1樓：石油工業出版社
為了勘探與開採蘊藏在地層深處的石油和天然氣，人們必須利用各種鑽井裝置與工具，鑽穿堅硬而複雜的地層，這便是鑽井工作的主要任務。為了滿足我國石油工業飛速發展的需要，必須多打井、快打井、打好井，實現鑽井速度翻番。為此，在充分調動人的積極因素的同時，還必須為鑽井工作者提供先進的、效能良好的鑽井裝置與工具，充分利用現代科學技術為石油鑽井工作服務。
鑽井裝置及工具包括地面鑽井裝置(石油鑽機)以及鑽頭、鑽柱等。
一、石油鑽機1.鑽機的組成現代石油鑽機是一套大型聯合機組。圖5-2所示為旋轉鑽井的基本裝置。根據鑽井工藝中鑽進,洗井,起、下鑽具等工序的需要，一套鑽機必須具備下列系統和裝置：
圖5-2 鑽井裝置
(1)起升系統。用於起、下鑽具，更換鑽頭，下套管等作業。
(2)旋轉系統。用於帶動鑽具旋轉，破碎岩石，加深井眼。
(3)迴圈系統。用於迴圈鑽井液以清洗井底，攜出已被破碎的岩屑，保證連續鑽進。
(4)動力裝置。驅動絞車、轉盤、鑽井泵等工作機的動力裝置，多用柴油機，也有部分鑽機由交流或直流電動機驅動。
(5)傳動系統。主要任務是把動力裝置的能量傳遞和分配給各工作機。
(6)控制系統。為了指揮各系統協調地進行工作，在整套鑽機中還裝有各種控制裝置，如機械、液動或電控制裝置，配備有集中控制檯和觀測記錄儀表等。
(7)底座。包括鑽臺底座、機房底座和鑽井泵底座等。
(8)輔助裝置。一般包括井口防噴裝置、空氣壓縮裝置、輔助發電裝置、輔助起重裝置、井口工具及活動房屋等。
2.井口工具為了起、下鑽具和旋卸鑽具，需要使用吊鉗、吊卡和卡瓦等手動井口工具。
吊鉗由幾個鑲有牙板的鉗頭和鉗柄組成，它們之間用鉸鏈互相連線。吊鉗用來旋卸鑽桿、鑽鋌等組成鑽柱的各類下井工具的連線絲扣。吊鉗都是內外兩把(一正一反)成對使用，用貓頭繩來旋扣。
吊卡用來懸持、提升和下放鑽柱。吊卡的內徑比鑽桿外徑略大，但比鑽桿接頭的外徑小。工作時卡住鑽柱接頭，以便進行起、下鑽。
當旋接或卸開鑽柱時，位於井內的那段鑽柱必須暫時懸掛在轉盤上。裝入轉盤補心中的卡瓦是用來卡住鑽桿並懸持鑽柱的。
隨著深井、硬地層及海洋鑽井數量的迅速增加，起、下鑽操作的工作量顯著增加。用上述手動井口工具旋卸絲扣體力消耗大、工效低、又不安全，迫切需要改進。目前，已有多種形式的動力大鉗和動力卡瓦廣泛用於鑽井生產中。
加快了起、下鑽速度，減輕了工人的勞動強度，為進一步實現鑽井工作的全盤機械化、自動化打下了基礎。
3.井口防噴器鑽開高壓油氣層時有可能發生井噴，引起嚴重事故。為了在井噴發生時能控制井內鑽井液和油、氣、水的噴出，通常在鑽臺下面安裝防噴器。
目前國內外生產的鑽機上都配備整套較完善的防噴器系統。如圖5-3所示為壓力等級在21～34mpa的防噴器組合。
圖5-3 井口防噴器組示意圖
一般每臺鑽機配備3～4套防噴器，如閘板防噴器、旋轉防噴器和萬能防噴器等。閘板防噴器有單閘板、雙閘板和三閘板三種。閘板的結構又有盲閘板、孔閘板和剪刀閘板三種。
孔閘板的芯子中心有孔，鑽井過程中發生井噴時，可將鑽柱與套管之間的環形空間封閉，防止井內的鑽井液、油、氣、水噴出，也稱為鑽桿防噴器。盲閘板防噴器也稱為全封閉防噴器，其芯子可直接把井口封閉，用於井口無鑽桿的情況下。剪刀閘板可以在緊急情況下剪斷井中的管子，以保證井口安全。
旋轉防噴器的結構特點是：其橡膠芯子可以在抱緊鑽桿的情況下隨鑽桿一起旋轉，從而可以在封閉鑽桿與套管環形空間的同時，滿足邊噴邊鑽的工藝要求。萬能防噴器的膠皮芯子能在幾秒鐘內對任何鑽具進行封閉，爭取寶貴的搶險時間。
當鑽機上配備有閘板防噴器、旋轉防噴器和萬能防噴器三類防噴器時，它們既可以單獨使用，也可以重疊使用，可以實現邊噴邊鑽，不壓井起、下鑽和反迴圈鑽井等鑽井新工藝。大多數防噴器都配有手動和液動兩套控制裝置，以便在緊急情況下遠距離控制。
二、鑽具在鑽井中除必須配備一整套的地面鑽井裝置外，還要配備一系列井下鑽井工具。包括鑽井時下入井內的鑽頭、鑽柱、井下動力鑽具、取心工具以及一些輔助鑽井工具(如事故處理工具)等。井下鑽井工具簡稱為鑽具。
鑽柱是從鑽頭到地面全部管柱的總稱。鑽柱是連通地面與地下的樞紐，是實現優質快速鑽井的重要手段和工具。隨著鑽井深度的不斷增加，鑽井工藝技術不斷髮展，對鑽柱的效能要求也越來越高。
目前，已廣泛使用具有防斜、防震、防卡等作用，由一種或數種鑽具組合而成的複合鑽柱。這種複合鑽柱與不同的工藝措施相互配合，可以控制井斜的變化、改善鑽頭的工作狀態、減少卡鑽事故，進而獲得多方面的綜合效益。
鑽柱的使用貫穿於鑽井作業的全過程，因此鑽柱的作用有：(1)起下鑽頭；(2)施加鑽壓；(3)傳遞動力；(4)輸送鑽井液。鑽柱在井下工況複雜、環境惡劣，往往是鑽井裝置和工具中的薄弱環節。
正確選配鑽柱、合理使用好鑽柱，對於提高鑽井速度、降低鑽井成本有著不可忽視的重要意義。
鑽柱由多種不同的鑽具組成。其組成方式隨鑽井條件和鑽井方法不同而有區別。組成鑽柱的基本鑽具包括鑽鋌、鑽桿、方鑽桿和配合接頭。
1.鑽鋌鑽鋌又叫做加重鑽桿。在鑽井時，鑽鋌下面與鑽頭相連，用自身的重力給鑽頭施加壓力。鑽鋌的特點是壁厚、強度和剛度大，受壓後不易彎曲，因而有利於鑽直井眼。
2.鑽桿鑽桿連線在鑽鋌和方鑽桿之間。鑽桿的兩端裝有相互連線用的接頭。鑽井工人習慣稱單根鑽桿為「單根」，2～3根鑽桿連在一起時稱之為「立根」。
鑽桿的壁厚比鑽鋌薄。鑽桿在井內旋轉時與井壁摩擦而不斷磨損，在拉、壓與扭轉力的作用下有時會出現折斷事故。近年來，已廣泛使用對焊接頭鑽桿和高強度鋁合金鑽桿等，從而減輕了鑽柱重力，減少了鑽桿的折斷事故。
3.方鑽桿方鑽桿連線在鑽柱的最上部，它的多邊形截面與轉盤中的方補心內孔相配合。方鑽桿進入轉盤後只能上下移動，因此在轉盤旋轉時，就能帶動鑽桿、鑽鋌和鑽頭旋轉鑽進。
為了避免接單根後方鑽桿入不了轉盤，方鑽桿的長度一般比鑽桿長2～3m。
4.配合接頭由於組成鑽柱的鑽具種類、尺寸和扣型不同，因此一般不能直接相互連線，需要使用配合接頭才能連線成統一和諧的鑽柱。
綜上所述，鑽鋌、鑽桿、方鑽桿和配合接頭等幾種鑽具構成了基本的鑽柱。隨著鑽井工藝技術的發展，在鑽井中除使用上述基本鑽柱外，還研究開發出一系列能進一步提高鑽井工作指標的複合鑽柱。使用最廣泛的是基本鑽柱加三器(扶正器、減振器和震擊器)構成的複合鑽柱。
鑽具組成如圖5-4所示。
圖5-4 鑽具組成示意
1—水龍頭；2—配合接頭；3—方鑽桿；4—保護接頭；5—鑽桿；6—鑽鋌；7—配合接頭；8—鑽鋌；9—鑽頭5.扶正器要用好鑽頭、提高鑽速，就要強化鑽井措施。一般情況下，鑽壓加得過大就會引起井斜。
在鑽井實踐中往往根據地層的不同性質和防斜要求，用扶正器構成多種防斜鑽柱。通常要使用好幾個扶正器：下扶正器緊接在鑽頭之上，中扶正器距鑽頭約十幾米。
鑽進時，扶正器與井壁接觸，對鑽頭起扶正和導向作用。為了保證扶正器能較好地接觸與支承井壁，其外徑要儘可能接近鑽頭直徑。
加用扶正器構成的防斜鑽柱若設計和使用恰當，可以防斜，使井眼規則，保證鑽頭平穩工作，提高工作指標。實踐證明，這些防斜措施是行之有效的。
6.減振器減振器能吸收鑽井過程中所產生的衝擊和振動負荷，從而提高鑽頭的使用壽命，減輕鑽鋌以及其他井下鑽具的疲勞。減振器一般都裝在靠近鑽頭的地方。
減振器的最主要構件是減振元件。有各種型別的減振元件：不鏽鋼網柱、橡膠筒、鋼蝶形盤、鋼彈簧及可壓縮介質(水墊或氣墊)等。
有些減振器只能吸收垂直振動，而另一些減振器可以同時吸收垂直和扭轉振動。
國外從20世紀50年代開始研究減振器，60年代推廣使用，取得了明顯的效益。
7.震擊器由於普遍使用小間隙的扶正器、滿眼鑽具等防斜鑽柱以及減振器等特殊鑽具，增加了卡鑽的可能性，尤其是在複雜地層中。國外很早就使用震擊器，不僅僅把它作為打撈和處理卡鑽事故的常用工具之一，而且在地層測試、取心鑽進、側鑽、套銑等作業和正常鑽進時也在鑽柱中裝接震擊器。
震擊器的結構型別很多，有機械的和水力的等。它們都是採用一定的結構，在鑽柱受拉作彈性伸長時積存彈效能量，當拉到一定位置時突然釋放能量使震擊器發生震擊動作，震動被卡的下部鑽柱以達到解卡目的。
三、鑽頭油氣埋藏在地下，為了尋找油氣，取得地下資源，必須大量地破碎岩石、鑽穿地層。現在的鑽井方法主要是用機械方法破碎岩石。破碎岩石的工具就稱為鑽頭。
鑽頭是破碎岩石、形成井眼的主要工具。鑽頭的效能直接影響著鑽井速度、鑽井質量與鑽井成本。如果能少用鑽頭迅速鑽完一口井，那將會使整個鑽進過程中的起、下鑽次數減少，建井速度加快，鑽井成本降低。
因此，製造具有高破碎效率、堅固耐用的鑽頭，選擇和使用好鑽頭，就具有特別重要的意義。
由於鑽頭所破碎的岩石性質不同、鑽井目的和要求不同，在石油鑽井中會使用多種不同型別的鑽頭，如刮刀鑽頭、牙輪鑽頭和金剛石鑽頭等。使用最廣泛的是牙輪鑽頭，多用於中硬和堅硬地層以及深井中。刮刀鑽頭在我國一些高塑性、軟地層的油田也有突出的地位。
金剛石鑽頭在極硬地層和深井中使用效果較好。隨著鑽井技術的發展，鑽頭的型別和結構也在不斷髮展和改進。20世紀70年代以後，出現了以人造金剛石為切削元件的鑽頭。
多年的現場使用效果已經證明，這種鑽頭具有很好的發展遠景。
1.刮刀鑽頭刮刀鑽頭是旋轉鑽井中最早使用的一種鑽頭。這種鑽頭結構簡單、製造方便，各油田都能自己設計和製造。
刮刀鑽頭適用於鑽鬆軟的地層(如泥岩、頁岩和泥質膠結的砂岩等地層)，可以取得很高的機械鑽速和鑽頭進尺。但是，在鑽硬且研磨性高的地層時，刀片吃入困難、鑽頭磨損快、機械鑽速低，有時還出現憋跳現象，對鑽具和裝置壽命有一定的影響。儘管如此，只要我們正確使用，充分發揮刮刀鑽頭在軟地層中鑽進的優勢，對提高鑽井速度、降低鑽井成本仍然是有效的。
20世紀70年代以後，我國開始研製和使用人造金剛石刮刀鑽頭。這種鑽頭刀翼的幾何形狀基本上與硬質合金鑲塊刮刀鑽頭相同，只是將部分硬質合金塊換成了人造聚晶金剛石鑲塊。由於金剛石的耐磨性高於硬質合金，可以增加鑽頭的使用時間，延長鑽頭壽命，提高單隻鑽頭進尺，創造出許多先進的鑽井指標。
2.牙輪鑽頭牙輪鑽頭是石油鑽井中使用最廣泛的鑽頭。牙輪鑽頭旋轉時具有衝擊、壓碎和剪下破碎岩石的作用。
牙齒與井底的接觸面積小、比壓高，工作扭矩小，工作刃總長度大。因而使牙輪鑽頭能適用於多種性質的岩石。常用的三牙輪鑽頭如圖5-5所示。
圖5-5 三牙輪鑽頭
目前，國內各鑽頭廠根據生產現場需要，不斷引進先進技術，使牙輪鑽頭的生產在品種、數量和質量方面都得到很大的提高，已初步建立了國產牙輪鑽頭的產品系列。
根據牙齒的特徵，將三牙輪鑽頭產品分為銑齒鑽頭和鑲齒鑽頭兩大類。其中銑齒鑽頭有六個系列，鑲齒鑽頭有兩個系列。
in、6in等規格的鑽頭。國外鑽頭系列十分繁雜，這裡不做介紹。
3.金剛石鑽頭以金剛石做工作刃的鑽頭稱為金剛石鑽頭。金剛石鑽頭早期是在地質鑽探中使用，在石油鑽井中使用只有四十多年的歷史,最初只用在極硬地層和研磨性大的地層。
近年來，金剛石鑽頭品種增加，使用範圍擴大。從極軟地層到極硬地層均可使用，並取得了滿意的效果。
金剛石鑽頭的結構比較簡單，主要由金剛石、胎體、鋼體和接頭等四部分組成，如圖5-6所示。
圖5-6 金剛石鑽頭
1—鋼體；2—胎體；3—金剛石；4—接頭接頭上部有用於連線鑽柱的絲扣。鋼體與接頭之間也用絲扣連線，然後焊死形成一體。鋼體下部與胎體燒結在一起。
胎體是固定金剛石的母體，由帶粘結劑的碳化鎢粉製成，中間有水眼，底面有水槽，側面開有排屑槽。
聚晶金剛石切削塊鑽頭是20世紀70年代後期美國鑽井工業的一項重要成就。這種鑽頭的切削塊是用人造金剛石單晶在高溫高壓下聚合而成的聚晶體。鑽進時，聚晶體不斷剝落，新的鋒銳小晶體不斷出露，因而能使切削塊在磨損過程中不斷地「自銳」。
其切削刃是鋒利、高耐磨、能夠「自銳」的金剛石切削塊，因此能在低鑽壓下取得高進尺(為牙輪鑽頭的4～6倍)和高鑽速(為牙輪鑽頭的2倍以上)。聚晶金剛石切削塊鑽頭有聚晶金剛石複合片鑽頭(簡稱pdc鑽頭)、熱穩定聚晶金剛石鑽頭(簡稱tsp鑽頭或bdc鑽頭，也稱巴拉斯鑽頭)、馬賽克鑽頭和大複合片pdc鑽頭。
pdc鑽頭切削塊上的聚晶金剛石複合片極薄極硬，比碳化鎢底層的抗磨性高100倍以上。鑽頭工作時，由於碳化鎢比複合片磨損得快，使複合片隨時裸露出保持銳利的刃口。在較低的鑽壓下即可切入岩石，並在扭矩的作用下切削岩石。
由於切削塊可以「自銳」，這就使整個鑽進過程中鑽頭以切削方式破碎岩石，從而能實現快速鑽進。pdc鑽頭適用於軟至中硬地層。
巴拉斯鑽頭的切削塊是耐溫1200℃的熱穩定聚晶人造金剛石。熱穩定聚晶金剛石切削塊可製成三角體形、立方體形、圓柱體形和針狀等多種幾何形態。巴拉斯鑽頭以剪下和研磨方式破碎岩石，適合在中硬到硬地層使用，曾經獲得過很好的鑽井指標。
四川川東地區的試驗結果表明：用這種鑽頭在某些地層中鑽進，比xhp5型三牙輪鑽頭平均鑽頭進尺提高2～4倍、機械鑽速提高20%～40%、純鑽井成本下降10%～12%。
馬賽克鑽頭既有熱穩定聚晶塊的耐高溫性質，又兼有複合片的切削能力。
目前，天然金剛石鑽頭和大複合片pdc鑽頭在油田使用較多，能獲得滿意的經濟效益。
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