鉆柱工作狀態(tài)及受力分析

鉆柱工作狀態(tài)及受力分析一、鉆柱的工作狀態(tài)在鉆井過程中，鉆柱主要是在起下鉆和正常鉆進(jìn)這兩種條件下工作。在起下鉆時(shí)，整個(gè)鉆柱被懸掛起來，在自重力的作用下，鉆柱處于受拉伸的直線穩(wěn)定狀態(tài)。實(shí)際上，井眼并非是完全豎直的，鉆柱將隨井眼傾斜和彎曲。在正常鉆進(jìn)時(shí)，部分鉆柱（主要是鉆鋌）的重力作為鉆壓施加在鉆頭上，使得上部鉆柱受拉伸而下部鉆柱受壓縮。在鉆壓小和直井條大鉆壓，則會(huì)出現(xiàn)鉆柱的第一次彎曲或更多次彎曲（圖1）。目前，旋轉(zhuǎn)鉆井所用鉆壓一般都超過了常用鉆鋌的臨界壓力值，如果不采取措施，下部鉆柱將不可避免地發(fā)生彎曲。在轉(zhuǎn)盤鉆井中，整個(gè)鉆柱處于不停旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)，作用在鉆柱上的力，除拉力和壓力外，還有由于旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力。離心力的作用有可能加劇下部鉆柱的彎曲變形。鉆柱上部的受拉伸部分，由于離心力的作用也可能呈現(xiàn)彎曲狀態(tài)。在鉆進(jìn)過程中，通過鉆柱將轉(zhuǎn)盤扭矩傳送給鉆頭。在扭矩的作用下，鉆柱不可能呈平面彎曲狀態(tài)，而是呈空間螺旋形彎曲狀態(tài)。根據(jù)井下鉆柱的實(shí)際磨損情況和工作情況來分析，鉆柱在井眼內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)形式可能是自轉(zhuǎn)，鉆柱像一根柔性軸，圍繞自身軸線旋轉(zhuǎn)；也可能是公轉(zhuǎn)，鉆柱像一個(gè)剛體，圍繞著井眼軸線旋轉(zhuǎn)并沿著井壁滑動(dòng)；或者是公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)的結(jié)合及整個(gè)鉆柱或部分鉆柱做無規(guī)則的旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)。從理論上講，如果鉆柱的剛度在各個(gè)方向上是均勻一致的，那么鉆柱是哪種運(yùn)動(dòng)形式取決于外界阻力（如鉆井液阻力、井壁摩擦力等）的大小，但總以消耗能量最小的運(yùn)動(dòng)形式出現(xiàn)。因此，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，既有自轉(zhuǎn)，也有公轉(zhuǎn)。在鉆柱自轉(zhuǎn)的情況下，離心力的總和等于零，對(duì)鉆柱彎曲沒有影響。這樣，鉆柱彎曲就可以簡(jiǎn)化成不旋轉(zhuǎn)鉆柱彎曲的問題。在井下動(dòng)力鉆井時(shí)，鉆頭破碎巖石的旋轉(zhuǎn)扭矩來自井下動(dòng)力鉆具，其上部鉆柱一般是不旋轉(zhuǎn)的，故不存在離心力的作用。另外，可用水力荷載給鉆頭加壓，這就使得鉆柱受力情況變得比較簡(jiǎn)單。二、鉆柱的受力分析鉆柱在井下受到多種荷載（軸向拉力及壓力、扭矩、彎曲力矩）作用，在不同的工作狀態(tài)下，不同部位的鉆柱的受力的情況是不同的。1、軸向拉力和壓力鉆柱受到的軸向荷載有自重產(chǎn)生的拉力、鉆井液生產(chǎn)的浮力和施加鉆壓產(chǎn)生的壓力。（1）鉆柱在垂直井眼中懸掛時(shí)，在井眼內(nèi)沒有鉆井液的情況下，處于懸掛狀態(tài)的鉆柱僅受到自重力的作用，處于受拉伸狀態(tài)。最下端拉力為零，井口處拉力最大。當(dāng)井眼內(nèi)充滿鉆井液時(shí)，鉆柱除了受自重力的作用外，還受到鉆井液的浮力作用，使鉆柱的軸向拉力減小。（2）正常鉆進(jìn)時(shí)，下放鉆柱，把部分鉆柱的重力加到鉆頭上，使鉆柱的軸向拉力減小相應(yīng)數(shù)值，而且下部鉆柱受到壓應(yīng)力的作用。上部鉆柱受拉應(yīng)力作用，井口處最大，向下逐漸減小。下部鉆柱受壓力作用，井底處最大。在某一深度，既不受拉，也不受壓，軸向力等于零。該點(diǎn)稱為中和點(diǎn)。中和點(diǎn)是鉆柱受拉與受壓的分界點(diǎn)，在鉆柱設(shè)計(jì)中，希望中和點(diǎn)始終落在剛度大、抗彎能力強(qiáng)的鉆挺上，而不是落在強(qiáng)度較弱的鉆桿上，使鉆桿一直處于受拉伸的直線穩(wěn)定狀態(tài)，以免鉆桿受壓彎曲和受交變應(yīng)力的作用。因此，設(shè)計(jì)的鉆鋌長(zhǎng)度不能小于中和點(diǎn)高度。應(yīng)當(dāng)指出，由于鉆頭和鉆柱的運(yùn)動(dòng)很復(fù)雜，加之地層和操作等因素，鉆柱的中和點(diǎn)的位置是在不斷變化的。（3）起下鉆時(shí)，作用在鉆柱上部的軸向力，除了鉆柱的重力（浮重）外，還有鉆井液對(duì)鉆柱的摩擦力和提升或下放速度變化所產(chǎn)生的動(dòng)載。以上對(duì)鉆柱軸向力的分析前提是假設(shè)井眼是垂直的，但在傾斜或彎曲的井眼中，鉆柱的自重力、鉆井液液柱壓力的影響以及摩擦阻力等都比較復(fù)雜，這部分內(nèi)容可參閱有關(guān)文獻(xiàn)。2、扭矩在鉆井過程中，轉(zhuǎn)盤通過鉆柱帶動(dòng)鉆頭旋轉(zhuǎn)，破碎巖石，并克服鉆柱與井壁和鉆井液的摩擦阻力，使鉆柱承受扭矩作用。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。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，向上逐漸減小。3、彎曲力矩在正常鉆進(jìn)中，由于下部鉆柱受壓或由于離心力、井眼彎曲等影響，都會(huì)使鉆柱發(fā)生彎曲，于是產(chǎn)生彎曲力矩，在鉆柱內(nèi)產(chǎn)生彎曲應(yīng)力。在彎曲狀態(tài)下，鉆柱繞自身軸線旋轉(zhuǎn)，則會(huì)產(chǎn)生交變彎曲應(yīng)力。最大彎曲應(yīng)力發(fā)生在撓度最大處。4、離心力當(dāng)鉆柱繞井眼軸線公轉(zhuǎn)時(shí)，將產(chǎn)生離心力。離心力將引起鉆柱彎曲，使彎曲應(yīng)力增加。5、縱向振動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)，由于地層軟硬不均、井底不平，特別是牙輪鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)引起鉆柱的縱向振動(dòng)，使中和點(diǎn)上下移動(dòng)，產(chǎn)生交變的軸向應(yīng)力?？v向振動(dòng)與鉆頭結(jié)構(gòu)、所鉆地層性質(zhì)、泵排量不均勻、鉆壓及轉(zhuǎn)速等因素有關(guān)。當(dāng)縱向振動(dòng)的周期和鉆柱本身固有的振動(dòng)周期相同時(shí)（或成倍數(shù)），就會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象，振幅急劇增大，稱為"跳鉆"，跳鉆會(huì)引起鉆柱的疲勞破壞和鉆頭事故。6、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和橫向擺振鉆柱的旋轉(zhuǎn)還會(huì)使鉆具產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和橫向擺振。這種由于鉆頭結(jié)構(gòu)、地層巖性、鉆壓和轉(zhuǎn)速等因素的影響使鉆頭受力不均引起的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)稱為"蹩鉆"，表現(xiàn)為轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速忽快忽慢、聲響時(shí)高時(shí)低、鉆柱扭轉(zhuǎn)劇烈振動(dòng)。使用刮刀鉆頭鉆進(jìn)軟硬交錯(cuò)地層時(shí)就容易引起蹩鉆。在某一臨界轉(zhuǎn)速下，鉆柱將出現(xiàn)橫向擺振，引起鉆柱嚴(yán)重偏磨和彎曲疲勞損壞。7、動(dòng)荷載起下鉆過程中，由于鉆柱運(yùn)動(dòng)速度的突然變化會(huì)引起鉆柱的縱向動(dòng)載，在鉆柱中產(chǎn)生縱向瞬時(shí)交變應(yīng)力?？v向動(dòng)載的大小與操作有關(guān)。8、外擠壓力進(jìn)行鉆桿測(cè)試（DST）時(shí)，一般都在鉆柱底部裝一封隔器，用以封隔下部地層和管外環(huán)空。鉆桿下入井內(nèi)時(shí)控制閥是關(guān)閉的，因此鉆井液不能進(jìn)入鉆桿內(nèi)，封隔器壓緊后打開控制閥，地層流體才能進(jìn)入鉆柱內(nèi)。打開控制閥之前，鉆柱承受來自于鉆井液的靜液壓力作用。由以上分析可知，轉(zhuǎn)盤鉆井時(shí)鉆柱的受力情況是比較復(fù)雜的。這些荷載就性質(zhì)來講，可分為不變的和交變的兩大類。在整個(gè)鉆柱長(zhǎng)度內(nèi)，荷載作用的特點(diǎn)是在井口處主要受不變荷載（拉應(yīng)力）的作用，而靠近井底則主要是交變荷載（拉、壓、彎曲應(yīng)力等），這種交變荷載的作用正是鉆柱疲勞破損的主要原因。鉆柱在井下受力嚴(yán)重的部位，一是鉆進(jìn)時(shí)，下部鉆柱同時(shí)受到軸向壓力、扭矩和彎曲力矩的聯(lián)合作用，彎曲鉆柱存在著劇烈的交變應(yīng)力循環(huán)，常常導(dǎo)致鉆柱的疲勞破壞。鉆頭突然遇阻、遇卡會(huì)使鉆柱受到的轉(zhuǎn)矩大大增加。鉆進(jìn)時(shí)，井口