鉆進工具是什麽？
鉆進工具包括鉆頭、鉆柱等鉆進工具，是破碎巖石的主要工具。
壹、鉆頭
鉆頭質量的優劣及其與巖性和其他鉆井工藝是否適應，將直接影響鉆井速度、鉆井質量和鉆井成本。
（壹）鉆頭破碎巖石的工作原理
鉆頭破碎巖石的工作原理與方式有三種：
（1）切削：利用軸向壓力使破碎工具吃入巖石，鉆頭旋轉擠壓破碎巖石並進行切削，其方式類似於金屬切削。
（2）沖壓：利用軸向載荷使巖石在沖擊和擠壓作用下破碎。
（3）研磨：利用抗磨性高的材料，在壹定壓力和適當的轉速下，對巖石進行研磨破碎。
上述三種方式中，鉆頭對巖石的作用形式主要是壓擠和切削。實際上鉆頭在井內破碎巖石鉆進時，這三種破巖方式兼有，只是根據巖石的強度和鉆頭類型以某種破碎方式為主而已。塑性巖石壹般強度較小，鉆頭以切削破碎為主；塑脆性和脆性巖石壹般強度較高，以沖擊和壓擠破碎為主；對強度和硬度都很大的巖石，則以研磨破碎為主。
（二）鉆頭的類型
目前常用的鉆頭按其破碎巖石的方式和作用原理分為刮刀鉆頭（切削型）、牙輪鉆頭（沖壓型）及研磨型鉆頭（金剛石鉆頭）三大類，見圖4-2。其中牙輪鉆頭使用較多，而刮刀鉆頭使用量最小。鉆頭尺寸以其鉆出的井眼內徑為公稱尺寸，國際上已形成基本統壹的系列。常見鉆頭尺寸為26in，20in，
圖4-2 典型鉆頭結構圖
1．刮刀鉆頭
刮刀鉆頭為切削型鉆頭，適用於軟塑性巖層。這種鉆頭體上鑲焊有幾個刮刀片，在刮刀翼上加焊上耐磨的硬質合金材料，根據塑性巖石軟硬的特點，刮刀鉆頭有兩翼的（稱魚尾鉆頭）、三翼的和四翼的，最常用的為三翼刮刀鉆頭。
2．牙輪鉆頭
牙輪鉆頭在石油鉆井中使用最多、適應性最廣。它主要用於鉆中硬至硬度較大的塑脆性及脆性地層。牙輪鉆頭是在鉆頭體上安裝幾個能隨鉆頭公轉又能繞著牙輪軸自轉的牙輪。有兩牙輪鉆頭、三牙輪鉆頭及四牙輪鉆頭，用得最多的是三牙輪鉆頭。根據巖石破碎規律，牙輪鉆頭結構設計應滿足在旋轉動力及鉆壓作用下，牙輪在公轉和自轉運動中，具有滾動產生沖擊和擠壓作用，又有滑動產生刮削的作用，有效破碎巖石。牙齒長、齒排少、刮削功能強、沖擊力小的牙輪鉆頭用於鉆硬度不大的地層；牙齒短、齒排多、沖擊力大、刮削功能弱的鉆頭用於鉆硬地層。
3．研磨型鉆頭
研磨型鉆頭用於鉆堅硬的地層。它選用硬度大於巖石而耐磨性強的材料（如金剛石、特種硬質合金）鑲焊在鉆頭體上，在鉆頭旋轉和鉆壓作用下研磨巖層，如同用砂輪打磨鐵器壹樣。
（三）鉆井工藝對鉆頭的要求
鉆井工藝對鉆頭有兩個基本要求：壹是鉆進速度要快，能直接縮短鉆井時間；二是使用壽命要長，更換鉆頭次數要少，單個鉆頭鉆進的總進尺要多。這兩項分別稱為鉆頭的機械鉆速和鉆頭的總進尺，是鉆頭的兩個主要技術指標。為了降低鉆井成本，提高上述兩項技術指標，石油科技人員壹直致力於改善鉆頭結構，提高鉆頭破碎效率，延長鉆頭使用壽命的研究工作。20世紀70年代末開始采用高硬度、高耐磨性的聚晶金剛石鉆頭，將聚晶金剛石材料鑲焊在牙輪上，因而成倍地提高了鉆井效率。
二、鉆柱
鉆柱是鉆頭以上、水龍頭以下部分鉆具的總稱。鉆具的連接如圖4-3所示。
（壹）鉆柱的作用
1．鉆柱的主要作用
（1）為鉆井液由井口流向鉆頭提供通道；
（2）給鉆頭施加適當的壓力（鉆壓），使鉆頭的工作刃不斷吃入巖石；
（3）把地面動力（扭矩等）傳遞給鉆頭，使鉆頭不斷旋轉破碎巖石；
（4）起下鉆頭；
（5）根據鉆柱的長度計算井深。
2．鉆柱的特殊作用
（1）通過鉆柱可以觀察和了解鉆頭的工作情況、井眼狀況及地層情況等；
（2）進行取心、擠水泥、打撈井下落物、處理井下事故等特殊作業；
（3）對地層流體及壓力狀況進行測試與評價，即鉆桿測試，又稱中途測試。
（二）鉆柱的組成
鉆柱由方鉆桿、鉆桿段和下部鉆具組合三大部分組成。鉆桿段包括鉆桿和接頭，有時也裝有擴眼器。下部鉆具組合主要是鉆鋌，也可能安裝穩定器、減震器、震擊器、擴眼器及其他特殊工具。鉆柱的具體組成隨不同的目的、要求而不同。
圖4-3 鉆具連接圖
1．普通鉆桿
鉆桿是鉆柱的基本組成部分，位於方鉆桿和鉆鋌之間。它是用無縫鋼管制成，壁厚壹般為9～11mm。其主要作用是傳遞扭矩和輸送鉆井液，並靠鉆桿的逐漸加長使井眼不斷加深。
1）鉆桿結構與規範
鉆桿由鉆桿管體與鉆桿接頭兩部分組成，見圖4-4。鉆桿管體與接頭的連接有兩種方式：壹種是用細螺紋連接，即管體兩端都車有外（內）螺紋，與接頭壹端的內（外）螺紋相連接；另壹種是管體與接頭用摩擦焊對焊在壹起，稱這種鉆桿為對焊鉆桿。我國現在生產或進口的鉆桿全部為對焊鉆桿。
圖4-4 鉆桿結構示意圖
為了增強管體與接頭的連接強度，管體兩端加厚。常用的加厚形式有內加厚、外加厚、內外加厚三種。
最常用的鉆桿長度8.230～9.144m（27～30ft），鉆桿尺寸（直徑）有88.9mm，114.3mm，127.0mm（3.5in，4.5in，5in）三種。
2）鉆桿鋼級與強度
鉆桿的鋼級是指鉆桿鋼材的等級，它由鉆桿鋼材的最小屈服強度決定。API規定鉆桿的鋼級有D、E、95（X）、105（G）、135（S）級***五種，其中，X、G、S級為高強度鉆桿。
3）鉆桿接頭及螺紋
鉆桿接頭是鉆桿的組成部分，分內螺紋和外螺紋，連接在鉆桿管體的兩端。螺紋的連接必須滿足三個條件，即尺寸相等，螺紋類型相同，內外螺紋相匹配。不同尺寸鉆桿的接頭尺寸不同。同壹尺寸鉆桿的絲扣類型也不盡相同，主要有內平型（IF）、貫眼型（FH）、正規型（REG）和數字型（NC）。
2．加重鉆桿
加重鉆桿是壹種和鉆桿類似的中等重量鉆具，其管壁比鉆桿厚、比鉆鋌薄。管體連接有特別加長的鉆桿接頭。在鉆具組合中，加重鉆桿壹般加在鉆桿與鉆鋌之間，防止鉆柱界面的突然變化，減少鉆桿的疲勞。加重鉆桿的總長度壹般為9.3m，也有特殊長度為2m、3m、13m的。國產的有JZ-51型和JZ-5II型兩種加重鉆桿。加重鉆桿除兩端有超長的外加厚接頭外，中部還有壹外加厚部分，在其兩端接頭和中部加厚部分都有表面耐磨帶，用以保護管體使不受磨損。長度為13m的加重鉆桿還有2個中間加厚部分。
3．鉆鋌
鉆鋌處在鉆柱的最下部，是下部鉆具組合的主要組成部分。其主要特點是壁厚大（壹般為38～53mm，相當於鉆桿壁厚的4～6倍），具有較大的重量和剛度，見圖4-5。它在鉆井過程中主要起以下幾方面的作用：
（1）給鉆頭施加鉆壓；
（2）保證壓縮條件下的必要強度；
（3）減輕鉆頭的振動、擺動和跳動等，使鉆頭工作平穩；
（4）控制井斜。
鉆鋌有許多不同的形狀，如圓形、方形、三角形和螺旋形等。最常用的是圓形（平滑的）鉆鋌和螺旋形鉆鋌兩種。
圖4-5 鉆鋌結構示意圖
4．方鉆桿
方鉆桿位於鉆柱的最上端，有四方形（見圖4-6）和六方形兩種。在轉盤鉆井中，鉆進時，方鉆桿與方補心、轉盤補心配合，將地面轉盤扭矩傳遞給鉆桿，帶動鉆頭旋轉，並承受鉆柱懸重；在渦輪和螺桿鉆具的鉆井中，承受鉆柱懸重重量和反扭矩。壹般大型鉆機使用四方形方鉆桿，小型鉆機都用六方形方鉆桿。標準方鉆桿全長有12.19m和16.46m兩種，驅動部分長度分別為11.25m和15.54m。為了配合鉆柱，方鉆桿也有多種尺寸和接頭類型。方鉆桿的壁厚壹般比鉆桿大3倍左右，並用高強度合金鋼制造，故具有較大的抗拉強度及抗扭強度，可以承受整個鉆柱的重量和旋轉鉆柱及鉆頭所需要的扭矩。
圖4-6 四方形方鉆桿結構示意圖
方鉆桿旋轉時，上端始終處於轉盤面以上，下部則處在轉盤面以下。方鉆桿上端至水龍頭連接部位的螺紋均為左旋螺紋（反扣），以防止方鉆桿轉動時松動。方鉆桿下端至鉆頭的所有連接螺紋均為右旋螺紋（正扣），在方鉆桿帶動鉆柱旋轉時，螺紋越上越緊。為減輕方鉆桿下部接頭螺紋（經常拆卸部位）的磨損，常在該部位裝壹保護接頭。
（三）鉆具的組合
鉆具的合理組合是確保優質快速鉆井的重要條件。鉆具尺寸的選擇，首先取決於鉆頭尺寸和鉆機的提升能力，還要考慮井身結構及防斜措施。通常鉆具組合考慮的原則是：在可能條件下選用大尺寸方鉆桿；在鉆機提升能力及鉆桿下入深度允許的條件下選用大尺寸的鉆桿；鉆鋌長度根據鉆壓及防斜措施來選擇，壹般情況下鉆鋌總重量應大於最大鉆壓的20%～30%，以保證鉆桿在不受壓條件下正常工作。
常見的鉆具組合有：正常鉆進時，“鉆頭+鉆鋌+鉆桿+方鉆桿+水龍頭”；用渦輪（螺桿）鉆具鉆井時，“鉆頭+渦輪（螺桿）鉆具+鉆鋌+鉆桿+方鉆桿+水龍頭”。