钻井工程_濮阳职业技术学院_第一章钻进工具.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,1,、学时分配：,6,学时。,2,、本章重点：,（,1,）各类型钻头的结构特点；,（,2,）各类型钻头在井底底运动形式及破岩原理；,（,3,）各类型钻头的使用特点；,（,4,）钻柱的组成；,（,5,）钻柱在井下底受力情况；,（,6,）钻柱设计。,3,、难点：,（,1,）各类型钻头在井底底运动形式及破岩原理；,（,2,）钻柱在井下底受力情况。,4,、解决方法：,（,1,）利用相关录象资料,（,2,）利用教学模具,（,3,）利用多媒体图片和动画进行展示,5,、作业：,P97,，,1,；,P41,，,7,；,9,；,12,；,15,；,16,；,18,；,21,；,22,；,23,；,24,；,25,；,28,；,34,。,第,一,章 钻进工具,一、概述,1.,钻头类型,按结构及工作原理分类,:,刮刀钻头、牙轮钻头、,PDC,钻头、,金刚石钻头,按功用分类,全面钻进钻头、取心钻头、,扩眼钻头,2.,钻头尺寸系列,3-3/4,36,第一节 钻头（,Drill Bit),常用尺寸：,26,、,17,1,/,2,、,12,1,/,4,、,8,1,/,2,3.,工作指标,钻头进尺（米）,钻头工作寿命（小时）,机械钻速（米,/,小时）,单位进尺成本（元,/,米）,：,二、刮刀钻头（,Drag Bit,）,（一）刮刀钻头的结构,上钻头体、下钻头体（分水帽）、,刀翼、水眼。,图,2-1,刮刀钻头结构,刀翼,三刀翼的称作三刮刀钻头,两刀翼的称作两刮刀钻头或鱼 尾刮刀钻头,四刀翼的称作四刮刀钻头,刀翼结构：,（,1,）刀翼结构角,刃尖角,刀翼尖端前后刃之间的夹角。它,反映了刀翼的尖锐程度。,越小，刃部越尖锐，,越容易吃入地层，但强度越低。,一般,:,软地层,=,8,10,；,硬地层,=,12,15,切削角,刀翼前刃和水平面之间的夹角。,在相同钻压下，,越大，刀刃越容易吃入地层，,但旋转扭矩大，剪切刃 前岩石困难。,一般,:,松软地层,70,软地层,70,80,；,中硬地层,80,85,。,刃后角,-,：,刃后角必须大于井底角,。,刃前角,：,90,。,(4),提高刀翼的耐磨性,刀翼一般采,35CrMo,或,35MnSiMoV,高强度合金钢锻制而成，以保证有足够的强度。,一般在刀翼表面平铺一层,YG8,硬质合金块，在外侧面镶装,YG8,硬质合金块。,刀翼表面和外侧面镶焊人造金刚石聚晶块,。,（,2,）刀翼背部形状,刀翼的厚度随距刀刃的距离增加而增厚，呈抛物线形，以确保刀翼强度足以承受弯矩。,（,3,）刀翼底部形状：,平底、,正阶梯,、反阶梯、反锥,（二）刮刀钻头的工作原理,刮刀钻头主要以切削作用破碎地层。,破碎塑性岩石过程：,在钻压,W,作用下，刀翼容易吃入地层；刃前岩石在扭转力,T,的作用,下不 断产生塑性流动。这和车刀切削软金属的过程类似。,破碎脆性岩石过程：,刮刀钻头破碎脆性岩石的过程为：,碰撞 压碎及小剪切大剪切。,（,1,）碰 撞：,刃前岩石发生剪切破碎后，刀刃在旋转扭矩作用下向前推进，碰撞刃前岩石。,（,2,）压碎及小剪切：,扭转力增大，压碎刃前岩石，产生小剪切破坏。,（,3,）大剪切：,扭转力继续增大到某一极限值，刃前岩石沿剪切面破碎，而后扭转力突然减小。,刮刀钻头制造工艺简单，成本低；,刮刀钻头适用于软地层，钻速快，每米钻进成本低；,刮刀钻头容易磨损成锥形，造成缩径和井斜；,刮刀钻头产生剧烈的扭转振动，破坏钻具和设备；,刮刀钻头目前逐渐被,PDC,钻头取代。,（三）刮刀钻头的应用,三、牙轮钻头（,Roller Bit,）,（一）牙轮钻头结构,牙轮钻头由钻头体、牙抓（巴掌）,及牙轮轴、牙轮及牙齿、轴承、储油润,滑密封系统、喷嘴等部分组成。,1,牙轮及牙齿,（,1,）牙轮,20CrMo,合金钢锥体，锥面铣齿或镶装硬质合金齿，内腔有轴承跑道。,单锥牙轮：主锥,+,背锥，硬地层,复锥牙轮：主锥,+,副锥,+,背锥，软到中硬,a,单锥；,b,、,c,复锥；,1,主锥；,2,副锥；,3,背锥,a,b,c,（,2,）牙齿,铣齿,在牙轮锥面上直接铣出，楔形。,硬质合金镶齿,镶装在牙轮锥面上，有多种齿形适应不同地层,。,铣齿牙轮钻头,镶齿牙轮钻头,2,轴承,牙轮钻头轴承有大、中、小和止推四副。根据轴承的密封与否，可分为密封和非密封两类。根据轴承副的结构，可分为滚动轴承和滑动轴承两大类。,滚动轴承结构：,滚柱,滚珠,滚柱,止推,滚柱,滚珠,滑动一止推,滑动轴承结构：,滑动,滚珠,滑动,止推,滑动,滑动（卡簧）,滑动,止推,密封圈,密封圈,滚柱,止推台阶,滑动摩擦衬套,滑动摩擦副,为什么滑动轴承比滚动轴承寿命长？,3,储油润滑密封系统,储油润滑补偿系统,密封系统,：,橡胶密封圈、金属密封圈,工作原理：,储油压力补偿系统（传压孔、压力补偿膜、油杯等）保持轴承腔内的油压与井内钻井液柱压力相平衡。当轴承腔内油压降低，储油杯中的润滑油在钻井液柱压力作用下补充到轴承腔内；当轴承腔内的油压升高，则流入储油杯。其中，,有效密封是关键,。,4,喷嘴,钻井液流出钻头射向井底的流道。高压钻井液流经喷嘴后产生高速流动的水射流，清除井底岩屑，辅助破碎岩石。,三牙轮钻头一般安装,3,个喷嘴，直径,7,13mm,。用卡簧固定在水眼内，并用,o,形圈密封。,5,牙轮及牙齿的布置方式,布齿原则：,（,1,）转一周牙齿全部破碎井底，不留下未被破碎的凸起；,（,2,）牙轮在重复滚动时应使牙齿不落入别的牙齿的破碎坑内；,（,3,）牙齿磨损均匀。,牙轮布置方案：,（,1,）非自洗无滑动布置：,各牙轮牙齿齿圈不嵌合，单锥、不超顶，不移轴，用于硬地层；,（,2,）自洗不移轴布置：,各牙轮牙齿齿圈相互嵌合，副锥、超顶，不移轴，用于中硬地层；,（,3,）自洗移轴布置：,各牙轮牙齿齿圈相互嵌合，副锥、超顶，移轴，用于软地层；,非自洗,自洗无移轴,自洗移轴,牙轮及牙齿的布置,齿间相互齿合产生自洗作用,非自洗,自洗无移轴,自洗移轴,（二）牙轮钻头工作原理,1,牙轮钻头在井底的运动,公转：,牙轮随钻头一起旋转,。,自转,：,牙齿绕牙轮轴线作逆时针方向旋转称自转。,滑动：,牙轮齿相对于井底的滑移，包括径向（轴向）和切向（周向）滑动。,引起滑动的原因：,超顶和复锥引起切向（周向）滑动,移轴引起径向（轴向）滑动,纵向振动：,牙轮在滚动过程，其中心上下波动，使钻头做上下往复运动。,引起纵向振动的原因：,单、双齿交替接触井底，使牙轮中心上下波动；,井底凹凸不平,超顶引起切向滑动,副锥产生超顶效果,单、双齿交替接触井底,引起纵向振动,移轴引起径向滑动,O,a,O,a,a,O,2,牙轮钻头的破岩作用,（,1,）冲击、压碎作用,纵向振动产生的冲击力和静压力（钻压）一起使牙齿对地层产生冲击、压碎作用，形成体积破碎坑。,（,2,）滑动剪切作用,牙轮牙齿的径向滑动和切向滑动对井底地层产生剪切作用，,破碎齿间岩石。,（,3,）射流的冲蚀作用,由喷嘴喷出的高速射流对井底岩石产生冲蚀作用，辅助破碎岩石。,牙轮滑动对破岩的作用,:,牙轮的超顶和复锥引起的切向滑动剪切掉牙齿之间的岩石。,超顶引起的轴向滑动剪切掉齿圈之间的岩石。,（三）牙轮钻头类型,1.,国产牙轮钻头分类方法,（,1,）按结构分类：,Y,，,P,，,MP,，,MPB,，,HP,，,HPB,，,XMP,，,XH,共,8,个系列,（,2,）按地层分类,：,JR,，,R,，,ZR,，,Z,，,ZY,，,Y,，,JY,1,，,2,，,3,，,4,，,5,，,6,，,7,国产三牙轮钻头类型及适应地层,类型代号：,数字,1,7,，表明所适应的地层,系列代号：,字母,Y,P,MP,MPB,HP,HPB,XMP,XH,，,表明结构特征,钻头直径：,用英寸或毫米表示直径大小,例：,用于中硬地层、直径为,8in(215.9mm),的镶齿滑动密封轴承喷射式三牙轮钻头的型号为：,8XHP5,或,215.9XHP5,。,（,3,）型号表示方法,2.IADC,分类法,系列代号,用数字,1,8,表示钻头牙齿特征及适钻地层；,1-3,为铣齿，,5-8,为镶齿。,地层等级代号,用数字,1,4,表示所钻地层再分为,4,个等级,；,钻头结构特征代号,用数字,1,9,表示钻头结构特征，其中,1,7,表示钻头轴承及保径特征；,附加结构特征代号,用英文字母表示钻头附加特征。,祥见书,P66-67.,例如：,341S,表示适用于中等研磨性或研磨性,4,级硬地层非密封,滚动轴承的标准铣齿钻头。,537C,表示适用于底抗压强度的软到中硬的,3,级地层滑动,密封轴承保径带中心喷嘴钻头。,国产三牙轮钻头分类、型号表示法,钻头直径,类型代号,系列代号,例：用于中硬地层、直径为,8,1,/,2,”(215.9mm),的镶齿滑动密封轴承喷射式三牙轮钻头的型号为：,8,1,/,2,”HP5,或,215.9HP5,。,目前常用的牙轮钻头型号,P2,P3,HP2,HP3,铣齿,XHP2,XHP3,XHP4,镶齿,J1,J2,J3,铣齿,J11,J22,J33,J44,，,J55,镶齿,（四）牙轮钻头的正确使用,1.,根据地层性质合理选择钻头类型，标准是每米钻进成本最低。,地层较软时：选用牙齿高度大并带有超顶或移轴的钻头；,地层较硬时：选用牙齿高度小，无超顶或移轴的钻头；,2.,优选钻进参数：钻压、转速、水力参数等。,（,五,）钻头常见故障及其识别,钻头故障是钻进过程中常见故障之一，其故障形式主要有：因钻头轴承严重磨损产生剧烈旷动、牙轮卡死、掉牙轮、钻头泥包、喷嘴堵、掉喷嘴和牙齿脱落等。,1,、钻头轴承磨损的识别,反映钻头轴承工作状态最敏感的信号是扭矩信号。为了消除因钻压变化对扭矩产生的影响，采用比扭矩，比扭矩表示为：,M,t,钻头发生磨损后的扭矩信号特征,轻度磨损,中度磨损,严重磨损,2,、牙轮钻头泥包的识别,钻头发生泥包后的特征：,钻时,Zt,迅速增大，,立压,StP,有所上升,扭矩,M,逐渐增大，,波幅,V,r,(,M,),减小,转速,Rpm,有所下降。,t,M,牙轮钻头泥包时扭矩变化特征,坨,762,井，井深至,2239,米时，立管压力由,1515,.,6,MPa,，其它参数无变化，立管压力增至,18.1,MPa,最高峰，此时泵负载很大，泵转速明显的下降，最高峰后立即缓慢下降至,175bar,后，,23,时,40,分突然下降到,14,.,2,MPa,，水眼冲开，,后,恢复钻进。,3,、钻头水眼堵、掉的识别,四、金刚石钻头（,Diamond Bit),（一）金刚石钻头的结构,金刚石钻头为无活动部件的整体式钻,头。由钢体、胎体（冠部和保径部分）、,水眼及水槽、金刚石切削刃等部分组成,。,1.,钢体,钢体是金刚石钻头的骨架。上部柱体车制丝扣和钻柱连接，下部铣成爪形和胎体烧结在一起。,2.,胎体,胎体是镶嵌金刚石的基体，为硬质合金材料，用粉末冶金技术烧结在钻头钢体上。,常用剖面形状：,a,双锥阶梯形；,b,双锥形；,c,“,B”,形；,d,脊圈式“,B”,形,3.,水眼和水槽,钻井液由水眼流出，经过水槽流过钻头表面，清洗井底，冷却和润滑金刚石。常用水力结构：,4.,金刚石,（,1,）特性,金刚石为碳在高温高压下形成的结晶体，正四面体,晶体结构。在单位晶胞中，碳原子位于四面体的顶角及,中心。每个碳原子与邻近的四个碳原子形成四个共价键。,因共价键结合力强，故金刚石具有极高的硬度（莫氏,硬度,10,）、抗压强度（,8800MPa,）和耐磨性钢的,9000,倍）。,其缺点是：,脆性大，受冲击载荷易碎裂；,具有热敏性，高温下（,450,以上）石墨化。,热稳定聚晶金刚石钻头（,TSP,）,TSP,钻头的热稳定性、耐磨性和抗冲击能力都高于一般的金刚石钻头。,（,2,）两类金刚石材料,天然金刚石：,非洲产，品种有：卡邦,(,Carnon,),、包尔兹,(,Boarz,),、,巴拉斯,(,Ballas,),。,人造金刚石单晶和聚晶,：,石墨,500010000MPa,10002000,金刚石单晶,金刚石单晶,金刚石聚晶,高温高压下,（,3,）金刚石颗粒在胎体上的镶装方式,有表镶式和孕镶式,。,表镶式金刚石钻头所用的金刚石颗粒一般,0.5,1.5,粒,/,克拉。,孕镶式金刚石钻头是把金刚石颗粒与钻头胎体烧结在一起。,适合于对付极硬地层，而且成本比表镶式低得多。一般孕镶层的厚度,2,12mm,，金刚石颗粒棱角越尖越好。,（,4,）金刚石粒度、出刃和排列方式,粒度,：,0.5,15,粒,/,克拉（,0,.2g),出刃,：,最大出刃量为直径的,1/3,排列方式,：,a,钻头外形；,b,交错排列；,c,圆周排列；,d,脊圈排列,（二）金刚石钻头的破岩机理,概括地讲，金刚石钻头以磨削（研磨）方式破碎岩石，类似于砂轮磨削金属的过程。,在钻进某些硬地层时，在钻压作用下压入岩石，使与金刚石接触的岩石,处于极高的应力状态而使岩石呈现塑性；,(2),在塑性地层,(,或岩石在应力作用下呈塑性的地层,),，,使前方的岩石内部发生破碎或塑性流动，,脱离岩石基体，形成岩屑，称作犁削。,(3),在脆性较大的岩石中，在钻压和扭矩作用下所产生的应力使岩石表现为脆性破碎，即属于以剪力和张力形式破碎岩石。,(4),在坚硬岩石,(,如隧石、硅质白云岩、硅质石灰岩等,),中，是要靠金刚石的棱角实现微切削、刻划等方式来破碎岩石。,（三）金刚石钻头的正确使用,1.,适用于硬、研磨性地层，涡轮钻井，深井钻井，,取心作业。寿命长，进尺高。,2.,钻头下井前，井底打捞干净，确保没有金属落物。,3.,先用小钻压、低转速跑合，然后用合适钻压和高,转速钻进。,4.,采用低钻压（,3,0-50kN,）、高转速、大排量钻进。,五、,PDC,钻头（,Polycrystalline Diamond Compact Bit,）,胎体,PDC,钻头,钢体,PDC,钻头,两类,PDC,切削元件,（一）,PDC,钻头的,结构特点,1.,切削元件,聚晶金刚石复合片（,PDC,）,特 性,PDC,既具有金刚石的硬度和耐磨性。,弱点是热稳定性差，,350,以上加速磨损。抗冲击能力较差。,13.4,，,19,2.,工作剖面形状,特点,内外锥有利于钻头稳定；,外锥较长，可多布齿，使磨损均匀；,钻硬夹层，冠部齿易早期损坏。,适合中等均质地层。,特点,钻头表面积较小，水力集中，清洗效果好；,载荷分布较均匀；,用于钻石灰岩、白云岩等较硬地层。,特点,侧向推力指向钻头中心，有利于防斜；,钻头外部表面积大，可布置较多切削齿，利于提高寿命。,用于软地层,。,特点,冠顶较宽且较平缓，载荷分布较均匀。,外侧采用圆弧，布齿面积较大。,用于硬地层。,双锥形,浅锥形,抛物线形,B,形,3.,切削齿布置,刮刀式布齿方式：,特点是整体强度高、抗冲击能力强、易于清洗和冷却、排屑好、抗泥包能力强。适用于粘性或软地层。,单齿式布齿方式：,布齿区域大、布齿密度高，可以提高钻头的使用寿命，但水力清洗能力低，容易在粘性地层泥包。适用于硬地层。,组合式切削齿的布置，,具有较好的清洗、冷却和排屑能力，布齿密度较高。这种布齿方式的钻头多用于中等硬度地层。,布齿原则：,等切削体积,等磨损,等功率,4.,切削齿工作角,后倾角（负前角）,：,起到保护切削齿，延长寿命的作用。取值,0-20,，软地层小一些，硬地层大一些。,侧倾角（旁锋刀面角）,：,钻头旋转时，切削刃面对切屑产生向外侧的,推力，有利于向外排除岩屑。,=15,左右。,5.,喷嘴,流道系统,冷却和清洗效果严重影响,PDC,钻头的钻速和寿命。,喷嘴数量一般比三牙轮钻头多。喷嘴位置和流道结构根据切削齿位置确定。,（二）,PDC,钻头破岩机理,PDC,钻头主要以切削方式破碎岩石。,切削刃在钻压作用下吃入地层，刃前岩石在旋转力作用下,发生剪切破坏。,切削塑性岩石和脆性岩石的过程类似于刮刀钻头。由于多个,切削齿同时工作，井底岩石自由面多，因此破岩效率高。,金刚石切削刃耐磨性高，钻头寿命长，单只钻头进尺高。,（三）,PDC,钻头的正确使用,PDC,钻头适用于软到中硬的大段均质地层，不适合钻软硬交错,地层和砾石层。,2.,与牙轮钻头相比，,PDC,钻头宜采用低钻压、高转速钻进。,3.,钻头下井前，井底要清洁，无金属落物。新钻头钻进时，,先用小钻压和低转速磨合井底。,4.PDC,钻头属于整体式钻头，无任何活动部件，适合高转速的涡轮钻井。,金刚石材料钻头的,IADC,分类法,(P70),切削齿种类,和,钻头体材料,钻头冠部形状,水力结构特点,切削齿大小,和,切削齿密度,D,，,M,，,S,，,T,，,O,1,9,1,9,R,，,X,，,O,1,9,第一位字码,第二位字码,第三位字码,第四位字码,第二节 钻柱,一、钻柱的作用与组成,二、钻柱的工作 状态与受力分析,三、钻柱设计,一、钻柱的组成与作用,（一）钻柱的组成,钻柱,(Drilling String),是钻头以上，水龙头以下部分的钢管柱的总称,.,它包括方钻杆,(Square Kelly),、钻杆,(Drill Pipe),、钻挺,(Drill Collar),、各种接头,(Joint),及稳定器,(Stabilizer),等井下工具。,（一）钻柱的作用,(1),提供钻井液流动通道；,(2),给钻头提供钻压；,(3),传递扭距；,(4),起下钻头；,(5),计量井深。,(6),观察和了解井下情况（钻头工作情况、井眼状况、地层情况）；,(7),进行其它特殊作业（取芯、挤水泥、打捞等）；,(8),钻杆测试,(Drill-Stem Testing),又称中途测试。,1.,钻杆,（,1,）作用：,传递扭矩和输送钻井液，延长钻柱。,（,2,）结构：,管体,+,接头,常用的加厚形式有内加厚,(a),、外加厚,(b),、内外加厚,(c),三种,.,(a)(b)(c),（,3,）规范,：,壁厚：,9,11mm,外径：,长度：,根据美国石油学会,(American Petroleum Institute,简称,API),的规定，钻杆按长度分为三类：,第一类,5.486,6.706,米,(18,22,英尺,),；,第二类,8.230,9.144,米,(27,30,英尺,);,第三类,11.582,13.716,米,(38,45,英尺,),。,常用钻杆规范（内径、外径、壁厚、线密度等）见表,2-12,（,4,）钢级与强度,（,6,）接头及丝扣,丝扣连接条件：,尺寸相等，丝扣类型相同，公母扣相匹配。,钻杆接头特点：,壁厚较大，外径较大，强度较高。,钻杆接头类型：,内平（,IF,）、贯眼（,FH,）、正规（,REG,）；,NC,系列,内平式：,主要用于外加厚钻,杆。其特点是钻杆通体内径相同，,钻井液流动阻力小；但外径较大，,容易磨损。,贯眼式：,主要用于内加厚钻,杆。其特点是钻杆有两个内径，,钻井液流动阻力大于内平式，但,其外径小于内平式。,正规式：,主要用于内加厚钻,杆及钻头、打捞工具。其特点是,接头内径,加厚处内径,管体内径，,钻井液流动阻力大，但外径最小，,强度较大。,三种类型接头均采用,V,型螺纹，,但扣型、扣距、锥度及尺寸等都,有很大的差别。,NC,型系列接头,NC23,，,NC26,，,NC31,，,NC35,，,NC38,，,NC40,，,NC44,，,NC46,，,NC50,，,NC56,，,NC61,，,NC70,，,NC77,NC,National Coarse Thread,，（美国）国家标准粗牙螺纹。,xx,表示基面丝扣节圆直径，用英寸表示的前两位数字乘以,10,。,如：,NC26,表示的节圆直径为,2.668,英寸。,NC,螺纹也为,V,型螺纹,表,2-17,所列的几种,NC,型接头与旧,API,标准接头有相同的节圆直径、锥度、螺距和螺纹长度，可以互换使用,。,表,2-17,可以互换使用的接头,2.,钻铤,结构特点：,管体两端直接车制丝扣，无专门接头；壁厚大,(38-53,毫米），,重量大，刚度大。,主要作用：,(1),给钻头施加钻压,;,(2),保证压缩应力条件下的必要强度,;,(3),减轻钻头的振动、摆动和跳动等，使钻头工作平稳；,(4),控制井斜。,类 型：,光钻铤、螺旋钻铤、扁钻铤。,常用尺寸：,6-1/4,，,7,，,8,，,9,3.,方钻杆,类 型：,四方形、六方形,特 点：,壁厚较大，强度较高,主要作用：,传递扭矩和承受钻柱的全部重量,。,常用尺寸：,89mm(3.5,英寸,),，,108mm(4.5,英寸,),，,133.4mm (5.5,英寸,),。,4.,稳定器,类型：,刚性稳定器、不转动橡胶套稳定器、滚轮稳定器,。,作用：,1,）防斜；,2,）控制井眼轨迹,。,（一）钻柱的工作状态,1.,起下钻工况下：,直井：,直的拉伸、滑动,斜井：,随井眼倾斜和弯曲，滑动。,2.,正常钻进工况下,上部受拉伸，下部受压弯曲；在扭矩作用下旋转运动。,下部钻柱弯曲的原因：,钻压的作用使下部钻柱受压缩，当压力达到钻柱的临界,压力，钻柱将失去直线稳定状态而发生弯曲并与井壁接触。,压力较大时可能发生多次弯曲。,3.,钻柱的旋转运动形式：,（,1,）自转,钻柱象一根柔性轴，围绕自身轴线旋转。,均匀磨损，易发生疲劳破坏。,（,2,）公转,钻柱象一个刚体，围绕着井眼轴线旋转并沿着井壁,滑动。产生偏磨。,（,3,）公转与自转的结合,弯曲钻柱围绕井眼轴线旋转，同时围绕自身轴线转动。,（,4,）纵向振动,钻头振动引起，产生交变应力。,（,5,）扭转振动,由井底对钻头旋转阻力的变化引起，,产生交变扭剪应力。,（,6,）横向摆振,达到某一临界转速，可能产生无规则,摆动，产生交变弯曲应力。,一般认为弯曲钻柱旋转的主要形式是自转，但也可能产生公转或两种运动形式的结合。,由于在转动过程中受到阻力的作用，钻具的转动是不平稳的。,（二）钻柱的受力分析,1.,概述,（,1,）自重产生的拉力,（,2,）钻压产生的压力,（,3,）钻井液的浮力,（,4,）摩擦阻力,（,5,）循环压降产生的附加拉力,（,7,）起下钻时产生的动载荷,（,8,）扭距,（,9,）弯曲应力,（,10,）离心力,（,11,）外挤力,（,12,）振动产生的交变应力,钻柱受力最严重的部位：,1,）井口断面,拉力最大，扭距最大；,2,）下部受压弯曲部分,交变轴向应力、弯曲应力、扭剪应力,3,）中性点,拉压交变载荷。,轴向力,2.,轴向力和中性点,（,1,）自重产生的轴向拉力（井内掏空时）：,（,2,）浮重产生的轴向力：,式中：,称为“浮力减轻系数”,（,3,）正常钻进时的轴向力：,W,F,B,（,4,）其它轴向力的计算,循环压降引起的附加轴向拉力：,滑动摩擦阻力：,动载荷：,（,5,）起下钻时钻柱轴向力：,（,5,）中性点,钻柱上轴向力等于零的点,(,点,),(,亦称中和点，,Neutral Point),。,垂直井眼中钻柱的中性点高度：,式中：,L,N,中性点距井底的高度，,m,。,重要意义：,1,）设计钻柱时要确保中性点始终落在钻铤上？,2,）指导松扣、造扣等特殊作业。,3,）中性点附近钻柱受交变应力作用，,易疲劳破坏。,钻柱轴向力分布与中性点,三、钻柱设计,设计内容：,（,1,）尺寸选择,（,2,）钻铤柱长度计算,（,3,）钻杆柱强度设计及较核。,设计原则：,（,1,）满足强度（抗拉、抗挤强度等）要求，保证钻柱安全工作；,（,2,）尽量减轻整个钻柱的重力，以便在现有的抗负荷能力下钻更深的井。,（一）、钻柱尺寸选择,1.,依据,：,（,1,）钻机的提升能力；,（,2,）井眼尺寸；,（,3,）地质条件；,（,4,）工艺要求；,（,5,）供货情况。,2.,经验配合关系,选择的基本原则,:,1.,方钻杆由于受到扭矩和拉力最大，在供应可能的情况下，应 尽,量选用大尺寸方钻杆。,2.,在钻机提升能力允许的情况下，选择大尺寸钻杆是有利的。,3,.,钻铤尺寸一般选用与钻杆接头外径相等或相近的尺寸，有时根据,防斜措施来选择钻铤的直径。,使用大直径钻铤具有下列优点,：,（,1,）可用较少的钻铤满足所需钻压的要求，可减少钻铤，从而减,少起下钻时连接钻铤的时间；,（,2,）提高了钻头附近钻柱的刚度，有利于改善钻头工况；,（,3,）钻铤和井壁的间隙较小，可减少连接部分的疲劳破坏；,（,4,）有利于防斜。,（二）钻铤长度的确定,浮重原则：,保证在最大钻压时钻杆不承受压缩载荷，,即保持中性点始终处在钻铤上。,计算公式：,式中：,钻铤长度，,m,；,设计的最大钻压，,kN,；,安全系数，考虑附加力（动载、井壁摩擦力等），,防止中性点移动较弱的钻杆上，一般取,=1.15,1.25,；,每米钻铤在空气中的重力，,kN/m,；,K,B,浮力系数；,井斜角，直井时，,=0,。,（三）钻杆柱强度设计,1.,强度条件,F,t,F,a,式中：,F,t,钻杆柱任一截面上的静拉伸载荷，,kN,；,F,a,钻杆柱的最大安全静拉力，,kN,。,（,1,）钻杆在屈服强度下的抗拉载荷：,钻杆材料的屈服强度所允许的最大抗拉载荷。,式中,：,钻杆钢材的最小屈服强度，,MPa,；,钻杆的横截面积，,cm,2,；,最小屈服强度下的抗拉载荷，,kN,。,可以计算,也可以从表,2,14,中查出。,（,2,）钻杆的最大允许拉伸力,F,p,：,式中：,钻杆的最大允许拉伸载荷，,kN,。,（,3,）钻杆的最大安全静拉力,F,a,：,安全系数法（考虑起下钻时的动载及摩擦力）,式中：,安全系数，一般取,1.30,。,设计系数法（考虑卡瓦挤压）,拉力余量法,式中：,MOP,拉力余量，一般取,200,500KN,。,三者取最小值，作为,F,a,2.,钻杆柱强度设计,按最大安全静拉力,F,a,设计钻杆柱的最大允许下深（长度）,。,（,1,）单一钻杆柱设计,强度条件：,最大允许下深：,每段钻杆满足强度条件,：,（,2,）复合钻杆柱设计（深井）,思路：,由下而上，所受拉伸载荷逐渐增大，强度应逐渐增大。故由钻铤上面第一段钻杆开始，先选择强度较低的钻杆，确定其许用长度；再逐段向上选择强度更高的钻杆进行设计。这样设计出来的钻杆柱，由下而上强度逐级增大以满足抗拉强度的要求。,钻铤上面第一、二、三、四段钻杆的长度,;,相应各段钻杆的最大安全静拉力,;,相应各段钻杆在空气中的单位长度重力,;,3.,强度较核,（,1,）抗外挤强度较核：,式中,:,最大安全外挤载荷,MPa,；,钻杆的最小抗挤压力，,MPa,；,安全系数，一般应不小于,1.125,。,（,2,）抗扭强度较核：,式中：,M,-,钻杆承受的扭矩,kN,m,；,P,-,使钻柱旋转所需的功率，,kW,；,n,-,转速，,rpm,。,（,3,）抗内压强度较核：,不同尺寸、钢级和级别的钻杆的最小抗内压力可在,API RP 7G,标准中查得，用适当的安全系数去除它，即得其许用净内压力,.,4,典型钻柱的设计举例,（,1,）设计参数,井深,:5000m;,井径,:215.9mm(8-1/2in);,钻井液密度,:1.2g/cm,3;,钻压,:180kN;,井斜角,:3,;,拉力余量,:200kN(,本例假设,);,卡瓦长度,:406.4mm;,安全系数：,1.30(,本例假设,),。,（,2,）钻铤选择,：,选用外径,158.75mm(6-1/4in),、内径,57.15mm(2-1/4in),钻铤，每米重力,q,c,=1.35kN/m,。,计算钻铤长度,:,式中,:,最大钻压,180 kN;,安全系数,取,=1.18;,每米钻铤在空气中的重力,1.35 kN/m,；,浮力系数,计算得,=0.85;,井斜角,=3,。,计算得：,=180,1.18/1.35,0.85,cos3,=185(m),按每米钻铤,10m,计，需用,19,根钻铤,总长,190m,。,（,3,）选择第一段钻杆（接钻铤）,选用外径,127mm,、内径,108.6mm,，每米重,284.69N/m,，,E,级新钻杆，,最小抗拉载荷,=1760KN,。,最大长度计算,:,最大安全静拉载荷为,:,F,a1,=0.,9F,y,/S,t,=,0.9,1760/1.30=1218.46(kN),F,a1,=0.,9F,y,/,(,y,/,t,),=0.9,1760/1.42=1115.49(kN),F,a1,=0.,9F,y,-MOP,=0.9,1760-200=1384(kN),由上面的计算可以看出,按卡瓦挤毁比值计算的最小，则第一段钻杆的许用长度为：,=1115.49/284.69,10,-3,0.856-190,1.35/284.69,10,-3,=3675(m),（,4,）选择第二段钻杆,选用外径,127mm,内径,108.6mm,，每米重,284.69N/m,，,X-95,级新钻杆，,最小抗拉载荷为,=2229.71 kN,。,最大长度计算,:,最大安全静拉载荷计算如下,:,F,a2,=0.9,2229.71/1.30=1543.645(kN),F,a2,=0.9,2229.71/1.42=1413.196(kN),F,a2,=0.9,2229.71-200=1806.739(kN),那么，第二段钻杆的最大允许长度为：,=1413.196/287.69,10,-3,0.856-.35,190,+284.69,10,-3,3675/284.69,10,-3,=1221(m),钻柱总长已超过设计井深。,最后设计的钻柱组合见表,2-23,。,表,2-23,钻柱组合设计结果,