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1、 、岩心钻探钻具、岩心钻探钻具一、岩心钻具的组成一、岩心钻具的组成二、钻杆柱与钻杆二、钻杆柱与钻杆三、钻杆柱在孔内工作状态三、钻杆柱在孔内工作状态四、钻具的基本结构四、钻具的基本结构五、套管五、套管六、钻杆钻具相关标准六、钻杆钻具相关标准一、一、钻杆柱的杆柱的组成成为了了获取岩芯，常取岩芯，常规的的钻具必具必须以回以回转运运动的方式的方式钻进。一套回。一套回转钻进岩芯岩芯钻具是由具是由钻头、岩芯管、异径、岩芯管、异径接接头、钻杆柱、杆柱、连接接接接头和水和水龙头等等组成，如成，如图1.2-1所所示。示。为了提取岩芯或更了提取岩芯或更换钻头，需要把，需要把钻具按一定的具按一定的长度度拧卸开，并由
2、孔内提出。在卸开，并由孔内提出。在进行升降工序中，行升降工序中，须使用使用各种各种钳子、提引器及子、提引器及垫叉，如叉，如图1.2-1中所示。中所示。由于地由于地层不同，可能使用不同的不同，可能使用不同的钻头钻进，这样，钻具的具的结构有一定的区构有一定的区别。钻头：钻头体内有体内有锥面，用以安装岩心提断器或投放面，用以安装岩心提断器或投放卡料，以便卡断岩芯。卡料，以便卡断岩芯。岩芯管岩芯管：在：在钻进时容容纳岩芯，同岩芯，同时也承受和也承受和传递钻压和扭力，和扭力，带动钻头工作；岩芯管的工作；岩芯管的长度限制了回次度限制了回次进尺的尺的长度。度。异径接异径接头：是用来：是用来连接岩芯管和接岩芯
3、管和钻杆柱的。它有杆柱的。它有铣刀刀接接头和三径接和三径接头两种，两种，铣刀式异径接刀式异径接头用于不需装配用于不需装配取粉管取粉管时，其，其铣刀可用以破碎孔壁掉下来的岩刀可用以破碎孔壁掉下来的岩块，以，以防止卡防止卡钻；三径异径接；三径异径接头上有左旋螺上有左旋螺纹，用以，用以连接接取取粉管。粉管。二、二、钻杆柱与杆柱与钻杆（重点杆（重点讲钻杆杆变化）化）1、钻杆柱的作用与杆柱的作用与结构构在在钻探工作中，探工作中，钻杆柱从地表把杆柱从地表把钻机的机的动作和作和动力力传递给井底的井底的钻头，钻头在井底破碎岩石、在井底破碎岩石、连续给进以及其他以及其他一切工作全取决于一切工作全取决于钻杆柱的工
4、作性能。杆柱的工作性能。钻杆柱在杆柱在传动工作工作系系统中是一个特殊的，中是一个特殊的，细长比特大的、在井筒特定条件下比特大的、在井筒特定条件下工作的工作的传动杆件。同杆件。同时它又是洗井液冲洗井底和冷却它又是洗井液冲洗井底和冷却钻头必需的液流通道。杆内承受着高必需的液流通道。杆内承受着高压、杆外承受着磨、杆外承受着磨损。虽然然钻杆柱在杆柱在结构上构上较为简单，实际上它承受着复上它承受着复杂的的外力，且外力，且处于失于失稳状状态，工作，工作负担是十分沉重的。所以担是十分沉重的。所以钻杆柱是杆柱是钻探工作的一个关探工作的一个关键组件和重要件和重要环节。实践表明，践表明，钻探的工作效率和安全生探的
5、工作效率和安全生产都取决于都取决于钻杆柱的可靠性。杆柱的可靠性。在某些特殊在某些特殊钻进方法中，方法中，钻杆柱杆柱还作作为输送岩芯或岩送岩芯或岩芯提取器的通道，或作芯提取器的通道，或作为更更换井底井底钻头的通道。因此，的通道。因此，还要求要求钻杆柱必杆柱必须具有光滑而平整的内孔。具有光滑而平整的内孔。在在许多情况下，多情况下，钻杆柱杆柱还起着起着辅助作用：投送卡取岩助作用：投送卡取岩芯的卡料芯的卡料输送送测斜斜仪器以及器以及输送堵漏材料等。送堵漏材料等。钻杆柱的杆柱的连接与立根：接与立根：图图2钻探用钻杆连接方式钻探用钻杆连接方式(a)平接头连接的钻杆；平接头连接的钻杆；(b)锁接头连接的钻锁
6、接头连接的钻杆；杆；(c)焊接锁接头连接的钻杆焊接锁接头连接的钻杆1钻杆；钻杆；2平接头或接箍；平接头或接箍；3锁接头的锥体；锁接头的锥体；4锁接头的接手锁接头的接手长期以来，期以来，钻杆柱都是采用螺杆柱都是采用螺纹连接的方式。螺接的方式。螺纹连接接必必须用公母螺扣用公母螺扣对接，因而大大削弱了管壁，螺接，因而大大削弱了管壁，螺纹部分成部分成为钻杆柱中最薄弱的部位。杆柱中最薄弱的部位。虽然采取了加厚螺然采取了加厚螺纹部位管壁部位管壁等等办法，法，还是常在螺是常在螺纹根部根部发生断生断钻杆的事故。杆的事故。采用采用绳索取芯索取芯钻进方法后，提方法后，提钻与下与下钻的次数大大减少，的次数大大减少，
7、不不仅降低了降低了钻杆柱的磨杆柱的磨损，更重要的是减少，更重要的是减少连接螺接螺纹的磨的磨损，减少了断，减少了断钻杆的事故杆的事故发生。生。钻 杆材质传统、新型。结构加厚螺纹形式扣高、螺距、齿形、头数。加工质量热处理、高精度、形位公差。合理使用拧卸、润滑。1、钻杆体采取两头镦粗的型式，增加了螺纹的截面尺寸，抗拉、抗扭强度得到、钻杆体采取两头镦粗的型式，增加了螺纹的截面尺寸，抗拉、抗扭强度得到大幅提高。大幅提高。2、螺纹扣高有的设计为、螺纹扣高有的设计为1mm或或1.25mm，从根本上消除了钻杆体深孔钻进脱扣，从根本上消除了钻杆体深孔钻进脱扣问题。螺纹扣高一方面消除了脱扣的发生，另一方面有效延长
8、了钻杆的使用寿命。问题。螺纹扣高一方面消除了脱扣的发生，另一方面有效延长了钻杆的使用寿命。3、对钻杆接头螺纹进行参数优化，钻杆及接头螺纹均采用精密数控车床加工钻杆及接头螺纹均采用精密数控车床加工（高性能刀具），严格控制加工质量。（高性能刀具），严格控制加工质量。螺纹：最关键的参数螺纹：最关键的参数拉、压、扭、弯、磨损、腐蚀拉、压、扭、弯、磨损、腐蚀-最薄弱环节最薄弱环节便于拧卸便于拧卸-频繁频繁密封密封-冲洗液冲洗液精度精度-同轴度，形位公差同轴度，形位公差老标准老标准钻杆强度分析对比某厂加某厂加强钻杆技杆技术参数参数无锡钻探工具厂绳索钻杆钻进深度S75：2009年年新疆有色地勘局新疆有色地勘
9、局哈密黄山铜矿哈密黄山铜矿1550米（米（S75A）福建煤田福建煤田121队队曲靖煤田曲靖煤田1560米米(S75A)辽宁冶金辽宁冶金402队队鞍山铁矿鞍山铁矿2183米米(CNH)河北承德四队河北承德四队钒铁矿钒铁矿2011米米(CNH)安徽地矿安徽地矿325队队涡阳铁矿涡阳铁矿1980米米(CNH)S95：2009年年福建煤田福建煤田121队队曲靖煤田曲靖煤田1390米（米（S95A）云南煤田云南煤田143队队云南昭通云南昭通1280米（米（S95A）安徽地矿安徽地矿325队队涡阳铁矿涡阳铁矿1480米（米（CHH）安徽地矿安徽地矿313队队霍邱铁矿霍邱铁矿1250米（米（CHH）2、钻杆
10、柱材杆柱材质与要求：与要求：常常规的的钻杆是由不同成分的合金无杆是由不同成分的合金无缝钢管制成管制成。表表2 钻钻杆杆钢钢管的力学性能管的力学性能钢钢 级级屈服点屈服点S，MPa抗拉抗拉强强度度P，MPa延伸率延伸率S，%不不 小小 于于DZ4040065014DZ5050070012DZ5555075012DZ6060078012DZ6565080012DZ7575085010为了保了保证钻杆杆质量，扎制的量，扎制的钢管必管必须经正火和正火和回火回火处理，或理，或经调质处理；理；镦厚厚钻杆，杆，车制制连接螺接螺纹；钻杆接杆接头；连接螺接螺纹的要求与的要求与标准；准；采用采用铝合金合金钻杆；杆
11、；加重加重钻杆或杆或钻铤。现在在许多国家在地多国家在地质勘探勘探钻进中已中已经采用采用铝合金合金钻杆。使杆。使用用铝合金合金钻杆可以减小整个杆可以减小整个钻杆柱的杆柱的质量，可以减小回量，可以减小回转钻杆柱所消耗的功率，可以减小提升杆柱所消耗的功率，可以减小提升钻杆柱消耗的功率，杆柱消耗的功率，所以在同所以在同样的条件下可以增大的条件下可以增大钻机的可机的可钻深度，可以提高深度，可以提高转速而使机械速而使机械钻速提高到速提高到1.31.5倍倍,同同样可以减少升降可以减少升降钻柱的柱的时间。图图3俄罗斯用的铝合金钻杆俄罗斯用的铝合金钻杆(a)平接头连接的平接头连接的TH-54钻杆钻杆1平接头；平
12、接头；2钻杆；钻杆；3平接手；平接手；(b)锁接头连接的锁接头连接的TM-54钻杆钻杆1锁接头；锁接头；2钻杆；钻杆；3锁接箍锁接箍加重加重钻杆杆(或或钻铤)在在钻进大口径大口径(例如例如93mm或更大或更大)钻孔孔时为了增大了增大钻压和改善和改善钻杆柱工作状杆柱工作状态而采用。在而采用。在钻具具组合中是在岩芯管与合中是在岩芯管与钻杆之杆之间接加重接加重钻杆。加接加重杆。加接加重钻杆杆可以增大可以增大钻杆柱下面的重量和杆柱下面的重量和刚度，可在度，可在钻头上施加大而上施加大而稳定的定的钻压。加重。加重钻杆的杆的总重量重量应大于所需的大于所需的钻压。带有有加重加重钻杆的杆的钻杆柱工作比杆柱工作比
13、较平平稳，断，断钻的可能性减小，的可能性减小，钻孔弯曲度也减少，但增大孔弯曲度也减少，但增大钻杆柱底部的重量在杆柱底部的重量在发生孔内事生孔内事故故时处理起来比理起来比较困困难。三、三、钻杆柱工作状杆柱工作状态（重点（重点讲下下页的的图）1、工作特点：工作特点：取芯回取芯回转钻进依靠依靠钻杆柱杆柱给孔底的孔底的钻头传递回回转运运动和扭矩。同和扭矩。同时传送送纵向向给进和和轴向向钻压。钻杆柱杆柱给孔底工作的孔底工作的钻头传送所需送所需钻压P0 主要依主要依赖于于钻杆柱自身的重量杆柱自身的重量W，多余的部分由，多余的部分由钻机提拉而减机提拉而减压；如果重量不足，如果重量不足，则需需钻机机补充而加充
14、而加压。所以。所以钻机在向孔机在向孔底随底随时给进钻具的同具的同时，还须根据根据钻杆柱重杆柱重W和和钻头所所需的需的钻压P0，随，随时进行行调节和控制。和控制。图图9钻杆柱在孔内钻杆柱在孔内图图10钻杆柱钻杆柱图图11钻杆柱受力钻杆柱受力扭转传送状态扭转传送状态在孔内的波形弯曲在孔内的波形弯曲分析图分析图钻杆柱由地表杆柱由地表连续不断地不断地给孔底孔底钻头传送工作扭矩送工作扭矩M0。由于由于钻杆柱在孔内作回杆柱在孔内作回转运运动，与孔壁，与孔壁发生多生多点接触，从而点接触，从而产生摩擦扭矩生摩擦扭矩M1。由于。由于钻杆柱在孔内杆柱在孔内工作状工作状态和孔壁的和孔壁的实际状况的差异，回状况的差异
15、，回转摩擦阻力差摩擦阻力差别很大而使摩擦扭矩很大而使摩擦扭矩M1变化很大，往往大于化很大，往往大于钻头所所需的扭矩需的扭矩M0。由于摩擦扭矩。由于摩擦扭矩M1的的变化和工作扭矩化和工作扭矩M0的的变化而使化而使钻杆柱的回杆柱的回转运运动不不稳定，定，产生不同程度生不同程度的扭振，影响的扭振，影响钻进工作。工作。如上如上图所示。所示。2、钻杆柱弯曲：杆柱弯曲：钻杆柱在孔内工作杆柱在孔内工作时，以一定的，以一定的转速作回速作回转运运动。由。由于于钻杆柱自身的某些偏心和由自重失杆柱自身的某些偏心和由自重失稳而而产生的某些弯生的某些弯曲，造成曲，造成钻杆柱有一定的杆柱有一定的质量偏离回量偏离回转中心。
16、中心。这些偏心些偏心质量在回量在回转运运动中中则产生离心力，更使生离心力，更使钻杆柱弯曲。杆柱弯曲。与此同与此同时，钻杆柱上杆柱上还有由于自重而有由于自重而产生的生的纵向向压力。力。在离心力和在离心力和纵向力的作用下，使整个向力的作用下，使整个钻杆柱在孔内呈波杆柱在孔内呈波形弯曲，其波峰形弯曲，其波峰压向孔壁，在回向孔壁，在回转运运动中和向下中和向下给进中中产生摩擦阻力，影响生摩擦阻力，影响钻进工作。工作。如如图1.25所示。所示。萨尔基索夫基索夫对钻杆柱在孔内的弯曲状杆柱在孔内的弯曲状态进行了行了研究并提出了研究并提出了计算半波算半波长的理的理论。显然，由于自然，由于自重而重而产生的生的纵向
17、力是随着向力是随着钻杆柱向下延伸而逐杆柱向下延伸而逐渐增大的，因此，增大的，因此，各部位的半波各部位的半波长L是不一是不一样的。的。在减在减压钻进中，部分自重由中，部分自重由钻机提拉而平衡，所机提拉而平衡，所以在以在钻杆柱某点杆柱某点纵向力向力为零，称零断面或中和点零，称零断面或中和点（如（如图1.2-5中中OO表示）。表示）。零断面以上的零断面以上的钻杆柱受杆柱受纵向拉力，向拉力，零断面以零断面以下的下的钻杆柱受杆柱受纵向向压力。从受力状力。从受力状态可以看出；可以看出；中和点以上越中和点以上越远半波半波长越大；中和点以下越越大；中和点以下越远半半波波长越小，半波越小，半波长越小表示越小表示
18、钻杆柱弯曲越杆柱弯曲越严重。重。萨尔基索夫研究基索夫研究钻杆柱在孔内弯曲状杆柱在孔内弯曲状态的的问题时是是设定定钻杆柱受外力杆柱受外力(离心力和离心力和纵向力向力)所作的功等于所作的功等于钻杆柱杆柱变形形所所储存的位能。即：存的位能。即：UA A1 (1.2l)式中式中U钻杆柱杆柱变形位能；形位能；A离心力所作的功；离心力所作的功；A1纵向力所作的功。向力所作的功。1、关于、关于钻杆柱杆柱变形能形能U：钻杆柱弯曲杆柱弯曲变形所形所储存的位能存的位能U可以可以计算如下算如下：（1.22）式中式中M断面的弯矩；断面的弯矩；d边界断面的界断面的转角角dx/；该处的曲率半径。的曲率半径。通通过变换得：
19、得：（1.25）2、关于离心力所作的功关于离心力所作的功A：离心力离心力对钻杆柱所作的功杆柱所作的功A可以根据离心力及其可以根据离心力及其变化化过程程计算。算。dx长的的钻杆杆质量量为：(g 单位位长度度钻杆的重量杆的重量)当当钻杆柱角速度杆柱角速度为时，dx单元的离心力元的离心力为：(1.26)由于由于该离心力在达到平衡之前是随离心力在达到平衡之前是随y值的增大而增大的，的增大而增大的，所以所以该力所作的功力所作的功为：(1.27)最后得：最后得：kgfcm (1.28)3、纵向力所作的功向力所作的功A1：纵向力所作的功：向力所作的功：最后得：最后得：(1.210)4、萨尔基索夫公式：基索夫
20、公式：根据根据UA+A1，则得：得：即：即：（1.211）最后得最后得计算半波算半波长的公式：的公式：（1.213）萨尔基索夫公式是在完整的基索夫公式是在完整的钻孔中以理想的孔中以理想的钻杆柱在杆柱在钻孔中以孔中以钻孔的孔的轴线为中心而公中心而公转为基基础的，并呈平面的，并呈平面弯曲状弯曲状态。实际上，由于上，由于钻杆柱的杆柱的纵向不均匀向不均匀(特特别是是接接头部位部位)，不同心及存在初始弯曲和，不同心及存在初始弯曲和钻孔孔径不均匀孔孔径不均匀等原因，等原因，钻杆柱在孔内的弯曲状况是杆柱在孔内的弯曲状况是较复复杂的。但的。但萨尔基索夫公式表示了基索夫公式表示了钻杆柱在孔内弯曲的基本状杆柱在孔
21、内弯曲的基本状态。在在实际工作中，工作中，钻杆柱除承受杆柱除承受纵向力和离心力外向力和离心力外还承承受扭矩。受扭矩。扭矩使扭矩使钻杆柱成杆柱成为不等距螺旋状弯曲不等距螺旋状弯曲(孔底螺孔底螺距最小，往上逐距最小，往上逐渐增大增大)，但是，相，但是，相对而言，在一般情而言，在一般情况下，扭矩况下，扭矩对钻杆柱弯曲状杆柱弯曲状态的影响不大。的影响不大。影响影响钻杆柱杆柱变形形稳定性定性较大的因素是大的因素是钻杆柱由于离心力杆柱由于离心力而弯曲的而弯曲的挠度是不断增大的，即离心力越大，度是不断增大的，即离心力越大，挠度越大，度越大，挠度越大，离心力也越大。在尚未达到与度越大，离心力也越大。在尚未达到
22、与变形能平衡之前，形能平衡之前，钻杆碰到孔壁并杆碰到孔壁并压向孔壁而向孔壁而产生磨擦阻力，阻止生磨擦阻力，阻止钻杆回杆回转。离心力由于离心力由于转速减小而大减，弯曲速减小而大减，弯曲挠度因离心力减小而减度因离心力减小而减小，而脱离孔壁，消除了磨擦阻力。从而小，而脱离孔壁，消除了磨擦阻力。从而转速又复增大。速又复增大。这样形成形成钻杆柱在孔内回杆柱在孔内回转运运动中中发生回生回转的以及的以及纵向的向的弹性振性振动，十分影响，十分影响钻进工作。工作。在应用萨尔基索夫公式计算在应用萨尔基索夫公式计算钻杆柱弯曲的半波长度时，钻杆柱弯曲的半波长度时，会碰到不等径的钻杆柱问题，会碰到不等径的钻杆柱问题，例
23、如使用钻铤时，为了安全例如使用钻铤时，为了安全计，常常把零断面选择在钻计，常常把零断面选择在钻铤部位铤部位(如图如图1.2-8所示所示)。在此零断面以上部分为不等在此零断面以上部分为不等径钻杆柱，如要计算出径钻杆柱，如要计算出MN处处的半波长。可利用当量钻杆的半波长。可利用当量钻杆柱长度来求得当量坐标柱长度来求得当量坐标Zeq来来计算计算：（1.214）而而式中式中qT 钻铤每米重量；每米重量；q0 钻杆柱每米的重量。杆柱每米的重量。将将Zeq值代入代入萨尔基索夫公式，基索夫公式，则可求得不等径可求得不等径钻杆柱杆柱MN处的半波的半波长。由于由于钻杆接杆接头而影响而影响钻杆柱不等断面杆柱不等断
24、面问题，通常可用一，通常可用一修正系数修正系数计算：算：(1.215)式中式中q0钻杆杆单位位长度的重量；度的重量；钻杆接杆接头的加重系数，的加重系数，值常取常取1.31.41。用用q表示表示单位位钻杆杆长度的重量，可度的重量，可计算用接算用接头连接的接的钻杆柱弯曲的半波杆柱弯曲的半波长度。度。5、钻杆柱的弯曲杆柱的弯曲应力力：钻杆柱在孔内杆柱在孔内发生弯曲，半波生弯曲，半波长越小，弯曲越越小，弯曲越严重，重，产生的弯曲生的弯曲应力越大。其弯曲力越大。其弯曲应力可利用其弯曲力可利用其弯曲变形形来求得。来求得。钻杆柱的弯曲曲杆柱的弯曲曲线方程式方程式为：最后得：最后得：kgf/cm2(1.218
25、)由公式由公式(1.218)可知，可知，钻杆柱的弯曲杆柱的弯曲应力与力与钻杆直杆直径径d和最大和最大挠度度f 成正比关系，而与半波成正比关系，而与半波长度度l的平方的平方成反比。所以半波成反比。所以半波长越小，弯曲越小，弯曲应力越力越严重。由重。由萨尔基索夫公式知，半波基索夫公式知，半波长度又与度又与(转速速)成反比，所以成反比，所以半波半波长受受钻杆柱杆柱转速的影响比速的影响比较大。高大。高转速速产生更大生更大的离心力，加的离心力，加强了了钻杆柱的弯曲。杆柱的弯曲。钻杆柱的弯曲状态钻杆柱的弯曲状态钻杆柱在孔内可能有两种不钻杆柱在孔内可能有两种不同的旋转方式，如图同的旋转方式，如图1.29所示
26、。所示。钻杆柱象一根刚性的弯钻杆柱象一根刚性的弯曲杆，围绕曲杆，围绕O1公转公转。在这。在这种情况下，钻杆产生一边种情况下，钻杆产生一边偏磨。偏磨。钻杆象一根柔性轴，虽钻杆象一根柔性轴，虽然弯曲，但围绕自身中心然弯曲，但围绕自身中心O2自转自转。此时钻杆表面产。此时钻杆表面产生均匀磨损。生均匀磨损。图图1.2-9从理从理论上上讲，如果，如果钻杆柱的杆柱的刚度各方向是均匀一致的，度各方向是均匀一致的，那么那么钻杆柱以何种方式旋杆柱以何种方式旋转就取决于外界阻力的大小。就取决于外界阻力的大小。按照常按照常规是以消耗能量最小的方式是以消耗能量最小的方式转动。当当钻杆柱公杆柱公转时，旋，旋转经过的行程
27、大，要消耗的行程大，要消耗较多的能量以克服泥多的能量以克服泥浆阻力和孔壁的磨擦阻力，特阻力和孔壁的磨擦阻力，特别是当是当钻杆柱弯曲部分靠在杆柱弯曲部分靠在孔壁上孔壁上时，磨擦力更大。而当，磨擦力更大。而当钻杆柱自杆柱自转时，旋，旋转经过的行程小，克服泥的行程小，克服泥浆阻力和孔壁的磨擦力所消耗的能量阻力和孔壁的磨擦力所消耗的能量也也较少。因此，一般少。因此，一般认为弯曲的弯曲的钻杆柱主要以自杆柱主要以自转方式方式旋旋转，但也可能以公，但也可能以公转运运动方式旋方式旋转或者既有自或者既有自转又有又有公公转两者两者结合的运合的运动方式旋方式旋转。这是由于是由于还有其他因素有其他因素的影响，如的影响
28、，如钻杆柱的杆柱的刚度是否均匀，度是否均匀，钻孔壁是否孔壁是否规整，整，所用的技所用的技术参数是否恰当和一致以及孔径是否参数是否恰当和一致以及孔径是否规范，等范，等等。等。假定假定钻杆柱是各向杆柱是各向刚度均匀而光滑的度均匀而光滑的弹性管柱，由自性管柱，由自重向孔底重向孔底给钻头加加压而弯曲。并假定弯曲而弯曲。并假定弯曲钻杆柱是自杆柱是自转运运动的柔性管。在此情况下，弯曲的柔性管。在此情况下，弯曲钻杆柱自杆柱自转这一一论点是恰当的。在此情况下，弯曲点是恰当的。在此情况下，弯曲钻杆柱自杆柱自转这一一论点是恰当的。点是恰当的。鲁宾斯基在此基斯基在此基础上研究了上研究了钻杆柱的孔杆柱的孔底弯曲状底弯
29、曲状态以及它与孔斜的关系以及它与孔斜的关系。在在钻杆柱自杆柱自转的情况下，离心力的的情况下，离心力的总和等于零。和等于零。对钻杆柱的弯曲没有影响。杆柱的弯曲没有影响。这时钻杆柱的弯曲杆柱的弯曲问题可可简化化为不旋不旋转的，完全由的，完全由纵向力作用的弯曲向力作用的弯曲问题。值得提得提到的，自到的，自转弯曲的弯曲的钻杆柱，在杆柱，在钻杆柱内杆柱内产生生严重的交重的交变应力，力，对钻杆柱的工作寿命影响很大。杆柱的工作寿命影响很大。在在钻进中，由于部分中，由于部分钻杆柱的重量是作杆柱的重量是作为钻压施加在施加在钻头之上，使得下部之上，使得下部钻杆柱受杆柱受压缩。在。在钻压小和直孔的条件小和直孔的条件
30、下，下，钻杆柱也可能是直的。但当杆柱也可能是直的。但当压力达到某一力达到某一临界界值时(参看参看图1.210)，下部，下部钻杆柱失去直杆柱失去直线稳定状定状态而而发生弯生弯曲，并且在某一点和孔壁接触，称曲，并且在某一点和孔壁接触，称为切点。切点。钻杆柱的中和点杆柱的中和点N1在切点在切点T1的上方，的上方，这是第一次弯曲是第一次弯曲(如如图1.210中曲中曲线I所示所示)。如果。如果继续加大加大钻压，则弯曲弯曲状状态又改又改变。切点逐。切点逐渐下移，中和点上移下移，中和点上移(如如图l.210中中曲曲线所示所示)。当。当钻压增大到新的增大到新的临界界值时，钻杆柱弯曲杆柱弯曲轴线呈呈现出第二个半
31、波，出出第二个半波，出现第二个切点，第二个切点，这是是钻杆柱的杆柱的第二次弯曲第二次弯曲(如如图1.210中的曲中的曲线)。如果如果继续加大加大钻压，则会出会出现钻杆柱的第三次弯曲或更杆柱的第三次弯曲或更多次弯曲。多次弯曲。目前在石油目前在石油转盘钻中，特中，特别是牙是牙轮钻头或刮刀或刮刀钻头钻进中，使用低中，使用低转速大速大钻压钻进工工艺规程，一般都程，一般都超超过常用常用钻铤的一次弯曲的一次弯曲临界界值，下部，下部钻杆柱将杆柱将发生弯曲。所以在石油生弯曲。所以在石油钻井或水井井或水井钻进中，中，为了防止了防止井斜和井斜和钻铤弯曲弯曲过甚，常常采用扶正措施。甚，常常采用扶正措施。在孔底在孔底
32、钻杆柱弯曲状杆柱弯曲状态的研究中，的研究中，鲁宾斯基斯基经室内模室内模拟实验和运用和运用弹性理性理论的分析及的分析及计算算(钻杆柱在自杆柱在自转的前提的前提下，并假定下，并假定钻杆柱两端杆柱两端为铰支方式支方式)，提出了如下孔底，提出了如下孔底钻杆柱受自重而弯曲状杆柱受自重而弯曲状态的分析。其受力状的分析。其受力状态如如图1.211所示。所示。图中：中：W1 提引器作用在提引器作用在钻杆柱上端的拉力；杆柱上端的拉力；F1立立轴卡卡盘或或转盘卡瓦作用于卡瓦作用于钻杆柱上端的水平力；杆柱上端的水平力；W2井底作用于井底作用于钻杆柱下端的向上垂直分力；杆柱下端的向上垂直分力；F2井底作用于井底作用于
33、钻杆柱下端的水平分力；杆柱下端的水平分力；F 当当钻杆杆发生弯曲生弯曲时，井壁作用于切点的水平分力；，井壁作用于切点的水平分力；Q钻杆柱的重力；杆柱的重力；B泥泥浆对钻杆柱的浮力；杆柱的浮力；A1断面断面MN上的横向切力；上的横向切力；B2 静水静水压力造成的力造成的压力，它垂直于断面正比于静水力，它垂直于断面正比于静水压力但力但对纵向弯曲无影响。向弯曲无影响。在上述在上述设定条件的基定条件的基础上，研究了上，研究了MN断面以下的断面以下的钻杆柱杆柱段，使段，使MN断面上的内断面上的内应力与作用的外力相乎衡。据此得力与作用的外力相乎衡。据此得出了弯曲出了弯曲钻杆柱的以中和点杆柱的以中和点为坐坐
34、标原点的微分方程式：原点的微分方程式：（1.219）式中式中E 钻杆柱杆柱钢材的材的弹性模量，性模量，E2.1106kgfcm2；J 钻杆柱横断面的杆柱横断面的轴惯性矩，性矩，cm4；q 单位位长度度钻杆柱在泥杆柱在泥浆中的重量，中的重量，kgcm。在求解式在求解式(1.2一19)微分方程中，可引用一个无因次量微分方程中，可引用一个无因次量m。即：即：cm (1.220)这样可使可使计算算结果与具体的果与具体的钻杆柱、杆柱、钻铤、泥、泥浆类型无关。型无关。求解的求解的结果果为：钻头落于井底，落于井底，钻杆柱杆柱给钻头不断加不断加压，当中和点到达，当中和点到达钻头上方上方l.94m时，钻杆柱杆柱
35、发生一次弯曲；生一次弯曲；继续加加压，当中，当中和点到达和点到达钻头上方上方3.75m时，钻杆柱杆柱发生二次弯曲。生二次弯曲。当当钻压达到二次弯曲的达到二次弯曲的临界界值时，虽然然钻杆柱弯曲有两杆柱弯曲有两个半波形，但上面的半波与井壁尚未有接触点，个半波形，但上面的半波与井壁尚未有接触点，这是二是二次弯曲的前期，直到次弯曲的前期，直到钻压增大到中和点位于增大到中和点位于钻头上上4.22m时，上部的半波才与井壁接触，上部的半波才与井壁接触，钻杆柱具有两个杆柱具有两个切点，如切点，如图1.210的曲的曲线所示。所示。这是二次弯曲的后期。是二次弯曲的后期。钻杆柱下端杆柱下端发生弯曲后，生弯曲后，处于
36、失于失稳状状态，必然与井壁，必然与井壁相接触。相接触。钻杆柱下部的弯曲不杆柱下部的弯曲不仅对钻杆柱造成杆柱造成严重的重的应力，特力，特别是是钻杆柱自杆柱自转而造成的疲而造成的疲劳破坏是十分破坏是十分严重的。重的。同同时，井底，井底钻杆柱因弯曲而杆柱因弯曲而倾斜，在自斜，在自转条件下，使条件下，使钻头倾斜，斜，则发生井斜。生井斜。2.3.4回回转钻杆柱的扭杆柱的扭应力力经多方的多方的试验和研究，在岩芯和研究，在岩芯钻探中，探中，钻进垂直孔垂直孔时，在正常在正常钻进的条件下，的条件下，回回转钻杆柱所需的功率杆柱所需的功率为；NdNlN2N3(1.221)式中式中Nd钻进功率；功率；N1空空转钻杆柱
37、的功率；杆柱的功率；N2克服由于克服由于传送送钻压、钻杆柱弯曲并与孔壁接触而杆柱弯曲并与孔壁接触而产生磨擦阻力生磨擦阻力时增加的功率；增加的功率；N3钻头破碎岩石所需的功率破碎岩石所需的功率(包括包括钻头与孔底的磨与孔底的磨擦功率擦功率)。空空转钻杆柱的功率杆柱的功率N1钻杆柱空杆柱空转功率是指把全部功率是指把全部钻杆柱放入孔中，而上部杆柱放入孔中，而上部悬挂、下端不触孔底，以一定挂、下端不触孔底，以一定转速回速回转钻杆柱，所需的功率。杆柱，所需的功率。对50 mm锁接箍接箍连接的接的钻杆柱杆柱钻较大孔径大孔径(93mm)时，其，其空空转功率功率为：N1=(2.3n2+3.1210-5n)L0
38、.68k1k2 (1.222)式中式中n钻杆柱杆柱转速，速，r/s；L钻杆柱杆柱长度，度，m；k1、k2由于由于钻孔弯曲而使空孔弯曲而使空转功率增加的系数。功率增加的系数。磨擦增加的功率磨擦增加的功率N2由于由于钻杆柱承受杆柱承受轴向向压力而使力而使钻杆柱弯曲与孔壁杆柱弯曲与孔壁发生磨生磨擦因而增加的功率，可由下式擦因而增加的功率，可由下式计算：算：(1.228)式中式中经验系数；系数；P 钻头上的上的轴向向压力，力，N；经试验，不，不论是用是用钻铤或用或用钻杆的重量杆的重量产生相同的孔底生相同的孔底钻压时，两者的功率相差甚小，两者的功率相差甚小(当当Z400600m时，钻铤重重4001200
39、 kg时)。n钻杆桂杆桂转速，速，rs。2.3.4.3钻头破碎岩石所需功率破碎岩石所需功率N3 使用不同的使用不同的钻头破碎岩石，所需功率不同。破碎岩石，所需功率不同。钻头破碎岩破碎岩石的功率，常用下式石的功率，常用下式计算：算：（a）(1.229)式中式中Nb破碎孔底破碎孔底单位面位面积消耗的功率；消耗的功率；F孔底破碎岩石的面孔底破碎岩石的面积，m2。不同的不同的钻头，破碎岩石，破碎岩石时，Nb取取值不同：不同：硬合金和金硬合金和金刚石石钻头钻进时Nb50 104150104 Wm2 钻粒粒钻进时Nb15104 Wm2牙牙轮钻头钻进时Nb150104 Wm2 (b)对刮刀式刮刀式钻头 (1
40、.230)式中式中n钻头转速，速，rs；m刮刀或翼片的数目；刮刀或翼片的数目；h钻头上一个翼片每上一个翼片每转切入深度，切入深度，mm；，此，此处Vm为平均机械平均机械钻速，速，ms；C岩石的抗岩石的抗压强度，度，MPa。已知断面扭矩已知断面扭矩则可根据材料力学算出可根据材料力学算出该断面的剪断面的剪应力力值。通常在通常在钻杆柱的杆柱的强度度计算中采用第三算中采用第三强度理度理论计算其合成算其合成应力，即如下式所示：力，即如下式所示：(1.231)式中式中p、b钻杆柱某断面上的拉杆柱某断面上的拉应力、弯曲力、弯曲应力；力；钻杆柱同一断面的剪杆柱同一断面的剪应力。力。2.3.5 提升提升钻杆柱的
41、拉杆柱的拉应力力 当开始把全部当开始把全部钻杆柱从孔中提起杆柱从孔中提起时，钻杆柱上杆柱上端受有最大的拉端受有最大的拉应力。力。该提升拉力的大小除了直提升拉力的大小除了直接受接受钻杆柱本身的重力外，杆柱本身的重力外，还与与钻杆柱在提升杆柱在提升时孔内孔内对它的各种阻力它的各种阻力(主要是孔壁主要是孔壁对钻杆柱的磨擦杆柱的磨擦阻力和洗井液阻力和洗井液对钻杆柱的粘滞阻力杆柱的粘滞阻力)以及提升以及提升钻杆杆柱在加速柱在加速阶段所增加的段所增加的惯性力等。性力等。(1.232)在垂直孔中提升在垂直孔中提升钻杆柱最大的拉力杆柱最大的拉力Q为：2.3.5.1 钻杆柱本身的重力杆柱本身的重力Q1 (1.2
42、33)式中式中由于接箍和管端加厚等由于接箍和管端加厚等对单位位长度度钻杆杆重量的修正系数；重量的修正系数；q0平滑平滑钻杆杆单位位长度的重量；度的重量；L钻杆柱的杆柱的长度；度；m 冲洗液冲洗液(泥泥浆)的比重；的比重；s管材的比重。管材的比重。2.3.5.2 提升提升钻杆柱杆柱时孔内增加的阻力孔内增加的阻力Q2 (1.234)该力与力与钻孔的弯曲状孔的弯曲状态，孔壁，孔壁间隙，孔壁岩石性隙，孔壁岩石性质及状及状态，泥，泥浆的性能，的性能，钻杆柱本身的杆柱本身的刚度及弯曲状度及弯曲状态等因素有等因素有关。条件复关。条件复杂，难于精确于精确计算，算，应根据根据现场具体条件而具体条件而测定。定。2
43、.3.5.3提升加速度的提升加速度的惯性力性力Q3 (1.2-35)式中式中提升加速度；提升加速度；Vp达到的最高提升速度；达到的最高提升速度；t加速延加速延续的的时间；g 重力加速度。重力加速度。四四、钻具的基本结构、钻具的基本结构1、普通金、普通金刚石石钻进钻具：具：普通金普通金刚石石钻进的的钻具具见图1.2-4所示。其所示。其钻具具结构比石油构比石油钻井的井的钻具要具要简单得多，它主要由得多，它主要由钻头、扩孔器、岩芯管、孔器、岩芯管、钻杆接杆接头以及扶正器以及扶正器组成。成。许多情况下，常常不使用扶正多情况下，常常不使用扶正器，也不使用器，也不使用钻铤，导致致钻孔的弯曲比孔的弯曲比较严
44、重；当然，重；当然，绳索取芯索取芯钻进就不可能使用扶正器。就不可能使用扶正器。2、扶正器、扶正器钻具：具：（1）增斜）增斜组合合钻具：具：按照增斜能力的大小分按照增斜能力的大小分为强、中、弱三种。、中、弱三种。结构如构如图5所所示，配合尺寸示，配合尺寸见表表3所列。在使用中要注意：所列。在使用中要注意：钻压越大，越大，增斜能力越大；增斜能力越大；L1越越长，增斜能力越小；近，增斜能力越小；近钻头扶正器直扶正器直径减小，增斜能力也减小。使用径减小，增斜能力也减小。使用时应保持低保持低转速。速。类类型型L1L2L3强增斜组合强增斜组合1.01.8中增斜组合中增斜组合1.01.818.027.0弱增
45、斜组合弱增斜组合1.01.89.018.09.0表表3 增斜钻具组合的配合尺寸增斜钻具组合的配合尺寸 图图5增斜组合钻具增斜组合钻具（2）降斜）降斜钻具具组合：合：按照降斜能力的大小分按照降斜能力的大小分为强、弱两种。、弱两种。结构如构如图6所示，所示，配合尺寸配合尺寸见表表4所列。在使用中要注意保持小所列。在使用中要注意保持小钻压和和较低低转速。速。对于于强降斜降斜组合来合来说，L1越越长，则降斜能力越降斜能力越强，但不，但不得与井壁有新的接触点。得与井壁有新的接触点。表表4降斜降斜钻具具组合的配合尺寸合的配合尺寸类类型型L1L2强降斜组合强降斜组合9.027.0弱降斜组合弱降斜组合0.81
46、8.027.0 图图6降斜组合钻具降斜组合钻具（3）稳斜斜钻具具组合：合：按照按照稳斜能力的大小分斜能力的大小分为强、中、弱三种。、中、弱三种。结构构见图7所示，所示，配合尺寸配合尺寸见表表5所列。在使用中要注意保持正常所列。在使用中要注意保持正常钻压和和较高高转速。若需要更速。若需要更强的的稳斜斜组合，可使用双扶正器串合，可使用双扶正器串联起来作起来作为近近钻头扶正器。扶正器。表表5稳斜斜钻具具组合的配合尺寸合的配合尺寸类类型型L1L2L3L4L5强稳斜强稳斜组合组合0.81.24.56.09.09.09.0中稳斜中稳斜组合组合1.01.83.06.09.018.09.027.0弱稳斜弱稳斜
47、组合组合1.01.84.59.0 图图7稳斜组合钻具稳斜组合钻具五五、套管、套管套管柱用以加固套管柱用以加固钻孔的不孔的不稳定孔壁，定孔壁，还可用来将一些地可用来将一些地层与另一些地与另一些地层隔离开。岩心隔离开。岩心钻探中最常用的套管柱是将外表探中最常用的套管柱是将外表光滑的无光滑的无缝套管用平接套管用平接头连接起来的。平接接起来的。平接头连接的无接的无缝套套管尺寸管尺寸见表表6和和图8(a)。图图8无缝套管无缝套管(a)平接头连接的无缝套管；平接头连接的无缝套管；(b)直接连接的套管直接连接的套管 套管套管外径外径套管套管壁厚壁厚平接头平接头外径外径平接头平接头内径内径镗孔镗孔(旋旋孔孔)
48、直径直径外部镗外部镗孔直径孔直径外螺纹外螺纹镗镗孔长度孔长度全剖面内全剖面内外螺纹长外螺纹长度度套管套管长度长度一米光滑套管一米光滑套管的理论质量的理论质量(kg)一个平接一个平接头头的理论的理论质量质量(kg)44.03.544.034.040.538.84036150045003.500.757.04.557.046.052.550.05.831.073.05.073.062.069.066.57.401.389.05.089.078.085.582.510.361.7108.05.0108.095.5103.5101.040561500600012.702.4127.05.0127.01
49、14.5122.5120.015.402.6146.05.0146.0134.0141.5139.017.392.8表表6 平接平接头连头连接的无接的无缝缝套管及套管平接套管及套管平接头头的尺寸的尺寸(mm)（老（老标标准）准）六、钻具有关标准：国际标准ISO：International Organization for Standardization或International Standard Organized。中国是ISO的正式成员，代表中国的组织为中国国家标准化管理委员会（Standardization Administration of China，简称SAC）。国际上岩心钻探（矿
50、山钻探、地质钻探）标准仅涉及金刚石岩心钻探钻具（设备）标准。目前国际上没有统一的钻探技术标准，一些工业发达的国家或协会或重要企业分别制定了自己的钻具系列标准，在世界上最有影响的金刚石岩心钻探设备标准首推美国金刚石岩心钻机制造商协会制定的DCDMA标准，与其相近的还有加拿大的CDDA，英国、澳大利亚的BS等英制标准；此外瑞典的515、日本的JIS公制标准也有一定的应用领域；绳索取心钻探钻具（设备）连近似的国家标准或协会标准都没有，只有一些企业标准。美国长年（宝长年）公司的Q(CQ）系列钻具最具有国际影响，但也没有形成公开的标准；加拿大波依尔兄弟公司采用了与Q系列相似的英制系列；日本利根、矿研两大