钻井工程理论与技术第二章.ppt

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1、第二章 钻进工具,本章介绍钻进工具主要的包括：钻头：破碎岩石的直接工具，正确的选型与合理使 用对安全快速钻进具有直接影响；钻柱：钻杆+钻铤+扶正器等。,钻头的类型及工作原理,钻头的分类方法,钻头的选型与合理使用,第一节 钻头,钻柱的组成及功用 钻柱的工作状态及受力分析 钻柱设计 钻柱的损坏与预防,第二节 钻柱,主要内容,1、本章重点：（1）各类型钻头的结构特点；（2）各类型钻头在井底底运动形式及破岩原理；（3）各类型钻头的使用特点；（4）钻柱的组成；（5）钻柱在井下底受力情况；（6）钻柱设计。2、难点：（1）各类型钻头在井底底运动形式及破岩原理；（2）钻柱在井下底受力情况。,一、概述 1.钻头

2、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（Drill Bit),常用尺寸：26、171/2、121/4、81/2,括眼钻头,3.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）：,二、牙轮钻头（Roller Bit）,单牙轮钻头,双牙轮钻头,三牙轮钻头,（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。,钻头体,喷嘴,巴掌,牙齿,牙轮,1牙轮及牙齿（1）牙轮 20CrM

3、o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,（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。,铣齿牙轮钻头,镶齿牙轮钻头,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 滑动轴承结构：滑动滑动（卡簧）滑动止推,为什么滑动轴承比滚动轴承寿命长？,3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

4、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。,4喷嘴 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 个喷嘴，直径7-13mm。用卡簧固定在水眼内，并用o形圈密封。,5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。,牙轮布置方案：（1）非自洗无滑动布置：

5、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,牙轮及牙齿的布置,齿间相互齿合产生自洗作用,非自洗,自洗无移轴,自洗移轴,（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。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：单、双齿交替接触井底，使牙轮中心上下波动；井底凹凸不平 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

6、动。引起滑动的原因：超顶和复锥引起切向（周向）滑动 移轴引起径向（轴向）滑动,单、双齿交替接触井底 引起纵向振动,纵向振动,（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。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：单、双齿交替接触井底，使牙轮中心上下波动；井底凹凸不平 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：超顶和复锥引起切向（周向）滑动 移轴引起径向（轴向）滑动,超顶引起切向滑动,单、双齿交替接触井底引起纵向振动,副锥产生超顶效果,超顶距,

7、公转时,自转时,平衡时 合速度,纵向振动,移轴引起径向滑动,O,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（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。,（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,

8、（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,（3）型号表示方法,2.IADC分类法,系列代号用数字18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14表示所钻地层再分为4个等级；,钻头结构特征代号用数字19表示钻头结构特征，其中17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。,国产三牙

9、轮钻头分类、型号表示法 钻头直径类型代号系列代号 例：用于中硬地层、直径为81/2”(215.9mm)的镶齿滑动密封轴承喷射式三牙轮钻头的型号为：81/2”XHP5或215.9XHP5。目前常用的牙轮钻头型号 P2,P3,HP2,HP3 铣齿 XH2,XH3,XH4镶齿 J1,J2,J3 铣齿 J11,J22,J33,J44，J55 镶齿,（四）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：选用牙齿高度大并带有超顶或移轴的钻头；地层较硬：选用牙齿高度小，无超顶或移轴的钻头；易斜地层：选用不移轴或移轴量较小的钻头；软硬交错地层：按照较硬地层选择钻头类型；

10、2.优选钻进参数：钻压、转速、水力参数等。3.根据统计资料选择钻头。,软地层用钻头,硬地层用钻头,（五）牙轮钻头磨损与分级,1.牙齿磨损 铣齿：根据齿的磨损高度与原齿高之比划分磨损等级。镶齿：根据甭碎和掉落的齿数与原有齿数之比划分磨损等级。,2.轴承磨损 轴承磨损以钻头使用时间与轴承寿命（小时）之比分级。轴承寿命用使用过的同类钻头的资料统计得到。,3.直径磨损 原直径：I 直径磨小：O+直径磨小值（in）,例如：T2B4I T6B6O 1/2,4.我国石油行业钻头磨损分级标准,（1）牙齿磨损 四级：Y1、Y2、Y3、Y4 铣齿：磨掉高度与新齿高度之比 镶齿：断、掉齿数与总齿数之比,（2）轴承磨

11、损 级别 密封轴承 普通轴承 Z1 密封完好，用手不易转动 转动灵活，轴承不旷 Z2 密封尚好，用手容易转动 转动灵活但旷动 Z3 密封失效，径23mm，轴23mm 明显旷动，径3mm，轴2mm Z4 牙轮掉或快要掉落 牙轮卡死，轴承完全不能用,（3）直径磨损 代号“J”，在右下角用数 字表示直径磨损的毫米数。,（六）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，其故障形式主要有：因钻头轴承严重磨损产生剧烈旷动、牙轮卡死、掉牙轮、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 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生的影响，采用比扭矩，

12、比扭矩表示为：,2、牙轮钻头泥包的识别 钻头发生泥包后的特征：钻时 Zt 迅速增大，立压 StP 有所上升 扭矩 M 逐渐增大，波幅Vr(M)减小 转速 Rpm 有所下降。,坨762井，井深至2239米时，立管压力由1515.6MPa，其它参数无变化，立管压力增至18.1MPa最高峰，此时泵负载很大，泵转速明显的下降，最高峰后立即缓慢下降至175bar后，23时40分突然下降到14.2MPa，水眼冲开，后恢复钻进。,3、钻头水眼堵、掉的识别,三、金刚石钻头（Diamond Bit),(一)金刚石材料钻头的分类,按金刚石来源可分为：天然金刚石钻头和人造金刚石钻头 按功用可分为：取心钻头和全面钻进

13、钻头 按镶嵌方式可分为：表镶式钻头和孕镶式钻头 按钻井方式则可分为：转盘钻井钻头和涡轮钻井钻头,(二)金刚石材料钻头的结构 1.总体结构 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）、水力结构（水眼、水槽及排屑槽）、金刚石切削刃等部分组成。,金刚石钻头,PDC钻头,TSP金刚石钻头,钢体,保径,排屑槽,冠部,胎体 胎体是镶嵌金刚石的基体，为硬质合金材料，用粉末冶金技术烧结在钻头钢体上。水力结构（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。,金刚石钻头,PDC钻头,TSP金刚石钻头,2.切削齿材料（1）金刚石特性 金刚石为碳在高温高压下形

14、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 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（8800MPa）和耐磨性钢的9000倍）。其缺点是：脆性大，受冲击载荷易碎裂；具有热敏性，高温下（450以上）石墨化。,（2）两类金刚石材料 天然金刚石：非洲产，品种有：卡邦(Carnon)、包尔兹(Boarz)、巴拉斯(Ballas)。人造金刚石单晶和聚晶：,聚晶金刚石复合片-PDC（Polycrystalline Diamond Compact Bit）,特 性 PDC既具有金刚石的硬度和耐磨性，又具有碳化

15、钨的结构强度。弱点是热稳定性差，350以上加速磨损。脆性较强，抗冲击能力较差。,13.4，19,金刚石复合片层厚度：一般2-3mm,热稳定性聚晶金刚石-TSP（Thermally Stable Polycrystalline Diamond Bit）,特 性 良好的热稳定性，耐热温度达1200；切削齿形状可根据需要而定；耐磨性高、抗冲击能力强；具有天然金刚石的特点但是尺寸大于天然金刚石。,(三)天然金刚石钻头和TSP钻头的结构 1.冠部几何形状,a双锥阶梯形；b双锥形；c“B”形；d脊圈“B”形,适用于钻软到中硬地层，如硬石膏、泥岩、砂岩、灰岩,适用于钻较硬和致密的岩石，如砂岩、石灰岩、白云岩

16、,适用于硬地层如硬砂岩和致密的白云岩,适用于钻坚硬地层如石英岩、燧石、火山岩和硬砂岩,(三)天然金刚石钻头和TSP钻头的结构 2.水力结构,(三)天然金刚石钻头和TSP钻头的结构 3.金刚石颗粒在胎体上的镶装方式,表镶式：把金刚石颗粒只镶在胎体表面上层。颗粒大0.5-1.5 粒/克拉，出刃高度：1/3-1/4，棱角不宜尖锐，以 免钻进中崩裂。孕镶式：把金刚石颗粒均匀分布在钻头工作面胎体金属层的一 定厚度层内，随胎体磨损，金刚石颗粒不断露出而不 断磨削岩石，并不断自锐，不断磨损，直到金刚石磨 完为止。颗粒粒度：20-200粒/克拉，棱角越大越 好，孕镶层厚度：2-12mm,孕镶式,表镶式,4.金

17、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,(三)天然金刚石钻头和TSP钻头的结构,软地层,硬地层,坚硬地层,(三)天然金刚石钻头和TSP钻头的结构 5.破岩机理,在塑性地层中：如泥岩、泥质砂岩、石膏等，以切削作用 破碎岩石，类似于金属的切削过程。在脆性地层中：如石英砂岩等，金刚石破碎岩石的特点主 要表现为脆性体积破碎，破岩效率高。在坚硬岩石中：如燧石、硅质白云岩、硅质石灰岩等，一 般用孕镶钻头钻进，金刚石以微切削、刻 划方式破碎岩石。,概括地讲，金刚石钻头以磨削（研磨）方式破碎岩

18、石，类似于砂轮磨削金属的过程。,(三)天然金刚石钻头和TSP钻头的结构 6.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，取心 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。（3）先用小钻压、低转速跑合，然后用合适钻压和高 转速钻进。（4）采用低钻压（30-50kN）、高转速、大排量钻进。,(四)PDC钻头(Polycrystalline Diamond Compact Bit),胎体PDC钻头,钢体PDC钻头,两类PDC切削元件,1.PDC钻头的结构特点(1)钻头体,（2）复合片物理机械性质,极高的硬度（钢的9-14倍，硬质合金的3-5倍）；

19、较高的抗压强度（钢的3-4倍）；良好的自锐性（碳化钨基体比聚晶层磨损速度快）；,抗冲击韧性比天然金刚石好，比硬质合金差。聚晶层经受 冲击载荷作用易碎裂。尤其是新复合片刚开始接触岩石，锋锐边刃很容易碎裂。对温度较敏感。350左右，磨损速度显著加快；700左右，强度失效。,13.4，19,复合片尺寸及适用地层:,（3）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。,双锥形,内锥：导向和稳定作用浅内锥高钻速、液流控制能力好深内锥稳定性好，防井斜顶部：吃入地层硬地层大半径、宽顶部软地层小半径侧面：弧线or直线直线吃入性好，切削效

20、率高弧线高转速、高抗研磨保径：稳定钻头，防止缩径直井增长保径，控制井斜造斜缩短保径,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。,抛物线形,B形,浅锥形,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。,（4）切削齿布置 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

21、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。,布齿设计原则,井底覆盖良好；内疏外密，各切削齿磨损均匀；布齿密度随地层硬度增大而增大；同一刀翼上各切削齿的安装互不干涉；切削齿的布置和刀翼分布和有利于提高钻头的稳定性；切削齿和刀翼的布置有利于提高水力清洗和冷却效果。,布齿设计方法,（5）切削齿工作角 后倾角（负前角）：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）：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。=15左右。,（6）喷嘴流道系统 冷

22、却和清洗效果严重影响PDC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根据切削齿位置确定。,2.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。,3.PDC钻头的正确使用 PDC钻头适用于软到中硬的大段均质地层，不适合钻软硬交错地层和砾石层。2.与牙轮钻头相比，PDC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，先用小

23、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，适合高转速的井下动力钻井或复合钻进方式。,(五)金刚石材料钻头的IADC分类法,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，O,19,19 R，X，O,19,第一位字码,第二位字码,第三位字码,第四位字码,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、钻柱的组成与作用（一）钻柱的组成 钻柱(Drilling String)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(Square Kelly)、钻杆(Drill Pipe)、

24、钻挺(Drill Collar)、各种接头(Joint)及稳定器(Stabilizer)等井下工具。,（二）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，又称中途测试。,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),（3）规范：壁厚：9 11mm 外径：长度：根据美国石油学会(American P

25、etroleum Institute,简称API)的规定，钻杆按长度分为三类：第一类 5.486 6.706米(1822英尺)；第二类 8.230 9.144米(2730英尺);第三类 11.58213.716米(3845英尺)。常用钻杆规范（内径、外径、壁厚、线密度等）见表2-12,（4）钢级与强度,（5）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,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

26、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。,NC型系列接头 NC23，NC26，NC31，NC35，NC38，NC40，NC44，NC46，NC50，NC56，NC61，NC70，NC77 NCNational Coarse Thread，（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

27、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,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：6-1/4，7，8，9,3.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)，108

28、mm(4.5英寸)，133.4mm(5.5英寸)。,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。,二、钻柱的工作状态及受力分析(一)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。,3.钻柱的旋转运动形式：(1)自转 钻柱像一根柔性轴，围绕自身轴线旋转。钻柱自转时，在整个圆周上与井壁接触，产

29、生均匀磨损。弯曲钻柱在自转时，受到交变弯曲应力的作用，容易发生疲劳破坏。在软地层弯曲井段，钻柱自转容易形成键槽，起钻时可能造成卡钻事故。(2)公转 钻柱像一个刚体，围绕着井眼轴线旋转并沿着井壁滑动。钻柱公转时，不受交变弯曲应力的作用，但产生不均匀的单向磨损(偏磨)，从而加快了钻柱的磨损和破坏。(3)公转与自转的结合 钻柱围绕井眼轴线旋转，同时围绕自身轴线转动，即不是沿着井壁滑动而是滚动。在这种情况下，钻柱磨损均匀，但受交变应力的作用，循环次数比自转时低得多。,钻进的过程中，钻具的振动是指由于钻柱与井壁，钻头与岩石之间的相互作用使钻具受力变化而产生的复杂振动。钻具振动主要分为三种：扭转振动、轴向

30、振动和横向振动。其表现形式分别为：粘卡释放（stick-slip）、钻头跳动（bit bouncing）和涡动(whirl)。,4、钻具振动形式,(1)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 粘卡释放是扭转振动的表现，当井下钻具弯曲、偏离中心位置时与井壁间出现“粘卡”产生磨阻，从而导致井下钻具旋转减缓甚至停止使得钻柱的旋转能量在钻柱中逐渐积累，当在钻柱中积累的扭转力足够克服井壁与钻具间的磨阻时，产生“释放”现象，此时钻头和钻具下部组合BHA以高速旋转释放能量。严重的粘卡会造成卡点以上附近钻具超扭矩、钻具内部的永久变形，持续的粘卡能引起钻具的疲劳破坏。当能量释放时，钻头产生高

31、速转动致使钻头切割部件的损坏，钻具由薄弱环节脱落、刺穿甚至于扭断。,(2)轴向振动 钻头振动引起，产生交变应力 钻头跳动是由于井底钻柱的轴向振动而造成的钻头与地层瞬间脱离接触的现象。这种跳动对钻头、井下涡轮钻具、以及MWD下井工具都有破坏作用。其表现形式为大钩负荷出现高振幅高频率的振动。扭矩和转速测量值显示低振动。,(3)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,(二)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(6)起下钻时产生的动载荷(7)扭距(8)弯曲应力(9)离心力(10)外挤力(1

32、1)振动产生的交变应力,轴向力,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。,2.轴向力（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：,B,（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：,3.中性点 钻柱上轴向力等于零的点(点)(亦称中和点，Neutral Point)。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,钻柱轴向力分布与中性点,中性点的重要意义：1、设计

33、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,例某井用127mm 钻杆(372.4 N/m)2200m，184.20mm 钻铤(1737N/m)60m、158.8mm 钻铤(1328N/m)100m 及216mm 钻头，钻井液密度1.25 g/cm3。钻进时加钻压180kN，套管钢材密度为7.8g/cm3，求中性点位置。,4外挤压力 钻杆测试(DST)时，钻杆将承受很大的外挤压力。进行钻杆测试时，一般都在钻柱底部装一封隔器，用以封隔下部地层和管外环空。钻杆下入井内控制阀是关闭的，因此钻井液不能进入钻杆内，封隔器压紧后打开控制阀，地

34、层流体才流入钻柱内。,（1）转盘钻井时，转盘扭矩是由钻柱传递给钻头。井口最大。（2）在井下动力钻井中，钻柱承受的扭矩为动力钻具的反扭矩，在井底处最大，往上逐渐减小。,在转盘钻井中，钻柱弯曲。产生弯曲力矩的作用,当钻柱绕井眼轴线公转时，将产生离心力。离心力将引起钻柱弯曲或加剧钻柱的弯曲变形。,5.扭矩,6.弯曲力矩,7.离心力,(三)钻柱的损坏 钻柱的损坏形式：疲劳破坏（纯疲劳破坏；伤痕疲劳破坏；腐蚀疲劳破坏）1、疲劳破坏：指钻柱在长期交变应力的作用下发生的破坏。(1)纯疲劳破坏：指钻柱在没有任何其他原因发生的破坏。(2)伤痕疲劳破坏：（钻柱本身缺陷；电弧烧伤；大钳咬伤；卡瓦伤痕等）(3)腐蚀疲

35、劳破坏：（化学腐蚀；电化学腐蚀）2、氢脆破坏：就是钻柱在硫化氢介质中发生的突然断裂和裂缝。即氢原子渗入到金属中产生的破坏。,3、减少疲劳破坏采取的措施（1）钻杆始终处于拉伸状态，保证钻铤在钻井液中的重力大于最大钻压。（2）使用减震器（3）弯曲井段使用加重钻杆（4）使用好起下钻工具（5）控制好钻井掖性能（6）定期检查钻杆,三、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。,1.依据：（1）钻机的提升能力；（2）井眼尺寸；（3）地质

36、条件；（4）工艺要求；（5）供货情况。,（一）钻柱尺寸选择,2.经验配合关系,3.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。,4.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。,浮重原则：保证在最大钻压时钻杆不

37、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=1.151.25；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,（三）钻杆柱强度设计,1.强度条件,轴向拉力 钻杆强度允许的轴向拉力,OR：轴向静拉力附加系数 强度允许的安全拉力,轴向静拉力+拉力余量 强度允许的安全拉力,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。,总之：轴向静拉力 最大安全静拉力,（1）轴向静拉力Ft,

38、（3）钻杆的最大允许拉伸力Fp,Fy 钻杆材料的屈服强度所允许的最大抗拉载荷,KN；钻杆的最小屈服强度，MPa；Ap 钻杆横截面积，cm2可以计算,也可以从表214中查出。,（2）钻杆在屈服强度下的抗拉载荷Fy,（4）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）式中：安全系数，一般取1.30。设计系数法（考虑卡瓦挤压）拉力余量法 式中：MOP拉力余量，一般取200500KN。,可根据卡瓦长度和摩擦系数查表求得见P94表2-22,三者取最小值，作为Fa,按最大安全静拉力F a设计钻杆柱的最大允许下深（长度）。（1）单一钻杆柱设计,第一步：选择钻杆的壁厚和钢级,第二步：计算钻

39、杆的许用长度,强度条件：,2.钻杆柱强度设计,最大允许下深：,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。,钻铤上面第一、二、三段钻杆的长度;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;,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

40、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API RP 7G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.强度校核,(1)抗外挤强度校核,（1）设计参数 井深:5000m;井径:215.9mm(8-1/2in);钻井液密度:1.2g/cm3;钻压:180kN;井斜角:3;拉力余量:200kN(本例假设);卡瓦长度:406.4mm;安全系数：1.30(本例假设)。,4典型钻柱的设计举例,（2）钻铤选择：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。

41、计算钻铤长度:,式中:最大钻压,180 kN;安全系数,取=1.18;每米钻铤在空气中的重力,1.35 kN/m；KB 浮力系数,计算得=0.85;井斜角,=3。计算得：=1801.18/1.350.85cos3=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）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。最大长度计算:最大安全静拉载荷为:Fa1=0.9Fy/St=0.91760/1.30=1218.46(kN)Fa1=0.9Fy/(y/t)=0.91760/1.42=1115.49(kN

42、)Fa1=0.9Fy-MOP=0.91760-200=1384(kN),由上面的计算可以看出,按卡瓦挤毁比值计算的最小，则第一段钻杆的许用长度为：=1115.49/284.6910-30.856-1901.35/284.6910-3=3675(m),(4)选择第二段钻杆 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=2229.71 kN。最大长度计算:最大安全静拉载荷计算如下:Fa2=0.92229.71/1.30=1543.645(kN)Fa2=0.92229.71/1.42=1413.196(kN)Fa2=0.92229.71-200=1806.739(kN),那么，第二段钻杆的最大允许长度为：=1413.196/287.6910-30.856-0.35190+284.6910-33675/284.6910-3=1221(m)钻柱总长已超过设计井深。,最后设计的钻柱组合见表2-23 表2-23 钻柱组合设计结果,