钻柱力一

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。

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。

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。

五、水平井钻具的受力分析水平井钻具的受力分析是一个比较复杂的力学问题，在水平井摩阻与扭矩分析和计算的基础上，我们可以定性的分析在一定井眼条件和一定钻井参数情况下，不同钻具组合对井眼轨迹控制的能力。

钻柱与井壁产生的摩阻和扭矩, 用滑动摩擦理论计算如下:Ｆ ＝μ×ＮＴr ＝μ×Ｎ×Ｒ式中:Ｆ 一 摩擦力μ 一 摩擦系数Ｎ 一 钻柱和井壁间的正压力Ｒ 一 钻柱的半径Ｔr 一 摩擦扭矩从上式可以看出，μ 和 N 是未知数，通过大量现场数据的回归计算求出：μ＝0.21（钻柱与套管）μ＝0.28～0.3（钻柱与裸眼）同时我们对正压力也进行了分析和计算。

1、 正压力大小的计算(1) 弯曲井眼内钻具重量和井眼曲率引起的正压力Ｎ1现有的摩阻和扭矩计算模式是根据"软绳"假设建立起来的，即钻具的刚度相对于井眼曲率可忽略不计．设一弯曲井眼上钻柱单位长度的重量为Ｗ，两端的平均井斜角为Ｉ，两端的平均方位角为 A 。

如果假定Ｙ轴在垂直平面内,•Ｘ轴在侧向平面内,把Ｎ1沿Ｘ和Ｙ轴分解,则: Ｎ1y=Ｔ×sin Ｉ + Ｗ×sin ＩＮ1x=Ｔ×sin Ａ×sin Ｉ(2) 钻柱弯曲产生的弯曲正压力Ｎ2钻柱通过弯曲井段时,由于钻柱的刚性和钻柱的弯曲,便产生了一种附加的正压力Ｎ2。

如图所示:Ｒ ＝ 18000/Ｋ/pi (m)Ｌ ＝ Ｒ×2×ΦΦ ＝ 2×Ｌ/ＲＬ1 ＝ 2×Ｒ×sin Φ (m)根据力学原理:Ｍ ＝ Ｅ×Ｉm ×Ｋ/18000*piＭ ＝ Ｎ2×(Ｌ1/2)-Ｔ×Ｌ1×sin Φ则有:Ｎ2 ＝ 2×Ｔ×sin Φ +2×Ｅ×Ｉm ×Ｋ/1719×Ｌ1这里:Ｋ － 井眼曲率 (°/100米)Ｌ － 井段长度 (米)Ｌ1 － Ｌ的直线长度 (米)IA T SINi w I T N sin sin )sin (1⨯⨯+⨯+⨯=Ｎ2 －附加正压力 (KN)Ｅ－弹性模量 (KN/m)Ｉm －截面惯性矩 (m^4)2、摩擦系数的确定在设计一口水平井时,我们可以利用邻井摩擦系数来预算摩阻和扭矩。

钻井常用计算公式•、地层压力计算1、静液柱压力（MPa）=P（粘井液密度）*0.00981*H（垂深m）2、压力梯度值（MPa）=p（钻井液密度）*0.009813、单位内容积（r∩3Λn>=7.854*10-5*内径2（Cm）4、单位环空容积（m3∕m）=7.854*10^5*（井径2cm-管柱外径2cm）5、容积（m?）=单位内容积（m3∕m）*长度（m）管柱单位排音量（mVm）=7.854*10^5*（外径2cm内径2cm）6、地层压力（MPa）=钻具静液柱压力+关井立压7、压井钻井液密度（g∕c11p>=（关井立压Mpa/O.00981/11（m））+当前井液P（gcm3）8、初始循环压力=关井立压+底泵速泵压9、终止循环压力=（压力井液p/当前井液p）*低泵速泵压10、溢流长度m;钻井液增量m3/环空单位容积m3∕m11、溢流密度p（g∕cm3）=当前井液P-［（套压MPa-立压Mpa）/（溢流长度m*0.00981）］12、当量循环密度p（g/cm3）-（环空循环压力损失Mpa/O.00981/垂深m）+当前井液P13、当量钻井液P（g4zm3）-总压力Mpa/O.00981/垂深m14、孔隙压力MPa=9.81*Wf（地瓜水平均密度g∕cmυ*H（垂高m）15、上覆岩层压力（Mpa）=（岩石基质重量+流体重量）/面积［9.81*［（卜-。

岩石孔隙度％）*pm岩石基颓密度Hem3+4>*p岩石孔隙中流体密度g/cnP］16、地层破裂压力梯度（Mpa）=Pf（破裂地层压力Mpa）/H（破裂地层垂直深度m>Pf（破裂地层压力Mpa）=Ph（液柱压力Mpa）+P（破裂实验时的立管压力MPa）二、喷射钻井计算公式1、射流喷射速度计算相同直径喷嘴VOU1.2.73*Q（通过喷嘴液体排量1.∕S）∕n（喷嘴个数）*dc>2（喷嘴直径Cm）不相同直径喷喷Vo=12.73*Q（通过喷嘴液体排量1.∕S）/de?（喷嘴当量直径Cm）试中:de喷喷当量直径（cm）计算等喷嘴直径de-（根号n喷嘴个数）*d。

钻柱水眼压力计算公式钻井作业中，钻柱水眼压力是一个非常重要的参数，它直接影响着钻井液的循环和井底压力的控制。

因此，准确地计算钻柱水眼压力对于钻井作业的安全和效率至关重要。

本文将介绍钻柱水眼压力的计算公式及其相关知识。

1. 钻柱水眼压力的定义。

钻柱水眼压力是指钻井液在钻柱内部通过水眼进入井底的压力。

它是由钻柱内的液体高度和密度所决定的，是井底压力的一个重要组成部分。

钻柱水眼压力的计算对于控制井底压力、防止井喷和保证钻井作业的安全具有重要意义。

2. 钻柱水眼压力的计算公式。

钻柱水眼压力的计算公式可以通过简单的液体静压公式得出。

液体静压公式如下：P = ρgh。

其中，P表示液体的压力，ρ表示液体的密度，g表示重力加速度，h表示液体的高度。

在钻井作业中，钻柱水眼压力可以通过以下公式计算：P = ρg(H h)。

其中，P表示钻柱水眼压力，ρ表示钻井液的密度，g表示重力加速度，H表示钻柱的总长度，h表示液面到井口的距离。

通过这个公式，我们可以很容易地计算出钻柱水眼压力，从而更好地控制井底压力，保证钻井作业的安全进行。

3. 钻柱水眼压力计算的影响因素。

在实际的钻井作业中，钻柱水眼压力的计算会受到一些因素的影响，主要包括以下几点：(1) 钻井液的密度，钻井液的密度是计算钻柱水眼压力的关键因素，不同密度的钻井液会导致不同的压力值。

(2) 钻柱的总长度，钻柱的总长度也会直接影响到钻柱水眼压力的计算，长度越长，压力值越大。

(3) 液面到井口的距离，液面到井口的距离也是影响钻柱水眼压力的重要因素，距离越短，压力值越小。

(4) 重力加速度，重力加速度是一个恒定值，一般取9.8m/s²。

综上所述，钻柱水眼压力的计算受到多种因素的影响，需要在实际操作中综合考虑，确保计算结果的准确性。

4. 钻柱水眼压力计算的应用。

钻柱水眼压力的准确计算对于钻井作业具有重要意义，它可以帮助工程师们更好地控制井底压力，预防井喷事故的发生，保证钻井作业的安全进行。

3本文系国家自然科学基金项目(50174047)、上海市重点学科建设项目研究成果。

作者简介:狄勤丰,1963年生,教授,博士生导师;1984年和1987年在原华东石油学院获学士和硕士学位;1997年在原西南石油学院获博士学位,1997～2000年在西北工业大学“航天、宇航科学与技术”博士后流动站工作,现在上海大学力学所工作。

地址:(200072)上海市延长路149号。

电话:(021)56333256。

E 2mail :qinfengd @钻柱动力学研究及应用进展3狄勤丰　王文昌　胡以宝　张小柯(上海大学上海市应用数学和力学研究所) 狄勤丰等.钻柱动力学研究及应用进展.天然气工业,2006,26(4):57259.摘　要　石油钻井钻柱是石油工业中用量大、质量要求高的管材,处在充满钻井液的狭长井眼里工作,受力情况非常复杂。

每年国内外都会发生大量钻柱失效事故,造成重大经济损失。

在钻柱失效调研分析的基础上,阐明了钻柱失效的主要原因,指出了钻柱动力学研究的重要性,详述了国内外钻柱动力学研究的历史和最新进展,介绍了钻柱动力学研究的应用现状,分析了现存模型的优缺点和国内外研究的差距,总结了钻柱动力学的研究方法,强调了钻柱动力学研究急需解决的核心技术问题。

现有钻具材质及结构条件下,减少钻柱疲劳破坏的最有效途径是根据钻柱的动态应力特征,优化钻柱结构和工作参数,使钻柱尽可能在低动态应力水平下工作。

主题词　钻井　钻柱　动力学　涡动　失效 近年来,各种新工艺、新工具、新技术的出现,为钻井速度的提高提供了坚强的后盾,而优化钻井等技术则为降低钻井成本创造了条件。

但值得注意的是,钻柱的振动会导致钻速下降、井下测量数据不准确、井下昂贵设备的破坏等,并且在影响钻井周期和钻井成本的诸多因素中,钻柱失效造成的事故仍然占有很高的比例。

频繁的钻具失效事故不仅大大增加了钻具消耗,更重要的是增加了起下钻时间,影响了钻井作业的正常进行。

中国石油天然气公司石油管材研究所曾对83起钻具落井事故进行了停工时间统计[1]:事故造成的停工时间超过5d 的占33.7%,超过15d 的占19.3%。

钻柱失效；疲劳失效；断裂力学；陕北油田；预防对策本文首先对钻柱失效的类型、特点、影响因素以及预防对策作了简要的概述。

通过对这些问题的阐述，我们可以对钻柱失效在总体上有一个大致的了解。

之后重点对钻柱的疲劳失效作了分析和探讨。

而在钻柱疲劳失效的探讨中，主要讨论了钻柱本体和钻铤螺纹联接的疲劳失效，并由此得出了相应的预防措施。

接着又进行了断裂力学在钻柱失效中应用的研究，并得出了钻柱失效的断裂判据和安全韧性的判据。

最后又对陕北油田钻杆失效的问题进行研究分析，得出了陕北油田钻杆失效问题的主要原因,并对陕北油田钻杆的失效问题进行了预防对策的研究。

第1章概述1.1研究钻井柱失效的目的及意义由于钻柱失效而导致的钻井事故频繁发生，这严重影响了钻井速度的提高，而处理这些事故又耗费了大量的人力、物力和财力，造成了巨大的经济损失。

所以进行大量的钻柱失效措施，提高钻柱的使用寿命，解决和预防井下钻柱失效,这样对提高钻井速度，降低钻井成本，都具有重要的意义。

1.2钻柱失效的研究现状有关钻柱失效方面的研究，早在60年代就已经开始，但兴盛时期却开始于80年代。

在这个时期无论是外部条件（如相关学科的发展、测量手段的完善等）还是内部条件（如钻井界本身的需要）都已基本成熟，这就为钻柱失效的研究提供了一个很好的时空环境。

通过对相关资料的阅读和分析发现，国内外有关钻柱失效方面的研究主要集中在两个方面：理论分析和实验研究。

1.2.1国内外有关钻柱失效方面的理论分析理论分析即钻柱力学模型的建立及数值分析。

对钻柱进行受力变形分析的方法可归结为四类：（1）A.Lubinski的身分方程法；（2）K.KMilheim的有限元法；（3）B.H.Walker的能量法；(4)白家祉教授的纵横弯曲法。

而钻柱动力及疲劳分析的方法有：微分方程法、有限元法、间隙元法。

1.2.2国内外有关钻柱失效方面的实验研究实验研究即钻柱动力响应的实验及现场数据的获得和分析；在实验研究方面，有关的测试方法越来越简单，精度也逐步提高，目前国外测试井下动力响应的工具主要有井下测试工具和地表测试工具两种。