鉆井工程教學(xué)第二章的PPT(下)

第二節(jié)鉆柱一、鉆柱的作用與組成二、鉆柱的工作狀態(tài)與受力分析三、鉆柱設(shè)計(jì)一、鉆柱的組成與作用（一）鉆柱的組成

鉆柱(DrillingString)是鉆頭以上，水龍頭以下部分的鋼管柱的總稱.

包括：方鉆桿(SquareKelly)、鉆桿(DrillPipe)、鉆鋌(DrillCollar)、各種接頭(Joint)及穩(wěn)定器(Stabilizer)等井下工具。（一）鉆柱的作用提供鉆井液流動(dòng)通道；給鉆頭提供鉆壓；傳遞扭距；起下鉆頭；計(jì)量井深；觀察和了解井下情況（鉆頭工況、井眼狀況、地層情況）進(jìn)行其它特殊作業(yè)（取芯、擠水泥、打撈等）鉆桿測試(Drill-StemTesting)，又稱中途測試。

1.鉆桿（1）作用：傳遞扭矩和輸送鉆井液，延長鉆柱。（2）結(jié)構(gòu)：管體+接頭

常用的加厚形式有內(nèi)加厚(a)、外加厚(b)、內(nèi)外加厚(c)三種.

(a)(b)(c)（3）規(guī)范：

壁厚：9～11mm

外徑：

長度：

根據(jù)美國石油學(xué)會(huì)(AmericanPetroleumInstitute,簡稱API)的規(guī)定，鉆桿按長度分為三類：

第一類5.486～6.706米(18～22英尺)；第二類8.230～9.144米(27～30英尺);

第三類11.582～13.716米(38～45英尺)。

常用鉆桿規(guī)范（內(nèi)徑、外徑、壁厚、線密度等）見表2-12（4）鋼級與強(qiáng)度（5）接頭及絲扣絲扣連接條件：尺寸相等，絲扣類型相同，公母扣相匹配。鉆桿接頭特點(diǎn)：壁厚較大，外徑較大，強(qiáng)度較高。鉆桿接頭類型：內(nèi)平（IF）、貫眼（FH）、正規(guī)（REG）；NC系列接頭的三種方式內(nèi)平式(IF)：主要用于外加厚鉆桿。其特點(diǎn)是鉆桿通體內(nèi)徑相同，鉆井液流動(dòng)阻力??；但外徑較大，容易磨損。貫眼式(FH)：主要用于內(nèi)加厚鉆桿。其特點(diǎn)是鉆桿有兩個(gè)內(nèi)徑，鉆井液流動(dòng)阻力大于內(nèi)平式，但其外徑小于內(nèi)平式。正規(guī)式(REG)：主要用于內(nèi)加厚鉆桿及鉆頭、打撈工具。其特點(diǎn)是接頭內(nèi)徑加厚處內(nèi)徑管體內(nèi)徑，鉆井液流動(dòng)阻力大，但外徑最小，強(qiáng)度較大。

三種類型接頭均采用V型螺紋，但扣型、扣距、錐度及尺寸等都有很大的差別。NC型系列接頭NC23，NC26，NC31，NC35，NC38，NC40，NC44，NC46，NC50，NC56，NC61，NC70，NC77NC—NationalCoarseThread，（美國）國家標(biāo)準(zhǔn)粗牙螺紋。xx—表示基面絲扣節(jié)圓直徑，用英寸表示的前兩位數(shù)字乘以10。

如：NC26表示的節(jié)圓直徑為2.668英寸。

NC螺紋也為V型螺紋,表2-17所列的幾種NC型接頭與舊API標(biāo)準(zhǔn)接頭有相同的節(jié)圓直徑、錐度、螺距和螺紋長度，可以互換使用。表2-17可以互換使用的接頭2.鉆鋌

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：管體兩端直接車制絲扣，無專門接頭；壁厚大(38-53毫米），

重量大，剛度大。主要作用：(1)給鉆頭施加鉆壓;(2)保證壓縮應(yīng)力條件下的必要強(qiáng)度;(3)減輕鉆頭的振動(dòng)、擺動(dòng)和跳動(dòng)等，使鉆頭工作平穩(wěn)；

(4)控制井斜。

類

型：光鉆鋌、螺旋鉆鋌、扁鉆鋌。常用尺寸：6-1/4〃，7〃，8〃，9〃3.方鉆桿

類

型：四方形、六方形

特

點(diǎn)：壁厚較大，強(qiáng)度較高

主要作用：傳遞扭矩和承受鉆柱的全部重量。

常用尺寸：89mm(3.5英寸)，108mm(4.5英寸)，133.4mm(5.5英寸)。

12.19m（長度）4.穩(wěn)定器類型：剛性穩(wěn)定器、不轉(zhuǎn)動(dòng)橡膠套穩(wěn)定器、滾輪穩(wěn)定器。作用：1）防斜；2）控制井眼軌跡。

（一）鉆柱的工作狀態(tài)1.起下鉆工況下：

直井：直的拉伸、滑動(dòng)

斜井：隨井眼傾斜和彎曲，滑動(dòng)。2.正常鉆進(jìn)工況下

上部受拉伸，下部受壓彎曲；在扭矩作用下旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

下部鉆柱彎曲的原因：

鉆壓的作用使下部鉆柱受壓縮，當(dāng)壓力達(dá)到鉆柱的臨界壓力，鉆柱將失去直線穩(wěn)定狀態(tài)而發(fā)生彎曲并與井壁接觸。壓力較大時(shí)可能發(fā)生多次彎曲。3.鉆柱的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)形式

（1）自轉(zhuǎn)—鉆柱象一根柔性軸，圍繞自身軸線旋轉(zhuǎn)。

均勻磨損，易發(fā)生疲勞破壞。

（2）公轉(zhuǎn)—鉆柱象一個(gè)剛體，圍繞著井眼軸線旋轉(zhuǎn)并沿著井壁

滑動(dòng)。

產(chǎn)生偏磨。

（3）公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)的結(jié)合

彎曲鉆柱圍繞井眼軸線旋轉(zhuǎn)，同時(shí)圍繞自身軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。3.鉆柱的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)形式（4）

縱向振動(dòng)—鉆頭振動(dòng)引起，產(chǎn)生交變應(yīng)力。（5）扭轉(zhuǎn)振動(dòng)—由井底對鉆頭旋轉(zhuǎn)阻力的變化引起，產(chǎn)生交變扭剪應(yīng)力。

（6）橫向擺振—達(dá)到某一臨界轉(zhuǎn)速，可能產(chǎn)生無規(guī)則擺動(dòng)，產(chǎn)生交變彎曲應(yīng)力。

一般認(rèn)為彎曲鉆柱旋轉(zhuǎn)的主要形式是自轉(zhuǎn)，但也可能產(chǎn)生公轉(zhuǎn)或兩種運(yùn)動(dòng)形式的結(jié)合。由于在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中受到阻力的作用，鉆具的轉(zhuǎn)動(dòng)是不平穩(wěn)的。（二）鉆柱的受力分析1.概述

（1）自重產(chǎn)生的拉力（2）鉆壓產(chǎn)生的壓力（3）鉆井液的浮力（4）摩擦阻力（5）循環(huán)壓降產(chǎn)生的附加拉力（7）起下鉆時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)載荷（8）扭距（9）彎曲應(yīng)力（10）離心力（11）外擠力（12）振動(dòng)產(chǎn)生的交變應(yīng)力

鉆柱受力最嚴(yán)重的部位：

1）井口斷面拉力最大，對于轉(zhuǎn)盤鉆井井口扭距最大，對于井下動(dòng)力鉆具鉆井，鉆頭處扭矩最大；

2）下部受壓彎曲部分—交變軸向應(yīng)力、彎曲應(yīng)力、扭剪應(yīng)力

3）中性點(diǎn)—拉壓交變載荷。軸向力2.軸向力和中性點(diǎn)（1）自重產(chǎn)生的軸向拉力（井內(nèi)掏空時(shí)）：（2）浮重產(chǎn)生的軸向力：

式中：

稱為“浮力減輕系數(shù)”（3）正常鉆進(jìn)時(shí)的軸向力：WFB（4）其它軸向力的計(jì)算循環(huán)壓降引起的附加軸向拉力：滑動(dòng)摩擦阻力：動(dòng)載荷：（5）起下鉆時(shí)鉆柱軸向力：（5）中性點(diǎn)鉆柱上軸向力等于零的點(diǎn)(Ｎ點(diǎn))(亦稱中和點(diǎn)，NeutralPoint)。

垂直井眼中鉆柱的中性點(diǎn)高度：

式中：LN

—中性點(diǎn)距井底的高度，m。重要意義：1）設(shè)計(jì)鉆柱時(shí)要確保中性點(diǎn)始終落在鉆鋌上？2）指導(dǎo)松扣、造扣等特殊作業(yè)。3）中性點(diǎn)附近鉆柱受交變應(yīng)力作用，易疲勞破壞。

鉆柱軸向力分布與中性點(diǎn)三、鉆柱設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)內(nèi)容：（1）尺寸選擇（2）鉆鋌柱長度計(jì)算（3）鉆桿柱強(qiáng)度設(shè)計(jì)及校核。下部鉆具組合設(shè)計(jì)的原則:

（1）滿足強(qiáng)度（抗拉、抗擠強(qiáng)度等）要求，保證鉆柱安全工作；（2）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。（3）有效地鉆出設(shè)計(jì)的井眼軌道；（4）鉆頭、馬達(dá)和測量系統(tǒng)工作穩(wěn)定性高，能加較大鉆壓，有利于提高鉆速；（5）具有較高的強(qiáng)度和壽命；（6）便于安裝和起下。鉆柱組合設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)內(nèi)容鉆鋌的確定內(nèi)、外徑，內(nèi)小、外大，受井徑限制、鉆井液流動(dòng)限制，長度滿足鉆壓要求。強(qiáng)度足夠，鉆進(jìn)不斷，盡量保證鉆井液正常循環(huán)減少能量損耗。井斜?。禾峁┿@壓的鉆鋌安放在鉆具下部，鉆具上部采用鐘擺、塔式、滿眼結(jié)構(gòu)。鉆井斜大或水平井：鉆鋌放在井斜較小的井段，大斜度井段或水平井段則在承壓鉆桿與下部鉆具連接。鉆桿的確定鉆鋌的安放位置設(shè)計(jì)內(nèi)容鉆鋌的確定內(nèi)、外徑，內(nèi)小、外大，受井徑限制、鉆井液流動(dòng)限制，長度滿足鉆壓要求。強(qiáng)度足夠，鉆進(jìn)不斷，盡量保證鉆井液正常循環(huán)減少能量損耗。井斜小：提供鉆壓的鉆鋌安放在鉆具下部，鉆具上部采用鐘擺、塔式、滿眼結(jié)構(gòu)。鉆井斜大或水平井：鉆鋌放在井斜較小的井段，大斜度井段或水平井段則用承壓鉆桿與下部鉆具連接。鉆桿的確定鉆鋌的安放位置（一）鉆柱尺寸選擇1.依據(jù)：

（1）鉆機(jī)的提升能力；（2）井眼尺寸；（3）地質(zhì)條件；（4）工藝要求；（5）供貨情況。2.經(jīng)驗(yàn)配合關(guān)系選擇的基本原則（1）方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桿。（2）在鉆機(jī)提升能力允許的情況下，選擇大尺寸鉆桿是有利的。？？

（3）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)防斜措施來選擇鉆鋌的直徑。

使用大直徑鉆鋌具有下列優(yōu)點(diǎn)：（1）可用較少的鉆鋌滿足所需鉆壓的要求，可減少鉆鋌，從而減少起下鉆時(shí)連接鉆鋌的時(shí)間；（2）提高了鉆頭附近鉆柱的剛度，有利于改善鉆頭工況；（3）鉆鋌和井壁的間隙較小，可減少連接部分的疲勞破壞；（4）有利于防斜。

（一）鉆柱尺寸選擇（二）鉆鋌長度的確定

浮重原則：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。

計(jì)算公式：

式中：

——鉆鋌長度，m；

——設(shè)計(jì)的最大鉆壓，kN；

——安全系數(shù)，考慮附加力（動(dòng)載、井壁摩擦力等），

防止中性點(diǎn)移動(dòng)較弱的鉆桿上，一般取

=1.15～1.25；

——每米鉆鋌在空氣中的重力，kN/m；

KB

——浮力系數(shù)；

——井斜角，直井時(shí)，=0°。？復(fù)合鉆鋌怎么設(shè)計(jì)？（三）鉆桿柱強(qiáng)度設(shè)計(jì)1.強(qiáng)度條件

Ft

≤Fa

式中：Ft

——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，kN。（1）鉆桿在屈服強(qiáng)度下的抗拉載荷：

鉆桿材料的屈服強(qiáng)度所允許的最大抗拉載荷。

式中：

——鉆桿鋼材的最小屈服強(qiáng)度，MPa；

——鉆桿的橫截面積，cm2；

——最小屈服強(qiáng)度下的抗拉載荷，kN。

可以計(jì)算,也可以從表2－14中查出。（2）鉆桿的最大允許拉伸力Fp式中：

——鉆桿的最大允許拉伸載荷，kN。（3）鉆桿的最大安全靜拉力Fa

①安全系數(shù)法（考慮起下鉆時(shí)的動(dòng)載及摩擦力）

式中：

——安全系數(shù)，一般取1.30。

②設(shè)計(jì)系數(shù)法（考慮卡瓦擠壓）

③拉力余量法

式中：MOP——拉力余量，一般取200～500KN。三者取最小值作為Fa2.鉆桿柱強(qiáng)度設(shè)計(jì)

按最大安全靜拉力Fa設(shè)計(jì)鉆桿柱的最大允許下深（長度）。（1）單一鉆桿柱設(shè)計(jì)

強(qiáng)度條件：

最大允許下深：

（2）復(fù)合鉆桿柱設(shè)計(jì)（深井）每段鉆桿滿足強(qiáng)度條件：

思路：由下而上，所受拉伸載荷逐漸增大，強(qiáng)度應(yīng)逐漸增大。故由鉆鋌上面第一段鉆桿開始，先選擇強(qiáng)度較低的鉆桿，確定其許用長度；再逐段向上選擇強(qiáng)度更高的鉆桿進(jìn)行設(shè)計(jì)。這樣設(shè)計(jì)出來的鉆桿柱，由下而上強(qiáng)度逐級增大以滿足抗拉強(qiáng)度的要求。（2）復(fù)合鉆桿柱設(shè)計(jì)（深井）——鉆鋌上面第一、二、三、四段鉆桿的長度;

——相應(yīng)各段鉆桿的最大安全靜拉力;——相應(yīng)各段鉆桿在空氣中的單位長度重力;

3.強(qiáng)度較核（1）抗外擠強(qiáng)度較核：

式中:──最大安全外擠載荷,MPa；

──鉆桿的最小抗擠壓力，MPa；

──安全系數(shù)，一般應(yīng)不小于1.125。（2）抗扭強(qiáng)度較核：

式中：M-

鉆桿承受的扭矩,kNm；

P-

使鉆柱旋轉(zhuǎn)所需的功率，kW；

n-

轉(zhuǎn)速，rpm。（3）抗內(nèi)壓強(qiáng)度較核：

不同尺寸、鋼級和級別的鉆桿的最小抗內(nèi)壓力可在APIRP7G標(biāo)準(zhǔn)中查得，用適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù)去除它，即得其許用凈內(nèi)壓力.4．典型鉆柱的設(shè)計(jì)舉例（1）設(shè)計(jì)參數(shù)

①井深:5000m;②井徑:215.9mm(8-1/2in);③鉆井液密度:1.2g/cm3;④鉆壓:180kN;⑤井斜角:3°;⑥拉力余量:200kN(本例假設(shè));⑦卡瓦長度:406.4mm;⑧安全系數(shù)：1.30(本例假設(shè))。（2）鉆鋌選擇：

①選用外徑158.75mm(6-1/4in)、內(nèi)徑57.15mm(2-1/4in)鉆鋌，每米重力qc=1.35kN/m。②計(jì)算鉆鋌長度:

式中:─最大鉆壓,180kN;─安全系數(shù),取

=1.18;─每米鉆鋌在空氣中的重力,1.35kN/m；─浮力系數(shù),計(jì)算得

=0.85;─井斜角,=3°。

計(jì)算得：

=180×1.18/1.35×0.85×cos3°=185(m)

按每米鉆鋌10m計(jì)，需用19根鉆鋌,總長190m。（3）選擇第一段鉆桿（接鉆鋌）

①選用外徑127mm、內(nèi)徑108.6mm，每米重284.69N/m，E級新鉆桿，

最小抗拉載荷=1760KN。

②最大長度計(jì)算:

最大安全靜拉載荷為:

Fa1=0.9Fy/St=0.9×1760/1.30=1218.46(kN)

Fa1=0.9Fy/(σy/σt)=0.9×1760/1.42=1115.49(kN)Fa1=0.9Fy-MOP=0.9×1760-200=1384(kN)

由上面的計(jì)算可以看出,按卡瓦擠毀比值計(jì)算的最小，則第一段鉆桿的許用長度為：

=1115.49/284.69×10-3×0.85-190×1.35/284.69×10-3=3675(m)（4）選