钻井工程设备.docx

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钻井工程设备

油气井工程设备与工具复习题

一、基本概念：

钻井；大斜度井；水平井；超深井；钻进技术参数；钻压；井底钻具组合；旋转钻井；岩石；岩石的胶结结构；岩石力学性质；门限钻压；岩石的层理构造；岩石的塑性破坏；岩石压入硬度、塑性系数；岩石的研磨性；岩石可钻性；机械钻速；平均机械钻速；PDC钻头冠部高度系数；井下动力钻具；导向螺杆钻具；井斜角、井斜方位角；随钻测量系统（MWD）；闭环钻井；电动机的机械特性；电动机的人为特性；顶驱（TDS）。

二、钻头

1．按成因岩石分为哪三类？

2．简述沉积岩的结构，说明胶结物的类型与岩石强度的关系。

3．简述层理构造对岩石破碎的影响规律。

4．简述平底压头受垂直载荷作用压入岩石时岩石破碎的发展过程？

5．岩石破碎分为哪三个阶段？

为什么钻井过程中钻压要大于门限钻压？

6．石油钻井常用的破碎岩石的基本方式有哪些？

7．论述钻井参数对机械钻速的影响规律。

8．简述牙轮钻头的类型？

牙轮钻头按牙齿的固定方式可分为镶齿和铣齿两类；

按轴承类型分为：

滚动轴承和滑动轴承两类；

按密封类型分为：

橡胶密封和金属密封两类。

9．牙轮钻头储油润滑密封系统的作用？

①为轴承系统提供润滑油；

②防止钻井液进入轴承内腔。

10．钻头喷嘴（水眼）的作用？

①钻井液流出钻头射向井底的通道；

②通过调整喷嘴的数量和尺寸，调节钻头压降，实现喷射钻井；

③通过合理调节喷嘴的空间位置，有效清洗牙轮和井底岩粉。

11．何谓牙轮钻头牙齿的公转与自转？

牙轮钻头依靠牙齿破碎岩石，牙轮钻头工作时，固定在牙轮上的牙齿随钻头一起绕钻头轴线作顺时针方向的旋转运动，这种运动称作公转。

钻头工作时，牙齿绕牙轮轴线作逆时针方向的旋转称为自转。

12．牙轮钻头牙齿冲击破碎岩石作用是怎样形成的？

钻头工作时，牙轮滚动，牙齿与井底的接触是单齿、双齿交错进行的。

单齿接触井底时，牙轮的中心处于最高位置；双齿接触井底时则牙齿的中心下降。

牙轮在滚动过程中，牙轮中心的位置不断上下交换，使钻头沿轴向作上下往复运动，这就是钻头的纵向振动。

钻头的纵向振动使牙齿产生冲击力，以冲击方式破碎岩石。

在纵向上还有低频率、振幅较大的振动，这是由于井底不平和有凸台所引起的。

钻头在井底的纵向振动，使钻柱不断压缩与伸张，下部钻柱把这种周期性变化的弹性变形能通过钻头牙齿转化为对地层的冲击作用力用以破碎岩石，与静载压入力一起形成了钻头对地层岩石的冲击、压碎作用。

13．牙轮钻头的剪切破岩作用是怎样形成的？

有什么作用？

牙轮钻头的剪切作用主要是通过牙轮在井底滚动的同时还产生牙齿对井底的滑动实现的，产生滑动的原因是由牙轮钻头的超顶、复锥和移轴三种结构特点引起的。

超顶和复锥所引起的切线方向滑动除可在切线方向与冲击、压碎作用共同破碎岩石外，还可以剪切掉同一齿圈相邻牙齿破碎坑之间的岩石；移轴则在轴向产生滑动和切削地层的作用，它可以剪切掉齿圈之间的岩石

14．综述牙轮钻头的特点？

优点：

①冲击和剪切双重作用破岩，既有牙齿的冲击又有滑动引起的剪切，破岩效率高。

②适应地层范围广，适合在所有地层中钻进。

③钻头自洗效果好，不容易泥包。

④钻头成本较低。

缺点：

①由于轴承的寿命和牙齿耐磨性的限制，钻头寿命相对较低；

②由于存在薄弱环节（如轴承密封与锁紧部位），经常会造成牙轮脱落，造成钻井事故；

③由于轴承在高转速下寿命较低，因此牙轮钻头不适合高转速，一般适合在200转/分以下。

④在高温条件下，钻头密封和润滑系统容易损坏，因而不适合高温地层。

⑤在小井眼中由于牙轮尺寸受到限制，寿命很低，因此不适合小井眼钻井。

⑥所需钻压相对较高，不适合在易斜地层使用。

15．金刚石钻头的定义？

包括哪几种？

以金刚石类材料为切削齿的钻头统称为金刚石钻头。

按照金刚石种类的不同，将金刚石钻头分为四类：

①聚晶金刚石复合片（PDC）钻头

②热稳定聚晶金刚石钻头（TSP）

③表镶金刚石钻头

④孕镶金刚石钻头

16．钻头切削齿对材料性能的哪些要求？

1）良好的机械力学性能。

破岩需要良好的硬度、强度、韧性。

2）耐磨性。

抵御岩石的磨损。

17．金刚石类材料的特点？

优点：

硬、耐磨

缺点：

①脆性较大，遇到冲击载荷会引起破裂。

②热稳定性较差。

在空气中，金刚石会燃烧变为二氧化碳和一氧化碳；在惰性或还原性气体中在1430°C时，金刚石晶体出现同素异形转换变成石墨；对于聚晶金刚石复合片由于内部含有部分金属，由于金属材料的热膨胀系数远大于金刚石的热膨胀系数，急剧受热容易引起热裂。

18．描述聚晶金刚石复合片（PDC）的结构及特点？

结构：

复合片为圆片状，金刚石层厚度一般小于3mm，切削岩石时作为工作层，碳化钨基体对聚晶金刚石薄层起支撑作用。

特点：

①良好的机械力学性能。

金刚石和硬质合金两种材料的有机结合，使PDC既具有金刚石的硬度和耐磨性，又具有硬质合金材料的强度和抗冲击能力。

②自锐性。

由于金刚石的耐磨性是硬质合金的300倍以上，在钻进过程中硬质合金磨损量大于金刚石层，使得金刚石层始终保持一定的出露量，整个复合片齿始终保持良好的锋利性。

③热稳定性差。

聚晶金刚石复合片内部含有部分金属触媒，由于金属材料的热膨胀系数远大于金刚石的热膨胀系数，急剧受热容易引起热裂。

同时由于金刚石层与硬质合金的热胀系数存在差异，受热也会造成金刚石的脱层。

其耐热温度﹤700°。

④脆性大，抗冲击韧性差。

金刚石本身脆性大；硬质合金层与金刚石的弹性模量不同，冲击响应频率不同，受冲击载荷作用时，金刚石层受到的冲击不能完全由硬质合金层吸收，容易造成金刚石层发生崩裂，因次适应地层受到限制。

19．热稳定性聚晶金刚石与PDC的主要区别？

将聚晶金刚石中的金属粘结剂用酸去除，使聚晶金刚石的耐温性大大提高。

耐热温度达到1150°。

20．PDC钻头切削结构的基本参数包括那些？

21．PDC钻头冠部高度系数的定义？

22．综述PDC钻头的特点？

优点：

1）以剪切方式破岩，在软至中硬均质地层中破岩效率高，机械钻速高；

2）具有自锐性，能始终保持较高的机械钻速；

3）PDC钻头切削齿耐磨性高，钻头寿命长；

4）所需钻压较低，钻柱负荷小。

同时在吊打情况下能保持较高的钻井速度；

5）适应较高的转速（可达400转/分），有利于提高钻井速度；同时适合配合动力钻具使用；

6）PDC钻头结构牢固，没有活动部件和易损件，有利于防止钻井事故；

7）不受井眼尺寸的限制，适合在小井眼中应用；

8）不受地层温度的影响，是高温地层钻进的首选。

缺点：

1）PDC齿抗冲击韧性较差不适合在破碎、软硬变换频繁以及硬地层中使用，地层使用范围受到限制；

2）复合片热稳定性较差，需要良好的冷却；

3）对钻头水力结构要求较高，水力结构设计不合理钻头会发生泥包。

4）钻头成本较高。

23．写出钻头每米成本的计算公式并说明各部分的意义。

钻头单位进尺成本计算公式:

式中：

Cpm—单位进尺成本，元/米

Cb—钻头成本，元；

Cr—钻机作业费，元/小时；

t—钻头钻进时间，

tt—起下钻及接单根时间，

H—钻头进尺。

24.某一型号PDC成本10万元，钻头钻进1500米后报废，此钻头纯钻时间100小时，辅助钻进时间100小时，钻机日费4.8万元，计算该钻头的平均机械钻速和单位进尺成本？

25．简述钻头类型的选择方法？

26．一只五刮刀81/2″PDC钻头，钻头喷嘴数量5只。

已知钻头喷嘴的总过流面积为568mm2。

其中4只喷嘴的直径为3只12mm、1只13mm，求另一只喷嘴的直径。

二、钻具系统

1．钻柱在钻井过程中的主要作用是什么？

（1）为钻井液由井口流向钻头提供通道；

（2）给钻头施加适当的压力（钻压）；

（3）把地面动力（扭矩等）传递给钻头；

（4）起下钻头；

（5）根据钻柱的长度计算井深。

2．什么是井下动力钻具？

动力钻具钻井的特点是什么？

将动力发动机置于井底直接与钻头相联驱动钻头破碎岩石进行钻井的井下动力装置，称为井下动力钻具。

其特点总结如下：

1）用井下动力钻井，钻杆不转，只承受钻井的反扭矩，可改善钻柱的受力状况，减少钻柱和套管的磨损和破坏；

2）井下动力钻具与转盘钻井相比，转速快，有利于提高机械钻速；

3）实现井身轨迹的定向控制。

4）可与转盘复合，实现复合钻井。

不仅可以实现旋转或滑动钻井，还可提高钻头转速，提高钻井速度。

3．液力井下动力钻具有哪几种？

4．什么是螺杆钻具？

主要有哪几部分构成？

5．弯螺杆钻具弯角大小与造斜率的关系？

弯角越大，造斜率越高。

6．螺杆钻具的特点是什么？

（1）螺杆钻具的转速只与排量和结构有关，而与工况（钻压、扭矩等）无关。

（2）工作扭矩与压降和结构有关，而与转速无关。

（3）螺杆钻具具有硬转速特性（不因负载增大而降低转速）和良好的过载能力（压降增加可导致工作转矩M变大）。

（4）泵压表可作为井底工况的监视器，由泵压变化来判断和显示井下工况（扭矩和钻压）。

（5）转速随排量Q的变化而线性变化，因此可通过调节排量Q很容易地进行转速调节。

（6）工作扭矩与转速均与结构有关，增大马达的每转排量，可获得适合于钻井作业的低速大扭矩特性。

螺杆钻具的头数越多，每转排量越大，马达的转速越低扭矩越大。

7．涡轮钻具工作特性分析

1）涡轮钻具压降在流量、涡轮结构尺寸、涡轮级数确定后即为定值，不会随工况（钻压、扭矩）的变化而变化。

2）涡轮钻具的扭矩与流量、钻井液密度及转速参数有关。

输出扭矩与流量的、钻井液密度、涡轮级数成正比。

3）涡轮钻具的输出功率与流量、涡轮结构尺寸、涡轮级数、钻井液密度有关。

4）涡轮钻具的转速与输出扭矩成反比。

空载时转速很高，重载时转速低。

扭矩超过涡轮钻具的额定扭矩，涡轮钻具会停止旋转，也既涡轮钻具没有过载能力。

5）涡轮钻具的输出功率随着输出扭矩、转速的变化而变化，并存在最大值。

此最大值为涡轮钻具的理想工作负载点。

8.根据螺杆钻具和涡轮钻具的工作特性曲线论述二者机械性能的差异？

涡轮钻具和螺杆钻具的理论工作特性曲线如图1、2。

其机械性能的区别主要在以下几方面：

图2

图1

1）过载能力

对比工作特性曲线中可以看出：

螺杆钻具有硬的机械特性，过载能力强；而涡轮钻具有软的机械特性，过载能力差，随着钻压增大导致切削阻力矩增大时，会引起转速下降，易被“压死”而造成制动。

2）压降差异

在一定的工作排量下，涡轮产生的压力降不变。

而螺杆钻具的压降是一个随钻压和扭矩变化的量，利用这一特性可通过泵压检测螺杆钻具的工作状态。

3）转速差异

涡轮钻具的转速高于螺杆钻具，与常规牙轮钻头不匹配。

三、测量与控制

1.磁性测斜仪的种类？

2.井眼轨迹测量的基本参数？

井深、井斜角和井斜方位角。

3.磁性测斜仪测量井斜的原理？

利用摆锤测量井斜角，利用罗盘测量方位角。

4.陀螺测斜仪的测斜原理？

利用摆锤测量井斜角，利用高速陀螺的方位不变的特性测量方位角。

5.电子侧斜仪的测斜原理？

任何空间矢量皆可分解为三个相互垂直的分矢量：

如果已知矢量的大小和主矢量的方向，那么，很容易计算出分矢量与主矢量的夹角。

重力加速度和地磁场都可分解为三个相互垂直方向的分量。

测得这三个分量的大小，可精确计算出分量的空间方向。

如果将某一分量至于井眼轴线方向，那么可精确得到井眼的井斜角和方位角。

6.何谓随钻测斜仪？

按测量参数传输方式分为哪两类？

在钻井过程中，将安装在下部钻具组合上的测斜仪器检测的数据连续不断的实时传送到地面，这种测量仪器称为随钻测斜仪。

根据测量参数的传输方式可分为有线随钻测斜仪和无线随钻测斜仪。

7.无线随钻测斜仪的井下测量仪器的基本构成？

（1）操作系统的动力源;

（2）测量所需信息的传感器;

（3）以代码的形式将数据传输到地面的发送器；

（4）协调工具各种功能的微处理机或控制系统。

8.无线随钻测斜仪的无线遥测传输方式主要有哪几种？

（1）电磁发射;

（2）声波;

（3）钻井液压力脉冲。

9.钻井液脉冲遥测的原理？

利用井下脉冲发生器产生数据脉冲信号，这些脉冲信号通过钻井液传到地面，在地面接收到这些信号后，通过对信息进行译码，得到井下的测量数据。

井下脉冲发生器主要有两种：

正脉冲系统和负脉冲系统。

10.随钻测量系统主要测量哪些信息？

（1）定向数据（井斜角，方位角，工具面角）;

（2）地层特性（伽玛射线，电阻率测井）（LWD）;

（3）钻井参数（井底钻压、扭矩、转数）。

11.闭环钻井的概念及目标？

环指钻井作业过程。

闭环钻井是指钻井过程的整体优化。

闭环钻井的目标是实现钻井过程的全面自动化、智能化,解放钻井人员、提高整体经济效益。

12.井下闭环钻井的含义？

指井身轨迹控制完全可以离开人的干预（特殊需要时例外）,井下信息测量、传输、处理以及控制指令的产生和执行完全自动进行。

有先进的随钻测量工具（MWD等）和功能较强的井下可调控工具。

同时,必须有性能很好的微电脑（能承受井下的恶劣环境）。

13.闭环钻井的含义？

井下采用智能化钻井系统,地面监控和操作采用规范的自动化系统。

地面中心控制计算机控制整个钻井作业系统,井下智能钻井系统则带有独立的井下微电脑。

此时,作业人员就可全部或大部分从作业环节中解放出来,从而实现钻井的整体优化。

14.闭环钻井技术的必要条件？

要实现闭环钻井作业的全过程,必须具备以下六个条件:

①地面测量,主要包括泥浆录井,钻井参数地面测量;

②井下随钻测量,目前主要采用MWD、LWD等井下测量工具;

③数据采集,同时包括地面计算;

④数据的整体综合解释,主要包括把测量数据解释成有用的参数以指导作业,同时用“人工智能”把全世界范围内的专家经验应用于井场;

⑤地面操作控制自动化,把人从钻井作业过程中解放出来;

⑥井下操作自动控制,主要是利用“智能”型井下工具和自动的井底钻具组合进行控制。

15.几何导向钻井与可地质导向钻井的含义？

（1）几何导向

主要是以预置的井眼轨迹或井下实时设计的井眼轨迹为参考量。

导向作业时,将实测的轨迹参数与控制参考量作比较,由控制机构给出合适的控制指令,从而使钻头沿最优的井眼轨迹钻进。

（2）地质导向

在拥有几何导向能力的同时,又能根据随钻测井（LWD）得出的地层岩性、地层层面、油层特点等地质特征参量,随时控制井下轨迹,使钻头沿地层最优位置钻进。

在预先并不掌握地层性质特点、层面特征的情况下,实现精确控制。

四、钻机

1.按钻井深度钻机的分类？

浅井钻机：

钻井深度＜1500m

中深井钻机：

钻井深度为1500~3000m；

深井钻机：

钻井深度为3000~6000m

超深井钻机：

钻井深＞6000m

2.钻机包括拿八大系统？

各系统的作用及其主要组成设备？

3.泥浆循环系统流程图？

4.钻机基本参数有哪些？

L（名义井深）；Qmax（最大钩载）；Qds（最大钻柱重）；Ndr（绞车功率）；

Z（Zmax）有效绳数；dw（钢绳直径）；Np（泵功率）；Dr（转盘通径）；Hr（底座）；H架（井架高度）。

5.我国钻机型号的命名方法？

6.钻机的三大工作机组主要指哪些设备？

各机组的主参数有哪些？

绞车、转盘、钻井泵。

7.钻机绞车对动力机组性能的要求？

按照钻机绞车的工作特点，其对动力机组的要求是：

①能无级变速、恒功率调节；

②具有短期过载能力，以克服启动动载、振动冲击和轻度卡钻；

③绞车工作时起停交替，要求动力系统有良好的启动性能和灵敏可靠的控制离合能力。

总之，绞车驱动需要恒功率调节、能无级变速和良好的启动性能的柔性驱动。

8.钻机对动力机组性能的要求？

钻机驱动设备性能主要考虑绞车和转盘的工作特点，理想的钻机驱动设备应具有以下柔性驱动特性：

①可实现恒扭矩调节或恒功率调节,调节使用范围宽广。

②能无级变速；

③良好的启动性能；

④具有短期过载能力；

⑤操作控制简单、灵敏、可靠。

9.与机械传动钻机相比电动钻机的主要特点？

①使绞车、转盘、钻井泵都实现了无级调速；

②绞车设计为单轴,经减速器驱动。

体积小,质量轻,故障少；

③极低速及恒扭矩输出；

④数控恒钻压自动送钻；

⑤司钻控制系统控制精确,操作简单,使司钻摆脱了繁重的体力劳动。

10.交流电机的调速的原理？

交流电机转子转速与电流频率的关系为：

式中：

f1—电流频率;p—磁极对数

因此交流电机通过调节电源频率可达到调速的目的。

11．交流变频电动钻机的特点？

①能精确控制转速。

电源频率与交流电动机的工作转速成正比的关系。

利用此特性，可实现变频电驱动精确地无级平滑调节工作转速。

②具有超载荷、恒功率、恒扭矩调节输出特性。

交流变频电动机在处于0r/min时，仍具有全扭矩作用。

③无需倒档，简化钻机结构。

由于正反转均可调节使用,驱动绞车可以取消倒档,大大地简化了绞车和顶驱结构。

④启动电流小、工作效率高、过载能力强。

一般电动机的启动电流为额定电流的5倍～6倍，交流变频调速电动机的启动电流只有额定电流的1.7倍；交流变频电动机的工作效率高达96%；在1分钟之内交流变频调速电动机可以承受到150%额定载荷，这种特性对于石油钻机处理卡钻事故来讲,具有较大的载荷储备,钻井适应性较强。

⑤可实现反馈制动刹车。

交流变频电动机，可对下钻时的钻柱载荷进行反馈制动刹车，起着绞车辅助刹车作用。

⑥使用安全方便、噪音低、维护简便。

交流变频电动机工作时不会产生工作火花，在钻井时，不会出现电弧击穿现象,电动机使用更为安全可靠；交流变频电驱动调节可以手控和遥控，还可与可编程序控制器以及计算机相联接,实现闭环自动控制；交流变频电驱动系统，工作振动小、工作噪音低；交流变频电动机几乎不需要维护。

自动送钻目的

12．什么是顶部驱动钻井装置？

顶驱由哪三大部分组成？

从井架空间上部直接旋转钻柱，沿井架内导轨向下送进，完成钻进、循环钻井液、接立根、上卸扣等多种钻井操作的钻井驱动装置。

顶驱由三大部分组成：

水龙头一马达总成、导向滑车总成、钻杆上卸扣总成。

13．顶驱钻机的特点是什么？

（1）提高钻井效率。

立根钻进，节省2/3接单根时间；

（2）操作安全。

在起下钻遇阻、遇卡时，管子处理装置可以使中心轴与钻杆在任何位置相接，开泵循环，进行立柱划眼作业，减少卡钻事故。

当出现井涌、溢流等复杂情况时，可随时压井防止井喷事故；

（3）适合钻水平井等高难度井。

顶驱钻井可以边提钻时边旋转钻柱，变静摩擦力为动摩擦力，其摩擦系数大大降低，从而钻井能力可以比常规转盘钻有明显提高；

（4）自动化程度高。

钻杆上卸扣操作机械化；

（5）提高取芯率。

立根钻进，提高取岩心质量；

（6）安装维护简单，操作方便灵活。