鉆井、定向井基礎知識培訓

鉆井是利用機械設備（鉆機），將地層鉆成具有一定深度的圓柱形孔眼的工程。多學科多專業多工種高風險技術性復雜性鉆井施工工序鉆井是一項系統工程，每一口油、氣井的完成都包括鉆前準備、鉆井施工和完井作業三個階段。就鉆井工程總體而言，其主要施工工序一般包括：定井位、道路勘測、基礎施工、搬家、安裝設備、一次開鉆、二次開鉆、鉆進、起下鉆、中完作業、三次開鉆、電測、下套管、固井等。水平井鉆井過程演示鉆井作業示意圖一、鉆井設備二、鉆頭三、鉆具四、鉆井液五、定向井六、螺桿一、鉆井設備鉆機是完成鉆井作業的主要設備。根據驅動形式可分為機械鉆機、電動鉆機、液壓鉆機。鉆機的八大系統：1提升系統

5傳動系統2旋轉系統

6控制系統3循環系統

7井架底座4驅動系統8輔助設備（一）鉆機的提升系統為了起下鉆具、下套管以及控制鉆壓、送鉆等，鉆機裝有一套起升設備，主要包括：絞車、輔助剎車、游動系統（包括天車、游動滑車、大鉤及鋼絲繩）和井架等組成。（一）鉆機的提升系統旋轉系統包括轉盤和水龍頭兩大部分（或頂驅）。他們的主要作用是在鉆具不斷鉆進及不斷循環鉆井液的條件下，保證鉆具的旋轉。（二）鉆機的旋轉系統（三）鉆機的循環系統為了隨時用鉆井液清除井底巖屑以保證連續鉆進，鉆機須配備具有循環洗井能力的循環系統。主要包括鉆井泵、地面管匯、泥漿罐、鉆井液凈化設備、調配鉆井液設備等。（四）輔助系統之井控設備由井口液壓防噴器、節流與壓井管匯、液壓控制系統組成，用于控制井口，防止井噴。二、鉆頭

在旋轉鉆井中，鉆頭接在鉆具的最下部，直接與地層巖石接觸，是破巖的主要工具。

目前現場最常用的鉆頭類型主要有兩種：牙輪鉆頭、PDC鉆頭，另有一些不常用的鉆頭類型如：刮刀鉆頭、取芯鉆頭等。PDC鉆頭牙輪鉆頭（一）牙輪鉆頭組成：三牙輪鉆頭的結構可分為五個部分，即鉆頭體、巴掌、牙輪、軸承和水眼。密封噴射式鉆頭還有儲油補償系統。破巖方式：壓碎、沖擊、剪切牙輪鉆頭分為銑齒和鑲齒。銑齒適用于軟及中硬地層；鑲齒適用于中硬、硬和深井。（二）PDC鉆頭

PDC是polycrystallinediamondcomposite的縮寫，即聚晶金剛石復合片。

PDC是具有超高硬度和一定韌性和抗沖擊能力的一種刀具材料，在石油鉆井中，把這種材料鑲在鉆頭使用，即PDC鉆頭。破巖方式：PDC鉆頭以剪切方式破巖。三、鉆柱鉆柱是鉆頭以上，水龍頭以下的鋼管柱的總稱。其主體包括方鉆桿，鉆桿，鉆鋌，各種連接接頭及穩定器等井下工具。鉆柱的主要作用是連接鉆頭與地面設備、帶動鉆頭旋轉、給鉆頭施加鉆進所需要的壓力、輸送鉆井液。(一)鉆桿

鉆桿是組成鉆柱的基本部分，上部連接方鉆桿，下部連接其他鉆具及鉆頭，其主要作用傳遞扭矩，輸送鉆井液，連接增長鉆柱，加深井眼。

通常一根鉆桿長度約9.5米。（二）方鉆桿方鉆桿位于鉆柱的最上端，橫截面有四方形和六方形兩種。在鉆井中，方鉆桿將地面轉盤扭矩傳遞給鉆桿，以帶動鉆頭旋轉；并承受鉆柱懸重重量。（三）鉆鋌鉆鋌是用高級合金鋼制成的，位于鉆柱的最下部，是下部鉆具組合的主要組成部分。它在鉆井過程中主要作用是利用自身的重量給鉆頭施加鉆壓。定向井現場所用的鉆鋌與普通鉆鋌不同，是無磁鉆鋌，在使用MWD或者電子多點測斜儀等儀器時，使用無磁鉆鋌可以有效防止由于鉆具所帶來的磁干擾，使測量結果準確有效。

（四）其它工具鉆柱中根據需要也會連接穩定器、接頭、短鉆鋌、螺桿等其它工具。四、鉆井液

鉆井液俗稱泥漿，是鉆井的血液。血液的流動靠循環系統來維持。循環系統主要包括鉆井泵、地面管匯、泥漿罐、鉆井液凈化設備、調配鉆井液設備等。鉆井液凈化設備：振動篩、除砂器、除泥器、離心機鉆井液的主要作用鉆井液的主要作用：1、清洗井底，攜帶巖屑。2、平衡地層中的流體（油、氣、水）壓力，防止井噴、井漏等井下復雜情況。3、潤滑并冷卻鉆頭。常用的鉆井液性能參數有：密度、粘度、切力、含砂量、泥餅厚度等。密度過低則容易發生井噴、井塌（尤其是負壓鉆井）、縮徑（對塑性地層，如較純的粘土、鹽巖層等）及攜屑能力下降等。發生井噴的根本原因地層壓力大于井底壓力。使用的鉆井液密度過低，不足以平衡地層壓力，導致地層流體大量涌入井筒，從井口噴出。

井噴井噴失控的嚴重后果井噴失控的嚴重后果2003年12月23日21:55發生強烈井噴，井口噴出大量高濃度H2S氣體隨空氣流動大面積擴散，造成周圍人民生命財產的重大損失,釀成鉆井史上罕見的井噴特大事故。事故損失最終認定：243人死亡，2142人住院治療，65000人疏散，直接經濟損失6423.31萬元。重慶開縣羅家16井井噴事故中國石油天然氣集團公司總經理馬富才引咎辭職；事故直接責任人6人受到刑事處分。五、定向井特點：在設計上井口和井底存在一定的水平位移。沿著預先設計的井眼軸線鉆達目的層的鉆井方法稱為定向鉆井。直井定向井水平位移定向井的應用我們為什么要打定向井？1.地質條件要求2.鉆井技術需要3.地面條件限制4.提高單井產量

定向井的類型1.常規定向井2.三圍繞障井3.水平井4.套管開窗5.分支井6.大位移井7.叢式井

……定向井的分類方法：按段制分：三段制、五段制等。按設計井眼軸線形狀分：兩維定向井、三維定向井。按井斜分：低斜度定向井：15度。中斜度定向井：15度至45度。大斜度定向井：46度至85度。水平井：86度以上。其它分類方法：救援井、三維繞障井、開窗側鉆井、叢式井、分支井等。直井定向井水平井分支水平井直井、定向井、水平井

水平井：最大井斜角在86度以上，并沿水平方向鉆進一段距離的井。根據造斜井段的曲率半徑又可細分為長、中、短三種曲率半徑的水平井。長半徑水平井短半徑水平井中半徑水平井水平井的曲率半徑開窗側鉆井開窗側鉆水平井老井修復節約鉆井成本定向井的基本參數一般來說，定向井的井眼運行軌跡可由井斜角、方位角、井底水平位移、全角變化率等參數來衡量。井眼軸線的三要素井深L井斜角α方位角Φ井眼軸線上任一點的井眼方向線與通過該點的重力線之間的夾角，稱為該點處的井斜角。單位為(°)井斜角(α)NαHOS垂直剖面圖在以井眼軌跡上任一點為原點的平面坐標系中，以通過該點的正北方向線為始邊，按順時針方向旋轉至井眼方向線在水平面上的投影線為終邊，其所繞過的角度稱該點的方位角單位為(°)方位角(Φ)ENOΦΦΦ井身結構參數垂深H閉合方位水平位移N坐標和E坐標全角變化率HAABHBΔHSASBOOSH..ABEON.AA.靶區靶區半徑:允許實鉆井眼軌跡偏離設計目標的水平距離。靶區:在目標點所在的水平面上，以目標點為圓心，以靶區靶半徑的一個圓面積。靶心距:在靶區平面上，實鉆井眼軸線與目標點之間的距離。EONR實鉆井眼設計方位靶區半徑靶心距靶區靶點定向井常用工具、設備（工程類）一、螺桿鉆具（PDM）二、扶正器（STB）三、無磁鉆鋌（NMDC）四、儀器懸掛短節（HOS）五、短無磁鉆鋌（SNMDC）六、浮閥（F/V）七、定向接頭（O/S）八、撓性短節（F/J）九、震擊器（JAR）十、加重鉆桿（HWDP）十一、短鉆鋌（SDC）十二、彎接頭十三、開窗工具十四、其它定向井工具常用造斜方法彎接頭井下動力鉆具（螺桿）

螺桿鉆具是一種把液體的壓力能轉換為機械能的能量轉換裝置。當高壓液體進入鉆具時，迫使轉子在定子中滾動，馬達產生的扭矩和轉速通過萬向軸傳遞到傳動軸和鉆頭上，達到鉆井的目的。

六、螺桿鉆具螺桿鉆具適用于直井、定向井、水平井中的定向造斜，扭方位等井下作業；其中小直徑的螺桿鉆具還是用于套管開窗及修井。

螺桿鉆具作為井下動力鉆具，有下面幾個突出優點：1、增加了鉆頭扭矩及轉速，提高了機械鉆速（尤其在深井作業）；2、減少了鉆桿和套管的磨損和損壞；3、可準確的進行定向、造斜，糾斜（和定向儀器配合）；螺桿鉆具

螺桿鉆具是以泥漿為動力的一種井下工具，由傳動軸總成、萬向軸總成、馬達總成、防掉總成和旁通閥總成五大部分組成.

旁通閥總成馬達總成萬向軸總成傳動軸總成防掉總成螺桿鉆具——旁通閥總成旁通和關閉兩個位置，在起下鉆作業過程中處于旁通位置，使鉆柱中泥漿循環繞過馬達進入環空，這樣起下鉆時泥漿不溢于井臺上。

泥漿泥漿泥漿泥漿泥漿螺桿鉆具

它主要由閥體、閥芯、閥套、彈簧、篩板、密封件、孔用擋圈組成。閥芯閥套篩板閥體隔板隔板密封件彈簧擋圈擋圈——旁通閥總成螺桿鉆具——旁通閥總成螺桿鉆具出現問題后的現象：1、泵壓下降，進尺變慢。2、泵壓上升，有時出現憋泵的現象，但是時間不長泵壓就開始下降；水平段，泥漿處理不干凈的情況下極意出現這類問題,經常出現在接完單根（立柱）后，也就是停、開泵。解決辦法：凈化泥漿、換成代用接頭。防掉接頭防掉鎖母防掉連桿泥漿泥漿作用：由于異常原因造成殼體斷裂、脫扣時，起到防掉的作用；同時使泵壓升高，使地面及時發現問題避免造成事故。——防掉總成螺桿鉆具防掉接頭防掉鎖母防掉連桿螺桿鉆具——防掉總成螺桿鉆具——防掉總成

由定子和轉子組成。定子是在鋼管內壁上壓注橡膠襯套而成。橡膠內孔是具有一定幾何參數的螺旋。轉子是一根有鍍鉻硬層的螺桿。定子轉子橡膠襯套定子殼體螺桿鉆具——馬達總成定子轉子轉子與定子相互嚙合，是用兩者的導程差而形成的螺旋密封線，同時形成密封腔。隨著轉子在定子中的轉動，密封腔沿著軸向移動，不斷的生成與消失，完成其能量轉換，這就是螺桿馬達的基本工作原理。馬達定子一個導程組成一個密封腔，也稱為一級。每級額定工作壓降為0.8Mpa,最大壓降為額定工作壓力的1.3倍，如四級馬達，額定壓降應為3.2Mpa,最大壓降為4.2Mpa。壓降超過此值馬達就會產生泄漏，轉速很快下降，嚴重時會完全停止轉動，甚至造成馬達損壞，用戶應特別注意。密封艙螺桿鉆具——馬達總成螺桿鉆具——馬達總成

馬達轉子的螺旋線有單頭和多頭之分（定子的螺旋線頭數比轉子多1）。轉子的頭數越少，轉速越高，扭矩越小;頭數越多，轉速越低。下圖是幾種典型馬達配合的截面輪廊：1:23:45:67:89:10螺桿鉆具——馬達總成馬達總成出現問題的現象：1、泵壓升高，嚴重時出現憋泵的現象;2、加壓泵壓升高或憋泵，有時膠塊返出，進尺變慢;

注意：井下溫度超過120℃、油基泥漿、鹽水泥漿會對普通馬達造成傷害；螺桿鉆具——馬達總成井下落物造成的馬達損壞：螺桿鉆具——馬達總成作用:

將轉子的偏心運動轉化成傳動軸的定軸運動。利用萬向軸殼體的彎度實現定向、扭方位等作業。螺桿鉆具——萬向軸總成萬向軸

直殼體萬向軸彎殼體1、分無級調整和有級調整兩種結構2、可調彎殼體螺桿鉆具的優勢：殼體彎角可在鉆井平臺井口調整既可作直螺桿使用又可作彎螺桿使用可調彎殼體角度的螺桿鉆具：螺桿鉆具——萬向軸總成

彎殼體是實現定向鉆進、扭方位的必要手段。一般常用螺桿鉆具彎曲度數固定為1度、1.25度、1.5度、1.75度、2度等等。花瓣萬向軸、球傳動萬向軸球傳動萬向軸采用球傳動連接方式，用橡膠套密封鋼球運動部分，隔離鉆井液，并對工作面進行特殊表面處理，使其表面硬度、抗高溫性相對提高；工作壽命相應延長。高強度萬向軸在延續球型萬向軸優點的前提下，過載能力大幅提高，更適應大扭矩，長壽命的要求。已在中原油田小批量試用，使用效果比較理想。

螺桿鉆具——萬向軸總成花瓣型萬向軸總成球傳動萬向軸總成高強度密封萬向軸總成螺桿鉆具——萬向軸總成正常磨損使用后期通過扳動傳動軸轉動間隙，判斷萬向軸磨損情況，一般不要大于20mm。螺桿鉆具——萬向軸總成

作用：將馬達產生的扭矩與轉速傳遞給鉆頭，同時承受鉆壓所產生的軸向和徑向負荷。螺桿鉆具——傳動軸總成通過對軸向間隙的測量，可以判斷傳動軸的磨損請況。螺桿鉆具——傳動軸總成螺桿鉆具

使用中要注意鉆井液的凈化，含砂量不可過高。

禁止在現場對螺桿本體進行焊接等操作，會對螺桿產生傷害，損壞，嚴重時造井下事故。螺桿鉆具

油層厚度：2米

塔里木的YH－23－1－H26

井底垂深：5167米（MD5823m）。完成時間：1998年9月。水平段：500米。

水平井實例9-5/8“(53.5PPF)Set805.15m400m2

MN-241井井深:3913m

水平段長:400m

最大井斜角:97.3

井眼尺寸:6-1/8”第一口最大井斜角超過90

的水平井ThefirstHori.WellwhoseInc.Isgreaterthan90

水平井實例垂深：3635.99m水平段控制高度：

3米側鉆點：3410.00m；側鉆日期：1999年1月23日作業者：塔里木;井號：塔中4-7-23H水平井；9-5/8“套管797.68m.9-1/2”井眼完成時間：1999、2、25A點井深:3646.35m,日期1999年2月13日

196.16m350.00m546.16m完井方法：套管射孔開鉆日期：1998年12月20日完鉆井深:4097.00m,日期1998年2月25日

鉆井重點：采用導眼回填技術裸眼井段長水平井實例垂深：3678.00m水平段控制高度：

2米側鉆點：3460.00m；側鉆日期：1999年4月18日井號：TZ406階梯水平井；13-3/8“套管502.7m.9-1/2”井眼完成時間：1999年5月26A點井深:3789.81m,日期1999年5月9日

垂深：3684.00m40m180m198.09671m完井方法：第一段：5-1/2“套管射孔第二段：5-1/2“篩管120m完鉆井深:4131.00m,日期1999年5月26日

開鉆日期：1999年3月15日鉆井重點：水平井段為階梯式裸眼井段長側鉆點為泥巖靶區偏差小水平井實例垂深：4200m水平段控制高度：

2米造斜點:3940.00.m時間1999年9月5日井號：LN61-H1階梯水平井；13-3/8“套管500.5m.8-1/2”井眼完成時間：1999年9月21A點井深:4339.81m,1999年9月10日

垂深：4202m150m111m259.00761m完井方法：套管射孔100m完鉆井深:4701m,1999年9月21日

開鉆時間1999年8月18日鉆井重點：裸眼井段長4200.50m；水平井段為三段折線組成；設計變化頻繁，尤其是進入水平井段后數次變更靶點位置，以適應地質和開發的要求。水平井實例垂深：5070.00m水平段控制高度：

2米側鉆點：4721.36m；側鉆日期：1998年12月11日井號：HD4H水平井；9-5/8"套管805.18m.8-3/8"井眼完成時間：1999、2、23A點井深:5213.26m,日期1999年2月1日

240.00m308.74m548.74m完井方法：套管固井開鉆日期：1998年9月14日完鉆井深:5522.00m,日期1999年2月23日

施工重點井深，全井井深為5522.00m；裸眼井段長達4716.82m；采用了導眼回填技術；在國內首次鉆進8-3/8”井眼，沒有任何資料可以借鑒。側鉆點較深，為4721.36m。水平井實例垂深：3848.00m水平段控制高度：

2m造斜點：3610.00m；造斜日期：2000年7月6日井號：KH7008水平井；339.7mm套管499.57m.177.8mm套管4010.00m.127.0mm套管至井底.215.9mm井眼完成時間：2000、8、24A點井深:3992.00m,日期2000年7月23日

175.62m400.21m575.41m完井方法：篩管完井開鉆日期：2000年5月27日完鉆井深:4392.00m,日期2000年8月24日

152.4mm井眼施工重點直井段產生位移很大；裸眼井段長達3510.43m；