第二章--2-钻柱分析课件

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1、第二节 钻柱 一、钻柱的作用与组成 二、钻柱的工作状态及受力 三、钻柱设计 钻柱钻柱(Drill Stem)是钻头以上,水龙头以下部分的管柱是钻头以上,水龙头以下部分的管柱总称。总称。 它包括它包括方钻杆方钻杆(Square Kelly)、钻杆钻杆(Drill Pipe)、钻挺钻挺(Drill Collar)、 各种接头各种接头(Joint)及及稳定器稳定器(Stabilizer)等等井下工具。井下工具。第二节第二节 钻钻 柱柱 (一)钻柱的作用(一)钻柱的作用 (1) (1) 提供由井口至井下的钻井液流动通道;提供由井口至井下的钻井液流动通道; (2) (2) 给给钻钻头头施施加加适适当当的

2、的压压力力( (钻钻压压) ),使使钻钻头头的的工工作作刃刃不不断吃入岩石;断吃入岩石; (3) (3) 把把地地面面动动力力( (扭扭矩矩等等) )传传递递给给钻钻头头, ,使使钻钻头头不不断断旋旋转转破碎岩石;破碎岩石;一、钻柱的作用与组成一、钻柱的作用与组成 (4) (4)起下钻头;起下钻头; (5) (5)根据钻柱的长度计算井深。根据钻柱的长度计算井深。 (6)(6)通通过过钻钻柱柱工工况况观观察察和和了了解解钻钻头头的的工工况况、井井眼眼状状况况及及地层情况等;地层情况等; (7)(7)进进行行取取芯芯、挤挤水水泥泥、打打捞捞井井下下落落物物、处处理理井井下下事事故故等特殊作业;等特

3、殊作业; (8)(8)对对地地层层流流体体及及压压力力状状况况进进行行测测试试与与评评价价,即即钻钻杆杆测测试试 ( Drill-Stem Testing), ( Drill-Stem Testing),又称中途测试。又称中途测试。 (二)钻柱的组成(二)钻柱的组成 钻柱由钻柱由方钻杆、钻杆段和下部钻具组合方钻杆、钻杆段和下部钻具组合三大部分组成。三大部分组成。 钻杆段包括钻杆和接头,有时也装有扩眼器。钻杆段包括钻杆和接头,有时也装有扩眼器。 下部钻具组合主要是钻挺,也可能安装稳定器、减震器下部钻具组合主要是钻挺,也可能安装稳定器、减震器(Shock Absorber)、震击器、震击器(Jar

4、 Bumber) 与扩眼器及其它与扩眼器及其它特殊工具。特殊工具。图图2-28 典型的钻具组合典型的钻具组合 1、钻杆、钻杆 其主要作用是传递扭矩和输送钻井液,并靠钻杆的逐渐其主要作用是传递扭矩和输送钻井液,并靠钻杆的逐渐加长使井眼不断加深。壁厚一般为加长使井眼不断加深。壁厚一般为911mm。 (1 1)钻杆结构与规范)钻杆结构与规范 钻杆由钻杆由钻杆管体与钻杆接头钻杆管体与钻杆接头两部分组成。两部分组成。 有有细细扣扣钻钻杆杆:管管体体两两端端都都车车有有细细公公扣扣,与与接接头头一一端端的的母母细扣相连接细扣相连接 对焊钻杆对焊钻杆:管体与接头用摩擦焊对焊在一起。:管体与接头用摩擦焊对焊在

5、一起。图图2-29 钻杆结构示意图钻杆结构示意图 图图2 230 30 钻杆加厚形式钻杆加厚形式常用的加厚形式有内加厚、外加厚、常用的加厚形式有内加厚、外加厚、 内外加厚三种:内外加厚三种: 根据美国石油学会根据美国石油学会(American Petroleum Institute,简称简称API)的规定,钻杆的规定,钻杆按长度分为三类按长度分为三类: 第一类,第一类,5.4866.706米米(1822英尺英尺); 第二类,第二类,8.2309.144米米(2730英尺英尺); 第三类第三类,11.58213.716米米(3845英尺英尺)。 常用的钻杆尺寸有常用的钻杆尺寸有88.9,114.

6、3,127.0毫米毫米(3.5,4.5,5英寸英寸)三三种。种。 常用钻杆规范(内径、外径、壁厚、线密度等)见表常用钻杆规范(内径、外径、壁厚、线密度等)见表2-12。 (2 2)钻杆的钢级与强度)钻杆的钢级与强度 钻钻杆杆的的钢钢级级是是指指钻钻杆杆钢钢材材的的等等级级,它它由由钻钻杆杆钢钢材材的的最最小小屈屈服服强强度度决决定定。API规规定定钻钻杆杆的的钢钢级级有有D、E、95(X)、105(G)、135(S)级共五种,见表级共五种,见表2-13。其中,。其中,X、G、S级为高强度钻杆。级为高强度钻杆。表表2-13 钻杆钢级钻杆钢级 (3 3)钻杆接头及丝扣)钻杆接头及丝扣 钻杆接头是钻

7、杆的组成部分,分公接头和母接头钻杆接头是钻杆的组成部分,分公接头和母接头 钻钻杆杆接接头头壁壁厚厚较较大大,接接头头外外径径大大于于管管体体外外径径,用用强强度度更更高的合金钢。高的合金钢。 丝丝扣扣的的连连接接必必须须满满足足:尺尺寸寸相相等等,丝丝扣扣类类型型相相同同,公公母母扣相匹配。扣相匹配。 API钻杆接头有新、旧两种标准钻杆接头有新、旧两种标准 旧标准旧标准:内平式:内平式(IF)、贯眼式、贯眼式(FH)和正规式和正规式(REG)三种类三种类型。型。 内平式接头主要用于外加厚钻杆,钻杆通体内径相同。内平式接头主要用于外加厚钻杆,钻杆通体内径相同。 贯眼式接头适用于内加厚钻杆,钻杆有

8、两个内径。贯眼式接头适用于内加厚钻杆,钻杆有两个内径。 正规式接头适用于内外加厚钻杆,正规接头连接的钻杆正规式接头适用于内外加厚钻杆,正规接头连接的钻杆有三种不同的内径。外径最小,强度较大。有三种不同的内径。外径最小,强度较大。 三种类型接头均采用三种类型接头均采用V型螺纹,但扣型、扣距、锥度及尺型螺纹,但扣型、扣距、锥度及尺寸等都有很大的差别。寸等都有很大的差别。图图2-31 旧旧API钻杆接头钻杆接头 新标准新标准:NC型系列接头,又称数字型接头。型系列接头,又称数字型接头。 NC型接头以字母型接头以字母NC和两位数字表示,和两位数字表示, 如如NC50,NC26,NC31等。例如:等。例

9、如:NC26表示接头为表示接头为NC型,基面丝扣型,基面丝扣节圆直径为节圆直径为2.668英寸。英寸。 NC螺纹也为螺纹也为V型螺纹,具有型螺纹,具有0.065 英寸平螺纹顶和英寸平螺纹顶和0.038英寸圆螺纹底,用英寸圆螺纹底,用V-0.038R表示扣型,可与表示扣型,可与V-0.065 型螺纹连接。型螺纹连接。 表表2-17所列的几种所列的几种NC型接头与旧型接头与旧API标准接头有相同的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。节圆直径、锥度、螺距和螺纹长度,可以互换使用。表表2-17 可以互换使用的接头可以互换使用的接头 ( (二二) )钻铤钻铤 其主要其主要特点特

10、点是壁厚大是壁厚大(一般为一般为38-53毫米,相当于钻杆壁毫米,相当于钻杆壁厚的厚的4-6倍倍), 钻铤的钻铤的主要作用主要作用: (1) (1)给钻头施加钻压;给钻头施加钻压; (2) (2)保证压缩条件下的必要强度;保证压缩条件下的必要强度; (3) (3)减轻钻头的振动、摆动和跳动等,使钻头工作平稳;减轻钻头的振动、摆动和跳动等,使钻头工作平稳; (4) (4)控制井斜。控制井斜。 最最常用常用的是的是圆形圆形(平滑的平滑的)钻铤和钻铤和螺旋形螺旋形钻铤两种。钻铤两种。 钻铤的连接丝扣钻铤的连接丝扣(公扣、母扣公扣、母扣)是在钻铤两端管体上直接是在钻铤两端管体上直接车制而成。车制而成。

11、 钻钻铤铤类类型型代代号号由由两两部部分分组组成成, ,第第一一部部分分为为NCNC型型螺螺纹纹代代号号,第第二二部部分分的的数数字字(取取外外径径的的前前两两位位数数字字)表表示示钻钻铤铤外外径径, ,中中间间用短线分开。用短线分开。 如如:NC70-97表表示示数数字字型型接接头头,基基面面丝丝扣扣节节圆圆直直径径为为7英寸,钻铤外径为英寸,钻铤外径为9.75英寸。英寸。 ( (三三) )方钻杆方钻杆 位位于于钻钻柱柱的的最最上上端端,有有四四方方形形和和六六方方形形两两种种,标标准准方方钻钻杆全长杆全长12.1912.19米米,驱动部分长,驱动部分长11.2511.25米。米。壁厚比钻杆

12、大壁厚比钻杆大3 3倍左右倍左右。主要作用是主要作用是传递扭矩和承受钻柱的全部重量传递扭矩和承受钻柱的全部重量。 方方钻钻杆杆两两端端的的丝丝扣扣为为:上上反反,下下正正。下下端端一一般般接接一一保保护护接头。接头。 常常用用的的方方钻钻杆杆尺尺寸寸:89mm(3.5英英寸寸),108mm (4.5英英寸寸),133.4mm (5.5英寸英寸)。 ( (四四) )稳定器稳定器 图图2-33是稳定器的三种基本类型:是稳定器的三种基本类型:刚性稳定器、不转刚性稳定器、不转动橡胶套稳定器和滚轮稳定器动橡胶套稳定器和滚轮稳定器。 图图2-33 稳定器的基本类型稳定器的基本类型 (五)减震器五)减震器

13、减震器种类很多,减震器种类很多,有弹簧减震器、橡胶减震器、钢丝减有弹簧减震器、橡胶减震器、钢丝减震器、液体减震器及气垫式减震器震器、液体减震器及气垫式减震器等。等。 在下部组合或钻杆柱中还可安装随钻震击器,随钻测量在下部组合或钻杆柱中还可安装随钻震击器,随钻测量()工具,钻柱测试工具和打捞篮、扩眼器等特殊工()工具,钻柱测试工具和打捞篮、扩眼器等特殊工具进行随钻测量、地层测试、打捞、扩眼等特殊作业。具进行随钻测量、地层测试、打捞、扩眼等特殊作业。 (一)钻柱的工作状态(一)钻柱的工作状态 钻柱主要是在钻柱主要是在起下钻和正常钻进起下钻和正常钻进这两种条件下工作的。这两种条件下工作的。 起下钻时

14、,钻柱处于受拉伸的直线稳定状态。起下钻时,钻柱处于受拉伸的直线稳定状态。 正常钻进时,上部钻柱受拉伸而下部钻柱受压缩。正常钻进时,上部钻柱受拉伸而下部钻柱受压缩。二、钻柱的工作状态及受力二、钻柱的工作状态及受力 小钻压且井眼直时,钻柱是直的;小钻压且井眼直时,钻柱是直的; 压力达到钻柱的临界压力值,下压力达到钻柱的临界压力值,下部钻柱将失去直线稳定状态而发生弯部钻柱将失去直线稳定状态而发生弯曲并与井壁接触于某个点曲并与井壁接触于某个点(称为称为“切点切点”),这是钻柱的第一次弯曲,这是钻柱的第一次弯曲(Bulkling of the first oder); 增大钻压,则会出现钻柱的第二增大钻

15、压,则会出现钻柱的第二次弯曲或更多次弯曲。次弯曲或更多次弯曲。图图2-34 钻柱受压弯曲示意图钻柱受压弯曲示意图 钻柱在井眼内的旋转钻柱在井眼内的旋转运动形式运动形式可能有如下可能有如下四种四种: (1)自转自转钻柱象一根柔性轴,围绕自身轴线旋钻柱象一根柔性轴,围绕自身轴线旋转。现象是易产生均匀磨损,发生疲劳破坏。转。现象是易产生均匀磨损,发生疲劳破坏。 (2)公转公转钻柱象一个刚体,围绕着井眼轴线旋钻柱象一个刚体,围绕着井眼轴线旋转并沿着井壁滑动。转并沿着井壁滑动。 现象是易产生偏磨。现象是易产生偏磨。 (3)公转与自转的结合公转与自转的结合钻柱围绕井眼轴线旋转,同钻柱围绕井眼轴线旋转,同时

16、围绕自身轴线转动,即不是沿着井壁滑动而是滚动。交时围绕自身轴线转动,即不是沿着井壁滑动而是滚动。交变应力的作用,循环次数比自转时低得多。变应力的作用,循环次数比自转时低得多。 (4)整个钻柱或部分钻柱作无规则的)整个钻柱或部分钻柱作无规则的旋转摆动旋转摆动。常常。常常造成钻柱的强烈振动。造成钻柱的强烈振动。 一般认为弯曲钻柱旋转的主要形式是自转,但也可能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。产生公转或两种运动形式的结合。 (二)钻柱的受力分析(二)钻柱的受力分析 1. 轴向拉力和压力轴向拉力和压力(Axial Tension and Compression

17、) 钻钻柱柱受受到到的的轴轴向向载载荷荷主主要要有有由由自自重重产产生生的的拉拉力力、由由钻钻井井液液产产生生的的浮浮力力和和因因加加钻钻压压而而产产生生的的压压力力,另另外外还还有有摩摩擦擦力力、加加速速力等。力等。 (1)钻柱在垂直井眼中悬挂)钻柱在垂直井眼中悬挂 井口处拉力最大。井口处拉力最大。钻柱任一截面处(假定在钻杆上)的拉力可按下式计算:钻柱任一截面处(假定在钻杆上)的拉力可按下式计算:式中:式中: 空井中的钻柱任一截面处的拉力,它等于该截面以下钻空井中的钻柱任一截面处的拉力,它等于该截面以下钻 柱在空气中的重力,柱在空气中的重力,kN; 分分别别为为钻钻杆杆、钻钻铤铤单单位位长长

18、度度的的重重力力,kN/m, 称称为为“线重(线重(Linear Weight)。)。 为钻铤的长度,为钻铤的长度,m; 截面以下钻杆长度,截面以下钻杆长度,m。若计算截面落在钻铤上,。若计算截面落在钻铤上, 为零。为零。 钻井液浮力减轻系数表示:钻井液浮力减轻系数表示: 式中:式中: K称为称为“浮力减轻系数浮力减轻系数”; 钻井液密度,钻井液密度,g/cm3 ; 钻柱钢材密度,钻柱钢材密度,g/cm3。 n考考虑虑钻钻井井液液浮浮力力和和静静液液压压力力的的横横向向挤挤压压作作用用后后,钻钻柱柱任任一一截截面处的轴向拉力可按下式计算:面处的轴向拉力可按下式计算:n n 悬悬挂挂在在钻钻井井

19、液液中中的的钻钻柱柱任任一一截截面面上上的的轴轴向向拉拉力力,kN。它等于该截面以下钻柱在钻井液中的重力。它等于该截面以下钻柱在钻井液中的重力。n钻柱在钻井液的重力称为浮重(钻柱在钻井液的重力称为浮重(Buoyant Weight)。)。n这这 种种 计计 算算 钻钻 柱柱 轴轴 向向 力力 的的 方方 法法 , 称称 为为 “浮浮 力力 系系 数数 法法”(Buoyancy Fact Method)。)。 (2 2)正常钻进时)正常钻进时 正常钻进时,把部分钻柱的重力正常钻进时,把部分钻柱的重力(钻铤)加到钻头上作为钻压。下部钻(钻铤)加到钻头上作为钻压。下部钻柱受压缩应力的作用。柱受压缩应

20、力的作用。 钻柱任一截面上的轴向拉力为:钻柱任一截面上的轴向拉力为:式式中中: 钻钻进进时时(有有钻钻压压)钻钻柱柱任任一截面上的轴向拉力,一截面上的轴向拉力,kNkN; w w 钻压,钻压,kNkN。图图2-36 钻柱轴向力分布钻柱轴向力分布 中性点:中性点:钻柱上轴向力为零的点钻柱上轴向力为零的点(点点)(亦称中和点,亦称中和点,Neutral Point )。 垂直井眼中钻柱的中性点高度可按下式确定:垂直井眼中钻柱的中性点高度可按下式确定:式中:式中: 中性点距井底的高度,中性点距井底的高度,m m。 循环钻井液时,钻柱任一截面断面处产生的拉力负循环钻井液时,钻柱任一截面断面处产生的拉力

21、负荷可按下式计算:荷可按下式计算:式中:式中: 循环压降引起的轴向拉力,循环压降引起的轴向拉力,kNkN; 截面以下钻柱内压力降,截面以下钻柱内压力降,kPakPa; 钻头水眼处的压力降,钻头水眼处的压力降,kPakPa; 钻柱流道截面积,钻柱流道截面积,cmcm2 2。 (3 3)起下钻时)起下钻时 起下钻时,钻柱除受到浮重外,还受到来自钻柱与井壁起下钻时,钻柱除受到浮重外,还受到来自钻柱与井壁的摩擦力的摩擦力Ff 和提升或下放速度变化所产生的动载和提升或下放速度变化所产生的动载Fd 式中:式中: - -提升加速或下钻减速阶段产生的动载提升加速或下钻减速阶段产生的动载,N,N; v v -

22、-大钩提升或下放速度大钩提升或下放速度,m/s,m/s; t t - -加速或减速所延续的时间加速或减速所延续的时间,s;,s; g g - -重力加速度重力加速度,m/s,m/s2 2。 考虑摩擦力和动载的作用后考虑摩擦力和动载的作用后, ,钻柱任一截面处轴向力为钻柱任一截面处轴向力为: : 式中式中, ,起钻时取正号起钻时取正号, ,下钻时取负号。下钻时取负号。 2、扭矩、扭矩(Tortional moment) 钻柱所受扭矩和剪应力的大小与钻柱尺寸、钻头类型及直径、钻柱所受扭矩和剪应力的大小与钻柱尺寸、钻头类型及直径、岩石性质、钻压和转速、岩石性质、钻压和转速、 钻井液性质井眼质量等因素

23、有关,很难钻井液性质井眼质量等因素有关,很难准确地计算。准确地计算。 钻柱承受的扭矩在井口处最大,向下随着能量的消耗逐渐减钻柱承受的扭矩在井口处最大,向下随着能量的消耗逐渐减小,在井底处最小。小,在井底处最小。 在井下动力钻井中,钻柱承受的扭矩为动力钻具的反扭矩,在井下动力钻井中,钻柱承受的扭矩为动力钻具的反扭矩,在井底处最大,往上逐渐减小。在井底处最大,往上逐渐减小。 3 3、弯曲力矩、弯曲力矩(Bending Moment)(Bending Moment) 其其大大小小与与钻钻柱柱的的刚刚度度、 弯弯曲曲变变形形部部分分的的长长度度及及最最大大挠挠度度等等因因素有关。素有关。 4 4、离心

24、力、离心力(Centrifugal forceCentrifugal force) 5 5、外挤压力、外挤压力(Collapsing Pressure)(Collapsing Pressure):中途测试和卡瓦悬持。:中途测试和卡瓦悬持。 6 6、纵纵向向振振动动(Axial (Axial Vibration)Vibration):钻钻柱柱中中性性点点附附近近产产生生交交变变的的轴轴向向应应力力。纵纵向向振振动动和和钻钻头头结结构构、所所钻钻地地层层性性质质、泵泵量量不不均均匀匀、钻钻压及转速当等因素有关。压及转速当等因素有关。 7、扭转振动、扭转振动(Torsion Vibration) 当

25、井底对钻头旋转的阻力不断变化时,会引起钻柱的扭转振当井底对钻头旋转的阻力不断变化时,会引起钻柱的扭转振动。动。 8 8、横向摆振、横向摆振(Cross Vibration)Cross Vibration) 在某一临界转速下,钻柱将出现摆振,其结果是使钻柱进行在某一临界转速下,钻柱将出现摆振,其结果是使钻柱进行公转,引起钻柱严重偏磨。公转,引起钻柱严重偏磨。 钻柱受力严重的部位是:钻柱受力严重的部位是: (1 1)钻进时,钻柱下部受力最为严重。)钻进时,钻柱下部受力最为严重。 (2 2)起下钻时,井口处钻柱受到最大拉力。)起下钻时,井口处钻柱受到最大拉力。 (3 3)由由于于地地层层岩岩性性变变

26、化化、钻钻头头的的冲冲击击和和纵纵向向振振动动等等因因素素的的存存在在,使使得得钻钻压压大大小小不不均均匀匀,因因而而使使中中性性点点附附近近的的钻钻柱受拉压交变载荷的作用,容易产生疲劳破坏。柱受拉压交变载荷的作用,容易产生疲劳破坏。 钻柱设计包括钻柱尺寸选择和强度设计两方面内容。钻柱设计包括钻柱尺寸选择和强度设计两方面内容。 设计中,一般遵循以下设计中,一般遵循以下两个原则两个原则: (1 1)满满足足强强度度(抗抗拉拉、抗抗挤挤强强度度等等)要要求求,保保证证钻钻柱柱安安全工作;全工作; (2 2)尽尽量量减减轻轻整整个个钻钻柱柱的的重重力力,以以便便在在现现有有的的抗抗负负荷荷能能力下钻

27、更深的井。力下钻更深的井。三、三、 钻柱设计钻柱设计 (一)、钻柱尺寸选择(一)、钻柱尺寸选择 首先取决于钻头尺寸和钻机的提升能力。同时,还要考虑每个首先取决于钻头尺寸和钻机的提升能力。同时,还要考虑每个地区的特点,如地质条件、井身结构、地区的特点,如地质条件、井身结构、 钻具供应及防斜措施等。钻具供应及防斜措施等。表表2-21 2-21 钻头尺寸与钻柱尺寸配合钻头尺寸与钻柱尺寸配合 选择的基本原则是:选择的基本原则是: 1. 1.方钻杆由于受到扭矩和拉力最大,在供应可能的情况下,方钻杆由于受到扭矩和拉力最大,在供应可能的情况下,应尽量选用大尺寸方钻杆。应尽量选用大尺寸方钻杆。 2. 2.在钻

28、机提升能力允许的情况下,选择大尺寸钻杆是有利的。在钻机提升能力允许的情况下,选择大尺寸钻杆是有利的。 3. 3.钻铤尺寸一般选用与钻杆接头外径相等或相近的尺寸,有钻铤尺寸一般选用与钻杆接头外径相等或相近的尺寸,有时根据防斜措施来选择钻铤的直径。时根据防斜措施来选择钻铤的直径。 使用大直径钻铤具有下列优点:使用大直径钻铤具有下列优点: (1 1)可可用用较较少少的的钻钻铤铤满满足足所所需需钻钻压压的的要要求求,可可减减少少钻钻铤铤,从而减少起下钻时连接钻铤的时间;从而减少起下钻时连接钻铤的时间; (2 2)提高了钻头附近钻柱的刚度,有利于改善钻头工况;)提高了钻头附近钻柱的刚度,有利于改善钻头工

29、况; (3 3)钻铤和井壁的间隙较小,可减少连接部分的疲劳破坏;)钻铤和井壁的间隙较小,可减少连接部分的疲劳破坏; (4 4)有利于防斜。)有利于防斜。 (二)钻铤长度的确定(二)钻铤长度的确定 其其确确定定原原则则是是:保保证证在在最最大大钻钻压压时时钻钻杆杆不不承承受受压压缩缩载载荷荷,即保持中性点始终处在钻铤上。即保持中性点始终处在钻铤上。 钻铤长度计算公式:钻铤长度计算公式:上式中:上式中: 钻铤长度,钻铤长度,m m; 设计的最大钻压,设计的最大钻压,kNkN; 安安全全系系数数,防防止止遇遇到到意意外外附附加加力力(动动载载、井井壁壁摩摩擦擦力等)时,中性点移到钻杆上,一般取力等)

30、时,中性点移到钻杆上,一般取 =1.15 =1.15 1.251.25; 每米钻铤在空气中的重力,每米钻铤在空气中的重力,kN/mkN/m; K K 浮力系数;浮力系数; 井斜角,直井时,井斜角,直井时, =0 =0。 (三)钻杆柱强度设计(三)钻杆柱强度设计 1. 1.钻杆柱设计的强度条件钻杆柱设计的强度条件 钻杆柱任一截面上的静拉伸载荷应满足以下条件:钻杆柱任一截面上的静拉伸载荷应满足以下条件: F Ft t F Fa a 式中:式中: F Ft t 钻杆柱任一截面上的静拉伸载荷,钻杆柱任一截面上的静拉伸载荷,kNkN; F Fa a 钻杆柱的最大安全静拉载荷,钻杆柱的最大安全静拉载荷,k

31、NkN。 (1 1)钻杆在屈服强度下的抗拉载荷:)钻杆在屈服强度下的抗拉载荷: 钻杆所承受的拉伸载荷必须小于钻杆材料的屈服强度下的抗拉载荷:钻杆所承受的拉伸载荷必须小于钻杆材料的屈服强度下的抗拉载荷:式中:式中: 钻杆钢材的最小屈服强度,钻杆钢材的最小屈服强度,MPaMPa; 钻杆的横截面积,钻杆的横截面积,cmcm2 2; 最小屈服强度下的抗拉载荷,最小屈服强度下的抗拉载荷,kNkN。 可以计算可以计算, , 也可以从也可以从表表2 21414中查出。中查出。 (2)钻杆的最大允许拉伸载荷)钻杆的最大允许拉伸载荷式中:式中: 钻杆的最大允许拉伸载荷,钻杆的最大允许拉伸载荷,kNkN。 (3)

32、钻杆的最大安全静拉载荷)钻杆的最大安全静拉载荷 安全系数法安全系数法 考虑起下钻时的动载及摩擦力,一般取一个安全系数考虑起下钻时的动载及摩擦力,一般取一个安全系数S St t,以保证钻,以保证钻柱的工作安全,即:柱的工作安全,即: / / 式中:式中: 安全系数,一般取安全系数,一般取1.301.30。 设计系数法(考虑卡瓦挤压)设计系数法(考虑卡瓦挤压) 拉力余量法拉力余量法式中:式中:MOPMOP拉力余量,一般取拉力余量,一般取200200500KN500KN。 取以上三个取以上三个 中最低者作为最大安全静拉载荷,据此计中最低者作为最大安全静拉载荷,据此计算钻杆柱的最大许用长度。算钻杆柱的

33、最大许用长度。 2. 2. 钻杆柱设计钻杆柱设计 ( (1)1)单一钻杆柱长度设计单一钻杆柱长度设计 由由 得最大允许下深为:得最大允许下深为: 式中:式中: 钻杆的最大安全静拉载荷,钻杆的最大安全静拉载荷,kNkN; L L 钻杆柱的最大允许下深,钻杆柱的最大允许下深,m m; 单位长度钻杆在空气中的重力,单位长度钻杆在空气中的重力,kN/mkN/m; 钻铤柱长度钻铤柱长度,m,m; 单位长度钻铤在空气中的重力,单位长度钻铤在空气中的重力, kN/m kN/m 。 (2)复合钻杆柱长度设计)复合钻杆柱长度设计 应自下而上逐段确定各段钻杆的最大长度。应自下而上逐段确定各段钻杆的最大长度。式中:

34、式中: 分别为钻铤上面第一、第二、第三钻杆分别为钻铤上面第一、第二、第三钻杆 的最大长度,的最大长度,m m; 为相应各段钻杆的最大安全静拉载荷,为相应各段钻杆的最大安全静拉载荷,kNkN; 为相应各段钻杆单位长度在空气中的重力,为相应各段钻杆单位长度在空气中的重力,kN/mkN/m。 (3)抗外挤强度计算)抗外挤强度计算式中式中: : 最大允许外挤力最大允许外挤力,MPa,MPa; 钻杆的最小抗挤强度,钻杆的最小抗挤强度,MPaMPa; 安全系数,一般应不小于安全系数,一般应不小于1.1251.125。 (4 4)抗扭强度)抗扭强度式中:式中: M M - -钻杆承受的扭矩钻杆承受的扭矩,

35、,kNkN. .m m; P P - -使钻柱旋转所需的功率,使钻柱旋转所需的功率,kWkW; n n - -转速,转速,rpmrpm。 (5 5)抗内压强度)抗内压强度 不不同同尺尺寸寸、钢钢级级和和级级别别的的钻钻杆杆的的最最小小抗抗内内压压力力可可在在API RP 7G标标准准中中查查得得,用用适适当当的的安安全全系系数数去去除除它它,即即得得其其许许用用静内压力。静内压力。 (1 1)设计参数)设计参数 井深井深:5000m;:5000m; 井径井径:215.9mm(8-1/2in);:215.9mm(8-1/2in); 钻井液密度钻井液密度:1.2g/cm:1.2g/cm3;3; 钻

36、压钻压:180kN;:180kN; 井斜角井斜角:3;:3; 拉力余量拉力余量:200kN(:200kN(本例假设本例假设);); 卡瓦长度卡瓦长度:406.4mm;:406.4mm; 安全系数:安全系数:1.30(1.30(本例假设本例假设) )。3典型钻柱的设计举例典型钻柱的设计举例 (2 2)钻铤选择:)钻铤选择: 选选 用用 外外 径径 158.75mm(6-1/4in)158.75mm(6-1/4in)、 内内 径径 57.15mm(2-57.15mm(2-1/4in)1/4in)钻铤,线重钻铤,线重q qc c=1.35kN/m=1.35kN/m。 计算钻铤长度计算钻铤长度: :

37、式中式中: : 最大钻压最大钻压,180 kN;,180 kN; 安全系数安全系数, ,取取 =1.18; =1.18; 每米钻铤在空气中的重力每米钻铤在空气中的重力,1.35 kN/m,1.35 kN/m; 浮力系数浮力系数, ,计算得计算得 =0.85; =0.85; 井斜角井斜角, =3, =3。 计算得:计算得: =1801.18/1.350.85cos3=185(m) =1801.18/1.350.85cos3=185(m) 按每米钻铤按每米钻铤10m10m计,需用计,需用1919根钻铤根钻铤, ,总长总长190m190m。 (3 3)选择第一段钻杆(接钻铤)选择第一段钻杆(接钻铤)

38、 选选用用外外径径127mm127mm、内内径径108.6mm108.6mm,线线重重284.69N/m284.69N/m,E E级新钻杆,最小抗拉载荷级新钻杆,最小抗拉载荷=1760 kN =1760 kN 。 最大长度计算最大长度计算: : 最大安全静拉载荷为最大安全静拉载荷为: : =0.91760/1.30=1218.46(kN) =0.91760/1.30=1218.46(kN) =0.91760/1.42=1115.49(kN) =0.91760/1.42=1115.49(kN) =0.91760-200=1384(kN) =0.91760-200=1384(kN) 由上面的计算可

39、以看出由上面的计算可以看出, ,按卡瓦挤毁比值计算的最小,则第一段按卡瓦挤毁比值计算的最小,则第一段钻杆的许用长度为:钻杆的许用长度为: =1115.49/284.6910 =1115.49/284.6910-3-30.856-1901.35/284.69100.856-1901.35/284.6910-3-3 =3675( =3675(m)m) (4 4)选择第二段钻杆)选择第二段钻杆 选用外径选用外径127mm,127mm,内径内径108.6mm108.6mm,线重,线重284.69N/m284.69N/m,X-95X-95级新钻杆,级新钻杆,最小抗拉载荷为最小抗拉载荷为=2229.71

40、kN=2229.71 kN。 最大长度计算最大长度计算: : 最大安全静拉载荷计算如下最大安全静拉载荷计算如下: : =0.92229.71/1.30=1543.645(kN) =0.92229.71/1.30=1543.645(kN) =0.92229.71/1.42=1413.196(kN) =0.92229.71/1.42=1413.196(kN) =0.92229.71-200=1806.739(kN) =0.92229.71-200=1806.739(kN) 那么,第二段钻杆的最大允许长度为:那么,第二段钻杆的最大允许长度为: =1413.196/287.6910 =1413.196/287.6910-3-30.856-1.351900.856-1.35190 +284.6910 +284.6910-3-33675/284.69103675/284.6910-3-3 =1221( =1221(m)m) 钻柱总长已超过设计井深。钻柱总长已超过设计井深。 最后设计的钻柱组合见表最后设计的钻柱组合见表2-232-23。 表表2-23 2-23 钻柱组合设计结果钻柱组合设计结果本章结束!本章结束!

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