第二章钻进工具——钻柱

1、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、钻柱的作用与组成一、钻柱的作用与组成 概念概念：钻柱(Drill Stem)是钻头以上，水龙头以下部分的钢管柱的总称。它包括方钻杆(Square Kelly)、钻杆(Drill Pipe)、钻挺(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(1)提供钻井液流动通道； (2)给钻头提供钻压； (3)传递扭距； (4)起下钻头； (5)计量井深。(6)观察和了解井下情况（钻头工作情况、井眼状况、地层情况）；(7)进行其它特

2、殊作业（取芯、挤水泥、打捞等）；(8)钻杆测试 ( Drill-Stem Testing),又称中途测试。第二节第二节 钻钻 柱柱作用和组成作用和组成（二）钻柱组成（二）钻柱组成v方钻杆 v钻杆 v钻铤v稳定器v配合接头和保护接头v其它井下工具： 减震器、震击器、 扩眼器、键槽破坏器第二节第二节 钻钻 柱柱作用和组成作用和组成 1. 钻杆钻杆（1）作用：传递扭矩和输送钻井液，延长钻柱。（2）结构：管体+接头（3）规范：壁厚：9 11mm 外径：60.3，73.0，88.9，101.6，114.3，127.0，139.7 长度： 1822ft ，2730ft， 3845ft第二节第二节 钻钻 柱

3、柱作用和组成作用和组成（4 4）钢级与强度）钢级与强度 （6 6）接头及丝扣）接头及丝扣v丝扣连接条件：尺寸相等，丝扣类型相同，公母扣相匹配。v 钻杆接头特点：壁厚较大，外径较大，强度较高。v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/in2550007500095000105000135000MPa586.05723.95861.85930.791137.64最大屈服强度lb/in28500010500012500013

4、5000165000MPa655.00689.48723.95792.90999.74最小抗拉强度lb/in295000100000105000115000145000第二节第二节 钻钻 柱柱作用和组成作用和组成 内平式：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。v贯眼式：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。v正规式：主要用于内加厚钻杆及钻头、打捞工具。其特点是接头内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

5、。第二节第二节 钻钻 柱柱作用和组成作用和组成vNC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,具有0.065 英寸平螺纹顶和0.038英寸圆螺纹底, 用V-0.038R表示扣型,可与V-0.065 型螺纹连接。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

6、距和螺纹长度，可以互换使用。表表2-17 可以互换使用的接头可以互换使用的接头数 字 型 接头NC26NC31NC38NC40NC46NC50旧API接头283IF287IF321IF4IF4FH421IF第二节第二节 钻钻 柱柱作用和组成作用和组成2. 2. 钻铤钻铤v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。v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。v 类 型：光钻铤、螺旋钻铤、扁钻铤。v常用尺寸：6-1/4，7，8，93.3.方钻杆方钻杆 类

7、 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)。第二节第二节 钻钻 柱柱作用和组成作用和组成4.4.稳定器稳定器类型：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。 第二节第二节 钻钻 柱柱作用和组成作用和组成 二、钻柱的工作状态及受力二、钻柱的工作状态及受力（一）钻柱的工作状态（一）钻柱的工作状态1. 起下钻工况下：起下钻工况下： （1）直井：直的拉伸、滑动 （2）斜井：随井眼倾斜和弯曲，滑动。2. 正常钻进工况下正常钻进

8、工况下 上部受拉伸，下部受压弯曲；在扭矩作用下旋转运动。v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。第二节第二节 钻钻 柱柱工作状态与受力工作状态与受力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，即不是沿着井壁滑动而是滚动。钻柱磨损均匀，但受交变应力的作用，循环次数比自转

9、时低得多。 （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。v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，既有自转，也有公转。第二节第二节 钻钻 柱柱工作状态与受力工作状态与受力（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（7）起下钻时产生的动

10、载荷）起下钻时产生的动载荷（8）扭距）扭距（9）弯曲应力）弯曲应力（10）离心力）离心力（11）外挤力）外挤力（12）振动产生的交变应力）振动产生的交变应力 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、弯曲应力、扭剪应力交变轴向应力、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。轴向力轴向力第二节第二节 钻钻 柱柱工作状态与受力工作状态与受力 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）：）自重产生的轴向拉力（井内掏空时）：（2）浮重

11、产生的轴向力：）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：）正常钻进时的轴向力：sdBK10FKLqLqKFBccppBmccppLqLqF0WLqLqKFccppwWF第二节第二节 钻钻 柱柱工作状态与受力工作状态与受力（4 4）其它轴向力的计算）其它轴向力的计算v循环压降引起的附加轴向拉力：v滑动摩擦阻力：v动载荷：（5 5）起下钻时钻柱轴向力：）起下钻时钻柱轴向力：410ibihAppFmfFF3 . 02 . 00FgtvFd第二节第二节 钻钻 柱柱工作状态与受力工作状态与受力dfccppBtFFLqLqKF)(spbpbotpbsipppbotbbpp

12、pipbp（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： 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。为什么？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。BcNKqWLNL 钻柱轴向力分布与中性点钻柱轴向力分布与中性点w w 0 ( (+ +) ) ( (- -) ) 拉力拉力 压力压力 FW w w N N L LN 第二节第二节 钻钻 柱柱工作状态与受力工作状态与受力三、三、 钻柱设计钻柱设计v 设计内容：设计内容： （1）尺寸选择 （2）钻

13、铤柱长度计算 （3）钻杆柱强度设计及较核。v设计原则：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。第二节第二节 钻钻 柱柱设计设计 （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； （2）井眼尺寸； （3）地质条件； （4）工艺要求； （5）供货情况。 2. 经验配合关系经验配合关系钻头直径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(7

14、8) 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)第二节第二节 钻钻 柱柱设计设计（二）钻铤长度的确定（二）钻铤长度的确定 浮重原则：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

15、重力，kN/m； KB 浮力系数； 井斜角度数，直井时， =0。cosmaxBcNcKqWSLcLmaxWNScqNS第二节第二节 钻钻 柱柱设计设计 （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 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 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 . 0ypAyF第二节第二节 钻

16、钻 柱柱设计设计BmkckckpjijjpiitiKqLqLqLF)(111 （2）钻杆的最大允许拉伸力）钻杆的最大允许拉伸力Fp： 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）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第二节第二节 钻钻 柱柱设计设计2. 2. 钻杆柱强度设计钻杆柱强度设计按最大安全静拉力F a设计钻杆柱的最大允许下深（长度）。（1 1）单一钻杆

17、柱设计）单一钻杆柱设计强度条件： 最大允许下深：（2 2）复合钻杆柱设计（深井）复合钻杆柱设计（深井）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。每段钻杆满足强度条件：BccpaKqLLqF)(pccBaqqLKFLBmkckckpjijjpiiiaKqLqLqLF)(111第二节第二节 钻钻 柱柱设计设计v 钻铤上面第一、二、三、四段钻杆的长度v 相应各段钻杆的最大安全静拉力v 相应各段钻杆在空气中的单位长度重力 1

18、111pccBpaqLqKqFL211222pppCcBpaqLqLqKqFL32211333pppccBpaqLqLqLqKqFL3332211444ppppccBpaqLqLqLqLqKqFL4321LLLL，4321aaaaFFFF，4321ppppqqqq，第二节第二节 钻钻 柱柱设计设计3. 强度较核强度较核（1）抗外挤强度较核：）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 2）抗扭强度较核：）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。（

19、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. 9第二节第二节 钻钻 柱柱设计设计4典型钻柱的设计举例典型钻柱的设计举例（1 1）设计参数）设计参数 井深:5000m; 井径:215.9mm(8-1/2in); 钻井液密度:1.2g/cm3; 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 2）钻铤选择）钻铤选择： 选用外径158.75mm(6-1/4i

20、n)、内径57.15mm(2-1/4in)钻铤，每米重力qc=1.35kN/m。 计算钻铤长度: 第二节第二节 钻钻 柱柱设计设计 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 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: =0.91760/1.30=1218.46(kN) =0.91760/1.42=1115.49(kN) =0.91760-200=1384(kN) maxWNScqBKcLtyaSFF9 . 01tyyaFF9 . 01MOPFFya9 . 01)cos(maxBcNcKqSWL 由上面的计算可以看出,按卡