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岩土钻掘工程学第二章


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第二章

钻具与钻塔

一、钻杆柱的功能与组成 二、钻杆柱的工况 三、套管柱 四、钻塔

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岩土钻掘工程学

钻具一般是指钻头以上,水接头以下的全部钢管柱, 钻具一般

是指钻头以上,水接头以下的全部钢管柱,由岩心 异径接头、取粉管、扶正器、钻铤、 管、异径接头、取粉管、扶正器、钻铤、钻杆和主动钻杆等 组成。 组成。 钻杆是钻具组成中的主要成员, 钻杆是钻具组成中的主要成员,多根钻杆借助接头连接成相 当于孔深长度的钻杆柱。 当于孔深长度的钻杆柱。 钻塔的主要任务是升降钻具和套管。 钻塔的主要任务是升降钻具和套管。钻塔的高度应与钻杆立 根的长度相匹配。 根的长度相匹配。

2010-9-15

中国地质大学(武汉)勘察与基础工程系

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§1.钻杆柱的功能与组成 1.钻杆柱的功能与组成
一、钻杆柱的功用 钻杆柱的功用 把钻压和扭矩传递给钻头,实现连续给进; 把钻压和扭矩传递给钻头,实现连续给进; 为清洁孔底和冷却钻头提供输送冲洗介质的通道; 为清洁孔底和冷却钻头提供输送冲洗介质的通道; 更换钻头、 提取岩心管和进行事故打捞的工作载体。 更换钻头、 提取岩心管和进行事故打捞的工作载体。 在绳索取心和水力反循环连续取心钻进中是岩心的通道; 在绳索取心和水力反循环连续取心钻进中是岩心的通道; 用孔底动力机钻进时,钻杆柱承担孔底动力机的反扭矩。 用孔底动力机钻进时,钻杆柱承担孔底动力机的反扭矩。 自习) 二、钻杆柱的材质 (自习) 自习) 三、钻杆柱的结构 (自习)

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§2.钻杆柱的工况 2.钻杆柱的工况 钻杆柱的工作状态 一、钻杆柱的工作状态
钻进时,由于钻杆柱自身的偏心和自重失稳而产生的某些弯曲, 钻进时,由于钻杆柱自身的偏心和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。产生的离心力, 成钻杆柱有一定的质量偏离回转中心。产生的离心力,更促使钻杆 柱弯曲。 柱弯曲。 钻柱上还有由自重、钻机给进力及摩擦力合成的纵向压力。 钻柱上还有由自重、钻机给进力及摩擦力合成的纵向压力。在离心 纵向压力和扭矩的联合作用下, 力、纵向压力和扭矩的联合作用下,钻柱轴线一般呈变节距的空间 螺旋弯曲曲线形状。 螺旋弯曲曲线形状。 弯曲程度取决于这三种力的大小。 弯曲程度取决于这三种力的大小。弯曲的钻杆柱轴线在孔底螺距最 往上逐渐加大。 小 ,往上逐渐加大。
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我们把钻杆柱中心线和钻孔的轴线相交两点间的一段纵向长度称为半 波长,可根据萨尔基索夫的理论计算。 波长,可根据萨尔基索夫的理论计算。 钻杆柱在孔内的旋转运动可能有三种形式。 钻杆柱在孔内的旋转运动可能有三种形式。 (1)钻杆柱围绕自身弯曲轴线旋转(自转)。钻杆在整个圆周上与孔壁 钻杆柱围绕自身弯曲轴线旋转(自转)。钻杆在整个圆周上与孔壁 )。 接触产生均匀磨损,但受交变弯曲应力。 接触产生均匀磨损,但受交变弯曲应力。 钻杆柱围绕钻孔轴线旋转并沿着孔壁滑动(公转)。钻杆不受交变 (2)钻杆柱围绕钻孔轴线旋转并沿着孔壁滑动(公转)。钻杆不受交变 )。 弯曲应力的作用,但产生偏磨。 弯曲应力的作用,但产生偏磨。 (3)钻杆柱围绕钻孔轴线旋转,但不是沿着孔壁滑动而是沿着孔壁反向 钻杆柱围绕钻孔轴线旋转, 滚动(公转与自转的结合), ),钻杆柱同时围绕自身轴线和钻孔轴线旋 滚动(公转与自转的结合),钻杆柱同时围绕自身轴线和钻孔轴线旋 其磨损均匀,也受到交变弯曲应力作用, 转。其磨损均匀,也受到交变弯曲应力作用,但循环次数比第一种形 式低得多。 式低得多。
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呈半波弯曲的钻杆柱的主要形式是自转,也可能产生: 一般认为 呈半波弯曲的钻杆柱的主要形式是自转,也可能产生:以自 转为主+公转,以公转为主+自转。 转为主+公转,以公转为主+自转。

二、钻杆柱的受力
轴向压力和拉力 1. 轴向压力和拉力 减压钻进时,上部钻杆柱受拉,其中孔口处拉力最大,向下逐渐减小; 减压钻进时,上部钻杆柱受拉,其中孔口处拉力最大,向下逐渐减小; 下部钻杆柱受压,孔底压力最大。 下部钻杆柱受压,孔底压力最大。 轴向力等于零处称为零断面或中和点。应使其落在刚度大、 轴向力等于零处称为零断面或中和点。应使其落在刚度大、抗弯强的 钻铤上。 钻铤上。 扭矩 2. 扭矩 钻杆柱受扭矩作用在各个截面上都产生剪应力。 钻杆柱受扭矩作用在各个截面上都产生剪应力。 钻杆柱在孔口处承 受的扭矩最大,在孔底最小。 受的扭矩最大,在孔底最小。
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弯矩与离心力 3. 弯矩与离心力 已弯曲的钻杆柱在轴向力作用下,受到弯矩作用, 已弯曲的钻杆柱在轴向力作用下,受到弯矩作用,如绕自身轴旋转则会 产生交变的弯曲应力。 产生交变的弯曲应力。 如钻杆柱公转,则产生离心力。离心力又将加剧钻杆柱的弯曲变形。 如钻杆柱公转,则产生离心力。离心力又将加剧钻杆柱的弯曲变形。 4. 纵振、扭振与摆振 纵振、扭振与摆振 孔底跳跃式碎岩引起钻柱纵振,共振钻杆柱容易疲劳破坏。 孔底跳跃式碎岩引起钻柱纵振,共振钻杆柱容易疲劳破坏。 破岩回转阻力不断变化引起钻柱扭振,产生交变剪应力。 破岩回转阻力不断变化引起钻柱扭振,产生交变剪应力。 在某一临界转速下,钻杆柱会出现摆振,其结果是迫使钻杆柱公转, 在某一临界转速下,钻杆柱会出现摆振,其结果是迫使钻杆柱公转,引 起钻杆柱严重的偏磨。 起钻杆柱严重的偏磨。 不难看出,钻杆柱受力严重部位是下部、孔口处和零断面附近。 不难看出,钻杆柱受力严重部位是下部、孔口处和零断面附近。
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套管柱( §3. 套管柱(通常自下而上设计钻孔结构)
一、钻孔结构 钻孔结构
钻孔由开孔至终孔,各孔段的深度和口径的变化情况。 钻孔由开孔至终孔,各孔段的深度和口径的变化情况。 开孔前根据以下资料来设计钻孔结构: 开孔前根据以下资料来设计钻孔结构:

(1) 所钻岩石的物理-力学性质,硬度、稳定性和水敏性等; 所钻岩石的物理-力学性质,硬度、稳定性和水敏性等; 钻孔的设计深度和倾角; (2) 钻孔的设计深度和倾角; 拟用的钻进方法,钻探工具和孔内测量仪器的外径尺寸; (3) 拟用的钻进方法,钻探工具和孔内测量仪器的外径尺寸; (4) 与钻孔目的有关的终孔直径。 与钻孔目的有关的终孔直径。 二、套管柱(自习) 套管柱(自习)

§4.钻塔(自习) 4.钻塔 自习)
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