第三节 钻杆柱在孔内的状态

第三节钻杆柱在孔内的工作状态一、钻杆柱在孔内的工作特点二、钻杆柱在孔内的波形弯曲三、钻杆柱在孔底的弯曲状态四、回转钻杆柱所产生的扭应力五、提升钻杆柱所产生的拉应力六、处理事故中的钻杆柱受力情况一、钻杆柱在孔内的工作特点钻头上的钻压P0驱动钻杆柱的扭矩Ｍ钻机轴向调节力Ｐ孔内摩擦扭矩Ｍ1钻头工作扭矩M0钻杆柱重量W加压钻进forcedfeeddrilling减压钻进reducedbitloaddrilling二、钻杆柱在孔内的波形弯曲产生弯曲的原因：自身某些偏心自重失稳弯曲部分质量偏离回转中心产生离心力促使钻杆柱弯曲钻杆柱由于自重产生的纵向压力促使钻杆柱弯曲离心力纵向力共同作用，钻杆柱在孔内呈波形弯曲波峰wavecrest压向孔壁l萨尔基索夫半波长计算公式以钻杆柱中心线和钻孔中心线相交两点间的一段纵向长度称为半波长，以表示。l钻杆柱中心线钻孔中心线注意两点：（1）由于自重产生的纵向力的变化，各部位的半波长是不一样的。（2）减压钻进中，钻杆柱某点纵向力为零，称零断面或中和点。零断面萨尔基索夫作一假定：钻杆柱受外力(离心力和纵向力)所作的功等于钻杆柱变形所储存的位能。1AAUU——钻杆柱变形位能；——离心力所作的功；——纵向力所作的功。A1A1．关于钻杆柱变形能U——断面的弯矩；2MddU取一x断面钻孔轴线方向——边界断面的转角=；xdx——该处的曲率半径。Md由材料力学知：EJM1EJMdxyd22故有：dxdxydEJdU2222所以，弯曲的半波长内钻杆柱中储存的变形能为：dxdxydEIUl20222Ｅ为纵向弹性模量Ｊ为钻杆断面积的轴惯性矩根据实际弯曲情况，若把钻杆的弯曲视为正弦波形，有：lxfysinlxlfdxydsin2222f——最大的挠度D为钻孔直径；d为钻杆直径。f2DddxlxlEJfdxdxydEJUll024422022sin223424lEJfU所以：kg·f·cm２．关于离心力所作的功Ａ取一x断面钻孔轴线方向离心力对钻杆柱所作的功Ａ可以根据离心力及其变化过程计算。dx长的钻杆质量为：gqdxm为单位长度钻杆的质量q当钻杆柱角速度为时，单元的离心力为：dxydxgqmy22.２．关于离心力所作的功Ａ取一x断面钻孔轴线方向该离心力在达到平衡之前是随y值的增大而增大的，所以该力所作的功为：dxygqdA22222sin22220222202lfgqdxlxfgqdxygqAll即：glfqA422kg·f·cm３．关于纵向力所作的功Ａ1作用于某一半波长上端中心的纵向力P为一常值。纵向力可以是拉力；也可能是压力。规定拉力为正；压力为负。对于用方程式)(xfy所表示的平缓曲线，其曲线的长度与其弦长之差，可以近似地表示为：dxdxdyPPAl0212３．关于纵向力所作的功Ａ1同样，设钻杆柱的弯曲方程式为：lxfysin则有：lxlflxfdxddxdycos)sin(ldxlxlfPA022221cos2于是：lPfA4221所以：kg·f·cm4．萨尔基索夫公式1AAUlPfglfqlEJf4442222342解方程式得：2424222224)(qEJgqgPPglqJzzl23210225.05.0100qzPz为所求断面距零断面的距离。5．关于钻杆柱的弯曲应力钻杆柱在孔内发生弯曲，半波长越小，弯曲越严重，产生的弯曲应力越大。其弯曲应力可利用其弯曲变形来求得。钻杆柱的弯曲曲线方程式为：lxfysin由材料力学知，弯曲曲线的方程式为：MdxydEJ225．关于钻杆柱的弯曲应力所以有：lxlfEJMsin222lx当maxMMflEJM22max因为WMwmax且圆管的断面模量为：dJW2时，5．关于钻杆柱的弯曲应力所以有：flEdJdflEJw22222221000ldf即钻杆柱的弯曲应力与钻杆直径和最大挠度f成正比关系，而与半波长度的平方成反比。由萨尔基索夫公式知，半波长度又与(转速)成反比，所以半波长受钻杆柱转速的影响较大。三、钻杆柱在孔底的弯曲状态实际钻杆柱磨损会出现两种情况：四周磨损均匀某一侧面磨损特别厉害偏磨钻杆柱在孔内存在两种旋转方式：公转revolution自转rotation磨损均匀偏磨三、钻杆柱在孔底的弯曲状态在钻进中，由于部分钻杆柱的重量是作为钻压施加在钻头之上，使得下部钻杆柱受压缩。在钻压小和直孔的条件下，钻杆柱也可能是直的。但当压力达到某一临界值时，下部钻杆柱失去直线稳定状态而发生弯曲，并且在某一点和孔壁接触，称为切点。钻杆柱的中和点N1在切点T1的上方，这是第一次弯曲(如曲线Ⅰ所示)。如果继续加大钻压，则弯曲状态又改变。切点逐渐下移，中和点上移(如曲线Ⅱ所示)。当钻压增大到新的临界值时，钻杆柱弯曲轴线呈现出第二个半波，出现第二个切点，这是钻杆柱的第二次弯曲(如曲线Ⅲ所示)。四、回转钻杆柱所产生的扭应力钻杆柱受压正应力directstress钻杆柱传递扭矩剪应力shearingstressM大Ｍ小研究钻杆柱扭应力思路：计算钻杆柱上端所承受的最大扭矩确定钻杆柱上端所传送的总功率一定的转速条件已知断面扭矩，可算出该断面的剪应力值。四、回转钻杆柱所产生的扭应力M大Ｍ小计算钻杆柱上端所承受的最大扭矩确定钻杆柱上端所传送的总功率一定的转速条件已知断面扭矩，可算出该断面的剪应力值。用第三强度理论计算钻杆柱合成应力224bp321NNNNd钻进功率Ｎ1空转钻杆柱的功率Ｎ2克服摩擦阻力时增加的功率Ｎ3钻头破碎岩石所需的功率钻机的输出转速五、提升钻杆柱所产生的拉应力当开始把全部钻杆柱从孔中提起时，钻杆柱上端受有最大的拉应力。钻杆柱最大的拉力Q321QQQQ提升加速度的惯性力提升钻杆柱时孔内增加的阻力钻杆柱本身的重力smLq1011QgtvQgap2.0(2Q1)3.0Q~六、处理事故中的钻杆柱受力情况这是钻杆柱在非正常工作条件下可能遇到的受力情况。这种受力状况往往对钻杆柱可能造成严重损伤。卡夹钻具drillrodsticking回转运动受阻扭转变形埋钻drillrodburying强力提拔钻杆拉断第四节钻杆柱的合理使用长时间在孔内经受着各种载荷磨损侵蚀磨损折断消耗优化的钻杆柱使用方式较为成功的使用方式：变换次序使用法综合使用法TKdlTT钻孔钻进时间钻杆柱使用寿命一般说KT＜l第四节钻杆柱的合理使用一、变换使用方式当KT＝1时，即钻孔时间与钻杆寿命相等或接近时，为了使钻杆消耗均匀，钻孔须成对考虑，即两个钻孔的工作量一起计算。在钻第二个钻孔时，把立根使用的次序颠倒过来，称为变换次序使用法。对于KT≤0.5和0.7≤KT≤1的各种情况，这种优化使用的方式都可采用，实际上只是所钻的孔数不同而已。第四节钻杆柱的合理使用二、综合使用方式当KT＝0.7时，可采用综合使用方式优化钻杆的使用。在钻第一个孔深度一半的过程中，把立根依次1，2，3，…5接到钻杆柱上进行钻进。在钻完深度的一半后，提钻时把这些立根依次放于立根台上待用。而在继续钻下半部钻孔时，把其他末用的一半立根6，7，8，…10一起下入孔中，在继续向深部钻进时，把原上部用过的钻杆按相反的顺序，(即从5到1)接上继续工作。第一章岩芯钻探钻具第一节岩芯钻具的组成第二节钻杆柱第三节钻杆柱在孔内的工作状态第四节钻杆柱的合理使用