钻柱

钻柱设计
（三）、钻柱强度设计实例 ⑴钻铤设计
选用177.8mm钻铤（1606N／m）54米＋158.8mm钻铤（1212N／m ）组成塔式钻具
ρm 1.2 1 1 0.85 = − = − = K 浮力系数 b 7.8 ρs
1.2 ×180 ×103 = Lc ( − 54 ×1606) = /1212 138m 158.8mm钻铤长度 0.85
钻柱的组成及规范
（四）钻杆（drilling pipe） 各类型接头特点： 外径 内平接头 贯眼接头 正规接头 大 中 小 流阻 强度 磨损 用途 小 中 大 小 中 大 大 中 小 一般钻杆 小尺寸钻杆，工具 打捞工具
钻柱的组成及规范
（四）钻杆（drilling pipe） 接头丝扣： 形状： 顶宽： “V”形扣，夹角60°；
Fw1 1584.28 = = = 1115.69 KN 安全系数法： F St 1.42
' a1
拉力余量法： 取：
Fa1" = Fw1 − 200 =1584.28 − 200 =1384.28KN
Fa1 = 1115.69 KN
钻柱设计
（三）、钻柱强度设计实例 ⑵钻杆设计
第一段钻杆许用长度
L1 Fa1 ×103 / 0.85 − 54 ×1606 − 135 ×1212 = 3730m 284.78
纵向振动周期＝ N· 钻柱固有振动周期 → 产生共振（称为跳钻）。
6. 扭转振动（Torsional Vibration）
扭转振动产生交变剪切应力。
7. 动载（Dynamic Loads）
速度变化产生动载，动载将产生纵向应力变化。
第三节 钻柱设计Fra Baidu bibliotek
钻柱设计
（一）、钻柱组合设计 1. 钻具尺寸的选择： 影响因素： 钻头尺寸； 钻机提升能力； 地质条件，井身结构； 钻具供应。
钻柱的组成及规范
（四）钻杆（drilling pipe） 接头丝扣（扣型）的表示方法： 字母表示法： 数字+接头代号 国内： 4 ½” API： 4 ½” ZG／GY／NP REG／FH／IF
REG： Regular Tool Joint FH： Full Hole Tool Joint IF： Internal Flush Tool Joint
第二章 钻柱
本章主要内容：
钻柱的组成及规范 钻柱的工作状态及受力分析 钻柱设计
第一节 钻柱的组成及规范
钻柱的组成及规范
（一）钻柱的组成
钻柱：钻头以上，水龙头以 下部分的钢管柱的总称。 主要组成： 方钻杆 钻杆 钻铤 配合接头
钻柱的组成及规范
（二）钻柱的主要功用
(1)传递扭矩（转盘/顶驱）； (2)给钻头提供钻压； (3)构成钻井液流动通道，传递水力能量； (4)增加井深； (5)传递信息； (6)进行其它特殊作业（取芯、挤水泥、打捞等）。
钻柱工作状态及受力分析
（二）钻柱的受力分析 2. 扭矩（Moment of Torsion） 扭矩分布： 井口最大；井底最小。（转盘钻/顶驱） 3. 弯矩（Bending Moment） 钻柱弯曲的原因： 加压弯曲 井眼弯曲 离心力弯曲
钻柱工作状态及受力分析
（二）钻柱的受力分析 4. 离心力（Centrifugal Force） 公转时产生。 5. 纵向振动（Axial Vibration）
2）拉力余量法
F = Fw − FM a
FM ：拉力余量
FM = 200 ~ 500 KN
最大静拉载荷取安全系数法与拉力余量法二者中的最小值
钻柱设计
3. 钻杆最大允许长度的确定 原则： 钻杆受到的最大轴向载荷等于钻杆最大允许静拉载荷。 设： 钻杆以下钻铤长度为 Lc 钻铤每米重量为 q c 钻杆每米重量为 q p 则：
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
钻柱工作状态及受力分析
（一）钻柱的工作状态 2. 钻进时 工作状态： 平面弯曲 扭矩 钻柱处于空间变节距的 螺旋弯曲状态。
钻柱工作状态及受力分析
（一）钻柱的工作状态 3.钻柱的旋转运动形式 （1）自转 （2）公转 围绕自身轴线旋转。 围绕着井眼轴线旋转产生偏磨。
（3）自转加公转 弯曲钻柱围绕自身轴线运动，同时围绕 井眼轴线旋转。 （4）纵向振动 （5）扭转振动
钻柱的组成及规范
（三）方钻杆（Kelly）
钻柱的组成及规范
（三）方钻杆（Kelly）
作用： 传递扭矩，承受钻柱重量，构成泥浆流动通道。 结构： 断面为中空的多边形（多为正方形）； 上端为左旋扣（反扣），下端为右旋扣（正扣） 有细扣方钻杆； 规范： 无细扣方钻杆。 通称尺寸： 方形边宽。
现常用有：89毫米（3 1/2”）、108毫米（4 1/4”）、 133毫米（5 1/4”）。 有效长度﹥钻杆长度＋2～3米。
S n = 1.2 ~ 1.3
钻柱设计
（二）、钻柱受力计算 1. 悬空时井口处的轴向力
Q0 = F0 − B
Q0 ：井口截面轴向载荷；（N） F0 ：井口截面以下钻柱在空气中的重量；（N）
B ：泥浆浮力。（N）
钻柱设计
1. 悬空时井口处的轴向力
Q0 = F0 − B
F0 = V ⋅ ρ s ⋅ g = L0 ⋅ A ⋅ ρ s ⋅ g
Q0 = F0 − B − W
W － 钻压
3. 起钻时的轴向载荷
Q0 = F0 − B + Fm + Fd
Fm － 摩擦力 Fd
－ 动载
Fm = (0.2 ~ 0.3)( F0 − B) = Fd (0.2 ~ 0.3)( F0 − B)
Q0 = (1.4 ~ 1.6)( F0 − B)
钻柱设计
（三）、钻柱强度设计 1. 钻柱允许的最大工作载荷 Fw
钻柱工作状态及受力分析
（二）钻柱的受力分析 1. 轴向力（Axial Force） 轴向力种类： 自重 钻压 浮力 摩擦力 粘滞力 动载 起下钻时
钻柱工作状态及受力分析
（二）钻柱的受力分析 1. 轴向力（Axial Force） 轴向力分布： 假设：①浮力为线性分布；②忽略摩擦力。 井口受拉力最大；井底受压力最大。 钻柱中存在一个截面，该截面处轴力为零。 中性截面：钻柱中轴力为零的截面。 中和点（中性点）：钻柱中轴力为零的点。 中和点（中性点）附近钻柱容不容易损坏？
钻柱的组成及规范
（四）钻杆（drilling pipe）
作用： 传递扭矩，构成泥浆流动通道；增加井深 结构： 钻杆管体＋一付钻杆接头。
钻杆结构示意图
钻柱的组成及规范
（四）钻杆（drilling pipe）
规范： 有细扣钻杆； 无细扣对焊钻杆。 通称尺寸： 钻杆本体外径。
现常用有： 89毫米（3 1/2”）、127毫米（5”）。
显然，还需增加一段较高强度钻杆。
钻柱设计
（三）、钻柱强度设计实例 ⑵钻杆设计
第二段钻杆选用127mm，内径108.6mm，每米重量为284.78N／m 的105级钻杆，最小抗拉力 Fy 2 = 2464.39 KN 钻杆最大允许工作载荷 钻杆最大允许静拉载荷
钻柱工作状态及受力分析
（一）钻柱的工作状态 2. 钻进时 钻柱受力如下： 轴向拉力（重量） 轴向压力（钻压，浮力） 扭矩 振动载荷 离心力 弯曲力矩
钻柱工作状态及受力分析
（一）钻柱的工作状态 2. 钻进时 工作状态： 在轴向力作用下： 直线状态（上部钻柱） 受压弯曲状态（下部） 在离心力、弯曲力矩作用下： 上部钻柱弯曲状态 结果：整个钻柱处于弯曲状态，上部弯曲程度小， 下部弯曲程度大。属于平面弯曲。
按每根钻铤9米计，需用155.8mm钻铤15根。
钻柱设计
（三）、钻柱强度设计实例 ⑵钻杆设计
第一段钻杆选用127mm，内径108.6mm，每米重量为284.78N／m 的E级钻杆，最小抗拉力 钻杆最大允许工作载荷 钻杆最大允许静拉载荷
Fy1 = 1760.31KN Fw1 = 0.9 Fy1 = 0.9 ×1760.31 = 1584.28KN
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
NC －数字型接头代号（National Coarse Thread 国家标准粗螺纹） XX －基面节圆直径（吋）如：31 表示 3 1/8”，77表示7 7/8”
钻柱的组成及规范
（五）钻铤（Collar） 功用： 施加钻压；防止井斜。
特点：
壁厚大，刚性大。 常用尺寸： 6 1/4〃，7
〃
，8
〃
，9
钻柱的组成及规范
（四）钻杆（drilling pipe）
本体两端加厚形式： 内加厚 外加厚 内外加厚
内加厚
外加厚
内外加厚
钻柱的组成及规范
（四）钻杆（drilling pipe）
钻杆接头： 有细扣钻杆接头 无细扣钻杆接头 钻杆接头类型： 内平接头 贯眼接头 正规接头
钻杆接头与钻杆本体用细丝扣连接。 钻杆接头与钻杆本体对焊连接。
考虑接头的影响：
F0 = α ⋅ L0 ⋅ A ⋅ ρ s ⋅ g
由阿基米德定律：
Q0 = F0 ⋅ K b = K b ⋅ L0 ⋅ q
K b= (1 −
B = α ⋅ L0 ⋅ A ⋅ ρ m ⋅ g
ρm ) ρs
K b ：浮力系数
问题：井口以下任一截面的轴力能否用浮力系数法计算？
钻柱设计
2. 钻进时的轴向载荷
Fa − L ⋅ q K c c b Lp = qp
L p :钻杆最大许用长度
钻柱设计
4. 复合钻柱强度设计 复合钻柱： 由不同尺寸、壁厚、钢级钻杆组成的钻柱。 设计方法： 从下至上，逐段设计。
钻柱设计
（四）、钻柱强度设计实例 设计条件： 井深5000m； 井径215.9mm 钻井液密度1.2g／cm3 钻压180KN 拉力余量200KN 设计安全系数1.42
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）
丝扣顶切平后的宽度。0.040″，0.050″，0.065″ 切平目的：减小应力集中，提高丝扣强度。
锥度：
1：4 ﹠ 1：6
丝扣种类： 根据锥度和顶宽划分为甲、乙、丙、丁四种扣。 不同种类的丝扣不能相连。
钻柱的组成及规范
（四）钻杆（drilling pipe） 接头的连接： 规定：一定尺寸和接头类型的钻杆只采用一种螺纹类型。 丝扣连接准则： 尺寸相同 接头类型相同 公母相配
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
钻柱的组成及规范
（四）钻杆（drilling pipe） 接头丝扣（扣型）的表示方法： 数字表示法（国内）：
该数字表示公/母扣 该数字表示接头类型 该数字表示与接头相配的钻杆直径
如：421，310
钻柱的组成及规范
（四）钻杆（drilling pipe） 数字型接头：
结构：“V”形，夹角60°，顶宽0.065″，螺纹根部为0.038R， 锥度：1：4 ＆ 1：6 特点：只要基面节圆直径相同就可连接。 表示方法：NC XX V－0.038R
〃
钻柱的组成及规范
（六）配合接头（connection joint) 功用： 连接不能直接相连的钻具。
第二节 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 1. 起下钻工况下 钻柱受力如下： 轴向拉力（重量） 浮力 惯性力（起下钻速度变化） 井壁摩擦力 泥浆阻力 结论： 整个钻柱处于受拉伸的直线稳定状态。