钻井工程试题及答案(第二章)

第二章钻进工具

一、选择题

二、填空题

三、名词解释

1．“PDC”含义是什么？

答：

“PDC”是聚晶金刚石复合片钻头的简称，它是金刚石材料钻头的一种。

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届点。

2．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。3．什么叫复合钻柱？

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。

4．什么叫最大安全静拉载荷？

答：

指允许钻杆所承受的由钻柱重力（浮重）引起的最大载荷。

四、简答题

1．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。

2．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?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。

3．刮刀钻头其刀翼结构角有哪儿个？有什么影响？如何取值？

答：

刃尖角、切削角、刃前角、刃后角。

刃尖角β、切削角α、刃前角φ、刃后角ψ；刃尖角表示刀翼的减为尖锐程度。从吃入岩石和提高钻速出发，刃尖角越小越好，但是强度不能保证。一般要根据上述因素及岩石性能确定角的大小。岩石软时，β角可以稍小，较硬时硬适当增大，夹层多，井较深时，β角应适当增大。切削角α刀以前刃和水平面之间的夹角，在其他情况一定时，α越大，吃入深度越深，但α过大时，刃前岩石剪切破碎困难，钻进憋劲大。一般情况下，松软地层α=70度；软地层α=70—80度；中硬地层，α=80—85度。刃后角ψ=α-β。刃后角必须大于井底角。刃前角与切削角互为补角，刃前角φ=90-α

4．铣齿牙轮钻头和镶齿牙轮钻头有哪些不同？

答：

牙轮钻头按材料不同分为铣齿（钢齿）和镶齿（硬质合金齿）两大类。

铣齿牙轮钻头的牙齿石油牙轮毛胚铣削加工而成，主要是楔型齿，齿的结构参数要兼顾有利于破岩和齿的强度。一般软地层牙轮钻头的齿高、齿宽、齿距都较大，硬地层则相反。通常要在齿的工作面上敷焊硬质合金以提高齿的耐磨性，在背椎部位业要敷焊硬质合金层已达到保径的目的。镶齿牙轮钻头是在牙轮上钻出孔后，将硬质合金材料制成的齿镶入孔中。其齿型较多，如楔型齿、圆锥形齿、球型齿、勺型齿、主要依据岩石的性能和齿材料性能、强度、相撞工艺等。目前向齿牙轮钻头在软地层、中硬地层及坚硬地层中都得到了广泛应用。

5．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？

答：

有大、中、小和止推轴承。钻头轴承按结构分为滚动轴承和滑动轴承两大类。

6．牙轮钻头的储油滑密封系统包括几部分？其作用是什么？

答：

储油囊、护膜杯、压盖、密封圈。

7．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。

8．国产三牙轮钻头有哪个系列？试解释81／2HP5的含义？

答：

普通钻头、喷射式钻头、密封钻头、密封保径钻头、滑动轴承钻头、滑动保径钻头、乡齿密封钻头、镶齿滑动轴承钻头8个系列。表示用于中硬地层、直径为81/2英寸的铣齿滑

动密封喷射式三牙轮钻头。

9．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。

（10）金刚石材料价格较高。

10．按切削齿材料可将金刚石钻头分为几种类型？

答：

天然、人造

11．天然金刚石钻头及TSP钻头常用的水力结构有哪几种？各有何优点?

答：

它们均采用水孔——水槽式水力结构，这种结构是钻井液游说空中流出经水槽流过钻头工作面，冲洗每一粒金刚石前的岩屑并冷却、润滑每一粒金刚石。防止金刚石杯烧毁。其结构有：副压式水槽结构；辐射型水槽；辐射型逼压式水槽；螺旋形水槽。

12．天然金刚石钻头是怎样破碎岩石的？适用钻什么样的地层?

答：

聚晶金刚石复合片。既有金刚石的硬度和耐磨性，又有碳化钨的结构强度和抗冲击能力。

金刚石钻头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。

（2）在塑性地层，金刚石吃入地层并在钻头扭矩的作用下使前方的岩石内部发生破碎或塑性流动，，脱离岩石基体，这一过程称作犁削。

（3）在脆性较大的岩石中，在钻压和扭矩的作用下，岩石表现为脆性破碎，在这种情况下，金刚石钻头的破岩速度较高，岩石破碎的体积远大于金刚石吃入后位移的体积。

13．“PDC”含义是什么？有哪些特点?

答：

“PDC”是聚晶金刚石复合片钻头的简称，它是金刚石材料钻头的一种。

它是一体式钻头，在钻进时钻头部件不宜掉落；它主要靠PDC复合片的切削作用破碎岩石，类似于刮刀钻头的切削原理，在钻进过程中扭矩小，稳定性好，在较小钻压、高转速下机械钻速高，但在含砾岩和软硬互层的地层不宜使用PDC钻头，以防崩掉PDC钻头的复合片；分为胎体PDC钻头和刚体PDC钻头。

14．PDC钻头切削刃的后倾角和侧倾角各起什么作用?

答：

后倾角的作用是减少切削齿在工作时的振动，延长使用寿命；

侧倾角的作用是使切削齿在切削地层时对齿前切削产生侧向推力，使岩屑想钻头外缘移动，以利排出岩屑。

15．PDC钻头切削齿布置有哪几种方式？有何特点?

答：

PDC钻头切削齿的排列及分布方式有刮刀式、单齿式及组合式三种。

刮刀式布齿方式将切削齿沿着从钻头中心附近到保径部位的直线（或接近于直线的曲线）不知在胎体刮刀上，在适当的位置布置喷嘴，每个喷嘴起到清洗或冷却一个或两个挂刀片上的切削齿的作用。这种布置方式整体强度高，抗冲击力强，易于清洗和冷却，排屑好，抗泥包能力强，适宜于在粘性或软地层中使用。

单齿式布齿方式是将切削齿一个一个单独布置在钻头工作面上，在适当的地方布置喷嘴或水眼，钻井液从喷嘴流出后，切削齿受到清洗及冷却，但同时也起到阻流和分配液流的作用。这种结构的布齿区域大、布齿密度高，可以提高钻头的寿命，但水力控制能力低，容易在粘性地层泥包。

16．PDC钻头是怎样破碎岩石的？适用于什么样的地层?

答：

PDC钻头实质上就是具有负切削角度的微型切削片刮刀钻头，其工作原理与刮刀钻头

基本相同。在钻压和扭矩的作用下，PDC复合片吃入地层，充分利用复合片极硬、耐磨（磨耗比是碳化钨的100多倍）、自锐的特点犁削和剪切地层、破碎岩石。

PDC钻头适宜于在软到中硬的均质、无砾岩的地层中钻进。

17．TSP钻头与PDC钻头相比有什么优点?

答：

TSP具有良好的热稳定性，齿型也比较多，尺寸也可根据要求而定。其耐磨性高于PDC，抗冲击能力强，具有金刚石材料的优点。

18．钻柱主要由哪几部分组成？其主要功用有哪些?

答：

钻柱由方钻杆、钻杆段和下部钻具组合三部分组成。钻杆段包括钻杆和街头，有时也装扩眼器。下部钻具组合主要时钻停，也可能安装稳定器、减震器、震击器、扩眼器及其他特殊工具。主要作用有：

为钻井液提供通道；为钻头施加适当的压力；把地面扭矩传到井底；起下钻头；计算井深

19．钻杆的API钢级有哪几种?

答：

D、E、95(X)、105(G)、135(S)级共5种。

20．为什么钻柱下部使用钻铤而不使用钻杆？

答：

钻挺具有加大的中立和刚度，它在钻井工程中有加钻压、保证压缩条件下必要的强度；减轻钻头的振动、摆动、跳动等，使钻头工作平稳；控制井斜等作用不能由钻杆替代。

21．内平、贯眼和正规三种接头的主要内别是什么?

答：

内平式接头主要用于外加厚钻杆，其特点时钻杆内径与管体加厚处内径，接头内径相同，钻井液流动阻力笑，有利于提高水功率，但外径较大，易磨损。惯眼式接头适用予内加厚杆，其特点是钻杆有两个内径，接头内径等于管体加厚处内径，但小于管体部分内径。正规式接头适用于内加厚钻杆。这种接头的内径比较小，这种接头的内径比较小，小于钻杆加後处的内径，所以钻井液六国的阻力最大，但它的外径最小，强度较大。

22．钻柱在井下的运动形式可能有哪几种?

答：

自转、公转、自转和公转结合、无规则的旋转摆动。

23．井下钻柱受到哪些力的作用？最主要的作用力是什么?

答：

钻柱在井下受到多种载荷的作用，在不同的工作状态下，不同部位的钻柱受力是不同的。

（1）、轴向压力和拉力

（2）、在转盘钻井时，受到扭矩

（3）在钻压超过钻柱临界值时等情况下，将受到弯曲力距。

（4）当钻柱绕井眼轴线公转时，将产生离心力。

（5）钻杆测试时，钻杆将受到很大的外挤压力。

（6）钻进时会引起钻柱的纵向振动。

（7）在某一临界转速下钻头将出现横向摆振。

24．何谓钻柱的中性点？为什么要保证中性点落在钻铤上?

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。在管柱的设计中，我们希望中性点始终落在刚度大，抗弯能力强的钻挺上，使钻杆一直处于受拉伸的直线稳定状态。

25．钻柱的哪些部位受力最严重？都受到什么载荷的作用?

答：

钻柱在两端口处受力最严重，在上端口受到在大拉力，在井底处受到最大压力。

26．钻柱设计应满足哪些要求?

答：

满足强度要求，保证钻柱安全工作；尽量减轻整个钻柱的重力，以便在现有的抗负荷能力下钻更深的井。

27．在条件允许的情况下，为什么要尽可能选用在尺寸钻柱?

答：

方钻杆由于受到扭矩和拉力最大，在供应可能的情况下，应尽量选用大尺寸钻杆，因为大尺寸钻杆强度大，水眼大，钻井液流动阻力小，钻井液上返速度高，有利于携带岩屑。

28．什么叫复合钻柱，使用复合钻柱有何优点?

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。它既能满足强度要求又能减轻钻柱的重力，允许在一定的钻机负荷下钻的更深。

29．钻杆柱设计主要考虑哪种力的作用？强度条件是什么?

答：

钻杆设计主要是抗拉强度设计，即按抗拉强度进行校核。钻杆强度设计的强度条件是：钻杆柱任意界面上的静拉伸载荷要小于钻杆柱的最大安全静拉力。

30．什么叫最大安全静拉载荷？如何确定钻柱的最大安全静拉载荷?

答：

指允许钻杆所承受的由钻柱重力（浮重）引起的最大载荷。目前有三种确定钻杆的最大安全静拉力的方法：

（1）安全系数法：考虑起下钻的动载和摩擦力，一般取一个安全系数保证钻柱的安全，一般取1.3。

（2）设计系数法：（考虑卡瓦挤压）

（3）最大余量法：考虑钻柱被卡时的上提解卡力。并以它为最大允许静拉力和最大安全拉伸力的余量。

31．转盘钻井时，钻柱受那些不变应力和交变应力的作用？分析指出钻柱受力的严重部位。

答：

转盘钻井时，属于不变应力的有拉应力、压应力和剪应力；而属于交变应力的有弯曲应力，扭转振动所引起的剪应力以及纵向振动作用所产生的拉应力和压应力。在整个钻柱长度内，载荷作用的特点是在井口处主要是不变载荷的影响，而靠近井底处主要是交变负荷的影响。这种交变载荷的作用正是钻柱疲劳破坏的原因。

（1）钻进时钻柱的下部受力最为严重。因为钻柱同时受到轴向压力、扭矩和弯曲应力矩的作用，更为严重的是自转存在着剧烈的交变应力循环，以及钻头突然遇阻卡，会使钻柱受到的扭矩大大增加。

（2）钻进时和起下钻时井口处受力复杂。起下钻时井口处受到最大拉力，如果下钻时猛提、猛杀，会使井口处钻柱受到的轴向力大大增加，钻进时所受拉力和扭矩最大，受力情况也比较严重。

（3）由于地层岩性变化、钻头的冲击和纵向振动等因素的存在，使得钻压不均匀，因而使中和点位置上下移动，这样，在中和点附近的钻柱就受到交变载荷的作用。

32．分析单一尺寸（沿钻柱轴线截面积相同）钻柱分别在下列四种条件下轴向受拉、压载荷的情况(用图示之)，并标出轴向应力为零的点和中和点。

条件一：井内无流体(钻柱下端面不与井底接触)；

条件二：井内有流体(钻柱下端面不与井底接触)；

条件三：井内无流体钻柱下放（钻进）的情况；

条件四：井内有流体钻柱下放（钻进）的情况。

答：

拉压

N

拉

压

0拉

压

N

拉

压

N

N

Z N

Z

(a) (b) (c) (d)

(a) 井内无流体(钻柱下端面不与井底接触)；(b) 井内有流体(钻柱下端面不与井底接触)；

(c) 井内无流体钻柱下放（钻进）的情况； (d) 井内有流体钻柱下放（钻进）的情况；

N----中和点； Z----轴向应力零点。

五、计算题

33．

某井用91／2in 钻头，7in 钻铤（qc=1632N/m ）和5in 钻杆（qc=284.78N/m ），设计钻压为180kN,钻井液密度为1.28g/cm3,计算所需钻铤长度。

答： 先根据s d B K P P -=/1=1-1.28/7.8=0.8359,由c B N q K W L /=计算中性点得LN=180000/（0.8359*1632）=131.45米，按每根钻挺10米计算，则至少需要140 米钻挺。

αCOS K q W S L B c N C /)(max =, s d B K P P -=/1 , c B N q K W L /=

34． 已知井深Dv=1500m,钻压W ＝14t,钻井液密度为1.38g/cm3,钻具结构为：81／2in

钻头＋61／2in 钻铤200m （qc=136.24kg/m ）+5in 钻杆1300m （qc=29.04kg/m ）。求中性点所在井深。

答：

由钻柱任意截面上的轴向拉力W Lc q L q K F c p p B W -+=)(得出钻柱和钻挺结合处的拉力FW=(1-1.38/7.8)*(0+0.13624*200)-14=8.428(吨)，所以由线性关系易知（0，-14），（LN,0）,(200,8.428)可假设在钻挺的轴线上。得LN=124.85米。1500-124.85=1375.16米，所以中性点在井深1375.16米处。

35． 试计算由41／2in 内外加厚，壁厚为10.92mm 的E 级钻杆各51／2in 内外加厚，

壁厚为10.54mm 的E 级钻杆组成的复合钻柱在密度为1.2 g/cm3的钻井液中的可下深度。若将51／2in 钻杆换成41／2in 内外加厚，壁厚为10.92mm 的95（X ）级钻杆，可下深度又是多少？

答：

36． 某井用121／4in 钻头钻至3500m,试根据以下条件进行钻柱设计：钻井液密度：ρ

d=1.25g/cm3;钻压：W ＝200kN;拉力余量：MOP ＝450kN;安全系数：St=1.30;卡瓦长度：Ls=406.4mm,正常润滑；井斜角：α＝6°；库存钻具：钻铤：9in 钻铤（qc=2860N/m ）27m,7in 钻铤（qc=1632N/m ）81m,61／2in 钻铤（qc=1362.4N/m ）供应充足。钻杆：E 级5in 钻杆（qc=284.78N/m ）900m,95（X ）及105（G ）级5in 钻杆（qc=284.78N/m ）供应充足。

答：

37．

简要分析三牙轮钻头的破岩机理以及用每米钻井成本评选三牙轮钻头的思路，并给出每米钻井成本的计算式。

答：

三牙轮钻头是通过两个方面的作用来破碎岩石：

（1）冲击、压碎作用：钻进时钻头承受的钻压经牙齿作用在岩石上压碎岩石。除此静载以外还有一冲击载荷，牙轮在滚动过程中，以单齿和双齿交替与井底相接触引起钻头的纵向振动，使钻头齿对岩石产生冲击作用。

（2）剪切作用：剪切作用主要是通过牙轮在井底滚动的同时还产生牙轮齿对井底的滑动来实现，当牙轮锥顶不与钻头轴线重合时就有滑动产生，引起钻头滑动的主要因数有三个，即超顶、复锥和移轴。

评价钻头的选择是否合适决不能单纯地根据进尺最多或机械钻速最高来衡量，因为所钻地层的深浅、钻头成本的多少以及设备使用费等都是影响钻头效率的因素。因此可以用“每米成本”来衡量。即：

C t =(C b +C r (T+T r ))/H

式中 C t ——成本，元/米；

C b ——钻头成本，元；

C r ——设备使用成本，元/小时；

T ——钻头钻进时间，小时；

T r ——起下钻时间，小时；

H ——钻头的进尺，米。

38．

已知某钻头单价为6000元，用该钻头钻进500m 进尺，纯钻进时间为23h ，起下钻时间为18.5h ，如果设备使用费按4000元/h ，试求每米钻井成本。

解：

钻井每米成本是钻头选型与合理使用的标准，它的计算公式如下： m H T T C C C r r b t /)(元++=

其中 C b 一一钻头成本，元； C r ——设备使用成本，元／h ；

T r ——起下钻时间（包括起钻前循环钻井液时间与钻头在井底跑和的时间）h ； T 一一纯钻进时间，h ；

H ——钻头的进尺，m 。

代入已知参数，得：

m C t /344500

5.182340006000元）（=+?+=

39． 已知井深为1000m ，钻铤外径为177.8mm ，钻铤长度为100m ，钻压为P =117.72kN ，钻井液密度为1.2 3cm /g ，钻铤单位重量为

C q =1601 N/m ， 请计算中和点位置。 解：

中和点位置可由下列公式计算：

b b

n K q P L C =

n L ----中和点距井底的高度，m ；

b P ----钻压，N ；

C q ----钻铤在空气中的每米重量， N/m b

K ----浮力系数。 浮力系数为847.085.7/2.11=-=b K

81.86847.01601117720=?==

b b n K q P L C 米