石油钻井行业钻柱力学计算
一、 不带工具接头的管材在斜井段临界弯曲力的计算：
式中：F c －临界弯曲力；lb ；
E －杨氏模量，30 ?1000000 psi(钢材)； I －管材的惯性矩， in 4；
W m －管材在钻井液中的重量，lb/in ；
R －管材与井眼的径向间隙，in ； θ－井斜角，?；
二、 带工具接头的管材在斜井段临界弯曲力的计算：
式中：F c －临界弯曲力；lb ；
W A －管材在空气中的重量，lb/in ；
I －管材的惯性矩， in 4；
A S －管材的横截面积，in 2；
M W －钻井液密度，lb/gal ；
D H －井眼直径，in ；
D TJ －工具接头外径，in ；
θ－井斜角，?；
2
/1sin 2??????????=R W I E F m c θ()2
/1sin 5.65550??????-?-??=TJ H W A c D D M W I F θ()2216
ID OD A I S +=
三、 摩擦扭矩的估算：
钻具在斜直井段的摩擦扭矩：
钻具在水平段的摩擦扭矩：
钻具在90?的弯曲井段中，如果钻压<0.33W M R 则：
如果钻压>0.33W M R 则：
式中：T －斜井段中的摩擦扭矩，ft-lb; T H －在水平井段中未接触井底旋转时的摩擦扭矩， ft-lb;
T O －在90?弯曲造斜井段造斜时的摩擦扭矩，ft-lb;
OD －旋转钻具的接头外径或钻铤外径，in; L －钻具长度，ft;
F －摩擦系数，在估算公式中取0.33; θ－井斜角，?；
W m －管材在钻井液中的重量，lb/in ；
R －总的造斜曲率半径，ft;
WOB －钻压，lb 。
24
sin θ
????=F L W OD T M 72
L
W OD T M H ??=72
R
W OD T M o ??=()R W WOB OD R W OD T M M D 33.046
72-+??=
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、钻柱的组成与功用 （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。 （二）钻柱的功用 (1)提供钻井液流动通道； (2)给钻头提供钻压； (3)传递扭矩； (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 （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 ?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。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 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。
钻井液常用计算 一、水力参数计算：(p196-199) 1、地面管汇压耗： Psur=C×MW×(Q/100)1.86×C1 Psur---地面管汇压耗，Mpa（psi）； C----地面管汇的摩阻系数； MW----井内钻井液密度，g/cm3(ppg); Q----排量，l/s(gal/min); C1----与单位有关的系数，当采用法定法量单位时，C1＝9.818；当采用英制单位时，C1＝1； ①钻具内钻井液的平均流速： V1=C2×Q/2.448×d2 V1-------钻具内钻井液的平均流速，m/s(ft/s)； Q-------排量，l/s(gal/min); d-------钻具内径，mm(in)； C2------与单位有关的系数。当采用法定计量单位时，C2＝3117采用英制单位时，C2＝1。 ②钻具内钻井液的临界流速 V1c=(1.08×PV＋1.08(PV2＋12.34×d2×YP×MW×C3)0.5)/MW×d×C4 V1c -------钻具内钻井液的临界流速，m/s(ft/s)； PV----钻井液的塑性粘度，mPa.s(cps); d------钻具内径，mm(in) MW----钻井液密度，g/cm3(ppg); C3、C4------与单位有关的系数。采用法定计量单位时，C3＝0.006193，C4＝1.078；采用英制单位时，C3＝1、C4＝1。 ③如果≤V1c，则流态为层流，钻具内的循环压耗为 P p=C5×L×YP/225×d＋C6×V1×L×PV/1500×d2 ④如果V1>V1c，则流态为紊流，钻具内的循环压耗为 P p=0.0000765×PV0.18×MW0.82×Q1.82×L＋C7/d4.82 P p---钻具内的循环压耗，Mpa(psi); L----某一相同内径的钻具的长度，m(ft)； V1-------钻具内钻井液的平均流速，m/s(ft/s)； d------钻具内径，mm(in) MW----钻井液密度，g/cm3(ppg); Q-------排量，l/s(gal/min);
摘要：零件的疲劳强度是一个值得深刻探讨的问题，在众多领域有着至关重要 的地位，零件的疲劳强度决定了其疲劳寿命，也就决定了对零件的选择和对这个器件的设计。本论文在参考多方资料，以及在平日学习中积累总结的经验之后，对零件疲劳强度的计算有了一些结论，得出影响导致零件疲劳的原因有破坏应力与循环次数之间量的变化影响，静应力的影响，应力集中的影响，零件绝对尺寸的影响，表面状态与强化的影响等方面。在分析零件疲劳产生原因之后，得出许多关系变化图与计算方法。运用这些计算方法，对零件疲劳极限进行了计算上的确定。并总结出疲劳强度在一些条件下的相关计算方法，如在简单应力状态，复杂应力状态下的不同。对疲劳强度安全系数的确定也进行了一系列分析，最后，尝试建立了疲劳强度的统计模型。 Abstract：The fatigue strength of parts is a worthy of deep discussion, have a vital role in many fields, the fatigue strength of parts determines its fatigue life, also decided on the part of the selection and the device design.This paper in reference to various data, and after the usual study accumulation experience, calculation of the fatigue strength of parts have some conclusion, that caused damage should change between force and the number of cycles of the causes of fatigue parts, the influence of static stress, effect of stress concentration, affects the absolute size, surface state and strengthening effect etc.. After the analysis of fatigue causes, draw many relationship graph and calculation method. Using the calculation method of fatigue limit, determined the calculation. And summarizes the related calculation under some conditions the method of fatigue strength, as in the simple stress state, the complex stress state under the different. Determination of the fatigue strength safety factor is also carried out a series of analysis, finally, try to establish a statistical model of fatigue strength. 关键词：零件疲劳寿命疲劳强度 Key word:Spare parts Fatigue life Fatigue strength
常 用 公 式 一、配泥浆粘土用量 二、加重剂用量 W 加=) ()(加重后加重剂原浆加重后泥浆量 加重剂 ρρρρρ V 三、稀释加水量 Q 水=) ()(水稀释后稀释后原浆原浆量 水ρρρρρ V 四、泥浆上返速度 V 返=) d (7.122 2钻具井径 D Q 五、卡点深度 (1) L=9.8ke/P (㎝、KN) (2)L=ｅEF/105P=Ke/P (㎝，t ，K=21F=EF/105 ，E=2.1×106 ㎏/㎝2) 5” 壁厚9.19 K=715 3 1/2壁厚9.35 K=491 ) ()(水土水泥浆泥浆量 土土ρρρρρ V W
六、钻铤用量计算 L t. =m.q.k p 式中p ---钻压，公斤, q --钻铤在空气中重,量公斤／米， K ---泥浆浮力系数， L t ---钻铤用量, 米, m---钻铤附加系数（１．２至１．３） 七、 泵功率 N=7.5 Q p （马力） 式中p －实际工作泵压（k g /cm 2）, Q –排量（l /s ） 八、钻头压力降 p 咀=4 e 22 d c Q .827.0ρ （kg /cm 2） 式中ρ－泥浆密度（g /cm 3）, Q –排量（l /s ）, C ---流量系数（取０．９５－０．９８５） d e ---喷咀当量直径（cm ），d e ＝2 3 2221 d d d 九、喷咀水功率 N 咀=7.5 Q p 咀＝4 e 23 d c Q .11.0 十、喷射速度过 v 射=2 e d Q 12.74c 十一、冲击力 F 冲 =2 e 2 d Q .12.74ρ 十二、环空返速V= 2 2 d D Q 12.74- 式中ρ－泥浆密度（g /cm 3）, Q –排量（l /s ）, C ---流量系数（取０．９５－０．９８５） d e ---喷咀当量直径（cm ），d e ＝ 2 3 2221 d d d ++ 十三、全角变化率—“井眼曲率”公式 COS ⊿E=COSa 1 COSa 2+Sina 1 Sina 2COSB 或⊿E=（a 12+ a 22-2 a 1 a 2 COSB ）1/2
钻柱强度计算新方法 韩志勇 （石油大学石油工程系，山东东营257062） 摘要 提出了一种钻柱强度计算新方法。可用于钻柱的强度设计和强度校核。新方法和传统方法相比，有以下五个特点：（1）对钻柱每一个断面都进行强度校核；（2）对管的内壁和外壁分别进行强度校核；（3）利用计算机进行断面上有关内力的计算；（4）用“液压系数”处理液压环境对钻柱轴向力的影响；（5）考虑液压环境引起的附加剪应力的影响。作者认为，“浮力系数”一次不甚恰当，应该用“液压系数”。详细地给出了各种液压环境下钻柱液压系数的计算公式及算例。并指出了新方法所属概念和共识的适用范围。 主题词 钻柱力学；钻井设计；强度；计算 0 引言 对钻柱在垂直井眼、倾斜井眼、弯曲井眼内，以及在循环条件下的轴向力计算问题，以有详细的论述和相关计算公式[1 ～4] 。但对一些问题的论述和钻柱强度计算公式的推导，还 有不完善的地方，本文对此作进一步阐述。文中给出的所有公式，均可按法定计量单位运算。使用常用单位时，应进行换算。 1 钻柱强度计算公式 1．1 安全系数和相当应力计算公式 微段的上断面的内缘处： N i =σs/σei )(3)(2 22ni mi bi a ei ττσσσ+++= 微段的上断面的外缘处： N o =σs/σeo )(3)(222no mo bo a eo ττσσσ+++= 式中，Ni 和No —分别为钻柱计算断面内缘、外缘处的强度安全数；
σs —钻柱钢材的最小屈服极限； σei 和σeo —分别为钻柱计算断面内、外缘处的相当应力； σa —钻柱计算断面上的轴向应力； σbi 和σbo —分别为钻柱计算断面内、外缘处的弯曲应力； τmi 和τni —分别为钻柱计算断面内缘处的扭应力和附加剪应力； τmO 和τnO —分别为钻柱计算断面外缘处的扭应力和附加剪应力； 1．2 轴向应力σa 的计算 σa =σz +σf +σp 式中，σz —由重力和液压力引起的轴向力； σf —钻柱轴向运动摩阻力引起的轴向应力； σp —钻压引起的轴向应力； 1．3 弯曲应力σbo 和σbi 的计算 若已知断面上的弯矩，可用下式计算： )(324 4i o i b bi D D D M ?=πσ ) (3244i o o b bo D D D M ?= πσ 若已知井眼曲率，可用下式计算： K ED i bi 21 =σ K ED o bo 2 1 =σ 若考虑接头影响，可用下式计算： )tanh(2U U K ED i bi =σ ) tanh(2U U K ED o bo =σ 其中，ρ??= L U 2 1 EI F z = ρ 式中，M b —计算断面的弯矩；
1．某井用Φ127mm 钻杆(372.4 N/m )2200m ，Φ184.20mm 钻铤 (1737N/m )60m 、Φ158.8mm 钻铤(1328N/m )100m 及Φ216mm 钻头，钻井液密度1.2 g/cm 3 。钻进时加钻压180kN ，套管钢材密度为7.8g/cm 3，求中性点位置。（10分） [解]：① =-=s m f K ρρ10.846 ② =11c c f L q K 88.17千牛<180千牛， 故中性点落在Φ158.8mm 的钻铤上 ③设中性点高度（距井底距离）为N L 米 21 11c f c c f c N q K L q K P L L -+==60+81.736=141.736米 2．某井采用喷射钻井技术进行钻进，钻进到某一井深时的泵压为18MPa ，所用排量为30 l/s ，钻井液密度为1.3g/cm 3。此时循环系统的循环压耗系数K l =0.0223MPa(l/s)1.8。已知钻头上使用3个等直径喷嘴，喷嘴的流量系数为0.96。试判断：此时钻头上喷嘴直径是多大?（14分） [解]： ①8.1Q K P l l ?==10.19MPa ②由l b S P P P += 得：81.7=-=l s b P P P MPa ③由422022 081.005.0e b Cd Q A C Q P ρρ== 得：4229081.0b P C Q d ρ==1.1cm = 11mm 3．某井使用密度为1.3g/cm 3的钻井液钻至3800m 时发生井涌，关井后求得关井 立管压力为4MPa ，关井套管压力为5.5MPa 。 （1）求压井用的钻井液密度； （2）已知上一层套管下深2500m ，该处地层破裂压力的当量密度为 1.98g/cm 3，假设侵入井眼的地层流体还没有上窜到套管环空内，求允许的最大关 井套压。（12分） 解：（1）压井所需要的钻井液密度： 407.13800 00981.043.100981.01=?+=+=D p sp d d ρρg/cm 3 （2）允许的关井套压max i p t f t d i D D p ρρ00981.000981.0max ≤+
学科前沿油气井杆管柱力学结课报告 学院：车辆与能源学院 专业：石油与天然气工程 学生姓名：李欣 学号：S130******** 指导教师：李子丰教授
研究油气井内的杆管柱力学问题。首先由美国 A Lubinski 于1951年开始研究，李子丰于1996年出版《油气井杆管柱力学》（石油工业出版社），2008年趋于完善《油气井杆管柱力学及应用》（石油工业出版社）。主要内容为：油气井杆管柱及其在井下的运动状态、油气井杆管柱的载荷和失效方式，油气井杆管柱动力学基本方程及其在分析油气井杆管柱的稳定性、杆管柱的稳态拉力和扭矩、钻柱振动、下部钻具三维力学分析与井眼轨道预测、有杆泵抽油系统参数诊断与预测、热采井管柱力学分析和固井等方面的应用。 真理是世界上最珍贵的信仰，为了这一信仰，科研道路上涌现出了一批批坚定不移的科学家，他们用自己的执著和智慧为世人点亮了一盏盏明灯。燕山大学的李子丰教授就这样一位执著追求、甘于奉献的学者。自从事石油事业以来，李子丰教授十年如一日地辛勤工作，把自己的青春和热血都奉献给了祖国的石油事业，同时也对哲学和物理学领域的基本难题进行了深入不懈的研究。 如果说，科学研究是发现真理的舞台，那么，李子丰教授就是这舞台闪烁的明星，他身上体现出的一种为真理而献身的执著精神和勇敢正直的人格，不愧为我们当代年轻人学习的楷模。 结合石油工程科学和技术发展的需要，李子丰创立了有特色的油气井杆管柱力学理论体系。该理论体系主要包括：油气井杆管柱动力学基本方程；斜直井段杆管柱稳定性力学分析的数学模型；油气井杆管柱的稳态拉力——扭矩模型；试油管柱力学分析的数学模型；压裂管柱力学分析的数学模型；定向井有杆泵抽油系统动态参数诊断与仿真的数学模型；钻柱纵向振动、扭转振动、纵向与扭转耦合振动的数学模型；下部钻具三维力学分析的数学模型；热采井套管柱力学分析的数学模型及预膨胀固井技术；割缝筛管力学分析的数学模型。如今，依据这些理论模型所编写的软件，已经广泛地应用于我国石油钻采作业中。 同时，上述研究成果基本上都是国家“八五”重点科技攻关项目石油水平井钻井成套技术、国家“九五”重点科技攻关项目侧钻水平井钻井采油配套技术和“863”项目海底大位移井井眼轨道控制技术的研究内容，不但在理论上取得了较大进步，在经济上也获得了巨大的效益，赢得了国内外石油工程界和力学界的一致好评。 油气井杆管柱在充满流体的狭长井筒内工作,在各种力的作用下, 处于十分复杂的变形和运动状态。对油气井杆管柱进行系统的、准确的力学分析, 可以达到如下目的: (1) 快速、准确、经济地控制油气井的井眼轨道; (2) 准确地校核各种杆管柱的强度, 优化杆管柱设计; (3) 优化油气井井眼轨道;
第二次在线作业 单选题 (共40道题) 1.（ 2.5分）作用在钻头上的压力简称钻压。钻压大小由司钻控制（）进行调节。 ? A、钻具高度 ? B、钻井泵排量 ? C、钻具悬重 ? D、钻井泵压力 我的答案：C 此题得分：2.5分 2.（2.5分）钻头转速，对转盘钻而言，即（）转速。 ? A、水龙头 ? B、大钩 ? C、转盘 ? D、井下动力钻具的转子 我的答案：C 此题得分：2.5分
3.（2.5分）钻井液性能通常用（）表示 ? A、比重、粘度和切力 ? B、比重、温度和切力 ? C、比重、粘度和拉力 ? D、比重、温度和拉力 我的答案：A 此题得分：2.5分 4.（2.5分）平衡压力钻井是指钻井过程中保持井内（）相等。 ? A、钻井液动压力与地层孔隙压力 ? B、钻井液静压力与钻井液动压力 ? C、钻井液静压力与地层孔隙压力 ? D、地层膨胀压力与地层孔隙压力 我的答案：A 此题得分：2.5分 5.（2.5分）钻机有（）项主要参数。 ? A、2 ? B、4 ? C、6 ? D、8 我的答案：D 此题得分：2.5分
6.（2.5分）方钻杆由（ )悬持。 ? A、控制系统 ? B、循环系统 ? C、传动系统 ? D、起升系统 ? E、辅助系统 我的答案：D 此题得分：2.5分 7.（2.5分）以下说法，（）正确。 ? A、转盘旋转钻井法中，起升系统由井架、天车及游车组成，以悬持、提升和下放钻柱。 ? B、转盘旋转钻井法中，起升系统由井架、天车、游车、大钩及绞车组成，以悬持、提升和下放钻柱。 ? C、转盘旋转钻井法中，起升系统由天车、游车、大钩及绞车组成，以悬持、提升和下放钻柱。 ? D、转盘旋转钻井法中，起升系统由天车、游车、大钩及水龙头组成，以悬持、提升和下放钻柱。 我的答案：B 此题得分：2.5分 8.（2.5分）以下说法，（）正确。 ? A、转盘旋转钻井法中，工作时，动力机驱动绞车，通过水龙头带动井中钻杆柱，从而带动钻头旋转。 ? B、转盘旋转钻井法中，工作时，动力机驱动水龙头带动井中钻杆柱，从而带动钻头旋转。
第一章管柱结构及力学分析 1.1水平井修井管柱结构 1.1.1修井作业的常见类型 修井作业的类型很多，包括井筒清理类的、打捞落物类的、套管修补类的。 1）井筒清理类 （1）冲砂作业。 （2）酸化解堵作业。 （3）刮削套管作业。 2）打捞类 （1）简单打捞作业。 （2）解卡打捞作业。 （3）倒扣打捞作业。 （4）磨铣打捞作业。 （5）切割打捞作业。 3）套管修补类 （1）套管补接。 （2）套管补贴。 （3）套管整形。 （4）套管侧钻。 在各种修井作业中，打捞作业约占2/3以上。井下落物种类繁多、形态各异，归纳起来主要有管类落物、杆类落物、绳类落物、井下仪器工具类落物和小零部件类落物。1.1.2修井作业的管柱结构 1）冲砂：前端接扶正器和冲砂喷头。
图1 冲砂管柱结构2）打捞：直接打捞，下常规打捞工具。 图2 打捞管柱结构3）解卡：水平段需下增力器和锚定器。 图3 解卡管柱结构
4）倒扣：水平段需下螺杆钻具和锚定器。 图4 倒扣管柱结构5）磨铣：水平段需下螺杆钻具、锚定器和铣锥。 图5 磨铣管柱结构6）酸化：分段酸化需下封隔器。 图6 分段酸化管柱结构
1.1.3刚性工具入井的几何条件 在水平井打捞施工中，经常使用到大直径、长度较大的工具，工具能否顺利通过造斜率较大的井段是关系到施工的成败关键，对刚性工具，如果工具过长或工具支径过大，工具通过最大曲率处将发生干涉。 对于简单的圆柱形工具，从图7可以得出工具通过最大曲率井段的极限几何关系为： 22)d 2/D R (2)/D (R 2L +--+= 式中：L —工具长度；R —曲率半径；D —套管直径；d —工具直径。 图7 简单工具入井极限几何关系 图8 刚性工具串入井极限几何关系 对于复杂外形的工具或刚性工具串，从图8可以得出工具通过最大曲率井段的极限几何关系为： 222212)2 d 2d 2D R ()2D R ()2d 2d 2D R ()2D (R L ++--++++--+ = 式中：L —工具长度；R —曲率半径；D —套管直径；d —工具中部直径；d 1—工具上端直径；d 2—工具下端直径。 1.2修井管柱力学分析 1.2.1修井管柱工况分析 1）修井作业管柱受力类型 （1）上提或下放作业。 上提下放过程中，管柱可能受到的力有：套管压力、油管压力、大钩拉力、重力、浮力、接触反力、摩擦力、抽吸作用力、惯性力。
第五章 钻柱 第一节 钻柱的工作状态及受力分析 一、工作状态 起下钻时： 钻柱处于悬持状态－－受拉伸(自重)，直线稳定状态 正常钻进： Ｐ＜Ｐ1 直线稳定 Ｐ1≤Ｐ＜Ｐ2 一次弯曲 Ｐ2≤Ｐ＜Ｐ3 二次弯曲 钻柱旋转→扭矩 离心力→下部弯曲半波缩短 上部弯曲半波增长（上部受拉） 结论：变节距的空间螺旋弯曲曲线形状 钻柱在井内可能有4种旋转形式：(P96) a.自转： b.公转：沿井壁滑动。 c.自转和公转的结合：沿井壁滚动。 d.整个钻柱作无规则的摆动： 二、钻柱在井下的受力分析 (1) 轴向拉应力与压应力 拉应力：由钻柱自重产生，井口最大，起钻和卡钻时产生附加拉力。 压应力：由钻压产生，井底最大。应力分布(P97，图3-2) 轴向力零点：钻柱上即不受拉也不受压的一点。 中和点：该点以下钻柱在液体中的重量等于钻压。 (2) 剪应力(扭矩)：旋转钻柱和钻头所需的力，井口最大。 (3) 弯曲应力：钻柱弯曲并自转时产生交变的拉压应力。 井眼弯曲→钻柱弯曲 1 32
(4) 纵向、横向、扭转振动 (5) 其他外力：起下钻动载（惯性）,井壁磨擦力，钻柱旋转时因离心力引起的弯曲。 综合以上分析：工况不同，应力作用不同，需根据实际工况确定应力状态。 (1) 钻进时钻柱下部：轴向压力、扭矩、弯曲力矩、交变应力； (2) 钻进和起下钻时井口钻柱：拉力、扭力最大＋动载 (3) 钻压、地层岩性变化引起中和点位移产生交变载荷。 第二节 钻井过程中各种应力的计算 一、轴向应力计算 （一）上部拉应力计算 1、钻柱在泥浆中空悬 浮力：αρ????=F L g B m α——考虑钻杆接头和加厚影响的重量修正系数，1.05～1.10 钻柱在空气中的重力：αρ????=F L g Q s a 井口拉力：B Q Q a -= a f Q K Q ?= 浮力系数：)1(s m f K ρρ-= ρs －－钢的密度，7.85 g/cm 3 拉应力：F Q t =σ 注意计算井口以下任一截面上的拉力不能直接用浮力系数法计算。 2、钻进时 F P B Q a t --=σ
这部分要求大家掌握： 影响疲劳强度的主要因素包括，应力幅，应力循环次数，结构构造细节（构造细节决定了应力集中程度，教材按照规范把不同的构造分成了8种类型），疲劳强度的计算。 疲劳破坏属于脆断。 GB50017-2003规定，小结如下： 1、直接承受动力荷载重复作用的钢结构及其连接，当应力变化的循环次数n 等于或大于5万次时（美国规范是2万次），应进行疲劳计算； 2、应力循环中不出现拉应力的部位，可不计算疲劳； 3、计算疲劳时，应采用荷载的标准值； 4、对于直接承受动力荷载的结构，计算疲劳时，动力荷载标准值不乘动力系数； 5、疲劳计算应采用容许应力幅法，应力按弹性状态计算。区分为常幅疲劳和变幅疲劳。常幅疲劳计算如下：Δσ≤[Δσ] Δσ——对焊接部位为应力幅，Δσ=σmax -σmin 对非焊接部位为折算应力幅，Δσ=σmax -0.7σmin βσ/1][?? ? ??=?n C ，n ——应力循环次数；C 、β参数，查表确定。 6、规定不适用于特殊条件（如构件表面温度大于150℃，处于海水腐蚀环境，焊后经热处理消除残余应力以及低周-高应变疲劳条件等）下的结构构件及其连接的疲劳计算。 规范存在的问题： （1）不出现拉应力的部位可不计算疲劳。但对出现拉应力的部位，例如 σmax =140MPa 、σmin =-10MPa 和σmax =10MPa 、σmin =-140MPa 两种应力循环，Δσ都是150， 按规范计算疲劳强度相同，显然不合理。 （2）螺栓受拉时，螺纹处的应力集中很大，疲劳强度很低，常有疲劳破坏的实例，但规范没有规定，应予补充。
【计算例题】 某承受轴心拉力的钢板，截面为400mm ×20mm ，Q345钢，因长度不够而用横向对接焊缝如图所示。焊缝质量为一级，焊缝表面加工磨平，。钢板承受重复荷载，预期循环次数610=n 次，荷载标准值0,1365min max ==N kN N ，荷载设计值kN N 1880=。试进行疲劳计算。 提示：容许应力幅βσ/1][?? ? ??=?n C ，4,1061.812=?=βC ，2/295mm N f =。 更详细些的规定（不需要大家掌握）：GB50017-2003规范对疲劳计算所作的说明 6.1一般规定 6.1.1本条阐明本章的适用范围为直接承受动力荷载重复作用的钢结构，当其荷载产生应力变化的循环次数4105?≥n 时的高周疲劳计算。需要进行疲劳计算的循环次数，原规范规定为510≥n 次，考虑到在某些情况下可能不安全，参考国外规定并结合建筑钢结构的实际情况，改为4105?≥n 次。 6.1.2本条说明本章的适用范围为在常温、无强烈腐蚀作用环境中的结构构件和连
第二节钻柱与下部钻具组合设计 一、钻柱设计与计算 合理的钻柱设计是确保优质、快速、安全钻井的重要条件。尤其是对深井钻井，钻柱在井下的工作条件十分复杂与恶劣，钻柱设计就显得更加重要。 钻柱设计包括钻柱尺寸选择和强度设计两方面内容。在设计中，一般遵循以下两个原则： 第一，满足强度（抗拉强度、抗击强度等）要求，保证钻柱安全工作； 第二，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 具体对一口井而言，钻柱尺寸的选择首先取决于钻头尺寸和钻机的提升能力。同时，还要考虑每个地区的特点，如地质条件、井身结构、钻具供应及防斜措施等。常用的钻头尺寸和钻柱尺寸配合列于表2-21供参考。 表2-21 钻头尺寸与钻柱尺寸配合 从上表可以看出，一种尺寸的钻头可以使用两种尺寸的钻具，具体选择就要依据实际条件。选择的基本原则是： 1．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．钻机提升能力允许的情况下，选择大尺寸钻杆是有利的。因为大尺寸钻杆强度大，水眼大，钻井液流动阻力小，且由于环空较小，钻井液上返速度高，有利于携带岩屑。入境的钻柱结构力求简单，以便于起下钻操作。国内各油田目前大都用127mm(5 in)钻杆。 3．钻铤尺寸决定着井眼的有效直径，为了保证所钻井眼能使套管或套铣筒的顺利下入，钻铤中最下部一段（一般应不少一立柱）的外径应不小于允许最小外径，其允许最小钻铤外径为 允许最小钻铤外径＝2×套管接箍外径－钻头直径 当钻铤柱中采用了稳定器，可以选用稍小外径的钻铤。钻铤柱中选用的最大外径钻铤应以保证在可能发生的打捞作业中能够被套铣为前提。 在大于241.3mm的井眼中，应采用复合钻铤结构。但相邻两段钻铤的外径一般以不超过25.4mm为宜。 4．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用钻铤的直径。近些年来，在下部钻具组合中更多的使用大直径钻铤，因为使用大直径钻铤具有下列优点： 1）用较少的钻铤满足所需钻压的要求，减少钻铤，也可减少起下钻时连接钻铤的时间； 2）高了钻头附近钻柱的刚度，有利于改善钻头工况； 3）铤和井壁的间隙较小，可减少连接部分的疲劳破坏； 4）利于放斜。 （二）钻铤长度的确定 钻铤长度取决于钻压与钻铤尺寸，其确定原则是：保证在最大钻压时钻杆不承受压缩载
计算公式 1、钻井液配制与加重的计算 （1）配制低密度钻井液所需粘土量 水 土水 泥土泥土 ） （ρ-ρρ-ρρ=V W 式中： 土W ---所需粘土重量，吨（t ）； 土ρ -- 粘土密度，克/厘米3（g/cm3） 水ρ -- 水的密度，克/厘米3（g/cm3） 泥ρ -- 欲配制的钻井液的密度，克/厘米3（g/cm3） 泥 V 欲配制的钻井液的体积，米3（m3） (2)配制低密度钻井液所需水量 土 土泥水ρ-=W V V 式中： 水V ---所需水量，米3（m3）； 土ρ -- 所用粘土密度，克/厘米3（g/cm3） 土 W -- 所用粘土的重量，吨（t ） 泥V -- 欲配制的钻井液的体积，米3（m3） （3）配制加重钻井液的计算 ①对现有体积的钻井液加重所需加重剂的重量 重 加原 重加原加 ） （ρ-ρρ-ρρ=V W
式中： 加W ---所需加重剂的重量，吨（t ）； 原ρ -- 原有钻井液的密度，克/厘米3（g/cm3） 重ρ -- 钻井液欲加重的密度，克/厘米3（g/cm3） 加ρ -- 加重剂的密度，克/厘米3（g/cm3） 原 V -- 原有钻井液的体积，米3（m3） ②配制预定体积的加重钻井液所需加重剂的重量 原 加原 重加重加 ） （ρ-ρρ-ρρ=V W 式中： 加W ---所需加重剂的重量，吨（t ）； 原ρ -- 原有钻井液的密度，克/厘米3（g/cm3） 重ρ -- 钻井液欲加重的密度，克/厘米3（g/cm3） 加ρ -- 加重剂的密度，克/厘米3（g/cm3） 重 V -- 加重后钻井液的体积，米3（m3） ③用重晶石加重钻井液时体积增加 2 1 224100(v ρ-ρ-ρ=.） 式中： v ---每100m3原有钻井液加重后体积增加量，米3（m3）； 1ρ -- 加重前钻井液的密度，克/厘米3（g/cm3） 2 ρ -- 加重后钻井液达到的密度，克/厘米3（g/cm3）
螺栓疲劳强度计算分析 摘要：在应力理论、疲劳强度、螺栓设计计算的理论基础之上，以疲劳强度计算所采取的三种方法为依据，以汽缸盖紧螺栓连接为研究对象，进行本课题的研究。假设汽缸的工作压力为0~1N/mm2=之间变化，气缸直径D2=400mm，螺栓材料为5.6级的35钢，螺栓个数为14，在F〞=1.5F，工作温度低于15℃这一具体实例进行计算分析。利用ProE建立螺栓连接的三维模型及螺杆、螺帽、汽缸上端盖、下端盖的模型。先以理论知识进行计算、分析，然后在分析过程中借助于ANSYS有限元分析软件对此螺栓连接进行受力分析，以此验证设计的合理性、可靠性。经过近几十年的发展，有限元方法的理论更加完善，应用也更广泛，已经成为设计，分析必不可少的有力工具。然后在其分析计算基础上，对于螺栓连接这一类型的连接的疲劳强度设计所采取的一般公式进行分类，进一步在此之上总结。 关键词：螺栓疲劳强度，计算分析，强度理论，ANSYS 有限元分析。
Bolt fatigue strength analysis Abstract:In stress fatigue strength theory， bolt， design calculation theory foundation to fatigue strength calculation for the three methods adopted according to the cylinder lid， fasten bolt connection as the object of research， this topic research. Assuming the cylinder pressure of work is 0 ~ 1N/mm2 changes， cylinder diameters between = = 400mm， bolting materials D2 for ms5.6 35 steel， bolt number for 14， in F "= 1.5 F below 15 ℃， the temperature calculation and analysis of concrete examples. Using ProE establish bolt connection three-dimensional models and screw， nut， cylinder under cover， cover model. Starts with theoretical knowledge calculate，analysis， and then during analysis， ANSYS finite element analysis software by this paper analyzes forces bolt connection， to verify the rationality of the design of and reliability. After nearly decades of development， the theory of finite element method is more perfect， more extensive application， has become an indispensable design， analysis the emollient tool. Then in its analysis and calculation for bolt connection， based on the type of connection to the fatigue strength design of the general formula classification， further on top of this summary. Keywords: bolt fatigue strength， calculation and analysis， strength theory，ANSYS finite elements analysis.
疲劳强度计算 一、变应力作用下机械零件的失效特征 1、失效形式：疲劳（破坏）（断裂）——机械零件的断裂事故中，有80%为疲劳断裂。 2、疲劳破坏特征： 1）断裂过程：①产生初始裂反（应力较大处）；②裂纹尖端在切应力作用下，反复扩展，直至产生疲劳裂纹。 2）断裂面：①光滑区（疲劳发展区）；②粗糙区（脆性断裂区）（图2-5） 3）无明显塑性变形的脆性突然断裂 4）破坏时的应力（疲劳极限）远小于材料的屈服极限。 3、疲劳破坏的机理：是损伤的累笱 4、影响因素：除与材料性能有关外，还与γ，应力循环次数N ，应力幅a σ主要影响 当平均应力m σ、γ一定时，a σ越小，N 越少，疲劳强度越高 二、材料的疲劳曲线和极限应力图 疲劳极限)(N N γλτσ—循环变应力下应力循环N 次后材料不发生疲劳破坏时的最大应力称为材料的疲劳极限 疲劳寿命（N ）——材料疲劳失效前所经历的应力循环次数N 称为疲劳寿命 1、疲劳曲线（N γσ-N 曲线）：γ一定时，材料的疲劳极限N γσ与应力循环次数N 之间关系的曲线 0N —循环基数 γσ—持久极限 1）有限寿命区 当N <103(104)——低周循环疲劳——疲劳极限接近于屈服极限，可接静强度计算 )10(1043≥N ——高周循环疲劳，当043)10(10N N ≤≤时，N γσ随N ↑→N σσ↓ 2）无限寿命区，0N N ≥ γγσσ=N 不随N 增加而变化 γσ——持久极限，对称循环为1-σ、1-τ，脉动循环时为0σ、0τ 注意：有色金属和高强度合金钢无无限寿命区，如图所示。 3）疲劳曲线方程))10(10(04 3N N ≤≤ C N N m m N =?=?0γγσσ——常数
第四节 钻井常用计算公式 一、井架基础的计算公式 （一）基础面上的压力 P 基= 式中：P 基——基础面上的压力，MPa ； n ——动负荷系数（一般取1.25~1.40）； Q O ——天车台的负荷=天车最大负荷+天车重量，t ； Q B ——井架重量，t ； （二）土地面上的压力 P 地=P 基+W 式中：P 地——土地面上的压力，MPa; P 基——基础面上的压力，MPa; W ——基础重量，t （常略不计）。 （三）基础尺寸 1、顶面积F 1= 式中：F 1——基础顶面积，cm2； B 1——混凝土抗压强度（通常为28.1kg/cm2=0.281MPa) 2、底面积F 2= 式中：F 2——基础底面积，cm 2 ； B 2——土地抗压强度，MPa ； P 地——土地面上的压力，MPa 。 3、基础高度 式中：H ——基础高度，m ； F2、F1分别为基础的底面积和顶面积，cm 2 ； P 基——基础面上的压力，MPa ； B 3——混凝土抗剪切强度（通常为3.51kg/cm 2=0.351MPa ）。 （二）混凝土体积配合比用料计算 1、计算公式 nQ O +Q B 4 P B P B
配合比为1∶m ∶n=水泥∶砂子∶卵石。根据经验公式求每1m 3 混凝土所需的各种材料如下： 2、混凝土常用体积配合比及用料量，见表1-69。 表1-69 混凝土常用体积配合比及用料量 二、井身质量计算公式 （一）直井井身质量计算 1、井斜角全角变化率
式中：G ab——测量点a和b间井段的井斜全角变化率，（°）/30m； △L ab——测量点a和b间的井段长度，m； αa——测量点a点处的井斜角，°； αb——测量点b点处的井斜角，°； △Φab——测量点a和b之间的方位差，△Φab=Φb-Φa，°。 2、井底水平位移 式中：S Z——井底水平位移，m； N O——井口N座标值，m； N n——实际井底N座标值，m； E O——井口E座标值，m； E n——实际井底E座标值，m。 3、最大井斜角 根据井深井斜测量数据获取或井斜测井资料获得。 4、平均井径扩大系数 式中：C p——平均井径扩大系数，无因次量 D实——实际平均井径，mm； D b——钻头名义直径，mm。 5、最大井径扩大系数 式中：C max——最大井径扩大系数，无因次量； D max——实际最大井径，mm； D b——钻头名义直径，mm。 （二）定向井井身质量计算 1、井斜全角变化率计算公式同（一） 2、定向井井底水平偏差距 式中：S s——定向井井底水平偏差距，m； N d——设计井底座标，m；
钻井计算公式(精典) 1、卡点深度: L=eEF/105P=K×e/P 式中:L-----卡点深度米 e------钻杆连续提升时平均伸长厘米 E------钢材弹性系数=2、1×106公斤/厘米2 F------管体截面积。厘米2 P------钻杆连续提升时平均拉力吨 K------计算系数 K=EF/105=21F 钻具被卡长度l: l=H-L 式中H-----转盘面以下的钻具总长米 注:K值系数5＂=715(9、19) 例:某井在井深2000米时发生卡钻,井内使用钻具为壁厚11毫米的59/16＂钻杆,上提平均拉力16吨,钻柱平均伸长32厘米,求卡点深度与被卡钻具长度。 解:L=Ke/P 由表查出壁厚11毫米的59/16＂钻杆的K=957 则:L=957×32/16=1914米 钻具被卡长度: L=H-L=2000-1914=86米 2、井内泥浆量的计算 V=D2H/2或V=0、785D2H 3、总泥浆量计算 Q=q井+q管+q池+q备 4、加重剂用量计算: W加=r加V原(r重-r原)/r加-r重 式中:W加----所需加重剂的重量, 吨 r原----加重前的泥浆比重, r重----加重后的泥浆比重 r加---加重料的比重 V原---加重前的泥浆体积米3 例:欲将比重为1、25的泥浆200米3,用比重为4、0的重晶石粉加重至1、40,需重晶石若干？解:根据公式将数据代入: 4×200(1、40-1、25)/4、0-1、40=46吨 5、降低泥浆比重时加水量的计算 q=V原(r原-r稀)/r稀-r水 式中:q----所需水量米3 V原---原泥浆体积米3 r稀---稀释后泥浆比重 r水----水的比重(淡水为1) r原---原泥浆比重
第三章钻柱（Drill String） 钻柱是快速优质钻井的重要工具，它是连通地面与地下的枢纽。在转盘钻井时是靠它来传递破碎岩石所需的能量，给井底施加钻压，以及向井内输送洗井液等。在井下动力钻井时，井底动力机是用钻柱送到井底并靠它承受反扭矩，同时涡轮钻具和螺杆钻具所需的液体能量也是通过钻柱输送到井底的。在钻井过程中，钻头的工作、井眼的状况、甚至井下地层的各种变化，往往是通过钻柱及各种仪表才能反映到地面上来。合理的钻井技术参数及其他技术措施，也只能在正确使用钻柱的条件下才能实现。除正常钻进外，钻井过程中的其他各种作业，如取心、处理井下复杂情况、地层测试、挤水泥、打捞落物等都是依靠钻柱进行的。 钻柱由不同的部件组成，它的组成随着钻井条件和方法的不同而有所区别。其基本组成部分是：方钻杆、钻杆、钻铤、稳定器及接头。方钻杆的作用是将地面转盘的功率传递给钻杆，以带动钻头旋转。钻杆的作用是将地面所发出的功率传递给钻头，并靠钻杆的逐渐加长使井眼不断加深，钻铤位于钻杆的下面，直接与钻头（或井底动力机）连接，依靠其本身的重量进行加压，靠它和稳定器的各种组合来控制井眼的斜度，钻柱的各个不同组成部分的相互连接）是借助钻杆接头或配合接头来实现的。 随着近代钻井深度的不断增加，钻井工艺的不断发展，对钻柱的结构和性能要求越来越高。实践证明，几千米甚至近万米长的钻柱在井下的工作条件是比较复杂的，它往往是钻井设备和工具中比较薄弱的环节。为了快速优质安全地钻达预定深度，必须选用可靠的钻柱。这不仅要求从尺寸配合上选择合适的钻柱，而且应该根据钻柱在井下的工作条件，正确分析钻柱的受力情况，进行强度计算，合理地设计钻柱。特别值得注意的是，钻柱的破坏大多是疲劳破坏所引起的，所以有必要探讨疲劳破坏产生的机理和影响因素，采取各种减少疲劳破坏的技术措施，以便延长钻柱的使用寿命。 第一节钻柱的工作状态及受力分析 一、钻柱的工作状态 钻柱在井下的工作条件随钻井方式（转盘钻井或井下动 力钻井）、钻井工序（如正常钻进、起下钻等）的不同而 异。在不同的工作条件下，钻柱具有不同的工作状态，受到 不同的作用力。为了讨论钻柱的受力及强度设计，必须首先 了解钻柱在整个钻井过程中的工作状态。下面主要对转盘钻 井时钻柱的受力情况加以分析。 在钻井过程中，钻柱主要是在起下钻和正常钻进这两种 条件下工作，在起下钻时，钻柱不接触井底，整个钻柱处于 悬持状态，在自重作用下，钻柱处于受拉伸的直线稳定状 态。在正常钻进时，由于部分钻柱的重量作为钻压施加在钻 头上，使得下部钻柱受压缩，在钻压小和直井条件下，钻柱 也是直的，而当压力达到某一临界值时，下部钻柱将失去直 线稳定状态，而发持弯曲，并且在某个点（称为“切点”） 和井壁接触，这是钻柱第一次弯曲（Buckling of the first order）（图3-1中曲线Ⅰ）。如果继续加大钻压，