2011-06-07 2011年《油气井工程设备与工具》习题集

2011年《油气井工程设备与工具》习题集第一章绪论第二章石油钻井基本知识1.熟记下列油气井工程基本术语：钻时、水平井、油气井工程、方入、方余、井深、垂深、完井、直井2.顿钻钻井的基本工艺过程：周期地将钻头提到一定的高度向下冲击井底，破碎岩石。

在不断冲击的同时，向井内注水，将岩屑、泥土混成泥浆，等井底泥浆碎块积到一定数量时，便停止冲击，下入捞砂筒捞出岩屑，然后再开始冲击作业。

如此交替进行，加深井眼，直至钻到预定深度为止。

3.旋转钻井的基本工艺过程：利用驱动设备驱动钻头旋转并给钻头施加钻压破碎岩石，利用钻井液取出岩粉，使井眼连续(无间断)加深。

4.旋转钻井方式分类：①地面驱动转盘旋转钻井和顶部驱动马达旋转钻井法②井下动力钻具旋转钻井法。

第三章钻头1.按成因岩石分为哪三类？2.简述沉积岩的结构，说明胶结物的类型与岩石强度的关系。

3.简述层理构造对岩石破碎的影响规律：层理构造使岩石性能(弹性模量、泊松比、强度、可钻性等)具有各向异性，是井斜的重要原因。

4.简述聚晶金刚石复合片(PDC)的结构及特点。

结构：复合片为圆片状，金刚石层厚度一般小于3 mm，切削岩石时作为工作层，碳化钨基体对聚晶金刚石薄层起支撑作用。

特点：①金刚石和硬质合金两种材料的复合材料；②金刚石的耐磨性是硬质合金的300倍以上，在钻进过程中硬质合金磨损量大于金刚石层，金刚石层始终保持一定的出露量，使得整个复合片齿始终保持良好的自锐性。

③聚晶金刚石复合片内含有金属触媒，由于金属触媒的热膨胀系数远大于金刚石的热膨胀系数，复合片急剧受热容易引起热裂；同时因金刚石层与硬质合金的热胀系数存在差异，受热也会造成金刚石的脱层。

因此，复合片的热稳定性差，其耐热温度小于700°。

④金刚石是人类目前已知材料中最硬、抗压强度最高、抗磨损能力最强的材料，脆性大。

金刚石与硬质合金的弹性模量不同，冲击响应频率不同，受冲击载荷作用时，金刚石层受到的冲击不能完全由硬质合金层吸收，容易造成金刚石层发生崩裂，因此抗冲击韧性差，地层适应能力有限。

5. 钻头单位进尺成本的计算公式并说明各参数的含义。

钻头单位进尺成本:式中C pm —单位进尺成本，元/m ；C b —钻头成本，元/只；C r —钻机作业费，元/h ；t—钻头纯钻进时间，h ；t t —起下钻、接单根等辅助时间，h ；H—钻头进尺，m 。

6. 简述圆柱平底压头受垂直载荷作用压入岩石时岩石破碎的发展过程。

①圆柱平底压头受垂直载荷作用压入岩石初期，岩石表面压力在压头周边存在应力极值，随着载荷的增加，压头周边岩石应力首先达到屈服极限而发生塑性破坏。

②压头周边岩石发生塑性变形破坏后，压头向下移动侵入岩石一定深度，载荷变为均布载荷；同时由于压头的移动使得压头周边区域形成拉应力区。

在岩石内部对称轴一定深度处, 剪应力存在最大值。

随着压入力的进一步增加，在压头下方深度为Z m 处，剪应力达到岩石的抗剪强度，此处形成剪应力破坏点。

Ht )t t (C C C r b pm ++=③当载荷继续增加时，在最大剪应力点外侧的产生微裂纹。

这些微裂纹发展贯穿周围的岩石达到自由面，在压实核作用下形成大面积崩裂，最终形成岩石破碎坑。

7.岩石破碎分为哪三个阶段？为什么钻井过程中钻压要大于门限钻压？岩石破碎三个阶段：①裂纹发展阶段(塑性变形阶段)；②压实体形成阶段(局部破碎阶段)；③岩石崩切阶段(大体积破碎阶段)。

在裂纹发展阶段，仅在岩石内部形成裂纹；在压实体形成阶段，仅仅压头下部岩石发生破坏，破碎体积很小；只有在崩切阶段才产生大体积破碎，破岩效果好。

从岩石破碎三阶段看出，为获得好的破岩效果，必须使压头所受的压力超过岩石产生体积破坏所需要的载荷。

对钻头来讲，所有牙齿所受压力总和即为钻头钻压。

根据压头破岩过程分析，钻头要取得良好的破岩效果必须使每个钻头牙齿所受的压力超过岩石产生体积破坏所需载荷，也即钻头钻压存在最小值。

使钻头牙齿以体积破碎状态破碎岩石的最小钻压值称为门限钻压。

因此，钻井过程中钻压要大于门限钻压。

8.石油钻井常用破碎岩石的基本方式。

9.论述钻井参数对机械钻速的影响规律。

10.钻头破岩齿对材料性能的要求。

①良好的机械力学性能：良好的硬度、强度、韧性。

②良好的耐磨性：能抵御岩石的磨损。

11.用于破碎岩石的材料目前主要有：硬质合金、单晶和聚晶金刚石。

12.破碎岩石的齿有4类：硬质合金齿、单晶金刚石齿、热稳定性聚晶金刚石齿和聚晶金刚石复合片。

13.简述牙轮钻头的类型？牙轮钻头按牙齿的固定方式可分为镶齿和铣齿两类；按轴承类型分为：滚动轴承和滑动轴承两类；按密封类型分为：橡胶密封和金属密封两类。

14.牙轮钻头储油润滑密封系统的作用？①为轴承系统提供润滑油；②防止钻井液进入轴承内腔。

15.钻头喷嘴（水眼）的作用？①钻井液流出钻头射向井底的通道；②通过调整喷嘴的数量和尺寸，调节钻头压降，实现喷射钻井；③通过合理调节喷嘴的空间位置，有效清洗牙轮和井底岩粉。

16.何谓牙轮钻头牙齿的公转与自转？牙轮钻头依靠牙齿破碎岩石，牙轮钻头工作时，固定在牙轮上的牙齿随钻头一起绕钻头轴线作顺时针方向的旋转运动，这种运动称作公转。

钻头工作时，牙齿绕牙轮轴线作逆时针方向的旋转称为自转。

17.牙轮钻头牙齿冲击破碎岩石作用是怎样形成的？钻头工作时，牙轮滚动，牙齿与井底的接触是单齿、双齿交错进行的。

单齿接触井底时，牙轮中心上升并达到最高位置；双齿接触井底时，牙轮中心下降。

牙轮在滚动过程中，牙轮中心的位置不断上下交换，使钻头沿轴向作上下往复运动，这就是钻头的纵向振动。

钻头的纵向振动使牙齿对井底岩石产生冲击力，以冲击方式破碎岩石。

在纵向上还有由于井底不平和有凸台所引起的低频率、振幅较大的振动。

钻头在井底的纵向振动，使钻柱不断压缩与伸张，下部钻柱把这种周期性变化的弹性变形能通过钻头牙齿转化为对地层的冲击作用力用以破碎岩石，与静载压入力一起形成了钻头对地层岩石的冲击、压碎作用。

18.牙轮钻头的剪切破岩作用是怎样形成的？有什么作用？牙轮钻头的剪切作用主要是通过牙轮在井底滚动的同时还产生牙齿对井底的滑动实现的，产生滑动的原因是由牙轮钻头的超顶、复锥和移轴三种结构特点引起的。

超顶和复锥所引起的切线方向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；移轴则在轴向产生滑动和切削地层的作用，它可以剪切掉齿圈之间的岩石19.综述牙轮钻头的特点？优点：①冲击和剪切双重作用破岩，既有牙齿的冲击又有滑动引起的剪切，破岩效率高。

②适应地层范围广，适合在所有地层中钻进。

③钻头自洗效果好，不容易泥包。

④钻头成本较低。

缺点：①由于轴承的寿命和牙齿耐磨性的限制，钻头寿命相对较低；②由于存在薄弱环节（如轴承密封与锁紧部位），经常会造成牙轮脱落，造成钻井事故；③由于轴承在高转速下寿命较低，因此牙轮钻头不适合高转速，一般适合在200转/分以下。

④在高温条件下，钻头密封和润滑系统容易损坏，因而不适合高温地层。

⑤在小井眼中由于牙轮尺寸受到限制，寿命很低，因此不适合小井眼钻井。

⑥所需钻压相对较高，不适合在易斜地层使用。

20.金刚石钻头的定义？包括哪几种？以金刚石类材料为切削齿的钻头统称为金刚石钻头。

按照金刚石种类的不同，将金刚石钻头分为四类：①聚晶金刚石复合片（PDC）钻头②热稳定聚晶金刚石钻头（TSP）③表镶金刚石钻头④孕镶金刚石钻头21.钻头切削齿对材料性能有哪些要求？1）良好的机械力学性能。

破岩需要良好的硬度、强度、韧性。

2）耐磨性。

抵御岩石的磨损。

22.金刚石类材料的特点？优点：硬、耐磨缺点：①脆性较大，遇到冲击载荷会引起破裂。

②热稳定性较差。

在空气中，金刚石会燃烧变为二氧化碳和一氧化碳；在惰性或还原性气体中，温度达到1430°C时，金刚石晶体会出现同素异形转换变成石墨；对于聚晶金刚石复合片，由于其内部含有部分热膨胀系数远大于金刚石的热膨胀系数的金属触媒，急剧受热容易引起热裂。

23.什么是热稳定性聚晶金刚石？将聚晶金刚石中的金属粘结剂用酸去除，使聚晶金刚石的耐温性大大提高，耐热温度达到1150°。

24.PDC钻头切削结构的基本参数包括那些？25.PDC钻头冠部高度系数的定义？26.综述PDC钻头的特点？优点：1）以剪切方式破岩，在软至中硬均质地层中破岩效率高，机械钻速高；2）具有自锐性，能始终保持较高的机械钻速；3）PDC钻头切削齿耐磨性高，钻头寿命长；4）所需钻压较低，钻柱负荷小；在吊打情况下能保持较高的钻井速度；5）适应较高的转速（可达400转/分），有利于提高钻井速度；同时适合配合动力钻具使用；6）PDC钻头结构牢固，没有活动部件和易损件，有利于防止钻井事故；7）不受井眼尺寸的限制，适合在小井眼中应用；8）不受地层温度的影响，是高温地层钻进的首选。

缺点：1）PDC齿抗冲击韧性较差，不适合在破碎、软硬变换频繁以及硬地层中使用，地层使用范围受到限制；2）复合片热稳定性较差，需要良好的冷却；3）对钻头水力结构要求较高，水力结构设计不合理钻头会发生泥包；4）钻头成本较高。

27.某一型号PDC成本10万元，钻头钻进1500米后报废，此钻头纯钻时间100小时，辅助钻进时间100小时，钻机日费4.8万元，计算该钻头的平均机械钻速和单位进尺成本？28.简述钻头类型的选择方法？29.一只五刮刀8-1/2″PDC钻头，钻头喷嘴数量5只。

已知钻头喷嘴的总过流面积为568mm2。

其中4只喷嘴的直径为3只Ф12mm、1只Ф13mm，求另一只喷嘴的直径。

30.镶齿牙轮钻头切削齿的结构参数有哪些？（齿高、齿宽、齿距和齿形）31.在铣齿牙轮钻头牙齿表面堆焊硬质合金材料的目的是什么？32.镶齿牙轮钻头牙齿的齿形主要有哪些？（球形、楔形、圆锥形、勺形）33.喷嘴的空间结构参数有哪些？（空间分布、喷距、喷射角度）34.牙轮钻头的水力结构包括哪些部分？（喷嘴的数量、尺寸形状、空间结构参数组成牙轮钻头水力结构）35.两牙轮钻头与三牙轮钻头比较，机械钻速提高的原因？36.PDC钻头的结构参数包括哪两大部分？（切削结构、水力结构）37.为什么PDC钻头的冠部形状对钻头性能有重要影响？（四个方面）38.PDC钻头切削齿空间结构参数是什么？39.为什么PDC钻头切削齿切削角度对PDC钻头的破岩效率有重要影响？40.单晶金刚石钻头按切削齿的固定方法分为哪两种形式？（孕镶、表镶）41.何为局部扩眼？(将裸眼井段的的某一部分井径扩大)第四章钻柱系统1.钻柱在钻井过程中的主要作用是什么？(1)为钻井液由井口流向钻头提供通道；(2)给钻头施加适当的压力(钻压)；(3)把地面动力(扭矩等)传递给钻头；(4)起下钻头；(5)根据钻柱的长度计算井深。