组成，用井口防喷器组关井后，司钻可以通过它释放井底压力，不至于造成井下失控。,6、井控系统,钻井八大件,+柴油机、传动装置为十大件,小结,起升系统,旋转系统,循环系统,天车游车大钩水龙头转盘绞车泥浆泵井架,五大系统三大系统八大件,起升系统循环系统旋转系统驱动与传动系统气控系统井控系统,动力系统,转盘不旋转不需要方钻杆,一、井下工具,水龙头以下至钻头的管柱和工具的总称。,主要包括钻头和钻柱。,1、钻头,影响钻井速度最直接的因素之一,第二节钻井工具,用钻头的进尺除以纯钻进时间，即单位纯钻时间的钻头进尺，表示钻头破碎岩石的能力和效率，单位为mh。,衡量钻头破岩效率高低的主要指标有钻头进尺和机械钻速。,钻头寿命：,在整个使用过程中，钻头在井下的纯钻时间(包括划眼在已钻出的井眼内旋转送钻、修整井壁的过程)，单位为h；,钻头进尺：,在钻头寿命内，其钻进的井段长度，单位为m；,机械钻速：,不含起下钻、接单根等辅助时间,(1)钻头类型按结构及工作原理分类刮刀钻头、牙轮钻头、金刚石钻头（天然金刚石钻头、PDC钻头、TSP钻头）；按功用分类全面钻进钻头、取芯钻头、扩眼钻头(2)钻头尺寸系列3-3/4”36”常用尺寸：26”、171/2”、121/4”、81/2”,1、钻头,图66刮刀钻头,切削型钻头,适用地层：松软软地层,工作原理：工作时其刀翼在钻压作用下吃入岩石，并在扭矩作用下剪切破碎岩石。,破岩方式：以刮削、挤压和剪切为主的方式,刮刀钻头,刮刀钻头破碎脆性岩石过程：碰撞压碎及小剪切大剪切（1）碰撞：刀刃在旋转扭矩下向前推进，碰撞刃前岩石。（2）压碎及小剪切：扭转力增大，压碎刃前岩石，产生小剪切破坏。（3）大剪切：扭转力继续增大到某一极值，刃前岩石沿剪切面产生大的剪切破碎，完成了一个破岩过程。,刀翼数,刀冀底刃的形状,两翼(鱼尾式)刮刀钻头,三翼刮刀钻头,四翼刮刀钻头,阶梯式刮刀钻头,平底式刮刀钻头,最常用,分类,优点：,缺点：,机械钻速较高,扭矩较大，控制不当易造成井斜,刮刀钻头的寿命取决于刀翼的寿命,刮刀钻头的应用刮刀钻头制造工艺简单，成本低；刮刀钻头适用于松软软地层，钻速快刮刀钻头容易磨损成锥形，造成缩径和井斜；刮刀钻头产生剧烈的扭转振动，破坏钻具和设备；刮刀钻头目前逐渐被PDC钻头取代。,牙轮钻头的结构牙轮钻头由钻头体、牙爪（巴掌）牙轮及牙齿、轴承、储油润滑密封系统、喷嘴等部分组成。,牙轮钻头,铣齿（钢齿）在牙轮锥面上直接铣出，楔形,镶齿（硬质合金齿）镶装在牙轮锥面的孔中，有多种齿形适用不同地层。,牙轮钻头牙齿：铣齿、镶齿,牙轮钻头在井底的运动公转：牙轮随钻头一起旋转。自转：牙齿绕牙轮轴线作逆时针方向旋转称为自转。滑动：牙齿相对于井底的滑动，包括切向（周向）和径向（轴向）滑动。牙轮滑动对破岩的作用：切向滑动剪切掉牙齿之间的岩石。轴向滑动剪切掉齿圈之间的岩石。纵向振动：牙轮在滚动过程中，其中心上下波动，使钻头做上下往复运动。引起纵向振动的原因：单、双齿交替接触井底，使牙轮中心上下波动；井底凹凸不平,牙轮钻头的工作原理,(1)复锥：指牙轮由两个或更多锥面的锥体组成。(2)超顶：牙轮的锥顶超过钻头的中心。(复锥产生超顶效果)主锥顶与钻头中心重合；复锥顶的延伸线是超顶的；(3)移轴：牙轮的中心线与钻头的轴线不相交。,牙轮产生滑动原因：,单锥、不超顶，不移轴，用于硬地层副锥、超顶，不移轴，用于中硬地层副锥、超顶，移轴，用于软地层,工作原理：牙轮钻头在钻压和钻柱旋转的作用下，牙齿压碎并吃入岩石，同时产生一定的滑动而剪切岩石。当牙轮在井底滚动时，牙轮上的牙齿依次冲击、压入地层，这个作用可以将井底岩石压碎一部分，同时靠牙轮滑动带来的剪切作用削掉牙齿间或齿圈间残留的另一部分岩石，使井底岩石全面破碎，井眼得以延伸。,牙轮钻头的工作原理,（1）冲击、压碎作用纵向振动产生的冲击力和静压力（钻压）一起使牙齿对地层产生冲击、压碎作用，形成体积破碎坑。（2）滑动剪切作用牙轮牙齿的径向滑动和切向滑动对井底地层产生剪切作用，破碎牙齿间或齿圈间岩石。（3）射流的冲蚀作用喷嘴喷出的高速射流对井底岩石产生冲蚀作用，辅助破碎岩石。,牙轮钻头的破岩作用,70-150m/s,多牙轮钻头,牙轮数目,分类,单牙轮钻头,双牙轮钻头,三牙轮钻头,最常用,适用地层：软到坚硬的各种地层。,PDC钻头,聚晶金刚石复合片钻头(PolycrystallineDiamondCompactBit)简称PDC钻头，是将人造聚晶金刚石复合片镶焊于钻头体上而成的一种新型切削型钻头。,PDC主要以切削方式破碎岩石。切削刃在钻压作用下吃入地层，刃前岩石在旋转力作用下发生剪切破碎。切削塑性岩石和脆性岩石的过程类似于刮刀钻头，由于多个切削齿同时工作，井底岩石自由面多，因此破碎效率高。金刚石切削刃耐磨性高，钻头寿命长，单只钻头进尺高。,PDC钻头破岩机理,PDC钻头适应于软到中硬的大段均质地层，不适合钻软硬交错的地层和砾石层。与牙轮钻头相比，PDC钻头宜采用低钻压、高转速钻进。钻头下井前，井底要清洁，无金属落物，新钻头钻进时，先用小钻压和低转速磨合井底。PDC钻头属于整体式钻头，无任何活动部件，适合高转速的涡轮钻井。,PDC钻头的正确使用,(1)定义,钻柱是用各种接头将方钻杆、钻杆和钻铤等部件连接起来组成的入井管柱，通常指钻头以上的钻具。,2、钻柱,如用钻柱挤注水泥、中途测试、处理事故等。,(2)功能,传递扭矩,通过钻柱将地面动力机的能量传给钻头，使钻头旋转破碎井底岩石，加深井眼。,施加钻压,依靠钻柱中钻铤部分在洗井液中的自重对钻头施加钻压，使钻头工作刃不断吃入地层，破碎岩石。,输送洗井液,通过钻柱的中心孔腔将洗井液输送到钻头，由水眼喷射出，冲击到井底，携带岩屑后由环空返回地面。,延伸井眼,在钻进中通过不断地增加钻柱长度(接单根)以达到延伸井眼的目的。通常井眼的深度用下入井内的钻柱长度测量。,起下钻头,起出已磨损的钻头和下入新钻头都必须由钻柱完成。另外，针对不同的目的，还可以起下其它井下工具。,特殊作业,2、钻柱,(3)组成：方钻杆、钻杆、钻铤、各种接头,钻具连接必须满足的三个基本条件：尺寸相等扣型相同公母相配,基本钻柱组合,钻铤配合接头钻杆配合接头方钻杆DrillCollar+CrossoverSub+Drillpipe+Crossoversub+Kelly其它可选组件稳定器（Stabilizer)：提高钻头工作的稳定性振击器(Jar)：防止钻具被卡减振器(Bumper)：减少钻具的冲击振动螺杆（PositiveDisplacementMotor,PDM)加重钻杆（Hevi-wallDrillPipe,HWDP）,钻铤DrillCollar,稳定器Stabilizer,接头(Tooljoint),钻头RockBit,接头sub,钻杆drillpipe,钻杆DrillPipe,方钻杆Kelley,钻柱组成Compositionofdrillstring,(3)组成：方钻杆、钻杆、钻铤、各种接头,方钻杆,位于钻柱的最上端，其上部与水龙头相接，下部与钻杆连接。,传递扭矩和承受钻柱的全部重量。,作用：,断面为中空的正方形或六边形，壁厚比一般钻杆大三倍左右，而且由强度较大的优质合金钢制成。一般长度为1316米，比一般钻杆长2米以上（避免接单根后方钻杆不能进入转盘面以下）。,性能：,具有较高的抗拉强度和抗扭强度。,形状：,目前规范尺寸有：21/2，3，31/2，41/2，51/2。,一端车有公扣，另一端是母扣的等径空心圆柱管。壁厚而粗大，一般是3853mm，单位长度重量大，相当于同尺寸钻杆的46倍。以满足给钻头施加钻压、增强刚度的要求，在加压时可以减小弯曲，防止井斜和钻具折断。,钻杆与钻杆接头,位于方钻杆与钻铤之间，是组成钻柱的基本部分，无缝圆钢管制成的。,作用：,传递扭矩与输送洗井液,形状：,两端带加焊接头，并且有公母扣的空心圆管。壁厚比方钻杆和钻铤薄，壁厚一般为911mm，内径大。,钻铤,作用：,给钻头施加压力并保持自身处于不弯曲状态以防止井斜。,形状：,规范尺寸：27/8”，31/2”，41/2”，5”，51/2”，65/8”。长度一般7-1m。,目前规范尺寸有31/2”，41/8”，43/8”，61/4”，7”，8”，9”，10”,指在起下钻过程中井口所用的工具。,主要有吊钳、吊卡、吊环、卡瓦、安全卡瓦、提升短节等。,(1)吊钳,上、卸钻杆、钻铤丝扣和套管丝扣的专用工具。（内钳、外钳）,(2)吊卡和吊环,吊卡用来卡住钻杆接头，提升钻柱或悬吊钻柱。吊环是悬挂在大钩上，用以