[科普中国]-石油钻井工程

利用石油钻井设备从地面开始沿设计轨道钻穿多套地层到达预定目的层（油气层或可能油气层），形成油气采出或注入所需流体（水、气、汽）的稳定通道（即油气井），并在钻进过程中和完钻后，完成取心、录井、测井和测试工作，取得勘探、开发和钻井所需各种信息的系统工程。

基本概念利用石油钻井设备从地面开始沿设计轨道钻穿多套地层到达预定目的层（油气层或可能油气层），形成油气采出或注入所需流体（水、气、汽）的稳定通道（即油气井），并在钻进过程中和完钻后，完成取心、录井、测井和测试工作，取得勘探、开发和钻井所需各种信息的系统工程。为了安全快速地完成一口井的钻井任务，施工前必须精心做好钻井设计。钻井设计通常包括钻井地质设计和钻井工程设计两个部分，钻井工程设计包括工艺技术设计、工期设计和钻井费用预算等。

钻井方法根据破岩方式的不同，常用的钻井方法有冲击钻井法、旋转钻井法和旋冲钻井法3种。

冲击钻井法又称顿钻钻井法，利用顿钻钻机（见石油钻机）使钻杆和钻绳产生上下往复动作，从而带动顿钻钻具在井内作上下往复动作，使顿钻钻头对井底进行冲击，破碎岩石，破碎后的岩石用捞筒捞到地面，然后再继续冲击钻进，如此往复，逐渐形成井眼。顿钻钻井法钻井具有钻井成本低、设备简单等优点，但由于工艺相对落后、钻速慢、不能用于钻较深的井和高压油气井等，现场已很少采用。

旋转钻井法通过地面动力设备（转盘、顶部驱动钻井装置或动力水龙头）或井下动力钻具使连接在钻柱底部的钻头连续旋转，同时利用接在钻头上部的一段钻柱（钻铤）的重力向钻头连续不断施加钻压，将岩石切削或碾压成碎屑，岩石碎屑由钻井流体不断地将其带到地面，并从钻井流体中分离出来。这种钻井方法较之冲击钻井法可大幅度提高钻井效率及适应各种复杂的井下地层情况，已替代冲击钻井法成为世界各地普遍使用的钻井方法。

在旋转钻井工艺技术研究过程中，形成了以下7项应用基础理论组成的学科：钻井岩石破碎力学、钻井岩石工程力学、钻井管柱力学、钻井流体化学、钻井流体力学、井下控制工程学和钻井技术经济学。这些工艺技术的发展大大提高了钻井效率。

旋冲钻井法在旋转钻井的基础上，再加上一个冲击器，使钻头在冲击动载和旋转的联合作用下破碎岩石的一种钻井方法。从实际使用结果看，这种钻井方法适用于钻硬岩石及深部地层，在浅部及泥页岩中较旋转钻井方法效果不明显，是对旋转钻井方法的一种补充。1

钻井设备主要包括石油钻机、钻井工具、钻井仪器和辅助设备等。旋转钻井法采用的钻机主要由井架及提升装置、动力机及传动装置、钻井泵及钻井液循环系统等组成，用于实现钻柱（管柱）的提升和旋转以及钻井液的循环等功能。钻井工具和钻井仪器用于钻井过程中对地层压力的控制和对钻井工艺参数的监测与控制等。

钻井程序一口井从开钻到完成，要经过很多道工序，可分为钻前、钻进和完井三个不同阶段。

钻前 开钻前的准备工作主要包括（见钻前工程）：

（1）定井位。地质师根据地质上或生产上的需要确定井底位置。当井身轴线按铅垂线设计时，井口中心与井底中心位置在同一铅垂线上，这就是直井。如果井身轴线定向偏离铅垂线，井口位置不与井底在同一铅垂线上，这就是定向井。

（2）修路。为了将各种设备与物资运入井场，需要修路。因有时满载车总重可达30～40t或更多，公路应能通行重载车。对于海上钻井，人员、设备与物资由专门的补给船或直升机运送。

（3）修井场。在井口周围平整并适当压实铺垫出一块场地以供施工之用。井场面积因钻机而异，大型钻机约需120m×90m，中型钻机约为100m×60m，形状大致呈长方形，可因地制宜。

（4）打基础。为了保证设备在钻井过程中不会下陷，要打基础（或称基墩）。基础可用方木、水泥预制块或在现场用混凝土浇灌。

（5）安（装）设备。立井架，安装钻机、钻井泵及钻井液循环系统等（见钻机拆迁安装）。

钻进从第一次开钻起到钻完全部井深这一阶段的工作。以一定压力作用在钻头上，使钻头的刃部吃入岩石，并用接在钻头上部的钻柱带动钻头旋转以破碎井底岩石，所产生的岩屑通过钻井流体循环到地面上来，井就会逐渐加深。钻头加到地层上的压力叫钻压，是靠钻柱在钻井流体中的自重的一部分产生的。钻柱从地面一直延伸到井底，井有多深，钻柱就有多长。随着井的加深，钻柱也逐渐增长，其重量也逐渐加大。过大的钻压将会引起钻头、钻柱、设备过早的损坏，所以必须将大于所要求钻压的那部分钻柱重量吊悬起来，不使其作用到钻头上。下部形成钻压的那部分钻柱处于压应力状态，上部被吊悬部分处于拉应力状态。

钻进时要循环钻井流体，钻井流体可以是以水、油为基础的悬浮液体，也可以是空气或天然气等气体。钻井流体经中空的钻柱内孔注入，从钻头水眼中流出，清洗钻头，冲向井底，将钻屑冲离井底，携带着岩屑进入井眼与钻柱之间的环形空间向上返到地面（见图2）。返出地面的钻井流体在分离出钻屑后被再次注入井内，循环使用。（见钻井液循环系统）

钻进包括如下作业：

（1）接单根。在钻进过程中，由于井在不断加深，钻柱也要及时接长，每次接入一根钻杆叫做接单根。通常每根单根长近10m，打一口井要接很多次单根。用顶部驱动钻井装置时接立根（一般由三个单根组成）。

（2）起下钻。在井底破碎岩石的钻头会逐渐磨损，当钻头磨损到一定程度后，破岩速度就会很慢，需要更换新钻头。为此，需将钻柱从井中取出（起钻），更换新钻头后再将新钻头及钻柱下入井内（下钻）。这一过程称为起下钻。一口井一般要用多只钻头才能钻成，可能需多次起下钻。有时为了处理井下复杂情况和事故，进行测井、取心等作业，也需要起下钻作业。

（3）固井。一口井在钻凿过程所形成的井（筒）壁应当是稳定的，才能保证继续向下钻进。实际上，井眼所要穿过的地层性质各异：有的地层岩石坚硬，井眼形成以后可以维持较长时间而不致坍塌；有的地层则很松软、破碎，岩石极易坍塌落入井内；有的地层内含高压油、气、水等流体；有的地层强度不高，易被压裂，造成钻井液漏失；有的地层含有盐、石膏、芒硝等成分，对钻井液产生不良影响等。尽管地层复杂多变，还是得设法将这些地层钻穿。当这些地层被钻穿以后，上述的各种复杂情况有的可能消失，对以后的钻井不再危害，有的则继续给钻井工作造成麻烦，也许会形成隐患。为了保护已钻成的井眼和使以后的钻井工作顺利进行，或为生产造成通路，防止各层间窜通，需要在适当的时候对井眼进行加固，称为固井。固井的方法是将套管下入井中，并在井眼与套管之间的环形空间内灌注水泥浆（在套管的下段部分或全部环空）从而将套管和地层固结在一起，隔开某些地层。然后用较小的钻头继续钻出新的井段。一口井从开始到完成，常需下入多层套管并注水泥，即需进行数次固井作业。

（4）处理事故。如物件落入井内，需进行打捞；钻杆断在井内也要打捞；钻柱被卡在井内时则要设法解除卡钻。井喷失控着火是钻井的灾难性事故，处理这种事故难度最大。

（5）其他作业。在钻井过程中要进行岩屑录井、气测等录井工作，必要时还要钻取岩心、进行电法测井等。探井在钻遇好的油气显示时要进行地层测试等。

完井 从钻完全部井深起到交井或弃井这一阶段的工作。完井阶段的工艺包括测井、确定完井方式、下生产套管固井、下油管、射孔、装油管头和采油树，然后进行替喷、诱导油气进入井筒，进而便可进行采油生产。钻井意义上的完井是从钻完全部井深起到下生产套管（如需要）固井并测完声幅验收合格为止。2

石油钻井发展简史中国是世界上最早进行石油钻井的国家。早在西汉宣帝时（公元前60—70年），在现在的四川省和陕西省掘凿盐井发现天然气，并用于煮盐。到宋仁宗庆历年间（1041—1048），在四川省自贡地区用人力顿钻设备钻出了“卓筒井”（小口径井），英国科技史专家李约瑟博士（1900—1995）认为顿钻钻井是中国的重大发明。世界旋转钻井始于1900年，中国到1936年开始引进旋转钻机在新疆独山子地区钻了一批浅油井。1949年后，中国石油钻井的发展经历了四个时期：1949—1959年为初创时期，在这个时期主要是引进和学习苏联、罗马尼亚等国家的钻井装备和技术，旋转钻井技术得到初步发展；1960—1978年是发展时期，通过自主攻关，形成了浅井和中深井的钻井配套技术；1979—1998年是提高时期，广泛吸收了国外先进钻井技术，同时通过攻关，形成了深井钻井和多种功能定向井钻井的配套技术，并发展了保护油气层技术；1998年以后是走向全面市场化的时期，在这时期主要发展了小井眼钻井、大位移井钻井、水平井钻井、分支井钻井、欠平衡钻井、连续管钻井和套管钻井等钻井新工艺技术。

21世纪石油钻井技术发展的主导方向是实现钻井的信息化、自动化和智能化。中国石油钻井要进一步提高技术发展速度，缩短与世界先进水平的差距，并努力实现钻井工程的安全、优质、高效、环保和低成本。1

本词条内容贡献者为:

黄伦先 - 副教授 - 西南大学