鉆井工程鉆柱

1、鉆井工程鉆井工程 復習舊課：復習舊課：1 1、鉆頭的類型、鉆頭的類型 2 2、金剛石鉆頭與、金剛石鉆頭與 PDCPDC鉆頭的鉆頭的 組成及區(qū)別；組成及區(qū)別； 3 3、 鉆頭的工作原理。鉆頭的工作原理。導入新課導入新課：鉆頭是破碎巖石的主要工具，需：鉆頭是破碎巖石的主要工具，需要一定的鉆壓和轉速，鉆壓和轉速是由誰要一定的鉆壓和轉速，鉆壓和轉速是由誰產(chǎn)生和傳遞的呢產(chǎn)生和傳遞的呢？第二章第二章 鉆柱鉆柱 一、鉆柱的作用與組成一、鉆柱的作用與組成 二、鉆柱的工作二、鉆柱的工作 狀態(tài)與受力分析狀態(tài)與受力分析 三、鉆柱設計三、鉆柱設計 四、本章需要四、本章需要1010學時學時一、鉆柱的作用一、鉆柱的作用

2、概念概念：鉆柱是鉆頭以上，水龍頭以下各部分的管柱鉆柱是鉆頭以上，水龍頭以下各部分的管柱的總稱。它包括方鉆桿、鉆桿、鉆挺、的總稱。它包括方鉆桿、鉆桿、鉆挺、 各種接頭、及各種接頭、及穩(wěn)定器等井下工具。穩(wěn)定器等井下工具。（一）、鉆柱在鉆井過程中的主要作用（一）、鉆柱在鉆井過程中的主要作用 1、為鉆井液由井口流向鉆頭提供通道；、為鉆井液由井口流向鉆頭提供通道； 2、給鉆頭施加適當?shù)膲毫?、給鉆頭施加適當?shù)膲毫?鉆壓鉆壓)，使鉆頭的工作刃，使鉆頭的工作刃不斷吃入巖石；不斷吃入巖石； 3、把地面動力、把地面動力(扭矩等扭矩等)傳遞給鉆頭，使鉆頭不斷旋傳遞給鉆頭，使鉆頭不斷旋轉破碎巖石；轉破碎巖石； 4、起

3、下鉆頭；、起下鉆頭； 5、根據(jù)鉆柱的長度計算井深。、根據(jù)鉆柱的長度計算井深。第二章第二章 鉆鉆 柱柱2-1 鉆柱的作用與組成鉆柱的作用與組成（二）鉆柱的特殊作用（二）鉆柱的特殊作用v 1 1、通過鉆柱可以觀察和了解鉆頭的工、通過鉆柱可以觀察和了解鉆頭的工作情況、井眼狀況及地層情況等；作情況、井眼狀況及地層情況等；v 2 2、進行取心、擠水泥、打撈井下落物、進行取心、擠水泥、打撈井下落物、處理井下事故等特殊作業(yè)；處理井下事故等特殊作業(yè)；v 3 3、對地層流體及壓力狀況進行測試與、對地層流體及壓力狀況進行測試與評價，即鉆桿測試，又稱中途測試評價，即鉆桿測試，又稱中途測試 二、鉆柱組成二、鉆柱組成v

4、方鉆桿方鉆桿 v鉆桿鉆桿 v鉆鋌鉆鋌v穩(wěn)定器穩(wěn)定器v配合接頭和保護接頭配合接頭和保護接頭v其它井下工具：其它井下工具： 減震器減震器、震擊器、震擊器、 擴眼器、鍵槽破壞器擴眼器、鍵槽破壞器第二章第二章 鉆鉆 柱柱 2-1 鉆柱的作用與組成鉆柱的作用與組成 （一）鉆桿（一）鉆桿 1、作用：傳遞扭矩和輸送鉆井液，延長鉆柱。、作用：傳遞扭矩和輸送鉆井液，延長鉆柱。 2 2、結構：管體、結構：管體+ +接頭接頭 第二章第二章 鉆鉆 柱柱2-1 鉆柱的作用與組成鉆柱的作用與組成有效長度有效長度 3 3、規(guī)范、規(guī)范： （1 1）壁厚：）壁厚：9 9 11mm11mm （2 2）外徑：）外徑：73.073.

5、0，88.988.9（33），101.6101.6， 114114、（、（44），127.0127.0（5 5英寸）英寸），139.7139.7 （3 3）長度：）長度： 1822ft ，2730ft， 3845ft第二章第二章 鉆鉆 柱柱 2-1 鉆柱的作用與組成鉆柱的作用與組成4、接頭及絲扣、接頭及絲扣（1）絲扣連接）絲扣連接： 2）鉆桿接頭點鉆桿接頭點（3）鉆桿接頭類型：）鉆桿接頭類型：尺寸相等，絲扣類型尺寸相等，絲扣類型相同，公母扣相匹配。相同，公母扣相匹配。壁厚較大，外徑較大，壁厚較大，外徑較大，強度較高。強度較高。內(nèi)平、貫眼、正規(guī)。內(nèi)平、貫眼、正規(guī)。 內(nèi)平式：主要用于外加厚鉆桿。其

6、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。第二章第二章 鉆鉆 柱柱 2-1 鉆柱的作用與組成鉆柱的作用與組成v5 5、鉆桿的通稱尺寸：、鉆桿的通稱尺寸：指鉆桿本體外徑指鉆桿本體外徑v6 6加重鉆桿加重鉆桿v 加重鉆桿是用厚壁鋼管制造的新型鉆柱構件，管加重鉆桿是用厚壁鋼管制造的新型鉆柱

7、構件，管體兩端和中部有超長的外加厚接頭或外加厚段，兼有體兩端和中部有超長的外加厚接頭或外加厚段，兼有鉆鋌和鉆桿的功能。它具有以下幾個特點：鉆鋌和鉆桿的功能。它具有以下幾個特點：v (1)(1)超長的整體接頭可以提供較大的耐磨表面和重超長的整體接頭可以提供較大的耐磨表面和重量，接頭螺紋可以多次修復；量，接頭螺紋可以多次修復；v (2)(2)比同尺寸的鉆桿重，管體和接頭外徑與普通鉆比同尺寸的鉆桿重，管體和接頭外徑與普通鉆桿一致，內(nèi)孔是內(nèi)平的，內(nèi)孔直徑至少等于鉆鋌的內(nèi)桿一致，內(nèi)孔是內(nèi)平的，內(nèi)孔直徑至少等于鉆鋌的內(nèi)徑。徑。v (3)(3)中部外加厚段起小型穩(wěn)定器作用。受壓時管體中部外加厚段起小型穩(wěn)定器

8、作用。受壓時管體可以撓曲，只有兩端和中部加厚段接觸井壁，管體本可以撓曲，只有兩端和中部加厚段接觸井壁，管體本身不受磨損。身不受磨損。v 第二章第二章 鉆鉆 柱柱 2-1 鉆鉆柱的作用與組成柱的作用與組成v (4)(4)耐磨表面是用硬質合金加固的接頭，壽命可以耐磨表面是用硬質合金加固的接頭，壽命可以延長延長4 4倍。倍。v 鉆柱疲勞失效常發(fā)生在鉆鋌以上數(shù)根鉆桿上，因鉆柱疲勞失效常發(fā)生在鉆鋌以上數(shù)根鉆桿上，因為從鉆鋌過渡到鉆桿時斷面急劇變化，彎曲應力集中為從鉆鋌過渡到鉆桿時斷面急劇變化，彎曲應力集中在這部分鉆桿上。如果在鉆鋌和鉆桿之間加入加重鉆在這部分鉆桿上。如果在鉆鋌和鉆桿之間加入加重鉆桿，則可

9、以緩和斷面的變化，減少應力集中，從而減桿，則可以緩和斷面的變化，減少應力集中，從而減少鉆具事故。另外，與鉆鋌相比，加重鉆桿還有打撈少鉆具事故。另外，與鉆鋌相比，加重鉆桿還有打撈容易、可縮短起下鉆時間、搬運方便等優(yōu)點，并能保容易、可縮短起下鉆時間、搬運方便等優(yōu)點，并能保持定向井的方位，起到穩(wěn)斜作用。在大鉤負荷和鉆壓持定向井的方位，起到穩(wěn)斜作用。在大鉤負荷和鉆壓相同的情況下，使用加重鉆桿，還可提高鉆機的鉆深相同的情況下，使用加重鉆桿，還可提高鉆機的鉆深能力。國外加重鉆桿已廣泛用于直井和斜井，據(jù)統(tǒng)計能力。國外加重鉆桿已廣泛用于直井和斜井，據(jù)統(tǒng)計已超過數(shù)百萬根，但我國很少使用?，F(xiàn)就國外使用情已超過數(shù)百

10、萬根，但我國很少使用?，F(xiàn)就國外使用情況分述如下：況分述如下：v 第二章第二章 鉆鉆 柱柱 2-1 鉆柱的作用與組成鉆柱的作用與組成v (1)(1)用于直井：在鉆鋌和普通鉆桿之間連接用于直井：在鉆鋌和普通鉆桿之間連接15153030根加重鉆桿，就可防止與鉆鋌連接的鉆桿發(fā)生疲勞破根加重鉆桿，就可防止與鉆鋌連接的鉆桿發(fā)生疲勞破壞；壞；v (2)(2)用于定向井：定向井鉆柱中接上加重鉆桿后，用于定向井：定向井鉆柱中接上加重鉆桿后，可使鉆鋌和加重鉆桿不緊貼在井壁上，從而減少發(fā)生可使鉆鋌和加重鉆桿不緊貼在井壁上，從而減少發(fā)生泥餅卡鉆的可能性，減少卸扣扭矩，在起鉆時上提拉泥餅卡鉆的可能性，減少卸扣扭矩，在起

11、鉆時上提拉力也不會超過井內(nèi)重量太多。此外，還能更好地控制力也不會超過井內(nèi)重量太多。此外，還能更好地控制井斜角和方位角，減少定向工作的次數(shù)，從而縮短定井斜角和方位角，減少定向工作的次數(shù)，從而縮短定向井的建井周期。向井的建井周期。v 在定向井中，為了保證足夠的鉆壓，所需的加重在定向井中，為了保證足夠的鉆壓，所需的加重鉆桿長度比直井在同樣鉆壓下所需長度大，一般在鉆桿長度比直井在同樣鉆壓下所需長度大，一般在3030井眼中需加長度井眼中需加長度1515，在，在4545井眼中需增加長度井眼中需增加長度4040，在，在6060井眼中需增加長度井眼中需增加長度100%100%。第二章第二章 鉆鉆 柱柱 2-1

12、 鉆柱的作用與組成鉆柱的作用與組成（二）鉆鋌（二）鉆鋌v1、結構特點：管體兩端直接車制絲扣，無專門接頭；壁厚大結構特點：管體兩端直接車制絲扣，無專門接頭；壁厚大(38-53毫毫米），重量大，是鉆桿質量的米），重量大，是鉆桿質量的46倍倍剛度大。剛度大。v2 2、主要作用：主要作用：(1)(1)給鉆頭施加鉆壓給鉆頭施加鉆壓; ; (2) (2)減輕鉆頭的振動、擺動和跳動等，使鉆頭工作平穩(wěn)；減輕鉆頭的振動、擺動和跳動等，使鉆頭工作平穩(wěn)； (3)(3)控制井斜?？刂凭?。v 3、類類 型：光鉆鋌、螺旋鉆鋌、扁鉆鋌。型：光鉆鋌、螺旋鉆鋌、扁鉆鋌。v常用尺寸：常用尺寸：6-1/4，6-1/2 ，7，8，

13、9 英寸英寸第二章第二章 鉆鉆 柱柱 2-1 鉆柱的作用與組成鉆柱的作用與組成有效長度有效長度（三）方鉆桿（三）方鉆桿 1 1、類、類 型：四方形、六方形型：四方形、六方形 2 2、特特 點：壁厚較大，強度較高點：壁厚較大，強度較高 3 3、主要作用：傳遞扭矩和承受鉆柱的全部重量。、主要作用：傳遞扭矩和承受鉆柱的全部重量。 4 4、常用尺寸：、常用尺寸：89mm(3-1/289mm(3-1/2英寸英寸) )，108mm (4-1/2108mm (4-1/2英寸英寸) )， 133.4mm (5-1/2133.4mm (5-1/2英寸英寸) )。v v 5、方鉆桿統(tǒng)稱尺寸：方鉆桿統(tǒng)稱尺寸：方鉆桿

14、統(tǒng)稱尺寸指方部截面邊寬方鉆桿統(tǒng)稱尺寸指方部截面邊寬 v 6 6、方鉆桿技術規(guī)范方鉆桿技術規(guī)范v 方鉆桿位于鉆柱的最上端，有四方形和六方形兩方鉆桿位于鉆柱的最上端，有四方形和六方形兩種。鉆進時，方鉆桿與方補心、轉盤補心配合，將種。鉆進時，方鉆桿與方補心、轉盤補心配合，將地面轉盤扭矩傳遞給鉆桿，以帶動鉆頭旋轉。地面轉盤扭矩傳遞給鉆桿，以帶動鉆頭旋轉。 v 標準方鉆桿全長標準方鉆桿全長121219 m19 m，驅動部分長，驅動部分長111125 m25 m。為了適應。為了適應鉆柱配合的需要，方鉆桿也有多種尺寸和接頭類型。方鉆桿的鉆柱配合的需要，方鉆桿也有多種尺寸和接頭類型。方鉆桿的壁厚一般比鉆桿大三

15、倍左右，并用高強度合金鋼制造，故具有壁厚一般比鉆桿大三倍左右，并用高強度合金鋼制造，故具有較大的抗拉強度及抗扭強度可以承受整個鉆柱的重量和旋轉鉆較大的抗拉強度及抗扭強度可以承受整個鉆柱的重量和旋轉鉆柱及鉆頭所需要的矩。柱及鉆頭所需要的矩。第二章第二章 鉆鉆 柱柱 2-1 鉆柱的作用與組成鉆柱的作用與組成上方保接頭上方保接頭下方保接頭下方保接頭v 方鉆桿旋轉時，上端始終處于轉盤面以上，方鉆桿旋轉時，上端始終處于轉盤面以上，下部則處在轉盤面以下。方鉆桿上端至水龍頭下部則處在轉盤面以下。方鉆桿上端至水龍頭的連接部位的絲扣均為左旋絲扣的連接部位的絲扣均為左旋絲扣( (反扣反扣) )，以防，以防止方鉆桿

16、轉動時卸扣。方鉆桿下端至鉆頭的所止方鉆桿轉動時卸扣。方鉆桿下端至鉆頭的所有連接絲扣均為右旋轉扣有連接絲扣均為右旋轉扣( (正扣正扣) )，在方鉆桿帶，在方鉆桿帶動鉆柱旋轉時，絲扣越上越緊。為減輕方鉆桿動鉆柱旋轉時，絲扣越上越緊。為減輕方鉆桿下部接頭絲扣下部接頭絲扣( (經(jīng)常拆卸部位經(jīng)常拆卸部位) )的磨損，常在該的磨損，常在該部位裝保護接頭。加上兩端方保接頭，全長部位裝保護接頭。加上兩端方保接頭，全長141415米。米。第二章第二章 鉆鉆 柱柱 2-1 鉆柱的作用與組成鉆柱的作用與組成5、方鉆桿技術規(guī)范、方鉆桿技術規(guī)范（四）穩(wěn)定器（四）穩(wěn)定器 1、作用：防止井斜；、作用：防止井斜； 控制井眼軌

17、跡控制井眼軌跡2、類型：剛性穩(wěn)定器、不轉動橡膠套穩(wěn)定器、類型：剛性穩(wěn)定器、不轉動橡膠套穩(wěn)定器、 滾輪穩(wěn)定器滾輪穩(wěn)定器 其中：剛性穩(wěn)定器：螺旋棱（長棱、短棱）；其中：剛性穩(wěn)定器：螺旋棱（長棱、短棱）； 直棱（長棱、短棱）直棱（長棱、短棱）第二章第二章 鉆鉆 柱柱 2-1 鉆柱的作用與組成鉆柱的作用與組成第二章第二章 鉆鉆 柱柱 2-1 鉆柱的作用與組成鉆柱的作用與組成v（五）配合接頭（五）配合接頭v1、作用：把兩端不符合連接條件的鉆柱、作用：把兩端不符合連接條件的鉆柱連接在一起。連接在一起。v2、接頭的類型、接頭的類型有效長度有效長度有效長度有效長度有效長度有效長度有效長度有效長度（1）（4）（

18、3）（2）注：注：（1）公母扣接頭；）公母扣接頭； （2）雙公扣接頭）雙公扣接頭 ; （3）雙母扣接頭）雙母扣接頭 （4）特殊接頭）特殊接頭v小結：小結：v1、鉆柱的作用：、鉆柱的作用：第二章第二章 鉆鉆 柱柱 2-1 鉆柱的作用與組成鉆柱的作用與組成 鉆柱在鉆井過程中的主要作用鉆柱在鉆井過程中的主要作用鉆柱的特殊作用鉆柱的特殊作用 2、鉆柱組成：、鉆柱組成： 鉆桿、鉆鋌、方鉆桿、穩(wěn)定器、鉆桿、鉆鋌、方鉆桿、穩(wěn)定器、 配合接頭配合接頭作業(yè)：作業(yè)：1、鉆柱的概念？鉆柱的概念？ 2、鉆柱的作用有哪些？、鉆柱的作用有哪些？ 3、鉆柱的組成？、鉆柱的組成？ 一、鉆柱的工作狀態(tài)一、鉆柱的工作狀態(tài)1. 1

19、. 起下鉆工況下：起下鉆工況下： （1 1）直井：直的拉伸、滑動）直井：直的拉伸、滑動 （2 2）斜井：隨井眼傾斜和彎曲，滑動。）斜井：隨井眼傾斜和彎曲，滑動。2. 2. 正常鉆進工況下正常鉆進工況下 上部受拉伸，下部受壓彎曲；在扭矩作用下旋轉運動。上部受拉伸，下部受壓彎曲；在扭矩作用下旋轉運動。 下部鉆柱彎曲的原因：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鉆壓的作用使下部鉆柱受壓縮，當壓力達到鉆柱的臨界界 壓力，鉆柱將失去直線穩(wěn)定狀態(tài)而發(fā)生彎曲并與井觸。壓力，鉆柱將失去直線穩(wěn)定狀態(tài)而發(fā)生彎曲并與井觸。 壓力較大時可能發(fā)生多次彎曲。壓力較大時可能發(fā)生多次彎曲。第二章

20、第二章 鉆鉆 柱柱 2-2 鉆柱的鉆柱的工作狀態(tài)及受力分析工作狀態(tài)及受力分析3. 鉆柱的旋轉運動形式鉆柱的旋轉運動形式： (1)(1)自轉。鉆柱像一根柔性軸，圍繞自身軸線旋轉。鉆柱自自轉。鉆柱像一根柔性軸，圍繞自身軸線旋轉。鉆柱自轉時，在整個圓周上與井壁接觸，產(chǎn)生均勻磨損。彎曲鉆柱轉時，在整個圓周上與井壁接觸，產(chǎn)生均勻磨損。彎曲鉆柱在自轉時，受到交變彎曲應力的作用，容易發(fā)生疲勞破壞。在自轉時，受到交變彎曲應力的作用，容易發(fā)生疲勞破壞。在軟地層彎曲井段，鉆柱自轉容易形成鍵槽，起鉆時可能造在軟地層彎曲井段，鉆柱自轉容易形成鍵槽，起鉆時可能造成卡鉆事故。成卡鉆事故。v (2)(2)公轉。公轉。v鉆柱

21、像一個剛體，圍繞著井眼軸線旋轉并沿著井壁滑動。鉆鉆柱像一個剛體，圍繞著井眼軸線旋轉并沿著井壁滑動。鉆柱公轉時，不受交變彎曲應力的作用，但產(chǎn)生不均勻的單向柱公轉時，不受交變彎曲應力的作用，但產(chǎn)生不均勻的單向磨損磨損( (偏磨偏磨) )，從而加快了鉆柱的磨損和破壞。，從而加快了鉆柱的磨損和破壞。 第二章第二章 鉆鉆 柱柱 2-1 鉆柱鉆柱工作狀態(tài)及受力分析工作狀態(tài)及受力分析第二章第二章 鉆鉆 柱柱 2-1 鉆柱鉆柱工作狀態(tài)及受力分析工作狀態(tài)及受力分析 （3）公轉與自轉的結合）公轉與自轉的結合 鉆柱圍繞井眼軸線旋轉，同時圍繞自身軸線轉動，即鉆柱圍繞井眼軸線旋轉，同時圍繞自身軸線轉動，即不是沿著井壁滑

22、動而是滾動。在這種情況下，鉆柱磨損均勻不是沿著井壁滑動而是滾動。在這種情況下，鉆柱磨損均勻，但受交變應力的作用，循環(huán)次數(shù)比自轉時低得多。，但受交變應力的作用，循環(huán)次數(shù)比自轉時低得多。比較簡單。比較簡單。 （4） 縱向振動縱向振動鉆頭振動引起，產(chǎn)生交變應力。鉆頭振動引起，產(chǎn)生交變應力。 (5）扭轉振動）扭轉振動由井底對鉆頭旋轉阻力的變化引起，產(chǎn)生由井底對鉆頭旋轉阻力的變化引起，產(chǎn)生交變扭剪應力。交變扭剪應力。 （6）橫向擺振）橫向擺振達到某一臨界轉速，可能產(chǎn)生無規(guī)則擺達到某一臨界轉速，可能產(chǎn)生無規(guī)則擺動，產(chǎn)生交變彎曲應力。動，產(chǎn)生交變彎曲應力。 一般認為彎曲鉆柱旋轉的主要形式是自轉，但也可能產(chǎn)一

23、般認為彎曲鉆柱旋轉的主要形式是自轉，但也可能產(chǎn)生公轉或兩種運動形式的結合，既有自轉，也有公轉。生公轉或兩種運動形式的結合，既有自轉，也有公轉。 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）

24、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。軸向力軸向力第二章第二章 鉆鉆 柱柱 2-2 鉆柱鉆柱工作狀態(tài)及受力分析工作狀態(tài)及受力分析 （二）（二） .鉆柱的受力分析鉆柱的受力分析 1、軸向拉力和壓力軸向拉力和壓力（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：sdBK10FKLqLqKF

25、BccppBmccppLqLqF0WLqLqKFccppwWF第二章第二章 鉆鉆 柱柱 2-2 鉆柱鉆柱工作狀態(tài)及受力分析工作狀態(tài)及受力分析（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 . 00FgtvFddfccppBtFFLqLqKF)(spbpbotpbsipppbotbbpppipbp第二章第二章 鉆鉆 柱柱 2-2 鉆柱鉆柱工作狀態(tài)及受力分析工作狀態(tài)及受力分析（5）中性點）中性點 鉆柱上軸向力等于零的點(點) (亦稱中和點，Neutra

26、l 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 第二章第二章 鉆鉆 柱柱 2-2 鉆柱鉆柱工作狀態(tài)及受力分析工作狀態(tài)及受力分析第二章第二章 鉆鉆 柱柱 2-2 鉆柱鉆柱工作狀態(tài)及受力分析工作狀態(tài)及受力分析2扭矩扭矩3彎曲力矩彎曲力矩4離心力離心力v（1）轉盤鉆井時

27、，轉盤扭矩）轉盤鉆井時，轉盤扭矩是由鉆柱傳遞給鉆頭。井口最是由鉆柱傳遞給鉆頭。井口最大。大。 （2）在井下動力鉆井中，鉆）在井下動力鉆井中，鉆柱承受的扭矩為動力鉆具的反柱承受的扭矩為動力鉆具的反扭矩，在井底處最大，往上逐扭矩，在井底處最大，往上逐漸減小。漸減小。 在轉盤鉆井中，鉆柱彎在轉盤鉆井中，鉆柱彎曲。產(chǎn)生彎曲力矩的作用曲。產(chǎn)生彎曲力矩的作用v當鉆柱繞井眼軸線公轉時，當鉆柱繞井眼軸線公轉時，將產(chǎn)生離心力。離心力將引起將產(chǎn)生離心力。離心力將引起鉆柱彎曲或加劇鉆柱的彎曲變鉆柱彎曲或加劇鉆柱的彎曲變形。形。v5 5外擠壓力外擠壓力v 鉆桿測試鉆桿測試(DST)(DST)時，鉆時，鉆桿將承受很大的

28、外擠壓桿將承受很大的外擠壓力。進行鉆桿測試時，力。進行鉆桿測試時，一般都在鉆柱底部裝一一般都在鉆柱底部裝一封隔器，用以封隔下部封隔器，用以封隔下部地層和管外環(huán)空。鉆桿地層和管外環(huán)空。鉆桿下入井內(nèi)控制閥是關閉下入井內(nèi)控制閥是關閉的，因此鉆井液不能進的，因此鉆井液不能進入鉆桿內(nèi)，封隔器壓緊入鉆桿內(nèi)，封隔器壓緊后打開控制閥，地層流后打開控制閥，地層流體才流入鉆柱內(nèi)。體才流入鉆柱內(nèi)。v 第二章第二章 鉆鉆 柱柱 2-2 鉆柱鉆柱工作狀態(tài)及受力分析工作狀態(tài)及受力分析v7 7扭轉振動扭轉振動v當井底對鉆頭旋轉的阻當井底對鉆頭旋轉的阻力不斷變化時，會引起力不斷變化時，會引起鉆柱的扭轉振動，因而鉆柱的扭轉振動

29、，因而產(chǎn)生交變剪應力，降低產(chǎn)生交變剪應力，降低鉆柱的壽命。扭轉振動鉆柱的壽命。扭轉振動和鉆頭結構、巖石性質和鉆頭結構、巖石性質均勻程度、鉆壓及轉速均勻程度、鉆壓及轉速等因素有關。特別是使等因素有關。特別是使用刮刀鉆頭鉆軟硬交錯用刮刀鉆頭鉆軟硬交錯地層時，鉆柱可能產(chǎn)生地層時，鉆柱可能產(chǎn)生劇烈的扭振，出現(xiàn)所謂劇烈的扭振，出現(xiàn)所謂“蹩跳蹩跳”現(xiàn)象。現(xiàn)象。第二章第二章 鉆鉆 柱柱 2-2 鉆柱鉆柱工作狀態(tài)及受力分析工作狀態(tài)及受力分析6縱向振動縱向振動 鉆進時，鉆頭轉動鉆進時，鉆頭轉動(特別是牙輪特別是牙輪鉆頭鉆頭)會引起鉆柱的縱向振動，會引起鉆柱的縱向振動，在鉆柱中性點附近產(chǎn)生交變的軸在鉆柱中性點附近

30、產(chǎn)生交變的軸向應力。縱向振動和鉆頭結構、向應力。縱向振動和鉆頭結構、所鉆地層性質、泵量不均勻、鉆所鉆地層性質、泵量不均勻、鉆壓及轉速等因素有關。當縱向振壓及轉速等因素有關。當縱向振動的周期和鉆柱本身固有的振動動的周期和鉆柱本身固有的振動周期相同時周期相同時(或成倍當鉆柱繞井或成倍當鉆柱繞井眼軸線公轉時，將產(chǎn)生離心力。眼軸線公轉時，將產(chǎn)生離心力。離心力將引起鉆柱彎曲或加劇鉆離心力將引起鉆柱彎曲或加劇鉆柱的彎曲變形。柱的彎曲變形。數(shù)數(shù))，就會產(chǎn)生共振現(xiàn)象，振幅，就會產(chǎn)生共振現(xiàn)象，振幅急劇增大。急劇增大。8 8橫向擺振橫向擺振 在某一臨界轉速下，鉆柱將出現(xiàn)擺振，在某一臨界轉速下，鉆柱將出現(xiàn)擺振，其結

31、果是使鉆柱產(chǎn)生公轉，引起鉆柱嚴重偏其結果是使鉆柱產(chǎn)生公轉，引起鉆柱嚴重偏磨。磨。 由以上分析可知，轉盤鉆井時鉆柱的受由以上分析可知，轉盤鉆井時鉆柱的受力情況是比較復雜的。這些載荷就性質來講力情況是比較復雜的。這些載荷就性質來講，可分為不變的和交變的兩大類。由軸向載，可分為不變的和交變的兩大類。由軸向載荷和扭矩產(chǎn)生的拉應力、壓應力和剪應力屬荷和扭矩產(chǎn)生的拉應力、壓應力和剪應力屬于不變應力；屬于交變應力的有彎曲應力、于不變應力；屬于交變應力的有彎曲應力、扭轉振動引起的剪應力。扭轉振動引起的剪應力。第二章第二章 鉆鉆 柱柱 2-2 鉆柱鉆柱工作狀態(tài)及受力分析工作狀態(tài)及受力分析v三、鉆柱的損壞三、鉆柱

32、的損壞v鉆柱的損壞形式：疲勞破壞（純疲勞破壞；傷痕疲勞破壞；腐蝕疲鉆柱的損壞形式：疲勞破壞（純疲勞破壞；傷痕疲勞破壞；腐蝕疲勞破壞）勞破壞）v1 1、疲勞破壞：指鉆柱在長期交變應力的作用下發(fā)生的破壞。、疲勞破壞：指鉆柱在長期交變應力的作用下發(fā)生的破壞。v （1 1）純疲勞破壞：指鉆柱在沒有任何其他原因發(fā)生的破壞。）純疲勞破壞：指鉆柱在沒有任何其他原因發(fā)生的破壞。v （2 2）傷痕疲勞破壞：（鉆柱本身缺陷；電弧燒傷；大鉗咬傷；卡）傷痕疲勞破壞：（鉆柱本身缺陷；電弧燒傷；大鉗咬傷；卡瓦傷痕等）瓦傷痕等）v （3 3）腐蝕疲勞破壞：（化學腐蝕；電化學腐蝕）腐蝕疲勞破壞：（化學腐蝕；電化學腐蝕）v2

33、2、氫脆破壞：就是鉆柱在硫化氫介質中發(fā)生的突然斷裂和裂縫。、氫脆破壞：就是鉆柱在硫化氫介質中發(fā)生的突然斷裂和裂縫。即氫原子滲入到金屬中產(chǎn)生的破壞。即氫原子滲入到金屬中產(chǎn)生的破壞。v3 3、減少疲勞破壞采取的措施、減少疲勞破壞采取的措施v （1 1）鉆桿始終處于拉伸狀態(tài)，保證鉆鋌在鉆井液中的重力大于最）鉆桿始終處于拉伸狀態(tài)，保證鉆鋌在鉆井液中的重力大于最大鉆壓。大鉆壓。v（2 2）使用減震器）使用減震器v（3 3）彎曲井段使用加重鉆桿）彎曲井段使用加重鉆桿v（4 4）使用好起下鉆工具）使用好起下鉆工具v（5 5）控制好鉆井掖性能）控制好鉆井掖性能v（6 6）定期檢查鉆桿）定期檢查鉆桿第二章第二章

34、 鉆鉆 柱柱 2-2 鉆柱鉆柱工作狀態(tài)及受力分析工作狀態(tài)及受力分析 一、設計內(nèi)容一、設計內(nèi)容 1 1、尺寸選擇尺寸選擇 2 2、鉆鋌柱長度計算、鉆鋌柱長度計算 3 3、鉆桿柱強度設計及校核。、鉆桿柱強度設計及校核。v二、設計原則二、設計原則： 1 1、滿足強度（抗拉、抗擠強度等）要求，保證鉆柱安全、滿足強度（抗拉、抗擠強度等）要求，保證鉆柱安全工作；工作；v 2 2、盡量減輕整個鉆柱的重力，以便在現(xiàn)有的抗負荷能力、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。下鉆更深的井。v三、鉆柱尺寸選擇三、鉆柱尺寸選擇v 1. 1. 依據(jù)依據(jù)：v （1）鉆機的提升能力；v （2）井眼尺寸；v

35、 （3）地質條件；v （4）工藝要求；v （5）供貨情況。第二章第二章 鉆鉆 柱柱 2-3 鉆柱設計鉆柱設計3. 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) 140(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)第二章第二

36、章 鉆鉆 柱柱 2-3 鉆柱設計鉆柱設計 （6 6）井身結構）井身結構 （7 7）防斜措施）防斜措施 2 2、原則、原則 （1 1）盡量選用大尺寸的方鉆桿）盡量選用大尺寸的方鉆桿 （2 2）在鉆機提升能力允許的條件下選用大尺寸的鉆桿）在鉆機提升能力允許的條件下選用大尺寸的鉆桿 （3 3）鉆鋌一般選用與鉆桿接頭相等或相近的尺寸）鉆鋌一般選用與鉆桿接頭相等或相近的尺寸 v4 4、使用大直徑鉆鋌具有下列優(yōu)點：、使用大直徑鉆鋌具有下列優(yōu)點：v1 1、可用較少的鉆鋌滿足所需鉆壓的要求，減、可用較少的鉆鋌滿足所需鉆壓的要求，減少鉆鋌，也可減少起下鉆時連接鉆鋌的時間；少鉆鋌，也可減少起下鉆時連接鉆鋌的時間；

37、v2 2、提高了鉆頭附近鉆柱的剛度，有利于改善、提高了鉆頭附近鉆柱的剛度，有利于改善鉆頭工況；鉆頭工況；v3 3、鉆鋌和井壁的間隙較小，可減少連接部分、鉆鋌和井壁的間隙較小，可減少連接部分的疲勞破壞；的疲勞破壞；v4 4、有利于防斜。、有利于防斜。第二章第二章 鉆鉆 柱柱 2-3 鉆柱設計鉆柱設計四、鉆鋌長度的確定四、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

38、重力，kN/m； KB 浮力系數(shù)； 井斜角度數(shù)，直井時， =0。cosmaxBcNcKqWSLcLmaxWNScqNS第二章第二章 鉆鉆 柱柱 2-3鉆柱設計鉆柱設計 五、鉆桿柱強度設計五、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 . 0ypAyFBmk

39、ckckpjijjpiitiKqLqLqLF)(111第二章第二章 鉆鉆 柱柱 2-3鉆柱設計鉆柱設計 （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第二章第二章 鉆鉆 柱柱 2-3鉆柱設計鉆柱設計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

40、最大允許下深（長度）。（1 1）單一鉆桿柱設計）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第二章第二章 鉆鉆 柱柱 2-3鉆柱設計鉆柱設計v 鉆鋌上面第一、二、三、四段鉆桿的長度v 相應各段鉆桿的

41、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 1111pccBpaqLqKqFL211222pppCcBpaqLqLqKqFL32211333pppccBpaqLqLqLqKqFL3332211444ppppccBpaqLqLqLqLqKqFL4321LLLL，4321aaaaFFFF，4321ppppqqqq，第二章第二章 鉆鉆 柱柱 2-3鉆柱設計鉆柱設計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

42、矩,kNm； P -使鉆柱旋轉所需的功率，kW； n -轉速，rpm。（3 3）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第二章第二章 鉆鉆 柱柱 2-3鉆柱設計鉆柱設計例題1v某井用某井用127mm 鉆桿鉆桿(372.4 N/m )2200m ，158.8mm 鉆鋌鉆鋌(1328N/m )150m 及及212mm 鉆頭，鉆井液密度鉆頭，鉆井液密度1.2 kg/l 。鉆進鉆進時加鉆壓時加鉆壓180kN ，求中性點位置。求中性點位置。v 解解：

43、0.846v 164千牛千牛180千牛，故中性點落千牛，故中性點落在鉆桿上在鉆桿上v 設中性點高度（距井底距離）為米設中性點高度（距井底距離）為米v =200.786米米smfK1ccfLqKpfccfcNqKLqKPLL例題例題2（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)徑57.15mm(2-1/4in)鉆鋌，每米重力qc=1.35kN/m。 計算鉆鋌長度: 六、鉆六、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