《Ⅰ、岩心钻探钻具等---2.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《Ⅰ、岩心钻探钻具等---2.ppt（77页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、 、岩心钻探钻具、岩心钻探钻具一、岩心一、岩心钻具的钻具的组成组成二、钻杆柱与钻杆二、钻杆柱与钻杆三、钻杆三、钻杆柱在孔内柱在孔内工作状态工作状态四、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、钻杆柱的组成钻杆柱的组成为了获取岩芯，常规的钻具必须以回转运动的方式为了获取岩芯，常规的钻具必须以回转运动的方式钻进。一套回转钻进岩芯钻具是由钻头、岩芯管、异径钻进。一套回转钻进岩芯钻具是由钻头、岩芯管、异径接头、钻杆柱、连接接头和水龙头等组成，如图接头、钻杆柱、连接接头和水龙头等组成，如图1.2-1所所示。为了提取岩芯或更换钻头，需要把钻具按一定的长
2、示。为了提取岩芯或更换钻头，需要把钻具按一定的长度拧卸开，并由孔内提出。在进行升降工序中，须使用度拧卸开，并由孔内提出。在进行升降工序中，须使用各种钳子、提引器及垫叉，如图各种钳子、提引器及垫叉，如图1.2-1中所示。中所示。由于地层不同，可能使用不同的钻头钻进，这样，由于地层不同，可能使用不同的钻头钻进，这样，钻具的结构有一定的区别。钻具的结构有一定的区别。钻头钻头：钻头体内有锥面，用以安装岩心提断器或投放：钻头体内有锥面，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：在钻进时容纳岩芯，同时也承受和传递钻压：在钻进时容纳岩芯，同时也承受和传递钻压和扭力，带动钻
3、头工作；岩芯管的长度限制了回次进和扭力，带动钻头工作；岩芯管的长度限制了回次进尺的长度。尺的长度。异径接头异径接头：是用来连接岩芯管和钻杆柱的。它有铣刀：是用来连接岩芯管和钻杆柱的。它有铣刀接头和三径接头两种，铣刀式异径接头用于不需装配接头和三径接头两种，铣刀式异径接头用于不需装配取粉管时，其铣刀可用以破碎孔壁掉下来的岩块，以取粉管时，其铣刀可用以破碎孔壁掉下来的岩块，以防止卡钻；三径异径接头上有左旋螺纹，用以连接防止卡钻；三径异径接头上有左旋螺纹，用以连接取取粉管。粉管。二、二、钻杆柱与钻杆（重点讲钻杆变化）钻杆柱与钻杆（重点讲钻杆变化）1、钻杆柱的作用与结构、钻杆柱的作用与结构 在钻探工作
4、中，钻杆柱从地表把钻机的动作和动力传递在钻探工作中，钻杆柱从地表把钻机的动作和动力传递给井底的钻头，钻头在井底破碎岩石、连续给进以及其他给井底的钻头，钻头在井底破碎岩石、连续给进以及其他一切工作全取决于钻杆柱的工作性能。钻杆柱在传动工作一切工作全取决于钻杆柱的工作性能。钻杆柱在传动工作系统中是一个特殊的，细长比特大的、在井筒特定条件下系统中是一个特殊的，细长比特大的、在井筒特定条件下工作的传动杆件。同时它又是洗井液冲洗井底和冷却钻头工作的传动杆件。同时它又是洗井液冲洗井底和冷却钻头必需的液流通道。杆内承受着高压、杆外承受着磨损。必需的液流通道。杆内承受着高压、杆外承受着磨损。虽然钻杆柱在结构上
5、较为简单，实际上它承受着复杂的虽然钻杆柱在结构上较为简单，实际上它承受着复杂的外力，且处于失稳状态，工作负担是十分沉重的。所以外力，且处于失稳状态，工作负担是十分沉重的。所以钻钻杆柱是钻探工作的一个关键组件和重要环节。实践表明，杆柱是钻探工作的一个关键组件和重要环节。实践表明，钻探的工作效率和安全生产都取决于钻杆柱的可靠性。钻探的工作效率和安全生产都取决于钻杆柱的可靠性。在某些特殊钻进方法中，钻杆柱还作为输送岩芯或岩在某些特殊钻进方法中，钻杆柱还作为输送岩芯或岩芯提取器的通道，或作为更换井底钻头的通道。因此，芯提取器的通道，或作为更换井底钻头的通道。因此，还要求钻杆柱必须具有光滑而平整的内孔。
6、还要求钻杆柱必须具有光滑而平整的内孔。在许多情况下，钻杆柱还起着辅助作用：投送卡取岩在许多情况下，钻杆柱还起着辅助作用：投送卡取岩芯的卡料输送测斜仪器以及输送堵漏材料等。芯的卡料输送测斜仪器以及输送堵漏材料等。钻杆柱的连接与立根：钻杆柱的连接与立根：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，钻杆柱都是采用螺纹连接的方式。螺纹连接长期以来，钻杆柱都是采用螺纹连
7、接的方式。螺纹连接必须用公母螺扣对接，因而大大削弱了管壁，螺纹部分成必须用公母螺扣对接，因而大大削弱了管壁，螺纹部分成为钻杆柱中最薄弱的部位。虽然采取了加厚螺纹部位管壁为钻杆柱中最薄弱的部位。虽然采取了加厚螺纹部位管壁等办法，还是常在螺纹根部发生断钻杆的事故。等办法，还是常在螺纹根部发生断钻杆的事故。采用绳索取芯钻进方法后，提钻与下钻的次数大大减少，采用绳索取芯钻进方法后，提钻与下钻的次数大大减少，不仅降低了钻杆柱的磨损，更重要的是减少连接螺纹的磨不仅降低了钻杆柱的磨损，更重要的是减少连接螺纹的磨损，减少了断钻杆的事故发生。损，减少了断钻杆的事故发生。钻 杆材质传统、新型。结构加厚螺纹形式扣高
8、、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
9、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强钻杆技术参数某厂加强钻杆技术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队队曲曲靖煤田靖煤田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(C
10、NH)河北承德四队河北承德四队钒钒铁矿铁矿2011米米(CNH)安徽地矿安徽地矿325队队涡涡阳铁矿阳铁矿1980米米(CNH)S95：2009年年福建煤田福建煤田121队队曲曲靖煤田靖煤田1390米（米（S95A）云南煤田云南煤田143队队云南云南昭通昭通1280米（米（S95A）安徽地矿安徽地矿325队队涡涡阳铁矿阳铁矿1480米（米（CHH）安徽地矿安徽地矿313队队霍邱霍邱铁矿铁矿1250米（米（CHH）2、钻杆柱材质与要求：、钻杆柱材质与要求：常规的钻杆是由不同成分的合金无缝钢管制成常规的钻杆是由不同成分的合金无缝钢管制成。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
11、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为了保证钻杆质量，扎制的钢管必须经正火和为了保证钻杆质量，扎制的钢管必须经正火和回火处理，或经调质处理；回火处理，或经调质处理；镦厚钻杆，车制连接螺纹；镦厚钻杆，车制连接螺纹；钻杆接头；钻杆接头；连接螺纹的要求与标准；连接螺纹的要求与标准；采用铝合金钻杆；采用铝合金钻杆；加重钻杆或钻铤。加重钻杆或钻铤。现在许多国家在地质勘探钻进中已经采用铝合金钻杆。使现在许多国家在地质勘探钻进
12、中已经采用铝合金钻杆。使用铝合金钻杆可以减小整个钻杆柱的质量，可以减小回转用铝合金钻杆可以减小整个钻杆柱的质量，可以减小回转钻杆柱所消耗的功率，可以减小提升钻杆柱消耗的功率，钻杆柱所消耗的功率，可以减小提升钻杆柱消耗的功率，所以在同样的条件下可以增大钻机的可钻深度，可以提高所以在同样的条件下可以增大钻机的可钻深度，可以提高转速而使机械钻速提高到转速而使机械钻速提高到1.31.5倍倍,同样可以减少升降钻同样可以减少升降钻柱的时间。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；平接头；2钻杆；钻杆；3平接手；平接手；(b)锁接头连
13、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锁接箍锁接箍加重钻杆加重钻杆(或钻铤或钻铤)在钻进大口径在钻进大口径(例如例如93mm或更大或更大)钻钻孔时为了增大钻压和改善钻杆柱工作状态而采用。在钻具孔时为了增大钻压和改善钻杆柱工作状态而采用。在钻具组合中是在岩芯管与钻杆之间接加重钻杆。加接加重钻杆组合中是在岩芯管与钻杆之间接加重钻杆。加接加重钻杆可以增大钻杆柱下面的重量和刚度，可在钻头上施加大而可以增大钻杆柱下面的重量和刚度，可在钻头上施加大而稳定的钻压。加重钻杆的总重量应大于所需的钻压。带有稳定的钻压。加重钻杆的总重量应大于所需的钻压。带有加重钻杆的钻杆柱工作比较平稳
14、，断钻的可能性减小，钻加重钻杆的钻杆柱工作比较平稳，断钻的可能性减小，钻孔弯曲度也减少，但增大钻杆柱底部的重量在发生孔内事孔弯曲度也减少，但增大钻杆柱底部的重量在发生孔内事故时处理起来比较困难。故时处理起来比较困难。三、钻杆柱工作状态（重点讲下页的图）三、钻杆柱工作状态（重点讲下页的图）1、工作特点：工作特点：取芯回转钻进依靠钻杆柱给孔底的钻头传递回转运动取芯回转钻进依靠钻杆柱给孔底的钻头传递回转运动和扭矩。同时传送纵向给进和轴向钻压。和扭矩。同时传送纵向给进和轴向钻压。钻杆柱给孔底工作的钻头传送所需钻压钻杆柱给孔底工作的钻头传送所需钻压P0 主要依赖于主要依赖于钻杆柱自身的重量钻杆柱自身的重
15、量W，多余的部分由钻机提拉而减压；，多余的部分由钻机提拉而减压；如果重量不足，则需钻机补充而加压。所以钻机在向孔如果重量不足，则需钻机补充而加压。所以钻机在向孔底随时给进钻具的同时，还须根据钻杆柱重底随时给进钻具的同时，还须根据钻杆柱重W和钻头所和钻头所需的钻压需的钻压P0，随时进行调节和控制。，随时进行调节和控制。图图9钻杆钻杆柱在柱在孔内孔内图图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在孔内的波形弯曲孔内的波形弯曲分析分析图图钻杆柱由地表连续不断地给孔底钻头传送工作扭矩钻杆柱由地表连续不断地给孔底钻头传送工作扭矩M0。由于钻杆柱在孔内作回转运动，与孔壁发生多由
16、于钻杆柱在孔内作回转运动，与孔壁发生多点接触，从而产生摩擦扭矩点接触，从而产生摩擦扭矩 M1。由于钻杆柱在孔内。由于钻杆柱在孔内工作状态和孔壁的实际状况的差异，回转摩擦阻力差工作状态和孔壁的实际状况的差异，回转摩擦阻力差别很大而使摩擦扭矩别很大而使摩擦扭矩 M1变化很大，往往大于钻头所变化很大，往往大于钻头所需的扭矩需的扭矩M0。由于摩擦扭矩。由于摩擦扭矩M1的变化和工作扭矩的变化和工作扭矩M0的变化而使钻杆柱的回转运动不稳定，产生不同程度的变化而使钻杆柱的回转运动不稳定，产生不同程度的扭振，影响钻进工作。的扭振，影响钻进工作。如上图所示。如上图所示。2、钻杆柱弯曲：、钻杆柱弯曲：钻杆柱在孔内
17、工作时，以一定的转速作回转运动。由钻杆柱在孔内工作时，以一定的转速作回转运动。由于钻杆柱自身的某些偏心和由自重失稳而产生的某些弯于钻杆柱自身的某些偏心和由自重失稳而产生的某些弯曲，造成钻杆柱有一定的质量偏离回转中心。这些偏心曲，造成钻杆柱有一定的质量偏离回转中心。这些偏心质量在回转运动中则产生离心力，更使钻杆柱弯曲。质量在回转运动中则产生离心力，更使钻杆柱弯曲。与此同时，钻杆柱上还有由于自重而产生的纵向压力。与此同时，钻杆柱上还有由于自重而产生的纵向压力。在离心力和纵向力的作用下，使整个钻杆柱在孔内呈波在离心力和纵向力的作用下，使整个钻杆柱在孔内呈波形弯曲，其波峰压向孔壁，在回转运动中和向下给
18、进中形弯曲，其波峰压向孔壁，在回转运动中和向下给进中产生摩擦阻力，影响钻进工作。产生摩擦阻力，影响钻进工作。如图如图1.25所示。所示。萨尔基索夫对钻杆柱在孔内的弯曲状态进行了萨尔基索夫对钻杆柱在孔内的弯曲状态进行了研究并提出了计算半波长的理论。显然，由于自研究并提出了计算半波长的理论。显然，由于自重而产生的纵向力是随着钻杆柱向下延伸而逐渐重而产生的纵向力是随着钻杆柱向下延伸而逐渐增大的，因此，增大的，因此，各部位的半波长各部位的半波长L是不一样的。是不一样的。在减压钻进中，部分自重由钻机提拉而平衡，所在减压钻进中，部分自重由钻机提拉而平衡，所以在钻杆柱某点纵向力为零，称零断面或中和点以在钻杆
19、柱某点纵向力为零，称零断面或中和点（如图（如图1.2-5中中OO表示）。表示）。零断面以上的钻杆柱受纵向拉力，零断面以上的钻杆柱受纵向拉力，零断面零断面以下的钻杆柱受纵向压力。从受力状态可以看出；以下的钻杆柱受纵向压力。从受力状态可以看出；中和点以上越远半波长越大；中和点以下越远半中和点以上越远半波长越大；中和点以下越远半波长越小，半波长越小表示钻杆柱弯曲越严重。波长越小，半波长越小表示钻杆柱弯曲越严重。萨尔基索夫研究钻杆柱在孔内弯曲状态的问题时是设定萨尔基索夫研究钻杆柱在孔内弯曲状态的问题时是设定钻杆柱受外力钻杆柱受外力(离心力和纵向力离心力和纵向力)所作的功等于钻杆柱变形所作的功等于钻杆柱
20、变形所储存的位能。即：所储存的位能。即：UA A1 (1.2l)式中式中 U钻杆柱变形位能；钻杆柱变形位能；A离心力所作的功；离心力所作的功；A1纵向力所作的功。纵向力所作的功。1、关于钻杆柱变形能、关于钻杆柱变形能U：钻杆柱弯曲变形所储存的位能钻杆柱弯曲变形所储存的位能U可以计算如下可以计算如下：（1.22）式中式中 M断面的弯矩；断面的弯矩；d边界断面的转角边界断面的转角dx/；该处的曲率半径。该处的曲率半径。通过变换得：通过变换得：（1.25）2、关于离心力所作的功关于离心力所作的功A：离心力对钻杆柱所作的功离心力对钻杆柱所作的功A可以根据离心力及其变化过可以根据离心力及其变化过程计算。
21、程计算。dx长的钻杆质量为：长的钻杆质量为：(g 单位长度钻杆的重量单位长度钻杆的重量)当钻杆柱角速度为当钻杆柱角速度为时，时，dx单元的离心力为：单元的离心力为：(1.26)由于该离心力在达到平衡之前是随由于该离心力在达到平衡之前是随y值的增大而增大的，值的增大而增大的，所以该力所作的功为：所以该力所作的功为：(1.27)最后得：最后得：kgfcm (1.28)3、纵向力所作的功、纵向力所作的功A1：纵向力所作的功：纵向力所作的功：最后得：最后得：(1.210)4、萨尔基索夫公式：、萨尔基索夫公式：根据根据UA+A1，则得：，则得：即：即：（1.211）最后得计算半波长的公式：最后得计算半波
22、长的公式：（1.213）萨尔基索夫公式是在完整的钻孔中以理想的钻杆柱在萨尔基索夫公式是在完整的钻孔中以理想的钻杆柱在钻孔中以钻孔的轴线为中心而公转为基础的，并呈平面钻孔中以钻孔的轴线为中心而公转为基础的，并呈平面弯曲状态。实际上，由于钻杆柱的纵向不均匀弯曲状态。实际上，由于钻杆柱的纵向不均匀(特别是特别是接头部位接头部位)，不同心及存在初始弯曲和钻孔孔径不均匀，不同心及存在初始弯曲和钻孔孔径不均匀等原因，钻杆柱在孔内的弯曲状况是较复杂的。但萨尔等原因，钻杆柱在孔内的弯曲状况是较复杂的。但萨尔基索夫公式表示了钻杆柱在孔内弯曲的基本状态。基索夫公式表示了钻杆柱在孔内弯曲的基本状态。在实际工作中，钻
23、杆柱除承受纵向力和离心力外还在实际工作中，钻杆柱除承受纵向力和离心力外还承受扭矩。承受扭矩。扭矩使钻杆柱成为不等距螺旋状弯曲扭矩使钻杆柱成为不等距螺旋状弯曲 (孔底孔底螺距最小，往上逐渐增大螺距最小，往上逐渐增大)，但是，相对而言，在一般，但是，相对而言，在一般情况下，扭矩对钻杆柱弯曲状态的影响不大。情况下，扭矩对钻杆柱弯曲状态的影响不大。影响钻杆柱变形稳定性较大的因素是钻杆柱由于离心力影响钻杆柱变形稳定性较大的因素是钻杆柱由于离心力而弯曲的挠度是不断增大的，即离心力越大，挠度越大，而弯曲的挠度是不断增大的，即离心力越大，挠度越大，挠度越大，离心力也越大。在尚未达到与变形能平衡之前，挠度越大，
24、离心力也越大。在尚未达到与变形能平衡之前，钻杆碰到孔壁并压向孔壁而产生磨擦阻力，阻止钻杆回转。钻杆碰到孔壁并压向孔壁而产生磨擦阻力，阻止钻杆回转。离心力由于转速减小而大减，弯曲挠度因离心力减小而减离心力由于转速减小而大减，弯曲挠度因离心力减小而减小，而脱离孔壁，消除了磨擦阻力。从而转速又复增大。小，而脱离孔壁，消除了磨擦阻力。从而转速又复增大。这样形成钻杆柱在孔内回转运动中发生回转的以及纵向的这样形成钻杆柱在孔内回转运动中发生回转的以及纵向的弹性振动，十分影响钻进工作。弹性振动，十分影响钻进工作。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
25、碰到不等径的钻杆柱问题，会碰到不等径的钻杆柱问题，例如使用钻铤时，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；钻铤每米重量；q0 钻杆柱每米的重量。钻杆柱每米的重量。将将Zeq值代入萨尔基索夫公式，则可求得不等径钻杆柱值代入萨尔基索夫公式，则可求得不等径钻杆柱MN处
26、的半波长。处的半波长。由于钻杆接头而影响钻杆柱不等断面问题，通常可用一由于钻杆接头而影响钻杆柱不等断面问题，通常可用一修正系数计算：修正系数计算：(1.215)式中式中 q0钻杆单位长度的重量；钻杆单位长度的重量；钻杆接头的加重系数，钻杆接头的加重系数，值常取值常取1.31.41。用用q表示单位钻杆长度的重量，可计算用接头连接的钻表示单位钻杆长度的重量，可计算用接头连接的钻杆柱弯曲的半波长度。杆柱弯曲的半波长度。5、钻杆柱的弯曲应力钻杆柱的弯曲应力：钻杆柱在孔内发生弯曲，半波长越小，弯曲越严重，钻杆柱在孔内发生弯曲，半波长越小，弯曲越严重，产生的弯曲应力越大。其弯曲应力可利用其弯曲变形产生的弯
27、曲应力越大。其弯曲应力可利用其弯曲变形来求得。钻杆柱的弯曲曲线方程式为：来求得。钻杆柱的弯曲曲线方程式为：最后得：最后得：kgf/cm2(1.218)由公式由公式(1.218)可知，钻杆柱的弯曲应力与钻杆直可知，钻杆柱的弯曲应力与钻杆直径径d和最大挠度和最大挠度f 成正比关系，而与半波长度成正比关系，而与半波长度l的平方的平方成反比。所以半波长越小，弯曲应力越严重。由萨尔成反比。所以半波长越小，弯曲应力越严重。由萨尔基索夫公式知，半波长度又与基索夫公式知，半波长度又与(转速转速)成反比，所以成反比，所以半波长受钻杆柱转速的影响比较大。高转速产生更大半波长受钻杆柱转速的影响比较大。高转速产生更大
28、的离心力，加强了钻杆柱的弯曲。的离心力，加强了钻杆柱的弯曲。2.3.3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。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从理论上讲，如果钻杆柱的刚度各方向是均匀一致的，从理论上讲，如果钻杆柱的刚度各方向是均匀
29、一致的，那么钻杆柱以何种方式旋转就取决于外界阻力的大小。那么钻杆柱以何种方式旋转就取决于外界阻力的大小。按照常规是以消耗能量最小的方式转动。按照常规是以消耗能量最小的方式转动。当钻杆柱公转当钻杆柱公转时，旋转经过的行程大，要消耗较多的能量以克服泥浆时，旋转经过的行程大，要消耗较多的能量以克服泥浆阻力和孔壁的磨擦阻力，特别是当钻杆柱弯曲部分靠在阻力和孔壁的磨擦阻力，特别是当钻杆柱弯曲部分靠在孔壁上时，磨擦力更大。而当钻杆柱自转时，旋转经过孔壁上时，磨擦力更大。而当钻杆柱自转时，旋转经过的行程小，克服泥浆阻力和孔壁的磨擦力所消耗的能量的行程小，克服泥浆阻力和孔壁的磨擦力所消耗的能量也较少。因此，一
30、般认为弯曲的钻杆柱主要以自转方式也较少。因此，一般认为弯曲的钻杆柱主要以自转方式旋转，但也可能以公转运动方式旋转或者既有自转又有旋转，但也可能以公转运动方式旋转或者既有自转又有公转两者结合的运动方式旋转。这是由于还有其他因素公转两者结合的运动方式旋转。这是由于还有其他因素的影响，如钻杆柱的刚度是否均匀，钻孔壁是否规整，的影响，如钻杆柱的刚度是否均匀，钻孔壁是否规整，所用的技术参数是否恰当和一致以及孔径是否规范，等所用的技术参数是否恰当和一致以及孔径是否规范，等等。等。假定钻杆柱是各向刚度均匀而光滑的弹性管柱，由自假定钻杆柱是各向刚度均匀而光滑的弹性管柱，由自重向孔底给钻头加压而弯曲。并假定弯曲
31、钻杆柱是自重向孔底给钻头加压而弯曲。并假定弯曲钻杆柱是自转运动的柔性管。在此情况下，弯曲钻杆柱自转这一转运动的柔性管。在此情况下，弯曲钻杆柱自转这一论点是恰当的。在此情况下，弯曲钻杆柱自转这一论论点是恰当的。在此情况下，弯曲钻杆柱自转这一论点是恰当的。鲁宾斯基在此基础上研究了钻杆柱的孔点是恰当的。鲁宾斯基在此基础上研究了钻杆柱的孔底弯曲状态以及它与孔斜的关系底弯曲状态以及它与孔斜的关系 。在钻杆柱自转的情况下，离心力的总和等于零。对钻在钻杆柱自转的情况下，离心力的总和等于零。对钻杆柱的弯曲没有影响。这时钻杆柱的弯曲问题可简化杆柱的弯曲没有影响。这时钻杆柱的弯曲问题可简化为不旋转的，完全由纵向力
32、作用的弯曲问题。值得提为不旋转的，完全由纵向力作用的弯曲问题。值得提到的，自转弯曲的钻杆柱，在钻杆柱内产生严重的交到的，自转弯曲的钻杆柱，在钻杆柱内产生严重的交变应力，对钻杆柱的工作寿命影响很大。变应力，对钻杆柱的工作寿命影响很大。在钻进中，由于部分钻杆柱的重量是作为钻压施加在钻在钻进中，由于部分钻杆柱的重量是作为钻压施加在钻头之上，使得下部钻杆柱受压缩。在钻压小和直孔的条件头之上，使得下部钻杆柱受压缩。在钻压小和直孔的条件下，钻杆柱也可能是直的。但当压力达到某一临界值时下，钻杆柱也可能是直的。但当压力达到某一临界值时 (参看图参看图1.210)，下部钻杆柱失去直线稳定状态而发生弯，下部钻杆柱
33、失去直线稳定状态而发生弯曲，并且在某一点和孔壁接触，称为切点。曲，并且在某一点和孔壁接触，称为切点。钻杆柱的中和点钻杆柱的中和点N1在切点在切点T1的上方，这是第一次弯曲的上方，这是第一次弯曲 (如图如图1.210中曲线中曲线I所示所示)。如果继续加大钻压，则弯曲。如果继续加大钻压，则弯曲状态又改变。切点逐渐下移，中和点上移状态又改变。切点逐渐下移，中和点上移(如图如图l.210中中曲线曲线所示所示)。当钻压增大到新的临界值时，钻杆柱弯曲。当钻压增大到新的临界值时，钻杆柱弯曲轴线呈现出第二个半波，出现第二个切点，这是钻杆柱的轴线呈现出第二个半波，出现第二个切点，这是钻杆柱的第二次弯曲第二次弯曲
34、 (如图如图1.210中的曲线中的曲线)。如果继续加大钻压，则会出现钻杆柱的第三次弯曲或更如果继续加大钻压，则会出现钻杆柱的第三次弯曲或更多次弯曲。多次弯曲。目前在石油转盘钻中，特别是牙轮钻头或刮刀钻头目前在石油转盘钻中，特别是牙轮钻头或刮刀钻头钻进中，使用低转速大钻压钻进工艺规程，一般都钻进中，使用低转速大钻压钻进工艺规程，一般都超过常用钻铤的一次弯曲临界值，下部钻杆柱将发超过常用钻铤的一次弯曲临界值，下部钻杆柱将发生弯曲。所以在石油钻井或水井钻进中，为了防止生弯曲。所以在石油钻井或水井钻进中，为了防止井斜和钻铤弯曲过甚，常常采用扶正措施。井斜和钻铤弯曲过甚，常常采用扶正措施。在孔底钻杆柱弯
35、曲状态的研究中，鲁宾斯基经室内模拟在孔底钻杆柱弯曲状态的研究中，鲁宾斯基经室内模拟实验和运用弹性理论的分析及计算实验和运用弹性理论的分析及计算(钻杆柱在自转的前提钻杆柱在自转的前提下，并假定钻杆柱两端为铰支方式下，并假定钻杆柱两端为铰支方式)，提出了如下孔底钻，提出了如下孔底钻杆柱受自重而弯曲状态的分析。其受力状态如图杆柱受自重而弯曲状态的分析。其受力状态如图1.211所示。图中：所示。图中：W1 提引器作用在钻杆柱上端的拉力；提引器作用在钻杆柱上端的拉力；F1立轴卡盘或转盘卡瓦作用于钻杆柱上端的水平力；立轴卡盘或转盘卡瓦作用于钻杆柱上端的水平力；W2井底作用于钻杆柱下端的向上垂直分力；井底作
36、用于钻杆柱下端的向上垂直分力；F2井底作用于钻杆柱下端的水平分力；井底作用于钻杆柱下端的水平分力；F 当钻杆发生弯曲时，井壁作用于切点的水平分力；当钻杆发生弯曲时，井壁作用于切点的水平分力；Q钻杆柱的重力；钻杆柱的重力；B泥浆对钻杆柱的浮力；泥浆对钻杆柱的浮力；A1断面断面MN上的横向切力；上的横向切力；B2 静水压力造成的压力，它垂直于断面正比于静水静水压力造成的压力，它垂直于断面正比于静水压力但对纵向弯曲无影响。压力但对纵向弯曲无影响。在上述设定条件的基础上，研究了在上述设定条件的基础上，研究了MN断面以下的钻杆柱断面以下的钻杆柱段，使段，使MN断面上的内应力与作用的外力相乎衡。据此得断面
37、上的内应力与作用的外力相乎衡。据此得出了弯曲钻杆柱的以中和点为坐标原点的微分方程式：出了弯曲钻杆柱的以中和点为坐标原点的微分方程式：（1.219）式中式中 E 钻杆柱钢材的弹性模量，钻杆柱钢材的弹性模量，E2.1106kgfcm2；J 钻杆柱横断面的轴惯性矩，钻杆柱横断面的轴惯性矩，cm4；q 单位长度钻杆柱在泥浆中的重量，单位长度钻杆柱在泥浆中的重量，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)这样可使计算结果与具体的钻杆柱、钻铤、泥浆类型无关。这样可使计算结果与具体的钻杆柱、钻铤、泥浆类型无关。求解的
38、结果为：求解的结果为：钻头落于井底，钻杆柱给钻头不断加压，当中和点到达钻头落于井底，钻杆柱给钻头不断加压，当中和点到达钻头上方钻头上方l.94m时，钻杆柱发生一次弯曲；继续加压，当时，钻杆柱发生一次弯曲；继续加压，当中和点到达钻头上方中和点到达钻头上方3.75m时，钻杆柱发生二次弯曲。时，钻杆柱发生二次弯曲。当钻压达到二次弯曲的临界值时，虽然钻杆柱弯曲有两当钻压达到二次弯曲的临界值时，虽然钻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，这是二个半波形，但上面的半波与井壁尚未有接触点，这是二次弯曲的前期，直到钻压增大到中和点位于钻头上次弯曲的前期，直到钻压增大到中和点位于钻头上4.22m
39、时，上部的半波才与井壁接触，钻杆柱具有两个时，上部的半波才与井壁接触，钻杆柱具有两个切点，如图切点，如图1.210的曲线的曲线所示。这是二次弯曲的后期。所示。这是二次弯曲的后期。钻杆柱下端发生弯曲后，处于失稳状态，必然与井壁钻杆柱下端发生弯曲后，处于失稳状态，必然与井壁相接触。钻杆柱下部的弯曲不仅对钻杆柱造成严重的应相接触。钻杆柱下部的弯曲不仅对钻杆柱造成严重的应力，特别是钻杆柱自转而造成的疲劳破坏是十分严重的。力，特别是钻杆柱自转而造成的疲劳破坏是十分严重的。同时，井底钻杆柱因弯曲而倾斜，在自转条件下，使钻同时，井底钻杆柱因弯曲而倾斜，在自转条件下，使钻头倾斜，则发生井斜。头倾斜，则发生井斜
40、。2.3.4回转钻杆柱的扭应力回转钻杆柱的扭应力 经多方的试验和研究，在岩芯钻探中，钻进垂直孔时，经多方的试验和研究，在岩芯钻探中，钻进垂直孔时，在正常钻进的条件下，在正常钻进的条件下，回转钻杆柱所需的功率为；回转钻杆柱所需的功率为；NdNl N2 N3(1.221)式中式中 Nd钻进功率；钻进功率；N1空转钻杆柱的功率；空转钻杆柱的功率；N2克服由于传送钻压、钻杆柱弯曲并与孔壁接触而克服由于传送钻压、钻杆柱弯曲并与孔壁接触而产生磨擦阻力时增加的功率；产生磨擦阻力时增加的功率；N3钻头破碎岩石所需的功率钻头破碎岩石所需的功率 (包括钻头与孔底的磨包括钻头与孔底的磨擦功率擦功率)。2.3.4.1
41、空转钻杆柱的功率空转钻杆柱的功率N1钻杆柱空转功率是指把全部钻杆柱放入孔中，而上部悬钻杆柱空转功率是指把全部钻杆柱放入孔中，而上部悬挂、下端不触孔底，以一定转速回转钻杆柱，所需的功率。挂、下端不触孔底，以一定转速回转钻杆柱，所需的功率。对对50 mm锁接箍连接的钻杆柱钻较大孔径锁接箍连接的钻杆柱钻较大孔径 (93mm)时，时，其空转功率为：其空转功率为：N1=(2.3n2+3.1210-5n)L0.68k1k2 (1.222)式中式中 n钻杆柱转速，钻杆柱转速，r/s；L钻杆柱长度，钻杆柱长度，m；k1、k2由于钻孔弯曲而使空转功率增加的系数。由于钻孔弯曲而使空转功率增加的系数。2.3.4.2
42、磨擦增加的功率磨擦增加的功率N2由于钻杆柱承受轴向压力而使钻杆柱弯曲与孔壁发生磨由于钻杆柱承受轴向压力而使钻杆柱弯曲与孔壁发生磨擦因而增加的功率，可由下式计算：擦因而增加的功率，可由下式计算：(1.228)式中式中 经验系数；经验系数；P 钻头上的轴向压力，钻头上的轴向压力，N；经试验，不论是用钻铤或用钻杆的重量产生相同的孔底经试验，不论是用钻铤或用钻杆的重量产生相同的孔底钻压时，两者的功率相差甚小钻压时，两者的功率相差甚小(当当Z400600m时，钻铤时，钻铤重重4001200 kg时时)。n钻杆桂转速，钻杆桂转速，rs。2.3.4.3钻头破碎岩石所需功率钻头破碎岩石所需功率N3 使用不同的
43、钻头破碎岩石，所需功率不同。钻头破碎岩使用不同的钻头破碎岩石，所需功率不同。钻头破碎岩石的功率，常用下式计算：石的功率，常用下式计算：（a）(1.229)式中式中 Nb破碎孔底单位面积消耗的功率；破碎孔底单位面积消耗的功率；F孔底破碎岩石的面积，孔底破碎岩石的面积，m2。不同的钻头，破碎岩石时，不同的钻头，破碎岩石时，Nb取值不同：取值不同：硬合金和金刚石钻头钻进时硬合金和金刚石钻头钻进时Nb50 104150104 Wm2 钻粒钻进时钻粒钻进时Nb15104 Wm2牙轮钻头钻进时牙轮钻头钻进时Nb150104 Wm2 (b)对刮刀式钻头对刮刀式钻头 (1.230)式中式中 n钻头转速，钻头转
44、速，rs；m刮刀或翼片的数目；刮刀或翼片的数目；h钻头上一个翼片每转切入深度，钻头上一个翼片每转切入深度，mm；，此处，此处Vm为平均机械钻速，为平均机械钻速，ms；C岩石的抗压强度，岩石的抗压强度，MPa。已知断面扭矩则可根据材料力学算出该断面的剪应力值。已知断面扭矩则可根据材料力学算出该断面的剪应力值。通常在钻杆柱的强度计算中采用第三强度理论计算其合成通常在钻杆柱的强度计算中采用第三强度理论计算其合成应力，即如下式所示：应力，即如下式所示：(1.231)式中式中 p、b钻杆柱某断面上的拉应力、弯曲应力；钻杆柱某断面上的拉应力、弯曲应力；钻杆柱同一断面的剪应力。钻杆柱同一断面的剪应力。2.3
45、.5 提升钻杆柱的拉应力提升钻杆柱的拉应力 当开始把全部钻杆柱从孔中提起时，钻杆柱上当开始把全部钻杆柱从孔中提起时，钻杆柱上端受有最大的拉应力。端受有最大的拉应力。该提升拉力的大小除了直该提升拉力的大小除了直接受钻杆柱本身的重力外，还与钻杆柱在提升时接受钻杆柱本身的重力外，还与钻杆柱在提升时孔内对它的各种阻力孔内对它的各种阻力(主要是孔壁对钻杆柱的磨擦主要是孔壁对钻杆柱的磨擦阻力和洗井液对钻杆柱的粘滞阻力阻力和洗井液对钻杆柱的粘滞阻力)以及提升钻杆以及提升钻杆柱在加速阶段所增加的惯性力等。柱在加速阶段所增加的惯性力等。(1.232)在垂直孔中提升钻杆柱最大的拉力在垂直孔中提升钻杆柱最大的拉力Q
46、为：为：2.3.5.1 钻杆柱本身的重力钻杆柱本身的重力Q1 (1.233)式中式中 由于接箍和管端加厚等对单位长度钻杆由于接箍和管端加厚等对单位长度钻杆 重量的修正系数；重量的修正系数；q0平滑钻杆单位长度的重量；平滑钻杆单位长度的重量；L钻杆柱的长度；钻杆柱的长度；m 冲洗液冲洗液(泥浆泥浆)的比重；的比重；s管材的比重。管材的比重。2.3.5.2 提升钻杆柱时孔内增加的阻力提升钻杆柱时孔内增加的阻力Q2 (1.234)该力与钻孔的弯曲状态，孔壁间隙，孔壁岩石性质及状该力与钻孔的弯曲状态，孔壁间隙，孔壁岩石性质及状态，泥浆的性能，钻杆柱本身的刚度及弯曲状态等因素有态，泥浆的性能，钻杆柱本身
47、的刚度及弯曲状态等因素有关。条件复杂，难于精确计算，应根据现场具体条件而测关。条件复杂，难于精确计算，应根据现场具体条件而测定。定。2.3.5.3提升加速度的惯性力提升加速度的惯性力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加速延续的时间；加速延续的时间；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、普通金刚石钻进钻具：、普通金刚石钻进钻具：普通金刚石钻进的钻具见图普通金刚石钻进的钻具见图1.2-4所示。其钻具结构比石油所示。其钻具结构比石油钻井的钻具要简单得多，它主要由钻头、扩孔器、岩芯管、钻井的钻具要简单得
48、多，它主要由钻头、扩孔器、岩芯管、钻杆接头以及扶正器组成。许多情况下，常常不使用扶正钻杆接头以及扶正器组成。许多情况下，常常不使用扶正器，也不使用钻铤，导致钻孔的弯曲比较严重；当然，绳器，也不使用钻铤，导致钻孔的弯曲比较严重；当然，绳索取芯钻进就不可能使用扶正器。索取芯钻进就不可能使用扶正器。2、扶正器钻具、扶正器钻具：（1）增斜组合钻具：）增斜组合钻具：按照增斜能力的大小分为强、中、弱三种。结构如图按照增斜能力的大小分为强、中、弱三种。结构如图5所所示，配合尺寸见表示，配合尺寸见表3所列。在使用中要注意：钻压越大，所列。在使用中要注意：钻压越大，增斜能力越大；增斜能力越大；L1越长，增斜能力
49、越小；近钻头扶正器直越长，增斜能力越小；近钻头扶正器直径减小，增斜能力也减小。使用时应保持低转速径减小，增斜能力也减小。使用时应保持低转速。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增斜增斜组合钻具组合钻具（2）降斜钻具组合：）降斜钻具组合：按照降斜能力的大小分为强、弱两种。结构如图按照降斜能力的大小分为强、弱两种。结构如图6所示，所示，配合尺寸见表配合尺寸见表4所列。在使用中要注意保持小钻压和较低转所列。在使用中要注意保持小
50、钻压和较低转速。对于强降斜组合来说，速。对于强降斜组合来说，L1越长，则降斜能力越强，但不越长，则降斜能力越强，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降斜钻具组合的配合尺寸降斜钻具组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0.818.027.0 图图6降斜组合钻具降斜组合钻具（3）稳斜钻具组合：）稳斜钻具组合：按照稳斜能力的大小分为强、中、弱三种。结构见图按照稳斜能力的大小分为强、中、弱三种。结构见图7所示，所示，配合尺寸见表配合尺寸见表5所列。在使用中要注意保持正常钻压和较高所列。在使用中要注意保持正常钻压和较高转速。若需要更强的稳斜