钻井工程教学第二章的PPT(下)

第二节钻柱一、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、钻柱的组成与作用（一）钻柱的组成

钻柱(DrillingString)是钻头以上，水龙头以下部分的钢管柱的总称.

包括：方钻杆(SquareKelly)、钻杆(DrillPipe)、钻铤(DrillCollar)、各种接头(Joint)及稳定器(Stabilizer)等井下工具。（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-StemTesting)，又称中途测试。

1.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

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）规范：

壁厚：9～11mm

外径：

长度：

根据美国石油学会(AmericanPetroleumInstitute,简称API)的规定，钻杆按长度分为三类：

第一类5.486～6.706米(18～22英尺)；第二类8.230～9.144米(27～30英尺);

第三类11.582～13.716米(38～45英尺)。

常用钻杆规范（内径、外径、壁厚、线密度等）见表2-12（4）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系列接头的三种方式内平式(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。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。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。NC型系列接头NC23，NC26，NC31，NC35，NC38，NC40，NC44，NC46，NC50，NC56，NC61，NC70，NC77NC—NationalCoarseThread，（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。表2-17可以互换使用的接头2.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.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。

（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。

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.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。3.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（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.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：WFB（4）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：（5）中性点钻柱上轴向力等于零的点(Ｎ点)(亦称中和点，NeutralPoint)。

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。

钻柱轴向力分布与中性点三、钻柱设计

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。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。钻柱组合设计设计内容钻铤的确定内、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在承压钻杆与下部钻具连接。钻杆的确定钻铤的安放位置设计内容钻铤的确定内、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。钻杆的确定钻铤的安放位置（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（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

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°。？复合钻铤怎么设计？（三）钻杆柱强度设计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2－14中查出。（2）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Fa

①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。

②设计系数法（考虑卡瓦挤压）

③拉力余量法

式中：MOP——拉力余量，一般取200～500KN。三者取最小值作为Fa2.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：

（2）复合钻杆柱设计（深井）每段钻杆满足强度条件：

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。（2）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;

3.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APIRP7G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.4．典型钻柱的设计举例（1）设计参数

①井深:5000m;②井径:215.9mm(8-1/2in);③钻井液密度:1.2g/cm3;④钻压:180kN;⑤井斜角:3°;⑥拉力余量:200kN(本例假设);⑦卡瓦长度:406.4mm;⑧安全系数：1.30(本例假设)。（2）钻铤选择：

①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。②计算钻铤长度:

式中:─最大钻压,180kN;─安全系数,取

=1.18;─每米钻铤在空气中的重力,1.35kN/m；─浮力系数,计算得

=0.85;─井斜角,=3°。

计算得：

=180×1.18/1.35×0.85×cos3°=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）

①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。

②最大长度计算:

最大安全静拉载荷为:

Fa1=0.9Fy/St=0.9×1760/1.30=1218.46(kN)

Fa1=0.9Fy/(σy/σt)=0.9×1760/1.42=1115.49(kN)Fa1=0.9Fy-MOP=0.9×1760-200=1384(kN)

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：

=1115.49/284.69×10-3×0.85-190×1.35/284.69×10-3=3675(m)（4）选