钻井方法及原理是什么？

1　人工挖井方法

1973年出土于浙江余姚县的河姆渡古井是世界上目前已知的最古老的水井，经14C测定表明它是5700多年前的产物。

挖掘井阶段大约从远古到西周末年，我们的祖先用原始的工具，诸如石铲等手工挖井，井的深度很浅。在公元前15世纪前后我国的甲骨文中就出现有“井”字。

2　冲击钻井方法

冲击钻井方法经过了三个阶段，即顿钻大口井阶段、顿钻小口井（卓筒井）阶段和机械顿钻阶段。

1）顿钻大口井阶段

最初的顿钻设备，主要由“踩架”和井架组成。“踩架”上有碓板，碓板一端悬挂着钻头，它是直接钻凿岩石的工具；碓板另一端供人踩踏，使钻头反复上提、下顿，产生冲击运动。

2）顿钻小口井（卓筒井）阶段

从北宋开始，我国古代钻井技术又有了新的发展。一是顿钻大口井发展为顿钻小口井。当时把口径只有“碗口大小”的小口井称为卓筒井，卓筒井地面设备、井身结构示意图如图6-11所示。

图6-11　卓筒井地面设备、井身结构示意图

3）机械顿钻阶段

从19世纪中叶到20世纪初是用钢铁工具和设备，用蒸汽机作动力，进行冲击钻井的近代顿钻阶段，也称机械顿钻阶段。1842年，蒸汽动力用于石油钻井；1859年，德雷克使用蒸汽动力的绳式顿钻钻机钻出第一口具有商业开采价值的油井。绳式顿钻钻机此后独占主流，20世纪初被旋转钻机所取代。机械顿钻与卓筒井技术一脉相承，是在中国人的原创技术上，应用工业社会的成果发展起来的。

3　旋转钻井方法

石油钻井是在钻头上给所钻的地层加一定的压力，使钻头的牙齿嵌入地层，然后旋转钻头，利用旋转钻头的扭矩来切削岩石，并用循环的钻井液将岩屑带出井眼，以保证持续钻进。

转盘旋转钻井示意图见图6-12，石油钻井的地面配套设备称为钻机，石油钻机是由多种机器设备组成的一套大功率重型联合工作机组，它的每一种设备和机构都是为有针对性地满足钻井过程中某一工艺需要而设置的，整套钻井设备由六个系统组成：

图6-12　转盘旋转钻井示意图

1—天车；2—游动滑车；3—大钩；4—动力机；5—钻井泵；6—空气包；7—钻井液池；8—钻井液槽；9—旋流除砂器；10—钻井液振动器；11—表层套管；12—钻杆；13—钻铤；14—钻头；15—井眼；16—防喷器；17—转盘；18—绞车；19—方钻杆；20—水龙头

（1）动力系统。

钻井好像是一座流动性大的独立作业的小型工厂。钻机所需的各工作系统大多数是用柴油机作发动机，通过变速箱直接驱动或由柴油机发电来驱动钻井设备的。动力系统的作用是产生动力，并把动力传递给钻井泵、绞车和转盘。

（2）起升系统。

起升系统主要用来起升、下放或悬吊钻柱、套管柱等，主要完成起下钻、接单根和钻进时的钻压控制任务。这个系统主要由井架、天车、游车、大绳、大钩、吊环及绞车等组成。一般用最小的提升速度和最大的负载来确定提升系统的能力。

（3）旋转系统。

旋转系统主要由转盘、转盘变速箱、水龙头、方钻杆组成，主要功能是保证在洗井液高压循环的情况下，给井下钻具提供足够的旋转扭矩和动力，以满足破岩钻进和井下的其他要求。旋转系统还有接、卸钻柱和钻具的功能。

（4）循环系统。

钻机循环系统最主要的功能是在钻进中通过循环洗井液从井底清除岩屑、冷却钻头和润滑钻具。钻机循环系统主要包括钻井泵、钻井液净化装置（固相控制设备）和钻井液槽、罐等。整个循环系统的中心设备是钻井泵。

（5）气控系统。

气控系统主要包括控制面板（控制机构）、传输管线和阀门、执行机构（如气动离合器、气缸和气马达等）以及压风机等。气控系统的功能是确保对整个工作机构及其部件的准确、迅速控制，使整机协调一致地工作。

（6）井控系统。

在整个钻井作业过程中，井控系统要对井下可能发生的复杂情况进行控制和处理，以恢复正常作业。井控系统包括四个主要部分：防喷器组、储能器机组和防喷器组遥控面板、节流管汇、压井管汇。

石油钻井三牙轮钻头使用寿命时间因多种因素影响，如使用环境、钻井设备能力、岩石类型、地层规律等都会影响到三牙轮钻头的寿命。然而，大致情况下，单个钻头的使用寿命在500米到800米之间，这取决于要钻探的地层类型。在钻井作业过程中，定期更换钻头，对于保障钻井作业的顺利进行以及保障钻头的钻头面的清洁和形状都至关重要，如果不及时更换和维护，钻头容易损坏或失效，导致钻井作业或者采油作业的停滞。

磨钻头最简单的方法如下：

1、磨钻头前，先要将钻头的主切削刃与砂轮面放置在一个水平面上，也就是说，保证刃口接触砂轮面时，整个刃都要磨到。这是钻头与砂轮相对位置的第一步，位置摆好再慢慢往砂轮面上靠。

2、这个角度就是钻头的锋角，此时的角度不对，将直接影响钻头顶角的大小及主切削刃的形状和横刃斜角。这里是指钻头轴心线与砂轮表面之间的位置关系，取60°就行，这个角度一般比较能看得准。

3、刃口接触砂轮后，要从主切削刃往后面磨，也就是从钻头的刃口先开始接触砂轮，而后沿着整个后刀面缓慢往下磨。

钻头：

在钻井过程中钻头是破碎岩石的主要工具，井眼是由钻头破碎岩石而形成的。一个井眼形成得好坏，所用时间的长短，除与所钻地层岩石的特性和钻头本身的性能有关外，更与钻头和地层之间的相互匹配程度有关。

钻头的合理选型对提高钻进速度、降低钻井综合成本起着重要作用。钻头是进行石油钻井工作的重要工具之一，钻头是否适应岩石性质及其质量的好坏，在选用钻井工艺方面起着非常重要的作用，特别是对钻井质量、钻探速度、钻井成本方面产生着巨大的影响。

PDC钻头是当今石油和天然气勘探开发行业广泛使用的一种破岩工具，它有效地提高了机械钻具，缩短了钻井周期。