5第二章 钻进工具——钻柱

钻井与完井工程试题及答案第一章 钻井的工程地质条件三、名词解释1. 岩石的塑性系数是怎样定义的？答：岩石的塑性系数是用来定量表征岩石塑性及脆性大小的参数。

塑性系数为岩石破碎前耗费的总功与岩石破碎前弹性变形功的比值。

2. 什么是岩石的可钻性？答：岩石的可钻性是岩石抗破碎的能力。

即一定钻头规格、类型及钻井工艺条件下岩石抵抗钻头破碎的能力。

什么叫有效应力、有效上覆岩层压力、各向压缩效应？答：在“各向压缩效应”试验中，如果岩石孔隙中含有流体且具有一定的孔隙压力，这种孔隙压力的作用降低了岩石的各向压缩效应，这样，把岩石所受外压与内压之差称为有效应力。

上覆岩层压力和岩石内孔隙流体压力的差称为有效上覆岩层压力。

在三轴应力试验中，如果岩石是干的或者不渗透的，或孔隙度小且孔隙中不存在液体或者气体时，增大围压则一方面增大岩石的强度，另一方面也增大岩石的塑性，这两方面的作用统称为“各向压缩效应”。

4. 简述地下各种压力的基本概念答：地下压力包括静液压力h P 、上覆岩层压力Po 、地层压力p P 和基岩应力σ等。

静液压力是由液柱自身的重力所引起的压力，它的大小与液体的密度、液柱的垂直高度或深度有关。

地层某处的上覆岩层压力是指该处以上地层岩石基质和空隙中流体的总重力所产生的压力。

基岩应力是指由岩石颗粒之间相互接触来支撑的那部分上覆岩层压力，也称有效上覆岩层压力或颗粒间压力，这部分压力是不被孔隙水所承担的。

四、简答题1． 简述地下各种压力的基本概念及上覆岩层压力、地层孔隙压力和基岩应力三者之间的关系。

答： 地下压力包括静液压力h P 、上覆岩层压力Po 、地层压力p P 和基岩应力σ等。

静液压力是由液柱自身的重力所引起的压力，它的大小与液体的密度、液柱的垂直高度或深度有关。

地层某处的上覆岩层压力是指该处以上地层岩石基质和空隙中流体的总重力所产生的压力。

基岩应力是指由岩石颗粒之间相互接触来支撑的那部分上覆岩层压力，也称有效上覆岩层压力或颗粒间压力，这部分压力是不被孔隙水所承担的。

钻柱工作状态及受力分析一、钻柱的工作状态在钻井过程中，钻柱主要是在起下钻和正常钻进这两种条件下工作。

在起下钻时，整个钻柱被悬挂起来，在自重力的作用下，钻柱处于受拉伸的直线稳定状态。

实际上，井眼并非是完全竖直的，钻柱将随井眼倾斜和弯曲。

在正常钻进时，部分钻柱（主要是钻铤）的重力作为钻压施加在钻头上，使得上部钻柱受拉伸而下部钻柱受压缩。

在钻压小和直井条大钻压，则会出现钻柱的第一次弯曲或更多次弯曲（图1）。

目前，旋转钻井所用钻压一般都超过了常用钻铤的临界压力值，如果不采取措施，下部钻柱将不可避免地发生弯曲。

在转盘钻井中，整个钻柱处于不停旋转的状态，作用在钻柱上的力，除拉力和压力外，还有由于旋转产生的离心力。

离心力的作用有可能加剧下部钻柱的弯曲变形。

钻柱上部的受拉伸部分，由于离心力的作用也可能呈现弯曲状态。

在钻进过程中，通过钻柱将转盘扭矩传送给钻头。

在扭矩的作用下，钻柱不可能呈平面弯曲状态，而是呈空间螺旋形弯曲状态。

根据井下钻柱的实际磨损情况和工作情况来分析，钻柱在井眼内的旋转运动形式可能是自转，钻柱像一根柔性轴，围绕自身轴线旋转；也可能是公转，钻柱像一个刚体，围绕着井眼轴线旋转并沿着井壁滑动；或者是公转与自转的结合及整个钻柱或部分钻柱做无规则的旋转摆动。

从理论上讲，如果钻柱的刚度在各个方向上是均匀一致的，那么钻柱是哪种运动形式取决于外界阻力（如钻井液阻力、井壁摩擦力等）的大小，但总以消耗能量最小的运动形式出现。

因此，一般认为弯曲钻柱旋转的主要形式是自转，但也可能产生公转或两种运动形式的结合，既有自转，也有公转。

在钻柱自转的情况下，离心力的总和等于零，对钻柱弯曲没有影响。

这样，钻柱弯曲就可以简化成不旋转钻柱弯曲的问题。

在井下动力钻井时，钻头破碎岩石的旋转扭矩来自井下动力钻具，其上部钻柱一般是不旋转的，故不存在离心力的作用。

另外，可用水力荷载给钻头加压，这就使得钻柱受力情况变得比较简单。

二、钻柱的受力分析钻柱在井下受到多种荷载（轴向拉力及压力、扭矩、弯曲力矩）作用，在不同的工作状态下，不同部位的钻柱的受力的情况是不同的。

工程硕士入学考试?石油工程综合测试?大纲〔油气井局部〕主要内容：第一章钻井的工程地质条件地下各种压力的概念、地层压力与地层破裂压力、岩石的工程力学性质第二章钻进工具常用钻头钻头类型、构造、工作原理、使用方法钻柱的组成、功用、钻柱的受力分析、设计方法第三章钻井液钻井液的作用、组成与分类；钻井液的主要性能、主要固控制方法与设备第四章钻进参数优选钻井过程中各参数间的关系、钻速方程、机械破岩钻进参数优选方法、水力参数优化设计方法第五章井眼轨道设计与轨迹控制井眼轨迹的根本概念、轨迹测量及计算、直井防斜技术、定向井眼轨道设计、定向井造斜工具及轨迹控制第六章油气井压力控制与井控井眼与地层压力系统、平衡与欠平衡钻井、地层流体侵入控制第七章固井与完井井身构造的概念与设计方法、套管柱载荷分析与设计方法、注水泥技术、常用完井方法第八章井下复杂情况与事故处理常见的井下复杂情况类型、相应事故处理方法参考书：主要考察学生对油气田开发过程中的各研究对象及工艺流程、设备等内容的理解和掌握程度，主要内容包括油气藏及流体的物理性质、采油〔气〕工程和油气田开发过程中各工艺环节的根本概念、根本技术原理、设备及其功用、主要工艺流程等，进步油气开采技术的根本方法和原理等。

主要考试内容绪论油气田开发的根本概念、任务、目的、根本方法和系统组成。

第1章油层物理根底油藏流体的物理性质；储层岩石的物理性质；含多相流体的储层岩石的渗流机理。

第2章油藏工程根底油气田开发概论；油气田开发动态分析；油气田开发调整。

第3章完井与试油油气井完井方式；试油；油气层保护。

第4章油气井的流入动态、井筒多相流及气体井筒流动油气井的流入动态及其应用；井筒多相流的流动构造；滑脱损失；气体井筒流动。

第5章自喷与气举采油自喷井的流动过程；自喷的条件和产量；自喷井的管理；气举原理、分类。

第6章有杆泵与无杆泵采油有杆泵的根本装置和原理；泵的分类及根本原理、泵效的计算、影响因素及进步泵效的措施；无杆泵采油的分类、根本装置和原理。

第二节钻柱♦钻柱：是指钻头以上，水龙头以下部分的钢管柱的总称，它包括方钻杆、钻杆、钻铤、各种接头及稳定器等井下工具。

它是连通地面与地下的枢纽。

♦在用转盘钻井时，是靠钻柱传递破碎岩石所需能量，给钻头加压，以及井内输送洗井液。

♦在井下动力钻井时，其承受井底动力机的反扭矩，同时涡轮钻具和螺杆钻具所需的液体能量也是通过钻柱输送到井底的。

♦其是钻井工具与装备的薄弱环节。

（特别是对于深井钻具井下情况又是比较复杂。

如卡、堵、蹦等）从以下几个方面我们可以看出，合理的设计钻柱与下部的钻井组合，对于实现优质快速的钻进具有十分重要的意义。

那么组成钻柱的主要钻井工具有哪些呢？①方钻杆②钻杆③加重钻杆④钻铤⑤井下马达（涡轮钻具与螺杆钻具）⑥⎪⎩⎪⎨⎧随钻减震器减震器稳定器其它的钻井工具一、钻柱的组成与作用（《甲方手册》，上册）（一）钻柱的作用1、输送钻井液 为钻井液由井口流向钻头提供通道；2、传递能量与压力 把地面的动力（扭矩）传递给钻头，同时给钻头施压，使钻头在钻压的作用下吃入岩石，在扭矩的作用下，钻头不断的破碎岩石；3、起下钻头钻柱除了以上在正常钻进中作用外，还具有其它一些重要作用：1）检测 观察钻头的情况、井眼情况、地层情况；2）特殊作业 取心、挤水泥、打捞井下落物及处理井下其它事故；3）对地层流体及压力状况等进行测试与评价（中途测试）（二）钻柱的组成⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧→⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎩⎪⎨⎧特殊的钻具组合打捞工具测试工具随钻监测工具扩眼器震击器减震器稳定器钻铤下部钻具组合扩眼器（有时）加重钻杆普通钻杆钻杆段不同的目的而不同）具体的组成则随着钻柱( 见教材P 74，图2—28，典型的钻具组合二、组成钻柱的主要钻井工具的规范与特性（一）方钻杆定义：方钻杆位于钻柱的最上端，其主要的作用是传递扭矩。

其位于钻柱的最上方，与水龙头相连。

方钻杆的驱动部分断面为中空的四边形与六方形。

由于方钻杆在工作时要承受整个钻柱的重量和旋转柱及钻头所需的扭矩，所以方钻杆的壁厚一般比钻杆大3倍左右，同时使用高强度的合金钢制造。

第二章钻进工具1.何谓钻柱的中性点？答：中性点的概念是由鲁宾斯基提出来的。

他认为中性点时钻柱受拉和受压的分界点。

2. 什么叫复合钻柱？答：即采用不同尺寸（上打下小）、或不同壁厚（上后下薄）、不同钢号（上高下低）的钻杆组成的钻杆柱。

3.评价钻头性能的指标有那几项？答：钻头进尺，钻头工作寿命，钻头平均机械钻速，钻头单位进尺成本。

4.简述刮刀钻头破岩原理。

答：刮刀钻头刀翼在钻压W和扭转力T的作用下，一方面作向下的运动，一方面围绕钻头轴线旋转，刀翼以正螺旋面吃入并切削岩层，井底平面与水平面成Ø 角。

刮刀钻头主要以切削和挤压方式破碎地层，具体方式主要取决于钻头的切削结构及所钻地层的岩性。

由于这几种破岩方式主要要克服岩石的抗剪强度，所以它比克服岩石的抗压强度的破岩方式要容易得多。

5. 牙轮的超顶、移轴和复锥各产生哪个方向的滑动？答：由于牙轮的超顶、移轴、复锥，使牙轮在滚动的同时在井底产生滑动。

超顶和复锥引起沿切线方向滑动，这种作用除了冲击、压碎作用破碎岩石外，还可以剪切掉同一齿圈相邻牙齿破碎坑之间的岩脊；移轴产生轴向方向的滑动，可以剪切掉齿圈之间的岩脊。

6. 金刚石钻头有哪些突出优点？答：（1）是一体性钻头，没有结构薄弱的环节，因而可以使用较高的转速，可以承载较大的侧向载荷而不发生井下事故，（2）金刚石钻头在正确使用的情况下，耐磨且寿命长，适合于深井及研磨性地层。

（3）在高温下，牙轮密封易失效，金刚石钻头则不会出现此问题。

（4）金刚石钻头不受空间尺寸的限制，适合于小井岩钻井。

（5）在钻牙受限的情况下可以使用金刚石钻头。

（6）结构设计制造比较灵活，生产设备简单，能满足非标的需要。

（7）PDC 钻头是一种切削型钻头，实践表明在适应地层可以取得很高的经济效益。

（8）由于热稳定性的限制，必须保证充分的冲洗和冷却。

（9）金刚石钻头抗载荷、抗冲击能力较差，使用时必须岩严格的规程。

7. 金刚石钻头的工作原理？答：由于岩石性能技工条件的复杂性至今没有统一结论，但是可以归纳以下几点：（1）在钻遇硬地层时，在钻压的作用下压入岩石，使接触岩石呈现极高的应力状态而使岩石呈现塑性。

※<习题一>第一章思考题与习题1．简述地下各种压力的基本概念及上覆岩层压力、地层空隙压力和基岩应力三者之间的关系。

2．简述地层沉积欠压实产生异常高压的机理。

3．简述在正常压实的地层中岩石的密度、强度、空隙度、声波时差和dc指数随井深变化的规律。

4．解释地层破裂压力的概念，怎样根据液压实验曲线确定地层破裂压力。

5．某井井深2000m，地层压力25MPa，求地层压力当量密度。

6．某井垂深2500m，井内钻井液密度为1.18g/cm3，若地层压力为27.5MPa，求井底压差。

7．某井井深3200m，产层压力为23.1MPa，求产层的地层压力梯度。

8．某井钻至2500m，钻进时所用的钻头直径为215mm，钻压160kN，钻速110r/min，机械钻速7.3m/h，钻井液密度1.28g/cm3，正常条件下钻井液密度为1.07g/cm3，求d和dc指数。

9．岩石的硬度与抗压强度有何区别？10．岩石的塑性系数是怎样定义的？简述脆性、塑脆性和塑性岩石在压入破碎时的特征。

11．岩石在平行层理和垂直层理方向上的强度有何不同？岩石的这种性质叫什么？12．岩石受围压作用时，其强度和塑脆性是怎样变化的？13．影响岩石强度的因素有哪些？14．什么是岩石的可钻性？我国石油部门采用什么方法评价岩石的可钻性？将地层按可钻性分为几级？15．井底和井眼周围地层岩石受哪些力？16．水平地应力是怎样产生的？它与上覆岩层压力的关系是怎样的？17．什么叫有效应力、有效上覆岩层压力、各向压缩效应？※<习题二>第二章钻进工具1．评价钻头性能的指标有那几项？2．石油钻井钻头可分为哪几类？哪类钻头用量最大？3．简述刮刀钻头破岩原理。

4．刮刀钻头其刀翼结构角有哪几个？有什么影响？如何取值？5．铣齿牙轮钻头和镶齿牙轮钻头有哪些不同？6．牙轮钻头有哪几副轴承？按结构不同可分为几类？滑动轴承有什么特点？7．牙轮钻头的储油润滑密封系统包括几部分？其作用是什么？8．牙轮的超顶、移轴和复锥各产生哪个方向的滑动？9．牙轮的布置方案有哪几种？10．牙轮钻头在井底工作时有哪几种运动形式？11．简述牙轮钻头破岩原理12．国产三牙轮钻头有哪几个系列？试解释HP5的含义。

z zzzzzz zzzz z zzzzz zzz钻铤z注明钻铤的各部尺寸， 包括类型、外径，内孔，长 度、扣型、是否带卡瓦槽和 吊卡槽、耐磨带等信息。

z订购说明 购说明转换接头z转换接头分为A、B、C、D四类。

订购时需注明扣型 长度 内外径尺寸 订购时需注明扣型、长度、内外径尺寸。

石油钻杆螺纹z z z z内平扣，用IF表示； 贯眼扣 用FH表示； 贯眼扣，用 表示 正规扣，用REG表示。

数字扣 用NC表示 数字扣，用石油钻杆螺纹z应力槽应力槽的加工是可选的 ，内螺纹加工后孔式应力槽石油钻杆螺纹z冷滚压加工对钻柱螺纹根部和应力槽进行冷滚压加工，使工作的表面留有残留的 压应力，提高工件的表面粗糙度，提高抗疲破坏的能力。

冷滚压设备滚压后金相片×100滚压前金相片×100稳定器（扶正器）三螺旋整体稳定器 可换套稳定器直四棱整体稳定器 HF3000稳定器套 非旋转稳定器 可换套稳定器稳定器（扶正器）中软地层层 层软地层硬和研磨地层z滚轮铰孔器减震器z减震器安装钻头的上面，利 用减震器里的减震元件 来吸收钻进时的冲击振 动载荷 以提高钻井速 动载荷，以提高钻井速 度，保护钻具。

z z z z蝶簧减震器以蝶簧作为减震元件液压减震器硅油作为减震元件单向减震器 双向减震器减震器z单向减震器单向减震器对纵向的冲击载荷起减震作用。

z双向减震器双向减震器不仅能吸收纵向振动载荷还能吸收由扭矩产生的振动 和冲击载荷。

钻具止回阀z钻具止回阀钻具止回阀是一种内防喷器，是用来防止高压油气 从钻具的水眼中喷出。

泥浆能够从止回阀的上部流向 下部，但不能倒流。

常见有箭形回压阀、浮阀、投入止回阀 订购时需注明种类、外径或扣型和最大使用压力。

最大使用压力分为35MPa和70MPa 。

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