鉆井工藝技術(shù)

1、 共36學(xué)時華北油田培訓(xùn)班 講課教師：高學(xué)仕 任務(wù)單位：中國石油大學(xué)(華東) 機電工程學(xué)院機電系 2007年9月14日. 引 言 石油工程：包括鉆井工程工藝，采油工程工藝。即如何打井，怎樣采油。 石油配備：是鉆井、采油機械的概括。配備可以為是機械工程機械系統(tǒng)，并應(yīng)包括電器設(shè)備。 本課程講授內(nèi)容： 鉆井方法；鉆機總論；機械驅(qū)動鉆機；電驅(qū)動鉆機；電機特性；頂部驅(qū)動鉆機；起升系統(tǒng)與設(shè)備；泥漿循環(huán)系統(tǒng)與設(shè)備；鉆井工具；采油機械配備。 教材：35元； 本課程用電子文檔方式講課，聽課筆記留意只記標(biāo)題、彩色標(biāo)識字體。. 第一章 鉆井工藝技術(shù) 第一節(jié) 井身構(gòu)造一、套管套管是加固井壁構(gòu)成井筒所用的鋼管。1. 套

2、管資料：高合金鋼，【含C，Mn，Mo，Cr，Ni，Cu，P，S，Si硅。】2.鋼級：【API規(guī)范套管API 5CT美國石油學(xué)會規(guī)范】按強度高低分為不同鋼級套管，有：H-40，J-55，K-55，C-75，N-80，L-80，C-95，P-105，P-110，C-125等。. 字母：含不同化學(xué)成份的分類代號； 數(shù)字：管材的最小屈服極限，單位是KSI ?！? PSi =6.89kPa=0.00689MPa】3.制造方法：無縫鋼管套管，用熱軋鋼制造； 焊接套管，用鋼板卷筒直焊縫。 上海寶鋼熱軋；寶雞鋼管廠焊接4.套管尺寸規(guī)格：均用外徑表示。. 5. 套管螺紋銜接1三角螺紋銜接承載面：齒側(cè)角30斜面，

3、產(chǎn)生較大徑向分力。銜接強度：只需管體強度的6075%。密封方式：齒間干涉及絲扣油的堵塞實現(xiàn)密封，密封性差。 2梯形螺紋銜接承載面： 3斜面，導(dǎo)向面：10斜面，加強了齒形，減少了徑向力。銜接強度：到達(dá)管體強度的85%。密封方式：靠齒間干涉和絲扣油堵塞實現(xiàn)密封，密封性差。3套管接頭螺紋分布規(guī)律近似于拋物線，接頭螺紋兩端扣牙受力大，中間部位大多數(shù)扣牙受力很小。 .二、井身構(gòu)造下不同層次的套管固結(jié)井壁就構(gòu)成了井身構(gòu)造。參看圖1-16 1.導(dǎo)管：防止表土坍塌，引入鉆頭，一口井中最大尺寸的套管2040m。2.表層套管：加固上部疏松巖層的井壁；封隔淺層水；安裝防噴器、套管頭、采油樹30100m。3.技術(shù)套管

4、：封隔上部油、水、氣層；漏失層；坍塌層。根據(jù)地質(zhì)情況下n層技術(shù)套管。4.油層套管消費套管：最后一層套管，構(gòu)成井筒，使油氣入內(nèi)。內(nèi)放油管。.三、套管在井下的承載情況套管在下井、固井、完井射孔過程中，接受復(fù)雜載荷。1. 外擠壓力地層對套管施加的靜水壓力均勻外壓。管外泥漿和水泥漿液柱壓力；地層中的油、氣、水壓力；地層側(cè)壓力。設(shè)計套管外擠壓力時，以為管內(nèi)掏空，管外按泥漿柱計算外擠壓力。對于高塑性地層如膨脹性頁巖和鹽巖層，外擠壓力以上覆巖層壓力為計算根據(jù)。 . 2. 內(nèi)壓力井口開時，等于管內(nèi)液柱或氣柱壓力; 井口關(guān)時，等于井口壓力與管內(nèi)液、氣柱壓力之和。井噴和壓裂時受內(nèi)壓。注水和注熱蒸汽內(nèi)壓從套管內(nèi)注入

5、。3. 拉力載荷主要由套管自重引起。泥漿浮力、注水泥流動阻力；下套遇卡提力；下套剎車動載等。 4.擊震載荷：完井時，射孔。固井后射孔使油流入井筒 5.熱應(yīng)力、腐蝕應(yīng)力(硫化氫氫脆、電化學(xué)腐蝕、環(huán)氧霉菌腐蝕)。 .四、套管設(shè)計1. 決議下套管層數(shù)。根據(jù)地質(zhì)情況2. 確定套管尺寸確定完井最小井眼，各層套管尺寸；選不同鋼級、不同壁厚的套管組成管柱。3. 設(shè)計原那么按三準(zhǔn)那么計算：抗拉平安系數(shù)： n安=1.622.0 抗擠平安系數(shù)： n安=1.01.25 抗內(nèi)壓平安系數(shù)：n安=1.01.33管柱載荷：頂部受拉力最大，下部受內(nèi)、外壓最大，應(yīng)合理設(shè)計管柱。. 4. 等平安系數(shù)法 普遍用等平安系數(shù)法設(shè)計套管

6、柱。 即：管柱由數(shù)段不同強度套管組成，各段平安系數(shù)一樣。具有的強度才干/實踐承當(dāng)載荷才干 1抗外擠強度計算 看管能接受多大外擠壓力。 外擠計算法：按管內(nèi)掏空無內(nèi)壓，計算一定深度管柱所接受的外壓力。 外擠壓力值：按打井時泥漿密度計算。 確定所受外壓力 外擠壓力，Pa； 環(huán)空泥漿密度，kg/m3； L管柱長井深。.具有 抗擠強度的套管可下到Hc1深； 可下到Hc2 可下到Hc3以 地層壓力時，使泥漿進入地層。應(yīng)加堵漏物封堵。井塌井壁坍塌，應(yīng)加重泥漿。2井噴地層壓力泥漿柱壓力，井口都裝防噴器?！痉绹娖鳟a(chǎn)品消費前景良好，要求打井必需安防噴器?！?卡鉆轉(zhuǎn)不動、起下鉆遇阻，由沉砂、落石呵斥。 .三、鉆井新

7、技術(shù)1-1一放射式鉆井利用高速射流作用，結(jié)合機械破巖，提高鉆速，即放射式鉆井。采用放射式鉆頭，鉆井液經(jīng)過具有特殊外形和小尺寸噴嘴構(gòu)成高速射流射向井底。1. 現(xiàn)狀與前景超高壓放射鉆井是石油工業(yè)的前沿研討課題。破巖壓力：150200Mpa需增壓美國：94年前，嘗試過地面增壓，用鈹銅合金管將高壓液體傳輸井下，打井實驗，效果很好，提高鉆速35倍。地面增壓缺陷：高壓傳輸密封難保證接頭，沿程損失太大。94年后，開場研討井下增壓器，96年下井實驗。 .中國：92年構(gòu)思用“井下增壓器研討由礦機教研室增壓器科研組完成。94年石油總公司招標(biāo)，由石大、勘探院兩家分別進展可行性研討。99年，單元、整機地面實驗勝利。技

8、術(shù)特點：利用地面泥漿，井下增壓缸自動水力換向，產(chǎn)生高壓射流。難點超高壓密封。前景：實驗勝利是鉆井的一場革命；增壓技術(shù)可用于地面和井下增壓注水。 .2. 放射鉆井的主要特點用超高壓液體，高速沖擊巖石，鉆進快，鉆頭壽命長。射流噴速高，100150m/s；泵壓高，20 35MPa；放射鉆頭壓力降和水功率高 。07.9, 中原 2-2.3. 放射鉆井任務(wù)方式鉆頭噴嘴的射流，用噴速、沖擊力和水功率三參數(shù)來表征。1泵的水功率分配NP=pP.Q循環(huán)功率耗費循環(huán)管路上NC過鉆頭噴嘴壓降構(gòu)成高速射流作用的水功率Nb.壓降：噴嘴進、出口壓差。希望：降低NC，提高Nb；提高壓降手段：減小噴嘴直徑。提高壓降目的：使射

9、流獲得大噴速、大水馬力，大動能；使射流到達(dá)井底有大沖擊力。.經(jīng)過壓能與動能進展能量交換。 .2射流 定義：微孔噴出流體并非重力作用，而傳播的景象稱射流。水力學(xué)定義：液體過流斷面周界不與固體接觸的流動稱射流。 有氣、液射流流態(tài)：層流雷諾數(shù)小為層流、紊流。.3射流構(gòu)造射流成喇叭形速度遞減。分三個區(qū)：以噴嘴向外開場A區(qū)等速核長度區(qū)，噴速為定值。B區(qū)紊流混合區(qū)，噴度衰減。C區(qū)紊流構(gòu)成區(qū)，噴度衰減顯著。.4壓降、射流、破巖的關(guān)系放射破巖機理。為何“井下增壓能提高破巖才干？本節(jié)重點了解的問題 從能量角度分析提高射流的水功率和沖擊力能提高破巖才干。水功率：是單位時間內(nèi)射流動能 單位時間內(nèi)液體質(zhì)量m， 密度；

10、 流量； 噴嘴出口流速。 結(jié)論：.沖擊力：為單位時間內(nèi)動量變化 ， 動量。沖擊力大破巖才干高。 提高噴速途徑其一， 只需減小噴嘴孔徑 其二，提高噴嘴壓降 ，大進出口壓差 。從能量方程知： ， ，只需提高 ，即增壓。故，井下增壓提高噴嘴入口壓力，可提高射流水功率和沖擊力，進而提高破巖才干。 結(jié)論：.1-25有效噴距從噴嘴到井底的間隔。保證在B區(qū)紊流混合區(qū)。最正確放射間隔，與噴嘴直徑、構(gòu)造有關(guān)。加長噴嘴就是根據(jù)最正確噴距而來。噴嘴距井底太近：沖蝕體積過小，破巖效果差。 太遠(yuǎn)：噴速大大降低，破巖效果也差。最正確噴距涉及一系列研討課題。07.9,華北 2-2. 二井下增壓器技術(shù) “井下增壓器，是超高壓

11、放射鉆井的一種輔助工具。 1.井下增壓器研討的目的意義 它在地面泵輸入的動力泥漿的推進下，將小部分鉆井液壓力大幅度提高，經(jīng)噴嘴噴出后沖刺巖石，并與鉆頭配合到達(dá)大幅度提高鉆速的目的。. 2.井下增壓器聯(lián)接 井下增壓器串接于鉆頭與鉆鋌之間。 它以地面泵排出的鉆井液為動力，將小股鉆井液的壓力提高到超高壓，經(jīng)鉆頭上的特殊噴嘴高速噴出，協(xié)助鉆頭破碎巖石。. 3.井下增壓器的要求 在井下增壓器的水力設(shè)計中，不僅要使增壓器得到足夠的水功率，滿足常規(guī)鉆井的要求，而且要設(shè)法減少動力傳送過程中的能量損失。 .三平衡壓力鉆井1. 平衡壓力鉆井含義鉆井用泥漿密度 正好等于平衡地層壓力所需泥漿密度 ，稱為平衡壓力鉆井。

12、平衡鉆井：堅持井內(nèi)鉆井液動壓力與地層孔隙壓力相等，即 式中， 地層孔隙壓力地層壓力； 鉆井液柱靜壓力； 鉆井液循環(huán)時的環(huán)空壓降。2. 平衡壓力鉆井目的 降低巖石強度、巖屑的壓持效應(yīng)，提高鉆速； 可維護地層，防止地層污染、井漏。3. 實現(xiàn)平衡鉆井的關(guān)鍵是選控合理的鉆井液密度，使鉆井液柱靜液壓力和環(huán)空壓降之和同地層孔隙壓力一直堅持平衡。4. 平衡鉆井技術(shù)保證 安井控設(shè)備，防止井涌、井噴； 配先進固控設(shè)備，適時調(diào)、控配井液性能。 .四 欠平衡鉆井欠平衡鉆井是當(dāng)今鉆井新技術(shù)之一。鉆井用泥漿密度 平衡地層壓力所需泥漿密度時稱為欠平衡鉆井1. 欠平衡鉆井原理井底液柱壓力低于地層孔隙壓力。允許地層流體進入井內(nèi)，循環(huán)出井，在地面處置和控制。2.優(yōu)點利于發(fā)現(xiàn)低壓儲層；防止對油層的損害；減少清堵費用提高鉆速，降低鉆井本錢。.3. 適用于地層條件：存在井漏泥漿漏走的油層；液敏油層，【如對水基鉆井液過敏的地層】； 機械封堵引起的井壁堵塞的井； 頁巖水化引起的井壁堵塞； 低浸透油層、硬地層； 欠壓或衰竭地層； 大裂痕地層。4. 堅持欠平衡鉆井方法 配注氣設(shè)備：向井液中注空氣或氮氣，降低液柱靜水頭。 配井控設(shè)備 流體地面處置設(shè)備 隨鉆丈量儀。 .五程度井技術(shù) 程度井是從定向斜井開展起來的。目前，勝利油田打程度井的技術(shù)起到領(lǐng)頭羊的作用。1. 程度井技術(shù)1程度井優(yōu)化設(shè)計技術(shù) 借助于計算機模擬技術(shù)，對油藏