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1 钻井及井口装置知识培训 职均 2 钻井及井口装置常识 在油气田勘探开发中 需要钻不同类型的油井 随着井眼的加深 和井下地质情况的不同 要用不同尺寸套管巩固井壁 每下一层套管 都需要在井口悬挂和密封 悬挂和密封套管的装备就是套管头 钻井过程中 为了有控制可能出现的油 气 水显示 在套管头上又安装了钻井四通 防喷器 节流管汇 压井管汇 这就是通常说的井控系统 当一口井钻完需要测试和投产时卸掉防喷器 安装油管四通 采油树等试采井口 套管头在一口井上从始至终安装在井口 是一项非常关键的设备 3 一 钻井基本常识 1 钻井过程石油和天燃气埋藏在地下几百米到几千米深度不等的有孔隙 裂缝或溶洞的岩石中 为了寻找和开发石油 天燃气 从地面向地下的油气层之间 钻凿出一个通道的过程称之为钻井 当确定钻井位置后 依靠钻机的动力带动钻杆和钻头旋转 钻头逐次向下破碎岩层 形成井筒 钻井井眼大小是由钻头大小来决定的 钻头在破碎岩层的同时 通过钻杆向地下注入钻井液 将钻头在破碎地层而产生的大量岩屑由循环的钻井液带到地面 地面的固控装置将钻井液中的岩屑清除后 通过钻井泵再次将钻井液打入井内 钻进的过程即钻头破碎岩石 及钻井液通过循环不断携带出钻屑并形成井筒的过程 4 钻达设计深度后 下入专用仪器进行测井作业 目的是确定井下地层岩性和各个油气水层的位置 然后下入套管 并在套管与井壁的环形空间内注入水泥浆将套管固定在井眼内 最后一道工序是对油层位置的套管进行射孔 re人为的形成一个井下油气流入套管的孔道 油气的地层压力高时可自由流到地面 这种井我们称为自喷油气井 油气压力较低时需借助外力从井下抽吸 这种井我们称之为非自喷井 钻井时要有一套完整的功能齐全的钻机 有质量优异不宜发生事故的钻杆 套管和钻头 有性能优良的钻井液等 5 2 钻井类别划分油气钻井类别很多 划分的方法也不尽相同 根据世界多数国家比较通用的方法 我国目前钻井类别的划分主要有以下几种 1 按钻井深度划分 浅井 完钻井深小于2000米的井中深井 完钻井深小于4500米的井深井 完钻井深小于6000米的井超深井 完钻井深超过6000米的井 2 按钻井目的划分 有探井和开发井 探井中又分为地层探井 又称为参数井 预探井和详探井 在开发井中可分为采油采气井 注水注气井 调整井 加密井和资料井等 6 3 按钻井地区可分为 陆地钻井 海上钻井和沙漠钻井 4 按旋转钻井的方法可分为 转盘钻井 利用安装在钻台上的转盘带动钻杆钻头旋转的钻井方法 顶部驱动装置钻井 利用安装在钻杆上方水龙头部位的动力装置带动钻杆旋转的钻井方法 井底动力钻井 利用井底动力钻具带动钻头旋转的钻井方法 包括涡轮钻具钻井 螺杆钻具钻井和电动钻具钻井 5 按钻井井型划分 直井 定向井 按既定的方向偏离井口垂线一定距离钻达目标的井 丛式井 一个井场或一个钻井平台上 按设计钻出两口或两口以上的定向井 大位移井 完钻后井底水平位移是垂深两倍以上的定向井 水平井 井斜角大于或等于86度 并保持这种角度钻完一定长度水平段的定向井 分支井 一个井口下面有两个或两个以上井底的定向井 和欠平衡压力钻井 井筒的液柱压力低于地层压力的钻井 7 3井身结构导管 油井中下入的第一层管子叫导管 目的是防止地表土层垮塌 引导钻头入井 建立最初的钻井液循环通道 导管通常下入深度为30 50米 导管上部不安装套管头 表层套管 下入的第二层管子叫表层套管 目的在于巩固上部疏松岩层的井壁 封住地层水 流沙层 砾石层或浅气层 表层套管上要安装套管头及井控设备 并支撑后下入的技术套管 长度一般为100 300米 8 技术套管 位于表层套管内的套管叫技术套管 为了隔离高压油 气水层或漏失层及坍塌层 深井 超深井及地质情况复杂时 需下若干层技术套管 油层套管 下入井内的最后一层套管 形成坚固的井筒 使生产层的油或气由井底沿着这层套管流至井口 建立一条长期开采油气的通道 以上各层套管与井壁的环形空间 都需注水泥加固 固井 每下一层套管要安装一次井口 为节省钢材 降低钻井成本 在满足钻井工艺要求的前提下 应少下或不下技术套管 有的井在技术套管下部下入尾管 9 4 井控系统在钻井过程中 为了防止地层流体浸入井内 总是使井筒内的钻井液静液柱压力略大于地层压力 但在钻井作业中 常因各种因素的变化 使油气井的压力控制遭到破坏而导致井喷 这时就需要依靠井控设备实施压井作业 重新恢复对油气井的压力控制 井控设备是实施油气井压力控制技术的一整套专用设备 仪表与工具 1 井控设备应具有以下功用 a 预防井喷 b 及时发现溢流 对油气井进行监测 尽早发现井喷预兆 c 迅速控制井喷 溢流 井涌 井喷发生后 迅速关井 实施压井作业 对油气井重新建立压力控制 d 处理复杂情况 在油气井失控的情况下 进行灭火抢险等处理作业 10 井控设备的组成 井口防喷器组 环形防喷器 闸板防喷器 钻井四通 环形防喷器 有三种形式 锥形胶芯环形防喷器球形胶芯环形防喷器组合胶芯环形防喷器目前国内生产前两种 环形防喷器具有井压助封功能 压力等级2000 10000PSI闸板防喷器 有三种形式 单闸板防喷器双闸板防喷器三闸板防喷器压力等级2000 20000PSI 11 防喷器的代表符号FZ23 21表示公称通径230mm 压力21mpa的单闸板防喷器FH28 35表示公称通径280mm 压力35mpa的环形防喷器闸板防喷器目前国内压力等级有 14 21 35 70 105 五个压力级别通径级别有 180 230 280 346 426 476 528 540 680 760 十个等级 压力级别和通径是防喷器两项重要指标 闸板防喷器芯子有单面双面之分 按其功能有分 变径闸板 剪切闸板 全封闸板 管子闸板 闸板防喷器具有手动锁紧和井压助封功能 12 2 控制装置 蓄能器装置 遥控装置 3 节流与压井管汇 在井控工作中常实施压井作业 需要借助一套装有可调节流阀的专用管汇 给井内施加一定的回压 并通过管汇约束井内流体 使井内流体在控制下流动 或改变流动路线 这两套管汇称节流 压井管汇 面对井架 钻井四通右翼安装节流管汇 左翼安装压井管汇 目前国内除105兆帕节流压井管汇外 都以研制成功 35兆帕节流 压井管汇 装有一个手动节流阀 一个单流阀 70兆帕以上的节流压井管汇装有一个手动节流阀和一个液动节流阀 并且安装两个单流阀 35兆帕以下 根据情况可装 可不装节流阀 13 4 钻具内防喷工具 A 手动钻具旋塞阀 是钻柱循环系统中的手动控制阀 主要有方钻杆上旋塞 反扣 方钻杆下旋塞和钻具旋塞阀 B 顶驱旋塞阀C 箭形止回阀 这是随钻具入井的一种单向止回阀 D 钻具投入式止回阀E 钻具浮阀 这是单流阀的一种 F 手动止回释放阀 这是在起下钻发生井涌 钻具内外溢泥浆 常规单流阀无法连接 这是目前国外普遍推广的一种钻具内防喷工具 G 提拉式试压堵塞器H 钻具旁通阀 正常情况下当接头使用 水眼不通时投球打开 14 5 加重钻井液装置 重晶石粉混合漏斗装置 重晶石粉气动下料装置 6 起钻灌注钻井液装置 7 钻井液气体分离器 8 监测仪表 泥浆罐液面监测仪 甲烷 硫化氢检测器 15 1套管头 1 用途 套管头是安装在表层套管柱上端 用来悬挂除表层套管以外的套管 和密封套管环形空间的井口装置部件 套管头的用途主要有以下几点 通过悬挂器悬挂除表层套管以外的各层套管的部分或全部重量 连接防喷器等井口装置 在内外套管柱之间形成压力密封为释放可能积聚在两层套管柱之间的压力提供出口在紧急情况下 可由套管头侧孔处向井内泵入流体 二 套管头 悬挂器及采油树 16 2 型号说明套管头的型号标识如下 TF 额定工作压力 MPa各级套管外径 mm in 套管头代号例 型号TF508 20 X339 7 133 8 X244 5 95 8 X139 7 51 2 105表示连接套管外径为508mm 20in 悬挂套管外径为339 7mm 133 8in 244 5mm 95 8in 和139 7mm 51 2in 额定工作压力为105MPa的套管头 35兆帕以下套管头是三层套管 四种尺寸 35 70兆帕套管头是四层套管 四种尺寸 105兆帕套管头是四层套管 两种尺寸 140兆帕套管头是五层套管 两种尺寸 17 3 套管头类型 A 焊接式套管头 这种形式的套管头与套管靠内外两道焊口密封 焊缝之间有一试压口 这种套管头安装时焊接要求较高 因而费工费时 B CQS SL底部连接 这是一种比较简单的反卡瓦型连接 不需要焊接作业 因而现场安装非常简便宜行 它采用ES橡胶密封 这种连接可承压10000PSI 并可重复使用 18 需要注意的是 反卡瓦套管头安装好后 要确保卡牢套管 必须试提拉力 检验卡牢程度 因为二开期间和后续作业如遇关井 特殊作业将会产生一个上顶力 这个上顶力需要靠套管头卡瓦承担 反卡瓦的承担能力不容忽视 如我们要安装一套339 7mm套管头 当关井压力10mpa时 上顶力79吨 有时关井压力更高 上顶力更大 3CQS BT底部连接 采用母丝扣的方式与套管 公扣 进行连接 要求套管必须按计算深度准确下入 但这种套管头连接方式安装完后无法试压 现场只有在安装完防喷器后 在对套管试压时才能按照套管的试压标准试压 BT连接套管头试压未按套管头标准试压 且滞后 4CQS W底部连接 该种连接有一道焊缝 和一道标准的密封圈作为密封件 这种连接还包含一个测试口 便于对焊接和密封圈的性能进行测试 这种连接方式因为要电焊 焊前的预热和焊后的高温对O型圈的密封有影响 表层套管头现场试压时请注意 如我们用339 7mm套管 壁厚10 92mm 钢级J55套管 抗外挤强度10 6mpa 按80 计算 只能试压8 48mpa 如果是508mm套管 壁厚12 7mm 抗外挤强度5 3mpa 按80 计算 试压4 24mpa 现场注脂和试压要严格按照标准 以上三种连接形式为美钻生产的套管头 19 2CQ G系列套管悬挂器 20 21 CQ G3 G5 G6三种系列为一种类型 即环绕卡瓦组合 依靠套管重量压力实现密封 需要15000磅力实现密封 这三种悬挂器使用范围广 CQ GS重力自动密封式套管挂 适用水泥不返到地面的套管 CQ GM心轴式悬挂器 它适用于整体式套管头 可以大大降低井口高度 为现场作业提供方便 心轴式悬挂器适用于井眼稳定的井 主要原因是套管必须按计算深度下入和悬挂 因坐挂后减小了循环的环空通道 对固井造成不利影响 如339 7mm套管内下244 5mm套管 环形面积应是411cm2 当用心轴悬挂后 通过四通闸门循环 按3寸计算面积45 6cm2 按两个闸门计算 面积也只有91 2cm2 只占原环空面积的22 如果在244 5mm套管内下177 8mm套管 两层套管的环形面积188cm2 如用心轴悬挂 闸门按2寸半计算 面积只有31 67cm2 在地层压力系数低和井下复杂的井 不易使用心轴悬挂器 22 3油管悬挂器 1 用途 用以悬挂油管 密封油 套管环空和连接采油树 为释放可能几句在油管和套管柱之间的压力提供出口 还可以向井内泵入流体 是采油 气 井口装置的一个重要组成部分 2 型号 油管头型号表示如下例 KQY70 78 65表示工作压力70MPa 主通径78mm 侧通径65mm的油管头 3 类型 以美钻油管头为例 见下页图 23 美钻石油钻采系统为单完井提供TD E TD MS TD EM油管悬挂器和TD C系列油管四通 TD C油管四通完全与TD E和TD EM和TD MS油管悬挂器兼容 24 1 TD E油管悬挂器 采用橡胶密封 承压10000PSI 中等腐蚀工况 在橡胶使用寿命期间 能够保证密封 并设有井下安全阀地面控制管线接口 不使用时 可安装盲堵 2 TD MS油管悬挂器 装有两个金属对金属密封 分别位于油管悬挂器的颈部和底部 可承压20000PSI 适用高腐蚀井液工况 密封寿命长 设有井下安全阀地面控制管线接口 不使用时可安装盲堵 3 TD EM油管悬挂器 分别在颈部和底部采用金属密封 同时采用了橡胶密封 这种油管悬挂器的优势在于 当用户需要现场临时性作业或调试时 无需造成金属密封的浪费和作业的不便 当确切需要长期安装固定生产时 仅须造成金属密封的变形并进行密封测试即可 这三种油管悬挂器安装后 都需要将法兰上的顶丝对角上紧 到位 在API标准中对顶丝要求 在压力完整性上应能密封上下的最大额定工作压力 油管头上的锁紧螺钉当安装在油管头上时 应有足够的数量 规格和强度 以承受作用在最大油管悬挂器主密封全部面积上的相当四通工作压力的载荷 25 4采油树 1 用途 采油 气 安装在油管头的上面 主要作用是用来控制井口压力和调节油 气 产量 并把油 气 诱导到输油管去 必要时还可用来关闭井口或进行酸化压裂 清蜡等作业 2 型号 采油 气 树型号表示如下例如 KYS70 78 65表示额定工作压力为70MPa 主通径为78mm 旁通径为65mm的采油树 26 3 采油 气 类型及结构整体式采油 气 树 27 十 字型采油 气 树 28 Y 字型采油 气 树 29 双管式采油 气 树A 采油树节流阀无截流功能 节流阀设计流量指示及阀杆锁定装置 B 固定式节流阀即节流油嘴 C 采油树在使用之前必须进行整体试压 30 1 压力额定值 套管头及井口装置按压力级别有6种规格 PsiMPa200013 8300020 7500034 5100006915000103 5200001381Psi 0 00689476mpa 0 007mpa1mpa 9 806375大气压 9 8个大气压静液柱压力计算公式 P 9 8 10 3 HP静液柱压力mpa 液体密度g cm3H液柱垂直高度M比如说 某井深2800米 地层压力系数1 4 液柱压力值为 9 8 10 1 4 2800 38 45mpa 三 产品规范标准 31 2额定温度值 32 3材料级别AA BB CC DD使用碳钢或低碳钢 常用4130 EE FF使用不锈钢 常用4100 HH使用抗腐蚀合金钢 常用718或825 33 4性能级别 从最小额定载荷到最大额定载荷 34 节流阀的性能要求 35 5 PSL规范级别当井处于没有充分资料计算暴露半径的地区 但该区域预计有硫化氢 可假设每100mg L的暴露半径等于915m 36 井口装置和采油树主要零件推荐的最低PSL 井口装置总成的主要部件是油管头 油管悬挂器 油管头异颈连接装置 采油树主阀 其他次要部件规范级别可以低一个等级 6法兰与密封垫环6B法兰 使用R RX型钢圈 同等型号两者可以互换 装配后法兰间的理论间隙为12 15mmR和RX型垫环 R和RX型表面粗糙度 1 6 mRX压力通孔 某些尺寸的RX垫环应有一个贯通环截面的压力通孔 37 38 39 6BX法兰使用BX型钢圈 与R和RX型不能互换 装配后法兰间的理论间隙为0 1mm 40 BX垫环表面粗糙度 0 8 m每个BX垫环应有一个贯通环截面的压力通孔 使用中应注意 在法兰环槽内形成密封关系的有过盈限制的密封环 不应重复使用 垫环使用涂层和镀层有助于密封结合 同时减少粘连并延长使用寿命 涂层和镀层的厚度最大为0 013mm16BX为卡箍连接 使一种环形接头 设计为面对面连接 使用范围广 41 42 7扣型部分 API6A19版标准 短园套管扣 STC 长园套管扣 LC 加长园套管扣 XL 偏梯扣 BTC加厚油管扣 EU EUE 不加厚油管扣 NU TBG石油钻杆接头螺纹 数字型 NC 正规性 REC 贯眼型 FH 内平型 IF油管接头螺纹 LP 普通油管 压力 5000PSI NEW VAM VAM TOP 除斜井注蒸汽进外都适用 及油管挂 丝扣法兰 短接等 法国VAM公司专利 管螺纹 NPT 利用丝扣密封 压力 5000PSI Autoclave 利用斜面密封 压力 10000PSI 43 美钻生产的MD U闸阀 完全按照API6A和NACEMR 01 75设计和制造 MD U闸阀的特点 1在阀座和阀板及阀座与本体之间采用金属对金属密封 阀板与阀杆之间的梯形螺纹确保阀板可顺利移动 2阀座安装在阀板两侧 可以互换以延长是使用寿命3阀杆的台肩可以背向密封阀盖 以隔离填充腔 阀在压力状态下可以更换阀杆密封 4不提升的阀杆防止了内腔压力增长和内腔润滑脂的流失 5所有的MD U闸阀具有特殊的设计 金属对金属密封的油脂注入接头内包括一个单流阀 阀杆 阀座和阀板通过润滑脂注入接头润滑 为安全起见 它设置在阀杆被密封的上部 而且润滑孔和密封孔均不直接接通阀腔 6在10000和15000PSI工作压力的闸阀阀体和阀盖之间的密封是利用压力产生过盈密封的BX型金属盖密封环 对于3000和5000PSI工作压力的闸阀 可以使用一种扁平型金属压缩衬垫 四 闸阀 44 7特殊的无橡胶阀杆密封设计能将标准MD U闸阀温度等级延伸到350 或 75 这些温度可能并不适用在全负荷的工作压力下 MD U闸阀的正确使用在闸阀使用中应确保手轮开 关旋转到位状态后 手轮必须回1 4 1 2落圈 以消除其阀杆的轴向顶力而影响阀板的密封性 同时可避免在单边受压状态下再次开关闸阀时的困难 在扭矩增大情况下易造成安全销的非正常折断 从而导致闸阀开关失效 2 1 16闸阀开关圈数为12 1 3圈 2 9 16闸阀开关圈数为15 1 8圈 3 1 16闸阀开关圈数为18 1 8圈 在使用是一定要确保闸阀是处于全开 关状态 顺时针关闭 逆时针开 否则容易造成阀板损坏维尔导致闸阀密封泄露 手轮下部的盘根必须上到位旋紧 否则会造成闸阀关闭时阀杆上窜造成密封受力摩擦增大扭矩 背密封损坏