第二章 钻进工具——钻柱(sxc)

1、第二章第二章 钻进工具钻进工具 第一节第一节 钻头钻头 第二节第二节 钻柱钻柱 一、钻柱的作用与组成 二、钻柱的工作状态与受力分析 三、钻柱设计 （一）钻柱的作用（一）钻柱的作用 (1)(1)提供钻井液流动通道；提供钻井液流动通道； (2)(2)给钻头提供钻压；给钻头提供钻压； (3)(3)传递扭距；传递扭距； (4)(4)起下钻头；起下钻头； (5)(5)计量井深；计量井深； (6)(6)观察和了解井下情况（钻头工作情况、井眼状况、地层情况）；观察和了解井下情况（钻头工作情况、井眼状况、地层情况）； (7)(7)进行其它特殊作业（取芯、挤水泥、打捞等）；进行其它特殊作业（取芯、挤水泥、打捞等

2、）； (8)(8)钻杆测试钻杆测试 ( Drill-Stem Test),( Drill-Stem Test),又称中途测试。又称中途测试。 一、钻柱的作用与组成一、钻柱的作用与组成 （二）钻柱组成（二）钻柱组成 方钻杆方钻杆 (Kelly) 钻杆钻杆 (Drill Pipe) （1）钢级）钢级 （2）接头）接头 钻铤钻铤(Drill Collar) 稳定器稳定器(Stabilizer) 接头、配合接头和保护接头接头、配合接头和保护接头(Joint) 其它井下工具：其它井下工具： 减震器、震击器、扩眼器、键槽破坏器减震器、震击器、扩眼器、键槽破坏器 一、钻柱的作用与组成一、钻柱的作用与组成 代

3、代 号号D(55)E(75)X(95)G(105)S(135) 屈服强度，屈服强度，lb/in2550007500095000105000135000 旧标准旧标准23/8IF27/8IF31/2IF4IF4FH41/2IF 新标准新标准NC26NC31NC38NC40NC46NC50 1.1.钻杆钻杆 （1）作用：）作用：传递扭矩和输送钻井传递扭矩和输送钻井 液，延长钻柱。液，延长钻柱。 （2 2）结构：）结构：管体管体+ +接头接头 常用的加厚形式有内加厚常用的加厚形式有内加厚( (a)a)、外加厚、外加厚( (b)b)、 内外加厚内外加厚( (c)c)三种三种. . (a) (b) (c

4、) 一、钻柱的作用与组成一、钻柱的作用与组成 （二）钻柱组成（二）钻柱组成 一、钻柱的作用与组成一、钻柱的作用与组成 （1）作用：）作用：传递扭矩和输送钻井液，传递扭矩和输送钻井液， 延长钻柱。延长钻柱。 （2 2）结构：）结构：管体管体+ +接头接头 （3 3）接头及丝扣）接头及丝扣 （二）钻柱组成（二）钻柱组成 1.钻杆钻杆 丝扣连接条件：丝扣连接条件：尺寸相等，丝扣类型相同，公母扣相匹配。尺寸相等，丝扣类型相同，公母扣相匹配。 钻杆接头特点：钻杆接头特点：壁厚较大，外径较大，强度较高。壁厚较大，外径较大，强度较高。 钻杆接头类型：钻杆接头类型：内平（内平（IF）、贯眼（）、贯眼（FH）、

5、正规（）、正规（REG）；）； NC系列系列 C 第二节第二节 钻柱钻柱 一、钻柱的作用与组成一、钻柱的作用与组成 二、钻柱的工作状态与受力分析二、钻柱的工作状态与受力分析 三、钻柱设计三、钻柱设计 1. 起下钻工况下 （1 1）直井：）直井：直的拉伸、滑动直的拉伸、滑动 （2 2）斜井：）斜井：随井眼倾斜和弯曲，滑动。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，钻

6、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。压力较大时可能发生多次弯曲。 二、钻柱的工作状态与受力分析钻柱的工作状态与受力分析 （一）钻柱的工作状态（一）钻柱的工作状态 3. 钻柱的旋转运动形式 （1 1）自转）自转钻柱象一根柔性轴，围绕自身轴线旋转。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。均匀磨损，易发生疲劳破坏。 （2 2）公转）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。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。产生偏磨。 （3 3）公转与自转的结合）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

7、身轴线转动。弯曲钻柱围绕井眼轴线旋转，同时围绕自身轴线转动。 （4 4）振动：纵向振动、扭转振动、横向摆振）振动：纵向振动、扭转振动、横向摆振 二、钻柱的工作状态与受力分析钻柱的工作状态与受力分析 （一）钻柱的工作状态（一）钻柱的工作状态 （二）钻柱的受力分析（二）钻柱的受力分析 1. 概述概述 （1）自重产生的拉力自重产生的拉力 （2）钻压产生的压力钻压产生的压力 （3）钻井液的浮力钻井液的浮力 （4）摩擦阻力）摩擦阻力 （5） 循环压降产生的附加拉力循环压降产生的附加拉力 （6）起下钻时产生的动载荷）起下钻时产生的动载荷 （7）扭距）扭距 （8）弯曲应力）弯曲应力 （9）离心力）离心力 （

8、10）外挤力）外挤力 （11）振动产生的交变应力）振动产生的交变应力 轴向力轴向力 钻柱受力最严重的部位钻柱受力最严重的部位 1）井口断面）井口断面拉力最大，扭距最大；拉力最大，扭距最大； 2）下部受压弯曲部分）下部受压弯曲部分交变轴向应力、交变轴向应力、 弯曲应力、扭剪应力弯曲应力、扭剪应力 3）中性点）中性点拉压交变载荷。拉压交变载荷。 二、钻柱的工作状态及受力二、钻柱的工作状态及受力 2 . 钻柱的轴向力和中性点钻柱的轴向力和中性点 （1）自重产生的轴向拉力（井内掏空时）自重产生的轴向拉力（井内掏空时） （2）考虑浮力后的轴向力（井内有钻井液）考虑浮力后的轴向力（井内有钻井液） （3）正

9、常钻进时的轴向力：）正常钻进时的轴向力： sdB K1 0 1FKLqLqF Bccpp s d m ccpp LqLqF 0 WLqLqKF ccppBw F qp,Lp qc,Lc 二、钻柱的工作状态及受力二、钻柱的工作状态及受力 （二）钻柱的受力分析（二）钻柱的受力分析 W （4）中性点）中性点 钻柱上轴向力等于零的点钻柱上轴向力等于零的点(点点) (亦称中和点，亦称中和点，Neutral Point )。 WKLq BNc 二、钻柱的工作状态及受力二、钻柱的工作状态及受力 重要意义重要意义 1）设计钻柱时要确保中性点始终落）设计钻柱时要确保中性点始终落 在钻铤上。在钻铤上。 2）指导松

10、扣、造扣等特殊作业。）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）中性点附近钻柱受交变应力作 用，易疲劳破坏。用，易疲劳破坏。 0 0 拉力拉力压力压力 w F m F qp qc N N 中性截面中性截面 N L W F W W N L 中性点距井底的高度，中性点距井底的高度，m。 第二节第二节 钻柱钻柱 一、钻柱的作用与组成 二、钻柱的工作状态与受力分析 三、钻柱设计三、钻柱设计 设计内容：设计内容： （1）尺寸选择）尺寸选择 （2）钻铤柱长度计算）钻铤柱长度计算 （3）钻杆柱强度设计及较核。）钻杆柱强度设计及较核。 设计原则：设计原则： （1 1）满足强度（抗拉、抗挤强度

11、等）要求，）满足强度（抗拉、抗挤强度等）要求， 保证钻柱安全工作；保证钻柱安全工作； （2 2）尽量减轻整个钻柱的重力，以便在现）尽量减轻整个钻柱的重力，以便在现 有的负荷能力下钻更深的井。有的负荷能力下钻更深的井。 三、钻柱设计三、钻柱设计 （一）钻柱尺寸选择（一）钻柱尺寸选择 1. 依据依据： （1）钻机的提升能力；）钻机的提升能力； （2）井眼尺寸；）井眼尺寸； （3）工艺要求（防斜等）；）工艺要求（防斜等）； （4）供货情况。）供货情况。 2. 经验配合关系经验配合关系 三、钻柱设计三、钻柱设计 （二）钻铤长度的确定（二）钻铤长度的确定 浮重原则：钻铤的浮重不能小于钻压。浮重原则：钻铤

12、的浮重不能小于钻压。即保持中性点始终处在钻铤即保持中性点始终处在钻铤 上，以确保在最大钻压时钻杆不承受压缩载荷。上，以确保在最大钻压时钻杆不承受压缩载荷。 max cosWSKLq NBcc 三、钻柱设计三、钻柱设计 式中：式中： 钻铤长度，钻铤长度，m； 设计的最大钻压，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），安全系数，考虑附加力（动载、井壁摩擦力等）， 防止中性点移动到防止中性点移动到 较弱的钻杆上，一般取较弱的钻杆上，一般取 =1.15 1.25； 每米钻铤在空气中的重力，每米钻铤在空气中的重力，kN/m； 浮力系数；浮力系数； 井斜角度数，直井时，井斜角度数

13、，直井时， =0。 c L max W N S c q B K 三、钻柱设计三、钻柱设计 （三）钻杆柱强度设计（三）钻杆柱强度设计 1. 强度条件强度条件 B m k ckckpj i j jpiiti KqLqLqLF)( 1 1 1 at FF pyy AF1 . 0 Ft 钻杆柱任一截面上的静拉伸载荷，钻杆柱任一截面上的静拉伸载荷，kN； Fa钻杆柱的最大安全静拉力，钻杆柱的最大安全静拉力，kN, 根据钻杆本身的强度确定。根据钻杆本身的强度确定。 （1）钻杆屈服强度允许的拉伸载荷：）钻杆屈服强度允许的拉伸载荷： （2）考虑钻杆质量的安全拉伸载荷：）考虑钻杆质量的安全拉伸载荷： （3）允许

14、承受的最大安全静拉力：）允许承受的最大安全静拉力： yp FF9.0 MOPFF FF SFF pa typa tpa 1 )/( / 安全系数法：安全系数法： 设计系数法：设计系数法： 拉力余量法：拉力余量法： 1 2 3 1 2 a b c d e f g 2. 2. 钻杆柱强度设计钻杆柱强度设计 按最大安全静拉力按最大安全静拉力 F Fa a 设计钻杆柱的最大允许下深（长度）。设计钻杆柱的最大允许下深（长度）。 Bccpa KqLLqF)( p ccBa q qLKF L max 三、钻柱设计三、钻柱设计 （三）钻杆柱强度设计（三）钻杆柱强度设计 强度条件：强度条件： 最大允许下深：最大

15、允许下深： （1）单一钻杆柱设计）单一钻杆柱设计 （2 2）复合钻杆柱设计（深井）复合钻杆柱设计（深井） 思路：思路：由下而上，所受拉伸载荷逐渐增大，强度应逐渐增大。由下而上，所受拉伸载荷逐渐增大，强度应逐渐增大。故由故由 钻铤上面第一段钻杆开始，先选择强度较低的钻杆，确定其许用长度；钻铤上面第一段钻杆开始，先选择强度较低的钻杆，确定其许用长度； 再逐段向上选择强度更高的钻杆进行设计。这样设计出来的钻杆柱，由再逐段向上选择强度更高的钻杆进行设计。这样设计出来的钻杆柱，由 下而上强度逐级增大以满足抗拉强度的要求。下而上强度逐级增大以满足抗拉强度的要求。 三、钻柱设计三、钻柱设计 （三）钻杆柱强度

16、设计（三）钻杆柱强度设计 2. 2. 钻杆柱强度设计钻杆柱强度设计 1111 LFKLqKLq aBccBp 221122 LFKLqKLqKLq aBCcBppBp 33112233 LFKLqKLqKLqKLq aBCcBppBpBp 4411223344 LFKLqKLqKLqKLqKLq aBCcBppBpBpBp 通式：通式： B m k ckckpj i j jpiiia KqLqLqLF)( 1 1 1 3. 强度较核 （1）抗外挤强度较核：）抗外挤强度较核： 式中式中: : 钻杆许用外挤压力钻杆许用外挤压力,MPa,MPa； 钻杆的最小抗挤强度，钻杆的最小抗挤强度，MPaMPa

17、； 安全系数，一般应不小于安全系数，一般应不小于1.1251.125。 （2 2）抗扭强度较核：）抗扭强度较核： 式中：式中： M M - - 钻杆承受的扭矩钻杆承受的扭矩,kN,kN m m； P P - - 使钻柱旋转所需的功率，使钻柱旋转所需的功率，kWkW； n n - - 转速，转速，rpmrpm。 （3 3）抗内压强度较核：）抗内压强度较核： 不同尺寸、钢级和级别的钻杆的最小抗内压力可在不同尺寸、钢级和级别的钻杆的最小抗内压力可在API RP 7GAPI RP 7G标准中标准中 查得，用适当的安全系数去除它，即得其许用净内压力查得，用适当的安全系数去除它，即得其许用净内压力. .

18、ccca SPP ca P c P c S nPM67. 9 三、钻柱设计三、钻柱设计 （三）钻杆柱强度设计（三）钻杆柱强度设计 4典型钻柱的设计举例 （1 1）设计参数）设计参数 井深井深:5000m;:5000m; 井径井径:215.9mm(8-1/2in);:215.9mm(8-1/2in); 钻井液密度钻井液密度:1.2g/cm:1.2g/cm3; 3; 钻压钻压:180kN;:180kN; 井斜角井斜角:3:3; ; 拉力余量拉力余量:200kN(:200kN(本例假设本例假设);); 卡瓦长度卡瓦长度:406.4mm;:406.4mm; 安全系数：安全系数：1.30(1.30(本例

19、假设本例假设) )。 （2 2）钻铤选择）钻铤选择： 选用外径选用外径158.75mm(6-1/4in)158.75mm(6-1/4in)、内径、内径57.15mm(2-1/4in)57.15mm(2-1/4in)钻铤，每米重钻铤，每米重 力力q qc c=1.35kN/m=1.35kN/m。 计算钻铤长度计算钻铤长度: : 三、钻柱设计三、钻柱设计 式中式中: : 最大钻压最大钻压,180 kN,180 kN; ; 安全系数安全系数, ,取取 =1.18;=1.18; 每米钻铤在空气中的重力每米钻铤在空气中的重力,1.35 kN/m,1.35 kN/m； K KB B 浮力系数浮力系数, ,

20、计算得计算得 =0.85;=0.85; 井斜角井斜角, =3, =3。 计算得：计算得： =180=1801.18/1.351.18/1.350.850.85cos3cos3=185(m)=185(m) 按每根钻铤按每根钻铤10m10m计，需用计，需用1919根钻铤根钻铤, ,总长总长190m190m。 （3 3）选择第一段钻杆（接钻铤）选择第一段钻杆（接钻铤） 选用外径选用外径127mm127mm、内径、内径108.6mm108.6mm，每米重，每米重284.69N/m284.69N/m，E E级新钻杆，最级新钻杆，最 小屈服强度抗拉载荷小屈服强度抗拉载荷=1760KN=1760KN。 最大长度计算最大长度计算: : 最大安全静拉载荷为最大安全静拉载荷为: : =0.9 =0.91760/1.30=1218.46(kN)1760/1.30=1218.46(kN) =0.9 =0.91760/1.42=1115.49(kN)1760/1.42=1115.49(kN) =0.9 =0.91760-200=1384(kN)1760-200=1384(kN) max W N S c q c L tya