第二章 鉆進(jìn)工具

1、第二章第二章 鉆進(jìn)工具鉆進(jìn)工具本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容: 第一節(jié)第一節(jié) 鉆頭鉆頭 鉆頭的類型及工作原理鉆頭的類型及工作原理 鉆頭的選型及分類方法鉆頭的選型及分類方法 鉆頭的合理使用鉆頭的合理使用 第二節(jié)第二節(jié) 鉆柱鉆柱 鉆柱的組成及功用鉆柱的組成及功用 鉆柱的工作狀態(tài)及受力分析鉆柱的工作狀態(tài)及受力分析 鉆柱的設(shè)計(jì)鉆柱的設(shè)計(jì)第一節(jié)第一節(jié) 鉆頭鉆頭 (Drill Bit)一、概述一、概述 1 、鉆頭類型、鉆頭類型 按結(jié)構(gòu)及工作原理分類按結(jié)構(gòu)及工作原理分類 刮刀鉆頭、牙輪鉆頭、刮刀鉆頭、牙輪鉆頭、 PDC鉆頭、金剛石鉆頭；鉆頭、金剛石鉆頭； 按功用分類按功用分類 全面鉆進(jìn)鉆頭、取芯鉆頭、全面鉆進(jìn)鉆頭

2、、取芯鉆頭、 擴(kuò)眼鉆頭擴(kuò)眼鉆頭 2 、鉆頭尺寸系列、鉆頭尺寸系列 3-3/4”36” 常用尺寸：常用尺寸：26”、 、 、/1721/1241/8213、工作指標(biāo)、工作指標(biāo) 鉆頭進(jìn)尺（米）鉆頭進(jìn)尺（米） 鉆頭工作壽命（小時）鉆頭工作壽命（小時） 機(jī)械鉆速（米機(jī)械鉆速（米/ 小時）小時） 單位進(jìn)尺成本（元單位進(jìn)尺成本（元/ 天）：天）：HttCCCrrbpm)( 二、二、 刮刀鉆頭刮刀鉆頭 (Drag Bit) (一一)刮刀鉆頭的結(jié)構(gòu)刮刀鉆頭的結(jié)構(gòu) 上鉆頭體、下鉆頭體（分水帽）、上鉆頭體、下鉆頭體（分水帽）、 刀翼、水眼。刀翼、水眼。 三刀翼的稱三刮刀鉆頭三刀翼的稱三刮刀鉆頭 兩刀翼的稱作兩刮刀

3、鉆頭或魚尾兩刀翼的稱作兩刮刀鉆頭或魚尾 刮刀鉆頭刮刀鉆頭 四刀翼的稱四刮刀鉆頭四刀翼的稱四刮刀鉆頭刀翼的結(jié)構(gòu)刀翼的結(jié)構(gòu) （1）刀翼的結(jié)構(gòu)角 刃尖角刃尖角 刀翼尖端前后刃之間的交角。它刀翼尖端前后刃之間的交角。它反反 映了刀翼的尖銳程度，映了刀翼的尖銳程度， 越越 小，刃部越尖銳，越小，刃部越尖銳，越容易吃入地層，但強(qiáng)度越低。容易吃入地層，但強(qiáng)度越低。一般：軟底層一般：軟底層 =810度度 硬地層硬地層 =1215度度 切削角切削角 刀翼前刃和水平面之間的夾刀翼前刃和水平面之間的夾 角。角。在相同鉆壓下，在相同鉆壓下， 越大，刀刃越容易吃入地層，但越大，刀刃越容易吃入地層，但旋轉(zhuǎn)扭矩大，剪切刃前

4、巖石困難。旋轉(zhuǎn)扭矩大，剪切刃前巖石困難。一般：松軟地層：一般：松軟地層： =70度；度； 軟地層：軟地層： =7080度；度； 中硬地層中硬地層 ： =8085度。度。 刃后角刃后角： ；刃后角必須大于井刃后角必須大于井 底角底角 刃前角刃前角： 90（2）刀翼的背部形狀）刀翼的背部形狀 刀翼的厚度隨距刀刃的距離增加而增厚，呈拋物線性以確保刀翼刀翼的厚度隨距刀刃的距離增加而增厚，呈拋物線性以確保刀翼 的強(qiáng)度足以承受彎矩。的強(qiáng)度足以承受彎矩。 （3）刀翼底部形狀）刀翼底部形狀 ： 平底、平底、正階梯正階梯、反階梯、反錐形、反階梯、反錐形 （4）提高刀翼的耐磨性）提高刀翼的耐磨性 刀翼一般采用刀翼

5、一般采用35CrMo或或35MnSiMoV高強(qiáng)度合金鋼鍛制而成，以保證高強(qiáng)度合金鋼鍛制而成，以保證 有足夠的強(qiáng)度。有足夠的強(qiáng)度。 一般在刀翼表面平鋪一層一般在刀翼表面平鋪一層YG8硬質(zhì)合金塊，在外側(cè)面鑲裝硬質(zhì)合金塊，在外側(cè)面鑲裝YG8硬質(zhì)合金塊硬質(zhì)合金塊 刀翼表面和外側(cè)面鑲焊人造金剛石聚晶塊刀翼表面和外側(cè)面鑲焊人造金剛石聚晶塊破碎脆性巖石過程破碎脆性巖石過程 刮刀鉆頭破碎脆性巖石的過程為：刮刀鉆頭破碎脆性巖石的過程為： 碰撞碰撞 壓碎及小剪切壓碎及小剪切 大剪切大剪切 （1）碰撞碰撞：刃前巖石發(fā)生剪切破碎后，刀刃在旋轉(zhuǎn)刃前巖石發(fā)生剪切破碎后，刀刃在旋轉(zhuǎn) 扭矩下向前推進(jìn)，碰撞刃前巖石。扭矩下向前

6、推進(jìn)，碰撞刃前巖石。 （2）壓碎及小剪切壓碎及小剪切 ：扭轉(zhuǎn)力增大，壓碎刃前巖石，：扭轉(zhuǎn)力增大，壓碎刃前巖石， 產(chǎn)生小剪切破壞。產(chǎn)生小剪切破壞。 （3）大剪切大剪切：扭轉(zhuǎn)力繼續(xù)增大到某一極值，刃前巖：扭轉(zhuǎn)力繼續(xù)增大到某一極值，刃前巖 石沿剪切面破碎，而后扭轉(zhuǎn)力突然減小。石沿剪切面破碎，而后扭轉(zhuǎn)力突然減小。三、刮刀鉆頭的應(yīng)用三、刮刀鉆頭的應(yīng)用刮刀鉆頭制造工藝簡單，成本低；刮刀鉆頭制造工藝簡單，成本低；刮刀鉆頭適用于軟地層，鉆速快，每米鉆進(jìn)成本低刮刀鉆頭適用于軟地層，鉆速快，每米鉆進(jìn)成本低刮刀鉆頭容易磨損成錐形，造成縮徑和井斜；刮刀鉆頭容易磨損成錐形，造成縮徑和井斜；刮刀鉆頭產(chǎn)生劇烈的扭轉(zhuǎn)振動，破

7、壞鉆具和設(shè)備；刮刀鉆頭產(chǎn)生劇烈的扭轉(zhuǎn)振動，破壞鉆具和設(shè)備；刮刀鉆頭目前逐漸被刮刀鉆頭目前逐漸被PDC鉆頭取代。鉆頭取代。三、牙輪鉆頭三、牙輪鉆頭 （一）牙輪鉆頭的結(jié)構(gòu)（一）牙輪鉆頭的結(jié)構(gòu) 牙輪鉆頭由鉆頭體、亞爪（巴掌）牙輪鉆頭由鉆頭體、亞爪（巴掌）及牙輪軸、亞輪及牙齒、軸承、儲油潤及牙輪軸、亞輪及牙齒、軸承、儲油潤滑密封系統(tǒng)、噴嘴等部分組成?；芊庀到y(tǒng)、噴嘴等部分組成。1、牙輪及牙齒、牙輪及牙齒 （1）牙輪）牙輪20CrMo合金鋼錐體，錐面銑齒或鑲裝質(zhì)合金，內(nèi)腔有合金鋼錐體，錐面銑齒或鑲裝質(zhì)合金，內(nèi)腔有 軸承跑道。軸承跑道。單錐牙輪：主錐單錐牙輪：主錐+背錐，硬地層背錐，硬地層復(fù)錐牙輪：主錐復(fù)

8、錐牙輪：主錐+副錐副錐+背錐，軟地層背錐，軟地層（2）牙齒）牙齒 銑齒銑齒在牙輪錐面上直接銑出，楔形在牙輪錐面上直接銑出，楔形硬質(zhì)合金鑲齒硬質(zhì)合金鑲齒鑲裝在牙輪錐面上，有多種齒形適用不同地層。鑲裝在牙輪錐面上，有多種齒形適用不同地層。2、軸承、軸承 牙輪鉆頭軸承有大、中、小和止錐四副。根據(jù)軸承的密封與否，可分牙輪鉆頭軸承有大、中、小和止錐四副。根據(jù)軸承的密封與否，可分為密封和非密封兩類。根據(jù)軸承的結(jié)構(gòu)，可分為滾動軸承和滑動軸承兩類。為密封和非密封兩類。根據(jù)軸承的結(jié)構(gòu)，可分為滾動軸承和滑動軸承兩類。滾動軸承結(jié)構(gòu)滾動軸承結(jié)構(gòu): 滾柱滾柱滾珠滾珠滾柱滾柱止推；止推； 滾柱滾柱滾珠滾珠滑動滑動止推；止

9、推； 滑動軸承結(jié)構(gòu)：滑動滑動軸承結(jié)構(gòu)：滑動滾珠滾珠滑動滑動止推；止推； 滑動滑動滑動（卡簧）滑動（卡簧）滑動滑動止推；止推；3、儲油潤滑密封系統(tǒng)、儲油潤滑密封系統(tǒng) 儲油潤滑補(bǔ)償系統(tǒng)儲油潤滑補(bǔ)償系統(tǒng) 密封系統(tǒng)密封系統(tǒng) 橡膠密封圈、金屬密封圈橡膠密封圈、金屬密封圈 工作原理：工作原理： 儲油壓力補(bǔ)償系統(tǒng)（傳壓孔、壓儲油壓力補(bǔ)償系統(tǒng)（傳壓孔、壓力補(bǔ)償膜力補(bǔ)償膜又杯等）保持軸承腔又杯等）保持軸承腔內(nèi)的油層與井內(nèi)鉆井液柱壓力相內(nèi)的油層與井內(nèi)鉆井液柱壓力相平衡。當(dāng)軸承腔內(nèi)油壓降低，儲平衡。當(dāng)軸承腔內(nèi)油壓降低，儲油杯中的潤滑油在鉆井液柱壓力油杯中的潤滑油在鉆井液柱壓力作用下補(bǔ)充到軸承腔內(nèi)；當(dāng)軸承作用下補(bǔ)充到

10、軸承腔內(nèi)；當(dāng)軸承腔內(nèi)的油壓升高，則流入儲油杯。腔內(nèi)的油壓升高，則流入儲油杯。其中，其中，有效密封是關(guān)鍵。有效密封是關(guān)鍵。4、噴嘴、噴嘴 鉆井液流出鉆頭射向井底的流道，鉆井液流出鉆頭射向井底的流道，高壓鉆井液流經(jīng)噴嘴后產(chǎn)生高速流動高壓鉆井液流經(jīng)噴嘴后產(chǎn)生高速流動的水射流，清除井底巖屑，輔助破碎的水射流，清除井底巖屑，輔助破碎巖石。巖石。 三牙輪鉆頭一般安裝三牙輪鉆頭一般安裝3個噴嘴，直個噴嘴，直徑徑713mm，用卡簧固定在水眼內(nèi)，用卡簧固定在水眼內(nèi)，并用并用O形圈密封。形圈密封。5、牙輪及牙齒的布置方式、牙輪及牙齒的布置方式 布齒原則布齒原則 （1）轉(zhuǎn)一周牙齒全部破碎井底，不留下未被破碎的凸起）

11、轉(zhuǎn)一周牙齒全部破碎井底，不留下未被破碎的凸起; （2）牙輪在重復(fù)滾動時應(yīng)使牙齒不落入別的牙齒的破碎坑內(nèi)）牙輪在重復(fù)滾動時應(yīng)使牙齒不落入別的牙齒的破碎坑內(nèi); （3）牙齒的磨損均勻。）牙齒的磨損均勻。牙齒的布置方案牙齒的布置方案 （1）非自洗無滑動布置：）非自洗無滑動布置： 各牙輪牙齒齒圈不嵌合，單錐、不超頂、不移軸，用于硬地層各牙輪牙齒齒圈不嵌合，單錐、不超頂、不移軸，用于硬地層 （2）自洗不移軸布置：）自洗不移軸布置： 各牙輪牙齒齒圈相互嵌合，副錐、超頂、不移軸，用于中硬地層各牙輪牙齒齒圈相互嵌合，副錐、超頂、不移軸，用于中硬地層 （3）自洗移軸布置：）自洗移軸布置： 各牙輪牙齒齒圈相互嵌合，

12、副錐、超頂、移軸，用于軟地層各牙輪牙齒齒圈相互嵌合，副錐、超頂、移軸，用于軟地層（二）、牙輪鉆頭工作原理（二）、牙輪鉆頭工作原理 1、牙輪鉆頭在井底的運(yùn)動、牙輪鉆頭在井底的運(yùn)動 公轉(zhuǎn)公轉(zhuǎn)：牙輪隨鉆頭一起旋轉(zhuǎn)。：牙輪隨鉆頭一起旋轉(zhuǎn)。 自傳自傳：牙齒繞牙輪軸線作逆時針方向旋轉(zhuǎn)稱為自傳。：牙齒繞牙輪軸線作逆時針方向旋轉(zhuǎn)稱為自傳。 滑動滑動：牙輪齒相對于井底的滑動，包括徑向（軸向）和切向（周向）滑動。：牙輪齒相對于井底的滑動，包括徑向（軸向）和切向（周向）滑動。 引起滑動的原因：引起滑動的原因： 超頂和復(fù)錐引起切向（超頂和復(fù)錐引起切向（周向周向）滑動）滑動 移軸引起徑向（移軸引起徑向（軸向軸向）滑動）

13、滑動 縱向振動縱向振動：牙輪在滾動過程，其中心上下波動，使鉆頭做上下往復(fù)運(yùn)動。：牙輪在滾動過程，其中心上下波動，使鉆頭做上下往復(fù)運(yùn)動。 引起縱向振動的原因：引起縱向振動的原因： 單、雙齒交替接觸井底，使單、雙齒交替接觸井底，使牙輪中心上下波動；牙輪中心上下波動； 井底凹凸不平井底凹凸不平牙輪滑動對破巖的作用：牙輪滑動對破巖的作用： 牙輪的超頂和復(fù)錐引起的切向滑動剪切掉牙齒之間的巖石。牙輪的超頂和復(fù)錐引起的切向滑動剪切掉牙齒之間的巖石。 超頂引起的軸向滑動剪切掉齒圈之間的巖石。超頂引起的軸向滑動剪切掉齒圈之間的巖石。2、牙輪鉆頭的破巖作用、牙輪鉆頭的破巖作用 （1）沖擊、壓碎作用）沖擊、壓碎作用

14、 縱向振動產(chǎn)生的沖擊力和靜壓力（鉆壓）一起使牙齒對地層產(chǎn)生沖擊、縱向振動產(chǎn)生的沖擊力和靜壓力（鉆壓）一起使牙齒對地層產(chǎn)生沖擊、 壓碎作用，形成體積破碎坑。壓碎作用，形成體積破碎坑。 （2）滑動剪切作用）滑動剪切作用 牙輪牙齒的徑向滑動和切向滑動對井底地層產(chǎn)生剪切作用，破碎齒間巖石。牙輪牙齒的徑向滑動和切向滑動對井底地層產(chǎn)生剪切作用，破碎齒間巖石。 （3）射流的沖蝕作用）射流的沖蝕作用 有噴嘴噴出的高速射流對井底巖石產(chǎn)生沖蝕作用，輔助破碎巖石。有噴嘴噴出的高速射流對井底巖石產(chǎn)生沖蝕作用，輔助破碎巖石。（三）、牙輪鉆頭類型（三）、牙輪鉆頭類型 1、國產(chǎn)牙輪鉆頭的分類方法、國產(chǎn)牙輪鉆頭的分類方法 （

15、1）按結(jié)構(gòu)分類：）按結(jié)構(gòu)分類：Y, P, MP ,MPB ,HP , HPB ,XH 共共8個系列個系列（2）按地層分類：）按地層分類：JR, R, ZR, Z, ZY, Y, JY 1 , 2 , 3 , 4, 5 , 6, 7(3) 型號表示方法型號表示方法類型代號：類型代號：數(shù)字?jǐn)?shù)字1-7，表明所適應(yīng)的地層，表明所適應(yīng)的地層 系列代號：系列代號：字母字母Y, P, MP ,MPB ,HP , HPB ,XH ，表明結(jié)構(gòu)特征，表明結(jié)構(gòu)特征鉆頭直徑：鉆頭直徑：用英寸或毫米表示直徑大小用英寸或毫米表示直徑大小 例：用于中硬地層、直徑為 in (215.9mm)的銑齒滑動密封軸承噴射式三牙輪鉆頭

16、的型號為： *HP5或215.9*HP521/821/82、IADC分類方法分類方法系列代號系列代號用數(shù)字用數(shù)字1-8表示鉆頭牙齒特征及適應(yīng)地層；表示鉆頭牙齒特征及適應(yīng)地層； 1-3為銑齒，為銑齒， 5-8為鑲齒。為鑲齒。 地層等級代號地層等級代號用數(shù)字用數(shù)字1-4表示所鉆地層再分為表示所鉆地層再分為4個等級個等級鉆頭結(jié)構(gòu)特征代號鉆頭結(jié)構(gòu)特征代號用數(shù)字用數(shù)字1-9表示鉆頭結(jié)構(gòu)特征，其中，表示鉆頭結(jié)構(gòu)特征，其中， 1-7表示鉆頭軸承及保徑特征。表示鉆頭軸承及保徑特征。附加結(jié)構(gòu)特征代號附加結(jié)構(gòu)特征代號用英文字母表示鉆頭附加特征。用英文字母表示鉆頭附加特征。祥見書祥見書P66-67例如：34IS表示

17、適用于中等研磨性或研磨性表示適用于中等研磨性或研磨性4的硬地層非的硬地層非 密封滾動軸承的標(biāo)準(zhǔn)銑齒鉆頭。密封滾動軸承的標(biāo)準(zhǔn)銑齒鉆頭。 537C表示適用于低抗壓強(qiáng)度的軟到中硬地層的表示適用于低抗壓強(qiáng)度的軟到中硬地層的3級級 地層的滑動密封軸承保徑帶中心噴嘴的鉆頭。地層的滑動密封軸承保徑帶中心噴嘴的鉆頭。國產(chǎn)三牙輪鉆頭分類、型號表示法國產(chǎn)三牙輪鉆頭分類、型號表示法 鉆頭直徑類型代號系列代號鉆頭直徑類型代號系列代號 例: 用于中硬地層、直徑為 in (215.9mm)的 銑齒滑動密封軸承噴射式三牙輪鉆頭的型號為： *HP5或215.9*HP5目前常用的牙輪鉆頭型號目前常用的牙輪鉆頭型號 P2, P3

18、, HP2, HP3 銑齒銑齒 XHP2, XHP3, XHP4鑲齒鑲齒 J1, J2, J3銑齒銑齒 J11, J22, J33 ,J44 ,J55鑲齒鑲齒21/821/8（四）（四） 牙輪鉆頭的正確使用牙輪鉆頭的正確使用 1、根據(jù)地層性質(zhì)合理選擇鉆頭類型，標(biāo)準(zhǔn)是每米鉆 進(jìn)成本最低， 地層較軟時：選用牙齒高度大并帶有超頂或移軸的鉆頭； 地層較硬時：選用牙齒高度小，無超頂或移軸的鉆頭； 2、優(yōu)選鉆頭參數(shù)：鉆壓、鉆速、水力參數(shù)等。（五）鉆頭常見故障及其識別（五）鉆頭常見故障及其識別 鉆頭故障是鉆進(jìn)過程中常見故障之一，其故障形式主鉆頭故障是鉆進(jìn)過程中常見故障之一，其故障形式主要有：因鉆頭軸承嚴(yán)重磨

19、損產(chǎn)生劇烈振動、牙輪卡死、掉牙要有：因鉆頭軸承嚴(yán)重磨損產(chǎn)生劇烈振動、牙輪卡死、掉牙輪、鉆頭泥包、噴嘴堵、掉噴嘴和牙齒脫落等。輪、鉆頭泥包、噴嘴堵、掉噴嘴和牙齒脫落等。1、鉆頭軸承磨損的識別、鉆頭軸承磨損的識別 反映鉆頭軸承工作狀態(tài)最敏感的信號是反映鉆頭軸承工作狀態(tài)最敏感的信號是扭矩信號，為了消除因鉆壓變化對扭矩產(chǎn)扭矩信號，為了消除因鉆壓變化對扭矩產(chǎn)生的影響，采用比扭矩，表示為：生的影響，采用比扭矩，表示為：WMMt/2、牙輪鉆頭泥包的識別、牙輪鉆頭泥包的識別鉆頭發(fā)生泥包后的特征： 鉆時鉆時Zf迅速增大，迅速增大， 立壓立壓StP有所上升有所上升 扭矩扭矩M逐漸增大，逐漸增大， 波幅波幅Vr(m

20、)減小減小 轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速Rpm有所下降有所下降3、鉆頭水眼堵、掉的識別、鉆頭水眼堵、掉的識別四、金剛石鉆頭（四、金剛石鉆頭（Diamond Bit） （一）金剛石鉆頭的結(jié)構(gòu)（一）金剛石鉆頭的結(jié)構(gòu) 金剛石鉆頭為無活動部件的整體式鉆金剛石鉆頭為無活動部件的整體式鉆頭，由鋼體、胎體（冠部和保徑部分）、頭，由鋼體、胎體（冠部和保徑部分）、水眼及水槽、金剛石切削刃等部分組成。水眼及水槽、金剛石切削刃等部分組成。1、鋼體、鋼體 鋼體是金剛石鉆頭的骨架，上部柱體車制絲扣和鉆柱連接，鋼體是金剛石鉆頭的骨架，上部柱體車制絲扣和鉆柱連接，下部銑成爪形和胎體燒結(jié)在一起。下部銑成爪形和胎體燒結(jié)在一起。2、胎體、胎體 胎體

21、是鑲嵌金剛石的基體，為質(zhì)合金材料，用粉末冶金技術(shù)燒結(jié)在胎體是鑲嵌金剛石的基體，為質(zhì)合金材料，用粉末冶金技術(shù)燒結(jié)在鉆頭鋼體上。鉆頭鋼體上。 常用剖面形狀：常用剖面形狀： 3、水眼和水槽、水眼和水槽 鉆井液由水眼流出，經(jīng)過水槽流過鉆頭表面，清洗鉆井液由水眼流出，經(jīng)過水槽流過鉆頭表面，清洗井底，冷卻和潤滑金剛石井底，冷卻和潤滑金剛石。 常用水力結(jié)構(gòu)：常用水力結(jié)構(gòu)：4 、金剛石、金剛石 (1)特性特性 金剛石為碳在高溫高壓下的結(jié)晶體，正四面體晶體結(jié)構(gòu)，在單位晶胞中，金剛石為碳在高溫高壓下的結(jié)晶體，正四面體晶體結(jié)構(gòu)，在單位晶胞中，碳原子位于四面體頂角及中心。每一個碳原子與鄰近的四個碳原子形成四個共碳原子

22、位于四面體頂角及中心。每一個碳原子與鄰近的四個碳原子形成四個共價(jià)鍵。價(jià)鍵。 因共價(jià)鍵結(jié)合力強(qiáng)，故金剛石具有極高的硬度（莫氏硬度因共價(jià)鍵結(jié)合力強(qiáng)，故金剛石具有極高的硬度（莫氏硬度10）、抗壓強(qiáng)度）、抗壓強(qiáng)度（8800MPa）和耐磨性鋼的）和耐磨性鋼的9000倍。倍。 其缺點(diǎn)是：其缺點(diǎn)是： 脆性大，受沖擊載荷易破碎；脆性大，受沖擊載荷易破碎； 具有熱敏性，高溫下（具有熱敏性，高溫下（450度以上）石墨化。度以上）石墨化。熱穩(wěn)定聚晶金剛石鉆頭（熱穩(wěn)定聚晶金剛石鉆頭（TSP） TSP鉆頭的熱穩(wěn)定性，耐磨性和鉆頭的熱穩(wěn)定性，耐磨性和抗沖擊能力都高于一般的金剛石鉆頭?？箾_擊能力都高于一般的金剛石鉆頭。（2

23、）兩類金剛石材料）兩類金剛石材料 天然金剛石天然金剛石：非洲產(chǎn)，品種有：卡邦（非洲產(chǎn)，品種有：卡邦（Carnon）、包爾茲（）、包爾茲（Boarz）、）、 巴拉斯（巴拉斯（Ballas）。）。 人造金剛石單晶和聚晶：人造金剛石單晶和聚晶： 石墨石墨 金剛石金剛石 金剛石單晶金剛石單晶 金剛石聚晶金剛石聚晶5000-10000MPa高溫高壓下高溫高壓下（3）金剛石顆粒在胎體上的鑲裝方式）金剛石顆粒在胎體上的鑲裝方式 有表鑲式和孕鑲式。表鑲式金剛石鉆頭所用的金剛石顆粒一般在有表鑲式和孕鑲式。表鑲式金剛石鉆頭所用的金剛石顆粒一般在0.51.5 粒粒/克拉?？死?孕鑲式金剛石鉆頭是把金剛石顆粒和胎體

24、燒結(jié)在一起。適合對付極硬地層，孕鑲式金剛石鉆頭是把金剛石顆粒和胎體燒結(jié)在一起。適合對付極硬地層， 而且成本比孕鑲式低的多，一般孕鑲層的厚度而且成本比孕鑲式低的多，一般孕鑲層的厚度212mm,金剛石顆粒棱角越尖越金剛石顆粒棱角越尖越 好。好。 C20001000（4）金剛石粒度、出刃和排列方式）金剛石粒度、出刃和排列方式 粒度：粒度：0.515粒粒/克拉（克拉（0.2g） 出刃：出刃： 最大出刃量為直徑的最大出刃量為直徑的1/3 排列方式：排列方式：（二）、金剛石的破巖機(jī)理（二）、金剛石的破巖機(jī)理 概括地講，金剛石鉆頭以磨削（耐磨）方式破碎巖石，類似于砂輪磨概括地講，金剛石鉆頭以磨削（耐磨）方式

25、破碎巖石，類似于砂輪磨 削金屬的過程。削金屬的過程。 （1）在鉆進(jìn)某些硬地層時，在鉆壓作用下壓入巖石，使與金剛石接觸的巖石）在鉆進(jìn)某些硬地層時，在鉆壓作用下壓入巖石，使與金剛石接觸的巖石 處于極高的應(yīng)力狀態(tài)而使巖石呈現(xiàn)塑性。處于極高的應(yīng)力狀態(tài)而使巖石呈現(xiàn)塑性。 （2）在塑性地層（或巖石在應(yīng)力作用下呈現(xiàn)塑性的地層），）在塑性地層（或巖石在應(yīng)力作用下呈現(xiàn)塑性的地層）， 使前方巖石內(nèi)部發(fā)生破碎或塑性流動，使前方巖石內(nèi)部發(fā)生破碎或塑性流動， 脫離巖石基體，形成巖屑，稱作犁削。脫離巖石基體，形成巖屑，稱作犁削。 （3）在脆性較大的巖石中，在鉆壓和扭矩作用下所產(chǎn)生的應(yīng)力使巖石表現(xiàn)）在脆性較大的巖石中，在鉆

26、壓和扭矩作用下所產(chǎn)生的應(yīng)力使巖石表現(xiàn) 為脆性破碎，即屬于以剪力和張力形式破碎巖石。為脆性破碎，即屬于以剪力和張力形式破碎巖石。 （4）在堅(jiān)硬巖石（如燧石、硅質(zhì)白云巖、硅質(zhì)石灰?guī)r等）中，是要靠金剛）在堅(jiān)硬巖石（如燧石、硅質(zhì)白云巖、硅質(zhì)石灰?guī)r等）中，是要靠金剛 石的棱角實(shí)現(xiàn)微切削、刻劃等方式來破碎巖石。石的棱角實(shí)現(xiàn)微切削、刻劃等方式來破碎巖石。（三）、金剛石鉆頭的正確使用（三）、金剛石鉆頭的正確使用 1、適用于硬、研磨性地層，渦輪鉆井，深井鉆井，適用于硬、研磨性地層，渦輪鉆井，深井鉆井， 取芯作業(yè)、壽命長，進(jìn)尺高。取芯作業(yè)、壽命長，進(jìn)尺高。 2、鉆頭下井前，井底打撈干凈，確保沒有金屬落物。、鉆頭下

27、井前，井底打撈干凈，確保沒有金屬落物。 3、先用小鉆壓、低鉆速跑合，然后用合適的鉆壓和、先用小鉆壓、低鉆速跑合，然后用合適的鉆壓和 高轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)。高轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)。 4、采用低鉆壓（、采用低鉆壓（3050KN）、高轉(zhuǎn)速、大排量鉆進(jìn)。）、高轉(zhuǎn)速、大排量鉆進(jìn)。五、五、PDC鉆頭（鉆頭（Polycrystalline Diamond Compact Bit）（一）（一）PDC鉆頭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)鉆頭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 1、切削元件、切削元件聚晶金剛石復(fù)合片（聚晶金剛石復(fù)合片（PDC） 特性特性 PDC既具有金剛石的硬度和耐磨性，既具有金剛石的硬度和耐磨性， 弱點(diǎn)：熱穩(wěn)定性差，弱點(diǎn)：熱穩(wěn)定性差，350度以上加速磨損，度以上

28、加速磨損， 抗沖擊能力較差。抗沖擊能力較差。2、工作面形狀、工作面形狀3、切削齒布置、切削齒布置 刮刀式布齒方式：刮刀式布齒方式：特點(diǎn)是整體強(qiáng)度高、抗特點(diǎn)是整體強(qiáng)度高、抗 沖擊能力強(qiáng)、易于清洗和冷卻、排屑好、沖擊能力強(qiáng)、易于清洗和冷卻、排屑好、 抗泥包能力強(qiáng)。適合于粘性或軟地層?？鼓喟芰?qiáng)。適合于粘性或軟地層。 單齒式布齒方式：單齒式布齒方式：布齒區(qū)域大、布齒密度布齒區(qū)域大、布齒密度 高、可提高鉆頭的使用壽命，但水力清洗高、可提高鉆頭的使用壽命，但水力清洗 能力差。容易在粘性地層泥包，適于硬能力差。容易在粘性地層泥包，適于硬 地層。地層。 組合式切削齒的布置：組合式切削齒的布置：具有良好的清

29、洗、具有良好的清洗、 冷卻和排屑能力，布齒密度較高，一般冷卻和排屑能力，布齒密度較高，一般 適用中等硬度地層。適用中等硬度地層。 布齒原則：布齒原則： 等切削體積等切削體積 等磨損等磨損 等功率等功率4、切削齒工作角、切削齒工作角 后傾角（負(fù)前角）后傾角（負(fù)前角） ：起到保護(hù)切削齒，延長壽命的作用，取值：起到保護(hù)切削齒，延長壽命的作用，取值0-20度，度， 軟地層小些，硬地層大些。軟地層小些，硬地層大些。 側(cè)傾角（旁峰刀面角）側(cè)傾角（旁峰刀面角） ：鉆頭旋轉(zhuǎn)時，切削刃面對切屑產(chǎn)生向外側(cè)的：鉆頭旋轉(zhuǎn)時，切削刃面對切屑產(chǎn)生向外側(cè)的 推力，有利于向外排出巖屑。推力，有利于向外排出巖屑。 左右。左右。

30、155、噴嘴、噴嘴流道系統(tǒng)流道系統(tǒng) 冷卻和清洗效果嚴(yán)重影響冷卻和清洗效果嚴(yán)重影響PDC鉆頭的鉆速和壽命。鉆頭的鉆速和壽命。 噴嘴數(shù)量一般比三牙輪鉆頭多，噴嘴位置和流道結(jié)構(gòu)噴嘴數(shù)量一般比三牙輪鉆頭多，噴嘴位置和流道結(jié)構(gòu) 根據(jù)切削齒位置確定。根據(jù)切削齒位置確定。（二）（二）PDC鉆頭破巖機(jī)理鉆頭破巖機(jī)理PDC主要以切削方式破碎巖石。主要以切削方式破碎巖石。切削刃在鉆壓作用下吃入地層，刃前巖石在旋轉(zhuǎn)力作用下發(fā)生切削刃在鉆壓作用下吃入地層，刃前巖石在旋轉(zhuǎn)力作用下發(fā)生剪切破碎。剪切破碎。切削塑性巖石和脆性巖石的過程類似于刮刀鉆頭，由于多個切切削塑性巖石和脆性巖石的過程類似于刮刀鉆頭，由于多個切削齒同時工

31、作，井底巖石自由面多，因此破碎效率高。削齒同時工作，井底巖石自由面多，因此破碎效率高。金剛石切削刃耐磨性高，鉆頭壽命長，單只鉆頭進(jìn)尺高。金剛石切削刃耐磨性高，鉆頭壽命長，單只鉆頭進(jìn)尺高。（三）（三）PDC鉆頭的正確使用鉆頭的正確使用 1、PDC鉆頭適應(yīng)于軟到中硬的大段均質(zhì)地層，不適合鉆軟鉆頭適應(yīng)于軟到中硬的大段均質(zhì)地層，不適合鉆軟 硬交錯的地層和礫石層。硬交錯的地層和礫石層。 2、與牙輪鉆頭相比，、與牙輪鉆頭相比，PDC鉆頭宜采用低鉆壓、高轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)。鉆頭宜采用低鉆壓、高轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)。 3、鉆頭下井前，井底要清潔，無金屬落物，新鉆頭鉆進(jìn)時，、鉆頭下井前，井底要清潔，無金屬落物，新鉆頭鉆進(jìn)時， 先用小

32、鉆壓和低轉(zhuǎn)速磨合井底。先用小鉆壓和低轉(zhuǎn)速磨合井底。 4、PDC鉆頭屬于整體式鉆頭，無任何活動部件，適合高轉(zhuǎn)速鉆頭屬于整體式鉆頭，無任何活動部件，適合高轉(zhuǎn)速 的渦輪鉆井。的渦輪鉆井。 金剛石材料鉆頭的金剛石材料鉆頭的IADC分類法（分類法（P70） 第二節(jié)第二節(jié) 鉆柱鉆柱 一、鉆柱的作用與組成一、鉆柱的作用與組成 二、鉆柱的工作狀態(tài)與受力分析二、鉆柱的工作狀態(tài)與受力分析 三、鉆柱設(shè)計(jì)三、鉆柱設(shè)計(jì)一、鉆柱的作用與組成鉆柱的作用與組成 （一）鉆柱的組成（一）鉆柱的組成 鉆柱（鉆柱（Drilling String）是鉆頭以上，）是鉆頭以上，水龍頭以下的部分鋼管柱的總稱。水龍頭以下的部分鋼管柱的總稱。

33、它包括方鉆桿（它包括方鉆桿（Square Kelly）、鉆）、鉆桿（桿（Drill Pipe）、鉆鋌（）、鉆鋌（Drill Collar）、）、各種接頭（各種接頭（Joint）及穩(wěn)定器）及穩(wěn)定器(Stabilizer)等井下工具。等井下工具。(二二) 鉆柱的作用鉆柱的作用 （1）提供鉆井液流動的通道）提供鉆井液流動的通道 （2）給鉆頭提供鉆壓）給鉆頭提供鉆壓 （3）傳遞扭矩）傳遞扭矩 （4）起下鉆頭）起下鉆頭 （5）計(jì)量井深）計(jì)量井深 （6）觀察和了解井下情況（鉆頭工作情況、井眼狀）觀察和了解井下情況（鉆頭工作情況、井眼狀 況況 、地層情況）、地層情況） （7）進(jìn)行其他特殊作業(yè)（取芯、擠水泥、

34、打撈等）進(jìn)行其他特殊作業(yè)（取芯、擠水泥、打撈等） （8）鉆桿測試（）鉆桿測試（Drill-stem Testing），又稱中途測試。），又稱中途測試。1、鉆桿、鉆桿 （1）作用）作用：傳遞扭矩和輸送鉆井液，延長鉆柱：傳遞扭矩和輸送鉆井液，延長鉆柱 （2）結(jié)構(gòu)）結(jié)構(gòu)：管體：管體+ 接頭接頭 常用的加厚形式：內(nèi)加厚（常用的加厚形式：內(nèi)加厚（a）,外加厚（外加厚（b）,內(nèi)外加厚（內(nèi)外加厚（c）；）；3、規(guī)范：、規(guī)范： 壁厚：壁厚： 911mm 外徑：外徑： 長度：長度： 根據(jù)美國石油學(xué)會（根據(jù)美國石油學(xué)會（American Petroleum Institute,簡稱簡稱 API）的規(guī)定）的規(guī)定,鉆

35、桿按長度分三類：鉆桿按長度分三類： 第一類：第一類： 5.4866.706米（米（1822英尺）英尺） 第二類：第二類： 8.2309.144米（米（2730英尺）英尺） 第三類：第三類： 11.58213.716米（米（3845英尺）英尺） 常用鉆桿規(guī)范（內(nèi)徑、外徑、壁厚、線密度等）見表常用鉆桿規(guī)范（內(nèi)徑、外徑、壁厚、線密度等）見表2-122121218783/570.139,500.127,/430.114460.101,/390.88,/200.73,/230.604、鋼級與強(qiáng)度、鋼級與強(qiáng)度5、接頭與絲扣、接頭與絲扣絲扣連接條件絲扣連接條件：尺寸相等、絲扣類型相同、公母扣相匹配。：尺寸相

36、等、絲扣類型相同、公母扣相匹配。鉆桿接頭特點(diǎn)鉆桿接頭特點(diǎn)：壁厚較大，外徑較大，強(qiáng)度較高。：壁厚較大，外徑較大，強(qiáng)度較高。鉆桿接頭類型鉆桿接頭類型：內(nèi)平（：內(nèi)平（IF）、貫眼（）、貫眼（FH）、正規(guī)（）、正規(guī)（REG）、）、NC系列。系列。 內(nèi)平式：內(nèi)平式：主要用于外加厚鉆桿，其特點(diǎn)主要用于外加厚鉆桿，其特點(diǎn)是鉆桿通體內(nèi)徑相同，鉆井液流動阻力小，是鉆桿通體內(nèi)徑相同，鉆井液流動阻力小，但外徑較大，容易磨損。但外徑較大，容易磨損。貫眼式：貫眼式：主要用于內(nèi)加厚鉆桿，其特點(diǎn)主要用于內(nèi)加厚鉆桿，其特點(diǎn)是鉆桿有兩個內(nèi)徑，鉆井液流動阻力大于內(nèi)是鉆桿有兩個內(nèi)徑，鉆井液流動阻力大于內(nèi)平式，但外徑小于內(nèi)平式。平式

37、，但外徑小于內(nèi)平式。正規(guī)式正規(guī)式：主要用于內(nèi)加厚鉆桿及鉆頭、主要用于內(nèi)加厚鉆桿及鉆頭、打撈工具，其特點(diǎn)是接頭內(nèi)徑打撈工具，其特點(diǎn)是接頭內(nèi)徑加厚處內(nèi)徑加厚處內(nèi)徑管體內(nèi)徑，鉆井液流動阻力大，但外徑最小，管體內(nèi)徑，鉆井液流動阻力大，但外徑最小，強(qiáng)度較大。強(qiáng)度較大。 三種類型的接頭均采用三種類型的接頭均采用V型螺紋，但扣型螺紋，但扣型、扣距、錐度及尺寸等都有很大差別。型、扣距、錐度及尺寸等都有很大差別。 NC系列接頭系列接頭 NC23, NC26, NC31, NC35, NC38, NC40, NC44, NC46, NC50, NC56, NC61, NC70, NC77 NCNational C

38、oarse Thread,（美國）國家標(biāo)準(zhǔn)粗牙螺紋（美國）國家標(biāo)準(zhǔn)粗牙螺紋 XX表示基面絲扣節(jié)圓直徑，用英寸表示的前兩位數(shù)字乘以表示基面絲扣節(jié)圓直徑，用英寸表示的前兩位數(shù)字乘以10。 如：如：NC26 表示節(jié)圓直徑為表示節(jié)圓直徑為2.668英寸，英寸， NC螺紋也為螺紋也為V型螺紋，表型螺紋，表2-17所列的幾種所列的幾種NC接頭與舊接頭與舊API標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn) 的接頭有相同的節(jié)圓直徑、錐度、螺距和螺紋長度，可互換使用。的接頭有相同的節(jié)圓直徑、錐度、螺距和螺紋長度，可互換使用。 2、鉆頭、鉆頭結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：管體兩端直接車制絲扣，無專門接頭，壁厚大（管體兩端直接車制絲扣，無專門接頭，壁厚大（38

39、-53mm） 重量大，剛度大。重量大，剛度大。主要作用主要作用: （1）給鉆頭施加鉆壓給鉆頭施加鉆壓 （2）保證壓縮應(yīng)力條件下的必要強(qiáng)度）保證壓縮應(yīng)力條件下的必要強(qiáng)度 （3）減輕鉆頭振動、跳動和擺動等，使鉆頭工作穩(wěn)定）減輕鉆頭振動、跳動和擺動等，使鉆頭工作穩(wěn)定 （4）控制井斜）控制井斜類類 型：型：光鉆鋌、螺旋鉆鋌、扁鉆鋌；光鉆鋌、螺旋鉆鋌、扁鉆鋌； 常用尺寸：常用尺寸：9 , 8 , 7 , 4/163、方鉆桿、方鉆桿 類類 型：型：四方形、六方形四方形、六方形 特特 點(diǎn)：點(diǎn)：壁厚大、強(qiáng)度高壁厚大、強(qiáng)度高 主要作用：主要作用：傳遞扭矩和承受鉆柱全部重量傳遞扭矩和承受鉆柱全部重量 常用尺寸：常

40、用尺寸：89mm(3.5英寸英寸)、108mm(4.5英寸英寸)、133.4mm(5.5英寸英寸)4、穩(wěn)定器、穩(wěn)定器 類型：類型：剛性穩(wěn)定器、不轉(zhuǎn)動橡膠套穩(wěn)定器、滾輪穩(wěn)定器剛性穩(wěn)定器、不轉(zhuǎn)動橡膠套穩(wěn)定器、滾輪穩(wěn)定器 作用：作用：1) 防斜防斜 2）控制井眼軌跡）控制井眼軌跡（一）鉆柱的工作狀態(tài)（一）鉆柱的工作狀態(tài) 1、起下鉆工況下、起下鉆工況下 直井：直的拉伸、滑動直井：直的拉伸、滑動 斜井：隨井眼傾斜、彎曲、滑動斜井：隨井眼傾斜、彎曲、滑動 2、正常鉆進(jìn)工況下、正常鉆進(jìn)工況下 上部受拉伸，下部受壓彎曲，在扭矩作用下做上部受拉伸，下部受壓彎曲，在扭矩作用下做 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。 下部鉆柱彎曲

41、的原因：下部鉆柱彎曲的原因： 鉆壓的作用使鉆柱受壓縮，當(dāng)壓力達(dá)到鉆柱的鉆壓的作用使鉆柱受壓縮，當(dāng)壓力達(dá)到鉆柱的 臨界壓力，鉆柱將失去直線穩(wěn)定狀態(tài)而發(fā)生彎曲臨界壓力，鉆柱將失去直線穩(wěn)定狀態(tài)而發(fā)生彎曲 并與井壁接觸。并與井壁接觸。 壓力較大時可能發(fā)生多次彎曲。壓力較大時可能發(fā)生多次彎曲。 （三）鉆柱的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動形式（三）鉆柱的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動形式 （1）自轉(zhuǎn)：）自轉(zhuǎn)：鉆柱像一根柔性軸，圍繞自身軸線旋轉(zhuǎn)，均勻磨損鉆柱像一根柔性軸，圍繞自身軸線旋轉(zhuǎn)，均勻磨損 易發(fā)生疲勞破壞。易發(fā)生疲勞破壞。 （2）公轉(zhuǎn)：）公轉(zhuǎn)：鉆柱像一個剛體，圍繞井眼軸線旋轉(zhuǎn)并沿著井壁滑動鉆柱像一個剛體，圍繞井眼軸線旋轉(zhuǎn)并沿著井壁滑動 產(chǎn)生偏

42、磨。產(chǎn)生偏磨。 （3）公轉(zhuǎn)與自傳結(jié)合：）公轉(zhuǎn)與自傳結(jié)合： 彎曲鉆柱圍繞井眼軸線旋轉(zhuǎn)，同時圍繞自身軸線轉(zhuǎn)動。彎曲鉆柱圍繞井眼軸線旋轉(zhuǎn)，同時圍繞自身軸線轉(zhuǎn)動。（4）縱向振動：）縱向振動：鉆頭振動引起，產(chǎn)生交變應(yīng)力。鉆頭振動引起，產(chǎn)生交變應(yīng)力。（5）扭轉(zhuǎn)振動：）扭轉(zhuǎn)振動：由井底對鉆頭旋轉(zhuǎn)阻力的變化引起，產(chǎn)生由井底對鉆頭旋轉(zhuǎn)阻力的變化引起，產(chǎn)生 交變扭剪應(yīng)力。交變扭剪應(yīng)力。（6）橫向擺動：）橫向擺動：達(dá)到某一臨界轉(zhuǎn)速，可能產(chǎn)生無規(guī)則擺動，達(dá)到某一臨界轉(zhuǎn)速，可能產(chǎn)生無規(guī)則擺動， 產(chǎn)生交變彎曲應(yīng)力。產(chǎn)生交變彎曲應(yīng)力。 一般認(rèn)為彎曲鉆柱旋轉(zhuǎn)的主要形式是自轉(zhuǎn)，但也可能產(chǎn)一般認(rèn)為彎曲鉆柱旋轉(zhuǎn)的主要形式是自轉(zhuǎn)，但

43、也可能產(chǎn)生公轉(zhuǎn)或兩種運(yùn)動形式的結(jié)合，由于在轉(zhuǎn)動過程受到阻力作生公轉(zhuǎn)或兩種運(yùn)動形式的結(jié)合，由于在轉(zhuǎn)動過程受到阻力作用，鉆具的轉(zhuǎn)動是不平穩(wěn)的。用，鉆具的轉(zhuǎn)動是不平穩(wěn)的。 （二）鉆柱的受力分析（二）鉆柱的受力分析 1、概述、概述 （1）自重產(chǎn)生的拉力）自重產(chǎn)生的拉力 （2）鉆壓產(chǎn)生的拉力）鉆壓產(chǎn)生的拉力 （3）鉆井液的浮力）鉆井液的浮力 （4）磨擦阻力）磨擦阻力 （5）循環(huán)壓降產(chǎn)生的附加拉力）循環(huán)壓降產(chǎn)生的附加拉力 （6）起下鉆時產(chǎn)生的動載荷）起下鉆時產(chǎn)生的動載荷 （7）扭矩）扭矩 （8）彎曲應(yīng)力）彎曲應(yīng)力 （9）離心力）離心力 （10）外擠力）外擠力 （11）振動產(chǎn)生的交變應(yīng)力）振動產(chǎn)生的交變應(yīng)力

44、 鉆柱受力最嚴(yán)重的部位：鉆柱受力最嚴(yán)重的部位： 1）井口斷面）井口斷面拉力最大、扭矩最大拉力最大、扭矩最大 2）下部受壓彎曲部分）下部受壓彎曲部分交變軸向應(yīng)力、彎曲應(yīng)力、扭剪應(yīng)力交變軸向應(yīng)力、彎曲應(yīng)力、扭剪應(yīng)力 3 ）中性點(diǎn)）中性點(diǎn)拉壓交變載荷拉壓交變載荷2、軸向力和中性點(diǎn)、軸向力和中性點(diǎn) （1）自重產(chǎn)生的軸向拉力（井內(nèi)完全掏空）自重產(chǎn)生的軸向拉力（井內(nèi)完全掏空） （2）浮重產(chǎn)生的軸向力）浮重產(chǎn)生的軸向力 式中：式中： 稱為：稱為：“浮力減輕系數(shù)浮力減輕系數(shù)” （3）正常鉆進(jìn)時的軸向力）正常鉆進(jìn)時的軸向力ccppLqLqF00)(FKLqLqKFBccppBmsdBK/1WLqLqKFccpp

45、Bw)(（4）其它軸向力的計(jì)算）其它軸向力的計(jì)算 循環(huán)壓降引起的附加軸向拉力循環(huán)壓降引起的附加軸向拉力 滑動摩擦阻力滑動摩擦阻力 動載荷動載荷（5）起下鉆時鉆柱的軸向力）起下鉆時鉆柱的軸向力410*)(ibihAPPFmfFF)3 . 02 . 0(0FgtvFddfccppBtFFLqLqKF)(（6）中性點(diǎn)）中性點(diǎn) 鉆柱上軸向力等于零的點(diǎn)（鉆柱上軸向力等于零的點(diǎn)（N點(diǎn)）點(diǎn)） (也稱中和點(diǎn)也稱中和點(diǎn) Neutral Point） 垂直井眼中鉆柱的中性點(diǎn)高度：垂直井眼中鉆柱的中性點(diǎn)高度： 式中：式中： 中性點(diǎn)距井底的高度，中性點(diǎn)距井底的高度，m; 重要意義：重要意義：1）設(shè)計(jì)鉆柱時要保證中性點(diǎn)

46、始終落在鉆鋌上。）設(shè)計(jì)鉆柱時要保證中性點(diǎn)始終落在鉆鋌上。2）指導(dǎo)松扣、造扣等特殊作業(yè)）指導(dǎo)松扣、造扣等特殊作業(yè)3）中性點(diǎn)附近鉆柱受交變應(yīng)力作用，易疲勞）中性點(diǎn)附近鉆柱受交變應(yīng)力作用，易疲勞 破壞。破壞。BcNKqWLNL三、鉆柱設(shè)計(jì)三、鉆柱設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)內(nèi)容：設(shè)計(jì)內(nèi)容： （1）尺寸選擇）尺寸選擇 （2）鉆鋌柱長度計(jì)算）鉆鋌柱長度計(jì)算 （3）鉆桿柱長度設(shè)計(jì)與校核）鉆桿柱長度設(shè)計(jì)與校核 設(shè)計(jì)原則設(shè)計(jì)原則 （1）滿足強(qiáng)度（抗拉、抗擠強(qiáng)度等）要求，保證鉆柱安全工作。）滿足強(qiáng)度（抗拉、抗擠強(qiáng)度等）要求，保證鉆柱安全工作。 （2）盡量減輕某個鉆柱的重力，以便在現(xiàn)有的抗負(fù)荷能力下鉆）盡量減輕某個鉆柱的重力，以便

47、在現(xiàn)有的抗負(fù)荷能力下鉆 更深的井。更深的井。（一）、鉆柱尺寸的選擇（一）、鉆柱尺寸的選擇 1、依據(jù)、依據(jù) （1）鉆機(jī)的提升能力）鉆機(jī)的提升能力 （2）井眼尺寸）井眼尺寸 （3）地質(zhì)條件）地質(zhì)條件 （4）工藝要求）工藝要求 （5）供貨情況）供貨情況 2、經(jīng)驗(yàn)配合關(guān)系、經(jīng)驗(yàn)配合關(guān)系 選擇的基本原則：選擇的基本原則： 1、方鉆桿由于受到扭矩和拉力最大，在供應(yīng)可能的情況下，盡量選用、方鉆桿由于受到扭矩和拉力最大，在供應(yīng)可能的情況下，盡量選用 大尺寸的方鉆桿。大尺寸的方鉆桿。 2、在鉆機(jī)提升能力允許的情況下，選用大尺寸的鉆桿是有利的。、在鉆機(jī)提升能力允許的情況下，選用大尺寸的鉆桿是有利的。 3、鉆鋌尺寸

48、一般選用與鉆桿接頭外徑尺寸相等或相近的尺寸，有時根、鉆鋌尺寸一般選用與鉆桿接頭外徑尺寸相等或相近的尺寸，有時根 據(jù)防斜措施來選擇鉆鋌的直徑。據(jù)防斜措施來選擇鉆鋌的直徑。使用大直徑鉆鋌具有以下優(yōu)點(diǎn)：使用大直徑鉆鋌具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）可用較少的鉆鋌滿足所需鉆壓的要求，可減小鉆鋌，從而減小起）可用較少的鉆鋌滿足所需鉆壓的要求，可減小鉆鋌，從而減小起 下鉆時連接鉆鋌的時間。下鉆時連接鉆鋌的時間。（2）提高了鉆頭附近鉆柱的剛度，有利于改善鉆頭工況。）提高了鉆頭附近鉆柱的剛度，有利于改善鉆頭工況。（3）鉆鋌和井壁間的間隙減小，可減小連接部分的疲勞破壞）鉆鋌和井壁間的間隙減小，可減小連接部分的疲勞破壞（4）

49、有利于防斜。）有利于防斜。（二）鉆鋌長度的確定（二）鉆鋌長度的確定浮重原則：浮重原則：保證在最大鉆壓時鉆桿不承受壓縮載荷，即保證在最大鉆壓時鉆桿不承受壓縮載荷，即 保持中性點(diǎn)始終在鉆鋌上。保持中性點(diǎn)始終在鉆鋌上。 計(jì)算公式：計(jì)算公式： 式中：式中： Lc鉆鋌長度，鉆鋌長度，m; 設(shè)計(jì)的最大鉆壓，設(shè)計(jì)的最大鉆壓，KN; 安全系數(shù)，考慮附加力（動載、井壁摩擦力等）安全系數(shù)，考慮附加力（動載、井壁摩擦力等） 防止中性點(diǎn)移動到較弱的鉆桿上，一般防止中性點(diǎn)移動到較弱的鉆桿上，一般 =1.151.25 每米鉆鋌在空氣中的重力，每米鉆鋌在空氣中的重力，KN/m; 浮力系數(shù)；浮力系數(shù)； 井斜角，直井為井斜角，

50、直井為0度。度。cosmaxBcNcKqWSL maxWNSNSBKcq(三三)、鉆桿強(qiáng)度設(shè)計(jì)、鉆桿強(qiáng)度設(shè)計(jì) 1、強(qiáng)度條件、強(qiáng)度條件 式中：式中： 鉆桿柱任一截面上的靜拉伸載荷，鉆桿柱任一截面上的靜拉伸載荷，KN； 鉆桿柱的最大安全靜拉力，鉆桿柱的最大安全靜拉力，KN; (1)鉆桿在屈服強(qiáng)度下的抗拉載荷鉆桿在屈服強(qiáng)度下的抗拉載荷 鉆桿材料的屈服強(qiáng)度所允許的最大抗拉載荷。鉆桿材料的屈服強(qiáng)度所允許的最大抗拉載荷。 式中：式中： 鉆桿鋼材的最小屈服強(qiáng)度，鉆桿鋼材的最小屈服強(qiáng)度，Mpa； 鉆桿的橫截面積，鉆桿的橫截面積，cm2; 最小屈服強(qiáng)度下的抗拉載荷，最小屈服強(qiáng)度下的抗拉載荷，KN; 可以計(jì)算，也

51、可以從表可以計(jì)算，也可以從表2-14查得。查得。atFF BmkckckijpjjpiitiKqLqLqLF)(111tFaFpyyAF1 . 0yFypA（2）鉆桿的最大允許拉伸力）鉆桿的最大允許拉伸力 式中：式中： 鉆桿的最大允許拉伸載荷，鉆桿的最大允許拉伸載荷，KN; （3）鉆桿的最大安全靜拉力鉆桿的最大安全靜拉力 安全系數(shù)法（考慮起下鉆時的動載、摩擦力）安全系數(shù)法（考慮起下鉆時的動載、摩擦力） 式中：式中： 安全系數(shù)，一般為安全系數(shù)，一般為1.3； 設(shè)計(jì)系數(shù)法（考慮卡瓦擠壓）設(shè)計(jì)系數(shù)法（考慮卡瓦擠壓） 拉力余量法拉力余量法 式中：式中：MOP拉力余量，一般拉力余量，一般200500KN

52、;yPFF9 . 0PFtPaSFF/tS1)(xyPaFFMOPFFPa三者取最小值作為三者取最小值作為aF2、鉆桿柱強(qiáng)度設(shè)計(jì)、鉆桿柱強(qiáng)度設(shè)計(jì) 按最大安全靜拉力按最大安全靜拉力 設(shè)計(jì)鉆桿柱的下入最大深度（長度）。設(shè)計(jì)鉆桿柱的下入最大深度（長度）。 （1）單一鉆桿柱設(shè)計(jì)）單一鉆桿柱設(shè)計(jì) 強(qiáng)度條件：強(qiáng)度條件： 最大允許下深：最大允許下深：aFBccpaKqLLqF)(pccBaqqLKFL/（2）復(fù)合鉆桿柱設(shè)計(jì)（深井）復(fù)合鉆桿柱設(shè)計(jì)（深井） 思路：由下而上所受拉伸載荷逐漸增大，強(qiáng)度逐漸增大，故思路：由下而上所受拉伸載荷逐漸增大，強(qiáng)度逐漸增大，故由鉆鋌上面第一段鉆桿開始，先選擇強(qiáng)度較低的鉆桿，確定

53、其許由鉆鋌上面第一段鉆桿開始，先選擇強(qiáng)度較低的鉆桿，確定其許用長度；在向上逐段選擇強(qiáng)度更高的鉆桿進(jìn)行設(shè)計(jì)，這樣設(shè)計(jì)出用長度；在向上逐段選擇強(qiáng)度更高的鉆桿進(jìn)行設(shè)計(jì)，這樣設(shè)計(jì)出來的鉆桿柱，由下而上強(qiáng)度逐漸增大以滿足抗拉強(qiáng)度的要求。來的鉆桿柱，由下而上強(qiáng)度逐漸增大以滿足抗拉強(qiáng)度的要求。每段鉆桿滿足強(qiáng)度條件：每段鉆桿滿足強(qiáng)度條件：BijmkckckpjjpiiaiKqLqLqLF)(111鉆鋌上面第一、二、三、四段鉆桿的長度；鉆鋌上面第一、二、三、四段鉆桿的長度；相應(yīng)各段鉆桿的最大安全靜拉力；相應(yīng)各段鉆桿的最大安全靜拉力；相應(yīng)各段鉆桿在空氣中的單位長度的重力；相應(yīng)各段鉆桿在空氣中的單位長度的重力；33322114443221133332112221111ppppccBpapppccpapppccB