在水平井眼中存在下凹初弯曲钻柱的屈曲分析

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定向井造斜段管柱屈曲分析

注的重点问题之一。ＰｓａＣ、ｗｓｎ、ｕｉｎＬａｌｙ１Ｄａｏ［Ｗｊｇ３］ａ
长管柱的柔性，管柱所受轴向压力达到一定值后，当管柱将发生侧向位移。于上述假设，出定向井造基作斜段井眼下凹弯曲井眼中管柱的受力图如图１所示，ＸＹＺ是整体坐标系，ＵＶｗ为局部坐标系。假设管柱在轴向压力Ｆ作用下发生弯曲失稳，管柱轴线的位移分别为：
式中：（）ｕｓ —— 管柱在Ｕ向上的位移，；ｍＶ（）￥ —— 管柱在Ｖ向上的位移，；ｍ
ｗ（） — 管柱在ｗ向上的位移，；ｓ— ｍ艿 — 管柱截面形心与井眼形心的径向距离， —
ｍ；
Ｕ（）一ｓ＋ｄ（１一ｃｅｏｓ）
等人先后用能量法导出了斜直井与水平井中管柱正
弦屈曲和螺旋屈曲临界载荷的计算公式。文［曾用４］
能量法对降斜井段管柱的屈曲进行了分析。但在众
用下，柱紧贴下井壁，设井壁是刚性的。由于细管假
在钻井、井、产、造等井下作业过程中，完增改管柱的失稳屈曲影响管柱的力学性能及作业效率与成功率，此井下管柱的轴向稳定性是石油工程界关因
ｅ —— 管柱屈曲后形心 Байду номын сангаас 对下井壁偏离的角

钻柱弯曲计算(kk)资料

qm
s in
r
)
与Dowson的处理方法相同，令： Fcr 0
1
n
n
L
qm
s in
4
8EIr
可得：
求得：
Fhel 2 2
EIqm sin
r
钻柱的纵弯（屈曲讲
定向井中钻柱的失稳屈曲：
6. 吴疆（Jiang Wu）等人对水平井眼内钻柱曲屈的研究，得出：
Fsin 2
EIqm r
Fhel 2(2
r—视半径；r 0.5(Dh Dc )
α—井斜角；
Fcrit
2.93(
E
I
)0.479
q 0.522 m
(
s
in r
)0.436
钻柱的纵弯（屈曲讲
定向井中钻柱的失稳屈曲：
4. 1984年Dowson首次提出倾斜井眼内钻柱发生正弦屈曲的载荷计算公式，又称Dowson公式：
Fcr (n)
EI
Fsin 2
EIqm sin
r
这就是著名的Dowson公式，在工程上得到了广泛应用。
钻柱的纵弯（屈曲讲
定向井中钻柱的失稳屈曲：
5. 1989年，Yu-che Chen等人，提出在斜直井眼和水平井眼中钻柱发生螺旋屈曲的临界轴向压力计算公式：
Fcr (n)
4EI
2
L2
(n2
1 n2
L4
8 4EI
I—钻铤截面轴惯性矩ft4，；
I
64
(Dc4o
Dc4i）
r—视半径，ft ；
r 0.5(Dh Dc )
α—井斜角；
钻柱的纵弯（屈曲）讲
定向井中钻柱的失稳屈曲：

水平井眼中管柱的屈曲和分叉

d4Η d + 2 dΣ d Σ4 1dΗ dΣ
2
dΗ + Εsin Η= 0 dΣ

( 14)
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
) = Η( Α 16 ( Β - 1) 11
1 2
sin Α
FL 2EA
2
( 12) ( 13)
7
sm in
= -
4 ( Β - 1) 2 1 11
2 ( Β - 1) E IR 2 Ξ4L 11
4 变形微分方程的二次分叉及其螺线解
若令 Ε =
1 , Σ= Β2
ΒΑ , 则方程 ( 3) 又可写成
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96
石油学报
2001 年第 22 卷
管柱的弯曲变形能 U M 、轴向压缩变形能 U F 和外力势能W 分别为
F F = 2E I Ξ2 2
R E Iq
1 2
则微分方程 ( 2) 可无因次化为 ΒdΗ dΑ
2
d4 Η d 4 + 2 dΑ dΑ
dΗ + sin Η= 0 dΑ
( 3)
( 3) 与文献 [ 7、变形微分方程 ( 2) 、 8 ] 中所导出的方程完全一样。这是一个含有参数 Β 的四阶非线性常微分
[1 ] [2 ] [3 ] [4 ] Pa slay 、 D aw son 、 Chen Yuche 、 W u J iang 等人先后用能量法导出了管柱在斜直井和水平井中发生 [5 ] 正弦屈曲和螺旋屈曲临界载荷的计算公式。 M itchell 根据三维弹性梁理论导出了管柱在斜直井眼中的变形微分方程, 并利用有限元方法给出了方程的数值分析结果[ 6 ]。高国华等人根据微元体的受力分析和平衡方程等, 8] 也导出了相似的微分方程; 并对其稳定性和螺旋后屈曲行为进行了分析[ 7、。本文将根据最小势能原理和变分原理, 导出水平井眼中管柱的变形微分方程。并利用常微分方程理论对其分叉点、分枝解以及不同性态的稳定性条件进行更加深入和系统地研究。

水平井侧钻过程中钻柱振动规律的研究

自由端处边界条件为
（９）
ｙ，：ＡｎＢｓ）Ｃｎ）（ｔ［ｉ詈）ｃ（＋ｓ（＋ｘ）ｓ（＋ｏｉｈＤｓ）ｉ∞＋）ｃｈ】（ｏ（ｓｎ
件确定的常数。
１３钻柱的扭转自然振动的基本方程．
。
一，＝ｏ喀。
）．中
＇－＇＇＝。（１＇… ｎ２警３
１钻柱系统的各种振动分析
在水平井侧钻过程中钻柱存在着各种振动，常常表现为钻柱的轴向振动、向振动和扭转振动。侧
本文对水平井水平井段侧钻过程的振动问题进行分析，各种振动形式（图１。对于水平井段的钻见）
１１钻柱轴向自然振动的基本方程．假定所研究的钻杆是匀质的细长杆，元段微在运动过程中产生位移。由动力学定律，可得
：
旦
Ｐ０‘ ｘ
：口ｚ
０ ‘ ｘ
（）１
、
０‘ ｔ
方程（）Ｅ为材料的杨氏模量，１中，Ｐ为钻柱的密
２１００年５月６日收到国家重大专项（０８ｘ５２－０）２０ｚ０１６资助００
度，０为轴向波在钻柱中的传播速度。方程（）１的
一
般解，为
Ｍ，：ＡｎｘＢｓ）（十）（￡（ｓ＋ｃｓ）ｉｗｏｉｎ
振动的规律。该分析为水平井钻井工程避免钻柱共振提供了可靠的理论依据。

3第4章钻柱弯曲-屈曲实验.

• 螺旋的螺距再缩短，螺旋圈数在增加；
钻柱的纵弯（屈曲）讲
定向井钻柱屈曲问题的试验研究
钻柱的纵弯（屈曲）
定向井钻柱屈曲问题的试验研究
斜直井眼、水平井眼钻柱稳定性的实验
屈曲失稳过程分析：
分为六个阶段OA，AB， BC，CD，DE和EO，其中： OC 为加载过程，CO 为卸载过程。
压钻杆： • φ14×1.0、 • φ12×1.0、 • φ10×1.0、 • φ10×0.5、 • φ8×1.5。
• 各试件均在四种倾角下进行试验： • 90°、60°、30°、0°
试件的长度一般在2m左右。
钻柱的纵弯（屈曲）讲
定向井钻柱屈曲问题的试验研究
斜直井眼、水平井眼钻柱稳定性的实验：失稳过程
屈曲过程使一个发展过程。
N
400
45deg 10X1.0 300 0N-m
194.7
200
C
B
225
CLeabharlann 221 AB段是一个从临界正弦屈曲向临界螺旋屈曲的发展；
100
BC段是一个从临界螺旋屈
167.5
A 61.3 E
111.7 D
曲向完全螺旋屈曲的发展
O
47.1
A点：正弦屈曲临界点； B点：螺旋屈曲临界点；
B
109.1
O
0
E F74.5
F
E 98.6
O
100.79
G
0
1
2
3
0 0
G
1
2
3
mm
mm
钻柱的纵弯（屈曲）
定向井钻柱屈曲问题的试验研究
斜直井眼、水平井眼钻柱稳定性的实验

2第4章钻柱弯曲-屈曲理论

一次弯曲的临界受压长度
m3
EI qm
钻杆断面轴惯性矩，m4
钻柱在泥ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ中每米重力，N/m
钻柱的纵弯（屈曲）

讲
Lubinski 的垂直井眼内钻柱弯曲微分方程的建立

建立微分方程的目的：
• 研究钻柱在自重作用下去失稳屈曲的弯曲形状时什么样？ • 用数学方程表示弯曲形状； • 受压长度与弯曲形状的关系，受压长度对弯曲形状的影响；
r b tg (1.02 ) m r 1 b tg (1.5 ) m
1
b tg 1 (0.44
• 二次弯曲时的钻头倾角，显然小于一次弯曲的倾角。于是有人想将此原理用于打直井。 • 60年代初到80年代中期，此理论曾充斥我国钻井现场
r ) m
实际情况不可能出现二次弯曲： 1. 钻铤上多带有扶正器； 2. 井眼不可能绝对垂直； 3. 钻柱是不断旋转的；实际将出现螺旋弯曲。
钻柱的纵弯（屈曲）

Lubinski 的垂直井眼内钻柱弯曲微分方程的建立

W2 F2 W Qs Fs 0

分离体处在静力平衡状态下，所有力的合力（矢量合）等于零。
将所有力投影到MN所在的断面上，则在 MN方向上，所有力的合力也应该等于零。
W2 sin F2 cos W sin Qs 0 Qs (W2 W ) sin F2 cos （1）
1
Dh—井眼直径； Dc—钻柱直径；
钻柱的纵弯（屈曲）

讲
Lubinski 的垂直井眼内钻柱弯曲微分方程的建立

弯曲状态一次临界弯曲二次弯曲出现前的瞬间二次临界弯曲

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。

钻柱弯曲计算(kk)

钻柱的纵弯（屈曲）

定向井钻柱屈曲试验研究与理论研究的对比

Fhel
弯曲井眼内钻柱屈曲失稳的试验研究
• 两种理论模型计算结果与实验结果对比：曲率半径 (m)
试件类型 5×0.5
正弦屈曲载荷(N) 实验值 Wu 于永南
325.23
429.68 2041.76 2438.23 2497.39 3509.79

临界长度：
• 受压长度较短时，钻柱不发生弯曲； • 受压长度达到一定值时，开始发生一次弯曲，将此受压长度称作“临界长度”； • 临界长度的顶点，乃是“中性点”；

截面法：在受压段上，任取一点S，S 点所在断面为MN断面。从此处断开，进行研究
钻柱的纵弯（屈曲

讲
定向井中钻柱的失稳屈曲：

1. 美国人Woods在与 Lubinski研究直井钻柱屈曲时，也研究了倾斜井眼内钻柱的屈曲问题，给出了倾斜井眼中由于钻柱自重引起的螺旋弯曲的临界公式：
2
2
求得：
EIqm sin Fhel 2 2 r
钻柱的纵弯（屈曲

讲
定向井中钻柱的失稳屈曲：

6. 吴疆（Jiang Wu）等人对水平井眼内钻柱曲屈的研究，得出：
EIqm Fsin 2 r EIqm Fhel 2(2 2 1) r

7. Mitchell通过对非线性微分方程的求解，得出了倾斜井眼内出现螺旋屈曲的临界压力计算公式：
一次弯曲的临界受压长度
m3
EI qm
钻杆断面轴惯性矩，m4
钻柱在泥浆中每米重力，N/m
钻柱的纵弯（屈曲）

讲
Lubinski 的垂直井眼内钻柱弯曲微分方程的建立

水平钻柱屈曲载荷的分析计算

ｒｖｄＴｈｅｅｒｈｉｄｃｔｄｔａｒｔａｏｄｏｏｉｏｔｌｄｉｔｍＳｒｌｔｄｗｉｈｔｅｎｍｂｒｆｈｌｉｅ．ｅｒｓａｃｎｉａｅｈｔｃｉｉｌｌａｆｈｒｎａｒｌｓｅｉｅａｅｔｈｕｃｚｌｅｓｏａｆｗａｅｗｈｎｈｒｚｎａｒｌｓｅｂｃｌＴｈｕｂｒｆｈｌｗａｅａｅｒｌｔｄｗｉｈｎｔｆｄｉｔｍ，ｖｅｏｉｏｔｌｉｔｍｕｋｅ．ｅｎｍｅｓｏａｆｖｒｅａｅｔｔｅｌｇｈｏｒｌｓｅｄｌｈｅｌｔｅｎｔｒｆｇｏｔｙａｄｍａｅｉｌｏｒｌｓｅａｄｔｅｒｃｏｆｉｉｎ．ｈａｕｅｏｅｍｅｒｎｔｒａｆｄｉｔｍｎｈｏｋｃｅｆｃｅｔｌ
为
，ｃ一ｙ，（）１
井身质量、井身轨迹、具寿命等，钻因此预测水平钻柱的屈曲载荷是水平钻井施工中的重要内容。文献Ｅ３此问题进行了研究，没有考虑井壁对钻柱的１对但支撑作用。本文把水平钻柱看作位于弹性支撑上的两端铰接的轴心受压杆件，用平衡法对水平井眼利中钻柱所能承受的临界载荷进行析计算，出了比得较精确的临界载荷计算公式，结果对工程实际有其
界栽荷与屈曲时的半波数有关。而半波数受与钻柱长度、Ｉｊ几何参数，料性质及地层弹性系数有关。材

定向井中造斜段下凹管柱屈曲性能分析

加，管柱的纵向稳定性提高。
关键词：管柱；屈曲；定向井；分析
ＤＩ１．９９Ｊｉｎ１７１５６２１１２．０Ｏ：５６／．ｓ．６ —６９．０．６０６０ｓ
ＡｎＡａｙｉｆＢｕｌｎｈｖｏｆＯＯ１ｗａｄＢｅｅｂｌｒＳｔｉｓｉｉｅｔｏａ Ⅵ ＩｎｌｓｓｏｅｄｉｇＢｅａｉｒｏＶ．ｒｎｄｄＴｕｕａｒｎｇｎＤｒｃｉｎｌＤｌｓＨＵａ．Ａｉ．Ｕ．ｕａＨＨＸＩＨｕ。ＤＯＹｉｈ一
ｄｏｗａｄｂｎｄｏｕｕａｔｉｕｅｔｒｖｔｎｌｂｎ．ｅｄｆｅｅｃｆｔｅｂｃｌｈｒｃｅｉｔｃｅｗｅｎｔｅｗｎｒｅｆｔｂｌｒｓｒｎｇｄｏｇａｉａｄｗｅｌｅｄｓＴｈｉｒｎｅｏｈｕｋｅｃａａｔｒｓｉｓｂｔｅｈｙｆｓｒｎｇｗｈｃｓｐａｅｎｄｆｃｉｇｐｒｎｈｒｃｒｈｒｚｎａｌｍａｅｔｅｎｄｕ．ｃｕｅｏｉ．ｈｕｃｌｔｉｉｈｗａｌｃｄｉｅｅｔａｔａｄｔｅｅｅｔｏｏｉｏｔ１ｌｎｗｅｌｙｂｒｍｅｏｓＢｅａｓｆｈｓｔｅｂｋｅｔ
摘
要：在定向井的造斜段，由于井眼轨迹的下凹，位于其中的管柱在重力－眼的约束下存在初始下凹弯曲。为了了５井
解定向井造斜段管柱的屈曲性能，运用最小势能原理推导出定向井造斜段下凹管柱屈曲载荷计算公式，分析了井斜角、造斜段井眼曲率半径对管柱屈曲载荷的影响。算例分析结果表明，随井斜角的和井眼曲率的增大，管柱屈曲临界载荷增

钻孔弯曲产生的原因及预防纠正对策分析

钻孔弯曲产生的原因及预防纠正对策分析摘要在实际生产中往往会出现钻孔弯曲现象，对工程质量有很大的影响。

无论在设计方案中对钻孔的位置计算的的多么精确，但受实际条件制约，钻孔的真实轴线经常与设计的轴线错位。

因此，若想切实提高工程的整体质量，那么就必须采取一套科学规范的钻孔施工工艺，尽可能减少钻孔弯曲的形成。

另外，在钻孔施工中，要充分考虑到各种可能条件的影响，例如有特殊构造或自然条件复杂地带，较容易导致钻孔弯曲。

本文通过对钻孔弯曲产生的原因分析，并在此基础上阐述了具体的预防纠正对策，旨在为减少钻孔弯曲尽一份力。

关键词钻孔弯曲；纠正对策；构造特征0引言在实际钻孔施工过程中，受自然条件与技术条件的制约，钻孔真实轴线经常与设计轴线常常错位，这样就会形成钻孔弯曲。

钻孔弯曲对工程质量有很大的影响，所以一定要正确分析钻孔弯曲形成的原因，并采取科学的钻孔施工工艺减少弯曲钻孔出现，也可以使设计钻孔与实际钻孔弯曲偏离位置相匹配，并结合预测的弯曲位置钻进到预留的空间位置。

另外，倘若钻孔钻进过程中遇到特殊地层构造时，要采取相应的策略将其绕过，并在设计和施工中做好预防对策，确保钻孔弯曲不产生。

1钻孔弯曲产生的原因在钻孔施工时，钻杆柱通常将自转与公转运动共同完成，钻孔轴线就是其围绕中心，此时钻头钻进角度会随着时间而变化。

如果倾斜面稳定在某个位置不变动时，钻杆柱只做自转，导致钻具轴线远离设计轴线形成弯曲。

下面将从分析钻孔弯曲产生的具体原因。

1.1地质构造原因地质构造是产生钻孔弯曲的主要原因，地质构造决定了岩层软硬程度，那么必然会对钻孔施工有较大影响，并且地质构造原因通常不可避免，只有提高施工技术来降低其影响。

地质构造原因主要包括两方面：一方面是岩石构造因素。

岩石自身就有其度的的构造特征，不同岩石在层理与片理等方面有很大差别，所以对钻头的阻碍程度也会有所不同，如果是破碎率较低的岩石，钻头会顺着岩层倾斜方向钻入，那么就会形成与层面垂直的钻孔弯曲。

管柱屈曲研究现状及存在问题分析

管柱屈曲研究现状及存在问题分析管柱屈曲研究现状及存在问题分析摘要：对20世纪五十年代后期以来有关油气井管柱屈曲方面的文献进行系统检索，从弯曲力、临界屈曲、后屈曲平衡等方面介绍了在管柱屈曲领域的最新研究成果和应用现状，在管柱屈曲中，考虑了温度变形、鼓胀变形、轴向力变形和螺旋弯曲变形，并指出了今后油气井管柱屈曲的重点发展方向。

关键词管柱屈曲正弦屈曲螺旋屈曲管柱(包括钻柱、套管柱、测试管柱、抽油杆管柱、连续油管等)的屈曲行为是石油工程中的关键问题，对石油工程中的诸多方面(如钻井、完井、测井、压裂、采油等)都有不良影响，会引起钻头方向改变及井下摩阻和扭矩显著增加(甚至使管柱“锁死”)，导致钻具疲劳破坏、油管密封失效、管柱连接失效、连续油管无法下入以及采油杆管柱偏磨等。

特别是随着水平井、大位移井、多分支井和连续油管技术的推广应用，受井眼约束管柱的屈曲问题更加突出，已成为油气钻采工程中的关键问题之一。

80年代以前，研究工作主要侧重于管柱在垂直井眼中的稳定性和螺旋屈曲分析。

80年代以后，特别是90年代以来，由于定向井、水平井、大位移井等工程应用的需要，研究重点转向了斜井、水平井以及弯曲井眼中管柱的稳定性、屈曲以及自锁分析。

国内外学者分别利用解析方法、能量方法、数值方法和试验方法对管柱在垂直井、斜直井、水平井和弯曲井眼中的稳定性和屈曲行为进行了理论和试验研究。

理论和试验研究表明，管柱在井眼中有4中不同的平衡状态和空间构型：稳定状态、正弦弯曲状态、螺旋弯曲状态和自锁状态。

在这4种不同的平衡状态之间，存在3个临界点。

一般情况下，当结构受到载荷超过其临界载荷，将导致结构损坏。

由于井壁为管柱的后屈曲平衡提供了约束条件，管柱都是在高于其临界载荷条件下工作的，要计算管柱的载荷、变形和应力，必须先知道实际工况条件下管柱的屈曲形态。

井下管柱的变形包括横向变形和纵向变形，由于管柱横向尺寸（数量级一般为110 m ）与纵向尺寸（数量级一般为310m ）相比很小，横向变形量与纵向变形量相比也很小。

水平井定向井钻柱、钻具失效机理及控制方法资料

水平井定向井钻柱、钻具失效机理及控制方法随着钻井深度的增加和钻井工艺的发展，对钻柱性能的要求越来越高。

由于钻柱在井下工作的条件十分复杂与恶劣，它往往是钻井工具与装备的薄弱环节。

钻具事故是最常见的钻井事故，它与井斜问题和钻头的工作状况有着十分紧密的关系，是影响井身质量和钻井速度的重要因素。

所以对钻柱的失效机理的分析及控制方法的探讨和研究，提高钻柱的工作性能指标，从而实现和完成各种井下作业具有十分重要的意义。

1 钻柱的作用与组成1.1 钻柱的作用钻柱的主要作用有以下几个方面：①提供从钻机到钻头的钻井液通道，即输送钻井液；②把地面动力（扭矩）传递给钻头并给钻头加压，使钻头破碎岩石；③起下钻头。

钻柱除了以上正常钻进中的作用外还具有其它一些重要作用：①通过钻柱可以了解与观察钻头工作状况，井眼状况及地层情况；②进行取心、处理井下事故与复杂情况，打捞落物，挤水泥等特殊作业；③对地层流体及压力状况等进行测试与评价。

1.2 钻柱的组成钻柱的具体组成随不同的目的要求而不同，但主要是钻杆段和下部钻具组合两大部分。

钻杆段包括普通钻杆、加重钻杆，有时也加入扩眼器。

下部钻具组合则包括钻铤、稳定器、减震器、震击器及扩眼器与其它特殊工具。

特殊的钻具组合还包括随钻监测工具、测试工具及打捞工具等。

其结构如图1所示。

图1 钻柱的基本结构2 钻柱失效的类型钻柱在井下的受力十分复杂，其服役条件苛刻，包括：钻柱所承受的载荷性质（静载荷、交变载荷、冲击载荷）、加载次序（载荷谱）、应力状态（拉、压、弯、扭、剪及各种复合应力）、温度、环境介质（空气、水、钻井液、H2S、CO2、NaCl）等。

另外，还有由于钻具涡动引起的钻柱与井壁间的摩擦和高频撞击。

钻柱在工作时还受磨蚀、磨损、粘滞力、氢脆、温度等因素的影响。

所以失效形式多种多样，概括起来主要有以下三类，如表1 所示，并且这几种失效形式常常同时存在并交互作用。

3 钻柱失效的主要影响因素引起钻柱失效的原因往往不是单一的，而是几方面原因综合作用的结果，如钻柱的材料及使用工况和环境，钻具质量，使用者的操作以及钻柱的机械损伤等。

钻孔弯曲影响因素和弯曲机理

2 钻孔弯曲影响因素和弯曲机理钻孔弯曲是打钻施工过程中普遍的、大量存在的现象，用现有的各种方法钻进时钻孔总会在某种程度上必然地偏离预定方向。

要使定向长钻孔顺利钻进，必须对钻孔弯曲的性质和机理作详尽的研究。

掌握了弯曲的原因和规律，在设计定向钻孔时，就能在某种程度上利用它们，减少钻孔偏离预定方向的程度。

2.1 钻孔弯曲影响因素钻进过程中钻孔弯曲是主、客观因素共同作用的结果。

地质因素是钻进时的客观因素，技术和工艺因素是钻进时的主观因素。

在不同的条件下，两类因素对钻孔弯曲的影响程度是不同的，有时地质因素是主导因素，有时技术和工艺因素是主导因素。

2.1.1 钻孔弯曲的地质因素影响钻孔弯曲的地质因素主要是钻进岩层的硬度，研磨性、密度、矿物成份、变质程度及结构构造等。

地质因素的影响主要表现为造成岩石的非均质性，它对钻孔方向及其特征有着多种作用。

岩层的层理、片理、裂隙、断层、软硬互层、溶洞、卵砾石等结构构造使岩层具有不均质性。

在这种岩石中钻进时，钻头在孔底受力不平衡，引起钻孔弯曲。

其中层理、片理和软硬互层对钻孔的弯曲最具影响。

对岩石的大量测定和钻进实践表明，具有层理、片理的岩层，其物理力学性质在各个方向上不同，此种特性称为岩石的各向异性。

在垂直于层理方向的硬度最小，破碎阻力最小，破碎速度最快；在平行于层理方向的硬度最大，破碎阻力最大，破碎速度最慢；与层理斜交方向岩层的硬度、破碎阻力、破碎速度介于两者之间。

最大硬度与最小硬度的比值称为岩石的各向异性指数。

图2-1 为钻头在与地层面的不同方向钻进时的钻孔破碎情况，图中 a 是钻头垂直于地层层面钻进，钻孔为圆形，不发生弯曲；b 是钻头与地层层面斜交，钻头受一个来自地层下倾方向的力──地层造斜力的作用，使钻头轴向力图向垂直于地层层面方向偏移，钻孔呈椭圆形；c 中由于垂直于地层层面方向的硬度小，孔壁岩石易破碎，形成的钻孔直径较大，孔壁间隙大，使钻头稳定性差，钻孔也容易弯曲。

优选钻柱弯曲屈曲理论

钻柱的纵弯（屈曲）
Lubinski 的垂直井眼内钻柱弯曲微分方程的建立
m是一个根据公式导出的单位。根据：X m x Y m y 可得：
dY d (my) mdy dy dX d (mx) mdx dx d 2Y d ( dY ) d ( dY ) 1 d ( dy ) 1 d 2 y dX 2 dX dX d (mx) dX m dx dx m dx2 d 3Y d ( d 2Y ) d ( 1 d 2 y ) 1 d ( d 2 y ) 1 d 3 y dX 3 dX dX 2 d (mx) m dx2 m2 dx dx2 m2 dx3
• 研究钻柱在自重作用下去失稳屈曲的弯曲形状时什么样？
• 用数学方程表示弯曲形状； • 受压长度与弯曲形状的关系，受压长度
对弯曲形状的影响；
临界长度：
• 受压长度较短时，钻柱不发生弯曲； • 受压长度达到一定值时，开始发生一次
弯曲，将此受压长度称作“临界长度”；
• 临界长度的顶点，乃是“中性点”；
截面法：在受压段上，任取一点S，S 点所在断面为MN断面。从此处断开，进行研究
钻柱的纵弯（屈曲）
Lubinski 的垂直井眼内钻柱弯曲微分方程的建立
MN断面处钻柱轴线的倾斜角为α；
• 建立坐标系0-XY，微段长度的关系：
tg dY dL dY 2 dX 2
dX
研究断面以下分离体的受力状况：
– 如何理解无因次量的单位m？ • 有一表示时间的量Y(小时)，1小时=60分，Y小时=ym，y=1，m=60分； • X、Y坐标原单位为米，先将X、Y坐标用mx、my代替，其中x、y代表量值， m代表单位。例如：X=50米，Y=60米，假设m=5米，则x=10，y=12； • x、y是无因次量；m是无因次量的单位。

钻柱运动与变形概述

钻柱振动形式与对策
钻柱变形
钻柱变形基本形式
轴向变形
扭转变形
横向变形
弯曲
屈曲
平面屈曲
蛇形屈曲
螺旋屈曲
直井与斜井钻钻柱变形特点
水平井段钻柱变形特点
结束
谢谢！
横向振动：下部受压段易发生横向振动，并导致钻柱破坏。地面观察不明显。上部受拉段，钻柱绕自身轴线旋转。下部受压段，钻柱绕自身轴线旋转、反向涡动。
钻柱若存在弯角则正向向公转。
斜直井钻柱运动分析
由于钻柱靠重力作用躺在井壁下侧并与井壁产生滑动摩擦，导致： • 纵向振动减轻 • 横向振动减轻 • 扭转振动减轻 • 反向涡动减轻或消失所以在斜井中，钻柱振动导致的疲劳破坏较少。
钻柱的运动与变形
钻柱运动基本形式
运动形式
自转
公转
滑动
振动
自转与公转侧视图
钻柱旋转状态俯视图
反向公转
反向公转
涡动
进动
涡动、进动：自转物体既绕自转轴又绕著另一轴旋转的现象
钻柱振动的三种形式：横振、扭振、纵振
直井钻柱运动状态分析
纵向振动：全井都有可能发生纵向振动，并导致钻柱破坏。地面观察明显。扭转振动：全井都有可能发生扭转振动，并导致钻柱破坏。地面观察较明显。

地质勘探中钻孔弯曲原因及预防措施

地质勘探中钻孔弯曲原因及预防措施为了能够保证施工设备的正确安装的同时，确定合理的钻具结构。

通过对造成钻探工程施工中钻孔弯曲的地质、技术和工艺等因素的分析，阐述了产生偏斜的原因及预防措施，并对采取的纠正方法进行了详细的说明。

标签：钻探工程；钻孔弯曲；影响因素；预防措施；纠正方法TB1 引言钻孔弯曲往往会使钻探工程造成水文钻探中深井泵无法下入、钻具在孔内弯曲变形、打丢矿体、遗漏断层、升降钻具困难到达钻孔、钻杆折断事故增多中等不良后果。

而且钻孔弯曲是无法避免的，但是，只要采取适当的措施就能够做到把钻孔弯曲程度控制在施工设计范围之内。

因此，必须要充分认识钻孔弯曲的原因和钻孔弯曲规律，并按预知的弯曲规律钻进到预期的空间位置，使设计的钻孔与钻孔弯曲的规律相适应，此外，为了保证钻进顺利进行，如果在设计钻孔时遇到孔斜的特殊地层或自然条件，应在提前做好准备预防措施的前提下进行设计和施工。

只有这样做才能做到预防钻孔弯曲并尽量避免钻孔弯曲的产生。

钻探施工中还有可能因受自然因素和技术因素的不定性的影响使得钻孔轨迹往往偏离设计轨迹，产生钻孔弯曲。

2 钻孔弯曲的原因地质、技术和工艺三类因素是造成钻孔弯曲条件的原因。

自转和公转运动是钻杆柱一般情况下同时进行的主要运动，在钻进过程中，围绕钻孔轴线转动，使钻头在不同的时刻朝着不同的方向钻进。

产生弯曲的原因之一可能由于钻杆柱在钻具倾斜面稳定在某一方向时会只作自转而不作公转运动，使钻具轴线偏离钻孔轴线。

另外当存在孔壁间隙和使钻具弯曲的力时即使钻具倾斜面方向稳定，钻具也会向着倾斜面钻进，产生钻孔弯曲。

（1）地质因素：地质因素是客观存在无法避免的，主要是岩石的构造特征和岩层的软硬相兼性影响着钻孔的弯曲。

因此只能通过工艺技术措施来减弱它的促斜作用。

岩石本身具有层理、片理等构造特征造成钻头易沿岩层倾斜方向钻进，从而导致了岩石的破碎效率不高，当钻头在倾斜岩层中钻进时，钻孔极易产生垂直于层面的弯曲。

水平井钻柱涡动特性数值分析与试验

水平井钻柱涡动特性数值分析与试验0 引言水平井可在薄油层中穿越，是稀井增产的重要技术手段，在低压、低渗、薄油藏、稠油藏及常规技术难以取得经济效益的油田开发方面发挥了重要作用。

钻柱在旋转钻井过程中，受井眼的限制，底部钻柱的动力学特性和运动状态变得十分复杂。

浸泡在钻井液内的旋转受压钻柱在屈曲和涡动的作用下，容易发生磨损、疲劳断裂以及井眼的倾斜。

垂直井钻井过程中，钻柱存在涡动现象的事实已被接受。

这种钻柱的涡动对钻井作业十分不利，尤其是底部钻柱的反向涡动，会加快钻柱的磨损，易导致钻柱提前疲劳破坏。

国内外学者对底部钻柱动力学特性进行了研究。

JANSEN等[1-2]和NAGANAWA等[3]根据非线性转子动力学理论，建立了量纲一钻柱涡动方程，并进行了数值模拟计算。

CHRISTOFOROU等[4]借助Rayleigh梁模型对底部钻具组合涡动特性进行了分析，研究结果很好地反映了底部钻柱的涡动特性。

DYKSTRA等[5]深入分析了钻头在钻柱涡动时的动力学特征，研究结果表明，钻柱的反向涡动会降低井底与地面设备的能量传递效率。

KHULIEF等[6]研究了钻柱横向振动和涡动的耦合振动、扭转振动和横向振动的耦合振动，并进行了有限元仿真研究。

HAYAT等[7]通过模拟试验和仿真分析相结合的研究方法，分析并讨论了底部钻具组合的动力学特性。

肖文生等[8]分析了内外钻井液和摩阻作用下钻柱的涡动机理，并得到了钻柱涡动失稳的判定条件。

姚永汉等[9]利用编制好的模拟程序分析了钻铤形心的涡动轨迹、涡动速度、径向轨迹、径向速度。

狄勤丰等[10]建立了底部钻具组合的动力学仿真模型，把钻具组合简化为转子模型，研究了不同钻压下钻柱的涡动特性。

马汝涛等[11]提出利用内摆线法来描述底部钻柱的涡动轨迹。

张晋凯等[12-13]和史玉才[14]分析了涡动钻柱内流体的流动特性，根据转子动力学理论建立了考虑钻柱与井壁碰摩作用的涡动方程，探讨了钻柱的涡动产生的机理。