石油鉆井鉆進(jìn)工具-鉆頭和鉆柱詳解課件

1、石油鉆進(jìn)工具鉆頭和鉆柱本章主要內(nèi)容：第一節(jié) 鉆頭 鉆頭的類型及工作原理 鉆頭的選型及分類方法 鉆頭的合理使用第一節(jié) 鉆柱 鉆柱的組成及功用 鉆柱的工作狀態(tài)及受力分析 鉆柱設(shè)計(jì) 一、概述1. 鉆頭類型(1)按結(jié)構(gòu)及工作原理分類: 刮刀鉆頭 牙輪鉆頭 金剛石鉆頭（包括PDC鉆頭） (2)按功用分類 全面鉆進(jìn)鉆頭 取心鉆頭 擴(kuò)眼鉆頭2. 鉆頭尺寸系列 3-3/4 - 36 第一節(jié) 鉆頭（Drill Bit)常用尺寸：26 “ 、171/2 ” 、121/4 “、 81/2 ”等3. 鉆頭的工作指標(biāo) 鉆頭進(jìn)尺（米） 鉆頭工作壽命（小時(shí)） 機(jī)械鉆速（米/小時(shí)） 單位進(jìn)尺成本（元/米）：二、刮刀鉆頭（Dr

2、ag Bit） （一）刮刀鉆頭的結(jié)構(gòu)上鉆頭體、下鉆頭體（分水帽）、 刀翼、水眼。圖2-1 刮刀鉆頭結(jié)構(gòu)刀翼三刀翼的稱作三刮刀鉆頭兩刀翼的稱作兩刮刀鉆頭或魚 尾刮刀鉆頭四刀翼的稱作四刮刀鉆頭 刀翼結(jié)構(gòu)：（1） 刀翼結(jié)構(gòu)角 刃尖角刀翼尖端前后刃之間的夾角。 它反映了刀翼的尖銳程度。 越小，刃部越尖銳，越容易吃入地層，但強(qiáng)度越低。一般: 軟地層 =8 10； 硬地層 =12 15 切削角 刀翼前刃和水平面之間的夾角。在相同鉆壓下， 越大，刀刃越容易吃入地層，但旋轉(zhuǎn)扭矩大，剪切刃 前巖石困難。 一般: 松軟地層 70 軟地層 7080； 中硬地層 8085。 刃后角- 刃后角必須大于井底角。 刃前角9

3、0。 (4)提高刀翼的耐磨性刀翼一般采35CrMo或35MnSiMoV高強(qiáng)度合金鋼鍛制而成，以保證有足夠的強(qiáng)度。一般在刀翼表面平鋪一層YG8硬質(zhì)合金塊，在外側(cè)面鑲裝YG8硬質(zhì)合金塊。刀翼表面和外側(cè)面鑲焊人造金剛石聚晶塊。（2）刀翼背部形狀 刀翼的厚度隨距刀刃的距離增加而增厚，呈拋物線形，以確保刀翼強(qiáng)度足以承受彎矩。（3）刀翼底部形狀： 平底、正階梯、反階梯、反錐 （二）刮刀鉆頭的工作原理 刮刀鉆頭主要以切削作用破碎地層。破碎塑性巖石過程： 在鉆壓W作用下，刀翼容易吃入地層；刃前巖石在扭轉(zhuǎn)力T 的作用下不 斷產(chǎn)生塑性流動(dòng)。這和車刀切削軟金屬的過程類似。 破碎脆性巖石過程刮刀鉆頭破碎脆性巖石的過程

4、為： 碰撞 壓碎及小剪切大剪切。（1）碰 撞：刃前巖石發(fā)生剪切破碎后，刀刃在旋轉(zhuǎn)扭矩作用下向前推進(jìn)， 碰撞刃前巖石。（2）壓碎及小剪切：扭轉(zhuǎn)力增大，壓碎刃前巖石，產(chǎn)生小剪切破壞。（3）大剪切：扭轉(zhuǎn)力繼續(xù)增大到某一極限值，刃前巖石沿剪切面破碎，而后扭轉(zhuǎn)力突然減小。刮刀鉆頭制造工藝簡(jiǎn)單，成本低；刮刀鉆頭適用于軟地層，鉆速快，每米鉆進(jìn)成本低；刮刀鉆頭容易磨損成錐形，造成縮徑和井斜；刮刀鉆頭產(chǎn)生劇烈的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，破壞鉆具和設(shè)備；刮刀鉆頭目前已被PDC鉆頭取代。（三）刮刀鉆頭的應(yīng)用 三、牙輪鉆頭（Roller Bit）（一）牙輪鉆頭結(jié)構(gòu) 牙輪鉆頭由鉆頭體、牙抓（巴掌）及牙輪軸、牙輪及牙齒、軸承、儲(chǔ)油潤(rùn)滑密

5、封系統(tǒng)、噴嘴等部分組成。1牙輪及牙齒（1）牙輪20CrMo合金鋼錐體，錐面銑齒或鑲裝硬質(zhì)合金齒，內(nèi)腔有軸承跑道。單錐牙輪：主錐+背錐，硬地層復(fù)錐牙輪：主錐+副錐+背錐，軟到中硬a單錐； b、c復(fù)錐； 1主錐； 2副錐； 3背錐abc （2）牙齒銑齒在牙輪錐面上直接銑出，楔形。 硬質(zhì)合金鑲齒鑲裝在牙輪錐面上，有多種齒形適應(yīng)不同地層。銑齒牙輪鉆頭鑲齒牙輪鉆頭 2軸承 牙輪鉆頭軸承有大、中、小和止推四副。根據(jù)軸承的密封與否，可分為密封和非密封兩類。根據(jù)軸承副的結(jié)構(gòu)，可分為滾動(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承兩大類。 滾動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)：滾柱滾珠滾柱止推 滾柱滾珠滑動(dòng)一止推 滑動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)：滑動(dòng)滾珠滑動(dòng)止推 滑動(dòng)滑動(dòng)（卡簧）滑

6、動(dòng)止推密封圈密封圈滾柱止推臺(tái)階滑動(dòng)摩擦襯套滑動(dòng)摩擦副 為什么滑動(dòng)軸承比滾動(dòng)軸承壽命長(zhǎng)？3儲(chǔ)油潤(rùn)滑密封系統(tǒng)儲(chǔ)油潤(rùn)滑補(bǔ)償系統(tǒng)密封系統(tǒng)： 橡膠密封圈、金屬密封圈工作原理： 儲(chǔ)油壓力補(bǔ)償系統(tǒng)（傳壓孔、壓力補(bǔ)償膜、油杯等）保持軸承腔內(nèi)的油壓與井內(nèi)鉆井液柱壓力相平衡。當(dāng)軸承腔內(nèi)油壓降低，儲(chǔ)油杯中的潤(rùn)滑油在鉆井液柱壓力作用下補(bǔ)充到軸承腔內(nèi)；當(dāng)軸承腔內(nèi)的油壓升高，則流入儲(chǔ)油杯。其中，有效密封是關(guān)鍵。4噴嘴 鉆井液流出鉆頭射向井底的流道。高壓鉆井液流經(jīng)噴嘴后產(chǎn)生高速流動(dòng)的水射流，清除井底巖屑，輔助破碎巖石。 三牙輪鉆頭一般安裝 3 個(gè)噴嘴，直徑713mm。用卡簧固定在水眼內(nèi)，并用o形圈密封。5牙輪及牙齒的布置方

7、式布齒原則：（1）轉(zhuǎn)一周牙齒全部破碎井底，不留下未被破碎的凸起；（2）牙輪在重復(fù)滾動(dòng)時(shí)應(yīng)使牙齒不落入別的牙齒的破碎坑內(nèi)； （3）牙齒磨損均勻。牙輪布置方案（1）非自洗無滑動(dòng)布置： 各牙輪牙齒齒圈不嵌合，單錐、不超頂，不移軸，用于硬地層；（2）自洗不移軸布置： 各牙輪牙齒齒圈相互嵌合，副錐、超頂，不移軸，用于中硬地層；（3）自洗移軸布置： 各牙輪牙齒齒圈相互嵌合，副錐、超頂，移軸，用于軟地層； 非自洗自洗無移軸自洗移軸牙輪及牙齒的布置齒間相互齒合產(chǎn)生自洗作用非自洗自洗無移軸自洗移軸（二）牙輪鉆頭工作原理1牙輪鉆頭在井底的運(yùn)動(dòng)公轉(zhuǎn)：牙輪隨鉆頭一起旋轉(zhuǎn)。自轉(zhuǎn)：牙齒繞牙輪軸線作逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)稱自轉(zhuǎn)。滑

8、動(dòng)：牙輪齒相對(duì)于井底的滑移，包括徑向（軸向）和切向（周 向）滑動(dòng)。 引起滑動(dòng)的原因： 超頂和復(fù)錐引起切向（周向）滑動(dòng). 移軸引起徑向（軸向）滑動(dòng).縱向振動(dòng)：牙輪在滾動(dòng)過程，其中心上下波動(dòng)，使鉆頭做上下往 復(fù)運(yùn)動(dòng)。 引起縱向振動(dòng)的原因： 單、雙齒交替接觸井底，使牙輪中心上下波動(dòng)； 井底凹凸不平。 2、牙輪在井底產(chǎn)生滑動(dòng)的原因 （1）牙輪超頂引起的滑動(dòng) 超 頂 牙輪錐頂超過鉆頭中心線稱為 超頂。 超頂距 錐頂超過鉆頭中心的距離ob 稱為超頂距， 用 C表示， Ob = C。 A）由鉆頭公轉(zhuǎn)速度b引起的牙輪母線上的線速度vb vb在牙輪母線上的分布為一條直線。 在oa段，vb向前 在ob段，vb向后

9、 在O點(diǎn)，vb = 0 B）由牙輪自轉(zhuǎn)c引起的牙輪母線上的線速度vc vc 分布為一條直線，在錐頂b處，vcb = 0 C）vb 和vC合成 vb 和vC合成后的合速度與ab線交于M點(diǎn)，bM段滑動(dòng)是向后的，aM段是向前的，M點(diǎn)為純滾動(dòng)點(diǎn)，相對(duì)于地層無滑動(dòng)。M點(diǎn)和鉆頭中心O點(diǎn)不重合，所以牙輪相對(duì)于地層產(chǎn)生切向滑動(dòng)。aOaa （2）牙輪復(fù)錐引起滑動(dòng) 復(fù)錐牙輪由主錐和副錐組成，主錐的錐頂和鉆頭中心重合，而副錐母線延長(zhǎng)后其錐頂超過了鉆頭中心，副錐實(shí)質(zhì)上為超頂牙輪，超頂牙輪產(chǎn)生切向滑動(dòng)。 （3）移軸引起的滑動(dòng) 移軸 牙輪軸線相對(duì)于鉆頭中心線的偏移。（如圖2-15） 移軸距 牙輪軸線相對(duì)于鉆頭中心線偏移的

10、距離。 移軸距 soo 由于牙輪的移軸，牙輪在井底轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)其母線上的任何一點(diǎn)都不是純滾動(dòng)。母線上任一點(diǎn)的速度可分解為垂直于牙輪軸線的分速度和沿牙輪軸線的軸向分速度，即軸向滑動(dòng)。副錐產(chǎn)生超頂效果圖2-15 牙輪鉆頭的牙輪移軸2牙輪鉆頭的破巖作用 （1）沖擊、壓碎作用 縱向振動(dòng)產(chǎn)生的沖擊力和靜壓力（鉆壓）一起使牙齒對(duì)地層產(chǎn)生沖擊、壓碎作用，形成體積破碎坑。 （2）滑動(dòng)剪切作用 牙輪牙齒的徑向滑動(dòng)和切向滑動(dòng)對(duì)井底地層產(chǎn)生剪切作用， 破碎齒間巖石。牙輪滑動(dòng)對(duì)破巖的作用: 牙輪的超頂和復(fù)錐引起的切向滑動(dòng)剪切掉牙齒之間的巖石。移軸引起的軸向滑動(dòng)剪切掉齒圈之間的巖石。（三）牙輪鉆頭類型1. 國(guó)產(chǎn)牙輪鉆頭分類方

11、法（1）按結(jié)構(gòu)分類：Y，P，MP，MPB，HP，HPB，XMP，XH共8個(gè)系列（2）按地層分類：JR，R，ZR，Z，ZY，Y，JY 1 ，2 ， 3 ， 4， 5 ， 6， 7 國(guó)產(chǎn)三牙輪鉆頭類型及適應(yīng)地層 類型代號(hào)：數(shù)字17，表明所適應(yīng)的地層 系列代號(hào)：字母Y,P,MP,MPB,HP,HPB,XMP,XH ，表明結(jié)構(gòu)特征 鉆頭直徑：用英寸或毫米表示直徑大小例：用于中硬地層、直徑為8in(215.9mm)的鑲齒滑動(dòng)密封軸承噴射式三牙輪鉆頭的型號(hào)為：8XHP5或215.9XHP5。（3）型號(hào)表示方法 2. IADC分類法系列代號(hào)用數(shù)字18表示鉆頭牙齒特征及適鉆地層； 1-3為銑齒，5-8為鑲齒。

12、地層等級(jí)代號(hào)用數(shù)字14表示所鉆地層再分為4個(gè)等級(jí)；鉆頭結(jié)構(gòu)特征代號(hào)用數(shù)字19表示鉆頭結(jié)構(gòu)特征，其中17表示鉆頭軸承及保徑特征；附加結(jié)構(gòu)特征代號(hào)用英文字母表示鉆頭附加特征。祥見書P66-67.例如：341S表示適用于中等研磨性或研磨性4級(jí)硬地層非密封 滾動(dòng)軸承的標(biāo)準(zhǔn)銑齒鉆頭。 537C表示適用于底抗壓強(qiáng)度的軟到中硬的3級(jí)地層滑動(dòng) 密封軸承保徑帶中心噴嘴鉆頭。國(guó)產(chǎn)三牙輪鉆頭分類、型號(hào)表示法 鉆頭直徑類型代號(hào)系列代號(hào)例：用于中硬地層、直徑為81/2”(215.9mm)的鑲齒滑動(dòng)密封軸承噴射式三牙輪鉆頭的型號(hào)為： 81/2” HP5或215.9HP5。目前常用的牙輪鉆頭型號(hào) P2, P3, HP2,

13、HP3 銑齒 XHP2, XHP3 ,XHP4鑲齒 J1, J2, J3 銑齒 J11, J22, J33,J44，J55 鑲齒 （四）牙輪鉆頭的使用1. 根據(jù)地層性質(zhì)合理選擇鉆頭類型，標(biāo)準(zhǔn)是每米鉆進(jìn)成本最低。 地層較軟時(shí)：選用牙齒高度大并帶有超頂或移軸的鉆頭； 地層較硬時(shí)：選用牙齒高度小，無超頂或移軸的鉆頭；2. 優(yōu)選鉆進(jìn)參數(shù)：鉆壓、轉(zhuǎn)速、水力參數(shù)等。（五）鉆頭常見故障及其識(shí)別 鉆頭故障是鉆進(jìn)過程中常見故障之一，其故障形式主要有：因鉆頭軸承嚴(yán)重磨損產(chǎn)生劇烈曠動(dòng)、牙輪卡死、掉牙輪、鉆頭泥包、噴嘴堵、掉噴嘴和牙齒脫落等。1、 鉆頭軸承磨損的識(shí)別 反映鉆頭軸承工作狀態(tài)最敏感的信號(hào)是扭矩信號(hào)。為了消

14、除因鉆壓變化對(duì)扭矩產(chǎn)生的影響，采用比扭矩，比扭矩表示為： Mt 鉆頭發(fā)生磨損后的扭矩信號(hào)特征輕度磨損中度磨損嚴(yán)重磨損2、 牙輪鉆頭泥包的識(shí)別 鉆頭發(fā)生泥包后的特征： 鉆時(shí) Zt 迅速增大， 立壓 StP 有所上升 扭矩 M 逐漸增大， 波幅Vr(M)減小 轉(zhuǎn)速 Rpm 有所下降。tM牙輪鉆頭泥包時(shí)扭矩變化特征坨762井，井深至2239米時(shí)，立管壓力由1515.6MPa，其它參數(shù)無變化，立管壓力增至18.1MPa最高峰，此時(shí)泵負(fù)載很大，泵轉(zhuǎn)速明顯的下降，最高峰后立即緩慢下降至175bar后，23時(shí)40分突然下降到14.2MPa，水眼沖開，后恢復(fù)鉆進(jìn)。3、鉆頭水眼堵、掉的識(shí)別四、金剛石鉆頭（Dia

15、mond Bit) 金剛石是迄今為止人類在地球上發(fā)現(xiàn)的最硬、抗磨能力最強(qiáng)的材料。金剛石的產(chǎn)地主要集中在西非、南非、剛果等非洲國(guó)家。 金剛石的特性 金剛石為碳在高溫高壓下形成的結(jié)晶體，正四面體晶體結(jié)構(gòu)。在單位晶胞中，碳原子位于四面體的頂角及中心。每個(gè)碳原子與鄰近的四個(gè)碳原子形成四個(gè)共價(jià)鍵。 因共價(jià)鍵結(jié)合力強(qiáng)，故金剛石具有極高的硬度（莫氏硬度10)、抗壓強(qiáng)度（8800MPa）和耐磨性鋼的9000倍）。 缺點(diǎn)： 脆性大，受沖擊載荷易碎裂； 具有熱敏性，高溫下（450以上）石墨化。 金剛石以重量單位計(jì)算，國(guó)際上通用“克拉”，1克拉= 0.2g。 金剛石顆粒的大小一般用“粒度”來衡量，即每克拉重量所含金

16、剛石的粒數(shù)，單位為“粒/克拉”。金剛石鉆頭所用的金剛石的粒度一般在0.5粒/克拉15粒/克拉。軟到中軟地層，用0.5粒/克拉2粒/克拉的金剛石；中硬地層用3粒/克拉6粒/克拉的；硬地層用8粒/克拉12粒/克拉；堅(jiān)硬地層用12粒/克拉15粒/克拉的金剛石。 鉆頭用金剛石必須質(zhì)地堅(jiān)固，形狀規(guī)則，如十二面體、八面體、立方體或其它接近球體的形狀。金剛石材料有兩類 天然金剛石：卡邦(Carnon)、包爾茲(Boarz)、巴拉(Ballas)。 人造金剛石：?jiǎn)尉Ш途劬В菏?00010000MPa10002000金剛石單晶金剛石單晶金剛石聚晶高溫高壓下（一）金剛石鉆頭的結(jié)構(gòu) 金剛石鉆頭為無活動(dòng)部件的整體式

17、鉆頭。由鋼體、胎體（冠部和保徑部分）、水眼及水槽、金剛石切削刃等部分組成。1. 鋼體 鋼體是金剛石鉆頭的骨架。上部柱體車制絲扣和鉆柱連接，下部銑成爪形和胎體燒結(jié)在一起。2. 胎體 胎體是鑲嵌金剛石的基體，為硬質(zhì)合金材料，用粉末冶金技術(shù)燒結(jié)在鉆頭鋼體上。 常用剖面形狀： a雙錐階梯形； b雙錐形； c“B”形； d脊圈式“B”形3. 水眼和水槽 鉆井液由水眼流出，經(jīng)過水槽流過鉆頭表面，清洗井底，冷卻和潤(rùn)滑金剛石。常用水力結(jié)構(gòu)：（4）金剛石顆粒在胎體上的鑲裝方式 有表鑲式和孕鑲式。表鑲式金剛石鉆頭所用的金剛石顆粒一般0.51.5粒/克拉。 孕鑲式金剛石鉆頭是把金剛石顆粒與鉆頭胎體燒結(jié)在一起。適合于

18、對(duì)付極硬地層，而且成本比表鑲式低得多。一般孕鑲層的厚度212mm，金剛石顆粒棱角越尖越好。（5）金剛石粒度、出刃和排列方式 粒度： 0.5 15粒/克拉（0.2g) 出刃： 最大出刃量為直徑的1/3 排列方式：a 鉆頭外形；b交錯(cuò)排列；c圓周排列；d脊圈排列 （二）金剛石鉆頭的破巖機(jī)理 概括地講，金剛石鉆頭以磨削（研磨）方式破碎巖石，類似于砂輪磨削金屬的過程。在鉆進(jìn)某些硬地層時(shí)，在鉆壓作用下壓入巖石，使與金剛石接觸的巖石 處于極高的應(yīng)力狀態(tài)而使巖石呈現(xiàn)塑性；(2)在塑性地層(或巖石在應(yīng)力作用下呈塑性的地層)， 使前方的巖石內(nèi)部發(fā)生破碎或塑性流動(dòng)， 脫離巖石基體，形成巖屑，稱作犁削。(3)在脆性

19、較大的巖石中，在鉆壓和扭矩作用下所產(chǎn)生的應(yīng)力使巖石表現(xiàn)為脆性破碎，即屬于以剪力和張力形式破碎巖石。(4)在堅(jiān)硬巖石(如隧石、硅質(zhì)白云巖、硅質(zhì)石灰?guī)r等)中，是要靠金剛石的棱角實(shí)現(xiàn)微切削、刻劃等方式來破碎巖石。 （三）金剛石鉆頭的正確使用 1. 適用于硬、研磨性地層，渦輪鉆井，深井鉆井， 取心作業(yè)。壽命長(zhǎng)，進(jìn)尺高。 2. 鉆頭下井前，井底打撈干凈，確保沒有金屬落物。 3. 先用小鉆壓、低轉(zhuǎn)速跑合，然后用合適鉆壓和高 轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)。 4. 采用低鉆壓（30-50kN）、高轉(zhuǎn)速、大排量鉆進(jìn)。五、PDC鉆頭（Polycrystalline Diamond Compact Bit）胎體PDC鉆頭鋼體PDC鉆頭

20、兩類PDC切削元件（一）PDC鉆頭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1. 切削元件聚晶金剛石復(fù)合片（PDC） PDC既具有金剛石的硬度和耐磨性。弱點(diǎn)是熱穩(wěn)定性差，350以上加速磨損。抗沖擊能力較差。熱穩(wěn)定聚晶金剛石復(fù)合片（TSP） TSP的制造工藝有別于PDC，熱穩(wěn)定性、耐磨性和抗沖擊能力都高于PDC。13.4， 192. 工作剖面形狀特點(diǎn) 內(nèi)外錐有利于鉆頭穩(wěn)定； 外錐較長(zhǎng)，可多布齒,使磨損均勻; 鉆硬夾層，冠部齒易早期損壞。 適合中等均質(zhì)地層。特點(diǎn) 鉆頭表面積較小，水力集中，清洗效果好； 載荷分布較均勻;用于鉆石灰?guī)r、白云巖等較硬地層。特點(diǎn) 側(cè)向推力指向鉆頭中心，有利于防斜; 鉆頭外部表面積大，可布置較多切削齒，利

21、于提高壽命。 用于軟地層。特點(diǎn) 冠頂較寬且較平緩，載荷分布較均勻。 外側(cè)采用圓弧，布齒面積較大。用于硬地層。雙錐形淺錐形拋物線形B 形3. 切削齒布置刮刀式布齒方式：特點(diǎn)是整體強(qiáng)度高、抗沖擊能力強(qiáng)、易于清洗和冷卻、排屑好、抗泥包能力強(qiáng)。適用于粘性或軟地層。單齒式布齒方式：布齒區(qū)域大、布齒密度高，可以提高鉆頭的使用壽命，但水力清洗能力低，容易在粘性地層泥包。適用于硬地層。組合式切削齒的布置，具有較好的清洗、冷卻和排屑能力，布齒密度較高。這種布齒方式的鉆頭多用于中等硬度地層。布齒原則：等切削體積等磨損等功率4. 切削齒工作角后傾角（負(fù)前角）：起到保護(hù)切削齒，延長(zhǎng)壽命的作用。取值0-20, 軟地層小

22、一些，硬地層大一些。側(cè)傾角（旁鋒刀面角）：鉆頭旋轉(zhuǎn)時(shí)，切削刃面對(duì)切屑產(chǎn)生向外側(cè)的推力，有利于向外排除巖屑。 =15左右。 5.噴嘴流道系統(tǒng) 冷卻和清洗效果嚴(yán)重影響PDC鉆頭的鉆速和壽命。 噴嘴數(shù)量一般比三牙輪鉆頭多。噴嘴位置和流道結(jié)構(gòu)根據(jù)切削齒位置確定。（二）PDC鉆頭破巖機(jī)理 PDC鉆頭主要以切削方式破碎巖石。 切削刃在鉆壓作用下吃入地層，刃前巖石在旋轉(zhuǎn)力作用下 發(fā)生剪切破壞。 切削塑性巖石和脆性巖石的過程類似于刮刀鉆頭。由于多個(gè) 切削齒同時(shí)工作，井底巖石自由面多，因此破巖效率高。金剛石切削刃耐磨性高，鉆頭壽命長(zhǎng)，單只鉆頭進(jìn)尺高。（三）PDC鉆頭的正確使用PDC鉆頭適用于軟到中硬的大段均質(zhì)地

23、層，不適合鉆軟硬交錯(cuò) 地層和礫石層。2. 與牙輪鉆頭相比，PDC鉆頭宜采用低鉆壓、高轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)。3. 鉆頭下井前，井底要清潔，無金屬落物。新鉆頭鉆進(jìn)時(shí)， 先用小鉆壓和低轉(zhuǎn)速磨合井底。4. PDC鉆頭屬于整體式鉆頭，無任何活動(dòng)部件，適合高轉(zhuǎn)速的渦輪鉆井。金剛石材料鉆頭的IADC分類法(P70)切削齒種類和鉆頭體材料 鉆頭冠部形狀 水力結(jié)構(gòu)特點(diǎn)切削齒大小和切削齒密度D，M，S，T，O1919R，X，O19第一位字碼第二位字碼第三位字碼第四位字碼第二節(jié) 鉆柱 一、鉆柱的作用與組成 二、鉆柱的工作狀態(tài)與受力分析 三、鉆柱設(shè)計(jì)一、鉆柱的組成與功用（一）鉆柱的組成 鉆柱(Drilling String)是鉆

24、頭以上，水龍頭以下部分的鋼管柱的總稱. 它包括方鉆桿(Square Kelly)、鉆桿(Drill Pipe)、鉆挺(Drill Collar)、 各種接頭(Joint)及穩(wěn)定器(Stabilizer)等井下工具。（二）鉆柱的功用(1)提供鉆井液流動(dòng)通道； (2)給鉆頭提供鉆壓； (3)傳遞扭矩； (4)起下鉆頭； (5)計(jì)量井深。(6)觀察和了解井下情況（鉆頭工作情況、井眼狀況、地層情況）；(7)進(jìn)行其它特殊作業(yè)（取芯、擠水泥、打撈等）；(8)鉆桿測(cè)試 ( Drill-Stem Testing),又稱中途測(cè)試。 1. 鉆桿 （1）作用：傳遞扭矩和輸送鉆井液，延長(zhǎng)鉆柱。 （2）結(jié)構(gòu)：管體+接頭

25、 常用的加厚形式有內(nèi)加厚(a)、外加厚(b)、 內(nèi)外加厚(c)三種. (a) (b) (c) （3）規(guī)范： 壁厚：9 11mm 外徑： 長(zhǎng)度： 根據(jù)美國(guó)石油學(xué)會(huì)(American Petroleum Institute,簡(jiǎn)稱API)的規(guī)定，鉆桿按長(zhǎng)度分為三類： 第一類 5.486 6.706米(1822英尺)； 第二類 8.230 9.144米(2730英尺); 第三類 11.58213.716米(3845英尺)。 常用鉆桿規(guī)范（內(nèi)徑、外徑、壁厚、線密度等）見表2-12（4）鋼級(jí)與強(qiáng)度 （6）接頭及絲扣絲扣連接條件：尺寸相等，絲扣類型相同，公母扣相匹配。 鉆桿接頭特點(diǎn)：壁厚較大，外徑較大，強(qiáng)度

26、較高。鉆桿接頭類型：內(nèi)平（IF）、貫眼（FH）、正規(guī)（REG）； NC系列 內(nèi)平式：主要用于外加厚鉆桿。特 點(diǎn)是鉆桿通體內(nèi)徑相同，鉆井液 流動(dòng)阻力小；但外徑較大，容易 磨損。貫眼式：主要用于內(nèi)加厚鉆桿。其 特點(diǎn)是鉆桿有兩個(gè)內(nèi)徑，鉆井液 流動(dòng)阻力大于內(nèi)平式，但其外徑 小于內(nèi)平式。正規(guī)式：主要用于內(nèi)加厚鉆桿及鉆 頭、打撈工具。其特點(diǎn)是接頭內(nèi) 徑加厚處內(nèi)徑管體內(nèi)徑，鉆井 液流動(dòng)阻力大，但外徑最小，強(qiáng) 度較大。 三種類型接頭均采用V型螺紋，但扣型、扣距、錐度及尺寸等都有很大的差別。NC型系列接頭 NC23，NC26，NC31，NC35，NC38，NC40，NC44，NC46，NC50，NC56，NC6

27、1，NC70，NC77 NCNational Coarse Thread，（美國(guó)）國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)粗牙螺紋。 xx表示基面絲扣節(jié)圓直徑，用英寸表示的前兩位數(shù)字乘以10。 如：NC26表示的節(jié)圓直徑為2.668英寸。 NC螺紋也為V型螺紋, 表2-17所列的幾種NC型接頭與舊API標(biāo)準(zhǔn)接頭有相同的節(jié)圓直徑、錐度、螺距和螺紋長(zhǎng)度，可以互換使用。表2-17 可以互換使用的接頭2. 鉆鋌 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：管體兩端直接車制絲扣，無專門接頭；壁厚大(38-53毫米）， 重量大，剛度大。 主要作用：(1)給鉆頭施加鉆壓; (2)保證壓縮應(yīng)力條件下的必要強(qiáng)度; (3)減輕鉆頭的振動(dòng)、擺動(dòng)和跳動(dòng)等，使鉆頭工作平穩(wěn)； (4)控

28、制井斜。 類 型：光鉆鋌、螺旋鉆鋌、扁鉆鋌。 常用尺寸：6-1/4，7 ，8 ，9 3.方鉆桿 類 型：四方形、六方形 特 點(diǎn)：壁厚較大，強(qiáng)度較高 主要作用：傳遞扭矩和承受鉆柱的全部重量。 常用尺寸：89mm(3.5英寸)，108mm (4.5英寸)，133.4mm (5.5英寸)。4.穩(wěn)定器類型：剛性穩(wěn)定器、不轉(zhuǎn)動(dòng)橡膠套穩(wěn)定器、滾輪穩(wěn)定器。作用：1）防斜； 2）控制井眼軌跡。 二、鉆柱的工作狀態(tài)及受力分析 （一）鉆柱的工作狀態(tài)1. 起下鉆工況下 直井：直的拉伸、滑動(dòng)。 斜井：隨井眼傾斜和彎曲，滑動(dòng)。2. 正常鉆進(jìn)工況下 上部受拉伸，下部受壓彎曲；在扭矩作用下旋轉(zhuǎn) 運(yùn)動(dòng)。 下部鉆柱彎曲的原 鉆

29、壓的作用使下部鉆柱受壓縮，當(dāng)壓力達(dá)到鉆柱的臨界壓力，鉆柱將失去直線穩(wěn)定狀態(tài)而發(fā)生彎曲并與井壁接觸。壓力較大時(shí)可能發(fā)生多次彎曲。3. 鉆柱的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)形式 （1）自轉(zhuǎn) 鉆柱象一根柔性軸，圍繞自身軸線旋轉(zhuǎn)。 均勻磨損，易發(fā)生疲勞破壞。 （2）公轉(zhuǎn) 鉆柱象一個(gè)剛體，圍繞著井眼軸線旋轉(zhuǎn)并沿著井壁 滑動(dòng)。 產(chǎn)生偏磨。 （3）公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)的結(jié)合 彎曲鉆柱圍繞井眼軸線旋轉(zhuǎn)，同時(shí)圍繞自身軸線運(yùn)動(dòng)。（4）縱向振動(dòng) 鉆頭振動(dòng)引起，產(chǎn)生交變應(yīng)力。（5）扭轉(zhuǎn)振動(dòng) 由井底對(duì)鉆頭旋轉(zhuǎn)阻力的變化引起，產(chǎn)生交變扭剪應(yīng)力. （6）橫向擺振 達(dá)到某一臨界轉(zhuǎn)速，可能產(chǎn)生無規(guī)則 擺動(dòng)， 產(chǎn)生交變彎曲應(yīng)力。 一般認(rèn)為彎曲鉆柱旋轉(zhuǎn)的主要形式

30、是自轉(zhuǎn)，但也可能產(chǎn)生公轉(zhuǎn)或兩種運(yùn)動(dòng)形式的結(jié)合。由于在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中受到阻力的作用，鉆具的轉(zhuǎn)動(dòng)是不平穩(wěn)的。三、鉆柱的受力分析1. 概述（1） 自重產(chǎn)生的拉力（2） 鉆壓產(chǎn)生的壓力（3） 鉆井液的浮力（4） 摩擦阻力（5） 循環(huán)壓降產(chǎn)生的附加拉力（7） 起下鉆時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)載荷（8） 扭矩（9） 彎曲應(yīng)力（10）離心力（11）外擠力（12）振動(dòng)產(chǎn)生的交變應(yīng)力 鉆柱受力最嚴(yán)重的部位：1）井口斷面 拉力最大，扭矩最大；2）下部受壓彎曲部分 交變軸向應(yīng)力、彎曲應(yīng)力、扭剪應(yīng)力3）中性點(diǎn) 拉壓交變載荷。軸向力 2 . 軸向力和中性點(diǎn)（1）自重產(chǎn)生的軸向拉力（井內(nèi)掏空時(shí)）：（2）浮重產(chǎn)生的軸向力： 式中： 稱為“浮力

31、減輕系數(shù)”（3）正常鉆進(jìn)時(shí)的軸向力：WFB（4）其它軸向力的計(jì)算循環(huán)壓降引起的附加軸向拉力：滑動(dòng)摩擦阻力：動(dòng)載荷：（5）起下鉆時(shí)鉆柱軸向力：（5）中性點(diǎn) 鉆柱上軸向力等于零的點(diǎn)(點(diǎn)) (亦稱中和點(diǎn)，Neutral Point )。垂直井眼中鉆柱的中性點(diǎn)高度：式中：LN 中性點(diǎn)距井底的高度，m。重要意義：1）設(shè)計(jì)鉆柱時(shí)要確保中性點(diǎn)始終落在鉆鋌上？2）指導(dǎo)松扣、造扣等特殊作業(yè)。3）中性點(diǎn)附近鉆柱受交變應(yīng)力作用， 易疲勞破壞。 鉆柱軸向力分布與中性點(diǎn)三、 鉆柱設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)內(nèi)容： （1）尺寸選擇 （2）鉆鋌柱長(zhǎng)度計(jì)算 （3）鉆桿柱強(qiáng)度設(shè)計(jì)及較核。 設(shè)計(jì)原則： （1）滿足強(qiáng)度（抗拉、抗擠強(qiáng)度等）要求，保證

32、鉆柱安全工作； （2）盡量減輕整個(gè)鉆柱的重力，以便在現(xiàn)有的抗負(fù)荷能力下鉆更深 的井。 （一）、鉆柱尺寸選擇 1. 依據(jù)： （1）鉆機(jī)的提升能力； （2）井眼尺寸； （3）地質(zhì)條件； （4）工藝要求； （5）供貨情況。 2. 經(jīng)驗(yàn)配合關(guān)系 選擇的基本原則1.方鉆桿由于受到扭矩和拉力最大，在供應(yīng)可能的情況下，應(yīng) 盡 量選用大尺寸方鉆桿。2.在鉆機(jī)提升能力允許的情況下，選擇大尺寸鉆桿是有利的。3.鉆鋌尺寸一般選用與鉆桿接頭外徑相等或相近的尺寸，有時(shí)根據(jù) 防斜措施來選擇鉆鋌的直徑。 使用大直徑鉆鋌具有下列優(yōu)點(diǎn) （1）可用較少的鉆鋌滿足所需鉆壓的要求，可減少鉆鋌，從而減 少起下鉆時(shí)連接鉆鋌的時(shí)間； （2

33、）提高了鉆頭附近鉆柱的剛度，有利于改善鉆頭工況； （3）鉆鋌和井壁的間隙較小，可減少連接部分的疲勞破壞； （4）有利于防斜。（二）鉆鋌長(zhǎng)度的確定 原則 保證在最大鉆壓時(shí)鉆桿不承受壓縮載荷，即保持中性點(diǎn)始終 處在鉆鋌上。計(jì)算公式 式中 LC 鉆鋌長(zhǎng)度，m; Wmax 設(shè)計(jì)的最大鉆壓，kN； SN 安全系數(shù)，一般取 SN =1.15 1.25； qc 每米鉆鋌在空氣中的重力，kN/m； KB 浮力系數(shù)； 井斜角，0。三、鉆桿柱強(qiáng)度設(shè)計(jì)1.強(qiáng)度條件 Ft Fa （2-13）式中：Ft 鉆桿柱任一截面上的靜拉伸載荷，kN； Fa 鉆桿柱的最大安全靜拉力，kN。（1）鉆桿在屈服強(qiáng)度下的抗拉載荷： 鉆桿材

34、料的屈服強(qiáng)度所允許的最大抗拉載荷。 （2-14）式中： 鉆桿的橫截面積，cm2； 鉆桿鋼材的最小屈服強(qiáng)度，MPa； 最小屈服強(qiáng)度下的抗拉載荷，kN。 可以計(jì)算,也可以從表214中查出。 （2）鉆桿的最大允許拉伸力Fp： 式中： 鉆桿的最大允許拉伸載荷，kN。（3）鉆桿的最大安全靜拉力Fa： 安全系數(shù)法（考慮起下鉆時(shí)的動(dòng)載及摩擦力） 式中： 安全系數(shù)，一般取1.30。 設(shè)計(jì)系數(shù)法（考慮卡瓦擠壓）2. 鉆桿柱強(qiáng)度設(shè)計(jì)按最大安全靜拉力F a設(shè)計(jì)鉆桿柱的最大允許下深（長(zhǎng)度）。（1）單一鉆桿柱設(shè)計(jì)強(qiáng)度條件： 最大允許下深： 拉力余量法 式中：MOP拉力余量，一般取200500KN。以上三者取最小者作為Fa。每段鉆桿滿足強(qiáng)度條件：（2）復(fù)合鉆桿柱設(shè)計(jì)（深井） 思路：由下而上，所受拉伸載荷逐漸增大，強(qiáng)度應(yīng)逐漸增大。故由鉆鋌上面第一段鉆桿開始，先選擇強(qiáng)度較低的鉆桿，確定其許用長(zhǎng)度；再逐段向上選擇強(qiáng)度更高的鉆桿進(jìn)行設(shè)計(jì)。這樣設(shè)計(jì)出來的鉆桿柱，由下而上強(qiáng)度逐級(jí)增大以滿足抗拉強(qiáng)度的要求。 鉆鋌上面第一、二、三、四段鉆桿的長(zhǎng)度; 相應(yīng)各段鉆桿的最大安全靜拉力; 相應(yīng)各段鉆桿在空氣中的單位長(zhǎng)度重力; 3. 強(qiáng)度較核（1）抗外