《石油工程與裝備》
第二節鑽井方法
（機自02級，第二次課）
一、 機械鑽井法
1. 頓鑽鑽井法
破岩—用頓鑽鑽頭，上下衝擊。
排屑—用撈砂筒。
二者交替進行，鑽進過程不連續。
特點：低效慢速，裝置簡單，適於淺井，農用水井。
我校新建體育館進行地質勘查使用的是頓鑽法。
2．旋轉鑽井法
（1）過程：
破岩—用旋轉鑽頭；
排屑—用迴圈井液；
（2）鑽具組合：（輸入泥漿）→（傳矩）→（鑽桿：傳矩、加長、迴圈；鑽鋌：提供鑽壓）→。
（3）分類
地面動力——轉盤鑽（常規）【鑽頭旋轉，連續破岩，用鑽井液迴圈帶屑，鑽井效率高。】
地上動力——頂部驅動（前景好）【水龍頭＋轉盤，以立根鑽井。】
井下動力——有渦輪、螺桿鑽具。（斜井、水平井用）【鑽井液經鑽桿柱內腔幫浦入渦輪鑽具中，驅動轉子由主軸帶動鑽頭旋轉，實現破岩鑽進。相當於液馬達。】
二、鑽井工藝過程
幹三件事：破碎岩石；取出岩屑、保護井壁；固井和完井，形成油流通道。
1．鑽前準備
①定井位；②平井場；③打基礎；④備器材。
2．鑽進
（1）全井鑽進過程
一次開鑽，下表管。
②二次開鑽，從表管內鑽進。
③三次開鑽，從技術套管內鑽進。
（2）鑽井作業
①下鑽—將鑽具（由鑽頭、鑽鋌、方鑽桿組成的鑽桿柱）下入井底，準備鑽進。
②正常鑽進—啟動轉盤（或井底動力鑽具）通過鑽柱帶動鑽頭旋轉，借助手剎車，給鑽頭施加適當的鑽壓以破岩。
同時，開幫浦迴圈泥漿：沖洗井底，攜出岩屑，保護井壁，冷卻鑽具。
③接單根—加長鑽柱。
每次接入一根鑽桿，稱為接單根。
頂驅時，每次接入一立根（由2～3單根組成）。
④起鑽—換鑽頭時，取出鑽柱，稱起鑽作業。
以立根為單位起卸。
⑤換鑽頭—起鑽結束，卸下舊鑽頭，換上新鑽頭。
⑥迴圈工作：下鑽→正常鑽進→接單根（立根）→起鑽→換鑽頭→下鑽
4．固井
套管與井壁的環空注入水泥漿封固，稱為固井。
5．完井
鑽井的最後一道工序。
主要用射孔完井法：用子彈射穿套管、水泥環和油層，使油層與井筒相通。
6．鑽井事故的處理
（1）井漏、井塌
井漏—泥漿壓力》地層壓力時，使泥漿進入地層。應加堵漏物封堵。
井塌—井壁坍塌，應加重泥漿。
（2）井噴
地層壓力大於泥漿柱壓力，井口應裝防噴器。
（3）卡鑽
轉不動、起下鑽遇阻，由沉砂、落石造成。
三、鑽井新技術
（一）噴射式鑽井
利用高速射流作用，結合機械破岩，提高鑽速，即噴射式鑽井。
採用噴射式鑽頭，鑽井液通過具有特殊形狀和小尺寸噴嘴形成高速射流射向井底。
1. 現狀與前景
超高壓噴射鑽井是石油工業的前沿研究課題。
破岩壓力：150～200mpa（需增壓）
①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，打井試驗，效果很好，提高鑽速3～5倍。
地面增壓缺點：高壓傳輸密封難保證（接頭），沿程損失太大。
94年後，開始研究井下增壓器，96年下井試驗。
②中國：
92年構思用「井下增壓器」研究（由礦機教研室增壓器科研組完成）。
94年石油總公司招標，由石大、勘探院兩家分別進行可行性研究。
99年，單元、整機地面試驗成功。
技術特點：利用地面泥漿，井下增壓缸自動水力換向，產生高壓射流。難點超高壓密封。
前景：試驗成功是鑽井的一場革命；增壓技術可用於地面和井下增壓注水。
2. 噴射鑽井的主要特點
用超高壓液體，高速衝擊岩石，鑽進快，鑽頭壽命長。
①射流噴速高，100～150m/s；
②幫浦壓高，20～ 35mpa；
③噴射鑽頭壓力降和水功率高
3. 噴射鑽井工作方式
鑽頭噴嘴處射出的噴射流，用噴度、衝擊力和水功率三個引數來表徵。
（1）幫浦的水功率分配（np=pp.q）
1 迴圈功率消耗（迴圈管路上nc）
2 過鑽頭噴嘴壓降（形成高速射流作用的水功率nb）
壓降：進、出口壓差值。
鑽井時，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：使射流獲得大噴速、大水馬力，大動能；使射流到達井底有大衝擊力。
通過壓能與動能進行能量交換。
（2）射流
1 定義：微孔噴出流體並非重力作用，而傳播的現象稱射流。
噴嘴直徑：2～3mm,超高壓噴嘴孔徑<2mm。
水力學定義：液體的過流斷面周界不與固體接觸的液體流動稱射流。
2 有氣、液射流
③流態：層流（雷諾數小為層流）、紊流（噴射鑽井）。
（3）射流結構
射流成喇叭形（速度遞減）。
分三個區：（以噴嘴向外開始）
a區——等速核長度區，噴速為定值。（中心線噴速等於出口速度）
b區——紊流混合區，噴度衰減。
c區——紊流形成區，噴度衰減顯著。
（4）壓降、射流、破岩的關係
噴射破岩機理。
本節重點理解的問題
1 從能量角度分析
提高射流的水功率和衝擊力能提高破岩能力。
水功率：是單位時間**流動能（）
—單位時間內液體質量（m），—密度；—流量；
—噴嘴出口流速。
t': 'span', 'c': ' ', 'r': 'r_19'}, ]
衝擊力：為單位時間內動量變化（，動量）。衝擊力大破巖能力高。
[, ]
②提高噴速途徑
其一， 只有減小噴嘴孔徑
其二，提高噴嘴壓降，大進出口壓差（）。
從能量方程知：
[, , , ]，只有提高，即增壓。
故，提高噴射壓力，可提高射流水功率和衝擊力，進而提高破岩能力。
水力破岩，壓力必須提高到破岩的門值，[, , , ]。
【實際破岩機理具有較深研究課題，並非簡單能量關係。】
（5）有效噴距
。保證在（b區）紊流混合區。
最佳噴射距離，與噴嘴直徑、結構有關。
有圓弧、橢圓、圓錐、雙圓弧形入口（目的減少入口損失）。
沈忠厚教授加長噴嘴就是根據最佳噴距而來。
噴嘴距井底太近：沖蝕體積過小，破岩效果差。
太遠：噴速大大降低，破岩效果也差。
最佳噴距涉及一系列研究課題。
高壓水射流研究內容：
破岩機理；岩石效能、岩石力學；沉沒流噴射破岩機理；射流流態分析；流體力學；噴射壓力；噴嘴結構；噴距、噴嘴截面；噴射角優選。
（二）平衡壓力鑽井
1. 平衡壓力鑽井含義
鑽井用泥漿密度正好等於平衡地層壓力所需泥漿密度，稱為平衡壓力鑽井。
平衡鑽井：保持井內鑽井壓力與地層孔隙壓力相等，即
式中，—地層孔隙壓力（地層壓力）；
—鑽井液柱靜壓力；
—鑽井液迴圈時的環空壓降。
2. 平衡壓力鑽井目的
1 降低岩石強度、岩屑的壓持效應，提高鑽速；
2 可有效地保護地層，防止地層汙染、井漏。
3. 實現平衡鑽井的關鍵
是選控合理的鑽井液密度，使鑽井液柱靜液壓力和環空壓降之和同地層孔隙壓力始終保持平衡。
4. 平衡鑽井技術保證
1 安井控裝置，防止井湧、井噴；
2 配先進固控裝置，適時調、控配井液效能。
（三） 欠平衡鑽井
欠平衡鑽井是當今鑽井新技術之一。
（鑽井用泥漿密度《平衡地層壓力所需泥漿密度時稱為欠平衡鑽井）
1. 欠平衡鑽井原理
井底液柱壓力低於地層孔隙壓力。
允許地層流體進入井內，迴圈出井，在地面處理和控制。
2.優點
①利於發現低壓儲層；
②避免對油層的損害；
③減少清堵費用
④提高鑽速，降低鑽井成本。
3. 適用於地層條件：
①存在井漏（泥漿漏走）的油層；
②液敏油層，【如對水基鑽井液過敏的地層】；
3 機械封堵引起的井壁堵塞的井；
4 頁岩水化引起的井壁堵塞；
5 低滲透油層、硬地層；
6 欠壓或衰竭地層；
7 大裂縫地層。
5. 保持欠平衡鑽井方法
1 配注氣裝置：向井液中注空氣或氮氣，降低液柱靜水頭。
2 配井控裝置
3 流體地面處理裝置
4 隨鑽測量儀。
（四）深、超深井鑽井技術
深井：4500～6000m；超深井：6000m以上。
目的：開發深部資源。如四川盆地、塔里木盆地、準葛爾盆地。
1. 要研究和掌握的關鍵技術
井眼穩定技術、井斜控制技術、高效破岩與洗井技術、固井技術、鑽井液技術和管柱優化設計技術等。
2.特點
深井、超深井鑽井中，機械鑽速低、鑽頭壽命短、起下作業頻繁，建井周期長，費用很高。
3.對鑽井裝置和鑽具要求
（1） 加速研製先進的深井、超深井鑽機。
國產已有zj60級深井鑽機，蘭石廠04年生產出zj70ldb,04年8月在勝利鑽井四公司安裝試車，之後準備到四川打氣井**盤電驅，其他機驅，鏈條併車）。
深井、超深井鑽機應採用電驅動，配備頂驅鑽井裝置，提高機械化水平。
（2） 深井、超深井鑽機應配備三颱大功率鑽井幫浦。
井段上部大直徑需雙幫浦打鑽（一台幫浦檢修），以滿足破岩與洗井的排量要求，提高機械鑽速。
（3） 研製、配置高效先進的固控系統。
有效控制鑽井液密度和效能，保證穩定井眼技術、鑽井與完井技術的順利實施。
（4） 研製適於不同岩層的大尺寸（17″）鑽頭
（5） 開發中速大扭矩井下動力鑽具。（200～250r/min）
如渦輪鑽具、螺桿鑽具。目的是提高鑽速。
（五）水平井技術
水平井是從定向斜井發展起來的。
目前，勝利油田打水平井的技術起到領頭羊的作用。
1. 水平井技術
（1） 水平井優化設計技術
借助於計算機模擬技術，對油藏研究、地質分析、鑽井、測井、完井、採油等進行優化設計。
（2） 井眼軌跡檢測技術
根據優化設計的井眼軌跡，配備先進的導向鑽進系統，採用先進的隨鑽測量（mwd）儀器和技術，實現井眼軌跡的連續控制。
（3） 優化完井技術
水平井完井難度大，需研究專用的完井技術和工具。
2. 導向鑽具組合
導向鑽井系統：包括高效鑽頭、導向鑽具組合、隨鑽測量系統、計算機技術。
通過不同造斜、導向工具實現打水平井。
（1） 導向渦輪鑽具組合
（2） 導向螺桿鑽具組合
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