石油工业是如何钻井的？

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为了勘探与开采蕴藏在地层深处的石油和天然气，人们必须利用各种钻井设备与工具，钻穿坚硬而复杂的地层，这便是钻井工作的主要任务。为了满足我国石油工业飞速发展的需要，必须多打井、快打井、打好井，实现钻井速度翻番。为此，在充分调动人的积极因素的同时，还必须为钻井工作者提供先进的、性能良好的钻井设备与工具，充分利用现代科学技术为石油钻井工作服务。

钻井设备及工具包括地面钻井设备(石油钻机)以及钻头、钻柱等。

一、石油钻机1.钻机的组成现代石油钻机是一套大型联合机组。图5-2所示为旋转钻井的基本设备。根据钻井工艺中钻进,洗井,起、下钻具等工序的需要，一套钻机必须具备下列系统和设备：

图5-2　钻井设备

(1)起升系统。用于起、下钻具，更换钻头，下套管等作业。

(2)旋转系统。用于带动钻具旋转，破碎岩石，加深井眼。

(3)循环系统。用于循环钻井液以清洗井底，携出已被破碎的岩屑，保证连续钻进。

(4)动力设备。驱动绞车、转盘、钻井泵等工作机的动力设备，多用柴油机，也有部分钻机由交流或直流电动机驱动。

(5)传动系统。主要任务是把动力设备的能量传递和分配给各工作机。

(6)控制系统。为了指挥各系统协调地进行工作，在整套钻机中还装有各种控制设备，如机械、液动或电控制装置，配备有集中控制台和观测记录仪表等。

(7)底座。包括钻台底座、机房底座和钻井泵底座等。

(8)辅助设备。一般包括井口防喷装置、空气压缩设备、辅助发电设备、辅助起重设备、井口工具及活动房屋等。

2.井口工具为了起、下钻具和旋卸钻具，需要使用吊钳、吊卡和卡瓦等手动井口工具。

吊钳由几个镶有牙板的钳头和钳柄组成，它们之间用铰链互相连接。吊钳用来旋卸钻杆、钻铤等组成钻柱的各类下井工具的连接丝扣。吊钳都是内外两把(一正一反)成对使用，用猫头绳来旋扣。

吊卡用来悬持、提升和下放钻柱。吊卡的内径比钻杆外径略大，但比钻杆接头的外径小。工作时卡住钻柱接头，以便进行起、下钻。

当旋接或卸开钻柱时，位于井内的那段钻柱必须暂时悬挂在转盘上。装入转盘补心中的卡瓦是用来卡住钻杆并悬持钻柱的。

随着深井、硬地层及海洋钻井数量的迅速增加，起、下钻操作的工作量显著增加。用上述手动井口工具旋卸丝扣体力消耗大、工效低、又不安全，迫切需要改进。目前，已有多种形式的动力大钳和动力卡瓦广泛用于钻井生产中。加快了起、下钻速度，减轻了工人的劳动强度，为进一步实现钻井工作的全盘机械化、自动化打下了基础。

3.井口防喷器钻开高压油气层时有可能发生井喷，引起严重事故。为了在井喷发生时能控制井内钻井液和油、气、水的喷出，通常在钻台下面安装防喷器。目前国内外生产的钻机上都配备整套较完善的防喷器系统。如图5-3所示为压力等级在21～34MPa的防喷器组合。

图5-3　井口防喷器组示意图

一般每台钻机配备3～4套防喷器，如闸板防喷器、旋转防喷器和万能防喷器等。闸板防喷器有单闸板、双闸板和三闸板三种。闸板的结构又有盲闸板、孔闸板和剪刀闸板三种。孔闸板的芯子中心有孔，钻井过程中发生井喷时，可将钻柱与套管之间的环形空间封闭，防止井内的钻井液、油、气、水喷出，也称为钻杆防喷器。盲闸板防喷器也称为全封闭防喷器，其芯子可直接把井口封闭，用于井口无钻杆的情况下。剪刀闸板可以在紧急情况下剪断井中的管子，以保证井口安全。旋转防喷器的结构特点是：其橡胶芯子可以在抱紧钻杆的情况下随钻杆一起旋转，从而可以在封闭钻杆与套管环形空间的同时，满足边喷边钻的工艺要求。万能防喷器的胶皮芯子能在几秒钟内对任何钻具进行封闭，争取宝贵的抢险时间。

当钻机上配备有闸板防喷器、旋转防喷器和万能防喷器三类防喷器时，它们既可以单独使用，也可以重叠使用，可以实现边喷边钻，不压井起、下钻和反循环钻井等钻井新工艺。大多数防喷器都配有手动和液动两套控制装置，以便在紧急情况下远距离控制。

二、钻具在钻井中除必须配备一整套的地面钻井设备外，还要配备一系列井下钻井工具。包括钻井时下入井内的钻头、钻柱、井下动力钻具、取心工具以及一些辅助钻井工具(如事故处理工具)等。井下钻井工具简称为钻具。

钻柱是从钻头到地面全部管柱的总称。钻柱是连通地面与地下的枢纽，是实现优质快速钻井的重要手段和工具。随着钻井深度的不断增加，钻井工艺技术不断发展，对钻柱的性能要求也越来越高。目前，已广泛使用具有防斜、防震、防卡等作用，由一种或数种钻具组合而成的复合钻柱。这种复合钻柱与不同的工艺措施相互配合，可以控制井斜的变化、改善钻头的工作状态、减少卡钻事故，进而获得多方面的综合效益。

钻柱的使用贯穿于钻井作业的全过程，因此钻柱的作用有：(1)起下钻头；(2)施加钻压；(3)传递动力；(4)输送钻井液。钻柱在井下工况复杂、环境恶劣，往往是钻井设备和工具中的薄弱环节。正确选配钻柱、合理使用好钻柱，对于提高钻井速度、降低钻井成本有着不可忽视的重要意义。

钻柱由多种不同的钻具组成。其组成方式随钻井条件和钻井方法不同而有区别。组成钻柱的基本钻具包括钻铤、钻杆、方钻杆和配合接头。

1.钻铤钻铤又叫做加重钻杆。在钻井时，钻铤下面与钻头相连，用自身的重力给钻头施加压力。钻铤的特点是壁厚、强度和刚度大，受压后不易弯曲，因而有利于钻直井眼。

2.钻杆钻杆连接在钻铤和方钻杆之间。钻杆的两端装有相互连接用的接头。钻井工人习惯称单根钻杆为“单根”，2～3根钻杆连在一起时称之为“立根”。

钻杆的壁厚比钻铤薄。钻杆在井内旋转时与井壁摩擦而不断磨损，在拉、压与扭转力的作用下有时会出现折断事故。近年来，已广泛使用对焊接头钻杆和高强度铝合金钻杆等，从而减轻了钻柱重力，减少了钻杆的折断事故。

3.方钻杆方钻杆连接在钻柱的最上部，它的多边形截面与转盘中的方补心内孔相配合。方钻杆进入转盘后只能上下移动，因此在转盘旋转时，就能带动钻杆、钻铤和钻头旋转钻进。为了避免接单根后方钻杆入不了转盘，方钻杆的长度一般比钻杆长2～3m。

4.配合接头由于组成钻柱的钻具种类、尺寸和扣型不同，因此一般不能直接相互连接，需要使用配合接头才能连接成统一和谐的钻柱。

综上所述，钻铤、钻杆、方钻杆和配合接头等几种钻具构成了基本的钻柱。随着钻井工艺技术的发展，在钻井中除使用上述基本钻柱外，还研究开发出一系列能进一步提高钻井工作指标的复合钻柱。使用最广泛的是基本钻柱加三器(扶正器、减振器和震击器)构成的复合钻柱。钻具组成如图5-4所示。

图5-4　钻具组成示意

1—水龙头；2—配合接头；3—方钻杆；4—保护接头；5—钻杆；6—钻铤；7—配合接头；8—钻铤；9—钻头5.扶正器要用好钻头、提高钻速，就要强化钻井措施。一般情况下，钻压加得过大就会引起井斜。在钻井实践中往往根据地层的不同性质和防斜要求，用扶正器构成多种防斜钻柱。通常要使用好几个扶正器：下扶正器紧接在钻头之上，中扶正器距钻头约十几米。钻进时，扶正器与井壁接触，对钻头起扶正和导向作用。为了保证扶正器能较好地接触与支承井壁，其外径要尽可能接近钻头直径。

加用扶正器构成的防斜钻柱若设计和使用恰当，可以防斜，使井眼规则，保证钻头平稳工作，提高工作指标。实践证明，这些防斜措施是行之有效的。

6.减振器减振器能吸收钻井过程中所产生的冲击和振动负荷，从而提高钻头的使用寿命，减轻钻铤以及其他井下钻具的疲劳。减振器一般都装在靠近钻头的地方。

减振器的最主要构件是减振元件。有各种类型的减振元件：不锈钢网柱、橡胶筒、钢蝶形盘、钢弹簧及可压缩介质(水垫或气垫)等。有些减振器只能吸收垂直振动，而另一些减振器可以同时吸收垂直和扭转振动。

国外从20世纪50年代开始研究减振器，60年代推广使用，取得了明显的效益。

7.震击器由于普遍使用小间隙的扶正器、满眼钻具等防斜钻柱以及减振器等特殊钻具，增加了卡钻的可能性，尤其是在复杂地层中。国外很早就使用震击器，不仅仅把它作为打捞和处理卡钻事故的常用工具之一，而且在地层测试、取心钻进、侧钻、套铣等作业和正常钻进时也在钻柱中装接震击器。震击器的结构类型很多，有机械的和水力的等。它们都是采用一定的结构，在钻柱受拉作弹性伸长时积存弹性能量，当拉到一定位置时突然释放能量使震击器发生震击动作，震动被卡的下部钻柱以达到解卡目的。

三、钻头油气埋藏在地下，为了寻找油气，取得地下资源，必须大量地破碎岩石、钻穿地层。现在的钻井方法主要是用机械方法破碎岩石。破碎岩石的工具就称为钻头。

钻头是破碎岩石、形成井眼的主要工具。钻头的性能直接影响着钻井速度、钻井质量与钻井成本。如果能少用钻头迅速钻完一口井，那将会使整个钻进过程中的起、下钻次数减少，建井速度加快，钻井成本降低。因此，制造具有高破碎效率、坚固耐用的钻头，选择和使用好钻头，就具有特别重要的意义。

由于钻头所破碎的岩石性质不同、钻井目的和要求不同，在石油钻井中会使用多种不同类型的钻头，如刮刀钻头、牙轮钻头和金刚石钻头等。使用最广泛的是牙轮钻头，多用于中硬和坚硬地层以及深井中。刮刀钻头在我国一些高塑性、软地层的油田也有突出的地位。金刚石钻头在极硬地层和深井中使用效果较好。随着钻井技术的发展，钻头的类型和结构也在不断发展和改进。20世纪70年代以后，出现了以人造金刚石为切削元件的钻头。多年的现场使用效果已经证明，这种钻头具有很好的发展远景。

1.刮刀钻头刮刀钻头是旋转钻井中最早使用的一种钻头。这种钻头结构简单、制造方便，各油田都能自己设计和制造。刮刀钻头适用于钻松软的地层(如泥岩、页岩和泥质胶结的砂岩等地层)，可以取得很高的机械钻速和钻头进尺。但是，在钻硬且研磨性高的地层时，刀片吃入困难、钻头磨损快、机械钻速低，有时还出现憋跳现象，对钻具和设备寿命有一定的影响。尽管如此，只要我们正确使用，充分发挥刮刀钻头在软地层中钻进的优势，对提高钻井速度、降低钻井成本仍然是有效的。

20世纪70年代以后，我国开始研制和使用人造金刚石刮刀钻头。这种钻头刀翼的几何形状基本上与硬质合金镶块刮刀钻头相同，只是将部分硬质合金块换成了人造聚晶金刚石镶块。由于金刚石的耐磨性高于硬质合金，可以增加钻头的使用时间，延长钻头寿命，提高单只钻头进尺，创造出许多先进的钻井指标。

2.牙轮钻头牙轮钻头是石油钻井中使用最广泛的钻头。牙轮钻头旋转时具有冲击、压碎和剪切破碎岩石的作用。牙齿与井底的接触面积小、比压高，工作扭矩小，工作刃总长度大。因而使牙轮钻头能适用于多种性质的岩石。常用的三牙轮钻头如图5-5所示。

图5-5　三牙轮钻头

目前，国内各钻头厂根据生产现场需要，不断引进先进技术，使牙轮钻头的生产在品种、数量和质量方面都得到很大的提高，已初步建立了国产牙轮钻头的产品系列。

根据牙齿的特征，将三牙轮钻头产品分为铣齿钻头和镶齿钻头两大类。其中铣齿钻头有六个系列，镶齿钻头有两个系列。

in、6in等规格的钻头。国外钻头系列十分繁杂，这里不做介绍。

3.金刚石钻头以金刚石做工作刃的钻头称为金刚石钻头。金刚石钻头早期是在地质钻探中使用，在石油钻井中使用只有四十多年的历史,最初只用在极硬地层和研磨性大的地层。近年来，金刚石钻头品种增加，使用范围扩大。从极软地层到极硬地层均可使用，并取得了满意的效果。

金刚石钻头的结构比较简单，主要由金刚石、胎体、钢体和接头等四部分组成，如图5-6所示。

图5-6　金刚石钻头

1—钢体；2—胎体；3—金刚石；4—接头接头上部有用于连接钻柱的丝扣。钢体与接头之间也用丝扣连接，然后焊死形成一体。钢体下部与胎体烧结在一起。胎体是固定金刚石的母体，由带粘结剂的碳化钨粉制成，中间有水眼，底面有水槽，侧面开有排屑槽。

聚晶金刚石切削块钻头是20世纪70年代后期美国钻井工业的一项重要成就。这种钻头的切削块是用人造金刚石单晶在高温高压下聚合而成的聚晶体。钻进时，聚晶体不断剥落，新的锋锐小晶体不断出露，因而能使切削块在磨损过程中不断地“自锐”。其切削刃是锋利、高耐磨、能够“自锐”的金刚石切削块，因此能在低钻压下取得高进尺(为牙轮钻头的4～6倍)和高钻速(为牙轮钻头的2倍以上)。聚晶金刚石切削块钻头有聚晶金刚石复合片钻头(简称PDC钻头)、热稳定聚晶金刚石钻头(简称TSP钻头或BDC钻头，也称巴拉斯钻头)、马赛克钻头和大复合片PDC钻头。

PDC钻头切削块上的聚晶金刚石复合片极薄极硬，比碳化钨底层的抗磨性高100倍以上。钻头工作时，由于碳化钨比复合片磨损得快，使复合片随时裸露出保持锐利的刃口。在较低的钻压下即可切入岩石，并在扭矩的作用下切削岩石。由于切削块可以“自锐”，这就使整个钻进过程中钻头以切削方式破碎岩石，从而能实现快速钻进。PDC钻头适用于软至中硬地层。

巴拉斯钻头的切削块是耐温1200℃的热稳定聚晶人造金刚石。热稳定聚晶金刚石切削块可制成三角体形、立方体形、圆柱体形和针状等多种几何形态。巴拉斯钻头以剪切和研磨方式破碎岩石，适合在中硬到硬地层使用，曾经获得过很好的钻井指标。四川川东地区的试验结果表明：用这种钻头在某些地层中钻进，比XHP5型三牙轮钻头平均钻头进尺提高2～4倍、机械钻速提高20%～40%、纯钻井成本下降10%～12%。

马赛克钻头既有热稳定聚晶块的耐高温性质，又兼有复合片的切削能力。

目前，天然金刚石钻头和大复合片PDC钻头在油田使用较多，能获得满意的经济效益。

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