鉆柱與下部鉆具組合設(shè)計(jì)

1、鉆柱與下部鉆具組合設(shè)計(jì) 鉆具組合鉆具組合一、鉆柱設(shè)計(jì)與計(jì)算一、鉆柱設(shè)計(jì)與計(jì)算（一）鉆柱尺寸選擇（一）鉆柱尺寸選擇 （二）鉆鋌長(zhǎng)度的確定（二）鉆鋌長(zhǎng)度的確定（三）鉆桿強(qiáng)度設(shè)計(jì)（三）鉆桿強(qiáng)度設(shè)計(jì)二、下部鉆具組合設(shè)計(jì)二、下部鉆具組合設(shè)計(jì)（一）（一）YXY組合的結(jié)構(gòu)組合的結(jié)構(gòu) （三）增斜鉆具組合設(shè)計(jì)（三）增斜鉆具組合設(shè)計(jì)（二）鐘擺鉆具組合設(shè)計(jì)（二）鐘擺鉆具組合設(shè)計(jì) 一、鉆柱設(shè)計(jì)與計(jì)算一、鉆柱設(shè)計(jì)與計(jì)算 合理的鉆柱設(shè)計(jì)是確保優(yōu)質(zhì)、快速、安全鉆井的合理的鉆柱設(shè)計(jì)是確保優(yōu)質(zhì)、快速、安全鉆井的重要條件。尤其是對(duì)深井鉆井，鉆柱在井下的工重要條件。尤其是對(duì)深井鉆井，鉆柱在井下的工作條件十分復(fù)雜與惡劣，鉆柱設(shè)計(jì)就顯

2、得更加重作條件十分復(fù)雜與惡劣，鉆柱設(shè)計(jì)就顯得更加重要。要。 鉆柱設(shè)計(jì)包括鉆柱尺寸選擇和強(qiáng)度設(shè)計(jì)兩方面內(nèi)鉆柱設(shè)計(jì)包括鉆柱尺寸選擇和強(qiáng)度設(shè)計(jì)兩方面內(nèi)容。在設(shè)計(jì)中，一般遵循以下兩個(gè)原則：容。在設(shè)計(jì)中，一般遵循以下兩個(gè)原則： 滿(mǎn)足強(qiáng)度（抗拉強(qiáng)度、抗擊強(qiáng)度等）要求，保證滿(mǎn)足強(qiáng)度（抗拉強(qiáng)度、抗擊強(qiáng)度等）要求，保證鉆柱安全工作；鉆柱安全工作； 盡量減輕整個(gè)鉆柱的重力，以便在現(xiàn)有的抗負(fù)荷盡量減輕整個(gè)鉆柱的重力，以便在現(xiàn)有的抗負(fù)荷能力下鉆更深的井。能力下鉆更深的井。（一）（一）鉆柱尺寸選擇鉆柱尺寸選擇 具體對(duì)一口井而言，鉆柱尺寸的選擇首具體對(duì)一口井而言，鉆柱尺寸的選擇首先取決于鉆頭尺寸和鉆機(jī)的提升能力。同先取決

3、于鉆頭尺寸和鉆機(jī)的提升能力。同時(shí)，還要考慮每個(gè)地區(qū)的特點(diǎn)，如地質(zhì)條時(shí)，還要考慮每個(gè)地區(qū)的特點(diǎn)，如地質(zhì)條件、井身結(jié)構(gòu)、鉆具供應(yīng)及防斜措施等。件、井身結(jié)構(gòu)、鉆具供應(yīng)及防斜措施等。常用的鉆頭尺寸和鉆柱尺寸配合列于表常用的鉆頭尺寸和鉆柱尺寸配合列于表1供供參考。參考。表1 鉆頭尺寸與鉆柱尺寸配合鉆頭直徑/mm(in)鉆鋌外徑/mm(in)鉆桿外徑/mm(in)方鉆桿方寬/mm(in)299(113/4)203(8)168(65/8)152(6)248299(93/4113/4)178203(78)140(51/2)133,152(51/4,6)197248(73/493/4)152178(67)114

4、,127(41/2,5)108,133(41/4,51/4)146216(53/481/2)146(53/4)89(31/2)89,108(31/2,41/4) 從上表可以看出，一種尺寸的鉆頭可以從上表可以看出，一種尺寸的鉆頭可以使用兩種尺寸的鉆具，具體選擇就要依據(jù)使用兩種尺寸的鉆具，具體選擇就要依據(jù)實(shí)際條件。選擇的基本原則是：實(shí)際條件。選擇的基本原則是： 1.鉆桿由于受到扭矩和拉力最大，在供鉆桿由于受到扭矩和拉力最大，在供應(yīng)可能的情況下，應(yīng)盡量選用大尺寸方鉆應(yīng)可能的情況下，應(yīng)盡量選用大尺寸方鉆桿。桿。2.鉆機(jī)提升能力允許的情況下，選擇大尺寸鉆桿是鉆機(jī)提升能力允許的情況下，選擇大尺寸鉆桿是有利

5、的。因?yàn)榇蟪叽玢@桿強(qiáng)度大，水眼大，鉆井有利的。因?yàn)榇蟪叽玢@桿強(qiáng)度大，水眼大，鉆井液流動(dòng)阻力小，且由于環(huán)空較小，鉆井液上返速液流動(dòng)阻力小，且由于環(huán)空較小，鉆井液上返速度高，有利于攜帶巖屑。入境的鉆柱結(jié)構(gòu)力求簡(jiǎn)度高，有利于攜帶巖屑。入境的鉆柱結(jié)構(gòu)力求簡(jiǎn)單，以便于起下鉆操作。國(guó)內(nèi)各油田目前大都用單，以便于起下鉆操作。國(guó)內(nèi)各油田目前大都用127mm(5 in)鉆桿。鉆桿。3.鉆鋌尺寸決定著井眼的有效直徑，為了保證所鉆鉆鋌尺寸決定著井眼的有效直徑，為了保證所鉆井眼能使套管或套銑筒的順利下入，鉆鋌中最下井眼能使套管或套銑筒的順利下入，鉆鋌中最下部一段（一般應(yīng)不少一立柱）的外徑應(yīng)不小于允部一段（一般應(yīng)不少一

6、立柱）的外徑應(yīng)不小于允許最小外徑，其允許最小鉆鋌外徑為許最小外徑，其允許最小鉆鋌外徑為 允許最小鉆鋌外徑允許最小鉆鋌外徑2套管接箍外徑鉆頭直套管接箍外徑鉆頭直徑徑 當(dāng)鉆鋌柱中采用了穩(wěn)定器，可以選用稍小外當(dāng)鉆鋌柱中采用了穩(wěn)定器，可以選用稍小外徑的鉆鋌。鉆鋌柱中選用的最大外徑鉆鋌應(yīng)以保徑的鉆鋌。鉆鋌柱中選用的最大外徑鉆鋌應(yīng)以保證在可能發(fā)生的打撈作業(yè)中能夠被套銑為前提。證在可能發(fā)生的打撈作業(yè)中能夠被套銑為前提。 在大于的井眼中，應(yīng)采用復(fù)合鉆鋌結(jié)構(gòu)。但在大于的井眼中，應(yīng)采用復(fù)合鉆鋌結(jié)構(gòu)。但相鄰兩段鉆鋌的外徑一般以不超過(guò)為宜。相鄰兩段鉆鋌的外徑一般以不超過(guò)為宜。 4鉆鋌尺寸一般選用與鉆桿接頭外徑相等或相

7、鉆鋌尺寸一般選用與鉆桿接頭外徑相等或相近的尺寸，有時(shí)根據(jù)防斜措施來(lái)選用鉆鋌的直徑。近的尺寸，有時(shí)根據(jù)防斜措施來(lái)選用鉆鋌的直徑。近些年來(lái)，在下部鉆具組合中更多的使用大直徑近些年來(lái)，在下部鉆具組合中更多的使用大直徑鉆鋌，因?yàn)槭褂么笾睆姐@鋌具有下列優(yōu)點(diǎn)：鉆鋌，因?yàn)槭褂么笾睆姐@鋌具有下列優(yōu)點(diǎn)：1）用較少的鉆鋌滿(mǎn)足所需鉆壓的要求，減少）用較少的鉆鋌滿(mǎn)足所需鉆壓的要求，減少鉆鋌，也可減少起下鉆時(shí)連接鉆鋌的時(shí)間；鉆鋌，也可減少起下鉆時(shí)連接鉆鋌的時(shí)間；2）高了鉆頭附近鉆柱的剛度，有利于改善鉆）高了鉆頭附近鉆柱的剛度，有利于改善鉆頭工況；頭工況；3）鋌和井壁的間隙較小，可減少連接部分的）鋌和井壁的間隙較小，可減

8、少連接部分的疲勞破壞；疲勞破壞；4）利于放斜。）利于放斜。（二）鉆鋌長(zhǎng)度的確定（二）鉆鋌長(zhǎng)度的確定 鉆鋌長(zhǎng)度取決于鉆壓與鉆鋌尺寸，其確定原則鉆鋌長(zhǎng)度取決于鉆壓與鉆鋌尺寸，其確定原則是：保證在最大鉆壓時(shí)鉆桿不承受壓縮載荷，即是：保證在最大鉆壓時(shí)鉆桿不承受壓縮載荷，即保持中性點(diǎn)始終處在鉆鋌上。由（保持中性點(diǎn)始終處在鉆鋌上。由（2-7）式可得）式可得鉆鋌長(zhǎng)度計(jì)算公式：鉆鋌長(zhǎng)度計(jì)算公式： LC =( SN Wmax)/qcKBcos式中：式中：LC 鉆鋌長(zhǎng)度，鉆鋌長(zhǎng)度，m； Wmax 設(shè)計(jì)的最大鉆壓，設(shè)計(jì)的最大鉆壓，kN ； SN 安全系數(shù)，防止遇到意外附加力（動(dòng)載、井壁摩擦力安全系數(shù)，防止遇到意外附

9、加力（動(dòng)載、井壁摩擦力等）時(shí)，中性點(diǎn)移到較弱的鉆桿上，一般??；等）時(shí)，中性點(diǎn)移到較弱的鉆桿上，一般??； qc每米鉆鋌在空氣中的重力，每米鉆鋌在空氣中的重力，kN/m； KB浮力系數(shù)；浮力系數(shù)； 井斜角度數(shù)，直井時(shí)，井斜角度數(shù)，直井時(shí)，= 0o（三）鉆桿強(qiáng)度設(shè)計(jì)（三）鉆桿強(qiáng)度設(shè)計(jì) 由鉆柱的受力分析可知，不論是在起下鉆還由鉆柱的受力分析可知，不論是在起下鉆還是在正常鉆進(jìn)時(shí)，經(jīng)常作用于鉆桿且數(shù)值較大的是在正常鉆進(jìn)時(shí)，經(jīng)常作用于鉆桿且數(shù)值較大的力是拉力。而且，井越深，鉆桿柱越長(zhǎng)，鉆桿柱力是拉力。而且，井越深，鉆桿柱越長(zhǎng)，鉆桿柱上部受到的拉力越大。但對(duì)某種尺寸和鋼級(jí)的鉆上部受到的拉力越大。但對(duì)某種尺寸和

10、鋼級(jí)的鉆桿，其抗拉強(qiáng)度是一定的，即按抗拉強(qiáng)度確定其桿，其抗拉強(qiáng)度是一定的，即按抗拉強(qiáng)度確定其可下深度。在一些特殊作業(yè)（如可下深度。在一些特殊作業(yè)（如 鉆桿測(cè)試等）鉆桿測(cè)試等）中，也需要對(duì)抗擠及抗內(nèi)壓強(qiáng)度進(jìn)行校核。中，也需要對(duì)抗擠及抗內(nèi)壓強(qiáng)度進(jìn)行校核。 在以抗拉伸計(jì)算為主的鉆桿柱強(qiáng)度設(shè)計(jì)中，在以抗拉伸計(jì)算為主的鉆桿柱強(qiáng)度設(shè)計(jì)中，主要考慮由鉆柱重力（浮重）引起的靜拉載荷，主要考慮由鉆柱重力（浮重）引起的靜拉載荷，其他一些載荷（如動(dòng)載、摩擦力、卡瓦擠壓力的其他一些載荷（如動(dòng)載、摩擦力、卡瓦擠壓力的影響及解卡上提力等）通過(guò)一定的設(shè)計(jì)系數(shù)考影響及解卡上提力等）通過(guò)一定的設(shè)計(jì)系數(shù)考慮）。慮）。 1鉆桿設(shè)計(jì)

11、的強(qiáng)度條件鉆桿設(shè)計(jì)的強(qiáng)度條件 鉆桿柱任一截面上的靜拉伸載荷應(yīng)滿(mǎn)足以下條件：鉆桿柱任一截面上的靜拉伸載荷應(yīng)滿(mǎn)足以下條件： Ft Fa式中：式中： Ft鉆桿柱任一截面上的靜拉伸載荷，鉆桿柱任一截面上的靜拉伸載荷，kN； Fa鉆桿柱的最大安全靜拉力，鉆桿柱的最大安全靜拉力，kN。 鉆桿柱所能承受的最大安全靜拉力的大小取決鉆桿柱所能承受的最大安全靜拉力的大小取決于鉆桿材料的屈服強(qiáng)度、鉆桿尺寸以及鉆柱的實(shí)于鉆桿材料的屈服強(qiáng)度、鉆桿尺寸以及鉆柱的實(shí)際工作條件。際工作條件。 1）鉆桿在屈服強(qiáng)度下的抗拉力）鉆桿在屈服強(qiáng)度下的抗拉力Fy：鉆桿所：鉆桿所承受的拉伸載荷必須小于鉆桿材料的屈服承受的拉伸載荷必須小于鉆

12、桿材料的屈服強(qiáng)度下的抗拉力強(qiáng)度下的抗拉力Fy：yAp 式中：式中：y鉆桿鋼材的最小屈服強(qiáng)度，鉆桿鋼材的最小屈服強(qiáng)度，Mpa； Ap鉆桿的橫截面積，鉆桿的橫截面積，cm2； Fy最小屈服強(qiáng)度下的抗拉力，最小屈服強(qiáng)度下的抗拉力，kN。Fy可以計(jì)算，也可以從表中查出?？梢杂?jì)算，也可以從表中查出。 2）鉆桿的最大允許拉伸力）鉆桿的最大允許拉伸力Fp：如果鉆桿所：如果鉆桿所受拉伸載荷達(dá)到受拉伸載荷達(dá)到Fy時(shí)，材料將發(fā)生屈服而時(shí)，材料將發(fā)生屈服而產(chǎn)生輕微的永久伸長(zhǎng)。為了避免這種情況產(chǎn)生輕微的永久伸長(zhǎng)。為了避免這種情況的發(fā)生，一般取的發(fā)生，一般取Fy的的90%作為鉆桿的最大作為鉆桿的最大允許拉伸力允許拉伸力

13、Fp，即：，即： 式中：式中：Fp鉆桿的最大允許拉伸力，鉆桿的最大允許拉伸力，kN。 3）鉆桿的最大安全靜拉力）鉆桿的最大安全靜拉力Fa：最大安全：最大安全靜拉力是指允許鉆桿所承受的由鉆柱重力靜拉力是指允許鉆桿所承受的由鉆柱重力（浮重）引起的最大載荷。考慮到其他一（浮重）引起的最大載荷?？紤]到其他一些拉伸拉伸載荷，如起下鉆時(shí)的動(dòng)載及摩些拉伸拉伸載荷，如起下鉆時(shí)的動(dòng)載及摩擦力、解卡上提立及卡瓦擠壓的作用等，擦力、解卡上提立及卡瓦擠壓的作用等，鉆桿的最大安全靜拉力必須小于其最大允鉆桿的最大安全靜拉力必須小于其最大允許拉伸力，以確保安全。目前，用于確定許拉伸力，以確保安全。目前，用于確定鉆桿的最大安

14、全靜拉力的方法有三種：鉆桿的最大安全靜拉力的方法有三種： 一是安全系數(shù)法?？紤]起下鉆時(shí)的動(dòng)載一是安全系數(shù)法?？紤]起下鉆時(shí)的動(dòng)載及摩擦力，一般取一個(gè)安全系數(shù)及摩擦力，一般取一個(gè)安全系數(shù)St，以保，以保證鉆柱的工作安全，即：證鉆柱的工作安全，即： Fa = Fp / St 式中：式中：St安全系數(shù)，一般取安全系數(shù)，一般取二是設(shè)計(jì)系數(shù)法（考慮卡瓦擠壓）。對(duì)于深井鉆二是設(shè)計(jì)系數(shù)法（考慮卡瓦擠壓）。對(duì)于深井鉆柱來(lái)說(shuō)，由于鉆柱重力大，當(dāng)它坐于卡瓦中時(shí)，柱來(lái)說(shuō)，由于鉆柱重力大，當(dāng)它坐于卡瓦中時(shí)，將受到很大的箍緊力。當(dāng)合成應(yīng)力（大于純拉伸將受到很大的箍緊力。當(dāng)合成應(yīng)力（大于純拉伸應(yīng)力）接近或達(dá)到材料的最小屈服

15、強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)應(yīng)力）接近或達(dá)到材料的最小屈服強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致卡瓦擠毀鉆桿。為了防止鉆桿被卡瓦擠毀，導(dǎo)致卡瓦擠毀鉆桿。為了防止鉆桿被卡瓦擠毀，要求鉆桿的屈服強(qiáng)度與拉伸應(yīng)力的比值不能小于要求鉆桿的屈服強(qiáng)度與拉伸應(yīng)力的比值不能小于一定數(shù)值，并以此值作為設(shè)計(jì)系數(shù)，確定鉆桿的一定數(shù)值，并以此值作為設(shè)計(jì)系數(shù)，確定鉆桿的最大安全靜拉力。最大安全靜拉力。 Fa= Fp1ty 式中：y鉆桿材料的屈服強(qiáng) 度，Mpa； t有懸掛在吊卡下面鉆柱重力引起的拉應(yīng)力，Mpa； Fp鉆桿的最大允許拉伸力，kN。 為便于應(yīng)用，現(xiàn)將為便于應(yīng)用，現(xiàn)將y/t比值計(jì)算結(jié)果列入比值計(jì)算結(jié)果列入表表2-22中，設(shè)計(jì)時(shí)可直接查表。中，設(shè)計(jì)時(shí)可

16、直接查表。 考慮卡瓦擠壓的影響，要限制鉆桿的拉伸載考慮卡瓦擠壓的影響，要限制鉆桿的拉伸載荷，使屈服強(qiáng)度荷，使屈服強(qiáng)度y與拉伸應(yīng)力與拉伸應(yīng)力t的比值不的比值不能小于表能小于表3中的數(shù)值，并以此值作為設(shè)計(jì)系中的數(shù)值，并以此值作為設(shè)計(jì)系數(shù)，確定鉆桿的最大安全靜拉力，即：數(shù)，確定鉆桿的最大安全靜拉力，即： 表3 防止卡瓦擠毀鉆桿的y/t比值卡瓦長(zhǎng)度/mm摩 擦系 數(shù)()橫 向負(fù) 載系 數(shù)(Ks)鉆桿尺寸/mm60.373.088.9104.6108.0127.0139.7最小比值(y/t)304.80.064.351.271.341.431.501.581.661.730.084.001.251.31

17、1.391.451.521.591.660.103.681.221.281.351.411.471.541.600.123.4216211.261.321.3816431.491.550.143.181.191.241.301.341.401.451.50406.40.064.361.201.241.301.361.411.471.520.084.001.181.221.281.321.371.421.470.103.681.161.201.251.291.341.381.430.123.421.151.181.231.271.311.351.390.143.181.141.171.211.2

18、51.281.321.365 注：摩擦系數(shù)用于正常潤(rùn)滑的情況。注：摩擦系數(shù)用于正常潤(rùn)滑的情況。三是拉力余量法?？紤]鉆柱被卡時(shí)的上體解三是拉力余量法?？紤]鉆柱被卡時(shí)的上體解卡力，鉆桿住的最大允許靜拉力應(yīng)小于其卡力，鉆桿住的最大允許靜拉力應(yīng)小于其最大安全拉伸力一個(gè)合適的數(shù)值，并以它最大安全拉伸力一個(gè)合適的數(shù)值，并以它作為余量，稱(chēng)為作為余量，稱(chēng)為“拉力余量拉力余量”（記為（記為MOP），以確保鉆柱不被拉斷。），以確保鉆柱不被拉斷。 Fa = FpMOP式中：式中：MOP拉力余量，一般取拉力余量，一般取200500 kN。 在采用拉力余量法設(shè)計(jì)鉆柱時(shí)，必須使在采用拉力余量法設(shè)計(jì)鉆柱時(shí)，必須使鉆柱每個(gè)斷

19、面上的拉力余量相同，這樣在鉆柱每個(gè)斷面上的拉力余量相同，這樣在提拉鉆柱時(shí)就不會(huì)因某個(gè)薄弱面影響和限提拉鉆柱時(shí)就不會(huì)因某個(gè)薄弱面影響和限制總的提拉載荷的大小。制總的提拉載荷的大小。 一般地，在鉆桿柱設(shè)計(jì)中，鉆桿的最大一般地，在鉆桿柱設(shè)計(jì)中，鉆桿的最大安全靜拉力取決于安全系數(shù)、設(shè)計(jì)系數(shù)和安全靜拉力取決于安全系數(shù)、設(shè)計(jì)系數(shù)和拉力余量三個(gè)因素。然后從三者中取最低拉力余量三個(gè)因素。然后從三者中取最低者作為最大安全靜拉力，據(jù)此計(jì)算鉆桿柱者作為最大安全靜拉力，據(jù)此計(jì)算鉆桿柱的最大允許長(zhǎng)度。的最大允許長(zhǎng)度。 2鉆桿柱設(shè)計(jì)鉆桿柱設(shè)計(jì) 1）單一鉆桿柱長(zhǎng)度設(shè)計(jì)。對(duì)同一尺寸、）單一鉆桿柱長(zhǎng)度設(shè)計(jì)。對(duì)同一尺寸、壁厚和鋼

20、級(jí)的鉆桿柱，我們可以計(jì)算出它壁厚和鋼級(jí)的鉆桿柱，我們可以計(jì)算出它的最大安全靜拉力的最大安全靜拉力Fa，從而算出該鉆桿柱，從而算出該鉆桿柱的最大允許長(zhǎng)度的最大允許長(zhǎng)度L。因?yàn)?。因?yàn)?Fa = （Lqp+Lcqc）KB 所以，最大允許長(zhǎng)度為：所以，最大允許長(zhǎng)度為： L =( Fa/ KB-Lcqc）/qp 式中: Fa鉆桿柱的最大安全靜拉力，kN； L鉆桿柱的最大允許長(zhǎng)度，m； qp單位長(zhǎng)度鉆桿在空氣中的重力，kN/m； Lc鉆鋌柱長(zhǎng)度，m； qc單位長(zhǎng)度鉆鋌在空氣中的重力，kN/m。 如果最大允許長(zhǎng)度L滿(mǎn)足不了設(shè)計(jì)井深的要求，則重新選擇更高一級(jí)的鉆桿進(jìn)行計(jì)算，直到滿(mǎn)足要求為止。 2）復(fù)合鉆桿柱長(zhǎng)

21、度設(shè)計(jì)。在深井和超深井鉆井）復(fù)合鉆桿柱長(zhǎng)度設(shè)計(jì)。在深井和超深井鉆井中，經(jīng)常采用復(fù)合鉆桿柱，即采用不同尺寸（上中，經(jīng)常采用復(fù)合鉆桿柱，即采用不同尺寸（上大下?。?，或不同壁厚（上厚下?。?、或不同鋼大下小），或不同壁厚（上厚下?。?、或不同鋼級(jí)（上高下低）的鉆桿組成的鉆桿柱。這種復(fù)合級(jí)（上高下低）的鉆桿組成的鉆桿柱。這種復(fù)合鉆桿柱和單一鉆桿柱相比具有很多優(yōu)點(diǎn)，它既能鉆桿柱和單一鉆桿柱相比具有很多優(yōu)點(diǎn)，它既能滿(mǎn)足強(qiáng)度要求，又能減輕鉆柱的重力，允許在一滿(mǎn)足強(qiáng)度要求，又能減輕鉆柱的重力，允許在一定鉆機(jī)負(fù)荷能力下鉆達(dá)更大的井深，如果再采用定鉆機(jī)負(fù)荷能力下鉆達(dá)更大的井深，如果再采用高強(qiáng)度鉆桿或鋁合金鉆桿，還可以

22、進(jìn)一步提高鉆高強(qiáng)度鉆桿或鋁合金鉆桿，還可以進(jìn)一步提高鉆柱的許下深度和鉆機(jī)的鉆井深度。柱的許下深度和鉆機(jī)的鉆井深度。 設(shè)計(jì)復(fù)合鉆桿柱時(shí)，應(yīng)自下而上逐段確定各段設(shè)計(jì)復(fù)合鉆桿柱時(shí)，應(yīng)自下而上逐段確定各段鉆桿的最大長(zhǎng)度。承載能力最低的鉆桿應(yīng)置于鉆鉆桿的最大長(zhǎng)度。承載能力最低的鉆桿應(yīng)置于鉆鋌之上，承載能力較強(qiáng)的鉆桿置于較弱鉆桿之上。鋌之上，承載能力較強(qiáng)的鉆桿置于較弱鉆桿之上。自鉆鋌上面第一段鉆桿起，各段鉆桿的最大長(zhǎng)度自鉆鋌上面第一段鉆桿起，各段鉆桿的最大長(zhǎng)度按以上公式計(jì)算：按以上公式計(jì)算： 注意：如果各段鉆桿的實(shí)際長(zhǎng)度不等于理論計(jì)注意：如果各段鉆桿的實(shí)際長(zhǎng)度不等于理論計(jì)算長(zhǎng)度，應(yīng)進(jìn)行修正。算長(zhǎng)度，應(yīng)進(jìn)行

23、修正。 3）抗外擠強(qiáng)度計(jì)算。有鉆柱受力分析知，鉆桿）抗外擠強(qiáng)度計(jì)算。有鉆柱受力分析知，鉆桿在鉆桿測(cè)試作業(yè)中承受很大的外擠力。此外，下在鉆桿測(cè)試作業(yè)中承受很大的外擠力。此外，下入帶回壓凡爾的鉆柱或下入噴嘴被堵塞的鉆頭時(shí)，入帶回壓凡爾的鉆柱或下入噴嘴被堵塞的鉆頭時(shí)，若為向鉆柱內(nèi)灌鉆井液，也會(huì)產(chǎn)生較大的外擠壓若為向鉆柱內(nèi)灌鉆井液，也會(huì)產(chǎn)生較大的外擠壓力，由于這些原因把鉆桿擊毀的情況并不少見(jiàn)。力，由于這些原因把鉆桿擊毀的情況并不少見(jiàn)。因此，為了避免鉆桿管體被擊毀，要求鉆桿柱某因此，為了避免鉆桿管體被擊毀，要求鉆桿柱某部位所受最大外擠壓力應(yīng)小于該處鉆桿的最小抗部位所受最大外擠壓力應(yīng)小于該處鉆桿的最小抗擠

24、強(qiáng)度。為安全起見(jiàn)，一般以一個(gè)適當(dāng)?shù)陌踩禂D強(qiáng)度。為安全起見(jiàn)，一般以一個(gè)適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù)去除鉆桿的最小抗擠強(qiáng)度作為其允許外擠壓力，數(shù)去除鉆桿的最小抗擠強(qiáng)度作為其允許外擠壓力，即：即： pca = p/Sc 式中：式中：pca鉆桿許用外擠壓力，鉆桿許用外擠壓力，Mpa； p 鉆桿的最小抗擠強(qiáng)度，鉆桿的最小抗擠強(qiáng)度，Mpa； Sc 安全系數(shù)，一般應(yīng)不小于。安全系數(shù)，一般應(yīng)不小于。4）抗扭強(qiáng)度。在鉆斜井、深井、擴(kuò)眼和處理卡鉆）抗扭強(qiáng)度。在鉆斜井、深井、擴(kuò)眼和處理卡鉆事故時(shí)，鉆桿受到的扭矩很大，抗扭強(qiáng)度計(jì)算也事故時(shí)，鉆桿受到的扭矩很大，抗扭強(qiáng)度計(jì)算也就顯得極其重要。就顯得極其重要。APIRP7G標(biāo)準(zhǔn)給出了

25、各種尺標(biāo)準(zhǔn)給出了各種尺寸、鋼級(jí)及不同級(jí)別鉆桿的抗扭強(qiáng)度數(shù)據(jù)。寸、鋼級(jí)及不同級(jí)別鉆桿的抗扭強(qiáng)度數(shù)據(jù)。在鉆井過(guò)程中，鉆桿承受的實(shí)際扭矩很難準(zhǔn)確計(jì)在鉆井過(guò)程中，鉆桿承受的實(shí)際扭矩很難準(zhǔn)確計(jì)算，可用下式近似估算：算，可用下式近似估算：式中：式中：M鉆桿承受的扭矩，鉆桿承受的扭矩，kNm； P是鉆柱旋轉(zhuǎn)所需的功率，是鉆柱旋轉(zhuǎn)所需的功率，kw； n轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速，r/min。應(yīng)特別注意的是，在一般情況下加于鉆桿上的扭應(yīng)特別注意的是，在一般情況下加于鉆桿上的扭矩不允許超過(guò)鉆桿接頭的緊扣扭矩，推薦的鉆桿矩不允許超過(guò)鉆桿接頭的緊扣扭矩，推薦的鉆桿接頭緊扣扭矩在接頭緊扣扭矩在APIRP7G標(biāo)準(zhǔn)中已有規(guī)定，鉆標(biāo)準(zhǔn)中已有

26、規(guī)定，鉆桿接頭的緊扣扭矩是防止鉆桿接頭損壞的唯一最桿接頭的緊扣扭矩是防止鉆桿接頭損壞的唯一最主要的因素。要求施加于鉆桿上的扭矩不應(yīng)超過(guò)主要的因素。要求施加于鉆桿上的扭矩不應(yīng)超過(guò)規(guī)定值，若施加扭矩過(guò)大，則會(huì)在接頭絲扣處產(chǎn)規(guī)定值，若施加扭矩過(guò)大，則會(huì)在接頭絲扣處產(chǎn)生很高的軸向載荷，會(huì)造成絲扣變形、折斷，公生很高的軸向載荷，會(huì)造成絲扣變形、折斷，公接頭伸長(zhǎng)、剪斷，母接頭脹大、脹裂等鉆具事故。接頭伸長(zhǎng)、剪斷，母接頭脹大、脹裂等鉆具事故。 5）抗內(nèi)壓強(qiáng)度。鉆桿柱偶爾也會(huì)受到較）抗內(nèi)壓強(qiáng)度。鉆桿柱偶爾也會(huì)受到較大的靜內(nèi)壓力。不同尺寸、鋼級(jí)和級(jí)別的大的靜內(nèi)壓力。不同尺寸、鋼級(jí)和級(jí)別的鉆桿的最小抗內(nèi)壓力可在鉆

27、桿的最小抗內(nèi)壓力可在APIRP7G標(biāo)準(zhǔn)中標(biāo)準(zhǔn)中查得，用適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù)去除它，即得其查得，用適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù)去除它，即得其許用凈內(nèi)壓力。許用凈內(nèi)壓力。3典型鉆柱的設(shè)計(jì)舉例典型鉆柱的設(shè)計(jì)舉例1）設(shè)計(jì)參數(shù)：井深：）設(shè)計(jì)參數(shù)：井深：5000米；井徑：（米；井徑：（8 in）；）；鉆井液密度：；鉆壓：鉆井液密度：；鉆壓：180 kN；井斜角：；井斜角：3o；拉；拉力余量：力余量：200 kN（假設(shè)）；卡瓦長(zhǎng)度：；安全系（假設(shè)）；卡瓦長(zhǎng)度：；安全系數(shù)：（假設(shè)）。數(shù)：（假設(shè)）。2）鉆鋌選擇：選用外徑（）鉆鋌選擇：選用外徑（6 in）、內(nèi)徑）、內(nèi)徑57.15mm(2 in)鉆鋌，每米重力鉆鋌，每米重力qc=1.

28、35 kN/m。計(jì)算鉆鋌長(zhǎng)度：。計(jì)算鉆鋌長(zhǎng)度： Lc = WmaxSN/ qcKBcos計(jì)算得計(jì)算得 Lc = 180cos3o=185（m） 按每根鉆鋌按每根鉆鋌10m計(jì)，需用計(jì)，需用19根鉆鋌總長(zhǎng)根鉆鋌總長(zhǎng)190m。3）選擇第一段鉆桿（接鉆鋌）：選用外徑）選擇第一段鉆桿（接鉆鋌）：選用外徑127mm、內(nèi)徑，最小抗拉載荷內(nèi)徑，最小抗拉載荷Fy=1067 kN，計(jì)算最大長(zhǎng)，計(jì)算最大長(zhǎng)度。度。最大安全靜拉載荷計(jì)算為：最大安全靜拉載荷計(jì)算為：1760/1.30=1218.46(kN)Fy/(y/1760/1.42=1115.49(kN)Fy1760200=1384(kN)由上面的計(jì)算可以看出，按卡

29、瓦擠毀比值計(jì)算的由上面的計(jì)算可以看出，按卡瓦擠毀比值計(jì)算的Fa1最小，則第一段鉆桿的許用長(zhǎng)度為：最小，則第一段鉆桿的許用長(zhǎng)度為： L1 = Fa1/qp1KBqcLc/qp1 = 1115.49/(248.69/1000)1901.35/(284.69/1000) = 3675(m) 顯然，需要增加一段較高強(qiáng)度的鉆桿，方能達(dá)到顯然，需要增加一段較高強(qiáng)度的鉆桿，方能達(dá)到設(shè)計(jì)井深。設(shè)計(jì)井深。 4）選擇第二段鉆桿：選用外徑）選擇第二段鉆桿：選用外徑127mm、內(nèi)徑，每、內(nèi)徑，每米重，米重，X-95級(jí)的新鉆桿，最小抗拉載荷為級(jí)的新鉆桿，最小抗拉載荷為Fy=2229.71 kN。最大長(zhǎng)度計(jì)算如下：。最大

30、長(zhǎng)度計(jì)算如下：2229.71/1.3=1543.645 (kN)2229.71/1.42=1413.196 (kN)200=1806.739 (kN) 那么，第二段鉆桿的最大允許長(zhǎng)度為：那么，第二段鉆桿的最大允許長(zhǎng)度為： L2 = Fa2/qp2KB(qcLc+qp1Lp1)/qp2 =1413.196/(287.69/1000)190+(284.96/1000)3675/(284.69/1000)=1221(m) 許用鉆桿的總長(zhǎng)度為：許用鉆桿的總長(zhǎng)度為： L = 190+3675+1221=5086(m) 鉆桿總長(zhǎng)已超過(guò)設(shè)計(jì)井深。鉆桿總長(zhǎng)已超過(guò)設(shè)計(jì)井深。 表表4鉆柱組合設(shè)計(jì)結(jié)果如下：鉆柱組合

31、設(shè)計(jì)結(jié)果如下：規(guī)范長(zhǎng)度/m在空氣中重/ kN在鉆井液中重/ kN鉆鋌：外徑158.75mm，內(nèi)徑57.15mm，線(xiàn)重1.35 kN/m190256.50218第一段鉆桿 外徑127mm 內(nèi)徑108.60 線(xiàn)重284.69N/m E級(jí)36751046.60895.90第二段鉆桿 外徑127mm 內(nèi)徑108.60 線(xiàn)重284.69 N/m X-95級(jí)1135323.20276.70合 計(jì)50001626.201390.60 二、下部鉆具組合設(shè)計(jì)二、下部鉆具組合設(shè)計(jì) 從上述對(duì)井斜原因的分析可知，井斜的原因從上述對(duì)井斜原因的分析可知，井斜的原因可歸結(jié)為：鉆頭對(duì)井底的不對(duì)稱(chēng)切削；鉆頭可歸結(jié)為：鉆頭對(duì)井底

32、的不對(duì)稱(chēng)切削；鉆頭軸線(xiàn)相對(duì)于井眼軸線(xiàn)發(fā)生傾斜；鉆頭上側(cè)向力軸線(xiàn)相對(duì)于井眼軸線(xiàn)發(fā)生傾斜；鉆頭上側(cè)向力導(dǎo)致對(duì)井底的側(cè)向切削。我們防斜的措施就是要導(dǎo)致對(duì)井底的側(cè)向切削。我們防斜的措施就是要想辦法克服這三個(gè)原因，滿(mǎn)眼鉆具組合就是這樣想辦法克服這三個(gè)原因，滿(mǎn)眼鉆具組合就是這樣設(shè)計(jì)的。設(shè)計(jì)的。 設(shè)想，如果鉆具的直徑與鉆頭的直徑完全相設(shè)想，如果鉆具的直徑與鉆頭的直徑完全相等，上述三個(gè)井斜原因就都會(huì)被克服。但這樣做等，上述三個(gè)井斜原因就都會(huì)被克服。但這樣做將無(wú)法循環(huán)鉆井液，而且會(huì)引起一系列其他問(wèn)題，將無(wú)法循環(huán)鉆井液，而且會(huì)引起一系列其他問(wèn)題，在工程上是行不通的。實(shí)際上是采用扶正器組合在工程上是行不通的。實(shí)際上

33、是采用扶正器組合的辦法來(lái)解決。的辦法來(lái)解決。 滿(mǎn)眼鉆具組合的結(jié)構(gòu)，是在靠近鉆滿(mǎn)眼鉆具組合的結(jié)構(gòu)，是在靠近鉆頭大約頭大約20m長(zhǎng)的鉆鋌上適當(dāng)安置扶正器，長(zhǎng)的鉆鋌上適當(dāng)安置扶正器，以此來(lái)達(dá)到防斜的目的。所謂以此來(lái)達(dá)到防斜的目的。所謂“適當(dāng)安適當(dāng)安置置”，包括扶正器的數(shù)量、位置和直徑。，包括扶正器的數(shù)量、位置和直徑。國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)提出的滿(mǎn)眼鉆具組合設(shè)國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)提出的滿(mǎn)眼鉆具組合設(shè)計(jì)方法很多，設(shè)計(jì)思想雖有不同，設(shè)計(jì)計(jì)方法很多，設(shè)計(jì)思想雖有不同，設(shè)計(jì)結(jié)果卻差別不大。這里介紹的是我國(guó)著結(jié)果卻差別不大。這里介紹的是我國(guó)著名石油鉆井專(zhuān)家楊勛堯提出的滿(mǎn)眼鉆具名石油鉆井專(zhuān)家楊勛堯提出的滿(mǎn)眼鉆具組合，簡(jiǎn)稱(chēng)組合，

34、簡(jiǎn)稱(chēng)YXY組合。組合。（一）（一）YXY組合的結(jié)構(gòu)組合的結(jié)構(gòu)YXY組合一般包括四個(gè)扶正器，自下而上，分組合一般包括四個(gè)扶正器，自下而上，分別為：別為：1近鉆頭扶正器：緊裝在鉆頭之上，簡(jiǎn)稱(chēng)近近鉆頭扶正器：緊裝在鉆頭之上，簡(jiǎn)稱(chēng)近扶。近扶直徑較大，與鉆頭直徑僅差扶。近扶直徑較大，與鉆頭直徑僅差12mm。在易斜地區(qū)，近扶的長(zhǎng)度可加長(zhǎng)；在特別易斜的在易斜地區(qū)，近扶的長(zhǎng)度可加長(zhǎng)；在特別易斜的底層，可將兩個(gè)扶正器串聯(lián)起來(lái)，作為近扶。近底層，可將兩個(gè)扶正器串聯(lián)起來(lái)，作為近扶。近扶的主要作用，是依靠其支撐在尚未擴(kuò)大的井壁扶的主要作用，是依靠其支撐在尚未擴(kuò)大的井壁上，抵抗鉆頭所受的側(cè)向力，有效的防止鉆頭側(cè)上，抵抗

35、鉆頭所受的側(cè)向力，有效的防止鉆頭側(cè)向切削。同時(shí)，近扶由于直徑大，長(zhǎng)度長(zhǎng)，剛性向切削。同時(shí)，近扶由于直徑大，長(zhǎng)度長(zhǎng)，剛性大，也可有效的防止鉆頭傾斜，從而防止鉆頭的大，也可有效的防止鉆頭傾斜，從而防止鉆頭的不對(duì)稱(chēng)切削。不對(duì)稱(chēng)切削。2中扶正器：簡(jiǎn)稱(chēng)中扶或二扶。中扶的位置，中扶正器：簡(jiǎn)稱(chēng)中扶或二扶。中扶的位置，需要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格計(jì)算。中扶的直徑與近扶相同。中需要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格計(jì)算。中扶的直徑與近扶相同。中扶的主要作用是保證中扶與鉆頭之間的鉆柱不發(fā)扶的主要作用是保證中扶與鉆頭之間的鉆柱不發(fā)生彎曲，使這段鉆柱不發(fā)生傾斜，從而防止鉆頭生彎曲，使這段鉆柱不發(fā)生傾斜，從而防止鉆頭對(duì)井底的不對(duì)稱(chēng)切削。對(duì)井底的不對(duì)稱(chēng)切削。3上

36、扶正器：簡(jiǎn)稱(chēng)上扶或三扶。安置位置在上扶正器：簡(jiǎn)稱(chēng)上扶或三扶。安置位置在中扶之上一個(gè)鉆鋌單根處。上扶的直徑一般與近中扶之上一個(gè)鉆鋌單根處。上扶的直徑一般與近扶和中扶相同，但要求可以稍松。扶和中扶相同，但要求可以稍松。4第四扶正器：簡(jiǎn)稱(chēng)四扶，一般情況下可不第四扶正器：簡(jiǎn)稱(chēng)四扶，一般情況下可不裝，僅在特別易斜的地層才裝。安置位置在上扶裝，僅在特別易斜的地層才裝。安置位置在上扶之上一個(gè)鉆鋌單根處。直徑要求與上扶相同。上之上一個(gè)鉆鋌單根處。直徑要求與上扶相同。上扶與四扶的作用在于增大下部鉆柱的剛度，協(xié)助扶與四扶的作用在于增大下部鉆柱的剛度，協(xié)助中扶防止下部鉆柱軸線(xiàn)發(fā)生傾斜。中扶防止下部鉆柱軸線(xiàn)發(fā)生傾斜。

37、 滿(mǎn)眼鉆具組合的使用要注意以下問(wèn)題：滿(mǎn)眼鉆具組合的使用要注意以下問(wèn)題： 1 在已經(jīng)發(fā)生井斜的井內(nèi)使用滿(mǎn)眼鉆具并不能在已經(jīng)發(fā)生井斜的井內(nèi)使用滿(mǎn)眼鉆具并不能減小井斜角，只能做到使井斜角的變化（增斜或減小井斜角，只能做到使井斜角的變化（增斜或降斜）很小或不變化。所以滿(mǎn)眼鉆具組合的主要降斜）很小或不變化。所以滿(mǎn)眼鉆具組合的主要功能是控制井眼曲率，而不能控制井斜角的大小。功能是控制井眼曲率，而不能控制井斜角的大小。 2 使用滿(mǎn)眼鉆具組合的關(guān)鍵在于一個(gè)使用滿(mǎn)眼鉆具組合的關(guān)鍵在于一個(gè)“滿(mǎn)滿(mǎn)”字，字，即扶正器與井眼的間隙對(duì)滿(mǎn)眼鉆具組合的性能影即扶正器與井眼的間隙對(duì)滿(mǎn)眼鉆具組合的性能影響非常顯著。在使用中應(yīng)使間

38、隙盡可能小。設(shè)計(jì)響非常顯著。在使用中應(yīng)使間隙盡可能小。設(shè)計(jì)間隙一般為間隙一般為。在使用中，因扶正器的磨損，。在使用中，因扶正器的磨損，間隙將增大。當(dāng)間隙間隙將增大。當(dāng)間隙d達(dá)到或超過(guò)兩倍的設(shè)計(jì)達(dá)到或超過(guò)兩倍的設(shè)計(jì)值時(shí)，應(yīng)及時(shí)更換或修復(fù)扶正器。值時(shí)，應(yīng)及時(shí)更換或修復(fù)扶正器。 3保持保持“滿(mǎn)滿(mǎn)”的另一個(gè)關(guān)鍵在于井徑不得擴(kuò)大。的另一個(gè)關(guān)鍵在于井徑不得擴(kuò)大。這要求有好的鉆井液護(hù)壁技術(shù)。但即使鉆井液護(hù)這要求有好的鉆井液護(hù)壁技術(shù)。但即使鉆井液護(hù)壁技術(shù)不好，井徑的擴(kuò)大總要經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間才壁技術(shù)不好，井徑的擴(kuò)大總要經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間才會(huì)發(fā)生。只要搶在井徑擴(kuò)大以前鉆出新的井眼，會(huì)發(fā)生。只要搶在井徑擴(kuò)大以前鉆出新的井眼，則仍可保持則仍可保持“滿(mǎn)滿(mǎn)”的效果。這就要求加快鉆速。的效果。這就要求加快鉆速。我國(guó)現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員將此