燕山大学钻井工程 第二章 钻进工具-2-幻灯片

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钻铤低应力脆断
钻杆低应力脆断 （断于焊缝）
钻杆低应力脆断
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三、钻柱的工作状态及受力 （一）钻柱的工作状态
1. 起下钻工况
（1）直井：上下运动或悬吊在井眼内，直的拉伸状态 。 （2）斜井：上下运动或悬吊在井内，随井眼倾斜和弯曲。
2. 正常钻进工况
上部受拉伸，下部受压弯曲；在扭矩作用下做旋转运动。 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。 （注意：有些教材中的多次平面弯曲理论是错误的。）
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（五）PDC钻头分类
第一位字码 钻头体材料 S—钢体 M—胎体 第二位字码 切削齿密度 1—<30 2—30~40 3—40~50 4—>50 第三位字码 切削齿尺寸 1— 24 mm 2—19 mm 3—13.3 mm 4—8 mm 第四位字码 剖面形状 1—平底 2—短锥 3—中锥 4—长锥
统计资料说明，绝大多数钻 柱的损坏有下述几种情况： (1) 钻柱的强度破坏
钻柱的局部或整体的强度不够，造 成变形或断裂。
钻杆接头螺纹部分过量变形
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钻杆弯曲和扭曲
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钻杆过载断裂（断于管体）
钻杆过载断裂 （断于焊缝热影响区）
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(2) 钻柱的疲劳破坏
疲劳破坏是构件在交变应力的长期作用下所发生的破坏。疲劳破 坏有三种形式：纯疲劳、缺口疲劳和腐蚀疲劳。 纯疲劳破坏没有任何可见的先天起因。从受力分析中，我们知道 钻杆承受拉伸、压缩、扭转和弯曲循环应力，但其中拉压的交替作用 是最危险的应力。当钻杆在弯曲井眼中旋转时，弯曲循环应力是造成 疲劳破坏的主要因素。 另外，靠近钻铤部分的钻杆易发生疲劳破坏，因为钻杆的刚度远小于 钻铤，即使是较小的压力也易发生弯曲。钻杆下最大应力常发生在加 厚部位的末端，这是因为接头与加厚部位的刚度大于本体部分，在截 面变化的部位形成了交变应力作用的薄弱环节。这就是多数钻杆的破 坏发生在距接头1.2 m范围以内的原因。
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五、取心钻头（Corn Bit）
取心钻头主要有PDC取心钻头、金刚石取心钻头和牙轮 取心钻头。
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六、冲击钻头（Harmer Bit）
在空气钻井等作业中，用冲击钻头有时具有较高的效率。 它的破岩原理是冲击—砸碎。
冲击钻头
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七、其它钻头
套管钻井钻头
牙轮领眼钻头
冲击钻头
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隧 道 掘 进 机
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第二节 钻柱 Section 2 Drill string
钻柱是指自方钻杆至钻头以上的钻具管串 的总称。钻柱由方钻杆、钻杆、钻铤、接头和 稳定器等钻具组成。在钻井过程中，通过钻柱 把钻头和地面连接起来。
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在钻柱表面造成缺口疲劳破坏的表面损伤有：卡瓦的咬痕 和擦伤、大钳的咬痕、旋扣链钳的咬痕和擦伤、印模记号、橡 胶保护器所造成的沟槽、电弧的灼伤、地层和井下金属碎屑造 成的刻痕。 在井深时，整个钻柱的重量很大，卡瓦在钻杆上的沟槽特 别具有危险性，即使很小心地使用卡瓦，也很难避免。因此在 井深时不使用卡瓦而用吊卡代替。
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
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钻杆 钻铤 接头 钻杆 稳定器
方钻 杆
钻头
接头
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二、钻柱的物理机械性能及钻柱破坏 1. 钻柱的物理机械性能
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PDC尺寸 直径(mm): 8 13 19 24
生产年: 适应地层:
1973 硬
1976 中—中硬
百度文库
1986 软—中
1986 软
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（二）PDC钻头结构
1. 冠部剖面形状
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2. 剖面设计
（1） 内锥（Cone） 内锥的主要作用是抵抗钻头横向力， 防止钻头横移，维持钻头稳定旋转。 一般地，软地层，内锥深一些；硬地 层，内锥浅一些。 （2） 冠顶（Nose） 冠顶是钻头最先吃入地层的部位，而且 总是最先接触地层的变化。 一般地，软地层，冠顶半径小一些，以 提高钻头吃入地层的能力；而硬地层或软硬 交错地层，冠顶半径大一些，以使切削齿受 力较均匀，避免单齿受力过大而先期损坏。
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(3)钻杆的氢脆破坏
在现场实践中发现，金属管材在硫化氢介质中工作一段时间后 突然出现裂缝，发生严重的破坏。这是由于硫化氢的腐蚀和脆化的 结果，这种破坏称为氢脆。防止氢脆可采用防止硫化氢侵入钻井液 与控制腐蚀速度两种措施。 为了防止硫化氢侵入钻井液，应保持一定的钻井液密度，防止 地层流体的侵入。根据井下可能遇到的温度，不采用在此高温下可 能分解的钻井液处理剂；避免使用含硫原油或含硫化物的钻井液添 加剂。 为了控制腐蚀速度，应保证钻井液有较高的pH值，使硫化物处 于非活性状态，以减弱腐蚀作用。常用的方法有在钻具内壁涂以塑 料保护膜；在钻井液中加入缓蚀剂；用化学剂处理钻井液使硫化物 以惰性状态沉淀；用油基钻井液钻井。
碰撞→ 压碎及小剪切→大剪切。 （1）碰撞：刃前岩石发生剪切破碎后，刀刃在旋转扭矩作用下向前推进， 碰 撞刃前岩石。 （2）压碎及小剪切：扭转力增大，压碎刃前岩石，产生小剪切破坏。 （3）大剪切：扭转力继续增大到某一极限值，刃前岩石沿剪切面破碎，而后 扭转力突然减小。
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（四）PDC钻头损坏与分级
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3. 水力结构及切削齿布置
（1）刮刀式 在软地层中，吃入性能好，排 屑能力强，清洗冷却效果好，不易 泥包。 （2）单齿式（散布式） 布齿区域大，布齿密度高，但 排屑能力较差，容易泥包。适合于 较硬地层。 （3）组合式（混合式） 清洗、冷却和排屑能力较好， 布齿密度较高，吃入性能较好。适 合于中到中硬地层。
切削齿磨损等级 磨损 等级 1 2 3 4 相对磨 损高度 13% 25% 36% 50% 磨损 等级 5 6 7 8 相对磨 损高度 63% 75% 83% 100%
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I 1/16 1/8 3/16 1/4
原直径 直径缩小1/16in 直径缩小1/8in 直径缩小3/16in 直径缩小1/4in
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（六）PDC钻头的正确使用
1. 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，适合高转速的涡轮钻井。
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（二）钻柱组成
方钻杆 (Square Kelly) 钻杆 (Drill Pipe)
（1）钢级
代 号 D(55) E(75) X(95) G(105) S(135)
屈服强度，lb/in2 55000 75000 95000 105000 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
四、PDC钻头 （Polycrystalline Diamond Compact Bit）
钢体PDC钻头
胎体PDC钻头
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（一）聚晶金刚石复合片（PDC）
主要特性
1. 极高的硬度、抗压强度和耐磨性; 2. 良好的自锐性，保持切削刃锋锐； 3. 钴的热膨胀使复合片具有热敏性。 350℃左右，磨损速度显著加快； 700 ℃左右，强度失效； 4. 抗冲击韧性比天然金刚石好，比硬质合金差，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。 5. 耐磨性和抗冲击性能与金刚石颗粒大小有关。金刚石颗粒较大，耐冲击 性较好，但耐磨性较低；金刚石颗粒较小，耐冲击性较差，而耐磨性较 好。
(1) 钻柱的材质
钻柱的各个组成部分均由优质合金钢或优质铝合金制造。在 API标准中，规定钻杆的钢级有D级、E级、95（X）级、105（G）级 和135（S）级共五种。其中X级、G级和S级钻杆为高强度钻杆；钻铤 和方钻杆的钢级为AISI4145和AISI4150，其机械物理性能见有关手 册或API公报。
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周向布置
径向布置
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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10°-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
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(2) 钻柱的物理机械性能
钻杆的强度数据主要包括钻杆外径、壁厚、名义重量、材质、 扭力屈服强度、按最小屈服强度计算的最小抗拉力、最小抗挤压力、 抗内压力等；钻铤规范数据主要包括外径、内径、长度、质量、紧 扣扭矩等。具体数据请查阅有关册或API公报。
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2. 钻柱的破坏
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（3） 外锥或侧翼（Taper or Flank） 分直线和曲线两种。对钻头旋转起稳定作用，其长度受布齿密度控制。 较硬地层，需要较多切削齿，外锥应长一些；较软地层，外锥可短一些。提 高布齿密度的另外一种方法是增加刀翼数量。 （4） 肩部（Shoulder） 肩部是从侧翼向保径过渡的部位。它是钻头冠部旋转半径最大的部位， 在同一旋转速度下，经历的路程最长，磨损也就最严重。由于钻头的振动 （横振、涡动、扭转振动），该部位切削齿往往承受较大的冲击载荷，容易 碎裂。 （5）保径（Gauge）：60~70mm
钻杆内壁腐蚀
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钻杆应力腐蚀开裂
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根据以往大量的实践经验，为了减少钻杆的疲劳破坏，可以采 取的措施是：保证钻杆经常处于拉伸状态，使钻铤在钻井液中的重 量大于最大钻压；采用减振器来避免钻柱的振动损伤和降低钻柱工 作时的交变应力；在钻杆负荷大的井段、弯曲井段，采用厚壁钻杆 以降低这些工作段钻杆内的应力,延长整段钻柱的使用寿命；经常检 查起下钻操作工具(吊钳、卡瓦)的工作状态是否完好，注意防止在 钻杆上造成伤痕；控制钻井液对钻杆的腐蚀，可以在钻杆内表面涂 以塑料树脂等保护层；储存钻杆时，应用淡水充分冲洗钻杆接头的 内外表面，以清除各种盐类和腐蚀物质，并用防锈化合物涂抹螺纹 和接头台肩面；定期检查并排除有裂纹或壁厚变薄的钻杆，分别进 行处理。
一、钻柱的作用与组成 二、钻柱的物理机械性能及钻柱破坏 三、钻柱的工作状态与受力分析 四、钻柱设计
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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； (7)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。
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5. PDC钻头的防涡动设计
由于PDC钻头的齿是PDC片粘在碳化钨齿上的，它的切削就有严 格的方向性。当它沿相反方向运动时，就会使PDC片崩裂。钻井过程 中，PDC钻头的涡动，可以使牙齿倒行，并破坏。
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（三）PDC钻头破岩机理
切削（剪切）破碎岩石。
◆ 破碎塑性岩石过程： 在钻压W作用下，刀翼容易吃入地层；刃前岩石在扭转力T 的作用下 不断产生塑性流动。这和车刀切削软金属的过程类似。 ◆ 破碎脆性岩石过程：
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腐蚀疲劳是金属在腐蚀环境中的疲劳，这是钻柱失效的常见原 因。腐蚀一般分为化学腐蚀和电化学腐蚀。化学腐蚀就是指金属表 面与腐蚀介质产生化学作用而引起的腐蚀；电化学腐蚀是指金属与 电解质溶液接触，产生电化学作用引起的腐蚀，其特点是在整个腐 蚀反应中有电流产生。
钻杆内壁腐蚀
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