2025年钻探工具试题及答案解析

2025年钻探工具试题及答案解析1.（单选）在PDC钻头水力设计中，若要求射流对井底产生最大瞬时冲击力，则最优喷嘴压降应满足下列哪一关系？A.Δp_nozzle=0.5ρv²B.Δp_nozzle=ρv²C.Δp_nozzle=2ρv²D.Δp_nozzle=ρv²/2g答案：B解析：根据Bourgoyne水力冲击模型，当喷嘴压降等于ρv²时，射流对井底的瞬时冲击力达到峰值，此时动能转化为压力能的效率最高，故选B。2.（单选）某φ215.9mm井眼使用5-1/2"钻杆，钻井液密度1.35g/cm³，泵排量28L/s，若要求环空返速不低于0.75m/s，则钻杆外径与井壁形成的环空截面积最大允许多少平方毫米？A.3.73×10⁴B.3.97×10⁴C.4.12×10⁴D.4.35×10⁴答案：A解析：环空返速v=Q/A，Q=0.028m³/s，v≥0.75m/s，则A≤Q/v=0.028/0.75=0.0373m²=3.73×10⁴mm²，故选A。3.（单选）在井下动力钻具选型中，若井底温度175℃、泥浆含砂量1.2%，优先选择的螺杆钻具橡胶定子材料是A.NBRB.HNBRC.FKMD.Aflas答案：D解析：Aflas四丙氟橡胶在高温高砂环境下体积膨胀率<3%，且耐硫化氢，175℃老化168h后硬度变化仅+4ShoreA，综合性能最优。4.（单选）牙轮钻头轴承副采用O形密封时，密封沟槽填充率一般控制在A.70%±5%B.80%±5%C.85%±5%D.90%±5%答案：C解析：填充率过低易泄漏，过高则摩擦热聚集，ISO3601推荐85%±5%为最佳区间。5.（单选）随钻震击器下击力衰减曲线呈指数型，其衰减常数τ与下列哪项参数无关？A.液压油粘度B.活塞有效面积C.弹簧刚度D.井眼液柱压力答案：D解析：τ=μA²/(k·V)，其中μ为油粘度，A为活塞面积，k为弹簧刚度，与井眼液柱压力无直接函数关系。6.（单选）当MWD脉冲发生器处于“负压恢复”阶段，主阀芯复位速度主要受限于A.伺服阀流量增益B.复位弹簧预紧力C.泥浆压缩性D.控制腔节流孔直径答案：D解析：复位靠控制腔泄流，节流孔直径决定泄流速率，是瓶颈环节。7.（单选）在钻柱疲劳计算中，若采用Miner线性累积损伤法则，则当量应力幅σ_eq=σ_a·(N_0/N)^(1/m)，其中m通常取A.3B.5C.8D.12答案：C解析：APIRP7G推荐钢材疲劳指数m=8，对应S-N曲线斜率。8.（单选）顶部驱动系统齿轮箱润滑采用强制循环，其进油温度传感器安装在A.泵出口B.冷却器出口C.齿轮箱底部D.齿轮箱顶部喷淋管答案：B解析：冷却器出口温度最能反映实际润滑温度，便于闭环温控。9.（单选）某井使用水基泥浆，测得钻具腐蚀速率0.12mm/a，若要求腐蚀速率<0.05mm/a，应优先添加A.咪唑啉B.硫脲C.锌盐D.钼酸盐答案：A解析：咪唑啉吸附膜在低碳钢表面覆盖率>90%，缓蚀率可达70%以上，且与聚合物降滤失剂配伍性好。10.（单选）在扭冲复合冲击器工作过程中，扭冲锤与砧座之间的峰值接触应力σ_max与冲击速度v的关系为A.σ_max∝v^0.5B.σ_max∝vC.σ_max∝v^1.5D.σ_max∝v²答案：C解析：根据Hertz接触理论，σ_max∝(v^2)^(1/3)·E^(2/3)，综合得σ_max∝v^1.5。11.（多选）下列哪些措施可降低PDC钻头回旋（whirl）倾向？A.增加保径块数量B.采用低摩擦系数保径齿C.减小刀翼后倾角D.在钻头重心处设置平衡块E.提高钻压答案：A、B、D解析：保径块与平衡块可削减侧向力，低摩擦齿降低切向力耦合，后倾角减小反而易诱发回旋，钻压过高会加剧。12.（多选）关于随钻扩眼工具（RSSunder-reamer）的扩眼率控制，下列说法正确的是A.扩眼率与活塞推力成正比B.扩眼率与钻头转速无关C.扩眼率受井底压差影响D.扩眼率与刀翼数量成反比E.扩眼率与泥浆排量呈弱相关答案：A、C、E解析：活塞推力直接决定切削深度；压差影响岩石有效应力；排量改变冷却与携岩，间接影响切削效率；转速与刀翼数量对扩眼率非单调关系。13.（多选）在钻柱屈曲分析中，下列哪些边界条件组合会导致临界屈曲载荷降低？A.一端固定一端铰支B.两端铰支C.一端自由一端固定D.两端固定E.中间增设稳定器答案：A、C解析：固定-自由组合等效长度系数μ=2，临界载荷最低；固定-铰支μ=0.7，亦低于两端固定μ=0.5。14.（多选）关于涡轮钻具的下列描述，正确的有A.级数越多，扭矩越大，转速越低B.采用可调导叶可实现无级调速C.泥浆含砂量升高，制动扭矩增大D.涡轮转子采用Inconel718主要为了提高屈服强度E.涡轮钻具压降与排量平方成正比答案：A、C、E解析：级数与扭矩线性正相关，与转速反相关；导叶可调仅能实现有级调速；含砂增加摩擦制动；Inconel718主要为耐高温；压降Δp∝Q²。15.（多选）在钻井液润滑性评价中，下列哪些试验能直接给出“极压膜强度”指标？A.Falex试验B.TimkenOK值C.Four-BallWeldLoadD.LubricityCoefficient(OFI)E.Pin-on-Disc磨损率答案：A、B、C解析：Falex、Timken、Four-Ball均属于极压试验，可测膜破裂载荷；OFI仅给摩擦系数；Pin-on-Disc测体积磨损。16.（判断）在深水钻井中，隔水管底部安装伸缩节的主要目的是补偿钻柱热胀冷缩。答案：错误解析：伸缩节用于补偿平台升沉与潮汐，热胀冷缩量级仅毫米级，可忽略。17.（判断）PDC切削齿的1300℃高温钎焊采用Ni-Cr-B-Si钎料，其固相线温度约为1050℃，因此钎焊温度必须高于1100℃。答案：正确解析：钎焊温度需高于钎料液相线50-100℃，确保润湿，1300℃属合理区间。18.（判断）牙轮钻头滚动密封轴承的“密封跑合”阶段，允许微量渗漏以带走摩擦热。答案：正确解析：跑合期10-20h，微量渗漏可形成自润滑膜，降低温升。19.（判断）在MWD负脉冲系统中，主阀芯完全开启后，立管压力瞬时下降值与泥浆密度无关。答案：错误解析：Δp=ρgΔH，密度越大，同一阀芯开度产生的负压脉冲幅值越大。20.（判断）钻杆接头耐磨带采用Arnco300XT堆焊，其熔敷金属硬度HRC58-62，因此该工艺属于超音速火焰喷涂（HVOF）。答案：错误解析：300XT为铁基自熔合金，采用等离子转移弧（PTA）堆焊，HVOF硬度可达HRC65以上。21.（填空）某φ311mm井眼使用1.45g/cm³泥浆，井深4500m，若井底静止当量循环密度为1.52g/cm³，则环空压耗为________kPa。答案：309.1解析：Δρ=0.07g/cm³，Δp=Δρ·g·h=70×9.81×4500=3.091×10⁶Pa=309.1kPa。22.（填空）在钻柱纵向振动模型中，若钻柱线密度m̂=25kg/m，钻速v=1.2m/s，则钻柱动刚度K_d=________N/m。答案：3.6×10⁴解析：K_d=m̂v²=25×1.2²=36N·s²/m²，单位换算后36×10³N/m，即3.6×10⁴N/m。23.（填空）若PDC钻头刀翼后倾角15°，切削厚度0.8mm，则切削齿剪切面长度L=________mm。答案：3.09解析：L=t/sinθ=0.8/sin15°=3.09mm。24.（填空）某5-1/2"S135钻杆，外径139.7mm，内径121.4mm，其抗扭截面模量W_t=________cm³。答案：118.6解析：W_t=π(D⁴-d⁴)/(16D)=π(13.97⁴-12.14⁴)/(16×13.97)=118.6cm³。25.（填空）在涡轮钻具特性曲线中，若最佳效率点对应的压降Δp=6.2MPa，排量Q=32L/s，则涡轮水功率P=________kW。答案：198.4解析：P=Δp·Q=6.2×10⁶×0.032=198.4×10³W=198.4kW。26.（简答）说明螺杆钻具“马达压降-转速”曲线出现“驼峰”现象的机理，并给出工程抑制措施。答案：当马达负载突降，如钻遇溶洞，压降瞬间降低，橡胶定子弹性恢复滞后，形成负压空腔，导致转速瞬时反超空载转速，曲线出现驼峰。抑制措施：①优化定子橡胶阻尼，加入芳纶纤维提高回弹速度；②在万向轴处增设惯性飞轮，吸收瞬态过剩扭矩；③采用闭环钻井参数控制，当检测到压降跌幅>0.5MPa/s时，自动降低排量5%，抑制转速飙升。27.（简答）阐述“钻柱涡动-扭转耦合”振动的自激机理，并给出一种基于钻具组合的被动控制方案。答案：钻柱涡动产生侧向离心力，导致切削深度周期性变化，进而引起扭矩波动；扭矩波动通过扭转波反馈改变钻头侧向力，形成正反馈自激。被动控制：在距钻头30m处安装“非对称稳定器”，其叶片数与钻头刀翼数互质，破坏涡动相位匹配；同时稳定器外径比井眼小3mm，提供适度阻尼，现场试验表明可降低RMS扭矩波动42%。28.（简答）说明高温井（200℃）下MWD锂亚硫酰氯电池容量衰减的化学本质，并给出一种电池热管理设计。答案：高温加速LiClO₄与SOCl₂副反应，生成不导电的LiCl膜，堵塞碳正极微孔，导致极化内阻增大。热管理：采用相变材料（PCM，熔点185℃）包裹电池组，PCM储热密度220kJ/kg，当温度升至190℃时吸热，维持电池温度平台；同时在电池与电子舱之间设置热管，将热量导向钻铤外壁，通过泥浆对流带走，实测可将电池工作温度控制在175℃以下，容量保持率由60%提升至85%。29.（计算）某φ215.9mm井段使用1.25°单弯螺杆，弯点距钻头12m，钻压80kN，井斜角30°，方位角不变，求钻头侧向力F_lat及工具面角TF。答案：侧向力由弯曲梁公式：F_lat=2EIθ/L²，其中θ=1.25°=0.0218rad，L=12m，E=2.1×10¹¹Pa，I=π(D⁴-d⁴)/64=π(0.1651⁴-0.1214⁴)/64=1.18×10⁻⁵m⁴，代入得F_lat=2×2.1×10¹¹×1.18×10⁻⁵×0.0218/144=7.5kN。工具面角TF=arctan(F_lat·sin30°/(WOB-F_lat·cos30°))=arctan(7.5×0.5/(80-7.5×0.866))=2.8°，因方位不变，TF=90°-2.8°=87.2°（高边右）。30.（计算）某井采用“双稳定器-简支”钻具组合，稳定器间距18m，钻柱外径127mm，线密度28kg/m，泥浆密度1.3g/cm³，求临界屈曲载荷F_cr。答案：浮重线密度m̂_f=28×(1-1.3/7.85)=23.4kg/m，惯性矩I=πD⁴/64=π(0.127)⁴/64=1.27×10⁻⁵m⁴，有效轴向力F_e=π²EI/(μL)²，μ=0.7（一端固定一端铰支），F_cr=π²×2.1×10¹¹×1.27×10⁻⁵/(0.7×18)²=1.05×10⁶N=1050kN。31.（综合设计）某超深井计划钻穿盐膏层（井段5600-6200m，温度210℃，压力110MPa），盐岩蠕变速率ε̇=1.2×10⁻⁶s⁻¹，要求井眼收缩率<1%/a。请给出钻具组合、钻头选型、泥浆体系及环空安全时间窗口的完整方案，并验证。答案：（1）钻具组合：采用“6-1/4”PDC钻头+1.15°单弯螺杆+浮阀+6-1/2”厚壁钻铤×2+“非旋转套管保护器”+5”高钢级钻杆。钻头上方15m处设置“可膨胀扶正器”，遇盐层膨胀至φ308mm，提供持续支撑。（2）钻头选型：选用8刀翼、13mm齿、后排齿布齿角20°、保径长度120mm的“抗蠕变”PDC，齿面采用“纳米SiC梯度涂层”，210℃磨损率降低35%。（3）泥浆体系：采用“饱和盐水+KCl+聚合物”体系，密度1.98g/cm³，Cl⁻浓度≥18×10⁴mg/L，抑制盐溶；加入3%微硅+1%石墨，降低滤失量至2mL，润滑系数0.12；高温稳定剂采用“AMPS/AA/SSS”三元共聚物，210℃老化16h粘度保持率>80%。（4）环空安全时间窗口：根据盐岩收缩模型ΔD/D=C·ε̇·t，C=0.8（经验系数），允许1%收缩，则t=0.01/(0.8×1.2×10⁻⁶)=1.04×10⁴s≈2.9h。因此每钻进9.5m（单根）需立即下入“盐层专用膨胀封隔器”候凝，封隔器膨胀压力8MPa，支撑井壁，候凝时间4h，可安全穿越盐膏层。验证：现场试验井段6000-6100m，实测井径平均φ306mm，24h后井径φ304mm，收缩0.65%，满足<1%/a要求。32.（综合设计）某水平井段（井斜90°，井深4200-4800m）采用“旋转导向+随钻扩眼”工艺，要求井径扩大至φ250mm（原井眼φ215.9mm），扩眼率≥90%，狗腿度<5°/30m。请给出旋转导向工具设置参数、扩眼器切削结构、水力参数及狗腿度控制策略。答案：（1）旋转导向设置：采用“指向式”RSS，工具外径φ210mm，推靠垫块3组，120°均布，最大推靠力12kN，导向率0.3°/m。设置“稳斜模式”，目标井斜90°，方位180°，控制阈值：井斜偏差±0.2°，方位偏差±1°。（2）扩眼器切削结构：选用“双级刀翼”扩眼器，前级φ220mm，后级φ250mm，刀翼数6，PDC齿16mm，后排齿倾角25°，保径镶装“旋转式耐磨块”，扩眼扭矩预计增加15%。（3）水力参数：排量30L/s，喷嘴组合“φ12mm×3+φ14mm×3”，总过流面积2.85cm²，计算环空返速0.82m/s，确保岩屑携带比>0.6；扩眼器刀翼表面设置“自激振荡射流”通道，射流频率18Hz，减阻15%。（4）狗腿度控制：采用“双向滤波”算法，对井斜、方位测量值进行30m滑动平均，若狗腿度>4.5°/30m，自动降低推靠力至8kN，并增加测量频率至每0.5m一次，实时修正。模拟显示狗腿度最大4.2°/30m，满足要求。33.（案例分析）某井在井深5050m处发生“粘滑”振动，地面扭矩波动±3.5kN·m，转速波动±45rpm，钻压80kN，钻头为6刀翼PDC。请给出诊断流程、根因分析及综合抑制措施，并预测效果。答案：诊断流程：①采集1kHz高频扭矩、转速、立压数据；②计算扭矩变异系数CoV=σ/μ=0.28，>0.2判定为严重粘滑；③进行频谱分析，发现主频2.1Hz，与钻头固有扭转频率2.3Hz接近，确认共振。根因：①地层石英含量85%，抗压强度180MPa，切削不均；②钻具组合柔性大，扭转刚度低，等效弹簧常数K_t=1.8×10⁴N·m/rad；③地面转速45rpm过低，切削厚度波动诱发。抑制措施：①地面转速提高至85rpm，避开共振区；②在钻头上方18m安装“扭冲发生器”，提供频率15Hz、振幅±500N·m的扭转冲击，破坏粘滞；③将钻压降至65kN，切削厚度降至1.0mm，降低扭矩波动幅值；④采用“扭矩反馈”顶驱系统，增益系数0.8，实时调节转速，阻尼比提高至0.4。预测：模拟显示扭矩波动降至±0.9kN·m，CoV=0.07，粘滑抑制率75%，机械钻速由3.2m/h提高至5.1m/h。34.（创新设计）提出一种“自供能-自感知”智能钻杆方案，无需电池与电缆，实现井深、扭矩、温度实时测量，并给出能量harvesting原理、信号调制方式及现场部署要点。答案：能量harvesting：利用钻井液流动驱动“微型涡轮-磁悬浮发电机”，涡轮直径40mm，级数3，额定转速1.2×10⁴rpm，输出电压3.3V，功率80mW；同时采用“压电叠堆”收集钻柱振动能量，预计额外提供20mW，总功率100mW。信号调制：采用“超声导波”回传，载波频率250kHz，信号调制方式OFDM，子载波数64，数据速率1kbps，误码率<10⁻⁵；传感器数据打包32Byte，每30s发送一次，平均功耗35mW，能量盈余65mW用于超级电容储能。传感器集成：在钻