第二章2-钻柱要点解析.ppt

第二节 钻柱 一、钻柱的作用与组成 二、钻柱的工作状态及受力 三、钻柱设计 （一）钻柱的工作状态 钻柱主要是在起下钻和正常钻进这两种条件下工作的。 起下钻时，钻柱处于受拉伸的直线稳定状态。 正常钻进时，上部钻柱受拉伸而下部钻柱受压缩。 钻柱在井眼内的旋转运动形式可能有如下四种： （1）自转—钻柱象一根柔性轴，围绕自身轴线旋 转。现象是易产生均匀磨损，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。 现象是易产生偏磨。 钻柱任一截面处（假定在钻杆上）的拉力可按下式计算： 式中： —空井中的钻柱任一截面处的拉力，它等于该截面以下钻 柱在空气中的重力，kN； —分别为钻杆、钻铤单位长度的重力，kN/m， 称为“线重（Linear Weight）。 —为钻铤的长度，m； —截面以下钻杆长度，m。若计算截面落在钻铤上， 为零。 考虑钻井液浮力和静液压力的横向挤压作用后，钻柱任一截面处的轴向拉力可按下式计算： —悬挂在钻井液中的钻柱任一截面上的轴向拉力，kN。它等于该截面以下钻柱在钻井液中的重力。 钻柱在钻井液的重力称为浮重（Buoyant Weight）。 这种计算钻柱轴向力的方法，称为“浮力系数法”（Buoyancy Fact Method）。 （2）正常钻进时 正常钻进时，把部分钻柱的重力 （钻铤）加到钻头上作为钻压。下部钻 柱受压缩应力的作用。 钻柱任一截面上的轴向拉力为： 式中： —钻进时（有钻压）钻柱任一截面上的轴向拉力，kN； w —钻压，kN。 循环钻井液时，钻柱任一截面断面处产生的拉力负 荷可按下式计算： 式中： —循环压降引起的轴向拉力，kN； —截面以下钻柱内压力降，kPa； —钻头水眼处的压力降，kPa； —钻柱流道截面积，cm2。 2、扭矩(Tortional moment) 钻柱所受扭矩和剪应力的大小与钻柱尺寸、钻头类型及直径、 岩石性质、钻压和转速、 钻井液性质井眼质量等因素有关，很难 准确地计算。 钻柱承受的扭矩在井口处最大，向下随着能量的消耗逐渐减 小，在井底处最小。 在井下动力钻井中，钻柱承受的扭矩为动力钻具的反扭矩， 在井底处最大，往上逐渐减小。 7、扭转振动（Torsion Vibration） 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。 8、横向摆振（Cross Vibration) 在某一临界转速下，钻柱将出现摆振，其结果是使钻柱进行 公转，引起钻柱严重偏磨。 （一）、钻柱尺寸选择 首先取决于钻头尺寸和钻机的提升能力。同时，还要考虑每个 地区的特点，如地质条件、井身结构、 钻具供应及防斜措施等。 表2-21 钻头尺寸与钻柱尺寸配合 选择的基本原则是： 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。 上式中： —钻铤长度，m； —设计的最大钻压，kN； —安全系数，防止遇到意外附加力（动载、井壁摩擦力等）时，中性点移到钻杆上，一般取 =1.15 ～1.25； —每米钻铤在空气中的重力，kN/m； K —浮力系数； —井斜角，直井时， =0°。 （1）钻杆在屈服强度下的抗拉载荷： 钻杆所承受的拉伸载荷必须小于钻杆材料的屈服强度下的抗拉载荷： 式中： —钻杆钢材的最小屈服强度，MPa； —钻杆的横截面积，cm2； —最小屈服强度下的抗拉载荷，kN。 可以计算, 也可以从 表2－14中查出。 （2）钻杆的最大允许拉伸载荷 式中： —