2025年鉆探工具試題及答案解析1.（單選）在PDC鉆頭水力設(shè)計中，若要求射流對井底產(chǎn)生最大瞬時沖擊力，則最優(yōu)噴嘴壓降應(yīng)滿足下列哪一關(guān)系？A.Δp_nozzle=0.5ρv2B.Δp_nozzle=ρv2C.Δp_nozzle=2ρv2D.Δp_nozzle=ρv2/2g答案：B解析：根據(jù)Bourgoyne水力沖擊模型，當噴嘴壓降等于ρv2時，射流對井底的瞬時沖擊力達到峰值，此時動能轉(zhuǎn)化為壓力能的效率最高，故選B。2.（單選）某φ215.9mm井眼使用5-1/2"鉆桿，鉆井液密度1.35g/cm3，泵排量28L/s，若要求環(huán)空返速不低于0.75m/s，則鉆桿外徑與井壁形成的環(huán)空截面積最大允許多少平方毫米？A.3.73×10?B.3.97×10?C.4.12×10?D.4.35×10?答案：A解析：環(huán)空返速v=Q/A，Q=0.028m3/s，v≥0.75m/s，則A≤Q/v=0.028/0.75=0.0373m2=3.73×10?mm2，故選A。3.（單選）在井下動力鉆具選型中，若井底溫度175℃、泥漿含砂量1.2%，優(yōu)先選擇的螺桿鉆具橡膠定子材料是A.NBRB.HNBRC.FKMD.Aflas答案：D解析：Aflas四丙氟橡膠在高溫高砂環(huán)境下體積膨脹率<3%，且耐硫化氫，175℃老化168h后硬度變化僅+4ShoreA，綜合性能最優(yōu)。4.（單選）牙輪鉆頭軸承副采用O形密封時，密封溝槽填充率一般控制在A.70%±5%B.80%±5%C.85%±5%D.90%±5%答案：C解析：填充率過低易泄漏，過高則摩擦熱聚集，ISO3601推薦85%±5%為最佳區(qū)間。5.（單選）隨鉆震擊器下?lián)袅λp曲線呈指數(shù)型，其衰減常數(shù)τ與下列哪項參數(shù)無關(guān)？A.液壓油粘度B.活塞有效面積C.彈簧剛度D.井眼液柱壓力答案：D解析：τ=μA2/(k·V)，其中μ為油粘度，A為活塞面積，k為彈簧剛度，與井眼液柱壓力無直接函數(shù)關(guān)系。6.（單選）當MWD脈沖發(fā)生器處于“負壓恢復(fù)”階段，主閥芯復(fù)位速度主要受限于A.伺服閥流量增益B.復(fù)位彈簧預(yù)緊力C.泥漿壓縮性D.控制腔節(jié)流孔直徑答案：D解析：復(fù)位靠控制腔泄流，節(jié)流孔直徑?jīng)Q定泄流速率，是瓶頸環(huán)節(jié)。7.（單選）在鉆柱疲勞計算中，若采用Miner線性累積損傷法則，則當量應(yīng)力幅σ_eq=σ_a·(N_0/N)^(1/m)，其中m通常取A.3B.5C.8D.12答案：C解析：APIRP7G推薦鋼材疲勞指數(shù)m=8，對應(yīng)S-N曲線斜率。8.（單選）頂部驅(qū)動系統(tǒng)齒輪箱潤滑采用強制循環(huán)，其進油溫度傳感器安裝在A.泵出口B.冷卻器出口C.齒輪箱底部D.齒輪箱頂部噴淋管答案：B解析：冷卻器出口溫度最能反映實際潤滑溫度，便于閉環(huán)溫控。9.（單選）某井使用水基泥漿，測得鉆具腐蝕速率0.12mm/a，若要求腐蝕速率<0.05mm/a，應(yīng)優(yōu)先添加A.咪唑啉B.硫脲C.鋅鹽D.鉬酸鹽答案：A解析：咪唑啉吸附膜在低碳鋼表面覆蓋率>90%，緩蝕率可達70%以上，且與聚合物降濾失劑配伍性好。10.（單選）在扭沖復(fù)合沖擊器工作過程中，扭沖錘與砧座之間的峰值接觸應(yīng)力σ_max與沖擊速度v的關(guān)系為A.σ_max∝v^0.5B.σ_max∝vC.σ_max∝v^1.5D.σ_max∝v2答案：C解析：根據(jù)Hertz接觸理論，σ_max∝(v^2)^(1/3)·E^(2/3)，綜合得σ_max∝v^1.5。11.（多選）下列哪些措施可降低PDC鉆頭回旋（whirl）傾向？A.增加保徑塊數(shù)量B.采用低摩擦系數(shù)保徑齒C.減小刀翼后傾角D.在鉆頭重心處設(shè)置平衡塊E.提高鉆壓答案：A、B、D解析：保徑塊與平衡塊可削減側(cè)向力，低摩擦齒降低切向力耦合，后傾角減小反而易誘發(fā)回旋，鉆壓過高會加劇。12.（多選）關(guān)于隨鉆擴眼工具（RSSunder-reamer）的擴眼率控制，下列說法正確的是A.擴眼率與活塞推力成正比B.擴眼率與鉆頭轉(zhuǎn)速無關(guān)C.擴眼率受井底壓差影響D.擴眼率與刀翼數(shù)量成反比E.擴眼率與泥漿排量呈弱相關(guān)答案：A、C、E解析：活塞推力直接決定切削深度；壓差影響巖石有效應(yīng)力；排量改變冷卻與攜巖，間接影響切削效率；轉(zhuǎn)速與刀翼數(shù)量對擴眼率非單調(diào)關(guān)系。13.（多選）在鉆柱屈曲分析中，下列哪些邊界條件組合會導(dǎo)致臨界屈曲載荷降低？A.一端固定一端鉸支B.兩端鉸支C.一端自由一端固定D.兩端固定E.中間增設(shè)穩(wěn)定器答案：A、C解析：固定-自由組合等效長度系數(shù)μ=2，臨界載荷最低；固定-鉸支μ=0.7，亦低于兩端固定μ=0.5。14.（多選）關(guān)于渦輪鉆具的下列描述，正確的有A.級數(shù)越多，扭矩越大，轉(zhuǎn)速越低B.采用可調(diào)導(dǎo)葉可實現(xiàn)無級調(diào)速C.泥漿含砂量升高，制動扭矩增大D.渦輪轉(zhuǎn)子采用Inconel718主要為了提高屈服強度E.渦輪鉆具壓降與排量平方成正比答案：A、C、E解析：級數(shù)與扭矩線性正相關(guān)，與轉(zhuǎn)速反相關(guān)；導(dǎo)葉可調(diào)僅能實現(xiàn)有級調(diào)速；含砂增加摩擦制動；Inconel718主要為耐高溫；壓降Δp∝Q2。15.（多選）在鉆井液潤滑性評價中，下列哪些試驗?zāi)苤苯咏o出“極壓膜強度”指標？A.Falex試驗B.TimkenOK值C.Four-BallWeldLoadD.LubricityCoefficient(OFI)E.Pin-on-Disc磨損率答案：A、B、C解析：Falex、Timken、Four-Ball均屬于極壓試驗，可測膜破裂載荷；OFI僅給摩擦系數(shù)；Pin-on-Disc測體積磨損。16.（判斷）在深水鉆井中，隔水管底部安裝伸縮節(jié)的主要目的是補償鉆柱熱脹冷縮。答案：錯誤解析：伸縮節(jié)用于補償平臺升沉與潮汐，熱脹冷縮量級僅毫米級，可忽略。17.（判斷）PDC切削齒的1300℃高溫釬焊采用Ni-Cr-B-Si釬料，其固相線溫度約為1050℃，因此釬焊溫度必須高于1100℃。答案：正確解析：釬焊溫度需高于釬料液相線50-100℃，確保潤濕，1300℃屬合理區(qū)間。18.（判斷）牙輪鉆頭滾動密封軸承的“密封跑合”階段，允許微量滲漏以帶走摩擦熱。答案：正確解析：跑合期10-20h，微量滲漏可形成自潤滑膜，降低溫升。19.（判斷）在MWD負脈沖系統(tǒng)中，主閥芯完全開啟后，立管壓力瞬時下降值與泥漿密度無關(guān)。答案：錯誤解析：Δp=ρgΔH，密度越大，同一閥芯開度產(chǎn)生的負壓脈沖幅值越大。20.（判斷）鉆桿接頭耐磨帶采用Arnco300XT堆焊，其熔敷金屬硬度HRC58-62，因此該工藝屬于超音速火焰噴涂（HVOF）。答案：錯誤解析：300XT為鐵基自熔合金，采用等離子轉(zhuǎn)移?。≒TA）堆焊，HVOF硬度可達HRC65以上。21.（填空）某φ311mm井眼使用1.45g/cm3泥漿，井深4500m，若井底靜止當量循環(huán)密度為1.52g/cm3，則環(huán)空壓耗為________kPa。答案：309.1解析：Δρ=0.07g/cm3，Δp=Δρ·g·h=70×9.81×4500=3.091×10?Pa=309.1kPa。22.（填空）在鉆柱縱向振動模型中，若鉆柱線密度m?=25kg/m，鉆速v=1.2m/s，則鉆柱動剛度K_d=________N/m。答案：3.6×10?解析：K_d=m?v2=25×1.22=36N·s2/m2，單位換算后36×103N/m，即3.6×10?N/m。23.（填空）若PDC鉆頭刀翼后傾角15°，切削厚度0.8mm，則切削齒剪切面長度L=________mm。答案：3.09解析：L=t/sinθ=0.8/sin15°=3.09mm。24.（填空）某5-1/2"S135鉆桿，外徑139.7mm，內(nèi)徑121.4mm，其抗扭截面模量W_t=________cm3。答案：118.6解析：W_t=π(D?-d?)/(16D)=π(13.97?-12.14?)/(16×13.97)=118.6cm3。25.（填空）在渦輪鉆具特性曲線中，若最佳效率點對應(yīng)的壓降Δp=6.2MPa，排量Q=32L/s，則渦輪水功率P=________kW。答案：198.4解析：P=Δp·Q=6.2×10?×0.032=198.4×103W=198.4kW。26.（簡答）說明螺桿鉆具“馬達壓降-轉(zhuǎn)速”曲線出現(xiàn)“駝峰”現(xiàn)象的機理，并給出工程抑制措施。答案：當馬達負載突降，如鉆遇溶洞，壓降瞬間降低，橡膠定子彈性恢復(fù)滯后，形成負壓空腔，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速瞬時反超空載轉(zhuǎn)速，曲線出現(xiàn)駝峰。抑制措施：①優(yōu)化定子橡膠阻尼，加入芳綸纖維提高回彈速度；②在萬向軸處增設(shè)慣性飛輪，吸收瞬態(tài)過剩扭矩；③采用閉環(huán)鉆井參數(shù)控制，當檢測到壓降跌幅>0.5MPa/s時，自動降低排量5%，抑制轉(zhuǎn)速飆升。27.（簡答）闡述“鉆柱渦動-扭轉(zhuǎn)耦合”振動的自激機理，并給出一種基于鉆具組合的被動控制方案。答案：鉆柱渦動產(chǎn)生側(cè)向離心力，導(dǎo)致切削深度周期性變化，進而引起扭矩波動；扭矩波動通過扭轉(zhuǎn)波反饋改變鉆頭側(cè)向力，形成正反饋自激。被動控制：在距鉆頭30m處安裝“非對稱穩(wěn)定器”，其葉片數(shù)與鉆頭刀翼數(shù)互質(zhì)，破壞渦動相位匹配；同時穩(wěn)定器外徑比井眼小3mm，提供適度阻尼，現(xiàn)場試驗表明可降低RMS扭矩波動42%。28.（簡答）說明高溫井（200℃）下MWD鋰亞硫酰氯電池容量衰減的化學(xué)本質(zhì)，并給出一種電池?zé)峁芾碓O(shè)計。答案：高溫加速LiClO?與SOCl?副反應(yīng)，生成不導(dǎo)電的LiCl膜，堵塞碳正極微孔，導(dǎo)致極化內(nèi)阻增大。熱管理：采用相變材料（PCM，熔點185℃）包裹電池組，PCM儲熱密度220kJ/kg，當溫度升至190℃時吸熱，維持電池溫度平臺；同時在電池與電子艙之間設(shè)置熱管，將熱量導(dǎo)向鉆鋌外壁，通過泥漿對流帶走，實測可將電池工作溫度控制在175℃以下，容量保持率由60%提升至85%。29.（計算）某φ215.9mm井段使用1.25°單彎螺桿，彎點距鉆頭12m，鉆壓80kN，井斜角30°，方位角不變，求鉆頭側(cè)向力F_lat及工具面角TF。答案：側(cè)向力由彎曲梁公式：F_lat=2EIθ/L2，其中θ=1.25°=0.0218rad，L=12m，E=2.1×1011Pa，I=π(D?-d?)/64=π(0.1651?-0.1214?)/64=1.18×10??m?，代入得F_lat=2×2.1×1011×1.18×10??×0.0218/144=7.5kN。工具面角TF=arctan(F_lat·sin30°/(WOB-F_lat·cos30°))=arctan(7.5×0.5/(80-7.5×0.866))=2.8°，因方位不變，TF=90°-2.8°=87.2°（高邊右）。30.（計算）某井采用“雙穩(wěn)定器-簡支”鉆具組合，穩(wěn)定器間距18m，鉆柱外徑127mm，線密度28kg/m，泥漿密度1.3g/cm3，求臨界屈曲載荷F_cr。答案：浮重線密度m?_f=28×(1-1.3/7.85)=23.4kg/m，慣性矩I=πD?/64=π(0.127)?/64=1.27×10??m?，有效軸向力F_e=π2EI/(μL)2，μ=0.7（一端固定一端鉸支），F(xiàn)_cr=π2×2.1×1011×1.27×10??/(0.7×18)2=1.05×10?N=1050kN。31.（綜合設(shè)計）某超深井計劃鉆穿鹽膏層（井段5600-6200m，溫度210℃，壓力110MPa），鹽巖蠕變速率ε?=1.2×10??s?1，要求井眼收縮率<1%/a。請給出鉆具組合、鉆頭選型、泥漿體系及環(huán)空安全時間窗口的完整方案，并驗證。答案：（1）鉆具組合：采用“6-1/4”PDC鉆頭+1.15°單彎螺桿+浮閥+6-1/2”厚壁鉆鋌×2+“非旋轉(zhuǎn)套管保護器”+5”高鋼級鉆桿。鉆頭上方15m處設(shè)置“可膨脹扶正器”，遇鹽層膨脹至φ308mm，提供持續(xù)支撐。（2）鉆頭選型：選用8刀翼、13mm齒、后排齒布齒角20°、保徑長度120mm的“抗蠕變”PDC，齒面采用“納米SiC梯度涂層”，210℃磨損率降低35%。（3）泥漿體系：采用“飽和鹽水+KCl+聚合物”體系，密度1.98g/cm3，Cl?濃度≥18×10?mg/L，抑制鹽溶；加入3%微硅+1%石墨，降低濾失量至2mL，潤滑系數(shù)0.12；高溫穩(wěn)定劑采用“AMPS/AA/SSS”三元共聚物，210℃老化16h粘度保持率>80%。（4）環(huán)空安全時間窗口：根據(jù)鹽巖收縮模型ΔD/D=C·ε?·t，C=0.8（經(jīng)驗系數(shù)），允許1%收縮，則t=0.01/(0.8×1.2×10??)=1.04×10?s≈2.9h。因此每鉆進9.5m（單根）需立即下入“鹽層專用膨脹封隔器”候凝，封隔器膨脹壓力8MPa，支撐井壁，候凝時間4h，可安全穿越鹽膏層。驗證：現(xiàn)場試驗井段6000-6100m，實測井徑平均φ306mm，24h后井徑φ304mm，收縮0.65%，滿足<1%/a要求。32.（綜合設(shè)計）某水平井段（井斜90°，井深4200-4800m）采用“旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向+隨鉆擴眼”工藝，要求井徑擴大至φ250mm（原井眼φ215.9mm），擴眼率≥90%，狗腿度<5°/30m。請給出旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具設(shè)置參數(shù)、擴眼器切削結(jié)構(gòu)、水力參數(shù)及狗腿度控制策略。答案：（1）旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向設(shè)置：采用“指向式”RSS，工具外徑φ210mm，推靠墊塊3組，120°均布，最大推靠力12kN，導(dǎo)向率0.3°/m。設(shè)置“穩(wěn)斜模式”，目標井斜90°，方位180°，控制閾值：井斜偏差±0.2°，方位偏差±1°。（2）擴眼器切削結(jié)構(gòu)：選用“雙級刀翼”擴眼器，前級φ220mm，后級φ250mm，刀翼數(shù)6，PDC齒16mm，后排齒傾角25°，保徑鑲裝“旋轉(zhuǎn)式耐磨塊”，擴眼扭矩預(yù)計增加15%。（3）水力參數(shù)：排量30L/s，噴嘴組合“φ12mm×3+φ14mm×3”，總過流面積2.85cm2，計算環(huán)空返速0.82m/s，確保巖屑攜帶比>0.6；擴眼器刀翼表面設(shè)置“自激振蕩射流”通道，射流頻率18Hz，減阻15%。（4）狗腿度控制：采用“雙向濾波”算法，對井斜、方位測量值進行30m滑動平均，若狗腿度>4.5°/30m，自動降低推靠力至8kN，并增加測量頻率至每0.5m一次，實時修正。模擬顯示狗腿度最大4.2°/30m，滿足要求。33.（案例分析）某井在井深5050m處發(fā)生“粘滑”振動，地面扭矩波動±3.5kN·m，轉(zhuǎn)速波動±45rpm，鉆壓80kN，鉆頭為6刀翼PDC。請給出診斷流程、根因分析及綜合抑制措施，并預(yù)測效果。答案：診斷流程：①采集1kHz高頻扭矩、轉(zhuǎn)速、立壓數(shù)據(jù)；②計算扭矩變異系數(shù)CoV=σ/μ=0.28，>0.2判定為嚴重粘滑；③進行頻譜分析，發(fā)現(xiàn)主頻2.1Hz，與鉆頭固有扭轉(zhuǎn)頻率2.3Hz接近，確認共振。根因：①地層石英含量85%，抗壓強度180MPa，切削不均；②鉆具組合柔性大，扭轉(zhuǎn)剛度低，等效彈簧常數(shù)K_t=1.8×10?N·m/rad；③地面轉(zhuǎn)速45rpm過低，切削厚度波動誘發(fā)。抑制措施：①地面轉(zhuǎn)速提高至85rpm，避開共振區(qū)；②在鉆頭上方18m安裝“扭沖發(fā)生器”，提供頻率15Hz、振幅±500N·m的扭轉(zhuǎn)沖擊，破壞粘滯；③將鉆壓降至65kN，切削厚度降至1.0mm，降低扭矩波動幅值；④采用“扭矩反饋”頂驅(qū)系統(tǒng)，增益系數(shù)0.8，實時調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，阻尼比提高至0.4。預(yù)測：模擬顯示扭矩波動降至±0.9kN·m，CoV=0.07，粘滑抑制率75%，機械鉆速由3.2m/h提高至5.1m/h。34.（創(chuàng)新設(shè)計）提出一種“自供能-自感知”智能鉆桿方案，無需電池與電纜，實現(xiàn)井深、扭矩、溫度實時測量，并給出能量harvesting原理、信號調(diào)制方式及現(xiàn)場部署要點。答案：能量harvesting：利用鉆井液流動驅(qū)動“微型渦輪-磁懸浮發(fā)電機”，渦輪直徑40mm，級數(shù)3，額定轉(zhuǎn)速1.2×10?rpm，輸出電壓3.3V，功率80mW；同時采用“壓電疊堆”收集鉆柱振動能量，預(yù)計額外提供20mW，總功率100mW。信號調(diào)制：采用“超聲導(dǎo)波”回傳，載波頻率250kHz，信號調(diào)制方式OFDM，子載波數(shù)64，數(shù)據(jù)速率1kbps，誤碼率<10??；傳感器數(shù)據(jù)打包32Byte，每30s發(fā)送一次，平均功耗35mW，能量盈余65mW用于超級電容儲能。傳感器集成：在鉆