06 钻柱.pptx

第1页：钻柱钻井工程

钻柱钻井工程

第2页：钻柱

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

第3页：钻柱的组成

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。

第4页：钻柱的作

• （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-StemTesting),又称中途测试。

第5页：钻柱的组成与作用

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)

第6页：钻柱的组成与作用

（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

第7页：正规

• （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

第8页：主要用于外加厚钻杆

• 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。

第9页：NC型系列接头

•NC型系列接头NC23，NC26，NC31，NC35，NC38，NC40，NC44，NC46，NC50，NC56，NC61，NC70，NC77NC—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

第10页：钻铤结构特点

• 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)。

第11页：稳定器类型

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。

第12页：钻柱的工作状态

（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。

第13页：钻柱的旋转运动形式

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。

第14页：纵向振动—钻头振动引起

（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。

第15页：钻柱的受力分析

（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

第16页：钻柱的工作状态与受力分析

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：WFB

第17页：其它轴向力的计算循环压降引起的附加

• （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：

第18页：中性点钻柱上轴向力等于零的点

（5）中性点钻柱上轴向力等于零的点(Ｎ点)(亦称中和点，Neutral Point )。

垂直井眼中钻柱的中性点高度：•式中：LN—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

第19页：设计内容

• 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。

第20页：钻柱尺寸选择

• （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

第21页：选择的基本原则

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。

第22页：钻铤长度的确定浮重原则

（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；KB—浮力系数；—井斜角，直井时，=0°。

第23页：钻杆柱强度设计

（三）钻杆柱强度设计1.强度条件Ft≤Fa式中：Ft—钻杆柱任一截面上的静拉伸载荷，kN；Fa—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，cm2；—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。

第24页：钻杆的最大允许拉伸力

（2）钻杆的最大允许拉伸力Fp：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Fa：①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。

②设计系数法（考虑卡瓦挤压）③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Fa

第25页：钻杆柱强度设计按最大安全静拉力

2.钻杆柱强度设计按最大安全静拉力Fa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：

第26页：每段钻杆满足强度条件

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。

第27页：钻柱设计

• 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;

第28页：强度较核

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,kNm；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APIRP7G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.

第29页：典型钻柱的设计举例

• 4．典型钻柱的设计举例（1）设计参数①井深:5000m
• ②井径:215.9mm(8-1/2in)
• ③钻井液密度:1.2g/cm3
• ④钻压:180kN
• ⑤井斜角:3°
• ⑥拉力余量:200kN(本例假设)
• ⑦卡瓦长度:406.4mm
• ⑧安全系数：1.30(本例假设)。（2）钻铤选择：①选用外径158.75mm(6-1/4in)、内径57.15mm(2-1/4in)钻铤，每米重力qc=1.33kN/m。②计算钻铤长度:

第30页：─最大钻压

式中:─最大钻压,180kN;─安全系数,取=1.18;─每米钻铤在空气中的重力,1.35kN/m；─浮力系数,计算得=0.85;─井斜角,=3°。

计算得：=180×1.18/(1.33×0.85×cos3°)=188(m)按每米钻铤9.1m计，需用21根钻铤,总长191m。

（3）选择第一段钻杆（接钻铤）①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。

②最大长度计算:最大安全静拉载荷为:Fa1=0.9Fy/St=0.9×1760/1.30=1218.46(kN)Fa1=0.9Fy/(σy/σt)=0.9×1760/1.42=1115.49(kN)Fa1=0.9Fy-MOP=0.9×1760-200=1384(kN)

第31页：由上面的计算可以看出

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)-191×1.35/284.69×10-3=3675(m)（4）选择第二段钻杆①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=2229.71kN。

②最大长度计算:最大安全静拉载荷计算如下:Fa2=0.9×2229.71/1.30=1543.645(kN)Fa2=0.9×2229.71/1.42=1413.196(kN)Fa2=0.9×2229.71-200=1806.739(kN)

第32页：钻柱设计

那么，第二段钻杆的最大允许长度为：=1413.196/287.69×10-3×0.856-.35×191+284.69×10-3×3675/284.69×10-3=1221(m)钻柱总长已超过设计井深。

第33页：最后设计的钻柱组合见表2

•最后设计的钻柱组合见表2-23。

表2-23钻柱组合设计结果

第34页：钻柱主要由哪几部分组成

• 钻柱主要由哪几部分组成？其主要功用有哪些？
• 钻柱在井下的运动形式可能有哪几种？
• 井下钻柱受到哪些力的作用？最主要的作用力是什么？
• 何谓钻柱的中性点？为什么要保证中性点落在钻铤上？
• 钻柱的哪些部位受力最严重？都受到什么载荷的作用？
• 钻柱设计应满足哪些要求？
• 在条件允许的情况下，为什么要尽可能选用大尺寸钻柱？
• 什么叫复合钻柱，使用复合钻柱有何优点？
• 钻杆柱设计主要考虑哪种力的作用？强度条件是什么？
• 什么叫最大安全静拉载荷？如何确定钻柱的最大安全静拉载荷？作业

第35页：某井用in钻头

11.某井用in钻头，7in钻铤（=1632N/m）和5in钻杆（=284.78N/m），设计钻压为180KN，钻井液密度为1.28g/cm3，试计算所需钻铤长度。

12.已知井深=1500m，钻压=14t，钻井液密度为1.38g/cm3，钻具结构为：in钻头+钻铤200m（=136.24kg/m）+5in钻杆1300m（=29.04kg/m）。

求中性点所在井深。

13.试计算由in内外加厚，壁厚为10.92mm的E级钻杆和in内外加厚，壁厚为10.54的E级钻杆组成的复合钻柱在密度为1.2g/cm3的钻井液中的可下深度。

若将in钻杆换成in内外加厚，壁厚为10.92mm的95（X）级钻杆，可下深度又是多少？

14.某井用in钻头钻至3500m，试根据以下条件进行钻柱设计：钻井液密度1.25g/cm3；钻压200KN；拉力余量MOP=450KN；安全系数1.3；卡瓦长度406.4mm，正常润滑；井斜角6°；库存钻具：钻铤：9in（=2860N/m）27m，7in钻铤（=1632N/m）81m，钻铤（=1362.4N/m）供应充足。

钻杆：E级5in钻杆（=284.78N/m）900m，95（X）级及105（G）级5in钻杆（=284.78N/m）供应充足。

作业