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1、第四章 钻具系统前言前言 钻具系统是钻头以上、水龙头以下局部钻具系统是钻头以上、水龙头以下局部一系列钻井工具组合的总称。包括：钻柱、一系列钻井工具组合的总称。包括：钻柱、井下动力钻具以及其它一些辅助钻井工具。井下动力钻具以及其它一些辅助钻井工具。典型的钻具组合如下典型的钻具组合如下:215.9mmPDC215.9mmPDC钻头钻头0.750.75172 172 mmmm螺杆螺杆158.8mm158.8mm无磁钻铤无磁钻铤NDC1NDC1根根215mm215mm稳定器稳定器158.8mm158.8mm钻铤钻铤DC11DC11根根127mm127mm加重钻杆加重钻杆HWDP20HWDP20根根12
2、7mm127mm钻杆钻杆DP+DP+方钻杆方钻杆 钻柱是钻井的重要工具，它是连通地下与地钻柱是钻井的重要工具，它是连通地下与地面的枢纽。在转盘钻井时，靠它来传递破碎岩石面的枢纽。在转盘钻井时，靠它来传递破碎岩石所需要的能量，给井底施加钻压，以及循环钻井所需要的能量，给井底施加钻压，以及循环钻井液等。在井下动力钻井时，井下动力钻具是用钻液等。在井下动力钻井时，井下动力钻具是用钻柱送到井底并靠它来承受反扭矩，同时钻头和动柱送到井底并靠它来承受反扭矩，同时钻头和动力钻具所需的液体能量也是通过钻柱输送到井底力钻具所需的液体能量也是通过钻柱输送到井底的。的。井下动力钻具为井底发动机，可在井井下动力钻具为
3、井底发动机，可在井底驱动钻头旋转底驱动钻头旋转,是井身轨迹的定向控制的是井身轨迹的定向控制的必备工具，同时可与转盘复合，实现复合必备工具，同时可与转盘复合，实现复合钻井，不仅可以实现旋转或滑动钻井，还钻井，不仅可以实现旋转或滑动钻井，还可提高钻头转速，提高钻井速度。可提高钻头转速，提高钻井速度。随着钻井深度的增加，几千米甚至上万米的随着钻井深度的增加，几千米甚至上万米的钻柱，在井下的工作条件十分恶劣，它往往是钻钻柱，在井下的工作条件十分恶劣，它往往是钻井设备与工具中的薄弱环节。时常导致井下复杂井设备与工具中的薄弱环节。时常导致井下复杂情况甚至导致井下事故。为防止或便于处理井下情况甚至导致井下事
4、故。为防止或便于处理井下复杂情况，在钻具组合中还需要其它一些辅助钻复杂情况，在钻具组合中还需要其它一些辅助钻井工具，以实现快速优质钻井及顺利完成各种井井工具，以实现快速优质钻井及顺利完成各种井下作业。下作业。第一节 钻柱 钻柱是钻头以上，水龙头以下局部的钢钻柱是钻头以上，水龙头以下局部的钢管柱的总称。它包括方钻杆、钻杆、钻铤、管柱的总称。它包括方钻杆、钻杆、钻铤、各种接头及稳定器等井下工具各种接头及稳定器等井下工具 一、钻柱的作用一、钻柱的作用 1 1、钻柱在钻井过程中的主要作用、钻柱在钻井过程中的主要作用1 1为钻井液由井口流向钻头提供通道；为钻井液由井口流向钻头提供通道；2 2给钻头施加适
5、当的压力钻压；给钻头施加适当的压力钻压；3 3把地面动力扭矩等传递给钻头；把地面动力扭矩等传递给钻头；4 4起下钻头；起下钻头；5 5根据钻柱的长度计算井深。根据钻柱的长度计算井深。2 2、钻柱的特殊作用、钻柱的特殊作用1 1通过钻柱可以观察和了解钻头的工作情通过钻柱可以观察和了解钻头的工作情况、井眼状况及地层情况等况、井眼状况及地层情况等;2 2进行取心、挤水泥、打捞井下落物、处进行取心、挤水泥、打捞井下落物、处理井下事故等特殊作业理井下事故等特殊作业;3 3对地层流体及压力状况进行测试与评价。对地层流体及压力状况进行测试与评价。二、钻柱的组成二、钻柱的组成 钻柱由方钻杆、钻杆段和下部钻具组
6、合三大钻柱由方钻杆、钻杆段和下部钻具组合三大局部组成。局部组成。钻杆段包括钻杆和接头，下部钻具组合主要钻杆段包括钻杆和接头，下部钻具组合主要是钻铤，也可能安装稳定器、减震器、震击器、是钻铤，也可能安装稳定器、减震器、震击器、扩眼器及其他特殊工具。钻柱的具体组成随不同扩眼器及其他特殊工具。钻柱的具体组成随不同的目的、要求而不同。的目的、要求而不同。井段钻具组合直井段165PDC钻头+120钻铤14根+88.9钻杆造斜段165钻头+单弯螺杆+120无磁钻铤1根+120钻铤13根+88.9钻杆增斜段165钻头+120短钻铤1根+161螺旋扶正器+120无磁钻铤1根120钻铤15根+88.9钻杆缓降斜
7、段165钻头+120钻铤14根+88.9钻杆或者：165钻头+161螺旋扶正器 120钻铤1根+161螺旋扶正器+120无磁钻铤1根120钻铤15根+88.9钻杆1、钻杆 钻杆是钻柱的基本组成局部。它是用无逢钢钻杆是钻柱的基本组成局部。它是用无逢钢管制成，壁厚一般为管制成，壁厚一般为911mm911mm。其主要作用是传递。其主要作用是传递扭矩和输送钻井液，并靠钻杆的逐渐加长使井眼扭矩和输送钻井液，并靠钻杆的逐渐加长使井眼不断加深。因此，钻杆在石油钻井中占有十分重不断加深。因此，钻杆在石油钻井中占有十分重要的地位。要的地位。1 1钻杆结构与标准钻杆结构与标准 钻杆由钻杆管体与钻杆接头两局部组成。
8、钻杆管体与接头的连接有钻杆由钻杆管体与钻杆接头两局部组成。钻杆管体与接头的连接有两种方式：一种是用细丝扣连接，即管体两端都车有细公扣，与接头一两种方式：一种是用细丝扣连接，即管体两端都车有细公扣，与接头一端的母细扣相连接，称这种钻杆为有细扣钻杆；另一种是管体与接头用端的母细扣相连接，称这种钻杆为有细扣钻杆；另一种是管体与接头用摩擦焊对焊在一起，称这种钻杆为对焊钻杆。摩擦焊对焊在一起，称这种钻杆为对焊钻杆。有细扣钻杆目前已基本淘汰，我国现在生产或进口的钻杆全部为对焊有细扣钻杆目前已基本淘汰，我国现在生产或进口的钻杆全部为对焊钻杆无细扣钻杆。钻杆无细扣钻杆。为了增强管体与接头的连接强度，管体两端加
9、厚。常用的加厚形式有为了增强管体与接头的连接强度，管体两端加厚。常用的加厚形式有内加厚、外加厚、内外加厚三种。内加厚、外加厚、内外加厚三种。根据根据 石油学会石油学会American Petroleum InstituteAmerican Petroleum Institute简称简称APIAPI的规定，钻杆按长度分为三类：的规定，钻杆按长度分为三类：第一类第一类:5.486:5.486一一6.706m6.706m1818一一22ft22ft;第二类第二类:8.230-9.144m:8.230-9.144m27-30ft27-30ft;第三类第三类:11.582:11.582一一13.716m
10、13.716m3838一一45ft45ft。常用钻杆的尺寸：常用钻杆的尺寸：88.988.9，114.3114.3，127mm127mm3 1/23 1/24 4 5 5三三种。种。2 2钻杆的钢级与强度钻杆的钢级与强度 钻杆的钢级是指钻杆钢材的等级，它由钻杆钢材的钻杆的钢级是指钻杆钢材的等级，它由钻杆钢材的屈服强度决定。屈服强度决定。API API将钻杆钢材等级分为五级：将钻杆钢材等级分为五级：D D、E E、9595X X、105105G G、135135S S。钻杆钢级越高，管材的屈服强度越大，钻杆的各种强钻杆钢级越高，管材的屈服强度越大，钻杆的各种强度也就越大。度也就越大。在钻柱的强度
11、设计中，推荐采用提高钢级的方法来提在钻柱的强度设计中，推荐采用提高钢级的方法来提高钻柱的强度，而不采用增加璧厚的方法。高钻柱的强度，而不采用增加璧厚的方法。3 3钻杆接头及丝扣钻杆接头及丝扣 钻杆接头是钻杆的组成邪分，分公接头和母接头，钻杆接头是钻杆的组成邪分，分公接头和母接头，连接在钻杆管体的两瑞。连接在钻杆管体的两瑞。接头上车有丝扣粗扣，用以连接各单根钻杆。在接头上车有丝扣粗扣，用以连接各单根钻杆。在钻井过程中，接头处要经常拆卸，按头外表受到相当大的钻井过程中，接头处要经常拆卸，按头外表受到相当大的大钳咬合力的作用，所以钻杆接头壁后较大，接头外径大大钳咬合力的作用，所以钻杆接头壁后较大，接
12、头外径大于管体外径，并采用强度更高的合金钢。于管体外径，并采用强度更高的合金钢。丝扣的连接必须满足的三个条件：丝扣的连接必须满足的三个条件：尺寸相等；尺寸相等；丝扣类型相同；丝扣类型相同；公母扣相匹配。公母扣相匹配。为便于接头选用，为便于接头选用，APIAPI制订了接头类型的标准制订了接头类型的标准石油工业普遍采用：石油工业普遍采用：APlAPl钻杆接头有新、旧两种标准，旧标准是针对早期的钻杆接头有新、旧两种标准，旧标准是针对早期的有细扣钻杆接头，分为三种形式：有细扣钻杆接头，分为三种形式：内平式内平式IFIF；贯眼式贯眼式FHFH；正规式正规式REGREG。内平式接头适用于外加厚钻杆，贯眼式
13、接头适用于内内平式接头适用于外加厚钻杆，贯眼式接头适用于内加厚钻杆，正规式接头适用于内加厚钻杆。加厚钻杆，正规式接头适用于内加厚钻杆。三种形式接头螺纹形状皆为三种形式接头螺纹形状皆为“V“V型，但扣型、扣距、型，但扣型、扣距、锥度不同。锥度不同。NCNC型接头标准新标准：型接头标准新标准：随着对焊钻杆代替有细扣钻杆，随着对焊钻杆代替有细扣钻杆，APIAPI制订了新的钻杆制订了新的钻杆接头接头NCNC型接头标准，也称数字型接头。型接头标准，也称数字型接头。NCNC型接头以字母型接头以字母NCNC和两位数字表示，如和两位数字表示，如NC50NC50，NC26NC26，NC31NC31。NC NC
14、标准粗牙螺纹；标准粗牙螺纹；两位数字两位数字丝扣基面节圆直径大小英制单位丝扣基面节圆直径大小英制单位1010 例如：例如：NC26NC26表示接头为表示接头为NCNC型，基面丝扣节圆直径为型，基面丝扣节圆直径为2.668in2.668in。新旧标准的对应关系见下表：新旧标准的对应关系见下表：2、钻铤 钻铤处在钻柱的最下部，是下部钻具组合的主要组成局部。特点：壁厚大一般为38-53mm，为钻杆的4-6倍，具有较大的重力和刚度。钻铤两端管体上直接车接头，不另加接头。作用：给钻头施加钻压；保证压缩条件下的必要强度；减轻钻头的振动、摆动和跳动，使钻头工作平稳；控制井斜。钻铤形状及特点：钻铤形状及特点：
15、钻铤形状有多种，如圆形、方形、三角形和螺旋形。钻铤形状有多种，如圆形、方形、三角形和螺旋形。常用的有圆形和螺旋形两种。螺旋形钻铤上有浅而宽的螺常用的有圆形和螺旋形两种。螺旋形钻铤上有浅而宽的螺旋槽，可减少与井壁的接触面积，减少发生压差卡钻的可旋槽，可减少与井壁的接触面积，减少发生压差卡钻的可能性。能性。API钻铤标准：APIAPI钻铤标准见表，钻铤类型代号由两局部组成，第钻铤标准见表，钻铤类型代号由两局部组成，第一局部为一局部为NCNC型螺纹代号，第二局部数字为钻铤外径大小型螺纹代号，第二局部数字为钻铤外径大小英制单位英制单位1010，中间用短线分开。，中间用短线分开。3 3、方钻杆、方钻杆
16、方钻杆位于钻柱的最上端，有四方和六方两方钻杆位于钻柱的最上端，有四方和六方两种。钻进时，方钻杆与补心、转盘补心配合，将种。钻进时，方钻杆与补心、转盘补心配合，将地面旋转扭炬传递给钻杆，以带动钻头旋转。地面旋转扭炬传递给钻杆，以带动钻头旋转。工作时，方钻杆上端始终处于转盘面以上，工作时，方钻杆上端始终处于转盘面以上，下部则处于转盘面以下。下部则处于转盘面以下。4、稳定器 稳定器又称扶正器，是满眼、钟摆和造斜钻具组合稳定器又称扶正器，是满眼、钟摆和造斜钻具组合的比备工具，在钻具组合中通过调整稳定器的位置、数量的比备工具，在钻具组合中通过调整稳定器的位置、数量和直径到达不同使用要求。和直径到达不同使
17、用要求。作用：作用：防止井斜；防止井斜；控制井眼轨迹；控制井眼轨迹；提高钻头稳定性。提高钻头稳定性。5、其它钻具、其它钻具 除上述钻具外，根据需要在钻柱中还会有其它钻具，常见的钻具有：减振器减振器 作用：减震器是利用工具内部的减震元件或可压缩液体吸收或减小钻井作用：减震器是利用工具内部的减震元件或可压缩液体吸收或减小钻井过程中对钻头和钻具的冲击和振动负荷。一般安装在靠近钻头的部位。过程中对钻头和钻具的冲击和振动负荷。一般安装在靠近钻头的部位。原理：液压减震器的作用是通过具有可压缩的硅油实现的。钻井作业中原理：液压减震器的作用是通过具有可压缩的硅油实现的。钻井作业中钻头和钻具受到冲击和震动时，其
18、作用力使工具以极快的速度向上运动，此钻头和钻具受到冲击和震动时，其作用力使工具以极快的速度向上运动，此时油腔内的液压油受到压缩，一局部将以极高的流速经阻尼孔流入缸套腔内，时油腔内的液压油受到压缩，一局部将以极高的流速经阻尼孔流入缸套腔内，从而起到吸能及缓冲的作用。钻头头的冲击和震动负荷减小或消失时液体膨从而起到吸能及缓冲的作用。钻头头的冲击和震动负荷减小或消失时液体膨胀，下接头以下钻具在自身重力的作用下向下运动。胀，下接头以下钻具在自身重力的作用下向下运动。震击器震击器 作用：作用：在钻井作业中，下落的钻屑、地层的膨胀缩径、井下落物、压差或其他在钻井作业中，下落的钻屑、地层的膨胀缩径、井下落物
19、、压差或其他原因都可能引起钻柱被卡，为卡钻时解卡，常在钻柱中安放震击器。原因都可能引起钻柱被卡，为卡钻时解卡，常在钻柱中安放震击器。种类：种类：震击器的结构类型很多，既有液力向上震击和机械向下震击特性的，又震击器的结构类型很多，既有液力向上震击和机械向下震击特性的，又有机械锁紧，以进行长期的随钻作业的。有机械锁紧，以进行长期的随钻作业的。原理：原理：震击器内有液力震击系统，其震击力通过超拉钻柱悬重而储存在钻柱中，震击器内有液力震击系统，其震击力通过超拉钻柱悬重而储存在钻柱中，经一定时间，超拉到达一定值时，震击器释放能量迅速作用在被卡钻柱上而经一定时间，超拉到达一定值时，震击器释放能量迅速作用在被卡钻柱上而发生震击。发生震击。演讲完毕，谢谢观看！