第二章 钻井设备及工具
第一节 钻井设备
钻井的基本任务（破碎岩石、清洁井眼、封固井壁、起下各种井下工具）决定了钻机的组成。
一、井场概况
作用：安装钻机、辅助设备、固控设备，排放钻具和套管、施工作业车、值班房、发电房、库房、水罐和油罐。 布置：满足施工需要，满足安全性要求
二、旋转系统
自从本世纪初旋转钻井取代了顿钻以来，旋转钻井方法便一直延用至今。目前，旋转钻进方法可分为两类：转盘钻进和井下动力钻具钻进。转盘钻进是现在广为采用的钻井方法，旋转系统的功能便是为转盘钻进提供必需的旋转动力。
旋转系统是由转盘、方补心、方钻杆、水龙头组成，它把旋转扭矩通过转盘、方补心和方钻杆传递给井下钻具和钻头。 1、转盘
(1) 为钻柱提供旋转运动（传递动力--扭矩）； (2) 起下钻时可“承载钻柱重量”； (3) 转盘－方瓦－方补心组合； (4) 防跳轴承承受轴向上载荷； (5) 转盘锁紧装置。 2、方钻杆
(1) 将转盘的旋转运动传递给钻杆（传递动力）； (2) 承受钻柱重量；
(3) 转盘＋方钻杆组合→→送钻 3、水龙头
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(1) 承受全部钻柱重量； (2) 钻柱转动与静止之分界线； (3) 高压密封泥浆通道。 4、钻柱
三、起升系统（P9页，图2－5）
钻机的起升系统是一台功率强大的起重设备，其起重量一般为100～300吨。它由井架、天车、游动滑车、绞车和大钩组成。 作用：①起下钻头、井下工具和管柱；②控制钻压。 1、天车（游动系统）
安装在井架顶上的定滑轮组。 规格：轮数和最大负载； 2、游动滑车
动滑轮组，在井架中上下运动； 轮数比天车少 1。 3、大绳（6×19＋麻芯）
滑轮组用的钢丝绳，联系绞车、天车、游动滑车； 有快绳、死绳（固定在井架底座上）； 用测量死绳拉力来测量大钩负荷。
以上三件工具就组成了基本的起升系统，其目的：减少绞车滚筒拉力。 大钩载荷的计算方法：
GnT
G ——大钩起重量；n —— 游车的轮数；T —— 快绳端的拉力。 3、井架及底座
滑轮组的支架（Ａ形、塔式）； 存放立根；提供接卸立根高度。
5、绞车（滑轮运动控制设备）（多个轴、链轮、离合器） (1) 起重（可换方向）及变速；
(2) 猫头（旋转力矩→拉力）、崩扣锚头；
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(3) 滚筒刹车； (4) 钻进时控制钻压。 6、辅助刹车（水刹车） 7、大钩
吊悬井内管柱，主钩接水龙头，附钩挂耳环，配合吊卡，完成钻柱起下。 8、水龙头
(1) 承受钻柱重量； (2) 允许钻柱旋转； (3) 高压密闭泥浆通道。
四、循环系统
水龙头立管地面管汇泥浆泵振动筛除砂器除泥器除气器沉砂池
循环路径：
泥浆泵→ 地面管线 → 立管 → 鹅颈管 → 水龙头 → 钻柱 → 钻头 ↑ ↓ 泥浆池 ← ← ← ← 除气器 ← 除砂器 ← 振动筛 ← 环空 1、泥浆泵
循环系统的心脏，提供循环所需的能量，通常钻机都配有两台泥浆泵，每台泥浆泵的功率为600～1200马力，最高泵压可达20～30Mpa。 2、地面管汇（高压管路及低压管路）、立管
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3、水龙带（允许水龙头及其以下钻柱上下活动） 4、水龙头
5、泥浆净化设备（振动筛、除气器、除砂器、除泥器） 作用：维护泥浆性能，使其满足钻井的各项要求。 6泥浆罐
7、泥浆池（上水池）
五、动力及传动装置
1、动力机组（柴油机、柴油发电机、电动机） 2、传动机构（液力变矩器、传动箱） 机械传动：
柴油机 变速机构
（原动机） 液压联轴节、摩擦离合器 链传动、带传动 万向轴传动、齿轮传动 电动传动：
柴油发电机 电缆
电气开关控制装置
六、控制系统
指挥各机组协调工作而配制的控制设备及观察、记录仪表。
控制系统好比人的大脑和中枢神经网络，它控制着钻机的正常运行。现代钻机的主要设备和操作系统的控制都集中在司钻操作台上，司钻可以在钻台上直接控制和操纵泥浆泵、柴油机、转盘、绞车、传动箱等。 方法：机械控制、气动、液动、气液动和电动控制。
七、井控系统
防喷器、井控地面管汇、控制室等。
工作机组 工作机组 电动马达 10
八、辅助设备
空气压缩机、发电机、各种自动记录仪表、起重设备、供气设备等。
九、设备性能规范（钻机的技术特性）（P18表2-1）
用以表明一台钻机的性能，作为设计和选用钻机的主要技术依据，一般应留有20％左右的裕量。
1、钻井深度：钻机用指定尺寸的钻杆柱能钻达的井深； 2、最大起重量：钻机大钩允许的最大静载荷；
3、额定钻柱重量：在起钻操作时大钩允许承受的全部钻杆柱重量（最大钻柱重量）；
4、钻机总功率：钻机为驱动工作机组所配备的总功率； 5、绞车、转盘、单泵功率：指各工作机的输入功率， 6、最大泵压：泥浆泵在最小缸套时能输出的最高压力。
第二节 钻具
为了钻进而下入井里的除了钻头以外的各种井下工具统称为钻具，包括：钻杆、钻柱、方钻杆、井下动力钻具、取心工具、各种配合接头、辅助工具。
钻具的主要作用一是直接为钻进服务（钻进、取心、起下钻），二是为使钻进顺利进行而做的一切井下作业服务（堵漏、压井、地层测试、下尾管、传输工具、处理事故）。 一、钻柱
钻柱是各种钻具的组合，由于各种井下作业的要求不同，因而组成钻柱的钻具也不同。最常用的钻具组合（钻柱）包括：方钻杆、钻杆、钻铤、配合接头。
在正常的钻进作业过程中，钻柱的作用是：①起下钻头、②施加钻压、③传递扭矩、④循环钻井液。 1、钻铤
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厚壁无缝钢管，壁厚45－100mm（钻杆壁厚的4－8倍），内径57～100mm，线密度大。
特点：重量大、刚度高。
作用：施加钻压、防斜，减少弯曲应力，降低疲劳破坏程度。 2、钻杆
薄壁无缝钢管，壁厚8－12mm，长8－12m，丝扣连接；
结构分为钻杆本体和接头两部分，有内加厚、外加厚、内外加厚；有正扣、反扣、不同钢材、不同壁厚、不同外径各种规格。 功用：传递扭矩，形成钻井液的循环通道，延长钻柱；
厚壁钻杆：壁厚22－25mm，置于钻杆和钻铤之间，以使钻柱刚度不致突然变化；用量18～21根。 3、方钻杆
(1) 四方形或六方形横截面，优质合金钢，长13－16m；
(2) 钻井过程中,始终是一部分在转盘上而另一部分位于转盘下以起到将转盘的旋转运动传递给井下钻柱的作用； (3) 方钻杆位于钻柱的最上端，承受拉力。 4、配合接头
厚壁无缝钢管，用于各种不同类型（尺寸）钻具之间的连接。 5、保护接头 6、扶正器
用于扶正钻头防止井斜。 7、减振器
减轻和吸收钻进过程中的振动，提高钻头和钻具使用寿命。 8、震击器 用于解除卡钻。
二、井下动力钻具
旋转钻进除了靠转盘提供钻头旋转的动力外，还可以用井下动力钻具驱动，它的特点是钻头旋转的动力是由紧靠钻头上方的井下动力钻具提供的。
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驱动方式：循环钻井液驱动（涡轮钻具、螺杆钻具、冲击钻具），电驱动。 优点：上部钻柱不旋转，减少钻柱的磨损和疲劳破坏，减少钻柱与井壁摩擦而造成的功率损耗，有利于钻定向井和水平井。 1、涡轮钻具（靠洗井液驱动的水涡轮）（P135图10-7） 部件：定子、转子、轴承、轴。 类型：单式涡轮钻具、复式涡轮钻具 工作特性：略
2、DYNA钻具（戴纳钻具or螺杆钻具）
结构组成：旁通阀，马达[定子（扁圆形螺旋通道）＋转子（扭曲轴）]，万向轴，轴承。 工作特性：略
3、NAVI钻具（一种螺杆钻具）（P140图10-19，图10-20）
三、取心工具
为了更准确地获取地层（特别是油层）的地质资料，有时需要在钻井过程中取出油层部位的体积较大的岩石，以便能在实验室进行各种岩石物性和储层含油气水的分析。
取心钻井的钻井方法除了采用取心工具外，一切同于旋转钻井法。一般每起下钻一次可取直径10厘米左右的岩心约9～20米。现在，美国已经有了不起下钻的连续取心设备，极大的提高了取心的速度。 1、岩心收获率
岩心收获率＝（实际岩心长度/取心进尺数）×100％ 2、取心工具组成：
·取心钻头（刮刀、牙轮、金刚石取心钻头） ·岩心筒（外岩心筒、内岩心筒）
·岩心爪（割断、卡紧岩心）（卡瓦式、卡簧式、卡板式） 3、绳索式取心工具
内岩心筒可自钻杆内用打捞头捞出；
取心结束，下入小钻头，与取心钻头组合成全面钻进钻头。
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4、密闭取心 5、井壁取心
四、其它井下工具
事故处理工具（公锥、母锥、卡瓦打捞筒、打捞杯、打捞矛、磁铁打捞器、磨鞋、铅模„„）、其它特殊井下作业的专用工具（回压阀、随钻测量仪、定向器„„）。
第三节 地面工具
1、吊卡━━起下钻柱时用于悬挂钻柱。 2、卡瓦━━帮助钻柱座放于转盘上的工具。 3、吊钳━━上扣和卸扣。 4、提升短节━━用于提升钻铤。
5、安全卡瓦━━起下钻铤时卡紧和防滑的工具。
第二章作业：
1、石油钻机由哪些系统组成？各个系统的作用是什么？
2、旋转钻进有哪两种形式？各有何特点？
3、已知：钻进时需钻压196KN，8\"钻铤每米重2.2KN，泥浆密度1.2g/cm3，按钻压占钻铤在泥浆中总重量2／3设计，需使用8\"钻铤多少米？ 4、一口井钻至4000米时，井内钻柱在空气中的总重量为1200KN，井内泥浆密度为1.32g/cm3，钻进时的钻压为100KN，求钻进时的悬重。
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