当前位置：文档之家 › 钻柱力一

钻柱力一

  • 格式：ppt
  • 大小：406.50 KB
  • 文档页数：36

下载文档原格式

  / 36

合集下载

第二章 2-钻柱

第二章 2-钻柱

二、钻柱的工作状态及受力
（一）钻柱的工作状态
钻柱主要是在起下钻和正常钻进这两种条件下工作的。 起下钻时，钻柱处于受拉伸的直线稳定状态。 正常钻进时，上部钻柱受拉伸而下部钻柱受压缩。
小钻压且井眼直时，钻柱是直的； 压力达到钻柱的临界压力值，下 部钻柱将失去直线稳定状态而发生弯 曲并与井壁接触于某个点(称为“切 点”)，这是钻柱的第一次弯曲 （Bulkling of the first oder)； 增大钻压，则会出现钻柱的第二 次弯曲或更多次弯曲。
级
105（G） 723.95 105000 930.79 135000 792.90 115000
135（S） 930.70 135000 1137.64 165000 999.74 145000
（3）钻杆接头及丝扣 钻杆接头是钻杆的组成部分，分公接头和母接头 钻杆接头壁厚较大，接头外径大于管体外径，用强度更
3、弯曲力矩(Bending Moment) 其大小与钻柱的刚度、 弯曲变形部分的长度及最大挠度等因 素有关。 4、离心力（Centrifugal force） 5、外挤压力(Collapsing Pressure)：中途测试和卡瓦悬持。 6、纵向振动(Axial Vibration)：钻柱中性点附近产生交变的 轴向应力。纵向振动和钻头结构、所钻地层性质、泵量不均匀、钻 压及转速当等因素有关。
式中： Fw —钻进时（有钻压）钻柱任一
截面上的轴向拉力，kN；
w —钻压，kN。
图2-36 钻柱轴向力分布
中性点：钻柱上轴向力为零的点(Ｎ点)(亦称中和点， Neutral Point )。
垂直井眼中钻柱的中性点高度可按下式确定：
LN
W qc K
式中： LN —中性点距井底的高度，m。

钻柱

钻柱

Fw = 0.9 Fy
Fw ：钻柱工作时允许受到的最大轴向载荷
Fy ：材料最小屈服强度下的抗拉力
2. 钻柱允许的最大静拉载荷 Fa
Fa ：钻柱在钻井液中重量产生的轴向载荷。
Fa < Fw
钻柱设计
2. 钻柱允许的最大静拉载荷 Fa 1）安全系数法 Fw Fa = Sp
S p ：设计安全系数 S p = 1.3 ~ 1.6
钻柱设计
1. 钻具尺寸的选择： 钻具组合书写表示方法： 215毫米钻头（钻头高度，m）+420×520（长度，m）+178毫 米钻铤（长度，m） +521×410 （长度，m） +159毫米钻铤 （长度，m） +127毫米钻杆（长度，m） +411×520 （长度 ，m） +133毫米方钻杆（方入，m）+水龙头（631反）
钻柱设计
2.钻铤长度的确定： 原则： 钻铤在泥浆中的重量为所需最大钻压的1.2～1.3倍。
S n ⋅ Wmax 计算公式为： Lc = qc ⋅ K b ⋅ cos α
Lc ——钻铤长度，米；
α ——井斜角,度
Wmax ——最大钻压，牛；
qc
Kb
Sn
——钻铤的每米重量，牛/米 ——浮力系数 ——设计安全系数
钻柱设计
1. 钻具尺寸的选择： 常用钻具组合： 12 ¼” 以上井眼： 钻头+9”钻铤+8”钻铤+7”钻铤+5”钻杆+5 ¼”方钻杆 8 1/2” 井眼： 钻头+ 6 1/2”钻铤+6 1/4”钻铤+5”钻杆+5 ¼”方钻杆 6” 井眼： 钻头+ 4 3/4”钻铤+3 1/2”钻杆+ 3 1/2”方钻杆

钻杆受力分析篇

钻杆受力分析篇

第三章钻受力分析3.1 作用在钻柱上的根本载荷钻柱的受力状态与所选用的钻井方式有关，不同的位置上作用不同的载荷。

概括起来，作用在钻柱上的根本载荷有以下几种：〔1〕轴向力。

处于悬挂状态下的钻柱，在自重作用下，由上到下均受拉力。

最下端的拉力为零，井口处的拉力最大。

在钻井液中钻柱将受到浮力的作用，浮力使钻柱受拉减小。

起钻过程中，钻柱与井壁之间的摩擦力以及遇阻、遇卡，均会增大钻柱上的拉伸载荷。

下钻时钻柱的承载情况与起钻时相反。

循环系统在钻柱内及钻头水眼上所耗损的压力，也将使钻柱承受的拉力增大。

钻铤以自重给钻头加钻压，造成钻柱下部处于压缩状态。

〔2〕径向挤压力。

应用卡瓦进展起下钻作业时，由于卡瓦有一定的锥角，在钻柱上引起一定的挤压力。

中途测试时，钻柱上也要承受管外液柱的挤压力。

〔3〕弯曲力矩。

弯曲力矩的产生是因钻柱上有弯曲变形存在；引起钻校弯曲变形的主要因素是给定的钻压值超过了钻柱的临界值。

在转盘钻井中，钻柱在离心力的作用下，亦会造成弯曲。

由于钻柱在弯曲井眼内工作，也将产生弯曲。

在弯曲状态，钻柱如绕自身轴线旋转，那么会产生交变的弯曲应力。

〔4〕离心力。

钻柱在钻压的作用下会产生弯曲，在一定的条件下，弯曲钻柱会围绕井眼中心线旋转而产生离心力，促使钻柱更加弯曲。

〔5〕扭矩。

钻头破碎岩石的功率是由转盘通过方钻杆传递给钻柱的。

出于钻柱与井壁和钻井液有摩擦阻力，因此钻柱所承受的扭矩井口比井底大。

但在使用井底动力钻具〔涡轮钻具、迪纳钻具等〕时，作用在钻柱上的反扭矩，井底大于井口。

〔6〕振动载荷。

使钻柱产生振动的干扰力也是作用在钻柱的重要载荷〔图 2-1〕。

在钻井过程中，用钻柱将钻头送至井眼底部并向钻头传递动力，靠钻头的牙齿、切削刃和射流破碎岩石形成井筒；通过钻柱中心的圆管向井下传递高压钻井液，靠钻井液的流动把岩石碎屑携至地面并从钻井液中除掉岩屑。

为了控制井眼钻进的方向，靠近钻头的一段钻柱外径和抗弯刚度较大，并在一定位置上安放一定规格的稳定器，下部钻柱只有稳定器和钻头接触井壁，钻柱本体那么不与井壁接触。

石油工程钻井钻柱力学-第二章 钻柱设计与负荷计算1-2节

石油工程钻井钻柱力学-第二章 钻柱设计与负荷计算1-2节


1）、由（2-6a、b）式得下段钻杆的：
Pamax = 0.9Py1/nn = 0.9886.025/1.3 = 613.46（kN） Mop = 0.9Py1- Pamax = 0.9886.025–613.46 = = 183.96445（kN） 这说明用式（2-6b）确定的拉力余量不符合设计前预选拉 力余量的要求。再看下段钻杆的受力情况：首先用拉力余 量445kN来计算Pamax，即： Pamax = 0.9Py2- Mop = = 0.93168.51– 445 = 2406.66（kN）
问题的讨论：也就是说为什么在确定最大允许静拉负荷时 ，既要选择安全系数、设计系数，又要考虑拉力余量呢？
下面通过实例加以说明。
若已知下段钻杆的钢级为D级、d01 = 88.9mm、q01 =194.14 N/m；上段钻杆的钢级为S-135、d02 =127.0mm、q02=284.78 N/m；已选择的拉力余量 Mop = 445 kN；安全nn = 1.3。 由钻井手册查到的两种钻杆钢级的Py值分别为：D级钢的 Py1 = 886.025 kN，S-135钢级的 Py2 = 3168.51 kN。试问 ：钻杆的最大允许静拉负荷？ 6
二、钻柱（钻杆、钻铤长度）设计与计算
钻柱的主要组成有方钻杆、钻杆、钻铤、稳定器位置和其 它井下工具。
1、钻柱下部钻铤的选择与用量计算
1）、钻铤的选择原则： 钻铤尺寸的选择取决于有效井径，大小一般为： Dhe = (Db+ Dc = ——（2-5） 1 0 0 t 2 Ls 2 Ls Pa max
1 2 2
式中：s——钻杆的屈服强度；
d0——钻柱外径； t——钻杆悬挂在吊卡下面的钻柱拉应力； Ls——卡瓦与钻杆的接触长度； K——卡瓦的横向负荷系数，K = 1/tg( )； ——卡瓦锥角，取92745。 ——卡瓦与钻杆之间的摩擦角。

钻柱受力分析

钻柱受力分析
5、方钻杆技术规范
❖ 方钻杆旋转时，上端始终处于转盘面以上， 下部则处在转盘面以下。方钻杆上端至水龙头 的连接部位的丝扣均为左旋丝扣(反扣)，以防 止方钻杆转动时卸扣。方钻杆下端至钻头的所 有连接丝扣均为右旋转扣(正扣)，在方钻杆带 动钻柱旋转时，丝扣越上越紧。为减轻方钻杆 下部接头丝扣(经常拆卸部位)的磨损，常在该 部位装保护接头。加上两端方保接头，全长 14～15米。
钻井工程
复习旧课：1、钻头的类型 2、金刚石钻头与 PDC钻头的 组成及区别； 3、 钻头的工作原理。
导入新课：钻头是破碎岩石的主要工具，需 要一定的钻压和转速，钻压和转速是由谁 产生和传递的呢？
第二章 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
四、本章需要10学时
第二章 钻 柱 §2-1 钻柱的作用与组成
❖ (2)公转。
❖ 钻柱像一个刚体，围绕着井眼轴线旋转并沿着井壁滑动。钻 柱公转时，不受交变弯曲应力的作用，但产生不均匀的单向 磨损(偏磨)，从而加快了钻柱的磨损和破坏。
第二章 钻 柱 §2-1 钻柱工作状态及受力分析
（3）公转与自转的结合 钻柱围绕井眼轴线旋转，同时围绕自身轴线转动，即
不是沿着井壁滑动而是滚动。在这种情况下，钻柱磨损均匀 ，但受交变应力的作用，循环次数比自转时低得多。 比较简单。 （4） 纵向振动—钻头振动引起，产生交变应力。
一、钻柱的作用
概念：钻柱是钻头以上，水龙头以下各部分的管柱 的总称。它包括方钻杆、钻杆、钻挺、 各种接头、及 稳定器等井下工具。 （一）、钻柱在钻井过程中的主要作用
1、为钻井液由井口流向钻头提供通道； 2、给钻头施加适当的压力(钻压)，使钻头的工作刃 不断吃入岩石； 3、把地面动力(扭矩等)传递给钻头，使钻头不断旋 转破碎岩石； 4、起下钻头； 5、根据钻柱的长度计算井深。

钻柱力学分析

钻柱力学分析

钻柱力学分析读者朋友，欢迎你来到这篇文章，这篇文章将为你提供一个深入的分析，关于叫做钻柱力学（Drilling Column Mechanics）的话题。

本文将概述钻柱力学的基本原理和它的在石油钻探中的应用，还将分析钻柱力学的可行性以及它在钻探方面的发展前景。

一、钻柱力学的基本原理钻柱力学的主要原理来自于两个优秀的物理原理：力的平衡和圆柱曲线力学。

力的平衡是指钻柱的各种力，如系统重力、钻柱扭矩、钻柱圆柱曲线力学及系统抗拉力，需要相互抵消，以维持力学稳定。

而圆柱曲线力学是指圆柱形轴向力的力学行为，可以用来计算钻柱的截面变形情况。

二、钻柱力学在石油钻探中的应用现代石油钻探技术中，钻柱力学是一个重要的因素，可以帮助工程师理解钻探过程中钻柱受力和变形的情况，以及如何确定在钻探过程中采取正确的措施。

此外，钻柱力学还可以用来估计井壁收敛变形，以及确定最佳钻柱尺寸，以减少钻井时间和成本。

三、钻柱力学的可行性在钻探过程中，钻柱受到各种不同的力，这些力会促使钻柱产生微小的变形，并在时间的推移中不断影响钻探过程的进展。

因此，利用钻柱力学可以有效地控制钻柱的受力状态，从而帮助钻探工程师在短时间内完成钻井。

此外，钻柱力学可以帮助建立仿真模型，以便工程师可以在实际钻探之前模拟出不同情况下的钻井受力和变形状况。

四、钻柱力学的发展前景由于石油钻探技术不断进步，钻柱力学在钻井过程中也将变得越来越重要。

目前，钻柱力学已经被广泛应用于石油钻探，但未来仍有很多空间可以改进和优化，如研发新型工具和材料，以及提高力学分析技术。

此外，研究人员正在尝试用钻柱力学来优化钻探布线，以减少钻探过程中的受力和变形。

总结以上是关于钻柱力学的详细介绍。

从上面可以看出，钻柱力学是一个非常重要的概念，它可以帮助工程师在短时间内完成钻井，而且在未来也会越来越受重视。

因此，为了提高石油钻探的效率，应该加强对钻柱力学的研究，以提升钻探技术水平。

第二节 钻柱

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)是水龙头以下、钻头以上钢管柱的总称。

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)钻柱组成(一）钻柱的组成钻柱是钻头以上，水龙头以下部分的钢管柱的总称.它包括方钻杆、钻杆、钻挺、各种接头(Joint)及稳定器等井下工具。

（二）钻柱的作用(见动画)(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，由无缝钢管制成。

1. 钻杆(3)连接方式及现状：a.细丝扣连接，对应钻杆为有细扣钻杆。

b.对焊连接，对应钻杆为对焊钻杆。

1. 钻杆(4)管体两端加厚方式：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)（5）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："21,"21 ,"21,"87 ,835139.70 ,500.127 430.1144101.60390.88 273.00 230.60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（6）钢级与强度钻 杆 钢 级物 理 性 能D E95（X）105（G）135（S）MPa379.21517.11655.00723.95930.70最小屈服强度lb/in2550007500095000105000135000 MPa586.05723.95861.85930.791137.64最大屈服强度lb/in285000105000125000135000165000 MPa655.00689.48723.95792.90999.74最小抗拉强度lb/in295000100000105000115000145000钢级：钻杆钢材等级，由钻杆最小屈服强度决定。

基于元胞自动机的钻柱力学模型建立和求解

（ 、二 、三维 ）系统 ； 一
（ ）各 元 胞 用 离 散 或 连 续 值 的参 数 来 描 述 其 ２
状态 ；
及与井 壁之 间接 触 的边 界条 件 和相对 运动 关系 十分 复杂 ，为 了解决钻 柱力 学 中的几 何非线 性 问题 和接 触非线 性 问题 ，合 理地 描述 钻柱 系统 ，必 须建立 相 当复杂 的力 学模型 和边 界条件 。 国外研 究 者用 多种 数 值模 拟方 法和解 析 方法对 钻柱 的力学 方 程做 了大
实 际工况 ；或 者 由于计算 繁琐 ，不 利于 工程应 用 。 基 于 以上 原 因 ，笔者 介绍 一种 建立 新 的钻柱 力
学模 型 的方法 ，这能 较好 地解 决几何 非 线性 和接 触
非线 性 问题 的模 型描 述 问题 ，并给 出具 体 的计算 方
法 ，为钻 柱力 学 的理 论研 究提 供新 的方 法 和思路 。
量的 研 究 工 作 ，取 得 了不 同 的研 究 成 果 ¨ 。但 是 ，这些 方法 或者 过于 简化 ，没有 充分 考虑 钻柱 的
（ ）各元胞仅与空间中的局部邻域相联系 ， ３ 所
考虑元 胞 的现状 态取 决于 它 的邻 域 ，与 邻域 外 的任 何 信 息无关 ；
（ ）元 胞 的状 态 将 按 某 种 确 定 的规 律 （ ４ 即元
引
言
胞 （ ｅ１ Ｃｌ ）集 组成 系统 ，它 可用 于描 述 具有 局 部 相 互 作用 的系 统所能 表 现 出来 的复 杂 的整 体行 为及其
演变 。元 胞 自动 机 的基 本 特 性 可 归 结 为 以下 ４个
方 面 ：
钻柱力 学 是石油 钻井 工程 学科 领域 的重要 理论 基础 ，井 下钻 柱力学 行 为特征 的研 究是 研究 钻柱 破

钻柱工作状态及受力分析

钻柱工作状态及受力分析一、钻柱的工作状态在钻井过程中，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，整个钻柱被悬挂起来，在自重力的作用下，钻柱处于受拉伸的直线稳定状态。

实际上，井眼并非是完全竖直的，钻柱将随井眼倾斜和弯曲。

在正常钻进时，部分钻柱（主要是钻铤）的重力作为钻压施加在钻头上，使得上部钻柱受拉伸而下部钻柱受压缩。

在钻压小和直井条大钻压，则会出现钻柱的第一次弯曲或更多次弯曲（图1）。

目前，旋转钻井所用钻压一般都超过了常用钻铤的临界压力值，如果不采取措施，下部钻柱将不可避免地发生弯曲。

在转盘钻井中，整个钻柱处于不停旋转的状态，作用在钻柱上的力，除拉力和压力外，还有由于旋转产生的离心力。

离心力的作用有可能加剧下部钻柱的弯曲变形。

钻柱上部的受拉伸部分，由于离心力的作用也可能呈现弯曲状态。

在钻进过程中，通过钻柱将转盘扭矩传送给钻头。

在扭矩的作用下，钻柱不可能呈平面弯曲状态，而是呈空间螺旋形弯曲状态。

根据井下钻柱的实际磨损情况和工作情况来分析，钻柱在井眼内的旋转运动形式可能是自转，钻柱像一根柔性轴，围绕自身轴线旋转；也可能是公转，钻柱像一个刚体，围绕着井眼轴线旋转并沿着井壁滑动；或者是公转与自转的结合及整个钻柱或部分钻柱做无规则的旋转摆动。

从理论上讲，如果钻柱的刚度在各个方向上是均匀一致的，那么钻柱是哪种运动形式取决于外界阻力（如钻井液阻力、井壁摩擦力等）的大小，但总以消耗能量最小的运动形式出现。

因此，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，既有自转，也有公转。

在钻柱自转的情况下，离心力的总和等于零，对钻柱弯曲没有影响。

这样，钻柱弯曲就可以简化成不旋转钻柱弯曲的问题。

在井下动力钻井时，钻头破碎岩石的旋转扭矩来自井下动力钻具，其上部钻柱一般是不旋转的，故不存在离心力的作用。

另外，可用水力荷载给钻头加压，这就使得钻柱受力情况变得比较简单。

二、钻柱的受力分析钻柱在井下受到多种荷载（轴向拉力及压力、扭矩、弯曲力矩）作用，在不同的工作状态下，不同部位的钻柱的受力的情况是不同的。

钻柱分析

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。

  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。

1 2
第一节

钻柱的工作状态与旋转特点
F（离心力）
1
一、钻柱的弯曲形式
1、起下钻空悬时，钻柱在自重作用下 ，处于受拉而呈直线状态。 2、钻进时下部钻柱处于受压缩状态。 钻压比较小（小于压杆稳定临界弯曲载 荷）时、钻柱在直井中也呈直线状态。 3、 当钻压达到或超过钻杆的某一临界 弯曲值时， 钻柱发生弯曲，并且在某点 （称之为“切点”）与井壁接触，又称 之 为钻柱的第一次弯曲（ Buckling of the First order），如图（1-1）中的 曲线 I；

1、轴向拉力、压力（Axial Tension and
Compression
）如 图1-4。
1）、当井内无流体时，钻柱上任意点的拉力只是由该点以 下钻柱在在空气中的重量产生， 2）、井内是充满泥浆时，钻柱最下端受静液柱压力的作用
拉
B A 压
B
钻铤
c
图 1-4
钻柱拉压，中和点位置示意图
8

x = r Cos
图1-2 发 生 螺 旋 弯 曲 的 钻 柱 的 几 何 形 状 示 意 图
1 6
由几何关系，推导出螺旋弯曲钻柱在井眼中的曲率 kp与（

包括摩擦力在内的力平衡关系）各个参数之间的表达式。 1、圆柱螺旋线参数方程的形式
x r cos
； y r sin ； z
p 2
Qt =（Qaa - F浮) 104 / Ap （帕）————(4)
14
2）、起钻时井口处的拉应力

（1）、起钻时作用在钻柱上部除了钻柱自重和泥浆浮力外 ，还作用有井壁对钻柱的摩擦力F、开始起钻时的加速阶 段产生的动载荷Qd，因此，井口拉应力为： Qt =（Qaa - F浮 + Ff + Qd） 104/Ap （帕）——(5) （2）、在斜井井口处拉应力（当井斜角、钻柱与井壁摩擦 力较大时）按下式计算：

其中：

Qh ( PD Pb ) Al 10 4
(N)
式中：PD、Pb——为动力钻具和钻头内压力降，帕； AL——为钻柱的流道截面面积，cm2；
2、下部钻柱所受压应力（Compressive Stress）
钻柱所受轴向压力是由施加给钻头的钻压、泥浆浮力引起 的。可按下述两种情况计算： 1）、在空悬或钻压较小时，钻柱保持直线状态，泥浆浮力 将由下向上集中作用在开始弯曲钻柱的最下端，大小取决 于最下端的深度，因此最下端所受压应力为：


石油工程钻柱力学

第一章 钻柱工况与受力计算
制作者 孙学增



大庆石油学院 石油工程院
二00五年六月—八月
1
前

言
钻柱是快速优质钻井的重要工具，它是连通地面和井下的 主要枢纽。转盘钻进时要靠它来传递破碎岩石所需要的动力 ，给井底施加钻压、向井内输送钻井液。采用动力钻具时， 靠钻柱将其送到输送到井底、靠它承受反扭矩；涡轮钻具和 螺杆钻具所需的流体动力。 在钻井过程中，钻头的工况、井眼的状况和稳定性、地下 岩层的各种变化，均可通过安装在钻柱上的额各种测量仪表 （有线随钻测量仪和无线随钻测量仪）才能反映到地面计算 机系统。合理的钻井技术参数和技术措施的实施，也只能在 正确使用钻柱的条件下才能实现。 除此之外，钻井过程中的其它各种作业，例如：取心、打 捞、挤水泥、地层参数测试、处理井下复杂事故（象喷、漏 、塌、卡、套铣、测钻等），都要依靠钻柱来完成。
F浮 m L Ap 104
(N) ———（1）
井口截面以下（井内整个钻柱）钻柱空气中重量Q0等于：
12
Qo =S Lp Ap 10-4——————(2)

井口拉力 Qa等于 Q0与泥浆浮力的差，大小：
Qa Q0 F浮 (1
m )Q0 k f Q0 ， s
————————（1）
2、由曲率定义，可得螺旋弯曲钻柱任意点处的曲率公式：
d 2x d2y d 2z K p 2 2 2 ——————（2） dS dS dS
2 2 2
1 7
二、钻柱的受力分析
11
三、钻进过程中各种应力的计算

在受力分析基础上，还要对各种应力进行计算，以便作为 合理设计和强度效核的依据。需要指出的是：下述应力计 算并不能全面地反映钻柱在井下的实际受力情况，如钻柱 振动引起疲劳破坏交变应力，后面将陆续给以适当解释。
一）、钻柱的轴向应力计算
1、钻柱上部所受拉应力（Tensile Stress） 1）、钻柱在泥浆中空悬时井口处的拉应力。 由阿基米德原理，泥浆浮力等于钻柱排开同体积的泥浆重 量。 井口处钻柱截面上所受泥浆浮力F浮则等于：
1 5

另外,当采用动力钻具时，由于破碎岩石所需要的动力来自 于井下涡轮或螺杆钻具，钻柱不旋转，因此钻柱的受力相对 转盘钻井就比较简单。
6、钻柱形成螺旋弯曲的曲率
图 1-2 给出的是坐标和参数之间的几何关系。
y
约 束 井 壁
Fh P z x
F
y = r Sin
r

x

2r
S=(P 2 + 4 2r2 ) 1/2
13

D
a
a
D0
F2
F3
F2 F浮= F1– F2–F3
F浮 图 1-5
F1
F1
井下钻柱某一截面处的拉力、浮力计算示意图
其大小等于井内泥浆静液柱压力与钻柱截面面积的乘积之 和（即：其浮力的大小等于泥浆静液柱压力垂直作用在钻 柱裸露肩部和端面上的和作用力）。如图1-5右图所示。 显然在这种情况下，井口以下某一截面所受拉应力应为：
C = Pb 104 / Ac （帕）————————(10)
二）、钻柱所受剪切应力（Shear
1、正常钻进时钻柱的扭转剪切应力
Stress）
钻进过程中，整个钻柱受扭矩作用，钻柱的每个截面上都 会产生剪切应力。所受扭矩取决于转盘传递给钻柱的功率 ，即：N = Np + Nb。所以，钻柱所受的扭矩和剪切应力分 别可由下式确定：
，产生向上的浮力。此时任意深度处的轴向应力等于该深度 以下钻柱在空气中的重量减去钻柱底部静压（AsPh）。 3）、起下钻时，钻柱受井壁、泥浆的摩擦力作用，它会增 大钻柱的轴向拉力；相反减小钻柱的轴向拉力。
2、弯曲力矩（Bending moment） 钻进时，除弯曲部分受弯曲力矩作用外。在弯曲井段也受 弯曲力矩的作用。钻柱旋转时产生交变的弯曲应力。 3、离心力（Centrifugal force） 钻柱绕井眼作公转时，产生离心力，它将进一步促使钻柱 发生弯曲。
M 9549( N p Nb ) n ( N .m) ；
Qa k f Qa t Ap Ap
(N) ———————（3）
说明：如果对（a-a）横截面进行拉力计算，就不能用上述 方法，见图（1-5）。
原因是：截面以下钻柱下端作用有 D 米高的泥浆液柱压力 P， 所以在钻柱下端横截面上作用产生一个向上的浮力 P Ap，因此该截面以下钻柱的重量必定变小。需要采用“压 力面积法”进行计算。
3）、正常钻进时井口处的拉应力
由于部分重量用于钻压，底端受泥浆浮力作用，因此： Qt =（Qaa - F浮 + Pb） 104 / Ap （帕）——(7)
4）、当使用动力钻具时，钻柱所受拉应力
钻柱所受拉伸载荷是由自重、动力钻具重量，流体水动力 引起的，其大小：
n 1 1 t kd q po Li Ki (qc Lc Qt ) K n K f Qh 104 (帕) ———（8） Ap i 1 16
n 1 1 kd (q po t Li Ki qc Lc Kn )k f Qd 104 (帕)———（6） Ap i 1

式中：F——大小与井斜、方位角、井斜、方位变化率、 井眼和钻柱之间的间隙、泥浆性能、井壁岩石性能，以及 钻柱的刚度等因素有关； Qd——和起下钻操作状况、大钩的提升速度有关，
4、旋转扭矩（Moment of torsion） 钻进时，钻柱受扭矩作用。井口扭矩最大、向下逐渐减小 ；井底处扭扭矩最小。 5、纵向振动（Axial vibration）
9

钻进时当牙轮从一齿到两齿着地的过程，会使钻柱引起纵 向振动，产生纵向交变应力。大小与钻头结构、地层岩性 、泥浆泵排量不均度、钻压、转速等因素有关。当纵振周 期和钻柱的固有振动周期相同或成倍数时，就发生“共振 现象”，引起钻柱疲劳破坏。并称之为“跳钻”。 6、扭转振动（Torsional vibration） 地层非均质性，会使钻头旋转阻力不断变化，引起钻柱扭 转振动，产生横向的交变应力。大小与钻头结构、地层岩 性是否均匀、钻压、转速等因素有关。 7、动载荷（Dynamic Loads） 起、下钻时，会引起纵向载荷变化、因而在钻柱中产生间 歇的纵向应力变化。主要与操作状况有关。
C =（Pb + F浮） 104 / Ac （帕）————(9)
2）、当钻压超过临界弯曲载荷时，泥浆浮力分布情况将发 生变化。浮力的分布比较复杂，主要取决于钻柱弯曲形状 （需建弯曲微分分钻柱长度均匀分布，其 作用是减小下部钻柱单位长度钻柱在泥浆中的重量。这样 ，钻柱最下端的压应力就仅与钻压有关，即：
主要特点是：不受到交变弯曲应力作用。但产生非均匀的单 向偏磨，因此会加快钻柱的磨损和破坏。

3、钻柱同时参与两种形式的旋转： 主要特点是：钻柱磨损均匀，受到交变弯曲应力作用，但 驯化次数要比第一种形式低得多。 4、钻柱处于旋转形式的过渡状态——（钻柱将处于最不稳 定、常造成钻柱处于强烈振动状态）。
三、钻柱发生疲劳破坏和受力的严重部位