作者：范强
出版社：石油工业出版社
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石油矿场机械生产实习教程试读：
内容提要本书是机械工程专业下设的石油矿场机械方向、井下工具方向和海洋钻井装备方向的生产实习教程，主要介绍了钻采工艺基础，钻采设备的基本结构组成、工作原理和应用。主要内容包括石油钻采工艺基础、钻机、起升系统、旋转系统、钻井泵、钻井液固相控制系统、常用钻具及钻井工具和海洋钻井平台。
本书主要面向石油高等院校机械工程专业的学生，用于石油矿场实践性教学，也可作为石油机械技术工人培训和自学参考书。
图书在版编目（CIP）数据
石油矿场机械生产实习教程／范强主编. —北京：石油工业出版社，2018.6
ISBN 978-7-5183-2635-8
Ⅰ．①石… Ⅱ．①范… Ⅲ．①石油机械—矿场设备—生产实习—高等学校—教材 Ⅳ．①TE9-45
中国版本图书馆CIP数据核字（2018）第108349号出版发行：石油工业出版社（北京市朝阳区安定门外安华里2区1号楼 100011）网 址：www.petropub.com编辑部：（010）64523733图书营销中心：（010）64523633经 销：全国新华书店排 版：北京密东文创科技有限公司印 刷：北京中石油彩色印刷有限责任公司2018年6月第1版 2018年6月第1次印刷787毫米×1092毫米 开本：1/16 印张：8.5字数：200千字定价：19.90元（如发现印装质量问题，我社图书营销中心负责调换）版权所有，翻印必究前 言
生产实习是机械工程专业教学中最重要的实践环节之一，通过实习环节培养理论联系实际、独立工作及解决生产实际问题的能力，在生产实践中培养学习工艺技术知识的方法和能力，提高学生掌握知识和运用知识的能力，为进一步学习好专业课程，在毕业设计中综合运用所学各科知识及毕业后从事具体工作打下较为扎实的基础。通过有目的地参加生产实践活动，从而增加丰富的感性认识，在此基础上进一步做到理论和实践相结合。
本书是为机械工程专业为期四周的生产实习编写的生产实习教程。机械工程专业下设的三个方向（石油矿场机械、井下作业及工具、海洋石油装备）具有鲜明的行业特色，本书涉及知识广泛，编写过程中仅保留了基本结构及基本原理相关知识，更为深入的学习将在后续专业课中进行。生产实习是在专业基础课学习的基础上，进行的最重要的一次实践教学活动，在学习过程中，除了要了解石油钻采设备的基本原理和结构外，还要全方位认识和了解这些专用设备的加工工艺过程。
本书由西南石油大学范强担任主编，具体编写分工为：第一章、第二章、第四章、第六章和第三章的第一节、第二节由范强编写，第五章由国国敬编写，第七章由范珂瑞编写，第八章由李鹏宇编写，第三章的第三节、第四节由纠松涛编写。
本书在编写过程中，参考了大量的文献，其中一部分已在书后的参考文献中列出，在此对已列出和未被列出的作者表示深切的谢意！
本书由成都百施特金刚石钻头有限公司（BESTEBIT）资助编写和出版。
由于编者水平有限，书中难免会有缺点和不足之处，欢迎读者及同行对本书提出宝贵意见。编 者2018年4月第一章 石油钻采工艺基础
石油和天然气是多种碳氢化合物的混合物，是重要的能源和化工原料。本章简要介绍石油钻采工艺基础知识，包括石油地质勘探基础、钻井方法和钻井技术的发展、钻井工艺过程以及采油工艺技术基础。第一节 石油地质勘探基础一、地壳1．地球的构造
地球是平均半径6371km的行星，是一个椭圆形的球体，其内部构造类似一个煮熟的鸡蛋，由地核、地幔和地壳三部分组成，如图1-1所示。地球内部各圈层的物理状况见表1-1。图1-1 地球的内部结构表1-1 地球内部各圈层物理状况2．地壳的岩石组成
地壳是由岩浆岩、变质岩和沉积岩组成的。（1）岩浆岩。岩浆岩是岩浆在一定地质作用的影响下，由地壳深处上升，并且经冷却、凝固、结晶而形成的岩石。岩浆岩质地坚硬、致密、呈块状、无层次，如花岗岩、玄武岩等。（2）变质岩。在地球内力的作用下，由于物理化学条件改变，早期形成的岩浆岩和沉积岩在固体的状态下，其成分、结构和构造相应地发生变化，称为变质作用，因变质作用而形成的岩石称为变质岩。由岩浆岩变质而形成的岩石叫正变质岩，由沉积岩变质而形成的岩石称副变质岩。（3）沉积岩。沉积岩是在地壳表层条件下，主要由母岩的风化产物，经过搬运、沉积及成岩作用而形成的一类岩石。在沉积岩中，蕴藏着极其丰富的矿产，如铁、锰、铝、金、锗、磷、金刚石、盐、油页岩、石油、天然气、煤等，而且有些沉积岩本身就是矿产。目前已知99.9%的油气藏是在沉积岩中发现的，故沉积岩是主要的找油对象。3．地质构造
地质构造就是地质体在地下埋藏的形状，主要有褶曲构造、断层构造和单斜构造三种。
1）褶曲构造
地壳的升降或水平挤压运动都可以使岩层发生向上或向下的连续弯曲，并永久地保留于地层中，这种弯曲的岩层称为褶皱。岩层的每一个弯曲（向上或向下）称为褶曲。图1-2 背斜与向斜
岩层在地壳运动中受到构造力的作用产生波状起伏而形成的地质构造叫褶曲构造，岩层向任意方向弯曲，故褶曲构造有两种基本类型：背斜与向斜（图1-2）。
岩层向上弯曲的褶曲叫背斜构造，由于凸出部分岩层因暴露被风化剥蚀而消失，故背斜构造的特征是其核部的地层比外围部分的地层老。全世界的油气田大多产在背斜构造上。
岩层向下弯曲的褶曲叫向斜构造，由于凹陷部分产生新的沉积，因此向斜构造的特征是其核部的地层比外围部分的地层新。
2）断层构造
地层在构造力作用下，沿破裂面发生明显位移的断裂，称为断层。断层一方面可使油气藏遭到破坏，另一方面又可能形成断层封闭型油气藏，故在油气勘探开发中意义重大。断层要素如图1-3所示。
3）单斜构造
单斜岩层是指岩层层面和水平面形成一定交角，而且岩层倾斜方向、倾角在一定范围内基本一致的岩层，由单斜岩层形成的构造称为单斜构造，它往往是其他地质构造的一部分，如褶曲构造的一翼、断层的一盘等（图1-4）。研究单斜构造是搞清地质构造的基础。图1-3 断层要素示意图1—断层面；2—上盘（下降盘）；3—下盘（上升盘）；4—断层破碎带；5—断层线图1-4 单斜构造二、油气的成因
油气的成因分为有机成因说和无机成因说两大派，无机成因说认为油气是在地下深处高温高压条件下由无机物转变而来的，而有机成因说则主张油气是由分散在沉积岩中的动物、植物有机体转化而成的。（1）无机成因说。无机成因说出现于19世纪后期至20世纪中叶，包括碳化说、宇宙说、岩浆说和陨石说等，认为油气是由宇宙天体中简单的碳氢化合物，或地下深处岩浆中所含的碳和氢通过无机方式形成的。（2）有机成因说。早在无机成因说提出的同时，有机成因说也相继提出一些观点和证据，有植物说、动物说、植物动物混合说等。有机成因的主要证据是：世界上已经发现的油气藏99.9%都分布在沉积岩中；从寒武纪至第四纪更新世的各时代岩层中均发现了油气；世界上既没有化学成分完全相同的两种石油，也没有化学成分完全不同的石油；油气剖面中含油气层位与富含有机质的层位有依存关系；油气中的微量元素和有机质与有机矿产中微量元素和有机质相近；石油中检测到的生物标志化合物中的碳骨架仅为生物所特有；模拟实验可以从多种有机质中得到油气中的烃类产物；大量测试表明油层温度很少超过100℃；石油普遍具有旋光性。
尽管有机成因说被大多数人接受并占绝对优势，但有机成因说也有其不能解释的矛盾：如油气母岩干酪根组成中严重缺氢，难以生成含量极为丰富的烃类；大量生物突然死亡后而奇妙地聚在一起难以理解；此外，实验室采用无机合成法确实生成了石油中的碳氢化合物；观察发现一些无生命的星球中确实也有碳氢化合物的存在。随着近年来科学技术的发展，在已开发的油气田中确实也找到了无机成因的油气。这一切都促使人们重新考虑油气的成因，于是又诞生了油气成因二元论。三、生油层和油气藏
沉积在有机淤泥中的有机物质，在成岩过程中逐渐变成了石油和天然气。能生成并提供工业数量石油和天然气的岩石叫生油岩，由生油岩组成的地层称为生油层。1．形成油气藏的条件
分散生成的石油和天然气没有开采价值，只有当其遇到适宜的地质构造条件，运移和聚集到一起，并很好地保存下来，才可能成为有工业开采价值的油气藏。一般而言，形成油气藏需具备以下四个条件：（1）生油层；（2）储油层，孔隙度较大的砂岩层或缝洞发育的石灰岩都是良好的储油层；（3）盖层，在储油层之上，能阻止石油和天然气流散和氧化的岩层叫作盖层，如泥岩、页岩、厚层石膏等致密的岩石层都是良好的盖层；（4）圈闭，即能阻止油气继续向四周运移，把油气储存起来，使之不会散失的地质构造。2．常见的储油构造
储油构造的种类很多，常见的有以下几种：（1）背斜储油构造（图1-5）。在构造运动作用下，地层发生弯曲变形，形成向周围倾伏的背斜储油构造。油气在背斜储油构造中聚集而成的油气藏叫背斜油气藏，它是世界油气勘探史上发现最早和最重要的油气藏类型，我国的大庆油田就是由背斜油气藏组成的。（2）断层遮挡储油构造（图1-6）。沿储集层的上倾方向被断层切割，在断层的另一盘有不渗漏层遮挡而形成了遮挡圈闭，称为断层遮挡储油构造。油气在这种圈闭中聚集起来形成的油气藏叫断层油气藏。这类油气藏在我国东部油田中极为常见。图1-5 背斜储油构造1—油；2—气；3—水；4—不渗透泥岩盖层；5—不渗透泥岩底层图1-6 断层挡储油构造1—油；2—气；3—水；4—砂岩；5—泥岩；6—不渗透断层（3）岩性圈闭储油构造（图1-7）。由于储集层的岩性或物性沿侧向发生变化所形成的圈闭为岩性圈闭储油构造，油气聚集在岩性圈闭中即为岩性圈闭油气藏。这类油气藏一般规模不大，常发育于一些不规则的储集层中，多位于三角洲的前缘部位。（4）地层超覆储油构造（图1-8）。在水侵时，由于滨海区域相对下降，海岸线向大陆方向推进，即当水体渐进时，沉积范围逐渐扩大，较新沉积的地层覆盖了较老的沉积层，并向陆地扩展，与更老的地层侵蚀面形成不整合接触，随着水盆继续扩大，水体加深，在原沉积的砂层之上又超覆沉积了不渗透泥岩，形成地层超覆储油构造，油气聚集其中，形成地层超覆油气藏。图1-7 岩性圈闭储油构造1—被圈闭的油砂体；2—不渗透泥岩图1-8 地层超覆储油构造1—油；2—气；3—水；4—泥岩；5—变质岩基底（5）地层遮挡储油构造（图1-9）。在地层不整合面上下形成的圈闭中的油气聚集，称为地层遮挡储油构造。图1-9 地层遮挡储油构造1—油；2—气；3—水；4—不渗透岩层
由上述五种储油构造所形成的油气藏中，前两种储油构造是由于地壳的构造运动使储集层变形（褶皱）和变位（断裂）而产生的，故称为构造油气藏。后三种称为地层油气藏，因为这些储油构造是由于岩性的横向变化或纵向上沉积间断而形成的圈闭，圈闭成因主要是由于沉积条件改变，如渗透性储油层横向渐变为不渗透层；不整合面以上的不渗透层覆盖在渗透层的上倾方向上，使油气不能沿渗透层的上倾方向逃逸，如地层遮挡储油构造。无论哪种油气藏，油气都储存在岩石的孔隙缝洞之中，故不会形成地下油海。找到油气藏就发现了油气田。
油气田有两种定义：一是受局部构造单位（或地质体）所控制的同一面积范围内的一个或若干个油气藏的总称，如老君庙油田、克拉玛依油田；二是一块产油面积的地面边界，可以是法律上或地理上限定的边界，如大庆油田、胜利油田。学术上常用第一种定义，生产上常用第二种定义。四、石油天然气勘探方法
为了开采石油和天然气，必须先找到油气藏的埋藏地点，即各种储油构造。查明矿藏分布情况，测定矿体的位置、形状、大小、储量、地质构造情况等，就是石油勘探。勘探技术的种类很多，概括地讲可以分为地面勘探技术、井筒勘探技术和地质实勘技术三大类。这里只介绍地面勘探技术，它指在空中、地面、水面作业，以获得地质信息和油气信息的技术。（1）地面地质调查。地面地质调查就是由地质学家对野外的地质现象进行直接观察，一类是地表油气苗的观察和研究，一类是勘探地区地层、构造的调查。（2）遥感技术。遥感技术包括航空遥感和卫星遥感。随着卫星遥感分辨率的不断提高，这种高效率而费用较少的方法，日益成为遥感技术的主流。（3）地球化学勘探。地球化学勘探是把土壤中的极少量烃类与地下油气藏的分布相联系，其理论依据是地下油气中的烃类，在地质历史中有向地表逸散的趋势。（4）地震勘探方法。在地下或水下浅层安置炸药，炸药爆炸引起的冲击会产生巨大的震动，在压力作用下，地下岩石发生压缩和膨胀，从而产生岩石质点的震动，形成地震波。当地震波遇到不同密度和速度岩层的分界面时，会产生三种现象：①部分地震波从分界面反射回来，反射回来的波叫反射波；②部分地震波透过界面向下传播，这部分波叫透射波，透射波再遇到分界面时，还会发生反射；③部分地震波透过界面并沿着岩层分界面滑行一段再折射回来，折射回来的波叫折射波。根据接收和研究的波的类型不同，地震勘探方法又可分为反射法和折射法。目前，反射法应用最为广泛。（5）重力勘探。以地下岩石的密度差异为依据，在地面测量由它引起的重力变化，进而推断地下地质构造和矿藏的方法称为重力勘探。（6）电法勘探。由于地下岩石存在导电性、导磁性、介电性的差异，在地面测量由它们引起的电场的变化，进而推断地下地质构造和矿藏的方法称为电法勘探。（7）磁法勘探。由于地下岩石存在磁性的差异，在地面测量由它们引起的磁场的变化，进而推断地下地质构造和矿藏的方法称为磁法勘探。（8）钻探法。通过钻井直接取得最可靠的地质资料从而确定地下油气藏的方法称为钻探法。
随着现代科学技术水平的不断提高，勘探方法与技术日趋成熟，一些新理论、新技术，特别是多学科交叉产生的综合技术投入工业应用，有力地推动了生产的发展。特别是20世纪90年代后，随着计算机技术的发展和国外各种地震解释软件的引进，三维地震油藏勘探技术在找油领域得到普遍使用，使中国油田勘探、开发与管理水平开始步入现代化的新阶段，普光气田、龙岗气田、南堡油田的发现，正是应用这些技术取得的成果。第二节 钻井方法概述
从地面钻一孔道直达油层，即钻井。钻井工作的实质就是做好如下三件事：一是破碎岩石；二是取出岩屑，保护井壁；三是固井和完井以形成油流通道。井的示意图如图1-10所示。图1-10 井的示意图
随着生产力的发展和科学技术的进步，钻井方法也经历了从顿钻钻井到旋转钻井的转变，而且日趋现代化。本节简要介绍钻井方法和钻井技术的发展历程及其特点。一、钻井方法1．顿钻钻井法
顿钻钻井法通过钻头对岩石的冲击作用使岩石破碎，故又名冲击钻井，相应的钻井设备称顿钻钻机或钢绳冲击钻机。其设备组成如图1-11所示。
顿钻钻机通过周期地将钻头提到一定高度，然后使钻头向井底冲击，利用钻头的冲击能量破碎岩石。在不断冲击的同时，向井内注水，将岩屑、泥土混成钻井液。等井底岩屑和钻井液积到一定数量时，停止冲击，下入捞砂筒捞出岩屑。然后再重复开始冲击作业。如此交替进行冲击作业和捞砂作业，加深井眼，直至钻到预定深度为止。用这种方法钻井，破碎岩石、取出岩屑的作业是不连续的，钻头功率小、效率低、速度慢，远不能适应现代石油钻井中优质、快速打深井的要求，因而逐渐被旋转钻井法所代替。2．旋转钻井法
旋转钻井法通过钻头加压旋转以破碎岩石，它包括转盘旋转钻井法、井下动力钻具旋转钻井法和顶部驱动旋转钻井法。
1）转盘旋转钻井法
转盘旋转钻井法的设备组成如图1-12所示。由井架、天车、游车、大钩和绞车组成起升系统，以悬持、提升或下放钻柱。接在水龙头下的方钻杆卡在转盘的方补心中，其下部承接钻杆、钻铤和钻头。钻杆柱是中空的，可通入钻井液。工作时，动力机驱动转盘，转盘方补心通过方钻杆带动井中钻柱，从而带动钻头旋转。控制绞车刹车，可调节由钻杆柱重量施加到钻头上的压力大小，使钻头以适当压力压在岩石面上，连续旋转破碎岩石。与此同时，动力机驱动钻井泵，使钻井液由地面管汇→水龙头→钻杆柱内腔→钻头→井底→环形空间→钻井液槽→钻井液池，进行钻井液循环，以连续从井中带出被破碎的岩屑。图1-11 顿钻钻机示意图1—动力机；2—大皮带轮；3—游梁；4—起升滚筒；5—天车；6—井架；7—捞沙筒；8—钻井绳滚筒；9—钻头图1-12 转盘旋转钻井设备示意图1—天车；2—游动滑车；3—吊钩；4—水龙头；5—方钻杆；6—绞车；7—转盘；8—防喷器；9—钻头；10—钻井液；11—钻铤；12—钻柱；13—井身；14—表层套管；15—钻井液槽；16—钻井液池；17—空气包；18—钻井泵；19—动力机
由于旋转钻井法破碎岩石和取出岩屑都是连续的，克服了冲击钻井的缺点，钻井效率高。
2）井下动力钻具旋转钻井法
井下动力钻具包括涡轮钻具、螺杆钻具和电动钻具三种。
涡轮钻具的结构如图1-13所示，它上接钻杆柱，下接钻头。工作时，钻井泵将高压钻井液经钻杆柱内腔泵入涡轮钻具中，驱动转子并通过其主轴带动钻头旋转，实现破岩钻进。由于使用涡轮钻具钻井时，钻柱不旋转，故节约了功率；同时钻杆磨损小，事故少，其使用寿命增长，特别适用于钻定向井和丛式井。涡轮钻具速度高，不易配用牙轮钻头。采用聚晶金刚石切削块钻头（PDC钻头）及热稳定性更好的巴拉斯钻头（BDC钻头），可在高转速和高温下钻井。
螺杆钻具是由高压钻井液驱动的容积式井下动力钻具。钻井液驱动转子（螺杆）在衬套中转动，带动装在它下端的钻头破岩钻进。单螺杆钻具结构如图1-14所示。螺杆钻具结构简单，工作可靠，能提供大扭矩、低转速。适于配用普通牙轮钻头，也可配用金刚石钻头，可提高钻头进尺和寿命，这些性能皆优于涡轮钻具。图1-13 涡轮钻具结构示意图1—止推轴承；2—外壳；3—转子；4—定子；5—中轴承；6—主轴图1-14 单螺杆钻具结构示意图1—旁通阀；2—单螺杆马达总成；3—万向轴总成；4—传动轴总成
电动钻具采用一台细长的电动机驱动钻头破碎岩石。电缆装在钻杆里，由特殊接头连接。电动钻具调速范围宽，过载能力强，功率利用率高，井下信息的通信容量大，井眼轨迹控制精度高，是一种很有前途的井下动力钻具。电动钻具的缺点是电缆接头的阻抗低易引发故障，压降损失大，密封件的平均寿命较短，维修要求高。
3）顶部驱动旋转钻井法
如图1-15所示，顶部驱动旋转钻井法与转盘旋转钻井法一样，也是通过钻具的旋转实现钻进，只是取消了转盘和方钻杆，钻具的旋转由水龙头下部的钻井马达驱动。即把钻柱直接与钻井马达的输出端连接，实现了从井架空间上部并沿井架内专用导轨向下送进，完成旋转钻进，循环钻井液，接钻杆和上、卸钻柱等各种钻井操作。图1-15 顶部驱动旋转钻井系统示意图1—导轨；2—游车；3—钻井马达；4—扭矩扳手；5—吊卡6—钻杆；7—钻杆上卸扣装置；8—水龙头二、钻井技术1．喷射式钻井
钻井过程中，钻井液及时将岩屑携带到地面是快速安全钻进的重要条件。理论研究和实践表明，只有及时地将岩屑冲离井底，才有可能保证上返的钻井液将岩屑带出。为此研究出一种喷射式钻头，即在钻头的水眼处安装可以产生高速射流的喷嘴，钻井液通过喷嘴后以高速射流形式冲击岩屑，使其快速离开井底，保持井底干净；在一定条件下，高速射流还可以直接破碎岩石。这种利用高速射流的水力作用与机械破碎相结合以提高机械钻速的方式，即喷射式钻井。2．平衡压力钻井、欠平衡压力钻井
钻井过程中，若钻井液不循环，静液柱作用在井底的压力称为井底压力，而作用在井内不同位置的压力称为井内静液柱压力。当保持井内有效压力与地层孔隙压力相等时，称为平衡压力钻井。
近年来，广泛采用欠平衡压力钻井，即钻井过程中，容许地层流体进入井内，循环出井，并在地面上得到处理和控制，它的主要标志是保持井内有效压力低于地层孔隙压力。实现欠平衡压力钻井需要专门的井口装置，以承受钻进与起下钻过程中来自井眼的液体压力。
目前采用的欠平衡压力钻井方式主要有：空气钻井、雾化钻井、泡沫钻井、充气钻井。3．定向钻井、丛式钻井
所谓定向井，是指井眼设计轨道为非铅垂线，而沿着预定方向钻达目的层位的钻井方法。定向钻井是目前油田勘探开发极为重要的钻井技术。
应用定向钻井技术，在同一井场（钻井平台）钻多口井，即丛式钻井。4．水平井钻井
使钻入油层部分的井眼轨迹呈水平状态的钻井方法称水平井钻井。水平井是在定向斜井的基础上发展起来的，一般井斜大于86°的井段称为水平井。应用水平井开发低渗透性油藏、裂缝性油气藏、薄层油气藏可获得较垂直井高3～6倍以上的产量。应用水平井开发油气藏时采收率有可能高达60%～80%。5．深井、超深井钻井
完钻井深为4500～6000m的井称为深井；完钻井深6000m以上的井称为超深井。要勘探开发深部的油气资源，必须钻深井或超深井。
我国深井、超深井主要集中在西部地区，如四川盆地、塔里木盆地、准噶尔盆地。为了适应深井、超深井钻井技术的发展和提高机械钻速的需要，对钻井设备和钻具提出了更高的要求。6．小井眼钻井
小井眼井通常是指90%井身直径小于177.8mm（7in）或70%井身直径小于127mm（5in）的井。与常规钻井相比，小井眼钻井可大幅度降低钻井成本，改善油田经济环境。7．连续柔管钻井
连续柔管又称为挠性管或软管，是一种高强度连续制造的钢管。目前连续制造的长度已达914.4～7620m。用连续柔管作业机取代钻机、修井机，用连续柔管取代常规钻杆和油管，进行修井、钻井、完井及各种油井作业，统称为连续柔管技术。8．探索性钻井新技术
目前可以获得的钻井深度已超过13000m。由于旋转钻井导致钻井机械及设备越来越庞大和复杂，近些年来人们一直试图利用现代科学的最新成就，开辟破碎和清除岩石的新途径，积极探索和试验新的钻井技术。
新提出的钻井技术大致可分为四类：熔化及气化法、热胀裂法、化学反应和机械诱导应力法。这些技术的共同特点是抛弃了用钻头加上旋转破碎岩石的原理，如试验成功，必将引起钻井技术的重大变革。第三节 钻井工艺过程
本节简要介绍钻一口井的工艺过程，内容包括：井身结构、钻具组合、钻前工程、钻进、固井、完井及钻井中的几种事故。一、井身结构与钻具组合1．井身结构
井身结构指的是下入井中的套管层数、尺寸、规格和长度以及与各层套管相对应的钻头直径，如图1-16所示。一口井的井身结构是根据已掌握的地质情况和要求的钻井深度在开钻前拟定的。图1-16 井身结构示意图1—导管；2—表层套管；3—表层套管水泥环；4—技术套管；5—技术套管水泥环；6—高压气层；7—高压水层；8—易塌地层；9—油层套管；10—主油层；11—油层套管水泥环（1）导管。为防止地表土层垮塌，引导钻头入井，并导引上返的钻井液流入钻井液池而在第一次开钻时下在井口的短套管称作导管。导管通常下入的深度为20～40m。（2）表层套管。下入表层套管的目的是加固上部疏松岩层的井壁，封隔地层上部淡水层和安装防喷器，为下一步钻井创造良好条件。表层套管的一般深度为30～100m，最深可达300～400m。（3）技术套管（中间套管）。技术套管指位于表层套管以内的套管。下入技术套管是为了隔绝上部的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，需下入几层技术套管。（4）油层套管（生产套管）。油层套管指下入井内的最后一层套管。下入油层套管的目的是形成坚固的井筒，使生产层的油气由井底沿油层套管流至井口，而不致漏入其他低压地层。
在各层套管与井壁的环形空间，都应注入水泥加固（固井）。为节省管材，在满足钻井工艺要求的前提下，应少下或不下技术套管。2．钻具组合
钻具是钻井工具的总称，指钻井工程作业中在井中所使用的工具，一般包括方钻杆、钻杆、钻铤、钻头、接头、稳定器、井眼扩大器、减振器，以及特定钻井条件下使用的其他工具，如打捞工具、取心工具等。
钻具组合，或叫钻具配合，是指根据地质条件与井身结构、钻具来源等决定钻井时所用的钻头、钻铤和钻杆、方钻杆并配合连接起来组成钻柱，如图1-17所示。合理的钻具组合是确保优质快速钻井的重要条件。图1-17 钻具组合图例
入井钻具应尽量简单。能满足要求时，尽量只用一种尺寸的钻杆，以简化钻井器材的准备，便于起下作业和处理井下事故。在钻深井时由于钻柱自重很大，钻杆强度不够，便采用复合钻杆，两种钻杆尺寸可相差一级，大尺寸者在上部。二、钻前工程
钻前工程指一口井开钻前要做的所有准备工作的统称，包括修公路、平井场、平油水罐及钻井液罐基础、钻鼠洞、安装导管、打钻台基础、安装井架、安装钻井设备、架设电线、安发电机、接水管、安保温锅炉、架设保温管线、修泵房、修机房和值班房等，并备足钻井所需各种器材，如钻杆、钻铤、钻头及钻机配件等。三、钻进
钻进，俗称打钻，即使用一定的破岩工具，不断地破碎井底岩石，加深井眼的过程。
钻进系统是由多个子系统综合运行作业而汇集的复杂系统，其特征表现为“五多一长”，即多工序的作业环节，多工种的操作配合，多专业的协调管理，多因素的环境影响，多渠道的横向调节，长战线的后勤保障规模。各子系统间的相互作用、约束及各子系统本身的行为构成了系统的整体行为，各子系统的运行和它们之间的相互作用对钻进过程全局有着直接的、重要的影响。1．全井钻进过程（1）第一次开钻。下表层套管。（2）第二次开钻。从表层套管内用小一些的钻头继续往下钻进。如地层情况不复杂，可直接钻到预定井深完井；若遇到复杂地层，用钻井液难以控制时，便要起钻，下技术套管（中间套管）。（3）第三次开钻。从技术套管内用再小一些的钻头往下继续钻进。与第二次开钻同样的道理，或可一直钻达预定井深，或再下第二次技术套管，再进行第四次、第五次开钻，最后钻达设计井深，下油层套管，进行固井完井作业。2．钻进作业
钻进作业概括起来可包括如下几道工序：（1）下钻。将由钻头、钻铤、方钻杆组成的钻杆柱下入井中，使钻头接触井底，准备钻进。（2）正常钻进。正常钻进又称纯钻进，指启动转盘（或井底动力钻具）通过钻杆柱带动井底钻头旋转，借助刹车给钻头施加适当的压力（钻压）以破碎岩石；与此同时，开动钻井泵循环钻井液，冲洗井底、携带岩屑、悬浮岩屑、保护井壁、冷却钻具、平衡地层压力，或给井底动力钻具输去动力。根据不同的地层情况、钻进深度、钻头类型等，使转速、钻压、排量和钻井液性能各自都处于最佳参数值，以获得最快的钻井速度。（3）接单根。随着正常钻井的继续进行，井眼不断加深，需不断地接长钻杆柱。每次接入一根钻杆，此作业称为接单根。（4）起钻。需要更换新钻头时，便将井中全部钻柱取出，此称起钻作业。（5）换钻头。起钻末了，将钻头提出井口，用专用工具卸下旧钻头，换上新钻头。
换完钻头，便又开始下钻，重复上述作业。下钻→正常钻进→接单根→起钻→换钻头→下钻，构成正常钻进作业的大循环，重复这个大循环，直至钻达预定井深。
钻进作业的各道工序中，仅纯钻进时取得钻井进尺使井眼加深，其余都是辅助操作。
影响钻进目标的因素很多，其中直接与钻进过程有关的主要因素，一般可分为两大类：一类是地层岩性等不可改变或不可任意改变的客观因素；另一类是钻头类型、钻井液性能、水力参数和钻压、转速等可任意改变的可调变量。四、固井
将套管下入已钻好的井中，并在套管与井壁之间的环形空间内注入水泥用以加固井壁的过程称为固井。
固井的目的是：（1）巩固井壁，防止井漏、井塌；（2）在套管上安装井口装置，防止井喷；（3）封隔油气水层，防止相互窜通和干扰；（4）建立油气出井通道。
固井工作包括套管柱设计、下套管和注水泥。套管柱下部还有一些附加装置，如图1-18所示。
注水泥流程如下：（1）清水：水源→计量水箱→水泵。（2）水泥：下灰车→水泥混合漏斗（水泥浆）→水泥混合池（水泥浆）→水泥泵→井口水泥头→套管内→套管外环形空间（图1-19）。图1-18 套管柱下部结构示意图图1-19 油井注水泥示意图
当水泥浆全部注入井内后，向套管内放入一个木塞（或胶塞）；水泥车再把钻井液或清水（注意不是水泥浆）打入套管，压着木塞，驱赶在其下方的水泥浆下行，使水泥浆不断地被挤入环形空间。当木塞和阻流环（承托环）相碰时，水泥泵上的泵压便突然升高（碰压），而环形空间中的水泥浆也正好上返至设计高度。停泵，候凝，固井工作即可结束。图1-20 射孔完井示意图1—电缆；2—表层套管；3—水泥环；4—油层套管；5—射孔孔眼；6—油层五、完井
完井是油气井钻井工程的最后一个环节，它主要包括钻开生产层、确定井底完成方法、安装井底和井口装置以及试油等内容。常用的完井方法有射孔完井、裸眼完井、贯眼完井、衬管完井等，其中射孔完井（图1-20）适用于大多数储集层，钻穿油气层后，将套管下至油气层底部固井，然后将射孔器下到油气层进行射孔，射穿套管、水泥环和油层，使油层和油井通过弹孔相通。六、钻井中的几种事故
在钻井过程中，由于地质条件和人为因素常常会引起多种井下复杂情况及事故，如井漏、井塌、井喷、卡钻等。1．井漏、井塌
当井眼中钻井液液柱压力大于地层压力时，就会引起钻井液漏失，简称井漏。造成井漏更具体的原因可能有：（1）钻遇疏松地层，开泵过猛而憋漏；钻遇渗透性地层，如渗透性良好的砂岩，发生渗透性流失；（2）钻通地层断裂带或裂缝，如石灰岩裂缝发育地层，或石灰岩大溶洞时，发生井漏；（3）钻井液密度过大，压差大；（4）下钻过快造成压力激动也可引起井漏。井漏会使钻井液池液面下降，井口返出钻井液量减少，甚至循环失灵。发生井漏时首先应设法提高钻井液黏度、切力，相应降低钻井液密度和泵的排量；严重漏失时，应在钻井液中加入堵漏物质，封堵漏失层。
钻进时，井内钻井液的水进入岩石颗粒之间，降低了岩石的胶结力，有些岩层，如黏土、页岩和泥岩等，经钻井液浸泡后会发生膨胀、剥落掉块；有时还会导致井壁不稳固而发生井塌，严重井塌可能引起落石卡钻等事故。采用低失水优质钻井液，增加井内钻井液柱压力，避免钻头停在易塌地层循环钻井液等，都可以防止井塌的发生。2．井喷
在钻井或完井过程中，当地层压力大于钻井液液柱压力时，地层流体（油、气、水）无控制地从井筒中喷出地面的现象叫井喷。井喷是一种恶性事故，有时还会导致火灾。
造成井喷的原因有：（1）对地层压力估计偏低，施工中准备不充分时突然钻开异常高压油气水层；（2）钻井液密度降低，钻遇高压地层时，地层流体侵入钻井液，引起钻井液密度下降；（3）钻井液液柱高度下降，其原因可能是起钻时未及时灌满钻井液或钻遇漏失层；（4）起钻时的抽汲作用。
防止井喷的措施包括：完善的钻井施工设计，合理的井身结构，完备的井口装置和井控系统，做好压井准备工作，随时观察出井钻井液及增强井队人员的防喷意识和掌握防喷方法等。3．卡钻
钻具在井内不能起出、下放或转动，甚至不能循环钻井液，这种钻具在井内较长时间失去起下自由的现象叫卡钻。（1）沉砂、落石卡钻。用清水或黏度低、切力小的钻井液时，因为清水或钻井液的悬浮岩屑能力差，稍一停泵，岩屑就下沉，造成沉砂卡钻；接单根时间过长，或泵因突然故障需停泵检修，也可能造成这种卡钻。落石卡钻指钻遇疏松、胶结性不好的地层，发生井塌时造成的卡钻。（2）地层膨胀卡钻。钻遇疏松、多孔隙和膨胀性地层时，若钻井液性能不好，失水大，渗入到地层中并浸泡地层，导致地层膨胀，井径缩小造成卡钻。（3）滤饼卡钻。由于钻井液性能不好，或含砂量过大而在井壁上形成一层很厚的滤饼。在砂岩处形成的滤饼厚，页岩、石灰岩处次之，在滤饼表面往往黏附很多岩屑，使井径变小。当钻柱贴向一侧井壁时，钻柱受到了很大的侧向液静压力，使其紧贴滤饼，产生巨大的摩擦力，导致卡钻。（4）键槽卡钻。在井斜角及方位角变化大的井中，由于钻柱在“狗腿”处旋转及多次起下钻，在该处井壁上拉磨出一条略大于接头直径，但小于钻头直径的细槽，若起钻时钻头恰好落入此槽内（键槽），即遇卡。第四节 采油工艺技术基础
开采原油的方法有自喷井采油和机械采油两大类型。利用地层本身的能量由井底向地面举升原油称为自喷井采油，其工艺和设备比较简单。随着自喷油井油层压力逐步降低，当流到井底的油气所具有的剩余能量不足以将原油举升到地面时，或低渗透低压力油层的原始能量不能将原油举升到地面时，通常要用专门的抽油装置将油井中的原油举升到地面，以便保持井底和油层之间油流动的压力差，保证油气源源不断地流向井底，这种采油方式称为机械采油或人工举升采油。按照抽油装置动力传递方式的不同，机械采油主要包括有杆泵采油、无杆泵采油和气举法采油三大方式。目前，我国的机械采油量占总采油量的80%以上。图1-21 自喷井采油示意图1—套管短接；2—套管头座；3—四通；4—大小头；5—阀门；6—短接；
7—油嘴套和井口油嘴；8—活接头；9—放空阀；10—压力表；11—导管；12—表层套管水泥环；13—表层套管；14—技术套管；15—油层套管；16—油管；17—高压气层；18—高压水层；19—易塌地层；20—技术套管水泥环；21—主油层；22—油层套管水泥环一、自喷井采油
图1-21所示为自喷井采油示意图。原油从油层自喷到地面计量站一般要经过渗流、垂直流、嘴流和水平流四个流动过程，即先在多孔地层介质中经过渗滤流到井底，再从井底沿油管垂直上升，经过控制自喷井产量的油嘴，最后沿地面管线进入计量站。二、有杆泵采油1．常规有杆泵采油
有杆泵采油是机械采油方法中应用最为广泛的一种方法，图1-22为常规有杆泵采油示意图，除井口装置外，主要包括三部分：地面设备（游梁式抽油机、液压驱动式抽油机、直线电机抽油机、链条式抽油机等）；井下部分（抽油泵，又称为深井泵）；抽油机与抽油泵连接部分（抽油杆）。习惯上将有杆泵采油设备称为“三抽”设备。动力机通过减速箱、曲柄连杆机构和游梁等将高速旋转运动变为抽油机驴头的低速上下往复运动，并通过悬绳器光杆和抽油杆带动有游动阀的柱塞在深井泵筒中上下往复运动，实现抽油。2．地面驱动螺杆泵采油
地面驱动螺杆泵采油系统如图1-23所示，它由地面和井下两部分组成，地面部分与井下部分通过抽油杆连接。
为了防止油管与定子脱扣，在尾管下部装有封隔器或油管锚。当地面动力通过抽油杆驱动转子旋转时，转子与定子啮合，形成一系列由定子与转子之间接触线所密封的腔室；随着转子的转动，这些腔室由定子的一端运动到另一端，泵入口处不断形成新的敞开室，在沉没压力的作用下依次被井液充满，并逐渐向泵的排出端移动，排出井液。图1-22 常规有杆泵采油示意图1—吸入（固定）阀；2—泵筒；3—柱塞；4—排出（游动）阀；5—抽油杆；6—油管；7—套管；8—三通；9—密封盒；10—驴头；11—游梁；12—连杆；13—曲柄；14—减速箱；15—电动机图1-23 地面驱动螺杆泵采油系统示意图1—光杆；2—方卡；3—减速箱；4—密封盒；5—皮带轮；6—电动机；7—专用井口；8—电控箱；9—套管；10—油管；11—抽油杆；12—定子；13—转子；14—定位销；15—锚定工具；16—防蜡器；17—筛管三、无杆泵采油
无杆泵采油的主要特点是取消了抽油机和抽油杆，大多采用液体和电力驱动。无杆泵采油有多种型式，我国常用的有以下几种。1．水力活塞泵采油
水力活塞泵装置是通过高压动力液向井底传递动力并实现抽汲井液的一种无杆抽油设备，该装置包括三大部分：井下部分、地面部分和中间部分。井下部分是水力活塞泵装置的主要机组，由井下液马达、往复容积式抽油泵、控制滑阀等组成，完成抽油的主要动作；地面部分包括柱塞泵组、井口装置、井口四通、控制阀及动力液系统，起着向井下机组供给高压动力液及处理动力液的作用；中间部分包括各种专用管道及油管，起着将动力液从地面送至井下机组，以及将抽出的地层液和工作过的乏动力液排出地面的作用。
图1-24为开式水力活塞泵装置示意图。地面柱塞泵将处理合格的动力液增压后，经过地面管网和井口四通阀，沿中心油管注入井内，驱动井下液马达工作；液马达的活塞带动抽油泵的柱塞作往复运动，使抽油泵的固定阀和游动阀交替打开和关闭，实现吸油和排油；液马达的乏动力液和抽吸的原油一起从油套环形空间排到地面，通过井口四通阀进入地面输油管道。2．电动潜油离心泵采油
电动潜油离心泵采油系统如图1-25所示，它由潜油电动机、保护器、气体分离器（或吸入口）、多级离心泵、电缆、控制屏和变压器等组成，附件有单流阀、泄油阀、测量井底压力和温度的仪表、将电缆固定到油管上的电缆卡子等。
通常情况下，将多级离心泵、潜油电动机、保护器等井下机组统称为电泵。电泵连接在油管上，油管柱下入井中，沉没在井液下抽油。它适用于垂直井、弯曲井。图1-24 开式水力活塞泵装置示意图1—套管；2—底阀；3—泵工作筒；4—泛动力液；5—液马达；6—油管；7—井口捕捉器；8—井口四通阀；9—抽油泵；10—产液；11—封隔器图1-25 电动潜油离心泵采油系统示意图1—井口；2—接线盒；3—控制屏；4—变压器；5—油管；6—泄油器；7—单流阀；8—多级离心泵；9—气体分离器；10—保护器；11—潜油电动机；12—扶正器；13—电缆；14—电缆卡子；15—电缆护罩；16—电缆头
井下机组中，潜油电动机作为动力，驱动多级离心泵工作；多级离心泵将机械能转换为液体能，提高油井液的压头，并将其举升到地面；保护器起着补偿漏油和电机平衡室的作用，即电动机工作时，电动机油受热膨胀，一部分电动机油进入保护器，当电动机停转时，电动机油冷却收缩，保护器又向电动机内充油，并且密封电动机壳体的动力端，使井液不能进入电动机；油气分离型吸入口或油气分离器用于分离井液中的游离气体，并使游离气进入油套环形空间；泵上部的单流阀用于防止停泵时油管内液体回流而引起泵的反转；泄油器在提出井下机组时可以将油管柱内的井液放掉；井口可起到密封油井、悬挂管柱及其他井下设备的作用。3．井下驱动螺杆泵采油
井下驱动螺杆泵采油装置与电动潜油离心泵采油装置类似，自上至下为螺杆泵、保护器和电动机等。图1-26是井下驱动单螺杆采油装置示意图。图1-26 井下驱动单螺杆泵采油装置示意图1—接线盒；2—地面电缆；3—控制屏；4—电流表；5—变压器；6—井口；7—泄油阀；8—单流阀；9—圆电缆；10—电缆接头；11—油管；12—套管；13—小扁电缆；14—螺杆泵；15—吸入口；16—保护器；17—电动机
井下部分包括单螺杆泵、保护器和潜油电机，单螺杆泵在上面，保护器在单螺杆泵与潜油电机之间。4．射流泵采油
射流泵采油原理如图1-27所示。当高压动力液从油管注入并流过喷嘴时，其压能几乎全部变成高速度的动能，在喉管区周围形成低压区；由于压差的作用，地层液进入吸入室，与动力液混合后一起流进扩散管；扩散管将一部分动能再转换为大于油套环形空间中静液柱的压能，使地层液与泛动力液的混合液上升到地面。图1-27 射流泵采油原理示意图四、气举法采油
气举法采油是应用压缩机等机械手段，将经过脱氧的空气、氮气或二氧化碳等气体注入油套环形空间，并经过油管将井液举升到地面的一种采油方法。气举法有连续气举和间歇气举两种。连续气举是将
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