钻井装备知识培训

1. 钻井装备知识培训 产品一中心 编写

2. 目 录 一. 钻井工艺基本知识 二. 钻机类型及组成 三. 绞车结构及原理 四. 钻井泵结构及原理 五. 离心泵结构及原理 六. 钻井液固控系统及机具

3. 一. 钻井施工基本知识 • 石油钻井：是指利用专用设备和技术，在预先选定的地表位置处，向下或一侧钻出一定直径的孔眼，一直达到地下油气层的工作。 • 钻井方法的发展：（1）人工掘井：1521年之前。（2）人力冲击钻：1521～1835年，是靠人力、捞砂筒、特殊钻头、悬绳、游梁等来完成的。3）机械顿钻（冲钻）：1859～1901年，靠机械冲击作用破岩，破岩和清岩相间进行。（4）旋转钻：1901年发展起来的，旋转钻井是靠动力带动钻头旋转，在旋转的过程中对井底岩石进行破碎，同时循环钻井液以清洁井底的钻井方法。旋转钻井又分为转盘钻井、井下动力钻具钻井、顶部驱动旋转钻井。

4. 钻井施工工序 钻前施工 1、定井位 2、道路勘察 3、基础施工 4、搬家 5、安装设备 钻井施工 6、一次开钻 7、二次开钻 8、钻进 9、起钻 10、换钻头 11、下钻 完井施工 12、完井电测 13、下套管固井 钻井就是利用钻机设备及破岩工具破碎地层形成井筒的工艺过程，目地是进行地质评价、发现油气藏、开发油气藏。施工工序：钻进→洗井 →接单根 →起下钻 →完钻。 固井就是向井内下入一定尺寸的套管串，并在其周围注入水泥浆，把套管固定的井壁上，避免井壁坍塌。施工工序：下套管至预定深度→装水泥头、循环泥浆、接地面管线→打隔离液→注水泥→顶胶塞→替泥浆→碰压→注水泥结束、候凝。

5. 钻井液 出口 井口防 溢管 井口防喷器 注水泥 施工 一开钻进 （表层套管） 二开钻进 （技术套管） 三开钻进 （油层套管） • 导管：用于将钻井液引到固控设备上，深度一般为10米以内。一般在钻前准备时完成。 • 表层套管：其作用是封隔地表部分的易塌、易漏地层和水层，安装第二次开钻的井口装置，控制井喷。其下入深度，根据地表部分松软的易塌、易漏地层和水层的深度而定。一般在100米左右。 • 技术套管：用于封隔用泥浆难以控制的复杂地层；无法堵塞的严重漏失层；非目的层的油气层；压力相差悬殊油、气、水层等。 • 油层套管：用于以把不同压力和不同性质的油、气、水层分割开来，建立一条油、气流至地面的通道，保证能长期生产，满足合理开采油、气和增产措施的要求。油层套管的下深根据目的层的深度和不同的完井方法而定。

6. 二. 钻机类型及组成 • 组成：石油钻机主要由动力机、传动机、工作机及辅助设备组成。一般有八大系统（起升系统、旋转系统、钻井液循环系统、传动系统、控制系统、动力驱动系统、钻机底座、钻机辅助设备系统），具备起下钻能力、旋转钻进能力、循环洗井能力。 • 类型：根据钻井深度分为浅井钻机、中深井钻机、深井钻机，根据驱动方式分为机械驱动钻机、电驱动钻机，根据搬迁方式分为撬装钻机和车装钻机。

7. 机械驱动钻机类型及特点 • 类型：机械驱动钻机是指以柴油机为动力，通过液力变矩器、链条、齿轮、三角胶带等不同组合的传动形式所驱动的钻机，主要包括齿轮传动、胶带传动和链条传动三种形式，具有制造方便成本低的特点。 • 现状：目前机械驱动石油钻机主要为链条钻机，采用链条作为主传动副，2~4台柴油机 —变矩器驱动机组，用多排小节距套筒滚子链条并车，统一驱动各工作机组，一般仍用胶带传动钻井泵。

8. 大庆130钻机传动示意图 猫头轴 输入轴 1#联动机 2#联动机 滚筒轴 3#联动机 转盘 2#钻井泵 辅助刹车 1#钻井泵 空压机 离合器

9. 电驱动钻机类型及特点 • 类型：电驱动钻机包括直流电机驱动和交流变频电机驱动两种形式。 电驱动钻机具有传动柔和、调速性能好、操作方便灵活、模块体积小、安装移运方便、可靠性高、噪音小、污染小、节能等特点。 • 直流电机驱动：直流电动钻机是采用AC-SCR-DC方式，将柴油发电机组并网发出的电力通过SCR可控硅整流后驱动直流电机。 • 交流变频电机驱动：交流变频钻机则是采用AC-VFD-AC方式，通过VFD电传动控制系统将柴油发电机组所发出的电力变为变频可调的电流，采用交流变频器驱动无碳刷交流变频电机。

10. 电驱绞车示意图 电驱转盘示意图 电驱钻井泵示意图

11. 三. 绞车结构及原理 • 绞车是钻机的起升设备，主要用于起下钻具、下套管，控制钻压、送进钻具及起放井架等功能。一般包括滚筒轴、猫头轴、传动制动机构、润滑机构及壳体等组成，按轴娄分为单轴、双轴、三轴及多轴绞车，按滚筒数分为单滚筒和多滚筒绞车。

12. 钻机绞车工作示意图 输入轴 链轮 猫头轴 牙嵌式离合器 气囊式离合器 滚筒 离合器 链条 辅助刹车 轴承

13. 滚筒 猫头轴 冷却风机 气控排档箱 电磁刹车 刹车鼓 刹车气缸 离合器排档杆

15. 四. 钻井泵结构及原理 • 钻井泵多为卧式三缸单作用往复式活塞泵，由动力端总成、液力端总成和各部位的润滑系统及冷却系统组成。由动力机带动泵的曲轴回转﹐曲轴通过十字头再带动活塞或柱塞在泵缸中做往复运动。在吸入和排出阀的交替作用下﹐实现压送与循环冲洗液的目的。

16. 钻井泵工作原理 动力端通过皮带（或链条、万向轴）带动泵的主轴旋转，再通过曲柄连杆机构使活塞向右移动，缸内形成负压，上水池内的液体在大气压力作用下，顶开吸入阀进入缸内，直到活塞移到最右边位置完成吸入过程。活塞开始向左移动，缸内液体受到活塞的挤压而压力升高，吸入阀被关闭，排出阀被顶开，液体被活塞推出排出阀经排出管进入高压管汇，完成排出过程。

17. 钻井泵结构图

18. 钻井泵工作示意图 输出管 空气包 拉杆 泵头 十字头 活塞杆 被动轴 输入管 连杆

19. 曲轴 传动轴 连杆

20. 转盘结构图 方补心 大方瓦 转盘是用来承托管柱重量，提供扭矩和转速。转盘实质上相当于一个特殊结构的角传动减速器，主要由箱体、转台、主轴承、副轴承、齿圈、 输入轴总成、锁紧装置、方瓦、箱盖等部分组成。 水平轴 锁销 主轴承 小伞齿轮 大伞齿轮 防跳轴承

21. 水龙头结构及工作原理 • 水龙头通过提环挂在大钩上，上部通过鹅颈管与水龙带相连，下部接方钻杆，连接下井钻具。水龙头主要由鹅颈管、冲管总成、中心管、壳体、提环和主轴承等组成，主要功用悬持旋转着的钻杆柱，承受大部分以至全部钻具重量；向转动着的钻具内输送高压钻井液。

22. 大钩结构及工作原理 • 大钩是起升钻具的重要设备，由钩身、杆、筒体、提环、止推轴承及弹簧组成，钩身能转动，钩口和侧钩有闭锁装置，大钩有缓冲减振功能。大钩与游车结合成一体，称为游钩，是目前使用的主要形成。

23. 游车、天车结构及工作原理 • 天车是安装在井架顶部的定滑轮组，游车是在井架内部上下作往复运动的动滑轮组，主要由滑轮、滑轮轴、轴承、轴承座及支架组成。

24. 五. 离心泵结构及原理 • 离心泵就是通过旋转叶轮的动能产生流量，使液体流动。离心泵的基本构造是由六部分组成的，分别是：叶轮，泵体，泵轴，轴承，密封环，填料函。离心泵的效率取决于该叶轮的性能。离心泵与活塞泵相比，具有转速高，体积小，流量大，结构简单的特点；但泵压相对较低等，液体粘度对泵性能影响大，只能用于粘度近似于水的液体。

25. 离心泵结构示意图

26. 六. 钻井液固控系统及机具 概念:钻井液固相控制就是要清除钻井液中的有害固相，保存有用固相，以满足钻井工艺对钻井液性能的要求。钻井液固相控制系统就是所有用于钻井液固相控制设备的总称。 作用:防止油气通道堵塞、破坏，降低钻井扭矩和摩阻，降低环空抽吸的压力波动，提高钻井速度，延长钻头寿命，减轻设备的磨损等。 方法:常用的有稀释法、替代法、机械方法、化学方法等四种。机械方法是通过机械设备利用筛分、离心分离、重力分离等原理，将钻井液中的固相成分按颗粒、密度大小不同而分离开，以达到控制固相的目的。

27. 钻井液固控系统发展过程：在20世纪50年代以前，并不使用机械装置来净化钻井液，到了20世纪50年代以后，开始采用钻井液振动筛、离心机来清除钻井液中的岩屑。60年代以后，国外油田开始采用4英寸除泥旋流分离器，六十年代中期，细目钻井液振动筛得到使用。70年代以后，超细目振动筛得到使用。80年代以后，钻井液固相控制从采用两级处理发展成为三级、四级、五级处理。钻井液固控系统发展过程：在20世纪50年代以前，并不使用机械装置来净化钻井液，到了20世纪50年代以后，开始采用钻井液振动筛、离心机来清除钻井液中的岩屑。60年代以后，国外油田开始采用4英寸除泥旋流分离器，六十年代中期，细目钻井液振动筛得到使用。70年代以后，超细目振动筛得到使用。80年代以后，钻井液固相控制从采用两级处理发展成为三级、四级、五级处理。 钻井中钻井液的循环程序：钻井液罐 经泵→地面管汇→立管→水龙带、水龙头→钻柱内→钻头→钻柱外环形空间→井口、泥浆(钻井液)槽→钻井液净化设备→钻井液罐。

28. 井口出来的钻井液通过管线流入分配器，分别或同时输送到2个振动筛，经处理后进入到沉砂仓，经渡管进入到除砂仓。除砂泵吸入除砂仓的钻井液，钻井液经过渡槽进入到除泥仓。除泥泵吸入除泥仓的钻井液，钻井液经过渡槽进入到离心仓。离心机的立式供液泵吸入离心仓的钻井液，钻井液经过渡槽进入到储液罐。钻井泵吸入储液罐的钻井液，通过管线输送至井口。这样就完成了钻井液的循环流程。井口出来的钻井液通过管线流入分配器，分别或同时输送到2个振动筛，经处理后进入到沉砂仓，经渡管进入到除砂仓。除砂泵吸入除砂仓的钻井液，钻井液经过渡槽进入到除泥仓。除泥泵吸入除泥仓的钻井液，钻井液经过渡槽进入到离心仓。离心机的立式供液泵吸入离心仓的钻井液，钻井液经过渡槽进入到储液罐。钻井泵吸入储液罐的钻井液，通过管线输送至井口。这样就完成了钻井液的循环流程。 某型钻井液循环流程示意图

29. 某型钻井液加重流程示意图 钻井液加重流程是钻井液固控系统流程中的辅助流程，通过向钻井液中加入重晶石等成份，增加钻井液的密度，保持井壁稳定，以满足钻井要求。4#罐的加重泵可以通过加重吸入管线直接吸入药品混合仓、加重混合仓、储备仓中的钻井液，经过加重漏斗加重处理后，通过加重排出管线输送到3#罐、4#罐各仓中。这样就完成了钻井液加重流程。

30. 某型钻井液加药流程示意图 钻井液加药流程是通过向钻井液中加入化学处理剂，利用化学沉降的原理，去除有害固相成份改善钻井液性能的作用，提高井壁的稳定性，提高了机械钻速。4#罐药品混合仓上部安装有加药罐，药品从加药罐经管线进入到药品混合仓，通过搅拌器搅拌混合后，由钻井泵通过吸入管线输送到井口。也可以由加重泵通过加重吸入管线吸入后，通过泥浆枪管线输送到1#罐补给仓、2#罐、3#罐各仓中。这样就完成了钻井液加药流程。

31. 某型钻井液补给流程示意图 钻井液补给流程是在起升钻具过程中，通过向井筒内补充钻井液，以保证井壁的稳定。1#罐左端设有补给仓，补给泵从补给仓中吸入钻井液，经排出管线输送至井口，井口返回的钻井液经分配器分支阀门调控进入到补给仓中。补给仓中的钻井液也可通过加重泵吸入储备仓中的钻井液，经过泥浆枪管线输送至补给仓。这样就完成了钻井液补给流程。

32. 振动筛的结构示意图 振动筛主要通过电机带动激振器旋转，产生周期变化的惯性力，钻井液固相颗粒进入筛面，在筛面上做抛掷运动，将大小不等的固相颗粒分类去除。振动筛的分离颗径和处理量是振动筛选配的重要因素。

33. 振动筛的选择 振动筛的技术水平主要反映在处理能力（处理量和分离粒度）、工作的稳定性．寿命的长短和操作的灵活性几个方面。振动筛的处理能力与振动筛的结构、运动轨迹、振动频率、振动强度、筛网面积和筛网的粗细有关。为了使振动筛与钻机匹配，就必须考虑钻井泵的最大排量及钻进中产生的钻屑量，即： Q筛≥Q泵+Q屑 式中：Q筛 ——振动筛处理量，L/s; Q泵——钻井泵最大排量,L/s; Q屑——钻进中的钻屑量，L/s。 通常根据筛框的运动轨迹将振动筛分为圆筛、普通椭圆筛、直线筛、均衡椭圆筛四大类。

34. 普通椭圆筛：又称非均衡椭圆筛,是在筛箱质心的正上方固定有激振装置。它要求筛箱倾斜一个角度，利用重力强行排砂，以免砂粒有朝后抛掷的倾向。由此而来，筛箱倾斜确实改善了砂粒的移动性能，但振动筛处理钻井液的量减少了，这正是普通椭圆筛的主要缺点。普通椭圆筛：又称非均衡椭圆筛,是在筛箱质心的正上方固定有激振装置。它要求筛箱倾斜一个角度，利用重力强行排砂，以免砂粒有朝后抛掷的倾向。由此而来，筛箱倾斜确实改善了砂粒的移动性能，但振动筛处理钻井液的量减少了，这正是普通椭圆筛的主要缺点。

35. 直线振动筛：两根带偏心块的主轴作同步反向旋转产生直线振动, 由于直线筛振动方向不变，使得卡入的颗粒不易脱落，而出现“筛糊”现象，使得筛网的有效过流面积减小，造成处理量下降，而且当筛网目数增大时，筛糊现象会更严重。因而，直线筛在使用超细目筛网时，就不可能满足钻井液用量的要求。

36. 均衡椭圆筛：是近几年发展起来的一种新筛型，筛箱上各点的运动轨迹如图,所有椭圆的运动轨迹的长轴和短轴相同，抛掷角的大小和方向完全一致。均衡椭圆筛结合了圆型振动筛和直线振动筛的基本优点，均衡椭圆筛的处理量较直线筛大20-30%，是一种比较先进的钻井液振动筛，代表着当今钻井液振动筛的发展方向。均衡椭圆筛：是近几年发展起来的一种新筛型，筛箱上各点的运动轨迹如图,所有椭圆的运动轨迹的长轴和短轴相同，抛掷角的大小和方向完全一致。均衡椭圆筛结合了圆型振动筛和直线振动筛的基本优点，均衡椭圆筛的处理量较直线筛大20-30%，是一种比较先进的钻井液振动筛，代表着当今钻井液振动筛的发展方向。

37. 除气器的工作原理 除气器用来清除气侵钻井液中的气体，保证钻井液性能相对稳定，保证旋流器能正常工作。除气器分为两大类：常压式和真空式。常压式除气器利用离心机抽吸气侵泥浆，借助离心力使泥浆在其喷射罐内喷射、撞击内壁，使气体释放出去。真空除气器利用真空泵的抽吸作用，在真空罐内形成负压，钻井液在大气压的作用下，通过吸入管进入空心轴，再由空心轴四周的伞片总成，呈喷射状甩向罐壁，在碰撞、真空及气泡分离器的作用，浸入钻井液中的气泡破碎，气体逸出，通过真空泵抽出并排往安全地带。

38. 除砂、除泥器的结构示意图 除砂、除泥器都是由一组水力旋流器和一个处理旋流器底流并回收钻井液的小型超细网目振动筛组成。液流从进液口切向进入后，由于离心力的作用，密度大的颗粒被甩向外壁，沿旋流器内壁螺旋下行流向底流口，密度小的液体则反向螺旋上行经涡流导管流出溢流口，旋流器的名义尺寸越大，所除掉的固体颗粒越粗，所需要的工作压力越小，钻井液的处理量越大。不同直径的旋流器的分离固相颗粒的粒径是不同时。除砂器的固相颗粒分离粒径为44～74μm，因此300mm的旋流器可以满足设计要求。除泥器的固相颗粒分离粒径为8～44μm，因此100mm的旋流器可以满足设计要求。

39. 除砂、除泥器的选择 选用除砂器和除泥器时必须参考钻井泵的最大排量，以期达到匹配合理。无论是除砂器还是除泥器，都要保证能够全部处理钻井过程中的最大钻井液排量。除砂器、除泥器的钻井液处理理为：

40. 离心机的结构示意图 钻井液由加料管进入螺旋输送器内的空心轴，再流入转鼓内。由于转鼓在高速旋转，带动进入的钻井液一起旋转，钻井液中的固相被甩到转鼓壁上，由螺旋输送器推向小端的卸料孔排出，清洁钻井液作为溢流从转鼓大端的溢流口排出。

41. 离心机的选择 离心机的选择受到要分离固相颗粒的粒径大小、离心机的转鼓直径、最高转速及分离因数的影响，钻井现场常用的是以固液密度差作为分离基础的沉降离心机，主要用来清除钻井液中2-lOμm的固相物质，是最后一级钻井液固控设备。

42. 搅拌器 举升机 固控辅助机具 立式砂泵 加重漏斗 泥浆枪

44. 谢谢大家！ 欢迎批评指正！