钻头钻柱和井口工具

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钻头、钻柱及井口工具第一节刮刀钻头1第二节牙轮钻头1第三节金刚石钻头8第四节PDC钻头11第五节钻柱及其受力情况15第六节钻柱的损坏及合理使用16第七节井口工具18 钻头是破碎岩石形成井眼的主要工具，可根据其结构、功用及原理进行分类，现场常用的钻头有刮刀钻头、牙轮钻头、金刚石钻头、PDC钻头等。第一节刮刀钻头刮刀钻头是旋转钻井法中最早使用的钻头，它的结构简单，制造方便，在泥岩、疏松的砂岩、泥质砂岩、页岩等低硬度、高塑性地层中钻进，可得到较高的机械钻速和钻头进尺，并且各油田均能自己设计和制造。刮刀钻头按刀片的数量不同可分为两翼刮刀钻头、三翼刮刀钻头、四翼刮刀钻头等。最常用的是三翼刮刀钻头。由于刮刀钻头需要扭拒大，容易扭断钻具目前已经很少使用。第二节牙轮钻头牙轮钻头是石油钻井中使用最广泛的钻头。这是由于牙轮钻头旋转时具有冲击、压碎和剪切破碎岩石的作用，牙齿与井底的接触面积小，比压高、工作扭矩小、工作刃总长度大等。因而使牙轮钻头能适用于多种性质的岩石，成为使用最广泛的钻头。牙轮钻头可按牙轮数目的多少分为单牙轮钻头，双牙轮钻头、三牙轮钻头和多牙轮钻头等。目前普遍使用的是三牙轮钻头。一、三牙轮钻头的结构三牙轮钻头可分为五个部分，即钻头体、巴掌、牙轮、轴承和水眼。密封喷射式钻头除上述基本部分外，还有储油补偿系统。1、钻头体钻头体上部车有丝扣用于连接钻柱，下部带有巴掌。钻头体上镶装喷嘴。牙轮钻头可分为有体式和无体式两类。钻头体与巴掌分别制造，然后将巴掌焊接在钻头体下侧的叫做有体式钻头，这种钻头的上部丝扣均为母扣；巴掌与三分之一钻头体做为一体，然后将三部分合焊在一起的叫做无体式钻头，无体式钻头均为公扣。2、巴掌巴掌与牙轮轴相连，上面有轴颈，用于支承牙轮。3．牙轮牙轮是一个外面带有牙齿，内腔加工成与轴颈相对应的滚动体跑道（或滑动磨擦面）的锥体，分单锥与复锥两种结构，如图5-5所示。仅有主锥和背锥两个不同锥度的牙轮叫单锥牙轮，适用于硬或研磨性较强的地层；除主、背锥外还有1～2个副锥的牙轮叫复锥牙轮，适用于软或中硬地层。牙轮表面的牙齿，由牙齿毛胚铣削加工或钻孔镶嵌两种方式制成。牙齿是钻头破岩的主要元件。由牙轮毛胚铣削加工而成的牙齿叫铣齿，这种钻头叫铣齿钻头。将金属材料加工成一定形状的牙齿，镶嵌并固定在轮壳上的钻头叫镶齿钻头。] 4、轴承牙轮钻头的轴承结构有滚动轴承和滑动轴承两种。目前广泛采用大轴承滑动副一滚珠轴承—第二道止推一小轴滑动副的滑动密封轴承结构。其类型有四种：（1）普通滑动轴承，目前国产镶齿密封滑动轴承喷射钻头，大多采用这种类型的结构；（2）带固定衬套的滑动轴承；（3）带浮动补套的滑动轴承；（4）简易滑动轴承。5、水眼牙轮钻头在牙轮之间设计有水眼，根据需要可在水眼内安装不同类型、不同直径和不同数量的喷嘴。二、破岩机理牙轮钻头是依靠牙轮绕钻头轴线的公转与牙轮绕自身轴线的自转所产生的冲击压碎作用和滑动剪切作用来破碎岩石的。1、冲击压碎作用牙轮钻头在井底工作时，由钻头纵振所产生的，轮齿对岩石的冲击压碎作用，是牙轮钻头破碎岩石的主要方式。旋转钻头时，牙齿以一定速度冲击压入岩石，这一破碎方式与静压入破碎试验特点相似，牙齿压入岩石需要足够的比压与接触时间。因此，牙轮钻头的牙齿作用在岩石上的轴向载荷包括静压及冲击载何两部分。加给钻头的钻压为静压部分；冲击载荷是由钻头在井底旋转时产生纵振，使钻头—钻柱系统不断地压缩与伸张，下部钻柱把这种周期的弹性变形能传递给牙轮而产生的，这就是钻头破碎岩石时牙齿冲击压力的来源。加大钻头牙齿对地层的冲击压力，就能提高破碎岩石的效率。2、滑动剪切作用在塑性较高的岩石中，除了要求牙齿对井底岩石有冲击压碎作用外，还要求牙齿对地层有一定的滑动作用，使牙齿对岩石进行剪切，以扩大岩石的破碎效果，这一点在软地层钻进时显得很重要。使牙轮在井底滚动时产生滑移的措施有超顶、复锥和移轴。（1）超顶。超顶就是指牙轮的锥顶超过钻头的中心线。锥顶超过中心线的距离叫做超顶距。超顶距越大滑动量就越大，超顶在切线方向上产生了滑动，剪去了牙轮每个齿圈上齿与齿之间的岩石。（2）复锥。复锥导致牙轮在切线方向产生滑动，同超顶一样也剪去了牙轮每个齿圈上齿与齿之间的岩石。（3）移轴。移轴就是指牙轮轴线相对于钻头轴线平移了一段距离。这段距离叫做移轴距。如果移轴距越大，牙轮的滑动量就越大，剪切作用也就越大，移轴使牙齿产生了轴向滑动，剪去了牙轮上齿圈之间的岩石。3、牙齿本身的剪切作用 牙齿在轴向压力（钻压）的作用下吃入岩石时，牙齿的楔形面就对与其接触的岩石产生了一个水平剪切力，岩石沿剪切面发生了剪切破碎，随着牙齿的移动而将已破碎的岩石剔出，这就是牙齿本身对岩石的剪切作用。表5-1国产三牙轮钻头型式代号类别型式名称型式代号全称简称铣齿钻头普通轴承三牙钻头普通钻头Y普通轴承喷射式三牙轮钻头喷射钻头P密封滚动轴承喷射式三牙轮钻头密封喷射钻头MP密封滚动轴承喷射式保径三牙轮钻头密封喷射保径钻头MPB密封滑动轴承三牙轮钻头滑动钻头H密封滑动轴承喷射式三牙轮钻头滑动喷射钻头HP密封滑动轴承喷射式保径三牙轮钻头滑动喷射保径钻头HPB镶齿钻头镶齿密封滚动轴承喷射式三牙轮钻头镶齿密封喷射钻头XMP镶齿密封滑动轴承三牙轮钻头镶齿滑动钻头XH镶齿密封滑动轴承喷射式三牙轮钻头镶齿滑动喷射钻头XHP三、三牙轮钻头系列1、国产三牙轮钻头系列（1）根据钻头的结构特征分成铣齿和镶齿两大类，10种型式，如表5-1所示。（2）按照所钻地层的软硬程度，各种型式的钻头分成七个品种，见表5-2。表5-2国产三牙轮钻头品种代号地层软硬极软软中软中中硬硬极硬品种代号1234567（3）型号表示方法品种代号型式代号钻头直径，mm例：直径为215.9mm、镶硬质合金齿、滑动密封轴承、喷射式水眼，用于中软地层的钻头代号应为：215.9XHP3。四、三牙轮钻头的合理使用1、合理选择钻头类型 （1）根据所钻地层岩性，选择钻头类型遵循以下原则：a.在浅井段岩石胶结疏松，主要考虑钻头的钻速和防止泥包；b.在深井段由于起下钻行程长，主要考虑钻头的进尺；c.出井钻头外排齿严重磨损时，宜选用带有保径齿的钻头；d.在易斜井段宜选用滑移量小牙齿多而短的钻头；e.在选用镶齿钻头时，宜用楔形齿钻头；f.钻石灰岩时，宜用双锥齿、抛射体形齿钻头；g.地层泥页岩较多或钻井液密度较大时，宜选用具有较大滑移量的钻头；h.地层为灰岩、砂岩，宜选用滑移量较小的钻头；i.在钻坚硬及高研磨的地层时，宜用纯滚动的球齿、双锥齿钻头。常用钻头与适用地层见表5-3。（2）优选钻头水力参数应优先选用加长喷嘴和不等径组合喷嘴钻头。 表5-3钻头类型与适用地层对照表类别系列适用地层岩性钻头类型标准滚柱轴承密封滚柱保径密封滑动轴承密封滑动保径铣齿1低抗压强度的高可钻性软地层粘土、泥岩、页岩、疏松砂岩、石膏Y1，P1，R1HP1，J1Y2，P2，R2HP2，J2JD2R3XDGJ3JD3Y3、P3MPB3HP3HPB32高抗压强度的中到中硬地层砂岩、页岩、泥岩、白垩岩等Y4，P4，R4XDV，MPB4HP4，J4HPB4，JD4DR53半研磨性或研磨性的硬地层白去砂岩、砂质泥岩、石英岩Y5，P5MP5HP5，J7HPB5Y6，P6HP6R7，DR7R8J8JD8镶齿4低抗压强度的高可钻性软地层泥岩、石膏、疏松砂岩等J11X11XHP1，J11C5低抗压强度的软到中地层泥岩、页岩、石膏、软石灰岩等J22X22XHP2，J22CXHP3，J33X33J33C6高抗压强度的中硬地层页岩、砂岩、白云岩、石灰岩XHP4，J44X44XHP5，J55RJ55X55RXHP5A7半研磨性或研磨性的硬地层石英砂岩、硬白云岩、石灰岩等X55XHP6，J778研磨性的极硬地层石英岩、花岗岩、玄武岩、火山岩XHP7，J99 表5-8上海第一石油机械厂推荐的钻头钻压与转速值钻头系列Y，PMP,MPB,HP,HPBXHP钻头型式钻头直径mm钻压N/mm转速r/min钻压N/mm`转速r/min钻压N/mm转速r/min1＞190550～800140～90550～800140～902＜175＞190350～450550～850140～90140～90350～450550～850120～60400～500500～800150～603＜175＞190350～450600～850140～90125～70350～450600～850100～50400～500500～800100～404＜175＞190350～450650～900140～90100～45350～450650～90080～6070～50400～500500～80070～5060～405＜175＞190350～450650～900140～9080～45350～450650～90080～6070～50400～500550～85070～5060～406＜175＞190350～450650～950140～9080～45400～500550～85070～5060～407＜175＞190400～500550～65070～5060～402.钻头入井前的检查（1）检查所选的钻头型号，直径是否符合要求；（2）仔细察看钻头丝扣、焊缝、牙齿是否完好；（3）检查喷嘴是否装牢，水眼应畅通；用手转动牙轮，轴承密封应完好；钻头的压力补偿系统应完好，卸压孔应无堵塞。3.钻头入井时注意事项（1）钻头丝扣清洗后涂上专用丝扣油；（2）选用合适的装卸器，钻头放进装卸器时不得猛顿；（3）紧扣时按规定扭矩上紧；（4）下钻操作要平稳，遇阻不得硬压。镶齿钻头下钻要慢，以免在硬地层及井眼不规则处碰坏合金齿； （5）下钻遇阻划眼时，应记下井深、划眼情况及时间，以便于判断遇阻原因，控制工作时间；表5-9四川石油管理局总机修厂推荐的钻头钻压和转速值地层转速,r/min钻压（滚动密封、滑动密封），kN滚动密封轴承滑动密封轴承kN/cm2钻头直径215mm钻头直径152mm软60～8540～604.63～6.5698～137.329.4～58.8中5.4～7.33117.7～156.939.2～68.6硬50～706.17～8.49137.3～176.549～78.5注：钻头直径152mm的钻头因轴颈和牙轮都小，钻压不能过大，尚不能按kN/cm2标准计算。(6)下钻至井底一定距离（一个单根），应开泵转动转盘缓慢下放，严禁下到底开泵。4.钻进注意事项（1）新钻头应轻压磨合半小时左右，再逐渐加至规定钻压，严禁加压启动转盘；（2）操作刹把时精力要集中，送钻均匀，严防溜钻、顿钻事故；（3）钻进中应根据钻对变化及钻头运转情况，随时分析岩性的变化和钻头工作情况，及时调整钻井参数。钻压与转速的匹配应符合表5-8、表5-9、表5-10、表5-11所推荐的匹配值。5.钻头起出时间的确定（1）根据轴承和牙齿的磨损来确定，轴承损坏的现象是：转盘出现周期性蹩跳，钻压小蹩跳轻，钻压大则重。钻速下降，泵压正常而重量指示仪指针有摆动。(2)牙轮卡死的现象是：转盘负荷增大，转盘链条跳动，方钻杆有蹩劲，停转盘打倒车.钻速下降，重量指示仪指针摆动严重。(3)牙齿磨（脱）光的现象是：转盘负荷减轻；方钻杆无蹩跳；钻速明显下降或无进尺；重量指示仪指示平稳无摆动；泵压正常。（4）根据钻头每米成本来确定。其作法是：新钻头入井后，每钻一米计算出成本并列表，继续钻进成本逐步下降，当成本上升时应起出更换钻头。C1=式中C1——钻头每米成本，元/m；Cb——钻头成本，元；Cr——钻头工作时设备使用成本，元/m；Tr——起下钻、换钻头时间；h；T——钻头纯钻进时间，h； H——钻头总进尺，m；第三节金刚石钻头一、金刚石钻头的结构金刚石刮刀钻头与普通刮刀钻头结构相似，仅是在刀片上镶装了金刚石颗粒。常用的金刚石钻头由钻头体（又称钢体）、胎体和金刚石切削刃三部分组成。1、钻头体钻头体的上部车有丝扣以连接钻具，下部与胎体相连。钻头体有一体式和二体式两种，二体式上部分合金钢，车有丝扣，下部为低碳钢胎体，两部分用丝扣连接在一起，然后焊死。2、胎体胎体是镶嵌金刚石颗粒的基体，因而要求条件较高。一般要求胎体不但应具有足够的强度、硬度、耐磨性、导热性，还要能与金刚石颗粒牢固地粘结在一起，并使胎体工作层的磨损与金刚石磨损保持适当比例，这样才能在钻进中保持钻头上的金刚石工作刃不断自锐。3、金刚石切削刃金刚石颗粒是钻头破碎岩石的切削元件，根据不同岩性，金刚石在钻头胎体上的镶装方式有表镶式、孕镶式、表孕镶式三种。（1）表镶式（又叫外镶式）。表镶式就是把金刚石颗粒镶装在钻头胎体表面的一层上，其金刚石颗粒较大。表镶式金刚石钻头多用于相对较软的地层。（2）孕镶式（又称潜铸成）。孕镶式就是把金刚石颗粒分布在钻头胎体的一定厚度内，孕镶层厚度为2～12毫米。孕镶式金刚石钻头多用于坚硬地层。（3）表孕镶式。表孕镶式就是在钻头工作面上同时采用表镶、孕镶两种镶装方式。通常是在表镶式钻头的薄弱处孕镶一层金刚石。例如在钻头外侧与中心部分同时采用表孕镶方式，这样可以延长钻头寿命。二、破岩机理金刚石是至今人类在地球上最硬的矿物，在莫氏硬度标准中列为第十级。它的抗磨能力为钢材的9000倍。在钻压作用下，金刚石切削刃压缩（对岩石的压应力可达4000～6000MPa）并吃入岩石，在扭矩作用下，切削刃周围压碎的岩石被剔出。当钻压不大时，井底沿金刚石切削刃的运动方向形成小的沟槽，加大钻压则会使小沟槽的深部与两面侧岩石发生体积破碎，破碎的岩屑可超过金刚石切削刃的吃入尺寸。整个过程就象“犁地”一样，称为金刚石钻头的犁式切削机理。 三、金刚石钻头的代号和型号（1）用途代号M——全面钻井用钻头；Q——取心钻井用钻头。（2）金刚石钻头切削元件代号T——天然金刚石；F——复合片聚晶；Y——圆柱形聚晶；D——人造单晶；S——三角形聚晶；（3）被钻地层可钻性代号1——软；2——中软；3——中等；4——中硬；5——硬。（4）型号表示方法制造厂名或商标地层可钻性代号用途代号切削元件代号外径尺寸例如：150.9SM3表示用于中等地层，外径为150.9mm的三角形聚晶全面钻井用钻头。四、金刚石钻头的合理使用1、钻头的选择（1）根据所钻地层的岩性选择钻头类型；（2）根据所设计的井眼直径选择钻头直径。一般要求其直径应比同井眼的牙轮钻头直径小1.5～2mm。2、入井前的检查与准备工作（1）认真检查所选的钻头型号、直径、水眼、水槽、接头丝扣等，应符合要求，并作好检查记录；（2）检修好地面设备和入井钻具，确保钻头能在井下较长时间连续安全钻进；（3）井底清洁无落物，起出的上只钻头直径磨损严重时应采取扩眼措施后再下金刚石钻头尽量避免用金钢石钻头划眼。3、钻头入井注意事项（1）按钻头时一定要保护好金刚石切削刃，使用专用钻头装卸器，不能让钻头工作面上的金刚石颗粒与金属碰撞。 （2）下钻要慢，操作要平稳，以免碰坏金刚石。（3）下至距井底一个单根应开泵，低速旋转，缓慢下放，严禁下到底开泵。4、钻进注意事项（1）泵压正常，低速旋转下放，使钻头缓慢接触井底，轻压（10千牛左右）钻进0.3米后再逐渐加至工作钻压；（2）严禁加压启动转盘；（3）送钻要均匀，防止溜钻、蹩钻、跳钻；（4）合理使用钻进参数，钻压的选择可参照图5-6。转速：150转/分以上；排量：要求能保证清洗井底和冷却金刚石。排量的选择可参照图5-7。5、钻头起出时间的确定（1）钻速明显降低，表明岩性发生了变化或金刚石切削刃损坏严重，应起钻； （2）使用后期泵压升高，表明切削刃和胎体磨损严重使水槽载面减小或钻头泥包，应起钻；（3）泵压下降时应查明原因，如判断是钻具被刺漏，应停止钻进。（4）蹩跳钻严重，如果调整钻压和转速后仍不能消除，应起钻检查钻头；（5）根据每米钻井总成本的指标确定钻头工作时间（具体算法与牙轮钻头相同）。此外，在某一地区、某一井段使用金刚石钻头的每米总成本若高于牙轮钻头在大致相同条件下的指标时，说明此井段不宜使用金刚石钻头，应换牙轮钻头钻进。第四节PDC钻头一、PDC钻头的结构与特征1、结构聚晶金刚石切削齿钻头简称PDC钻头，PDC钻头由钻头体和切削齿组成。（1）钻头体。钻头体有硬质合金胎体和钢体两种。硬质合金胎体是在模具中铸造的，圆柱形切削齿焊在钻头体上，保径部位焊金刚石。钢体钻头是用镍、铬、钼合金钢加工成形，经过热处理后在钻头体上钻孔，把支柱式切削齿镶装在孔内，保径部位镶装纽扣形的硬质合金。（2）切削齿。根据所钻地层和钻头外形的不同，钻头上切削齿的形状，数量与排列方式也不一样。其切削刃是由薄层人造聚晶金刚石经高温高压粘结在碳化钨衬底上，聚晶金刚石薄片是用许多小晶粒的人造金刚石以不同规则、不同方向相结合制成的，其抗磨性非常好，碳化钨基底加强了复合片的抗冲击性能。2、PDC钻头的特点（1）无活动零件；（2）具有高效切削作用；（3）钻头寿命较长；（4）比其它类型钻头有较高的机械钻速；（5）抗冲击性能较差；（6）最适合于井下动力钻井。二、破岩机理PDC钻头的破岩机理对软地层主要是犁，对硬地层是靠剪切。就象车刀切削金属一样，由于岩石本身抗剪强度比抗压强度小得多，对于同样的岩石用剪切方式破碎比用压碾方式破碎需要的能量小（剪切是压碾的1/8），所以使用PDC钻头钻进，只需要较轻的钻压就可获得较高的的机械钻速。三、PDC钻头的合理使用1、钻头的选择根据地层特征选择好钻头类型，如表5-13。 表5-13PDC钻头的选择适用地层岩性休斯牙轮钻头江汉PDC钻头四川-克里斯坦森PDC钻头低抗压强度高可钻性的软地层粘土、泥岩、泥灰岩、盐岩、无水石膏J1J2J3R1J11B9MB10MB11MB12MB15S，B15MR481R448R426R482低抗压强度并有硬夹层的软到中硬地层砂岩、页岩、白垩岩、软石灰岩J22J33B18MB20MB22MB27MB33MB35MR422R419高抗压强度的中硬至硬地层、非研磨性地层页岩、泥岩、砂岩、石灰岩、白云岩J44J55R4862、下井前的检查准备工作（1）井眼畅通，井底干净无落物；（2）钻头丝扣、台阶和切削齿完好，水眼畅通；（3）上钻头必须使用专用工具。3、下钻要求（1）下钻控制速度，以防碰坏牙齿和增加激动压力；（2）遇阻不能硬压，应采取一冲二通三划眼的办法通过；（3）离井底一个单根开泵循环冲洗。4、操作要求（1）钻头接触井底轻压钻进0.3～0.5米做井底造型。加压钻进时，由于扭矩增加，转盘转速易产生波动，要调整钻压和转速防止蹩断切削齿。R系列PDC钻头推荐的钻井参数见表5-14。表5-14R系列PDC钻头钻头直径参数R593R516R545R431152.4mm排量，（L/s）9～16转速，（r/min）100～500钻压，（kN）9～68最大钻压，（kN）77 215.9mm排量，（L/s）24～3224～3222～3225～32转速，（r/min）60～200100～500100～500100～500钻压，（kN）9～909～909～9023～113最大钻压，（kN）135135135126311.2mm排量，（L/s）36～5736～5732～5738～50转速，（r/min）60～200100～500100～500100～500钻压，（kN）23～13523～13523～13545～180最大钻压，（kN）203203203225374.6mm排量，（L/s）47～6947～6944～63转速，（r/min）60～200100～500100～500钻压，（kN）23～13523～13523～135最大钻压，（kN）203203203444.5mm排量，（L/s）50～7650～7647～76转速，（r/min）60～200100～500100～500钻压，（kN）23～15823～15823～135最大钻压，（kN）203203203（2）接单根后慢慢接触井底。以防撞击损坏切削齿。（3）钻头使用后期可适当增大钻压，确定比较合适的钻井参数，以提高机械钻速。5、起钻标准切削齿因正常磨损而不能有效地钻进或出现下述现象之一者，应起钻换钻头。（1）加压后泵压升高；（2）地层岩性不变而机械钻速明显下降；（3）井底有落物；（4）操作失误造成严重溜钻、顿钻；（5）综合经济指标低于其它类型钻头。6、技术要求由于PDC钻头主要靠剪切作用破碎岩石，钻速快、钻屑多，所以现场使用时要求：（1）必须使用优质钻井液，确保井眼畅通，固相含量不超过8%，摩阻系数小于0.2。（2）要保持井底清洁，防止钻头早期损坏。（3）尽量避免大段划眼，钻头接触井底要稳，井底造型钻压要小。（4）在软地层钻进时，必须具备足够的水力冲洗效果。否则易造成钻屑重复切削，降底钻头的使用效果和机械钻速。（5）在较硬地层钻进时，要具有较大的比水功率和适当增大钻压。（6）定期进行短起下钻。（7）PDC钻头的喷嘴多且直径小，因此使用滤清器的滤孔应小于喷嘴最小直径。（8）可根据机械钻速、扭矩的变化和泵压的变化来确定起钻时间和分析判断井下钻头工作情况。 四、钻头的保养和管理（1）所有钻头必须装箱运输，装卸时不得抛掷，防止损坏工作刃（牙齿、刀刃或金刚石）。（2）运到井场的钻头必须开箱检查，查规格、型号，查尺寸是否符合井队生产需要，查钻头各部分是否有损伤，若合格应将钻头按尺寸大小分类排列、编号、建立钻头记录卡，记录生产厂家、出厂日期、尺寸、类型、喷嘴直径以及钻头高度等各项数据。（3）钻头应整齐地存放在材料库房内，螺纹必须涂抹丝扣油，密封钻头下井前，不得浸泡在油中，金刚石钻头应装箱保护，不得随意乱扔，防止由于碰撞损坏金刚石颗粒或复合片。各种钻头均应防止被雨水冲淋而锈蚀。（4）从井内起出的钻头，必须用清水清洗干净，并用白漆编号，标明出入井序号和入井时间、井段、纯钻时间、进尺、所钻岩性等，然后倒置于旧钻头陈列处，以便分析钻头磨损情况，总结经验教训。（5）严禁将新旧钻头混装在一起，更不准将旧钻头抱上钻台重新下井，要做好回收旧钻头的一切准备工作。现场使用的钻头和接头 第五节钻柱及其受力情况钻柱是指水龙头以下钻头以上所连接的整个系统的总称。它是由方钻杆、钻杆、加重材料、钻铤、接头、稳定器、震击器、井下动力钻具等各部件按规定组成的。主要作用是传递扭矩、输送钻井液，连接及延长钻柱，以不断加深井眼，并给钻头施加钻压。钻柱在不同的工作状态下受不同的载荷，钻柱在井内受轴向拉力和压力、弯曲力矩、离心力、扭矩、纵向震动、扭转震动和动载等力的作用。1、轴向拉力和压力钻柱在井下受到的轴向拉力主要由钻柱自重所产生，井口处拉力最大，向下逐渐减小。此外，还受到钻井液的浮力，从而减轻钻柱的重量。起下钻中还会因钻柱与井壁的摩擦而增加或减小上部钻柱的轴向载荷。钻进时，大部分钻铤用于给钻头加压，因而在整个钻柱上由受拉转变为受压时，总有一点不受轴向力的作用，这就是所谓的“中和点”。“中和点”以上钻柱承受拉力，以下钻柱受压力。2、弯曲力矩正常钻进时，下部钻柱受压弯曲而受到弯曲力矩的作用。此外，井眼偏斜时钻柱也要受到弯曲力矩的作用。弯曲钻柱自转时，便会产生交变弯曲力矩。3、离心力钻柱公转时产生离心力，促使钻柱发生弯曲。4、扭矩用转盘钻井时，通过转盘带动钻柱与钻头旋转破岩，因此钻柱承受扭矩。井口处扭矩最大，钻头处最小。5、纵向震动由于牙轮钻头结构及岩石性质等因素，钻进中使钻柱产生纵震。当纵震频率与钻柱的固有频率相等或成倍数关系时，便会产生共震现象，即跳钻。严重跳钻会加速钻柱的疲劳破坏和降低钻头的使用寿命。6、扭转震动（周向震动）钻进时，由于井底反扭矩的变化，引起了钻柱的扭转震动。它与钻头结构、岩性变化及钻压、转速等因素有关。例如刮刀钻头在软硬交错频繁的地层钻进时，将使钻柱受到剧烈的扭转震动，即憋钻，导致钻柱的损坏。 7、动载起下钻中由于钻柱加速度的变化，便会产生轴向的动载荷。起钻上提过猛，下钻刹车过猛都会使钻柱产生很大的轴向动载。通多上述分析可以看出，钻柱工作时其严重的受力部位是：（1）钻进时下部钻柱同时受到压力、扭矩和弯矩的组合交变应力（大小或方向随时间作周期性变化的应力）作用。钻头突然遇阻遇卡都会使柱受到的扭矩大大增加。（2）起下钻时，井口处钻柱所受拉力最大，特别是猛提猛刹还会使井口钻柱受到很大的动载。钻进时井口钻柱所受扭矩也是最大的。（3）由于岩性变化、钻头的冲击及纵震、送钻不均等因素的存在，使“中和点”的位置频繁地上下移动，所以“中和点”附近的钻柱受到交变载荷的作用，这也是钻柱受力的严重部位。第六节钻柱的损坏及合理使用钻进时钻柱在钻井液介质中长期受到变交载荷的作用，便会发生破坏或折断。据统计资料表明，绝大多数钻具的损坏有以下几种情况：（1）多数钻杆的损坏发生在钻进旋转中或从井底上提时，即使是发生遇卡后提断，也是在疲劳裂纹已发展到相当程度后才导致破坏的。（2）大多数钻杆的破坏发生在距接头1.2米以内的部位。（3）钻杆的破坏往往与钻杆内表面存在严重腐蚀斑痕有关。（4）从钻杆外表面开始发生的破坏，一般与钻杆表面原有的伤痕有关。（5）由于钻铤本体的厚度大，因而钻铤的破坏通常发生在丝扣连接处。从受力分析中知道，钻柱在井内长期承受拉伸、压缩、扭转和弯曲应力循环，因此疲劳破坏是不可避免的，钻柱的疲劳破坏有三种形式：纯疲劳破坏、伤痕疲劳破坏、腐蚀疲劳破坏。1.纯疲劳破坏纯疲劳破坏是指构件在长期的交变应力作用下发生的疲劳破坏。钻杆上的最大应力常发生在加厚部位的末端，这是因为接头与加厚部位的刚度大于本体部分，在截面变化的部位形成了交变应力作用的薄弱环节。这就是多数钻杆的破坏发生在距接头1.2米以内部分的原因。此外，还有一些因素引起钻杆纯疲劳破坏。例如把弯曲了的钻杆下井使用，或者方钻杆本身弯曲，旋转钻柱时必然造成较大的交变应力而导致疲劳破坏。还有，若天车、转盘和井口三者不对正，也会在方钻杆及钻杆上造成弯曲应力，使之发生疲劳破坏。海洋钻井中，由于钻井船随波浪起伏摇摆也会造成钻杆弯曲，导致疲劳破坏等。2.伤痕疲劳破坏钻杆的伤痕疲劳破坏是由于微裂纹处应力集中而逐步发展的结果，所以钻杆 表面的各种伤痕将会加速钻杆的疲劳破坏，钻柱表面的伤痕有：（1）卡瓦的咬痕和擦伤；（2）大钳的咬痕；（3）旋扣链钳的咬痕和擦伤；（4）印模记号；（5）橡胶保护器造成的沟槽；（6）电弧的灼伤；（7）地层和井下金属碎屑造成的刻痕。在井深时，整个钻柱的重量很大，卡瓦卡在钻杆上的沟槽特别具有危险性，既是很小心地使用卡瓦，也难以避免。所以在井深时不使用卡瓦而用吊卡代替。3.腐蚀疲劳破坏腐蚀疲劳是金属在腐蚀环境中的疲劳，也是钻柱损坏的常见原因，腐蚀一般分为化学腐蚀和电化学腐蚀。化学腐蚀就是指金属表面与腐蚀介质发生化学反应而引起的腐蚀。（如酸类）电化学腐蚀是指金属与电解质溶液接触，发生化学反应引起的腐蚀，其特点是在整个腐蚀反应中有电流产生。（如碱盐类）为减少钻杆的疲劳破坏，可以采取以下措施：（1）为了保证钻杆经常处于拉伸状态，应使钻铤在钻井液中的重量大于最大钻压。（2）采用钻柱减震器来避免钻柱的振动损伤和降低钻柱工作时的交变应力。（3）在钻杆的繁重工作段、弯曲井，采用厚壁钻杆以降低这些工作段的应力和延长整段钻柱的使用寿命。（4）经常检查起下钻操作工具（吊钳、卡瓦）的工作状态是否完好，注意避免在钻杆上造成伤痕。（5）控制钻井液对钻杆的腐蚀，可以在钻杆内表面涂以塑料树脂等保护层。（6）储存钻杆时，应用淡水充分冲洗钻杆接头的内外表面，以清除各种盐类和腐蚀物质，并用防锈化合物涂抹丝扣和接头台阶面。（7）定期检查并排除有裂纹或壁厚变薄的钻杆，分别进行处理。4.钻柱的氢脆破坏在现场实践中发现，金属管材在硫化氢介质中工作一段时间后突然出现裂缝，发生严重的脆性破坏，这是由于硫化氢的腐蚀和脆化的结果，这种破坏叫做氢脆。为防止氢脆可采取下列措施：（1）保护一定的钻井液密度，防止硫化氢气体的侵入，如果避免不了硫化氢侵入井眼，则应采取控制腐蚀速度的措施：1）保证钻井液有较高的PH值，使流化物处于非活性状态，以减弱腐蚀作用。2）在钻具内壁涂以塑料保护膜。3）在钻井液中加入缓蚀剂。4）用化学剂（如ZnCO3等）处理钻井液，使硫化物以惰性状态沉淀。5）在有条件的情况下，使用油基钻井液。（2）根据井下可能遇到的温度，不使用在此高温下可能分解的钻进液处理剂。（3）避免使用含硫原油或含硫化物的钻井液添加剂。 5.钻具的合理使用（1）如钻具丝扣不清洁，水眼不通，丝扣损坏和接头磨薄，本体有伤，磨损及弯曲超过使用标准时，一律不得下井使用。（2）钻具上下钻台必须戴好护丝，上扣前必须清洗丝扣，检查台阶（因为钻具是依靠接头台阶端面密封的，所以台阶面必须完好无损），然后涂满清洁的标准丝扣油。（3）上卸钻具丝扣时不得将吊钳咬在钻杆本体上，严禁磨扣、跳扣和用转盘绷扣。入井钻具必须用双钳按上紧力矩扭紧。（4）新车扣的钻铤、接头丝扣，要坚持磨合到光滑无毛刺才能下井（丝扣表面已磷化的则不需磨合）。（5）入井钻具必须丈量好长度、内外径（钻铤、接头及打捞工具等要准确测量，并画草图），做好详细记录。（6）严格执行钻具探伤、试压规定。（7）深井按要求定期倒换钻具，倒换钻杆时要成组倒换。目的是改变钻具的受力情况，使每个力柱轮流在不同的井深承受大小不同的负荷，以延长钻具的使用寿命。起钻时钻杆应错扣检查，以防粘扣。钻铤立柱按规定时间将所有的丝扣卸开，清洗检查。起下钻时井架工检查钻具弯曲；内钳工检查钻具母扣；外钳工检查钻具公扣；内外钳工共同检查钻具有无损伤，刺漏等情况。（8）卸钻杆时必须卸成单根。拉下钻台的打捞工具、配合接头、钻铤提升短节和其它工具均应卸开。（9）井场钻具必须放在专用管架台上，两端悬空长度不得超过2m；钻铤、方钻杆的悬空长度不得超过1m。井场钻具与其它各种管材必须分类排放，叠放最多不能超过三层，全部母接头对齐，接头密封面和丝扣要清洗干净并涂油防腐。（10）钻具（包括其它管材）上面不得堆放重物及酸、碱等化学药品，并不得在上面进行电、气焊工作。（11）在转运、回收、装卸及运输钻具过程中，不得在地面拖拉和碰撞。在转运方钻杆时，短途使用专用架；长途运输则必须把方钻杆装在套管内，两端固定牢靠。第七节井口工具钻井实际操作技术中，井口工具（大钳、吊卡、卡瓦、旋绳）操作以及服务于井口的猫头，电动小绞车操作属于钻井基本操作技能，本节主要讲述这几样工具的基本操作方法。一、国产B型吊钳钻井井口用的大钳是用来上、卸钻具和上紧套管用的。大钳的类型按操作方式分可分为液气大钳和手动大钳；按功用分可分为钻具大钳和套管大钳。1．B型吊钳的结构 国产B型吊钳由吊杆、钳头、钳柄三大部分组成。（1）吊杆：吊杆是用来悬吊大钳和调节大钳平衡的。吊杆的上部有一平衡梁与吊钳绳相连接，下部通过轴销与大钳钳柄相连接，且在下部有一调节螺钉。（2）钳头：钳头是用来扣合钻具接头或套管接头的。钳头上有五个扣合钳，1＃提便钳（钳框）与2＃扣合钳（也叫固定钳）、2＃扣合钳与3＃长钳与钳柄、钳柄与4＃短钳、4＃短钳与5＃扣合钳（钳头）之间分别通过销轴连接在一起。3＃长钳、4＃短钳、2＃扣合钳上分别装有钳牙，且在1＃扣合钳与2＃扣合钳的连接处嵌有扣合弹簧。（3）钳柄：钳柄是大钳的主体部分。钳柄的头部连接钳头，稍后连接吊杆；中部有一手柄；尾部有尾桩、尾桩销、方头螺钉，用以穿连钳尾绳和猫头绳。二、吊卡吊卡是吊在吊环上，扣在钻杆接头或套管接箍的下面，用以悬持、提升、起出或下入钻杆或套管用的井口提升工具，是起、下钻和下套管作业时的必用工具。1、类型（1）按用途分为钻杆吊卡、套管吊卡和油管吊卡。（2）按结构型式分为侧开式双保险吊卡、对开式双保险吊卡和闭锁环式油管吊卡。2、结构（1）侧开式双保险吊卡由主体和活页大部分组成（图3-1）。（2）主体：吊卡的主体是由35CrMo经热处理加工而成。吊卡的两端分别开有挂合吊环的吊卡耳和安全销孔，中部装有锁销及弹簧，锁销上有一保险阻铁；另外，中部还开有轴销孔及半封的锁销孔。 （3）活页：（亦称活门）是由35CrMo经热处理加工而成，上有两个手柄，即活页手柄和锁销手柄，锁销手柄连接着锁销及弹簧；同时活页上还开有轴销孔，通过轴销与主体连在一起，并由平衡紧定螺钉来固定轴销。3．吊卡的检查与维护（1）锁销、活页销：打开活页，下压锁销手柄，上、下销钉均应进入孔内，并与上、下端面平齐；关闭活页，上、下锁销均进入销孔锁紧；销钉无变形且上下锁紧可靠。活页轴销紧固螺钉无松动，活页应转动灵活无松旷阻卡。转动部分及锁销及时注机油润滑，确保摘扣灵活。（2）负荷台肩：吊卡负荷台肩应无严重磨损和变形，台肩面磨损深度不大于2mm。（3）弹簧：操作锁销手柄时，弹簧回弹力大，且无阻卡现象。（4）保险阻铁及保险销：保险阻铁与上锁销联结牢靠；（5）保险销：保险销应是专用的，且在使用时必须将保险绳拴在吊环上。4．井口吊卡操作（1）选择扣合尺寸与所用钻具的外直径一致的吊卡。（2）内钳工面向井架大门站在转盘的一侧（转盘旁），外钳工面对内钳工站在转盘的另一侧。（3）内钳工右脚踩在转盘护罩上，伸右手按下吊卡锁销手柄，并顺势拉动锁销手柄（或左手按下锁销手柄，右手拉动活页手柄），将吊卡活页打开。然后右手五指并拢，手心向上，虎口朝被扣合钻具方向握住吊卡耳，左手五指并拢扶住钻具。（4）外钳工左脚踩在转盘护罩上，右手五指并拢，手心向下，虎口朝被扣合钻具方向握住吊卡耳；左手虎口向上抓住吊卡活页手柄（熟炼后，可以直接用右手抓住吊卡活页手柄）。（5）钻具上、卸扣后钻具接头离开吊卡，内钳工左脚踩在转盘护罩上，左手五指并拢，手心向上，虎口朝被扣合钻具方向握住吊卡耳，伸右手按下锁销手柄解锁，将活页打开，然后右手五指并拢扶住钻具；外钳工右脚踩在转盘护罩上，左手虎口向上抓住活页手柄，并将活页拉开，右手五指并拢，手心向上，虎口朝被扣合钻具方向握住吊卡耳。（6）内、外钳工同时且均匀用力将吊卡拉离钻具，并将其置于转盘护罩上（转盘油箱前），然后外钳工左手猛推活页手柄，关闭活页，以防挂碰钻具。5．二层台吊卡操作（1）戴好保险带，检查所使用的工具及绳索的可靠性，并禁止戴安全帽。（2）起钻时首先在猴台或栏杆上站稳，绕好钻具兜绳，并迅速将兜绳固定在栏杆上的“U”形卡子里。然后伸左手五指并拢扶住钻具，右手抓住吊卡锁销手柄拉下解锁，将活页打开，双手用力拉兜绳使钻具进入指梁。（3）抽出兜绳，调整好吊卡的方向，然后再将兜绳绕在钻具上，并将其固定在栏杆的“U”形卡子里。（4）下钻时站在猴台上合适的位置，右手用力拉兜绳，左手伸出接钻具，待钻具到位后，右手抓住活页手柄，左手用力推钻具，借吊卡摆动之力将钻具推入吊卡内，同时右手猛推活页手柄，使吊卡活页与主体扣合。吊卡扣合好后，必须试拉吊卡活页手柄2--3下，并观察保险销是否复位，以检查其扣合的可靠性。（5）将兜绳从“U”形卡子里取出，并慢松兜绳取下，将其挂好。 三、卡瓦及安全卡瓦卡瓦分普通卡瓦和安全卡瓦，普通卡瓦是用来放入转盘补心中，卡住和悬持井中的钻具，配合吊卡起下钻作业。安全卡瓦是防止没有台肩（主要是钻铤）的钻具从卡瓦中滑脱的工具。由于使用卡瓦时对钻具本体的压挤力较大，容易损伤钻具。行业规定超过1500m的钻具不准许使用卡瓦起下钻，所以目前使用的比较少，但是安全卡瓦在起、下钻铤时必须使用。1．卡瓦的类型（1）按用途分为钻杆卡瓦、钻铤卡瓦、套管卡瓦。（2）按结构分为二片式卡瓦、三片式卡瓦和多片式卡瓦；长型卡瓦和短型卡瓦；（3）按操作方式分为动力卡瓦和手动卡瓦。2．卡瓦的结构（1）三片式卡瓦：三片式卡瓦是由三片扇形的卡瓦体组成（图3-2）。卡瓦的三片卡瓦体用铰链互相铰接，但是不封闭；每片卡瓦体内分别开有轴向燕尾槽，并装有压板、补套和卡瓦牙；卡瓦手把用螺栓固定在卡瓦体上； 更换不同规格的卡瓦牙和衬板，卡瓦可以用于不同尺寸的钻柱。（2）安全卡瓦：安全卡瓦是由牙板、牙板套、卡瓦牙手柄、调节丝杠、螺母、轴销、弹簧、插销及连接销组成。（3）不同钻铤外径安全卡瓦使用节数如表3—12表3-12安全卡瓦使用节数卡物外径，mm环节数卡物外径，mm环节数95.250~117.48114.30~142.88139.70~168.28165.10~193.6878910190.50~216.08215.90~244.48241.30~269.481112134．普通三片式卡瓦的保养（1）卡瓦牙必须保持清洁，随时清除掉卡瓦牙里的油污或杂物；卡瓦牙应完好，固定且不能装反。（2）绞链销钉、垫圈、开口销应齐全完好，并随时加注机油润滑以保证其灵活好用。（3）卡瓦手把固定螺栓齐全、牢靠，卡瓦体背锥面无严重磨损，且使用前卡瓦的背面要涂润滑油。5．普通三片式卡瓦的操作要领与注意事项（1）根据所卡管体外径选择相应尺寸的卡瓦，然后调整卡瓦，使其开口对正钻具。（2）内钳工左腿踩在转盘护罩上，右脚踩在转盘油箱上，右手手心向后握住卡瓦中间手把，左手五指并拢扶住钻具；外钳工两脚分开（间距与肩同宽），面对内钳工站在转盘护罩上，两手手心相对，虎口相向握住卡瓦两端手把。（3）外钳工两手斜向上用力将卡瓦向怀中提拉，内钳工右手上提中间手把并前推，掌握好所卡部位，将卡瓦卡牢抱紧钻具并使其坐在方瓦内，用以悬持钻具。起下钻铤时卡瓦距母扣端面500mm，若卡瓦打滑可适当转动，使卡瓦牙贴紧管体卡住钻具。（4）卡瓦卡好后，起钻时内、外钳工姿势不变，借钻具上升之力，将卡瓦提出转盘面，同时内钳工右手向怀中拉卡瓦中间手把，外钳工分开卡瓦两端手把并向前推，使卡瓦离开井口，立于转盘护罩上。6．安全卡瓦的检查与保养（1）安全卡瓦牙必须保持清洁；用手逐个下压卡瓦牙，每片牙板在牙板套 内上、下活动灵活，其弹簧灵活好用。（2）铰链、丝杆销、保险销、螺母、手柄齐全完好，铰链转动灵活，无阻卡现象。（3）调节丝杠、螺母上卸灵活，且不能松动。7．安全卡瓦的操作与要求（1）根据所卡管体外径选择相应尺寸的安全卡瓦。（2）普通卡瓦卡牢坐于井口后，首先将安全卡瓦正坐于卡瓦上，穿好丝杠销，然后将安全卡瓦提到合适的高度（距卡瓦50—100mm）。（3）内钳工双手将安全卡瓦扶正，外钳工用手将螺母上紧，注意不能卡反。（4）安全卡瓦卡住钻具后，外钳工用活动扳手继续紧螺母，内钳工用榔头轻击各个铰链销，使其能在钻铤整个圆周上全面接触而卡紧，确实起到安全保护作用。螺母上紧后，禁止再用榔头敲击安全卡瓦。（5）待钻铤上、卸完扣后，外钳工用活动扳手将安全卡瓦的螺母卸松，内钳工拔出丝杆销，取下安全卡瓦，并将其放好。（6）安全卡瓦不用时，严禁留在钻铤上随其一起升降或存放。思考题：1.牙轮钻头有几种齿型？2.牙轮钻头有几种破岩方式？3.使用牙轮钻头应注意什么？4.金刚石钻头有几种？5.金刚石钻头切削方式是什么？6.使用金刚石钻头应注意什么？7.吊卡的用处是什么？8.卡瓦的用处是什么？