第二章 钻进工具——钻柱

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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、钻柱的作用与组成 概念：钻柱(Drill Stem)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(Square Kelly)、钻杆(Drill Pipe)、钻挺(Drill Collar)、 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)

2、钻杆测试 ( Drill-Stem Testing),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： 1822ft ，2730ft， 3845ft,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

3、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,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

4、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,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,第

5、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：6-1/4，7，8，9 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)。,第二节 钻 柱作用和组成,4.稳定器 类型：刚性稳定器、不

6、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

7、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

8、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：,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

9、拉力： 滑动摩擦阻力： 动载荷： （5）起下钻时钻柱轴向力：,第二节 钻 柱工作状态与受力,（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： 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。,钻柱轴向力分布与中性点,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

10、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,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

11、度数，直井时， =0。,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214中查出。,第二节 钻 柱设计,（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。

12、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。,第二节 钻 柱设计,2. 钻杆柱强度设计 按最大安全静拉力F a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：,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

13、力 相应各段钻杆在空气中的单位长度重力,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,kNm； 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,第二节 钻 柱设计,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.

14、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/m。 计算钻铤长度:,第二节 钻 柱设计,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。

15、（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: =0.91760/1.30=1218.46(kN) =0.91760/1.42=1115.49(kN) =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： =1115.49/284.6910-30.856-1901.35/284.6910-3=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: =0.92229.71/1.30=1543.645(kN) =0.92229.71/1.42=1413.196(kN) =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表2-23。 表2-23 钻柱组合设计结果,