钻井工程复习资料 石工11-10班
2.功能
确保对整个钻机各个工作机构及其部件的准确、迅速控制，使整机协调一致的工作。
（六）井控系统
1.组成
防喷器组、节流管汇、压井管线以及液、气压控制机构组成。 2.功能
控制井内的压力，防止地层流体无控制地流入井中。
五、钻井八大件（十大件）
天车，游车，大钩，水龙头，转盘，绞车，泥浆泵，井架（柴油机、传动装置）。
第二章 钻进工具
第一节 钻头
一、概述
（一）钻头类型
1.按结构及工作原理分类：刮刀钻头、牙轮钻头、金刚石钻头（天然金刚石钻头、PDC钻头、TSP钻头）。
2.按功用分类：全面钻进钻头、取心钻头、扩眼钻头。 （二）钻头尺寸系列
通常为：常用尺寸：
。
。
（三）工作指标
1.钻头进尺：在钻头寿命内，其钻进的井段长度，单位为m。
2.机械钻速：用钻头的进尺除以纯钻进时间，即单位纯钻时间的钻头进尺，表示钻头破碎岩石的能力和效率，单位为
。
（钻头寿命：在整个使用过程中，钻头在井下的纯钻时间（包括划眼——在已钻出的井眼内旋转送钻、修整井壁的过程），单位为h）
二、刮刀钻头
（一）结构
上钻头体、下钻头体、刀翼（刮刀片）、水眼。 （二）刮刀钻头的工作原理
1.工作原理
刀翼在钻压作用下吃入岩石，并在扭矩作用下剪切 破碎岩石。
2.破岩方式：以刮削、挤压和剪切为主。 3.适用地层：松软－软地层
三、牙轮钻头
（一）结构
牙轮钻头由钻头体、牙爪（巴掌）、牙轮及牙齿、喷嘴、轴承、储油润滑密封系统等部分组成。 1.牙轮：由合金钢经过模锻而成的锥体，锥面铣齿或镶装硬质合金齿，内腔有轴承跑道。 （1）单锥牙轮：主锥+背锥，硬地层。
（2）复锥牙轮（指牙轮由两个或更多锥面的锥体组成）：主锥+副锥+背锥，软到中硬地层。
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2.牙齿：
（1）铣齿（钢齿）——在牙轮锥面上直接铣出，楔形。
（2）镶齿（硬质合金）——镶装在牙轮锥面的齿孔中，有多种齿形适应不同地层。 3.轴承：轴承有大轴承、中轴承、小轴承和止推轴承，共四副。 根据轴承副的结构（主要承载轴承即大轴承），可分为两大类：滚动轴承和滑动轴承。 4.储油润滑密封系统（既润滑轴承，又防止钻井液进入轴承） （1）结构：
①储油润滑补偿系统；②密封系统：橡胶密封圈、金属密封圈。 （2）工作原理：
储油压力补偿系统（传压孔、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。
5.几个概念
（1）复锥：指牙轮由两个或更多锥面的锥体组成。 （2）超顶：牙轮的锥顶超过钻头的中心。（复锥产生超顶效果：主锥顶与钻头中心重合， 复锥顶的延伸线是超顶的。）
（3）移轴：牙轮的中心线与钻头的轴线不相交。 6. 牙轮及牙齿的布置方式 （1）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。 （2）牙轮布置方案
①非自洗无滑动布置：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。 （二）牙轮钻头工作原理
1.牙轮钻头在井底的运动
(1)公转：牙轮随钻头绕钻头轴线一起旋转。（顺时针） (2)自转：牙齿绕牙轮轴线作逆时针方向旋转称为自转。
(3)纵向振动：牙轮在滚动过程中，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。） (4)滑动：牙齿相对于井底的滑动，包括径向（轴向）和切向（周向）滑动。 （牙轮滑动对破岩的作用：切向滑动剪切掉同一齿圈牙齿之间的岩石。（复锥、超顶）；轴向滑动剪切掉齿圈之间的岩石。（移轴））
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，破碎牙齿间或齿圈间岩石。
（3）射流的冲蚀作用：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）牙轮钻头的正确使用
1. 根据地层合理选择钻头类型，标准是每米钻进成本最低。 地层较软时：选用牙齿高度大并带有超顶或移轴的钻头；
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地层较硬时：选用牙齿高度小，无超顶或移轴的钻头； 2. 优选钻进参数：钻压、转速、水力参数等。
四、金刚石钻头
（一）金刚石钻头的结构
金刚石钻头为无活动部件的整体式钻头。由钻头体、冠部、水力结构（水眼及水槽、排屑槽）、保径、切削齿组成。
（对于用在研磨性较强地层的钻头都要增强钻头外径部位的耐磨性，这种做法称为保径。保证井径不致缩小的作用。）
1.钻头体和冠部
钻头体为钢质材料体，上部车制丝扣和钻柱连接，下部与冠部胎体烧结在一起。 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。（钢体金刚石钻头－－钻头体与冠部为一整体）
2. 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。 常用水力结构：逼压式水槽，辐射型水槽，辐射型逼压式水槽，螺旋形水槽。 3.金刚石切削齿
（1）金刚石的缺点：① 脆性大，受冲击载荷易碎裂；② 具有热敏性，高温下（450℃以上）石墨化。 （2）金刚石的种类：天然金刚石，人造金刚石单晶和聚晶。 （3）热稳定聚晶金刚石钻头（TSP）：热稳定聚晶金刚石是用金刚石单晶微粉在高温高压下制成的。 （TSP钻头的热稳定性、耐磨性和抗冲击能力都高于一般的金刚石钻头。适用于中至硬地层。） （二）金刚石钻头的正确使用
1.适用于中至坚硬、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。
五、PDC钻头
（一）概念
聚晶金刚石复合片钻头（Polycrystalline Diamond Compact Bit）简称PDC钻头，是将人造聚晶金刚石复合片镶焊于钻头体上而成的一种新型切削型钻头。 （二）分类（按钻头体材料及切削齿结构）
1.钢体：钻头体用整块合金钢制成。切削齿镶嵌在钻头体上。
2.胎体：冠部用铸造碳化钨烧结而成，烧结时在钻头工作面留下窝槽，切削齿焊接在窝槽里。 （三）PDC钻头的结构特点
1. 切削元件—聚晶金刚石复合片（PDC）
特点：PDC具有金刚石的硬度和耐磨性。弱点是热稳定性差，350℃以上加速磨损。抗冲击能力较差。 （四）PDC钻头破岩机理
PDC主要以切削方式破碎岩石。 （五）PDC钻头的正确使用
1.PDC钻头适应于软到中硬的大段均质地层，不适合钻软硬交错的地层和砾石层。 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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第二节 钻柱
一、钻柱的作用与组成
（一）钻柱
钻柱是用各种接头将方钻杆、钻杆和钻铤等部件连接起来组成的入井管柱，通常指钻头以上的钻具。 （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.传递扭矩；4.起下钻头；5.计量井深；6.观察和了解井下情况（钻头情况、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。 （三）钻柱的组成
1.方钻杆，钻杆，钻铤，各种接头等。
2.钻具连接满足三个条件：尺寸相等，扣型相同，公母相配。 3.基本钻柱组合：钻铤＋配合接头＋钻杆＋配合接头＋方钻杆 4.钻柱的其它可选组件：
稳定器（提高钻头工作的稳定性），振击器（防止钻具被卡），减振器（减少钻具的冲击振动）， 螺杆，加重钻杆。 （四）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.名义重量（线密度、线重）：在空气中的重量，
。
（五）钻铤
1.结构特点：管体两端直接车制丝扣，不另加专门接头；壁厚大（38-53毫米），重量大，刚度大。 2.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。
3.类型：光钻铤（圆形的，平滑的）、螺旋钻铤（有浅而宽的螺旋槽，减少与井壁的接触面积，防止卡钻）、扁钻铤。 （六）方钻杆
1.概念：位于钻柱的最上端，其上部与水龙头相接，下部与钻杆连接。 2.作用：传递扭矩和承受钻柱的全部重量。 3.性能：具有较高的抗拉强度和抗扭强度。
4.形状：断面为中空的正方形或六边形，壁厚比一般钻杆大三倍左右，而且由强度较大的优质合金钢制成。一般长度为13～16米，比一般钻杆长2米以上（避免接单根后方钻杆不能进入转盘面以下）。 （七）稳定器（扶正器）
1.类型：刚性稳定器、不转动橡胶套稳定器、滚轮稳定器。 2.作用：（1）防斜，控制井眼轨迹；（2）提高钻头的工作稳定性。
二、钻柱的工作状态
（一）起下钻工况下
整个钻柱被悬挂起来，在重力的作用下，钻柱受拉伸作用。 1.直井：直的拉伸、滑动
2.斜井：随井眼倾斜和弯曲，滑动。 （二）正常钻进工况下
部分钻柱（主要是钻铤）的重量作为钻压施加在钻头上。上部钻柱受拉伸，下部钻柱受压缩；在扭矩
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作用下旋转。
（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（接触点称为切点）。压力较大时可能发生多次弯曲。） （三）钻柱的旋转运动形式
1.公转：钻柱象一个刚体，围绕着井眼轴线旋转并沿着井壁 滑动。 产生偏磨。 2.自转：弯曲钻柱象一根柔性轴，围绕自身轴线旋转。均匀磨损，易发生疲劳破坏。 3.公转与自转的结合：弯曲钻柱围绕井眼轴线旋转，同时围绕自身轴线转动。
4.纵向振动：钻头振动引起钻柱的纵向振动，产生交变应力。 （振动周期和钻柱本身固有的振动周期相同（或成倍数），产生共振现象，称“跳钻”。）
5.扭转振动：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，产生交变扭剪应力。 6.横向摆振：达到某一临界转速，钻柱可能产生横向无规则摆动，产生交变弯曲应力。
三、钻柱的受力分析
（一）钻柱的受力
1.拉力：自重产生 2.压力：钻压产生 3.浮力：钻井液产生
4.摩擦阻力：井壁及钻井液对钻柱的摩擦力
5.循环压降产生的附加拉力：钻柱内及钻头水眼上的压力降 6.起下钻时产生的动载荷：速度变化 （轴向力，井眼轴线方向） 7.剪应力：扭矩作用
8.弯曲应力：下部钻柱产生弯曲变形 9.离心力：钻柱绕井眼轴线公转 10.外挤力：钻杆测试
11.振动产生的交变应力 （二）钻柱受力最严重的部位
1.井口断面：拉力最大，扭矩最大（转盘钻）。
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。 （三）轴向力
1.自重产生的轴向拉力（井内掏空时，空气中）：
2.浮重产生的轴向力：
式中：度，
，浮力系数，。
；
，钻井液密度；，钢材密
压力 0 拉力 FW (-) (+) 3.正常钻进时的轴向力 （1）直井：
N
（2）斜井：
w w LN
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