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实用钻井工具手册

前言

钻井作业是油气勘探开发、地质调查、水井建设等工程中的关键环节，而钻井工具则是完成这一复杂作业的物质基础和技术保障。本手册旨在系统介绍钻井过程中常用工具的类型、结构特点、工作原理、适用范围及使用注意事项，为现场操作人员、技术管理人员提供一份实用的参考资料。掌握这些工具的特性与应用，对于提高钻井效率、降低作业成本、保障施工安全具有至关重要的意义。

一、破岩工具

破岩工具是直接作用于井底岩石，将其破碎成岩屑的关键工具，其性能直接影响钻井速度和成本。

1.1钻头

钻头是钻井工程中消耗量最大、对钻井效率影响最显著的工具。

1.1.1牙轮钻头

牙轮钻头由钻头体、牙轮、牙齿、轴承、水眼等部件组成。工作时，牙轮在井底滚动，牙齿以冲击、压碎和剪切作用破碎岩石。

*结构特点：通常有单牙轮、双牙轮和三牙轮钻头，以三牙轮钻头应用最为广泛。牙轮可绕自身轴线旋转（自转），同时随钻头体绕井眼轴线旋转（公转）。牙齿有铣齿（钢齿）和镶齿（硬质合金齿）之分。

*适用地层：从软到坚硬的各类地层均可选用相应类型的牙轮钻头。软地层牙轮钻头牙齿较长、齿距较大；硬地层则牙齿较短、齿距较小，且多采用镶齿。

*工作原理：依靠钻柱施加的钻压和转盘/井底动力钻具提供的扭矩，使牙轮在井底滚动。牙齿对岩石产生冲击载荷（压碎）和滑动剪切力，将岩石破碎。钻井液通过钻头水眼形成高速射流，清洗井底岩屑并冷却钻头。

*使用注意事项：下钻时应控制速度，避免顿钻损坏牙齿；根据地层特性和钻井参数合理选择钻头类型；钻进过程中密切关注钻压、扭矩、钻速及泵压变化，判断钻头工作状态；起钻前进行充分循环，清洗井眼。

1.1.2PDC钻头（聚晶金刚石复合片钻头）

PDC钻头是一种高效切削型钻头，其切削齿为聚晶金刚石复合片。

*结构特点：钻头体通常为钢体或胎体结构，切削齿以一定角度和密度焊接或镶嵌在钻头冠部。具有多个水眼，用于钻井液流通和冷却。

*适用地层：主要适用于软至中硬的均质、无砾石或少量砾石的地层，如页岩、砂岩、泥岩等。在特定条件下，也可用于部分硬地层。

*工作原理：依靠切削齿的锋利刃口对岩石进行剪切破碎。在钻压和扭矩作用下，PDC齿切入岩石并向前推进，将岩石切削成岩屑。其连续切削的特性使得机械钻速通常较高。

*使用注意事项：对井底清洁度要求高，避免岩屑堆积造成“泥包”；严禁在含硬质夹层、砾石或严重非均质地层中使用，以免齿崩裂或早期磨损；下钻时需缓慢通过套管鞋和井眼不规则段，防止碰撞损坏切削齿；钻进时应采用适当的钻压和转速，避免因参数不当导致齿过热或损坏。

1.1.3其他类型钻头

如金刚石钻头（天然金刚石钻头、孕镶金刚石钻头），适用于极硬、研磨性极强的地层；取心钻头，用于获取地下岩心样品。其选型和使用需根据具体地质条件和工程目的确定。

1.2井底动力钻具

井底动力钻具是将钻井液的水力能量或地面电能转化为井下机械能，直接驱动钻头旋转破碎岩石的工具，常用于定向井、水平井及丛式井施工。

1.2.1螺杆钻具

*结构特点：主要由旁通阀、马达（定子和转子）、万向轴和传动轴组成。

*工作原理：高压钻井液流经马达时，推动转子在定子内转动，通过万向轴和传动轴将扭矩和转速传递给钻头。旁通阀在起下钻时使钻井液旁通，避免憋压；钻进时关闭，使全部钻井液进入马达。

*适用范围：广泛应用于定向钻井、丛式井、水平井以及直井的快速钻进。

1.2.2涡轮钻具

*结构特点：主要由涡轮节（定子和转子）、传动轴和轴承总成组成。

*工作原理：钻井液冲击涡轮叶片，推动转子高速旋转，将液体动能转化为机械能。其转速较高，但输出扭矩相对较低，通常需要配合高转速钻头使用。

*适用范围：在一些特定地层和钻井工艺中仍有应用。

二、钻柱构件

钻柱是连接地面设备与井底钻头的关键部件，用于传递扭矩、施加钻压、输送钻井液，并将井底信息传递至地面。

2.1钻铤

*作用：提供主要的钻压；增加钻柱下部重量，保证钻头有效破碎岩石；刚性大，可防止钻柱弯曲，保持垂直钻进方向。

*结构特点：厚壁圆管，两端有连接螺纹。外径通常比钻头直径小，以减少与井壁的摩擦。

*类型：常见的有螺旋钻铤（外壁有螺旋槽，减少与井壁的接触面积和压差卡钻风险）、无磁钻铤（由无磁材料制成，用于安装测斜仪等测量工具，避免磁场干扰）、加重钻铤等。

*使用注意事项：螺纹连接必须上紧至规定扭矩；使用专用吊具吊装，防止损坏；定期检查本体有无裂纹、腐蚀，螺纹有无损伤；存放时应置于专用管架上，防止弯曲变形。

2.2钻杆

*作用：钻柱的主体部分，连接钻头与地面设备，传递扭矩和钻压，输送钻井液。

*结构特点：由管体和接头焊接而成。管体为细长中空钢管，接头有内螺纹（母接头