第二章 鉆進工具——鉆柱

1、第二節(jié)第二節(jié) 鉆柱鉆柱 一、鉆柱的作用與組成 二、鉆柱的工作 狀態(tài)與受力分析 三、鉆柱設計一、鉆柱的作用與組成一、鉆柱的作用與組成 概念概念：鉆柱(Drill Stem)是鉆頭以上，水龍頭以下部分的鋼管柱的總稱。它包括方鉆桿(Square Kelly)、鉆桿(Drill Pipe)、鉆挺(Drill Collar)、 各種接頭(Joint)及穩(wěn)定器(Stabilizer)等井下工具。（一）鉆柱的作用（一）鉆柱的作用(1)提供鉆井液流動通道； (2)給鉆頭提供鉆壓； (3)傳遞扭距； (4)起下鉆頭； (5)計量井深。(6)觀察和了解井下情況（鉆頭工作情況、井眼狀況、地層情況）；(7)進行其它特

2、殊作業(yè)（取芯、擠水泥、打撈等）；(8)鉆桿測試 ( Drill-Stem Testing),又稱中途測試。第二節(jié)第二節(jié) 鉆鉆 柱柱作用和組成作用和組成（二）鉆柱組成（二）鉆柱組成v方鉆桿 v鉆桿 v鉆鋌v穩(wěn)定器v配合接頭和保護接頭v其它井下工具： 減震器、震擊器、 擴眼器、鍵槽破壞器第二節(jié)第二節(jié) 鉆鉆 柱柱作用和組成作用和組成 1. 鉆桿鉆桿（1）作用：傳遞扭矩和輸送鉆井液，延長鉆柱。（2）結構：管體+接頭（3）規(guī)范：壁厚：9 11mm 外徑：60.3，73.0，88.9，101.6，114.3，127.0，139.7 長度： 1822ft ，2730ft， 3845ft第二節(jié)第二節(jié) 鉆鉆 柱

3、柱作用和組成作用和組成（4 4）鋼級與強度）鋼級與強度 （6 6）接頭及絲扣）接頭及絲扣v絲扣連接條件：尺寸相等，絲扣類型相同，公母扣相匹配。v 鉆桿接頭特點：壁厚較大，外徑較大，強度較高。v鉆桿接頭類型：內(nèi)平（IF）、貫眼（FH）、正規(guī)（REG）； NC系列鉆 桿 鋼 級物 理 性 能DE95（X）105（G）135（S）MPa379.21517.11655.00723.95930.70最小屈服強度lb/in2550007500095000105000135000MPa586.05723.95861.85930.791137.64最大屈服強度lb/in28500010500012500013

4、5000165000MPa655.00689.48723.95792.90999.74最小抗拉強度lb/in295000100000105000115000145000第二節(jié)第二節(jié) 鉆鉆 柱柱作用和組成作用和組成 內(nèi)平式：主要用于外加厚鉆桿。其特點是鉆桿通體內(nèi)徑相同，鉆井液流動阻力??；但外徑較大，容易磨損。v貫眼式：主要用于內(nèi)加厚鉆桿。其特點是鉆桿有兩個內(nèi)徑，鉆井液流動阻力大于內(nèi)平式，但其外徑小于內(nèi)平式。v正規(guī)式：主要用于內(nèi)加厚鉆桿及鉆頭、打撈工具。其特點是接頭內(nèi)徑加厚處內(nèi)徑管體內(nèi)徑，鉆井液流動阻力大，但外徑最小，強度較大。 三種類型接頭均采用V型螺紋，但扣型、扣距、錐度及尺寸等都有很大的差別

5、。第二節(jié)第二節(jié) 鉆鉆 柱柱作用和組成作用和組成vNC型系列接頭型系列接頭 NC23，NC26，NC31，NC35，NC38，NC40，NC44，NC46，NC50，NC56，NC61，NC70，NC77 NCNational Coarse Thread，（美國）國家標準粗牙螺紋。 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,具有0.065 英寸平螺紋頂和0.038英寸圓螺紋底, 用V-0.038R表示扣型,可與V-0.065 型螺紋連接。表2-17所列的幾種NC型接頭與舊API標準接頭有相同的節(jié)圓直徑、錐度、螺

6、距和螺紋長度，可以互換使用。表表2-17 可以互換使用的接頭可以互換使用的接頭數(shù)字型接頭NC26NC31NC38NC40NC46NC50舊API接頭283IF287IF321IF4IF4FH421IF第二節(jié)第二節(jié) 鉆鉆 柱柱作用和組成作用和組成2. 2. 鉆鋌鉆鋌v結構特點：管體兩端直接車制絲扣，無專門接頭；壁厚大(38-53毫米）， 重量大，剛度大。v主要作用：(1)給鉆頭施加鉆壓; (2)保證壓縮應力條件下的必要強度; (3)減輕鉆頭的振動、擺動和跳動等，使鉆頭工作平穩(wěn)； (4)控制井斜。v 類 型：光鉆鋌、螺旋鉆鋌、扁鉆鋌。v常用尺寸：6-1/4，7，8，93.3.方鉆桿方鉆桿 類 型：

7、四方形、六方形 特 點：壁厚較大，強度較高 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)。第二節(jié)第二節(jié) 鉆鉆 柱柱作用和組成作用和組成4.4.穩(wěn)定器穩(wěn)定器類型：剛性穩(wěn)定器、不轉(zhuǎn)動橡膠套穩(wěn)定器、滾輪穩(wěn)定器。作用：1）防斜； 2）控制井眼軌跡。 第二節(jié)第二節(jié) 鉆鉆 柱柱作用和組成作用和組成 二、鉆柱的工作狀態(tài)及受力二、鉆柱的工作狀態(tài)及受力（一）鉆柱的工作狀態(tài)（一）鉆柱的工作狀態(tài)1. 起下鉆工況下：起下鉆工況下： （1）直井：直的拉伸、滑動 （2）斜井：隨井眼傾斜和彎曲，滑動。2. 正常鉆進工況下正常鉆進工況下

8、 上部受拉伸，下部受壓彎曲；在扭矩作用下旋轉(zhuǎn)運動。v下部鉆柱彎曲的原因： 鉆壓的作用使下部鉆柱受壓縮，當壓力達到鉆柱的臨界壓力，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。壓力較大時可能發(fā)生多次彎曲。第二節(jié)第二節(jié) 鉆鉆 柱柱工作狀態(tài)與受力工作狀態(tài)與受力3. 鉆柱的旋轉(zhuǎn)運動形式鉆柱的旋轉(zhuǎn)運動形式： （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)鉆柱象一個剛體，圍繞著井眼軸線旋轉(zhuǎn)并沿著井壁滑動。產(chǎn)生偏磨。 （3）公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)的結合 彎曲鉆柱圍繞井眼軸線旋轉(zhuǎn)，同時圍繞自身軸線轉(zhuǎn)動，即不是沿著井壁滑動而是滾動。鉆柱磨損均勻，但受交變應力的作用，循環(huán)次數(shù)比自轉(zhuǎn)時低得

9、多。 （4） 縱向振動鉆頭振動引起，產(chǎn)生交變應力。 （5）扭轉(zhuǎn)振動由井底對鉆頭旋轉(zhuǎn)阻力的變化引起，產(chǎn)生交變扭剪應力。 （6）橫向擺振達到某一臨界轉(zhuǎn)速，可能產(chǎn)生無規(guī)則擺動，產(chǎn)生交變彎曲應力。v一般認為彎曲鉆柱旋轉(zhuǎn)的主要形式是自轉(zhuǎn)，但也可能產(chǎn)生公轉(zhuǎn)或兩種運動形式的結合，既有自轉(zhuǎn)，也有公轉(zhuǎn)。第二節(jié)第二節(jié) 鉆鉆 柱柱工作狀態(tài)與受力工作狀態(tài)與受力（二）鉆柱的受力分析（二）鉆柱的受力分析1. 概述概述（1）自重產(chǎn)生的拉力）自重產(chǎn)生的拉力（2）鉆壓產(chǎn)生的壓力）鉆壓產(chǎn)生的壓力（3）鉆井液的浮力）鉆井液的浮力（4）摩擦阻力）摩擦阻力（5） 循環(huán)壓降產(chǎn)生的附加拉力循環(huán)壓降產(chǎn)生的附加拉力（7）起下鉆時產(chǎn)生的動載荷）

10、起下鉆時產(chǎn)生的動載荷（8）扭距）扭距（9）彎曲應力）彎曲應力（10）離心力）離心力（11）外擠力）外擠力（12）振動產(chǎn)生的交變應力）振動產(chǎn)生的交變應力 鉆柱受力最嚴重的部位：鉆柱受力最嚴重的部位：1）井口斷面）井口斷面拉力最大，扭距最大；拉力最大，扭距最大；2）下部受壓彎曲部分）下部受壓彎曲部分交變軸向應力、彎曲應力、扭剪應力交變軸向應力、彎曲應力、扭剪應力3）中性點）中性點拉壓交變載荷。拉壓交變載荷。軸向力軸向力第二節(jié)第二節(jié) 鉆鉆 柱柱工作狀態(tài)與受力工作狀態(tài)與受力 2 . 軸向力和中性點軸向力和中性點（1）自重產(chǎn)生的軸向拉力（井內(nèi)掏空時）：）自重產(chǎn)生的軸向拉力（井內(nèi)掏空時）：（2）浮重產(chǎn)生的

11、軸向力）浮重產(chǎn)生的軸向力： 式中： 稱為“浮力減輕系數(shù)”（3）正常鉆進時的軸向力：）正常鉆進時的軸向力：sdBK10FKLqLqKFBccppBmccppLqLqF0WLqLqKFccppwWF第二節(jié)第二節(jié) 鉆鉆 柱柱工作狀態(tài)與受力工作狀態(tài)與受力（4 4）其它軸向力的計算）其它軸向力的計算v循環(huán)壓降引起的附加軸向拉力：v滑動摩擦阻力：v動載荷：（5 5）起下鉆時鉆柱軸向力：）起下鉆時鉆柱軸向力：410ibihAppFmfFF3 . 02 . 00FgtvFd第二節(jié)第二節(jié) 鉆鉆 柱柱工作狀態(tài)與受力工作狀態(tài)與受力dfccppBtFFLqLqKF)(spbpbotpbsipppbotbbpppipb

12、p（5）中性點）中性點 鉆柱上軸向力等于零的點(點) (亦稱中和點，Neutral Point )。垂直井眼中鉆柱的中性點高度：式中： 中性點距井底的高度，m。重要意義：1）設計鉆柱時要確保中性點始終落在鉆鋌上。為什么？2）指導松扣、造扣等特殊作業(yè)。3）中性點附近鉆柱受交變應力作用，易疲勞破壞。BcNKqWLNL 鉆柱軸向力分布與中性點鉆柱軸向力分布與中性點w w 0 ( (+ +) ) ( (- -) ) 拉力拉力 壓力壓力 FW w w N N L LN 第二節(jié)第二節(jié) 鉆鉆 柱柱工作狀態(tài)與受力工作狀態(tài)與受力三、三、 鉆柱設計鉆柱設計v 設計內(nèi)容：設計內(nèi)容： （1）尺寸選擇 （2）鉆鋌柱長度

13、計算 （3）鉆桿柱強度設計及較核。v設計原則：設計原則：（1）滿足強度（抗拉、抗擠強度等）要求，保證鉆柱安全工作；（2）盡量減輕整個鉆柱的重力，以便在現(xiàn)有的抗負荷能力下鉆更深的井。第二節(jié)第二節(jié) 鉆鉆 柱柱設計設計 （一）、鉆柱尺寸選擇（一）、鉆柱尺寸選擇 1. 依據(jù)依據(jù)： （1）鉆機的提升能力； （2）井眼尺寸； （3）地質(zhì)條件； （4）工藝要求； （5）供貨情況。 2. 經(jīng)驗配合關系經(jīng)驗配合關系鉆頭直徑mm(in)鉆鋌外徑mm(in)鉆桿外徑mm（in）方鉆桿方寬mm(in)299(1143) 203(8)168(685) 152(6)248299(9431143) 178203(78) 1

14、40(521) 133,152(541,6)197248(743943) 152178(67) 114,127(421,5) 108,133(441,541)146216(543821) 146(543) 89(321) 89,108(321,441)第二節(jié)第二節(jié) 鉆鉆 柱柱設計設計（二）鉆鋌長度的確定（二）鉆鋌長度的確定 浮重原則：浮重原則：保證在最大鉆壓時鉆桿不承受壓縮載荷，即保持中性點始終處在鉆鋌上。計算公式：式中： 鉆鋌長度，m； 設計的最大鉆壓，kN； 安全系數(shù)，考慮附加力（動載、井壁摩擦力等），防止中性點移 動較弱的鉆桿上，一般取 =1.15 1.25； 每米鉆鋌在空氣中的重力，k

15、N/m； KB 浮力系數(shù)； 井斜角度數(shù)，直井時， =0。cosmaxBcNcKqWSLcLmaxWNScqNS第二節(jié)第二節(jié) 鉆鉆 柱柱設計設計 （三）鉆桿柱強度設計（三）鉆桿柱強度設計1.強度條件強度條件 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 1）鉆桿在屈服強度下的抗拉載荷：）鉆桿在屈服強度下的抗拉載荷：鉆桿材料的屈服強度所允許的最大抗拉載荷。式中： 鉆桿鋼材的最小屈服強度，MPa； 鉆桿的橫截面積，cm2； 最小屈服強度下的抗拉載荷，kN。 可以計算,也可以從表214中查出。pyyAF1 . 0ypAyF第二節(jié)第二節(jié) 鉆鉆 柱柱

16、設計設計BmkckckpjijjpiitiKqLqLqLF)(111 （2）鉆桿的最大允許拉伸力）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）鉆桿的最大安全靜拉力Fa： 安全系數(shù)法（考慮起下鉆時的動載及摩擦力） 式中： 安全系數(shù)，一般取1.30。 設計系數(shù)法（考慮卡瓦擠壓） 拉力余量法式中：MOP拉力余量，一般取200500KN。ypFF9.0pFtpaSFF/tS1typaFFMOPFFpa第二節(jié)第二節(jié) 鉆鉆 柱柱設計設計2. 2. 鉆桿柱強度設計鉆桿柱強度設計按最大安全靜拉力F a設計鉆桿柱的最大允許下深（長度）。（1 1）單一鉆桿柱設計）

17、單一鉆桿柱設計強度條件： 最大允許下深：（2 2）復合鉆桿柱設計（深井）復合鉆桿柱設計（深井）思路：由下而上，所受拉伸載荷逐漸增大，強度應逐漸增大。故由鉆鋌上面第一段鉆桿開始，先選擇強度較低的鉆桿，確定其許用長度；再逐段向上選擇強度更高的鉆桿進行設計。這樣設計出來的鉆桿柱，由下而上強度逐級增大以滿足抗拉強度的要求。每段鉆桿滿足強度條件：BccpaKqLLqF)(pccBaqqLKFLBmkckckpjijjpiiiaKqLqLqLF)(111第二節(jié)第二節(jié) 鉆鉆 柱柱設計設計v 鉆鋌上面第一、二、三、四段鉆桿的長度v 相應各段鉆桿的最大安全靜拉力v 相應各段鉆桿在空氣中的單位長度重力 1111p

18、ccBpaqLqKqFL211222pppCcBpaqLqLqKqFL32211333pppccBpaqLqLqLqKqFL3332211444ppppccBpaqLqLqLqLqKqFL4321LLLL，4321aaaaFFFF，4321ppppqqqq，第二節(jié)第二節(jié) 鉆鉆 柱柱設計設計3. 強度較核強度較核（1）抗外擠強度較核：）抗外擠強度較核：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)，一般應不小于1.125。（2 2）抗扭強度較核：）抗扭強度較核： 式中： M -鉆桿承受的扭矩,kNm； P -使鉆柱旋轉(zhuǎn)所需的功率，kW； n -轉(zhuǎn)速，rpm。（3 3）

19、抗內(nèi)壓強度較核：）抗內(nèi)壓強度較核：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標準中查得，用適當?shù)陌踩禂?shù)去除它，即得其許用凈內(nèi)壓力ccacSPP acPcPcSnPM67. 9第二節(jié)第二節(jié) 鉆鉆 柱柱設計設計4典型鉆柱的設計舉例典型鉆柱的設計舉例（1 1）設計參數(shù)）設計參數(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); 卡瓦長度:406.4mm; 安全系數(shù)：1.30(本例假設)。 （2 2）鉆鋌選擇）鉆鋌選擇： 選用外徑158.75mm(6-1/4in)、內(nèi)

20、徑57.15mm(2-1/4in)鉆鋌，每米重力qc=1.35kN/m。 計算鉆鋌長度: 第二節(jié)第二節(jié) 鉆鉆 柱柱設計設計 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),計算得 =0.85; 井斜角, =3。 計算得： =1801.18/1.350.85cos3=185(m) 按每米鉆鋌10m計，需用19根鉆鋌,總長190m。（3 3）選擇第一段鉆桿（接鉆鋌）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。 最大長度計算: 最大安全靜拉載荷為: =0.91760/1.30=1218.46(kN) =0.91760/1.42=1115.49(kN) =0.91760-200=1384(kN) maxWNScqBKcLtyaSFF9 . 01tyyaFF9 . 01MOPFFya9 . 01)cos(maxBcNcKqSWL 由上面的計算可以看出,按卡瓦擠毀比值計算的最