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钻井方法的发展

• 顿钻钻井法：又称冲击钻井，相应的钻井设备称为顿钻钻机。其工作原理是周期地将钻头提到一定高度向下冲击井底，破碎岩石。在不断冲击的同时，向井内注水，将岩屑、泥土混成泥浆，等井底泥浆碎块积到一定数量时，便停止冲击，下入捞砂筒捞出岩屑，然后再开始冲击作业。如此交替进行，加深井眼，直至钻到预定深度为止。

特点是：

1. 破岩与清岩相间进行。
2. 冲击力小，破碎效率低。
3. 设备简单，起下钻方便。

 

• 旋转钻：旋转钻井是靠动力带动钻头旋转，在旋转的过程中对井底岩石进行破碎，同时循环钻井液以清洁井底的钻井方法。

特点是：

1. 破岩与清岩相接进行。
2. 旋转动力大，转速高，破碎效率高。
3. 设备复杂，起下钻繁琐。

 

旋转转井按钻井方法可分为

1. 转盘钻井：动力机驱动转盘时带动钻柱和钻头一起旋转，破碎岩石，井眼随钻柱不断加长而加深，钻屑随钻井液返回地面。
2. 顶部驱动旋转钻井：顶部驱动钻井装置是用以取代转盘钻进的新型石油钻井装备。与常规旋转钻井方式不同，采用顶驱装置钻进一次可接入和钻进一个立根，上卸扣时间减少了三分之二；并在起下钻过程中遇阻遇卡能迅速循环和转动。
3. 井下动力钻具钻井：在钻柱下面接上井下动力钻具，其他的和转盘钻井一样。钻头转动不是靠转盘而是靠井下动力钻具带动。因此钻机作业效率大幅度提高。井下动力钻具有涡轮钻具和螺杆钻具之分，均是靠钻井液驱动转子获得转动能量。这种钻井降低了功率消耗，避免了钻杆折断事故。

 

 

石油钻井分类

1. 探井：在油气田预探和详探阶段所钻的井的统称。探井中又分为预探井和评价井 ，预探井是为了寻找油气藏，评价井的目的是探明油气藏的边缘，确定油气藏的深度，油气层的厚度变化及含油气情况等。
2. 开发井：为开发石油，天然气或其它资源所钻的各种生产井，注入井，以及在已开发油气田内，为保持一定的产量并研究开发过程地下情况变化所钻的资料井等。

 

钻井工艺技术分为

1. 气体钻井：用空气或天然气，氮气或其他气体作为循环介质，在一些特定岩层井段中进行的钻井。
2. 雾化钻井：用水和泡沫剂的混合物注入到空气流中作为钻井液进行的钻井。
3. 泡沫钻井：用泡沫钻井液作为钻井流体进行的钻井。
4. 充气钻井液钻井：用钻井液和空气的混合物作为钻井流体进行的钻井。
5. 控压钻井：作用于井底的最小液柱压力等于或小于地层孔隙压力情况下进行的钻井。
6. 小井眼钻井：井眼直径小于5mm的钻井。

 

定向井的类型

1. 丛式井：一个钻井平台上，按一定井口间距钻出两口或两口以上的一组井。
2. 救援井：为抢救井喷失控，着火油气井，在其一定安全距离设计，施工钻一口井与喷井连通，达到控制井喷目的的井。
3. 分支井（也叫多底井）：一个井口两个或两个以上井底的一簇井。
4. 多目标定向井（也叫多靶定向井）：为绕过井口和目标之间的障碍而设计的定向井。
5. 大斜度井：最大斜度超过55°的定向井。
6. 水平井 ：井眼进入目的层时井斜角等于或大与90°并在目的层中延伸一定长度的定向井。
7. 大位移井：通常指水平位移和垂深的比值大于2的定向井。

 

 

钻井设备及工具

 

钻机的组成

1. 动力设备：柴油机或交、直电
2. 传动系统：包括减速、并车、倒转、变速等机构。在机械传动的基础上，同时还要有液力传动，气、电磁离合器等。
3. 提升系统：绞车、辅助绞车、盘式刹车、辅助刹车、自动送钻；游动系统（游车、大钩、天车、井架等）；提升工具（吊环、吊卡、卡瓦、大钳等）
4. 旋转系统：转盘、水龙头、顶驱装置；钻柱、钻头及井下动力钻具
5. 循环系统：钻井泵、地面管汇、泥浆池、泥浆净化设备、调配泥浆设备。
6. 控制系统：机械、液动或电控装置，控制操作台、观测记录仪等
7. 底座：包括钻台底座、机房底座、泥浆泵等等
8. 辅助设备：空气压缩设备，井口防喷设备，辅助发电设备，辅助起重设备，活动房屋，保温设备等。

 

钻头的类型

• 刮刀钻头：钻头体上固定了若干个切削刃，钻进时在钻压的作用下吃入地层岩石，切削刃随钻头一起旋转而将刃前的岩石刮起。刮刀钻头用于非固结的软地层效果很好。

• 牙轮钻头（常用）

• 金刚石钻头

天然金刚石钻头（ＮＤ）

人造聚晶金刚石钻头（ＰＤＣ）

热稳定聚晶金刚石钻头（ＴＳＰ）

• 特殊用途钻头

取心钻头(Coring bit)

扩眼钻头(reamer)

 

钻井管材

钻柱：由方钻杆、钻杆、钻铤等基本钻具组成，并用配合接头连接起来的入井管串称为钻柱。

1. 方钻杆的主要的功能是把转盘的旋转变成整个钻柱和钻头的旋转，以破碎地层，即传递扭矩并承受钻柱的全部重量。
2. 钻杆是钻柱的基本组成部分，主要作用是加深井眼，传递扭矩和形成钻井液循环通道。
3. 加重钻杆的壁厚介于钻杆和钻铤之间，其结构形式类似与钻杆。
4. 钻铤在钻井过程中主要用来给钻头提供钻压，并以其较大的刚性扶正钻头、保持井眼轨迹。

 

钻井过程

• 钻进：

钻进时用足够的压力将钻头压到井底岩石上，使钻头的刃部吃入岩石中。钻柱带动钻头旋转破碎岩石。

随着钻井的进行，钻柱逐渐增长，重量也渐渐加大，以致超过所需的钻压，过大的压力会使钻头、钻杆等损坏，必须将大于钻压的那部分钻杆的重量吊起来，使之不作用于钻头上。钻井时由司钻控制。

• 洗井：

必须将井底钻屑清除掉或者携带到地面，称为洗井。

钻井液经钻杆的内孔注入，从钻头水眼中流出以清洗钻头并冲向井底。被冲离井底的钻屑随钻井液一同进入井壁与钻柱之间的环形空间，向地面返回。钻屑在地面上从钻井液中分离出来叫做除砂。清除了钻屑的钻井液再次被注入井中循环利用。

• 接单根：

在钻井过程中，随着井的不断加深，钻柱也要及时加长，接一根钻杆就叫做接单根。

• 起下钻：

为更换磨损的钻头，须将全部钻柱从井中取出，换上新的钻头以后，再重新下到井中继续作业，称为起钻和下钻，简称起下钻。三根钻杆为一个接卸单位，称为立柱。为配合长的立柱能够安靠在井架上，井架高度一般为40m左右。

 

固井工程的概念

• 为了巩固已钻井眼，保证继续钻进，封隔油、气和水层，保证勘探期间的分层试油及在整个开采中合理的油气生产，为此下入套管，并在井筒与套管环空填充水泥的作业，称为固井工程。（包括下套管和注水泥）
• 在井眼内下入一层套管，并在套管与井壁的环形空间里灌注水泥浆进行封固，称为固井。依井身结构不同，钻井过程中有时仅需下一层套管，又是需要下多层套管，最终形成一串轴心线重合的套管柱。

 

固井目的

• 封隔易塌、易漏等复杂地层，保证钻井顺利进行
• 封隔油气水层，建立油气流出通道，防止产层间互窜
• 进行增产措施
• 安装井口

 

固井工程的特殊性

• 是一次性工程,如果质量不好,一般情况下难以补救;
• 是隐蔽性工程,主要流程在井下,施工时不能直接观察,质量控制往往决定于设计的准确性和准备工作的好坏,受多种因素的综合影响;
• 影响后续工程的进行;
• 是一项花钱多的工程;
• 施工时间短,工序内容多,作业量大,是技术强的工程.

 

完井的定义

• 完井(Well Completion)，油气井的完成方式，即根据油气层的地质特性和开发开采的技术要求，在井底建立油气层与油气井井筒之间的合理连通渠道或连通方式，是油气井生产前的最后一道工序
• 一口井钻成之后，主要的工作就是在井底建立油气层与油气井井筒之间的合理连通渠道，也就是完井。
• 在井底建立的油气层与油气井井筒之间的连通渠道不同，也就构成了不同的完井方法。

 

合理的完井方法应该满足的要求

1. 油、气层和井筒之间应保持最佳的连通条件，油、气层所受的损害最小；
2. 油、气层和井筒之间应具有尽可能大的渗流面积,，油、气入井的阻力最小；
3. 应能有效地封隔油、气、水层，防止气窜或水窜,，防止层间的相互干扰；
4. 应能有效地控制油层出砂，防止井壁垮塌，确保油井长期生产；
5. 应具备进行分层注水、注气、分层压裂、酸化等分层处理措施，便于人工举升和井下作业等条件；
6. 对于稠油油藏，则稠油开采能达到热采（主要蒸汽吞吐和蒸汽驱）的要求；
7. 油田开发后期具备侧钻定向井及水平井的条件
8. 施工工艺尽可能简便，成本尽可能低。

 

 

常规完井方法

• 射孔完井方法

套管射孔完井是用同一尺寸的钻头钻穿油层直至设计井深，然后下油层套管至油层底部并注水泥固井，最后射孔，射孔弹射穿油层套管、水泥环并穿透油层一定深度，从而建立起油（气）流的通道。

• 裸眼完井

是钻头钻至油层顶界附近后，下技术套管注水泥固井。水泥浆上返至预定的设计高度后，再从技术套管中下入直径较小的钻头，钻穿水泥塞，钻开油层至设计井深完井。此为先期裸眼完井。

• 衬管完井

钻头钻至油层顶界后，先下套管注入水泥固井，再从套管中下入直径小一级的钻头穿油层至设计井深。最后在油层底部下入预选割缝的衬管，靠衬管悬挂器将衬管挂在套管上，并密封衬管和套管之间的环形空间，使油气通过衬管的割缝流入井筒。

 

• 闸板防喷器的合理使用

1.半封闸板的尺寸应与所用钻杆尺寸相对应。

2.井中有钻具时切忌用全封闸板封井。

3.长期封井应手动锁紧闸板并泄压。

4.闸板防喷器未解锁不许液压开井；未液压开井不许上提钻具。

5.半封闸板封井后不能转动钻具，不能用打开防喷器的办法泄降套压。

6.闸板防喷器的手动锁紧装置只能关闭闸板，不能打开闸板。要打开的唯一办法是：先解锁，然后用液压打开。

 

 

 

ISO 13628的本部分规定了水下井口装置、泥线井口装置、钻通泥线井口装置、水下立式采油树和水下卧式采油树、以及相关的用于搬运、实验和安装这些设备的工具的设计和操作。还规定了单独的分总成（用来建造完整的水下采油树总成）和完整的水下采油树总成的设计、材料、焊接、质量控制（包括工厂验收试验）、标识、贮存和发运。

 

ISO 13628的本部分包括的设备如下

 

水下采油树

 

水下采油树包括：

• 采油树链接装置和油管悬挂器；
• 阀、阀组和阀驱动器；
• 节流阀和节流阀促动器；
• 排放阀、测试阀和隔离阀；
• 过出油管Y形四通；
• 再入界面；
• 采油树帽；
• 采油树管路；
• 采油树导向架；
• 采油树送入工具；
• 采油树帽送入工具；
• 采油树安装的出油管线/脐带缆连接装置；
• 油管头和油管头连接装置；
• 出油管线底座和送入/回收工具；
• 采油树安装的控制装置接口（仪器、传感器、液压油管/管路和配件、电气控制装置电缆盒配件）。

 

水下井口系统

 

水下井口装置包括：

• 导管头；
• 井口头；
• 套管悬挂器；
• 密封总成；
• 导向基座；
• 孔保护装置和耐磨衬套；
• 耐腐蚀帽。

 

泥线悬挂系统包括：

• 井口装置；
• 送入工具；
• 套管悬挂器；
• 套管悬挂器送入工具；
• 水下完井回接工具；
• 泥线井口装置水下完井异径连接装置；
• 油管头；
• 耐腐蚀帽。

 

钻通泥线悬挂系统包括：

• 导管头；
• 表层套管悬挂器；
• 井口头；
• 套管悬挂器；
• 环空密封总成；
• 孔保护装置和耐磨衬套；
• 弃井封盖。

 

油管悬挂器系统包括：

• 油管悬挂器；
• 送入工具。

 

其他设备：

• 法兰式端部和出口连接；
• 卡箍毂式连接；
• 螺纹式端部和出口连接；
• 其他端部连接；
• 螺柱和螺母；
• 垫环；
• 连接导向绳的设备。

 

术语和定义

 

环空密封总成 annulus seal assembly

在每个套管悬挂器和井口头之间提供压力隔离的装置。

 

返驱 backdriving

（普通）操作时倒退方向中意外的移动。

（直线促动器）阀门偏离座封位置。

（手动、遥控潜水器操作节流阀）操作者里靠后阀门改变了位置。

（旋转促动器）阀门持续改变位置随后造成了位置上的移动。

（步进驱动节流阀）操作者离开后阀门改变了位置。

 

孔保护装置 bore protector

在钻井或修井作业期间保护孔内表面的装置。

 

止回阀 check valve

用来将流动限定在一个方向的装置。

 

节流阀 choke

用来约束或控制液体和气体流动的装置。

 

完井/修井立管 completion/workover riser

装配在防喷器内部，以便安装油管悬挂器，也可以用来连接采油树上部连接，用作采油树下入装置或用作修井立管。

 

导管头 conductor housing

在第一根套管柱的顶部形成水下井口装置的基础，并为导向架提供连接。

 

耐腐蚀帽 corrosion cap

安装在井口装置的上面，在临时弃井期间，用于防止岩屑、海洋生物污染或腐蚀井口装置的盖子。

 

耐腐蚀合金 corrosion-resistant alloy（CRA）

钛、镍、钴、铬和钼中的一种或几种合金元素超过50%的非铁合金。

 

耐腐蚀材料 corrosion-resistant material（CRM）

耐腐蚀能力超过低合金钢的铁合金或有色合金。

 

额定深度值 depth rating

设备在某一规定工作条件下的最大额定工作深度。

 

下游 downstream

远离储液器的流动方向。

 

延伸接头 extension sub

在采油树相邻的零部件之间，连接采油树孔的密封管形构件。

 

故障关断阀 fail-closed valve

设计成能在出故障时自动关闭的驱动阀。

 

故障开启阀 fail-open valve

设计成能在出故障时自动打开的驱动阀。

 

出油管线 flowline

与水下采油树总成连接的任何管线。

 

出油管线连接装置支架 flowline connector support frame

支撑出油管线连接装置并将出油管线载荷传回到井口装置或海底锚定结构的支架。

 

出油管线连接装置系统 flowline connector system

用来将海底管线、控制脐带缆连接到水下采油树上的设备。

 

流动环路 flow loops

将水下采油树出口连接到水下出油管线连接装置/采油树其他管路连接装置（跨越管路等）的管路。

 

漏斗形导向接口 guide funnel

在一个导向构件的端部为另一导向构件提供主导向的锥形扩大口。

 

导向绳 guideline

从海底到水面用来将设备导入海底结构的张紧绳。

 

高压立管 high-pressure riser

将井筒从泥线井口装置或油管头延伸到地面防喷器的管形构件。

 

卧式采油树 horizontal tree

生产主阀不是安装在垂直通孔上面而是安装在通向侧面的水平出口上的采油树。

 

额定液压工作压力 hydraulic rated working pressure

液压设备可以承受和/或控制的最大内部压力。

 

静水压压力 hydrostatic pressure

设备可以承受和/或控制的海洋环境最大外部压力（最大水深）。

 

维修装置 intervention fixtures

永久性地安装到水下井口设备上，以便于完成水下维修任务的装置或功能部件，包括但不限于下列装置：

• 抓握维修装置；
• 对接维修装置；
• 座放维修装置；
• 线性促动器维修装置；
• 旋转促动器维修装置；
• 液力耦合器维修装置；

 

维修系统 intervention system

配置或运输维修工具到水下井口设备，执行维修任务的装置（人），包括：

• 遥控潜水器；
• 遥控设备；
• 常压潜水系统；
• 潜水员；

 

提升耳板 lifting pad eye

为了提升和悬吊设计负载或封装组件的耳板。

 

修井立管下部组件 lower workover riser package（LWRP）

与采油树上部连接接口、并允许密封采油树垂直通径的组合件。

 

泥线悬挂系统 mudline suspension system

使用地面防喷器的底座式钻井装置安装的、由一系列用来支撑泥线处管套柱的外壳组成的钻井系统。

 

定向衬套 orenting bushings

关于井口装置，采用非承压件进行设备或工具定向。

 

采油树外侧管路 outboard tree piping

采油树第一个翼阀下游、出油管线连接装置上游的水下采油树管路。

 

永久导向基座 permanent guidebase

对准并定向井口装置系统，并为将设备送入井口总成内或其上提供入口的导向结构。

 

再入四通 re-entry spool

允许远程连接采油树送入工具、修井立管下部组件或采油树帽的采油树上部连接型面。

 

反向压差 reverse differential pressure

节流阀与规定工作方向相反的方向允许的压差。

 

送入工具 running tool

用来从水面远程送入、回收、定位、或连接水下设备的工具。

 

水下防喷器 subsea BOP

用于水下井口装置、油管头或采油树的防喷器。

 

水下套管悬挂器 subsea casing hangers

在泥线上支撑井口装置内套管柱的装置。

 

水下完井设备 subsea completion equipment

在水面下，用于完井的专用采油树设备和井口装置。

 

水下井口头 subsea well head housing

在浮式钻井作业期间，为所安装的油井套管柱提供悬挂和密封机构的承压外壳。

 

回接异径连接装置 tieback adapter

连接泥线悬挂设备和水下完井设备的装置。

 

采油树帽 tree cap

立式采油树生产抽汲阀或卧式采油树管悬挂器上端安装的承压环境边界。

 

采油树连接装置 tree connector

将水下采油树连接并密封在水下井口装置或油管悬挂器上的机构。

 

采油树导向架 tree guide frame

为水下井口装置/油管头安装水下采油树提供导向、定位和保护，同时为采油树出油管线和连接设备、液压中转控制盒、阳极、平衡重提供支撑的结构框架。

 

脐带缆 umbilical

将流体和电流和信号输入或输出水下采油树的软管、油管、管路和电导体。

 

上游 upstream

流向贮液器的流动方向。

 

Y形四通 wye spool

在过出油管采油树的主阀和抽汲阀之间，允许过出油管工具从出油管进入采油树通径的短管。

 

本体 body

井口装置和采油树设备上，承受井眼压力的端部连接之间的任何部分，带或不带任何零件。

 

套管 casing

从地表下入已钻井眼作衬壁的管子。

 

芯轴式套管悬挂器 casing hanger mandrel

在套管头内，用内、外螺纹连接套管并悬挂套管柱的机构。

 

送入工具 running tool

用来从钻台面远程下入、收回、定位或连接井口装置的工具。

 

不锈钢 stainless steel

含铬量大于11%的耐腐蚀性钢。

 

应力消除 stress relief

对材料加热并控制到预定温度，以降低焊接后的残余应力。

 

地面安全阀 surface safety valve（SSV）

一种失去动力源就会自动关闭的井口阀总成。

 

抽汲阀（顶阀） swab valve（crown valve）

位于采油树垂直通孔的最上部，高于出口管线的阀。

 

文丘里阀 venture valve

为减小压力损失，从全开端至缩减的关闭区域有良好流线型的开口缩小的阀。

 

标准额定工作压力

34.5MPa（5000psi）

69.0MPa（10000psi）

103.5MPa（15000psi）

PSI：pounds per square inch

MPa（兆帕）：1000000Pa（1Pa一牛顿作用在一平方米上）

1 Pa= 1 N/m² = 1（kg·m/s²）/m² =1 kg/(m·s²)

 

标准额定工作温度值

阀和节流阀促动器额定温度范围应在2℃~66℃（35℉~151℉）之间。

水下系统额定温度级别应为2℃~121℃（35℉~250℉）之间。

冲击韧性要求的承压件和空压件材料：-18℃~121℃（0℉~250℉）。

 

QPQ

Quench-Polish-Quench

淬火-抛光-淬火

一种液体碳氮共渗工艺，俗称软氮化，为了降低工件表面的粗糙度，这对精密零件和表面粗糙度要求较高的工件来说是非常必要的。这种技术实现了渗氮工序和氧化工序的复合；

氮化物和氧化物的复合；耐磨性和抗蚀性的复合；热处理技术和防腐技术的复合。