钻井工程-1-旋转钻机装备

旋转钻井钻机装备,中国石油大学（北京）,钻井工程,提纲,1.1旋转钻井关键参数1.2旋转钻机设备1.3钻机选择1.4旋转钻井系统1.5钻井液体系评价1.6旋转系统1.7井控系统1.8数据获取和监测系统1.9海上钻井系统,钻井的定义,油气通道：地面到储层提高采收率的关键,钻井方式：顿钻,钻井方式：旋转钻井,钻井,井眼（wellbore)的定义,一开二开三开环形空间井身结构,提纲,1.1旋转钻井关键参数1.2旋转钻机设备1.3钻机选择1.4旋转钻井系统1.5钻井液体系评价1.6旋转系统1.7井控系统1.8数据获取和监测系统1.9海上钻井系统,一、旋转钻井关键参数,无论是钻直井还是定向井，合理又经济的钻井参数都是必须的，主要的三个参数为：,钻头钻压钻头转速循环钻井液的水力参数,一、旋转钻井关键参数,1）钻压,钻压是通过钻柱向钻头提供的沿井眼前进方向的力，钻压大小变化取决于岩石的硬度和钻头的类型,直井中，钻铤等钻具的质量是施加在钻头上的主要力；定向井中，由于井斜的作用，钻铤或加重钻杆等施加在钻头上的力只有一部分被变成钻压施加在钻头上,钻井基本过程,满眼钻具组合,一、旋转钻井关键参数,2）钻头转速,不同于过去的顿钻钻井，旋转钻井是靠转盘或顶驱的旋转带动钻具，把扭矩传递给钻头使钻头旋转、破碎和切削岩石另外一种井下动力钻具钻井，可以在大部分钻具不转动的情况下，通过井下动力驱动钻头旋转（螺杆钻具、涡轮钻具或电动机）,一、旋转钻井关键参数,3）钻井液循环,在钻井过程中，井下产生大量的岩屑和热量，通过钻井液的循环作用，保持井底清洁，环空畅通无阻，同时冷却润滑钻头和钻杆，保证钻井顺利进行,提纲,1.1旋转钻井关键参数1.2旋转钻机设备1.3钻机选择1.4旋转钻井系统1.5钻井液体系评价1.6旋转系统1.7井控系统1.8数据获取和监测系统1.9海上钻井系统,二、旋转钻机设备,旋转钻机是为了满足钻井和完井的需要，分为陆地钻机和海上钻机，两者的主要设计特点都为可移动性、灵活性、可钻深能力,现代的陆地钻井设备采用嵌入式结构和滑动式设计，便于钻机设备的运输和搬迁,二、旋转钻机设备,海上钻井平台的操作空间在海面之上，称为平台，分为移动式、固定式。平台的选择取决于要进行的操作和海水深度,自升式钻井平台,固定式钻井平台,二、旋转钻机设备,油田现场井的类型有探井、开发井、注入井、侧钻井加密井,探井用来发现和评价潜力油藏开发井为了在潜力油藏区域内充分开采侧钻井为了开采较深产层或从现有直井中开窗侧钻加密钻井替代衰竭井，或维持产量稳定注入井存储天然气等油气资源；回注不需要的产出水或者通过注水、注蒸汽或天燃气提高采收率,二、旋转钻机设备,旋转钻机驱动,1.内燃机驱动内燃机带变速箱驱动内燃机带液力变矩器驱动2.电动机驱动内燃机直流发电机直流电动机驱动(即内直直)内燃机交流发动机（整流）直流电动机驱动（即内交直）工业电网供电（可控硅整流）直流电动机驱动（即电网直）,内燃机所在位置,提纲,1.1旋转钻井关键参数1.2旋转钻机设备1.3钻机选择1.4旋转钻井系统1.5钻井液体系评价1.6旋转系统1.7井控系统1.8数据获取和监测系统1.9海上钻井系统,三、钻机设备选择,钻机设备的选择标准与钻井的成本密切相关，必须与所钻井眼的情况想匹配，达到最经济的目的，对钻机的评估包括以下几大系统：,动力系统提升系统钻井液循环系统井控系统数据的获取和监测系统,三、钻机设备选择,钻机设备选择的其它标准有：,钻机设备的选择是在正式招标之前以及在所有钻井设计完之后进行的，所选设备尽可能符合钻井的实际需要,钻井承包商的安全记录钻机移动和安装钻井承包商的可靠性合同费用（进尺费、日费、总包制）所有钻井设备的状况,提纲,1.1旋转钻井关键参数1.2旋转钻机设备1.3钻机选择1.4旋转钻井系统1.5钻井液体系评价1.6旋转系统1.7井控系统1.8数据获取和监测系统1.9海上钻井系统,四、旋转钻井系统,提升系统在作业中最基本的功能是提升和承载钻柱与套管，它主要包括绞车、天车、游车、大钩、钻井大绳、吊卡等,提升系统,提升系统所在位置,滑轮组简图,四、旋转钻井系统,滑轮和钻井大绳,滑轮和大绳的基本作用是在提升和下入重载荷物体时有一个好的机械效率。美国石油学会（API）推荐使用“吨公里”的概念来评价大绳的状态；为了使大绳均匀磨损，应该根据钻井条件有规律地更换起始载荷点,钻井大绳所在的位置,四、旋转钻井系统,游车,游车和大钩的载荷能力用“吨”表示，额定值需要合适的安全系数,游车所在位置,四、旋转钻井系统,天车,天车上的载荷远大于大钩载荷，在滑轮组系统中，在不考虑摩擦力的情况下，每根绳上的应力相等。大钩载荷和滑轮组、大钩、其他附属设备的质量平均分配到每根大绳上。另外，锚上的死绳和滚轮上的快绳也有天车拉力作用,天车所在位置,四、旋转钻井系统,钻井液循环系统,流体循环系统的作用是允许钻井液从地面流到井底，然后再返回到地面，系统的主要组成包括：,泥浆泵/空气压缩机高压地面管汇钻柱环形空间泥浆池泥浆处理设备,循环系统示意图,提纲,1.1旋转钻井关键参数1.2旋转钻机设备1.3钻机选择1.4旋转钻井系统1.5钻井液体系评价1.6旋转系统1.7井控系统1.8数据获取和监测系统1.9海上钻井系统,五、钻井液体系评价,1）钻井液体积,钻井液罐中钻井液的保持水平与一定深度井眼体积、钻井液混合速度和钻井液处理能力有关,在钻井操作中，需要钻井液的地面体积除了填充井眼外，还需额外增加100bbl的体积；钻井液在泵吸入过程中不能产生沉淀,钻井液需要在几个连续的钻井液罐里沉淀，所以在每个单独的液罐里有定时喷射移除沉淀物的喷嘴,3）固相控制,不同地区和泥浆系统需要的固相控制设备差别很大，对于非加重泥浆，通过稀释进行固相控制是很有效的方法。最好的控制钻井液中固体的方法是使用有效的固相清除设备，包括振动筛、水力旋流器和离心机等,2）混合系统,混合系统通常包括高速离心泵、段塞罐、预混合罐,五、钻井液体系评价,五、钻井液体系评价,固相控制设备所在区域,3.1）振动筛,振动筛是固控设备的重要组成部分，满眼循环的振动筛目数大于120目；在多目振动筛中，固相颗粒的分离效果好坏与最下层的筛网有关,3.2）旋流除砂器,旋流除砂器包括除砂器和除泥器，一般用于处理大流量的钻井液,五、钻井液体系评价,3.3）离心机,离心机一般用于处理小流量钻井液，处理能力为60-80gal/min，某些情况下可以达到150gal/min,五、钻井液体系评价,离心机一般在其它固相控制设备之后工作，而且不像振动筛、旋流除砂器那样要对整个循环用钻井液进行处理，它可以只处理一部分钻井液，通常为5%-10%,4）泥浆泵,泥浆泵是钻井液反复循环的动力设备，分为二级泵和三级泵,单冲程和双冲程往复运动泵,五、钻井液体系评价,泵入钻井液是钻井液循环的主要过程，也可以说是钻井液水力系统的核心,二级泵有两个缸，流体在其中是双冲程运动；三级泵有三个缸，流体在其中是单冲程运动,5）地面高压管线,地面高压管汇包括水龙头、立管、水龙带、方钻杆和压力测量盒。水龙带、立管和水龙头用于钻井和起下钻；压力测量盒可以缓冲泵产生的压力；方钻杆允许钻柱旋转,6）钻具组合,钻具组合包括方钻杆、钻杆和钻铤，钻杆和钻铤通过钻具接头连接,五、钻井液体系评价,7）钻头,钻头是一种切削工具，大致分为：牙轮钻头、刮刀钻头,五、钻井液体系评价,牙轮钻头,刮刀钻头,提纲,1.1旋转钻井关键参数1.2旋转钻机设备1.3钻机选择1.4旋转钻井系统1.5钻井液体系评价1.6旋转系统1.7井控系统1.8数据获取和监测系统1.9海上钻井系统,六、旋转系统,旋转系统是指所有能够使钻头转动的部件，具体包括钻杆、钻铤、水龙头、转盘、方补心和方钻杆,旋转系统简图,有些平台也配有顶驱替代传统的转盘，在钻定向井时，会使用井下动力钻具作为旋转动力,六、旋转系统,旋转系统所在位置区域,顶驱,六、旋转系统,使用顶驱系统可以使钻井效率高、速度快、成本低、效益好，能最大限度地满足钻井工艺的需要,放大后,六、旋转系统,在起下钻过程中遇阻时还可以实现上提和下放钻具进行扩眼、划眼作业，解除遇阻现象,顶驱主要优点：,顶部驱动钻井不需要使用方钻杆与转盘，基本上不接单根，也不需要鼠洞，立根作单根使用，节省很多时间,在起下钻任意时刻均可实现立即旋转钻具和循环钻井液，可减少井下事故的发生，安全,六、旋转系统,顶驱主要缺点：,钻杆的磨损严重增加维护费降低井架承载能力平台操作人员经验缺乏顶驱失败换用常规转盘会增加更多的费用,提纲,1.1旋转钻井关键参数1.2旋转钻机设备1.3钻机选择1.4旋转钻井系统1.5钻井液体系评价1.6旋转系统1.7井控系统1.8数据获取和监测系统1.9海上钻井系统,七、井控系统,井控系统的主要作用是在井涌发生时阻止地层流体进入井眼,井控系统所在的位置,七、井控系统,井控设备的组成,（1）井口防喷器组环形防喷器、闸板防喷器等；（2）控制装置储能器装置遥控装置；（3）节流与压井管汇，高压耐火软管；（4）钻具内防工具，方钻杆球阀，钻杆回压凡尔；（5）加重钻井液装置；（6）起钻灌浆装置（7）钻井液气体分离器（8）监测仪表泥浆罐液面监测仪、硫化氢检测仪等,防喷器装置图,七、井控系统,闸板防喷器是一套通过液压驱动的井控装备，可以实现对钻具或套管环空进行密封，剪切闸板一般在其它防喷器关井失败的情况下才能使用,钻井四通是用来连接相邻的两个闸板防喷器的贯通装置，在强行起下钻作业中，可以通过节流和压井管线实现钻井液的循环,双闸板防喷器,钻井四通,七、井控系统,井控设备应该具有以下功用：,预防井喷。保持井眼内钻井液静液压力始终略大于地层压力，防止井喷条件的形成发现溢流。对油气井进行监督，及早发现溢流和井喷前兆，尽早采取控制措施控制井喷。溢流、井涌、井喷发生后，迅速关井，实施压井作业，对油气井重新建立压力控制处理复杂情况。当油气井压力失控后，进行灭火抢险等处理作业,提纲,1.1旋转钻井关键参数1.2旋转钻机设备1.3钻机选择1.4旋转钻井系统1.5钻井液体系评价1.6旋转系统1.7井控系统1.8数据获取和监测系统1.9海上钻井系统,八、数据获取和监测系统,数据获取和监测系统是指用来对整个钻井作业信息进行监测、分析、显示、记录和检索的装置，监测系统是整个钻井过程的心脏,八、数据获取和监测系统,钻井数据曲线图可以清楚的反应钻遇放空时的状况，同时也能够提供有关地层岩性变化的信息过大的扭矩可能指示钻头轴承的问题或者钻屑沉积过多钻井液罐高度的迅速增加说明地层流体流入井眼中，有可能发生井涌,钻井问题，像井漏、井涌和卡钻都能够很容易的通过监测设备检测到,提纲,1.1旋转钻井关键参数1.2旋转钻机设备1.3钻机选择1.4旋转钻井系统1.5钻井液体系评价1.6旋转系统1.7井控系统1.8数据获取和监测系统1.9海上钻井系统,九、海上钻井系统,海上钻井需要两个特殊的系统：浮动设备的动力补偿系统和海水隔离系统,海水隔离系统,1）隔水导管系统及组成,九、海上钻井系统,隔水导管是井眼的延伸，它的作用是用来引导和保护钻柱，同时为钻井液和钻屑返回地面提供通道,隔水导管用刚性耐压接箍连接，可以连接压井管线、节流管线和防喷器组管线，可以循环钻井液保持压力平衡,导管末端使用球形接头，球形接头设计的旋转角度为：8o-10o，而为了使钻柱能够自由通过接头，允许的最大转动角度为：4o-5o,九、海上钻井系统,2）运动平衡系统,系泊系统是由绞线、锚、水