鉆井工程 教學(xué)第二章的PPT(下)

1、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)計一、鉆柱的組成與作用一、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（一）鉆柱的作用 提供鉆井液流動通道； 給鉆頭提供鉆壓； 傳遞扭距； 起下鉆頭； 計量井深； 觀察和了解井下情況（鉆頭工況、井眼狀況、地層情況） 進行其它特殊作業(yè)（取芯、擠水泥、打撈等） 鉆桿測試(Drill

2、-Stem Testing)，又稱中途測試。 1. 1. 鉆鉆 桿桿 （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 3）規(guī)范）規(guī)范： 壁厚：9 11mm 外徑： 長度： 根據(jù)美國石油學(xué)會(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

3、密度等）見表2-12 21,21 ,21,87 ,835139.70 ,500.127 430.1144101.60390.88 273.00 230.60 （4 4）鋼級與強度）鋼級與強度（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：壁厚較大，外徑較大，強度較高。 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

4、.05723.95861.85930.791137.64最大屈服強度lb/in285000105000125000135000165000MPa655.00689.48723.95792.90999.74最小抗拉強度lb/in295000100000105000115000145000接頭的三種方式接頭的三種方式n內(nèi)平式(IF)：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?。坏鈴捷^大，容易磨損。 n貫眼式(FH)：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。 n正規(guī)式(REG)：主要用于內(nèi)加厚鉆桿及鉆頭、打撈工具。其特點是接頭內(nèi)

5、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。NCNC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(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

6、。表2-17 可以互換使用的接頭2. 鉆鋌鉆鋌 結(jié)構(gòu)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。 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。 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：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)。 12.19m（長度）4.4.穩(wěn)定器穩(wěn)定器

7、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。 （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： 直井：直的拉伸、滑動 斜井：隨井眼傾斜和彎曲，滑動。 2. 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(zhuǎn)運動。 n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。3. 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)

8、并沿著井壁 滑動。 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)，同時圍繞自身軸線轉(zhuǎn)動。3. 3. 鉆柱的旋轉(zhuǎn)運動形式鉆柱的旋轉(zhuǎn)運動形式（4） 縱向振動鉆頭振動引起，產(chǎn)生交變應(yīng)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(yīng)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(yīng)力。 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(jié)合。由于在轉(zhuǎn)動過程中受到阻力的作用，鉆具的轉(zhuǎn)動是不平穩(wěn)的。（二）鉆柱的受力分析（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 （

9、5） 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 （8）扭距 （9）彎曲應(yīng)力 （10）離心力 （11）外擠力 （12）振動產(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)盤鉆井井口扭距最大，對于井下 動力鉆具鉆井，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）中性點拉壓交變載荷。軸向力2.2.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）： （2）浮重產(chǎn)生的軸向力： 式中： 稱為“浮力減輕系數(shù)”（3）正常鉆進時的軸向力： WFccppLqLqF00FKLqLqKFBccppBmsdBK 1WLqLqKFccppwB

10、（4 4）其它軸向力的計算）其它軸向力的計算循環(huán)壓降引起的附加軸向拉力： 滑動摩擦阻力： 動載荷： （5）起下鉆時鉆柱軸向力：410ibihAppFmfFF3 .02 .00FgtvFddfccppBtFFLqLqKF)(spbpbotpbsipppbotbbpppipbp（5 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：LN 中性點距井底的高度，m。 重要意義： 1）設(shè)計鉆柱時要確保中性點始終落在鉆 鋌上？ 2）指導(dǎo)松扣、造扣等特殊作業(yè)。 3）中性點附近鉆柱受交變應(yīng)力作用， 易疲勞破壞。BcNKqWL 鉆

11、柱軸向力分布與中性點w w 0 ( (+ +) ) ( (- -) ) 拉拉力力 壓壓力力 FW w w N N L LN 三、鉆柱設(shè)計三、鉆柱設(shè)計n 設(shè)計內(nèi)容： （1）尺寸選擇 （2）鉆鋌柱長度計算 （3）鉆桿柱強度設(shè)計及校核。 n下部鉆具組合設(shè)計的原則: （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。 （3） 有效地鉆出設(shè)計的井眼軌道； （4） 鉆頭、馬達和測量系統(tǒng)工作穩(wěn)定性高，能加較大鉆壓，有 利于提高鉆速； （5） 具有較高的強度和壽命； （6） 便于安裝和起下。鉆柱組合設(shè)計鉆柱組合設(shè)計鉆鋌的確定內(nèi)、外徑

12、，內(nèi)小、外大，受井徑限制、鉆井 液流動限制，長度滿足鉆壓要求。強度足夠，鉆進不斷，盡量保證鉆井液正常循環(huán)減少能量損耗。井斜?。禾峁┿@壓的鉆鋌安放在鉆具下部，鉆具上部采用鐘擺、塔式、滿眼結(jié)構(gòu)。鉆井斜大或水平井：鉆鋌放在井斜較小的井段，大斜度井段或水平井段則在承壓鉆桿與下部鉆具連接。鉆桿的確定鉆鋌的安放位置鉆鋌的確定內(nèi)、外徑，內(nèi)小、外大，受井徑限制、鉆井 液流動限制，長度滿足鉆壓要求。強度足夠，鉆進不斷，盡量保證鉆井液正常循環(huán)減少能量損耗。井斜?。禾峁┿@壓的鉆鋌安放在鉆具下部，鉆具上部采用鐘擺、塔式、滿眼結(jié)構(gòu)。鉆井斜大或水平井：鉆鋌放在井斜較小的井段，大斜度井段或水平井段則用承壓鉆桿與下部鉆具連接

13、。鉆桿的確定鉆鋌的安放位置（一）鉆柱尺寸選擇（一）鉆柱尺寸選擇1. 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(guān)系選擇的基本原則選擇的基本原則（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 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： （1）可用較少的鉆鋌滿足所需鉆壓的要求，可減少鉆鋌，從 而減少起下鉆時連接鉆鋌的時間； （2）提高了鉆頭附近鉆柱的

14、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）有利于防斜。 （一）鉆柱尺寸選擇（二）鉆鋌長度的確定（二）鉆鋌長度的確定 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(shè)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，kN/m； KB 浮力系數(shù)； 井斜角，直井時， =0。cosmaxBcNcKqWSLcLmaxWNScqNS？復(fù)合鉆鋌怎么設(shè)計？（三）鉆桿柱強度設(shè)計（三）鉆桿柱強度設(shè)計

15、1.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）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 . 0ypAyFBmkckckpjijjpiitiKqLqLqLF)(111（2 2）鉆桿的最大允許拉伸力）鉆桿的最大允許拉伸力FpFp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（考慮起下鉆時的動載及摩擦力） 式中： 安

16、全系數(shù)，一般取1.30。 設(shè)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三者取最小值作為Fa2. 2. 鉆桿柱強度設(shè)計鉆桿柱強度設(shè)計 按最大安全靜拉力Fa設(shè)計鉆桿柱的最大允許下深（長度）。（1）單一鉆桿柱設(shè)計 強度條件： 最大允許下深： BccpaKqLLqF)(pccBaqqLKFL（2 2）復(fù)合鉆桿柱設(shè)計（深井）復(fù)合鉆桿柱設(shè)計（深井）每段鉆桿滿足強度條件：BmkckckpjijjpiiiaKqLqLqLF)(111 思路：由下而上，所受拉伸載荷逐漸增大，強度應(yīng)逐漸增大。故由鉆鋌上面第一段

17、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(shè)計。這樣設(shè)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。（2 2）復(fù)合鉆桿柱設(shè)計（深井）復(fù)合鉆桿柱設(shè)計（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; 1111pccBpaqLqKqFL211222pppCcBpaqLqLqKqFL32211333pppccBpaqLqLqLqKqFL3332211444ppppccBpaqLqLqLqLqKqFL4321LLLL，4321aaaaFFFF，4321ppppqqqq，3. 3. 強度較核

18、強度較核（1）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(yīng)不小于1.125。 （2）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）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(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.ccacSPP acPcPcSnPM67. 94 4典型鉆柱的設(shè)計舉例典型鉆柱的設(shè)計舉例（1）設(shè)計參數(shù) 井深:5000m; 井徑:215.9mm(8-1/2in); 鉆井液密度:1.2g/cm3 ;

19、 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/m。 計算鉆鋌長度: 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）選擇第一段鉆桿（接鉆鋌） 選

20、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: Fa1=0.9Fy /St=0.91760/1.30=1218.46(kN) Fa1=0.9Fy /(y /t) =0.91760/1.42=1115.49(kN) Fa1=0.9Fy -MOP =0.91760-200=1384(kN) maxWNScqcL)cos(maxBcNcKqSWL BKBK 由上面的計算可以看出,按卡瓦擠毀比值計算的最小，則第一段鉆桿的許用長度為： =1115.49/284.6910-30.85-1901.35/284.

21、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。 最大長度計算: 最大安全靜拉載荷計算如下: 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) 1111pccBpaqLqKqFL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)計井深。211222pppccBpaqLqLqKqFLn最后設(shè)計的鉆柱組合見下表。 鉆柱組合設(shè)計結(jié)果表規(guī) 范 長度(m) 在空氣中重(kN) 在鉆井液中重(kN) 鉆鋌：外徑 158.75mm，內(nèi)徑57.15mm,線重1.35kN.m 190 256.50 218 第一段鉆桿 外徑127