石油鉆井設(shè)備與工具-王鎮(zhèn)全第一節(jié)鉆柱

第四章鉆具系統(tǒng)第一頁，共三十六頁。前言

鉆具系統(tǒng)是鉆頭以上、水龍頭以下部分一系列鉆井工具組合的總稱。包括：鉆柱、井下動力鉆具以及其它一些輔助鉆井工具。典型的鉆具組合如下:第二頁，共三十六頁。(Φ215.9mmPDC鉆頭)＋（0.75o）172mm螺桿＋Φ158.8mm(無磁鉆鋌)NDC×1根＋Φ215mm穩(wěn)定器＋Φ158.8mm(鉆鋌)DC×11根＋Φ127mm(加重鉆桿)HWDP×20根＋Φ127mm(鉆桿)DP+方鉆桿第三頁，共三十六頁。鉆柱是鉆井的重要工具，它是連通地下與地面的樞紐。在轉(zhuǎn)盤鉆井時，靠它來傳遞破碎巖石所需要的能量，給井底施加鉆壓，以及循環(huán)鉆井液等。在井下動力鉆井時，井下動力鉆具是用鉆柱送到井底并靠它來承受反扭矩，同時鉆頭和動力鉆具所需的液體能量也是通過鉆柱輸送到井底的。

第四頁，共三十六頁。井下動力鉆具為井底發(fā)動機(jī)，可在井底驅(qū)動鉆頭旋轉(zhuǎn),是井身軌跡的定向控制的必備工具，同時可與轉(zhuǎn)盤復(fù)合，實現(xiàn)復(fù)合鉆井，不僅可以實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)或滑動鉆井，還可提高鉆頭轉(zhuǎn)速，提高鉆井速度。第五頁，共三十六頁。隨著鉆井深度的增加，幾千米甚至上萬米的鉆柱，在井下的工作條件十分惡劣，它往往是鉆井設(shè)備與工具中的薄弱環(huán)節(jié)。時常導(dǎo)致井下復(fù)雜情況甚至導(dǎo)致井下事故。為避免或便于處理井下復(fù)雜情況，在鉆具組合中還需要其它一些輔助鉆井工具，以實現(xiàn)快速優(yōu)質(zhì)鉆井及順利完成各種井下作業(yè)。第六頁，共三十六頁。第一節(jié)鉆柱

鉆柱是鉆頭以上，水龍頭以下部分的鋼管柱的總稱。它包括方鉆桿、鉆桿、鉆鋌、各種接頭及穩(wěn)定器等井下工具

第七頁，共三十六頁。一、鉆柱的作用1、鉆柱在鉆井過程中的主要作用(1)為鉆井液由井口流向鉆頭提供通道；(2)給鉆頭施加適當(dāng)?shù)膲毫?鉆壓)；(3)把地面動力(扭矩等)傳遞給鉆頭；(4)起下鉆頭；(5)根據(jù)鉆柱的長度計算井深。第八頁，共三十六頁。2、鉆柱的特殊作用(1)通過鉆柱可以觀察和了解鉆頭的工作情況、井眼狀況及地層情況等;(2)進(jìn)行取心、擠水泥、打撈井下落物、處理井下事故等特殊作業(yè);(3)對地層流體及壓力狀況進(jìn)行測試與評價。第九頁，共三十六頁。二、鉆柱的組成鉆柱由方鉆桿、鉆桿段和下部鉆具組合三大部分組成。鉆桿段包括鉆桿和接頭，下部鉆具組合主要是鉆鋌，也可能安裝穩(wěn)定器、減震器、震擊器、擴(kuò)眼器及其他特殊工具。鉆柱的具體組成隨不同的目的、要求而不同。

第十頁，共三十六頁。第十一頁，共三十六頁。井段鉆具組合直井段Ф165PDC鉆頭+Ф120鉆鋌(14根)+Ф88.9鉆桿造斜段Ф165鉆頭+單彎螺桿+Ф120無磁鉆鋌(1根)+Ф120鉆鋌(13根)+Ф88.9鉆桿增斜段Ф165鉆頭+Ф120短鉆鋌(1根)+Ф161螺旋扶正器(+Ф120無磁鉆鋌(1根)＋Ф120鉆鋌(15根)+Ф88.9鉆桿緩降斜段Ф165鉆頭+Ф120鉆鋌(14根)+Ф88.9鉆桿或者：Ф165鉆頭++Ф161螺旋扶正器＋Ф120鉆鋌(1根)+Ф161螺旋扶正器+Ф120無磁鉆鋌(1根)＋Ф120鉆鋌(15根)+Ф88.9鉆桿第十二頁，共三十六頁。1、鉆桿

鉆桿是鉆柱的基本組成部分。它是用無逢鋼管制成，壁厚一般為9~11mm。其主要作用是傳遞扭矩和輸送鉆井液，并靠鉆桿的逐漸加長使井眼不斷加深。因此，鉆桿在石油鉆井中占有十分重要的地位。第十三頁，共三十六頁。(1)鉆桿結(jié)構(gòu)與規(guī)范鉆桿由鉆桿管體與鉆桿接頭兩部分組成。鉆桿管體與接頭的連接有兩種方式：一種是用細(xì)絲扣連接，即管體兩端都車有細(xì)公扣，與接頭一端的母細(xì)扣相連接，稱這種鉆桿為有細(xì)扣鉆桿；另一種是管體與接頭用摩擦焊對焊在一起，稱這種鉆桿為對焊鉆桿。有細(xì)扣鉆桿目前已基本淘汰，我國現(xiàn)在生產(chǎn)或進(jìn)口的鉆桿全部為對焊鉆桿(無細(xì)扣鉆桿)。為了增強(qiáng)管體與接頭的連接強(qiáng)度，管體兩端加厚。常用的加厚形式有內(nèi)加厚、外加厚、內(nèi)外加厚三種。第十四頁，共三十六頁。第十五頁，共三十六頁。

根據(jù)美國石油學(xué)會（AmericanPetroleumInstitute）（簡稱API）的規(guī)定，鉆桿按長度分為三類：第一類:5.486一6.706m(18一22ft);第二類:8.230-9.144m(27-30ft);第三類:11.582一13.716m(38一45ft)。常用鉆桿的尺寸：88.9，114.3，127mm（31/2″4?″5″）三種。第十六頁，共三十六頁。第十七頁，共三十六頁。(2)鉆桿的鋼級與強(qiáng)度

鉆桿的鋼級是指鉆桿鋼材的等級，它由鉆桿鋼材的屈服強(qiáng)度決定。API將鉆桿鋼材等級分為五級：D、E、95(X)、105(G)、135(S)。鉆桿鋼級越高，管材的屈服強(qiáng)度越大，鉆桿的各種強(qiáng)度也就越大。在鉆柱的強(qiáng)度設(shè)計中，推薦采用提高鋼級的方法來提高鉆柱的強(qiáng)度，而不采用增加璧厚的方法。第十八頁，共三十六頁。第十九頁，共三十六頁。（3）鉆桿接頭及絲扣

鉆桿接頭是鉆桿的組成邪分，分公接頭和母接頭，連接在鉆桿管體的兩瑞。接頭上車有絲扣（粗扣），用以連接各單根鉆桿。在鉆井過程中，接頭處要經(jīng)常拆卸，按頭表面受到相當(dāng)大的大鉗咬合力的作用，所以鉆桿接頭壁后較大，接頭外徑大于管體外徑，并采用強(qiáng)度更高的合金鋼。第二十頁，共三十六頁。絲扣的連接必須滿足的三個條件：

①尺寸相等；

②絲扣類型相同；

③公母扣相匹配。為便于接頭選用，API制訂了接頭類型的標(biāo)準(zhǔn)（石油工業(yè)普遍采用）：第二十一頁，共三十六頁。

APl鉆桿接頭有新、舊兩種標(biāo)準(zhǔn)，舊標(biāo)準(zhǔn)是針對早期的有細(xì)扣鉆桿接頭，分為三種形式：①內(nèi)平式(IF)；②貫眼式(FH)；③正規(guī)式(REG）。內(nèi)平式接頭適用于外加厚鉆桿，貫眼式接頭適用于內(nèi)加厚鉆桿，正規(guī)式接頭適用于內(nèi)加厚鉆桿。三種形式接頭螺紋形狀皆為“V”型，但扣型、扣距、錐度不同。第二十二頁，共三十六頁。第二十三頁，共三十六頁。第二十四頁，共三十六頁。NC型接頭標(biāo)準(zhǔn)(新標(biāo)準(zhǔn)）：

隨著對焊鉆桿代替有細(xì)扣鉆桿，API制訂了新的鉆桿接頭NC型接頭標(biāo)準(zhǔn)，也稱數(shù)字型接頭。NC型接頭以字母NC和兩位數(shù)字表示，如NC50，NC26，NC31。NC—美國標(biāo)準(zhǔn)粗牙螺紋；兩位數(shù)字—絲扣基面節(jié)圓直徑大?。ㄓ⒅茊挝唬?0例如：NC26表示接頭為NC型，基面絲扣節(jié)圓直徑為2.668in。新舊標(biāo)準(zhǔn)的對應(yīng)關(guān)系見下表：第二十五頁，共三十六頁。第二十六頁，共三十六頁。2、鉆鋌鉆鋌處在鉆柱的最下部，是下部鉆具組合的主要組成部分。特點：壁厚大（一般為38-53mm，為鉆桿的4-6倍），具有較大的重力和剛度。鉆鋌兩端管體上直接車接頭，不另加接頭。作用：①給鉆頭施加鉆壓；②保證壓縮條件下的必要強(qiáng)度；③減輕鉆頭的振動、擺動和跳動，使鉆頭工作平穩(wěn)；④控制井斜。第二十七頁，共三十六頁。鉆鋌形狀及特點：

鉆鋌形狀有多種，如圓形、方形、三角形和螺旋形。常用的有圓形和螺旋形兩種。螺旋形鉆鋌上有淺而寬的螺旋槽，可減少與井壁的接觸面積，減少發(fā)生壓差卡鉆的可能性。API鉆鋌標(biāo)準(zhǔn)：

API鉆鋌規(guī)范見表，鉆鋌類型代號由兩部分組成，第一部分為NC型螺紋代號，第二部分?jǐn)?shù)字為鉆鋌外徑大小（英制單位）×10，中間用短線分開。第二十八頁，共三十六頁。第二十九頁，共三十六頁。3、方鉆桿

方鉆桿位于鉆柱的最上端，有四方和六方兩種。鉆進(jìn)時，方鉆桿與補(bǔ)心、轉(zhuǎn)盤補(bǔ)心配合，將地面旋轉(zhuǎn)扭炬?zhèn)鬟f給鉆桿，以帶動鉆頭旋轉(zhuǎn)。工作時，方鉆桿上端始終處于轉(zhuǎn)盤面以上，下部則處于轉(zhuǎn)盤面以下。第三十頁，共三十六頁。第三十一頁，共三十六頁。4、穩(wěn)定器

穩(wěn)定器又稱扶正器，是滿眼、鐘擺和造斜鉆具組合的比備工具，在鉆具組合中通過調(diào)整穩(wěn)定器的位置、數(shù)量和直徑達(dá)到不同使用要求。作用：防止井斜；控制井眼軌跡；提高鉆頭穩(wěn)定性。第三十二頁，共三十六頁。第三十三頁，共三十六頁。5、其它鉆具除上述鉆具外，根據(jù)需要在鉆柱中還會有其它鉆具，常見的鉆具有：

①減振器

作用：減震器是利用工具內(nèi)部的減震元件或可壓縮液體吸收或減小鉆井過程中對鉆頭和鉆具的沖擊和振動負(fù)荷。一般安裝在靠近鉆頭的部位。原理：液壓減震器的作用是通過具有可壓縮的硅油實現(xiàn)的。鉆井作業(yè)中鉆頭和鉆具受到?jīng)_擊和震動時，其作用力使工具以極快的速度向上運(yùn)動，此時油腔內(nèi)的液壓油受到壓縮，一部分將以極高的流速經(jīng)阻尼孔流入缸套腔內(nèi)，從而起到吸能及緩沖的作用。鉆頭頭的沖擊和震動負(fù)荷減小或消失時液體膨脹，下接頭以下鉆具在自身重力的作用下向下運(yùn)動。第三十四頁，共三十六頁。②震擊器

作用：在鉆井作業(yè)中，下落的鉆屑、地層的膨脹縮徑、井下落物、壓差或其他原因都可能引起鉆柱被卡，為卡鉆時解卡，常在鉆柱中安放震擊器。種類：震擊器的結(jié)構(gòu)類型很多，既有液力向上震擊和機(jī)械向下震擊特性的，又有機(jī)械鎖緊，以進(jìn)行長期的隨鉆作業(yè)的。原理：震擊器內(nèi)有液力震擊系統(tǒng)，其震擊力通過超拉鉆柱懸重而儲存在鉆柱中，經(jīng)一定時間，超拉達(dá)到一定值時，震擊器釋放能量迅速作用在被卡鉆柱上而發(fā)生震擊。第三十五頁，共三十六頁。內(nèi)容總結(jié)第四章鉆具系統(tǒng)。(1)通過鉆柱可以觀察和了解鉆頭的