2019-Ⅰ、岩心钻探钻具等2-文档资料

Ⅰ、岩心钻探钻具一、岩心钻具的组成二、钻杆柱与钻杆三、钻杆柱在孔内工作状态四、钻具的基本结构五、套管六、钻杆钻具相关标准一、钻杆柱的组成为了获取岩芯，常规的钻具必须以回转运动的方式钻进。一套回转钻进岩芯钻具是由钻头、岩芯管、异径接头、钻杆柱、连接接头和水龙头等组成，如图1.2-1所示。为了提取岩芯或更换钻头，需要把钻具按一定的长度拧卸开，并由孔内提出。在进行升降工序中，须使用各种钳子、提引器及垫叉，如图1.2-1中所示。由于地层不同，可能使用不同的钻头钻进，这样，钻具的结构有一定的区别。钻头：钻头体内有锥面，用以安装岩心提断器或投放卡料，以便卡断岩芯。岩芯管：在钻进时容纳岩芯，同时也承受和传递钻压和扭力，带动钻头工作；岩芯管的长度限制了回次进尺的长度。异径接头：是用来连接岩芯管和钻杆柱的。它有铣刀接头和三径接头两种，铣刀式异径接头用于不需装配取粉管时，其铣刀可用以破碎孔壁掉下来的岩块，以防止卡钻；三径异径接头上有左旋螺纹，用以连接取粉管。二、钻杆柱与钻杆（重点讲钻杆变化）1、钻杆柱的作用与结构在钻探工作中，钻杆柱从地表把钻机的动作和动力传递给井底的钻头，钻头在井底破碎岩石、连续给进以及其他一切工作全取决于钻杆柱的工作性能。钻杆柱在传动工作系统中是一个特殊的，细长比特大的、在井筒特定条件下工作的传动杆件。同时它又是洗井液冲洗井底和冷却钻头必需的液流通道。杆内承受着高压、杆外承受着磨损。虽然钻杆柱在结构上较为简单，实际上它承受着复杂的外力，且处于失稳状态，工作负担是十分沉重的。所以钻杆柱是钻探工作的一个关键组件和重要环节。实践表明，钻探的工作效率和安全生产都取决于钻杆柱的可靠性。在某些特殊钻进方法中，钻杆柱还作为输送岩芯或岩芯提取器的通道，或作为更换井底钻头的通道。因此，还要求钻杆柱必须具有光滑而平整的内孔。在许多情况下，钻杆柱还起着辅助作用：投送卡取岩芯的卡料．输送测斜仪器以及输送堵漏材料等。钻杆柱的连接与立根：图2钻探用钻杆连接方式(a)－平接头连接的钻杆；(b)－锁接头连接的钻杆；(c)－焊接锁接头连接的钻杆1－钻杆；2－平接头或接箍；3－锁接头的锥体；4－锁接头的接手长期以来，钻杆柱都是采用螺纹连接的方式。螺纹连接必须用公母螺扣对接，因而大大削弱了管壁，螺纹部分成为钻杆柱中最薄弱的部位。虽然采取了加厚螺纹部位管壁等办法，还是常在螺纹根部发生断钻杆的事故。采用绳索取芯钻进方法后，提钻与下钻的次数大大减少，不仅降低了钻杆柱的磨损，更重要的是减少连接螺纹的磨损，减少了断钻杆的事故发生。钻杆材质——传统、新型。结构——加厚螺纹形式——扣高、螺距、齿形、头数。加工质量——热处理、高精度、形位公差。合理使用——拧卸、润滑。1、钻杆体采取两头镦粗的型式，增加了螺纹的截面尺寸，抗拉、抗扭强度得到大幅提高。2、螺纹扣高有的设计为1mm或1.25mm，从根本上消除了钻杆体深孔钻进脱扣问题。螺纹扣高一方面消除了脱扣的发生，另一方面有效延长了钻杆的使用寿命。3、对钻杆接头螺纹进行参数优化，钻杆及接头螺纹均采用精密数控车床加工（高性能刀具），严格控制加工质量。螺纹：最关键的参数拉、压、扭、弯、磨损、腐蚀-------------最薄弱环节便于拧卸-------频繁密封-----------冲洗液精度--------同轴度，形位公差老标准钻杆强度分析对比某厂加强钻杆技术参数无锡钻探工具厂绳索钻杆钻进深度S75：2009年新疆有色地勘局哈密黄山铜矿1550米（S75A）福建煤田121队曲靖煤田1560米(S75A)辽宁冶金402队鞍山铁矿2183米(CNH)河北承德四队钒铁矿2019米(CNH)安徽地矿325队涡阳铁矿1980米(CNH)S95：2009年福建煤田121队曲靖煤田1390米（S95A）云南煤田143队云南昭通1280米（S95A）安徽地矿325队涡阳铁矿1480米（CHH）安徽地矿313队霍邱铁矿1250米（CHH）2、钻杆柱材质与要求：常规的钻杆是由不同成分的合金无缝钢管制成。表2钻杆钢管的力学性能钢级屈服点σS，MPa抗拉强度σP，MPa延伸率δS，%不小于DZ4040065014DZ5050070012DZ5555075012DZ6060078012DZ6565080012DZ7575085010为了保证钻杆质量，扎制的钢管必须经正火和回火处理，或经调质处理；镦厚钻杆，车制连接螺纹；钻杆接头；连接螺纹的要求与标准；采用铝合金钻杆；加重钻杆或钻铤。现在许多国家在地质勘探钻进中已经采用铝合金钻杆。使用铝合金钻杆可以减小整个钻杆柱的质量，可以减小回转钻杆柱所消耗的功率，可以减小提升钻杆柱消耗的功率，所以在同样的条件下可以增大钻机的可钻深度，可以提高转速而使机械钻速提高到1.3～1.5倍,同样可以减少升降钻柱的时间。图3俄罗斯用的铝合金钻杆(a)－平接头连接的ЛБTH-54钻杆1－平接头；2－钻杆；3－平接手；(b)－锁接头连接的ЛБTM-54钻杆1－锁接头；2－钻杆；3－锁接箍加重钻杆(或钻铤)在钻进大口径(例如93mm或更大)钻孔时为了增大钻压和改善钻杆柱工作状态而采用。在钻具组合中是在岩芯管与钻杆之间接加重钻杆。加接加重钻杆可以增大钻杆柱下面的重量和刚度，可在钻头上施加大而稳定的钻压。加重钻杆的总重量应大于所需的钻压。带有加重钻杆的钻杆柱工作比较平稳，断钻的可能性减小，钻孔弯曲度也减少，但增大钻杆柱底部的重量在发生孔内事故时处理起来比较困难。三、钻杆柱工作状态（重点讲下页的图）1、工作特点：取芯回转钻进依靠钻杆柱给孔底的钻头传递回转运动和扭矩。同时传送纵向给进和轴向钻压。钻杆柱给孔底工作的钻头传送所需钻压P0主要依赖于钻杆柱自身的重量W，多余的部分由钻机提拉而减压；如果重量不足，则需钻机补充而加压。所以钻机在向孔底随时给进钻具的同时，还须根据钻杆柱重W和钻头所需的钻压P0，随时进行调节和控制。图9钻杆柱在孔内图10钻杆柱图11钻杆柱受力扭转传送状态在孔内的波形弯曲分析图钻杆柱由地表连续不断地给孔底钻头传送工作扭矩M0。由于钻杆柱在孔内作回转运动，与孔壁发生多点接触，从而产生摩擦扭矩M1。由于钻杆柱在孔内工作状态和孔壁的实际状况的差异，回转摩擦阻力差别很大而使摩擦扭矩M1变化很大，往往大于钻头所需的扭矩M0。由于摩擦扭矩M1的变化和工作扭矩M0的变化而使钻杆柱的回转运动不稳定，产生不同程度的扭振，影响钻进工作。如上图所示。2、钻杆柱弯曲：钻杆柱在孔内工作时，以一定的转速作回转运动。由于钻杆柱自身的某些偏心和由自重失稳而产生的某些弯曲，造成钻杆柱有一定的质量偏离回转中心。这些偏心质量在回转运动中则产生离心力，更使钻杆柱弯曲。与此同时，钻杆柱上还有由于自重而产生的纵向压力。在离心力和纵向力的作用下，使整个钻杆柱在孔内呈波形弯曲，其波峰压向孔壁，在回转运动中和向下给进中产生摩擦阻力，影响钻进工作。如图1.2—5所示。萨尔基索夫对钻杆柱在孔内的弯曲状态进行了研究并提出了计算半波长的理论。显然，由于自重而产生的纵向力是随着钻杆柱向下延伸而逐渐增大的，因此，各部位的半波长L是不一样的。在减压钻进中，部分自重由钻机提拉而平衡，所以在钻杆柱某点纵向力为零，称零断面或中和点（如图1.2-5中O～O′表示）。零断面以上的钻杆柱受纵向拉力，零断面以下的钻杆柱受纵向压力。从受力状态可以看出；中和点以上越远半波长越大；中和点以下越远半波长越小，半波长越小表示钻杆柱弯曲越严重。萨尔基索夫研究钻杆柱在孔内弯曲状态的问题时是设定钻杆柱受外力(离心力和纵向力)所作的功等于钻杆柱变形所储存的位能。即：U＝A＋A1(1.2－l)式中U——钻杆柱变形位能；A——离心力所作的功；A1——纵向力所作的功。1、关于钻杆柱变形能U：钻杆柱弯曲变形所储存的位能U可以计算如下：（1.2－2）式中M——断面的弯矩；dφ——边界断面的转角＝dx/ρ；ρ——该处的曲率半径。通过变换得：（1.2－5）2MddU2434EJfUl2、关于离心力所作的功A：离心力对钻杆柱所作的功A可以根据离心力及其变化过程计算。dx长的钻杆质量为：(g—单位长度钻杆的重量)当钻杆柱角速度为ω时，dx单元的离心力为：(1.2—6)dqxmgdxygqmy22由于该离心力在达到平衡之前是随y值的增大而增大的，所以该力所作的功为：(1.2－7)最后得：kg·f·cm(1.2－8)dxygqdA222224qflAg3、纵向力所作的功A1：纵向力所作的功：最后得：(1.2－10)2214PfAl210d2dlPyAPdxx4、萨尔基索夫公式：根据U＝A+A1，则得：即：（1.2－11）最后得计算半波长的公式：（1.2－13）2422223444EJfqflPflgl242240qlPglEJg3221002100.50.25JlZZq萨尔基索夫公式是在完整的钻孔中以理想的钻杆柱在钻孔中以钻孔的轴线为中心而公转为基础的，并呈平面弯曲状态。实际上，由于钻杆柱的纵向不均匀(特别是接头部位)，不同心及存在初始弯曲和钻孔孔径不均匀等原因，钻杆柱在孔内的弯曲状况是较复杂的。但萨尔基索夫公式表示了钻杆柱在孔内弯曲的基本状态。在实际工作中，钻杆柱除承受纵向力和离心力外还承受扭矩。扭矩使钻杆柱成为不等距螺旋状弯曲(孔底螺距最小，往上逐渐增大)，但是，相对而言，在一般情况下，扭矩对钻杆柱弯曲状态的影响不大。影响钻杆柱变形稳定性较大的因素是钻杆柱由于离心力而弯曲的挠度是不断增大的，即离心力越大，挠度越大，挠度越大，离心力也越大。在尚未达到与变形能平衡之前，钻杆碰到孔壁并压向孔壁而产生磨擦阻力，阻止钻杆回转。离心力由于转速减小而大减，弯曲挠度因离心力减小而减小，而脱离孔壁，消除了磨擦阻力。从而转速又复增大。这样形成钻杆柱在孔内回转运动中发生回转的以及纵向的弹性振动，十分影响钻进工作。在应用萨尔基索夫公式计算钻杆柱弯曲的半波长度时，会碰到不等径的钻杆柱问题，例如使用钻铤时，为了安全计，常常把零断面选择在钻铤部位(如图1.2-8所示)。在此零断面以上部分为不等径钻杆柱，如要计算出MN处的半波长。可利用当量钻杆柱长度来求得当量坐标Zeq来计算：（1.2－14）而式中qT——钻铤每米重量；q0——钻杆柱每米的重量。将Zeq值代入萨尔基索夫公式，则可求得不等径钻杆柱MN处的半波长。1eqeqZll02qqllTeq由于钻杆接头而影响钻杆柱不等断面问题，通常可用一修正系数计算：(1.2－15)式中q0——钻杆单位长度的重量；β——钻杆接头的加重系数，β值常取1.3～1.41。用q表示单位钻杆长度的重量，可计算用接头连接的钻杆柱弯曲的半波长度。0qq5、钻杆柱的弯曲应力：钻杆柱在孔内发生弯曲，半波长越小，弯曲越严重，产生的弯曲应力越大。其弯曲应力可利用其弯曲变形来求得。钻杆柱的弯曲曲线方程式为：最后得：kgf/cm2(1.2－18)sinxyfl21000ldfW由公式(1.2－18)可知，钻杆柱的弯曲应力与钻杆直径d和最大挠度f成正比关系，而与半波长度l的平方成反比。所以半波长越小，弯曲应力越严重。由萨尔基索夫公式知，半波长度又与ω(转速)成反比，所以半波长受钻杆柱转速的影响比较大。高转速产生更大的离心力，加强了钻杆柱的弯曲。2.3.3钻杆柱的弯曲状态钻杆柱在孔内可能有两种不同的旋转方式，如图1.2－9所示。①钻杆柱象一根刚性的弯曲杆，围绕O1公转。在这种情况下，钻杆产生一边偏磨。②钻杆象一根柔性轴，虽然弯曲，但围绕自身中心O2自转。此时钻杆表面产生均匀磨损。图1.2-9从理论上讲，如果钻杆柱的刚度各方向是均匀一致的，那么钻杆柱以何种方式旋转就取决于外界阻力的大小。按照常规是以消耗能量最小的方式转动。当钻杆柱公转时，旋转经过的行程大，要消耗较多的能量以克服泥浆阻力和孔壁的磨擦阻力，特别是当钻杆柱弯曲部分靠在孔壁上时，磨擦力更大。而当钻杆柱自转时，旋转经过的行程小，克服泥浆阻力和孔壁的磨擦力所消耗