钻井工程-翟应虎第二章钻进工具new课件

第二章钻进工具

本章主要内容：第一节钻头

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第二章钻进工具本章主要内容：第一节钻头1

一、概述1.钻头类型按结构及工作原理分类:

刮刀钻头、牙轮钻头、PDC钻头、金刚石钻头按功用分类

全面钻进钻头、取心钻头、

扩眼钻头2.钻头尺寸系列3-3/4"~36"

第一节钻头（DrillBit)常用尺寸：26"、171/2"、121/4"、81/2"一、概述第一节钻头（DrillBit)常用尺寸23.工作指标

钻头进尺（米）钻头工作寿命（小时）机械钻速（米/小时）单位进尺成本（元/米）：3.工作指标3二、刮刀钻头（DragBit）

刮刀钻头的结构

上钻头体、下钻头体（分水帽）、刀翼、水眼。图2-1刮刀钻头结构

刀翼三刀翼的称作三刮刀钻头两刀翼的称作两刮刀钻头或鱼尾刮刀钻头四刀翼的称作四刮刀钻头二、刮刀钻头（DragBit）图2-1刮刀钻头结构4

三、牙轮钻头（RollerBit）（一）牙轮钻头结构

牙轮钻头由钻头体、牙抓（巴掌）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。三、牙轮钻头（RollerBit）5

1．牙轮及牙齿

（1）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。单锥牙轮：主锥+背锥，硬地层复锥牙轮：主锥+副锥+背锥，软到中硬

a—单锥；b、c—复锥；1—主锥；2—副锥；3—背锥abc a—单锥；b、c—复锥；1—主锥；2—副锥；3—背6铣齿牙轮钻头镶齿牙轮钻头铣齿牙轮钻头镶齿牙轮钻头7

（2）牙齿

铣齿——在牙轮锥面上直接铣出，楔形。

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。（2）牙齿8

2．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：滚柱—滚珠—滚柱—止推

滚柱—滚珠—滑动一止推滑动轴承结构：滑动—滚珠—滑动—止推

滑动—滑动（卡簧）—滑动—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 2．轴承密封圈密封圈滚柱止推台阶滑动摩擦衬套滑动摩擦副93．储油润滑密封系统储油润滑补偿系统密封系统：橡胶密封圈、金属密封圈工作原理：

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高，则流入储油杯。其中，有效密封是关键。

3．储油润滑密封系统10钻井工程-翟应虎第二章钻进工具new114．水眼

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，清除井底岩屑，辅助破碎岩石。三牙轮钻头一般安装3个水眼，喷嘴用卡簧固定在水眼内，并用o形圈密封。

4．水眼125．牙轮及牙齿的布置方式布齿原则：（1）转一周牙齿全部破碎井底，不留下未被破碎的凸起；（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；（3）牙齿磨损均匀。5．牙轮及牙齿的布置方式13牙轮布置方案：（1）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；（2）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；（3）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；

非自洗自洗无移轴自洗移轴牙轮布置方案：非自洗自洗无移轴自洗移轴14（二）牙轮钻头工作原理

1．牙轮钻头在井底的运动公转：牙轮随钻头一起旋转。自转：牙齿绕牙轮轴线作逆时针方向旋转称自转。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：

①超顶和复锥引起切向（周向）滑动②移轴引起径向（轴向）滑动纵向振动：牙轮在滚动过程，其中心上下波动，使钻头做上下往复运动。

引起纵向振动的原因：

①单、双齿交替接触井底，使牙轮中心上下波动；②井底凹凸不平

（二）牙轮钻头工作原理15超顶引起切向滑动副锥产生超顶效果单、双齿交替接触井底引起纵向振动超顶引起切向滑动副锥产生超顶效果单、双齿交替接触井底16移轴引起径向滑动O’

a’

O’

a’

a’

O’

移轴引起径向滑动O’a’O’a’a’O’17 2．牙轮钻头的破岩作用

（1）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击、压碎作用，形成体积破碎坑。

（2）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。

（3）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。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。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滑动对破岩的作用:18（三）牙轮钻头类型

1.国产牙轮钻头分类方法

（1）按结构分类：Y，P，MP，MPB，HP，HPB，XMP，XH共8个系列

（三）牙轮钻头类型19（2）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（2）按地层分类：JR，R，ZR，Z，ZY，Y，JY国产三20

类型代号：数字1~7，表明所适应的地层

系列代号：字母Y,P,MP,MPB,HP,HPB,XMP,XH，表明结构特征

钻头直径：用英寸或毫米表示直径大小

例：用于中硬地层、直径为8in(215.9mm)的镶齿滑动密封轴承喷射式三牙轮钻头的型号为：8XHP5或215.9XHP5。

（3）型号表示方法类型代号：数字1~7，表明所适应的21

2.IADC分类法

系列代号—用数字1~8表示钻头牙齿特征及适钻地层；

1-3为铣齿，5-8为镶齿。地层等级代号—用数字1~4表示所钻地层再分为4个等级；钻头结构特征代号—用数字1~9表示钻头结构特征，其中1~7表示钻头轴承及保径特征；附加结构特征代号—用英文字母表示钻头附加特征。祥见书P66-67.例如：341S——表示适用于中等研磨性或研磨性4级硬地层非密封滚动轴承的标准铣齿钻头。537C——表示适用于底抗压强度的软到中硬的3级地层滑动密封轴承保径带中心喷嘴钻头。 2.IADC分类法系列代号—用数字1~8表示钻头牙22钻井工程-翟应虎第二章钻进工具new23四.金刚石钻头

（1）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。

四.金刚石钻头 24分类：天然金刚石

聚晶金刚石复合片（PDC）热稳定性聚晶金刚石（TSP）

分类：天然金刚石25金刚石钻头的结构

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）、水眼及水槽、金刚石切削刃等部分组成。金刚石钻头的结构26（2）天然金刚石钻头（DiamondBit)与热稳定性聚晶金刚石（TSP）钻头1.常用剖面形状：

a．双锥阶梯形；b．双锥形；c．“B”形；d．脊圈式“B”形

（2）天然金刚石钻头（DiamondBit)与热稳272.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，冷却和润滑金刚石。常用水力结构：2.水眼和水槽283.金刚石粒度、出刃和排列方式

粒度：

0.5~15粒/克拉（0.2g)

出刃：

最大出刃量为直径的1/3

排列方式：

a．钻头外形；b．交错排列；c．圆周排列；d．脊圈排列3.金刚石粒度、出刃和排列方式a．钻头外形；b．294.钻头保径4.钻头保径30

5.金刚石钻头与TSP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，类似于砂轮磨削金属的过程。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；(2)在塑性地层(或岩石在应力作用下呈塑性的地层)，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。(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(如隧石、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。

5.金刚石钻头与TSP的破岩机理31（三）PDC钻头（PolycrystallineDiamondCompactBit）

胎体PDC钻头钢体PDC钻头（三）PDC钻头（PolycrystallineDiamo322.工作剖面形状

特点

内外锥有利于钻头稳定；外锥较长，可多布齿，使磨损均匀；钻硬夹层，冠部齿易早期损坏。适合中等均质地层。

特点

钻头表面积较小，水力集中，清洗效果好；载荷分布较均匀；用于钻石灰岩、白云岩等较硬地层。

特点

侧向推力指向钻头中心，有利于防斜；钻头外部表面积大，可布置较多切削齿，利于提高寿命。用于软地层。特点

冠顶较宽且较平缓，载荷分布较均匀。外侧采用圆弧，布齿面积较大。用于硬地层。

双锥形浅锥形抛物线形B形2.工作剖面形状特点特点特点特点双锥形浅锥形抛物333.切削齿水眼（喷嘴）流道与布置刮刀式布齿方式：特点是整体强度高、抗冲击能力强、易于清洗和冷却、排屑好、抗泥包能力强。适用于粘性或软地层。单齿式布齿方式：布齿区域大、布齿密度高，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。适用于硬地层。组合式切削齿的布置，具有较好的清洗、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层。布齿原则：

等切削体积——

等磨损——

等功率——

3.切削齿水眼（喷嘴）流道与布置34

4.切削齿工作角

后倾角（负前角）α：起到保护切削齿，延长寿命的作用。取值0°-20°，软地层小一些，硬地层大一些。

侧倾角（旁锋刀面角）β：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。

β=15°左右。 4.切削齿工作角355.PDC钻头破岩机理

PDC钻头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。5.PDC钻头破岩机理36（四）特殊用途金刚石材料钻头1.取心钻头（四）特殊用途金刚石材料钻头372.扩眼钻头2.扩眼钻头38钻井工程-翟应虎第二章钻进工具new39钻井工程-翟应虎第二章钻进工具new40（五）金刚石材料钻头的IADC分类法(P70)切削齿种类和钻头体材料钻头冠部形状水力结构特点切削齿大小和切削齿密度D，M，S，T，O1～91～9R，X，O1～9

第一位字码第二位字码第三位字码第四位字码（五）金刚石材料钻头的IADC分类法(P70)切削齿种类41第二节钻柱

一、钻柱的作用与组成二、钻柱的工作状态与受力分析三、钻柱设计第二节钻柱一、钻柱的作用与组成42一、钻柱的组成与作用（一）钻柱的作用

(1)提供钻井液流动通道；(2)给钻头提供钻压；(3)传递扭距；(4)起下钻头；(5)计量井深。(6)观察和了解井下情况（钻头工作情况、井眼状况、地层情况）；(7)进行其它特殊作业（取芯、挤水泥、打捞等）；(8)钻杆测试(Drill-StemTesting),又称中途测试。一、钻柱的组成与作用43（二）钻柱的组成

钻柱(DrillingString)是钻头以上，水龙头以下部分的钢管柱的总称.它包括方钻杆(SquareKelly)、钻杆(DrillPipe)、钻挺(DrillCollar)、各种接头(Joint)及稳定器(Stabilizer)等井下工具。钻井工程-翟应虎第二章钻进工具new44

1.钻杆

（1）作用：传递扭矩和输送钻井液，延长钻柱。

（2）结构：管体+接头

常用的加厚形式有内加厚(a)、外加厚(b)、内外加厚(c)三种.

(a)(b)(c)1.钻杆常用的加厚形式有内加厚(a)、外加厚(b)45

（3）规范：

壁厚：9～11mm外径：

长度：

根据美国石油学会(AmericanPetroleumInstitute,简称API)的规定，钻杆按长度分为三类：

第一类5.486～6.706米(18～22英尺)；第二类8.230～9.144米(27～30英尺);第三类11.582～13.716米(38～45英尺)。

常用钻杆规范（内径、外径、壁厚、线密度等）见表2-12（3）规范：46（4）钢级与强度

（6）接头及丝扣丝扣连接条件：尺寸相等，丝扣类型相同，公母扣相匹配。

钻杆接头特点：壁厚较大，外径较大，强度较高。钻杆接头类型：内平（IF）、贯眼（FH）、正规（REG）；NC系列

（4）钢级与强度47

内平式：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；但外径较大，容易磨损。贯眼式：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平式，但其外径小于内平式。正规式：主要用于内加厚钻杆及钻头、打捞工具。其特点是接头内径加厚处内径管体内径，钻井液流动阻力大，但外径最小，强度较大。

三种类型接头均采用V型螺纹，但扣型、扣距、锥度及尺寸等都有很大的差别。内平式：主要用于外加厚钻48NC型系列接头

NC23，NC26，NC31，NC35，NC38，NC40，NC44，NC46，NC50，NC56，NC61，NC70，NC77

NC—NationalCoarseThread，（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10。

如：NC26表示的节圆直径为2.668英寸。NC螺纹也为V型螺纹,表2-17所列的几种NC型接头与旧API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。

表2-17可以互换使用的接头

NC型系列接头49

2.钻铤结构特点：管体两端直接车制丝扣，无专门接头；壁厚大(38-53毫米），

重量大，刚度大。主要作用：(1)给钻头施加钻压;(2)保证压缩应力条件下的必要强度;(3)减轻钻头的振动、摆动和跳动等，使钻头工作平稳；(4)控制井斜。

类

型：光钻铤、螺旋钻铤、扁钻铤。常用尺寸：6-1/4〃，7〃，8〃，9〃

2.钻铤50钻井工程-翟应虎第二章钻进工具new513.方钻杆

类

型：四方形、六方形

特

点：壁厚较大，强度较高

主要作用：传递扭矩和承受钻柱的全部重量。

常用尺寸：89mm(3.5英寸)，108mm(4.5英寸)，133.4mm(5.5英寸)。3.方钻杆52钻井工程-翟应虎第二章钻进工具new53

4.稳定器

类型：刚性稳定器、不转动橡胶套稳定器、滚轮稳定器。

作用：1）防斜；2）控制井眼轨迹。

4.稳定器54

二.钻柱的工作状态

1.起下钻工况下：

直井：直的拉伸、滑动

斜井：随井眼倾斜和弯曲，滑动。

2.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。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多次弯曲。二.钻柱的工作状态55

3.钻柱的旋转运动形式：

（1）自转—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。

（2）公转—钻柱象一个刚体，围绕着井眼轴线旋转并沿着井壁

滑动。

产生偏磨。

（3）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。

3.钻柱的旋转运动形式：56（4）

纵向振动—钻头振动引起，产生交变应力。（5）扭转振动—由井底对钻头旋转阻力的变化引起，产生交变扭剪应力。（6）横向摆振—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。

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。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。（4）纵向振动—钻头振动引起，产生交变应力。57三.钻柱的受力分析

1.概述

（1）自重产生的拉力 （2）钻压产生的压力 （3）钻井液的浮力 （4）摩擦阻力 （5）循环压降产生的附加拉力 （7）起下钻时产生的动载荷 （8）扭距 （9）弯曲应力 （10）离心力 （11）外挤力 （12）振动产生的交变应力

钻柱受力最严重的部位：

1）井口断面—拉力最大，扭距最大； 2）下部受压弯曲部分—交变轴向应力、弯曲应力、扭剪应力 3）中性点—拉压交变载荷。轴向力三.钻柱的受力分析轴向力58

2.轴向力和中性点（1）自重产生的轴向拉力（井内掏空时）：

（2）浮重产生的轴向力：

式中：

称为“浮力减轻系数”

（3）正常钻进时的轴向力：

WFB 2.轴向力和中性点WFB59（4）其它轴向力的计算循环压降引起的附加轴向拉力：

滑动摩擦阻力：

动载荷：

（5）起下钻时钻柱轴向力：

（4）其它轴向力的计算60

（5）中性点

钻柱上轴向力等于零的点(Ｎ点)(亦称中和点，NeutralPoint)。

垂直井眼中钻柱的中性点高度：

式中：LN

—中性点距井底的高度，m。

重要意义：1）设计钻柱时要确保中性点始终落在钻铤上？2）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，易疲劳破坏。

钻柱轴向力分布与中性点 （5）中性点钻柱轴向力分布与中性点61 四、钻柱设计

设计内容：

（1）尺寸选择

（2）钻铤柱长度计算

（3）钻杆柱强度设计及较核。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；（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。 四、钻柱设计62

（一）、钻柱尺寸选择

1.依据：

（1）钻机的提升能力；（2）井眼尺寸；（3）地质条件；（4）工艺要求；（5）供货情况。

2.经验配合关系（一）、钻柱尺寸选择63

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，应尽量选用大尺寸方钻杆。2.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.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。

使用大直径钻铤具有下列优点：

（1）可用较少的钻铤满足所需钻压的要求，可减少钻铤，从而减少起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；（3）钻铤和井壁的间隙较小，可减少连接部分的疲劳破坏；（4）有利于防斜。选择的基本原则:64

（二）钻铤长度的确定

浮重原则：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。

计算公式：

式中：

—钻铤长度，m； —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），防止中性点移动较弱的钻杆上，一般取=1.15～1.25； —每米钻铤在空气中的重力，kN/m；

KB—浮力系数； —井斜角，直井时，=0°。 （二）钻铤长度的确定65

（三）钻杆柱强度设计

1.强度条件

Ft

≤Fa

式中：Ft

—钻杆柱任一截面上的静拉伸载荷，kN；Fa—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：

钻杆材料的屈服强度所允许的最大抗拉载荷。

式中：

—钻杆钢材的最小屈服强度，MPa；—钻杆的横截面积，cm2；—最小屈服强度下的抗拉载荷，kN。 可以计算,也可以从表2－14中查出。

（三）钻杆柱强度设计66

（2）钻杆的最大允许拉伸力Fp：

式中：—钻杆的最大允许拉伸载荷，kN。（3）钻杆的最大安全静拉力Fa：

①安全系数法（考虑起下钻时的动载及摩擦力）

式中：—安全系数，一般取1.30。 ②设计系数法（考虑卡瓦挤压）

③拉力余量法

式中：MOP—拉力余量，一般取200～500KN。三者取最小值，作为Fa（2）钻杆的最大允许拉伸力Fp：三者取最小值，作为Fa67

2.钻杆柱强度设计

按最大安全静拉力Fa设计钻杆柱的最大允许下深（长度）。

（1）单一钻杆柱设计

强度条件：

最大允许下深：

2.钻杆柱强度设计68每段钻杆满足强度条件：（2）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，由下而上强度逐级增大以满足抗拉强度的要求。每段钻杆满足强度条件：（2）复合钻杆柱设计（深井）69

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;

相应各段钻杆在空气中的单位长度重力;

703.强度较核

（1）抗外挤强度较核：

式中:──最大安全外挤载荷,MPa；──钻杆的最小抗挤压力，MPa；

──安全系数，一般应不小于1.125。

（2）抗扭强度较核：

式中：M-

钻杆承受的扭矩,kNm；

P-

使钻柱旋转所需的功率，kW；

n-

转速，rpm。

（3）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APIRP7G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.

3.强度较核71

4．典型钻柱的设计举例

（1）设计参数

①井深:5000m;②井径:215.9mm(8-1/2in);③钻井液密度:1.2g/cm3;

④钻压:180kN;⑤井斜角:3°;⑥拉力余量:200kN(本例假设);⑦卡瓦长度:406.4mm;⑧安全系数：1.30(本例假设)。

（2）钻铤选择：

①选用外径158.75mm(6-1/4in)、内径57.15mm(2-1/4in)钻铤，每米重力qc=1.35kN/m。②计算钻铤长度:

4．典型钻柱的设计举例72

式中:─最大钻压,180kN;─安全系数,取=1.18;─每米钻铤在空气中的重力,1.35kN/m；─浮力系数,计算得=0.85;─井斜角,=3°。计算得：=180×1.18/1.35×0.85×cos3°=185(m)按每米钻铤10m计，需用19根钻铤,总长190m。

（3）选择第一段钻杆（接钻铤）

①选用外径127mm、内径108.6mm，每米重284.69N/m，E级新钻杆，

最小抗拉载荷=1760KN。

②最大长度计算:

最大安全静拉载荷为:Fa1=0.9Fy/St=0.9×1760/1.30=1218.46(kN)

Fa1=0.9Fy/(σy/σt)=0.9×1760/1.42=1115.49(kN)Fa1=0.9Fy-MOP=0.9×1760-200=1384(kN)

式中:─最大钻压,180kN;73

由上面的计算可以看出,按卡瓦挤毁比值计算的最小，则第一段钻杆的许用长度为：

=1115.49/284.69×10-3×0.856-190×1.35/284.69×10-3=3675(m)（4）选择第二段钻杆

①选用外径127mm,内径108.6mm，每米重284.69N/m，X-95级新钻杆，最小抗拉载荷为=2229.71kN。②最大长度计算:

最大安全静拉载荷计算如下:

Fa2=0.9×2229.71/1.30=1543.645(kN)

Fa2=0.9×2229.71/1.42=1413.196(kN)

Fa2=0.9×2229.71-200=1806.739(kN)

由上面的计算可以看出,按卡瓦挤毁比值计算的最小，则第一段74那么，第二段钻杆的最大允许长度为： =1413.196/287.69×10-3×0.856-.35×190

+284.69×10-3×3675/284.69×10-3

=1221(m) 钻柱总长已超过设计井深。那么，第二段钻杆的最大允许长度为：75最后设计的钻柱组合见表2-23。

表2-23钻柱组合设计结果

最后设计的钻柱组合见表2-23。76第二章钻进工具

本章主要内容：第一节钻头

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第二章钻进工具本章主要内容：第一节钻头77

一、概述1.钻头类型按结构及工作原理分类:

刮刀钻头、牙轮钻头、PDC钻头、金刚石钻头按功用分类

全面钻进钻头、取心钻头、

扩眼钻头2.钻头尺寸系列3-3/4"~36"

第一节钻头（DrillBit)常用尺寸：26"、171/2"、121/4"、81/2"一、概述第一节钻头（DrillBit)常用尺寸783.工作指标

钻头进尺（米）钻头工作寿命（小时）机械钻速（米/小时）单位进尺成本（元/米）：3.工作指标79二、刮刀钻头（DragBit）

刮刀钻头的结构

上钻头体、下钻头体（分水帽）、刀翼、水眼。图2-1刮刀钻头结构

刀翼三刀翼的称作三刮刀钻头两刀翼的称作两刮刀钻头或鱼尾刮刀钻头四刀翼的称作四刮刀钻头二、刮刀钻头（DragBit）图2-1刮刀钻头结构80

三、牙轮钻头（RollerBit）（一）牙轮钻头结构

牙轮钻头由钻头体、牙抓（巴掌）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。三、牙轮钻头（RollerBit）81

1．牙轮及牙齿

（1）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。单锥牙轮：主锥+背锥，硬地层复锥牙轮：主锥+副锥+背锥，软到中硬

a—单锥；b、c—复锥；1—主锥；2—副锥；3—背锥abc a—单锥；b、c—复锥；1—主锥；2—副锥；3—背82铣齿牙轮钻头镶齿牙轮钻头铣齿牙轮钻头镶齿牙轮钻头83

（2）牙齿

铣齿——在牙轮锥面上直接铣出，楔形。

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。（2）牙齿84

2．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：滚柱—滚珠—滚柱—止推

滚柱—滚珠—滑动一止推滑动轴承结构：滑动—滚珠—滑动—止推

滑动—滑动（卡簧）—滑动—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 2．轴承密封圈密封圈滚柱止推台阶滑动摩擦衬套滑动摩擦副853．储油润滑密封系统储油润滑补偿系统密封系统：橡胶密封圈、金属密封圈工作原理：

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高，则流入储油杯。其中，有效密封是关键。

3．储油润滑密封系统86钻井工程-翟应虎第二章钻进工具new874．水眼

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，清除井底岩屑，辅助破碎岩石。三牙轮钻头一般安装3个水眼，喷嘴用卡簧固定在水眼内，并用o形圈密封。

4．水眼885．牙轮及牙齿的布置方式布齿原则：（1）转一周牙齿全部破碎井底，不留下未被破碎的凸起；（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；（3）牙齿磨损均匀。5．牙轮及牙齿的布置方式89牙轮布置方案：（1）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；（2）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；（3）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；

非自洗自洗无移轴自洗移轴牙轮布置方案：非自洗自洗无移轴自洗移轴90（二）牙轮钻头工作原理

1．牙轮钻头在井底的运动公转：牙轮随钻头一起旋转。自转：牙齿绕牙轮轴线作逆时针方向旋转称自转。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：

①超顶和复锥引起切向（周向）滑动②移轴引起径向（轴向）滑动纵向振动：牙轮在滚动过程，其中心上下波动，使钻头做上下往复运动。

引起纵向振动的原因：

①单、双齿交替接触井底，使牙轮中心上下波动；②井底凹凸不平

（二）牙轮钻头工作原理91超顶引起切向滑动副锥产生超顶效果单、双齿交替接触井底引起纵向振动超顶引起切向滑动副锥产生超顶效果单、双齿交替接触井底92移轴引起径向滑动O’

a’

O’

a’

a’

O’

移轴引起径向滑动O’a’O’a’a’O’93 2．牙轮钻头的破岩作用

（1）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击、压碎作用，形成体积破碎坑。

（2）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。

（3）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。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。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滑动对破岩的作用:94（三）牙轮钻头类型

1.国产牙轮钻头分类方法

（1）按结构分类：Y，P，MP，MPB，HP，HPB，XMP，XH共8个系列

（三）牙轮钻头类型95（2）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（2）按地层分类：JR，R，ZR，Z，ZY，Y，JY国产三96

类型代号：数字1~7，表明所适应的地层

系列代号：字母Y,P,MP,MPB,HP,HPB,XMP,XH，表明结构特征

钻头直径：用英寸或毫米表示直径大小

例：用于中硬地层、直径为8in(215.9mm)的镶齿滑动密封轴承喷射式三牙轮钻头的型号为：8XHP5或215.9XHP5。

（3）型号表示方法类型代号：数字1~7，表明所适应的97

2.IADC分类法

系列代号—用数字1~8表示钻头牙齿特征及适钻地层；

1-3为铣齿，5-8为镶齿。地层等级代号—用数字1~4表示所钻地层再分为4个等级；钻头结构特征代号—用数字1~9表示钻头结构特征，其中1~7表示钻头轴承及保径特征；附加结构特征代号—用英文字母表示钻头附加特征。祥见书P66-67.例如：341S——表示适用于中等研磨性或研磨性4级硬地层非密封滚动轴承的标准铣齿钻头。537C——表示适用于底抗压强度的软到中硬的3级地层滑动密封轴承保径带中心喷嘴钻头。 2.IADC分类法系列代号—用数字1~8表示钻头牙98钻井工程-翟应虎第二章钻进工具new99四.金刚石钻头

（1）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。

四.金刚石钻头 100分类：天然金刚石

聚晶金刚石复合片（PDC）热稳定性聚晶金刚石（TSP）

分类：天然金刚石101金刚石钻头的结构

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）、水眼及水槽、金刚石切削刃等部分组成。金刚石钻头的结构102（2）天然金刚石钻头（DiamondBit)与热稳定性聚晶金刚石（TSP）钻头1.常用剖面形状：

a．双锥阶梯形；b．双锥形；c．“B”形；d．脊圈式“B”形

（2）天然金刚石钻头（DiamondBit)与热稳1032.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，冷却和润滑金刚石。常用水力结构：2.水眼和水槽1043.金刚石粒度、出刃和排列方式

粒度：

0.5~15粒/克拉（0.2g)

出刃：

最大出刃量为直径的1/3

排列方式：

a．钻头外形；b．交错排列；c．圆周排列；d．脊圈排列3.金刚石粒度、出刃和排列方式a．钻头外形；b．1054.钻头保径4.钻头保径106

5.金刚石钻头与TSP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，类似于砂轮磨削金属的过程。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；(2)在塑性地层(或岩石在应力作用下呈塑性的地层)，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。(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(如隧石、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。

5.金刚石钻头与TSP的破岩机理107（三）PDC钻头（PolycrystallineDiamondCompactBit）

胎体PDC钻头钢体PDC钻头（三）PDC钻头（PolycrystallineDiamo1082.工作剖面形状

特点

内外锥有利于钻头稳定；外锥较长，可多布齿，使磨损均匀；钻硬夹层，冠部齿易早期损坏。适合中等均质地层。

特点

钻头表面积较小，水力集中，清洗效果好；载荷分布较均匀；用于钻石灰岩、白云岩等较硬地层。

特点

侧向推力指向钻头中心，有利于防斜；钻头外部表面积大，可布置较多切削齿，利于提高寿命。用于软地层。特点

冠顶较宽且较平缓，载荷分布较均匀。外侧采用圆弧，布齿面积较大。用于硬地层。

双锥形浅锥形抛物线形B形2.工作剖面形状特点特点特点特点双锥形浅锥形抛物1093.切削齿水眼（喷嘴）流道与布置刮刀式布齿方式：特点是整体强度高、抗冲击能力强、易于清洗和冷却、排屑好、抗泥包能力强。适用于粘性或软地层。单齿式布齿方式：布齿区域大、布齿密度高，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。适用于硬地层。组合式切削齿的布置，具有较好的清洗、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层。布齿原则：

等切削体积——

等磨损——

等功率——

3.切削齿水眼（喷嘴）流道与布置110

4.切削齿工作角

后倾角（负前角）α：起到保护切削齿，延长寿命的作用。取值0°-20°，软地层小一些，硬地层大一些。

侧倾角（旁锋刀面角）β：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。

β=15°左右。 4.切削齿工作角1115.PDC钻头破岩机理

PDC钻头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。5.PDC钻头破岩机理112（四）特殊用途金刚石材料钻头1.取心钻头（四）特殊用途金刚石材料钻头1132.扩眼钻头2.扩眼钻头114钻井工程-翟应虎第二章钻进工具new115钻井工程-翟应虎第二章钻进工具new116（五）金刚石材料钻头的IADC分类法(P70)切削齿种类和钻头体材料钻头冠部形状水力结构特点切削齿大小和切削齿密度D，M，S，T，O1～91～9R，X，O1～9

第一位字码第二位字码第三位字码第四位字码（五）金刚石材料钻头的IADC分类法(P70)切削齿种类117第二节钻柱

一、钻柱的作用与组成二、钻柱的工作状态与受力分析三、钻柱设计第二节钻柱一、钻柱的作用与组成118一、钻柱的组成与作用（一）钻柱的作用

(1)提供钻井液流动通道；(2)给钻头提供钻压；(3)传递扭距；(4)起下钻头；(5)计量井深。(6)观察和了解井下情况（钻头工作情况、井眼状况、地层情况）；(7)进行其它特殊作业（取芯、挤水泥、打捞等）；(8)钻杆测试(Drill-StemTesting),又称中途测试。一、钻柱的组成与作用119（二）钻柱的组成

钻柱(DrillingString)是钻头以上，水龙头以下部分的钢管柱的总称.它包括方钻杆(SquareKelly)、钻杆(DrillPipe)、钻挺(DrillCollar)、各种接头(Joint)及稳定器(Stabilizer)等井下工具。钻井工程-翟应虎第二章钻进工具new120

1.钻杆

（1）作用：传递扭矩和输送钻井液，延长钻柱。

（2）结构：管体+接头

常用的加厚形式有内加厚(a)、外加厚(b)、内外加厚(c)三种.

(a)(b)(c)1.钻杆常用的加厚形式有内加厚(a)、外加厚(b)121

（3）规范：

壁厚：9～11mm外径：

长度：

根据美国石油学会(AmericanPetroleumInstitute,简称API)的规定，钻杆按长度分为三类：

第一类5.486～6.706米(18～22英尺)；第二类8.230～9.144米(27～30英尺);第三类11.582～13.716米(38～45英尺)。

常用钻杆规范（内径、外径、壁厚、线密度等）见表2-12（3）规范：122（4）钢级与强度

（6）接头及丝扣丝扣连接条件：尺寸相等，丝扣类型相同，公母扣相匹配。

钻杆接头特点：壁厚较大，外径较大，强度较高。钻杆接头类型：内平（IF）、贯眼（FH）、正规（REG）；NC系列

（4）钢级与强度123

内平式：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；但外径较大，容易磨损。贯眼式：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平式，但其外径小于内平式。正规式：主要用于内加厚钻杆及钻头、打捞工具。其特点是接头内径加厚处内径管体内径，钻井液流动阻力大，但外径最小，强度较大。

三种类型接头均采用V型螺纹，但扣型、扣距、锥度及尺寸等都有很大的差别。内平式：主要用于外加厚钻124NC型系列接头

NC23，NC26，NC31，NC35，NC38，NC40，NC44，NC46，NC50，NC56，NC61，NC70，NC77

NC—NationalCoarseThread，（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10。

如：NC26表示的节圆直径为2.668英寸。NC螺纹也为V型螺纹,表2-17所列的几种NC型接头与旧API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。

表2-17可以互换使用的接头

NC型系列接头125

2.钻铤结构特点：管体两端直接车制丝扣，无专门接头；壁厚大(38-53毫米），

重量大，刚度大。主要作用：(1)给钻头施加钻压;(2)保证压缩应力条件下的必要强度;(3)减轻钻头的振动、摆动和跳动等，使钻头工作平稳；(4)控制井斜。

类

型：光钻铤、螺旋钻铤、扁钻铤。常用尺寸：6-1/4〃，7〃，8〃，9〃

2.钻铤126钻井工程-翟应虎第二章钻进工具new1273.方钻杆

类

型：四方形、六方形

特

点：壁厚较大，强度较高

主要作用：传递扭矩和承受钻柱的全部重量。

常用尺寸：89mm(3.5英寸)，108mm(4.5英寸)，133.4mm(5.5英寸)。3.方钻杆128钻井工程-翟应虎第二章钻进工具new129

4.稳定器

类型：刚性稳定器、不转动橡胶套稳定器、滚轮稳定器。

作用：1）防斜；2）控制井眼轨迹。

4.稳定器130

二.钻柱的工作状态

1.起下钻工况下：

直井：直的拉伸、滑动

斜井：随井眼倾斜和弯曲，滑动。

2.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。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多次弯曲。二.钻柱的工作状态131

3.钻柱的旋转运动形式：

（1）自转—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。

（2）公转—钻柱象一个刚体，围绕着井眼轴线旋转并沿着井壁

滑动。

产生偏磨。

（3）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。

3.钻柱的旋转运动形式：132（4）

纵向振动—钻头振动引起，产生交变应力。（5）扭转振动—由井底对钻头旋转阻力的变化引起，产生交变扭剪应力。（6）横向摆振—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。

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。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。（4）纵向振动—钻头振动引起，产生交变应力。133三.钻柱的受力分析

1.概述

（1）自重产生的拉力 （2）钻压产生的压力 （3）钻井液的浮力 （4）摩擦阻力 （5）循环压降产生的附加拉力 （7）起下钻时产生的动载荷 （8）扭距 （9）弯曲应力 （10）离心力 （11）外挤力 （12）振动产生的交变应力

钻柱受力最严重的部位：

1）井口断面—拉力最大，扭距最大； 2）下部受压弯曲部分—交变轴向应力、弯曲应力、扭剪应力 3）中性点—拉压交变载荷。轴向力三.钻柱的受力分析轴向力134

2.轴向力和中性点（1）自重产生的轴向拉力（井内掏空时）：

（2）浮重产生的轴向力：

式中：

称为“浮力减轻系数”

（3）正常钻进时的轴向力：

WFB 2.轴向力和中性点WFB135（4）其它轴向力的计算循环压降引起的附加轴向拉力：

滑动摩擦阻力：

动载荷：

（5）起下钻时钻柱轴向力：

（4）其它轴向力的计算136

（5）中性点

钻柱上轴向力等于零的点(Ｎ点)(亦称中和点，NeutralPoint)。

垂直井眼中钻柱的中性点高度：

式中：LN

—中性点距井底的高度，m。

重要意义：1）设计钻柱时要确保中性点始终落在钻铤上？2）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，易疲劳破坏。

钻柱轴向力分布与中性点 （5）中性点钻柱轴向力分布与中性点137 四、钻柱设计

设计内容：

（1）尺寸选择

（2）钻铤柱长度计算

（3）钻杆柱强度设计及较核。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；（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。 四、钻柱设计138

（一）、钻柱尺寸选择

1.依据：

（1）钻机的提升能力；（2）井眼尺寸；（3）地质条件；（4）工艺要求；（5）供货情况。

2.经验配合关系（一）、钻柱尺寸选择139

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，应尽量选用大尺寸方钻杆。2.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.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。

使用大直径钻铤具有下列优点：

（1）可用较少的钻铤满足所需钻压的要求，可减少钻铤，从而减少起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；（3）钻铤和井壁的间隙较小，可减少连接部分的疲劳破坏；（4）有利于防斜。选择的基本原则:140

（二）钻铤长度的确定

浮重原则：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。

计算公式：

式中：

—钻铤长度，m； —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），防止中性点移动较弱的钻杆上，一般取=1.15～1.25； —每米钻铤在空气中的重力，kN/m；

KB—浮力系数； —井斜角，直井时，=0°。 （二）钻铤长度的确定141

（三）钻杆柱强度设计

1.强度条件

Ft

≤Fa

式中：Ft

—钻杆柱任一截面上的静拉伸载荷，kN；Fa—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：

钻杆材料的屈服强度所允许的最大抗拉载荷。

式中：

—钻杆钢材的最小屈服强度，MPa；—钻杆的横截面积，cm2；—最小屈服强度下的抗拉载荷，kN。