06-钻柱设计基础

油气钻采管柱设计6钻柱设计基础高宝奎(研究员)6钻柱设计基础钻柱构成•方钻杆•钻杆•加重钻杆•钻铤•转换接头•扶正器6钻柱设计基础钻柱设计介绍内容一、钻柱的变形二、钻柱的运动三、钻柱主要部件四、钻柱基本设计6钻柱设基础计一、钻柱的变形6钻柱设计基础一、钻柱的变形•轴向变形•扭转变形•横向变形弯曲屈曲平面屈曲蛇形屈曲螺旋屈曲6钻柱设计基础钻柱变形基本形式6钻柱设计基础一、钻柱的变形直井钻柱变形特点6钻柱设计基础一、钻柱的变形斜井段钻柱变形特点6钻柱设计基础弯曲井段钻柱变形特点一、钻柱的变形6钻柱设计基础水平井段钻柱变形特点一、钻柱的变形6钻柱设计基础二、钻柱的运动•自转•公转•滑动•振动正向反向（涡动、进动）轴向横向扭转6钻柱设计基础二、钻柱的运动钻柱运动基本形式自转6钻柱设计基础二、钻柱的运动oorRFΩ16钻柱设计基础二、钻柱的运动公转正向公转反向公转钻柱旋转状态自转正向公转反向公转6钻柱设计基础二、钻柱的运动6钻柱设计基础二、钻柱的运动公转滑动导向工具：滑动钻进方式6钻柱设计基础二、钻柱的运动振动导向工具：滑动钻进方式6钻柱设计基础二、钻柱的运动纵向振动：全井都有可能发生纵向振动，并导致钻柱破坏。地面观察明显。扭转振动：全井都有可能发生扭转振动，并导致钻柱破坏。地面观察较明显。横向振动：下部受压段易发生横向振动，并导致钻柱破坏。地面观察不明显。上部受拉段，钻柱绕自身轴线旋转。下部受压段，钻柱绕自身轴线旋转、反向涡动。钻柱若存在弯角则正向向公转。直井钻柱运动状态分析6钻柱设计基础二、钻柱的运动由于钻柱靠重力作用躺在井壁下侧并与井壁产生滑动摩擦，导致：纵向振动减轻横向振动减轻扭转振动减轻反向涡动减轻或消失所以在斜井中，钻柱振动导致的疲劳破坏较少。斜直井钻柱运动特点6钻柱设计基础二、钻柱的运动振动形式实时诊断典型环境解决方法相关因素粘/滑地面扭矩变化剧烈(周期3-10秒)井下撞击严重大斜度井或尖齿PDC钻头在大钻压下减小钻压增加转速高转轴承，扭矩自协调，好润滑性泥浆BHA涡动井下撞击严重地面扭矩增加地面振动直井井眼冲蚀BHA不平衡降低转速增加钻压井下动力钻具硬BHA钻头涡动井下撞击明显扩径侧切强的钻头硬岩层，直井降低转速增加钻压换钻头，满尺寸近钻头扶正器钻头振动顶驱或方钻杆摇动，井下撞击直井/牙轮钻头钻硬地层改变钻压改变扭矩换钻头用减振短节钻柱振动形式与对策6钻柱设计基础二、钻柱的运动三、钻柱主要部件6钻柱设计基础位置：钻柱最上方作用：传递扭矩断面：中空的四边形或六边形材料：高强度合金钢特点：高抗拉强度、高抗扭强度方钻杆6钻柱设计基础三、钻柱主要部件六角形方钻杆方钻杆6钻柱设计基础三、钻柱主要部件四角形方钻杆方钻杆6钻柱设计基础三、钻柱主要部件六角形方钻杆强度及与套管的配合方钻杆6钻柱设计基础三、钻柱主要部件四角形方钻杆强度及与套管的配合方钻杆6钻柱设计基础三、钻柱主要部件钻杆6钻柱设计基础三、钻柱主要部件API规定的钻杆钢级有：•D级•75(E)级•95(X)级•105(G)级•135(S)级其中X级、G级、S级钻杆为高强度钻杆钻杆6钻柱设计基础三、钻柱主要部件API规定的钻杆管体长度标准有三类：第一类(R1)：长5.5~6.7米（18~22英尺）(已不用)第二类(R2)：长8.23~9.14米（27~30英尺）第三类(R3)：长11.6~13.7米（38~45英尺）目前常用的是第二类。钻杆6钻柱设计基础三、钻柱主要部件钻杆的物理性能物理性能钻杆钢级DE95(X)105(G)135(S)最小屈服强度MPa379.21517.11655.00723.95930.79lbf/in2550007500095000105000135000最大屈服强度MPa586.05723.95861.85930.791137.64lbf/in285000105000125000135000165000最小抗拉强度MPa655.00689.48723.95792.90999.74lbf/in295000100000105000115000145000钻杆6钻柱设计基础三、钻柱主要部件钻杆管体的强度特征：•抗拉强度•抗扭强度•抗挤强度•抗内压强度钻杆6钻柱设计基础三、钻柱主要部件新钻杆承受扭矩、拉力数据钻杆6钻柱设计基础三、钻柱主要部件127(5)新钻杆承受扭矩、拉力数据重量(N/m)扭转屈服强度(kN·m)E75X95G105S135237.1547.5160.1866.5285.53284.5855.8270.6978.14100.47373.670.8689.7499.19127.53重量(N/m)按最小屈服强度计算的抗拉力(kN)E75X95G105S135237.151459.331848.52043.072626.81284.581759.722228.962463.563167.44373.62358.182987.073301.474244.76钻杆6钻柱设计基础三、钻柱主要部件新钻杆承受挤压力、内压力数据钻杆6钻柱设计基础三、钻柱主要部件127(5)新钻杆承受挤压力、内压力数据重量(N/m)最小抗挤压力(MPa)E75X95G105S135237.1547.8555.9259.4367.78284.5868.6782.9489.63108.04373.693.08117.9130.31167.75重量(N/m)按最小屈服强度计算的抗内压力(MPa)E75X95G105S135237.1553.5767.8475.0296.46284.5865.583.0191.7117.97373.690.53114.66126.73162.92优质类钻杆(两条白色带)二类钻杆(一条黄色带)三类钻杆(一条桔黄色带)6钻柱设计基础三、钻柱主要部件旧钻杆分类任何缺陷或损伤超过二类钻杆，且没有疲劳裂纹6钻柱设计基础三、钻柱主要部件旧钻杆分类钻杆状况优质类钻杆(两条白色带)二类钻杆(一条黄色带)外部情况A外径磨损壁厚剩余壁厚不小于80%剩余壁厚不小于70%B凹陷和磨碎直径减小不超过外径3%直径减小不超过外径4%C1卡瓦区压碎缩径直径减小不超过外径3%直径减小不超过外径4%C2卡瓦区切削磨损深度不超过平均壁厚10%深度不超过平均壁厚20%D1拉伸引起直径减小不超过外径3%直径减小不超过外径4%D2松扣爆炸引起直径增大不超过外径3%直径增大不超过外径4%E1腐蚀剩余壁厚不小于80%剩余壁厚不小于70%E2切削、表面磨光剩余壁厚不小于80%剩余壁厚不小于70%F疲劳裂纹无无内部情况腐蚀和磨损剩余壁厚不小于80%剩余壁厚不小于70%F疲劳裂纹无无钻杆6钻柱设计基础三、钻柱主要部件钻杆接头的强度特征：•抗拉强度•抗扭强度关键因素是上扣扭矩加重钻杆6钻柱设计基础三、钻柱主要部件特点：•壁厚比普通钻杆增加2~3倍•接头比普通钻杆接头长•中间有特制的磨锟没有统一规范加重钻杆6钻柱设计基础三、钻柱主要部件作用：•用于钻铤与钻杆的过渡区，缓和两者弯曲刚度的变化，减少钻杆损坏•在小井眼中代替钻铤，操作方便•在定向井中代替大部分钻铤，减小扭矩和粘附卡钻推荐在钻铤上面使用15~21根加重钻杆。加重钻杆6钻柱设计基础三、钻柱主要部件钻铤6钻柱设计基础三、钻柱主要部件作用：•给钻头提供钻压•保持下部钻具稳定•防斜种类：•圆钻铤——常规•螺旋钻铤——减少粘附卡钻•方钻铤——防斜钻铤6钻柱设计基础三、钻柱主要部件作用：•转换接头6钻柱设计基础三、钻柱主要部件作用：•稳定器6钻柱设计基础三、钻柱主要部件作用：•减振器6钻柱设计基础三、钻柱主要部件四、钻柱基本设计钻铤设计6钻柱设计基础四、钻柱基本设计钻铤和钻柱下部结构的设计应能做到：•给钻头有效加载•提供防止产生狗腿和键槽的刚性•延长钻头轴承的使用寿命和钻头的总性能•产生一个全尺寸、平滑的井眼•把有害的振动降到最小•减少压差卡钻和钻井事故钻铤设计6钻柱设计基础四、钻柱基本设计钻铤最小尺寸的确定：对光钻铤，为保证套管顺利下入，要求•有效井眼直径=（钻头直径+钻铤外径）/2•允许最小钻铤外径=2倍套管接箍外径-钻头直径•长度不小于1柱如果安放稳定器，可采用较小外径的钻铤钻铤设计6钻柱设计基础四、钻柱基本设计钻铤最大尺寸的确定：保证钻铤打捞作业时能够套铣复合钻铤结构中：•相邻两段钻铤抗弯刚度比值小于2.5•相邻两段钻铤外径差值不超过25.4mm钻铤设计6钻柱设计基础四、钻柱基本设计钻铤长度的确定：•根据鲁宾斯基关于“中性点”的论述，以钻柱不受拉力和不受压力的中性点为界，将钻柱分为两段，上段钻柱在钻井液中的重量等于大钩载荷，下段钻柱在钻井液中的重量等于钻压。•钻铤长度应保证中性点始终处于钻铤上。•大斜度井中，减少钻铤数量，代以加重钻杆。钻杆设计6钻柱设计基础四、钻柱基本设计考虑因素：•钻柱重量•起下钻动载•卡钻附加拉力•遇阻•卡瓦箍紧力钻杆设计6钻柱设计基础四、钻柱基本设计强度校核：•抗拉强度•抗扭强度•抗挤强度•抗内压强度钻杆设计6钻柱设计基础四、钻柱基本设计考虑因素：钻柱设计-例6钻柱设计基础四、钻柱基本设计1设计参数•井深5000m•井径215.9mm(8-1/2)•钻井液密度1.2g/cm3•钻压180kN•井斜角3°•超拉余量200kN•抗挤安全系数1.125钻柱设计-例6钻柱设计基础四、钻柱基本设计2.1钻铤选择•外径158.75mm(6-1/4)•内径57.15mm(2-1/4)•每米重量1.35kN钻柱设计-例6钻柱设计基础四、钻柱基本设计2.2计算钻铤长度=190m•Wm—最大钻压，180kN•α—井斜角，3°•Sf—安全系数，1.18•Kb—浮力系数，0.847•qc—每米重量，1.35kNcosmfccbWSLqK钻柱设计-例6钻柱设计基础四、钻柱基本设计3.1第一段钻杆选择（接钻铤）•外径127mm(5)•钻杆重量0.29kN/m•E级带NC50型钻杆接头•一级优质类钻杆•接头+钻杆重量0.312kN/m钻柱设计-例6钻柱设计基础四、钻柱基本设计3.2第一段钻杆最大长度Pt：理论抗拉强度0.9：比例系数PMOP：超拉余量1111(0.9)(13840.9)2001.351900.3120.8470.3123918tMOPccdpdpbdpPPqLLqKqm钻柱设计-例6钻柱设计基础四、钻柱基本设计4.1选择第二段钻杆•外径127mm(5)•钻杆重量0.29kN/m•X-95级带NC50型钻杆接头•新钻杆•接头+钻杆重量0.314kN/m钻柱设计-例6钻柱设计基础四、钻柱基本设计4.2第二段钻杆最大长度112212(0.9)(22290.9)2000.31239181.351900.3140.8470.3142082dpdpcctMOPdpdpbdpqLqLPPLqKqm钻柱设计-例6钻柱设计基础四、钻柱基本设计5钻柱组合设计结果项目长度(m)在空气中重量(kN)在钻井液中浮重(kN)钻铤外径158.75mm，内径57.15mm190256.5217.3第一段钻杆127mm，0.29kN/m，E级，一级39181222.41035.4第二段钻杆127mm，0.29kN/m，95级,新钻杆892280.0237.2合计50001758.91489.9钻柱设计-例6钻柱设计基础四、钻柱基本设计6.1校核抗挤强度当钻柱内掏空时，Pc=10-3HγgPc—钻杆下端的外挤压力，MPaH—下端井深，mγg—管外钻井液重度，kN/m3Pc=10-3×4810×12=57.72MPa钻柱设计-例6钻柱设计基础四、钻柱基本设计6.2校核抗挤强度127mm，0.29kN/m，E级，一级钻杆抗挤扁能力为48.70MPa57.72MPa(危险)。按抗挤安全系数为1.125计算，第一段钻杆的最大长度为33max1048.741036101.125121.125cgPLm钻柱设计过程和注意事项•思考题6钻柱设计基础END