第5章钻柱

31第五章钻柱第一节钻柱的工作状态及受力分析一、工作状态起下钻时：钻柱处于悬持状态－－受拉伸(自重)，直线稳定状态正常钻进：Ｐ＜Ｐ1直线稳定Ｐ1≤Ｐ＜Ｐ2一次弯曲Ｐ2≤Ｐ＜Ｐ3二次弯曲钻柱旋转→扭矩离心力→下部弯曲半波缩短上部弯曲半波增长（上部受拉）结论：变节距的空间螺旋弯曲曲线形状钻柱在井内可能有4种旋转形式：(P96)a.自转：b.公转：沿井壁滑动。c.自转和公转的结合：沿井壁滚动。d.整个钻柱作无规则的摆动：二、钻柱在井下的受力分析(1)轴向拉应力与压应力拉应力：由钻柱自重产生，井口最大，起钻和卡钻时产生附加拉力。压应力：由钻压产生，井底最大。应力分布(P97，图3-2)轴向力零点：钻柱上即不受拉也不受压的一点。中和点：该点以下钻柱在液体中的重量等于钻压。(2)剪应力(扭矩)：旋转钻柱和钻头所需的力，井口最大。(3)弯曲应力：钻柱弯曲并自转时产生交变的拉压应力。井眼弯曲→钻柱弯曲13232(4)纵向、横向、扭转振动(5)其他外力：起下钻动载（惯性）,井壁磨擦力，钻柱旋转时因离心力引起的弯曲。综合以上分析：工况不同，应力作用不同，需根据实际工况确定应力状态。(1)钻进时钻柱下部：轴向压力、扭矩、弯曲力矩、交变应力；(2)钻进和起下钻时井口钻柱：拉力、扭力最大＋动载(3)钻压、地层岩性变化引起中和点位移产生交变载荷。第二节钻井过程中各种应力的计算一、轴向应力计算（一）上部拉应力计算1、钻柱在泥浆中空悬浮力：FLgBmα——考虑钻杆接头和加厚影响的重量修正系数，1.05～1.10钻柱在空气中的重力：FLgQsa井口拉力：BQQaafQKQ浮力系数：)1(smfKρs－－钢的密度，7.85g/cm3拉应力：FQt注意计算井口以下任一截面上的拉力不能直接用浮力系数法计算。2、钻进时FPBQat333、中和点位置的确定fsnqqPL中和点截面上的轴向力：)()(nmnmnLLqLLFgQ（二）钻柱下部压应力的计算垂直状态：FBPc下部钻柱弯曲：FPc二、钻柱剪应力计算1、扭矩：nNNMsb)(9549Nb,Ns——分别为旋转钻头破碎岩石和钻柱空转所需的功率，Kwn——转速，rpm剪应力：nWMMPa抗扭截面系数：443116cicndddWdc，di——钻柱的内径和外径，cm。2、钻柱最大扭矩：动能：psoJLJT22变形位能：pGJLMMU221234最大扭矩：8max10GJMsp极惯性矩：444132cicpdddJ三、钻柱弯曲应力计算P105式（3-30），（3-31）四、钻柱抗挤计算1、外挤压力的确定钻柱内空：gHPmoc钻柱内有部分液体：)(LHggHPfmoc2、钻柱抗挤强度的确定特点：在轴向拉力作用下，抗挤强度降低。双轴应力曲线确定（P107）例题：P1073、安全系数确定要求安全系数大于1.125。第三节钻柱设计以拉伸计算为主，再考虑钻柱的实际情况给予较核。一、钻柱设计的强度条件以钻柱在泥浆中悬空作为计算条件，要求：（上部轴向拉力）atPP（最大允许静拉载荷）最大允许静拉载荷取决于(1)钻柱材料的屈服强度；(2)钻柱工作的使用条件。1、钻柱在屈服强度下的抗拉负荷PyFPsy1.0(KN)F——钻柱的横截面积，cm2；35σs——材料的最小屈服强度，MPa；2、钻柱最大工作负荷PwywPP9.03、最大允许静拉载荷Pa(1)安全系数法考虑起下钻的动载及其他力的影响，大致为1.30。awPP安全系数(2)考虑卡瓦挤毁钻杆的设计系数法钻杆的挤毁条件：用式（3-39）计算；可以查表3-2（P111）以屈服强度和拉伸应力的临界比值作为设计系数，要求：awPP设计系数(3)拉力余量法awPP拉力余量选取原则：取三个拉力中最低的值作为最大允许静拉载荷。二、设计方法和步骤1、钻铤柱长度的确定原则：中和点位于钻铤上。直井：fcsfcKqcPL斜井：cosfcsfcKqCPL2、钻杆柱长度的确定(1)单一钻杆36sccfaqqLKPL1)((2)复合钻柱单一钻杆的下入深度有限，为了加深钻柱，采用复合钻柱。钻铤上第一段钻杆：1111)(qqLKPLccfa第二段：)(1112222ccfaLqLqqKqPL第二段：)(111223333ccfaLqLqLqqKqPL第四节钻柱的疲劳破坏资料调查→→钻柱的破坏为非强度破坏一、纯疲劳破坏（交变应力引起，事先没任何明显的原因）交变应力→→晶格滑移或晶体产生微观屈服造成微裂纹1、钻杆在弯曲井眼中产生周期性的弯曲应力；100转/分，24小时旋转次数144000转。2、靠近钻铤（刚度较大）的钻杆容易弯曲。应力循环次数N帕兆，力应100350101010468软钢的σ-Ｎ曲线拉压拉压37二、伤痕疲劳破坏(机械伤痕引起）缺陷→应力集中＋交变应力→缺陷扩大→破坏伤痕的产生：钻杆钢印，电弧烧伤，大钳、卡瓦伤痕等三、腐蚀疲劳破坏腐蚀→腐蚀斑痕→应力集中＋交变应力→强度↓腐蚀类型：化学腐蚀（金属与介质产生化学作用）；电化学腐蚀（金属与电解质溶液产生…）；氢脆破坏：硫化氢；四、疲劳破坏的预防措施（1）钻柱受力较大的部位（上、下）采用厚壁高强度钻杆；（2）使钻杆常处受拉状态；（3）装减震器；（4）检查井口工具（防止造成机械伤痕）；（5）倒换钻具；（6）控制腐蚀、涂防腐层；（7）探伤、修复五、钻铤疲劳破坏原因：接头的应力集中。第五章作业：1、已知：钻进时需钻压196KN，８钻铤每米重2.2KN，泥浆密度1.2g/cm3，按钻压占钻铤在泥浆中总重量2／3设计，需使用８钻铤多少米？2、一口井钻至4000m时，井内钻柱在空气中的总重量为1200KN，井内泥浆密度为1.32g/cm3，钻进时的钻压为100KN，求钻进时的悬重。3、已知：井深5000m，井径215.9mm,泥浆密度1.2g/cm3,钻压180KN,38拉力余量为200KN,推荐：钻铤用外径158.75mm,内径57.15mm,段重1.35KN/m,根据拉力余量确定的静拉载荷，根据表3-1设计安全的钻柱。4、钻柱的作用是什么？分析钻柱破坏形式。