《【7A文】石油工程钻井钻柱力学-第四章 第3节-钻柱螺旋弯曲基本概念》由会员分享，可在线阅读，更多相关《【7A文】石油工程钻井钻柱力学-第四章 第3节-钻柱螺旋弯曲基本概念（15页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1,第 四 章 第三节：钻柱螺旋弯曲基本,2,结果是：最大弯曲应力位于钻柱的外径（最外层的纤维上）。,一、钻柱的螺旋弯曲概念 1、弯曲段中钻柱的弯曲应力与载荷,假设有一受轴向-横向力的梁，当轴向载荷 超过临界压力后发生平面弯曲，如图（3）所示。试问： 1）、最大应力出现在什么位置？ 2）、当考虑井眼和钻柱弯曲曲率时，如何确定其弯曲应力 w = ？ 所能承受的弯曲载荷 Qw =？,（KPa）（1）,图 3,3,式中：M弯矩，KN，m；I惯性矩，cm4； Z到中性轴的距离，cm。,最大弯曲应力和弯曲载荷为：,2、公式的推导过程：,4,值得注意是：式中的井眼曲率 kb（又称狗腿严重度）的单位为：度
2、/ 100英尺；而（4）式中的 kb单位为： 弧度 /in；,当将上式中的角度单位转化成 SI 单位时， 需要将上式的 英寸（in）转化成 100 英尺为单位，应除以12 100；将弧度话成角度 再乘以 180 /；然后就转化成 SI单位。最后的结果为上述计算式。,5,1,6,5、应用举例： 已知钻柱外径Dp = 244.47mm、Di = 224.4mmm、单位长度钻柱重量 Qp = 583N/m、kb = 5/304.8m、两接头之间的距离LT = 1219.2cm、截面面积 Ap =74.79cm2、钻柱顶部（附近）所受拉力载荷Wp = 1112.06kN、底部附近所受拉力载荷Wp =4
3、4.48kN。试求：该钻柱在弯曲井眼中的 Qw =？ 解：由题意：kb = 5/304.8m、 L = 1219.2/2 = 609.6cm、,7,2)、试求钻柱顶部和底部的有效拉伸载荷 Qew = ? 3）、若已知钻柱的屈服强度s = 4839.7kN、长圆扣的连接强度为：3767。6kN。 试求：该钻柱顶部和底部的抗拉安全系数SF = ? 以上的答案为： Qew(顶) = 2225.6kN、Qew(底) = 585.867kN、 SF = 底部：SF1 = 4839.7 / 585.867 = 8.261 SF2 = 3767.6 / 585.867 = 6.431 SF = 顶部：SF1
4、 = 2.715、 SF2 = 1.693,Ap =74.79cm2、 Wp = 1112.06kN、 Wp =44.48kN。 I = /64(Dp4 - Di4) = 5086.74cm4、Dp = 24.447cm k = （64.5158 Wp / EI）0.5 = 8.25 10-3 kL = 8.25 609.6 10-3 = 5.0292 Tanh（0.3937kL）=Tanh（0.39375.0292）=0.96259 所以得答案：Qw = 1113.60kN,8,1、钻柱弯曲曲率 Kp 钻柱在钻压 Wb、扭矩 M 的作用下；其变形既不属于纵向弯曲，也不属于纯扭转，而属于扭曲（
5、空间螺旋线）。,二、螺旋弯曲钻柱的曲率与受力简介,假设螺旋线的螺距为 P ；螺旋线长度为 S ；圆柱的半径为 r；坐标辐角为 ；动点 M 处的螺旋线与切线之间的夹角（螺旋角）为 。如图（4）所示。,9,10,2、井眼曲率 kb 井眼曲率的定义：是指动点延井眼轨迹（空间曲线）钻进方向上任意两点切线矢量（t1、t2）所转过的角度|与井段长度 L 之比的极限值。即：,11,3、螺旋弯曲钻柱的受力简介 假设坐标原点选在中和点截面上，Z轴平行于井眼轴线，方向向下（正）。由运动学知道受压部分钻柱上的某点 M 沿着圆柱坐标做非匀速运动（即曲率、挠率和螺距沿圆柱都有变化），其运动轨迹将是空间螺旋线，如图（5）
6、所示。 其受力可归纳为： 1）、q钻柱在泥浆中的重量； 2）、 n钻柱与井壁的摩擦阻力（方向与垂直于井眼轴线的圆周相切）；,或,12,图5 微元段M点的受力,M,n,q,n,qn,o,3）、qn由 钻组在泥浆中的重量 q 产生的分布载荷（沿半径指向外）； 4）、n法向反力（方向沿半径指向中心）。 5）、此外，还受弯曲、扭矩剪切、轴向拉、压力；振动等。NPT中和点； 当坐标原点选在中和点街面上，Z轴平行于井眼轴线（方向向下为正）时，取出的距离原点 Z 的单元体所对应的 角可认为其上的螺旋角等于常数。,13,钻柱螺旋弯曲受力研究方向（有待解决的问题） *：受压缩和拉伸段的弹性平衡形式： *：螺旋或
7、螺旋线的参数确定（因为螺旋的螺距不变的，而螺旋线的螺距沿 井眼轴线方向是变化的）； *：如何应用运动学理论研究和进行解释。,14,1、由几何关系知道：,弯曲井段钻柱受力计算举例,如果已知狗腿严重度 = 5/ 100 Ft，井段长度 L = 100Ft，钻柱所受轴向拉力 T =105 Lbf。 试问：拉力 T 使钻柱对井壁产生的侧向压力 F = ? Lbf、KN、t（吨）1Lbf = 4.448（N）。 如图（6）所示。 解：,15,5、因此得由于拉力使钻柱对井壁产生的侧向压力 F,4、由弧长定义：,答案：8800（Lbf）=39.1424（KN） = 3.99（t）.,3、又因为：,2、如果令：,
