1、第二節(jié) 鉆 柱,一、鉆柱的作用與組成 二、鉆柱的工作狀態(tài)與受力分析 三、鉆柱設(shè)計(jì),一、鉆柱的組成與作用,（一）鉆柱的組成 鉆柱(Drilling String)是鉆頭以上，水龍頭以下部分的鋼管柱的總稱. 包括：方鉆桿(Square Kelly)、鉆桿(Drill Pipe)、鉆鋌(Drill Collar)、 各種接頭(Joint)及穩(wěn)定器(Stabilizer)等井下工具。,（一）鉆柱的作用,提供鉆井液流動(dòng)通道； 給鉆頭提供鉆壓； 傳遞扭距； 起下鉆頭； 計(jì)量井深； 觀察和了解井下情況（鉆頭工況、井眼狀況、地層情況） 進(jìn)行其它特殊作業(yè)（取芯、擠水泥、打撈等） 鉆桿測試(Drill-Stem

2、Testing)，又稱中途測試。,1. 鉆 桿,（1）作用：傳遞扭矩和輸送鉆井液，延長鉆柱。 （2）結(jié)構(gòu)：管體+接頭 常用的加厚形式有內(nèi)加厚(a)、外加厚(b)、 內(nèi)外加厚(c)三種.,(a) (b) (c),（3）規(guī)范：,壁厚：9 11mm 外徑： 長度： 根據(jù)美國石油學(xué)會(huì)(American Petroleum Institute,簡稱API)的規(guī)定，鉆桿按長度分為三類： 第一類 5.486 6.706米(1822英尺)； 第二類 8.230 9.144米(2730英尺); 第三類 11.58213.716米(3845英尺)。 常用鉆桿規(guī)范（內(nèi)徑、外徑、壁厚、線密度等）見表2-12,（4）鋼

3、級與強(qiáng)度,（5）接頭及絲扣 絲扣連接條件：尺寸相等，絲扣類型相同，公母扣相匹配。 鉆桿接頭特點(diǎn)：壁厚較大，外徑較大，強(qiáng)度較高。 鉆桿接頭類型：內(nèi)平（IF）、貫眼（FH）、正規(guī)（REG）； NC系列,接頭的三種方式,內(nèi)平式(IF)：主要用于外加厚鉆桿。其特點(diǎn)是鉆桿通體內(nèi)徑相同，鉆井液流動(dòng)阻力??；但外徑較大，容易磨損。 貫眼式(FH)：主要用于內(nèi)加厚鉆桿。其特點(diǎn)是鉆桿有兩個(gè)內(nèi)徑，鉆井液流動(dòng)阻力大于內(nèi)平式，但其外徑小于內(nèi)平式。 正規(guī)式(REG)：主要用于內(nèi)加厚鉆桿及鉆頭、打撈工具。其特點(diǎn)是接頭內(nèi)徑加厚處內(nèi)徑管體內(nèi)徑，鉆井液流動(dòng)阻力大，但外徑最小，強(qiáng)度較大。 三種類型接頭均采用V型螺紋，但扣型、扣距、

4、錐度及尺寸等都有很大的差別。,NC型系列接頭,NC23，NC26，NC31，NC35，NC38，NC40，NC44，NC46，NC50，NC56，NC61，NC70，NC77 NCNational Coarse Thread，（美國）國家標(biāo)準(zhǔn)粗牙螺紋。 xx表示基面絲扣節(jié)圓直徑，用英寸表示的前兩位數(shù)字乘以10。 如：NC26表示的節(jié)圓直徑為2.668英寸。 NC螺紋也為V型螺紋, 表2-17所列的幾種NC型接頭與舊API標(biāo)準(zhǔn)接頭有相同的節(jié)圓直徑、錐度、螺距和螺紋長度，可以互換使用。 表2-17 可以互換使用的接頭,2. 鉆鋌,結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：管體兩端直接車制絲扣，無專門接頭；壁厚大(38-53毫米）

5、， 重量大，剛度大。 主要作用：(1)給鉆頭施加鉆壓; (2)保證壓縮應(yīng)力條件下的必要強(qiáng)度; (3)減輕鉆頭的振動(dòng)、擺動(dòng)和跳動(dòng)等，使鉆頭工作平穩(wěn)； (4)控制井斜。 類 型：光鉆鋌、螺旋鉆鋌、扁鉆鋌。 常用尺寸：6-1/4，7 ，8 ，9 3. 方鉆桿 類 型：四方形、六方形 特 點(diǎn)：壁厚較大，強(qiáng)度較高 主要作用：傳遞扭矩和承受鉆柱的全部重量。 常用尺寸：89mm(3.5英寸)，108mm (4.5英寸)，133.4mm (5.5英寸)。 12.19m（長度）,4.穩(wěn)定器,類型：剛性穩(wěn)定器、不轉(zhuǎn)動(dòng)橡膠套穩(wěn)定器、滾輪穩(wěn)定器。 作用：1）防斜； 2）控制井眼軌跡。,（一）鉆柱的工作狀態(tài),1. 起下

6、鉆工況下： 直井：直的拉伸、滑動(dòng) 斜井：隨井眼傾斜和彎曲，滑動(dòng)。 2. 正常鉆進(jìn)工況下 上部受拉伸，下部受壓彎曲；在扭矩作用下旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 下部鉆柱彎曲的原因： 鉆壓的作用使下部鉆柱受壓縮，當(dāng)壓力達(dá)到鉆柱的臨界壓力，鉆柱將失去直線穩(wěn)定狀態(tài)而發(fā)生彎曲并與井壁接觸。壓力較大時(shí)可能發(fā)生多次彎曲。,3. 鉆柱的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)形式,（1）自轉(zhuǎn)鉆柱象一根柔性軸，圍繞自身軸線旋轉(zhuǎn)。 均勻磨損，易發(fā)生疲勞破壞。 （2）公轉(zhuǎn)鉆柱象一個(gè)剛體，圍繞著井眼軸線旋轉(zhuǎn)并沿著井壁 滑動(dòng)。 產(chǎn)生偏磨。 （3）公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)的結(jié)合 彎曲鉆柱圍繞井眼軸線旋轉(zhuǎn)，同時(shí)圍繞自身軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。,3. 鉆柱的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)形式,（4） 縱向振動(dòng)鉆頭振動(dòng)引起，產(chǎn)

7、生交變應(yīng)力。 （5）扭轉(zhuǎn)振動(dòng)由井底對鉆頭旋轉(zhuǎn)阻力的變化引起，產(chǎn)生交變扭剪應(yīng)力。 （6）橫向擺振達(dá)到某一臨界轉(zhuǎn)速，可能產(chǎn)生無規(guī)則擺動(dòng)，產(chǎn)生交變彎曲應(yīng)力。,一般認(rèn)為彎曲鉆柱旋轉(zhuǎn)的主要形式是自轉(zhuǎn)，但也可能產(chǎn)生公轉(zhuǎn)或兩種運(yùn)動(dòng)形式的結(jié)合。由于在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中受到阻力的作用，鉆具的轉(zhuǎn)動(dòng)是不平穩(wěn)的。,（二）鉆柱的受力分析,1. 概述 （1）自重產(chǎn)生的拉力 （2）鉆壓產(chǎn)生的壓力 （3）鉆井液的浮力 （4）摩擦阻力 （5） 循環(huán)壓降產(chǎn)生的附加拉力 （7）起下鉆時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)載荷 （8）扭距 （9）彎曲應(yīng)力 （10）離心力 （11）外擠力 （12）振動(dòng)產(chǎn)生的交變應(yīng)力 鉆柱受力最嚴(yán)重的部位： 1）井口斷面拉力最大，對于轉(zhuǎn)盤

8、鉆井井口扭距最大，對于井下 動(dòng)力鉆具鉆井，鉆頭處扭矩最大； 2）下部受壓彎曲部分交變軸向應(yīng)力、彎曲應(yīng)力、扭剪應(yīng)力 3）中性點(diǎn)拉壓交變載荷。,軸向力,2.軸向力和中性點(diǎn),（1）自重產(chǎn)生的軸向拉力（井內(nèi)掏空時(shí)）： （2）浮重產(chǎn)生的軸向力： 式中： 稱為“浮力減輕系數(shù)” （3）正常鉆進(jìn)時(shí)的軸向力：,B,（4）其它軸向力的計(jì)算,循環(huán)壓降引起的附加軸向拉力： 滑動(dòng)摩擦阻力： 動(dòng)載荷： （5）起下鉆時(shí)鉆柱軸向力：,（5）中性點(diǎn),鉆柱上軸向力等于零的點(diǎn)(點(diǎn)) (亦稱中和點(diǎn)，Neutral Point )。 垂直井眼中鉆柱的中性點(diǎn)高度： 式中：LN 中性點(diǎn)距井底的高度，m。 重要意義： 1）設(shè)計(jì)鉆柱時(shí)要確保中

9、性點(diǎn)始終落在鉆 鋌上？ 2）指導(dǎo)松扣、造扣等特殊作業(yè)。 3）中性點(diǎn)附近鉆柱受交變應(yīng)力作用， 易疲勞破壞。,鉆柱軸向力分布與中性點(diǎn),三、鉆柱設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)內(nèi)容： （1）尺寸選擇 （2）鉆鋌柱長度計(jì)算 （3）鉆桿柱強(qiáng)度設(shè)計(jì)及校核。 下部鉆具組合設(shè)計(jì)的原則: （1）滿足強(qiáng)度（抗拉、抗擠強(qiáng)度等）要求，保證鉆柱安全工作； （2）盡量減輕整個(gè)鉆柱的重力，以便在現(xiàn)有的抗負(fù)荷能力下鉆 更深的井。 （3） 有效地鉆出設(shè)計(jì)的井眼軌道； （4） 鉆頭、馬達(dá)和測量系統(tǒng)工作穩(wěn)定性高，能加較大鉆壓，有 利于提高鉆速； （5） 具有較高的強(qiáng)度和壽命； （6） 便于安裝和起下。,鉆柱組合設(shè)計(jì),（一）鉆柱尺寸選擇,1. 依據(jù)： （

10、1）鉆機(jī)的提升能力； （2）井眼尺寸； （3）地質(zhì)條件； （4）工藝要求； （5）供貨情況。 2. 經(jīng)驗(yàn)配合關(guān)系,選擇的基本原則,（1）方鉆桿由于受到扭矩和拉力最大，在供應(yīng)可能的情況下，應(yīng) 盡量選用大尺寸方鉆桿。 （2）在鉆機(jī)提升能力允許的情況下，選擇大尺寸鉆桿是有利的。？ （3）鉆鋌尺寸一般選用與鉆桿接頭外徑相等或相近的尺寸，有時(shí) 根據(jù)防斜措施來選擇鉆鋌的直徑。 使用大直徑鉆鋌具有下列優(yōu)點(diǎn)： （1）可用較少的鉆鋌滿足所需鉆壓的要求，可減少鉆鋌，從 而減少起下鉆時(shí)連接鉆鋌的時(shí)間； （2）提高了鉆頭附近鉆柱的剛度，有利于改善鉆頭工況； （3）鉆鋌和井壁的間隙較小，可減少連接部分的疲勞破壞； （4

11、）有利于防斜。,（一）鉆柱尺寸選擇,（二）鉆鋌長度的確定,浮重原則：保證在最大鉆壓時(shí)鉆桿不承受壓縮載荷， 即保持中性點(diǎn)始終處在鉆鋌上。 計(jì)算公式： 式中： 鉆鋌長度，m； 設(shè)計(jì)的最大鉆壓，kN； 安全系數(shù)，考慮附加力（動(dòng)載、井壁摩擦力等）， 防止中性點(diǎn)移動(dòng)較弱的鉆桿上，一般取 =1.15 1.25； 每米鉆鋌在空氣中的重力，kN/m； KB 浮力系數(shù)； 井斜角，直井時(shí)， =0。,？復(fù)合鉆鋌怎么設(shè)計(jì)？,（三）鉆桿柱強(qiáng)度設(shè)計(jì),1.強(qiáng)度條件 Ft Fa 式中：Ft 鉆桿柱任一截面上的靜拉伸載荷，kN； Fa鉆桿柱的最大安全靜拉力，kN。 （1）鉆桿在屈服強(qiáng)度下的抗拉載荷： 鉆桿材料的屈服強(qiáng)度所允許的

12、最大抗拉載荷。 式中： 鉆桿鋼材的最小屈服強(qiáng)度，MPa； 鉆桿的橫截面積，cm2； 最小屈服強(qiáng)度下的抗拉載荷，kN。 可以計(jì)算,也可以從表214中查出。,（2）鉆桿的最大允許拉伸力Fp,式中： 鉆桿的最大允許拉伸載荷，kN。 （3）鉆桿的最大安全靜拉力Fa 安全系數(shù)法（考慮起下鉆時(shí)的動(dòng)載及摩擦力） 式中： 安全系數(shù)，一般取1.30。 設(shè)計(jì)系數(shù)法（考慮卡瓦擠壓） 拉力余量法 式中：MOP拉力余量，一般取200500KN。,三者取最小值作為Fa,2. 鉆桿柱強(qiáng)度設(shè)計(jì),按最大安全靜拉力Fa設(shè)計(jì)鉆桿柱的最大允許下深（長度）。 （1）單一鉆桿柱設(shè)計(jì) 強(qiáng)度條件： 最大允許下深：,（2）復(fù)合鉆桿柱設(shè)計(jì)（深井

13、）,每段鉆桿滿足強(qiáng)度條件：,思路：由下而上，所受拉伸載荷逐漸增大，強(qiáng)度應(yīng)逐漸增大。故由鉆鋌上面第一段鉆桿開始，先選擇強(qiáng)度較低的鉆桿，確定其許用長度；再逐段向上選擇強(qiáng)度更高的鉆桿進(jìn)行設(shè)計(jì)。這樣設(shè)計(jì)出來的鉆桿柱，由下而上強(qiáng)度逐級增大以滿足抗拉強(qiáng)度的要求。,（2）復(fù)合鉆桿柱設(shè)計(jì)（深井）,鉆鋌上面第一、二、三、四段鉆桿的長度; 相應(yīng)各段鉆桿的最大安全靜拉力; 相應(yīng)各段鉆桿在空氣中的單位長度重力;,3. 強(qiáng)度較核,（1）抗外擠強(qiáng)度較核： 式中: 最大安全外擠載荷,MPa； 鉆桿的最小抗擠壓力，MPa； 安全系數(shù)，一般應(yīng)不小于1.125。 （2）抗扭強(qiáng)度較核： 式中： M - 鉆桿承受的扭矩,kNm； P

14、 - 使鉆柱旋轉(zhuǎn)所需的功率，kW； n - 轉(zhuǎn)速，rpm。 （3）抗內(nèi)壓強(qiáng)度較核： 不同尺寸、鋼級和級別的鉆桿的最小抗內(nèi)壓力可在API RP 7G標(biāo)準(zhǔn)中查得，用適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù)去除它，即得其許用凈內(nèi)壓力.,4典型鉆柱的設(shè)計(jì)舉例,（1）設(shè)計(jì)參數(shù) 井深:5000m; 井徑:215.9mm(8-1/2in); 鉆井液密度:1.2g/cm3 ; 鉆壓:180kN; 井斜角:3; 拉力余量:200kN(本例假設(shè)); 卡瓦長度:406.4mm; 安全系數(shù)：1.30(本例假設(shè))。 （2）鉆鋌選擇： 選用外徑158.75mm(6-1/4in)、內(nèi)徑57.15mm(2-1/4in)鉆鋌，每米重力qc=1.35kN

15、/m。 計(jì)算鉆鋌長度:,式中: 最大鉆壓,180 kN; 安全系數(shù),取 =1.18; 每米鉆鋌在空氣中的重力,1.35 kN/m； 浮力系數(shù),計(jì)算得 =0.85; 井斜角, =3。 計(jì)算得： =1801.18/1.350.85cos3=185(m) 按每米鉆鋌10m計(jì)，需用19根鉆鋌,總長190m。 （3）選擇第一段鉆桿（接鉆鋌） 選用外徑127mm、內(nèi)徑108.6mm，每米重284.69N/m，E級新鉆桿， 最小抗拉載荷=1760KN。 最大長度計(jì)算: 最大安全靜拉載荷為: Fa1=0.9Fy /St=0.91760/1.30=1218.46(kN) Fa1=0.9Fy /(y /t) =0

16、.91760/1.42=1115.49(kN) Fa1=0.9Fy -MOP =0.91760-200=1384(kN),由上面的計(jì)算可以看出,按卡瓦擠毀比值計(jì)算的最小，則第一段鉆桿的許用長度為： =1115.49/284.6910-30.85-1901.35/284.6910-3=3675(m) （4）選擇第二段鉆桿 選用外徑127mm,內(nèi)徑108.6mm，每米重284.69N/m，X-95級新鉆桿，最小抗拉載荷為=2229.71 kN。 最大長度計(jì)算: 最大安全靜拉載荷計(jì)算如下: Fa2 =0.92229.71/1.30=1543.645(kN) Fa2 =0.92229.71/1.42=1413.196(kN) Fa2 =0.92229.71-200=1806.739(kN),那么，第二段鉆桿的最大允許長度為： =1413.196/287.6910-30.856-1.35190 +284.6910-33675/284.6910-3 =1221(m) 鉆柱總長已超過設(shè)計(jì)井深。,最后設(shè)計(jì)的鉆柱組合見下表。 鉆柱組合設(shè)計(jì)結(jié)果表,5 鉆柱強(qiáng)度及穩(wěn)定性校核（定向井）補(bǔ)充內(nèi)容,1）強(qiáng)度校核 鉆柱所受的四種主要載荷,最大應(yīng)力應(yīng)滿足：,2)穩(wěn)定性校核,無論是直井還是定向井，當(dāng)鉆柱所受的軸向壓力小于