钻井工程-教学第二章的PPT(下)

1、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(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,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-Stem

2、Testing)，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(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、线密度等）见表2-12,（4）钢

3、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、

4、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，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。 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）

5、， 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

6、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

7、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

8、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：,B,（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(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

9、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,（一）钻柱尺寸选择,1. 依据： （

10、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

11、）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

12、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。,（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 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。,三者取最小值作为Fa,2. 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

13、）,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

14、 - 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.,4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 ; 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

15、/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

16、.91760/1.42=1115.49(kN) Fa1=0.9Fy -MOP =0.91760-200=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： =1115.49/284.6910-30.85-1901.35/284.6910-3=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),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。,最后设计的钻柱组合见下表。 钻柱组合设计结果表,5 钻柱强度及稳定性校核（定向井）补充内容,1）强度校核 钻柱所受的四种主要载荷,最大应力应满足：,2)稳定性校核,无论是直井还是定向井，当钻柱所受的轴向压力小于