第二章 钻进工具——钻柱(sxc)
钻进工具 - 金刚石钻头
（3)水力结构和切削刃的分布 刮刀式、单齿式、组合式 刮刀式：将切削齿沿着从钻头中心附近到保径部位的直线 布置在胎体刮刀上，在适当的位置布置水眼。 整体度高、抗冲击能力强、易于清洗和冷却、排泄好、抗 泥包能力强。适合粘性和软地层
三、金刚石钻头和刮刀钻头
3、PDC钻头的结构
（3)水力结构和切削刃的分布 单齿式：将切削刃单个布置在钻头工作面上，适当位置布 置水眼，钻井液流出，切削刃受到清洗和冷却。 布齿区域大、布齿密度高，可提高钻头使用寿命，水力控 制能力低。 组合式：直线刮刀和单齿相结合的方式，适当位置布置水 眼。具有较好的清洗、冷却和排屑能力，布齿密度高。中 硬地层。
硬地层
软地层
坚硬地层
三、金刚石钻头和刮刀钻头
3、PDC钻头的结构
(1) 胎体PDC钻头与钢体PDC钻头 胎体PDC钻头：碳化钨烧制而成，在窝槽上焊接复合片
钢体PDC钻头：与钻头体一致，复合片焊接在切削齿上，再 将切削齿镶嵌在钻头体上
三、金刚石钻头和刮刀钻头
3、PDC钻头的结构
(1) 胎体PDC钻头与钢体PDC钻头
三、金刚石钻头和刮刀钻头
2、天然金刚石钻头和TSP钻头的结构
（2）水力结构（水孔-水槽式）
三、金刚石钻头和刮刀钻头
2、天然金刚石钻头和TSP钻头的结构
（3）金刚石的粒度和排列方式
切入地层深度：软 1/10,硬1/100 最大出刀不超过1/3
粒度： 软-中软 0.5-2粒/克拉 中硬 3-6粒/克拉 硬地层 12粒/克拉 坚硬 小于 12粒/克拉
钻头水力结构 切削齿的大小和
特点
切削齿的密度
1-9，R、X、 O
1-9，0
R-放射式流道
第二章 2-钻柱
二、钻柱的工作状态及受力
（一）钻柱的工作状态
钻柱主要是在起下钻和正常钻进这两种条件下工作的。 起下钻时，钻柱处于受拉伸的直线稳定状态。 正常钻进时，上部钻柱受拉伸而下部钻柱受压缩。
小钻压且井眼直时，钻柱是直的； 压力达到钻柱的临界压力值，下 部钻柱将失去直线稳定状态而发生弯 曲并与井壁接触于某个点(称为“切 点”)，这是钻柱的第一次弯曲 （Bulkling of the first oder)； 增大钻压，则会出现钻柱的第二 次弯曲或更多次弯曲。
级
105（G） 723.95 105000 930.79 135000 792.90 115000
135（S） 930.70 135000 1137.64 165000 999.74 145000
（3）钻杆接头及丝扣 钻杆接头是钻杆的组成部分，分公接头和母接头 钻杆接头壁厚较大，接头外径大于管体外径，用强度更
3、弯曲力矩(Bending Moment) 其大小与钻柱的刚度、 弯曲变形部分的长度及最大挠度等因 素有关。 4、离心力（Centrifugal force） 5、外挤压力(Collapsing Pressure)：中途测试和卡瓦悬持。 6、纵向振动(Axial Vibration)：钻柱中性点附近产生交变的 轴向应力。纵向振动和钻头结构、所钻地层性质、泵量不均匀、钻 压及转速当等因素有关。
式中： Fw —钻进时（有钻压）钻柱任一
截面上的轴向拉力，kN；
w —钻压，kN。
图2-36 钻柱轴向力分布
中性点：钻柱上轴向力为零的点(Ｎ点)(亦称中和点， Neutral Point )。
垂直井眼中钻柱的中性点高度可按下式确定：
LN
W qc K
式中： LN —中性点距井底的高度，m。
钻柱
Fw = 0.9 Fy
Fw ：钻柱工作时允许受到的最大轴向载荷
Fy ：材料最小屈服强度下的抗拉力
2. 钻柱允许的最大静拉载荷 Fa
Fa ：钻柱在钻井液中重量产生的轴向载荷。
Fa < Fw
钻柱设计
2. 钻柱允许的最大静拉载荷 Fa 1）安全系数法 Fw Fa = Sp
S p ：设计安全系数 S p = 1.3 ~ 1.6
钻柱设计
1. 钻具尺寸的选择： 钻具组合书写表示方法： 215毫米钻头（钻头高度，m）+420×520（长度，m）+178毫 米钻铤（长度，m） +521×410 （长度，m） +159毫米钻铤 （长度，m） +127毫米钻杆（长度，m） +411×520 （长度 ，m） +133毫米方钻杆（方入，m）+水龙头（631反）
钻柱设计
2.钻铤长度的确定： 原则： 钻铤在泥浆中的重量为所需最大钻压的1.2～1.3倍。
S n ⋅ Wmax 计算公式为： Lc = qc ⋅ K b ⋅ cos α
Lc ——钻铤长度，米；
α ——井斜角,度
Wmax ——最大钻压，牛；
qc
Kb
Sn
——钻铤的每米重量，牛/米 ——浮力系数 ——设计安全系数
钻柱设计
1. 钻具尺寸的选择： 常用钻具组合： 12 ¼” 以上井眼： 钻头+9”钻铤+8”钻铤+7”钻铤+5”钻杆+5 ¼”方钻杆 8 1/2” 井眼： 钻头+ 6 1/2”钻铤+6 1/4”钻铤+5”钻杆+5 ¼”方钻杆 6” 井眼： 钻头+ 4 3/4”钻铤+3 1/2”钻杆+ 3 1/2”方钻杆
第二章硬质合金钻进
• 在上述四个过程中，主要的是第三个过程，即研 究硬质合金钻进原理时．应重点研究硬质合金钻 进破碎岩石的过程和硬质合金本身的磨损问题。 • 硬质合金钻进破碎岩石的理论，可分为两类，即 塑性岩石破碎过程和脆性岩石破碎过程。前者是 将岩石破碎过程看成具有明显的高塑性，因而钻 进时岩石的破碎与金属切削的状态相同。研究外 载与破碎之间关系时，主要是力学平衡分析；后 者考虑到岩石破碎过程中存在着脆性破碎，因而 是在孔底碎岩机理的基础上进行分析。
• 硬质合金在岩心钻探中占有重要地位，我国每年 的钻探工作量，用硬质合金钻进法完成的约占 60%；在煤田地质勘探中约占80%。 • 硬质合金钻进，一般适用于可钻性为1～6级及部 分7～8级的岩石。钻孔直径为35.5mm直至 2000mm，常用的钻头直径为75、91、110、130、 150mm等规格。硬质合金钻进可钻进任何角度的 钻孔。其钻具组装如图 2-1所示。
• 硬质合金钻进的基本情况如图 2-2所示。钻 进时，合金受到两个力的作用。即轴心压 力Py和回转力Px。当轴心压力Py达到一定 值后，合金对岩石的单位压力超过岩石的 抗压入阻力，合金便切入岩石一定深度h0； 与此同时，在回转力Px的作用下，向前推 挤岩石，如岩石较脆，则受力体被剪切推 出；若岩石较软呈塑性体，则合金前部的 岩石便被切削去一层，孔底工作面呈螺旋 形式而不断加深。
• 在实际钻进工作中，用冲洗液冲孔时，对 合金切削刃有一定的润滑作用，可减少合 金的磨损。同时冷却钻头合金，并使孔底 保持清洁，对减少合金磨损会起重要作用。
第二节 钻探用硬质合金
• 一、硬质合金的种类和性质 • 钻探用的硬质合金，主要是碳化钨 （WC）—钴（Co）类压结式合金。其主要 成分是碳化钨，它以碳化钨粉为骨架，以 钴粉末做胶结剂，经粉末冶金方法压制烧 这类硬质合金统称 为YG类硬质合金，亦称钨钴合金。
石油工程钻井钻柱力学-第二章 钻柱设计与负荷计算1-2节
1）、由（2-6a、b）式得下段钻杆的：
Pamax = 0.9Py1/nn = 0.9886.025/1.3 = 613.46（kN） Mop = 0.9Py1- Pamax = 0.9886.025–613.46 = = 183.96445（kN） 这说明用式（2-6b）确定的拉力余量不符合设计前预选拉 力余量的要求。再看下段钻杆的受力情况：首先用拉力余 量445kN来计算Pamax，即： Pamax = 0.9Py2- Mop = = 0.93168.51– 445 = 2406.66（kN）
问题的讨论：也就是说为什么在确定最大允许静拉负荷时 ，既要选择安全系数、设计系数，又要考虑拉力余量呢？
下面通过实例加以说明。
若已知下段钻杆的钢级为D级、d01 = 88.9mm、q01 =194.14 N/m；上段钻杆的钢级为S-135、d02 =127.0mm、q02=284.78 N/m；已选择的拉力余量 Mop = 445 kN；安全nn = 1.3。 由钻井手册查到的两种钻杆钢级的Py值分别为：D级钢的 Py1 = 886.025 kN，S-135钢级的 Py2 = 3168.51 kN。试问 ：钻杆的最大允许静拉负荷？ 6
二、钻柱（钻杆、钻铤长度）设计与计算
钻柱的主要组成有方钻杆、钻杆、钻铤、稳定器位置和其 它井下工具。
1、钻柱下部钻铤的选择与用量计算
1）、钻铤的选择原则： 钻铤尺寸的选择取决于有效井径，大小一般为： Dhe = (Db+ Dc = ——（2-5） 1 0 0 t 2 Ls 2 Ls Pa max
1 2 2
式中：s——钻杆的屈服强度；
d0——钻柱外径； t——钻杆悬挂在吊卡下面的钻柱拉应力； Ls——卡瓦与钻杆的接触长度； K——卡瓦的横向负荷系数，K = 1/tg( )； ——卡瓦锥角，取92745。 ——卡瓦与钻杆之间的摩擦角。
钻井工程自学基本要求
10.油井水泥性能及与钻井的关系；
11.隔离液的作用及分类；
12.影响固井质量的因素及提高固井质量的措施；
13.完井的任务及原则；
14.完井的方式的类型及各自的特点。
【掌握】
1.套管的分类及各自的作用；
2.井设结构设计的原则；
3.井身结构设计的内容、依据和设计步骤；
2.刮刀钻头结构、破岩机理；
3.牙轮钻头的类型、结构、牙轮钻头的运动形式及破岩机理，三种特殊结构产生滑动的原因及产生滑动的方向和剪切掉的岩石；
4.金刚石材料的特点，金刚石钻头牙齿的镶装方式，金刚石钻头的结构、水力结构、破岩机理；
5.PDC钻头的意义，特点，结构特性，破岩机理；
6.钻柱的作用，组成，各部件的结构特点；
2.井眼内存在的各种压力及计算，井眼与地层压力的关系；
3.平衡压力钻井技术、欠平衡压力钻井技术的关键及适用范围；
4.溢流的原因及征兆；
5.气侵的途径及特点；
6.“U”型管平衡原理计算地层压力和压井液密度；
7.关井立管压力的测定；
8.压井遵循的原则；
9.压井参数的计算；
10.压井方法及步骤，参数的变化。
4.关井方式选择，关井的“四七”操作步骤；
5.“U”型管平衡原理计算地层压力和压井液密度，关井立管压力的测定；
6.压井理论（参数）的计算；
7.压井方法及步骤，参数的变化；
8.特殊压井方法。
【掌握】
1.概念：溢流、井涌、关井、压井、循环立管压力、初始立管循环压力、终了循环立管压力、平衡压力钻井技术、欠平衡钻井技术等；
7.岩石单轴强度的类型及大小关系等。
三、思考与练习
课后思考与练习题
上交作业
第二节 钻柱
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、钻柱设计一、钻柱的组成与作用（一）钻柱的组成钻柱(Drilling String)是水龙头以下、钻头以上钢管柱的总称。
它包括方钻杆(Square Kelly)、钻杆(Drill Pipe)、钻挺(Drill Collar)、各种接头(Joint)及稳定器(Stabilizer)等井下工具。
(一)钻柱组成(一）钻柱的组成钻柱是钻头以上，水龙头以下部分的钢管柱的总称.它包括方钻杆、钻杆、钻挺、各种接头(Joint)及稳定器等井下工具。
（二）钻柱的作用(见动画)(1)提供钻井液流动通道；(2)给钻头提供钻压；(3)传递扭矩；(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-Stem Testing),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，由无缝钢管制成。
1. 钻杆(3)连接方式及现状：a.细丝扣连接，对应钻杆为有细扣钻杆。
b.对焊连接，对应钻杆为对焊钻杆。
1. 钻杆(4)管体两端加厚方式：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)（5）规范壁厚：9 ～11mm 外径：长度：根据美国石油学会(American Petroleum Institute,简称API)的规定，钻杆按长度分为三类："21,"21 ,"21,"87 ,835139.70 ,500.127 430.1144101.60390.88 273.00 230.60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（6）钢级与强度钻 杆 钢 级物 理 性 能D E95（X）105（G）135（S）MPa379.21517.11655.00723.95930.70最小屈服强度lb/in2550007500095000105000135000 MPa586.05723.95861.85930.791137.64最大屈服强度lb/in285000105000125000135000165000 MPa655.00689.48723.95792.90999.74最小抗拉强度lb/in295000100000105000115000145000钢级：钻杆钢材等级，由钻杆最小屈服强度决定。
)第二章钻进工具
4 金刚石钻头的结构和工作原理
4.1 金刚石材料钻头的结构 4.1.1基本特点和结构
为一体式，无运动件；由钻头 体、冠部、水力结构、切削刃和保 径五部分构成(见图2-17等)。
4.1.2 金刚石钻头的切削齿材料
分类：天然金刚石齿(ND)、聚晶金 刚石复合片齿(PDC)及热稳定聚晶 金刚石齿(TSP)。
3)地温较高时，牙轮钻头的轴承密封 易失效，金刚石钻头则不会出现此 问题。
4)如果井眼小于165.1mm(61/2in)， 牙轮钻头的轴承由于空间尺寸的限 制，强度和性能不能保证，金刚石 钻头则不会出现此问题。
5)钻压受限不适合用牙轮钻头时， 改用金刚石钻头，即防斜，又可快 速钻进。
6)结构设计和制造比较灵活，生产 设备简单，能满足非标准尺寸需要。
牙轮超顶和复锥引起牙齿在井底 圆周切线方向的滑动，滑动速度随 超顶距的增加而增加。该滑动除可 在切线方向与冲击、压碎作用共同 破碎岩石外，还可以剪切掉同一齿 圈相邻牙齿破碎坑之间的岩石。
2)移轴引起的滑动
移轴和偏移值：图2-15。
移轴引起牙轮滑动的原理：
3)移轴引起的滑动对地层的剪切作 用：移轴在牙轮轴线向内方向产生 滑动和切削地层的作用，可剪切掉 齿圈之间的岩石。
4)滑动的利与弊及控制
滑动有利于破岩，但也使牙齿 磨损加剧。移轴引起的牙轮轴向向 内的滑动使牙齿的内端面部分磨损， 而超顶和复锥引起的井底圆周切线 方向的滑动使牙齿前侧面磨损。应 在这些部位加强，并注意钻头选型。
问题回答：
为什么牙轮钻头可以适应从极软到 极硬的地层？
5)小结
对于钻极软到中硬地层的钻头， 一般兼有移轴、超顶和复锥结构； 中硬或硬地层钻头一般有超顶和复 锥；极硬和研磨性很强的地层钻头， 没有移轴、超顶和复锥结构，基本 为纯滚动。
第二章海洋钻完工艺系统
41
完井技术
● 完井：从钻开生产层、下油层套管、注水泥固井、射
孔到试采等一系列生产过程的总称。
● 完井工程包括的内容：
（1）钻开生产层：钻井完井液设计、平衡压力钻井 （2）完井井底结构设计和完井方法选择 （3）安装井底：包括下套管固井或下入筛管、割缝衬管 （4） 连通井眼与产层（射孔、裸眼等） （5）防砂措施 （6）安装井口，完井测试
26
自升式钻井平台导管架方式钻井 涠洲12-1油田B平台
27
自升式钻井平台导管架方式钻井 东方1-1气田
28
复位到采油井钻井
NH4 & W121A
NH4 & W121B
NH4 & W114B
29
半潜式钻井平台预钻井
安 装 钻 井 基 盘
30
修井机+支持船井 钻井
31
第二章 海洋钻完井工艺系统
钻穿油、气层之后， 下油层套管至油、气 层底部固井。然后再 用专门的射孔器在油 、气层部位射孔，射 穿套管和水泥环并进 入地层一定深度，油 、气通过这些孔道进 入井内。
或下入尾管后射孔。
49
射孔完井法示意图
尾管射孔完井法示意图
完井技术
三、完井井底结构和完井方法
（二）射孔完井法
● 主要优点：
（1）能有效地封隔不同压力的油、气、水层，消除互相干扰。可以进行分层测试、 分层开采、分层注水等作业。
优点：
可以确保油层套管下在油、气层顶部。
缺点：
（1）泥浆对油气层的浸泡时间长，易损害 油气层；
（2）同时也会受到水泥浆对油气层的损害 ，如油气层压力大时固井质量也不易保证。 这种完井法一般是在地层情况掌握不够的探 区采用。
钻井课后题汇总
第 1 页 共 45 页第一章 钻井的工程地质条件1. 岩石的塑性系数是怎样定义的？答：岩石的塑性系数是用来定量表征岩石塑性及脆性大小的参数。
塑性系数为岩石破碎前耗费的总功与岩石破碎前弹性变形功的比值。
2. 什么是岩石的可钻性？答：岩石的可钻性是岩石抗破碎的能力。
即一定钻头规格、类型及钻井工艺条件下岩石抵抗钻头破碎的能力。
3. 什么叫有效应力、有效上覆岩层压力、各向压缩效应？答：在“各向压缩效应”试验中，如果岩石孔隙中含有流体且具有一定的孔隙压力，这种孔隙压力的作用降低了岩石的各向压缩效应，这样，把岩石所受外压与内压之差称为有效应力。
上覆岩层压力和岩石内孔隙流体压力的差称为有效上覆岩层压力。
在三轴应力试验中，如果岩石是干的或者不渗透的，或孔隙度小且孔隙中不存在液体或者气体时，增大围压则一方面增大岩石的强度，另一方面也增大岩石的塑性，这两方面的作用统称为“各向压缩效应”。
4. 简述地下各种压力的基本概念答：地下压力包括静液压力h P 、上覆岩层压力Po 、地层压力p P 和基岩应力σ等。
静液压力是由液柱自身的重力所引起的压力，它的大小与液体的密度、液柱的垂直高度或深度有关。
地层某处的上覆岩层压力是指该处以上地层岩石基质和空隙中流体的总重力所产生的压力。
基岩应力是指由岩石颗粒之间相互接触来支撑的那部分上覆岩层压力，也称有效上覆岩层压力或颗粒间压力，这部分压力是不被孔隙水所承担的。
1． 简述地下各种压力的基本概念及上覆岩层压力、地层孔隙压力和基岩应力三者之间的关系。
答： 地下压力包括静液压力h P 、上覆岩层压力Po 、地层压力p P 和基岩应力σ等。
静液压力是由液柱自身的重力所引起的压力，它的大小与液体的密度、液柱的垂直高度或深度有关。
地层某处的上覆岩层压力是指该处以上地层岩石基质和空隙中流体的总重力所产生的压力。
基岩应力是指由岩石颗粒之间相互接触来支撑的那部分上覆岩层压力，也称有效上覆岩层压力或颗粒间压力，这部分压力是不被孔隙水所承担的。
钻井工程复习(除名词解释)
第二章钻进工具1.何谓钻柱的中性点？答：中性点的概念是由鲁宾斯基提出来的。
他认为中性点时钻柱受拉和受压的分界点。
2. 什么叫复合钻柱？答：即采用不同尺寸（上打下小）、或不同壁厚（上后下薄）、不同钢号（上高下低）的钻杆组成的钻杆柱。
3.评价钻头性能的指标有那几项？答：钻头进尺，钻头工作寿命，钻头平均机械钻速，钻头单位进尺成本。
4.简述刮刀钻头破岩原理。
答：刮刀钻头刀翼在钻压W和扭转力T的作用下，一方面作向下的运动，一方面围绕钻头轴线旋转，刀翼以正螺旋面吃入并切削岩层，井底平面与水平面成Ø 角。
刮刀钻头主要以切削和挤压方式破碎地层，具体方式主要取决于钻头的切削结构及所钻地层的岩性。
由于这几种破岩方式主要要克服岩石的抗剪强度，所以它比克服岩石的抗压强度的破岩方式要容易得多。
5. 牙轮的超顶、移轴和复锥各产生哪个方向的滑动？答：由于牙轮的超顶、移轴、复锥，使牙轮在滚动的同时在井底产生滑动。
超顶和复锥引起沿切线方向滑动，这种作用除了冲击、压碎作用破碎岩石外，还可以剪切掉同一齿圈相邻牙齿破碎坑之间的岩脊；移轴产生轴向方向的滑动，可以剪切掉齿圈之间的岩脊。
6. 金刚石钻头有哪些突出优点？答：（1）是一体性钻头，没有结构薄弱的环节，因而可以使用较高的转速，可以承载较大的侧向载荷而不发生井下事故，（2）金刚石钻头在正确使用的情况下，耐磨且寿命长，适合于深井及研磨性地层。
（3）在高温下，牙轮密封易失效，金刚石钻头则不会出现此问题。
（4）金刚石钻头不受空间尺寸的限制，适合于小井岩钻井。
（5）在钻牙受限的情况下可以使用金刚石钻头。
（6）结构设计制造比较灵活，生产设备简单，能满足非标的需要。
（7）PDC 钻头是一种切削型钻头，实践表明在适应地层可以取得很高的经济效益。
（8）由于热稳定性的限制，必须保证充分的冲洗和冷却。
（9）金刚石钻头抗载荷、抗冲击能力较差，使用时必须岩严格的规程。
7. 金刚石钻头的工作原理？答：由于岩石性能技工条件的复杂性至今没有统一结论，但是可以归纳以下几点：（1）在钻遇硬地层时，在钻压的作用下压入岩石，使接触岩石呈现极高的应力状态而使岩石呈现塑性。
钻井工具讲义
z zzzzzz zzzz z zzzzz zzz钻铤z注明钻铤的各部尺寸， 包括类型、外径，内孔，长 度、扣型、是否带卡瓦槽和 吊卡槽、耐磨带等信息。
z订购说明 购说明转换接头z转换接头分为A、B、C、D四类。
订购时需注明扣型 长度 内外径尺寸 订购时需注明扣型、长度、内外径尺寸。
石油钻杆螺纹z z z z内平扣，用IF表示； 贯眼扣 用FH表示； 贯眼扣，用 表示 正规扣，用REG表示。
数字扣 用NC表示 数字扣，用石油钻杆螺纹z应力槽应力槽的加工是可选的 ，内螺纹加工后孔式应力槽石油钻杆螺纹z冷滚压加工对钻柱螺纹根部和应力槽进行冷滚压加工，使工作的表面留有残留的 压应力，提高工件的表面粗糙度，提高抗疲破坏的能力。
冷滚压设备滚压后金相片×100滚压前金相片×100稳定器（扶正器）三螺旋整体稳定器 可换套稳定器直四棱整体稳定器 HF3000稳定器套 非旋转稳定器 可换套稳定器稳定器（扶正器）中软地层层 层软地层硬和研磨地层z滚轮铰孔器减震器z减震器安装钻头的上面，利 用减震器里的减震元件 来吸收钻进时的冲击振 动载荷 以提高钻井速 动载荷，以提高钻井速 度，保护钻具。
z z z z蝶簧减震器以蝶簧作为减震元件液压减震器硅油作为减震元件单向减震器 双向减震器减震器z单向减震器单向减震器对纵向的冲击载荷起减震作用。
z双向减震器双向减震器不仅能吸收纵向振动载荷还能吸收由扭矩产生的振动 和冲击载荷。
钻具止回阀z钻具止回阀钻具止回阀是一种内防喷器，是用来防止高压油气 从钻具的水眼中喷出。
泥浆能够从止回阀的上部流向 下部，但不能倒流。
常见有箭形回压阀、浮阀、投入止回阀 订购时需注明种类、外径或扣型和最大使用压力。
最大使用压力分为35MPa和70MPa 。
zzzzzz方钻杆旋塞阀zzzzzzzzzzzzz zz zz zzzz z zzzzz。
钻井习题
钻井工程理论与技术第一章1．简述地下各种压力的基本概念及上覆岩层压力、地层空隙压力和基岩应力三者之间的关系静液压力——自身的重力所引起的压力. 其大小与液体的密度与液柱的垂直高度成正比。
h=0.00981ρH上覆岩层压力—地层某处的上覆岩层压力是该处以上地层（包括岩石基质和岩石孔隙中流体）总重力所产生的压力。
地层压力—指岩石孔隙中的流体所具有的压力，也称地层孔隙压力，用pp 表示。
基岩应力—由岩石颗粒间相互接触支撑的那一部分上覆岩层压力，称为基岩应力，亦称有效上覆岩层压力、骨架应力或颗粒间压力，用σ表示上覆岩层压力由岩石骨架和孔隙中的流体共同承担，因此上覆岩层压力、地层压力和基岩应力之间存在以下关系：Po =σ+Pp。
po一定时，σ减小，pp增大，σ→0，pp → po。
所以，地层的孔隙压力增大，基岩应力必然减小2．简述地层沉积欠压实产生异常高压的机理在地层被不渗透的围栅包围，流体被圈闭在地层的孔隙空间内不能自由流通（称之为水力学封闭系统）的条件下，随着地层的不断沉积，上覆岩层压力逐渐增大，而圈闭在地层孔隙内的流体排不出去，必然承受部分上覆岩层重力。
结果是地层流体压力升高，地层得不到正常压实，孔隙度相对增大，岩石密度相对减小，基岩应力相对降低。
这种作用称为欠压实作用3．简述在正常压实的地层中岩石的密度、强度、空隙度、声波时差和dc指数随井深变化的规律。
4．解释地层破裂压力的概念，怎样根据液压实验曲线确定地层破裂压力。
某深度处地层破裂时所能承受的液体压力称为该处地层的破裂压力，用Pf表示。
它取决于井眼周围岩石的应力状态和岩石强度。
5．某井井深2000m，地层压力25MPa，求地层压力当量密度。
6．某井垂深2500m，井内钻井液密度为1.18g/cm3，若地层压力为27.5MPa，求井底压差。
7．某井井深3200m，产层压力为23.1MPa，求产层的地层压力梯度。
8．某井钻至2500m，钻进时所用的钻头直径为215mm，钻压160kN，钻速110r/min，机械钻速7.3m/h，钻井液密度1.28g/cm3，正常条件下钻井液密度为1.07g/cm3，求d和dc指数。
钻井工程课后题答案
P87、式（2-3）
（2）中性点位置： L N
P88、式（2-7）
（3）中性点所在井深： Dv LN 1500 124.86 1375.14(m)
34、某井用 121/4in 钻头钻至 3500m，试进行钻柱设计。
1 3 已知：钻头直径 d b 12 / 4 in ，井深 D 3500m ；钻井液密度 d 1.23 g / cm ；
d 1.23 1 0.842 7.8 s
P87、式（2-3） P92、式（2-12）
取安全系数 S N 1.20 则钻铤长度： Lc
S N W 1.20 200 100.21(m) 27(m) q c k B cos 2.860 0.842 cos 6
则井深 2000m 处，地层压力 35.0MPa，对应的钻井液密度为：
h p
பைடு நூலகம்
pp 0.00981D
35.0 1.784( g / cm 3 ) 0.00981 2000
③钻开油层时，1000m 处的静液柱压力：
p h 0.00981 h D 0.0091 1.784 1000 17.50( MPa)
钻压 W 200kN ；拉力余量 MOP 450kN ；安全系数 S t 1.30 ； 卡瓦长度 Ls 406.4mm ；正常润滑；井斜角 6 。 库存钻具： 9in 钻铤（ q c 2860 N / m ）27m；7in 钻铤（ q c 1632 N / m ）81m；
8、 某井钻至 2500m， 钻头 D＝215mm， 钻压 W＝160KN， 钻速 n＝110r/min， 机械钻速 7.3m/h， 钻井液密度 1.28 g/cm3，正常条件下钻井液密度 1.07 g/cm3，求 d 和 dc 指数。 解：据 P15、式（1-16） 、式（1-17）
简述钻柱的主要功用
钻柱的主要功用1. 引导和支撑钻井作业钻柱是一种用于引导和支撑钻井作业的工具。
在油气勘探和开发过程中，通过钻井作业将钻头沿着井孔逐渐向地下深入，以获取地质信息、采集样品或开采油气资源。
钻柱作为连接钻头和地面设备的重要组成部分，具有以下几个主要功用：a. 传递扭矩和推力钻柱能够传递地面设备所提供的旋转扭矩和推力到钻头，实现对地层的切削和进给。
在旋转时，通过旋转传动装置将旋转动力传递给钻柱，使其带动钻头进行切削；而在进给时，则通过推进装置将推力传递给钻柱，使其向下推进。
b. 支撑井壁钻柱与井壁之间形成一定的间隙，并通过润滑剂来减小与井壁的摩擦。
这种设计可以使得钻柱在旋转和进给过程中能够顺利地穿过井壁，并支撑起井壁，防止井壁塌陷。
c. 传递泥浆和工具钻柱内部通道可以传递泥浆和各种工具。
泥浆是钻井过程中的重要介质，它通过钻柱的内部通道进入钻头，冲刷并带走切削产物，同时冷却和润滑钻头。
钻柱还可以传递各种工具，如测井仪器、录井仪器等，用于获取地质信息或进行其他相关操作。
d. 承受地层压力在钻井作业过程中，地层会对钻柱施加一定的压力。
这些压力包括地层自身的重力、地层岩石的应力以及地层流体的压力等。
钻柱需要具备足够的强度和刚度来承受这些压力，并保证作业的安全进行。
2. 分类和结构根据用途和结构特点的不同，钻柱可以分为不同类型：a. 钢丝绳钻柱钢丝绳钻柱由多股金属丝绳编织而成，其特点是轻便、柔软。
它主要用于浅层钻井作业，如水井钻探、地质勘探等。
由于其柔软性，钢丝绳钻柱在深井作业中的承载能力较低。
b. 钻杆钻柱钻杆钻柱由多节钻杆连接而成，其特点是刚性好、承载能力大。
它主要用于深井油气勘探和开发作业。
在实际应用中，通常会根据作业需求选择合适的材料和连接方式，以提高钻柱的强度和耐腐蚀性能。
c. 钢管钻柱钢管钻柱由多段无缝或焊接的钢管组成，其特点是刚性好、承载能力大、耐腐蚀性能好。
它主要用于特殊环境下的油气勘探和开发作业，如海洋油气勘探、高温高压井等。
钻井工程理论与技术第二章钻进工具钻头(3学时).pptx
（2）滑动剪切作用
牙轮钻头的超顶、复锥和移轴结构，使 牙轮在井底滚动的同时还产生牙齿对井底 的滑动，剪切齿间岩石。
二、牙轮钻头（Roller Bit）
第二章 钻进工具
第一节 钻头 第二节 钻柱
第一节 钻 头
一、概 述 二、牙轮钻头 三、金刚石钻头 四、PDC钻头
一、概 述
1. 钻头分类
按结构及工作原理分
刮刀钻头 牙轮钻头 PDC钻头 金刚石钻头
按功用分
全面钻进钻头 取心钻头 扩眼钻头
一、概 述
2. 钻头尺寸系列
3-3/4 ~ 36 in
3. 钻头性能指标
2. 钻压在1.36~2.7吨/英寸范围内，钻速与所加钻压成正比。一般常用最 佳范围：1.82~2.27吨/英寸。
3. 增加转速，可提高钻速，但轴承和牙齿磨损加快。常用转速范围： 55rpm~110rpm。
4. 在排量满足携带岩屑要求的前提下，尽可能提高泵压，以充分利用 高压水射流的破岩作用，提高钻速。
（二）金刚石钻头结构
冠部
胎体
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
保径
排
削刃等部分组成。
屑 槽
金刚石
钢体
水槽
水眼
胎体
接头 钢体 金刚石
三、金刚石钻头（Diamond Bit）
（二）金刚石钻头结构
1. 钻头冠部形状
a．双锥阶梯形； b．双锥形； c．“B”形； d．脊圈式“B” 形
钻柱(Drill String)
（6）扭转振动（Torsiona1 vibration） 当井底对钻头旋转的阻力不断变化时，会引 起钻柱的扭转振动，因而产生交变剪应力。扭转振动和钻头结构、所钻岩石性质是否均匀 一致、钻压及转速等等许多因素有关。特别是使用刮刀钻头钻软硬交错地层时，钻柱的扭 转振动最为严重。 （7）动载（Dynamic 1oads） 起下钻作业中，由于钻柱运动速度的变化会引起纵 向动载，因而在钻柱中产生间歇的纵向应力变化。这主要和操作状况有关。 综上所述，转盘钻井时，钻柱的受力是比较复杂的。但所有这些载荷就性质来讲可分 为不变的和交变的两大类。属于不变应力的有拉应力、压应力和剪应力；而属于交变应力 的有弯曲应力，扭转振动所引起的剪应力以及纵向振动作用所产生的拉应力和压应力。在 整个钻柱长度内，载荷作用的特点是在井口处主要是不变载荷的影响，而靠近井底处主要 是交变负荷的影响。这种交变载荷的作用正是钻柱疲劳破坏的主要原因。 从上述分析也不难看出，钻柱受力严重部位是： （1）钻进时钻柱的下部受力最为严重。固为钻柱同时受到轴向压力、扭矩和弯曲力矩 的作用，更为严重的是自转时存在着剧烈的交变应力循环，以及钻头突然遇阻遇卡，会使 钻柱受到的扭矩大大增加。 （2）钻进时和起下钻时，井口处钻柱受力复杂。起下钻时井口处钻柱受到最大拉力， 如果起下钻时猛提、猛刹，会使井口处钻柱受到的轴向拉力大大增加。钻进时，井口处钻 柱所受拉力和扭力都最大，受力情况也比较严重。 （3）由于地层岩性变化、钻头的冲击和纵向振动等因素的存在，使得钻压不均匀，因 而使中和点位置上下移动。这样，在中和点附近的钻柱就受到交变载荷作用。 总的来说，为了完成正常钻进、起下钻及其他工艺操作，根据上述的受力状况，钻柱 所有部分都必须有足够强度，以承受各种可能的载荷，同时，要保证建立所需的钻压，钻 柱的循环阻力要小，密封性要好，并且钻柱的重量应尽可能轻，以实现经济的合理性。
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Fy 0.1 y Ap
Fp 0.9Fy
Fa F p / S t Fa F p ( y / t ) Fa F p MOP
g
三、钻柱设计
（三）钻杆柱强度设计
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）。
Lc WmaxS N (qc K B cos )
式中: Wmax ─最大钻压,180 kN; S N ─安全系数,取 =1.18; qc ─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： c =180×1.18/1.35×0.85×cos3°=185(m) L 按每根钻铤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 小屈服强度抗拉载荷=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 y t =0.9×1760/1.42=1115.49(kN) Fa1 0.9Fy MOP =0.9×1760-200=1384(kN)
S N —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，一般取 =1.15 ～1.25；
Lc —钻铤长度，m；
qc —每米钻铤在空气中的重力，kN/m；
KB
—浮力系数；
—井斜角度数，直井时， =0°。
三、钻柱设计
（三）钻杆柱强度设计
1. 强度条件
Ft Fa
二、钻柱的工作状态及受力
（二）钻柱的受力分析
2 . 钻柱的轴向力和中性点
（1）自重产生的轴向拉力（井内掏空时）
F
F0 q p L p qc Lc
（2）考虑浮力后的轴向力（井内有钻井液）
qp,Lp
1 d q p L p qc Lc K B F0 Fm s
第二章
钻进工具
第一节 钻头
第二节 钻柱
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
一、钻柱的作用与组成
（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-Stem Test),又称中途测试。
◆ 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 有的负荷能力下钻更深的井。
三、钻柱设计
（一）钻柱尺寸选择
1. 依据：
（1）钻机的提升能力； （2）井眼尺寸； （3）工艺要求（防斜等）； （4）供货情况。
2. 经验配合关系
钻头直径 mm(in) >299(11 3 4 ) 248~299(9 3 4 ~11 3 4 ) 197~248(7 3 4 ~9 3 4 ) 146~216(5 3 4 ~8
q p1L1K B qc Lc K B Fa1 L1
q p2 L2 K B q p1Lp1K B qc LC K B Fa 2 L2
q p3 L3 K B q p2 L2 K B q p1Lp1K B qc LC K B Fa3 L3
q p4 L4 K B q p3 L3 K B q p2 L2 K B q p1Lp1K B qc LC K B Fa 4 L4
(a)
(b)
(c)
一、钻柱的作用与组成
（二）钻柱组成 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 （3）接头及丝扣
C
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
• • • •
钻铤(Drill Collar) 稳定器(Stabilizer) 接头、配合接头和保护接头(Joint) 其它井下工具： 减震器、震击器、扩眼器、键槽破坏器
一、钻柱的作用与组成
（二）钻柱组成
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.
qc Lc q p1Lp1 Fa 2 L2 q p2 KB qp2
=1413.196/(0.28769×0.856)(1.35×190+0.28469×3675)/0.28469 =1221(m) L1+L2>TD 钻柱总长已超过设计井深。
钻柱组合设计结果
规 范 长度(m) 在空气中重(kN) 在钻井液中重(kN) 钻铤：外径 158.75mm，内径 57.15mm, 190 256.50 218 线重 1.35kN.m 第一段钻杆 外径 127mm 3675 1046.60 895.90 内径 108.60 线重 284.69N/m E 级 第二段钻杆 外径 127mm 1135 323.20 276.70 内径 108.60 线重 284.69N/m X-95 级 合 计 5000 1626.20 1390.60
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:
一、钻柱的作用与组成
（二）钻柱组成
• 方钻杆 (Kelly) • 钻杆 (Drill Pipe)
（1）钢级
代 号 屈服强度，lb/in2 D(55) 55000 E(75) 75000 X(95) 95000 G(105) 105000 S(135) 135000
（2）接头
旧标准 新标准 23/8IF NC26 27/8IF NC31 31/2IF NC38 4IF NC40 4FH NC46 41/2IF NC50
K B 1 d s
（3）正常钻进时的轴向力：
Fw K B q p Lp qc Lc W
qc,Lc
W
二、钻柱的工作状态及受力
（4）中性点 钻柱上轴向力等于零的点(Ｎ点) (亦称中和点，Neutral Point )。
压力
0
拉力
FW
Fm
Fw
qp
qc LN K B W
LN — 中性点距井底的高度，m。
1 2
钻铤外径 mm(in) 203(8) 178~203(7~8) 152~178(6~7) 146(5 3 4 )
钻杆外径 mm（in） 168(6 5 8 ) 140(5 114,127(4 89(3
1 1 1 2 2 2
方钻杆方宽 mm(in) 152(6) 133,152(5
1 4
) ,5)
（1）单一钻杆柱设计
强度条件：
Fa ( Lqp Lc qc ) K B
Fa K B Lc qc qp
最大允许下深： Lmax
三、钻柱设计
（三）钻杆柱强度设计
2. 钻杆柱强度设计 （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。
二、钻柱的工作状态及受力
（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 轴向力 （3）钻井液的浮力 （4）摩擦阻力 （5） 循环压降产生的附加拉力 钻柱受力最严重的部位 （6）起下钻时产生的动载荷 （7）扭距 （8）弯曲应力 1）井口断面—拉力最大，扭距最大； （9）离心力 2）下部受压弯曲部分—交变轴向应力、 （10）外挤力 弯曲应力、扭剪应力 （11）振动产生的交变应力 3）中性点—拉压交变载荷。
（2）抗扭强度较核： M 9.67P n
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.
三、钻柱设计
,6)
1 1 4 4
108,133(4 1 2 ,5 89,108(3
1 2
) )
)
)
,4
三、钻柱设计
（二）钻铤长度的确定
浮重原则：钻铤的浮重不能小于钻压。即保持中性点始终处在钻铤
上，以确保在最大钻压时钻杆不承受压缩载荷。
qc Lc K B cos S NWmax
式中：
Wmax —设计的最大钻压，kN；
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。
N
中性截面
qc