钻井工程教学第二章的(下)

1、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、钻柱的组成与作用一、钻柱的组成与作用（一）钻柱的组成 钻柱(Drilling String)是钻头以上，水龙头以下部分的钢管柱的总称. 包括：方钻杆(Square Kelly)、钻杆(Drill Pipe)、钻铤(Drill Collar)、 各种接头(Joint)及稳定器(Stabilizer)等井下工具。（一）钻柱的作用（一）钻柱的作用 提供钻井液流动通道； 给钻头提供钻压； 传递扭距； 起下钻头； 计量井深； 观察和了解井下情况（钻头工况、井眼状况、地层情况） 进行其它特殊作业（取芯、挤水泥、打捞等） 钻杆测试(Drill

2、-Stem Testing)，又称中途测试。 1. 1. 钻钻 杆杆 （1）作用：传递扭矩和输送钻井液，延长钻柱。 （2）结构：管体+接头 常用的加厚形式有内加厚(a)、外加厚(b)、 内外加厚(c)三种. (a) (b) (c)（3 3）规范）规范： 壁厚：9 11mm 外径： 长度： 根据美国石油学会(American Petroleum Institute,简称API)的规定，钻杆按长度分为三类： 第一类 5.486 6.706米(1822英尺)； 第二类 8.230 9.144米(2730英尺); 第三类 11.58213.716米(3845英尺)。 常用钻杆规范（内径、外径、壁厚、线

3、密度等）见表2-12 21,21 ,21,87 ,835139.70 ,500.127 430.1144101.60390.88 273.00 230.60 （4 4）钢级与强度）钢级与强度（5）接头及丝扣 丝扣连接条件：尺寸相等，丝扣类型相同，公母扣相匹配。 钻杆接头特点：壁厚较大，外径较大，强度较高。 钻杆接头类型：内平（IF）、贯眼（FH）、正规（REG）； NC系列 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

4、.05723.95861.85930.791137.64最大屈服强度lb/in285000105000125000135000165000MPa655.00689.48723.95792.90999.74最小抗拉强度lb/in295000100000105000115000145000接头的三种方式接头的三种方式n内平式(IF)：主要用于外加厚钻杆。其特点是钻杆通体内径相同，钻井液流动阻力小；但外径较大，容易磨损。 n贯眼式(FH)：主要用于内加厚钻杆。其特点是钻杆有两个内径，钻井液流动阻力大于内平式，但其外径小于内平式。 n正规式(REG)：主要用于内加厚钻杆及钻头、打捞工具。其特点是接头内

5、径加厚处内径管体内径，钻井液流动阻力大，但外径最小，强度较大。 三种类型接头均采用V型螺纹，但扣型、扣距、锥度及尺寸等都有很大的差别。NCNC型系列接头型系列接头NC23，NC26，NC31，NC35，NC38，NC40，NC44，NC46，NC50，NC56，NC61，NC70，NC77 NCNational Coarse Thread，（美国）国家标准粗牙螺纹。 xx表示基面丝扣节圆直径，用英寸表示的前两位数字乘以10。 如：NC26表示的节圆直径为2.668英寸。 NC螺纹也为V型螺纹, 表2-17所列的几种NC型接头与旧API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

6、。表2-17 可以互换使用的接头2. 钻铤钻铤 结构特点：管体两端直接车制丝扣，无专门接头；壁厚大(38-53毫米）， 重量大，刚度大。 主要作用：(1)给钻头施加钻压; (2)保证压缩应力条件下的必要强度; (3)减轻钻头的振动、摆动和跳动等，使钻头工作平稳； (4)控制井斜。 类 型：光钻铤、螺旋钻铤、扁钻铤。 常用尺寸：6-1/4，7 ，8 ，9 3. 方钻杆 类 型：四方形、六方形 特 点：壁厚较大，强度较高 主要作用：传递扭矩和承受钻柱的全部重量。 常用尺寸：89mm(3.5英寸)，108mm (4.5英寸)，133.4mm (5.5英寸)。 12.19m（长度）4.4.稳定器稳定器

7、类型：刚性稳定器、不转动橡胶套稳定器、滚轮稳定器。 作用：1）防斜； 2）控制井眼轨迹。 （一）钻柱的工作状态（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。 n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. 3. 钻柱的旋转运动形式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

8、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。3. 3. 钻柱的旋转运动形式钻柱的旋转运动形式（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（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 （

9、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，对于转盘钻井井口扭距最大，对于井下 动力钻具钻井，钻头处扭矩最大； 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2.2.轴向力和中性点轴向力和中性点 （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： WFccppLqLqF00FKLqLqKFBccppBmsdBK 1WLqLqKFccppwB

10、（4 4）其它轴向力的计算）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：410ibihAppFmfFF3 .02 .00FgtvFddfccppBtFFLqLqKF)(spbpbotpbsipppbotbbpppipbp（5 5）中性点）中性点钻柱上轴向力等于零的点(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。BcNKqWL 钻

11、柱轴向力分布与中性点w w 0 ( (+ +) ) ( (- -) ) 拉拉力力 压压力力 FW w w N N L LN 三、钻柱设计三、钻柱设计n 设计内容： （1）尺寸选择 （2）钻铤柱长度计算 （3）钻杆柱强度设计及校核。 n下部钻具组合设计的原则: （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。 （3） 有效地钻出设计的井眼轨道； （4） 钻头、马达和测量系统工作稳定性高，能加较大钻压，有 利于提高钻速； （5） 具有较高的强度和寿命； （6） 便于安装和起下。钻柱组合设计钻柱组合设计钻铤的确定内、外径

12、，内小、外大，受井径限制、钻井 液流动限制，长度满足钻压要求。强度足够，钻进不断，尽量保证钻井液正常循环减少能量损耗。井斜小：提供钻压的钻铤安放在钻具下部，钻具上部采用钟摆、塔式、满眼结构。钻井斜大或水平井：钻铤放在井斜较小的井段，大斜度井段或水平井段则在承压钻杆与下部钻具连接。钻杆的确定钻铤的安放位置钻铤的确定内、外径，内小、外大，受井径限制、钻井 液流动限制，长度满足钻压要求。强度足够，钻进不断，尽量保证钻井液正常循环减少能量损耗。井斜小：提供钻压的钻铤安放在钻具下部，钻具上部采用钟摆、塔式、满眼结构。钻井斜大或水平井：钻铤放在井斜较小的井段，大斜度井段或水平井段则用承压钻杆与下部钻具连接

13、。钻杆的确定钻铤的安放位置（一）钻柱尺寸选择（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

14、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。 （一）钻柱尺寸选择（二）钻铤长度的确定（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； KB 浮力系数； 井斜角，直井时， =0。cosmaxBcNcKqWSLcLmaxWNScqNS？复合钻铤怎么设计？（三）钻杆柱强度设计（三）钻杆柱强度设计

15、1.强度条件 Ft Fa 式中：Ft 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，kN。 （1）钻杆在屈服强度下的抗拉载荷： 钻杆材料的屈服强度所允许的最大抗拉载荷。 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214中查出。pyyAF1 . 0ypAyFBmkckckpjijjpiitiKqLqLqLF)(111（2 2）钻杆的最大允许拉伸力）钻杆的最大允许拉伸力FpFp式中： 钻杆的最大允许拉伸载荷，kN。 （3）钻杆的最大安全静拉力Fa 安全系数法（考虑起下钻时的动载及摩擦力） 式中： 安

16、全系数，一般取1.30。 设计系数法（考虑卡瓦挤压） 拉力余量法 式中：MOP拉力余量，一般取200500KN。ypFF9.0pFtpaSFF/tS1typaFFMOPFFpa三者取最小值作为Fa2. 2. 钻杆柱强度设计钻杆柱强度设计 按最大安全静拉力Fa设计钻杆柱的最大允许下深（长度）。（1）单一钻杆柱设计 强度条件： 最大允许下深： BccpaKqLLqF)(pccBaqqLKFL（2 2）复合钻杆柱设计（深井）复合钻杆柱设计（深井）每段钻杆满足强度条件：BmkckckpjijjpiiiaKqLqLqLF)(111 思路：由下而上，所受拉伸载荷逐渐增大，强度应逐渐增大。故由钻铤上面第一段

17、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，由下而上强度逐级增大以满足抗拉强度的要求。（2 2）复合钻杆柱设计（深井）复合钻杆柱设计（深井）钻铤上面第一、二、三、四段钻杆的长度; 相应各段钻杆的最大安全静拉力;相应各段钻杆在空气中的单位长度重力; 1111pccBpaqLqKqFL211222pppCcBpaqLqLqKqFL32211333pppccBpaqLqLqLqKqFL3332211444ppppccBpaqLqLqLqLqKqFL4321LLLL，4321aaaaFFFF，4321ppppqqqq，3. 3. 强度较核

18、强度较核（1）抗外挤强度较核： 式中: 最大安全外挤载荷,MPa； 钻杆的最小抗挤压力，MPa； 安全系数，一般应不小于1.125。 （2）抗扭强度较核： 式中： M - 钻杆承受的扭矩,kNm； P - 使钻柱旋转所需的功率，kW； n - 转速，rpm。 （3）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API RP 7G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.ccacSPP acPcPcSnPM67. 94 4典型钻柱的设计举例典型钻柱的设计举例（1）设计参数 井深:5000m; 井径:215.9mm(8-1/2in); 钻井液密度:1.2g/cm3 ;

19、 钻压:180kN; 井斜角:3; 拉力余量:200kN(本例假设); 卡瓦长度:406.4mm; 安全系数：1.30(本例假设)。 （2）钻铤选择： 选用外径158.75mm(6-1/4in)、内径57.15mm(2-1/4in)钻铤，每米重力qc=1.35kN/m。 计算钻铤长度: 式中: 最大钻压,180 kN; 安全系数,取 =1.18; 每米钻铤在空气中的重力,1.35 kN/m； 浮力系数,计算得 =0.85; 井斜角, =3。 计算得： =1801.18/1.350.85cos3=185(m) 按每米钻铤10m计，需用19根钻铤,总长190m。 （3）选择第一段钻杆（接钻铤） 选

20、用外径127mm、内径108.6mm，每米重284.69N/m，E级新钻杆， 最小抗拉载荷=1760KN。 最大长度计算: 最大安全静拉载荷为: Fa1=0.9Fy /St=0.91760/1.30=1218.46(kN) Fa1=0.9Fy /(y /t) =0.91760/1.42=1115.49(kN) Fa1=0.9Fy -MOP =0.91760-200=1384(kN) maxWNScqcL)cos(maxBcNcKqSWL BKBK 由上面的计算可以看出,按卡瓦挤毁比值计算的最小，则第一段钻杆的许用长度为： =1115.49/284.6910-30.85-1901.35/284.

21、6910-3=3675(m) （4）选择第二段钻杆 选用外径127mm,内径108.6mm，每米重284.69N/m，X-95级新钻杆，最小抗拉载荷为=2229.71 kN。 最大长度计算: 最大安全静拉载荷计算如下: Fa2 =0.92229.71/1.30=1543.645(kN) Fa2 =0.92229.71/1.42=1413.196(kN) Fa2 =0.92229.71-200=1806.739(kN) 1111pccBpaqLqKqFL那么，第二段钻杆的最大允许长度为： =1413.196/287.6910-30.856-1.35190 +284.6910-33675/284.6910-3 =1221(m) 钻柱总长已超过设计井深。211222pppccBpaqLqLqKqFLn最后设计的钻柱组合见下表。 钻柱组合设计结果表规 范 长度(m) 在空气中重(kN) 在钻井液中重(kN) 钻铤：外径 158.75mm，内径57.15mm,线重1.35kN.m 190 256.50 218 第一段钻杆 外径127