第二章 钻进工具

1、第二章第二章 钻进工具钻进工具本章主要内容本章主要内容: 第一节第一节 钻头钻头 钻头的类型及工作原理钻头的类型及工作原理 钻头的选型及分类方法钻头的选型及分类方法 钻头的合理使用钻头的合理使用 第二节第二节 钻柱钻柱 钻柱的组成及功用钻柱的组成及功用 钻柱的工作状态及受力分析钻柱的工作状态及受力分析 钻柱的设计钻柱的设计第一节第一节 钻头钻头 (Drill Bit)一、概述一、概述 1 、钻头类型、钻头类型 按结构及工作原理分类按结构及工作原理分类 刮刀钻头、牙轮钻头、刮刀钻头、牙轮钻头、 PDC钻头、金刚石钻头；钻头、金刚石钻头； 按功用分类按功用分类 全面钻进钻头、取芯钻头、全面钻进钻头

2、、取芯钻头、 扩眼钻头扩眼钻头 2 、钻头尺寸系列、钻头尺寸系列 3-3/4”36” 常用尺寸：常用尺寸：26”、 、 、/1721/1241/8213、工作指标、工作指标 钻头进尺（米）钻头进尺（米） 钻头工作寿命（小时）钻头工作寿命（小时） 机械钻速（米机械钻速（米/ 小时）小时） 单位进尺成本（元单位进尺成本（元/ 天）：天）：HttCCCrrbpm)( 二、二、 刮刀钻头刮刀钻头 (Drag Bit) (一一)刮刀钻头的结构刮刀钻头的结构 上钻头体、下钻头体（分水帽）、上钻头体、下钻头体（分水帽）、 刀翼、水眼。刀翼、水眼。 三刀翼的称三刮刀钻头三刀翼的称三刮刀钻头 两刀翼的称作两刮刀

3、钻头或鱼尾两刀翼的称作两刮刀钻头或鱼尾 刮刀钻头刮刀钻头 四刀翼的称四刮刀钻头四刀翼的称四刮刀钻头刀翼的结构刀翼的结构 （1）刀翼的结构角 刃尖角刃尖角 刀翼尖端前后刃之间的交角。它刀翼尖端前后刃之间的交角。它反反 映了刀翼的尖锐程度，映了刀翼的尖锐程度， 越越 小，刃部越尖锐，越小，刃部越尖锐，越容易吃入地层，但强度越低。容易吃入地层，但强度越低。一般：软底层一般：软底层 =810度度 硬地层硬地层 =1215度度 切削角切削角 刀翼前刃和水平面之间的夹刀翼前刃和水平面之间的夹 角。角。在相同钻压下，在相同钻压下， 越大，刀刃越容易吃入地层，但越大，刀刃越容易吃入地层，但旋转扭矩大，剪切刃前

4、岩石困难。旋转扭矩大，剪切刃前岩石困难。一般：松软地层：一般：松软地层： =70度；度； 软地层：软地层： =7080度；度； 中硬地层中硬地层 ： =8085度。度。 刃后角刃后角： ；刃后角必须大于井刃后角必须大于井 底角底角 刃前角刃前角： 90（2）刀翼的背部形状）刀翼的背部形状 刀翼的厚度随距刀刃的距离增加而增厚，呈抛物线性以确保刀翼刀翼的厚度随距刀刃的距离增加而增厚，呈抛物线性以确保刀翼 的强度足以承受弯矩。的强度足以承受弯矩。 （3）刀翼底部形状）刀翼底部形状 ： 平底、平底、正阶梯正阶梯、反阶梯、反锥形、反阶梯、反锥形 （4）提高刀翼的耐磨性）提高刀翼的耐磨性 刀翼一般采用刀翼

5、一般采用35CrMo或或35MnSiMoV高强度合金钢锻制而成，以保证高强度合金钢锻制而成，以保证 有足够的强度。有足够的强度。 一般在刀翼表面平铺一层一般在刀翼表面平铺一层YG8硬质合金块，在外侧面镶装硬质合金块，在外侧面镶装YG8硬质合金块硬质合金块 刀翼表面和外侧面镶焊人造金刚石聚晶块刀翼表面和外侧面镶焊人造金刚石聚晶块破碎脆性岩石过程破碎脆性岩石过程 刮刀钻头破碎脆性岩石的过程为：刮刀钻头破碎脆性岩石的过程为： 碰撞碰撞 压碎及小剪切压碎及小剪切 大剪切大剪切 （1）碰撞碰撞：刃前岩石发生剪切破碎后，刀刃在旋转刃前岩石发生剪切破碎后，刀刃在旋转 扭矩下向前推进，碰撞刃前岩石。扭矩下向前

6、推进，碰撞刃前岩石。 （2）压碎及小剪切压碎及小剪切 ：扭转力增大，压碎刃前岩石，：扭转力增大，压碎刃前岩石， 产生小剪切破坏。产生小剪切破坏。 （3）大剪切大剪切：扭转力继续增大到某一极值，刃前岩：扭转力继续增大到某一极值，刃前岩 石沿剪切面破碎，而后扭转力突然减小。石沿剪切面破碎，而后扭转力突然减小。三、刮刀钻头的应用三、刮刀钻头的应用刮刀钻头制造工艺简单，成本低；刮刀钻头制造工艺简单，成本低；刮刀钻头适用于软地层，钻速快，每米钻进成本低刮刀钻头适用于软地层，钻速快，每米钻进成本低刮刀钻头容易磨损成锥形，造成缩径和井斜；刮刀钻头容易磨损成锥形，造成缩径和井斜；刮刀钻头产生剧烈的扭转振动，破

7、坏钻具和设备；刮刀钻头产生剧烈的扭转振动，破坏钻具和设备；刮刀钻头目前逐渐被刮刀钻头目前逐渐被PDC钻头取代。钻头取代。三、牙轮钻头三、牙轮钻头 （一）牙轮钻头的结构（一）牙轮钻头的结构 牙轮钻头由钻头体、亚爪（巴掌）牙轮钻头由钻头体、亚爪（巴掌）及牙轮轴、亚轮及牙齿、轴承、储油润及牙轮轴、亚轮及牙齿、轴承、储油润滑密封系统、喷嘴等部分组成。滑密封系统、喷嘴等部分组成。1、牙轮及牙齿、牙轮及牙齿 （1）牙轮）牙轮20CrMo合金钢锥体，锥面铣齿或镶装质合金，内腔有合金钢锥体，锥面铣齿或镶装质合金，内腔有 轴承跑道。轴承跑道。单锥牙轮：主锥单锥牙轮：主锥+背锥，硬地层背锥，硬地层复锥牙轮：主锥复

8、锥牙轮：主锥+副锥副锥+背锥，软地层背锥，软地层（2）牙齿）牙齿 铣齿铣齿在牙轮锥面上直接铣出，楔形在牙轮锥面上直接铣出，楔形硬质合金镶齿硬质合金镶齿镶装在牙轮锥面上，有多种齿形适用不同地层。镶装在牙轮锥面上，有多种齿形适用不同地层。2、轴承、轴承 牙轮钻头轴承有大、中、小和止锥四副。根据轴承的密封与否，可分牙轮钻头轴承有大、中、小和止锥四副。根据轴承的密封与否，可分为密封和非密封两类。根据轴承的结构，可分为滚动轴承和滑动轴承两类。为密封和非密封两类。根据轴承的结构，可分为滚动轴承和滑动轴承两类。滚动轴承结构滚动轴承结构: 滚柱滚柱滚珠滚珠滚柱滚柱止推；止推； 滚柱滚柱滚珠滚珠滑动滑动止推；止

9、推； 滑动轴承结构：滑动滑动轴承结构：滑动滚珠滚珠滑动滑动止推；止推； 滑动滑动滑动（卡簧）滑动（卡簧）滑动滑动止推；止推；3、储油润滑密封系统、储油润滑密封系统 储油润滑补偿系统储油润滑补偿系统 密封系统密封系统 橡胶密封圈、金属密封圈橡胶密封圈、金属密封圈 工作原理：工作原理： 储油压力补偿系统（传压孔、压储油压力补偿系统（传压孔、压力补偿膜力补偿膜又杯等）保持轴承腔又杯等）保持轴承腔内的油层与井内钻井液柱压力相内的油层与井内钻井液柱压力相平衡。当轴承腔内油压降低，储平衡。当轴承腔内油压降低，储油杯中的润滑油在钻井液柱压力油杯中的润滑油在钻井液柱压力作用下补充到轴承腔内；当轴承作用下补充到

10、轴承腔内；当轴承腔内的油压升高，则流入储油杯。腔内的油压升高，则流入储油杯。其中，其中，有效密封是关键。有效密封是关键。4、喷嘴、喷嘴 钻井液流出钻头射向井底的流道，钻井液流出钻头射向井底的流道，高压钻井液流经喷嘴后产生高速流动高压钻井液流经喷嘴后产生高速流动的水射流，清除井底岩屑，辅助破碎的水射流，清除井底岩屑，辅助破碎岩石。岩石。 三牙轮钻头一般安装三牙轮钻头一般安装3个喷嘴，直个喷嘴，直径径713mm，用卡簧固定在水眼内，用卡簧固定在水眼内，并用并用O形圈密封。形圈密封。5、牙轮及牙齿的布置方式、牙轮及牙齿的布置方式 布齿原则布齿原则 （1）转一周牙齿全部破碎井底，不留下未被破碎的凸起）

11、转一周牙齿全部破碎井底，不留下未被破碎的凸起; （2）牙轮在重复滚动时应使牙齿不落入别的牙齿的破碎坑内）牙轮在重复滚动时应使牙齿不落入别的牙齿的破碎坑内; （3）牙齿的磨损均匀。）牙齿的磨损均匀。牙齿的布置方案牙齿的布置方案 （1）非自洗无滑动布置：）非自洗无滑动布置： 各牙轮牙齿齿圈不嵌合，单锥、不超顶、不移轴，用于硬地层各牙轮牙齿齿圈不嵌合，单锥、不超顶、不移轴，用于硬地层 （2）自洗不移轴布置：）自洗不移轴布置： 各牙轮牙齿齿圈相互嵌合，副锥、超顶、不移轴，用于中硬地层各牙轮牙齿齿圈相互嵌合，副锥、超顶、不移轴，用于中硬地层 （3）自洗移轴布置：）自洗移轴布置： 各牙轮牙齿齿圈相互嵌合，

12、副锥、超顶、移轴，用于软地层各牙轮牙齿齿圈相互嵌合，副锥、超顶、移轴，用于软地层（二）、牙轮钻头工作原理（二）、牙轮钻头工作原理 1、牙轮钻头在井底的运动、牙轮钻头在井底的运动 公转公转：牙轮随钻头一起旋转。：牙轮随钻头一起旋转。 自传自传：牙齿绕牙轮轴线作逆时针方向旋转称为自传。：牙齿绕牙轮轴线作逆时针方向旋转称为自传。 滑动滑动：牙轮齿相对于井底的滑动，包括径向（轴向）和切向（周向）滑动。：牙轮齿相对于井底的滑动，包括径向（轴向）和切向（周向）滑动。 引起滑动的原因：引起滑动的原因： 超顶和复锥引起切向（超顶和复锥引起切向（周向周向）滑动）滑动 移轴引起径向（移轴引起径向（轴向轴向）滑动）

13、滑动 纵向振动纵向振动：牙轮在滚动过程，其中心上下波动，使钻头做上下往复运动。：牙轮在滚动过程，其中心上下波动，使钻头做上下往复运动。 引起纵向振动的原因：引起纵向振动的原因： 单、双齿交替接触井底，使单、双齿交替接触井底，使牙轮中心上下波动；牙轮中心上下波动； 井底凹凸不平井底凹凸不平牙轮滑动对破岩的作用：牙轮滑动对破岩的作用： 牙轮的超顶和复锥引起的切向滑动剪切掉牙齿之间的岩石。牙轮的超顶和复锥引起的切向滑动剪切掉牙齿之间的岩石。 超顶引起的轴向滑动剪切掉齿圈之间的岩石。超顶引起的轴向滑动剪切掉齿圈之间的岩石。2、牙轮钻头的破岩作用、牙轮钻头的破岩作用 （1）冲击、压碎作用）冲击、压碎作用

14、 纵向振动产生的冲击力和静压力（钻压）一起使牙齿对地层产生冲击、纵向振动产生的冲击力和静压力（钻压）一起使牙齿对地层产生冲击、 压碎作用，形成体积破碎坑。压碎作用，形成体积破碎坑。 （2）滑动剪切作用）滑动剪切作用 牙轮牙齿的径向滑动和切向滑动对井底地层产生剪切作用，破碎齿间岩石。牙轮牙齿的径向滑动和切向滑动对井底地层产生剪切作用，破碎齿间岩石。 （3）射流的冲蚀作用）射流的冲蚀作用 有喷嘴喷出的高速射流对井底岩石产生冲蚀作用，辅助破碎岩石。有喷嘴喷出的高速射流对井底岩石产生冲蚀作用，辅助破碎岩石。（三）、牙轮钻头类型（三）、牙轮钻头类型 1、国产牙轮钻头的分类方法、国产牙轮钻头的分类方法 （

15、1）按结构分类：）按结构分类：Y, P, MP ,MPB ,HP , HPB ,XH 共共8个系列个系列（2）按地层分类：）按地层分类：JR, R, ZR, Z, ZY, Y, JY 1 , 2 , 3 , 4, 5 , 6, 7(3) 型号表示方法型号表示方法类型代号：类型代号：数字数字1-7，表明所适应的地层，表明所适应的地层 系列代号：系列代号：字母字母Y, P, MP ,MPB ,HP , HPB ,XH ，表明结构特征，表明结构特征钻头直径：钻头直径：用英寸或毫米表示直径大小用英寸或毫米表示直径大小 例：用于中硬地层、直径为 in (215.9mm)的铣齿滑动密封轴承喷射式三牙轮钻头

16、的型号为： *HP5或215.9*HP521/821/82、IADC分类方法分类方法系列代号系列代号用数字用数字1-8表示钻头牙齿特征及适应地层；表示钻头牙齿特征及适应地层； 1-3为铣齿，为铣齿， 5-8为镶齿。为镶齿。 地层等级代号地层等级代号用数字用数字1-4表示所钻地层再分为表示所钻地层再分为4个等级个等级钻头结构特征代号钻头结构特征代号用数字用数字1-9表示钻头结构特征，其中，表示钻头结构特征，其中， 1-7表示钻头轴承及保径特征。表示钻头轴承及保径特征。附加结构特征代号附加结构特征代号用英文字母表示钻头附加特征。用英文字母表示钻头附加特征。祥见书祥见书P66-67例如：34IS表示

17、适用于中等研磨性或研磨性表示适用于中等研磨性或研磨性4的硬地层非的硬地层非 密封滚动轴承的标准铣齿钻头。密封滚动轴承的标准铣齿钻头。 537C表示适用于低抗压强度的软到中硬地层的表示适用于低抗压强度的软到中硬地层的3级级 地层的滑动密封轴承保径带中心喷嘴的钻头。地层的滑动密封轴承保径带中心喷嘴的钻头。国产三牙轮钻头分类、型号表示法国产三牙轮钻头分类、型号表示法 钻头直径类型代号系列代号钻头直径类型代号系列代号 例: 用于中硬地层、直径为 in (215.9mm)的 铣齿滑动密封轴承喷射式三牙轮钻头的型号为： *HP5或215.9*HP5目前常用的牙轮钻头型号目前常用的牙轮钻头型号 P2, P3

18、, HP2, HP3 铣齿铣齿 XHP2, XHP3, XHP4镶齿镶齿 J1, J2, J3铣齿铣齿 J11, J22, J33 ,J44 ,J55镶齿镶齿21/821/8（四）（四） 牙轮钻头的正确使用牙轮钻头的正确使用 1、根据地层性质合理选择钻头类型，标准是每米钻 进成本最低， 地层较软时：选用牙齿高度大并带有超顶或移轴的钻头； 地层较硬时：选用牙齿高度小，无超顶或移轴的钻头； 2、优选钻头参数：钻压、钻速、水力参数等。（五）钻头常见故障及其识别（五）钻头常见故障及其识别 钻头故障是钻进过程中常见故障之一，其故障形式主钻头故障是钻进过程中常见故障之一，其故障形式主要有：因钻头轴承严重磨

19、损产生剧烈振动、牙轮卡死、掉牙要有：因钻头轴承严重磨损产生剧烈振动、牙轮卡死、掉牙轮、钻头泥包、喷嘴堵、掉喷嘴和牙齿脱落等。轮、钻头泥包、喷嘴堵、掉喷嘴和牙齿脱落等。1、钻头轴承磨损的识别、钻头轴承磨损的识别 反映钻头轴承工作状态最敏感的信号是反映钻头轴承工作状态最敏感的信号是扭矩信号，为了消除因钻压变化对扭矩产扭矩信号，为了消除因钻压变化对扭矩产生的影响，采用比扭矩，表示为：生的影响，采用比扭矩，表示为：WMMt/2、牙轮钻头泥包的识别、牙轮钻头泥包的识别钻头发生泥包后的特征： 钻时钻时Zf迅速增大，迅速增大， 立压立压StP有所上升有所上升 扭矩扭矩M逐渐增大，逐渐增大， 波幅波幅Vr(m

20、)减小减小 转速转速Rpm有所下降有所下降3、钻头水眼堵、掉的识别、钻头水眼堵、掉的识别四、金刚石钻头（四、金刚石钻头（Diamond Bit） （一）金刚石钻头的结构（一）金刚石钻头的结构 金刚石钻头为无活动部件的整体式钻金刚石钻头为无活动部件的整体式钻头，由钢体、胎体（冠部和保径部分）、头，由钢体、胎体（冠部和保径部分）、水眼及水槽、金刚石切削刃等部分组成。水眼及水槽、金刚石切削刃等部分组成。1、钢体、钢体 钢体是金刚石钻头的骨架，上部柱体车制丝扣和钻柱连接，钢体是金刚石钻头的骨架，上部柱体车制丝扣和钻柱连接，下部铣成爪形和胎体烧结在一起。下部铣成爪形和胎体烧结在一起。2、胎体、胎体 胎体

21、是镶嵌金刚石的基体，为质合金材料，用粉末冶金技术烧结在胎体是镶嵌金刚石的基体，为质合金材料，用粉末冶金技术烧结在钻头钢体上。钻头钢体上。 常用剖面形状：常用剖面形状： 3、水眼和水槽、水眼和水槽 钻井液由水眼流出，经过水槽流过钻头表面，清洗钻井液由水眼流出，经过水槽流过钻头表面，清洗井底，冷却和润滑金刚石井底，冷却和润滑金刚石。 常用水力结构：常用水力结构：4 、金刚石、金刚石 (1)特性特性 金刚石为碳在高温高压下的结晶体，正四面体晶体结构，在单位晶胞中，金刚石为碳在高温高压下的结晶体，正四面体晶体结构，在单位晶胞中，碳原子位于四面体顶角及中心。每一个碳原子与邻近的四个碳原子形成四个共碳原子

22、位于四面体顶角及中心。每一个碳原子与邻近的四个碳原子形成四个共价键。价键。 因共价键结合力强，故金刚石具有极高的硬度（莫氏硬度因共价键结合力强，故金刚石具有极高的硬度（莫氏硬度10）、抗压强度）、抗压强度（8800MPa）和耐磨性钢的）和耐磨性钢的9000倍。倍。 其缺点是：其缺点是： 脆性大，受冲击载荷易破碎；脆性大，受冲击载荷易破碎； 具有热敏性，高温下（具有热敏性，高温下（450度以上）石墨化。度以上）石墨化。热稳定聚晶金刚石钻头（热稳定聚晶金刚石钻头（TSP） TSP钻头的热稳定性，耐磨性和钻头的热稳定性，耐磨性和抗冲击能力都高于一般的金刚石钻头。抗冲击能力都高于一般的金刚石钻头。（2

23、）两类金刚石材料）两类金刚石材料 天然金刚石天然金刚石：非洲产，品种有：卡邦（非洲产，品种有：卡邦（Carnon）、包尔兹（）、包尔兹（Boarz）、）、 巴拉斯（巴拉斯（Ballas）。）。 人造金刚石单晶和聚晶：人造金刚石单晶和聚晶： 石墨石墨 金刚石金刚石 金刚石单晶金刚石单晶 金刚石聚晶金刚石聚晶5000-10000MPa高温高压下高温高压下（3）金刚石颗粒在胎体上的镶装方式）金刚石颗粒在胎体上的镶装方式 有表镶式和孕镶式。表镶式金刚石钻头所用的金刚石颗粒一般在有表镶式和孕镶式。表镶式金刚石钻头所用的金刚石颗粒一般在0.51.5 粒粒/克拉。克拉。 孕镶式金刚石钻头是把金刚石颗粒和胎体

24、烧结在一起。适合对付极硬地层，孕镶式金刚石钻头是把金刚石颗粒和胎体烧结在一起。适合对付极硬地层， 而且成本比孕镶式低的多，一般孕镶层的厚度而且成本比孕镶式低的多，一般孕镶层的厚度212mm,金刚石颗粒棱角越尖越金刚石颗粒棱角越尖越 好。好。 C20001000（4）金刚石粒度、出刃和排列方式）金刚石粒度、出刃和排列方式 粒度：粒度：0.515粒粒/克拉（克拉（0.2g） 出刃：出刃： 最大出刃量为直径的最大出刃量为直径的1/3 排列方式：排列方式：（二）、金刚石的破岩机理（二）、金刚石的破岩机理 概括地讲，金刚石钻头以磨削（耐磨）方式破碎岩石，类似于砂轮磨概括地讲，金刚石钻头以磨削（耐磨）方式

25、破碎岩石，类似于砂轮磨 削金属的过程。削金属的过程。 （1）在钻进某些硬地层时，在钻压作用下压入岩石，使与金刚石接触的岩石）在钻进某些硬地层时，在钻压作用下压入岩石，使与金刚石接触的岩石 处于极高的应力状态而使岩石呈现塑性。处于极高的应力状态而使岩石呈现塑性。 （2）在塑性地层（或岩石在应力作用下呈现塑性的地层），）在塑性地层（或岩石在应力作用下呈现塑性的地层）， 使前方岩石内部发生破碎或塑性流动，使前方岩石内部发生破碎或塑性流动， 脱离岩石基体，形成岩屑，称作犁削。脱离岩石基体，形成岩屑，称作犁削。 （3）在脆性较大的岩石中，在钻压和扭矩作用下所产生的应力使岩石表现）在脆性较大的岩石中，在钻

26、压和扭矩作用下所产生的应力使岩石表现 为脆性破碎，即属于以剪力和张力形式破碎岩石。为脆性破碎，即属于以剪力和张力形式破碎岩石。 （4）在坚硬岩石（如燧石、硅质白云岩、硅质石灰岩等）中，是要靠金刚）在坚硬岩石（如燧石、硅质白云岩、硅质石灰岩等）中，是要靠金刚 石的棱角实现微切削、刻划等方式来破碎岩石。石的棱角实现微切削、刻划等方式来破碎岩石。（三）、金刚石钻头的正确使用（三）、金刚石钻头的正确使用 1、适用于硬、研磨性地层，涡轮钻井，深井钻井，适用于硬、研磨性地层，涡轮钻井，深井钻井， 取芯作业、寿命长，进尺高。取芯作业、寿命长，进尺高。 2、钻头下井前，井底打捞干净，确保没有金属落物。、钻头下

27、井前，井底打捞干净，确保没有金属落物。 3、先用小钻压、低钻速跑合，然后用合适的钻压和、先用小钻压、低钻速跑合，然后用合适的钻压和 高转速钻进。高转速钻进。 4、采用低钻压（、采用低钻压（3050KN）、高转速、大排量钻进。）、高转速、大排量钻进。五、五、PDC钻头（钻头（Polycrystalline Diamond Compact Bit）（一）（一）PDC钻头的结构特点钻头的结构特点 1、切削元件、切削元件聚晶金刚石复合片（聚晶金刚石复合片（PDC） 特性特性 PDC既具有金刚石的硬度和耐磨性，既具有金刚石的硬度和耐磨性， 弱点：热稳定性差，弱点：热稳定性差，350度以上加速磨损，度以上

28、加速磨损， 抗冲击能力较差。抗冲击能力较差。2、工作面形状、工作面形状3、切削齿布置、切削齿布置 刮刀式布齿方式：刮刀式布齿方式：特点是整体强度高、抗特点是整体强度高、抗 冲击能力强、易于清洗和冷却、排屑好、冲击能力强、易于清洗和冷却、排屑好、 抗泥包能力强。适合于粘性或软地层。抗泥包能力强。适合于粘性或软地层。 单齿式布齿方式：单齿式布齿方式：布齿区域大、布齿密度布齿区域大、布齿密度 高、可提高钻头的使用寿命，但水力清洗高、可提高钻头的使用寿命，但水力清洗 能力差。容易在粘性地层泥包，适于硬能力差。容易在粘性地层泥包，适于硬 地层。地层。 组合式切削齿的布置：组合式切削齿的布置：具有良好的清

29、洗、具有良好的清洗、 冷却和排屑能力，布齿密度较高，一般冷却和排屑能力，布齿密度较高，一般 适用中等硬度地层。适用中等硬度地层。 布齿原则：布齿原则： 等切削体积等切削体积 等磨损等磨损 等功率等功率4、切削齿工作角、切削齿工作角 后倾角（负前角）后倾角（负前角） ：起到保护切削齿，延长寿命的作用，取值：起到保护切削齿，延长寿命的作用，取值0-20度，度， 软地层小些，硬地层大些。软地层小些，硬地层大些。 侧倾角（旁峰刀面角）侧倾角（旁峰刀面角） ：钻头旋转时，切削刃面对切屑产生向外侧的：钻头旋转时，切削刃面对切屑产生向外侧的 推力，有利于向外排出岩屑。推力，有利于向外排出岩屑。 左右。左右。

30、155、喷嘴、喷嘴流道系统流道系统 冷却和清洗效果严重影响冷却和清洗效果严重影响PDC钻头的钻速和寿命。钻头的钻速和寿命。 喷嘴数量一般比三牙轮钻头多，喷嘴位置和流道结构喷嘴数量一般比三牙轮钻头多，喷嘴位置和流道结构 根据切削齿位置确定。根据切削齿位置确定。（二）（二）PDC钻头破岩机理钻头破岩机理PDC主要以切削方式破碎岩石。主要以切削方式破碎岩石。切削刃在钻压作用下吃入地层，刃前岩石在旋转力作用下发生切削刃在钻压作用下吃入地层，刃前岩石在旋转力作用下发生剪切破碎。剪切破碎。切削塑性岩石和脆性岩石的过程类似于刮刀钻头，由于多个切切削塑性岩石和脆性岩石的过程类似于刮刀钻头，由于多个切削齿同时工

31、作，井底岩石自由面多，因此破碎效率高。削齿同时工作，井底岩石自由面多，因此破碎效率高。金刚石切削刃耐磨性高，钻头寿命长，单只钻头进尺高。金刚石切削刃耐磨性高，钻头寿命长，单只钻头进尺高。（三）（三）PDC钻头的正确使用钻头的正确使用 1、PDC钻头适应于软到中硬的大段均质地层，不适合钻软钻头适应于软到中硬的大段均质地层，不适合钻软 硬交错的地层和砾石层。硬交错的地层和砾石层。 2、与牙轮钻头相比，、与牙轮钻头相比，PDC钻头宜采用低钻压、高转速钻进。钻头宜采用低钻压、高转速钻进。 3、钻头下井前，井底要清洁，无金属落物，新钻头钻进时，、钻头下井前，井底要清洁，无金属落物，新钻头钻进时， 先用小

32、钻压和低转速磨合井底。先用小钻压和低转速磨合井底。 4、PDC钻头属于整体式钻头，无任何活动部件，适合高转速钻头属于整体式钻头，无任何活动部件，适合高转速 的涡轮钻井。的涡轮钻井。 金刚石材料钻头的金刚石材料钻头的IADC分类法（分类法（P70） 第二节第二节 钻柱钻柱 一、钻柱的作用与组成一、钻柱的作用与组成 二、钻柱的工作状态与受力分析二、钻柱的工作状态与受力分析 三、钻柱设计三、钻柱设计一、钻柱的作用与组成钻柱的作用与组成 （一）钻柱的组成（一）钻柱的组成 钻柱（钻柱（Drilling String）是钻头以上，）是钻头以上，水龙头以下的部分钢管柱的总称。水龙头以下的部分钢管柱的总称。

33、它包括方钻杆（它包括方钻杆（Square Kelly）、钻）、钻杆（杆（Drill Pipe）、钻铤（）、钻铤（Drill Collar）、）、各种接头（各种接头（Joint）及稳定器）及稳定器(Stabilizer)等井下工具。等井下工具。(二二) 钻柱的作用钻柱的作用 （1）提供钻井液流动的通道）提供钻井液流动的通道 （2）给钻头提供钻压）给钻头提供钻压 （3）传递扭矩）传递扭矩 （4）起下钻头）起下钻头 （5）计量井深）计量井深 （6）观察和了解井下情况（钻头工作情况、井眼状）观察和了解井下情况（钻头工作情况、井眼状 况况 、地层情况）、地层情况） （7）进行其他特殊作业（取芯、挤水泥、

34、打捞等）进行其他特殊作业（取芯、挤水泥、打捞等） （8）钻杆测试（）钻杆测试（Drill-stem Testing），又称中途测试。），又称中途测试。1、钻杆、钻杆 （1）作用）作用：传递扭矩和输送钻井液，延长钻柱：传递扭矩和输送钻井液，延长钻柱 （2）结构）结构：管体：管体+ 接头接头 常用的加厚形式：内加厚（常用的加厚形式：内加厚（a）,外加厚（外加厚（b）,内外加厚（内外加厚（c）；）；3、规范：、规范： 壁厚：壁厚： 911mm 外径：外径： 长度：长度： 根据美国石油学会（根据美国石油学会（American Petroleum Institute,简称简称 API）的规定）的规定,钻

35、杆按长度分三类：钻杆按长度分三类： 第一类：第一类： 5.4866.706米（米（1822英尺）英尺） 第二类：第二类： 8.2309.144米（米（2730英尺）英尺） 第三类：第三类： 11.58213.716米（米（3845英尺）英尺） 常用钻杆规范（内径、外径、壁厚、线密度等）见表常用钻杆规范（内径、外径、壁厚、线密度等）见表2-122121218783/570.139,500.127,/430.114460.101,/390.88,/200.73,/230.604、钢级与强度、钢级与强度5、接头与丝扣、接头与丝扣丝扣连接条件丝扣连接条件：尺寸相等、丝扣类型相同、公母扣相匹配。：尺寸相

36、等、丝扣类型相同、公母扣相匹配。钻杆接头特点钻杆接头特点：壁厚较大，外径较大，强度较高。：壁厚较大，外径较大，强度较高。钻杆接头类型钻杆接头类型：内平（：内平（IF）、贯眼（）、贯眼（FH）、正规（）、正规（REG）、）、NC系列。系列。 内平式：内平式：主要用于外加厚钻杆，其特点主要用于外加厚钻杆，其特点是钻杆通体内径相同，钻井液流动阻力小，是钻杆通体内径相同，钻井液流动阻力小，但外径较大，容易磨损。但外径较大，容易磨损。贯眼式：贯眼式：主要用于内加厚钻杆，其特点主要用于内加厚钻杆，其特点是钻杆有两个内径，钻井液流动阻力大于内是钻杆有两个内径，钻井液流动阻力大于内平式，但外径小于内平式。平式

37、，但外径小于内平式。正规式正规式：主要用于内加厚钻杆及钻头、主要用于内加厚钻杆及钻头、打捞工具，其特点是接头内径打捞工具，其特点是接头内径加厚处内径加厚处内径管体内径，钻井液流动阻力大，但外径最小，管体内径，钻井液流动阻力大，但外径最小，强度较大。强度较大。 三种类型的接头均采用三种类型的接头均采用V型螺纹，但扣型螺纹，但扣型、扣距、锥度及尺寸等都有很大差别。型、扣距、锥度及尺寸等都有很大差别。 NC系列接头系列接头 NC23, NC26, NC31, NC35, NC38, NC40, NC44, NC46, NC50, NC56, NC61, NC70, NC77 NCNational C

38、oarse Thread,（美国）国家标准粗牙螺纹（美国）国家标准粗牙螺纹 XX表示基面丝扣节圆直径，用英寸表示的前两位数字乘以表示基面丝扣节圆直径，用英寸表示的前两位数字乘以10。 如：如：NC26 表示节圆直径为表示节圆直径为2.668英寸，英寸， NC螺纹也为螺纹也为V型螺纹，表型螺纹，表2-17所列的几种所列的几种NC接头与旧接头与旧API标准标准 的接头有相同的节圆直径、锥度、螺距和螺纹长度，可互换使用。的接头有相同的节圆直径、锥度、螺距和螺纹长度，可互换使用。 2、钻头、钻头结构特点：结构特点：管体两端直接车制丝扣，无专门接头，壁厚大（管体两端直接车制丝扣，无专门接头，壁厚大（38

39、-53mm） 重量大，刚度大。重量大，刚度大。主要作用主要作用: （1）给钻头施加钻压给钻头施加钻压 （2）保证压缩应力条件下的必要强度）保证压缩应力条件下的必要强度 （3）减轻钻头振动、跳动和摆动等，使钻头工作稳定）减轻钻头振动、跳动和摆动等，使钻头工作稳定 （4）控制井斜）控制井斜类类 型：型：光钻铤、螺旋钻铤、扁钻铤；光钻铤、螺旋钻铤、扁钻铤； 常用尺寸：常用尺寸：9 , 8 , 7 , 4/163、方钻杆、方钻杆 类类 型：型：四方形、六方形四方形、六方形 特特 点：点：壁厚大、强度高壁厚大、强度高 主要作用：主要作用：传递扭矩和承受钻柱全部重量传递扭矩和承受钻柱全部重量 常用尺寸：常

40、用尺寸：89mm(3.5英寸英寸)、108mm(4.5英寸英寸)、133.4mm(5.5英寸英寸)4、稳定器、稳定器 类型：类型：刚性稳定器、不转动橡胶套稳定器、滚轮稳定器刚性稳定器、不转动橡胶套稳定器、滚轮稳定器 作用：作用：1) 防斜防斜 2）控制井眼轨迹）控制井眼轨迹（一）钻柱的工作状态（一）钻柱的工作状态 1、起下钻工况下、起下钻工况下 直井：直的拉伸、滑动直井：直的拉伸、滑动 斜井：随井眼倾斜、弯曲、滑动斜井：随井眼倾斜、弯曲、滑动 2、正常钻进工况下、正常钻进工况下 上部受拉伸，下部受压弯曲，在扭矩作用下做上部受拉伸，下部受压弯曲，在扭矩作用下做 旋转运动。旋转运动。 下部钻柱弯曲

41、的原因：下部钻柱弯曲的原因： 钻压的作用使钻柱受压缩，当压力达到钻柱的钻压的作用使钻柱受压缩，当压力达到钻柱的 临界压力，钻柱将失去直线稳定状态而发生弯曲临界压力，钻柱将失去直线稳定状态而发生弯曲 并与井壁接触。并与井壁接触。 压力较大时可能发生多次弯曲。压力较大时可能发生多次弯曲。 （三）钻柱的旋转运动形式（三）钻柱的旋转运动形式 （1）自转：）自转：钻柱像一根柔性轴，围绕自身轴线旋转，均匀磨损钻柱像一根柔性轴，围绕自身轴线旋转，均匀磨损 易发生疲劳破坏。易发生疲劳破坏。 （2）公转：）公转：钻柱像一个刚体，围绕井眼轴线旋转并沿着井壁滑动钻柱像一个刚体，围绕井眼轴线旋转并沿着井壁滑动 产生偏

42、磨。产生偏磨。 （3）公转与自传结合：）公转与自传结合： 弯曲钻柱围绕井眼轴线旋转，同时围绕自身轴线转动。弯曲钻柱围绕井眼轴线旋转，同时围绕自身轴线转动。（4）纵向振动：）纵向振动：钻头振动引起，产生交变应力。钻头振动引起，产生交变应力。（5）扭转振动：）扭转振动：由井底对钻头旋转阻力的变化引起，产生由井底对钻头旋转阻力的变化引起，产生 交变扭剪应力。交变扭剪应力。（6）横向摆动：）横向摆动：达到某一临界转速，可能产生无规则摆动，达到某一临界转速，可能产生无规则摆动， 产生交变弯曲应力。产生交变弯曲应力。 一般认为弯曲钻柱旋转的主要形式是自转，但也可能产一般认为弯曲钻柱旋转的主要形式是自转，但

43、也可能产生公转或两种运动形式的结合，由于在转动过程受到阻力作生公转或两种运动形式的结合，由于在转动过程受到阻力作用，钻具的转动是不平稳的。用，钻具的转动是不平稳的。 （二）钻柱的受力分析（二）钻柱的受力分析 1、概述、概述 （1）自重产生的拉力）自重产生的拉力 （2）钻压产生的拉力）钻压产生的拉力 （3）钻井液的浮力）钻井液的浮力 （4）磨擦阻力）磨擦阻力 （5）循环压降产生的附加拉力）循环压降产生的附加拉力 （6）起下钻时产生的动载荷）起下钻时产生的动载荷 （7）扭矩）扭矩 （8）弯曲应力）弯曲应力 （9）离心力）离心力 （10）外挤力）外挤力 （11）振动产生的交变应力）振动产生的交变应力

44、 钻柱受力最严重的部位：钻柱受力最严重的部位： 1）井口断面）井口断面拉力最大、扭矩最大拉力最大、扭矩最大 2）下部受压弯曲部分）下部受压弯曲部分交变轴向应力、弯曲应力、扭剪应力交变轴向应力、弯曲应力、扭剪应力 3 ）中性点）中性点拉压交变载荷拉压交变载荷2、轴向力和中性点、轴向力和中性点 （1）自重产生的轴向拉力（井内完全掏空）自重产生的轴向拉力（井内完全掏空） （2）浮重产生的轴向力）浮重产生的轴向力 式中：式中： 称为：称为：“浮力减轻系数浮力减轻系数” （3）正常钻进时的轴向力）正常钻进时的轴向力ccppLqLqF00)(FKLqLqKFBccppBmsdBK/1WLqLqKFccpp

45、Bw)(（4）其它轴向力的计算）其它轴向力的计算 循环压降引起的附加轴向拉力循环压降引起的附加轴向拉力 滑动摩擦阻力滑动摩擦阻力 动载荷动载荷（5）起下钻时钻柱的轴向力）起下钻时钻柱的轴向力410*)(ibihAPPFmfFF)3 . 02 . 0(0FgtvFddfccppBtFFLqLqKF)(（6）中性点）中性点 钻柱上轴向力等于零的点（钻柱上轴向力等于零的点（N点）点） (也称中和点也称中和点 Neutral Point） 垂直井眼中钻柱的中性点高度：垂直井眼中钻柱的中性点高度： 式中：式中： 中性点距井底的高度，中性点距井底的高度，m; 重要意义：重要意义：1）设计钻柱时要保证中性点

46、始终落在钻铤上。）设计钻柱时要保证中性点始终落在钻铤上。2）指导松扣、造扣等特殊作业）指导松扣、造扣等特殊作业3）中性点附近钻柱受交变应力作用，易疲劳）中性点附近钻柱受交变应力作用，易疲劳 破坏。破坏。BcNKqWLNL三、钻柱设计三、钻柱设计 设计内容：设计内容： （1）尺寸选择）尺寸选择 （2）钻铤柱长度计算）钻铤柱长度计算 （3）钻杆柱长度设计与校核）钻杆柱长度设计与校核 设计原则设计原则 （1）满足强度（抗拉、抗挤强度等）要求，保证钻柱安全工作。）满足强度（抗拉、抗挤强度等）要求，保证钻柱安全工作。 （2）尽量减轻某个钻柱的重力，以便在现有的抗负荷能力下钻）尽量减轻某个钻柱的重力，以便

47、在现有的抗负荷能力下钻 更深的井。更深的井。（一）、钻柱尺寸的选择（一）、钻柱尺寸的选择 1、依据、依据 （1）钻机的提升能力）钻机的提升能力 （2）井眼尺寸）井眼尺寸 （3）地质条件）地质条件 （4）工艺要求）工艺要求 （5）供货情况）供货情况 2、经验配合关系、经验配合关系 选择的基本原则：选择的基本原则： 1、方钻杆由于受到扭矩和拉力最大，在供应可能的情况下，尽量选用、方钻杆由于受到扭矩和拉力最大，在供应可能的情况下，尽量选用 大尺寸的方钻杆。大尺寸的方钻杆。 2、在钻机提升能力允许的情况下，选用大尺寸的钻杆是有利的。、在钻机提升能力允许的情况下，选用大尺寸的钻杆是有利的。 3、钻铤尺寸

48、一般选用与钻杆接头外径尺寸相等或相近的尺寸，有时根、钻铤尺寸一般选用与钻杆接头外径尺寸相等或相近的尺寸，有时根 据防斜措施来选择钻铤的直径。据防斜措施来选择钻铤的直径。使用大直径钻铤具有以下优点：使用大直径钻铤具有以下优点：（1）可用较少的钻铤满足所需钻压的要求，可减小钻铤，从而减小起）可用较少的钻铤满足所需钻压的要求，可减小钻铤，从而减小起 下钻时连接钻铤的时间。下钻时连接钻铤的时间。（2）提高了钻头附近钻柱的刚度，有利于改善钻头工况。）提高了钻头附近钻柱的刚度，有利于改善钻头工况。（3）钻铤和井壁间的间隙减小，可减小连接部分的疲劳破坏）钻铤和井壁间的间隙减小，可减小连接部分的疲劳破坏（4）

49、有利于防斜。）有利于防斜。（二）钻铤长度的确定（二）钻铤长度的确定浮重原则：浮重原则：保证在最大钻压时钻杆不承受压缩载荷，即保证在最大钻压时钻杆不承受压缩载荷，即 保持中性点始终在钻铤上。保持中性点始终在钻铤上。 计算公式：计算公式： 式中：式中： Lc钻铤长度，钻铤长度，m; 设计的最大钻压，设计的最大钻压，KN; 安全系数，考虑附加力（动载、井壁摩擦力等）安全系数，考虑附加力（动载、井壁摩擦力等） 防止中性点移动到较弱的钻杆上，一般防止中性点移动到较弱的钻杆上，一般 =1.151.25 每米钻铤在空气中的重力，每米钻铤在空气中的重力，KN/m; 浮力系数；浮力系数； 井斜角，直井为井斜角，

50、直井为0度。度。cosmaxBcNcKqWSL maxWNSNSBKcq(三三)、钻杆强度设计、钻杆强度设计 1、强度条件、强度条件 式中：式中： 钻杆柱任一截面上的静拉伸载荷，钻杆柱任一截面上的静拉伸载荷，KN； 钻杆柱的最大安全静拉力，钻杆柱的最大安全静拉力，KN; (1)钻杆在屈服强度下的抗拉载荷钻杆在屈服强度下的抗拉载荷 钻杆材料的屈服强度所允许的最大抗拉载荷。钻杆材料的屈服强度所允许的最大抗拉载荷。 式中：式中： 钻杆钢材的最小屈服强度，钻杆钢材的最小屈服强度，Mpa； 钻杆的横截面积，钻杆的横截面积，cm2; 最小屈服强度下的抗拉载荷，最小屈服强度下的抗拉载荷，KN; 可以计算，也

51、可以从表可以计算，也可以从表2-14查得。查得。atFF BmkckckijpjjpiitiKqLqLqLF)(111tFaFpyyAF1 . 0yFypA（2）钻杆的最大允许拉伸力）钻杆的最大允许拉伸力 式中：式中： 钻杆的最大允许拉伸载荷，钻杆的最大允许拉伸载荷，KN; （3）钻杆的最大安全静拉力钻杆的最大安全静拉力 安全系数法（考虑起下钻时的动载、摩擦力）安全系数法（考虑起下钻时的动载、摩擦力） 式中：式中： 安全系数，一般为安全系数，一般为1.3； 设计系数法（考虑卡瓦挤压）设计系数法（考虑卡瓦挤压） 拉力余量法拉力余量法 式中：式中：MOP拉力余量，一般拉力余量，一般200500KN

52、;yPFF9 . 0PFtPaSFF/tS1)(xyPaFFMOPFFPa三者取最小值作为三者取最小值作为aF2、钻杆柱强度设计、钻杆柱强度设计 按最大安全静拉力按最大安全静拉力 设计钻杆柱的下入最大深度（长度）。设计钻杆柱的下入最大深度（长度）。 （1）单一钻杆柱设计）单一钻杆柱设计 强度条件：强度条件： 最大允许下深：最大允许下深：aFBccpaKqLLqF)(pccBaqqLKFL/（2）复合钻杆柱设计（深井）复合钻杆柱设计（深井） 思路：由下而上所受拉伸载荷逐渐增大，强度逐渐增大，故思路：由下而上所受拉伸载荷逐渐增大，强度逐渐增大，故由钻铤上面第一段钻杆开始，先选择强度较低的钻杆，确定

53、其许由钻铤上面第一段钻杆开始，先选择强度较低的钻杆，确定其许用长度；在向上逐段选择强度更高的钻杆进行设计，这样设计出用长度；在向上逐段选择强度更高的钻杆进行设计，这样设计出来的钻杆柱，由下而上强度逐渐增大以满足抗拉强度的要求。来的钻杆柱，由下而上强度逐渐增大以满足抗拉强度的要求。每段钻杆满足强度条件：每段钻杆满足强度条件：BijmkckckpjjpiiaiKqLqLqLF)(111钻铤上面第一、二、三、四段钻杆的长度；钻铤上面第一、二、三、四段钻杆的长度；相应各段钻杆的最大安全静拉力；相应各段钻杆的最大安全静拉力；相应各段钻杆在空气中的单位长度的重力；相应各段钻杆在空气中的单位长度的重力；33322114443221133332112221111ppppccBpapppccpapppccB