钻井钻柱

1钻柱2第三章钻柱（1）钻柱由不同的部件组成：方钻杆、钻杆、钻铤、稳定器及接头。（5）钻柱的各个不同组成部分的连接，借助钻杆接头或配合接头。（2）方钻杆的作用是将地面转盘的功率传递给钻杆，以带动钻头旋转；（3）钻杆的作用是将地面功率传递给钻头；（4）钻铤位于钻杆与钻头之间，用于施加钻压；3第三章钻柱钻具组合Φ215.9mm钻头+Φ214mm稳定器+Φ165mm箭形回压凡尔+Φ165mm短钻铤×1根+Φ214mm稳定器+Φ165mm钻铤×1根+Φ214mm稳定器+Φ165mm双向减震器+Φ165mm钻铤×1根+Φ165旁通阀+Φ165mm钻铤×21根+Φ165mm投入式止回阀+Φ127mm180斜坡钻杆名称外径mm内径mm推荐长度m单位重量N/m段重kN累重kN方钻杆方入133.482.61008.90备注：①方钻杆配上、下旋塞。②180斜坡钻杆不带标识槽。钻杆127108.63078322.10991.431258.82投入式止回阀16584.00.81214.300.97267.39钻铤16571.4189.01214.30229.51266.42旁通阀1650.41214.300.4936.91钻铤16571.49.01214.3010.9336.42双向减震器16571.45.21214.306.3125.49稳定器21471.41.51214.301.8219.18钻铤16571.49.01214.3010.9317.36稳定器21471.41.51214.301.826.43钻铤16571.41.51214.301.824.61箭形回压凡尔16583.00.81214.300.972.79近钻头稳定器21471.41.51214.301.821.82钻头215.90.343.1钻柱的工作状态及受力分析3.1.1钻柱的工作状态（1）在起下钻时，整个钻柱处于悬持状态，钻柱处于受拉伸状态。（2）在钻进时，部分钻柱的重量作为钻压，下部钻柱受压缩。53.1钻柱的工作状态及受力分析3.1.1钻柱的工作状态钻进钻柱受压状态：④旋转钻井所用的钻压一般都超过钻铤的一次弯曲临界钻压。①钻柱第一次弯曲；②钻柱第二次弯曲；③钻柱的第三次弯曲或更多次弯曲；图3-1钻柱受压弯曲示意图63.1钻柱的工作状态及受力分析3.1.1钻柱的工作状态（3）钻柱由于旋转产生的离心力。①离心力的作用加剧下部钻柱的弯曲，使弯曲半波长度缩短。②钻柱轴线呈变节距的空间螺旋弯曲曲线形状。73.1钻柱的工作状态及受力分析3.1.1钻柱的工作状态（4）钻柱旋转运动4种形式①钻柱围绕自身弯曲轴线旋动；②钻柱围绕井眼轴线旋转并沿着井壁滑动；③钻柱围绕井眼轴线旋转，沿着井壁反向滚动；④整个钻柱或部分钻柱作无规则的旋转摆动。83.1钻柱的工作状态及受力分析3.1.2钻柱的受力分析（1）轴向拉力和压力①钻柱在井下受的主要作用力是由钻柱自重引起的轴向拉力。压拉(-)(+)0N1（A）压拉(-)(+)0N24Z3（B）图3-2钻柱的轴向拉力和压力（A）井内无流体（B）井内有流体1.轴向拉应力线；2.轴向应力线；3.静液柱压力线；4.假定减去浮重的拉应力线93.1钻柱的工作状态及受力分析3.1.2钻柱的受力分析（1）轴向拉力和压力②在钻柱最下部端面上还受到静液柱压力的作用，向上的浮力压拉(-)(+)0N1（A）压拉(-)(+)0N24Z3（B）图3-2钻柱的轴向拉力和压力（A）井内无流体（B）井内有流体1.轴向拉应力线；2.轴向应力线；3.静液柱压力线；4.假定减去浮重的拉应力线103.1钻柱的工作状态及受力分析3.1.2钻柱的受力分析（1）轴向拉力和压力③在钻进时，部分钻柱重量下放到井底作为钻压压拉(-)(+)0NP（D）2Z3图3-2钻柱的轴向拉力和压力压拉(-)(+)0N2P（C）1（c）井内无流体钻柱下放的情况（D）井内有流体钻柱下放的情况1.轴向拉应力线；2.轴向应力线；3.静液柱压力线；4.假定减去浮重的拉应力线113.1钻柱的工作状态及受力分析3.1.2钻柱的受力分析（1）轴向拉力和压力④轴向应力线与静液柱压力线的交点称为“中和点”。压拉(-)(+)0NP（D）2Z3图3-2钻柱的轴向拉力和压力压拉(-)(+)0N2P（C）1（c）井内无流体钻柱下放的情况（D）井内有流体钻柱下放的情况1.轴向拉应力线；2.轴向应力线；3.静液柱压力线；4.假定减去浮重的拉应力线123.1钻柱的工作状态及受力分析3.1.2钻柱的受力分析（1）轴向拉力和压力中和点位置fsqqPN由于把部分钻柱的重量施加给钻头，因此下部钻柱受压力，上部钻柱受拉力，而且愈靠近井口，拉力愈大，愈靠近井底，压力愈大。133.1钻柱的工作状态及受力分析3.1.2钻柱的受力分析（2）弯曲力矩①在正常钻进时，下部钻柱受压弯曲而受到弯曲力矩的作用。②在井眼偏斜段，钻柱也受到弯曲力矩的作用。③弯曲钻柱的旋转使钻柱内产生交变弯曲应力。143.1钻柱的工作状态及受力分析3.1.2钻柱的受力分析（3）离心力当钻柱绕井眼轴线公转时产生离心力，促使钻柱发生弯曲。（4）扭矩扭矩在井口处最大，向下随着能量的消耗，在井底处钻柱所受的扭矩最小。（5）纵向振动当纵向振动的周期和钻柱本身固有的振动周期相同或成倍数时，就产生共振现象，振幅急剧加大，通常称为“跳钻”。153.1钻柱的工作状态及受力分析3.1.2钻柱的受力分析（6）扭转振动当井底对钻头旋转的阻力不断变化时，会引起钻柱的扭转振动，因而产生交变剪应力。特别是使用刮刀钻头钻软硬交错地层时，钻柱的扭转振动最为严重。（7）动载起下钻作业中，由于钻柱运动速度的变化会引起纵向动载，因而在钻柱中产生间歇的纵向应力变化。这主要和操作状况有关。163.1钻柱的工作状态及受力分析3.1.2钻柱的受力分析钻柱受力严重部位：①钻进时钻柱的下部受力最为严重。②钻进时和起下钻时，井口处钻柱受力复杂。③纵向振动的存在，中和点附近的钻柱就受到交变载荷作用。173.2钻井过程中各种应力的计算3.2.1钻柱轴向应力的计算1）钻柱上部拉应力的计算（1）钻柱在泥浆中空悬时在井口处钻柱横截面所受泥浆浮力B等于4m10LFB井口断面以下钻柱在空气中的重量Q等于4s10LFQ183.2钻井过程中各种应力的计算3.2.1钻柱轴向应力的计算1）钻柱上部拉应力的计算（1）钻柱在泥浆中空悬时井口横截面所受拉力负荷smsmsQLFBQQ110)1(40fKQQ0钻柱在液体中的重量等于钻柱在空气中的重量乘以浮力减轻系数，这种计算浮力的方法称为“浮力系数法”。193.2钻井过程中各种应力的计算3.2.1钻柱轴向应力的计算1）钻柱上部拉应力的计算（1）钻柱在泥浆中空悬时井口钻柱截面的拉应力应为40t10FKQFQf图3-3井下钻柱某点的拉力计算图L0aaLB4t10FBQa203.2钻井过程中各种应力的计算3.2.1钻柱轴向应力的计算1）钻柱上部拉应力的计算（1）钻柱在泥浆中空悬时F2F2F1F1F3B=F1-F2-F3图3-4钻柱浮力计算示意图对于非单一尺寸的钻柱（如钻铤加钻杆），其浮力是液柱静压垂直作用在管柱裸露肩部及端面上的作用力的合力。213.2钻井过程中各种应力的计算3.2.1钻柱轴向应力的计算1）钻柱上部拉应力的计算（2）钻进时由于钻柱一部分重量用作钻压，且在底端受到泥浆浮力的作用，因此拉应力为4t10PFBQ223.2钻井过程中各种应力的计算3.2.1钻柱轴向应力的计算1）钻柱上部拉应力的计算（3）起钻时4dfat10QFQBQQtgvQd233.2钻井过程中各种应力的计算3.2.1钻柱轴向应力的计算1）钻柱上部拉应力的计算（4）斜井中如果井斜角较大，钻柱与井壁的摩擦力大为增加。井口处所受拉应力的公式为411t101dfniccciidQKKLqKLqKF在以上公式中，起钻时取正号，而下钻时则取负号。在直井中，Ki=Kn=1.0。243.2钻井过程中各种应力的计算3.2.1钻柱轴向应力的计算1）钻柱上部拉应力的计算（5）在井下动力钻井时钻柱所受拉力负荷主要由钻柱自重、井底动力机重量加上循环液体时的水力载荷所形成40h10FPPQbt411it10q1hfnaicciidQKKQLqKLKF253.2钻井过程中各种应力的计算3.2.1钻柱轴向应力的计算2）钻柱下部压应力的计算（1）在钻柱空悬或小钻压钻柱仍能保持直线状态的情况下，泥浆浮力是集中作用在钻柱最下部端面上，此时钻柱最下端所受的压应力为4c10FBp263.2钻井过程中各种应力的计算3.2.1钻柱轴向应力的计算2）钻柱下部压应力的计算（2）当钻压已超过弯曲临界值钻柱发生弯曲近似地认为泥浆浮力是沿着该部分钻柱长度均匀分布的，其作用将是使下部钻柱单位长度的重量减少。这样，钻柱最下端的压应力仅与钻压有关。4c10FP273.2钻井过程中各种应力的计算3.2.2钻柱剪应力的计算整个钻柱都受有扭矩作用，因此在钻柱每个横截面上都产生剪应力。正常钻进时，钻柱所受的扭矩取决于转盘传给钻柱的功率。bsNNNmN,)(95499549nNNnNMbsMPa,)(9549nbsnWnNNWM)1(16443cneidddW283.2钻井过程中各种应力的计算3.2.2钻柱剪应力的计算bsNNN（1）钻柱空转所需功率kW,106.472sLndCNem直井时：C=18.8×10－5；井斜角25时：C=48×10－5；15时：C=38.5×10－5；6时：C=3l×10－5。293.2钻井过程中各种应力的计算3.2.2钻柱剪应力的计算bsNNN（1）钻头破碎岩石所需功率①牙轮钻头钻进时kW,1017.32303.1bDnpN②刮刀钻头钻进时kW,100785.03bpDnN303.2钻井过程中各种应力的计算3.2.2钻柱剪应力的计算钻柱被卡时的扭矩和剪应力：Ds20222JgLJT022GJLMUgLJGJLM22pg2p28max10gGJMgp6Demaxnmaxmax102JdMWM313.2钻井过程中各种应力的计算3.2.3钻柱弯曲应力的计算（1）钻柱的弯曲应力在钻柱上部是由离心力引起的；（2）在钻柱的下部则由钻柱受压弯曲和离心力共同作用引起的；22Vz2c10LEJP2Vz26zib1010LEJWMm2z2V3025.225.00.593.9qnJzznL323.2钻井过程中各种应力的计算3.2.4钻柱抗挤计算（1）在中途测试过程中，由于钻柱内空，而管外有泥浆液柱的压力；（2）在测试完毕上提钻柱，下部钻柱就同时受到外挤和拉伸的联合作用；（3）需要对钻柱抗挤强度进行校核。333.2钻井过程中各种应力的计算3.2.4钻柱抗挤计算1）外挤压力的确定图3-5钻柱受外挤压力情况HL123（a）（b）l-钻井液；2-地层流体；3-最大挤压力处mocHPfmocLHHP343.2钻井过程中各种应力的计算3.2.4钻柱抗挤计算2）钻柱抗挤强度的确定图3-6双轴线应力图0102030405060708090100102030405060708090100（%）CB100100100100（%）拉伸和外挤压缩和外挤CAB点：拉应力为平均屈服极限的11.2％时抗挤强度降低至94％ts(%)cccPPts(%)cccPP353.2钻井过程中各种应力的计算3.2.4钻柱抗挤计算3）安全系数的确定为了保证下部钻柱的工作安全，钻柱所受外挤压力Poc；只能小于钻柱抗挤强度Pcc一般其它安全系数n0不能小于1.125。125.1onPPoccc363.3深井钻柱的设计3.3.1钻柱设计的强度条件一般以钻柱在泥浆中空悬时的情