钻杆钻具的应用现状及研发趋势
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第三届油气管道非Biblioteka Baidu挖技术交流大会
Trenchless Technology Exchange Conference of Oil and Gas Pipeline, 2017
YANGZHOU CHINA 2017.09
中国·扬州
钻杆钻具的应用现状及研发趋势
第三届油气管道非开挖技术交流大会
Trenchless Technology Exchange Conference of Oil and Gas Pipeline, 2017
Trenchless Technology Exchange Conference of Oil and Gas Pipeline, 2017
YANGZHOU CHINA 2017.09
中国·扬州
第三届油气管道非开挖技术交流大会
三、钻杆钻具研发趋势分析 1、钻杆研发趋势分析
5）新型钻杆的研发和应用 c）智能钻杆——智能信息传递 d）双壁钻杆 由内、外两层钻杆(称内管和外管) 所组成。内、外管之问构成环隙, 是水力输岩钻进、中心取样钻进 时,向孔底泵送冲洗介质的通道。
YANGZHOU CHINA 2017.09
中国·扬州
二、钻杆钻具应用存在的问题及原因分析 1、钻杆应用存在的问题及原因分析
钻杆的主要失效方式有以下几种： • 1）杆体失效：杆体断裂、杆体弯曲变形
第三届油气管道非开挖技术交流大会
Trenchless Technology Exchange Conference of Oil and Gas Pipeline, 2017
钻杆的主要失效方式有以下几种： • 1）本体断裂
由于受力情况复杂导致应力集中、本体材质疲劳，钻具本体断裂失效。
第三届油气管道非开挖技术交流大会
Trenchless Technology Exchange Conference of Oil and Gas Pipeline, 2017
YANGZHOU CHINA 2017.09
2）外径不断增大
5-1/2" → 6-5/8" → 7-5/8" → 8-3/4" → 9-7/8" → 11-3/4"
国内研制 国外研制
9-7/8”钻杆
第三届油气管道非开挖技术交流大会
三、钻杆钻具研发趋势分析 1、钻杆研发趋势分析
3）壁厚不断增大
Trenchless Technology Exchange Conference of Oil and Gas Pipeline, 2017
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二、钻杆钻具应用存在的问题及原因分析 2、钻具应用存在的问题及原因分析
钻杆的主要失效方式有以下几种： • 2）切削体失效
切削环磨损脱落
牙轮脱落
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Trenchless Technology Exchange Conference of Oil and Gas Pipeline, 2017
第三届油气管道非开挖技术交流大会
三、钻杆钻具研发趋势分析 1、钻杆研发趋势分析
1）钢级不断提高
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G105→S135 → V150 → UH165
• 交变弯曲力矩——弯曲力矩的产生是因钻杆受力产生弯曲变形，钻杆
绕自身轴线旋转的同时绕一定轴线公转，则会产生交变弯曲应力。 • 扭矩——钻杆切入土壤的功率是由动力头通过钻杆传递给定向钻头的，
由于钻杆与孔壁和泥浆有摩擦阻力，因此钻杆所承受的扭矩，钻杆尾
部比钻杆头部大。
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二、钻杆钻具应用存在的问题及原因分析 2、钻具应用存在的问题及原因分析
钻杆的主要失效方式有以下几种： • 2）切削体失效 导致切削体失效的原因有： a）钻具选型与地层不匹配，硬岩、粗砂层的钻具快速磨损； b）孔洞中切屑携带不充分，岩屑床导致钻具过度磨损； c）孔洞的角度突变，钻柱的过度弯曲，导致钻具变形或断裂； d）钻具有效中心定位不好，导致刀头（牙轮）偏磨导致钻具加速磨 损，乃至刀头（牙轮）脱落； e）钻具自重大，不仅增加与地层的摩擦，还增大了钻具下切力度,导 致钻具受力不均。
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二、钻杆钻具应用存在的问题及原因分析 2、钻具应用存在的问题及原因分析
钻杆的主要失效方式有以下几种： • 2）接头失效：台肩失效、接头断裂、螺纹变形
第三届油气管道非开挖技术交流大会
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3）双级（双向）扩孔器研发
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a) 双级扩孔器——提高扩孔效率 b) 双向扩孔器——克服岩屑床， 便于回退钻具
二、钻杆钻具应用存在的问题及原因分析 1、钻杆应用存在的问题及原因分析
钻杆台肩/螺纹失效的原因： a）钻杆扭矩过大，直接导致母扣筒体产生裂纹； b）钻杆大扭矩、推拉力及弯曲扭矩的组合影响，导致螺纹产生挤压变形、粘扣。
• 3）杆体/接头的整体磨损
需定期对钻杆进行壁厚检测，将过度磨损的钻杆降级使用或报废。
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二、钻杆钻具应用存在的问题及原因分析 1、钻杆应用存在的问题及原因分析 原因：
a）推/拉力、弯曲及旋转力 矩的复合作用下，杆体的局 部复合应力大于许用应力， 导致形变、断裂现象；
b）杆体局部的微小裂纹，
由于自转及公转的重复复杂 受力，以及钻柱的振动等，
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三、钻杆钻具研发趋势分析 2、钻具研发趋势分析
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4）浮筒扩孔器设计——有效抵消钻具自重导致的沉降，保证孔洞的同轴 度
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三、钻杆钻具研发趋势分析 2、钻具研发趋势分析
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一、钻杆钻具应用现状 2、钻杆钻具应用现状
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施工过程中，钻杆钻具承受的压/拉力、扭矩、弯矩均较大，各种载 荷（交变）同时发生。 当复合载荷或交变载荷超过限值，经过长时间运转，加之钻杆钻具的
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三、钻杆钻具研发趋势分析 2、钻具研发趋势分析
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三、钻杆钻具研发趋势分析 1、钻杆研发趋势分析
5）新型钻杆的研发和应用 b）碳纤维复合钻杆 – 杆体：碳素纤维复合材料，钢制接头 • 优点： – 重量轻 – 较高的强度/重量比 – 耐腐蚀性能好 – 高抗疲劳能力 – 非磁性 • 缺点: – 成本高
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三、钻杆钻具研发趋势分析 1、钻杆研发趋势分析
5）新型钻杆的研发和应用 a）铝合金钻杆 – 杆体为加厚的铝合金材料，钢制接头 • 优点： – 重量轻(比重2.78) – 耐腐蚀性好 – 高抗疲劳能力 – 非磁性 • 缺点： – 强度低, 低强度/重量比。 – 水力性能和效率低（由于管体壁厚大，内径小）
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目
录
一、钻杆钻具的应用现状 二、钻杆钻具应用存在的问题及原因分析 三、钻杆钻具研发趋势分析
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一、钻杆钻具应用现状 1、定向钻穿越发展现状
• 各项技术日趋成熟 导向孔对接穿越技术； 夯套管隔离技术； 硬岩穿越技术； 泥浆配制技术； 对扩技术； 推管机、曲线顶管的结合应用 • 穿越管径不断增大 24“→40”→48“ →56”及以上 • 穿越距离不断增加 2308m →2454m →3300m →5km及以上
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1）轻量化设计——旨在降低钻具钻柱对地层的压力，降阻增效
a) 采用高强材质 b) 优化结构
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三、钻杆钻具研发趋势分析 2、钻具研发趋势分析
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2）延长寿命设计——重点提高岩石扩孔用牙轮的寿命，提高扩孔效率
a) 结构优化 b) 提高牙轮轴承的寿命（100小时以上），增加防脱设计 c) 增加切削刀头等关键部位的耐磨性
第三届油气管道非开挖技术交流大会
三、钻杆钻具研发趋势分析 2、钻具研发趋势分析
磨损等其他因素的作用，钻杆钻具就会产生失效。
由于穿越长度增加、穿越管径增大、穿越地质更趋复杂等施工特点， 定向钻穿越的钻杆钻具的施工工况更为恶劣，对钻杆钻具的应用提出
了更高的要求。
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F1422mm穿越
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一、钻杆钻具应用现状 2、钻杆钻具应用现状
钻杆钻具在施工过程中的主要受力分以下三种：
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• 轴向力———右头的顶力用于克服切削过程中导向板上受到的各种切 削阻力，钻头前端形成轴向阻力以及土壤与钻头惯性力产生的动压力， 钻杆与孔壁的摩擦力。
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9.17mm → 9.19mm →10.54mm →10.92mm →19.05mm
4）扣型升级 扣型主要升级路径：常规螺纹→双台肩→ BHDX超高抗扭螺纹
• 目前，管道局已研制并成功应用双台肩扣型的7-5/8”S135钻杆，解决
了大扭矩及粘扣问题。已成功研制9-7/8”钻杆，用于1422mm以上管 径定向钻施工。
裂纹在反复的受力过程中扩
张，导致疲劳断裂。
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二、钻杆钻具应用存在的问题及原因分析 1、钻杆应用存在的问题及原因分析
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第三届油气管道非开挖技术交流大会
三、钻杆钻具研发趋势分析 1、钻杆研发趋势分析
5）新型钻杆的研发和应用 c）智能钻杆——智能信息传递 d）双壁钻杆 由内、外两层钻杆(称内管和外管) 所组成。内、外管之问构成环隙, 是水力输岩钻进、中心取样钻进 时,向孔底泵送冲洗介质的通道。
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二、钻杆钻具应用存在的问题及原因分析 1、钻杆应用存在的问题及原因分析
钻杆的主要失效方式有以下几种： • 1）杆体失效：杆体断裂、杆体弯曲变形
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钻杆的主要失效方式有以下几种： • 1）本体断裂
由于受力情况复杂导致应力集中、本体材质疲劳，钻具本体断裂失效。
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2）外径不断增大
5-1/2" → 6-5/8" → 7-5/8" → 8-3/4" → 9-7/8" → 11-3/4"
国内研制 国外研制
9-7/8”钻杆
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三、钻杆钻具研发趋势分析 1、钻杆研发趋势分析
3）壁厚不断增大
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二、钻杆钻具应用存在的问题及原因分析 2、钻具应用存在的问题及原因分析
钻杆的主要失效方式有以下几种： • 2）切削体失效
切削环磨损脱落
牙轮脱落
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三、钻杆钻具研发趋势分析 1、钻杆研发趋势分析
1）钢级不断提高
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G105→S135 → V150 → UH165
• 交变弯曲力矩——弯曲力矩的产生是因钻杆受力产生弯曲变形，钻杆
绕自身轴线旋转的同时绕一定轴线公转，则会产生交变弯曲应力。 • 扭矩——钻杆切入土壤的功率是由动力头通过钻杆传递给定向钻头的，
由于钻杆与孔壁和泥浆有摩擦阻力，因此钻杆所承受的扭矩，钻杆尾
部比钻杆头部大。
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二、钻杆钻具应用存在的问题及原因分析 2、钻具应用存在的问题及原因分析
钻杆的主要失效方式有以下几种： • 2）切削体失效 导致切削体失效的原因有： a）钻具选型与地层不匹配，硬岩、粗砂层的钻具快速磨损； b）孔洞中切屑携带不充分，岩屑床导致钻具过度磨损； c）孔洞的角度突变，钻柱的过度弯曲，导致钻具变形或断裂； d）钻具有效中心定位不好，导致刀头（牙轮）偏磨导致钻具加速磨 损，乃至刀头（牙轮）脱落； e）钻具自重大，不仅增加与地层的摩擦，还增大了钻具下切力度,导 致钻具受力不均。
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二、钻杆钻具应用存在的问题及原因分析 2、钻具应用存在的问题及原因分析
钻杆的主要失效方式有以下几种： • 2）接头失效：台肩失效、接头断裂、螺纹变形
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3）双级（双向）扩孔器研发
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a) 双级扩孔器——提高扩孔效率 b) 双向扩孔器——克服岩屑床， 便于回退钻具
二、钻杆钻具应用存在的问题及原因分析 1、钻杆应用存在的问题及原因分析
钻杆台肩/螺纹失效的原因： a）钻杆扭矩过大，直接导致母扣筒体产生裂纹； b）钻杆大扭矩、推拉力及弯曲扭矩的组合影响，导致螺纹产生挤压变形、粘扣。
• 3）杆体/接头的整体磨损
需定期对钻杆进行壁厚检测，将过度磨损的钻杆降级使用或报废。
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二、钻杆钻具应用存在的问题及原因分析 1、钻杆应用存在的问题及原因分析 原因：
a）推/拉力、弯曲及旋转力 矩的复合作用下，杆体的局 部复合应力大于许用应力， 导致形变、断裂现象；
b）杆体局部的微小裂纹，
由于自转及公转的重复复杂 受力，以及钻柱的振动等，
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4）浮筒扩孔器设计——有效抵消钻具自重导致的沉降，保证孔洞的同轴 度
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三、钻杆钻具研发趋势分析 2、钻具研发趋势分析
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一、钻杆钻具应用现状 2、钻杆钻具应用现状
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施工过程中，钻杆钻具承受的压/拉力、扭矩、弯矩均较大，各种载 荷（交变）同时发生。 当复合载荷或交变载荷超过限值，经过长时间运转，加之钻杆钻具的
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三、钻杆钻具研发趋势分析 2、钻具研发趋势分析
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三、钻杆钻具研发趋势分析 1、钻杆研发趋势分析
5）新型钻杆的研发和应用 b）碳纤维复合钻杆 – 杆体：碳素纤维复合材料，钢制接头 • 优点： – 重量轻 – 较高的强度/重量比 – 耐腐蚀性能好 – 高抗疲劳能力 – 非磁性 • 缺点: – 成本高
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三、钻杆钻具研发趋势分析 1、钻杆研发趋势分析
5）新型钻杆的研发和应用 a）铝合金钻杆 – 杆体为加厚的铝合金材料，钢制接头 • 优点： – 重量轻(比重2.78) – 耐腐蚀性好 – 高抗疲劳能力 – 非磁性 • 缺点： – 强度低, 低强度/重量比。 – 水力性能和效率低（由于管体壁厚大，内径小）
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一、钻杆钻具的应用现状 二、钻杆钻具应用存在的问题及原因分析 三、钻杆钻具研发趋势分析
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一、钻杆钻具应用现状 1、定向钻穿越发展现状
• 各项技术日趋成熟 导向孔对接穿越技术； 夯套管隔离技术； 硬岩穿越技术； 泥浆配制技术； 对扩技术； 推管机、曲线顶管的结合应用 • 穿越管径不断增大 24“→40”→48“ →56”及以上 • 穿越距离不断增加 2308m →2454m →3300m →5km及以上
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1）轻量化设计——旨在降低钻具钻柱对地层的压力，降阻增效
a) 采用高强材质 b) 优化结构
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三、钻杆钻具研发趋势分析 2、钻具研发趋势分析
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2）延长寿命设计——重点提高岩石扩孔用牙轮的寿命，提高扩孔效率
a) 结构优化 b) 提高牙轮轴承的寿命（100小时以上），增加防脱设计 c) 增加切削刀头等关键部位的耐磨性
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三、钻杆钻具研发趋势分析 2、钻具研发趋势分析
磨损等其他因素的作用，钻杆钻具就会产生失效。
由于穿越长度增加、穿越管径增大、穿越地质更趋复杂等施工特点， 定向钻穿越的钻杆钻具的施工工况更为恶劣，对钻杆钻具的应用提出
了更高的要求。
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一、钻杆钻具应用现状 2、钻杆钻具应用现状
钻杆钻具在施工过程中的主要受力分以下三种：
Trenchless Technology Exchange Conference of Oil and Gas Pipeline, 2017
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• 轴向力———右头的顶力用于克服切削过程中导向板上受到的各种切 削阻力，钻头前端形成轴向阻力以及土壤与钻头惯性力产生的动压力， 钻杆与孔壁的摩擦力。
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9.17mm → 9.19mm →10.54mm →10.92mm →19.05mm
4）扣型升级 扣型主要升级路径：常规螺纹→双台肩→ BHDX超高抗扭螺纹
• 目前，管道局已研制并成功应用双台肩扣型的7-5/8”S135钻杆，解决
了大扭矩及粘扣问题。已成功研制9-7/8”钻杆，用于1422mm以上管 径定向钻施工。
裂纹在反复的受力过程中扩
张，导致疲劳断裂。
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二、钻杆钻具应用存在的问题及原因分析 1、钻杆应用存在的问题及原因分析