第四章：鉆井工藝技術(shù)本章內(nèi)容影響鉆井過(guò)程（鉆速）的因素地層巖性強(qiáng)度、硬度、研磨性、可鉆性鉆井液性能密度、固相含量、粘度、失水鉆頭類型及結(jié)構(gòu)水力參數(shù)泵壓、排量、噴嘴直徑鉆井機(jī)械參數(shù)鉆壓、轉(zhuǎn)速影響鉆井過(guò)程（鉆速）的因素地層巖性

地層巖性是影響因素中不可改變的客觀因素，因此對(duì)它的研究工作主要是認(rèn)識(shí)它，以便在鉆進(jìn)過(guò)程中去適宜它。對(duì)地層巖性認(rèn)識(shí)的準(zhǔn)確和可靠與否，決定了鉆進(jìn)工藝技術(shù)的合理性。要達(dá)到這個(gè)目的，必須從二方面入手：一是充分了解和掌握巖石的基本物理機(jī)械性質(zhì)、基本破碎規(guī)律；二是準(zhǔn)確預(yù)報(bào)、預(yù)測(cè)鉆遇地層的巖石類型。影響鉆井過(guò)程（鉆速）的因素鉆井液性能鉆井液性能是影響系統(tǒng)目標(biāo)的重要可調(diào)變量。大量實(shí)驗(yàn)證明，鉆井液的各性能對(duì)鉆速都有一定影響，其中對(duì)鉆速影響較大的鉆井液性能主要是：（1）密度；（2）固相含量；（3）粘度；（4）失水，尤其是初失水；（5）含油量。影響鉆井過(guò)程（鉆速）的因素鉆井液性能——粘度鉆井液粘度增大，將使循環(huán)壓力增大，鉆頭水馬力相應(yīng)減少；同時(shí)環(huán)空循環(huán)壓力增大，相當(dāng)于增大了鉆井液密度；再有使鉆頭噴嘴紊流粘度相應(yīng)升高，不利于鉆頭對(duì)井底的清洗和沖擊作用。這一系列效果的迭加，導(dǎo)致了鉆速降低。影響鉆井過(guò)程（鉆速）的因素鉆井液性能——固相含量鉆井液固相含量對(duì)鉆速有較大影響。在一般情況下，鉆井液中固相含量每降低1％，

鉆速可以提高10％左右。為此必須嚴(yán)格控制鉆井液內(nèi)固相含量，一般應(yīng)低于4％為宜。

在固相含量相同的情況下，固相在鉆井液中的狀態(tài)不同，也會(huì)出現(xiàn)不同的鉆速。一般在4％的固相含量條件下，不分散鉆井液比分散鉆井液鉆速提高將近1倍。

巖

石巖石的力學(xué)性質(zhì)影響巖石力學(xué)性質(zhì)的因素巖石的研磨性巖石的可鉆性巖石巖石的力學(xué)性質(zhì)巖石力學(xué)性質(zhì)：巖石的變形特性和強(qiáng)度特性變形特性全應(yīng)力-應(yīng)變曲線衡量巖石力學(xué)性質(zhì)的參數(shù)彈性、塑性、韌性、強(qiáng)度OA段：曲線稍向上凹，反映巖石試件內(nèi)部裂隙逐漸被壓密。AB段：隨著巖石內(nèi)裂隙被壓密，它的斜率為常數(shù)或接近于常數(shù)，其斜率定義為巖石的楊氏彈性模量E。巖石－變形特性BC段：隨著荷載的繼續(xù)增大，變形和荷載呈非線性關(guān)系，裂隙進(jìn)入不穩(wěn)定發(fā)展?fàn)顟B(tài)，這是破壞的先行階段。應(yīng)力－應(yīng)變曲線的斜率隨著應(yīng)力的增加而逐漸地減小到零，曲線向下凹，巖石中引起不可逆變化。發(fā)生彈性到延性行為過(guò)渡的點(diǎn)B，通常稱為屈服點(diǎn)，而相應(yīng)的應(yīng)力稱為屈服應(yīng)力。最高點(diǎn)C的應(yīng)力稱為強(qiáng)度極限（如為單軸試驗(yàn)便稱為單軸抗壓強(qiáng)度）。CD段：曲線下降，是由于裂隙發(fā)生了不穩(wěn)定傳播，新的裂隙分叉發(fā)展，使巖石開(kāi)始解體。CD段以脆性性態(tài)為其特征。

巖石－變形特性巖石的彈性常數(shù)巖石的應(yīng)力——應(yīng)變關(guān)系

楊氏彈性模量：E剪切彈性模量：G=E/2(1+)體積彈性模量：K=E/[3(1-2)]泊松比：橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變之比

簡(jiǎn)單應(yīng)力條件下巖石的強(qiáng)度強(qiáng)度的概念物體受外力作用而達(dá)到破壞的應(yīng)力，稱為物體的強(qiáng)度。簡(jiǎn)單應(yīng)力狀態(tài)(P112)單軸抗壓強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度抗彎強(qiáng)度抗剪強(qiáng)度大小比較抗壓強(qiáng)度>抗剪強(qiáng)度>抗彎強(qiáng)度>抗拉強(qiáng)度以上數(shù)據(jù)由實(shí)驗(yàn)測(cè)定，測(cè)定時(shí)對(duì)巖石的制備有一定的要求。巖石——強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)單軸抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)

巖石P壓力P壓力鋼墊板球座巖石——強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)單軸抗拉強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)

P:巖盤(pán)破裂時(shí)所施加的載荷，Nr0:巖盤(pán)的半徑，mmt:巖盤(pán)的厚度，t巖石復(fù)雜應(yīng)力條件下的強(qiáng)度（a):常規(guī)三軸實(shí)驗(yàn)

（b)：三面壓縮（三液缸、真三維）（c):液壓作用下的壓扭

（d)：液壓作用下兩面柱塞壓縮巖石復(fù)雜應(yīng)力條件下的強(qiáng)度圍壓強(qiáng)度極限（巴）巖石復(fù)雜應(yīng)力條件下的強(qiáng)度巖性不一樣，圍壓影響程度不一樣。復(fù)雜應(yīng)力條件下的強(qiáng)度常規(guī)三軸實(shí)驗(yàn)結(jié)果在室溫條件下，對(duì)于所有的巖石，當(dāng)圍壓增大時(shí)，其強(qiáng)度增大，但所增大的倍數(shù)，對(duì)于不同類型的巖石是不一樣的。隨著圍壓增大，巖石表現(xiàn)出從脆性到塑性的轉(zhuǎn)變，并且圍壓越大，巖石破壞前所呈現(xiàn)的塑性也越大。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)破巖的意義

對(duì)于深井鉆井說(shuō)來(lái)，研究巖石從脆性到塑性的轉(zhuǎn)變點(diǎn)具有很重要的實(shí)際意義。因?yàn)榇嘈云茐暮退苄云茐氖莾煞N從本質(zhì)上不相同的破壞，所以破碎這兩種狀態(tài)下的巖石需要分別應(yīng)用不同的破碎工具（不同結(jié)構(gòu)的鉆頭類型），采用不同的破碎方式（沖擊、壓碎、擠壓、剪切或切削、磨削等）以及不同的破碎參數(shù)的合理組合（鉆壓、轉(zhuǎn)數(shù)及水力參數(shù)等）。

巖石的硬度及塑性系數(shù)硬度：一種物體抵抗另一種物體浸入的能力，具體度量為巖石發(fā)生局部破碎時(shí)（形成破碎坑），作用于單位面積上的力，即：

Py=P/SPy：巖石硬度（Ｐa）P：產(chǎn)生脆性破碎時(shí)壓頭上的載荷NS：壓頭的底面積，m2

巖石的硬度及塑性系數(shù)巖石的硬度及塑性系數(shù)巖石的塑性系數(shù)巖石破碎前耗費(fèi)的總功Ａf與彈性變形功Ａe為巖石的塑性系數(shù)K:

影響巖石力學(xué)性質(zhì)的因素動(dòng)載沖擊速度小于10m/s時(shí)，巖石的硬度和塑性系數(shù)變化不大，接近于靜開(kāi)時(shí)的數(shù)據(jù)。沖擊速度大于30m/s時(shí)，硬度和屈服極限明顯增大。在牙輪鉆頭沖擊巖石的速度范圍內(nèi)（不大于5m／s），動(dòng)載影響非常小。影響巖石力學(xué)性質(zhì)的因素

壓力地應(yīng)力（坍塌壓力、側(cè)壓力）各向壓縮效應(yīng)地層孔隙壓力降低了“各向壓縮效應(yīng)”。各向壓縮效應(yīng)取決于Ｐ=圍壓-孔隙壓力。孔隙壓力、泥漿液柱壓力隨著井的加深或泥漿密度的增大，鉆速的下降不僅是由于巖石硬度的增大，而且也由于巖石塑性的增大。影響巖石力學(xué)性質(zhì)的因素

溫度：保持圍壓一定情況下， 巖石的硬度（屈服極限）和塑性系數(shù)均隨溫度的升高而降低。溫度、壓力聯(lián)合作用下除鹽巖外，其它巖石的極限強(qiáng)度隨著井深的增加而增加。

影響巖石力學(xué)性質(zhì)的因素

液體介質(zhì)

在液體介質(zhì)作用下，使固體在變形和破壞過(guò)程中，產(chǎn)生機(jī)械性質(zhì)變化的主要原因是在固一液表面的物理－化學(xué)現(xiàn)象－潤(rùn)濕和吸附。

水滲入到巖石中，潤(rùn)濕巖石顆粒表面，減弱顆粒間的聯(lián)結(jié)力導(dǎo)致巖石強(qiáng)度降低。

巖石的研磨性巖石的研磨性巖石磨損破巖工具表面的能力，它是由鉆頭工作刃與巖石相互磨擦過(guò)程中產(chǎn)生微切削、刻劃、擦痕等造成的。組成巖石的礦物硬度越大，該巖石的研磨性越大，研磨性由小到大的順序?yàn)椋毫蛩猁}類巖石（石膏、重晶石）、碳酸鹽巖石（石灰?guī)r和白云巖）、硅質(zhì)巖石（燧石）、鐵－鎂長(zhǎng)石巖、石英巖。巖石的可鉆性定義：巖石破碎的難易程度。是受各種鉆井因素的綜合影響。

K(d)=f(wob,rpm,Nbj,P,h,TYPEbit,Py)影響因素：天然的、工藝的、技術(shù)的度量和分類應(yīng)建立在巖石力學(xué)性質(zhì)的基礎(chǔ)上，不受人為的技術(shù)的因素影響?？摄@性的研究方法及意義研究方法室內(nèi)實(shí)驗(yàn)：微鉆頭鉆金法：Bit:31.75mm,WOB:907.2N,RPM:55,footage:2.381mm,測(cè)量鉆時(shí)計(jì)算鉆速通過(guò)測(cè)井分析計(jì)算巖石的可鉆性、意義鉆頭選型及鉆頭磨損預(yù)測(cè)確定最優(yōu)的鉆井參數(shù)機(jī)械鉆速預(yù)測(cè)確定鉆井工作定額

巖石的各向異性定義巖石在垂直于層理和平行于層理方向上的力學(xué)性質(zhì)是不一樣的。力學(xué)性質(zhì)包括巖石的彈性常數(shù)巖石的泊松比巖石的強(qiáng)度巖石的機(jī)械鉆速鉆頭——基本要求鉆頭的結(jié)構(gòu)（刮刀、牙輪、PDC)鉆頭的破巖原理重點(diǎn)掌握三牙輪鉆頭的運(yùn)動(dòng)分析及破巖原理

鉆頭——主要內(nèi)容石油鉆井用鉆頭類型刮刀鉆頭(Dragbit)牙輪鉆頭(Conerollingbit)金剛石鉆頭各型鉆頭的結(jié)構(gòu)、破巖機(jī)理、合理使用鉆頭的選型鉆頭的類型

刮刀鉆頭牙輪鉆頭金剛石鉆頭天然金剛石鉆頭（ＮＤ）人造聚晶金剛石鉆頭（ＰＤＣ）熱穩(wěn)定聚晶金剛石鉆頭（ＴＳＰ）特殊用途鉆頭取心鉆頭(Coringbit)擴(kuò)眼鉆頭(reamer)刮刀鉆頭(Dragbit)

刮刀鉆頭的破巖原理破巖共同規(guī)律破碎塑性巖石刮刀鉆頭的破巖原理破碎塑脆性巖石撞擊、壓碎及小剪切、大剪切刮刀鉆頭的破巖機(jī)理塑脆性巖石刀翼向前推井碰撞刃前巖石刀翼在扭力Ｔ作用下壓碎前方的巖石，使其產(chǎn)生小剪切破碎施轉(zhuǎn)力增大。當(dāng)扭力增大到極限值時(shí)，巖石沿剪切面產(chǎn)生大剪切破碎，然后扭力突然減小。刮刀鉆頭的使用刮刀鉆頭適用的地層泥巖及頁(yè)巖等軟地層參數(shù)配合增加轉(zhuǎn)速，適當(dāng)減小鉆壓，提高排量

三牙輪鉆頭三牙輪鉆頭的基本結(jié)構(gòu)鉆頭本體有三片牙掌組裝焊接在一起,上部有連接絲扣。牙輪：由牙輪體和牙齒組成錐形的金屬體。牙齒：分銑齒和鑲齒兩種類型軸承及其儲(chǔ)油密封裝置噴嘴銑齒鉆頭

絲扣牙輪銑齒巴掌噴嘴三牙輪銑齒鉆頭

絲扣牙輪鑲齒巴掌鑲齒鉆頭

噴嘴

牙輪鉆頭的破巖機(jī)理牙輪鉆頭在井底工作的復(fù)合運(yùn)動(dòng)

鉆頭的公轉(zhuǎn)（牽連速度）牙輪繞牙輪軸的自轉(zhuǎn)（相對(duì)運(yùn)動(dòng)）輪齒相對(duì)于巖石的滑動(dòng)切削速度鉆頭的縱向振動(dòng)

巖輪鉆頭的沖擊、壓碎作用鉆進(jìn)時(shí)，鉆頭上承受的鉆壓經(jīng)牙齒作用在巖石上，除此靜載外，還有因鉆頭縱向振動(dòng)造成的沖擊載荷。鉆頭的沖擊載荷有利于破碎巖石，但也會(huì)使鉆頭軸承過(guò)早破壞，使牙齒特別是硬質(zhì)合金齒崩碎，造成鉆柱的疲勞失效。因此，在鉆井中，特別是鉆硬地層時(shí)，要使用減震器。牙輪鉆頭的沖擊作用牙輪鉆頭的剪切作用通過(guò)牙輪在井底滾動(dòng)的同時(shí)產(chǎn)生輪齒對(duì)井底巖石的滑動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。產(chǎn)生滑動(dòng)的三個(gè)因素：超頂、復(fù)錐和移軸。超頂引起的滑動(dòng)（滑動(dòng)方向垂直于牙輪母線、即沿切線方向）移軸引起的滑動(dòng)（滑動(dòng)方向沿牙軸）復(fù)錐引起的滑動(dòng)

復(fù)錐牙輪包括主錐和副錐如主錐頂與鉆頭中心重合，則副錐頂必是超頂?shù)?，超頂引起切線方向上的滑移。

鉆頭運(yùn)動(dòng)方向和牙輪運(yùn)動(dòng)方向相反存在一點(diǎn)M，其合成速度為0，該點(diǎn)只有滾動(dòng)，沒(méi)有滑動(dòng)。不同巖性的地層需要不同的滑動(dòng)量，地層越軟，塑性越大，牙輪的滑動(dòng)量就大，超頂越大。牙輪超頂鉆頭的運(yùn)動(dòng)牙輪的運(yùn)動(dòng)牙輪母線相對(duì)于井底的運(yùn)動(dòng)牙輪的移軸牙輪的移軸r

x

y

x

y

VVyVx

(x,y)

牙輪的移軸對(duì)于牙輪頂點(diǎn)O’，沿著牙輪軸線的速度為：Vo’=ωb*SS為移軸的距離移軸的牙輪是一個(gè)剛體，在接觸的母線上同時(shí)產(chǎn)生一軸向滑動(dòng)速度牙輪鉆頭破巖機(jī)理牙輪鉆頭的剪切作用由移軸所引起的軸向滑動(dòng)可以剪切掉齒圈間的巖石，而超頂和復(fù)錐所引起的切向方向上的滑動(dòng)可以剪切掉同一齒圈相鄰牙齒破碎坑之間的巖石?；瑒?dòng)增加了牙齒的磨損。對(duì)于極軟到中硬地層的鉆頭，一般兼有移軸、超頂和復(fù)錐；中硬或硬地層鉆頭有超頂和復(fù)錐。極硬地層，所選鉆頭為純滾動(dòng)（單錐、不超頂、不移軸）。牙輪鉆頭的結(jié)構(gòu)和類型鉆頭直徑牙輪的軸線偏移量軟地層、高塑性的巖層，偏移值要大硬地層、低塑性的巖層，偏移值要小極硬地層、高研磨性地層，無(wú)偏移量牙輪軸線與鉆頭軸線的夾角=51°-55°軟地層角較大，硬地層角較小

牙輪的形狀及布置牙輪的幾何形狀及尺寸主錐角、副錐角、牙輪總高牙輪最大外徑、背錐角牙輪的布置非自洗式自洗不移軸自洗移軸主錐角2φ副錐角2θ牙輪總高H牙輪最大外

徑d背錐角2γ牙輪的幾何形狀尺寸牙輪的布置方式牙輪鉆頭非自洗布齒方案自洗不移軸布齒方案自洗移軸布齒方案牙輪鉆頭牙輪上牙齒的布置鉆頭每轉(zhuǎn)一周中，牙齒應(yīng)全部破碎井底牙輪在重復(fù)滾動(dòng)時(shí)應(yīng)使牙齒不致落入別的齒已破碎的舊坑內(nèi)。各牙輪齒圈上的牙齒數(shù)應(yīng)使每齒均勻地承擔(dān)破碎井底巖石的任務(wù)。所以外圈齒數(shù)應(yīng)多些，內(nèi)圈齒應(yīng)少些。布齒的一般原則長(zhǎng)而稀疏的鋼齒用來(lái)鉆進(jìn)軟地層，稀疏布齒有利于鉆頭的清洗。密而短的鑲齒適合于鉆硬地層。牙輪鉆頭的牙齒對(duì)于牙齒的基本要求是破巖效率高、壽命長(zhǎng)。為滿足這一要求，一是牙齒的幾何形狀要合理；二是齒的材料要耐磨并有足夠的強(qiáng)度。目前牙輪鉆頭的牙齒有銑齒（也稱鋼齒）和硬質(zhì)合金齒（簡(jiǎn)稱鑲齒）兩大類。

牙輪鉆頭的牙齒（銑齒）銑齒牙輪鉆頭的牙齒與牙輪殼體成一體，它是由牙輪毛坯經(jīng)過(guò)銑削加工形成，為了提高牙齒的耐磨性，在齒面上敷焊硬質(zhì)合金粉。銑齒的齒型主要是楔形齒。外排保徑齒可作成型、T型、L形。

牙輪鉆頭的牙齒（鑲齒）楔形齒適用于破碎具有高塑性的軟地層以及中硬地層，齒尖角同65－90不等，齒尖角小的適合軟地層，齒尖角大的適合較硬的地層。錐形齒：分單錐各雙錐兩種，以壓碎方式破碎巖石，60－70中等錐形齒用來(lái)鉆中硬地層，如灰?guī)r、白云巖。90錐及120雙錐型齒適用于研磨性高的堅(jiān)硬地層，如硬砂巖、石英巖。牙輪鉆頭的牙齒（鑲齒）三棱齒：在雙錐形齒的錐面上每隔120削出一個(gè)平面而成，適用于硬脆地層和軟、塑性地層的交錯(cuò)層。

球形齒：強(qiáng)度和耐磨性較高，以壓碎和沖擊的方式破碎高研磨性的堅(jiān)硬地層，如燧石、石英巖、玄武巖、花崗巖。

拋射體形齒：它是環(huán)形齒的變形，齒較高但有一定強(qiáng)度，適用高研磨性的堅(jiān)硬地層。牙輪鉆頭的牙齒（鑲齒）平頂性齒：齒形園柱體，端部有倒角，只用在牙輪的背錐上，以防止牙輪背錐磨損，從而維持規(guī)徑大小。

斜楔形齒：基本是楔形，但齒刃部分為一端窄，一端寬。用在中硬到軟地層鉆頭的外排齒上。寬的一邊耐磨性大，裝在鉆頭外緣，以切削井壁防止鉆頭磨小。

牙輪鉆頭牙齒破巖機(jī)理外力超過(guò)巖石的抗壓強(qiáng)度后，鉆頭齒下形成細(xì)巖粉的楔子增大外力，楔中的巖石發(fā)生剪切破壞。形成破碎區(qū)由于壓差的不同，巖石表現(xiàn)出的同的破壞特性。牙輪鉆頭的軸承結(jié)構(gòu)：三副承受徑向載荷的軸承滾柱－滾珠－滑動(dòng)滾柱－滾珠－滾柱工作條件和磨損：承壓（鉆壓60-70%），承受沖擊載荷（牙軸頸）磨損：泥漿中的雜質(zhì)、液體介質(zhì)的性質(zhì)對(duì)軸承的磨損影響較大。軸承的儲(chǔ)油潤(rùn)滑和密封

牙輪鉆頭的軸承形式代號(hào)，由表2-6規(guī)定的數(shù)字表示

系列名稱代號(hào)，用表4-12規(guī)定的字表示（該表有誤）鉆頭直徑，用數(shù)字表示

215.9XHP-R表示用于軟地層、直徑215.9mm、鑲齒滑動(dòng)軸承鉆頭國(guó)產(chǎn)牙輪鉆頭表示方法國(guó)產(chǎn)三牙輪鉆頭形式與適應(yīng)地層IADC鉆頭的命名IADC統(tǒng)一編號(hào)三位數(shù)字第一位：表示牙齒的特征及適用地層（1-8）第二位：表示所鉆地層再由軟到硬分為四個(gè)等級(jí)（1-4）第三位：表示鉆頭結(jié)構(gòu)特征（1-9）

牙輪鉆頭的合理使用牙輪鉆頭的選型鉆頭結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)、作用原理地層巖石性質(zhì)：巖性、硬度、塑性系數(shù)、抗壓強(qiáng)度地層可鉆性分析地層研磨性分析牙輪鉆頭使用下鉆慢、防止頓鉆井內(nèi)無(wú)落物避免劃眼使用減震器在生產(chǎn)廠家推薦的鉆壓，轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)工作金剛石鉆頭金剛石的物理機(jī)械金剛石是人類所知最硬的材料，抗壓能力也最強(qiáng)，抗磨能力為鋼的9000倍，金剛石的弱點(diǎn)是熱敏感性及脆性。金剛石鉆頭的破巖機(jī)理在靜壓入時(shí)，金剛石使巖石首先產(chǎn)生塑性變形繼續(xù)加壓，產(chǎn)生比金剛石大好幾倍的園形破碎坑在金剛石下形成初壓實(shí)的粉末核心。在運(yùn)動(dòng)條件下，當(dāng)壓力小時(shí)只形成小溝，當(dāng)增大壓力時(shí)，小溝的深度遠(yuǎn)超過(guò)金剛石的斷面尺寸，在金剛石前面而且在其兩側(cè)的巖石均發(fā)生破碎。金剛石鉆頭的使用

井底要求清潔避免劃眼鉆井參數(shù)和選擇鉆壓：均勻施鉆壓轉(zhuǎn)速；盡可能高些（150RPM以上）排量：滿足攜巖要求

金剛石鉆頭產(chǎn)品簡(jiǎn)介AR/R系列金剛石鉆頭

應(yīng)用自銳性的聚晶金剛石（即復(fù)合片）為切削齒，在軟至中硬地層中可獲得高的機(jī)械鉆速。與常規(guī)PDC鉆頭相比，AR系列采用獨(dú)特的抗回旋設(shè)計(jì)，因而使鉆頭壽命更長(zhǎng)，使用范圍更廣。

AR/R系列金剛石鉆頭Ｓ系列巴拉斯鉆頭

采用熱穩(wěn)定性聚晶金剛石齒（即巴拉斯），直接燒結(jié)于鉆頭體上，鉆進(jìn)中至硬地層。或采用金剛石孕鑲塊作切削齒，鉆進(jìn)硬的研磨性地層。雙錐型冠部。適用于高抗壓強(qiáng)度中硬地層，在碳酸鹽及致密地層更有效。用于轉(zhuǎn)盤(pán)鉆及井下動(dòng)力鉆深井、高比重鉆井條件下使用效果更佳

Ｓ系列巴拉斯鉆頭

金剛石取芯鉆頭

雙心鉆頭

雙心鉆頭

雙心鉆頭用于在通過(guò)一個(gè)較小的井眼或套管中鉆出一個(gè)較大直徑的井眼。雙心鉆頭用于鉆穿易粘附的流動(dòng)性鹽巖或膨脹性頁(yè)巖地層，或者由于井身結(jié)構(gòu)限制，又需保證下部井段固井質(zhì)量的鉆進(jìn)。雙心鉆頭還用于加深鉆進(jìn)，二次完井，增加套管環(huán)空，提高固井質(zhì)量，以及減少井下擴(kuò)眼時(shí)所伴隨的危險(xiǎn)和高成本。銑齒鉆頭磨損分級(jí)

鑲齒鉆頭牙齒磨損分級(jí)牙齒磨損代號(hào)銑齒鑲齒T1齒高磨去1/81/8的鑲齒崩落或掉落T2齒高磨去2/82/8的鑲齒崩落或掉落T3齒高磨去3/83/8的鑲齒崩落或掉落T4齒高磨去4/84/8的鑲齒崩落或掉落T5齒高磨去5/85/8的鑲齒崩落或掉落T6齒高磨去6/86/8的鑲齒崩落或掉落T7齒高磨去7/87/8的鑲齒崩落或掉落T8牙齒全部磨光鑲齒全部掉落或破碎鉆頭軸承磨損分級(jí)軸承磨損代號(hào)B1軸承壽命已經(jīng)用掉1/8B2軸承壽命已經(jīng)用掉2/8（輕微磨損）B3軸承壽命已經(jīng)用掉3/8B4軸承壽命已經(jīng)用掉4/8（輕微磨損）B5軸承壽命已經(jīng)用掉5/8B6軸承壽命已經(jīng)用掉6/8（輕微磨損）B7軸承壽命已經(jīng)用掉7/8B8軸承壽命已用完（軸承卡死或彈子有掉落）鉆頭的選擇選擇時(shí)考慮的因素研磨性地層的選擇牙齒磨損快，鉆速降低快，磨損保徑齒和背錐，使鉆頭直徑變小，軸承外露，加速鉆頭的磨損，此時(shí)最好選擇鑲齒鉆頭。淺井段和深井段鉆頭的選擇淺井使用機(jī)械鉆速高的鉆頭，深部井段使用壽命長(zhǎng)的鉆頭。深部軟地層鉆頭的選擇3000m以下的泥巖、頁(yè)巖等軟地層巖石，如選用硬地層鉆頭鉆進(jìn)，機(jī)械鉆速低，選用軟地層鉆頭鉆進(jìn)，容易斷齒。對(duì)于這種高圍壓引起的“橡皮地層”，最好采用低密度鉆井液，選擇中硬地層鉆頭。鉆頭的選擇選擇時(shí)考慮的因素（續(xù)）易斜地層鉆頭選型鉆頭本身存在一定的側(cè)向切削能力，在易斜地區(qū)，采用胎體較長(zhǎng)的鉆頭，或選用不移軸或移軸量小的鉆頭。軟硬交錯(cuò)地層的選型牙齒上選擇上：鑲齒鉆頭中加高契型齒或加高錐球齒，在軟地層中有一定的機(jī)械鉆速，也能對(duì)付硬地層。鉆進(jìn)時(shí)，在軟地層中提高轉(zhuǎn)速降低鉆壓，在硬地層中提高鉆壓降低轉(zhuǎn)速。鉆頭的選擇鉆頭的選擇按產(chǎn)品目錄選鉆頭根據(jù)地層硬度、研磨性以及廠家的產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)。牙輪鉆頭具體參考表4－14金剛石鉆頭：大復(fù)合片適合鉆軟地層，巴拉斯鉆頭適合鉆中－中硬并帶一定研磨性的地層，天然金剛石鉆頭適合鉆硬－堅(jiān)硬，研磨性高的地層。按測(cè)井資料選鉆頭通過(guò)聲波等測(cè)井資料，了解地層硬度、動(dòng)靜態(tài)彈性模量和泊松比，建立巖石力學(xué)參數(shù)與選投型號(hào)之間的關(guān)系，據(jù)此選擇鉆頭。鉆頭的選擇通過(guò)最低成本選擇鉆頭

Cb+Cr(Tt+T)

每米成本：C=———————

H C：鉆進(jìn)綜合成本，元/m;Cb

：鉆頭成本,元;Cr：鉆機(jī)單位時(shí)間作業(yè)費(fèi),,元/小時(shí);

Tt

：

起下鉆及接單根時(shí)間，小時(shí)；

T：鉆頭工作時(shí)間；小時(shí)

H：

鉆頭總進(jìn)尺,m鉆頭的選擇

機(jī)械參數(shù)機(jī)械參數(shù)是指鉆頭的工作參數(shù)鉆壓轉(zhuǎn)速確定機(jī)械參數(shù)的方法鉆頭廠家的推薦對(duì)鉆頭資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析機(jī)械參數(shù)的優(yōu)選量化優(yōu)選有困難，可作理論探討機(jī)械參數(shù)牙輪鉆頭機(jī)械參數(shù)軟地層采用低鉆壓、高轉(zhuǎn)速硬及中硬地層采用高鉆壓低轉(zhuǎn)速鉆頭安全承載能力:0.6~0.8kN/mm密封滑動(dòng)軸承不宜采用高轉(zhuǎn)速金剛石鉆頭在軟地層，采用低鉆壓，高轉(zhuǎn)速硬及中硬地層采用高鉆壓低轉(zhuǎn)速機(jī)械參數(shù)優(yōu)選方法建立鉆速方程建立機(jī)械鉆速模型，該鉆速模型與巖石的可鉆性、井深、巖石的致密性、井底壓差、鉆壓、轉(zhuǎn)速、水力參數(shù)、牙齒磨損建立鉆頭磨損模型，該模型與鉆壓、鉆速有關(guān)目標(biāo)函數(shù)

對(duì)鉆壓、轉(zhuǎn)速求導(dǎo)

Cb+Cr(Tt+T)

每米成本：C=———————

H2008-9-18

優(yōu)化的基本目標(biāo)

Cb+Cr(Tt+T)

每米成本：C=———————

H

Cb

鉆頭成本，

Cr

鉆機(jī)單位時(shí)間作業(yè)費(fèi)

Tt

起下鉆時(shí)間，T鉆頭工作時(shí)間

H鉆頭總進(jìn)尺

2008-9-18

影響鉆速的參數(shù)主要有哪些客觀因素(固定參數(shù))：地質(zhì)條件巖層性質(zhì)鉆井深度

…

具體如：巖石可鉆性、致密性、埋藏深度、地層對(duì)鉆壓轉(zhuǎn)速的敏感指數(shù)等參數(shù)。

特點(diǎn)：不能任意改變。2008-9-18

影響鉆速的參數(shù)主要有哪些

主觀因素(可調(diào)參數(shù))鉆井液性能和流變性參數(shù)機(jī)械參數(shù)：鉆壓、轉(zhuǎn)速、鉆頭類型水力參數(shù)：泵型選擇、泵壓、排量和水眼組合。具體如鉆井液密度、粘度，鉆頭磨損

...

特點(diǎn)：可調(diào)節(jié)的、可變化的

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應(yīng)優(yōu)選的參數(shù)

主觀因素

有較大的可變化性，而不同的鉆進(jìn)參數(shù)，所產(chǎn)生的鉆進(jìn)效果是不同的，因此，應(yīng)優(yōu)選這些參數(shù)的變化范圍，以獲得預(yù)期的鉆進(jìn)效果。

泥漿參數(shù)————泥漿設(shè)計(jì)水力參數(shù)————噴射鉆井機(jī)械參數(shù)————主要目標(biāo)

2008-9-18

如何進(jìn)行優(yōu)選確定優(yōu)化目標(biāo)

用最優(yōu)化方法確定出各參數(shù)應(yīng)滿足的條件的范圍

建立影響因素與優(yōu)化目標(biāo)之間的數(shù)學(xué)模型（目標(biāo)函數(shù)）

確定影響目標(biāo)的主要因素和影響規(guī)律

鉆速每米成本

2008-9-18

如何進(jìn)行優(yōu)選確定優(yōu)化目標(biāo)

用最優(yōu)化方法確定出各參數(shù)應(yīng)滿足的條件的范圍

建立影響因素與優(yōu)化目標(biāo)之間的數(shù)學(xué)模型（目標(biāo)函數(shù)）

確定影響目標(biāo)的主要因素和影響規(guī)律

鉆頭類型影響水力參數(shù)對(duì)鉆速影響鉆井液性能對(duì)鉆速影響鉆壓、轉(zhuǎn)速對(duì)鉆速影響

2008-9-18

如何進(jìn)行優(yōu)選確定優(yōu)化目標(biāo)

用最優(yōu)化方法確定出各參數(shù)應(yīng)滿足的條件的范圍

建立影響因素與優(yōu)化目標(biāo)之間的數(shù)學(xué)模型（目標(biāo)函數(shù)）

確定影響目標(biāo)的主要因素和影響規(guī)律

鉆速=f(鉆壓、轉(zhuǎn)速）鉆速=f(泥漿密度）鉆速=f(泥漿粘度）鉆速=f(多因素...）成本=f(……)

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如何進(jìn)行優(yōu)選確定優(yōu)化目標(biāo)

用最優(yōu)化方法確定出各參數(shù)應(yīng)滿足的條件的范圍

建立影響因素與優(yōu)化目標(biāo)之間的數(shù)學(xué)模型（目標(biāo)函數(shù)）

確定影響目標(biāo)的主要因素和影響規(guī)律

求極值法最小二乘法線性規(guī)劃…...2008-9-18

牙輪鉆頭鉆壓、轉(zhuǎn)速的影響2008-9-18

對(duì)鉆速的影響

現(xiàn)場(chǎng)鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)研究情況

a

bc2008-9-18

對(duì)鉆速的影響

現(xiàn)場(chǎng)鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)研究情況

分析：a.不同鉆壓范圍，鉆速與鉆壓呈不同的變化關(guān)系

0--a: 與P的平方成正比

a--b: 線性關(guān)系

b--c: 逐漸降低，趨于不變b.通用鉆壓范圍：a-b段c.鉆壓與鉆速的關(guān)系：

Vm~(P-M)

M——門(mén)限鉆壓，相當(dāng)于牙齒開(kāi)始?jí)喝霂r層時(shí)的鉆壓，與巖層性質(zhì)有關(guān)。

另：

Vm~Pa

Vm~(P-M)2008-9-18

現(xiàn)場(chǎng)鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)研究情況

2008-9-18

對(duì)鉆速的影響

現(xiàn)場(chǎng)鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)研究情況

分析：

a.凈化情況和巖石性質(zhì)不同，轉(zhuǎn)速影響規(guī)律不同b.轉(zhuǎn)速與鉆速的關(guān)系：

Vm~n

<1

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對(duì)鉆速的影響

牙齒磨損方程現(xiàn)象：

試驗(yàn)中，即使巖性均勻一致，鉆壓、轉(zhuǎn)速和其它參數(shù)不變，鉆速也會(huì)隨工作時(shí)間的增加而下降。

原因：

鉆頭牙齒磨損，工作效率下降。2008-9-18

對(duì)鉆速的影響

牙齒磨損方程2008-9-18

對(duì)鉆速的影響

牙齒磨損方程

鉆速與牙齒磨損的關(guān)系：

C2——牙齒磨損系數(shù)，與牙齒特性及巖層性質(zhì)有關(guān)

h——牙齒磨損量，以牙齒的相對(duì)磨損高度表示，

新齒時(shí)：h=0,全部磨損h=1

sHh=s/H

2008-9-18

對(duì)鉆速的影響

鉆速模型

前面通過(guò)試驗(yàn)確定了鉆壓、轉(zhuǎn)速、牙齒磨損單因素對(duì)鉆速的影響規(guī)律。

Vm=f1(P) Vm=f2(n) Vm=f3(h)

三參數(shù)對(duì)鉆速的綜合影響：

Vm=f1(P)?f2(n)?f3(h)假設(shè)條件：三個(gè)參數(shù)相互間不產(chǎn)生影響2008-9-18

對(duì)鉆速的影響

鉆速模型

楊格鉆速模式：

K——巖石可鉆性系數(shù)，與巖石硬度、鉆頭類型及泥漿

性能等因素有關(guān)M——門(mén)限鉆壓——轉(zhuǎn)速指數(shù)C2——牙齒磨損系數(shù)2008-9-18

對(duì)鉆速的影響

鉆速模型

修正楊格鉆速模式：K——巖石可鉆性系數(shù)，與巖石硬度、鉆頭類型及泥漿

性能等因素有關(guān)M——門(mén)限鉆壓——轉(zhuǎn)速指數(shù)C2——牙齒磨損系數(shù)CP——壓差影響系數(shù)CH——水力參數(shù)影響系數(shù)2008-9-18

鉆進(jìn)參數(shù)的優(yōu)選方法

2008-9-18

獲得最優(yōu)的單位進(jìn)尺成本

Cb+Cr(Tt+T)

每米成本：C=———————

H Cb

鉆頭成本，

Cr

鉆機(jī)單位時(shí)間作業(yè)費(fèi)

Tt

起下鉆時(shí)間，T鉆頭工作時(shí)間

H鉆頭總進(jìn)尺

最主要的影響因素：

機(jī)械鉆速目標(biāo)：鉆頭磨損2008-9-18

機(jī)械鉆速Vm=f(P,n,h,CP,CH)=dH/dt

鉆頭磨損dh/dt=f(n,P,h),dB/dt=f(n,P)2008-9-18

機(jī)械鉆速鉆頭磨損鉆頭總進(jìn)尺，工作時(shí)間

根據(jù)：C=f(P,n,hf,CH,CP)

2008-9-18

鉆井參數(shù)優(yōu)化的關(guān)鍵是：

取得合理的鉆進(jìn)模式

優(yōu)選參數(shù)鉆井的基本方法為：

A. 根據(jù)油田情況選用適用的鉆進(jìn)模式;

B. 根據(jù)鉆井實(shí)際資料，確定所用鉆進(jìn)模式的有關(guān)參數(shù);C. 建立判別優(yōu)選標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)函數(shù);D. 根據(jù)約束條件，尋求目標(biāo)函數(shù)的極值點(diǎn)。

以下將以修正的楊格為基礎(chǔ)，逐步介紹其具體操作思路和方法。機(jī)械參數(shù)優(yōu)選

2008-9-18

機(jī)械參數(shù)優(yōu)選從鉆速模型和牙齒磨損模式中，可看出：要使用這些模式，必須先確定其式的常數(shù)數(shù)值。主要有：K、M、

、C2、Af、b

巖石研磨性系數(shù)Af軸承工作系數(shù)b

2008-9-18

基本方程

Cb+Cr(Tt+T)

每米成本：C=———————

H Cb

鉆頭成本，

Cr

鉆機(jī)單位時(shí)間作業(yè)費(fèi)

Tt

起下鉆時(shí)間，T鉆頭工作時(shí)間

H鉆頭總進(jìn)尺

2008-9-18

鉆頭總進(jìn)尺表達(dá)式

依據(jù)：鉆速模式與鉆頭牙齒磨損模式

積分2008-9-18

鉆頭壽命表達(dá)式

依據(jù)：鉆頭牙齒磨損模式F——鉆頭壽命系數(shù)，考慮牙齒磨損對(duì)鉆速和磨損的影響S——中間變量得到鉆頭使用的累計(jì)時(shí)間與進(jìn)尺的關(guān)系2008-9-18

最終目標(biāo)函數(shù)形式

將H，T代入成本模式，有TE為鉆頭與起下鉆成本的折算時(shí)間。當(dāng)鉆頭成本和鉆機(jī)作業(yè)費(fèi)一定時(shí)，只與起下鉆時(shí)間有關(guān)。C=f(P,n,hf,CH,CP)

考慮J、E、S、F(中間變量)的各項(xiàng)參數(shù)后為：2008-9-18

A.最優(yōu)參數(shù)的位置：在目標(biāo)函數(shù)的極值點(diǎn)處

B.極值點(diǎn)的確定

問(wèn)題：是否滿足上面條件的點(diǎn)其C值均為最??？

根據(jù)最優(yōu)化理論，隨五參數(shù)變化使C處于最小的點(diǎn)處，應(yīng)有：C.最優(yōu)化方法：求出滿足上面條件的各參數(shù)值

機(jī)械參數(shù)優(yōu)選2008-9-18

最優(yōu)鉆壓

方法：由

可得出一三維非線性方程：當(dāng)選定一個(gè)n和hf后，可求出一使成本最低的最優(yōu)鉆壓。2008-9-18

最優(yōu)轉(zhuǎn)速

方法：由

可得出一三維非線性方程：當(dāng)選定一個(gè)P和hf后，可求出一使成本最低的最優(yōu)轉(zhuǎn)速。第四節(jié)：水力參數(shù)高壓水射流的結(jié)構(gòu)和特征射流水力參數(shù)和鉆頭水力參數(shù)水功率傳遞基本關(guān)系提高鉆頭水力參數(shù)的途徑噴射鉆井工作方式噴射鉆井水力參數(shù)設(shè)計(jì)方法步驟

水力參數(shù)需要掌握的內(nèi)容

目的熟練計(jì)算射流和鉆頭水力參數(shù)設(shè)計(jì)鉆井水力參數(shù)（噴射鉆井水力參數(shù)設(shè)計(jì)）參考書(shū)《噴射鉆井理論與計(jì)算》，張紹槐編著《實(shí)用鉆井工程》，Adamet著，徐云英譯

噴射鉆井提高機(jī)械鉆速的原因從鉆頭噴射出的強(qiáng)大的泥漿射流，它具有很高的噴射速度，具有很大的水力功率，能給予井底巖屑很大的沖擊力，從而使巖屑及時(shí)地、迅速地離開(kāi)井底，始終保持井底干凈。噴射鉆井的基本概念條件：保證井下安全、一定機(jī)泵條件、優(yōu)質(zhì)泥漿措施按井段采用不同的返速，優(yōu)選排量、噴嘴直徑、和噴嘴布置方案目的：在較高泵壓下，使泵功率充分發(fā)揮，合理分配。使噴射速度、井底水力能量的到優(yōu)選，從而提高鉆速。射流結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)屬于淹沒(méi)非自由射流淹沒(méi)：射流出口后，就處在井筒內(nèi)的泥漿中，被井筒內(nèi)的泥漿所淹沒(méi)。非自由：射流的的運(yùn)動(dòng)和發(fā)展受到井壁的限制，不能自由地運(yùn)動(dòng)和發(fā)展。

極點(diǎn)

l0

等速核邊界

過(guò)渡斷面

極點(diǎn)

射流的速度分布射流中心：由于受到淹沒(méi)鉆井流體和返回流體影響小，所以速度最高，且在射流任一截面上，軸線速度最高，中心向向兩邊速度降低很快，射流邊界降至0。等速核段，中心部分速度始終為V0

基本段（l>l0），軸線上任意點(diǎn)的速度V，與該點(diǎn)距極點(diǎn)的距離成反比。射流的動(dòng)壓力分布規(guī)律在射流的任一截面上，中心動(dòng)壓力最大，自中心向外，Pk急劇衰減，在射流邊界上為0.在等速核內(nèi)，各處動(dòng)壓力相等。在射流中心線上，超過(guò)等速核以后，動(dòng)壓力急劇下降。射流動(dòng)壓力：泥漿密度kg/m3；:泥漿重度N/m3P0:流速核內(nèi)的動(dòng)壓力（Pa)；:動(dòng)壓力降低系數(shù)Pk/P0

射流對(duì)井底的清洗作用沖擊壓力作用漫流橫推射流對(duì)井底的清洗作用在不均勻動(dòng)壓力作用下巖屑的翻轉(zhuǎn)射流對(duì)井底的清洗作用射流對(duì)井底的清洗作用射流沖擊作用射流動(dòng)壓力分布不均鉆頭的旋轉(zhuǎn)，給井底鉆屑一個(gè)極不均勻的沖擊壓力，使巖屑產(chǎn)生個(gè)翻轉(zhuǎn)力矩離開(kāi)井底。滿流橫推作用漫流橫推給鉆屑一個(gè)橫向推力，使鉆屑離開(kāi)井底。其結(jié)果是克服了“壓持效應(yīng)”，清除“墊層”，從而提高了鉆速。措施增大射流速度

--使QV0足夠大減小噴射距離噴射速度V0

沖擊力Fj水功率Nj

鉆頭水力參數(shù)鉆頭壓降Pb鉆頭水功率Nb射流水力參數(shù)水力參數(shù)噴射速度V0V0=Q/A0

V0－m/s，Q－鉆井泵體積流量（排量），m3/sA0－噴咀出口截面積之和，m2

(等效噴嘴直徑）

射流沖擊力FjFj:射流沖擊力(N)：泥漿密度（kg/m3)Q:排量（m3/s)A0:噴嘴出口截面積之和（m2）射流水功率Nj:射流水功率（W)其它符號(hào)的意義及單位同前鉆頭壓降計(jì)算模型鉆

頭

壓

降根據(jù)伯努利方程：H：噴嘴高度，可忽略不計(jì)V2遠(yuǎn)大于V1，V1可以忽略不計(jì)。h：泥漿流過(guò)噴嘴以后損失掉的水頭

整理后得：Pb:鉆頭壓降（Pa)C:噴嘴流量系數(shù)其它符號(hào)同前。鉆頭水功率Nb:鉆頭水功率(W)其它符號(hào)同前鉆頭水功率與射流水功率的關(guān)系水功率射流速度和射流沖擊力也可以用鉆頭壓降表示：

噴嘴結(jié)構(gòu)及水力特征可以證明，噴嘴的流量系數(shù)為實(shí)際流量與理論流量的比值，即：c=Q/Qi為提高c，需要改善噴嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)雙圓弧噴嘴C=0.96-0.98流線型噴嘴C=0.972噴射鉆井水功率傳遞原理鉆井泵地面管匯立管壓力水龍帶水龍頭方鉆桿鉆桿鉆鋌鉆頭環(huán)形空間高架槽振動(dòng)篩其它泥漿凈化裝置泥漿罐泥漿泵

水功率的傳遞原理泥漿的循環(huán)路徑地面管匯，不隨井深變化鉆柱內(nèi)部，隨井深變化鉆頭環(huán)形空間水功率傳遞的基本關(guān)系式

Ps=Pl+Pb=Pg+Pst+Pan+Pb

Ns=Nl+Nb=Ng+Nst+Nan+Nb

循環(huán)壓耗計(jì)算范寧-達(dá)西公式P2VdP1Lh:水頭損失；f:水力摩阻系數(shù)；rw:水力半徑循環(huán)壓耗計(jì)算Pl：循環(huán)壓耗（Pa）：泥漿密度（kg/m3）L：管路長(zhǎng)度（m）d：管內(nèi)徑（m）Dp：管外徑（m）D：井眼直徑(m)f：范寧水力摩阻系數(shù)

管內(nèi)流環(huán)空流循環(huán)壓耗計(jì)算冪律流變模型計(jì)算范寧水力摩阻系數(shù)①分管內(nèi)和環(huán)空計(jì)算泥漿流變參數(shù)：管

內(nèi)Pa.sn環(huán)

空Pa.sn0.5②計(jì)算給定排量下管內(nèi)流速和環(huán)空返速③計(jì)算雷諾數(shù)鉆柱內(nèi)雷諾數(shù)

冪律流變模型計(jì)算范寧水力摩阻系數(shù)環(huán)形空間雷諾數(shù)

④流態(tài)判定：層流：Re<3470-1370n過(guò)度流：紊流：Re>4270-1370n

冪律流變模型計(jì)算范寧水力摩阻系數(shù)⑤摩阻系數(shù)：

G=16(鉆柱內(nèi))G=24(環(huán)空)C1=3470-1370nC2=4270-1370n

（層流）

（紊流）

（過(guò)渡流）

冪律流變模型計(jì)算范寧水力摩阻系數(shù)賓漢流型計(jì)算范寧摩阻系數(shù)計(jì)算管內(nèi)和環(huán)空的平均流速計(jì)算管內(nèi)和環(huán)空的雷諾數(shù)根據(jù)雷諾數(shù)判定流態(tài)，若為層流：管內(nèi)

環(huán)空

若為紊流，必須重新計(jì)算雷諾數(shù)Re:內(nèi)平鉆桿：A=0.046貫眼接頭和環(huán)形空間：A=0.059賓漢流型計(jì)算范寧摩阻系數(shù)Re:只能用于計(jì)算f，不能用于判斷流態(tài)壓耗計(jì)算：

B=0.51655(內(nèi)平接頭或鉆鋌)B=0.57503(貫眼接頭的鉆桿內(nèi)部）賓漢流型計(jì)算范寧摩阻系數(shù)η_pas;ρ：g/cm^3,Q_l/s;D,Dp,d_cm;Pl_MPa賓漢流型計(jì)算范寧摩阻系數(shù)

計(jì)算地面、管內(nèi)、環(huán)空壓耗系數(shù)

地面管匯壓耗：Pg=KgQ1.8鉆桿內(nèi)外壓耗：Pp=KpQ1.8鉆鋌內(nèi)外壓耗：Pc=KcQ1.8循環(huán)壓耗：Pl=Pg+Pp+Pc=(Kg+Kp+Kc)Q1.8

=KlQ1.8

壓耗系數(shù)的變化可將壓耗系數(shù)分成兩部分：與井深有關(guān)的部分和與井深無(wú)關(guān)的部分，即：

Kp=mLp=m(L-Lc)n’=Kg+KcKl=Kg+Kp+Kc=mLp+n’=mL-mLc+n’

令n=Kg+Kc-mLc則：Kl=mL+n循環(huán)壓耗的實(shí)測(cè)方法測(cè)定鉆頭壓耗在方鉆桿之下只接鉆頭測(cè)量立管壓力測(cè)定鉆鋌的內(nèi)外壓耗鉆頭上接長(zhǎng)為L(zhǎng)C的鉆鋌入井，在再接方鉆桿，讀出立管壓力，減去鉆頭壓降，就是鉆鋌內(nèi)外壓耗PC。測(cè)定鉆桿內(nèi)外壓耗接入一定長(zhǎng)度的鉆桿，循環(huán)，測(cè)得立管壓力，減去PC和Pb得到Pp.計(jì)算Kp、kc，進(jìn)而計(jì)算m、n壓耗計(jì)算注意事項(xiàng)管內(nèi)應(yīng)區(qū)分不同的管徑分別計(jì)算，按管的內(nèi)徑的大小分成若干段。如鉆桿、鉆鋌、加重鉆桿。環(huán)形空間按井眼尺寸、鉆具外徑的不同將整個(gè)環(huán)形空間劃分成若干段，每一段分別計(jì)算。井眼較小時(shí)，應(yīng)考慮接頭變化對(duì)壓耗的影響。Lc1、Dc1

、dci1Lc2、

Dc2

、dci2Lci、

Dci

、dciiLp1、

Dp1

、dp1Lpi、

Dpi

、dpi提高水力參數(shù)的途徑(1)提高泵壓、泵功率第一階段：13-15MPa第二階段：17-18MPa第三階段：20-22MPa降低循環(huán)壓耗系數(shù)Kl降低鉆井液密度降低鉆井液粘度適當(dāng)增大鉆井液過(guò)流面積

提高水力參數(shù)的途徑增大鉆頭壓耗系數(shù)Kb增大，增大井底壓力和循環(huán)壓耗，不可取。減小C,減小了能量轉(zhuǎn)換效率，不可取。減小A0,顯著增大Pb,但A0的減小有一定的限度，

A0過(guò)小會(huì)造成泵壓過(guò)高，這也是噴射鉆井需要提高泵壓的根本原因。提高水力參數(shù)的途徑提高水力參數(shù)的途徑優(yōu)選排量增大排量，會(huì)使循環(huán)壓耗和鉆頭壓降同時(shí)增大。事實(shí)上，可以對(duì)排量進(jìn)行優(yōu)選，使射流水力沖擊力或鉆頭水功率達(dá)到最大。在一口井鉆井以前，就對(duì)鉆井每個(gè)井段的泥漿泵工作參數(shù)（排量、泵壓、泵功率等），鉆頭和射流水力參數(shù)（噴速、沖擊力、鉆頭水功率等）進(jìn)行設(shè)計(jì)和安排。水力程序設(shè)計(jì)的主要任務(wù)在于確定泥漿排量Q和選擇噴嘴直徑de泵的工作狀態(tài)泵的額定功率Nr：泥漿泵的最大輸出功率泵的額定泵壓Pr：在一定缸套下泵的允許壓力泵的額定排量：泵功率為Nr、泵壓為Pr時(shí)泵的輸出排量。三者的關(guān)系：額定泵功率額定泵壓泵的工作狀態(tài)假設(shè)Q<Qr,泵功率不變，即Ns=Nr因Ns=QsPs

為保持Ns不變，Ps>Pr泥漿泵的實(shí)際泵壓大于額定泵壓是不允許的。故原假設(shè)不成立。假設(shè)Q<Qr,泵壓不變，且Ps=Pr（額定泵壓）實(shí)際泵功率Ns=PsQs<Nr，假設(shè)成立。在這種工況下，實(shí)際泵功率小于額定泵功率一般情況下，泥漿泵的排量不會(huì)超過(guò)額定排量Qr,但當(dāng)柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速提高時(shí)，排量也有可能超過(guò)Qr，

即Q>Qr，此時(shí)，只能是Ns=Nr在這種工況下，Ps<Pr,Ns=Nr,額定泵功率噴射鉆井的工作方式射流和鉆頭的水力參數(shù)可表示為排量的函數(shù)：Qa

噴射鉆井的工作方式最大水功率額定泵功率狀態(tài)：（Ns=Nr)

Q減小，Nb增大，故Q應(yīng)盡可能小,但在額定泵功率狀態(tài)下，排量不可能比Qr更小，故Qopt=Qr噴射鉆井的工作方式最大水功率最大鉆頭水功率之額定泵壓（Ps=Pr）：關(guān)鍵是優(yōu)選排量滿足以上壓降分配關(guān)系噴射鉆井的工作方式最大射流沖擊力額定泵功率狀態(tài)：（Ns=Nr)Q減小，Nb增大，故Q應(yīng)盡可能小，當(dāng)不能小于Qr最大射流沖擊力之額定泵壓：關(guān)鍵是優(yōu)選排量滿足以上壓降分配關(guān)系最大射流沖擊力最大射流噴射速度噴射速度額定泵功率Ns=Nr額定泵壓Ps=Pr無(wú)論哪種泵工作狀態(tài)，Q減小，V0增大，但Q不能小于Qa（滿足攜巖的最小排量）噴射鉆井水力程序設(shè)計(jì)步驟（1）確定最低排量Qa、Qmax（2）在最低排量與最高排量之間選一排量Q（3）計(jì)算給定排量下管內(nèi)和環(huán)空返速

（4）計(jì)算循環(huán)壓耗Pl（管內(nèi)的、環(huán)空的）（5）計(jì)算鉆頭壓降Pb=Pr-Pl（6）計(jì)算鉆頭水功率Nb=PbQ（7）改變排量Q,重復(fù)(3)-(5)步直至Nb為最大噴射鉆井水力程序設(shè)計(jì)步驟（8）達(dá)到最大Nb的排量即為最優(yōu)排量。

（9）計(jì)算當(dāng)量噴嘴直徑

（10）根據(jù)de選擇噴嘴組合

（11）根據(jù)選定的噴嘴組合計(jì)算Pb、Ps（12）計(jì)算V0、Fj、Nb

說(shuō)

明以上過(guò)程是最大水功率的設(shè)計(jì)過(guò)程，如果希望優(yōu)化射流沖擊力，修改優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)即可，其它過(guò)程不變。如果不對(duì)排量進(jìn)行優(yōu)化，即計(jì)算給定排量下鉆頭及射流水力參數(shù)，計(jì)算過(guò)程類似，只是此時(shí)無(wú)須對(duì)排量進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。水力參數(shù)計(jì)算實(shí)例已知：某Φ216mm井眼，井深3000m，上層套管244.5mm（內(nèi)徑220mm）下深600m，鉆具組合為Φ216mmbit+177.8mmDC(200m，內(nèi)徑71.44mm)＋

127mmDP(內(nèi)徑108mm)，鉆井液密度1.3g/cm3，Φ600＝59，Φ300＝35，Φ3＝1.325，泵的排量為25l/s，最大泵壓

18MPa，試設(shè)計(jì)本井段的水力參數(shù)。流量系數(shù)C=0.98

水力參數(shù)計(jì)算實(shí)例（1）流變參數(shù)計(jì)算鉆桿內(nèi)流型指數(shù)：

鉆桿內(nèi)稠度系數(shù)：

環(huán)空流型指數(shù)：

環(huán)空稠度系數(shù)：

水力參數(shù)計(jì)算實(shí)例（2）計(jì)算鉆柱內(nèi)壓力損失

鉆桿內(nèi)分兩段，分別是Φ177.8mm鉆鋌（200m，內(nèi)徑71.44mm），Φ127mm鉆桿2800米，先分別計(jì)算鉆柱內(nèi)水力壓力損失。

鉆桿管內(nèi)流速

鉆桿內(nèi)雷諾數(shù)

水力參數(shù)計(jì)算實(shí)例（2）計(jì)算鉆柱內(nèi)壓力損失（續(xù)）判別流態(tài)若，為層流若，為紊流若，為過(guò)渡流。

由于Re＝8100>C2，故管內(nèi)流動(dòng)屬于紊流

水力參數(shù)計(jì)算實(shí)例（2）計(jì)算鉆柱內(nèi)壓力損失（續(xù)）

計(jì)算范寧摩阻系數(shù)層流：

紊流

過(guò)渡流水力參數(shù)計(jì)算實(shí)例（2）計(jì)算鉆柱內(nèi)壓力損失（續(xù)）

計(jì)算鉆桿內(nèi)的壓耗

同理可計(jì)算出鉆鋌內(nèi)壓耗：Pp2=1.5934MPa鉆具內(nèi)的總壓耗為Pp=Pp1+Pp2=3.341+1.5934=4.93MPa水力參數(shù)計(jì)算實(shí)例（3）計(jì)算環(huán)空壓力損失環(huán)空劃分為三段，第一段是216mm鉆頭與177.8mm的鉆鋌組成的長(zhǎng)為200米的流道，第二段為216mm鉆頭與127mm的鉆桿組成的長(zhǎng)為2200的流道，第三段為244.5mm的套管內(nèi)于與127mm鉆桿組成的長(zhǎng)600m的環(huán)形空間。先計(jì)算第一段環(huán)形空間的壓力損失：1）計(jì)算環(huán)空返速

水力參數(shù)計(jì)算實(shí)例2）計(jì)算7”鉆鋌與井眼環(huán)空段雷諾數(shù)：

3）流態(tài)判別

由于C1<Re<C2，為過(guò)渡流水力參數(shù)計(jì)算實(shí)例4）計(jì)算7”鉆鋌與井眼環(huán)空段范寧摩阻系數(shù)

計(jì)算a,b

過(guò)渡流范寧摩阻系數(shù)

水力參數(shù)計(jì)算實(shí)例Φ177.8mm鉆鋌與井眼環(huán)空段壓降計(jì)算

同理可以計(jì)算其它兩段環(huán)空壓降Pa2=0.61227(MPa)Pa3=0.1447(MPa)環(huán)空總的壓降為：Pa=Pa1+Pa2+Pa3=0.541+0.6127+0.1447=1.2986(MPa)

水力參數(shù)計(jì)算實(shí)例4）計(jì)算管內(nèi)和環(huán)空總的壓力損失Pc=Pa+Pp=1.2986+4.93=6.233(MPa)5）計(jì)算鉆頭壓降Pb=Pr-Pc=18-6.233=11.767MPa6）計(jì)算噴嘴當(dāng)量直徑

可選擇14mm+7mm+7mm的三噴嘴組合（接近于de并略大于de即可）

水力參數(shù)計(jì)算實(shí)例7)水力參數(shù)計(jì)算按實(shí)際選定的噴嘴組合計(jì)算鉆頭壓降：

鉆頭水功率：

鉆頭水功率：

噴射速度：

已知：鉆頭尺寸：

215.9mm，井深3005m泥漿密度1.35g/cm3(1350kg/m3)，排量Q=34.55l/s(34.5510-3m3/s)泵壓：Psd=17.34MPa（17.34106N/m2)流量系數(shù)c=0.98旋轉(zhuǎn)粘度儀的測(cè)量值：600=47,300=32,3=4鉆具組合177.8mm鉆鋌(內(nèi)徑71.44mm)309m+127mm鉆桿（內(nèi)徑108.6mm）

2696m試求：鉆頭壓降、噴嘴當(dāng)量直徑射流噴射速度、射流沖擊力、鉆頭水功率要求采用冪律流型計(jì)算作業(yè)177.8mmDC(ID71.44mm)309m127mmDP(ID108.6mm)2696m215.9mm鉆頭鉆

柱(DrillString)目的和要求了解鉆柱的受力狀態(tài)

鉆柱強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法定義：由方鉆桿、鉆桿、鉆鋌等基本鉆具組成，并用配合接頭連接起來(lái)的入井管串稱為鉆柱。

鉆柱的功用施加鉆壓；建立井內(nèi)鉆井液循環(huán)通道,并傳遞水力能量；將地面的能量傳遞給鉆頭(傳遞扭矩)；使井不斷地加深；傳遞井下信息；中途測(cè)試、安放尾管、下電測(cè)工具；處理井下復(fù)雜和事故?；俱@柱組合鉆鋌＋配合接頭＋鉆桿＋配合接頭＋方鉆桿DrillCollar+CrossoverSub+Drillpipe+Crossoversub+Kelly其它可選組件穩(wěn)定器（Stabilizer)振擊器(Jar)減振器(Bumper)螺桿（PositiveDisplacementMotor,PDM)加重鉆桿（Hevi-wallDrillPipe,HWDP）鉆

鋌穩(wěn)定器接

頭鉆

頭接

頭鉆

桿鉆

桿方鉆

桿

方鉆桿(kelly)

方鉆桿的驅(qū)動(dòng)部分?jǐn)嗝鏋橹锌盏乃倪呅位蛄呅危捎酶邚?qiáng)度合金鋼制造，其壁厚比鉆桿壁厚大三倍左右，具有高抗拉和抗扭強(qiáng)度。目前規(guī)范尺寸有：21/2＂，3＂，31/2＂，41/2＂，51/2＂。

鉆桿(Drillpipe)

兩端帶加焊接頭，并且有公母扣的空心園管。公稱尺寸指本體外徑。目前規(guī)范尺寸有27/8”，31/2”，41/2“，5”，51/2”，65/8”。長(zhǎng)度一般7-1０m，采用高強(qiáng)度鋼，如API鉆桿的鋼級(jí)有：D,E,95(X),105(G),135(S)。

HWDP鉆鋌(Drillcollar)

一端車(chē)有公扣，另一端是母扣的等徑空心園柱管。主要用于給鉆頭施加鉆壓及控制井斜，剛度大、質(zhì)量大。公稱尺寸指外徑，目前規(guī)范尺寸有

31/2“，41/8”，43/8“，61/4”，7“，8”，9“，10”，長(zhǎng)度4m-10ｍ,采用高級(jí)合金鋼制造。

配合接頭(Crossoversub)

由于鉆桿、鉆鋌、方鉆桿有多種不同尺寸的外徑，其絲扣扣型也各不相同。配合接頭即指將鉆桿、方鉆桿、鉆鋌、鉆頭連接成一管串的聯(lián)接件。配合接頭即連接不同直徑、不同扣型鉆具的短接。我國(guó)現(xiàn)場(chǎng)常用三位數(shù)字表示接頭螺紋的類型。如：４２１，５１１，４１０，等。

接頭的命名公扣/母扣

扣型

公稱直徑

數(shù)字式：NC46NC50

舊的表示方法

接頭形式（1平2貫3正規(guī)）D1(管體部分)=d2（加厚部分）=d3（接頭部分）=d震擊器鉆柱在鉆井過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)形態(tài)自轉(zhuǎn)：鉆柱繞自身軸線的旋轉(zhuǎn)。公轉(zhuǎn)：圍繞井眼軸線的旋轉(zhuǎn)。（正進(jìn)動(dòng),whirl）渦動(dòng)：鉆柱繞自身軸線自轉(zhuǎn)時(shí)，由于鉆柱與井壁接觸產(chǎn)生磨擦力，使鉆柱以一定速度按逆時(shí)針?lè)较蚶@井眼軸線旋轉(zhuǎn)形成渦動(dòng)。（反進(jìn)動(dòng)）軸向振動(dòng)（Axialvibration)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)(TorsionalVibration)橫向振動(dòng)(LateralVibration)

鉆柱運(yùn)動(dòng)對(duì)鉆井作業(yè)的影響自轉(zhuǎn)：均勻磨損。公轉(zhuǎn)：不受交變彎曲應(yīng)力影響，鉆柱偏磨渦動(dòng)：鉆具內(nèi)形成較高的交變應(yīng)力，鉆柱易產(chǎn)生疲勞破壞。鉆柱振動(dòng)：引發(fā)鉆柱疲勞破壞,影響鉆頭及其它井下工具的使用壽命。鉆柱振動(dòng)的耦合會(huì)引發(fā)參數(shù)共振。

鉆柱受力分析軸向力：鉆柱自重、泥漿浮力、鉆具與井壁間的摩擦力、起下鉆動(dòng)載。扭矩：驅(qū)動(dòng)扭矩、摩擦扭矩。徑向擠壓力：起下鉆卡瓦的作用、DST測(cè)試過(guò)程中管外液體壓力。內(nèi)壓力：管內(nèi)液體產(chǎn)生的壓力。彎曲力矩：由橫向鉆具變形引起的力矩動(dòng)載：由鉆柱旋轉(zhuǎn)引起的力（三維）。動(dòng)載離心力（質(zhì)量偏心、鉆柱不直）主要造成鉆柱的橫向振動(dòng)鉆頭與地層之間的相互作用力，主要造成鉆柱的縱向振動(dòng)鉆具與井壁之間的間隙接觸產(chǎn)生的摩擦力，導(dǎo)致鉆柱的運(yùn)動(dòng)形態(tài)發(fā)生改變泥漿排量不均產(chǎn)生的脈動(dòng)力。軸向力分析Q0B:浮力Q0WOB:鉆壓WOB:Weightonbit起下鉆鉆進(jìn)井口拉力的計(jì)算Q0：井口拉力

Q：鉆柱的自重B：浮力

WOB：鉆壓Qg：起下鉆動(dòng)載鉆柱浮力的計(jì)算

B:浮力（N）m:泥漿密度（kg/m3）L:鉆柱長(zhǎng)度(m)F:鉆具的橫截面積（M2):鉆具截面系數(shù)

對(duì)于非單一鉆柱，浮力事實(shí)上是鉆柱所排開(kāi)的鉆井液的重量。 鉆柱浮力的計(jì)算（復(fù)合鉆具）Lc1、qc1、Fc1

Lc2、qc2、Fc2

Lci、qci、Fci

Lp、qp、FpB井口拉力的計(jì)算(起下鉆）

井口以下鉆柱在空氣中的重量：上式中的Kf為浮力減輕系數(shù)，這種計(jì)算方法為“浮力系數(shù)法”，浮力系數(shù)為：任意井深處鉆柱承受的軸向載荷

XGBL（起下鉆）或者通過(guò)浮力系數(shù)法簡(jiǎn)單地表示為：q:管柱單位長(zhǎng)度上的重量，N/m井口載荷為：任意井深處鉆柱承受的軸向載荷

XGB+WOBL（鉆進(jìn)）或者通過(guò)浮力系數(shù)法簡(jiǎn)單地表示為：中和點(diǎn)： Lubinki(魯賓斯基)定義：中和點(diǎn)N分鉆柱為上下兩段，下一段鉆柱在鉆井液中的重力等于鉆壓（WOB），上段鉆柱在鉆井液中的重力等于吊卡或大鉤所懸吊的重力（Ｑ0）。根據(jù)定義，中和點(diǎn)的定義由下式?jīng)Q定：零軸向應(yīng)力截面鉆柱在加壓工況下，鉆柱上不承受拉壓應(yīng)力的那一截面。由于鉆井過(guò)程中鉆壓的波動(dòng)，零軸向應(yīng)力截面在鉆柱中的位置是變化的，在零軸向應(yīng)力截面附近產(chǎn)生交變應(yīng)力，因而，處于這一部位的鉆柱容易產(chǎn)生疲勞破壞。一般地，在以零軸向應(yīng)力截面計(jì)算的鉆鋌長(zhǎng)度的基礎(chǔ)上，再附加2至3根鉆鋌，以此來(lái)確定鉆鋌的長(zhǎng)度更為合理。

零軸向應(yīng)力截面位置Lc1、qc1、Fc1

Lc2、qc2、Fc2

Lci、qci、Fci

Lp、qp、FpBPct0:軸向力為0所在的鉆挺下端面的軸向力x鉆柱上的應(yīng)力任意井深處的應(yīng)力井口處的應(yīng)力井底處的應(yīng)力鉆柱的扭矩Ｍk－主動(dòng)扭矩（轉(zhuǎn)盤(pán)）Ｍb－鉆頭破碎巖扭矩Ｍf－磨擦（空轉(zhuǎn)）扭矩鉆柱上的剪應(yīng)力扭矩的分布Mn

Mb其它力離心力（質(zhì)量不平衡）引起鉆具振動(dòng)的重要激勵(lì)因素之一。鉆柱的彎曲應(yīng)力實(shí)際所鉆的井存在一定的井斜及井眼曲率、鉆柱運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的離心力、鉆頭上所作用的鉆壓，所有這些因素都會(huì)造成鉆柱產(chǎn)生彎曲變形，從而產(chǎn)生彎曲應(yīng)力。

鉆柱彎曲應(yīng)力鉆柱靜力學(xué)分析鉆柱的變形分析（解析法、能量法、數(shù)值法）鉆柱應(yīng)力分析鉆柱動(dòng)力學(xué)分析鉆柱的振動(dòng)分析（軸向、橫向、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)）鉆柱在井內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡動(dòng)應(yīng)力分析是一個(gè)正在研究的問(wèn)題。鉆柱抗擠計(jì)算中途測(cè)試、井漏、帶單向閥未灌鉆井液等會(huì)導(dǎo)致鉆桿內(nèi)無(wú)液體,若井深為H，外擠壓力為：鉆桿內(nèi)液體深度為L(zhǎng)時(shí):

管內(nèi)地層流體密度，kg/m3管外流體密度，kg/m3深井鉆柱強(qiáng)度設(shè)計(jì)

從鉆柱受力分析可知，作用在鉆柱上的力有軸向力、扭矩、外擠壓力、彎矩，并且井口處的拉力和扭矩是最大的，井底可能承受最大外擠壓力。但從實(shí)際情況看，鉆柱主要承受拉力，因此，鉆柱設(shè)計(jì)以抗拉為主，在下部輔以抗擠校核。深井、定向井水平井的鉆柱設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮鉆柱的抗扭設(shè)計(jì)。鉆柱設(shè)計(jì)的強(qiáng)度條件相對(duì)于整個(gè)鉆柱懸重而言，鉆壓不大，并且鉆壓減小了鉆柱截面的拉力，故鉆柱抗拉設(shè)計(jì)以鉆柱在泥漿中的懸空時(shí)的情況為計(jì)算條件，鉆柱上截面的拉伸負(fù)荷應(yīng)滿足以下條件：Pt：設(shè)計(jì)截面的拉伸載荷Pa：設(shè)計(jì)用鉆桿的最大允許靜拉載荷

最大允許靜拉載荷的確定鉆柱在屈服強(qiáng)度下的抗拉負(fù)荷

Py（kN）Py=0.1sFs－材料最小屈服強(qiáng)度，MPa;F－鉆柱橫截面積，cm21MPacm2=1106N/m210-4m2=0.1kN最大允許靜拉載荷的確定

鉆柱的最大工作負(fù)荷

Pw

鉆柱的最大工作負(fù)荷PW不應(yīng)大于Py，

因若PＷ=PY，材料發(fā)生屈服變形，失去承載能力，一般把PY的90%作為最大工作負(fù)荷PW：

Pw=0.9Py

Ｐw：最大工作負(fù)荷

(kN)Ｐy：最小屈服強(qiáng)度下的抗拉負(fù)荷(kN)鉆柱的最大允許靜拉負(fù)荷當(dāng)鉆柱自由懸掛時(shí)，允許的大鉤負(fù)荷、考慮：動(dòng)載解除復(fù)雜或事故卡瓦擠毀強(qiáng)度設(shè)計(jì)條件PtPW

Pt－外載(kN)，Pw：最大工作負(fù)荷（kN）最大允許靜拉負(fù)荷安全系數(shù)法考慮卡瓦擠毀鉆桿的設(shè)計(jì)系數(shù)法拉力余量法安全系數(shù)法計(jì)算Pa考慮起下鉆動(dòng)載及其它力的作用，為保證井下鉆柱的安全，人為地規(guī)定最大工作負(fù)荷與最大允許靜拉負(fù)荷的比值，即安全系數(shù)n：卡瓦擠毀鉆桿的設(shè)計(jì)系數(shù)法

對(duì)鉆柱（尤其是深井）在井口受拉力最大，當(dāng)它坐于卡瓦中，將受到外擠力達(dá)到一定數(shù)值，將降低鉆柱抗拉強(qiáng)度，因此，要求鉆柱的屈服強(qiáng)度與拉應(yīng)力的比值不能小于一定數(shù)值。即：s－材料屈服強(qiáng)度t－鉆柱在吊卡處拉應(yīng)力dP－鉆柱外徑Ls－卡瓦與鉆柱接觸長(zhǎng)度K－卡瓦的橫向負(fù)荷系數(shù)Kd－安全系數(shù)

拉力余量法計(jì)算Pa最大允靜拉負(fù)荷Ｐa應(yīng)小于最大工作負(fù)荷Ｐw一個(gè)給定數(shù)值，即：Ｐa＝Ｐw－T＝0.9Ｐy－TT－拉力余量，一般取T＝450kN對(duì)淺井若按Kd、Ks設(shè)計(jì)，很低級(jí)的管材就能滿足強(qiáng)度條件，但若一旦出現(xiàn)井下復(fù)雜（阻卡），則無(wú)能力提拉鉆柱。設(shè)計(jì)（安全）系數(shù)用來(lái)控制強(qiáng)度較高、負(fù)荷較重的鉆柱設(shè)計(jì)；而拉力余量用來(lái)控制符合較輕、強(qiáng)度較弱的鉆柱設(shè)計(jì)。

實(shí)際的允許的最大靜拉負(fù)荷Pa取三種計(jì)算方法中的最小值作為設(shè)計(jì)段鉆桿的最大允許靜拉載荷，以此確定鉆桿的許下深度。鉆鋌長(zhǎng)度確定根據(jù)中和點(diǎn)的定義，并適當(dāng)考慮避免鉆桿受壓，鉆鋌的長(zhǎng)度由下式確定：一般中和點(diǎn)位置低于中性截面位置，因此，按中性截面決定鉆鋌的長(zhǎng)度更為合理。單一鉆桿的設(shè)計(jì)Lc1、qc1、Fc1

Lc2、qc2、Fc2

Lci、qci、Fci

Lp、qp、FpB設(shè)有nc段鉆鋌，則鉆鋌在空氣中的總重量為：?jiǎn)我汇@桿的最大許下長(zhǎng)度為：Lc1、qc1、Fc1

Lc2、qc2、Fc2

Lci、qci、Fci

Lp1、qp1、Fp1

B設(shè)有nc段鉆鋌，則鉆鋌在空氣中的總重量為：第一段鉆桿的最大許下長(zhǎng)度Lp、qp、FpLpi、qpi、Fpi

復(fù)合鉆柱設(shè)計(jì)復(fù)合鉆柱設(shè)計(jì)Lc1、qc1、Fc1

Lc2、qc2、Fc2

Lci、qci、Fci

Lp1、qp1、Fp1

B對(duì)于鉆柱中第i段鉆桿的最大許下長(zhǎng)度為：Lp、qp、FpLpi、qpi、Fpi

復(fù)合鉆柱設(shè)計(jì)如果各段鉆桿的實(shí)際長(zhǎng)度小于最大許下長(zhǎng)度，當(dāng)前設(shè)計(jì)長(zhǎng)度應(yīng)根據(jù)此前已設(shè)計(jì)出的各段鉆具的的重量計(jì)算，具體計(jì)算如下：鉆柱設(shè)計(jì)步驟及算法

確定鉆鋌長(zhǎng)度Ｌc

從（鉆鋌）開(kāi)始，由下而上確定鉆桿可下長(zhǎng)度

由管材規(guī)范、鋼級(jí)計(jì)算Pw

計(jì)算允許的最大靜拉負(fù)荷Pa

計(jì)算每段鉆桿的許下深度，并決定實(shí)際的下入長(zhǎng)度下部鉆柱進(jìn)行抗外擠強(qiáng)度校核

TheENDofThisSection已知：鉆頭尺寸：

215.9mm，井深3005m泥漿密度1.35g/cm3(1350kg/m3)，排量Q=34.55l/s(34.5510-3m3/s)泵壓：Psd=17.34MPa（17.34106N/m2)流量系數(shù)C=0.98旋轉(zhuǎn)粘度儀的測(cè)量值：600=47,300=32,3=4鉆具組合177.8mm鉆鋌(內(nèi)徑71.44mm)309m+127mm鉆桿（內(nèi)徑108.6mm）

2696m試求：鉆頭壓降、噴嘴當(dāng)量直徑射流噴射速度、射流沖擊力、鉆頭水功率采用冪律流型或賓漢流型計(jì)算水力參數(shù)計(jì)算作業(yè)177.8mmDC(ID71.44mm)309m127mmDP(ID108.6mm)2696m215.9mm鉆頭鉆柱設(shè)計(jì)作業(yè)設(shè)計(jì)參數(shù)井眼尺寸：152.4mm井深

：6000m鉆井液密度1.75g/cm3

抗拉安全系數(shù)1.8,抗擠安全系數(shù)1.25，拉力余量450kN鉆壓：80kN采用120.7mm鉆鋌（內(nèi)徑50.8mm）,單位長(zhǎng)度重量683N/m考慮卡瓦擠毀的設(shè)計(jì)系數(shù)t/s=1.37(114.3mm鉆桿),t/s=1.42(127mm鉆桿)采用114.3G－105鉆桿（重量242.3N/m,抗拉強(qiáng)度2058.54kN,抗擠強(qiáng)度95.32MPa）和127mmS－135鉆桿（

重量284.58N/m抗拉強(qiáng)度3167.43kN，抗擠強(qiáng)度108MPa）鉆柱的疲勞破壞破壞現(xiàn)象大多數(shù)破壞發(fā)生在距接頭1.2m以內(nèi)的地方帶扶正器的下部鉆柱組合破壞發(fā)生在扶正器附近（刺漏）鉆桿的破壞常與內(nèi)表面有嚴(yán)重腐蝕有關(guān)鉆鋌剛度大，本體不易破壞，所以鉆鋌常在絲扣處破壞

破壞類型純疲勞破壞：應(yīng)力交變次數(shù)達(dá)到材料的疲勞極限傷痕疲勞破壞：伴隨著機(jī)械傷痕而引起的疲勞破壞腐蝕疲勞破壞：由腐蝕引起的初始傷痕的破壞

純疲勞破壞－N曲線

純疲勞破壞影響因素鉆桿的尺寸及鋼材性能狗腿嚴(yán)重度在狗腿處承受的拉力負(fù)荷每段鉆桿在狗腿處的應(yīng)力重復(fù)次數(shù)傷痕疲勞破壞傷痕鉆桿上的鋼印電弧燒傷膠皮護(hù)箍大鉗傷痕卡瓦傷痕地層和井內(nèi)金屬碎塊對(duì)鉆柱表面的切割傷痕。腐蝕疲勞破壞在腐蝕環(huán)境中造成的破壞通常稱為腐蝕疲勞破壞。腐蝕使鉆桿截面積減小或者形成腐蝕小坑造成應(yīng)力集中，使得疲勞強(qiáng)度大為降低。腐蝕可分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕兩大類?；瘜W(xué)腐蝕：金屬表面與腐蝕介質(zhì)產(chǎn)生化學(xué)作用而引起的破壞。常見(jiàn)的腐蝕劑存在于鉆井液中的氧氣、二氧化碳及其它酸性氣體。通過(guò)在鉆柱內(nèi)表明采取防腐措施克服。電化學(xué)腐蝕：金屬與電解質(zhì)接觸，產(chǎn)生電化學(xué)作用而引起的破壞。腐蝕疲勞破壞電化學(xué)腐蝕定義：金屬與電解質(zhì)接觸，產(chǎn)生電化學(xué)作用而引起的破壞。其特點(diǎn)是整個(gè)個(gè)腐蝕反應(yīng)有電流產(chǎn)生。電介質(zhì)存在與鉆井液中，產(chǎn)生類似蓄電池的導(dǎo)電反應(yīng)。情形鋼材內(nèi)存在電位差的區(qū)域，例如鋼材組分和微觀結(jié)構(gòu)差異。