岩土钻掘工程学02.ppt

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1、第二章第二章 钻具与具与钻塔塔 一、一、钻杆柱的功能与组成钻杆柱的功能与组成 二、二、钻杆柱的工况钻杆柱的工况 三、三、套管柱套管柱 四、四、钻塔钻塔 国家精品课程岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程 第二章第二章 钻具与钻塔钻具与钻塔 u钻具一般是指钻头以上，水接头以下的全部钢管钻具一般是指钻头以上，水接头以下的全部钢管柱，由岩心管、异径接头、取粉管、扶正器、钻柱，由岩心管、异径接头、取粉管、扶正器、钻铤、钻杆和主动钻杆等组成。铤、钻杆和主动钻杆等组成。u钻杆是钻具组成中的主要成员，多根钻杆借助接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

2、的钻杆柱。头连接成相当于孔深长度的钻杆柱。u钻塔的主要任务是升降钻具和套管。钻塔的高度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。应与钻杆立根的长度相匹配。4/2/2023中国地质大学(武汉)勘察与基础工程系岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程1.1.1.1.钻杆柱的功能与组成钻杆柱的功能与组成钻杆柱的功能与组成钻杆柱的功能与组成 一、钻杆柱的功用一、钻杆柱的功用u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；u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；u更换钻头

3、、更换钻头、提取岩心管和进行事故打捞的工作载体。提取岩心管和进行事故打捞的工作载体。u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；u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。二、钻杆柱的材质二、钻杆柱的材质（自习）（自习）三、钻杆柱的结构三、钻杆柱的结构 （自习）（自习）第二章第二章 钻具与钻塔钻具与钻塔 4/2/2023中国地质大学(武汉)勘察与基础工程系岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程2.2.2.2.钻杆柱的工况钻杆柱的工况钻杆柱的工况钻杆柱

4、的工况 一、钻杆柱的工作状态一、钻杆柱的工作状态u钻进时，由于钻杆柱自身的偏心和自重失稳而产生的某钻进时，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，更促使钻杆柱弯曲。的离心力，更促使钻杆柱弯曲。u钻柱上还有由自重、钻机给进力及摩擦力合成的纵向压钻柱上还有由自重、钻机给进力及摩擦力合成的纵向压力。在离心力、纵向压力和扭矩的联合作用下，钻柱轴力。在离心力、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。线一般呈变节距的空间螺旋弯曲曲线形状。u弯曲程度取决于这三种力的大小。

5、弯曲的钻杆柱轴线在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小孔底螺距最小 ，往上逐渐加大。，往上逐渐加大。第二章第二章 钻具与钻塔钻具与钻塔 4/2/2023中国地质大学(武汉)勘察与基础工程系岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程u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。长度称为半波长，可根据萨尔基索夫的理论计算。u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 1）钻杆柱围绕自身弯曲轴线旋转（自转）。钻杆在

6、整个圆）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。周上与孔壁接触产生均匀磨损，但受交变弯曲应力。（2 2）钻杆柱围绕钻孔轴线旋转并沿着孔壁滑动（公转）。钻）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。杆不受交变弯曲应力的作用，但产生偏磨。（3 3）钻杆柱围绕钻孔轴线旋转，但不是沿着孔壁滑动而是沿）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滚动（公转与自转的结合），钻杆柱同时围绕着孔壁反向滚动（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转。其磨损均匀，也受到交变弯曲自身轴线和

7、钻孔轴线旋转。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。应力作用，但循环次数比第一种形式低得多。第二章第二章 钻具与钻塔钻具与钻塔 4/2/2023中国地质大学(武汉)勘察与基础工程系岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程u一般认为一般认为 呈半波弯曲的钻杆柱的主要形式是自转，也可能呈半波弯曲的钻杆柱的主要形式是自转，也可能产生：以自转为主产生：以自转为主+公转，以公转为主公转，以公转为主+自转。自转。二、钻杆柱的受力二、钻杆柱的受力1.1.轴向压力和拉力轴向压力和拉力u减压钻进时，上部钻杆柱受拉，其中孔口处拉力最大，向减压钻进时，上部钻杆

8、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，孔底压力最大下逐渐减小；下部钻杆柱受压，孔底压力最大。u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。抗弯强的钻铤上。2.2.扭矩扭矩u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。钻杆柱钻杆柱在孔口处承受的扭矩最大，在孔底最小。在孔口处承受的扭矩最大，在孔底最小。第二章第二章 钻具与钻塔钻具与钻塔 4/2/2023中国地质大学(武汉)勘察与基础工程系岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程3.3.

9、弯矩与离心力弯矩与离心力u已弯曲的钻杆柱在轴向力作用下，受到弯矩作用，如绕自身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。轴旋转则会产生交变的弯曲应力。u如钻杆柱公转，则产生离心力。离心力又将加剧钻杆柱的弯如钻杆柱公转，则产生离心力。离心力又将加剧钻杆柱的弯曲变形。曲变形。4.4.纵振、扭振与摆振纵振、扭振与摆振u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。u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。u在某一临界转速下，钻杆柱会出现摆振，其

10、结果是迫使钻杆在某一临界转速下，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。柱公转，引起钻杆柱严重的偏磨。不不难看出，看出，钻杆柱受力杆柱受力严重部位是下部、孔口重部位是下部、孔口处和零断面附近。和零断面附近。第二章第二章 钻具与钻塔钻具与钻塔 4/2/2023中国地质大学(武汉)勘察与基础工程系岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程3.3.套管柱（套管柱（通常自下而上设计钻孔结构通常自下而上设计钻孔结构）一、钻孔结构一、钻孔结构u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。u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)(1)所钻岩石的物理所钻岩石的物理-力学性质，硬度、稳定性和水敏性等；力学性质，硬度、稳定性和水敏性等；(2)(2)钻孔的设计深度和倾角；钻孔的设计深度和倾角；(3)(3)拟用的钻进方法，钻探工具和孔内测量仪器的外径尺寸；拟用的钻进方法，钻探工具和孔内测量仪器的外径尺寸；(4)(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。第二章第二章 钻具与钻塔钻具与钻塔 二、套管柱（自习）二、套管柱（自习）4.4.钻塔钻塔（自习）（自习）4/2/2023中国地质大学(武汉)勘察与基础工程系