石油钻井安全技术（一）钻井工程简介

　　为了寻找油气储藏，除了采用地球物理勘探方法进行勘探外，还必须钻各种探井，为制定开发方案提供详细的资料。为了开采石油和天然气，要按照油气田的开发方案钻一批生产井和注水井。在油田的生产过程中，还要钻一些观察井和加密井。钻井工程是指在初步探明油、气、水储藏情况后，通过钻具(钻头、钻杆、钻铤等)对地层钻孔，然后用套管联接并向下延伸到油、气、水层的过程。钻井按照施工目的的不同，分为探井和开发井。探井包括地质井、参数井、预探井、评价井等；开发井包括采油井、采气井、注水(气)井以及调整井、检查研究井、扩边井等。

　　最古老的钻井方法是冲击钻井法，简称顿钻。由于这种钻井方法的效率极低，现在已经被旋转钻井所代替。旋转钻井法是用金属钻杆带动钻头旋转来破碎岩石的一种钻井方法。它通常使用转盘钻机，由转盘通过方钻杆来带动钻杆和钻头旋转。目前世界上绝大部分钻井工作量是由旋转钻井法完成的。现在，也有部分钻机已经开始使用井底动力发动机(主要有涡轮钻具和螺杆钻具两种)，又称井底动力机钻井法。另外，世界上还有井底发动机与柔性钻杆配合钻井法，但使用极少。

　　我国石油钻井从1949年建国开始到现在50多年间，经历了组建(1949～1957年)、发展(1958～1977年)和提高(1978年到现在，也叫做钻井提高时期)三个时期。目前，已经具备了较高的钻井技术水平。21世纪世界钻井发展的趋势是向自动化、智能化钻井发展，我国将重点发展旋转导向钻井技术、超深井钻井技术、大位移钻井技术、提高老油田产量的各类型钻井技术和加强钻井基础理论研究，加强钻井装备的更新改造技术，并在推广和应用先进的企业管理方法方面做出努力。

 

　　一、钻井设计与井场布置

 

　　(一)钻井设计

 

　　所有的井都要进行钻井设计。钻井设计的基本内容包括地质设计、工程设计、进度设计和费用预算四个部分。

　　钻井设计要本着“科学、安全、经济、环保”的原则来进行。地质设计应提供钻探目的和要求、地层孔隙压力、破裂压力、岩性特征、地层剖面、故障提示等资料，并提供邻井的油、气、水显示和复杂情况资料，注明含硫化氢地层深度和估计含量。工程设计以此为依据，包括编制合理的井身结构和套管程序，确定钻井液的类型和指标要求等。进度设计和费用预算要建立在本地区切实可靠的定额基础上来进行。在进行钻井设计时，要正确处理好安全、质量、速度、效益以及对社会、公众、环境的影响的关系，确保安全、环境与健康费用的投入，避免出现片面追求效益、危及安全、损害环境与职工健康的情况。钻井地质设计和工程设计要严格执行审批手续。在生产过程中，甲乙都要双方执行设计。如果发现新的情况需要更改设计时，也要严格按照相应的审批程序和制度来执行。

 　在生产实践中，钻井工程设计一般包括以下主要内容。

（1）         井位的选择。

（2）         的选择和井身结构的确定。

（3）         钻头尺寸类型的选择与数量的确定。

（4）         钻柱设计与下部钻具组合。

（5）         钻井参数与水力参数设计。

（6）         钻井洲设计，包括防腐要求。

（7）         固井设计，包括套管柱设计、套管强度设计、注水泥设计及固井施工技术措施。

（8）         油气井井控设备及工艺技术要求。

（9）         油气井固控设备要求。

（10）      地层孔隙压力检测。

（11）      地层漏失试验要求（新控区第一口井必须进行地层试验）。

（12）      防止油气层损害的措施与井身质量要求。

（13）      环境保护要求。

（14）      安全生产要求，重点防止井喷失控。

（15）      钻井施工进度计划。

（16）      全井成本计划。

　　(二)井场布置

 

　　井场定位必须符合钻井设计的要求，并充分考虑水源、道路、钻井液池井场施工条件等因素。井场大小应能容纳所有的钻井设备和房屋、库房、工房等。井场布置应以井架为中心，对钻井设备、设施和辅助设施按照施工的要求，进行合理的布局。井场布置以有利于钻井施工，有利于设备、设施和辅助设施的安装运行，有利于节约土地，有利于服务车辆的通行，有利于抢险，有利于防洪、排涝、防冻等为原则。钻井各设备之间的空间，应符合作业区和钻机危险区现有的有关规定。井场布局要考虑风频、风向，使井架大门方向尽量朝南或朝东。井场边缘距离铁路、高压线及其他永久性设施不应少于50m。井口距离民房应大于100m。在草原、苇塘、林区钻井时，井场周围应有防火隔离墙或者隔离带。

 

　　二、设备安装

 

　　(一)设备安装的基本条件

 

　　钻机应有制造厂或者修理厂的出厂质量合格证等技术文件，并符合钻井工程设计对钻井主要设备选用的要求。安装钻机的井场和基础应符合按照规定程序批准的图样及技术文件的要求。安装所使用的各类工具或设备应齐备并有良好的使用性能。在用计量器具应检定合格。

　　井场的有效面积应符合钻井施工设计所选定类型钻机的占地面积需要。井口至边缘要有一定的坡度，方井底部应有排水设施，使井场具备良好的排水条件。钻机主要设备的基坑应设在挖方上，如设置在填方上时，要进行相应的技术处理，使基坑的强度达到要求。安装钻井泵的基础应符合抗振技术要求。基础混凝土要按照设计要求配制。基础要有合格的平面度，四周用混凝土封闭。

 

　　(二)搬迁

 

　　钻机搬迁有分组搬运和整体拖运两种方式。组织搬迁时，若运载、吊装能力允许，一般尽可能采用整体拖迁的方式。分组搬运时，要有一个详细的钻机搬迁计划，其中要有人员、设备、运输的责任规定和偶发事件的应急计划。在钻机搬迁过程中，新、老井场都要指定一名最高负责人员来组织设备的装卸。在运输过程中，要服从交通管制。通过人口稠密的地区时，要遵守当地的法规条例的规定。

　　水上钻机搬迁时，要制定搬迁计划和应急计划，明确各个协作方的责任和义务，清晰的掌握天气预报情况，做好水下地面情况的勘察，明确勘察方法、新钻机的定位、锚定方法、测试张紧力、链环的连接、通讯责任和起抛锚拖船的选择等事宜。

 

　　(三)安装

 

　　1．塔型井架钻机主要设备的安装顺序

　　塔型井架钻机主要设备之间的安装顺序有两种，现用方框图(图2—1)表示：

 

图2—1

 

　　2．整体起升井架钻机主要设备的安装顺序

　　整体起升井架钻机主要设备之间的安装顺序也有两种，其顺序方框图(图2—2)为：

 

图2—2

 

　　3．辅助设备和设施的安装

　　在场地允许、保证安全的情况下，对钻机主要设备之间的安装顺序方框图以外的辅助设备和设施进行交叉安装。

 

　　(四)安装质量验收

 

　　一口井的设备安装完毕并经整机运行试验合格后，由质量检验部门和安全监督部门组织人员，按照安装质量标准、设备说明书和安全检查验收规定，进行严细认真的检查检验。钻机安装质量和安全使用条件经检查验收合格后，方可准许开钻。

 

　　三、钻进施工

 

　　(一)首次钻进

 

　　钻进是破岩和加深井眼的过程。首次钻进是指埋设导管后(导管在首次开钻时起引导钻头下钻和作为钻井液出口作用)、下表层套管前的第一次钻进。

　　首次钻进时，应使鼠洞的位置、鼠洞管的斜度与露出钻台的高度应有利于方钻杆的起放和摘挂水龙头操作方便；要按设计选择好人井钻具；使钻井液性能及其使用管理应符合钻井设计要求。

　　第一次钻进对井眼一般要求要直。钻进开始要控制钻压。在钻进过程中，要执行定深测斜制度，对易斜地层应采取满眼钻具或钟摆钻具组合等控制井斜措施。可使用减振器以减轻跳钻的危害，提高钻头和钻具的使用寿命。

　　钻达下表层套管深度后，及时进行下人表层套管、固井和高压试运转等作业。

 

　　(二)再次钻进

 

　　再次钻进指封表层套管固井后的各次钻进。

　　再次钻进前，必须先安装好井口装置，并找正天车、转盘和井口中心，固定牢靠。钻完固井水泥塞后，再次恢复钻进。除非是定向井、水平井等特殊工艺井施工，钻具组合应满足喷射钻井和防斜打直井技术要求。在施工过程中，要选择和使用优质钻井液，并及时进行钻井液的性能调整和净化处理，使之符合钻井设计要求和有关规定。钻进中，应根据井内情况变化(钻速、钻井液性能、钻屑性能、钻井液体积和进出口流量等)和地面设备运转、仪表信息变化，判断分析异常情况，及时采取相应处理措施。钻开油气层前，要按照钻井设计要求、井控规定和防火防爆的有关要求逐项检查合格。

　　安全钻达下技术套管(或油层套管)深度后，应根据钻井设计要求，及时进行测井、下人技术套管(或油层套管)、固井等其他作业。

 

　　(三)地质录井

 

　　在钻进过程中，同时伴有地质录井作业。地质录井的任务主要是取全取准各项地质资料及其有关的钻井施工资料。钻进过程中的地质录井工作包括钻时录井、气测录井、钻井液录井、岩屑录井、岩心录井、压力录井。

 

　　四、测井

 

　　测井是认识油气层和评价油气层的重要手段。测井在钻达预定井深或钻过油气层后进行。钻井队要为测井施工做好准备并配合好工作。具体内容见第三章。

 

　　五、地层测试与原钻机试油

 

　　(一)地层测试

 

　　在钻井过程中钻开油气层或完井以后，为了及时了解有关生产层性能及其中所含油、气、水等具体情况，并取得有关资料，利用钻杆或油管柱将地层测试器和取样器下至待测试层段，进行不稳定试井，取得该地层的产量、温度、压力以及井底开关井时间与压力关系曲线等多项数据，并取得流体样品。通过分析解释，获得在动态条件下地层和流体的各项特性参数，及时评价油、气、水层，为勘探、开发决策提供可靠的依据。

　　地层测试的现场施工一般经过井眼准备、现场设备与测试工具准备、组织协调施工队伍或人员落实、下钻、封隔器座封和开关井、解封封隔器、反循环、起钻等几个过程。

 

　　(二)原钻机试油

 

　　原钻机试油就是由原钻井队人员用其原有设备，在有关单位的指导下，按试油施工设计进行试油作业。其一般程序为：安装井口及地面装置；下油管探底及调整钻井液；射孔；引导油气流。

　　区域探井、重点预探井、超深井等钻达油气层(完井)后一般应安排原钻机试油。

 

　　六、完井作业

 

（一）      下套管

下套管作业的主要环节有：

（1）对套管在下井以前进行无损检查。无损检查一般采用半自动化无损检

测仪来进行。

（2）正确使用套管螺纹密封脂，实现准确的上扣扭矩和合格的耐压密封。

（3）使套管准确对扣并上扣至合格扭矩。

（4）连续进行下套管。

（5）套管下至设计深度后，将套管载荷通过联项节及吊卡交付给转盘（或通过套管瞳盘坐在转在盘上）。

　　(二)固井

 

　　下套管完毕，向套管周围注入水泥浆，使套管串与井壁牢固的连成一体，封隔疏松、易漏、易塌等复杂地层和油、气、水层，防止油气互窜。这项作业称为固井。固井是整个钻井工程的一个十分重要的环节，固井质量的好坏，直接影响着这口井能否顺利的进行生产。固井的过程一般为：

　　1．进行固井设计并按规定程序进行审批。

　　2．进行固井准备，包括召开固井协作会，做好水泥及添加剂准备、固井施工装备准备、供水系统准备等。

　　3．进行注水泥施工：通过套管将配制好的水泥浆注入井内，并上返至一定高度。

　　4．注水泥浆碰压后，实行敞压候凝，使水泥胶结。

 

　　(三)井口装定

 

　　固井后，对固井质量进行检查(试压和测井)。检查合格后，将悬挂在转盘上的套管载荷移交到井口(指最上一层套管)上进行井口装定。井口装定一般通过套管头悬挂器卡瓦来固定。对于经检查固井质量不合格的井，应采取挤水泥、注水泥和钻水泥塞等补救措施。

 

　　(四)拆卸设备

 

　　一口井施工完毕后拆卸设备，转入下一口井的施工。

 

　　七、水上钻井

 

　　在海洋和湖泊上的钻井称为水上钻井。水上钻井需要根据气象学和海洋学等理论和资料，来确定最合适的钻井平台类型。自升式平台需要包括海(湖、河)床岩样等更加详细的井场勘察，以取得有关桩深数据和合适的表层资料来建立平台。水上钻井与陆地钻井在工艺上基本相同，其主要特点在于：

　　(1)有一套水上钻井装置，即水上钻井平台。

　　(2)有一套特殊的通向水底的导引系统和井口装置，即隔水系统、导向系统、防喷系统和套管悬挂系统。

　　(3)有一套平台定位装置和升降补偿装置。

　　(4)有一套防腐设备和措施。