鉆井工程-翟應(yīng)虎第二章鉆進(jìn)工具new

1、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 鉆頭的選型及分類方法 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 鉆柱的工作狀態(tài)及受力分析 鉆柱設(shè)計(jì)一、概述一、概述 1. 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、PDCPDC鉆頭、鉆頭、 金剛石鉆頭金剛石鉆頭 按功用分類按功用分類 全面鉆進(jìn)鉆頭、取心鉆頭、全面鉆進(jìn)鉆頭、取心鉆頭、 擴(kuò)眼鉆頭擴(kuò)眼鉆頭 2. 2. 鉆頭尺寸系列鉆頭尺寸系列 3-3/4 36 第一節(jié)第一節(jié) 鉆頭（鉆頭（Drill Bit)Drill Bit)常用尺寸：常用尺寸：

2、26 、171/2 、121/4 、 81/2 3. 3. 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(shí)）鉆頭工作壽命（小時(shí)） 機(jī)械鉆速（米機(jī)械鉆速（米/ /小時(shí)）小時(shí)） 單位進(jìn)尺成本（元單位進(jìn)尺成本（元/ /米）米）：HttCCCtrbpm)( 二、刮刀鉆頭（二、刮刀鉆頭（Drag BitDrag Bit） 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（分水上鉆頭體、下鉆頭體（分水帽）、帽）、 刀翼、水眼。刀翼、水眼。圖圖2-1 刮刀鉆頭結(jié)構(gòu)刮刀鉆頭結(jié)構(gòu) 刀翼刀翼三刀翼的稱作三刮刀鉆頭三刀翼的稱作三刮刀鉆頭 兩刀翼的稱作兩刮刀鉆頭或魚兩刀翼的稱作兩刮刀鉆頭或魚 尾刮

3、刀鉆頭尾刮刀鉆頭 四刀翼的稱作四刮刀鉆頭四刀翼的稱作四刮刀鉆頭三、牙輪鉆頭（三、牙輪鉆頭（Roller BitRoller Bit） （一）牙輪鉆頭結(jié)構(gòu)（一）牙輪鉆頭結(jié)構(gòu) 牙輪鉆頭由鉆頭體、牙抓（巴牙輪鉆頭由鉆頭體、牙抓（巴掌）掌） 及牙輪軸、牙輪及牙齒、軸承、及牙輪軸、牙輪及牙齒、軸承、儲(chǔ)油潤(rùn)滑密封系統(tǒng)、噴嘴等部分組成。儲(chǔ)油潤(rùn)滑密封系統(tǒng)、噴嘴等部分組成。1 1牙輪及牙齒牙輪及牙齒 （1 1）牙輪）牙輪 20CrMo合金鋼錐體，錐面銑齒或鑲裝硬質(zhì)合金齒，內(nèi)腔有軸承跑道。合金鋼錐體，錐面銑齒或鑲裝硬質(zhì)合金齒，內(nèi)腔有軸承跑道。 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：

4、主錐復(fù)錐牙輪：主錐+ +副錐副錐+ +背錐，軟到中硬背錐，軟到中硬 a單錐；單錐； b、c復(fù)錐；復(fù)錐； 1主錐；主錐； 2副錐；副錐； 3背錐背錐abc銑齒牙輪鉆頭銑齒牙輪鉆頭鑲齒牙輪鉆頭鑲齒牙輪鉆頭（2 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，有多種齒形適應(yīng)不同地層鑲裝在牙輪錐面上，有多種齒形適應(yīng)不同地層。2 2軸承軸承 牙輪鉆頭軸承有大、中、小和止推四副。根據(jù)軸承的密封與否，可分為密牙輪鉆頭軸承有大、中、小和止推四副。根據(jù)軸承的密封與否，可分為密封和非密封兩類。根據(jù)軸承副的結(jié)構(gòu)，可分為滾動(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承兩大

5、類。封和非密封兩類。根據(jù)軸承副的結(jié)構(gòu)，可分為滾動(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承兩大類。 滾動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)：滾動(dòng)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(dòng)一止推滑動(dòng)一止推 滑動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)：滑動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)：滑動(dòng)滑動(dòng)滾珠滾珠滑動(dòng)滑動(dòng)止推止推 滑動(dòng)滑動(dòng)滑動(dòng)（卡簧）滑動(dòng)（卡簧）滑動(dòng)滑動(dòng)止推止推 密封圈密封圈滾柱止推臺(tái)階滑動(dòng)摩擦襯套滑動(dòng)摩擦副3 3儲(chǔ)油潤(rùn)滑密封系統(tǒng)儲(chǔ)油潤(rùn)滑密封系統(tǒng) v儲(chǔ)油潤(rùn)滑補(bǔ)償系統(tǒng)儲(chǔ)油潤(rùn)滑補(bǔ)償系統(tǒng) v密封系統(tǒng)密封系統(tǒng)： v橡膠密封圈、金屬密封圈橡膠密封圈、金屬密封圈 v工作原理：工作原理： 儲(chǔ)油壓力補(bǔ)償系統(tǒng)（傳壓孔、壓儲(chǔ)油壓力補(bǔ)償系統(tǒng)（傳壓孔、壓力補(bǔ)償膜、油杯等）保持軸承腔內(nèi)力補(bǔ)償膜、油杯

6、等）保持軸承腔內(nèi)的油壓與井內(nèi)鉆井液柱壓力相平衡。的油壓與井內(nèi)鉆井液柱壓力相平衡。當(dāng)軸承腔內(nèi)油壓降低，儲(chǔ)油杯中的當(dāng)軸承腔內(nèi)油壓降低，儲(chǔ)油杯中的潤(rùn)滑油在鉆井液柱壓力作用下補(bǔ)充潤(rùn)滑油在鉆井液柱壓力作用下補(bǔ)充到軸承腔內(nèi)；當(dāng)軸承腔內(nèi)的油壓升到軸承腔內(nèi)；當(dāng)軸承腔內(nèi)的油壓升高，則流入儲(chǔ)油杯。其中，高，則流入儲(chǔ)油杯。其中，有效密有效密封是關(guān)鍵封是關(guān)鍵。 4 4水眼水眼 鉆井液流出鉆頭射向井底的流道。高壓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(dòng)的水射流，鉆井液流經(jīng)噴嘴后產(chǎn)生高速流動(dòng)的水射流，清除井底巖屑，輔助破碎巖石。清除井底巖屑，輔助破碎巖石。 三牙輪鉆頭一般安裝三牙輪鉆頭一般安裝 3

7、3 個(gè)水眼，噴嘴個(gè)水眼，噴嘴用卡簧固定在水眼內(nèi)，并用用卡簧固定在水眼內(nèi)，并用o o形形圈密封。圈密封。 5 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 1）轉(zhuǎn)一周牙齒全部破碎井底，不留下未被破碎的凸起；）轉(zhuǎn)一周牙齒全部破碎井底，不留下未被破碎的凸起； （2 2）牙輪在重復(fù)滾動(dòng)時(shí)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(dòng)時(shí)應(yīng)使牙齒不落入別的牙齒的破碎坑內(nèi)； （3 3）牙齒磨損均勻。）牙齒磨損均勻。牙輪布置方案：牙輪布置方案： （1 1）非自洗無(wú)滑動(dòng)布置：）非自洗無(wú)滑動(dòng)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

8、超頂，不移軸，用于硬地層； （2 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 3）自洗移軸布置：）自洗移軸布置： 各牙輪牙齒齒圈相互嵌合，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； 非自洗非自洗自洗無(wú)移軸自洗無(wú)移軸自洗移軸自洗移軸（二）牙輪鉆頭工作原理（二）牙輪鉆頭工作原理 1 1牙輪鉆頭在井底的運(yùn)動(dòng)牙輪鉆頭在井底的運(yùn)動(dòng) 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)。 自轉(zhuǎn)自轉(zhuǎn)：牙齒繞牙輪軸線作逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)稱自轉(zhuǎn)。牙齒繞牙輪軸線

9、作逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)稱自轉(zhuǎn)。 滑動(dòng)：滑動(dòng)：牙輪齒相對(duì)于井底的滑移，包括徑向（軸向）和切向（周向）滑動(dòng)。牙輪齒相對(duì)于井底的滑移，包括徑向（軸向）和切向（周向）滑動(dòng)。 引起滑動(dòng)的原因：引起滑動(dòng)的原因： 超頂和復(fù)錐引起切向（周向）滑動(dòng)超頂和復(fù)錐引起切向（周向）滑動(dòng) 移軸引起徑向（軸向）滑動(dòng)移軸引起徑向（軸向）滑動(dòng) 縱向振動(dòng)：縱向振動(dòng)：牙輪在滾動(dòng)過(guò)程，其中心上下波動(dòng)，使鉆頭做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。牙輪在滾動(dòng)過(guò)程，其中心上下波動(dòng)，使鉆頭做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。 引起縱向振動(dòng)的原因：引起縱向振動(dòng)的原因： 單、雙齒交替接觸井底，使牙輪中心上下波動(dòng)；單、雙齒交替接觸井底，使牙輪中心上下波動(dòng)； 井底凹凸不平井底凹凸不平 超頂引起切

10、向滑動(dòng)超頂引起切向滑動(dòng)副錐產(chǎn)生超頂效果副錐產(chǎn)生超頂效果單、雙齒交替接觸井底單、雙齒交替接觸井底 引起縱向振動(dòng)引起縱向振動(dòng)移軸引起徑向滑動(dòng)移軸引起徑向滑動(dòng)O a O a a O 2 2牙輪鉆頭的破巖作用牙輪鉆頭的破巖作用 （1 1）沖擊、壓碎作用）沖擊、壓碎作用 縱向振動(dòng)產(chǎn)生的沖擊力和靜壓力（鉆壓）一起使牙齒對(duì)地層產(chǎn)生沖縱向振動(dòng)產(chǎn)生的沖擊力和靜壓力（鉆壓）一起使牙齒對(duì)地層產(chǎn)生沖擊、壓碎作用，形成體積破碎坑。擊、壓碎作用，形成體積破碎坑。 （2 2）滑動(dòng)剪切作用）滑動(dòng)剪切作用 牙輪牙齒的徑向滑動(dòng)和切向滑動(dòng)對(duì)井底地層產(chǎn)生剪切作用，牙輪牙齒的徑向滑動(dòng)和切向滑動(dòng)對(duì)井底地層產(chǎn)生剪切作用， 破碎齒間巖石。破

11、碎齒間巖石。 （3 3）射流的沖蝕作用）射流的沖蝕作用 由噴嘴噴出的高速射流對(duì)井底巖石產(chǎn)生沖蝕作用，輔助破碎巖石。由噴嘴噴出的高速射流對(duì)井底巖石產(chǎn)生沖蝕作用，輔助破碎巖石。牙輪滑動(dòng)對(duì)破巖的作用牙輪滑動(dòng)對(duì)破巖的作用: : 牙輪的超頂和復(fù)錐引起的切向滑動(dòng)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(dòng)剪切掉牙齒之間的巖石。 超頂引起的軸向滑動(dòng)剪切掉齒圈之間的巖石。超頂引起的軸向滑動(dòng)剪切掉齒圈之間的巖石。（三）牙輪鉆頭類型（三）牙輪鉆頭類型 1. 1. 國(guó)產(chǎn)牙輪鉆頭分類方法國(guó)產(chǎn)牙輪鉆頭分類方法 （1 1）按結(jié)構(gòu)分類：）按結(jié)構(gòu)分類：Y，P，MP，MPB，HP，HPB，XMP，XH共共8個(gè)個(gè)系列系列

12、 系 列 名 稱類 別全 稱簡(jiǎn) 稱代 號(hào)普通三牙輪鉆頭普通鉆頭Y噴射式三牙輪鉆頭噴射式鉆頭P滾動(dòng)密封軸承噴射式三牙輪鉆頭密封鉆頭MP滾動(dòng)密封軸承保徑噴射式三牙輪鉆頭密封保徑鉆頭MPB滑動(dòng)密封軸承噴射式三牙輪鉆頭滑動(dòng)軸承鉆頭HP銑齒鉆頭滑動(dòng)密封軸承保徑噴射式三牙輪鉆頭滑動(dòng)保徑鉆頭HPB鑲硬質(zhì)合金齒滾動(dòng)密封軸承噴射式三牙輪鉆頭鑲齒密封鉆頭XMP鑲齒鉆頭鑲硬質(zhì)合金齒滑動(dòng)密封軸承噴射式三牙輪鉆頭鑲齒滑動(dòng)軸承鉆頭XH（2 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 國(guó)產(chǎn)三牙輪鉆頭類型及適應(yīng)地層國(guó)產(chǎn)三牙輪鉆頭類型及適應(yīng)地層 類型代號(hào)：類型代

13、號(hào)：數(shù)字?jǐn)?shù)字1 17 7，表明所適應(yīng)的地層，表明所適應(yīng)的地層 系列代號(hào)：系列代號(hào)：字母字母Y,P,MP,MPB,HP,HPB,XMP,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 v v例：例：用于中硬地層、直徑為用于中硬地層、直徑為8in(215.9mm)8in(215.9mm)的鑲齒滑動(dòng)密封軸承噴的鑲齒滑動(dòng)密封軸承噴射式三牙輪鉆頭的型號(hào)為：射式三牙輪鉆頭的型號(hào)為：8XHP5或或215.9XHP5。 （3 3）型號(hào)表示方法）型號(hào)表示方法 2. IADC2. IADC分類法分類法 系列代號(hào)系列代號(hào)用數(shù)字用數(shù)字1 18 8表示鉆頭牙齒特征

14、及適鉆地層；表示鉆頭牙齒特征及適鉆地層； 1-31-3為銑齒，為銑齒，5-85-8為鑲齒。為鑲齒。地層等級(jí)代號(hào)地層等級(jí)代號(hào)用數(shù)字用數(shù)字1 14 4表示所鉆地層再分為表示所鉆地層再分為4 4個(gè)等級(jí)個(gè)等級(jí)；鉆頭結(jié)構(gòu)特征代號(hào)鉆頭結(jié)構(gòu)特征代號(hào)用數(shù)字用數(shù)字1 19 9表示鉆頭結(jié)構(gòu)特征，其表示鉆頭結(jié)構(gòu)特征，其中中1 17 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(hào)附加結(jié)構(gòu)特征代號(hào)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(jiàn)書祥見(jiàn)書P66-67. P66-67. 例如：例如：341S341S表示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 4級(jí)硬地層非密封級(jí)

15、硬地層非密封 滾動(dòng)軸承的標(biāo)準(zhǔn)銑齒鉆頭。滾動(dòng)軸承的標(biāo)準(zhǔn)銑齒鉆頭。 537C537C表示適用于底抗壓強(qiáng)度的軟到中硬的表示適用于底抗壓強(qiáng)度的軟到中硬的3 3級(jí)地層滑動(dòng)級(jí)地層滑動(dòng) 密封軸承保徑帶中心噴嘴鉆頭。密封軸承保徑帶中心噴嘴鉆頭。四四. . 金剛石鉆頭金剛石鉆頭 （1 1）金剛石材料特性與分類、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)）金剛石材料特性與分類、結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 金剛石為碳在高溫高壓下形成的結(jié)晶體，正四面體晶體金剛石為碳在高溫高壓下形成的結(jié)晶體，正四面體晶體結(jié)構(gòu)。在單位晶胞中，碳原子位于四面體的頂角及結(jié)構(gòu)。在單位晶胞中，碳原子位于四面體的頂角及 中心。每個(gè)碳原子與鄰近的四個(gè)碳原子形成四個(gè)共價(jià)鍵。中心。每個(gè)碳原子與鄰近的四個(gè)

16、碳原子形成四個(gè)共價(jià)鍵。 分類：天然金剛石分類：天然金剛石聚晶金剛石復(fù)合片（聚晶金剛石復(fù)合片（PDCPDC） 熱穩(wěn)定性聚晶金剛石（熱穩(wěn)定性聚晶金剛石（TSPTSP）金剛石鉆頭的結(jié)構(gòu)金剛石鉆頭的結(jié)構(gòu) 金剛石鉆頭為無(wú)活動(dòng)部件的整體金剛石鉆頭為無(wú)活動(dòng)部件的整體式鉆式鉆 頭。由鋼體、胎體（冠部和保徑部頭。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分）、水眼及水槽、金剛石切削刃等部分組成組成。（2）天然金剛石鉆頭（天然金剛石鉆頭（Diamond Bit) Diamond Bit) 與熱穩(wěn)定性聚晶金剛與熱穩(wěn)定性聚晶金剛石（石（TSPTSP）鉆頭）鉆頭1. 1. 常用剖面形狀：常用剖面形狀

17、： a雙錐階梯形；雙錐階梯形； b雙錐形；雙錐形； c“B”形；形； d脊圈式脊圈式“B”形形 2. 2. 水眼和水槽水眼和水槽 鉆井液由水眼流出，經(jīng)過(guò)水槽流過(guò)鉆頭表面，清洗井底，冷卻和鉆井液由水眼流出，經(jīng)過(guò)水槽流過(guò)鉆頭表面，清洗井底，冷卻和潤(rùn)滑金剛石。常用水力結(jié)構(gòu)：潤(rùn)滑金剛石。常用水力結(jié)構(gòu)：3.3.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： 0.5 0.5 15 15粒粒/ /克拉（克拉（0.2g)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 1/3 排列方式排列方式： a a 鉆頭外形；鉆頭外形；b b交錯(cuò)排列；交錯(cuò)排列；c c圓周排列；圓周排列

18、；d d脊圈排列脊圈排列 4.鉆頭保徑鉆頭保徑 5.5.金剛石鉆頭與金剛石鉆頭與TSPTSP的破巖機(jī)理的破巖機(jī)理 概括地講，金剛石鉆頭以磨削（研磨）方式破碎巖石，類似于砂輪磨削概括地講，金剛石鉆頭以磨削（研磨）方式破碎巖石，類似于砂輪磨削金屬的過(guò)程。金屬的過(guò)程。 (1)(1) 在鉆進(jìn)某些硬地層時(shí)，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(shí)，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)(2)在塑性地層在塑性地層( (或巖石在應(yīng)力作用下呈塑性的地層或巖石在應(yīng)力作用下呈塑性的地層) )， 使前方的巖石內(nèi)

19、部發(fā)生破碎或塑性流動(dòng)，使前方的巖石內(nèi)部發(fā)生破碎或塑性流動(dòng)， 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)(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)為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)為脆性破碎，即屬于以剪力和張力形式破碎巖石。脆性破碎，即屬于以剪力和張力形式破碎巖石。 (4)(4)在堅(jiān)硬巖石在堅(jiān)硬巖石( (如隧石、硅質(zhì)白云巖、硅質(zhì)石灰?guī)r等如隧石、硅質(zhì)白云巖、硅質(zhì)石灰?guī)r等) )中，是要靠金剛石的中，是要靠金剛石的棱角實(shí)現(xiàn)微切削、刻劃等方式來(lái)破碎巖石。棱角實(shí)現(xiàn)微切削、刻劃等方式來(lái)破碎巖石。 （三）（三）PDCPDC鉆

20、頭（鉆頭（Polycrystalline Diamond Compact BitPolycrystalline Diamond Compact Bit）胎體胎體PDCPDC鉆頭鉆頭鋼體鋼體PDCPDC鉆頭鉆頭2. 2. 工作剖面形狀工作剖面形狀 特點(diǎn)特點(diǎn) 內(nèi)外錐有利于鉆內(nèi)外錐有利于鉆頭穩(wěn)定；頭穩(wěn)定； 外錐較長(zhǎng)，可多外錐較長(zhǎng)，可多布齒，使磨損均勻；布齒，使磨損均勻； 鉆硬夾層，冠部鉆硬夾層，冠部齒易早期損壞。齒易早期損壞。 適合中等均質(zhì)地適合中等均質(zhì)地層。層。 特點(diǎn)特點(diǎn) 鉆頭表面積較小，鉆頭表面積較小，水力集中，清洗效水力集中，清洗效果好；果好； 載荷分布較均勻；載荷分布較均勻； 用于鉆石灰?guī)r、

21、用于鉆石灰?guī)r、白云巖等較硬地層。白云巖等較硬地層。 特點(diǎn)特點(diǎn) 側(cè)向推力指向鉆頭側(cè)向推力指向鉆頭中心，有利于防斜；中心，有利于防斜； 鉆頭外部表面積鉆頭外部表面積大，可布置較多切大，可布置較多切削齒，利于提高壽削齒，利于提高壽命。命。 用于軟地層用于軟地層。 特點(diǎn)特點(diǎn) 冠頂較寬且較平冠頂較寬且較平緩，載荷分布較均緩，載荷分布較均勻。勻。 外側(cè)采用圓弧，外側(cè)采用圓弧，布齒面積較大。布齒面積較大。 用于硬地層。用于硬地層。 雙錐形雙錐形淺錐形淺錐形拋物線形拋物線形B B 形形3. 3. 切削齒水眼（噴嘴）流道與切削齒水眼（噴嘴）流道與 布置布置 刮刀式布齒方式：刮刀式布齒方式：特點(diǎn)是整體強(qiáng)度高、特點(diǎn)

22、是整體強(qiáng)度高、抗沖擊能力強(qiáng)、易于清洗和冷卻、排屑抗沖擊能力強(qiáng)、易于清洗和冷卻、排屑好、抗泥包能力強(qiáng)。適用于粘性或軟地好、抗泥包能力強(qiáng)。適用于粘性或軟地層。層。 單齒式布齒方式：?jiǎn)锡X式布齒方式：布齒區(qū)域大、布齒布齒區(qū)域大、布齒密度高，可以提高鉆頭的使用壽命，但密度高，可以提高鉆頭的使用壽命，但水力清洗能力低，容易在粘性地層泥包。水力清洗能力低，容易在粘性地層泥包。適用于硬地層。適用于硬地層。 組合式切削齒的布置，組合式切削齒的布置，具有較好的清具有較好的清洗、冷卻和排屑能力，布齒密度較高。洗、冷卻和排屑能力，布齒密度較高。這種布齒方式的鉆頭多用于中等硬度地這種布齒方式的鉆頭多用于中等硬度地層。層

23、。 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. 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(zhǎng)壽命的作用。取值起到保護(hù)切削齒，延長(zhǎng)壽命的作用。取值0 0- - 2020，軟地層小一些，硬地層大一些。，軟地層小一些，硬地層大一些。 側(cè)傾角（旁鋒刀面角）側(cè)傾角（旁鋒刀面角）：鉆頭旋轉(zhuǎn)時(shí)，切削刃面對(duì)切屑產(chǎn)生向外側(cè)的鉆頭旋轉(zhuǎn)時(shí)，切削刃面對(duì)切屑產(chǎn)生向外側(cè)的 推力，有利于向外排除巖屑。推力，有利于向外排除巖屑。 =15=15左右。左右。5.5.PDCPDC鉆頭破巖機(jī)理鉆頭破巖機(jī)理 PDCPDC鉆頭主要以切削方式破碎巖石。鉆頭主要以切

24、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)生剪切破壞。發(fā)生剪切破壞。 切削塑性巖石和脆性巖石的過(guò)程類似于刮刀鉆頭。由于多個(gè)切削塑性巖石和脆性巖石的過(guò)程類似于刮刀鉆頭。由于多個(gè) 切削齒同時(shí)工作，井底巖石自由面多，因此破巖效率高。切削齒同時(shí)工作，井底巖石自由面多，因此破巖效率高。 金剛石切削刃耐磨性高，鉆頭壽命長(zhǎng)，單只鉆頭進(jìn)尺高。金剛石切削刃耐磨性高，鉆頭壽命長(zhǎng)，單只鉆頭進(jìn)尺高。（四）特殊用途金剛石材料鉆頭（四）特殊用途金剛石材料鉆頭 1.取心鉆頭取心鉆頭 2.擴(kuò)眼鉆頭擴(kuò)眼鉆頭（五）金剛石材料鉆頭的（五）金剛石材料鉆頭

25、的IADCIADC分類法分類法(P70)(P70)切削齒種類切削齒種類 和和 鉆頭體材料鉆頭體材料 鉆頭冠部形狀鉆頭冠部形狀 水力結(jié)構(gòu)特點(diǎn)水力結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 切削齒大小切削齒大小 和和 切削齒密度切削齒密度D，M，S， T，O1919 R，X，O19 第一位字碼第一位字碼第二位字碼第二位字碼第三位字碼第三位字碼第四位字碼第四位字碼 一、鉆柱的作用與組成一、鉆柱的作用與組成 二、鉆柱的工作二、鉆柱的工作 狀態(tài)與受力分析狀態(tài)與受力分析 三、鉆柱設(shè)計(jì)三、鉆柱設(shè)計(jì)一、鉆柱的組成與作用一、鉆柱的組成與作用（一）鉆柱的作用（一）鉆柱的作用 (1)(1)提供鉆井液流動(dòng)通道；提供鉆井液流動(dòng)通道； (2)(2)給鉆頭

26、提供鉆壓；給鉆頭提供鉆壓； (3)(3)傳遞扭距；傳遞扭距； (4)(4)起下鉆頭；起下鉆頭； (5)(5)計(jì)量井深。計(jì)量井深。 (6)(6)觀察和了解井下情況（鉆頭工作情況、井眼狀況、地層情況）；觀察和了解井下情況（鉆頭工作情況、井眼狀況、地層情況）； (7)(7)進(jìn)行其它特殊作業(yè)（取芯、擠水泥、打撈等）；進(jìn)行其它特殊作業(yè)（取芯、擠水泥、打撈等）； (8)(8)鉆桿測(cè)試鉆桿測(cè)試 ( Drill-Stem Testing),( Drill-Stem Testing),又稱中途測(cè)試。又稱中途測(cè)試。（二）鉆柱的組成（二）鉆柱的組成 鉆柱鉆柱(Drilling String)(Drilling St

27、ring)是鉆頭是鉆頭以上，水龍頭以下部分的鋼管柱的總以上，水龍頭以下部分的鋼管柱的總稱稱. . 它包括方鉆桿它包括方鉆桿(Square Kelly)(Square Kelly)、鉆桿鉆桿(Drill Pipe)(Drill Pipe)、鉆挺、鉆挺(Drill (Drill Collar)Collar)、 各種接頭各種接頭(Joint)(Joint)及穩(wěn)定及穩(wěn)定器器(Stabilizer)(Stabilizer)等井下工具。等井下工具。 1. 1. 鉆桿鉆桿 （1）作用：）作用：傳遞扭矩和輸送鉆井液，延長(zhǎng)鉆柱。傳遞扭矩和輸送鉆井液，延長(zhǎng)鉆柱。 （2 2）結(jié)構(gòu)：）結(jié)構(gòu)：管體管體+ +接頭接頭 常

28、用的加厚形式有內(nèi)加厚常用的加厚形式有內(nèi)加厚(a)(a)、外加厚、外加厚(b)(b)、 內(nèi)外加厚內(nèi)外加厚(c)(c)三種三種. . (a) (b) (c) （3 3）規(guī)范）規(guī)范： 壁厚：壁厚：9 9 11mm 11mm 外徑：外徑： 長(zhǎng)度：長(zhǎng)度： 根據(jù)美國(guó)石油學(xué)會(huì)根據(jù)美國(guó)石油學(xué)會(huì)(American Petroleum Institute,(American Petroleum Institute,簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱API)API)的規(guī)的規(guī)定，鉆桿按長(zhǎng)度分為三類：定，鉆桿按長(zhǎng)度分為三類： 第一類第一類 5.4865.486 6.7066.706米米(18(182222英尺英尺) )； 第二類第二類 8.23

29、08.230 9.1449.144米米(27(273030英尺英尺); ); 第三類第三類 11.58211.58213.71613.716米米(38(384545英尺英尺) )。 常用鉆桿規(guī)范（內(nèi)徑、外徑、壁厚、線密度等）見(jiàn)表常用鉆桿規(guī)范（內(nèi)徑、外徑、壁厚、線密度等）見(jiàn)表2-12 2-12 21,21 ,21,87 ,835139.70 ,500.127 430.1144101.60390.88 273.00 230.60 （4 4）鋼級(jí)與強(qiáng)度）鋼級(jí)與強(qiáng)度 （6 6）接頭及絲扣）接頭及絲扣 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。尺寸相等，絲扣類型相同，公母扣相匹配

30、。 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（IFIF）、貫眼（）、貫眼（FHFH）、正規(guī)（）、正規(guī)（REGREG）；）； NCNC系列系列 鉆 桿 鋼 級(jí)物 理 性 能DE95（X）105（G）135（S）MPa379.21517.11655.00723.95930.70最小屈服強(qiáng)度lb/in2550007500095000105000135000MPa586.05723.95861.85930.791137.64最大屈服強(qiáng)度lb/in285000105000125000135000165000MPa65

31、5.00689.48723.95792.90999.74最小抗拉強(qiáng)度lb/in295000100000105000115000145000 內(nèi)平式：內(nèi)平式：主要用于外加厚鉆主要用于外加厚鉆 桿。其特點(diǎn)是鉆桿通體內(nèi)徑相同，桿。其特點(diǎn)是鉆桿通體內(nèi)徑相同， 鉆井液流動(dòng)阻力小；但外徑較大，鉆井液流動(dòng)阻力?。坏鈴捷^大， 容易磨損。容易磨損。 貫眼式：貫眼式：主要用于內(nèi)加厚鉆主要用于內(nèi)加厚鉆 桿。其特點(diǎn)是鉆桿有兩個(gè)內(nèi)徑，桿。其特點(diǎn)是鉆桿有兩個(gè)內(nèi)徑， 鉆井液流動(dòng)阻力大于內(nèi)平式，但鉆井液流動(dòng)阻力大于內(nèi)平式，但 其外徑小于內(nèi)平式。其外徑小于內(nèi)平式。 正規(guī)式：正規(guī)式：主要用于內(nèi)加厚鉆主要用于內(nèi)加厚鉆 桿及鉆頭、

32、打撈工具。其特點(diǎn)是桿及鉆頭、打撈工具。其特點(diǎn)是 接頭內(nèi)徑接頭內(nèi)徑 加厚處內(nèi)徑加厚處內(nèi)徑 管體內(nèi)徑，管體內(nèi)徑， 鉆井液流動(dòng)阻力大，但外徑最小，鉆井液流動(dòng)阻力大，但外徑最小， 強(qiáng)度較大。強(qiáng)度較大。 三種類型接頭均采用三種類型接頭均采用V型螺紋，型螺紋， 但扣型、扣距、錐度及尺寸等都但扣型、扣距、錐度及尺寸等都 有很大的差別。有很大的差別。NCNC型系列接頭型系列接頭 NC23，NC26，NC31，NC35，NC38，NC40，NC44，NC46，NC50，NC56，NC61，NC70，NC77 NCNational Coarse ThreadNational Coarse Thread，（美國(guó)）國(guó)

33、家標(biāo)準(zhǔn)粗牙螺紋。，（美國(guó)）國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)粗牙螺紋。 xxxx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1010。 如：如：NC26NC26表示的節(jié)圓直徑為表示的節(jié)圓直徑為2.6682.668英寸。英寸。 NCNC螺紋也為螺紋也為V V型螺紋型螺紋, , 表表2-172-17所列的幾種所列的幾種NCNC型接頭與舊型接頭與舊APIAPI標(biāo)準(zhǔn)接頭有相標(biāo)準(zhǔn)接頭有相同的節(jié)圓直徑、錐度、螺距和螺紋長(zhǎng)度，可以互換使用同的節(jié)圓直徑、錐度、螺距和螺紋長(zhǎng)度，可以互換使用。 表表2-17 可以互換使用的接頭可以互換使用的接頭 數(shù)字型接頭NC26NC31NC38NC40

34、NC46NC50舊API接頭283IF287IF321IF4IF4FH421IF2. 2. 鉆鋌鉆鋌 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(wú)專門接頭；壁厚大管體兩端直接車制絲扣，無(wú)專門接頭；壁厚大(38-53(38-53毫米），毫米）， 重量大，剛度大。重量大，剛度大。 主要作用：主要作用：(1)(1)給鉆頭施加鉆壓給鉆頭施加鉆壓; ; (2) (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) (3)減輕鉆頭的振動(dòng)、擺動(dòng)和跳動(dòng)等，使鉆頭工作平穩(wěn)；減輕鉆頭的振動(dòng)、擺動(dòng)和跳動(dòng)等，使鉆頭工作平穩(wěn)； (4)(4)控制井斜。控制井斜。 類類 型：型：光鉆鋌、螺旋鉆鋌、扁

35、鉆鋌。光鉆鋌、螺旋鉆鋌、扁鉆鋌。 常用尺寸：常用尺寸：6-1/46-1/4，7 7 ，8 8 ，9 9 3.3.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)：壁厚較大，強(qiáng)度較高壁厚較大，強(qiáng)度較高 主要作用：主要作用：傳遞扭矩和承受鉆柱的全部重量傳遞扭矩和承受鉆柱的全部重量。 常用尺寸：常用尺寸：89mm(3.5英寸英寸)，108mm (4.5英寸英寸)，133.4mm (5.5英英寸寸)。4.4.穩(wěn)定器穩(wěn)定器 類型：類型：剛性穩(wěn)定器、不轉(zhuǎn)動(dòng)橡膠套穩(wěn)定器、滾輪穩(wěn)定器剛性穩(wěn)定器、不轉(zhuǎn)動(dòng)橡膠套穩(wěn)定器、滾輪穩(wěn)定器。 作用：作用：1 1）防斜；）防斜； 2 2）控制井眼軌跡）控

36、制井眼軌跡。 二二.鉆柱的工作狀態(tài)鉆柱的工作狀態(tài) 1. 1. 起下鉆工況下：起下鉆工況下： 直井：直井：直的拉伸、滑動(dòng)直的拉伸、滑動(dòng) 斜井：斜井：隨井眼傾斜和彎曲，滑動(dòng)。隨井眼傾斜和彎曲，滑動(dòng)。 2. 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；在扭矩作用下旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。上部受拉伸，下部受壓彎曲；在扭矩作用下旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 下部鉆柱彎曲的原因：下部鉆柱彎曲的原因： 鉆壓的作用使下部鉆柱受壓縮，當(dāng)壓力達(dá)到鉆柱的臨界鉆壓的作用使下部鉆柱受壓縮，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)生彎曲并與井壁接觸。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。 壓力較大時(shí)可能發(fā)生

37、多次彎曲。壓力較大時(shí)可能發(fā)生多次彎曲。3. 3. 鉆柱的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)形式：鉆柱的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)形式： （1）自轉(zhuǎn)）自轉(zhuǎn)鉆柱象一根柔性軸，圍繞自身軸線旋轉(zhuǎn)。鉆柱象一根柔性軸，圍繞自身軸線旋轉(zhuǎn)。 均勻磨損，易發(fā)生疲勞破壞。均勻磨損，易發(fā)生疲勞破壞。 （2）公轉(zhuǎn)）公轉(zhuǎn)鉆柱象一個(gè)剛體，圍繞著井眼軸線旋轉(zhuǎn)并沿著井壁鉆柱象一個(gè)剛體，圍繞著井眼軸線旋轉(zhuǎn)并沿著井壁 滑動(dòng)。滑動(dòng)。 產(chǎn)生偏磨。產(chǎn)生偏磨。 （3）公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)的結(jié)合）公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)的結(jié)合 彎曲鉆柱圍繞井眼軸線旋轉(zhuǎn)，同時(shí)圍繞自身軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。彎曲鉆柱圍繞井眼軸線旋轉(zhuǎn)，同時(shí)圍繞自身軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。 （4） 縱向振動(dòng)縱向振動(dòng)鉆頭振動(dòng)引起，產(chǎn)生交變應(yīng)力。鉆頭振動(dòng)引起，產(chǎn)生交變應(yīng)力。

38、（5）扭轉(zhuǎn)振動(dòng)）扭轉(zhuǎn)振動(dòng)由井底對(duì)鉆頭旋轉(zhuǎn)阻力的變化引起，由井底對(duì)鉆頭旋轉(zhuǎn)阻力的變化引起， 產(chǎn)生交變扭剪應(yīng)力。產(chǎn)生交變扭剪應(yīng)力。 （6）橫向擺振）橫向擺振達(dá)到某一臨界轉(zhuǎn)速，可能產(chǎn)生無(wú)規(guī)則達(dá)到某一臨界轉(zhuǎn)速，可能產(chǎn)生無(wú)規(guī)則 擺動(dòng)，擺動(dòng)， 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)，但也可能產(chǎn)生公轉(zhuǎn)或兩種運(yùn)動(dòng)形式的結(jié)合。生公轉(zhuǎn)或兩種運(yùn)動(dòng)形式的結(jié)合。由于在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中受到由于在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中受到阻力的作用，鉆具的轉(zhuǎn)動(dòng)是不平穩(wěn)的。阻力的作用，鉆具的轉(zhuǎn)動(dòng)是不平穩(wěn)的。 三三.鉆柱的受力分析鉆柱的受力分析 1. 1. 概述概述 （1 1）

39、自重產(chǎn)生的拉力）自重產(chǎn)生的拉力 （2 2）鉆壓產(chǎn)生的壓力）鉆壓產(chǎn)生的壓力 （3 3）鉆井液的浮力）鉆井液的浮力 （4 4）摩擦阻力）摩擦阻力 （5 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 （7 7）起下鉆時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)載荷）起下鉆時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)載荷 （8 8）扭距）扭距 （9 9）彎曲應(yīng)力）彎曲應(yīng)力 （1010）離心力）離心力 （1111）外擠力）外擠力 （1212）振動(dòng)產(chǎn)生的交變應(yīng)力）振動(dòng)產(chǎn)生的交變應(yīng)力 鉆柱受力最嚴(yán)重的部位：鉆柱受力最嚴(yán)重的部位： 1 1）井口斷面）井口斷面拉力最大，扭距最大；拉力最大，扭距最大； 2 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)

40、力交變軸向應(yīng)力、彎曲應(yīng)力、扭剪應(yīng)力 3 3）中性點(diǎn)）中性點(diǎn)拉壓交變載荷。拉壓交變載荷。軸向力軸向力2 . 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)掏空時(shí)）：）自重產(chǎn)生的軸向拉力（井內(nèi)掏空時(shí)）： （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(shí)的軸向力：）正常鉆進(jìn)時(shí)的軸向力： sdBK 10FKLqLqKFBccppBmccppLqLqF0WFWLqLqKFccppwB（4 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(dòng)摩擦阻力：滑動(dòng)摩擦阻力： 動(dòng)

41、載荷：動(dòng)載荷： （5 5）起下鉆時(shí)鉆柱軸向力：）起下鉆時(shí)鉆柱軸向力： 410ibihAppFmfFF3 .02 .00FgtvFddfccppBtFFLqLqKF)(spbpbotpbsipppbotbbpppipbp（5 5）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)( (點(diǎn)點(diǎn)) ) ( (亦稱中和點(diǎn)，亦稱中和點(diǎn)，Neutral Point )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：LN 中性點(diǎn)距井底的高度，中性點(diǎn)距井底的高度，m m。 重要意義：重要意義： 1 1）設(shè)計(jì)鉆柱時(shí)要確保中性點(diǎn)始終落在鉆鋌上？）設(shè)計(jì)

42、鉆柱時(shí)要確保中性點(diǎn)始終落在鉆鋌上？ 2 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 3）中性點(diǎn)附近鉆柱受交變應(yīng)力作用，）中性點(diǎn)附近鉆柱受交變應(yīng)力作用， 易疲勞破壞。易疲勞破壞。BcNKqWL 鉆柱軸向力分布與中性點(diǎn)鉆柱軸向力分布與中性點(diǎn)w w 0 ( (+ +) ) ( (- -) ) 拉拉力力 壓壓力力 FW w w N N L LN 四、四、 鉆柱設(shè)計(jì)鉆柱設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)內(nèi)容：設(shè)計(jì)內(nèi)容： （1 1）尺寸選擇）尺寸選擇 （2 2）鉆鋌柱長(zhǎng)度計(jì)算）鉆鋌柱長(zhǎng)度計(jì)算 （3 3）鉆桿柱強(qiáng)度設(shè)計(jì)及較核。）鉆桿柱強(qiáng)度設(shè)計(jì)及較核。 設(shè)計(jì)原則：設(shè)計(jì)原則： （1 1）滿足強(qiáng)度（抗拉、抗擠強(qiáng)度等）

43、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 2）盡量減輕整個(gè)鉆柱的重力，以便在現(xiàn)有的抗負(fù)荷能力下鉆更深的井。）盡量減輕整個(gè)鉆柱的重力，以便在現(xiàn)有的抗負(fù)荷能力下鉆更深的井。 （一）、鉆柱尺寸選擇（一）、鉆柱尺寸選擇 1. 1. 依據(jù)依據(jù)： （1 1）鉆機(jī)的提升能力；）鉆機(jī)的提升能力； （2 2）井眼尺寸；）井眼尺寸； （3 3）地質(zhì)條件；）地質(zhì)條件； （4 4）工藝要求；）工藝要求； （5 5）供貨情況。）供貨情況。 2. 2. 經(jīng)驗(yàn)配合關(guān)系經(jīng)驗(yàn)配合關(guān)系鉆頭直徑mm(in)鉆鋌外徑mm(in)鉆桿外徑mm（in）方鉆桿方寬mm(in)299(1143)

44、203(8)168(685) 152(6)248299(9431143) 178203(78) 140(521) 133,152(541,6)197248(743943) 152178(67) 114,127(421,5) 108,133(441,541)146216(543821) 146(543) 89(321) 89,108(321,441) 選擇的基本原則選擇的基本原則: : 1.1.方鉆桿由于受到扭矩和拉力最大，在供應(yīng)可能的情況下，應(yīng)方鉆桿由于受到扭矩和拉力最大，在供應(yīng)可能的情況下，應(yīng) 盡盡 量選用大尺寸方鉆桿。量選用大尺寸方鉆桿。 2.2.在鉆機(jī)提升能力允許的情況下，選擇大尺寸鉆桿

45、是有利的。在鉆機(jī)提升能力允許的情況下，選擇大尺寸鉆桿是有利的。 3 3. .鉆鋌尺寸一般選用與鉆桿接頭外徑相等或相近的尺寸，有時(shí)根據(jù)鉆鋌尺寸一般選用與鉆桿接頭外徑相等或相近的尺寸，有時(shí)根據(jù) 防斜措施來(lái)選擇鉆鋌的直徑。防斜措施來(lái)選擇鉆鋌的直徑。 使用大直徑鉆鋌具有下列優(yōu)點(diǎn)使用大直徑鉆鋌具有下列優(yōu)點(diǎn)： （1 1）可用較少的鉆鋌滿足所需鉆壓的要求，可減少鉆鋌，從而減）可用較少的鉆鋌滿足所需鉆壓的要求，可減少鉆鋌，從而減 少起下鉆時(shí)連接鉆鋌的時(shí)間；少起下鉆時(shí)連接鉆鋌的時(shí)間； （2 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 3）鉆鋌和井壁的

46、間隙較小，可減少連接部分的疲勞破壞；）鉆鋌和井壁的間隙較小，可減少連接部分的疲勞破壞； （4 4）有利于防斜。）有利于防斜。 （二）鉆鋌長(zhǎng)度的確定（二）鉆鋌長(zhǎng)度的確定 浮重原則：浮重原則：保證在最大鉆壓時(shí)鉆桿不承受壓縮載荷，保證在最大鉆壓時(shí)鉆桿不承受壓縮載荷， 即保持中性點(diǎn)始終處在鉆鋌上。即保持中性點(diǎn)始終處在鉆鋌上。 計(jì)算公式：計(jì)算公式： 式中：式中： 鉆鋌長(zhǎng)度，鉆鋌長(zhǎng)度，m m； 設(shè)計(jì)的最大鉆壓，設(shè)計(jì)的最大鉆壓，kNkN； 安全系數(shù)，考慮附加力（動(dòng)載、井壁摩擦力等），安全系數(shù)，考慮附加力（動(dòng)載、井壁摩擦力等）， 防止中性點(diǎn)移動(dòng)較弱的鉆桿上，一般取防止中性點(diǎn)移動(dòng)較弱的鉆桿上，一般取 =1.15

47、 =1.15 1.251.25； 每米鉆鋌在空氣中的重力，每米鉆鋌在空氣中的重力，kN/mkN/m； K KB B 浮力系數(shù)；浮力系數(shù)； 井斜角，直井時(shí)，井斜角，直井時(shí)， =0=0。 cosmaxBcNcKqWSLcLmaxWNScqNS（三）鉆桿柱強(qiáng)度設(shè)計(jì)（三）鉆桿柱強(qiáng)度設(shè)計(jì) 1.1.強(qiáng)度條件強(qiáng)度條件 F Ft t F Fa a 式中：式中：Ft 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，kNkN； Fa鉆桿柱的最大安全靜拉力，鉆桿柱的最大安全靜拉力，kNkN。 （1 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

48、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，MPaMPa； 鉆桿的橫截面積，鉆桿的橫截面積，cmcm2 2； 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，kNkN。 可以計(jì)算可以計(jì)算, ,也可以從表也可以從表2 21414中查出。中查出。 pyyAF1 . 0ypAyFBmkckckpjijjpiitiKqLqLqLF)(111（2 2）鉆桿的最大允許拉伸力）鉆桿的最大允許拉伸力Fp： 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，kNkN。 （3）鉆桿的最大安全靜拉力Fa： 安全系數(shù)法（考慮起下鉆時(shí)的動(dòng)載及摩擦力

49、）安全系數(shù)法（考慮起下鉆時(shí)的動(dòng)載及摩擦力） 式中：式中： 安全系數(shù)，一般取安全系數(shù)，一般取1.301.30。 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：MOPMOP拉力余量，一般取拉力余量，一般取200200500KN500KN。 ypFF9.0pFtpaSFF/tS1typaFFMOPFFpa三者取最小值，作為三者取最小值，作為Fa2. 2. 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F a設(shè)計(jì)鉆桿柱的最大允許下深（長(zhǎng)度）設(shè)計(jì)鉆桿柱的最大允許下深（長(zhǎng)度）。 （1 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

50、許下深：最大允許下深： BccpaKqLLqF)(pccBaqqLKFL每段鉆桿滿足強(qiáng)度條件每段鉆桿滿足強(qiáng)度條件：BmkckckpjijjpiiiaKqLqLqLF)(111（2 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：思路：由下而上，所受拉伸載荷逐漸增大，強(qiáng)度應(yīng)逐漸增大。故由下而上，所受拉伸載荷逐漸增大，強(qiáng)度應(yīng)逐漸增大。故由鉆鋌上面第一段鉆桿開(kāi)始，先選擇強(qiáng)度較低的鉆桿，確定其許用長(zhǎng)由鉆鋌上面第一段鉆桿開(kāi)始，先選擇強(qiáng)度較低的鉆桿，確定其許用長(zhǎng)度；再逐段向上選擇強(qiáng)度更高的鉆桿進(jìn)行設(shè)計(jì)。這樣設(shè)計(jì)出來(lái)的鉆桿度；再逐段向上選擇強(qiáng)度更高的鉆桿進(jìn)行設(shè)計(jì)。這樣設(shè)計(jì)出來(lái)的鉆桿柱，由下而上強(qiáng)度逐

51、級(jí)增大以滿足抗拉強(qiáng)度的要求。柱，由下而上強(qiáng)度逐級(jí)增大以滿足抗拉強(qiáng)度的要求。 鉆鋌上面第一、二、三、四段鉆桿的長(zhǎng)度鉆鋌上面第一、二、三、四段鉆桿的長(zhǎng)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(zhǎng)度重力相應(yīng)各段鉆桿在空氣中的單位長(zhǎng)度重力; ; 1111pccBpaqLqKqFL211222pppCcBpaqLqLqKqFL32211333pppccBpaqLqLqLqKqFL3332211444ppppccBpaqLqLqLqLqKqFL4321LLLL，4321aaaaFFFF，4321ppppqqqq，3. 3. 強(qiáng)度較核強(qiáng)度較核 （1）

52、抗外擠強(qiáng)度較核：）抗外擠強(qiáng)度較核： 式中式中: : 最大安全外擠載荷最大安全外擠載荷, ,MPaMPa； 鉆桿的最小抗擠壓力，鉆桿的最小抗擠壓力，MPaMPa； 安全系數(shù)，一般應(yīng)不小于安全系數(shù)，一般應(yīng)不小于1.1251.125。 （2 2）抗扭強(qiáng)度較核：）抗扭強(qiáng)度較核： 式中：式中： M M - - 鉆桿承受的扭矩鉆桿承受的扭矩, ,kNkN m m； P P - - 使鉆柱旋轉(zhuǎn)所需的功率，使鉆柱旋轉(zhuǎn)所需的功率，kWkW； n n - - 轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速，rpmrpm。 （3 3）抗內(nèi)壓強(qiáng)度較核：）抗內(nèi)壓強(qiáng)度較核： 不同尺寸、鋼級(jí)和級(jí)別的鉆桿的最小抗內(nèi)壓力可在不同尺寸、鋼級(jí)和級(jí)別的鉆桿的最小抗內(nèi)壓

53、力可在API RP API RP 7G7G標(biāo)準(zhǔn)中查得，用適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù)去除它，即得其許用凈內(nèi)壓力標(biāo)準(zhǔn)中查得，用適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù)去除它，即得其許用凈內(nèi)壓力. . ccacSPP acPcPcSnPM67. 94 4典型鉆柱的設(shè)計(jì)舉例典型鉆柱的設(shè)計(jì)舉例 （1 1）設(shè)計(jì)參數(shù)）設(shè)計(jì)參數(shù) 井深井深:5000m; :5000m; 井徑井徑:215.9mm(8-1/2in); :215.9mm(8-1/2in); 鉆井液密度鉆井液密度:1.2g/cm:1.2g/cm3;3; 鉆壓鉆壓:180kN; :180kN; 井斜角井斜角:3:3; ; 拉力余量拉力余量:200kN(:200kN(本例假設(shè)本例假設(shè)); ); 卡瓦長(zhǎng)度卡瓦長(zhǎng)度:406.4mm; :406.4mm; 安全系數(shù)：安全系數(shù)：1.30(1.30(本例假設(shè)本例假設(shè)) )。 （2 2）鉆鋌選擇）鉆鋌選擇： 選用外徑選用外徑158.75mm(6-1/4in)158.75mm(6-1/4in)、內(nèi)徑、內(nèi)徑57.15mm(2-1/4in)57.15mm(2-1/4in)鉆鋌，每米重鉆鋌，每米重力力q qc c=1.35kN/m