【導讀】中文題目：空氣及天然氣鉆井

　　

【正文】 mud flows to the bottom of the well. This effect is quite small and is neglected in these engineering calculations. Figure 121 shows the plot of the specific weight of the pressed air in this example. The pressed air is injected into the top of the drill string at a specific weight of b/ft3 (at a pressure of 260 psia and temperature of 60?F). As the air flows down the drill string the pressure remains approximately the same. At the bottom of the drill string the specific weight is lb/ft3 (at a pressure of 270 psia and 論文翻譯 22 a temperature of 160?F). The pressed air exits the drill bit orifices into the bottom of the annulus (bottom of the well) with a specific weight of lb/ft3 (at a pressure of 260 psia and a temperature of 160?F). 論文翻譯 23 第一章：引言 此書來源于工程實踐，適用 于工程師，地球科學家，以及現代旋轉鉆探的工程技術人員。書中聯系天然氣鉆井技術說明工程計算技術。由于此書涉及多種專業(yè)和許多潛在應用，所以作者盡可能地減少使用場方程。為使此書通俗易懂，書中盡量使用簡單的術語。書中的大部分，方程都可以用任何一套一致的單位給出。雖然計算例子使用英制，但是讀者可以很容易的轉換成國際單位制。 空氣和天然氣鉆探技術是利用壓縮空氣或其他氣體作為循環(huán)回轉鉆進液，使鉆頭鉆入井底，將巖屑攜帶到表面。壓縮空氣或其他氣體（如氮氣或天然氣）能利用自身或淡水，地下水，油等壓縮流體注入井底。有三個不同的業(yè) 務應用這一技術：空氣或天然氣鉆井作業(yè)（只用壓縮空氣或其他氣體作為循環(huán)液）， 曝氣鉆井作業(yè)（用壓縮空氣或其他壓縮氣體混合做壓縮流體），穩(wěn)定泡沫鉆井作業(yè)（用壓縮空氣或其他氣體的壓縮形成聯系的泡沫液循環(huán)）。 回轉鉆進是在地殼巖層鉆深孔的方法。這是一種新的鉆探方法，是法國工程師 Rudolf Leschot于 1863年首次發(fā)明的。該方法最初利用淡水循環(huán)液做水井鉆機。今天這個方法是唯一鑿巖鉆深孔技術（大于 3000英尺）。雖然我們不知道空壓機最初何時用于鉆探水井，但是空氣壓縮機是在 1920年用于鉆探石油天然氣井的。管道煤氣天然氣井在 1935年利用反循環(huán)技術在德州鉆鑿。 今天回轉鉆進用來鉆各種鉆孔。多數需鉆進巖層的水井和環(huán)境監(jiān)測井都是利用旋轉鉆進。在礦業(yè)中，回轉鉆進用來鉆先導孔以引導大型骨干鉆孔?；剞D鉆進技術用來鉆需要通過河流公路及其他自然和人為阻力的水，油，氣及其他流體管道。最近，回轉鉆進鉆井正用于光纖通信線路障礙等諸多領域，如工業(yè)用地和瀕論文翻譯 24 臨物種等?；剞D鉆進最尖端的應用是鉆深孔鉆井用來回收象原油，天然氣，地熱和水蒸氣等資源。流體資源回收井需鉆探到規(guī)定深度 3000尺，高達二萬英尺。 回轉鉆進應用機器廣泛。鑒于上 述，旋轉鉆探可用來鉆探火成巖，變質巖，沉積巖。然而，為回收原油和天然氣的深鉆鉆孔幾乎完全在沉積巖中進行。回收熱能和水蒸汽的鉆孔完全在上述三種巖石類型中進行。旋轉鉆探方法需要使用破碎或切割巖石的鉆頭。圖 1— 1是一個典型磨齒三牙輪鉆頭。這種鉆頭采用了更多的行動推進鉆頭來破碎巖石（更多細節(jié)見第三章）。這種鉆頭主要用于沉積巖的鉆進。 為了提高鉆頭在巖石中的鉆進速度，要求鉆頭要有一定的軸向力（將鉆頭壓入巖石表面），扭矩（輪流各點來克服巖石阻力），和能夠將影響鉆頭性能的巖屑帶走的沖洗液（見圖 1— 2）。 旋轉鉆探適用 于各種鉆機，可以是小型“單一”鉆機，或較大的“倍增器”和“三重”鉆機。今天大部分陸地旋轉鉆機采用移動折疊形式。單一鉆機有一個接頭鉆桿垂直桅桿空間。 圖 1— 3給出了一個典型的單一石油鉆機。這中小型鉆機具有很高的機動性，主要用來鉆淺水井（小于 3000尺深度），環(huán)境監(jiān)測井，某些采礦井和一些巖土鉆論文翻譯 25 孔。小鉆井通常都是自推進，圖 1— 3這種自推進鉆井是 E公司推出的節(jié)能明星產品。這些典型鉆機使用一個鉆桿一個鉆頸圈。 論文翻譯 26 單身鉆機裝有星載空壓機或星載泥漿泵。這些鉆機能容納 兩個子系統(tǒng)。這些鉆機在甲板上有一個專用的動力源，或者有一個可以利用卡車發(fā)動機做為原動機的啟動系統(tǒng)（當卡車靜止時）。這些小型鉆機通過鉆鏈或電纜驅動下拉系統(tǒng)或液壓下來系統(tǒng)提供給鉆頭軸向力。下拉系統(tǒng)將鉆機的一部分重量傳遞給鉆機的頂部直置鉆頭。鉆的頭部的扭矩和旋轉由可以上下拉動的液壓傳動系統(tǒng)提供（類似于電力系統(tǒng)用與大型旋轉鉆機）。許多這些小型單身鉆機能夠鉆與桅桿成 45度和90度之間的井。這些鉆機的原動機通常是菜油機。 圖 1— 4顯示了一個典型的雙重鉆機。這種鉆機也可以自行移動或拖動。圖15是一個雙重自行式鉆機的示意 。 論文翻譯 27 圖 14中的拖車鉆機是喬治 E公司的產品。這種雙鉆機能鉆進大約一萬尺深度，通常用于石油和天然氣鉆井作業(yè)，地熱鉆井作業(yè)，深部開采，巖土探礦作業(yè)和水井。典型的雙重鉆機通常采用兩個鉆頸圈或一個鉆桿。這些鉆機裝有能控制轉盤，絞車，泥漿泵的星載原動機，鉆頭上的軸向力由鉆頸圈提供，鉆的頂部的旋轉和扭矩由轉盤提供。雙鉆機有一個幾乎可以折疊起來的撬棍槽或甲板，這就使這些鉆機擁有了兩鉆鋌或兩鉆桿的拉力。這些鉆機能使用鉆探泥漿（利用星載泥漿泵）或壓縮空氣或鉆探氣體（利用外部壓縮機）進行鉆井作業(yè)。這些鉆機能達到與桅桿成 45度到 90度間的鉆探能力，這些鉆機的原動機通常都是柴油燃料，但是很容易就能改建成丙烷或天然氣燃料。 三重鉆機裝有多種配置，幾乎所有這些鉆機都是按部分組裝的，這些鉆機上的立塔式結構被稱做井架。這種小型三重陸地鉆機大約可以鉆進 20200英尺，使用范圍是兩個鉆環(huán)和一個鉆桿。大型三重鉆機用在海上平臺，這些鉆機的使用范圍是三個鉆環(huán)和一餓鉆桿。 論文翻譯 28 圖 15顯示了一個典型的自行推進雙重鉆機。這個鉆機裝有一個泥漿泵用來鉆井泥漿循環(huán)。它有一個發(fā)動機用來推動鉆機在路面上行駛，這樣的發(fā)動機還可以給沒有專用發(fā)動機的轉盤，絞車，泥漿 泵提供能量。象這樣的鉆機，它的能量轉移發(fā)動機驅動液壓泵將能量轉移給液壓馬達，在傳遞給轉盤，絞車和泥漿泵。桅桿上的鉆槽說明了此鉆機有一個鉆桿兩個鉆縫。這個鉆機利用輪盤提供扭矩給鉆的頂部。鉆頭上的軸向力由鉆底部的鉆環(huán)的重量提供（此鉆機沒有繩索下拉能力）。這個例子示意性的顯示了一個能提供鉆井泥漿和循環(huán)水做循環(huán)液的鉆機。鉆機甲板前方的小型空壓機是鉆機的氣動控制裝置，然而，這臺鉆機可以很容易的用來空氣和天然氣鉆井作業(yè)。這種類型的鉆機（已裝有泥漿泵）需要一個輔助構件將外部空氣壓縮進行空氣鉆井作業(yè)。這種空氣鉆井作業(yè)所需要 的壓縮系統(tǒng)及相關設備都是有專業(yè)的生產商提供的。 兩種循環(huán)技術能用于泥漿鉆井系統(tǒng)和空氣或天然氣鉆井系統(tǒng)。這兩種循環(huán)技術是正向循論文翻譯 29 環(huán)和逆向循環(huán)。 正向循環(huán) 圖 16是一個回轉鉆探的例子，是裝在典型雙向鉆機上的正向泥漿循環(huán)系統(tǒng)。正向循環(huán)要求鉆探泥漿（或處理過的水）流過淖泵（泥漿泵），穿過桅桿的頂部，穿過回轉軟管，穿過旋轉到達內部，到達鉆桿和鉆圈的內部，通過鉆頭（在井的底部）到達鉆的外面和鉆孔里面的環(huán)行空間。鉆探泥漿將巖屑帶走，經過環(huán)形出水面，然后將其帶到表面，再用泥漿振動篩將其從泥漿中分離 出來；然后泥漿流向泥漿桶（將泥漿吸引到一邊再使其流向井中）。雙重（三重）鉆機上的污水泵一般都采用正向活塞式。 單身鉆機的泥漿液通常是在地層表面深挖一個坑，然后墊上不透水的塑料襯墊的淡水。重型的軟管從泥漿泵的吸力端（見圖 15）延伸到泥坑中。井水在泥坑中被抽出，通過泵，通過管道系統(tǒng)，通過旋轉的軟管，通過液壓傳動系統(tǒng)到達鉆桿的內部，然后再通過鉆頭到達井底。鉆井水攜帶巖屑經由鉆桿的外部和鉆孔內部的環(huán)形面到達表面。在表面帶著巖屑的鉆探泥漿（水）從環(huán)形面流向坑里，巖屑沉積在坑底。單一鉆機泵通常都采用小型正向往復活塞式 或離心式。 論文翻譯 30 圖 17詳細的顯示了用在雙重或三重鉆井的正向流通壓縮空氣鉆井系統(tǒng)。正向循環(huán)要求被壓縮機壓縮的大氣被推進桅桿的頂部，通過旋轉軟管，到達鉆桿和鉆頸圈的內部，通過鉆頭（在鉆孔的底部）進入到鉆與鉆孔間的環(huán)面空間。壓縮空氣使巖石破碎并將巖屑帶到表面。壓縮空氣和巖屑經管道進入在表面事先挖好的坑。這些坑鋪上防滲塑料襯墊。 為了這些 存儲的 鉆井泥漿安全 的為 偏鉆井所利用。 沉重的環(huán)形流體提供高井底壓力要平衡 (或過重 )高孔 儲存 壓力。 論文翻譯 31 圖 112:避免損失流通 圖 113 還顯示為控制高孔壓 力 繁重的環(huán)柱鉆井 液越有益 ， (增加的箭點向下能力控制高孔隙壓力 )。 大量的 鉆井泥漿如何能 被控制 。 正如前述太重了鉆井泥漿 ， 鉆這個正壓可導致地層損害。 但正壓鉆探有一個更大的風險。 如果是太重了鉆井泥漿的巖層 會結構破裂， 這些可能造成 破裂 的損失可能導致一個循環(huán)泥漿井噴。 圖 113:控制高孔隙壓力 在過去的十年里，據觀察，以流通鉆井井底壓力稍微有流體 的 壓力之下的孔論文翻譯 32 隙流體給附近最佳效果。 這種簡稱為欠平衡鉆井鉆探。 欠平衡鉆井生產 對 形成如流體鉆井無可奈何。 降低或消除這種危險地層損害及排除地層破裂 而造成 喪失流通。 一般來說，如果孔隙壓力 存儲 高改造調整了鉆井泥漿重量 (添加劑 )可以產生適當向欠平衡鉆井鉆井液。 但是 ， 如果不是異常高孔隙壓力隨空氣和天然氣鉆井技術要求 來 減輕鉆井液柱 的環(huán)面 。 圖 114 顯示了各種方案的各自的潛力和鉆井液地層水 保持 鉆孔。 地層水時常常遇到的一個鉆井深度地下目標。 這可以在孔隙水的巖層結構高于目標深度。 如果是用作鉆井泥漿循環(huán)流體， 壓在環(huán)泥柱通常足以把流出的水形成巖層裸露于井中。 打火機鉆井液井底壓力降低，因而 在 水的壓力下，任何暴露或斷裂的鉆探孔結構和巖層。 圖 114 顯示加重鉆井液有更大的能 力來應付地層水流入井(箭點向下增加控制地層水 )。 圖 114:控制生成水流入 流量特性 比較材質是鉆井泥漿的流動特性和空氣鉆進 很好的例子 。 一個很好的 示意性的例子 如圖 115 所表示 。 井套管是從水面到 7000 尺， 5 月 8 日與空氣 /直徑8 英寸、 28。 00 磅 /尺，象 征性的 套管。 出井已經鉆套管用 77/8 英寸直徑鉆頭。 論文翻譯 33 比較在 100 00 英尺的鉆是個好榜樣 (頂至底 )， 77/8 英寸口徑鉆頭、 ~500 尺63/4 英寸外直徑 20 英寸內徑 的十 六 分之十三 。 鉆頸圈、 9， 500 尺的空氣 ~41/2 英寸直徑 16。 60 磅 /尺 名義， eus13數控 50、鉆桿。 圖 115: 對照 好鉆 的 例子 鉆井泥漿水力學計算假設進行鉆井泥漿重量 10 lb/gal (75 lb/ft3)， 賓泥產量的 10lb/100平方英尺、塑膠粘度 centipose30。 鉆孔機 假設有 3個 三十二分之十三英寸口徑噴嘴、鉆井泥漿循環(huán)流動比率 300GALS/minute。 圖 116顯示 預想 的壓力，在壓縮功能的深度作為鉆井泥漿。 這個 圖 是在一塊內部的壓力鉆。 ，壓力大約在 1， 400 psig 注在底層內 鉆孔機 弦上方的 鉆頭噴嘴 6， 000 psig的壓力 。 又是一個 計劃 的論文翻譯 34 圓環(huán)的壓力。 壓力約為 5， 440 psig 排在下方的環(huán)形噴嘴鉆頭、 0 psig在高高的環(huán)在水面。 圖 116反映了在靜水壓力重量欄鉆井泥漿和流體阻力從內部流程面演練 一列 和表面的圓環(huán)。 這一結果流阻力摩擦壓力損失。 總摩擦損失的總和管壁、鉆頭和阻力孔板流量。 這個例子說明了鉆井泥漿鉆設計有露天 大直徑孔板或噴嘴開放該鉆頭。 這反映了損失大約 700 psi防擴散通過鉆頭。 噴嘴直徑較小的 比大直徑 鉆頭 在 表面虧損更高的注射壓力。 圖 116:鉆井泥漿壓力與深度 空氣鉆井計算假設進行海上鉆井作業(yè)的水平。 1200scfm能有兩個壓縮機頻率矩陣集，每個所以總容積的流量是 2400scfm頻率矩陣集鉆。假設有 3位開口 (直徑~0。 80英寸 )。 圖 117顯示圖謀的壓力壓在了空中