钻井工程 第二章 钻进工具.ppt

（一）钻柱的工作状态 1. 起下钻工况下： 直井：直的拉伸、滑动 斜井：随井眼倾斜和弯曲，滑动。 2. 正常钻进工况下 上部受拉伸，下部受压弯曲；在扭矩作用下旋转运动。 下部钻柱弯曲的原因： 钻压的作用使下部钻柱受压缩，当压力达到钻柱的临界 压力，钻柱将失去直线稳定状态而发生弯曲并与井壁接触。 压力较大时可能发生多次弯曲。 3. 钻柱的旋转运动形式： （1）自转—钻柱象一根柔性轴，围绕自身轴线旋转。 均匀磨损，易发生疲劳破坏。 （2）公转—钻柱象一个刚体，围绕着井眼轴线旋转并沿着井壁 滑动。 产生偏磨。 （3）公转与自转的结合 弯曲钻柱围绕井眼轴线旋转，同时围绕自身轴线转动。 （4） 纵向振动—钻头振动引起，产生交变应力。 （5）扭转振动—由井底对钻头旋转阻力的变化引起， 产生交变扭剪应力。 （6）横向摆振—达到某一临界转速，可能产生无规则 摆动， 产生交变弯曲应力。 一般认为弯曲钻柱旋转的主要形式是自转，但也可能产生公转或两种运动形式的结合。由于在转动过程中受到阻力的作用，钻具的转动是不平稳的。 （二）钻柱的受力分析 1. 概述 （1）自重产生的拉力 （2）钻压产生的压力 （3）钻井液的浮力 （4）摩擦阻力 （5） 循环压降产生的附加拉力 （7）起下钻时产生的动载荷 （8）扭距 （9）弯曲应力 （10）离心力 （11）外挤力 （12）振动产生的交变应力 钻柱受力最严重的部位： 1）井口断面—拉力最大，扭距最大； 2）下部受压弯曲部分—交变轴向应力、弯曲应力、扭剪应力 3）中性点—拉压交变载荷。 轴向力 2 . 轴向力和中性点 （1）自重产生的轴向拉力（井内掏空时）： （2）浮重产生的轴向力： 式中： 称为“浮力减轻系数” （3）正常钻进时的轴向力： W F B （4）其它轴向力的计算 循环压降引起的附加轴向拉力： 滑动摩擦阻力： 动载荷： （5）起下钻时钻柱轴向力： （5）中性点 钻柱上轴向力等于零的点(Ｎ点) (亦称中和点，Neutral Point )。 垂直井眼中钻柱的中性点高度： 式中：LN —中性点距井底的高度，m。 重要意义： 1）设计钻柱时要确保中性点始终落在钻铤上？ 2）指导松扣、造扣等特殊作业。 3）中性点附近钻柱受交变应力作用， 易疲劳破坏。 钻柱轴向力分布与中性点 三、 钻柱设计 设计内容： （1）尺寸选择 （2）钻铤柱长度计算 （3）钻杆柱强度设计及较核。 设计原则： （1）满足强度（抗拉、抗挤强度等）要求，保证钻柱安全工作； （2）尽量减轻整个钻柱的重力，以便在现有的抗负荷能力下钻更深的井。 （一）、钻柱尺寸选择 1. 依据： （1）钻机的提升能力； （2）井眼尺寸； （3）地质条件； （4）工艺要求； （5）供货情况。 2. 经验配合关系 选择的基本原则: 1.方钻杆由于受到扭矩和拉力最大，在供应可能的情况下，应 尽 量选用大尺寸方钻杆。 2.在钻机提升能力允许的情况下，选择大尺寸钻杆是有利的。 3.钻铤尺寸一般选用与钻杆接头外径相等或相近的尺寸，有时根据 防斜措施来选择钻铤的直径。 使用大直径钻铤具有下列优点： （1）可用较少的钻铤满足所需钻压的要求，可减少钻铤，从而减 少起下钻时连接钻铤的时间； （2）提高了钻头附近钻柱的刚度，有利于改善钻头工况； （3）钻铤和井壁的间隙较小，可减少连接部分的疲劳破坏； （4）有利于防斜。 （二）钻铤长度的确定 浮重原则：保证在最大钻压时钻杆不承受压缩载荷， 即保持中性点始终处在钻铤上。 计算公式： 式中： —钻铤长度，m； —设计的最大钻压，kN； —安全系数，考虑附加力（动载、井壁摩擦力等）， 防止中性点移动较弱的钻杆上，一般取 =1.15 ～1.25； —每米钻铤在空气中的重力，kN/m；