《石油工程與裝備》

機自09級（共48學時）

2-17周：

機自0906-06：周一，1,2節：東廊102；周三，3,4節：雙周南堂317

機自0901-03：周三，1,2節：南教211；周五，3,4節：雙周南堂315；

講課教師：高學仕

工作單位：機電工程學院機電系

2012年9月17日

引言

“石油工程與裝備”包括兩大部分：

石油工程（油田開發）和石油裝備（石油機械）

石油工程：包括鉆井工程（工藝），采油工程（工藝）。即如何打井，怎樣采油。

石油裝備：是鉆井、采油機械的概括。裝備可認為是機械工程（機械系統），并應包括電器設備。

本課主要內容：鉆井、采油機械各半。

【07年9月21日報道我國是世界最大鉆機生產國，年產鉆機700多臺，已研制出打12000m井深控制系統。】

教材：《石油鉆采機械概論》35元；

2011年新版50元參考書：《采油機械設計計算》考試：學校統一安排考試，閉卷，側重概念性、知識性內容，涉及面廣。考試以筆記內容為準，平常注意聽課，最后集中總結一下即可。聽課筆記，只記標題、彩體字。

作業甚少，算總成績，一次作業5～10分。

第一章鉆井工藝技術

第一節

井身結構一、套管套管是加固井壁所用的鋼管。1.套管材料：高合金鋼，【含C，Mn，Mo，Cr，Ni，Cu，P，S，Si（硅）。】2.鋼級：【API（美國石油學會標準）標準套管】套管按強度高低分級，有：H-40，J-55，C-75

，N-80，P-110等。字母：含化學成份的分類代號；數字：最小屈服極限，單位：KSI（）。【1PSi（）=6.89kPa=0.00689MPa】3.制造方法：無縫套管，用熱軋，上海寶鋼；

焊接套管，用鋼板卷筒直焊縫，寶雞鋼管廠。4.尺寸規格：用外徑表示。生產直徑400mm以上的中大口徑無縫管坯

無縫管：先穿孔。穿孔是靠外徑布置的軋輥和心塞頭的作用來實現的。直焊縫套管石油套管5.套管螺紋連接主要有：三角螺紋連接；偏梯形螺紋連接；特殊螺紋連接。偏梯形螺紋套管端接箍端

5.套管螺紋連接（1）三角螺紋連接承載面：齒側角30°；在軸向拉力下，產生較大徑向分力。連接強度：為管體強度的60～75%。密封方式：齒間干涉及絲扣油堵塞，密封性差。

5.套管螺紋連接（1）三角螺紋連接承載面：齒側角30°；在軸向拉力下，產生較大徑向分力。連接強度：為管體強度的60～75%。密封方式：齒間干涉及絲扣油堵塞，密封性差。

（2）偏梯形螺紋連接承載面：3°；導向面：10°；增強了齒形，減少了徑向力。連接強度：為管體強度的85%。密封方式：齒間干涉和絲扣油堵塞，密封性差。（2）偏梯形螺紋連接承載面：3°；導向面：10°；增強了齒形，減少了徑向力。連接強度：為管體強度的85%。密封方式：齒間干涉和絲扣油堵塞，密封性差。軸向拉力套管接頭扣牙（3）套管接頭螺紋受力分布規律在軸向拉力作用下，近似于拋物線，接頭螺紋兩端扣牙受力大，中間部位大多數扣牙受力很小。二、井身結構下不同層次的套管固結井壁就構成了井身結構。（參看圖1-16）1.導管：防止表土坍塌，引入鉆頭。【一口井中最大尺寸套管（20-40m）】。2.表層套管：加固上部疏松巖層井壁。封隔淺層水；【安裝防噴器、套管頭、采油樹（30～100m）】。3.技術套管：封隔上部油、水、氣層、坍塌層。【根據地質情況下n層技術套管】。4.油層套管（生產套管）：最后一層套管，形成井筒，使油氣入內。內放油管。三、套管在井下的承載情況套管在下井、固井、完井（射孔）過程中，承受復雜載荷。1.

外擠壓力固井時，管外泥漿和水泥漿液柱壓力；地層對套管施加的靜水壓力（均勻外壓）；地層中的油、氣、水壓力；設計套管外擠壓力時，認為管內掏空，管外按泥漿柱計算外擠壓力。對于高塑性地層（如膨脹性頁巖）和巖鹽層，外擠壓力以上覆巖層壓力為計算依據。

2.內壓力井口開時，等于管內液柱或氣柱壓力;井口關時，等于井口壓力與管內液柱或氣柱壓力之和。井噴和壓裂時受內壓。注水和注熱蒸汽內壓（從套管內注入）。3.拉力載荷主要由套管自重引起。泥漿浮力、注水泥流動阻力；下套遇卡提力；下套剎車動載等。4.擊震載荷：完井時，射孔。（固井后射孔使油流入井筒）5.熱應力、腐蝕應力。

四、套管設計↑1-21.

決定下套管層數。（根據地質情況）2.

確定套管尺寸確定完井最小井眼，各層套管尺寸；選不同鋼級、不同壁厚的套管組成管柱。3.

設計原則按三準則計算：抗拉安全系數：n安=1.62～2.0抗擠安全系數：n安=1.0～1.25抗內壓安全系數：n安=1.0～1.33管柱載荷：頂部受拉力最大，下部受內、外壓最大，應合理設計管柱。

4.等安全系數法

普遍用等安全系數法設計套管柱。即：管柱由數段不同強度套管組成，各段安全系數相同。（具有的強度能力/實際承擔載荷能力）

（1）抗外擠強度計算外擠計算法：按管內掏空（無內壓），計算一定深度管柱所承受的外壓力。外擠壓力值：按（打井時）泥漿密度計算。

（確定所受外壓力）—外擠壓力，Pa；—環空泥漿密度，kg/m3；L—管柱長（井深）。具有抗擠強度的套管可下深Hc1；

可下深Hc2

可下深Hc3<<。可下深的合理性分析：用，下0～Hc2深，不合理；用，下0～Hc3深，更不合理。應該用：的套管下0～Hc1深；的套管下Hc1～Hc2深；的套管下Hc2～Hc3深。結果：三段套管抗擠強度不同，安全系數相同（，，中安全系數相同）。原則：低抗擠能力的管放在管柱上段。

（2）抗拉強度計算設—許用抗拉強度；

具有抗拉強度的套管，可懸掛長度LT1。即：本段,可承擔管柱重；具有的管可懸掛LT2長，管重（）；的管可懸掛LT3長，管重（）。原則：低抗拉強度套管放在管柱下段。合理性考慮：從LT2中取出一段用LT1代替，并非用的套管直接下LT2段。也如此，從LT3中取出一段用LT1和LT2’代替。

（3）套管柱設計與校核抗擠計算：從井口到井底逐段計算，下部選抗擠強度最大的套管。抗拉計算：從井底到井口逐段計算，上部選抗拉強度最大的套管。可采用二者可分別計算的方法。目前用法：先用抗擠計算設計各段，再用抗拉計算校核。強度分段：越多越經濟，受品種限制，

分四～五段為宜。例，井深3000m，打井泥漿密度，設計外經127mm（5”）油層套管柱，水泥返高500m。庫存套管J-55，N-80參數如下：外徑鋼級壁厚mm線密度kg/m抗擠強度MPa抗拉強度kN

127mmJ-556.4319.3428.5809.67.5222.3238.3992N-807.5222.3250.013849.1926.7872.31760解（1）按抗擠計算下深，安全系數n擠＝1.125①選J-55,

許用抗擠壓力：

可下深：

由（泥漿柱壓力）

=2168m

②選：N-80,

許用抗擠壓力：

可下深：

=2832m

③選：N-80,

許用抗擠壓力：

可下深：

=4100m按抗擠計算結果：由上到下J-55,下深2168m（滿足強度要求的下深）N-80,加長2832-2168=664m

(減去上部已下深，到2832m)N-80,

加長3000-2832=168m

(可下到4100m,只有3000m)鋼的密度泥漿密度（2）按抗拉強度校核，安全系數n拉＝2（自下而上校核）①N-80,（最下段）許用抗拉力：在泥漿中每米質量：

（空氣中每米質量）（減去泥漿在鋼中占的比例）

可懸掛長：（最下段）

【每米重（力）】本段管柱質量：21.4×168=3600（kg）能夠承受的拉力

本段許用拉力（重力）本段許用拉力（重力）抗拉力②N-80,（中間段）許用抗拉力：

能夠承受的拉力在泥漿中每米質量：

（空氣中每米質量）（減去泥漿在鋼中占的比例）

下段已掛重量（力）可懸掛長：

（中間段）【每米重（力）】本段管柱質量：17.9×664=11900（kg）

下段已掛重量（力）抗拉力③J-55,許用抗拉力：在泥漿中每米質量：

（空氣中每米質量）（減去泥漿在鋼中占的比例）

下二段已掛重量（力）

可懸掛長：井口段抗拉強度不夠（只能懸掛1960m長）；余者改用N-80,④N-80,下三段已掛重量（力）

可懸掛長：只需下深：2168-1960=208m（井口段下深）

下兩段已掛重量抗拉力（3）設計結果將最上部一根管子用最小內徑一種，以防止修井時，所下工具外徑太大，下到中途下不去。（按上段小徑選擇相應的工具，無問題，且強度有保證。）自上而下：N-80,

，10m→N-80,,198m→J-55,，1960m→N-80,，664m→N-80,，168m。

五、下套管固井套管與井壁的環空注水泥封固，稱為固井。

下完套管后注水泥。【普通井油層套管加固到油層上100～200米，熱采井加固到井口（防止熱應力膨脹舉升井口）。】為了工作順利，開鉆方便，套管柱下部要有附加裝置。①套管柱下部結構★引鞋：在管柱最下端，錐形。作用：防止套管下端插入井壁。易鉆材料（水泥）。上接套管柱↑1-2★套管鞋：在引鞋上部，一厚壁短節。內下部有錐面，防止起鉆時，鉆頭、鉆桿拉住。★回壓閥：套管引鞋之上。★阻流環（承托環）：承托下膠塞注水泥時，要用下膠塞和上膠塞。注完水泥后，套管內留10～20m水泥塞，如果不是油層套管要鉆開。★扶正器：彈簧鋼片做成。★泥漿刷：刮去井壁泥餅，提高水泥膠結強度。★下膠塞：中間為空，上部有一層隔膜，外層為橡膠`。注水泥時，先（在套管內）放入下膠塞，再注水泥，下塞與水泥一起下行。下塞遇承托環不動，壓力升高使薄膜破裂，使水泥形成通道。★上膠塞（實心）注足水泥后，放入上膠塞，上塞上方注泥漿，上塞下部是水泥。上塞與水泥一起下行，上塞使水泥和泥漿分開。上塞遇到下塞，將循環通路堵塞，泵壓升高，稱碰壓，注水泥完成。②注水泥流程

下套管后，循環水洗井壁；下放下膠塞，注水泥；注完水泥，下放上膠塞，替泥漿；替泥漿到上、下膠塞相碰結束。路線：水泥混合—水泥泵—套管內—環空（幾分鐘到十幾分鐘完成（快凝水泥）。③注水泥設備：水泥車、車裝高壓泵；灰罐車；混合漏斗。④水泥用石灰石、粘土、頁巖、鐵礦石按比例混合，在1400～1600℃下燒成熟料，冷后磨細。固井用水泥為硅酸鹽水泥，凝速快，有較高早期強度。耐地下腐蝕，射孔時不開裂。第二節鉆井方法一、機械鉆井法1.頓鉆鉆井法

破巖——用頓鉆鉆頭，上下沖擊。

排屑——用撈砂筒。

二者交替進行，鉆進過程不連續。

特點：效率低，速度慢，設備簡單，適于淺井，農用水井。

2．

旋轉鉆井法

（1）過程：破巖—用旋轉鉆頭；

排屑—用循環鉆井液；

（2）鉆具組合：水龍頭（輸入泥漿）→方鉆桿（傳矩）→鉆柱（鉆桿：傳矩、加長、循環；鉆鋌：提供鉆壓）→鉆頭。

★地面動力—轉盤鉆（常規）

【鉆頭旋轉，連續破碎巖層，用鉆井液環帶出巖屑，鉆井效率高。】

★地上動力—頂部驅動（前景好）

【水龍頭＋轉盤，以立根鉆井。】

★井下動力—渦輪或螺桿鉆具。（斜井、水平井用）

【鉆井液經鉆桿柱內腔泵入渦輪鉆具中，驅動轉子由主軸帶動鉆頭旋轉，實現破巖鉆進。】

方鉆桿方鉆桿鉆鋌鉆桿將鉆井液的動能轉換成機械能的一種井底動力機，簡稱渦輪鉆。渦輪鉆鉆探是一種先進的鉆探方法，工作時鉆桿不轉動，用于打斜井、水平井。螺桿鉆具

二、鉆井工藝過程多道工序完成三件事：

★破碎巖石；

★取出巖屑、保護井壁；

★固井和完井，形成油流通道。

1．鉆前準備①

定井位；②平井場；③打基礎；④備器材。2．鉆進（1）全井鉆進過程①一次開鉆，下表層套管。②二次開鉆，從表層套管內鉆進。③三次開鉆，從技術套管內鉆進。

（2）鉆井作業①下鉆—將鉆具（由鉆頭、鉆鋌、方鉆桿組成的鉆桿柱）下入井底，準備鉆進。②正常鉆進—轉盤（或井底動力鉆具）通過鉆柱帶動鉆頭旋轉，借助手剎車，給鉆頭施加適當的鉆壓以破碎巖石。同時，開泵循環泥漿：沖洗井底，攜出巖屑，保護井壁，冷卻鉆具。③接單根—不斷鉆進，加長鉆柱；每次接入一根鉆桿，稱為接單根。④起鉆—換鉆頭時，取出鉆柱，稱起鉆作業。以立根為單位起卸。⑤換鉆頭—起鉆結束，卸下舊鉆頭，換上新鉆頭。⑥循環工作：下鉆→正常鉆進→接單根→起鉆→換鉆頭→下鉆工人們正在起下鉆作業（用吊鉗緊、松扣）液壓大鉗吊鉗卡瓦拉鉗繩起下鉆作業（液壓大鉗上扣）液壓大鉗3．固井套管與井壁的環空注水泥，稱為固井。4．完井鉆井的最后一道工序。主要用射孔完井法：用子彈射穿套管、水泥環，使油層與井筒相通。5．鉆井事故的處理（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。井塌—井壁坍塌，應加重泥漿。（2）井噴地層壓力>泥漿柱壓力，井口都裝防噴器。【防噴器產品生產前景良好，要求打井必須安防噴器。】（3）卡鉆轉不動、起下鉆遇阻，由沉砂、落石造成。。

三、鉆井新技術（一）噴射式鉆井利用高速射流作用，結合機械破巖，提高鉆速，即噴射式鉆井。鉆井液通過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鉆井是前沿課題。破巖壓力：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，提高鉆速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年后，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：試驗成功是鉆井的一場革命；增壓技術可用于地面和井下增壓注水。

2.噴射鉆井的主要特點用超高壓液體，高速沖擊巖石，鉆進快，鉆頭壽命長。3.噴射鉆井工作方式用射流噴速、沖擊力和水功率三參數來表征。（1）泵的水功率分配（NP=pP.Q）①循環管路上功率消耗（NC）②過噴嘴壓降（形成高速射流作用的水功率Nb）壓降：進、出口壓差。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、大動能、大沖擊力。通過壓能與動能進行能量交換。

（2）射流

定義：微孔噴出流體并非重力作用，而傳播的現象稱射流。（3）射流結構射流成喇叭形（速度遞減）。分三個區：A區——等速核長度區，噴速為定值。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、破巖的關系噴射破巖機理。為何“井下增壓”能提高破巖能力？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沖擊力能提高破巖能力。水功率：是單位時間內射流動能（）

—單位時間內液體質量（m），—密度；—流量；—噴嘴出口流速。

結論：沖擊力：為單位時間內動量變化，（動量）。沖擊力大破巖能力高。

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，井下增壓（提高噴嘴入口壓力），可提高射流水功率和沖擊力，進而提高破巖能力。

結論：水力破巖，壓力必須提高到破巖的門值，約150～200Mpa。（5）有效噴距從噴嘴到井底的距離。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。沈忠厚教授加長噴嘴是根據最佳噴距而來。噴嘴距井底太近：沖蝕體積過小，破巖效果差。

太遠：噴速大大降低，破巖效果也差。（二）井下增壓器技術

“井下增壓器”，是超高壓噴射鉆井的一種輔助工具。

1.

井下增壓器研究的目的意義

它在地面泵輸入的動力泥漿的推動下，將小部分鉆井液壓力大幅度提高，經噴嘴噴出后沖刺巖石，并與鉆頭配合達到大幅度提高鉆速的目的。（二）井下增壓器技術

“井下增壓器”，是超高壓噴射鉆井的一種輔助工具。

1.

井下增壓器研究的目的意義

它在地面泵輸入的動力泥漿的推動下，將小部分鉆井液壓力大幅度提高，經噴嘴噴出后沖刺巖石，并與