第二章2-钻柱

1、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 钻柱钻柱(Drill Stem)是钻头以上，水龙头以下部分的管柱总是钻头以上，水龙头以下部分的管柱总称。称。 它包括它包括方钻杆方钻杆(Square Kelly)、钻杆钻杆(Drill Pipe)、钻挺钻挺(Drill Collar)、 各种接头各种接头(Joint)及及稳定器稳定器(Stabilizer)等井下等井下工具。工具。第二节第二节 钻钻 柱柱 （一）钻柱的作用（一）钻柱的作用 (1) (1) 提供由井口至井下的钻井液流动通道；提供由井口至井下的钻井液流动通道； (2) (2) 给钻头施加适当的压力给钻头施加

2、适当的压力( (钻压钻压) )，使钻头的工作刃不，使钻头的工作刃不断吃入岩石；断吃入岩石； (3) (3) 把地面动力把地面动力( (扭矩等扭矩等) )传递给钻头传递给钻头, ,使钻头不断旋转使钻头不断旋转破碎岩石；破碎岩石；一、钻柱的作用与组成一、钻柱的作用与组成 (4) (4)起下钻头；起下钻头； (5)(5)根据钻柱的长度计算井深。根据钻柱的长度计算井深。 (6)(6)通过钻柱工况观察和了解钻头的工况、井眼状况及通过钻柱工况观察和了解钻头的工况、井眼状况及地层情况等；地层情况等； (7)(7)进行取芯、挤水泥、打捞井下落物、处理井下事故进行取芯、挤水泥、打捞井下落物、处理井下事故等特殊作

3、业；等特殊作业； (8)(8)对地层流体及压力状况进行测试与评价，即钻杆测对地层流体及压力状况进行测试与评价，即钻杆测试试 ( Drill-Stem Testing),( Drill-Stem Testing),又称中途测试。又称中途测试。 （二）钻柱的组成（二）钻柱的组成 钻柱由钻柱由方钻杆、钻杆段和下部钻具组合方钻杆、钻杆段和下部钻具组合三大部分组成。三大部分组成。 钻杆段包括钻杆和接头，有时也装有扩眼器。钻杆段包括钻杆和接头，有时也装有扩眼器。 下部钻具组合主要是钻挺，也可能安装稳定器、减震器下部钻具组合主要是钻挺，也可能安装稳定器、减震器(Shock Absorber)、震击器、震击器

4、(Jar Bumber) 与扩眼器及其它与扩眼器及其它特殊工具。特殊工具。图图2-28 典型的钻具组合典型的钻具组合 1、钻杆、钻杆 其主要作用是传递扭矩和输送钻井液，并靠钻杆的逐渐其主要作用是传递扭矩和输送钻井液，并靠钻杆的逐渐加长使井眼不断加深。壁厚一般为加长使井眼不断加深。壁厚一般为911mm。 （1 1）钻杆结构与规范）钻杆结构与规范 钻杆由钻杆由钻杆管体与钻杆接头钻杆管体与钻杆接头两部分组成。两部分组成。 有细扣钻杆有细扣钻杆：管体两端都车有细公扣，与接头一端的母：管体两端都车有细公扣，与接头一端的母细扣相连接细扣相连接 对焊钻杆对焊钻杆：管体与接头用摩擦焊对焊在一起。：管体与接头用

5、摩擦焊对焊在一起。图图2-29 钻杆结构示意图钻杆结构示意图 图图2 230 30 钻杆加厚形式钻杆加厚形式常用的加厚形式有内加厚、外加厚、常用的加厚形式有内加厚、外加厚、 内外加厚三种：内外加厚三种： 根据美国石油学会根据美国石油学会(American Petroleum Institute,简称简称API)的规定，钻杆的规定，钻杆按长度分为三类按长度分为三类： 第一类，第一类，5.4866.706米米(1822英尺英尺)； 第二类，第二类，8.2309.144米米(2730英尺英尺); 第三类第三类,11.58213.716米米(3845英尺英尺)。 常用的钻杆尺寸有常用的钻杆尺寸有88.

6、9,114.3,127.0毫米毫米(3.5,4.5,5英寸英寸)三种。三种。 常用钻杆规范（内径、外径、壁厚、线密度等）见表常用钻杆规范（内径、外径、壁厚、线密度等）见表2-12。钻 杆 钢 级物 理 性 能DE95（X）105（G）135（S）MPa379.21517.11655.00723.95930.70最小屈服强度lb/in2550007500095000105000135000MPa586.05723.95861.85930.791137.64最大屈服强度lb/in285000105000125000135000165000MPa655.00689.48723.95792.90999

7、.74最小抗拉强度lb/in295000100000105000115000145000 （2 2）钻杆的钢级与强度）钻杆的钢级与强度 钻杆的钢级是指钻杆钢材的等级，它由钻杆钢材的最小屈服钻杆的钢级是指钻杆钢材的等级，它由钻杆钢材的最小屈服强度决定。强度决定。API规定钻杆的钢级有规定钻杆的钢级有D、E、95(X)、105(G)、135(S)级共五种，见表级共五种，见表2-13。其中，。其中，X、G、S级为高强度钻杆。级为高强度钻杆。表表2-13 钻杆钢级钻杆钢级 （3 3）钻杆接头及丝扣）钻杆接头及丝扣 钻杆接头是钻杆的组成部分，分公接头和母接头钻杆接头是钻杆的组成部分，分公接头和母接头 钻

8、杆接头壁厚较大，接头外径大于管体外径，用强度更钻杆接头壁厚较大，接头外径大于管体外径，用强度更高的合金钢。高的合金钢。 丝扣的连接必须满足：尺寸相等，丝扣类型相同，公母丝扣的连接必须满足：尺寸相等，丝扣类型相同，公母扣相匹配。扣相匹配。 API钻杆接头有新、旧两种标准钻杆接头有新、旧两种标准 旧标准旧标准：内平式：内平式(IF)、贯眼式、贯眼式(FH)和正规式和正规式(REG)三种三种类型。类型。 内平式接头主要用于外加厚钻杆，钻杆通体内径相同。内平式接头主要用于外加厚钻杆，钻杆通体内径相同。 贯眼式接头适用于内加厚钻杆，钻杆有两个内径。贯眼式接头适用于内加厚钻杆，钻杆有两个内径。 正规式接头

9、适用于内外加厚钻杆，正规接头连接的钻杆正规式接头适用于内外加厚钻杆，正规接头连接的钻杆有三种不同的内径。外径最小，强度较大。有三种不同的内径。外径最小，强度较大。 三种类型接头均采用三种类型接头均采用V型螺纹，但扣型、扣距、锥度及尺型螺纹，但扣型、扣距、锥度及尺寸等都有很大的差别。寸等都有很大的差别。图图2-31 旧旧API钻杆接头钻杆接头 新标准新标准：NC型系列接头，又称数字型接头。型系列接头，又称数字型接头。 NC型接头以字母型接头以字母NC和两位数字表示，和两位数字表示， 如如NC50，NC26，NC31等。例如：等。例如：NC26表示接头为表示接头为NC型，基面丝型，基面丝扣节圆直径

10、为扣节圆直径为2.668英寸。英寸。 NC螺纹也为螺纹也为V型螺纹，具有型螺纹，具有0.065 英寸平螺纹顶和英寸平螺纹顶和0.038英寸圆螺纹底，用英寸圆螺纹底，用V-0.038R表示扣型，可与表示扣型，可与V-0.065 型螺纹连接。型螺纹连接。数字型接头 NC26 NC31 NC38 NC40 NC46 NC50 旧API 接头 283IF 287IF 321IF 4IF 4FH 421IF 表表2-17所列的几种所列的几种NC型接头与旧型接头与旧API标准接头有相同的标准接头有相同的节圆直径、锥度、螺距和螺纹长度，可以互换使用。节圆直径、锥度、螺距和螺纹长度，可以互换使用。表表2-17

11、 可以互换使用的接头可以互换使用的接头 ( (二二) )钻铤钻铤 其主要其主要特点特点是壁厚大是壁厚大(一般为一般为38-53毫米，相当于钻杆壁毫米，相当于钻杆壁厚的厚的4-6倍倍)， 钻铤的钻铤的主要作用主要作用： (1)(1)给钻头施加钻压；给钻头施加钻压； (2)(2)保证压缩条件下的必要强度；保证压缩条件下的必要强度； (3)(3)减轻钻头的振动、摆动和跳动等，使钻头工作平稳；减轻钻头的振动、摆动和跳动等，使钻头工作平稳； (4)(4)控制井斜。控制井斜。 最最常用常用的是的是圆形圆形(平滑的平滑的)钻铤和钻铤和螺旋形螺旋形钻铤两种。钻铤两种。 钻铤的连接丝扣钻铤的连接丝扣(公扣、母扣

12、公扣、母扣)是在钻铤两端管体上直接是在钻铤两端管体上直接车制而成。车制而成。 钻铤类型代号由两部分组成钻铤类型代号由两部分组成, ,第一部分为第一部分为NCNC型螺纹代号，型螺纹代号，第二部分的数字（取外径的前两位数字）表示钻铤外径第二部分的数字（取外径的前两位数字）表示钻铤外径, ,中间中间用短线分开。用短线分开。 如：如：NC70-97表示数字型接头，基面丝扣节圆直径为表示数字型接头，基面丝扣节圆直径为7英寸，钻铤外径为英寸，钻铤外径为9.75英寸。英寸。 ( (三三) )方钻杆方钻杆 位于钻柱的最上端，有位于钻柱的最上端，有四方形四方形和和六方形六方形两种，标准方钻两种，标准方钻杆全长杆

13、全长12.1912.19米米，驱动部分长，驱动部分长11.2511.25米。米。壁厚比钻杆大壁厚比钻杆大3 3倍左右倍左右。主要作用是主要作用是传递扭矩和承受钻柱的全部重量传递扭矩和承受钻柱的全部重量。 方钻杆两端的方钻杆两端的丝扣为：上反，下正丝扣为：上反，下正。下端一般接一保护。下端一般接一保护接头。接头。 常用的方钻杆尺寸：常用的方钻杆尺寸：89mm(3.5英寸英寸)，108mm (4.5英英寸寸)，133.4mm (5.5英寸英寸)。 ( (四四) )稳定器稳定器 图图2-33是稳定器的三种基本类型：是稳定器的三种基本类型：刚性稳定器、不转刚性稳定器、不转动橡胶套稳定器和滚轮稳定器动橡

14、胶套稳定器和滚轮稳定器。 图图2-33 稳定器的基本类型稳定器的基本类型 (五）减震器五）减震器 减震器种类很多，减震器种类很多，有弹簧减震器、橡胶减震器、钢丝减有弹簧减震器、橡胶减震器、钢丝减震器、液体减震器及气垫式减震器震器、液体减震器及气垫式减震器等。等。 在下部组合或钻杆柱中还可安装随钻震击器，随钻测量在下部组合或钻杆柱中还可安装随钻震击器，随钻测量（）工具，钻柱测试工具和打捞篮、扩眼器等特殊工（）工具，钻柱测试工具和打捞篮、扩眼器等特殊工具进行随钻测量、地层测试、打捞、扩眼等特殊作业。具进行随钻测量、地层测试、打捞、扩眼等特殊作业。 （一）钻柱的工作状态（一）钻柱的工作状态 钻柱主要

15、是在钻柱主要是在起下钻和正常钻进起下钻和正常钻进这两种条件下工作的。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。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。正常钻进时，上部钻柱受拉伸而下部钻柱受压缩。二、钻柱的工作状态及受力二、钻柱的工作状态及受力 小钻压且井眼直时，钻柱是直的；小钻压且井眼直时，钻柱是直的； 压力达到钻柱的临界压力值，下压力达到钻柱的临界压力值，下部钻柱将失去直线稳定状态而发生弯部钻柱将失去直线稳定状态而发生弯曲并与井壁接触于某个点曲并与井壁接触于某个点(称为称为“切切点点”)，这是钻柱的第一次弯曲，这是钻柱的第一次

16、弯曲（Bulkling of the first oder)； 增大钻压，则会出现钻柱的第二增大钻压，则会出现钻柱的第二次弯曲或更多次弯曲。次弯曲或更多次弯曲。图图2-34 钻柱受压弯曲示意图钻柱受压弯曲示意图 钻柱在井眼内的旋转钻柱在井眼内的旋转运动形式运动形式可能有如下可能有如下四种四种： （1）自转自转钻柱象一根柔性轴，围绕自身轴线旋钻柱象一根柔性轴，围绕自身轴线旋转。现象是易产生均匀磨损，发生疲劳破坏。转。现象是易产生均匀磨损，发生疲劳破坏。 （2）公转公转钻柱象一个刚体，围绕着井眼轴线旋钻柱象一个刚体，围绕着井眼轴线旋转并沿着井壁滑动。转并沿着井壁滑动。 现象是易产生偏磨。现象是易产

17、生偏磨。 （3）公转与自转的结合公转与自转的结合钻柱围绕井眼轴线旋转，同钻柱围绕井眼轴线旋转，同时围绕自身轴线转动，即不是沿着井壁滑动而是滚动。交时围绕自身轴线转动，即不是沿着井壁滑动而是滚动。交变应力的作用，循环次数比自转时低得多。变应力的作用，循环次数比自转时低得多。 （4）整个钻柱或部分钻柱作无规则的）整个钻柱或部分钻柱作无规则的旋转摆动旋转摆动。常常。常常造成钻柱的强烈振动。造成钻柱的强烈振动。 一般认为弯曲钻柱旋转的主要形式是自转，但也可能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。产生公转或两种运动形式的结合。 （二）钻柱的受力分析（二）钻柱的受力分

18、析 1. 轴向拉力和压力轴向拉力和压力(Axial Tension and Compression) 钻柱受到的轴向载荷主要有由自重产生的拉力、由钻井液钻柱受到的轴向载荷主要有由自重产生的拉力、由钻井液产生的浮力和因加钻压而产生的压力，另外还有摩擦力、加速产生的浮力和因加钻压而产生的压力，另外还有摩擦力、加速力等。力等。 （1）钻柱在垂直井眼中悬挂）钻柱在垂直井眼中悬挂 井口处拉力最大。井口处拉力最大。钻柱任一截面处（假定在钻杆上）的拉力可按下式计算：钻柱任一截面处（假定在钻杆上）的拉力可按下式计算：式中：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空井中的钻柱任一截面处的拉力，它

19、等于该截面以下钻 柱在空气中的重力，柱在空气中的重力，kN； 分别为钻杆、钻铤单位长度的重力，分别为钻杆、钻铤单位长度的重力，kN/m， 称为称为“线重（线重（Linear Weight）。）。 为钻铤的长度，为钻铤的长度，m； 截面以下钻杆长度，截面以下钻杆长度，m。若计算截面落在钻铤上，。若计算截面落在钻铤上， 为零。为零。ccppLqLqF00Fcpqq ，cLpLpL 钻井液浮力减轻系数表示：钻井液浮力减轻系数表示： 式中：式中： K称为称为“浮力减轻系数浮力减轻系数”； 钻井液密度，钻井液密度，g/cm3 ； 钻柱钢材密度，钻柱钢材密度，g/cm3。dK1d n考虑钻井液浮力和静液压

20、力的横向挤压作用后，钻柱任一截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：面处的轴向拉力可按下式计算：n n 悬挂在钻井液中的钻柱任一截面上的轴向拉力，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。它等于该截面以下钻柱在钻井液中的重力。n钻柱在钻井液的重力称为浮重（钻柱在钻井液的重力称为浮重（Buoyant Weight）。）。n这种计算钻柱轴向力的方法，称为这种计算钻柱轴向力的方法，称为“浮力系数法浮力系数法”（Buoyancy Fact Method）。）。0KFLqLqKFccppmmF （2 2）正常钻进时）正

21、常钻进时 正常钻进时，把部分钻柱的重力正常钻进时，把部分钻柱的重力（钻铤）加到钻头上作为钻压。下部钻（钻铤）加到钻头上作为钻压。下部钻柱受压缩应力的作用。柱受压缩应力的作用。 钻柱任一截面上的轴向拉力为：钻柱任一截面上的轴向拉力为：式中：式中： 钻进时（有钻压）钻柱任钻进时（有钻压）钻柱任一截面上的轴向拉力，一截面上的轴向拉力，kNkN； w w 钻压，钻压，kNkN。WLqLqKFccppwwF图图2-36 钻柱轴向力分布钻柱轴向力分布 中性点：中性点：钻柱上轴向力为零的点钻柱上轴向力为零的点(点点)(亦称中和点，亦称中和点，Neutral Point )。 垂直井眼中钻柱的中性点高度可按下

22、式确定：垂直井眼中钻柱的中性点高度可按下式确定：式中：式中： 中性点距井底的高度，中性点距井底的高度，m m。KqWLcNNL 循环钻井液时，钻柱任一截面断面处产生的拉力负循环钻井液时，钻柱任一截面断面处产生的拉力负荷可按下式计算：荷可按下式计算：式中：式中： 循环压降引起的轴向拉力，循环压降引起的轴向拉力，kNkN； 截面以下钻柱内压力降，截面以下钻柱内压力降，kPakPa； 钻头水眼处的压力降，钻头水眼处的压力降，kPakPa； 钻柱流道截面积，钻柱流道截面积，cmcm2 2。410ibihAppFhFipbpiAmfFF3 . 02 . 00FgtvFddF （3 3）起下钻时）起下钻时

23、 起下钻时，钻柱除受到浮重外，还受到来自钻柱与井壁起下钻时，钻柱除受到浮重外，还受到来自钻柱与井壁的摩擦力的摩擦力Ff 和提升或下放速度变化所产生的动载和提升或下放速度变化所产生的动载Fd 式中：式中： - -提升加速或下钻减速阶段产生的动载提升加速或下钻减速阶段产生的动载,N,N； v v - -大钩提升或下放速度大钩提升或下放速度,m/s,m/s； t t - -加速或减速所延续的时间加速或减速所延续的时间,s;,s; g g - -重力加速度重力加速度,m/s,m/s2 2。 考虑摩擦力和动载的作用后考虑摩擦力和动载的作用后, ,钻柱任一截面处轴向力为钻柱任一截面处轴向力为: : 式中式

24、中, ,起钻时取正号起钻时取正号, ,下钻时取负号。下钻时取负号。dfccpptFFLqLqKF 2、扭矩、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、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、岩石性质、钻压和转速、 钻井液性质井眼质量等因素有关，很难钻井液性质井眼质量等因素有关，很难准确地计算。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。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，在井下动

25、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。在井底处最大，往上逐渐减小。 3 3、弯曲力矩、弯曲力矩(Bending Moment)(Bending Moment) 其大小与钻柱的刚度、其大小与钻柱的刚度、 弯曲变形部分的长度及最大挠度等因弯曲变形部分的长度及最大挠度等因素有关。素有关。 4 4、离心力、离心力（Centrifugal forceCentrifugal force） 5 5、外挤压力、外挤压力(Collapsing Pressure)(Collapsing Pressure)：中途测试和卡瓦悬持。：中途测试和卡瓦悬持。 6 6、纵向振动、纵向振动(A

26、xial Vibration)(Axial Vibration)：钻柱中性点附近产生交变的：钻柱中性点附近产生交变的轴向应力。纵向振动和钻头结构、所钻地层性质、泵量不均匀、钻轴向应力。纵向振动和钻头结构、所钻地层性质、泵量不均匀、钻压及转速当等因素有关。压及转速当等因素有关。 7、扭转振动、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。动。 8 8、横向摆振、横向摆振（Cross Vibration)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

27、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。公转，引起钻柱严重偏磨。 钻柱受力严重的部位是：钻柱受力严重的部位是： （1 1）钻进时，钻柱下部受力最为严重。）钻进时，钻柱下部受力最为严重。 （2 2）起下钻时，井口处钻柱受到最大拉力。）起下钻时，井口处钻柱受到最大拉力。 （3 3）由于地层岩性变化、钻头的冲击和纵向振动等因）由于地层岩性变化、钻头的冲击和纵向振动等因素的存在，使得钻压大小不均匀，因而使中性点附近的钻素的存在，使得钻压大小不均匀，因而使中性点附近的钻柱受拉压交变载荷的作用，容易产生疲劳破坏。柱受拉压交变载荷的作用，容易产生疲劳破坏。 钻柱设计包括钻

28、柱尺寸选择和强度设计两方面内容。钻柱设计包括钻柱尺寸选择和强度设计两方面内容。 设计中，一般遵循以下设计中，一般遵循以下两个原则两个原则： （1 1）满足强度（抗拉、抗挤强度等）要求，保证钻柱）满足强度（抗拉、抗挤强度等）要求，保证钻柱安全工作；安全工作； （2 2）尽量减轻整个钻柱的重力，以便在现有的抗负荷）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。能力下钻更深的井。三、三、 钻柱设计钻柱设计 （一）、钻柱尺寸选择（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

29、、地区的特点，如地质条件、井身结构、 钻具供应及防斜措施等。钻具供应及防斜措施等。表表2-21 2-21 钻头尺寸与钻柱尺寸配合钻头尺寸与钻柱尺寸配合钻头直径mm(in)钻铤外径mm(in)钻杆外径mm（in）方钻杆方宽mm(in)299(1143) 203(8)168(685) 152(6)248299(9431143) 178203(78) 140(521) 133,152(541,6)197248(743943) 152178(67) 114,127(421,5) 108,133(441,541)146216(543821) 146(543) 89(321) 89,108(321,441

30、) 选择的基本原则是：选择的基本原则是： 1.1.方钻杆由于受到扭矩和拉力最大，在供应可能的情况下，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。应尽量选用大尺寸方钻杆。 2.2.在钻机提升能力允许的情况下，选择大尺寸钻杆是有利的。在钻机提升能力允许的情况下，选择大尺寸钻杆是有利的。 3.3.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。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：使用大直径钻铤具有下列优点： （1 1）可用较少的钻铤满足所需钻压的要求，可减少钻铤

31、，）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；从而减少起下钻时连接钻铤的时间； （2 2）提高了钻头附近钻柱的刚度，有利于改善钻头工况；）提高了钻头附近钻柱的刚度，有利于改善钻头工况； （3 3）钻铤和井壁的间隙较小，可减少连接部分的疲劳破坏；）钻铤和井壁的间隙较小，可减少连接部分的疲劳破坏； （4 4）有利于防斜。）有利于防斜。 （二）钻铤长度的确定（二）钻铤长度的确定 其确定原则是：保证在最大钻压时钻杆不承受压缩载其确定原则是：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。荷，即保持中性点始终处在钻铤上。 钻铤长度计算公式：钻铤长度计算

32、公式：cosmaxKqWSLcNc上式中：上式中： 钻铤长度，钻铤长度，m m； 设计的最大钻压，设计的最大钻压，kNkN； 安全系数，防止遇到意外附加力（动载、井壁摩擦安全系数，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，一般取力等）时，中性点移到钻杆上，一般取 =1.15 =1.15 1.251.25； 每米钻铤在空气中的重力，每米钻铤在空气中的重力，kN/mkN/m； K K 浮力系数；浮力系数； 井斜角，直井时，井斜角，直井时， =0=0。cLmaxWNSNScq （三）钻杆柱强度设计（三）钻杆柱强度设计 1.1.钻杆柱设计的强度条件钻杆柱设计的强度条件 钻杆柱任一截

33、面上的静拉伸载荷应满足以下条件：钻杆柱任一截面上的静拉伸载荷应满足以下条件： F Ft t F Fa a 式中：式中： F Ft t 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，kNkN； F Fa a 钻杆柱的最大安全静拉载荷，钻杆柱的最大安全静拉载荷，kNkN。 （1 1）钻杆在屈服强度下的抗拉载荷：）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：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：式中： 钻杆钢材的最小屈服强度，钻杆钢材的最小屈服强度，MPaMPa； 钻杆的横截面积，钻杆的横截面积，cmcm2 2；

34、 最小屈服强度下的抗拉载荷，最小屈服强度下的抗拉载荷，kNkN。 可以计算可以计算, , 也可以也可以从从表表2 21414中查出。中查出。pyyAF1 . 0ypAyFyF （2）钻杆的最大允许拉伸载荷）钻杆的最大允许拉伸载荷式中：式中： 钻杆的最大允许拉伸载荷，钻杆的最大允许拉伸载荷，kNkN。 （3）钻杆的最大安全静拉载荷）钻杆的最大安全静拉载荷 安全系数法安全系数法 考虑起下钻时的动载及摩擦力，一般取一个安全系数考虑起下钻时的动载及摩擦力，一般取一个安全系数S St t，以保证钻，以保证钻柱的工作安全，即：柱的工作安全，即： / / 式中：式中： 安全系数，一般取安全系数，一般取1.3

35、01.30。 ypFF9.0pFpFpaFF tStSaF 设计系数法（考虑卡瓦挤压）设计系数法（考虑卡瓦挤压） 拉力余量法拉力余量法式中：式中：MOPMOP拉力余量，一般取拉力余量，一般取200200500KN500KN。 取以上三个取以上三个 中最低者作为最大安全静拉载荷，据此计中最低者作为最大安全静拉载荷，据此计算钻杆柱的最大许用长度。算钻杆柱的最大许用长度。MOPFFpa1typaFFaF 2. 2. 钻杆柱设计钻杆柱设计 ( (1)1)单一钻杆柱长度设计单一钻杆柱长度设计 由由 得最大允许下深为：得最大允许下深为： KqLLqFccpa)(pccaqqLKFL式中：式中： 钻杆的最大

36、安全静拉载荷，钻杆的最大安全静拉载荷，kNkN； L L 钻杆柱的最大允许下深，钻杆柱的最大允许下深，m m； 单位长度钻杆在空气中的重力，单位长度钻杆在空气中的重力，kN/mkN/m； 钻铤柱长度钻铤柱长度,m,m； 单位长度钻铤在空气中的重力，单位长度钻铤在空气中的重力， kN/m kN/m 。aFpqcLcq （2）复合钻杆柱长度设计）复合钻杆柱长度设计 应自下而上逐段确定各段钻杆的最大长度。应自下而上逐段确定各段钻杆的最大长度。式中：式中： 分别为钻铤上面第一、第二、第三钻杆分别为钻铤上面第一、第二、第三钻杆 的最大长度，的最大长度，m m； 为相应各段钻杆的最大安全静拉载荷，为相应各

37、段钻杆的最大安全静拉载荷，kNkN； 为相应各段钻杆单位长度在空气中的重力，为相应各段钻杆单位长度在空气中的重力，kN/mkN/m。1111pccpaqLqKqFL211222pppCcpaqLqLqKqFL32211333pppccpaqLqLqLqKqFL321LLL，321aaaFFF，321pppqqq， （3）抗外挤强度计算）抗外挤强度计算式中式中: : 最大允许外挤力最大允许外挤力,MPa,MPa； 钻杆的最小抗挤强度，钻杆的最小抗挤强度，MPaMPa； 安全系数，一般应不小于安全系数，一般应不小于1.1251.125。ccacSPP acPcPcS （4 4）抗扭强度）抗扭强度式

38、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。nPM67. 9 （5 5）抗内压强度）抗内压强度 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 7G标准中查得，用适当的安全系数去除它，即得其许用标准中查得，用适当的安全系数去除它，即得其许用静内压力。静内压力。 （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/

39、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(本例假设本例假设) )。3典型钻柱的设计举例典型钻柱的设计举例 （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，线重钻铤，线重q qc c=1.

40、35kN/m=1.35kN/m。 计算钻铤长度计算钻铤长度: :cosmaxKqSWLcNc 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； 浮力系数浮力系数, ,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) 按每米钻铤按每米钻铤10m10m计，需用计，需用1919根钻铤根钻铤, ,总长总长190m190m。maxWNSNScqKKcL （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，线重，线重284.69N/m284.