鉆井講義.的知識(shí)

鉆井工程電話(huà)：1第一節(jié)緒論2一、石油鉆井概述1．石油鉆井的概念石油鉆井是指利用專(zhuān)用設(shè)備和技術(shù)，在預(yù)先選定的地表位置處，向下或一側(cè)鉆出一定直徑的孔眼，一直達(dá)到地下油氣層的工作。32．石油鉆井的種類(lèi)（1）把鉆井按鉆井的目的進(jìn)行分類(lèi)：區(qū)域普查井：基準(zhǔn)井、剖面井、參數(shù)井、構(gòu)造井探井：預(yù)探井、詳探井、邊探井開(kāi)發(fā)井：生產(chǎn)井（油井、氣井）、注入井（注水井、注氣井）特殊用途井：檢查井、觀察井、調(diào)整井、救援井等。4基準(zhǔn)井：在區(qū)域普查階段，為了了解地層的沉積特征和含油氣情況、驗(yàn)證物探成果而鉆的井。剖面井：是為了研究地層巖性、巖相變化，為尋找含油氣構(gòu)造而鉆的井。參數(shù)井：為了解區(qū)域構(gòu)造，提供巖石物性參數(shù)而鉆的井。構(gòu)造井：為了了解地質(zhì)構(gòu)造特征、驗(yàn)證物探成果，并編制地下某一標(biāo)準(zhǔn)層的構(gòu)造圖。探井：為了確定油氣藏是否存在及其埋藏位置（預(yù)探井），對(duì)油氣藏進(jìn)行工業(yè)評(píng)價(jià)及取得油氣開(kāi)發(fā)所需的地質(zhì)資料（詳探井），圈定油氣藏邊界及其儲(chǔ)量（邊探井）。5生產(chǎn)井：在進(jìn)行油田開(kāi)發(fā)時(shí)，為開(kāi)采石油和天然氣而鉆的井。注入井：開(kāi)發(fā)后期為了提高采收率及開(kāi)發(fā)速度，而對(duì)油田進(jìn)行注水注氣以補(bǔ)充和合理利用地層能量所鉆的井。檢查井：油田開(kāi)發(fā)到某一含水階段，為了搞清各油層的壓力和油、氣、水分布狀況，剩余油飽和度的分布和變化情況，觀察井：油田開(kāi)發(fā)過(guò)程中專(zhuān)門(mén)用來(lái)了解地下動(dòng)態(tài)的井調(diào)整井：油田開(kāi)發(fā)中后期，為進(jìn)一步提高開(kāi)發(fā)效果和最終采收率，而調(diào)整原有開(kāi)發(fā)井網(wǎng)所鉆的井。救援井：為了救援而鉆的井。6（2）把鉆井按井斜角不同分類(lèi)：

直井、定向井、水平井直井：井口與井底在同一條鉛垂線上定向井：沿著預(yù)先設(shè)計(jì)的井眼軌跡鉆達(dá)目的層，井口與井底不在同一條鉛垂線上。水平井：沿著預(yù)先設(shè)計(jì)的井眼軌跡以井斜角>85°的角度進(jìn)入目的層。（3）把鉆井按井深不同分類(lèi)：淺井H<2500m，中深井2500m<H<4500m，深井4500m<H<6000m，超深井H>6000m<H<9000m。特超深井H>9000m7（1）人工掘井：1521年之前（2）人力沖擊鉆：1521～1835年，是靠人力、撈砂筒、特殊鉆頭、懸繩、游梁等來(lái)完成的。

支架游梁懸繩井壁鉆頭井底二、鉆井方法8（3）機(jī)械頓鉆（沖鉆）：1859～1901年優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡(jiǎn)單；起下鉆方便。缺點(diǎn)：靠沖擊作用破巖，鉆頭功率小，破巖效率低，鉆井速度慢；破巖和清巖相間進(jìn)行。支架游梁懸繩井壁鉆頭井底9（4）旋轉(zhuǎn)鉆：1901年發(fā)展起來(lái)的。旋轉(zhuǎn)鉆井是靠動(dòng)力帶動(dòng)鉆頭旋轉(zhuǎn)，在旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中對(duì)井底巖石進(jìn)行破碎，同時(shí)循環(huán)鉆井液以清潔井底的鉆井方法。特點(diǎn)是：1）破巖與清巖同時(shí)進(jìn)行。2）旋轉(zhuǎn)動(dòng)力大，轉(zhuǎn)速高，破碎效率高。3）設(shè)備復(fù)雜，起下鉆繁瑣。10轉(zhuǎn)盤(pán)鉆井法是利用轉(zhuǎn)盤(pán)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)鉆柱并帶動(dòng)鉆頭旋轉(zhuǎn)破碎井底巖石的方法。頂部驅(qū)動(dòng)鉆井：原理與轉(zhuǎn)盤(pán)鉆井法相同井下動(dòng)力鉆具鉆井法是利用井下動(dòng)力鉆具驅(qū)動(dòng)鉆頭旋轉(zhuǎn)以破碎井底巖石。常用于打定向井時(shí)的井底定向。

現(xiàn)代鉆井是將兩種旋轉(zhuǎn)鉆井方法結(jié)合起來(lái)使用，以充分發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)。旋轉(zhuǎn)鉆井：11（一）定井位（二）道路勘測(cè)

（三）基礎(chǔ)施工（四）安裝井架

（五）安裝設(shè)備（六）鉆進(jìn)

（七）起鉆換鉆頭下鉆（八）測(cè)試

（九）固井（十）搬家

三、鉆井施工工序12封井器一開(kāi)鉆進(jìn)下表層套管注水泥施工安裝井口防噴器井口防溢管鉆井液出口13二開(kāi)鉆進(jìn)施工三開(kāi)鉆進(jìn)施工井身結(jié)構(gòu)14四、鉆井主要設(shè)備15對(duì)鉆機(jī)的基本要求：起下鉆能力、旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)能力、循環(huán)洗井能力。主要設(shè)備：井架、天車(chē)、絞車(chē)、游動(dòng)滑車(chē)、大鉤、轉(zhuǎn)盤(pán)、水龍頭（動(dòng)力水龍頭）及鉆井泵（鉆機(jī)八大件），動(dòng)力機(jī)（柴油機(jī)、電動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)），聯(lián)動(dòng)機(jī)，固相控制設(shè)備，井控設(shè)備等。16天車(chē)井架游車(chē)17游車(chē)18鉆機(jī)的八大系統(tǒng)：主要系統(tǒng)1、起升系統(tǒng)2、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)3、鉆井液循環(huán)系統(tǒng)4、傳動(dòng)系統(tǒng)5、控制系統(tǒng)6、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)7、鉆機(jī)底座8、鉆機(jī)輔助設(shè)備系統(tǒng)1920剎把絞車(chē)司鉆控制臺(tái)2122大鉤水龍頭23轉(zhuǎn)盤(pán)24鉆井泵25

第二節(jié)鉆頭261.結(jié)構(gòu)

上鉆頭體、下鉆頭體（分水帽）、刀翼、水眼。圖1-4刮刀鉆頭結(jié)構(gòu)刀翼三刀翼的稱(chēng)作三刮刀鉆頭兩刀翼的稱(chēng)作兩刮刀鉆頭或魚(yú)尾刮刀鉆頭四刀翼的稱(chēng)作四刮刀鉆頭一、刮刀鉆頭27

2、刮刀鉆頭的工作原理

刮刀鉆頭主要以切削作用破碎地層。破碎塑性巖石過(guò)程：

在鉆壓W作用下，刀翼容易吃入地層；刃前巖石在扭轉(zhuǎn)力T的作用下不斷產(chǎn)生塑性流動(dòng)。這和車(chē)刀切削軟金屬的過(guò)程類(lèi)似。28破碎脆性巖石過(guò)程

刮刀鉆頭破碎脆性巖石的過(guò)程為：碰撞→壓碎及小剪切→大剪切。（1）碰撞：刃前巖石發(fā)生剪切破碎后，刀刃在旋轉(zhuǎn)扭矩作用下向前推進(jìn)，碰撞刃前巖石。（2）壓碎及小剪切：扭轉(zhuǎn)力增大，壓碎刃前巖石，產(chǎn)生小剪切破壞。（3）大剪切：扭轉(zhuǎn)力繼續(xù)增大到某一極限值，刃前巖石沿剪切面破碎，而后扭轉(zhuǎn)力突然減小。29刮刀鉆頭制造工藝簡(jiǎn)單，成本低；刮刀鉆頭適用于軟地層，鉆速快，每米鉆進(jìn)成本低；刮刀鉆頭容易磨損成錐形，造成縮徑和井斜；刮刀鉆頭產(chǎn)生劇烈的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，破壞鉆具和設(shè)備；刮刀鉆頭目前已被PDC鉆頭取代。3、刮刀鉆頭的合理應(yīng)用301.牙輪鉆頭結(jié)構(gòu)

牙輪鉆頭由鉆頭體、牙爪（巴掌）及牙輪軸、牙輪及牙齒、軸承、儲(chǔ)油潤(rùn)滑密封系統(tǒng)、噴嘴等部分組成。二、牙輪鉆頭31

1）牙輪及切削齒

（1）牙輪20CrMo合金鋼錐體，錐面銑齒或鑲裝硬質(zhì)合金齒，內(nèi)腔有軸承跑道。單錐牙輪：主錐+背錐，硬地層復(fù)錐牙輪：主錐+副錐+背錐，軟到中硬

a—單錐；b、c—復(fù)錐；1—主錐；2—副錐；3—背錐abc32

（2）牙齒

銑齒——在牙輪錐面上直接銑出，楔形。

硬質(zhì)合金鑲齒——鑲裝在牙輪錐面上，有多種齒形適應(yīng)不同地層。33銑齒牙輪鉆頭鑲齒牙輪鉆頭34

(2）軸承

牙輪鉆頭軸承有大、中、小和止推四副。根據(jù)軸承的密封與否，可分為密封和非密封兩類(lèi)。根據(jù)軸承副的結(jié)構(gòu)，可分為滾動(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承兩大類(lèi)。滾動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)：滾柱—滾珠—滾柱—止推

滾柱—滾珠—滑動(dòng)一止推滑動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)：滑動(dòng)—滾珠—滑動(dòng)—止推

滑動(dòng)—滑動(dòng)（卡簧）—滑動(dòng)—止推密封圈密封圈滾柱止推臺(tái)階滑動(dòng)摩擦襯套滑動(dòng)摩擦副35儲(chǔ)油潤(rùn)滑補(bǔ)償系統(tǒng)密封系統(tǒng)：橡膠密封圈、金屬密封圈工作原理：

儲(chǔ)油壓力補(bǔ)償系統(tǒng)（傳壓孔、壓力補(bǔ)償膜、油杯等）保持軸承腔內(nèi)的油壓與井內(nèi)鉆井液柱壓力相平衡。當(dāng)軸承腔內(nèi)油壓降低，儲(chǔ)油杯中的潤(rùn)滑油在鉆井液柱壓力作用下補(bǔ)充到軸承腔內(nèi)；當(dāng)軸承腔內(nèi)的油壓升高，則流入儲(chǔ)油杯。其中，有效密封是關(guān)鍵。3）儲(chǔ)油潤(rùn)滑密封系統(tǒng)3637

4）鉆頭水眼

鉆井液流出鉆頭射向井底的流道。高壓鉆井液流經(jīng)噴嘴后產(chǎn)生高速流動(dòng)的水射流，清除井底巖屑，輔助破碎巖石。 三牙輪鉆頭一般安裝3個(gè)噴嘴，直徑7~13mm。用卡簧固定在水眼內(nèi)，并用o形圈密封。

38

縱向振動(dòng)：牙輪在滾動(dòng)過(guò)程，其中心上下波動(dòng)，使鉆頭做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

引起縱向振動(dòng)的原因：

①單、雙齒交替接觸井底，使牙輪中心上下波動(dòng)；②井底凹凸不平。

2.牙輪鉆頭工作原理1．牙輪鉆頭在井底的運(yùn)動(dòng)公轉(zhuǎn)：牙輪隨鉆頭一起旋轉(zhuǎn)。自轉(zhuǎn)：牙齒繞牙輪軸線作逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)稱(chēng)自轉(zhuǎn)?；瑒?dòng)：牙輪齒相對(duì)于井底的滑移，包括徑向（軸向）和切向（周向）滑動(dòng)。引起滑動(dòng)的原因：

①超頂和復(fù)錐引起切向（周向）滑動(dòng).②移軸引起徑向（軸向）滑動(dòng).

392．牙輪鉆頭的破巖作用

（1）沖擊、壓碎作用

縱向振動(dòng)產(chǎn)生的沖擊力和靜壓力（鉆壓）一起使牙齒對(duì)地層產(chǎn)生沖擊、壓碎作用，形成體積破碎坑。

（2）滑動(dòng)剪切作用

牙輪牙齒的徑向滑動(dòng)和切向滑動(dòng)對(duì)井底地層產(chǎn)生剪切作用，破碎齒間巖石。

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1）國(guó)產(chǎn)牙輪鉆頭分類(lèi)方法

（1）按結(jié)構(gòu)分類(lèi)：Y，P，MP，MPB，HP，HPB，XMP，XHP共8個(gè)系列

3.牙輪鉆頭分類(lèi)及合理使用41（2）按地層分類(lèi)：JR，R，ZR，Z，ZY，Y，JY

1，2，3，4，5，6，7國(guó)產(chǎn)三牙輪鉆頭類(lèi)型及適應(yīng)地層42

類(lèi)型代號(hào)：數(shù)字1~7，表明所適應(yīng)的地層

系列代號(hào)：字母Y,P,MP,MPB,HP,HPB,XMP,XH，表明結(jié)構(gòu)特征

鉆頭直徑：用英寸或毫米表示直徑大小例：用于中硬地層、直徑為8-1/2in(215.9mm)的鑲齒滑動(dòng)密封軸承噴射式三牙輪鉆頭的型號(hào)為：8-1/2XHP5或215.9XHP5。（3）型號(hào)表示方法433.牙輪鉆頭的正確使用1.根據(jù)地層性質(zhì)合理選擇鉆頭類(lèi)型地層較軟時(shí)：選用牙齒高度大并帶有超頂或移軸的鉆頭；地層較硬時(shí)：選用牙齒高度小，無(wú)超頂或移軸的鉆頭；研磨性地層：選用帶保徑齒的鑲齒鉆頭。易斜地層鉆進(jìn)：使用不移軸的鉆頭，無(wú)保徑的鉆頭。軟硬交錯(cuò)地層鉆進(jìn)：按較硬巖石選擇鉆頭。淺井段：可選鉆速較高的鉆頭。小井眼：可使用單牙輪鉆頭參考廠家的推薦：參考鄰井資料：考慮每米成本最低：2.優(yōu)選鉆進(jìn)參數(shù)：鉆壓、轉(zhuǎn)速、水力參數(shù)等。

銑齒鉆頭：低鉆壓，高轉(zhuǎn)速

鑲齒鉆頭：高鉆壓，低轉(zhuǎn)速

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軟地層用鉆頭

硬地層用鉆頭牙輪鉆頭（RollerBit)451.金剛石鉆頭的結(jié)構(gòu)

金剛石鉆頭為無(wú)活動(dòng)部件的整體式鉆頭。由鋼體、胎體（冠部和保徑部分）、水眼及水槽、金剛石切削刃等部分組成。三、金剛石鉆頭462.金剛石鉆頭的正確使用

1.適用于硬、研磨性地層，渦輪鉆井，深井鉆井，

取心作業(yè)。壽命長(zhǎng)，進(jìn)尺高。2.鉆頭下井前，井底打撈干凈，確保沒(méi)有金屬落物。3.先用小鉆壓、低轉(zhuǎn)速跑合，然后用合適鉆壓和高轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)。4.采用低鉆壓（30-50kN）、高轉(zhuǎn)速、大排量鉆進(jìn)。47

四、PDC鉆頭

胎體PDC鉆頭鋼體PDC鉆頭兩類(lèi)PDC切削元件481.PDC鉆頭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

聚晶金剛石復(fù)合片（PDC）

PDC既具有金剛石的硬度和耐磨性。弱點(diǎn)是熱穩(wěn)定性差，350℃以上加速磨損?？箾_擊能力較差。熱穩(wěn)定聚晶金剛石復(fù)合片（TSP）

TSP的制造工藝有別于PDC，熱穩(wěn)定性、耐磨性和抗沖擊能力都高于PDC。Φ13.4，Φ191)切削元件49 2)切削齒布置刮刀式布齒方式：特點(diǎn)是整體強(qiáng)度高、抗沖擊能力強(qiáng)、易于清洗和冷卻、排屑好、抗泥包能力強(qiáng)。適用于粘性或軟地層。單齒式布齒方式：布齒區(qū)域大、布齒密度高，可以提高鉆頭的使用壽命，但水力清洗能力低，容易在粘性地層泥包。適用于硬地層。組合式切削齒的布置，具有較好的清洗、冷卻和排屑能力，布齒密度較高。這種布齒方式的鉆頭多用于中等硬度地層。布齒原則：

等切削體積—— 等磨損—— 等功率——502.PDC鉆頭破巖機(jī)理

PDC鉆頭主要以切削方式破碎巖石。切削刃在鉆壓作用下吃入地層，刃前巖石在旋轉(zhuǎn)力作用下發(fā)生剪切破壞。切削塑性巖石和脆性巖石的過(guò)程類(lèi)似于刮刀鉆頭。由于多個(gè)切削齒同時(shí)工作，井底巖石自由面多，因此破巖效率高。金剛石切削刃耐磨性高，鉆頭壽命長(zhǎng)，單只鉆頭進(jìn)尺高。513.PDC鉆頭的正確使用PDC鉆頭適用于軟到中硬的大段均質(zhì)地層，不適合鉆軟硬交錯(cuò)地層和礫石層。2.與牙輪鉆頭相比，PDC鉆頭宜采用低鉆壓、高轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)。3.鉆頭下井前，井底要清潔，無(wú)金屬落物。新鉆頭鉆進(jìn)時(shí)，先用小鉆壓和低轉(zhuǎn)速磨合井底。4.PDC鉆頭屬于整體式鉆頭，無(wú)任何活動(dòng)部件，適合高轉(zhuǎn)速的渦輪鉆井。521.鉆柱的組成

鉆柱是鉆頭以上，水龍頭以下部分的鋼管柱的總稱(chēng).它包括方鉆桿、鉆桿、鉆挺、各種接頭及穩(wěn)定器等井下工具。一、鉆柱的組成與功用第三節(jié)鉆柱532.鉆柱的功用(1)提供鉆井液流動(dòng)通道；(2)給鉆頭提供鉆壓；(3)傳遞扭矩；(4)起下鉆頭；(5)計(jì)量井深。(6)觀察和了解井下情況（鉆頭工作情況、井眼狀況、地層情況）；(7)進(jìn)行其它特殊作業(yè)（取芯、擠水泥、打撈等）；(8)鉆桿測(cè)試(Drill-StemTesting),又稱(chēng)中途測(cè)試。54

3.鉆桿

（1）作用：傳遞扭矩和輸送鉆井液，延長(zhǎng)鉆柱。

（2）結(jié)構(gòu)：管體+接頭

常用的加厚形式有內(nèi)加厚(a)、外加厚(b)、內(nèi)外加厚(c)三種.(a)(b)(c)55

（3）規(guī)范：

壁厚：9～11mm外徑：

長(zhǎng)度：

根據(jù)美國(guó)石油學(xué)會(huì)(AmericanPetroleumInstitute,簡(jiǎn)稱(chēng)API)的規(guī)定，鉆桿按長(zhǎng)度分為三類(lèi)：

第一類(lèi)5.486～6.706米(18～22英尺)；第二類(lèi)8.230～9.144米(27～30英尺);第三類(lèi)11.582～13.716米(38～45英尺)。

常用鉆桿規(guī)范（內(nèi)徑、外徑、壁厚、線密度等）見(jiàn)表2-1256（4）鋼級(jí)與強(qiáng)度

（5）接頭及絲扣絲扣連接條件：尺寸相等，絲扣類(lèi)型相同，公母扣相匹配。

鉆桿接頭特點(diǎn)：壁厚較大，外徑較大，強(qiáng)度較高。鉆桿接頭類(lèi)型：內(nèi)平（IF）、貫眼（FH）、正規(guī)（REG）；NC系列57

內(nèi)平式：主要用于外加厚鉆桿。特點(diǎn)是鉆桿通體內(nèi)徑相同，鉆井液流動(dòng)阻力?。坏鈴捷^大，容易磨損。貫眼式：主要用于內(nèi)加厚鉆桿。其特點(diǎn)是鉆桿有兩個(gè)內(nèi)徑，鉆井液流動(dòng)阻力大于內(nèi)平式，但其外徑小于內(nèi)平式。正規(guī)式：主要用于內(nèi)加厚鉆桿及鉆頭、打撈工具。其特點(diǎn)是接頭內(nèi)徑加厚處內(nèi)徑管體內(nèi)徑，鉆井液流動(dòng)阻力大，但外徑最小，強(qiáng)度較大。

三種類(lèi)型接頭均采用V型螺紋，但扣型、扣距、錐度及尺寸等都有很大的差別。58NC型系列接頭

NC23，NC26，NC31，NC35，NC38，NC40，NC44，NC46，NC50，NC56，NC61，NC70，NC77

NC—NationalCoarseThread，（美國(guó)）國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)粗牙螺紋。

xx—表示基面絲扣節(jié)圓直徑，用英寸表示的前兩位數(shù)字乘以10。