钻压与扭矩联合作用下的钻柱稳定性
钻头及钻柱试题
钻头试题一、填空题1、____________指一只钻头的进尺与工作寿命之比。
２、刮刀钻头刀翼构造角中，__________是刀翼前刃与水平面之间的夹角，这个角越大，吃入深度__________。
３、刮刀钻头主要以__________、__________和挤压方式破碎地层。
４、国产牙轮钻头分为铣齿牙轮钻头和镶齿钻头两大类，共_______个系列。
５、单锥牙轮由主锥和__________组成。
６、国产铣齿滚动密封轴承保径喷射式三牙轮钻头简称密封喷射式保径钻头，代号是__________。
7、钻进时，钻头除存在静载荷外，对地层有一种冲击载荷，这是由于钻头的__________产生的。
8、牙轮钻头产生滑动的原因是由牙轮钻头的__________、__________和__________三种构造特点引起的。
9、牙轮钻头超顶和复锥构造可在__________引起滑动，移轴那么在__________产生滑动。
10、天然金刚石钻头和TSP钻头水力构造中，__________水槽效果最好。
11、PDC钻头工作面一般包括锥、顶部、侧面、__________及__________五个根本要素。
12、对于造斜用PDC钻头，应_________钻头保径长度。
13、采用组合式切削齿布置的PDC钻头多用于__________地层。
14、天然金刚石钻头在塑性地层中，切削过程相当于“犁地〞，称作__________。
15、钻头优选中，深井段起下钻时间长，地层硬，应选用有较高__________的钻头。
16、PDC钻头钻进地层必须是__________地层，含__________的地层不能使用。
答案：１、钻头平均机械钻速２、切削角、越深３、切削、剪切４、８５、背锥６、ＭＰＢ7、纵向振动8、超顶、复锥、移轴9、切线方向、轴向10、辐射逼压式11、肩部、保径12、缩短13、中等硬度14、梨削15、总进尺16、均质、砾石二、判断题〔×〕1．刮刀钻头在较软的塑脆性地层中钻进破碎时，呈塑性破碎的特点。
钻柱失效分析及与预防措施
04
钻柱失效预防技术发展
新材料应用
总结词
新材料的应用为钻柱失效的预防提供了新的解决方案，能够有效提高钻柱的强度、耐腐 蚀性和耐磨性。
详细描述
随着科技的不断发展，新型材料如高强度合金钢、钛合金、陶瓷等逐渐应用于钻柱的制 造中。这些新材料具有更高的强度、耐腐蚀性和耐磨性，能够显著提高钻柱的使用寿命，
详细描述
通过改进钻柱的结构设计，提高其承载能力和耐久性，可以降低失效风险。例 如，优化钻柱的壁厚、直径和材料选择，以及采用更先进的连接方式等。
制造质量控制
总结词
严格控制制造质量是防止钻柱失效的关键环节。
详细描述
确保钻柱在制造过程中符合相关标准和规范，对每个生产环节进行质量检查和控制，以消除潜在的缺陷和隐患。 同时，可以采用无损检测技术对钻柱进行全面检测，确保其质量和可靠性。
磨损
钻柱与井壁、钻头等之间的摩擦会 导致钻柱磨损，影响其使用寿命。
失效原因
01
02
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设计不合理
钻柱结构设计不合理，如 壁厚不均、连接方式不当 等，可能导致钻柱失效。
制造缺陷
钻柱制造过程中可能存在 的材料缺陷、加工误差等， 也是导致钻柱失效的重要 原因。
操作不当
钻井过程中操作不当，如 过载、转速过高、钻压过 大等，可能加速钻柱的磨 损和疲劳。
使用维护保养
总结词
合理使用和维护保养可以有效延长钻柱的使用寿命。
详细描述
在使用过程中，应遵循操作规程，避免超载和过载情况的发生。同时，定期对钻柱进行检查和维护， 及时发现并处理潜在问题，以保持其良好的工作状态。此外，对于使用环境恶劣的钻柱，应采取相应 的保护措施，以减缓其老化过程。
03
钻柱失效案例分析
PDC钻头稳定性分析
PDC钻头稳定性分析摘要本文对影响PDC钻头稳定性的回旋振动与扭转振动进行了分析。
关键词PDC钻头;稳定性;振动自二十世纪七十年代初PDC钻头问世以来,PDC钻头在世界范围内得到了普遍应用。
在均质的较软地层中PDC钻头具有破岩效率高、钻速快、进尺多、寿命长等优点。
从八十年代中期开始,国内许多科研院校、石油企业厂矿、石油工具厂先后投入了大量的人力物力从事PDC钻头的研究与开发,并有多种PDC钻头在国内得到推广应用。
在研究开发与使用过程中,人们发现许多PDC钻头的损坏是由于其不能在井下稳定地工作而造成的。
为提高PDC钻头的工作性能,使其获得更广泛的适用范围,胜利石油管理局钻井工艺研究院对“PDC钻头的稳定性技术”进行了较多研究,在对影响PDC钻头稳定性的因素进行大量调研及分析。
现场应用中,有许多PDC钻头的钻进性能不理想,进尺少、钻速慢、寿命短,分析其原因主要是由于在钻进过程中PDC钻头发生了某种振动而使PDC钻头不能够稳定工作所致。
振动形式主要有三类:回旋振动、扭转振动及轴向振动,本文仅对前两类进行研究。
1回旋振动1.1回旋现象钻头回旋是一种横向运动,在井眼直径稍大于钻头直径的情况下由作用在钻头上的侧向力(不平衡力)引起的。
侧向力迫使钻头偏离原来井眼中心作横向移动,将钻头推向井壁,从而使钻头瞬时旋转中心不再是钻头几何中心。
此时,钻头瞬时旋转中心可能位于钻头几何中心与原井眼中心之间称正向回旋;可能位于钻头几何中心与井壁之间称反向回旋。
事实上多数情况下钻头回旋属于瞬时旋转中心位于钻头保径部位的反向回旋。
而此种回旋恰恰是引起钻头振动程度最为严重的情况。
在这种情况下,钻头与井壁间的作用就类似于一组内行星齿轮机构,钻头的瞬时旋转中心是位于钻头与井壁的接触部位。
此时钻头既有自转又有与自转相反的公转。
1.2回旋振动的危害正向回旋,由于钻头瞬时旋转中心离原井眼中心较近,多数PDC切削齿的运动状态与受力状态属于正常,因而危害不大。
211261567_钻具失效影响因素分析及规范管理对策＊
Science and Technology &Innovation ┃科技与创新2023年第10期·139·文章编号：2095-6835（2023）10-0139-03钻具失效影响因素分析及规范管理对策＊谭雷川（中国石油集团川庆钻探工程有限公司川西钻探公司，四川成都610051）摘要：在川渝地区超深井钻井过程中，由于井眼轨迹复杂、钻压大、转速高、环境苛刻，钻具失效事故频繁发生。
当钻具在井下发生失效问题后，轻则需要起钻更换钻具，重则导致钻具断裂落井需要进行打捞，严重制约了钻井工程的生产时效。
因此，对钻具失效情况进行系统分析，找出川渝地区超深井钻具失效原因，给出钻具失效预防措施，对降低川渝地区超深井钻具失效、全面提升钻井工程的安全性和可靠性有着十分重要的价值。
关键词：超深井；钻具失效；刺漏；失效分析中图分类号：TE921文献标志码：ADOI ：10.15913/ki.kjycx.2023.10.041随着川渝地区天然气勘探开发的不断深入，为了充分探明灯影组等深部气藏情况，川渝地区钻井规模日益增大，超深井数量逐年增多[1-3]。
在钻井过程中由于井眼轨迹复杂、钻压大、转速高、环境苛刻，钻具失效事故频繁发生，严重制约了钻井工程的安全性和可靠性，造成了严重的生产时效滞后和巨大的经济损失[4]。
因此，对川渝地区超深井钻具失效情况进行分析研究，充分了解钻具失效的机理和原因，制定相应的防范措施，对提高钻具使用寿命，预防井下复杂的发生，降低钻井工程风险有着十分重要的价值[5]。
1国内外研究进展19世纪60年代开始，国外初步开展了金属材料失效方面的探索，吸引了众多的研究者[1-3]。
进入20世纪，EWING 和BASQUIN 基于金属材料失效的理论认识，建立了金属失效与疲劳系数的关系模型，该模型后来在钻具力学失效分析中得到了广泛的运用。
紧接着，开展了钻井液腐蚀、金属疲劳等对井下钻具材质的影响分析，认为提高井下钻具钢级、降低钻井液中腐蚀材料的含量可以有效地降低钻具失效的概率。
钻柱工作状态及受力分析
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。
钻柱(Drill String)
（6）扭转振动（Torsiona1 vibration） 当井底对钻头旋转的阻力不断变化时，会引 起钻柱的扭转振动，因而产生交变剪应力。扭转振动和钻头结构、所钻岩石性质是否均匀 一致、钻压及转速等等许多因素有关。特别是使用刮刀钻头钻软硬交错地层时，钻柱的扭 转振动最为严重。 （7）动载（Dynamic 1oads） 起下钻作业中，由于钻柱运动速度的变化会引起纵 向动载，因而在钻柱中产生间歇的纵向应力变化。这主要和操作状况有关。 综上所述，转盘钻井时，钻柱的受力是比较复杂的。但所有这些载荷就性质来讲可分 为不变的和交变的两大类。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主要原因。 从上述分析也不难看出，钻柱受力严重部位是： （1）钻进时钻柱的下部受力最为严重。固为钻柱同时受到轴向压力、扭矩和弯曲力矩 的作用，更为严重的是自转时存在着剧烈的交变应力循环，以及钻头突然遇阻遇卡，会使 钻柱受到的扭矩大大增加。 （2）钻进时和起下钻时，井口处钻柱受力复杂。起下钻时井口处钻柱受到最大拉力， 如果起下钻时猛提、猛刹，会使井口处钻柱受到的轴向拉力大大增加。钻进时，井口处钻 柱所受拉力和扭力都最大，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作用。 总的来说，为了完成正常钻进、起下钻及其他工艺操作，根据上述的受力状况，钻柱 所有部分都必须有足够强度，以承受各种可能的载荷，同时，要保证建立所需的钻压，钻 柱的循环阻力要小，密封性要好，并且钻柱的重量应尽可能轻，以实现经济的合理性。
钻柱受力分析及强度校核
1
钻柱的工作状态
一、起下钻
整个钻柱被悬挂起来，在自重力的作 用下，处于拉伸的直线稳定状态
二、正常钻进
在部分自重压力、公转离心力和旋转 扭矩等因素的作用下，钻柱处于弯曲状态。
2
钻柱的受力分析
钻柱承受的基本载荷主要有以下几种：
（1）轴向力和压力： 钻柱在垂直井眼中处于悬挂状态，由于其自身的重量 ，钻柱受到拉伸，最下端的拉力最小（等于 0），最上端 的拉力最大。当井眼内充满钻井液时，钻柱还受到钻井液 对其产生的浮力，而作用在钻柱内外表面的侧向静液压力 ，虽然合力为零，但对钻柱管体形成侧向挤压作用，两种 力综合作用相当于使钻柱的线重减轻。 正常钻进时，部分钻柱的重力加到钻头上作为钻压。 钻压使钻柱的轴向拉力都减小一个相应数值，且下部钻柱 受压缩应力的作用。鲁宾斯基在此提出了中性点的概念
y d p Ks d p Ks 1 t 2 LS 2 LS
2
1 2
12
钻柱的强度校核
三是拉力余量法。考虑钻柱被卡时的上提解卡力，以钻柱 的最大允许静拉力小于最大安全拉伸力的一个合适余量来确保 钻柱不被拉断。
Fa FP MOP
4
钻柱的受力分析
1、钻柱的轴向应力计算 （1） 钻柱在空气中悬空时（图a） 分析：受重力、拉力 任一截面的拉力： ……………………（1） 式中： Fo——空气中任一截面上的拉力，kN； qp、qc——分别为钻杆、钻铤单位长度的重力，kN； Lc、——钻铤长度，m； Lp——截面以下钻杆长度，m；
5
9
钻柱的受力分析
6、纵向振动 n 在中性点处会产生交变的轴向应力； n 当纵向振动的周期和钻柱本身固有的振动周期相同（或成整 数倍时），就会产生共振，称之为“跳钻”。后果是严重的。 7、扭转振动
石油工程概论复习重点--钻井部分
石油工程概论复习重点—钻井部分题型：名词解释(20分)；判断题(20分) ；简答题(60分)绪论1、 石油的定义：一种以液态形式存在于地下岩石孔隙中的可燃性有机矿产，是以碳-氢化合物为主体的复杂混合物。
没有确定的化学成分和物理常数。
又称原油。
2、 天然气的定义：与石油有相似产状的、通常以烃类为主的气体，指油田气、气田气、凝析气和煤层气。
甲烷成分CH4>80%3、 石油工程的定义：石油工程是根据油气和储层特性建立适宜的流动通道并优选举升方法，经济有效地将深埋于地下油气从油气藏中开采到地面所实施的一系列工程和工艺技术的总称。
包括油藏、钻井、采油和石油地面工程等4、 石油工程的任务：勘探发现具有工业油气流的含油气构造；制定合理的开发方案；进行合理的钻井设计和科学的钻井施工；制定采油工程方案，确定采油工艺技术；开发的动态监测与开发调整；采取有效措施，提高原油采收率5、 石油工程的目标：经济有效地提高油田产量和原油采收率第一章 岩石的工程力学性质1、 岩石的类型：根据成因分为三类：岩浆岩、沉积岩、变质岩。
钻井中常遇到的是沉积岩2、 岩石各向异性的概念：如果物体的某一性质随方向的不同而不同,则称物体具有各向异性岩石一般具有各向异性的性质。
如在垂直于或平行于层理面的方向上，岩石的力学性质（弹性、强度等）有较大的差异。
岩石的各向异性性质是由岩石的构造特点所决定的。
结晶矿物的定向排列、层理、片理、节理等使得岩石具有各向异性的特点。
3、 不均质性: 如果物体中不同部分的物理、化学性质不同，称该物体是不均质的。
4、 强度：岩石在外力作用下发生破坏时所承受的最大应力5、 抗压强度—岩石单纯受压缩应力破坏时的强度6、 岩石的硬度是岩石抵抗其它物体表面压入或侵入的能力7、 硬度与抗压强度区别：前者只是固体表面的局部对另一物体压入或侵入时的阻力，而后者则是固体抵抗固体整体破坏时的阻力。
％地质储量采出的油气总量油气采收率＝100前者反映岩石颗粒的硬度，其对钻进过程中工具的磨损起重大影响；后者反映岩石的组合硬度，其对钻进时岩石破碎速度起重大影响8、 塑性系数：岩石破碎前耗费的总功AF 与岩石破碎前弹性变形功AE 的比值9、 应力应变曲线：主要掌握塑脆性10、 影响岩石力学性质的因素：岩石结构；井底各种压力；载荷性质的影响11、 岩石可钻性：指岩石破碎的难易程度，可以理解为在一定的钻头规格、类型及钻井工艺条件下岩石抵抗钻头破碎的能力。
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钻压与扭矩联合作用下的钻柱稳定性
在旋转垂直钻进中，钻柱下部同时承受着轴向压力和扭矩。
钻压超过临界值将产生纵向弯曲，即丧失稳定性。
通过理论分析和实验证实，扭矩也能使钻杆丧失扭曲稳定性。
轴向钻压和扭矩同时作用下的钻柱变形是个复杂问题。
它既不是轴向压力下作用下的纵向弯曲，也不是扭矩作用下的柱面母线的扭转。
在铰支条件下，单支钻杆的钻压和扭矩有下列关系：
M k 2EI 2
+P C
EI
=π
L
2
由上式可知，钻柱传递的扭矩M k将使钻柱弯曲的临界钻压P C 减小。
当M k=0时，就变成著名的欧拉公式：
P C=π2
L
EI
钻柱L越长，轴向钻压就越小。
(2)使用大钻杆的直径，钻杆直径愈大，其受压的稳定性越好，根据以往的经验，5in钻杆最大能承受的推力为40t左右，如果成孔比较好的话，穿越1000m不成问题，根据压杆稳定计算公式：p IJ=n2π2EI／L2推力与杆件的截面的惯性距成正比，壁厚相同的钻杆6，625in钻杆的所能承受的推力为5in钻杆的2．5倍，其中扣除因为采用大钻杆，钻柱自身重量增大，摩擦阻力也随之增大的因素影响，使用6．625in钻杆，其可钻距离是原来的两倍有余，这样就可以有效完成西气东输大江河穿越的导向孔的施工。
(4)在长距离导向孔的钻进过程中，使用泥浆61/2in泥浆马达和12in的铣齿岩石大钻头。
使用泥浆马达可以有效地减小钻头前进所需的推力，大钻头可以造成更大的孔壁与钻杆之间的环形空间，可以有效地减少孔壁收缩卡住钻杆的可能性，岩石钻头耐磨，可以防止长距离穿越造成钻头磨坏，致使导向孔无法完成。
(7)钻导向孔的钻具组合为：12in铣齿钻头+61/2in泥浆马达+7in无磁钻铤+5in钻杆+6．625in 钻杆。
控向工具安置在7in无磁钻铤中。
12in钻头可以钻出更大的孔，钻杆于孔壁之间环形空间也更大，有利于钻杆在其间穿行，泥浆流动也更平稳，减少泥浆对孔壁的冲刷，对孔壁的稳定特别有利。