鉆井裝備知識培訓 一 鉆井工藝基本知識 二 鉆機類型及組成 目錄 三 絞車結構及原理 四 鉆井泵結構及原理 五 離心泵結構及原理 六 鉆井液固控系統及機具 一 鉆井施工基本知識 石油鉆井 是指利用專用設備和技術 在預先選定的地表位置處 向下或一側鉆出一定直徑的孔眼 一直達到地下油氣層的工作 鉆井方法的發展 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 游梁等來完成的 3 機械頓鉆 沖鉆 1859 1901年 靠機械沖擊作用破巖 破巖和清巖相間進行 4 旋轉鉆 1901年發展起來的 旋轉鉆井是靠動力帶動鉆頭旋轉 在旋轉的過程中對井底巖石進行破碎 同時循環鉆井液以清潔井底的鉆井方法 旋轉鉆井又分為轉盤鉆井 井下動力鉆具鉆井 頂部驅動旋轉鉆井 鉆井施工工序 鉆前施工1 定井位2 道路勘察3 基礎施工4 搬家5 安裝設備 鉆井施工6 一次開鉆7 二次開鉆8 鉆進9 起鉆10 換鉆頭11 下鉆 完井施工12 完井電測13 下套管固井 固井就是向井內下入一定尺寸的套管串 并在其周圍注入水泥漿 把套管固定的井壁上 避免井壁坍塌 施工工序 下套管至預定深度 裝水泥頭 循環泥漿 接地面管線 打隔離液 注水泥 頂膠塞 替泥漿 碰壓 注水泥結束 候凝 鉆井就是利用鉆機設備及破巖工具破碎地層形成井筒的工藝過程 目地是進行地質評價 發現油氣藏 開發油氣藏 施工工序 鉆進 洗井 接單根 起下鉆 完鉆 表層套管 其作用是封隔地表部分的易塌 易漏地層和水層 安裝第二次開鉆的井口裝置 控制井噴 其下入深度 根據地表部分松軟的易塌 易漏地層和水層的深度而定 一般在100米左右 技術套管 用于封隔用泥漿難以控制的復雜地層 無法堵塞的嚴重漏失層 非目的層的油氣層 壓力相差懸殊油 氣 水層等 油層套管 用于以把不同壓力和不同性質的油 氣 水層分割開來 建立一條油 氣流至地面的通道 保證能長期生產 滿足合理開采油 氣和增產措施的要求 油層套管的下深根據目的層的深度和不同的完井方法而定 導管 用于將鉆井液引到固控設備上 深度一般為10米以內 一般在鉆前準備時完成 二 鉆機類型及組成 類型 根據鉆井深度分為淺井鉆機 中深井鉆機 深井鉆機 根據驅動方式分為機械驅動鉆機 電驅動鉆機 根據搬遷方式分為撬裝鉆機和車裝鉆機 組成 石油鉆機主要由動力機 傳動機 工作機及輔助設備組成 一般有八大系統 起升系統 旋轉系統 鉆井液循環系統 傳動系統 控制系統 動力驅動系統 鉆機底座 鉆機輔助設備系統 具備起下鉆能力 旋轉鉆進能力 循環洗井能力 機械驅動鉆機類型及特點 類型 機械驅動鉆機是指以柴油機為動力 通過液力變矩器 鏈條 齒輪 三角膠帶等不同組合的傳動形式所驅動的鉆機 主要包括齒輪傳動 膠帶傳動和鏈條傳動三種形式 具有制造方便成本低的特點 現狀 目前機械驅動石油鉆機主要為鏈條鉆機 采用鏈條作為主傳動副 2 4臺柴油機 變矩器驅動機組 用多排小節距套筒滾子鏈條并車 統一驅動各工作機組 一般仍用膠帶傳動鉆井泵 大慶130鉆機傳動示意圖 2 聯動機 3 聯動機 1 聯動機 2 鉆井泵 1 鉆井泵 貓頭軸 轉盤 輔助剎車 空壓機 離合器 輸入軸 滾筒軸 電驅動鉆機類型及特點 類型 電驅動鉆機包括直流電機驅動和交流變頻電機驅動兩種形式 電驅動鉆機具有傳動柔和 調速性能好 操作方便靈活 模塊體積小 安裝移運方便 可靠性高 噪音小 污染小 節能等特點 直流電機驅動 直流電動鉆機是采用AC SCR DC方式 將柴油發電機組并網發出的電力通過SCR可控硅整流后驅動直流電機 交流變頻電機驅動 交流變頻鉆機則是采用AC VFD AC方式 通過VFD電傳動控制系統將柴油發電機組所發出的電力變為變頻可調的電流 采用交流變頻器驅動無碳刷交流變頻電機 電驅絞車示意圖 電驅轉盤示意圖 電驅鉆井泵示意圖 三 絞車結構及原理 絞車是鉆機的起升設備 主要用于起下鉆具 下套管 控制鉆壓 送進鉆具及起放井架等功能 一般包括滾筒軸 貓頭軸 傳動制動機構 潤滑機構及殼體等組成 按軸婁分為單軸 雙軸 三軸及多軸絞車 按滾筒數分為單滾筒和多滾筒絞車 輸入軸 鉆機絞車工作示意圖 貓頭軸 離合器 輔助剎車 氣囊式離合器 鏈輪 牙嵌式離合器 滾筒 軸承 鏈條 電磁剎車 貓頭軸 剎車氣缸 離合器排檔桿 剎車鼓 滾筒 冷卻風機 氣控排檔箱 四 鉆井泵結構及原理 鉆井泵多為臥式三缸單作用往復式活塞泵 由動力端總成 液力端總成和各部位的潤滑系統及冷卻系統組成 由動力機帶動泵的曲軸回轉 曲軸通過十字頭再帶動活塞或柱塞在泵缸中做往復運動 在吸入和排出閥的交替作用下 實現壓送與循環沖洗液的目的 鉆井泵工作原理 動力端通過皮帶 或鏈條 萬向軸 帶動泵的主軸旋轉 再通過曲柄連桿機構使活塞向右移動 缸內形成負壓 上水池內的液體在大氣壓力作用下 頂開吸入閥進入缸內 直到活塞移到最右邊位置完成吸入過程 活塞開始向左移動 缸內液體受到活塞的擠壓而壓力升高 吸入閥被關閉 排出閥被頂開 液體被活塞推出排出閥經排出管進入高壓管匯 完成排出過程 鉆井泵結構圖 空氣包 被動軸 連桿 泵頭 輸入管 輸出管 活塞桿 十字頭 鉆井泵工作示意圖 拉桿 曲軸 傳動軸 連桿 轉盤結構圖 水平軸 鎖銷 大傘齒輪 小傘齒輪 大方瓦 方補心 主軸承 防跳軸承 轉盤是用來承托管柱重量 提供扭矩和轉速 轉盤實質上相當于一個特殊結構的角傳動減速器 主要由箱體 轉臺 主軸承 副軸承 齒圈 輸入軸總成 鎖緊裝置 方瓦 箱蓋等部分組成 水龍頭結構及工作原理 水龍頭通過提環掛在大鉤上 上部通過鵝頸管與水龍帶相連 下部接方鉆桿 連接下井鉆具 水龍頭主要由鵝頸管 沖管總成 中心管 殼體 提環和主軸承等組成 主要功用懸持旋轉著的鉆桿柱 承受大部分以至全部鉆具重量 向轉動著的鉆具內輸送高壓鉆井液 大鉤結構及工作原理 大鉤是起升鉆具的重要設備 由鉤身 桿 筒體 提環 止推軸承及彈簧組成 鉤身能轉動 鉤口和側鉤有閉鎖裝置 大鉤有緩沖減振功能 大鉤與游車結合成一體 稱為游鉤 是目前使用的主要形成 游車 天車結構及工作原理 天車是安裝在井架頂部的定滑輪組 游車是在井架內部上下作往復運動的動滑輪組 主要由滑輪 滑輪軸 軸承 軸承座及支架組成 五 離心泵結構及原理 離心泵就是通過旋轉葉輪的動能產生流量 使液體流動 離心泵的基本構造是由六部分組成的 分別是 葉輪 泵體 泵軸 軸承 密封環 填料函 離心泵的效率取決于該葉輪的性能 離心泵與活塞泵相比 具有轉速高 體積小 流量大 結構簡單的特點 但泵壓相對較低等 液體粘度對泵性能影響大 只能用于粘度近似于水的液體 離心泵結構示意圖 六 鉆井液固控系統及機具 概念 鉆井液固相控制就是要清除鉆井液中的有害固相 保存有用固相 以滿足鉆井工藝對鉆井液性能的要求 鉆井液固相控制系統就是所有用于鉆井液固相控制設備的總稱 作用 防止油氣通道堵塞 破壞 降低鉆井扭矩和摩阻 降低環空抽吸的壓力波動 提高鉆井速度 延長鉆頭壽命 減輕設備的磨損等 方法 常用的有稀釋法 替代法 機械方法 化學方法等四種 機械方法是通過機械設備利用篩分 離心分離 重力分離等原理 將鉆井液中的固相成分按顆粒 密度大小不同而分離開 以達到控制固相的目的 鉆井液固控系統發展過程 在20世紀50年代以前 并不使用機械裝置來凈化鉆井液 到了20世紀50年代以后 開始采用鉆井液振動篩 離心機來清除鉆井液中的巖屑 60年代以后 國外油田開始采用4英寸除泥旋流分離器 六十年代中期 細目鉆井液振動篩得到使用 70年代以后 超細目振動篩得到使用 80年代以后 鉆井液固相控制從采用兩級處理發展成為三級 四級 五級處理 鉆井中鉆井液的循環程序 鉆井液罐經泵 地面管匯 立管 水龍帶 水龍頭 鉆柱內 鉆頭 鉆柱外環形空間 井口 泥漿 鉆井液 槽 鉆井液凈化設備 鉆井液罐 某型鉆井液循環流程示意圖 井口出來的鉆井液通過管線流入分配器 分別或同時輸送到2個振動篩 經處理后進入到沉砂倉 經渡管進入到除砂倉 除砂泵吸入除砂倉的鉆井液 鉆井液經過渡槽進入到除泥倉 除泥泵吸入除泥倉的鉆井液 鉆井液經過渡槽進入到離心倉 離心機的立式供液泵吸入離心倉的鉆井液 鉆井液經過渡槽進入到儲液罐 鉆井泵吸入儲液罐的鉆井液 通過管線輸送至井口 這樣就完成了鉆井液的循環流程 某型鉆井液加重流程示意圖 鉆井液加重流程是鉆井液固控系統流程中的輔助流程 通過向鉆井液中加入重晶石等成份 增加鉆井液的密度 保持井壁穩定 以滿足鉆井要求 4 罐的加重泵可以通過加重吸入管線直接吸入藥品混合倉 加重混合倉 儲備倉中的鉆井液 經過加重漏斗加重處理后 通過加重排出管線輸送到3 罐 4 罐各倉中 這樣就完成了鉆井液加重流程 某型鉆井液加藥流程示意圖 鉆井液加藥流程是通過向鉆井液中加入化學處理劑 利用化學沉降的原理 去除有害固相成份改善鉆井液性能的作用 提高井壁的穩定性 提高了機械鉆速 4 罐藥品混合倉上部安裝有加藥罐 藥品從加藥罐經管線進入到藥品混合倉 通過攪拌器攪拌混合后 由鉆井泵通過吸入管線輸送到井口 也可以由加重泵通過加重吸入管線吸入后 通過泥漿槍管線輸送到1 罐補給倉 2 罐 3 罐各倉中 這樣就完成了鉆井液加藥流程 某型鉆井液補給流程示意圖 鉆井液補給流程是在起升鉆具過程中 通過向井筒內補充鉆井液 以保證井壁的穩定 1 罐左端設有補給倉 補給泵從補給倉中吸入鉆井液 經排出管線輸送至井口 井口返回的鉆井液經分配器分支閥門調控進入到補給倉中 補給倉中的鉆井液也可通過加重泵吸入儲備倉中的鉆井液 經過泥漿槍管線輸送至補給倉 這樣就完成了鉆井液補給流程 振動篩的結構示意圖 振動篩主要通過電機帶動激振器旋轉 產生周期變化的慣性力 鉆井液固相顆粒進入篩面 在篩面上做拋擲運動 將大小不等的固相顆粒分類去除 振動篩的分離顆徑和處理量是振動篩選配的重要因素 振動篩的選擇 振動篩的技術水平主要反映在處理能力 處理量和分離粒度 工作的穩定性 壽命的長短和操作的靈活性幾個方面 振動篩的處理能力與振動篩的結構 運動軌跡 振動頻率 振動強度 篩網面積和篩網的粗細有關 為了使振動篩與鉆機匹配 就必須考慮鉆井泵的最大排量及鉆進中產生的鉆屑量 即 Q篩 Q泵 Q屑式中 Q篩 振動篩處理量 L s Q泵 鉆井泵最大排量 L s Q屑 鉆進中的鉆屑量 L s 通常根據篩框的運動軌跡將振動篩分為圓篩 普通橢圓篩 直線篩 均衡橢圓篩四大類 普通橢圓篩 又稱非均衡橢圓篩 是在篩箱質心的正上方固定有激振裝置 它要求篩箱傾斜一個角度 利用重力強行排砂 以免砂粒有朝后拋擲的傾向 由此而來 篩箱傾斜確實改善了砂粒的移動性能 但振動篩處理鉆井液的量減少了 這正是普通橢圓篩的主要缺點 直線振動篩 兩根帶偏心塊的主軸作同步反向旋轉產生直線振動 由于直線篩振動方向不變 使得卡入的顆粒不易脫落 而出現 篩糊 現象 使得篩網的有效過流面積減小 造成處理量下降 而且當篩網目數增大時 篩糊現象會更嚴重 因而 直線篩在使用超細目篩網時 就不可能滿足鉆井液用量的要求 均衡橢圓篩 是近幾年發展起來的一種新篩型 篩箱上各點的運動軌跡如圖 所有橢圓的運動軌跡的長軸和短軸相同 拋擲角的大小和方向完全一致 均衡橢圓篩結合了圓型振動篩和直線振動篩的基本優點 均衡橢圓篩的處理量較直線篩大20 30 是一種比較先進的鉆井液振動篩 代表著當今鉆井液振動篩的發展方向 除氣器的工作原理 除氣器用來清除氣侵鉆井液中的氣體 保證鉆井液性能相對穩定 保證旋流器能正常工作 除氣器分為兩大類 常壓式和真空式 常壓式除氣器利用離心機抽吸氣侵泥漿 借助離心力使泥漿在其噴射罐內噴射 撞擊內壁 使氣體釋放出去 真空除氣器利用真空泵的抽吸作用 在真空罐內形成負壓 鉆井液在大氣壓的作用下 通過吸入管進入空心軸 再由空心軸四周的傘片總成 呈噴射狀甩向罐壁 在碰撞 真空及氣泡分離器的作用 浸入鉆井液中的氣泡破碎 氣體逸出 通過真空泵抽出并排往安全地帶 除砂 除泥器的結構示意圖 除砂 除泥器都是由一組水力旋流器和一個處理旋流器底流并回收鉆井液的小型超細網目振動篩組成 液流從進液口切向進入后 由于離心力的作用 密度大的顆粒被甩向外壁 沿旋流器內壁螺旋下行流向底流口 密度小的液體則反向螺旋上行經渦流導管流出溢流口 旋流器的名義尺寸越大 所除掉的固體顆粒越粗 所需要的工作壓力越小 鉆井液的處理量越大 不同直徑的旋流器的分離固相顆粒的粒徑是不同時 除砂器的固相顆粒分離粒徑為44 74 m 因此300mm的旋流器可以滿足設計要求 除泥器的固相顆粒分離粒徑為8 44 m 因此100mm的旋流器可以滿足設計要求 除砂 除泥器的選擇 選用除砂器和除泥器時必須參考鉆井泵的最大排量 以期達到匹配合理 無論是除砂器還是除泥器 都要保證能夠全部處理鉆井過程中的最大鉆井液排量 除砂器 除泥器的鉆井液處理理為 離心機的結構示意圖 鉆井液由加料管