（机械工程专业论文）地面动力旋转钻井井下钻柱的工况分析及水力加压减振器的研究与应用.pdf

? 摘要 y 3 9 8 乏9 本文在对地面动力旋转钻井直井井下钻柱的工作环境和特性加 以分析的基础上，着重对钻柱在井下的受力特性以及损坏形式进行 。一_ 。_ _ _ - _ l 一 了分析，并对钻柱在井下的振动危害以及用于防止振动的水力加压 _ 。_ - _ _ _ 。一 减震器的结构、工作特性等些规律进行了深入的探索和研究。 本文给出的一些结论、曲线及公式，不仅有一定的学术价值， 而且对现场工程施工具有重要的指导作用。 r 第一章除概述了地面动力旋转钻井的工艺流程及国内外研究现 f 状外，还阐述了研究地面动力旋转钻井井下钻柱的运动状态的工程 价值及意义。 第二章分析探讨了地面动力旋转钻井井下钻柱的运动状态、受 力及螺纹联接的特性。 第三章分析探讨了地面动力旋转钻井井下钻柱的的振动形式， 并提出分析了低频纵振现象对井下钻柱的损害，以及建立了纵向、 扭转振动的数学模型。 第四章调查了大庆近几年钻柱损坏的典型实例，并在对钻柱损 坏的特征、形式等给予了分析的基础 ：，提出了井一f t - 柱损坏的j ： 婴因素及预防的关键。 第五章在觚述分析的基础【：，对井卜近钻头钻柱的振动状念给 弘，具体的批述，并介绍了依此提的一一水力加压减振器的i 焚 计及现场试验饥# 况。v 厂 a b s t r a c t 0 nt h eb a s iso fa n a l y z i n gt h ew o r k i n gc i r c u m s t a n c ea n d p r o s p e r i t yo fd o w n h 0 1 ed r i 1li n gs t r i n go ft h e s u r f a c ed y n a m i c r o t a t i n gd r i l l i n g v e r t i c a lw e l l t h ef o r c e p r o s p e r i t y a n d f a i l u r ef o r m so fd o w n h o l ed r i l l i n gs t r i n ga r ef o c u s e do n a n d f u r t h e rr e s e a r c hh a sb e e nd o n e o nt h ev i b r a t i o n d a m a g e 0 f d o w n h o l ed r i l l i n gs t r i n ga sw e l la st h ec o n s t r u c t i o na n dw o r k p r o s p e r i t yo fv i b r a t i n g p r o o fh y d r a u l i c s h o c k e ra b s o r b e r s e v e r a lc o n c l u s i o n s c u r v e sa n df o r m u l a si nt h isp a g e r n o to n l yh a v es o m ea c a d e m i cv a l u e ，b u ta l s oh a v es o m eg u i d a n c e o nf i e l de n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o n i n c h a p t e ro n e ，e n g i n e e r i n gf l o wa n d c u r r e n tr e s e a r c h r e s u l t si nd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lo ft h es u r f a c ed y n a m i c r o t a t i n gd r i l l i n g h a v eb e e n g e n e r a l i z e d f u r t h e r m o r e ，t h e e n g i n e e r i n gv a l u ea n ds i g n i f i c a n c eo fm o t i o no f t h es u r f a c e d y n a m i cr o t a t i n gd r i l l i n gd o w n h o l ed r i l l i n gs t r i n gh a v eb e e n i1l u s t r a t e d i nc h a p t e rt w o ，t h ep r o s p e r i t yo ft h em o li o n ，f o r c ea n d s c r e w e d j o i n t o ft h es u r f a c e d y n a m i cr o t a t in gd r i11in g d o w n h 0 1 ed r i l l in gs t r ie l gh a sb e e nd is c u ss e d c h a p t e r t h f e ed is c t l s s e st h ev i b r a ti0 bf o r m so t th e 引1 1 f a c e d y n a m i c f o t a l i n gd 1 1 i1 1 h gd o w n h 0 1 ed f i1 j i l i gs “f l g a n a l y z e s t h e d a m a g e o fl o w f r e q u e n c y a n d 1 0 n g it u d i n a l v i b r a t i o nt od o w n h 0 1 ed r i l l i n gs t r i n g a n ds e tu pas e t0 fm a t h m o d e lso ft h e 1 0 n g i t u d i n a a n dt o r s i o n a lv i b r a t i o n c h a p t e rf o u ri n v e s t i g a t e ss o m et y p i c a le x a m p l e so ft h e d a m a g eo fd r i l l i n gs t r i n gi nd a o i n go i lf i e ldr e c e n ty e a r s a n do nt h eb a s iso ft h e a n a l y s i so ft h ep r o s p e r i t ya n df o r m o ft h ed a m a g eo fd r i l l i n gs t r i n g ，t h em a i nf a c t o r so ft h ed a m a g e o fd o w n h o l ed r i l l i n gs t r i n ga n dt h ep r e v e n t i v em e a s u r e sh a v e b e e np r e s e n t e d i n c h a p t e rf i v e 。t h ev i b r a t i o no fd o w n h o l en e a r b i t d r i l l i n gs t r i n gw a sd e s c r i b e da n dt h ed e s i g na sw e l la st h e i n s i t us i t u a t i o no fh y d r a u i cs h o c ka b s o r b e rw a si n t r o d u c e d 第一章结论 钻柱是快速优质钻井的重要工具，它是连通地面与地下装置的 枢纽。在转盘钻井时是靠它来传递破碎岩石所需的能量，给井底施 加钻压，以及向井内输送洗井液等。在钻井过程中，钻头的工作、 井眼的状况、甚至井下地层的各种变化，往往是通过钻柱及各种仪 表才能反映到地面上来。合理的钻井技术参数及其技术措施，也只 能在正确使用钻柱的条件下才能实现。除正常钻进外，钻井过程中 的其它各种作业，如取心、处理井下复杂情况、地层测试、挤水泥、 打捞落物等都是依靠钻柱进行的。 第一节地面动力旋转钻井( 转盘或顶驱) 的工艺流程 及井下钻桂系统的基本组成和功能 一、钻井地面动力旋转钻井( 转盘或顶驱) 的工艺流程 转盘或顶驱动力旋转钻井的工艺流程是( 如图l 一1 ) ：利用井架、 天车、游车、大钩及绞车组成的起升系统来悬持、提升、下放钻柱。 接在水龙头下的方钻杆卡在转盘中或卡在顶驱装置中，方钴杆下部 承接钻桂( 包括钻杆、钻铤、稳定器、钻头。如图l 一2 ) 。钻柱是 t ，夺i 约，呵通入清水或钻井液，工作时动力机驱动转盘旋转方钻 扦，并带动井巾的钻桎旋转，从而使钻柱最前端的钻头旋转。同时， ：地两i ：控制绞车刹把，来调节f i _ f 钻牲黍量施加到钻头上的瓜j ( 俗 孙i f i - , 包i ，j i t - ) 人小，使包蔓：以适当压力压n 矧：威的岩彳i i - ；：借助连续 ，7 j 娩j ：i t 謇7 ；。：。5 ： ；： if i 4 ，动夕7 ：l 吲f ? ；0 _ ! f 爿一勇! 使钾，j - 液乡f i ；i 面管汇一一水龙头一一钻柱内腔一一钻头一井底环形空间一一钻 井液槽一一钻井液池，进行钻井液循环，以连续带出井下被钻头破 碎的岩屑、并冷却钻头，从而达到了加深井眼的目的。 二、地面动力旋转 钻井井下钻柱系统的基 本组成及功能 地面动力旋转钻 井( 转盘或顶驱) 钻柱 系统是由：方钻杆、钻 杆、钻铤、稳定器、保 护接头及钻头组成的。 方钻杆的作用是 瞒 将地面转盘旋转的能量 传递给井下的钻柱并带 动钻头旋转。井下钻柱 的部件组成随钻井条件 和方法的不同而不同。 钳i 朴的作用是将 地丽的能 最传递给钻 头，| i 键“杆的逐渐加 k 使j ：m10 ：粥i “】深。 销 玎 急j 芒器等 j 、j ，：l | i 一 茸 与钻头连接，依靠其本身的重量给钻头加压，并靠钻铤和稳定器的 各种组合来控制井眼的轨迹。钻柱的各个不同组成部分的相互连 接，是借助钻杆接头或配合接头来实现的。 第：节分折地面动力麓转钻井 ( 转盘或顶疆) 直井井下钻柱的工况及研 究应用水力加压曩振的意义 钻柱是快速优质钻井的重要工具， 它是连接地面与地下装置的枢纽。随着特 殊井工艺的发展及井眼加深的要求，对钻 柱的结构和性能要求越来越高。实践证 明，几千米甚至近万米长的钻柱在井下的 工作条件是比较恶劣复杂的，它往往是钻 井工程实施过程中比较薄弱且用量较大、 质量要求较高的环节。因而，钻柱的寿命 暮 _ 曹 蔓 l 耵 问题就显得越来越重要了。多年来，钻井工程图卜2 钻柱结构简图 人员在提高钻柱的寿命、减少钻柱损坏方面已做了大量工作，并取 得了一定的成果。但由于造成钻柱损坏的原因十分复杂，因而，有 关钻柱损坏的问题至今仍然没有得到很好的解决。 据统计n 6 ，1 8 ，在8 0 年代我国每年有近2 万米的钻柱由于在井 下施工中损坏而被迫埋在地下：在9 0 年代全国各地油气田每年至 少发生钻柱损坏事故5 0 0 多起，直接经济损失在4 0 0 0 万元以上。s p e b r i l l i n ge n g i n o o r i n g 在1 9 9 2 年刊载文章，介绍了在1 9 8 7 1 9 8 8 年西非海上的5 口直井钻井情况，这5 口井深度在2 5 9 l 3 9 6 2 3 一 米之间。钻井过程中共发生6 6 次钻柱失效断裂事故，平均每口井1 3 2 次，每次事故平均损失2 万美元。这说明钻柱失效在国外也很常见。 综观前人所作过的研究，无论是国内还是国外对影响地面动力旋转 钻井( 转盘或顶驱) 井下钻柱寿命的主要因素均未进行系统的分析 研究。虽对某一具体的单因素已有较多的分析，却多是停留在理论 分析上的各执己见，能够紧紧结合现场工程实际并对生产有价值的 处理对策就更加显得捉襟见肘了，究其主要原因是那些研究者们的 理论研究仅：局限于学术理论上，有失于生产实际，并且欠系统，同 时忽略了井下钻柱工作环境中次因素对主因素的重要影响及相互间 的转化。因而，本课题的研究方向，就是要通过对井下钻柱失效的 。? 实际情况及工作特性进行系统的分析，指出影响井下钻柱工作寿命 的主要因素及各因素间相互制约的关系，弄清钻柱失效的主要原 因，在正确分析钻柱失效的形式、特点及导致钻柱失效的主要影响 因素的前提下，有针对性地提出与生产实际相宜的处理对策，能指 导现场工程技术人员采取相应措施，以提高钻柱使用寿命，从而达 到防止井下钻柱事故、缩短钻井周期、节约钻井成本的目的。这对 今后深入开展地面动力旋转钻井( 转盘或顶驱) ，特别是深井钻井 将具有极其重要的现实意义。 第三节国内外同类课题研究现状及发展趋势 通过对有关文献的查阅，对国内外在同类课题上的研究现状及 发展趋势已有了初步的了解。 在大量的调研和分析中发现，目前，无论是国内还是国外对地 丽动力旋转钻井( 转盘或顶驱) 井下钻柱的工况均未进行系统的分 d 析研究。但对某一具体的单因素已有较多的分析，而由于在对边界 条件的界定和现场工程条件的简化上存在差异，所以，在某一局部 环节的理论研究上还未达成共识，且存在着各执己见的现象。特别 是有关能够明显指导现场实际的处理对策就更加显得捉襟见肘了。 综观前人所作的研究，多是关于钻柱振动的研究，而究其研究 方法，比较典型的主要有以下两种：一是通过理论分析，建立合适 力学分析模型和寻找合适的理论分析方法，进而完成对钻柱结构的 振动分析；二是通过对井下的实时监测，适时调整钻进参数和钻柱 结构。 目前关于钻柱振动的理论分析方法，主要有微分方程法、有限 元法和间隙元法。微分方程法即是通过对一系列的微分方程组的求 解，来计算钻柱的受力和变形，但此方法通常以钻柱处于极限载荷 作为方程求解的原始条件，并且假设井眼轴线为理想直线，但在工 程实际中，这些条件往往难以满足，因此采用该法的计算结果，很 难使人认可。 有限元法是一种比较通用的近似方法，它是通过将钻柱分解成 有限个离散的梁单元，再通过适当的合成方法将这些单元组合成一 个整体，用以代表钻柱原来的状态，并最终得到一组以节点位移为 未知量的代数方程组。该法是一种成熟的数值计算方法，它的物理 概念简单、清楚、适用性强，不限制钻柱的几何形状，而且对单元 既无严格的尺寸要求，又可较容易地考虑非线性的影响。 间隙元法也是一种近似方法，它是在有限元法的基础上，在钻 柱和井壁的接触点上构造一个多向接触问隙元。在对环境进行大量 假设的基础上建立整体钻柱动力学分析模型。间隙元法在假设中由 于考虑了钻柱及其附件与井壁间的初始间隙和接触摩擦力，使力学 ) 模型相对比较准确，考虑的因素较多，收敛速度较快，相对来说是 一种既有理论意义又有工程实用价值的方法。 事实上，钻井过程中钻柱在井下的工作状态十分复杂，若要真 实地反映实际井下钻柱的工作状态，最科学、最有效的办法，就是 采取计算和实验两者相结合。即相互比照、相互补充、相互修正的 办法。为此，国内外钻井界在计算的同时，还作了很多实验工作。 据报道：我国兰州石油机械研究所在自行设计的钻柱模拟试验装置 上进行了实测试验，并提出了以反转运动为主要特征的旋转钻柱运 动原理，指出反转运动会加速钻柱运动的弯曲疲劳破坏；西南石油 学院用涡流式传感器进行模拟试验，得出了下部旋转钻柱存在运动 位移连续、而应力不连续点，即正进动与反进动之间的过渡点，反 进动和应力不连续是下部旋转钻柱失效的重要因素的结论。 国外有人用检测传感器一种新型的实时对下部旋转钻柱进行动 态运动检测，该传感器可测量轴向、周向和径向的加速度。通过这 些测量，能够监测到钻头涡动以及钻柱扭转振动，发生钻柱扭转振 动时，会出现瞬时零转速，然后钻柱以3 1 0 倍的转速快速旋转， 此时必然产生过大的扭矩，对钻柱及井下工具都造成损害。 关于深井钻具组合的防失效设计研究，目前无论是国内还是国 外，研究的目的主要是防斜打直，提高钻头的工作指标和减少钻具 事故。从研究的内容来讲分静态和动态研究。钻具静态研究较成熟， 丽对钻具在井下的动态特性研究还处在发展阶段。 国外对钻具组合设计研究最早的是鲁滨斯基，他用钻柱弹性稳 定性理论，研究了钻柱中性点问题、稳定器的安放位置等问题，提 出了钟摆钻具、满眼钻具组合，对于防斜打直井起到积极的作用， 但多限于静力稳定方面。在钻柱振动特性方面，己经对钻柱纵向振 动，扭转振动和横向振动进行分别的研究，但对更复杂的耦合振动 问题研究不多，有的虽在理论上取得了一些成果，但还未用于实践， 所以在钻具组合设计上仍以静态理论为基础。 国内钻具组合设计方法基本上采用了鲁滨斯基的理论。自家扯 教授提出了纵横梁弯曲理论后，围绕钻具组合设计进行的直井钻井 防斜技术得到了深入的研究，使井斜控制理论得到了发展。关于钻 柱动态问题近来研究也较多。用解析法、传递矩阵法和有限元法研 究了钻柱的固有频率，对钻柱纵向振动、扭转振动和横向振动研究 在理论上也取得了一些成果，但要用于实践还要进一步研究。关于 钻柱耦合振动据报道西南石油学院已开始研究，今后钻柱力学的研 究将以动态研究为主要方向。 第二章地面动力旋转钻井井下钻柱的运动状态、 受力及零轴力点等问题的分析探讨 随着近代钻井深度的不断增加，钻井工艺的不断发展，对钻柱 的结构和性能要求越来越高。实践证明，几千米甚至近万米长的钻 柱在井下的工作条件是比较复杂的，它往往是钻井设备和工具中比 较薄弱的环节。为了快速优质安全地钻达预定深度，必须选用可靠 的钻柱。这不仅要求从尺寸配合上选择合适的钻柱，而且还应该根 据钻柱在井下的工作条件，正确分析钻柱的运动状态、受力情况， 从而进行有效的强度计算、合理的钻柱设计以及采取预防钻柱损坏 的有效措施。 第一节直井井下钻柱的工作条件及运动状态分析 钻柱在井下的工作条件随钻井方式( 转盘、顶驱或井下动力钻 井) 、钻井工序( 如正常钻进、起下钻等) 的不同而异。在不同的 工作条件下，钻柱具有不同的工作状态，受到不同的作用力。下面 主要分析转盘或顶驱钻直井时井下钻柱的工作条件及运动状态。 在钻井过程中，钻柱主要是在起下钻和正常钻进这两种条件下 工作。在起下钻时，钻柱不接触井底，整个钻柱处于悬持状态，在 自重作用下，钻柱处于受拉伸的直线稳定状态；在正常钻进时，山 于部分钻柱的重量作为钻压施加在钻头上，使得下部钻柱受压缩。 在钻压小和直井条件下，钻柱也是直的，而当压力达到某一临界值 时，下部钻柱将失去直线稳定状态，而发生弯曲。并且在某个点( 称 为“切点”) 和井壁接触，这是钻柱第一次弯曲。如果继续加人铝 一8 一 压，则弯曲形状改变，切点逐渐下移，当钻压增大到新的临界值时， 钻柱的弯曲轴线呈现出第二个半波，这是钻柱第二次弯曲。如果再 继续加大钻压，则会出现钻柱的第三次弯曲或更多次弯曲。 在正常钻进时，整个钻柱是处于不停旋转的状态。作用在钻柱 上的力，除拉力和压力外，还有由于旋转产生的离心力。离心力的 作用有可能加剧下部钻柱的弯曲，使弯曲半波长度缩短。在钻柱上 部的受拉部分，由于离心力的作用也可能呈现弯曲状态。很明显， 由于钻柱上部有拉力作用，其弯曲半波长度大；而往下，由于压力 不断增大，再加上离心力的作用，其弯曲半波长度变小。以上分析 的钻柱弯曲状态仅仅是发生在平面内，而实际情况是：钻进时钻头 要通过钻柱传递扭矩，这样，在扭矩作用下，钻柱不可能保持平面 的弯曲状态，而是呈螺旋形弯曲状态。即在压力、离心力和扭矩的 联合作用下，钻柱轴线一般呈变节距的空间螺旋弯曲曲线形状( 在 井底螺距最小，往上逐渐加大) 。 这样一个螺旋弯曲钻柱在井眼内是怎样旋转呢? 这是一个比较 复杂的问题，至今还未有人给出透彻的描述。但可分析出钻柱在井 眼里的旋转运动起码有以下四种形式 ： 1 钻柱围绕自身弯曲轴线旋动( 自转) ； 2 钻柱围绕井眼轴线旋转并沿着井壁滑动( 公转) ； 3 钻柱围绕井眼轴线旋转，但不是沿着井壁滑动而是沿着井l l ；：i 反向滚动( 公转与自转的结合) ； 4 整个钻柱或部分钻 作无规则的旋转摆动。 第一种形式：钻柱在软岩干一亨i | | ：| 井段r 转时，山j ：受劁交变y j i ，j 的作川，本易存，i ：筒i 大j 形成键栅，足，世钻叫钻牲受m 的1 ：t 婴 味 9 第二种形式：钻柱公转时不受交变弯曲应力的作用，但产生不 均匀的单向磨损( 偏磨) ，从而加快了钻柱的磨损和破坏。 第三种形式：钻柱同时参与两种旋转运动，即同时围绕自身轴 线和井眼轴线旋转，其磨损均匀，也受到交变弯曲应力的作用，但 循环次数比第一种形式低得多。 第四种形式：钻柱处于旋转形式转变的过渡状态，最不稳定， 常常造成钻柱的强烈振动。 从理论上讲，如果钻柱的刚度在各个方向是均匀一致的，井眼 是铅直的，那么钻柱采取何种形式运动就取决于外界阻力( 如钻井 液阻力，井壁摩擦等) 的大小，一般都采取消耗能量最小的运动形 式。实际上，钻柱的旋转形式还受到其它许多因素的影响，如钻柱 的刚度是否均匀：井眼的斜度和方位变化；井眼是否规则以及所采 取的钻井技术参数等。根据井下钻柱最常见的实际磨损情况，可以 认为弯曲钻柱旋转形式以自转居多。 第二节直井井下钻柱的受力分析及应力计算 一、钻井直并井下钻柱的受力分析 明确钻具在井内工作状态下的受力及其变形，是选用钻具和正 确制定钻井措施的前提之一。下面分析说明，钻柱在不i 司的工作状 态和不同的位置上作用着不同的载荷。概括起来，钻柱 ：主要有以 卜i 儿种基本载荷。 1 轴向力 处于懋挂状态下的钻柱，在自重作j f j lf ，山下到i ：均受拉j 。 若钻柱处在无流体的井中，则钻柱上任意点的拉力由该点以下钻柱 在空气中的重量产生，井口处拉力最大，向下逐渐减小，最下端的 拉力为零。由于钻柱是在充满洗井液的井眼中工作，实际一卜在钻柱 最下部端面上还受到静液柱压力的作用，产生一个向上的浮力，浮 力使钻柱受拉减小，并使得下部钻柱有相当长一段受到轴向压力。 当钻柱处于液柱静压中时，任意深度的轴向应力等于该深度以f 钻 柱在空气中的重量减去柱底的静压。在钻进时，钻铤以自重给钻头 加钻压，造成钻柱下部处于压缩状态，即部分钻柱重量下放到井底 作为钻压，钻柱轴向拉应力都减少一个相应数值。很明显，由于把 部分钻柱的重量施加给钻头，因此下部钻柱受压力，上部钻柱受拉 力，而且愈靠近井口，拉力愈大，愈靠近井底，压力愈大。 起钻过程中，钻柱与井壁之间的摩擦力以及遇阻、遇卡，均会 增大钻柱上的拉伸载荷。下钻时钻柱的承载情况与起钻时相反。另 外，循环系统在钻柱内及钻头水眼上所耗损的压力，也将使钻柱承 受的拉力增大。 2 弯曲力矩 在正常钻进时，下部钻柱由于受压而受到弯曲力矩的作用。从 而可以确定引起钻柱弯曲变形的主要因素是：给定的钻压值超过了 钻柱的承压临界值。同时，在转值钻井中，钻柱在离心力的作 1 卜， 亦会造成弯f j 。此外，在井眼偏斜段，钻杞也受到弯曲力矩的作j 1j 。 花；。! 状态卜i ，弯f j 钻l t 的旋转( 特别足7 f = 绕钻枉自转的情况卜) ， 【j | j 使钻柱内产，扛交变的弯f f 玎鹰力。 3 离心力 钻榨绕， = | j 艮轴线公转时j 、77 t - ：l 岛心j ， 幺j 促使钻= ! 发牛j 。? i 4 扭矩 在正常钻进时( 转盘钻井) ，必须通过转盘把一定的能量传递 给钻柱，用于旋转钻柱并带动钻头破碎岩石。这样，钻柱受到扭矩 的作用。由于钻柱与井壁和钻井液有摩擦阻力，因而钻柱所承受的 扭矩在井口处最大，向下随着能量的消耗，在井底处钻柱所受的扭 矩最小。 5 纵向振动 钻进时，钻头的转动( 特别是牙轮钻头) 由于牙齿交替地与不 平井底( 常存在三个突起) 接触，将引起钻柱纵向跳动，因而产生 纵向交变应力。当这种纵向跳动( 振动) 的周期和钻柱本身固有的 振动周期相同或成倍数时，就产生共振现象，振幅急剧加大，地面 感觉明显，通常称为“跳钻”。严重的跳钻常常造成钻杆弯曲，磨损 加剧以及迅速疲劳破坏。现场上通常是通过改变转速和钻压的方法 来消除这种跳钻现象。实践证明，纵向振动和钻头结构、所钻岩石 特性、泵量不均度、钻压以及转速等因素有关。 6 扭转振动 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，因而产生交变剪应力。扭转振动和钻头结构、所钻岩石性质是 否均匀一致、钻压及转速等许多因素有关。特别是使用刮刀钻头钻 软硬交错地层时，钻柱的扭转振动最为严重，出现所谓“蹩跳”现 象。当转盘转速达到某一临界值时，钻柱也可能出现扭转共振现象。 7 动载 起f 钻作业f 1 ，由于钻柱运动速度的变化会引起纵向动载，因 而在钻托- f 牛间歇的纵向应力变化，这卜婴和操作状况有关。 综卜所述，转盘钻井时，钻柱的受力是比较复杂的。但所有这 止；找衙就件质来讲町分为不变的和交变的两人类。属 ：不变j 、v 力l 佝 1 2 有拉应力、压应力和剪应力；而属丁交变应力的有弯曲应力，扭转 振动所引起的剪应力以及纵向振动作用所产生的拉应力和压应力。 在整个钻柱长度内，载荷作用的特点是在井口处主要是不变载荷的 影响，而靠近井底处主要是交变负荷的影响，即井口和井底附近的 钻柱所承受的拉力、扭矩、弯矩和冲击力等均较大。这种交变载荷 的作用正是钻柱疲劳破坏的主要原因。 从上述分析也不难看出，钻柱受力较严重的部位是： 1 ) 钻进时钻柱的下部受力最为严重。因为钻柱同时受到轴向 压力、扭矩和弯曲力矩的作用，更为严重的是白转时存在着剧烈的 交变应力循环，以及钻头突然遇阻遇卡，会使钻柱受到的扭矩大大 增加。 2 ) 钻进时和起下钻时。井口处钻柱受力最为复杂。起下钻时 井口处钻柱受到最大拉力，如遇猛提、猛刹，会使井口处钻柱受到 的轴向拉力大大增加。钻进时，井口处钻柱所受拉力和扭力都最大， 受力情况也比较严重。 3 ) 由于地层岩性变化，钻头的冲击和纵向振动等因素的存在， 使得钻压不均匀，因而使钻柱的某一段上存在着拉压交变，即该段 钻柱承受着交变载荷的作厢。 总的来说，为了完成征常钻进、起f 钻及其他1 艺操作，根据 卜述的钻柱受力状况，钻枉所有部分都必须有足够姐艘以承受符种 l 叫能的载衙。恫叫，要保i 正建、 所j 需的钻爪，钻十 的循环| ；j l j 婴小， 带埘。陀嘤女j ：，并j 上钻抖：的t e 鞋j 、v 尽j 能轻，以火脱经济的介】_ i | ! 一r ：。 二、钻井过程中钻柱上各种应力的计算 1 钻柱剪应力的计算 在钻进过程中，整个钻柱都受有扭矩作用，因此在钻柱各个横 截面一h 产生剪应力。正常钻进时，钻柱所受的扭矩取决于转盘传给 钻柱的功率。 n = n s + 帆 千瓦 ( 2 1 ) 式中肛一转盘传给钻柱的功率，千瓦； 肌一一钻柱空转所需功率，千瓦； 卜一旋转钻头破碎岩石所需功率，千瓦。 钻柱所受扭矩为： 胙9 5 4 9n = 9 5 4 9 ( n s + n h ) n 牛米 ( 2 2 ) 剪应力为： t = m w 。= 9 5 4 9 ( n 。+ n b ) ( n w 。) 兆帕 ( 2 3 ) 式中n 一一钻柱转速，转分； w 。一一所考虑钻柱横截面的抗扭截面系数，厘米3 w 。= 丌d 。3 ( 卜d i4 d 。4 ) 1 6 ( 2 4 式中d 。，d i 一一分别为钻柱的外径和内径，厘米。 正常钻进时，功率n 的大小与钻头类型及直径、岩石性质、钻 柱尺、3 、钻压、转速、钻井液性能以及井眼质量等因素有关，可以 使用以下根据现场试验结果修正的经验公式进行确定。 钻柱空转所需功率推荐使用以下公式( 转速n 2 5 0 转分) 。 n 。= 4 6 cy 。d 。2 ln 10 7 千瓦( 2 5 ) j = i = 一 y 。一一钻井液重度，牛米3 ； ( i 。一一钻柱外径，厘米； 1 一一t f i $ ：长度，米； n 一转速，转分： 一1 4 c 一与井斜角有关的系数。 直井时c = 1 8 8 1 0 5 钻头破碎岩石所需功率n b ： 1 ) 牙轮钻头钻进时 n b = 0 0 7 8 5 p d n 1 0 3 千瓦( 2 6 ) 式中p 一钻压，千牛； d 一钻头直径，厘米： n 一转速，转分。 2 ) 刮刀钻头钻进时 n b = 3 2 1 7 p 1 0 8 dn 1 0 8千瓦( 2 7 ) 式中p 一钻压，牛； d 一一钻头直径，厘米； v 经验系数，与岩石性质、钻井液性能、洗井液清洁程 度、钻头磨损程度等因素有关，一般按0 3 6 0 6 选取。 在钻进时，如果钻头( 或钻柱) 突然被卡，旋转钻柱的动能可 能全部转变为变形位能，引起钻柱的瞬时扭转，产生很大的扭矩和 剪应力。 钻柱旋转时的动能可用以f 通式确定： t 2 c o2 j 。2 = ( 1 ) 2y 。lj 。( 2 9 )( 2 8 ) 式中t 一钻柱旋转时产：生的动能： c o 钻柱旋转的角速度； j 。一一钻柱的转动惯量； y 。一一钻柱材料单位长度的重度； l 一 臼f j 十pn 勺k 逻： 一1 5 一 g 重力加速度； j 。一一钻柱截面的极惯性矩。 钻柱的变形位能可用以下公式确定： u = m 2l ( 2 g j 。)( 2 9 ) 式中u 一一钻柱的变形位能； m 一一钻柱传给钻头的有效转矩，牛米； g 一一钻柱材料的剪切弹性模量，牛米2 。 钻柱卡住时，动能在短时间内转化为变形势能，即 t = u m 2 l ( 2 g j 。) = 6 0 2y 。l j 。( 2 9 ) 最大扭矩m = ( i ) j 。( y 。g g ) “2 1 0 咱牛米 ( 2 1 0 ) 式中 m 一一最大扭矩，牛米； 6 0 一一角速度，弧度秒； j 。钻柱截面的极惯性矩，厘米3 ； y 。一一钻柱材料的重度，牛米3 ； g 一一钻柱材料的剪切弹性模量，牛米z ： g 一一重力加速度，米秒2 。 最大扭应力t = m w 。= m d 。( 2 j 。) 1 0 6 帕 ( 2 11 ) 式中 t 一一最大扭应力，帕； d 一一钻柱外径，厘米。 2 钻柱弯曲应力的计算 i 气井井下钻柱的弯曲应力在钻柱上部是由离心力引起的，在钻 柱的卜部则由钻柱受压弯曲和离心力共同作用引起的，因此一般钻 柱卜 部的弯曲应力较大。 神：汁算弯曲应力时作如下假设： 1 ) 钻柱是围绕井眼轴线公转： 2 ) 将钻柱弯曲的变节距空间螺旋，看成是变节距的平面螺旋； 3 ) 将每一个弯曲半波看成一个两端为铰链的压杆稳定问题。 则此压杆所能承受的最大临界压力可按欧拉公式得出： p 。= ，【2 e j 。几，2 1 0 2 牛( 2 一1 2 ) 式中p 。临界压力，牛； e 一钻柱材料的弹性模量，钢材的e = 2 0 5 9 4 0 兆帕： j ：钻柱本体断面的轴惯性矩； j 。= ( d 4 。一d 4 i ) 6 4 ， 厘米4 ； d 。，d i 一钻柱的外、内径，厘米； l ，弯曲的半波长度，米。 根据压杆稳定理论，在临界压力下，管柱发生微挠度f ，由于 l ，比f 大得多，所以管柱近似于随遇平衡状态，此时杆内产生的弯 矩与外力p 。所形成的外力矩应相互平衡。 m t = p 。f 1 0 2 牛米( 2 一1 3 ) 式中 m 。因管柱弯曲变形所产生的内弯矩，牛米； f 一半波最大挠度，f = ( 1 2 d - d ，) 2 厘米； d 井眼直径，厘米； 1 2 井眼扩大系数； d ，钻柱外径，厘米。 将( 2 1 2 ) 式代入( 2 1 3 ) 式可得： m i = ”e j ：f x1 0 - 4 l ，2 牛米( 2 1 4 ) 在该! 仁波内最大弯曲应力6 。为 6b 2 m j w ：x1 0 6 = 2 e j ：f x 1 0 2 ( 1 ，2 w ：) 帕 ( 2 - 一1 5 ) 式中 w ，一钻柱断面的抗弯截面系数 一1 7 w ：= 2j 。d 。厘米3( 2 一1 6 ) 若将e = 2 0 6 x 1 0 5 兆帕及( 2 1 6 ) 式代人( 2 1 5 ) 式，则得， 弯曲应力：6b = 1 0 2 f d 。l 。2 兆帕( 2 1 7 ) 半波长可采用萨尔基索夫公式计算： l ，= 9 3 9 ( 0 5 z + ( 0 2 5 2 2 + 2 3 0 2 5 j ：n 2 q 。) 1 7 2 ) 1 2xn 一1 ( 2 一1 8 ) 式中 l 。一一半波长度，米； z 中性点到校核断面的距离，中性点以下z 取负值，中 性点以上z 取正值，米； n 钻柱转速，转分； q 。钻柱在钻井液中单位长度的重量，牛米； j ，一一钻柱本体截面的轴惯性矩，厘米4 。 3 钻柱轴向应力的计算 钻柱上部拉应力的计算 1 ) 钻柱在钻井液中悬空时 作用在钻柱上部某一截面上的轴向拉力，应该等于该截面以下 的钻柱自重减去其所受的钻井液浮力。 则井口处钻柱横截面所受的钻井液浮力： b = y 。lf ax1 0 叫 ( 2 1 9 ) 式中b 一一钻井液浮力，牛； y 。一钻井液重度，牛米3 ； l 一一井口以下的钻柱长度，米； f 一一钻柱横截面积，厘米2 ； j 。一一钻柱截面的极惯性矩，厘米3 ； a 一一钻杆接头的重量修j f 系数，取1 0 5 1 1 0 ； 1 8 一 而井口断面以下钻柱在空气中的重量为： q = y 。lf a 1 0 4( 2 2 0 ) 式中 y 。一一钻柱材料的重度，牛米3 ； 则井口横截面所受拉力负荷为： q o = q b = y 。lfa ( 1 一y 。y 。) 1 04 牛 = q ( 1 一y 。y 。) 设k 。= ( 1 一y 。y 。) 定义为浮力减轻系数，则： q o = qk f( 2 2 1 ) 从上式可以看出，钻柱在液体中的重量等于钻柱在空气中的重 量乘以浮力减轻系数，于是井口钻柱截面的拉应力应为： o ? = q o f = qk f 1 0 4 f 帕( 2 2 2 ) 但若计算井口以下某一横截面的拉伸负荷，就不能应用该法 了，因为此时横截面以下管柱的重量已变小了，而所受钻井液浮力 仍然是整个钻柱的总钻井液浮力。 随着钻柱下入井内，浸在液体中的钻柱长度增加，也就是说作 用在钻柱下端的钻井液液柱压力加大，浮力也增加，该断面的拉伸 载荷也随之减小。所以，在井口以下某一截面所受拉力载荷应为q 。一b ， 其拉应力6 + 等于： 6 tv = ( q 。一b ) 1 0 4 f( 2 2 3 ) 式中6 。一井i s 以下某一截面的拉应力，帕； q 。一该截面以下钻柱在空气中的重量，牛： b 一整个钻柱所受的钻井液总浮力，牛： f 一钻柱横截面积，厘米z 。 对于非单。+ j 己寸的钻柱( 如钻铤加钻杆) ，其浮力足液柱静胍 睡l f 作川在管柱裸露窍部及端而【i 的合j 。 一1 9 2 ) 钻进时 由于一部分重量用作钻压，且在底端受到钻井液浮力的作用， 因此拉应力为： 6 = ( q - b - p ) 1 0 4 f 帕( 2 2 4 ) 式中p 钻压，牛： q 钻柱在空气中的重量，牛： b 整个钻柱所受的钻井液总浮力，牛； f 钻柱横截面积，厘米2 。 3 ) 起钻时 起钻时作用在钻柱上部的力，除了钻柱自重和钻井液浮力之 外，还有井壁对钻柱的摩擦力q ，和开始提升时加速阶段所引起的动 载q 。，这时拉应力为： 6t i = ( q b + q f + q d ) x 1 0 4 f帕( 2 2 5 ) q ，的大小同井斜角和方位角的大小与变化率、井深、井眼及 钻柱的间隙、钻井液性能、井壁岩石性质以及钻柱刚度等因素有关， 难于准确计算，应结合现场具体情况来定。 q 。和起下钻操作状况及起升加速情况有关。 q d = vq ( g t ) ( 2 2 6 ) 式中v 一一大钩起升速度，米秒； t 一一动力机加速所延续的时间，秒； g 一一重力加速度，米秒2 。 钻柱下部压应力的计算 轴向压应力源于钻井液浮力和钻压，可按以下两种情况考虑： 1 ) 在钻柱悬空或钻压小钻柱仍能保持直线状态的情况下，钻井 液浮力是集中作用在钻柱最下部端面上， 应力为： 6 = ( p + b ) i 0 1 f 帕 式中p 一钻压，牛： 此时钻柱最下端所受的压 ( 2 2 7 ) f 一一钻柱横截面积，厘米2 ； b 一一钻井液总浮力，牛。 2 ) 当钻压已超过钻柱弯曲临界值而使钻柱发生弯曲时，钻井液 浮力的分布情况将改变。对于仍保持直线形状的上部钻柱来说，钻 井液浮力将由下向上集中作用在该部分钻柱的最下端( 也就是开始 弯曲的地方) ，其大小取决于这个最下端的井深。而对于发生弯曲 而偏离井眼轴线的下部钻柱来说，浮力分布的实际情况是比较复杂 的，它取决于弯曲曲线的形状。为了简化，可以近似地认为钻井液 浮力是沿着该部分钻柱长度均匀分布的，其作用将是使下部钻柱单 位长度的重量减少。这样，钻柱最下端的压应力仅与钻压有关： 6 ，= p x 1 0 4 f帕( 2 2 8 ) 第三节直井井下钻柱的中性点和零轴力点的分析探讨 美国的鲁滨斯基和乌兹以及苏联的萨尔奇索夫等人早在5 0 年 代就提出过：钻柱在钻井液浮力作用下存在的所渭：“零轴力点”和 “中性点”的概念e 3 2 ，该概念的提出对井下钻铤长度的设计有着非 常实际的指导意义。 1 浮力及液压的作用 钻牡浸在充满钻井液的井h r 内，肯定要受到钻井液 j j _ j n 勺作 j ij 。0 裂设在艰i f l ：眼i 内矗l 十 ：足：t 尊一1 1 ，j ) 匕、 il j ：，f j ! l jt i i 十1 ：j p i ，、芝；乎j ：】i 2 1 一一 作用于钻柱底面上的钻井液压力。例如，井深4 0 0 0 米，钻井液密 度1 5 5 公斤升，4 1 ，”钻杆下到井底。则作用于钻柱底面上的钻井 液压力有1 8 0 5 千牛( 1 8 4 吨) 。 根据鲁滨斯基关于钻柱弯曲的理论，长度为1 0 米的4 1 ：”钻杆 发生弯曲的临界钻压只有7 9 千牛( 0 8 1 吨) 。这就有个问题，在 4 1 ，”钻杆底面上作用着1 8 0 5 千牛的压力，该钻柱会不会发生弯 曲? 如会弯曲，那么发生弯曲的临界钻压则成为无稽之谈，因为在 加钻压之前，钻柱早已泡在钻井液之中，在钻井液压力作用下早已 出现弯曲。如不会弯曲，又作如何解释? 图2 1躺在海底的钻铤受力示意图 正确的结论是：钻柱在钻井液压力作用下不会发生弯曲。这可 由如下推理来证明。 如图2 1 假设在水深1 0 0 0 0 米海底平躺着一柱长2 0 0 米的7 ” 的钻铤，如图海水密度为1 0 3 公斤升，则作用在钻铤两端面l 的 总压力叮达2 0 6 7 千牛。谁也不会相信，这时的钻铤会发生弯曲。 如换成钻杆也不会发生弯曲，就是换成胶皮管也是不会弯曲的。既 然两端受力f i 会弯曲，一端受力( 液 i ) 的钻柱当然史小会弯f l | ij ，。 那么，为什么在如此之大的液压作用下，钻铤( 钻柱、胶皮管) 不 会弯f | 玎呢? j 糸凶也正是这个液压的作用，因为液体在钻桂两端起作 五2 一 用的同时，对钻柱的侧壁也同样起作用。作用在钻柱两端的液压使 钻柱产生轴向压缩，并可能使钻柱弯曲，而作用在钻柱侧壁上的液 压，则会使钻柱产生轴向伸长，形成一个钻柱稳定力，该力抵消或 削弱了轴向压缩，起到稳定( 或扶正) 钻柱的作用，因而使钻柱不 会表现出弯曲现象。 2 钻柱零轴力点和中性点的分析探讨 为了说明零轴力点和中性点的概念，举一单一管柱为例见单 一管柱轴向载荷、内力分布图。 么 乃 f h 再彤 7 i p口i ，t 圈2 2单管柱轴向载荷、内力分布 i 一钻柱自重线ti i 一悬重线；一钻重线：( c ) 图中i 钻柱自重引起的轴向内力分布线： h 一自重与钻压引起的轴向内力分布线 1 i i 一自重、钻压与浮力引起的轴向内力分布线；稳 定力分布线： v 一相当轴向内力分布线 图2 2 中l 为垂直井眼中管柱长，每米重量为q ，钻井液密度 为y - 钻压为p 。此时作用于钻柱上的轴向外载有：钻柱自重力 q 。，钻井液浮力f ，钻压p 。这些轴向外载在钻柱上引起轴向内力， 其分布如图2 2 ( c ) 所示。丑凰：在毡挂上直二仝毡自内左笠王雯的 血。：整盏茎麴左盛! 丝互厶鲞蕴雯麴囱左感：嚣麴自左雯盛。在 p ，点以上钻柱受轴向拉力，p ：点以下钻柱受轴向压力。而在p ：点的 截面上既不受轴向拉力，又不受轴向压力。 根据材料力学的理论，作用于钻柱上的轴向外载，会在钻柱上 引起轴向内应力，从而使钻柱产生轴向应变，这是尽人皆知的。但 值得注意的是，前面讲到作用于钻柱侧壁的钻井液压力，也会使钻 柱产生轴向应变。也就是说，轴向应变是由钻柱侧壁的钻井液压力 和轴向内力合成的相当轴向内力引起的。 轴向内应力可能为正( 拉力) ，也可能为负( 压力) ；作用于钻 柱侧壁的钻井液压力使钻柱产生轴向拉应变。所以两力合成后的相 当轴向内力也可为正( 钻柱轴向应变为正，即伸长) 可能为负( 钻 柱轴向应变为负，即缩短) 。 对于正常钻井的钻柱来说，作用于钻柱侧壁的钻井液压力使钻 柱产生轴向拉应变，是正值，是钻柱的稳定力。稳定力是随井深而 成线性变化的，在井口处，稳定力为零，在井底处稳定力绝对值最 大，且与作用于钻柱底面上的压力相等，见图中线所示。由于稳 定力它所引起的应变是拉伸应