一小时人生石油钻探机制作方法及使用攻略（石油钻探原理）

最近有一位之前找过老币网的用户问了我们小编的一个问题，我相信这也是很多币圈朋友经常会疑惑的问题：一小时人生石油钻探机制作方法及使用攻略相关问题，石油钻探原理相关问题，带着这一个问题，让专业的小编告诉您原因。

石油钻探

【石油钻探揭秘】

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石油的形成

石油是由1,000万至6亿年前古代海洋里死亡的微小动植物（浮游生物）残体形成的。这些生物死后，便会沉入海底的沙里或泥里。

随着岁月流逝，生物有机体在沉积层内腐烂了。这些地层内的氧气很少或根本就没有氧气，因此残体被微生物分解为富碳化合物，最终形成有机层。这些有机物质与沉积物混和，形成了细密的页岩或源岩。随着新的沉积层不断沉积，源岩被施加了巨大的压力和热量，这些热量和压力使得有机物质成为了原油和天然气。石油从源岩内流出，积聚在厚度更高、孔隙更多的石灰岩或沙岩（称为贮油岩）中。地壳运动使得石油和天然气被截留在不渗透岩层或盖岩（例如花岗石或大理石）之间的贮油岩内。

这些地壳运动包括：

褶皱——向内挤压的水平运动，使得岩层向上移动形成褶皱或背斜。

断层——岩层断裂，并发生上下相对位移。

尖灭——不渗透岩层被向上压入贮油岩中。

寻找石油

寻找石油是地质学家的任务，地质学家或被石油公司直接雇佣，或被私人公司通过合同雇佣。他们的任务是找到正确的石油开采区——正确的源岩、贮油岩和圈闭。多年以前，地质学家的主要工作是解释地貌、地表岩石和土壤类型，或许还会通过浅层钻井采集一些少量的岩芯样品。现代的石油地质学家还借助卫星图像来研究地表岩石和地形。然而，他们还利用各种其他的方法来寻找石油。比如，可以利用高灵敏度的重力仪来测量地球引力场中的微小变化，这些变化可以寻找到地下流动的石油；还可以利用高灵敏度的磁力计来测量由于石油流动造成的地球磁场内的细微变化；利用被称为嗅探器的高灵敏度电子鼻，他们可以探测到烃类物质的气味。最后（也是最常见的），他们利用地震学的知识，制造出冲击波穿过隐藏岩层，然后对反射回地面的地震波进行分析。

在地震勘测中，制造冲击波的方法包括：

压缩气枪——向水中发射空气脉冲（用于水面勘探）

重击卡车——向地下击入厚金属板（用于陆地勘探）

炸药——在地上钻孔放入炸药（用于陆地勘探）或从船上向外扔炸药（用于水面勘探），然后引爆。

冲击波在地下传播，并被不同的岩层反射回来。反射波的传播速度取决于它们所穿过岩层的类型或密度。人们利用高灵敏度的扩音器或振动探测器来探测冲击波的反射波——水上勘探利用水听器，陆上勘探利用地震检波器。地震学家将对探测结果进行分析，来寻找油汽圈闭区的信号。

虽然现代石油勘探技术要比过去先进很多，但是在寻找新油田时仍然只有10%的成功率。一旦发现一个富油区，其位置在陆地上将用全球定位系统坐标进行标记，水中则用标志浮标进行定位。

确定好地点之后，必须对选定地区进行勘测以确定其边界，此外可能还需要进行环境影响研究。石油钻探必须获取租赁协议、土地使用资格和权利，还要进行法律评估。对于近海地区，还需要确定法律管辖权。

法律问题解决之后，工作队开始着手陆地准备工作：

将陆地打扫干净并铺平，修建交通道路。

因为钻探过程需要水，所以附近必须有水源。如果不存在天然水源，工作队会打一口水井。

工作队会挖掘一个储备池，用来处理钻探过程中产生的岩屑和钻探泥浆。储备池底部会铺设塑料衬层，以保护环境。如果该地区是一个生态易受破坏地区（如湿地或荒野），那么岩屑和泥浆必须在其他地方进行处理——用卡车运走，而不是填入坑内。

陆地准备工作完成之后，还需要挖掘几个钻探孔，为搭建钻塔和钻探主孔做准备。在真正的钻井孔周围挖一个被称为圆井的矩形深坑，圆井在钻孔周围为工作人员和钻井设备提供了一个工作平台。之后，工作人员开始挖掘主孔，通常是利用一个小型钻车，而不是大型钻塔。钻孔的第一部分要比主体部分大一些，也更浅一些，并会铺设大直径的导管。在一旁挖掘一些额外的钻探孔，用来暂时储存设备——这些钻探孔完成之后，就可以运入并架起钻探设备了。

搭建钻塔

根据钻探区与其交通道路之间的距离远近，来决定是利用卡车、直升机还是驳船将设备运到现场。一些在内陆水域工作的钻塔被建在海船或驳船上，因为那里没有可以支撑钻塔的地基（例如湿地或湖泊）。设备到位之后，便开始搭建钻塔。下面是陆地石油钻塔的主要组成系统：

动力系统

大型柴油发动机——燃烧柴油以提供主要的动力来源

发电机——以柴油发动机为动力来提供电力

机械系统——由电机驱动

提升系统—— 用来提升重物；由一个带有大型钢缆轴盘的机械绞盘（绞车）、一个滑轮组和一个电缆接收存储滚筒组成

转盘——钻探设备的一个组成部分

旋转设备——用于旋转钻探

转环——一个大手柄，用来支撑钻柱的重量，使钻柱可以旋转，并对孔口进行耐压密封

转管——四面或六面的导管，将旋转运动传输到转盘或转柱上

转盘或轮盘——利用电机提供的动力来推动旋转运动

钻柱——由钻杆（连接部分，大约10米长）和钻环（直径更大、更重的导管，安装在钻杆周围，由钻头承载其重力）组成

钻头——钻孔机的末端，用来实际切割岩石；会针对不同的钻探任务和岩石构成，在众多形状和材质（碳化钨钢或金刚石）的钻头中选用最适合的一种

套管——安放在钻孔内的大直径混凝土管道，用于防止钻孔塌陷并允许钻探泥浆进行循环

石油学会供图

泥浆在钻孔内循环

循环系统——在压力作用下用泵抽取钻探泥浆（水、粘土、加重材料和化学物质的混合物，用来把钻头上的岩屑带到地表），使之通过转管、轮盘、钻杆和钻环

泵——从泥浆坑中抽取泥浆，并把它抽吸到钻探设备中

导管和软管——连接泵和钻探设备

泥浆回流管道——使泥浆从钻孔中回流

泥浆振动筛——通过振动或者过滤将岩屑从泥浆中分离出来

滑道——将岩屑传送到储备池

储备池——收集从泥浆中分离出来的岩屑

泥浆坑——钻探泥浆进行混合和循环利用的场所

泥浆混合槽——新的泥浆在这里进行混合，随后送入泥浆坑

铁架塔——安放钻探设备的支撑框架；铁架塔必须足够高，以保证在钻探过程中可以向钻探设备上添加新的钻杆部件

防喷装置——高压阀（安装在陆地钻塔下或海床上）用来密封高压钻井管道，并在必要时降低压力以防止发生井喷（即气体或石油不受控制地喷出地表，经常会引起火灾）

工作队搭建起钻塔开始钻探工作。首先，他们在最初的钻孔位置上钻一个表孔，该孔的深度是预定的，要高于人们所认为的石油圈闭区的位置。钻探表孔有五个基本步骤：

把钻头、钻环和钻杆放入孔内。

安装转管和转盘，开始钻孔。

钻孔过程中，循环泥浆不断通过钻杆，并从钻头排出，使得岩屑可以浮出孔口。

随着孔越钻越深，要在钻杆上增加新部件（接头）。

到达预定深度（从几十米到几百米）后，移走（取出）钻杆、钻环和钻头。

到达预定深度之后，必须插入套管并进行固定 ——将套管部分置入钻孔内，以防止钻孔发生塌陷。套管外围设有定位装置，以保证它位于钻孔中央。

负责套管的工作人员将套管放入钻孔中。固井队工作人员利用底塞、水泥浆、顶塞和钻探泥浆通过套管向下灌注水泥。来自钻探泥浆的压力使得水泥浆流经套管，并充满套管外部与钻孔之间的空隙。最后，等待水泥凝固，然后对硬度、位置和完全密封等性能进行测试。

新的钻探技术

美国能源部和石油业都在努力寻找石油钻探的新方法，其中包括水平钻探技术、在生态易受破坏地区进行石油开采以及利用激光技术钻油井。

继续钻探阶段：工作人员进行钻探，然后放置新套管并用水泥进行加固，之后再进行钻探。当泥浆所含的岩屑中出现贮油岩内的油沙时，就达到了最终深度。此时，工作人员将钻探设备从钻孔中移出，然后进行以下几项测试以验证这一发现：

测井——在钻孔内放置电子和气体传感器来测定那里岩石的组成

钻杆测试——在钻孔内放置测压装置，该装置可以显示是否已经到达贮油岩

岩芯取样——采集岩石样品，寻找贮油岩的特征

井喷和火灾

在电影里，会看到钻孔机到达最终深度时发生的油喷（井喷），甚至是火灾。这些都是非常危险的情况，利用防喷装置和钻探泥浆产生的压力（有可能）可以避免这些状况的发生。在大多数油井中，都必须对油井进行酸化或碎裂处理，才能使油流出。

达到最终深度后，工作人员会将油井加以完善以保证石油能够以可控制的方式流入套管中。首先，将打孔器放入油井内的产油深度处。打孔器内装填有炸药，可以在套管上炸开洞孔，从而让石油经此处流出。套管开孔后，向钻孔内放入一根小直径的导管（油管），作为油气流出井外的管道。一种叫做封隔器的装置被安装在油管外部的底端，当封隔器设置为生产状态时，它会发生膨胀，从而在油管外部形成一个密封圈。最后，在油管顶部连接一个被称为采油树的多阀结构，并将其与套管顶部结合在一起。采油树使得工作人员可以控制井内流出石油的流速。

油井完成后，必须让石油流入油井内。如果是石灰石贮油岩，那么通过向油井内注入酸，可以使之通过孔洞流出。酸会使石灰石内溶解出一条可供石油流入油井的通道。如果是沙岩贮油岩，那么可以向油井中注入一种含有支撑剂（沙子、胡桃壳、铝粒）的特殊混合液体，然后使石油通过孔洞流出。来自此种液体的压力使得沙岩内部产生微小的裂缝，因此石油可以流入井内，而支撑剂可以维持这些缝隙的存在。石油流出时，石油钻塔就会从现场拆除，同时安装生产装置来从油井中抽取石油。

钻塔被移走后，将在井口放置一台油泵。

加利福尼亚州资源保护部供图

用泵在钻井中抽油

在泵抽系统中，利用电机带动齿轮箱来移动控制杆。控制杆不断地推拉抛光杆，使之上下移动。抛光杆连在一个抽油杆上，抽油杆又连着泵。该系统推动泵上下移动，从而产生一个吸力将石油从井里抽上来。

在有些情况下，石油可能会因过于粘稠而无法流动。这时工人们会再钻一个孔到达贮油区内，然后在压力作用下注入蒸汽。蒸汽散发的热量会使贮油区内的石油变稀，进而利用压力作用将石油压出井外。该过程被称为原油强化回收。

加利福尼亚州资源保护部供图

石油强化回收

虽然目前正在应用的石油钻探技术众多，并且新的方法不断出现，但是问题仍然存在：我们会有足够的石油来满足需求么？根据目前和未来的石油发现量以及当今的需求量来估计，我们的石油储量只能满足未来63到95年的消耗量。

钻探

工作队搭建起钻塔开始钻探工作。首先，他们在最初的钻孔位置上钻一个表孔，该孔的深度是预定的，要高于人们所认为的石油圈闭区的位置。钻探表孔有五个基本步骤：

把钻头、钻环和钻杆放入孔内。

安装转管和转盘，开始钻孔。

钻孔过程中，循环泥浆不断通过钻杆，并从钻头排出，使得岩屑可以浮出孔口。

随着孔越钻越深，要在钻杆上增加新部件（接头）。

到达预定深度（从几十米到几百米）后，移走（取出）钻杆、钻环和钻头。

到达预定深度之后，必须插入套管并进行固定 ——将套管部分置入钻孔内，以防止钻孔发生塌陷。套管外围设有定位装置，以保证它位于钻孔中央。

负责套管的工作人员将套管放入钻孔中。固井队工作人员利用底塞、水泥浆、顶塞和钻探泥浆通过套管向下灌注水泥。来自钻探泥浆的压力使得水泥浆流经套管，并充满套管外部与钻孔之间的空隙。最后，等待水泥凝固，然后对硬度、位置和完全密封等性能进行测试。

新的钻探技术

美国能源部和石油业都在努力寻找石油钻探的新方法，其中包括水平钻探技术、在生态易受破坏地区进行石油开采以及利用激光技术钻油井。

继续钻探阶段：工作人员进行钻探，然后放置新套管并用水泥进行加固，之后再进行钻探。当泥浆所含的岩屑中出现贮油岩内的油沙时，就达到了最终深度。此时，工作人员将钻探设备从钻孔中移出，然后进行以下几项测试以验证这一发现：

测井——在钻孔内放置电子和气体传感器来测定那里岩石的组成

钻杆测试——在钻孔内放置测压装置，该装置可以显示是否已经到达贮油岩

岩芯取样——采集岩石样品，寻找贮油岩的特征

井喷和火灾

在电影里，会看到钻孔机到达最终深度时发生的油喷（井喷），甚至是火灾。这些都是非常危险的情况，利用防喷装置和钻探泥浆产生的压力（有可能）可以避免这些状况的发生。在大多数油井中，都必须对油井进行酸化或碎裂处理，才能使油流出。

达到最终深度后，工作人员会将油井加以完善以保证石油能够以可控制的方式流入套管中。首先，将打孔器放入油井内的产油深度处。打孔器内装填有炸药，可以在套管上炸开洞孔，从而让石油经此处流出。套管开孔后，向钻孔内放入一根小直径的导管（油管），作为油气流出井外的管道。一种叫做封隔器的装置被安装在油管外部的底端，当封隔器设置为生产状态时，它会发生膨胀，从而在油管外部形成一个密封圈。最后，在油管顶部连接一个被称为采油树的多阀结构，并将其与套管顶部结合在一起。采油树使得工作人员可以控制井内流出石油的流速。

油井完成后，必须让石油流入油井内。如果是石灰石贮油岩，那么通过向油井内注入酸，可以使之通过孔洞流出。酸会使石灰石内溶解出一条可供石油流入油井的通道。如果是沙岩贮油岩，那么可以向油井中注入一种含有支撑剂（沙子、胡桃壳、铝粒）的特殊混合液体，然后使石油通过孔洞流出。来自此种液体的压力使得沙岩内部产生微小的裂缝，因此石油可以流入井内，而支撑剂可以维持这些缝隙的存在。石油流出时，石油钻塔就会从现场拆除，同时安装生产装置来从油井中抽取石油。

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石油的石油钻探

为了将钻头钻下来的碎屑以及润滑和冷却液运输出钻孔，钻柱和钻头是中空的。在钻井时使用的钻柱（专业术语也称做钻具）越来越长，钻柱可以使用螺旋连接在一起。钻柱的端头是钻头。大多数今天使用的钻头由三个相互之间成直角的、带齿的钻盘组成。在钻坚硬岩石时钻头上也可以配有金刚石。不过有些钻头也有其它的形状。一般钻头和钻柱由地上的驱动机构来旋转，钻头的直径比钻柱要大，这样钻柱周围形成一个空洞，在钻头的后面使用钢管（专业术语也称做套管）来防止钻孔的壁塌落。

钻井液由中空的钻柱被高压送到钻头。钻井泥浆则被这个高压通过钻孔送回地面。钻井液必须具有高密度和高粘度。有些钻头使用钻井液来驱动钻头，其优点是只有钻头，而不必整个钻柱被旋转。为了操作非常长的钻柱在钻孔的上方一般建立一个钻井架。在必要的情况下，今天工程师也可以使用定向钻井的技术绕弯钻井。这样可以绕过被居住的、地质上复杂的、受保护的或者被军事使用的地面来从侧面开采一个油田。地壳深处的石油受到上面底层以及可能伴随出现的天然气的压挤，它又比周围的水和岩石轻，因此在钻头触及含油层时它往往会被压力挤压喷射出来。为了防止这个喷射现代的钻机在钻柱的上端都有一个特殊的装置来防止喷井。一般来说刚刚开采的油田的油压足够高可以自己喷射到地面。随着石油被开采，其油压不断降低，后来就需要使用一个从地面通过钻柱驱动的泵来抽油。通过向油井内压水或天然气可以提高可以开采的油量。通过压入酸来溶解部分岩石（比如碳酸盐）可以提高含油层岩石的渗透性。随着开采时间的延长抽上来的液体中水的成分越来越大，后来水的成分大于油的成分，今天有些矿井中水的成分占90%以上。通过上述手段、按照当地的情况不同今天一个油田中20%至50%的含油可以被开采。剩下的油今天无法从含油的岩石中分解出来。通过以下手段可以再提高能够被开采的石油的量。 1．通过压入沸水或高温水蒸汽，甚至通过燃烧部分地下的石油；

2．压入氮气；

3．压入二氧化碳来降低石油的黏度；

4．压入轻汽油来降低石油的黏度 ；

5．压入能够将油从岩石中分解出来的有机物的水溶液；

6．压入改善油与水之间的表面张力的物质（清洁剂）的水溶液来使油从岩石中分解出来；

7．这些手段可以结合使用。虽然如此依然有相当大量的油无法被开采。

水下的油田的开采最困难。要开采水下的油田要使用浮动的石油平台。在这里定向钻井的技术使用得最多，使用这个技术可以扩大平台的开采面积。 与一般的固体矿藏相比，有三个显著特点：①开采的对象在整个开采的过程中不断地流动，油藏情况不断地变化，一切措施必须针对这种情况来进行，因此，油气田开采的整个过程是一个不断了解、不断改进的过程；②开采者在一般情况下不与矿体直接接触。油气的开采，对油气藏中情况的了解以及对油气藏施加影响进行各种措施，都要通过专门的测井来进行；③油气藏的某些特点必须在生产过程中，甚至必须在井数较多后才能认识到，因此，在一段时间内勘探和开采阶段常常互相交织在一起（见油气田开发规划和设计）。

要开发好油气藏，必须对它进行全面了解，要钻一定数量的探边井，配合地球物理勘探资料来确定油气藏的各种边界（油水边界、油气边界、分割断层、尖灭线等）；要钻一定数量的评价井来了解油气层的性质（一般都要取岩心），包括油气层厚度变化，储层物理性质，油藏流体及其性质，油藏的温度、压力的分布等特点,进行综合研究，以得出对于油气藏的比较全面的认识。在油气藏研究中不能只研究油气藏本身，而要同时研究与之相邻的含水层及二者的连通关系（见油藏物理）。

在开采过程中还需要通过生产井、注入井和观察井对油气藏进行开采、观察和控制。油、气的流动有三个互相联接的过程：①油、气从油层中流入井底；②从井底上升到井口；③从井口流入集油站，经过分离脱水处理后，流入输油气总站，转输出矿区（见油藏工程）。 测井工程在井筒中应用地球物理方法，把钻过的岩层和油气藏中的原始状况和发生变化的信息，特别是油、气、水在油藏中分布情况及其变化的信息，通过电缆传到地面，据以综合判断,确定应采取的技术措施（见工程测井，生产测井，饱和度测井）。

钻井工程在油气田开发中，有着十分重要的地位，在建设一个油气田中，钻井工程往往要占总投资的50%以上。一个油气田的开发，往往要打几百口甚至几千口或更多的井。对用于开采、观察和控制等不同目的的井（如生产井、注入井、观察井以及专为检查水洗油效果的检查井等）有不同的技术要求。应保证钻出的井对油气层的污染最少，固井质量高，能经受开采几十年中的各种井下作业的影响。改进钻井技术和管理，提高钻井速度，是降低钻井成本的关键（见钻井方法，钻井工艺，完井）。

采油工程是把油、气在油井中从井底举升到井口的整个过程的工艺技术。油气的上升可以依靠地层的能量自喷，也可以依靠抽油泵、气举等人工增补的能量举出。各种有效的修井措施，能排除油井经常出现的结蜡、出水、出砂等故障，保证油井正常生产。水力压裂或酸化等增产措施，能提高因油层渗透率太低，或因钻井技术措施不当污染、损害油气层而降低的产能。对注入井来说，则是提高注入能力（见采油方法，采气工艺，分层开采技术，油气井增产工艺）。

油气集输工程是在油田上建设完整的油气收集、分离、处理、计量和储存、输送的工艺技术。使井中采出的油、气、水等混合流体，在矿场进行分离和初步处理，获得尽可能多的油、气产品。水可回注或加以利用，以防止污染环境。减少无效损耗（见油田油气集输）。 随着油价的飞涨，其它生产油的技术越来越重要。这些技术中最重要的是从焦油砂和油母页岩提取石油。虽然地球上已知的有不少这些矿物，但是要廉价地和尽量不破坏环境地从这些矿物提取石油依然是一个艰巨的挑战。另一个技术是将天然气或者煤转化为油（这里指的是石油中含有的不同的碳氢化合物）。

这些技术中研究得最透彻的是费·托工艺。这个技术是第二次世界大战中纳粹德国为了补偿德国进口石油被切断而研究出来的。当时德国使用国产的煤来制造代替石油。二战中德国半数的用油是使用这个工艺产生的。但是这个工艺的成本比较高。在油价低的情况下它无法与石油竞争，只有在油价高的情况下它才有竞争力。

通过多重工艺过程这个技术可以将高烟煤转换为合成油，在理想状况下从一吨煤中可以提炼200升原油和众多副产品。目前有两个公司出售它们的费-托工艺技术。马来西亚民都鲁的壳牌公司使用天然气作为原料生产低硫柴油燃料。南非的沙索公司使用煤作为原料来生产不同的合成油产品。今天南非的大多数柴油是使用这个技术生产的。当时南非发展了这个技术来克服它因为种族隔离受到制裁所导致的能源紧缺。

另一个将煤转化为原油的技术是1930年代在美国发明的卡里克工艺。最新的类似的技术是热解聚，理论上使用这个工艺可以将任何有机废物转化为原油。 现代石油历史始于1846年，当时生活在加拿大大西洋省区的亚布拉罕·季斯纳发明了从煤中提取煤油的方法。1852年波兰人依格纳茨·卢卡西维茨（Ignacy ?ukasiewicz）发明了使用更易获得的石油提取煤油的方法。次年波兰南部克洛斯诺附近开辟了第一座现代的油矿。这些发明很快就在全世界普及开来了。1861年在巴库建立了世界上第一座炼油厂。当时巴库出产世界上90%的石油。后来斯大林格勒战役就是为夺取巴库油田而展开的。

19世纪石油工业的发展缓慢，提炼的石油主要是用来作为油灯的燃料。20世纪初随着内燃机的发明情况骤变，至今为止石油是最重要的内燃机燃料。尤其在美国在德克萨斯州、俄克拉何马州和加利福尼亚州的油田发现导致“淘金热”一般的形势。

1910年在加拿大（尤其是在艾伯塔）、荷属东印度、波斯、秘鲁、委内瑞拉和墨西哥发现了新的油田。这些油田全部被工业化开发。

直到1950年代中为止，煤依然是世界上最重要的燃料，但石油的消耗量增长迅速。1973年能源危机和1979年能源危机爆发后媒介开始注重对石油提供程度进行报道。这也使人们意识到石油是一种有限的原料，最后会耗尽。不过至今为止所有预言石油即将用尽的试图都没有实现，所以也有人对这个讨论表示不以为然。石油的未来至今还无定论。2004年一份《今日美国》的新闻报道说地下的石油还够用40年。有些人认为，由于石油的总量是有限的，因此1970年代预言的耗尽今天虽然没有发生，但是这不过是被迟缓而已。也有人认为随着技术的发展人类总是能够找到足够的便宜的碳氢化合物的来源的。地球上还有大量焦油砂、沥青和油母页岩等石油储藏，它们足以提供未来的石油来源。已经发现的加拿大的焦油砂和美国的油母页岩就含有相当于所有已知的油田的石油。

今天90%的运输能量是依靠石油获得的。石油运输方便、能量密度高，因此是最重要的运输驱动能源。此外它是许多工业化学产品的原料，因此它是目前世界上最重要的商品之一。在许多军事冲突（包括第二次世界大战和海湾战争）中，占据石油资源是一个重要因素。

随着国际原油的持续低迷，多家监测机构表示，截至外盘5月25日，作为我国成品油调价重要标杆的三地原油变化率跌破-4%已成定局，6月国内成品油下调也将成为板上钉钉。业内人士更表示，本轮计价期内国际原油价格大幅下滑，更将导致其他与成品油关联性不是很强的市场，也将无法得到成本支撑，6月整个油品市场可能陷入全面疲软。

石油钻井设备及工具有哪些？

为了勘探与开采蕴藏在地层深处的石油和天然气，人们必须利用各种钻井设备与工具，钻穿坚硬而复杂的地层，这便是钻井工作的主要任务。为了满足我国石油工业飞速发展的需要，必须多打井、快打井、打好井，实现钻井速度翻番。为此，在充分调动人的积极因素的同时，还必须为钻井工作者提供先进的、性能良好的钻井设备与工具，充分利用现代科学技术为石油钻井工作服务。

钻井设备及工具包括地面钻井设备(石油钻机)以及钻头、钻柱等。

一、石油钻机1.钻机的组成现代石油钻机是一套大型联合机组。图5-2所示为旋转钻井的基本设备。根据钻井工艺中钻进,洗井,起、下钻具等工序的需要，一套钻机必须具备下列系统和设备：

图5-2　钻井设备

(1)起升系统。用于起、下钻具，更换钻头，下套管等作业。

(2)旋转系统。用于带动钻具旋转，破碎岩石，加深井眼。

(3)循环系统。用于循环钻井液以清洗井底，携出已被破碎的岩屑，保证连续钻进。

(4)动力设备。驱动绞车、转盘、钻井泵等工作机的动力设备，多用柴油机，也有部分钻机由交流或直流电动机驱动。

(5)传动系统。主要任务是把动力设备的能量传递和分配给各工作机。

(6)控制系统。为了指挥各系统协调地进行工作，在整套钻机中还装有各种控制设备，如机械、液动或电控制装置，配备有集中控制台和观测记录仪表等。

(7)底座。包括钻台底座、机房底座和钻井泵底座等。

(8)辅助设备。一般包括井口防喷装置、空气压缩设备、辅助发电设备、辅助起重设备、井口工具及活动房屋等。

2.井口工具为了起、下钻具和旋卸钻具，需要使用吊钳、吊卡和卡瓦等手动井口工具。

吊钳由几个镶有牙板的钳头和钳柄组成，它们之间用铰链互相连接。吊钳用来旋卸钻杆、钻铤等组成钻柱的各类下井工具的连接丝扣。吊钳都是内外两把(一正一反)成对使用，用猫头绳来旋扣。

吊卡用来悬持、提升和下放钻柱。吊卡的内径比钻杆外径略大，但比钻杆接头的外径小。工作时卡住钻柱接头，以便进行起、下钻。

当旋接或卸开钻柱时，位于井内的那段钻柱必须暂时悬挂在转盘上。装入转盘补心中的卡瓦是用来卡住钻杆并悬持钻柱的。

随着深井、硬地层及海洋钻井数量的迅速增加，起、下钻操作的工作量显著增加。用上述手动井口工具旋卸丝扣体力消耗大、工效低、又不安全，迫切需要改进。目前，已有多种形式的动力大钳和动力卡瓦广泛用于钻井生产中。加快了起、下钻速度，减轻了工人的劳动强度，为进一步实现钻井工作的全盘机械化、自动化打下了基础。

3.井口防喷器钻开高压油气层时有可能发生井喷，引起严重事故。为了在井喷发生时能控制井内钻井液和油、气、水的喷出，通常在钻台下面安装防喷器。目前国内外生产的钻机上都配备整套较完善的防喷器系统。如图5-3所示为压力等级在21～34MPa的防喷器组合。

图5-3　井口防喷器组示意图

一般每台钻机配备3～4套防喷器，如闸板防喷器、旋转防喷器和万能防喷器等。闸板防喷器有单闸板、双闸板和三闸板三种。闸板的结构又有盲闸板、孔闸板和剪刀闸板三种。孔闸板的芯子中心有孔，钻井过程中发生井喷时，可将钻柱与套管之间的环形空间封闭，防止井内的钻井液、油、气、水喷出，也称为钻杆防喷器。盲闸板防喷器也称为全封闭防喷器，其芯子可直接把井口封闭，用于井口无钻杆的情况下。剪刀闸板可以在紧急情况下剪断井中的管子，以保证井口安全。旋转防喷器的结构特点是：其橡胶芯子可以在抱紧钻杆的情况下随钻杆一起旋转，从而可以在封闭钻杆与套管环形空间的同时，满足边喷边钻的工艺要求。万能防喷器的胶皮芯子能在几秒钟内对任何钻具进行封闭，争取宝贵的抢险时间。

当钻机上配备有闸板防喷器、旋转防喷器和万能防喷器三类防喷器时，它们既可以单独使用，也可以重叠使用，可以实现边喷边钻，不压井起、下钻和反循环钻井等钻井新工艺。大多数防喷器都配有手动和液动两套控制装置，以便在紧急情况下远距离控制。

二、钻具在钻井中除必须配备一整套的地面钻井设备外，还要配备一系列井下钻井工具。包括钻井时下入井内的钻头、钻柱、井下动力钻具、取心工具以及一些辅助钻井工具(如事故处理工具)等。井下钻井工具简称为钻具。

钻柱是从钻头到地面全部管柱的总称。钻柱是连通地面与地下的枢纽，是实现优质快速钻井的重要手段和工具。随着钻井深度的不断增加，钻井工艺技术不断发展，对钻柱的性能要求也越来越高。目前，已广泛使用具有防斜、防震、防卡等作用，由一种或数种钻具组合而成的复合钻柱。这种复合钻柱与不同的工艺措施相互配合，可以控制井斜的变化、改善钻头的工作状态、减少卡钻事故，进而获得多方面的综合效益。

钻柱的使用贯穿于钻井作业的全过程，因此钻柱的作用有：(1)起下钻头；(2)施加钻压；(3)传递动力；(4)输送钻井液。钻柱在井下工况复杂、环境恶劣，往往是钻井设备和工具中的薄弱环节。正确选配钻柱、合理使用好钻柱，对于提高钻井速度、降低钻井成本有着不可忽视的重要意义。

钻柱由多种不同的钻具组成。其组成方式随钻井条件和钻井方法不同而有区别。组成钻柱的基本钻具包括钻铤、钻杆、方钻杆和配合接头。

1.钻铤钻铤又叫做加重钻杆。在钻井时，钻铤下面与钻头相连，用自身的重力给钻头施加压力。钻铤的特点是壁厚、强度和刚度大，受压后不易弯曲，因而有利于钻直井眼。

2.钻杆钻杆连接在钻铤和方钻杆之间。钻杆的两端装有相互连接用的接头。钻井工人习惯称单根钻杆为“单根”，2～3根钻杆连在一起时称之为“立根”。

钻杆的壁厚比钻铤薄。钻杆在井内旋转时与井壁摩擦而不断磨损，在拉、压与扭转力的作用下有时会出现折断事故。近年来，已广泛使用对焊接头钻杆和高强度铝合金钻杆等，从而减轻了钻柱重力，减少了钻杆的折断事故。

3.方钻杆方钻杆连接在钻柱的最上部，它的多边形截面与转盘中的方补心内孔相配合。方钻杆进入转盘后只能上下移动，因此在转盘旋转时，就能带动钻杆、钻铤和钻头旋转钻进。为了避免接单根后方钻杆入不了转盘，方钻杆的长度一般比钻杆长2～3m。

4.配合接头由于组成钻柱的钻具种类、尺寸和扣型不同，因此一般不能直接相互连接，需要使用配合接头才能连接成统一和谐的钻柱。

综上所述，钻铤、钻杆、方钻杆和配合接头等几种钻具构成了基本的钻柱。随着钻井工艺技术的发展，在钻井中除使用上述基本钻柱外，还研究开发出一系列能进一步提高钻井工作指标的复合钻柱。使用最广泛的是基本钻柱加三器(扶正器、减振器和震击器)构成的复合钻柱。钻具组成如图5-4所示。

图5-4　钻具组成示意

1—水龙头；2—配合接头；3—方钻杆；4—保护接头；5—钻杆；6—钻铤；7—配合接头；8—钻铤；9—钻头5.扶正器要用好钻头、提高钻速，就要强化钻井措施。一般情况下，钻压加得过大就会引起井斜。在钻井实践中往往根据地层的不同性质和防斜要求，用扶正器构成多种防斜钻柱。通常要使用好几个扶正器：下扶正器紧接在钻头之上，中扶正器距钻头约十几米。钻进时，扶正器与井壁接触，对钻头起扶正和导向作用。为了保证扶正器能较好地接触与支承井壁，其外径要尽可能接近钻头直径。

加用扶正器构成的防斜钻柱若设计和使用恰当，可以防斜，使井眼规则，保证钻头平稳工作，提高工作指标。实践证明，这些防斜措施是行之有效的。

6.减振器减振器能吸收钻井过程中所产生的冲击和振动负荷，从而提高钻头的使用寿命，减轻钻铤以及其他井下钻具的疲劳。减振器一般都装在靠近钻头的地方。

减振器的最主要构件是减振元件。有各种类型的减振元件：不锈钢网柱、橡胶筒、钢蝶形盘、钢弹簧及可压缩介质(水垫或气垫)等。有些减振器只能吸收垂直振动，而另一些减振器可以同时吸收垂直和扭转振动。

国外从20世纪50年代开始研究减振器，60年代推广使用，取得了明显的效益。

7.震击器由于普遍使用小间隙的扶正器、满眼钻具等防斜钻柱以及减振器等特殊钻具，增加了卡钻的可能性，尤其是在复杂地层中。国外很早就使用震击器，不仅仅把它作为打捞和处理卡钻事故的常用工具之一，而且在地层测试、取心钻进、侧钻、套铣等作业和正常钻进时也在钻柱中装接震击器。震击器的结构类型很多，有机械的和水力的等。它们都是采用一定的结构，在钻柱受拉作弹性伸长时积存弹性能量，当拉到一定位置时突然释放能量使震击器发生震击动作，震动被卡的下部钻柱以达到解卡目的。

三、钻头油气埋藏在地下，为了寻找油气，取得地下资源，必须大量地破碎岩石、钻穿地层。现在的钻井方法主要是用机械方法破碎岩石。破碎岩石的工具就称为钻头。

钻头是破碎岩石、形成井眼的主要工具。钻头的性能直接影响着钻井速度、钻井质量与钻井成本。如果能少用钻头迅速钻完一口井，那将会使整个钻进过程中的起、下钻次数减少，建井速度加快，钻井成本降低。因此，制造具有高破碎效率、坚固耐用的钻头，选择和使用好钻头，就具有特别重要的意义。

由于钻头所破碎的岩石性质不同、钻井目的和要求不同，在石油钻井中会使用多种不同类型的钻头，如刮刀钻头、牙轮钻头和金刚石钻头等。使用最广泛的是牙轮钻头，多用于中硬和坚硬地层以及深井中。刮刀钻头在我国一些高塑性、软地层的油田也有突出的地位。金刚石钻头在极硬地层和深井中使用效果较好。随着钻井技术的发展，钻头的类型和结构也在不断发展和改进。20世纪70年代以后，出现了以人造金刚石为切削元件的钻头。多年的现场使用效果已经证明，这种钻头具有很好的发展远景。

1.刮刀钻头刮刀钻头是旋转钻井中最早使用的一种钻头。这种钻头结构简单、制造方便，各油田都能自己设计和制造。刮刀钻头适用于钻松软的地层(如泥岩、页岩和泥质胶结的砂岩等地层)，可以取得很高的机械钻速和钻头进尺。但是，在钻硬且研磨性高的地层时，刀片吃入困难、钻头磨损快、机械钻速低，有时还出现憋跳现象，对钻具和设备寿命有一定的影响。尽管如此，只要我们正确使用，充分发挥刮刀钻头在软地层中钻进的优势，对提高钻井速度、降低钻井成本仍然是有效的。

20世纪70年代以后，我国开始研制和使用人造金刚石刮刀钻头。这种钻头刀翼的几何形状基本上与硬质合金镶块刮刀钻头相同，只是将部分硬质合金块换成了人造聚晶金刚石镶块。由于金刚石的耐磨性高于硬质合金，可以增加钻头的使用时间，延长钻头寿命，提高单只钻头进尺，创造出许多先进的钻井指标。

2.牙轮钻头牙轮钻头是石油钻井中使用最广泛的钻头。牙轮钻头旋转时具有冲击、压碎和剪切破碎岩石的作用。牙齿与井底的接触面积小、比压高，工作扭矩小，工作刃总长度大。因而使牙轮钻头能适用于多种性质的岩石。常用的三牙轮钻头如图5-5所示。

图5-5　三牙轮钻头

目前，国内各钻头厂根据生产现场需要，不断引进先进技术，使牙轮钻头的生产在品种、数量和质量方面都得到很大的提高，已初步建立了国产牙轮钻头的产品系列。

根据牙齿的特征，将三牙轮钻头产品分为铣齿钻头和镶齿钻头两大类。其中铣齿钻头有六个系列，镶齿钻头有两个系列。

in、6in等规格的钻头。国外钻头系列十分繁杂，这里不做介绍。

3.金刚石钻头以金刚石做工作刃的钻头称为金刚石钻头。金刚石钻头早期是在地质钻探中使用，在石油钻井中使用只有四十多年的历史,最初只用在极硬地层和研磨性大的地层。近年来，金刚石钻头品种增加，使用范围扩大。从极软地层到极硬地层均可使用，并取得了满意的效果。

金刚石钻头的结构比较简单，主要由金刚石、胎体、钢体和接头等四部分组成，如图5-6所示。

图5-6　金刚石钻头

1—钢体；2—胎体；3—金刚石；4—接头接头上部有用于连接钻柱的丝扣。钢体与接头之间也用丝扣连接，然后焊死形成一体。钢体下部与胎体烧结在一起。胎体是固定金刚石的母体，由带粘结剂的碳化钨粉制成，中间有水眼，底面有水槽，侧面开有排屑槽。

聚晶金刚石切削块钻头是20世纪70年代后期美国钻井工业的一项重要成就。这种钻头的切削块是用人造金刚石单晶在高温高压下聚合而成的聚晶体。钻进时，聚晶体不断剥落，新的锋锐小晶体不断出露，因而能使切削块在磨损过程中不断地“自锐”。其切削刃是锋利、高耐磨、能够“自锐”的金刚石切削块，因此能在低钻压下取得高进尺(为牙轮钻头的4～6倍)和高钻速(为牙轮钻头的2倍以上)。聚晶金刚石切削块钻头有聚晶金刚石复合片钻头(简称PDC钻头)、热稳定聚晶金刚石钻头(简称TSP钻头或BDC钻头，也称巴拉斯钻头)、马赛克钻头和大复合片PDC钻头。

PDC钻头切削块上的聚晶金刚石复合片极薄极硬，比碳化钨底层的抗磨性高100倍以上。钻头工作时，由于碳化钨比复合片磨损得快，使复合片随时裸露出保持锐利的刃口。在较低的钻压下即可切入岩石，并在扭矩的作用下切削岩石。由于切削块可以“自锐”，这就使整个钻进过程中钻头以切削方式破碎岩石，从而能实现快速钻进。PDC钻头适用于软至中硬地层。

巴拉斯钻头的切削块是耐温1200℃的热稳定聚晶人造金刚石。热稳定聚晶金刚石切削块可制成三角体形、立方体形、圆柱体形和针状等多种几何形态。巴拉斯钻头以剪切和研磨方式破碎岩石，适合在中硬到硬地层使用，曾经获得过很好的钻井指标。四川川东地区的试验结果表明：用这种钻头在某些地层中钻进，比XHP5型三牙轮钻头平均钻头进尺提高2～4倍、机械钻速提高20%～40%、纯钻井成本下降10%～12%。

马赛克钻头既有热稳定聚晶块的耐高温性质，又兼有复合片的切削能力。

目前，天然金刚石钻头和大复合片PDC钻头在油田使用较多，能获得满意的经济效益。

钻探方法及钻孔结构

1.钻探方法

全井采用泥浆正循环、牙轮钻头无芯钻进。

选用设备有：GZ-2000水源钻机，TBW-850/50泥浆泵，24m四脚钻塔，160kW电动机，90kW电动机，120kW柴油发电机组1台（备用），Φ203mm～Φ121mm钻铤和Φ73mm钻杆，准备钻具总长大于1500m。

2.施工工艺

选用的施工工艺流程如图4-13所示。

图4-13 地热水井钻探施工工艺流程图

3.钻井过程简述

西岙-1号地热井于2005年11月1日开钻施工，2006年5月25日钻井工程结束。

施工中，一开用Φ445mm钻头钻至35m，下入Φ340mm石油套管，水泥封固。

二开用Φ311mm钻头钻至380m，下入Φ245mm石油套管，水泥封固。

三开用Φ152mm钻头钻至1230m，裸眼成井。

施工中按照设计要求进行了岩样的采集编录，基岩层共采样598个，取样间隔为2m，岩性描述见成井结构图（见图4－14）。

钻进中，860～865m、886～891m、924～930m三段冲洗液有较大漏失，泥浆消耗量分别为3m3、5m3和3m3，且钻进效率为每小时1m。除此而外，930～1180m段钻进效率为每小时1m，但泥浆无漏失；全孔其他段钻进效率一般低于0.8m或更低，冲洗液无漏失（930～1230m段）或正常消耗（0～860m）。

西岙-2号地热井于2008年5月22日开钻施工，2008年10月26日钻至1450m完钻。

一开钻进用Φ445mm牙轮钻头，钻进至22m见基岩，下入Φ377×10.03mm井口管，套管起止深度0～22m，套管外人工填土夯实，井口部位水泥封固。

二开钻进用Φ311mm牙轮钻头，钻井液采用低固相轻质泥浆，钻进至400.50m，下入J55钢级Φ245×10.03mm技术套管，套管起止深度0.00～400.50m。进行管外全孔段水泥固井。固井采用宁波海螺水泥有限公司生产的“海螺”牌水泥，水泥浆平均密度1.85g/cm3，水泥候凝72h。

三开用Φ216mm牙轮钻头钻进，2008年10月26日钻进至1450m，完钻。

图4-14 西岙-1号成井结构图

西岙-1号井的钻探岩样鉴定如表4-8所示；西岙-2号井钻探的地层情况与1号类似，如表4-9所示。

表4-8 西岙-1号地热井钻探岩样鉴定成果表

表4-9 西岙-2号地热井钻探岩样鉴定成果表

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