第二章2-鉆柱

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)及受力 三、鉆柱設(shè)計(jì) 鉆柱鉆柱(Drill Stem)是鉆頭以上，水龍頭以下部分的管柱總是鉆頭以上，水龍頭以下部分的管柱總稱。稱。 它包括它包括方鉆桿方鉆桿(Square Kelly)、鉆桿鉆桿(Drill Pipe)、鉆挺鉆挺(Drill Collar)、 各種接頭各種接頭(Joint)及及穩(wěn)定器穩(wěn)定器(Stabilizer)等井下等井下工具。工具。第二節(jié)第二節(jié) 鉆鉆 柱柱 （一）鉆柱的作用（一）鉆柱的作用 (1) (1) 提供由井口至井下的鉆井液流動(dòng)通道；提供由井口至井下的鉆井液流動(dòng)通道； (2) (2) 給鉆頭施加適當(dāng)?shù)膲毫o鉆頭施加

2、適當(dāng)?shù)膲毫? (鉆壓鉆壓) )，使鉆頭的工作刃不，使鉆頭的工作刃不斷吃入巖石；斷吃入巖石； (3) (3) 把地面動(dòng)力把地面動(dòng)力( (扭矩等扭矩等) )傳遞給鉆頭傳遞給鉆頭, ,使鉆頭不斷旋轉(zhuǎn)使鉆頭不斷旋轉(zhuǎn)破碎巖石；破碎巖石；一、鉆柱的作用與組成一、鉆柱的作用與組成 (4) (4)起下鉆頭；起下鉆頭； (5)(5)根據(jù)鉆柱的長(zhǎng)度計(jì)算井深。根據(jù)鉆柱的長(zhǎng)度計(jì)算井深。 (6)(6)通過(guò)鉆柱工況觀察和了解鉆頭的工況、井眼狀況及通過(guò)鉆柱工況觀察和了解鉆頭的工況、井眼狀況及地層情況等；地層情況等； (7)(7)進(jìn)行取芯、擠水泥、打撈井下落物、處理井下事故進(jìn)行取芯、擠水泥、打撈井下落物、處理井下事故等特殊作

3、業(yè)；等特殊作業(yè)； (8)(8)對(duì)地層流體及壓力狀況進(jìn)行測(cè)試與評(píng)價(jià)，即鉆桿測(cè)對(duì)地層流體及壓力狀況進(jìn)行測(cè)試與評(píng)價(jià)，即鉆桿測(cè)試試 ( Drill-Stem Testing),( Drill-Stem Testing),又稱中途測(cè)試。又稱中途測(cè)試。 （二）鉆柱的組成（二）鉆柱的組成 鉆柱由鉆柱由方鉆桿、鉆桿段和下部鉆具組合方鉆桿、鉆桿段和下部鉆具組合三大部分組成。三大部分組成。 鉆桿段包括鉆桿和接頭，有時(shí)也裝有擴(kuò)眼器鉆桿段包括鉆桿和接頭，有時(shí)也裝有擴(kuò)眼器。 下部鉆具組合主要是鉆挺，也可能安裝穩(wěn)定器、減震器下部鉆具組合主要是鉆挺，也可能安裝穩(wěn)定器、減震器(Shock Absorber)、震擊器、震擊器(

4、Jar Bumber) 與擴(kuò)眼器及其它與擴(kuò)眼器及其它特殊工具。特殊工具。圖圖2-28 典型的鉆具組合典型的鉆具組合 1、鉆桿、鉆桿 其主要作用是傳遞扭矩和輸送鉆井液，并靠鉆桿的逐漸其主要作用是傳遞扭矩和輸送鉆井液，并靠鉆桿的逐漸加長(zhǎng)使井眼不斷加深。壁厚一般為加長(zhǎng)使井眼不斷加深。壁厚一般為911mm。 （1 1）鉆桿結(jié)構(gòu)與規(guī)范）鉆桿結(jié)構(gòu)與規(guī)范 鉆桿由鉆桿由鉆桿管體與鉆桿接頭鉆桿管體與鉆桿接頭兩部分組成。兩部分組成。 有細(xì)扣鉆桿有細(xì)扣鉆桿：管體兩端都車有細(xì)公扣，與接頭一端的母：管體兩端都車有細(xì)公扣，與接頭一端的母細(xì)扣相連接細(xì)扣相連接 對(duì)焊鉆桿對(duì)焊鉆桿：管體與接頭用摩擦焊對(duì)焊在一起。：管體與接頭用摩

5、擦焊對(duì)焊在一起。圖圖2-29 鉆桿結(jié)構(gòu)示意圖鉆桿結(jié)構(gòu)示意圖 圖圖2 230 30 鉆桿加厚形式鉆桿加厚形式常用的加厚形式有內(nèi)加厚、外加厚、常用的加厚形式有內(nèi)加厚、外加厚、 內(nèi)外加厚三種：內(nèi)外加厚三種： 根據(jù)美國(guó)石油學(xué)會(huì)根據(jù)美國(guó)石油學(xué)會(huì)(American Petroleum Institute,簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱API)的規(guī)定，鉆桿的規(guī)定，鉆桿按長(zhǎng)度分為三類按長(zhǎng)度分為三類： 第一類，第一類，5.4866.706米米(1822英尺英尺)； 第二類，第二類，8.2309.144米米(2730英尺英尺); 第三類第三類,11.58213.716米米(3845英尺英尺)。 常用的鉆桿尺寸有常用的鉆桿尺寸有88.9

6、,114.3,127.0毫米毫米(3.5,4.5,5英寸英寸)三種。三種。 常用鉆桿規(guī)范（內(nèi)徑、外徑、壁厚、線密度等）見(jiàn)表常用鉆桿規(guī)范（內(nèi)徑、外徑、壁厚、線密度等）見(jiàn)表2-12。鉆 桿 鋼 級(jí)物 理 性 能DE95（X）105（G）135（S）MPa379.21517.11655.00723.95930.70最小屈服強(qiáng)度lb/in2550007500095000105000135000MPa586.05723.95861.85930.791137.64最大屈服強(qiáng)度lb/in285000105000125000135000165000MPa655.00689.48723.95792.90999.

7、74最小抗拉強(qiáng)度lb/in295000100000105000115000145000 （2 2）鉆桿的鋼級(jí)與強(qiáng)度）鉆桿的鋼級(jí)與強(qiáng)度 鉆桿的鋼級(jí)是指鉆桿鋼材的等級(jí)，它由鉆桿鋼材的最小屈服鉆桿的鋼級(jí)是指鉆桿鋼材的等級(jí)，它由鉆桿鋼材的最小屈服強(qiáng)度決定。強(qiáng)度決定。API規(guī)定鉆桿的鋼級(jí)有規(guī)定鉆桿的鋼級(jí)有D、E、95(X)、105(G)、135(S)級(jí)共五種，見(jiàn)表級(jí)共五種，見(jiàn)表2-13。其中，。其中，X、G、S級(jí)為高強(qiáng)度鉆桿。級(jí)為高強(qiáng)度鉆桿。表表2-13 鉆桿鋼級(jí)鉆桿鋼級(jí) （3 3）鉆桿接頭及絲扣）鉆桿接頭及絲扣 鉆桿接頭是鉆桿的組成部分，分公接頭和母接頭鉆桿接頭是鉆桿的組成部分，分公接頭和母接頭 鉆桿

8、接頭壁厚較大，接頭外徑大于管體外徑，用強(qiáng)度更鉆桿接頭壁厚較大，接頭外徑大于管體外徑，用強(qiáng)度更高的合金鋼。高的合金鋼。 絲扣的連接必須滿足：尺寸相等，絲扣類型相同，公母絲扣的連接必須滿足：尺寸相等，絲扣類型相同，公母扣相匹配?？巯嗥ヅ?。 API鉆桿接頭有新、舊兩種標(biāo)準(zhǔn)鉆桿接頭有新、舊兩種標(biāo)準(zhǔn) 舊標(biāo)準(zhǔn)舊標(biāo)準(zhǔn)：內(nèi)平式：內(nèi)平式(IF)、貫眼式、貫眼式(FH)和正規(guī)式和正規(guī)式(REG)三種三種類型。類型。 內(nèi)平式接頭主要用于外加厚鉆桿，鉆桿通體內(nèi)徑相同。內(nèi)平式接頭主要用于外加厚鉆桿，鉆桿通體內(nèi)徑相同。 貫眼式接頭適用于內(nèi)加厚鉆桿，鉆桿有兩個(gè)內(nèi)徑。貫眼式接頭適用于內(nèi)加厚鉆桿，鉆桿有兩個(gè)內(nèi)徑。 正規(guī)式接頭適

9、用于內(nèi)外加厚鉆桿，正規(guī)接頭連接的鉆桿正規(guī)式接頭適用于內(nèi)外加厚鉆桿，正規(guī)接頭連接的鉆桿有三種不同的內(nèi)徑。外徑最小，強(qiáng)度較大。有三種不同的內(nèi)徑。外徑最小，強(qiáng)度較大。 三種類型接頭均采用三種類型接頭均采用V型螺紋，但扣型、扣距、錐度及尺型螺紋，但扣型、扣距、錐度及尺寸等都有很大的差別。寸等都有很大的差別。圖圖2-31 舊舊API鉆桿接頭鉆桿接頭 新標(biāo)準(zhǔn)新標(biāo)準(zhǔn)：NC型系列接頭，又稱數(shù)字型接頭。型系列接頭，又稱數(shù)字型接頭。 NC型接頭以字母型接頭以字母NC和兩位數(shù)字表示，和兩位數(shù)字表示， 如如NC50，NC26，NC31等。例如：等。例如：NC26表示接頭為表示接頭為NC型，基面絲型，基面絲扣節(jié)圓直徑為

10、扣節(jié)圓直徑為2.668英寸。英寸。 NC螺紋也為螺紋也為V型螺紋，具有型螺紋，具有0.065 英寸平螺紋頂和英寸平螺紋頂和0.038英寸圓螺紋底，用英寸圓螺紋底，用V-0.038R表示扣型，可與表示扣型，可與V-0.065 型螺紋連接。型螺紋連接。數(shù)字型接頭 NC26 NC31 NC38 NC40 NC46 NC50 舊 API 接頭 283IF 287IF 321IF 4IF 4FH 421IF 表表2-17所列的幾種所列的幾種NC型接頭與舊型接頭與舊API標(biāo)準(zhǔn)接頭有相同的標(biāo)準(zhǔn)接頭有相同的節(jié)圓直徑、錐度、螺距和螺紋長(zhǎng)度，可以互換使用。節(jié)圓直徑、錐度、螺距和螺紋長(zhǎng)度，可以互換使用。表表2-17

11、 可以互換使用的接頭可以互換使用的接頭 ( (二二) )鉆鋌鉆鋌 其主要其主要特點(diǎn)特點(diǎn)是壁厚大是壁厚大(一般為一般為38-53毫米，相當(dāng)于鉆桿壁毫米，相當(dāng)于鉆桿壁厚的厚的4-6倍倍)， 鉆鋌的鉆鋌的主要作用主要作用： (1)(1)給鉆頭施加鉆壓；給鉆頭施加鉆壓； (2)(2)保證壓縮條件下的必要強(qiáng)度；保證壓縮條件下的必要強(qiáng)度； (3)(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)；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)(4)控制井斜?？刂凭?。 最最常用常用的是的是圓形圓形(平滑的平滑的)鉆鋌和鉆鋌和螺旋形螺旋形鉆鋌兩種。鉆鋌兩種。 鉆鋌的連接絲扣鉆鋌的連接絲扣(公扣、母扣

12、公扣、母扣)是在鉆鋌兩端管體上直接是在鉆鋌兩端管體上直接車制而成。車制而成。 鉆鋌類型代號(hào)由兩部分組成鉆鋌類型代號(hào)由兩部分組成, ,第一部分為第一部分為NCNC型螺紋代號(hào)，型螺紋代號(hào)，第二部分的數(shù)字（取外徑的前兩位數(shù)字）表示鉆鋌外徑第二部分的數(shù)字（取外徑的前兩位數(shù)字）表示鉆鋌外徑, ,中間中間用短線分開(kāi)。用短線分開(kāi)。 如：如：NC70-97表示數(shù)字型接頭，基面絲扣節(jié)圓直徑為表示數(shù)字型接頭，基面絲扣節(jié)圓直徑為7英寸，鉆鋌外徑為英寸，鉆鋌外徑為9.75英寸。英寸。 ( (三三) )方鉆桿方鉆桿 位于鉆柱的最上端，有位于鉆柱的最上端，有四方形四方形和和六方形六方形兩種，標(biāo)準(zhǔn)方鉆兩種，標(biāo)準(zhǔn)方鉆桿全長(zhǎng)桿

13、全長(zhǎng)12.1912.19米米，驅(qū)動(dòng)部分長(zhǎng)，驅(qū)動(dòng)部分長(zhǎng)11.2511.25米。米。壁厚比鉆桿大壁厚比鉆桿大3 3倍左右倍左右。主要作用是主要作用是傳遞扭矩和承受鉆柱的全部重量傳遞扭矩和承受鉆柱的全部重量。 方鉆桿兩端的方鉆桿兩端的絲扣為：上反，下正絲扣為：上反，下正。下端一般接一保護(hù)。下端一般接一保護(hù)接頭。接頭。 常用的方鉆桿尺寸：常用的方鉆桿尺寸：89mm(3.5英寸英寸)，108mm (4.5英英寸寸)，133.4mm (5.5英寸英寸)。 ( (四四) )穩(wěn)定器穩(wěn)定器 圖圖2-33是穩(wěn)定器的三種基本類型：是穩(wěn)定器的三種基本類型：剛性穩(wěn)定器、不轉(zhuǎn)剛性穩(wěn)定器、不轉(zhuǎn)動(dòng)橡膠套穩(wěn)定器和滾輪穩(wěn)定器動(dòng)橡

14、膠套穩(wěn)定器和滾輪穩(wěn)定器。 圖圖2-33 穩(wěn)定器的基本類型穩(wěn)定器的基本類型 (五）減震器五）減震器 減震器種類很多，減震器種類很多，有彈簧減震器、橡膠減震器、鋼絲減有彈簧減震器、橡膠減震器、鋼絲減震器、液體減震器及氣墊式減震器震器、液體減震器及氣墊式減震器等。等。 在下部組合或鉆桿柱中還可安裝隨鉆震擊器，隨鉆測(cè)量在下部組合或鉆桿柱中還可安裝隨鉆震擊器，隨鉆測(cè)量（）工具，鉆柱測(cè)試工具和打撈籃、擴(kuò)眼器等特殊工（）工具，鉆柱測(cè)試工具和打撈籃、擴(kuò)眼器等特殊工具進(jìn)行隨鉆測(cè)量、地層測(cè)試、打撈、擴(kuò)眼等特殊作業(yè)。具進(jìn)行隨鉆測(cè)量、地層測(cè)試、打撈、擴(kuò)眼等特殊作業(yè)。 （一）鉆柱的工作狀態(tài)（一）鉆柱的工作狀態(tài) 鉆柱主要

15、是在鉆柱主要是在起下鉆和正常鉆進(jìn)起下鉆和正常鉆進(jìn)這兩種條件下工作的。這兩種條件下工作的。 起下鉆時(shí)，鉆柱處于受拉伸的直線穩(wěn)定狀態(tài)。起下鉆時(shí)，鉆柱處于受拉伸的直線穩(wěn)定狀態(tài)。 正常鉆進(jìn)時(shí)，上部鉆柱受拉伸而下部鉆柱受壓縮。正常鉆進(jìn)時(shí)，上部鉆柱受拉伸而下部鉆柱受壓縮。二、鉆柱的工作狀態(tài)及受力二、鉆柱的工作狀態(tài)及受力 小鉆壓且井眼直時(shí)，鉆柱是直的；小鉆壓且井眼直時(shí)，鉆柱是直的； 壓力達(dá)到鉆柱的臨界壓力值，下壓力達(dá)到鉆柱的臨界壓力值，下部鉆柱將失去直線穩(wěn)定狀態(tài)而發(fā)生彎部鉆柱將失去直線穩(wěn)定狀態(tài)而發(fā)生彎曲并與井壁接觸于某個(gè)點(diǎn)曲并與井壁接觸于某個(gè)點(diǎn)(稱為稱為“切切點(diǎn)點(diǎn)”)，這是鉆柱的第一次彎曲，這是鉆柱的第一次

16、彎曲（Bulkling of the first oder)； 增大鉆壓，則會(huì)出現(xiàn)鉆柱的第二增大鉆壓，則會(huì)出現(xiàn)鉆柱的第二次彎曲或更多次彎曲。次彎曲或更多次彎曲。圖圖2-34 鉆柱受壓彎曲示意圖鉆柱受壓彎曲示意圖 鉆柱在井眼內(nèi)的旋轉(zhuǎn)鉆柱在井眼內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)形式運(yùn)動(dòng)形式可能有如下可能有如下四種四種： （1）自轉(zhuǎn)自轉(zhuǎn)鉆柱象一根柔性軸，圍繞自身軸線旋鉆柱象一根柔性軸，圍繞自身軸線旋轉(zhuǎn)?，F(xiàn)象是易產(chǎn)生均勻磨損，發(fā)生疲勞破壞。轉(zhuǎn)?，F(xiàn)象是易產(chǎn)生均勻磨損，發(fā)生疲勞破壞。 （2）公轉(zhuǎn)公轉(zhuǎn)鉆柱象一個(gè)剛體，圍繞著井眼軸線旋鉆柱象一個(gè)剛體，圍繞著井眼軸線旋轉(zhuǎn)并沿著井壁滑動(dòng)。轉(zhuǎn)并沿著井壁滑動(dòng)。 現(xiàn)象是易產(chǎn)生偏磨?，F(xiàn)象是易產(chǎn)

17、生偏磨。 （3）公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)的結(jié)合公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)的結(jié)合鉆柱圍繞井眼軸線旋轉(zhuǎn)，同鉆柱圍繞井眼軸線旋轉(zhuǎn)，同時(shí)圍繞自身軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，即不是沿著井壁滑動(dòng)而是滾動(dòng)。交時(shí)圍繞自身軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，即不是沿著井壁滑動(dòng)而是滾動(dòng)。交變應(yīng)力的作用，循環(huán)次數(shù)比自轉(zhuǎn)時(shí)低得多。變應(yīng)力的作用，循環(huán)次數(shù)比自轉(zhuǎn)時(shí)低得多。 （4）整個(gè)鉆柱或部分鉆柱作無(wú)規(guī)則的）整個(gè)鉆柱或部分鉆柱作無(wú)規(guī)則的旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)。常常。常常造成鉆柱的強(qiáng)烈振動(dòng)。造成鉆柱的強(qiáng)烈振動(dòng)。 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。產(chǎn)生公轉(zhuǎn)或兩種運(yùn)動(dòng)形式的結(jié)合。 （二）鉆柱的受力分析（二）鉆柱的受力分

18、析 1. 軸向拉力和壓力軸向拉力和壓力(Axial Tension and Compression) 鉆柱受到的軸向載荷主要有由自重產(chǎn)生的拉力、由鉆井液鉆柱受到的軸向載荷主要有由自重產(chǎn)生的拉力、由鉆井液產(chǎn)生的浮力和因加鉆壓而產(chǎn)生的壓力，另外還有摩擦力、加速產(chǎn)生的浮力和因加鉆壓而產(chǎn)生的壓力，另外還有摩擦力、加速力等。力等。 （1）鉆柱在垂直井眼中懸掛）鉆柱在垂直井眼中懸掛 井口處拉力最大。井口處拉力最大。鉆柱任一截面處（假定在鉆桿上）的拉力可按下式計(jì)算：鉆柱任一截面處（假定在鉆桿上）的拉力可按下式計(jì)算：式中：式中： 空井中的鉆柱任一截面處的拉力，它等于該截面以下鉆空井中的鉆柱任一截面處的拉力，它

19、等于該截面以下鉆 柱在空氣中的重力，柱在空氣中的重力，kN； 分別為鉆桿、鉆鋌單位長(zhǎng)度的重力，分別為鉆桿、鉆鋌單位長(zhǎng)度的重力，kN/m， 稱為稱為“線重（線重（Linear Weight）。）。 為鉆鋌的長(zhǎng)度，為鉆鋌的長(zhǎng)度，m； 截面以下鉆桿長(zhǎng)度，截面以下鉆桿長(zhǎng)度，m。若計(jì)算截面落在鉆鋌上，。若計(jì)算截面落在鉆鋌上， 為零。為零。ccppLqLqF00Fcpqq ，cLpLpL 鉆井液浮力減輕系數(shù)表示：鉆井液浮力減輕系數(shù)表示： 式中：式中： K稱為稱為“浮力減輕系數(shù)浮力減輕系數(shù)”； 鉆井液密度，鉆井液密度，g/cm3 ； 鉆柱鋼材密度，鉆柱鋼材密度，g/cm3。dK1d n考慮鉆井液浮力和靜液壓

20、力的橫向擠壓作用后，鉆柱任一截考慮鉆井液浮力和靜液壓力的橫向擠壓作用后，鉆柱任一截面處的軸向拉力可按下式計(jì)算：面處的軸向拉力可按下式計(jì)算：n n 懸掛在鉆井液中的鉆柱任一截面上的軸向拉力，懸掛在鉆井液中的鉆柱任一截面上的軸向拉力，kN。它等于該截面以下鉆柱在鉆井液中的重力。它等于該截面以下鉆柱在鉆井液中的重力。n鉆柱在鉆井液的重力稱為浮重（鉆柱在鉆井液的重力稱為浮重（Buoyant Weight）。）。n這種計(jì)算鉆柱軸向力的方法，稱為這種計(jì)算鉆柱軸向力的方法，稱為“浮力系數(shù)法浮力系數(shù)法”（Buoyancy Fact Method）。）。0KFLqLqKFccppmmF （2 2）正常鉆進(jìn)時(shí)）正

21、常鉆進(jìn)時(shí) 正常鉆進(jìn)時(shí)，把部分鉆柱的重力正常鉆進(jìn)時(shí)，把部分鉆柱的重力（鉆鋌）加到鉆頭上作為鉆壓。下部鉆（鉆鋌）加到鉆頭上作為鉆壓。下部鉆柱受壓縮應(yīng)力的作用。柱受壓縮應(yīng)力的作用。 鉆柱任一截面上的軸向拉力為：鉆柱任一截面上的軸向拉力為：式中：式中： 鉆進(jìn)時(shí)（有鉆壓）鉆柱任一鉆進(jìn)時(shí)（有鉆壓）鉆柱任一截面上的軸向拉力，截面上的軸向拉力，kNkN； w w 鉆壓，鉆壓，kNkN。WLqLqKFccppwwF圖圖2-36 鉆柱軸向力分布鉆柱軸向力分布 中性點(diǎn)：中性點(diǎn)：鉆柱上軸向力為零的點(diǎn)鉆柱上軸向力為零的點(diǎn)(點(diǎn)點(diǎn))(亦稱中和點(diǎn)，亦稱中和點(diǎn)，Neutral Point )。 垂直井眼中鉆柱的中性點(diǎn)高度可按下

22、式確定：垂直井眼中鉆柱的中性點(diǎn)高度可按下式確定：式中：式中： 中性點(diǎn)距井底的高度，中性點(diǎn)距井底的高度，m m。KqWLcNNL 循環(huán)鉆井液時(shí)，鉆柱任一截面斷面處產(chǎn)生的拉力負(fù)循環(huán)鉆井液時(shí)，鉆柱任一截面斷面處產(chǎn)生的拉力負(fù)荷可按下式計(jì)算：荷可按下式計(jì)算：式中：式中： 循環(huán)壓降引起的軸向拉力，循環(huán)壓降引起的軸向拉力，kNkN； 截面以下鉆柱內(nèi)壓力降，截面以下鉆柱內(nèi)壓力降，kPakPa； 鉆頭水眼處的壓力降，鉆頭水眼處的壓力降，kPakPa； 鉆柱流道截面積，鉆柱流道截面積，cmcm2 2。410ibihAppFhFipbpiAmfFF3 . 02 . 00FgtvFddF （3 3）起下鉆時(shí)）起下鉆時(shí)

23、 起下鉆時(shí)，鉆柱除受到浮重外，還受到來(lái)自鉆柱與井壁起下鉆時(shí)，鉆柱除受到浮重外，還受到來(lái)自鉆柱與井壁的摩擦力的摩擦力Ff 和提升或下放速度變化所產(chǎn)生的動(dòng)載和提升或下放速度變化所產(chǎn)生的動(dòng)載Fd 式中：式中： - -提升加速或下鉆減速階段產(chǎn)生的動(dòng)載提升加速或下鉆減速階段產(chǎn)生的動(dòng)載, ,N N； v v - -大鉤提升或下放速度大鉤提升或下放速度, ,m/sm/s； t t - -加速或減速所延續(xù)的時(shí)間加速或減速所延續(xù)的時(shí)間, ,s;s; g g - -重力加速度重力加速度, ,m/sm/s2 2。 考慮摩擦力和動(dòng)載的作用后考慮摩擦力和動(dòng)載的作用后, ,鉆柱任一截面處軸向力為鉆柱任一截面處軸向力為:

24、: 式中式中, ,起鉆時(shí)取正號(hào)起鉆時(shí)取正號(hào), ,下鉆時(shí)取負(fù)號(hào)。下鉆時(shí)取負(fù)號(hào)。dfccpptFFLqLqKF 2、扭矩、扭矩(Tortional moment) 鉆柱所受扭矩和剪應(yīng)力的大小與鉆柱尺寸、鉆頭類型及直徑、鉆柱所受扭矩和剪應(yīng)力的大小與鉆柱尺寸、鉆頭類型及直徑、巖石性質(zhì)、鉆壓和轉(zhuǎn)速、巖石性質(zhì)、鉆壓和轉(zhuǎn)速、 鉆井液性質(zhì)井眼質(zhì)量等因素有關(guān)，很難鉆井液性質(zhì)井眼質(zhì)量等因素有關(guān)，很難準(zhǔn)確地計(jì)算。準(zhǔn)確地計(jì)算。 鉆柱承受的扭矩在井口處最大，向下隨著能量的消耗逐漸減鉆柱承受的扭矩在井口處最大，向下隨著能量的消耗逐漸減小，在井底處最小。小，在井底處最小。 在井下動(dòng)力鉆井中，鉆柱承受的扭矩為動(dòng)力鉆具的反扭矩

25、，在井下動(dòng)力鉆井中，鉆柱承受的扭矩為動(dòng)力鉆具的反扭矩，在井底處最大，往上逐漸減小。在井底處最大，往上逐漸減小。 3 3、彎曲力矩、彎曲力矩( (Bending Moment)Bending Moment) 其大小與鉆柱的剛度、其大小與鉆柱的剛度、 彎曲變形部分的長(zhǎng)度及最大撓度等因彎曲變形部分的長(zhǎng)度及最大撓度等因素有關(guān)。素有關(guān)。 4 4、離心力、離心力（Centrifugal forceCentrifugal force） 5 5、外擠壓力、外擠壓力(Collapsing Pressure)(Collapsing Pressure)：中途測(cè)試和卡瓦懸持。：中途測(cè)試和卡瓦懸持。 6 6、縱向振動(dòng)、

26、縱向振動(dòng)(Axial Vibration)(Axial Vibration)：鉆柱中性點(diǎn)附近產(chǎn)生交變的：鉆柱中性點(diǎn)附近產(chǎn)生交變的軸向應(yīng)力。縱向振動(dòng)和鉆頭結(jié)構(gòu)、所鉆地層性質(zhì)、泵量不均勻、鉆軸向應(yīng)力?？v向振動(dòng)和鉆頭結(jié)構(gòu)、所鉆地層性質(zhì)、泵量不均勻、鉆壓及轉(zhuǎn)速當(dāng)?shù)纫蛩赜嘘P(guān)。壓及轉(zhuǎn)速當(dāng)?shù)纫蛩赜嘘P(guān)。 7、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)（Torsion Vibration） 當(dāng)井底對(duì)鉆頭旋轉(zhuǎn)的阻力不斷變化時(shí)，會(huì)引起鉆柱的扭轉(zhuǎn)振當(dāng)井底對(duì)鉆頭旋轉(zhuǎn)的阻力不斷變化時(shí)，會(huì)引起鉆柱的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。動(dòng)。 8 8、橫向擺振、橫向擺振（Cross Vibration)Cross Vibration) 在某一臨界轉(zhuǎn)速下，鉆柱將出現(xiàn)擺振，其結(jié)果

27、是使鉆柱進(jìn)行在某一臨界轉(zhuǎn)速下，鉆柱將出現(xiàn)擺振，其結(jié)果是使鉆柱進(jìn)行公轉(zhuǎn)，引起鉆柱嚴(yán)重偏磨。公轉(zhuǎn)，引起鉆柱嚴(yán)重偏磨。 鉆柱受力嚴(yán)重的部位是：鉆柱受力嚴(yán)重的部位是： （1 1）鉆進(jìn)時(shí)，鉆柱下部受力最為嚴(yán)重。）鉆進(jìn)時(shí)，鉆柱下部受力最為嚴(yán)重。 （2 2）起下鉆時(shí)，井口處鉆柱受到最大拉力。）起下鉆時(shí)，井口處鉆柱受到最大拉力。 （3 3）由于地層巖性變化、鉆頭的沖擊和縱向振動(dòng)等因）由于地層巖性變化、鉆頭的沖擊和縱向振動(dòng)等因素的存在，使得鉆壓大小不均勻，因而使中性點(diǎn)附近的鉆素的存在，使得鉆壓大小不均勻，因而使中性點(diǎn)附近的鉆柱受拉壓交變載荷的作用，容易產(chǎn)生疲勞破壞。柱受拉壓交變載荷的作用，容易產(chǎn)生疲勞破壞。 鉆

28、柱設(shè)計(jì)包括鉆柱尺寸選擇和強(qiáng)度設(shè)計(jì)兩方面內(nèi)容。鉆柱設(shè)計(jì)包括鉆柱尺寸選擇和強(qiáng)度設(shè)計(jì)兩方面內(nèi)容。 設(shè)計(jì)中，一般遵循以下設(shè)計(jì)中，一般遵循以下兩個(gè)原則兩個(gè)原則： （1 1）滿足強(qiáng)度（抗拉、抗擠強(qiáng)度等）要求，保證鉆柱）滿足強(qiáng)度（抗拉、抗擠強(qiáng)度等）要求，保證鉆柱安全工作；安全工作； （2 2）盡量減輕整個(gè)鉆柱的重力，以便在現(xiàn)有的抗負(fù)荷）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。能力下鉆更深的井。三、三、 鉆柱設(shè)計(jì)鉆柱設(shè)計(jì) （一）、鉆柱尺寸選擇（一）、鉆柱尺寸選擇 首先取決于鉆頭尺寸和鉆機(jī)的提升能力。同時(shí)，還要考慮每個(gè)首先取決于鉆頭尺寸和鉆機(jī)的提升能力。同時(shí)，還要考慮每個(gè)地區(qū)的特點(diǎn)，如地質(zhì)條

29、件、井身結(jié)構(gòu)、地區(qū)的特點(diǎn)，如地質(zhì)條件、井身結(jié)構(gòu)、 鉆具供應(yīng)及防斜措施等。鉆具供應(yīng)及防斜措施等。表表2-21 2-21 鉆頭尺寸與鉆柱尺寸配合鉆頭尺寸與鉆柱尺寸配合鉆頭直徑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(3

30、21,441) 選擇的基本原則是：選擇的基本原則是： 1.1.方鉆桿由于受到扭矩和拉力最大，在供應(yīng)可能的情況下，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。應(yīng)盡量選用大尺寸方鉆桿。 2.2.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。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 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(lái)選擇鉆鋌的直徑。時(shí)根據(jù)防斜措施來(lái)選擇鉆鋌的直徑。 使用大直徑鉆鋌具有下列優(yōu)點(diǎn)：使用大直徑鉆鋌具有下列優(yōu)點(diǎn)： （1 1）可用較少的鉆鋌滿足所需鉆壓的

31、要求，可減少鉆鋌，）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；從而減少起下鉆時(shí)連接鉆鋌的時(shí)間； （2 2）提高了鉆頭附近鉆柱的剛度，有利于改善鉆頭工況；）提高了鉆頭附近鉆柱的剛度，有利于改善鉆頭工況； （3 3）鉆鋌和井壁的間隙較小，可減少連接部分的疲勞破壞；）鉆鋌和井壁的間隙較小，可減少連接部分的疲勞破壞； （4 4）有利于防斜。）有利于防斜。 （二）鉆鋌長(zhǎng)度的確定（二）鉆鋌長(zhǎng)度的確定 其確定原則是：保證在最大鉆壓時(shí)鉆桿不承受壓縮載其確定原則是：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。荷，即保持中性點(diǎn)始終處在鉆鋌上。 鉆鋌長(zhǎng)度計(jì)算公

32、式：鉆鋌長(zhǎng)度計(jì)算公式：cosmaxKqWSLcNc上式中：上式中： 鉆鋌長(zhǎng)度，鉆鋌長(zhǎng)度，m m； 設(shè)計(jì)的最大鉆壓，設(shè)計(jì)的最大鉆壓，kNkN； 安全系數(shù)，防止遇到意外附加力（動(dòng)載、井壁摩擦安全系數(shù)，防止遇到意外附加力（動(dòng)載、井壁摩擦力等）時(shí)，中性點(diǎn)移到鉆桿上，一般取力等）時(shí)，中性點(diǎn)移到鉆桿上，一般取 =1.15 =1.15 1.251.25； 每米鉆鋌在空氣中的重力，每米鉆鋌在空氣中的重力，kNkN/m/m； K K 浮力系數(shù)；浮力系數(shù)； 井斜角，直井時(shí)，井斜角，直井時(shí)， =0=0。cLmaxWNSNScq （三）鉆桿柱強(qiáng)度設(shè)計(jì)（三）鉆桿柱強(qiáng)度設(shè)計(jì) 1.1.鉆桿柱設(shè)計(jì)的強(qiáng)度條件鉆桿柱設(shè)計(jì)的強(qiáng)度條

33、件 鉆桿柱任一截面上的靜拉伸載荷應(yīng)滿足以下條件：鉆桿柱任一截面上的靜拉伸載荷應(yīng)滿足以下條件： F Ft t F Fa a 式中：式中： F Ft t 鉆桿柱任一截面上的靜拉伸載荷，鉆桿柱任一截面上的靜拉伸載荷，kNkN； F Fa a 鉆桿柱的最大安全靜拉載荷，鉆桿柱的最大安全靜拉載荷，kNkN。 （1 1）鉆桿在屈服強(qiáng)度下的抗拉載荷：）鉆桿在屈服強(qiáng)度下的抗拉載荷： 鉆桿所承受的拉伸載荷必須小于鉆桿材料的屈服強(qiáng)度下的抗拉載荷：鉆桿所承受的拉伸載荷必須小于鉆桿材料的屈服強(qiáng)度下的抗拉載荷：式中：式中： 鉆桿鋼材的最小屈服強(qiáng)度，鉆桿鋼材的最小屈服強(qiáng)度，MPaMPa； 鉆桿的橫截面積，鉆桿的橫截面積，

34、cmcm2 2； 最小屈服強(qiáng)度下的抗拉載荷，最小屈服強(qiáng)度下的抗拉載荷，kNkN。 可以計(jì)算可以計(jì)算, , 也可以從也可以從表表2 21414中查出。中查出。pyyAF1 . 0ypAyFyF （2）鉆桿的最大允許拉伸載荷）鉆桿的最大允許拉伸載荷式中：式中： 鉆桿的最大允許拉伸載荷，鉆桿的最大允許拉伸載荷，kNkN。 （3）鉆桿的最大安全靜拉載荷）鉆桿的最大安全靜拉載荷 安全系數(shù)法安全系數(shù)法 考慮起下鉆時(shí)的動(dòng)載及摩擦力，一般取一個(gè)安全系數(shù)考慮起下鉆時(shí)的動(dòng)載及摩擦力，一般取一個(gè)安全系數(shù)S St t，以保證鉆，以保證鉆柱的工作安全，即：柱的工作安全，即： / / 式中：式中： 安全系數(shù)，一般取安全系

35、數(shù)，一般取1.301.30。 ypFF9.0pFpFpaFF tStSaF 設(shè)計(jì)系數(shù)法（考慮卡瓦擠壓）設(shè)計(jì)系數(shù)法（考慮卡瓦擠壓） 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200200500500KNKN。 取以上三個(gè)取以上三個(gè) 中最低者作為最大安全靜拉載荷，據(jù)此計(jì)中最低者作為最大安全靜拉載荷，據(jù)此計(jì)算鉆桿柱的最大許用長(zhǎng)度。算鉆桿柱的最大許用長(zhǎng)度。MOPFFpa1typaFFaF 2. 2. 鉆桿柱設(shè)計(jì)鉆桿柱設(shè)計(jì) ( (1)1)單一鉆桿柱長(zhǎng)度設(shè)計(jì)單一鉆桿柱長(zhǎng)度設(shè)計(jì) 由由 得最大允許下深為：得最大允許下深為： KqLLqFccpa)(pccaqqLKFL式中：式

36、中： 鉆桿的最大安全靜拉載荷，鉆桿的最大安全靜拉載荷，kNkN； L L 鉆桿柱的最大允許下深，鉆桿柱的最大允許下深，m m； 單位長(zhǎng)度鉆桿在空氣中的重力，單位長(zhǎng)度鉆桿在空氣中的重力，kNkN/m/m； 鉆鋌柱長(zhǎng)度鉆鋌柱長(zhǎng)度, ,m m； 單位長(zhǎng)度鉆鋌在空氣中的重力，單位長(zhǎng)度鉆鋌在空氣中的重力， kNkN/m /m 。aFpqcLcq （2）復(fù)合鉆桿柱長(zhǎng)度設(shè)計(jì)）復(fù)合鉆桿柱長(zhǎng)度設(shè)計(jì) 應(yīng)自下而上逐段確定各段鉆桿的最大長(zhǎng)度。應(yīng)自下而上逐段確定各段鉆桿的最大長(zhǎng)度。式中：式中： 分別為鉆鋌上面第一、第二、第三鉆桿分別為鉆鋌上面第一、第二、第三鉆桿 的最大長(zhǎng)度，的最大長(zhǎng)度，m m； 為相應(yīng)各段鉆桿的最大安

37、全靜拉載荷，為相應(yīng)各段鉆桿的最大安全靜拉載荷，kNkN； 為相應(yīng)各段鉆桿單位長(zhǎng)度在空氣中的重力，為相應(yīng)各段鉆桿單位長(zhǎng)度在空氣中的重力，kNkN/m/m。1111pccpaqLqKqFL211222pppCcpaqLqLqKqFL32211333pppccpaqLqLqLqKqFL321LLL，321aaaFFF，321pppqqq， （3）抗外擠強(qiáng)度計(jì)算）抗外擠強(qiáng)度計(jì)算式中式中: : 最大允許外擠力最大允許外擠力, ,MPaMPa； 鉆桿的最小抗擠強(qiáng)度，鉆桿的最小抗擠強(qiáng)度，MPaMPa； 安全系數(shù)，一般應(yīng)不小于安全系數(shù)，一般應(yīng)不小于1.1251.125。ccacSPP acPcPcS （4 4

38、）抗扭強(qiáng)度）抗扭強(qiáng)度式中：式中： M M - -鉆桿承受的扭矩鉆桿承受的扭矩, ,kNkN. .m m； P P - -使鉆柱旋轉(zhuǎn)所需的功率，使鉆柱旋轉(zhuǎn)所需的功率，kWkW； n n - -轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速，rpmrpm。nPM67. 9 （5 5）抗內(nèi)壓強(qiáng)度）抗內(nèi)壓強(qiáng)度 不同尺寸、鋼級(jí)和級(jí)別的鉆桿的最小抗內(nèi)壓力可在不同尺寸、鋼級(jí)和級(jí)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，即得其許用標(biāo)準(zhǔn)中查得，用適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù)去除它，即得其許用靜內(nèi)壓力。靜內(nèi)壓力。 （1 1）設(shè)計(jì)參數(shù)）設(shè)計(jì)參數(shù) 井深井深:5000:5000m;m; 井徑井徑:215.9:215.9mm(8-1

39、/2in);mm(8-1/2in); 鉆井液密度鉆井液密度:1.2:1.2g/cmg/cm3;3; 鉆壓鉆壓:180:180kNkN; ; 井斜角井斜角:3:3; ; 拉力余量拉力余量:200:200kNkN( (本例假設(shè)本例假設(shè));); 卡瓦長(zhǎng)度卡瓦長(zhǎng)度:406.4:406.4mm;mm; 安全系數(shù)：安全系數(shù)：1.30(1.30(本例假設(shè)本例假設(shè)) )。3典型鉆柱的設(shè)計(jì)舉例典型鉆柱的設(shè)計(jì)舉例 （2 2）鉆鋌選擇：）鉆鋌選擇： 選用外徑選用外徑158.75mm(6-1/4in)158.75mm(6-1/4in)、內(nèi)徑、內(nèi)徑57.15mm(2-1/4in)57.15mm(2-1/4in)鉆鋌，線

40、重鉆鋌，線重q qc c=1.35kN/m=1.35kN/m。 計(jì)算鉆鋌長(zhǎng)度計(jì)算鉆鋌長(zhǎng)度: :cosmaxKqSWLcNc 式中式中: : 最大鉆壓最大鉆壓,180,180 kN kN; ; 安全系數(shù)安全系數(shù), ,取取 =1.18;=1.18; 每米鉆鋌在空氣中的重力每米鉆鋌在空氣中的重力,1.35 ,1.35 kNkN/m/m； 浮力系數(shù)浮力系數(shù), ,計(jì)算得計(jì)算得 =0.85;=0.85; 井斜角井斜角, =3, =3。 計(jì)算得：計(jì)算得： =180=1801.18/1.351.18/1.350.850.85cos3cos3=185(m)=185(m) 按每米鉆鋌按每米鉆鋌10m10m計(jì)，需用計(jì)，需用1919根鉆鋌根鉆鋌, ,總長(zhǎng)總長(zhǎng)190190m m。maxWNSNScqKKcL （3 3）選擇第一段鉆桿（接鉆鋌）選擇第一段鉆桿（接鉆鋌） 選用外徑選用外徑127mm127mm、內(nèi)徑、內(nèi)徑108.6mm108.6mm，線重，線重284.69N/m284.6