钻井工程-翟应虎第二章钻进工具new

1、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 钻头的选型及分类方法 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 钻柱的工作状态及受力分析 钻柱设计一、概述一、概述 1. 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、PDCPDC钻头、钻头、 金刚石钻头金刚石钻头 按功用分类按功用分类 全面钻进钻头、取心钻头、全面钻进钻头、取心钻头、 扩眼钻头扩眼钻头 2. 2. 钻头尺寸系列钻头尺寸系列 3-3/4 36 第一节第一节 钻头（钻头（Drill Bit)Drill Bit)常用尺寸：常用尺寸：

2、26 、171/2 、121/4 、 81/2 3. 3. 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/ /米）米）：HttCCCtrbpm)( 二、刮刀钻头（二、刮刀钻头（Drag BitDrag Bit） 刮刀钻头的结构刮刀钻头的结构 上钻头体、下钻头体（分水上钻头体、下钻头体（分水帽）、帽）、 刀翼、水眼。刀翼、水眼。图图2-1 刮刀钻头结构刮刀钻头结构 刀翼刀翼三刀翼的称作三刮刀钻头三刀翼的称作三刮刀钻头 两刀翼的称作两刮刀钻头或鱼两刀翼的称作两刮刀钻头或鱼 尾刮

3、刀钻头尾刮刀钻头 四刀翼的称作四刮刀钻头四刀翼的称作四刮刀钻头三、牙轮钻头（三、牙轮钻头（Roller BitRoller Bit） （一）牙轮钻头结构（一）牙轮钻头结构 牙轮钻头由钻头体、牙抓（巴牙轮钻头由钻头体、牙抓（巴掌）掌） 及牙轮轴、牙轮及牙齿、轴承、及牙轮轴、牙轮及牙齿、轴承、储油润滑密封系统、喷嘴等部分组成。储油润滑密封系统、喷嘴等部分组成。1 1牙轮及牙齿牙轮及牙齿 （1 1）牙轮）牙轮 20CrMo合金钢锥体，锥面铣齿或镶装硬质合金齿，内腔有轴承跑道。合金钢锥体，锥面铣齿或镶装硬质合金齿，内腔有轴承跑道。 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：

4、主锥复锥牙轮：主锥+ +副锥副锥+ +背锥，软到中硬背锥，软到中硬 a单锥；单锥； b、c复锥；复锥； 1主锥；主锥； 2副锥；副锥； 3背锥背锥abc铣齿牙轮钻头铣齿牙轮钻头镶齿牙轮钻头镶齿牙轮钻头（2 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，有多种齿形适应不同地层镶装在牙轮锥面上，有多种齿形适应不同地层。2 2轴承轴承 牙轮钻头轴承有大、中、小和止推四副。根据轴承的密封与否，可分为密牙轮钻头轴承有大、中、小和止推四副。根据轴承的密封与否，可分为密封和非密封两类。根据轴承副的结构，可分为滚动轴承和滑动轴承两大

5、类。封和非密封两类。根据轴承副的结构，可分为滚动轴承和滑动轴承两大类。 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一止推滑动一止推 滑动轴承结构：滑动轴承结构：滑动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 密封圈密封圈滚柱止推台阶滑动摩擦衬套滑动摩擦副3 3储油润滑密封系统储油润滑密封系统 v储油润滑补偿系统储油润滑补偿系统 v密封系统密封系统： v橡胶密封圈、金属密封圈橡胶密封圈、金属密封圈 v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、油杯等）保持轴承腔内力补偿膜、油杯

6、等）保持轴承腔内的油压与井内钻井液柱压力相平衡。的油压与井内钻井液柱压力相平衡。当轴承腔内油压降低，储油杯中的当轴承腔内油压降低，储油杯中的润滑油在钻井液柱压力作用下补充润滑油在钻井液柱压力作用下补充到轴承腔内；当轴承腔内的油压升到轴承腔内；当轴承腔内的油压升高，则流入储油杯。其中，高，则流入储油杯。其中，有效密有效密封是关键封是关键。 4 4水眼水眼 钻井液流出钻头射向井底的流道。高压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的水射流，钻井液流经喷嘴后产生高速流动的水射流，清除井底岩屑，辅助破碎岩石。清除井底岩屑，辅助破碎岩石。 三牙轮钻头一般安装三牙轮钻头一般安装 3

7、3 个水眼，喷嘴个水眼，喷嘴用卡簧固定在水眼内，并用用卡簧固定在水眼内，并用o o形形圈密封。圈密封。 5 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 1）转一周牙齿全部破碎井底，不留下未被破碎的凸起；）转一周牙齿全部破碎井底，不留下未被破碎的凸起； （2 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 3）牙齿磨损均匀。）牙齿磨损均匀。牙轮布置方案：牙轮布置方案： （1 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

8、超顶，不移轴，用于硬地层； （2 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 3）自洗移轴布置：）自洗移轴布置： 各牙轮牙齿齿圈相互嵌合，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； 非自洗非自洗自洗无移轴自洗无移轴自洗移轴自洗移轴（二）牙轮钻头工作原理（二）牙轮钻头工作原理 1 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。 自转自转：牙齿绕牙轮轴线作逆时针方向旋转称自转。牙齿绕牙轮轴线

9、作逆时针方向旋转称自转。 滑动：滑动：牙轮齿相对于井底的滑移，包括径向（轴向）和切向（周向）滑动。牙轮齿相对于井底的滑移，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（周向）滑动超顶和复锥引起切向（周向）滑动 移轴引起径向（轴向）滑动移轴引起径向（轴向）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，使牙轮中心上下波动；单、双齿交替接触井底，使牙轮中心上下波动； 井底凹凸不平井底凹凸不平 超顶引起切

10、向滑动超顶引起切向滑动副锥产生超顶效果副锥产生超顶效果单、双齿交替接触井底单、双齿交替接触井底 引起纵向振动引起纵向振动移轴引起径向滑动移轴引起径向滑动O a O a a O 2 2牙轮钻头的破岩作用牙轮钻头的破岩作用 （1 1）冲击、压碎作用）冲击、压碎作用 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。击、压碎作用，形成体积破碎坑。 （2 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，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。破

11、碎齿间岩石。 （3 3）射流的冲蚀作用）射流的冲蚀作用 由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。由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。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。（三）牙轮钻头类型（三）牙轮钻头类型 1. 1. 国产牙轮钻头分类方法国产牙轮钻头分类方法 （1 1）按结构分类：）按结构分类：Y，P，MP，MPB，HP，HPB，XMP，XH共共8个个系列系列

12、 系 列 名 称类 别全 称简 称代 号普通三牙轮钻头普通钻头Y喷射式三牙轮钻头喷射式钻头P滚动密封轴承喷射式三牙轮钻头密封钻头MP滚动密封轴承保径喷射式三牙轮钻头密封保径钻头MPB滑动密封轴承喷射式三牙轮钻头滑动轴承钻头HP铣齿钻头滑动密封轴承保径喷射式三牙轮钻头滑动保径钻头HPB镶硬质合金齿滚动密封轴承喷射式三牙轮钻头镶齿密封钻头XMP镶齿钻头镶硬质合金齿滑动密封轴承喷射式三牙轮钻头镶齿滑动轴承钻头XH（2 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 国产三牙轮钻头类型及适应地层国产三牙轮钻头类型及适应地层 类型代号：类型代

13、号：数字数字1 17 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,XMP,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 v v例：例：用于中硬地层、直径为用于中硬地层、直径为8in(215.9mm)8in(215.9mm)的镶齿滑动密封轴承喷的镶齿滑动密封轴承喷射式三牙轮钻头的型号为：射式三牙轮钻头的型号为：8XHP5或或215.9XHP5。 （3 3）型号表示方法）型号表示方法 2. IADC2. IADC分类法分类法 系列代号系列代号用数字用数字1 18 8表示钻头牙齿特征

14、及适钻地层；表示钻头牙齿特征及适钻地层； 1-31-3为铣齿，为铣齿，5-85-8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 14 4表示所钻地层再分为表示所钻地层再分为4 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 19 9表示钻头结构特征，其表示钻头结构特征，其中中1 17 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. P66-67. 例如：例如：341S341S表示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 4级硬地层非密封级

15、硬地层非密封 滚动轴承的标准铣齿钻头。滚动轴承的标准铣齿钻头。 537C537C表示适用于底抗压强度的软到中硬的表示适用于底抗压强度的软到中硬的3 3级地层滑动级地层滑动 密封轴承保径带中心喷嘴钻头。密封轴承保径带中心喷嘴钻头。四四. . 金刚石钻头金刚石钻头 （1 1）金刚石材料特性与分类、结构特点）金刚石材料特性与分类、结构特点 金刚石为碳在高温高压下形成的结晶体，正四面体晶体金刚石为碳在高温高压下形成的结晶体，正四面体晶体结构。在单位晶胞中，碳原子位于四面体的顶角及结构。在单位晶胞中，碳原子位于四面体的顶角及 中心。每个碳原子与邻近的四个碳原子形成四个共价键。中心。每个碳原子与邻近的四个

16、碳原子形成四个共价键。 分类：天然金刚石分类：天然金刚石聚晶金刚石复合片（聚晶金刚石复合片（PDCPDC） 热稳定性聚晶金刚石（热稳定性聚晶金刚石（TSPTSP）金刚石钻头的结构金刚石钻头的结构 金刚石钻头为无活动部件的整体金刚石钻头为无活动部件的整体式钻式钻 头。由钢体、胎体（冠部和保径部头。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分）、水眼及水槽、金刚石切削刃等部分组成组成。（2）天然金刚石钻头（天然金刚石钻头（Diamond Bit) Diamond Bit) 与热稳定性聚晶金刚与热稳定性聚晶金刚石（石（TSPTSP）钻头）钻头1. 1. 常用剖面形状：常用剖面形状

17、： a双锥阶梯形；双锥阶梯形； b双锥形；双锥形； c“B”形；形； d脊圈式脊圈式“B”形形 2. 2. 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，清洗井底，冷却和钻井液由水眼流出，经过水槽流过钻头表面，清洗井底，冷却和润滑金刚石。常用水力结构：润滑金刚石。常用水力结构：3.3.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： 0.5 0.5 15 15粒粒/ /克拉（克拉（0.2g)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 1/3 排列方式排列方式： a a 钻头外形；钻头外形；b b交错排列；交错排列；c c圆周排列；圆周排列

18、；d d脊圈排列脊圈排列 4.钻头保径钻头保径 5.5.金刚石钻头与金刚石钻头与TSPTSP的破岩机理的破岩机理 概括地讲，金刚石钻头以磨削（研磨）方式破碎岩石，类似于砂轮磨削概括地讲，金刚石钻头以磨削（研磨）方式破碎岩石，类似于砂轮磨削金属的过程。金属的过程。 (1)(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)(2)在塑性地层在塑性地层( (或岩石在应力作用下呈塑性的地层或岩石在应力作用下呈塑性的地层) )， 使前方的岩石内

19、部发生破碎或塑性流动，使前方的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)(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为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为脆性破碎，即属于以剪力和张力形式破碎岩石。脆性破碎，即属于以剪力和张力形式破碎岩石。 (4)(4)在坚硬岩石在坚硬岩石( (如隧石、硅质白云岩、硅质石灰岩等如隧石、硅质白云岩、硅质石灰岩等) )中，是要靠金刚石的中，是要靠金刚石的棱角实现微切削、刻划等方式来破碎岩石。棱角实现微切削、刻划等方式来破碎岩石。 （三）（三）PDCPDC钻

20、头（钻头（Polycrystalline Diamond Compact BitPolycrystalline Diamond Compact Bit）胎体胎体PDCPDC钻头钻头钢体钢体PDCPDC钻头钻头2. 2. 工作剖面形状工作剖面形状 特点特点 内外锥有利于钻内外锥有利于钻头稳定；头稳定； 外锥较长，可多外锥较长，可多布齿，使磨损均匀；布齿，使磨损均匀； 钻硬夹层，冠部钻硬夹层，冠部齿易早期损坏。齿易早期损坏。 适合中等均质地适合中等均质地层。层。 特点特点 钻头表面积较小，钻头表面积较小，水力集中，清洗效水力集中，清洗效果好；果好； 载荷分布较均匀；载荷分布较均匀； 用于钻石灰岩、

21、用于钻石灰岩、白云岩等较硬地层。白云岩等较硬地层。 特点特点 侧向推力指向钻头侧向推力指向钻头中心，有利于防斜；中心，有利于防斜； 钻头外部表面积钻头外部表面积大，可布置较多切大，可布置较多切削齿，利于提高寿削齿，利于提高寿命。命。 用于软地层用于软地层。 特点特点 冠顶较宽且较平冠顶较宽且较平缓，载荷分布较均缓，载荷分布较均匀。匀。 外侧采用圆弧，外侧采用圆弧，布齿面积较大。布齿面积较大。 用于硬地层。用于硬地层。 双锥形双锥形浅锥形浅锥形抛物线形抛物线形B B 形形3. 3. 切削齿水眼（喷嘴）流道与切削齿水眼（喷嘴）流道与 布置布置 刮刀式布齿方式：刮刀式布齿方式：特点是整体强度高、特点

22、是整体强度高、抗冲击能力强、易于清洗和冷却、排屑抗冲击能力强、易于清洗和冷却、排屑好、抗泥包能力强。适用于粘性或软地好、抗泥包能力强。适用于粘性或软地层。层。 单齿式布齿方式：单齿式布齿方式：布齿区域大、布齿布齿区域大、布齿密度高，可以提高钻头的使用寿命，但密度高，可以提高钻头的使用寿命，但水力清洗能力低，容易在粘性地层泥包。水力清洗能力低，容易在粘性地层泥包。适用于硬地层。适用于硬地层。 组合式切削齿的布置，组合式切削齿的布置，具有较好的清具有较好的清洗、冷却和排屑能力，布齿密度较高。洗、冷却和排屑能力，布齿密度较高。这种布齿方式的钻头多用于中等硬度地这种布齿方式的钻头多用于中等硬度地层。层

23、。 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. 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 0- - 2020，软地层小一些，硬地层大一些。，软地层小一些，硬地层大一些。 侧倾角（旁锋刀面角）侧倾角（旁锋刀面角）：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，有利于向外排除岩屑。推力，有利于向外排除岩屑。 =15=15左右。左右。5.5.PDCPDC钻头破岩机理钻头破岩机理 PDCPDC钻头主要以切削方式破碎岩石。钻头主要以切

24、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 发生剪切破坏。发生剪切破坏。 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 切削齿同时工作，井底岩石自由面多，因此破岩效率高。切削齿同时工作，井底岩石自由面多，因此破岩效率高。 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。（四）特殊用途金刚石材料钻头（四）特殊用途金刚石材料钻头 1.取心钻头取心钻头 2.扩眼钻头扩眼钻头（五）金刚石材料钻头的（五）金刚石材料钻头

25、的IADCIADC分类法分类法(P70)(P70)切削齿种类切削齿种类 和和 钻头体材料钻头体材料 钻头冠部形状钻头冠部形状 水力结构特点水力结构特点 切削齿大小切削齿大小 和和 切削齿密度切削齿密度D，M，S， T，O1919 R，X，O19 第一位字码第一位字码第二位字码第二位字码第三位字码第三位字码第四位字码第四位字码 一、钻柱的作用与组成一、钻柱的作用与组成 二、钻柱的工作二、钻柱的工作 状态与受力分析状态与受力分析 三、钻柱设计三、钻柱设计一、钻柱的组成与作用一、钻柱的组成与作用（一）钻柱的作用（一）钻柱的作用 (1)(1)提供钻井液流动通道；提供钻井液流动通道； (2)(2)给钻头

26、提供钻压；给钻头提供钻压； (3)(3)传递扭距；传递扭距； (4)(4)起下钻头；起下钻头； (5)(5)计量井深。计量井深。 (6)(6)观察和了解井下情况（钻头工作情况、井眼状况、地层情况）；观察和了解井下情况（钻头工作情况、井眼状况、地层情况）； (7)(7)进行其它特殊作业（取芯、挤水泥、打捞等）；进行其它特殊作业（取芯、挤水泥、打捞等）； (8)(8)钻杆测试钻杆测试 ( Drill-Stem Testing),( Drill-Stem Testing),又称中途测试。又称中途测试。（二）钻柱的组成（二）钻柱的组成 钻柱钻柱(Drilling String)(Drilling St

27、ring)是钻头是钻头以上，水龙头以下部分的钢管柱的总以上，水龙头以下部分的钢管柱的总称称. . 它包括方钻杆它包括方钻杆(Square Kelly)(Square Kelly)、钻杆钻杆(Drill Pipe)(Drill Pipe)、钻挺、钻挺(Drill (Drill Collar)Collar)、 各种接头各种接头(Joint)(Joint)及稳定及稳定器器(Stabilizer)(Stabilizer)等井下工具。等井下工具。 1. 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 2）结构：）结构：管体管体+ +接头接头 常

28、用的加厚形式有内加厚常用的加厚形式有内加厚(a)(a)、外加厚、外加厚(b)(b)、 内外加厚内外加厚(c)(c)三种三种. . (a) (b) (c) （3 3）规范）规范： 壁厚：壁厚：9 9 11mm 11mm 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,(American Petroleum Institute,简称简称API)API)的规的规定，钻杆按长度分为三类：定，钻杆按长度分为三类： 第一类第一类 5.4865.486 6.7066.706米米(18(182222英尺英尺) )； 第二类第二类 8.23

29、08.230 9.1449.144米米(27(273030英尺英尺); ); 第三类第三类 11.58211.58213.71613.716米米(38(384545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2-12 2-12 21,21 ,21,87 ,835139.70 ,500.127 430.1144101.60390.88 273.00 230.60 （4 4）钢级与强度）钢级与强度 （6 6）接头及丝扣）接头及丝扣 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。尺寸相等，丝扣类型相同，公母扣相匹配

30、。 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（IFIF）、贯眼（）、贯眼（FHFH）、正规（）、正规（REGREG）；）； NCNC系列系列 钻 杆 钢 级物 理 性 能DE95（X）105（G）135（S）MPa379.21517.11655.00723.95930.70最小屈服强度lb/in2550007500095000105000135000MPa586.05723.95861.85930.791137.64最大屈服强度lb/in285000105000125000135000165000MPa65

31、5.00689.48723.95792.90999.74最小抗拉强度lb/in295000100000105000115000145000 内平式：内平式：主要用于外加厚钻主要用于外加厚钻 杆。其特点是钻杆通体内径相同，杆。其特点是钻杆通体内径相同， 钻井液流动阻力小；但外径较大，钻井液流动阻力小；但外径较大， 容易磨损。容易磨损。 贯眼式：贯眼式：主要用于内加厚钻主要用于内加厚钻 杆。其特点是钻杆有两个内径，杆。其特点是钻杆有两个内径， 钻井液流动阻力大于内平式，但钻井液流动阻力大于内平式，但 其外径小于内平式。其外径小于内平式。 正规式：正规式：主要用于内加厚钻主要用于内加厚钻 杆及钻头、

32、打捞工具。其特点是杆及钻头、打捞工具。其特点是 接头内径接头内径 加厚处内径加厚处内径 管体内径，管体内径， 钻井液流动阻力大，但外径最小，钻井液流动阻力大，但外径最小， 强度较大。强度较大。 三种类型接头均采用三种类型接头均采用V型螺纹，型螺纹， 但扣型、扣距、锥度及尺寸等都但扣型、扣距、锥度及尺寸等都 有很大的差别。有很大的差别。NCNC型系列接头型系列接头 NC23，NC26，NC31，NC35，NC38，NC40，NC44，NC46，NC50，NC56，NC61，NC70，NC77 NCNational Coarse ThreadNational Coarse Thread，（美国）国

33、家标准粗牙螺纹。，（美国）国家标准粗牙螺纹。 xxxx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1010。 如：如：NC26NC26表示的节圆直径为表示的节圆直径为2.6682.668英寸。英寸。 NCNC螺纹也为螺纹也为V V型螺纹型螺纹, , 表表2-172-17所列的几种所列的几种NCNC型接头与旧型接头与旧APIAPI标准接头有相标准接头有相同的节圆直径、锥度、螺距和螺纹长度，可以互换使用同的节圆直径、锥度、螺距和螺纹长度，可以互换使用。 表表2-17 可以互换使用的接头可以互换使用的接头 数字型接头NC26NC31NC38NC40

34、NC46NC50旧API接头283IF287IF321IF4IF4FH421IF2. 2. 钻铤钻铤 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(38-53(38-53毫米），毫米）， 重量大，刚度大。重量大，刚度大。 主要作用：主要作用：(1)(1)给钻头施加钻压给钻头施加钻压; ; (2) (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) (3)减轻钻头的振动、摆动和跳动等，使钻头工作平稳；减轻钻头的振动、摆动和跳动等，使钻头工作平稳； (4)(4)控制井斜。控制井斜。 类类 型：型：光钻铤、螺旋钻铤、扁

35、钻铤。光钻铤、螺旋钻铤、扁钻铤。 常用尺寸：常用尺寸：6-1/46-1/4，7 7 ，8 8 ，9 9 3.3.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：壁厚较大，强度较高壁厚较大，强度较高 主要作用：主要作用：传递扭矩和承受钻柱的全部重量传递扭矩和承受钻柱的全部重量。 常用尺寸：常用尺寸：89mm(3.5英寸英寸)，108mm (4.5英寸英寸)，133.4mm (5.5英英寸寸)。4.4.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 1）防斜；）防斜； 2 2）控制井眼轨迹）控

36、制井眼轨迹。 二二.钻柱的工作状态钻柱的工作状态 1. 1. 起下钻工况下：起下钻工况下： 直井：直井：直的拉伸、滑动直的拉伸、滑动 斜井：斜井：随井眼倾斜和弯曲，滑动。随井眼倾斜和弯曲，滑动。 2. 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；在扭矩作用下旋转运动。上部受拉伸，下部受压弯曲；在扭矩作用下旋转运动。 下部钻柱弯曲的原因：下部钻柱弯曲的原因： 钻压的作用使下部钻柱受压缩，当压力达到钻柱的临界钻压的作用使下部钻柱受压缩，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并与井壁接触。压力，钻柱将失去直线稳定状态而发生弯曲并与井壁接触。 压力较大时可能发生

37、多次弯曲。压力较大时可能发生多次弯曲。3. 3. 钻柱的旋转运动形式：钻柱的旋转运动形式： （1）自转）自转钻柱象一根柔性轴，围绕自身轴线旋转。钻柱象一根柔性轴，围绕自身轴线旋转。 均匀磨损，易发生疲劳破坏。均匀磨损，易发生疲劳破坏。 （2）公转）公转钻柱象一个刚体，围绕着井眼轴线旋转并沿着井壁钻柱象一个刚体，围绕着井眼轴线旋转并沿着井壁 滑动。滑动。 产生偏磨。产生偏磨。 （3）公转与自转的结合）公转与自转的结合 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。

38、（5）扭转振动）扭转振动由井底对钻头旋转阻力的变化引起，由井底对钻头旋转阻力的变化引起， 产生交变扭剪应力。产生交变扭剪应力。 （6）横向摆振）横向摆振达到某一临界转速，可能产生无规则达到某一临界转速，可能产生无规则 摆动，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，但也可能产生公转或两种运动形式的结合。生公转或两种运动形式的结合。由于在转动过程中受到由于在转动过程中受到阻力的作用，钻具的转动是不平稳的。阻力的作用，钻具的转动是不平稳的。 三三.钻柱的受力分析钻柱的受力分析 1. 1. 概述概述 （1 1）

39、自重产生的拉力）自重产生的拉力 （2 2）钻压产生的压力）钻压产生的压力 （3 3）钻井液的浮力）钻井液的浮力 （4 4）摩擦阻力）摩擦阻力 （5 5） 循环压降产生的附加拉力循环压降产生的附加拉力 （7 7）起下钻时产生的动载荷）起下钻时产生的动载荷 （8 8）扭距）扭距 （9 9）弯曲应力）弯曲应力 （1010）离心力）离心力 （1111）外挤力）外挤力 （1212）振动产生的交变应力）振动产生的交变应力 钻柱受力最严重的部位：钻柱受力最严重的部位： 1 1）井口断面）井口断面拉力最大，扭距最大；拉力最大，扭距最大； 2 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

40、力交变轴向应力、弯曲应力、扭剪应力 3 3）中性点）中性点拉压交变载荷。拉压交变载荷。轴向力轴向力2 . 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（井内掏空时）：）自重产生的轴向拉力（井内掏空时）： （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： sdBK 10FKLqLqKFBccppBmccppLqLqF0WFWLqLqKFccppwB（4 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

41、载荷：动载荷： （5 5）起下钻时钻柱轴向力：）起下钻时钻柱轴向力： 410ibihAppFmfFF3 .02 .00FgtvFddfccppBtFFLqLqKF)(spbpbotpbsipppbotbbpppipbp（5 5）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( (点点) ) ( (亦称中和点，亦称中和点，Neutral Point )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：LN 中性点距井底的高度，中性点距井底的高度，m m。 重要意义：重要意义： 1 1）设计钻柱时要确保中性点始终落在钻铤上？）设计

42、钻柱时要确保中性点始终落在钻铤上？ 2 2）指导松扣、造扣等特殊作业。）指导松扣、造扣等特殊作业。 3 3）中性点附近钻柱受交变应力作用，）中性点附近钻柱受交变应力作用， 易疲劳破坏。易疲劳破坏。BcNKqWL 钻柱轴向力分布与中性点钻柱轴向力分布与中性点w w 0 ( (+ +) ) ( (- -) ) 拉拉力力 压压力力 FW w w N N L LN 四、四、 钻柱设计钻柱设计 设计内容：设计内容： （1 1）尺寸选择）尺寸选择 （2 2）钻铤柱长度计算）钻铤柱长度计算 （3 3）钻杆柱强度设计及较核。）钻杆柱强度设计及较核。 设计原则：设计原则： （1 1）满足强度（抗拉、抗挤强度等）

43、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 2）尽量减轻整个钻柱的重力，以便在现有的抗负荷能力下钻更深的井。）尽量减轻整个钻柱的重力，以便在现有的抗负荷能力下钻更深的井。 （一）、钻柱尺寸选择（一）、钻柱尺寸选择 1. 1. 依据依据： （1 1）钻机的提升能力；）钻机的提升能力； （2 2）井眼尺寸；）井眼尺寸； （3 3）地质条件；）地质条件； （4 4）工艺要求；）工艺要求； （5 5）供货情况。）供货情况。 2. 2. 经验配合关系经验配合关系钻头直径mm(in)钻铤外径mm(in)钻杆外径mm（in）方钻杆方宽mm(in)299(1143)

44、203(8)168(685) 152(6)248299(9431143) 178203(78) 140(521) 133,152(541,6)197248(743943) 152178(67) 114,127(421,5) 108,133(441,541)146216(543821) 146(543) 89(321) 89,108(321,441) 选择的基本原则选择的基本原则: : 1.1.方钻杆由于受到扭矩和拉力最大，在供应可能的情况下，应方钻杆由于受到扭矩和拉力最大，在供应可能的情况下，应 尽尽 量选用大尺寸方钻杆。量选用大尺寸方钻杆。 2.2.在钻机提升能力允许的情况下，选择大尺寸钻杆

45、是有利的。在钻机提升能力允许的情况下，选择大尺寸钻杆是有利的。 3 3. .钻铤尺寸一般选用与钻杆接头外径相等或相近的尺寸，有时根据钻铤尺寸一般选用与钻杆接头外径相等或相近的尺寸，有时根据 防斜措施来选择钻铤的直径。防斜措施来选择钻铤的直径。 使用大直径钻铤具有下列优点使用大直径钻铤具有下列优点： （1 1）可用较少的钻铤满足所需钻压的要求，可减少钻铤，从而减）可用较少的钻铤满足所需钻压的要求，可减少钻铤，从而减 少起下钻时连接钻铤的时间；少起下钻时连接钻铤的时间； （2 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 3）钻铤和井壁的

46、间隙较小，可减少连接部分的疲劳破坏；）钻铤和井壁的间隙较小，可减少连接部分的疲劳破坏； （4 4）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，保证在最大钻压时钻杆不承受压缩载荷， 即保持中性点始终处在钻铤上。即保持中性点始终处在钻铤上。 计算公式：计算公式： 式中：式中： 钻铤长度，钻铤长度，m m； 设计的最大钻压，设计的最大钻压，kNkN； 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）， 防止中性点移动较弱的钻杆上，一般取防止中性点移动较弱的钻杆上，一般取 =1.15

47、 =1.15 1.251.25； 每米钻铤在空气中的重力，每米钻铤在空气中的重力，kN/mkN/m； K KB B 浮力系数；浮力系数； 井斜角，直井时，井斜角，直井时， =0=0。 cosmaxBcNcKqWSLcLmaxWNScqNS（三）钻杆柱强度设计（三）钻杆柱强度设计 1.1.强度条件强度条件 F Ft t F Fa a 式中：式中：Ft 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，kNkN； Fa钻杆柱的最大安全静拉力，钻杆柱的最大安全静拉力，kNkN。 （1 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

48、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，MPaMPa； 钻杆的横截面积，钻杆的横截面积，cmcm2 2； 最小屈服强度下的抗拉载荷，最小屈服强度下的抗拉载荷，kNkN。 可以计算可以计算, ,也可以从表也可以从表2 21414中查出。中查出。 pyyAF1 . 0ypAyFBmkckckpjijjpiitiKqLqLqLF)(111（2 2）钻杆的最大允许拉伸力）钻杆的最大允许拉伸力Fp： 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，kNkN。 （3）钻杆的最大安全静拉力Fa： 安全系数法（考虑起下钻时的动载及摩擦力

49、）安全系数法（考虑起下钻时的动载及摩擦力） 式中：式中： 安全系数，一般取安全系数，一般取1.301.30。 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：MOPMOP拉力余量，一般取拉力余量，一般取200200500KN500KN。 ypFF9.0pFtpaSFF/tS1typaFFMOPFFpa三者取最小值，作为三者取最小值，作为Fa2. 2. 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F a设计钻杆柱的最大允许下深（长度）设计钻杆柱的最大允许下深（长度）。 （1 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

50、许下深：最大允许下深： BccpaKqLLqF)(pccBaqqLKFL每段钻杆满足强度条件每段钻杆满足强度条件：BmkckckpjijjpiiiaKqLqLqLF)(111（2 2）复合钻杆柱设计（深井）复合钻杆柱设计（深井） 思路：思路：由下而上，所受拉伸载荷逐渐增大，强度应逐渐增大。故由下而上，所受拉伸载荷逐渐增大，强度应逐渐增大。故由钻铤上面第一段钻杆开始，先选择强度较低的钻杆，确定其许用长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；再逐段向上选择强度更高的钻杆进行设计。这样设计出来的钻杆度；再逐段向上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

51、级增大以满足抗拉强度的要求。柱，由下而上强度逐级增大以满足抗拉强度的要求。 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重力相应各段钻杆在空气中的单位长度重力; ; 1111pccBpaqLqKqFL211222pppCcBpaqLqLqKqFL32211333pppccBpaqLqLqLqKqFL3332211444ppppccBpaqLqLqLqLqKqFL4321LLLL，4321aaaaFFFF，4321ppppqqqq，3. 3. 强度较核强度较核 （1）

52、抗外挤强度较核：）抗外挤强度较核： 式中式中: : 最大安全外挤载荷最大安全外挤载荷, ,MPaMPa； 钻杆的最小抗挤压力，钻杆的最小抗挤压力，MPaMPa； 安全系数，一般应不小于安全系数，一般应不小于1.1251.125。 （2 2）抗扭强度较核：）抗扭强度较核： 式中：式中： M M - - 钻杆承受的扭矩钻杆承受的扭矩, ,kNkN m m； P P - - 使钻柱旋转所需的功率，使钻柱旋转所需的功率，kWkW； n n - - 转速，转速，rpmrpm。 （3 3）抗内压强度较核：）抗内压强度较核： 不同尺寸、钢级和级别的钻杆的最小抗内压力可在不同尺寸、钢级和级别的钻杆的最小抗内压

53、力可在API RP API RP 7G7G标准中查得，用适当的安全系数去除它，即得其许用净内压力标准中查得，用适当的安全系数去除它，即得其许用净内压力. . ccacSPP acPcPcSnPM67. 94 4典型钻柱的设计举例典型钻柱的设计举例 （1 1）设计参数）设计参数 井深井深:5000m; :5000m; 井径井径:215.9mm(8-1/2in); :215.9mm(8-1/2in); 钻井液密度钻井液密度:1.2g/cm:1.2g/cm3;3; 钻压钻压:180kN; :180kN; 井斜角井斜角:3:3; ; 拉力余量拉力余量:200kN(:200kN(本例假设本例假设); ); 卡瓦长度卡瓦长度:406.4mm; :406.4mm; 安全系数：安全系数：1.30(1.30(本例假设本例假设) )。 （2 2）钻铤选择）钻铤选择： 选用外径选用外径158.75mm(6-1/4in)158.75mm(6-1/4in)、内径、内径57.15mm(2-1/4in)57.15mm(2-1/4in)钻铤，每米重钻铤，每米重力力q qc c=1.35kN/m