第二章-钻进工具——钻柱

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、钻柱的作用与组成概念：钻柱(DrillStem)是钻头以上，水龙头以下部分的钢管柱的总称。它包括方钻杆(SquareKelly)、钻杆(DrillPipe)、钻挺(DrillCollar)、各种接头(Joint)及稳定器(Stabilizer)等井下工具。（一）钻柱的作用(1)提供钻井液流动通道；(2)给钻头提供钻压；(3)传递扭距；(4)起下钻头；(5)计量井深。(6)观察和了解井下情况（钻头工作情况、井眼状况、地层情况）；(7)进行其它特殊作业（取芯、挤水泥、打捞等）；(8)钻杆测试(Drill-StemTesting),又称中途测试。第二节钻柱—作用和组成（二）钻柱组成方钻杆钻杆钻铤稳定器配合接头和保护接头其它井下工具：减震器、震击器、扩眼器、键槽破坏器第二节钻柱—作用和组成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（3）规范：壁厚：9～11mm外径：60.3，73.0，88.9，101.6，114.3，127.0，139.7长度：18～22ft，27～30ft，38～45ft第二节钻柱—作用和组成（4）钢级与强度（6）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系列钻杆钢级物理性能DE95（X）105（G）135（S）MPa379.21517.11655.00723.95930.70最小屈服强度lb/in2550007500095000105000135000MPa586.05723.95861.85930.791137.64最大屈服强度lb/in285000105000125000135000165000MPa655.00689.48723.95792.90999.74最小抗拉强度lb/in295000100000105000115000145000第二节钻柱—作用和组成内平式：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：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：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。第二节钻柱—作用和组成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,具有0.065英寸平螺纹顶和0.038英寸圆螺纹底,用V-0.038R表示扣型,可与V-0.065型螺纹连接。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数字型接头NC26NC31NC38NC40NC46NC50旧API接头283IF287IF321IF4IF4FH421IF第二节钻柱—作用和组成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：6-1/4，7，8，93.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)。第二节钻柱—作用和组成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。第二节钻柱—作用和组成二、钻柱的工作状态及受力（一）钻柱的工作状态1.起下钻工况下：（1）直井：直的拉伸、滑动（2）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。第二节钻柱—工作状态与受力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，即不是沿着井壁滑动而是滚动。钻柱磨损均匀，但受交变应力的作用，循环次数比自转时低得多。（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，既有自转，也有公转。第二节钻柱—工作状态与受力（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，扭距最大；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。轴向力第二节钻柱—工作状态与受力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：sdBK10FKLqLqKFBccppBmccppLqLqF0WLqLqKFccppwWF第二节钻柱—工作状态与受力（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：410ibihAppFmfFF3.0~2.00FgtvFd第二节钻柱—工作状态与受力dfccppBtFFLqLqKF)(spbpbotpbsipppbotbbpppipbp（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：—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。为什么？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。BcNKqWLNL钻柱轴向力分布与中性点w0(+)(-)拉力压力FWwNLN第二节钻柱—工作状态与受力三、钻柱设计设计内容：（1）尺寸选择（2）钻铤柱长度计算（3）钻杆柱强度设计及较核。设计原则：（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。第二节钻柱—设计（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.经验配合关系钻头直径mm(in)钻铤外径mm(in)钻杆外径mm（in）方钻杆方宽mm(in)299(1143)203(8)168(685)152(6)248~299(943~1143)178~203(7~8)140(521)133,152(541,6)197~248(743~943)152~178(6~7)114,127(421,5)108,133(441,541)146~216(543~821)146(543)89(321)89,108(321,441)第二节钻柱—设计（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；—井斜角度数，直井时，=0°。cosmaxBcNcKqWSLcLmaxWNScqNS第二节钻柱—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。pyyAF1.0ypAyF第二节钻柱—设计BmkckckpjijjpiitiKqLqLqLF)(111（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。ypFF9.0pFtpaSFF/tS1typaFFMOPFFpa第二节钻柱—设计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）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。每段钻杆满足强度条件：BccpaKqLLqF)(pccBaqqLKFLBmkckckpjijjpiiiaKqLqLqLF)(111第二节钻柱—设计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1111pccBpaqLqKqFL211222pppCcBpaqLqLqKqFL32211333pppccBpaqLqLqLqKqFL3332211444ppppccBpaqLqLqLqLqKqFL4321LLLL，，，4321aaaaFFFF，，，4321ppppqqqq，，，第二节钻柱—设计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,kNm；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ccacSPPacPcPcSnPM67.9第二节钻柱—设计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:第二节钻柱—设计式中:─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