钻井工程设备

油气井工程设备与工具复习题一、基本概念： 钻井；大斜度井；水平井；超深井；钻进技术参数；钻压；井底钻具组合；旋转钻井；岩石； 岩石的胶结结构；岩石力学性质；门限钻压；岩石的层理构造；岩石的塑性破坏； 岩石压 入硬度、塑性系数；岩石的研磨性；岩石可钻性；机械钻速；平均机械钻速；PDC钻头冠部 高度系数；井下动力钻具；导向螺杆钻具；井斜角、井斜方位角；随钻测量系统MWD）；闭 环钻井；电动机的机械特性；电动机的人为特性；顶驱（TDS）。二、钻头 1按成因岩石分为哪三类？ 2简述沉积岩的结构，说明胶结物的类型与岩石强度的关系。3简述层理构造对岩石破碎的影响规律。 4简述平底压头受垂直载荷作用压入岩石时岩石破碎的发展过程？ 5岩石破碎分为哪三个阶段？为什么钻井过程中钻压要大于门限钻压？ 6石油钻井常用的破碎岩石的基本方式有哪些？7论述钻井参数对机械钻速的影响规律。 8简述牙轮钻头的类型？牙轮钻头按牙齿的固定方式可分为镶齿和铣齿两类； 按轴承类型分为：滚动轴承和滑动轴承两类； 按密封类型分为：橡胶密封和金属密封两类。9牙轮钻头储油润滑密封系统的作用？ 为轴承系统提供润滑油； 防止钻井液进入轴承内腔。10钻头喷嘴（水眼）的作用？ 钻井液流出钻头射向井底的通道； 通过调整喷嘴的数量和尺寸，调节钻头压降，实现喷射钻井； 通过合理调节喷嘴的空间位置，有效清洗牙轮和井底岩粉。 11何谓牙轮钻头牙齿的公转与自转？牙轮钻头依靠牙齿破碎岩石，牙轮钻头工作时，固定在牙轮上的牙齿随钻头一起绕钻头 轴线作顺时针方向的旋转运动，这种运动称作公转。钻头工作时，牙齿绕牙轮轴线作逆时针方向的旋转称为自转。12牙轮钻头牙齿冲击破碎岩石作用是怎样形成的？钻头工作时，牙轮滚动，牙齿与井底的接触是单齿、双齿交错进行的。单齿接触井底 时，牙轮的中心处于最高位置；双齿接触井底时则牙齿的中心下降。牙轮在滚动过程中，牙 轮中心的位置不断上下交换，使钻头沿轴向作上下往复运动，这就是钻头的纵向振动。钻头 的纵向振动使牙齿产生冲击力，以冲击方式破碎岩石。在纵向上还有低频率、振幅较大的振动，这是由于井底不平和有凸台所引起的。钻头在 井底的纵向振动，使钻柱不断压缩与伸张，下部钻柱把这种周期性变化的弹性变形能通过钻 头牙齿转化为对地层的冲击作用力用以破碎岩石，与静载压入力一起形成了钻头对地层岩石 的冲击、压碎作用。13牙轮钻头的剪切破岩作用是怎样形成的？有什么作用？牙轮钻头的剪切作用主要是通过牙轮在井底滚动的同时还产生牙齿对井底的滑动实现 的，产生滑动的原因是由牙轮钻头的超顶、复锥和移轴三种结构特点引起的。超顶和复锥所引起的切线方向滑动除可在切线方向与冲击、压碎作用共同破碎岩石外， 还可以剪切掉同一齿圈相邻牙齿破碎坑之间的岩石；移轴则在轴向产生滑动和切削地层的作 用，它可以剪切掉齿圈之间的岩石14综述牙轮钻头的特点？优点： 冲击和剪切双重作用破岩，既有牙齿的冲击又有滑动引起的剪切，破岩效率高。 适应地层范围广，适合在所有地层中钻进。 钻头自洗效果好，不容易泥包。 钻头成本较低。缺点： 由于轴承的寿命和牙齿耐磨性的限制，钻头寿命相对较低； 由于存在薄弱环节（如轴承密封与锁紧部位），经常会造成牙轮脱落，造成钻井事故； 由于轴承在高转速下寿命较低，因此牙轮钻头不适合高转速，一般适合在200转/ 分以下。 在高温条件下，钻头密封和润滑系统容易损坏，因而不适合高温地层。 在小井眼中由于牙轮尺寸受到限制，寿命很低，因此不适合小井眼钻井。 所需钻压相对较高，不适合在易斜地层使用。15金刚石钻头的定义？包括哪几种？ 以金刚石类材料为切削齿的钻头统称为金刚石钻头。 按照金刚石种类的不同，将金刚石钻头分为四类： 聚晶金刚石复合片（PDC）钻头 热稳定聚晶金刚石钻头（TSP） 表镶金刚石钻头 孕镶金刚石钻头 16钻头切削齿对材料性能的哪些要求？1）良好的机械力学性能。破岩需要良好的硬度、强度、韧性。2）耐磨性。抵御岩石的磨损。17金刚石类材料的特点？优点：硬、耐磨缺点： 脆性较大，遇到冲击载荷会引起破裂。 热稳定性较差。在空气中，金刚石会燃烧变为二氧化碳和一氧化碳；在惰性或还原性 气体中在1430° C时，金刚石晶体出现同素异形转换变成石墨；对于聚晶金刚石复合片由于 内部含有部分金属，由于金属材料的热膨胀系数远大于金刚石的热膨胀系数，急剧受热容易 引起热裂。18. 描述聚晶金刚石复合片（PDC）的结构及特点？结构：复合片为圆片状，金刚石层厚度一般小于3 mm,切削岩石时作为工作层，碳化钨基体 对聚晶金刚石薄层起支撑作用。特点： 良好的机械力学性能。金刚石和硬质合金两种材料的有机结合，使PDC既具有金刚石 的硬度和耐磨性，又具有硬质合金材料的强度和抗冲击能力。 自锐性。由于金刚石的耐磨性是硬质合金的300倍以上，在钻进过程中硬质合金磨损 量大于金刚石层，使得金刚石层始终保持一定的出露量，整个复合片齿始终保持良好的锋利 性。 热稳定性差。聚晶金刚石复合片内部含有部分金属触媒，由于金属材料的热膨胀系数 远大于金刚石的热膨胀系数，急剧受热容易引起热裂。同时由于金刚石层与硬质合金的热胀 系数存在差异，受热也会造成金刚石的脱层。其耐热温度 700°。 脆性大，抗冲击韧性差。金刚石本身脆性大；硬质合金层与金刚石的弹性模量不同, 冲击响应频率不同，受冲击载荷作用时，金刚石层受到的冲击不能完全由硬质合金层吸收 容易造成金刚石层发生崩裂，因次适应地层受到限制。19. 热稳定性聚晶金刚石与PDC的主要区别？ 将聚晶金刚石中的金属粘结剂用酸去除，使聚晶金刚石的耐温性大大提高。耐热温度达到 1150°。20. PDC 钻头切削结构的基本参数包括那些？21. PDC钻头冠部高度系数的定义？22 .综述PDC钻头的特点？优点：1）以剪切方式破岩，在软至中硬均质地层中破岩效率高，机械钻速高；2）具有自锐性，能始终保持较高的机械钻速；3）PDC 钻头切削齿耐磨性高，钻头寿命长；4）所需钻压较低，钻柱负荷小。同时在吊打情况下能保持较高的钻井速度；5）适应较高的转速（可达400转/分），有利于提高钻井速度；同时适合配合动力钻具 使用；6）PDC 钻头结构牢固，没有活动部件和易损件，有利于防止钻井事故；7）不受井眼尺寸的限制，适合在小井眼中应用；8）不受地层温度的影响，是高温地层钻进的首选。缺点：1）PDC 齿抗冲击韧性较差不适合在破碎、软硬变换频繁以及硬地层中使用，地层使用 范围受到限制；2）复合片热稳定性较差，需要良好的冷却；3）对钻头水力结构要求较高，水力结构设计不合理钻头会发生泥包。4）钻头成本较高。23. 写出钻头每米成本的计算公式并说明各部分的意义。钻头单位进尺成本计算公式:Cpm =式中：Cpm一单位进尺成本，元/米Cb一钻头成本，元；Cr 一钻机作业费，元/小时；t 一钻头钻进时间，t 一起下钻及接单根时间，tH钻头进尺。24. 某一型号PDC成本10万元，钻头钻进1500米后报废，此钻头纯钻时间100小时，辅助 钻进时间100小时，钻机日费4.8万元，计算该钻头的平均机械钻速和单位进尺成本？ 25简述钻头类型的选择方法？26. 只五刮刀8 1/2 PDC钻头，钻头喷嘴数量5只。已知钻头喷嘴的总过流面积为568mm2。 其中4只喷嘴的直径为3只12mm、1只13mm，求另一只喷嘴的直径。二、钻具系统1. 钻柱在钻井过程中的主要作用是什么？(1) 为钻井液由井口流向钻头提供通道；(2) 给钻头施加适当的压力(钻压)；(3) 把地面动力(扭矩等)传递给钻头；(4) 起下钻头；(5) 根据钻柱的长度计算井深。2. 什么是井下动力钻具？动力钻具钻井的特点是什么？ 将动力发动机置于井底直接与钻头相联驱动钻头破碎岩石进行钻井的井下动力装置，称为井下动力钻具。其特点总结如下：1) 用井下动力钻井，钻杆不转，只承受钻井的反扭矩，可改善钻柱的受力状况，减少钻柱和套管的磨损和破坏；2) 井下动力钻具与转盘钻井相比，转速快，有利于提高机械钻速；3) 实现井身轨迹的定向控制。4) 可与转盘复合，实现复合钻井。不仅可以实现旋转或滑动钻井，还可提高钻头转速 提高钻井速度。3液力井下动力钻具有哪几种？4什么是螺杆钻具？主要有哪几部分构成？ 5弯螺杆钻具弯角大小与造斜率的关系？弯角越大，造斜率越高。6螺杆钻具的特点是什么？（1）螺杆钻具的转速只与排量和结构有关，而与工况（钻压、扭矩等）无关。（2）工作扭矩与压降和结构有关，而与转速无关。（3）螺杆钻具具有硬转速特性（不因负载增大而降低转速）和良好的过载能力（压降增加可 导致工作转矩M变大）。（4）泵压表可作为井底工况的监视器，由泵压变化来判断和显示井下工况（扭矩和钻压）。（5）转速随排量Q的变化而线性变化，因此可通过调节排量Q很容易地进行转速调节。（6）工作扭矩与转速均与结构有关，增大马达的每转排量，可获得适合于钻井作业的低 速大扭矩特性。螺杆钻具的头数越多，每转排量越大，马达的转速越低扭矩越大。 7涡轮钻具工作特性分析1）涡轮钻具压降在流量、涡轮结构尺寸、涡轮级数确定后即为定值，不会随工况（钻压、 扭矩）的变化而变化。2）涡轮钻具的扭矩与流量、钻井液密度及转速参数有关。输出扭矩与流量的、钻井液 密度、涡轮级数成正比。3）涡轮钻具的输出功率与流量、涡轮结构尺寸、涡轮级数、钻井液密度有关。4）涡轮钻具的转速与输出扭矩成反比。空载时转速很高，重载时转速低。扭矩超过涡 轮钻具的额定扭矩，涡轮钻具会停止旋转，也既涡轮钻具没有过载能力 。5）涡轮钻具的输出功率随着输出扭矩、转速的变化而变化，并存在最大值。此最大值 为涡轮钻具的理想工作负载点。8.根据螺杆钻具和涡轮钻具的工作特性曲线论述二者机械性能的差异？涡轮钻具和螺杆钻具的理论工作特性曲线如图 1、2。其机械性能的区别主要在以下几 方面：功率扭矩转速图1涡轮钻具的理论特性曲线图2螺杆钻具的坯TL特性曲线1）过载能力 对比工作特性曲线中可以看出：螺杆钻具有硬的机械特性，过载能力强；而涡轮钻具有 软的机械特性，过载能力差，随着钻压增大导致切削阻力矩增大时，会引起转速下降，易被 “压死”而造成制动。2）压降差异 在一定的工作排量下，涡轮产生的压力降不变。而螺杆钻具的压降是一个随钻压和扭矩 变化的量，利用这一特性可通过泵压检测螺杆钻具的工作状态。3）转速差异涡轮钻具的转速高于螺杆钻具，与常规牙轮钻头不匹配。三、测量与控制1. 磁性测斜仪的种类？2. 井眼轨迹测量的基本参数？井深、井斜角和井斜方位角。3. 磁性测斜仪测量井斜的原理？ 利用摆锤测量井斜角，利用罗盘测量方位角。4. 陀螺测斜仪的测斜原理？ 利用摆锤测量井斜角，利用高速陀螺的方位不变的特性测量方位角。5. 电子侧斜仪的测斜原理？任何空间矢量皆可分解为三个相互垂直的分矢量：i = i + i + i123如果已知矢量的大小和主矢量的方向，那么，很容易计算出分矢量与主矢量的夹角。重力加速度和地磁场都可分解为三个相互垂直方向的分量。测得这三个分量的大小，可 精确计算出分量的空间方向。如果将某一分量至于井眼轴线方向，那么可精确得到井眼的井 斜角和方位角。6. 何谓随钻测斜仪？按测量参数传输方式分为哪两类？在钻井过