為了勘探與開采蘊藏在地層深處的石油和天然氣，人們必須利用各種鉆井設備與工具，鉆穿堅硬而復雜的地層，這便是鉆井工作的主要任務。為了滿足我國石油工業(yè)飛速發(fā)展的需要，必須多打井、快打井、打好井，實現(xiàn)鉆井速度翻番。為此，在充分調動人的積極因素的同時，還必須為鉆井工作者提供先進的、性能良好的鉆井設備與工具，充分利用現(xiàn)代科學技術為石油鉆井工作服務。

鉆井設備及工具包括地面鉆井設備(石油鉆機)以及鉆頭、鉆柱等。

一、石油鉆機1.鉆機的組成現(xiàn)代石油鉆機是一套大型聯(lián)合機組。圖5-2所示為旋轉鉆井的基本設備。根據(jù)鉆井工藝中鉆進,洗井,起、下鉆具等工序的需要，一套鉆機必須具備下列系統(tǒng)和設備：

圖5-2　鉆井設備

(1)起升系統(tǒng)。用于起、下鉆具，更換鉆頭，下套管等作業(yè)。

(2)旋轉系統(tǒng)。用于帶動鉆具旋轉，破碎巖石，加深井眼。

(3)循環(huán)系統(tǒng)。用于循環(huán)鉆井液以清洗井底，攜出已被破碎的巖屑，保證連續(xù)鉆進。

(4)動力設備。驅動絞車、轉盤、鉆井泵等工作機的動力設備，多用柴油機，也有部分鉆機由交流或直流電動機驅動。

(5)傳動系統(tǒng)。主要任務是把動力設備的能量傳遞和分配給各工作機。

(6)控制系統(tǒng)。為了指揮各系統(tǒng)協(xié)調地進行工作，在整套鉆機中還裝有各種控制設備，如機械、液動或電控制裝置，配備有集中控制臺和觀測記錄儀表等。

(7)底座。包括鉆臺底座、機房底座和鉆井泵底座等。

(8)輔助設備。一般包括井口防噴裝置、空氣壓縮設備、輔助發(fā)電設備、輔助起重設備、井口工具及活動房屋等。

2.井口工具為了起、下鉆具和旋卸鉆具，需要使用吊鉗、吊卡和卡瓦等手動井口工具。

吊鉗由幾個鑲有牙板的鉗頭和鉗柄組成，它們之間用鉸鏈互相連接。吊鉗用來旋卸鉆桿、鉆鋌等組成鉆柱的各類下井工具的連接絲扣。吊鉗都是內外兩把(一正一反)成對使用，用貓頭繩來旋扣。

吊卡用來懸持、提升和下放鉆柱。吊卡的內徑比鉆桿外徑略大，但比鉆桿接頭的外徑小。工作時卡住鉆柱接頭，以便進行起、下鉆。

當旋接或卸開鉆柱時，位于井內的那段鉆柱必須暫時懸掛在轉盤上。裝入轉盤補心中的卡瓦是用來卡住鉆桿并懸持鉆柱的。

隨著深井、硬地層及海洋鉆井數(shù)量的迅速增加，起、下鉆操作的工作量顯著增加。用上述手動井口工具旋卸絲扣體力消耗大、工效低、又不安全，迫切需要改進。目前，已有多種形式的動力大鉗和動力卡瓦廣泛用于鉆井生產(chǎn)中。加快了起、下鉆速度，減輕了工人的勞動強度，為進一步實現(xiàn)鉆井工作的全盤機械化、自動化打下了基礎。

3.井口防噴器鉆開高壓油氣層時有可能發(fā)生井噴，引起嚴重事故。為了在井噴發(fā)生時能控制井內鉆井液和油、氣、水的噴出，通常在鉆臺下面安裝防噴器。目前國內外生產(chǎn)的鉆機上都配備整套較完善的防噴器系統(tǒng)。如圖5-3所示為壓力等級在21～34MPa的防噴器組合。

圖5-3　井口防噴器組示意圖

一般每臺鉆機配備3～4套防噴器，如閘板防噴器、旋轉防噴器和萬能防噴器等。閘板防噴器有單閘板、雙閘板和三閘板三種。閘板的結構又有盲閘板、孔閘板和剪刀閘板三種?？组l板的芯子中心有孔，鉆井過程中發(fā)生井噴時，可將鉆柱與套管之間的環(huán)形空間封閉，防止井內的鉆井液、油、氣、水噴出，也稱為鉆桿防噴器。盲閘板防噴器也稱為全封閉防噴器，其芯子可直接把井口封閉，用于井口無鉆桿的情況下。剪刀閘板可以在緊急情況下剪斷井中的管子，以保證井口安全。旋轉防噴器的結構特點是：其橡膠芯子可以在抱緊鉆桿的情況下隨鉆桿一起旋轉，從而可以在封閉鉆桿與套管環(huán)形空間的同時，滿足邊噴邊鉆的工藝要求。萬能防噴器的膠皮芯子能在幾秒鐘內對任何鉆具進行封閉，爭取寶貴的搶險時間。

當鉆機上配備有閘板防噴器、旋轉防噴器和萬能防噴器三類防噴器時，它們既可以單獨使用，也可以重疊使用，可以實現(xiàn)邊噴邊鉆，不壓井起、下鉆和反循環(huán)鉆井等鉆井新工藝。大多數(shù)防噴器都配有手動和液動兩套控制裝置，以便在緊急情況下遠距離控制。

二、鉆具在鉆井中除必須配備一整套的地面鉆井設備外，還要配備一系列井下鉆井工具。包括鉆井時下入井內的鉆頭、鉆柱、井下動力鉆具、取心工具以及一些輔助鉆井工具(如事故處理工具)等。井下鉆井工具簡稱為鉆具。

鉆柱是從鉆頭到地面全部管柱的總稱。鉆柱是連通地面與地下的樞紐，是實現(xiàn)優(yōu)質快速鉆井的重要手段和工具。隨著鉆井深度的不斷增加，鉆井工藝技術不斷發(fā)展，對鉆柱的性能要求也越來越高。目前，已廣泛使用具有防斜、防震、防卡等作用，由一種或數(shù)種鉆具組合而成的復合鉆柱。這種復合鉆柱與不同的工藝措施相互配合，可以控制井斜的變化、改善鉆頭的工作狀態(tài)、減少卡鉆事故，進而獲得多方面的綜合效益。

鉆柱的使用貫穿于鉆井作業(yè)的全過程，因此鉆柱的作用有：(1)起下鉆頭；(2)施加鉆壓；(3)傳遞動力；(4)輸送鉆井液。鉆柱在井下工況復雜、環(huán)境惡劣，往往是鉆井設備和工具中的薄弱環(huán)節(jié)。正確選配鉆柱、合理使用好鉆柱，對于提高鉆井速度、降低鉆井成本有著不可忽視的重要意義。

鉆柱由多種不同的鉆具組成。其組成方式隨鉆井條件和鉆井方法不同而有區(qū)別。組成鉆柱的基本鉆具包括鉆鋌、鉆桿、方鉆桿和配合接頭。

1.鉆鋌鉆鋌又叫做加重鉆桿。在鉆井時，鉆鋌下面與鉆頭相連，用自身的重力給鉆頭施加壓力。鉆鋌的特點是壁厚、強度和剛度大，受壓后不易彎曲，因而有利于鉆直井眼。

2.鉆桿鉆桿連接在鉆鋌和方鉆桿之間。鉆桿的兩端裝有相互連接用的接頭。鉆井工人習慣稱單根鉆桿為“單根”，2～3根鉆桿連在一起時稱之為“立根”。

鉆桿的壁厚比鉆鋌薄。鉆桿在井內旋轉時與井壁摩擦而不斷磨損，在拉、壓與扭轉力的作用下有時會出現(xiàn)折斷事故。近年來，已廣泛使用對焊接頭鉆桿和高強度鋁合金鉆桿等，從而減輕了鉆柱重力，減少了鉆桿的折斷事故。

3.方鉆桿方鉆桿連接在鉆柱的最上部，它的多邊形截面與轉盤中的方補心內孔相配合。方鉆桿進入轉盤后只能上下移動，因此在轉盤旋轉時，就能帶動鉆桿、鉆鋌和鉆頭旋轉鉆進。為了避免接單根后方鉆桿入不了轉盤，方鉆桿的長度一般比鉆桿長2～3m。

4.配合接頭由于組成鉆柱的鉆具種類、尺寸和扣型不同，因此一般不能直接相互連接，需要使用配合接頭才能連接成統(tǒng)一和諧的鉆柱。

綜上所述，鉆鋌、鉆桿、方鉆桿和配合接頭等幾種鉆具構成了基本的鉆柱。隨著鉆井工藝技術的發(fā)展，在鉆井中除使用上述基本鉆柱外，還研究開發(fā)出一系列能進一步提高鉆井工作指標的復合鉆柱。使用最廣泛的是基本鉆柱加三器(扶正器、減振器和震擊器)構成的復合鉆柱。鉆具組成如圖5-4所示。

圖5-4　鉆具組成示意

1—水龍頭；2—配合接頭；3—方鉆桿；4—保護接頭；5—鉆桿；6—鉆鋌；7—配合接頭；8—鉆鋌；9—鉆頭5.扶正器要用好鉆頭、提高鉆速，就要強化鉆井措施。一般情況下，鉆壓加得過大就會引起井斜。在鉆井實踐中往往根據(jù)地層的不同性質和防斜要求，用扶正器構成多種防斜鉆柱。通常要使用好幾個扶正器：下扶正器緊接在鉆頭之上，中扶正器距鉆頭約十幾米。鉆進時，扶正器與井壁接觸，對鉆頭起扶正和導向作用。為了保證扶正器能較好地接觸與支承井壁，其外徑要盡可能接近鉆頭直徑。

加用扶正器構成的防斜鉆柱若設計和使用恰當，可以防斜，使井眼規(guī)則，保證鉆頭平穩(wěn)工作，提高工作指標。實踐證明，這些防斜措施是行之有效的。

6.減振器減振器能吸收鉆井過程中所產(chǎn)生的沖擊和振動負荷，從而提高鉆頭的使用壽命，減輕鉆鋌以及其他井下鉆具的疲勞。減振器一般都裝在靠近鉆頭的地方。

減振器的最主要構件是減振元件。有各種類型的減振元件：不銹鋼網(wǎng)柱、橡膠筒、鋼蝶形盤、鋼彈簧及可壓縮介質(水墊或氣墊)等。有些減振器只能吸收垂直振動，而另一些減振器可以同時吸收垂直和扭轉振動。

國外從20世紀50年代開始研究減振器，60年代推廣使用，取得了明顯的效益。

7.震擊器由于普遍使用小間隙的扶正器、滿眼鉆具等防斜鉆柱以及減振器等特殊鉆具，增加了卡鉆的可能性，尤其是在復雜地層中。國外很早就使用震擊器，不僅僅把它作為打撈和處理卡鉆事故的常用工具之一，而且在地層測試、取心鉆進、側鉆、套銑等作業(yè)和正常鉆進時也在鉆柱中裝接震擊器。震擊器的結構類型很多，有機械的和水力的等。它們都是采用一定的結構，在鉆柱受拉作彈性伸長時積存彈性能量，當拉到一定位置時突然釋放能量使震擊器發(fā)生震擊動作，震動被卡的下部鉆柱以達到解卡目的。

三、鉆頭油氣埋藏在地下，為了尋找油氣，取得地下資源，必須大量地破碎巖石、鉆穿地層?，F(xiàn)在的鉆井方法主要是用機械方法破碎巖石。破碎巖石的工具就稱為鉆頭。

鉆頭是破碎巖石、形成井眼的主要工具。鉆頭的性能直接影響著鉆井速度、鉆井質量與鉆井成本。如果能少用鉆頭迅速鉆完一口井，那將會使整個鉆進過程中的起、下鉆次數(shù)減少，建井速度加快，鉆井成本降低。因此，制造具有高破碎效率、堅固耐用的鉆頭，選擇和使用好鉆頭，就具有特別重要的意義。

由于鉆頭所破碎的巖石性質不同、鉆井目的和要求不同，在石油鉆井中會使用多種不同類型的鉆頭，如刮刀鉆頭、牙輪鉆頭和金剛石鉆頭等。使用最廣泛的是牙輪鉆頭，多用于中硬和堅硬地層以及深井中。刮刀鉆頭在我國一些高塑性、軟地層的油田也有突出的地位。金剛石鉆頭在極硬地層和深井中使用效果較好。隨著鉆井技術的發(fā)展，鉆頭的類型和結構也在不斷發(fā)展和改進。20世紀70年代以后，出現(xiàn)了以人造金剛石為切削元件的鉆頭。多年的現(xiàn)場使用效果已經(jīng)證明，這種鉆頭具有很好的發(fā)展遠景。

1.刮刀鉆頭刮刀鉆頭是旋轉鉆井中最早使用的一種鉆頭。這種鉆頭結構簡單、制造方便，各油田都能自己設計和制造。刮刀鉆頭適用于鉆松軟的地層(如泥巖、頁巖和泥質膠結的砂巖等地層)，可以取得很高的機械鉆速和鉆頭進尺。但是，在鉆硬且研磨性高的地層時，刀片吃入困難、鉆頭磨損快、機械鉆速低，有時還出現(xiàn)憋跳現(xiàn)象，對鉆具和設備壽命有一定的影響。盡管如此，只要我們正確使用，充分發(fā)揮刮刀鉆頭在軟地層中鉆進的優(yōu)勢，對提高鉆井速度、降低鉆井成本仍然是有效的。

20世紀70年代以后，我國開始研制和使用人造金剛石刮刀鉆頭。這種鉆頭刀翼的幾何形狀基本上與硬質合金鑲塊刮刀鉆頭相同，只是將部分硬質合金塊換成了人造聚晶金剛石鑲塊。由于金剛石的耐磨性高于硬質合金，可以增加鉆頭的使用時間，延長鉆頭壽命，提高單只鉆頭進尺，創(chuàng)造出許多先進的鉆井指標。

2.牙輪鉆頭牙輪鉆頭是石油鉆井中使用最廣泛的鉆頭。牙輪鉆頭旋轉時具有沖擊、壓碎和剪切破碎巖石的作用。牙齒與井底的接觸面積小、比壓高，工作扭矩小，工作刃總長度大。因而使牙輪鉆頭能適用于多種性質的巖石。常用的三牙輪鉆頭如圖5-5所示。

圖5-5　三牙輪鉆頭

目前，國內各鉆頭廠根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場需要，不斷引進先進技術，使牙輪鉆頭的生產(chǎn)在品種、數(shù)量和質量方面都得到很大的提高，已初步建立了國產(chǎn)牙輪鉆頭的產(chǎn)品系列。

根據(jù)牙齒的特征，將三牙輪鉆頭產(chǎn)品分為銑齒鉆頭和鑲齒鉆頭兩大類。其中銑齒鉆頭有六個系列，鑲齒鉆頭有兩個系列。

in、6in等規(guī)格的鉆頭。國外鉆頭系列十分繁雜，這里不做介紹。

3.金剛石鉆頭以金剛石做工作刃的鉆頭稱為金剛石鉆頭。金剛石鉆頭早期是在地質鉆探中使用，在石油鉆井中使用只有四十多年的歷史,最初只用在極硬地層和研磨性大的地層。近年來，金剛石鉆頭品種增加，使用范圍擴大。從極軟地層到極硬地層均可使用，并取得了滿意的效果。

金剛石鉆頭的結構比較簡單，主要由金剛石、胎體、鋼體和接頭等四部分組成，如圖5-6所示。

圖5-6　金剛石鉆頭

1—鋼體；2—胎體；3—金剛石；4—接頭接頭上部有用于連接鉆柱的絲扣。鋼體與接頭之間也用絲扣連接，然后焊死形成一體。鋼體下部與胎體燒結在一起。胎體是固定金剛石的母體，由帶粘結劑的碳化鎢粉制成，中間有水眼，底面有水槽，側面開有排屑槽。

聚晶金剛石切削塊鉆頭是20世紀70年代后期美國鉆井工業(yè)的一項重要成就。這種鉆頭的切削塊是用人造金剛石單晶在高溫高壓下聚合而成的聚晶體。鉆進時，聚晶體不斷剝落，新的鋒銳小晶體不斷出露，因而能使切削塊在磨損過程中不斷地“自銳”。其切削刃是鋒利、高耐磨、能夠“自銳”的金剛石切削塊，因此能在低鉆壓下取得高進尺(為牙輪鉆頭的4～6倍)和高鉆速(為牙輪鉆頭的2倍以上)。聚晶金剛石切削塊鉆頭有聚晶金剛石復合片鉆頭(簡稱PDC鉆頭)、熱穩(wěn)定聚晶金剛石鉆頭(簡稱TSP鉆頭或BDC鉆頭，也稱巴拉斯鉆頭)、馬賽克鉆頭和大復合片PDC鉆頭。

PDC鉆頭切削塊上的聚晶金剛石復合片極薄極硬，比碳化鎢底層的抗磨性高100倍以上。鉆頭工作時，由于碳化鎢比復合片磨損得快，使復合片隨時裸露出保持銳利的刃口。在較低的鉆壓下即可切入巖石，并在扭矩的作用下切削巖石。由于切削塊可以“自銳”，這就使整個鉆進過程中鉆頭以切削方式破碎巖石，從而能實現(xiàn)快速鉆進。PDC鉆頭適用于軟至中硬地層。

巴拉斯鉆頭的切削塊是耐溫1200℃的熱穩(wěn)定聚晶人造金剛石。熱穩(wěn)定聚晶金剛石切削塊可制成三角體形、立方體形、圓柱體形和針狀等多種幾何形態(tài)。巴拉斯鉆頭以剪切和研磨方式破碎巖石，適合在中硬到硬地層使用，曾經(jīng)獲得過很好的鉆井指標。四川川東地區(qū)的試驗結果表明：用這種鉆頭在某些地層中鉆進，比XHP5型三牙輪鉆頭平均鉆頭進尺提高2～4倍、機械鉆速提高20%～40%、純鉆井成本下降10%～12%。

馬賽克鉆頭既有熱穩(wěn)定聚晶塊的耐高溫性質，又兼有復合片的切削能力。

目前，天然金剛石鉆頭和大復合片PDC鉆頭在油田使用較多，能獲得滿意的經(jīng)濟效益。