钻柱浮力分析与计算
钻杆受力分析篇
第三章钻受力分析3.1 作用在钻柱上的基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，作用在钻柱上的基本载荷有以下几种：（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。
应用卡瓦进行起下钻作业时，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，则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，因而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，钻柱本体则不与井壁接触。
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。
钻柱受力分析
❖ 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。
【Selected】石油工程钻井钻柱力学-第二章 钻柱设计与负荷计算1节-遇阻卡受力与卡点深度计算.ppt
mx g k f
101
mx g (1
L s
) 101
0.981Ws
(1
L s
) dx
（2）、再由虎克定律知道 L1：
L1
L1 0
mx g k f 101 Es Ap
dx
积分后得： L1
0.981Ws L12 2 Es
1）、井壁有泥并， 2）、 井内液柱压力大于地层流体孔隙压力。也就是说， 卡点深度处的钻柱除了受上述各种载荷外，还受压差作用 于钻柱横向（径向）压力，大小与卡点深度、钻柱与井壁 接触面积、井斜角等因素有关。
图（2-1a）给出了出现压差卡钻的原理示意图。由图可以 推导出发生压压差卡钻的压差大小：方法如下：
石油工程钻井钻柱力学
第二章 遇阻卡受力与卡点深度
1
第一节、钻柱遇阻卡受力与伸长量计算
一、钻柱遇阻卡受力分析与卡点深度计算
1）、钻柱（杆）伸长量计算
在钻井起、下钻，接单根时，整个 钻柱是悬挂在转盘上的，将定量的原 油打到环空卡点以上一定位置，采用 强行提拉的办法容易造成超载、损坏 备，所以应尽量避免。
（2）、砸用Q = 10 - 20 （吨）的拉力上提，记下标记 2、3、。。。；
（3）、由两次测量拉力差可确定
上提力 FT。
F1
2）、卡点深度计算方法
（1）、由虎克定律
1
F2
F3
1
1
L1
2
L
L
2
3
L FT Lp 或
Ap Es
Lp
Ap
Es FT
L
1 105
(卡点深度）， m；
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。
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。
【钻井工程】第五章 钻柱及钻具组合设计
（3）钻柱由于旋转产生的离心力。
① 离心力的作用加剧下部钻柱的弯曲，使弯曲半波长度缩 短。
② 钻柱轴线呈变节距的空间螺旋弯曲曲线形状。
6
5.1钻柱的工作状态及受力分析
5.1.1钻柱的工作状态
（4）钻柱旋转运动4种形式 ① 钻柱围绕自身弯曲轴线旋动； ② 钻柱围绕井眼轴线旋转并沿着井壁滑动； ③ 钻柱围绕井眼轴线旋转，沿着井壁反向滚动； ④ 整个钻柱或部分钻柱作无规则的旋转摆动。
1258.82 267.39 266.42
165
0.4
1214.30
0.49
36.91
165
71.4
165
71.4
214
71.4
165
71.4
214
71.4
165
71.4
165
83.0
214
71.4
215. 9
9.0
1214.30
5.2
1214.30
1.5
1214.30
9.0
1214.30
1.5
1214.30
循环液体时的水力载荷所形成
t
1 F
K
d
q
n1 i1
Li
K
i
qc Lc
Qi
K
a
K
f
Qh
10
4
Qh Pt Pb F0 104
24
5.2钻井过程中各种应力的计算
5.2.1钻柱轴向应力的计算
2）钻柱下部压应力的计算
（1）在钻柱空悬或小钻压钻柱仍能保持直线状态的情况下， 泥浆浮力是集中作用在钻柱最下部端面上，此时钻柱最 下端所受的压应力为
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。
第5章钻柱
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 132(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 mα——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：FQ 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。
钻柱受力分析及强度校核
1
钻柱的工作状态
一、起下钻
整个钻柱被悬挂起来，在自重力的作 用下，处于拉伸的直线稳定状态
二、正常钻进
在部分自重压力、公转离心力和旋转 扭矩等因素的作用下，钻柱处于弯曲状态。
2
钻柱的受力分析
钻柱承受的基本载荷主要有以下几种：
（1）轴向力和压力： 钻柱在垂直井眼中处于悬挂状态，由于其自身的重量 ，钻柱受到拉伸，最下端的拉力最小（等于 0），最上端 的拉力最大。当井眼内充满钻井液时，钻柱还受到钻井液 对其产生的浮力，而作用在钻柱内外表面的侧向静液压力 ，虽然合力为零，但对钻柱管体形成侧向挤压作用，两种 力综合作用相当于使钻柱的线重减轻。 正常钻进时，部分钻柱的重力加到钻头上作为钻压。 钻压使钻柱的轴向拉力都减小一个相应数值，且下部钻柱 受压缩应力的作用。鲁宾斯基在此提出了中性点的概念
y d p Ks d p Ks 1 t 2 LS 2 LS
2
1 2
12
钻柱的强度校核
三是拉力余量法。考虑钻柱被卡时的上提解卡力，以钻柱 的最大允许静拉力小于最大安全拉伸力的一个合适余量来确保 钻柱不被拉断。
Fa FP MOP
4
钻柱的受力分析
1、钻柱的轴向应力计算 （1） 钻柱在空气中悬空时（图a） 分析：受重力、拉力 任一截面的拉力： ……………………（1） 式中： Fo——空气中任一截面上的拉力，kN； qp、qc——分别为钻杆、钻铤单位长度的重力，kN； Lc、——钻铤长度，m； Lp——截面以下钻杆长度，m；
5
9
钻柱的受力分析
6、纵向振动 n 在中性点处会产生交变的轴向应力； n 当纵向振动的周期和钻柱本身固有的振动周期相同（或成整 数倍时），就会产生共振，称之为“跳钻”。后果是严重的。 7、扭转振动
钻具的受力分析
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。
钻柱
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。
钻柱
钻柱的振动分析（轴向、横向、扭转振动） 钻柱在井内的运动轨迹 动应力分析是一个正在研究的问题。
钻柱抗挤计算
中途测试、井漏、带单向阀未灌泥浆等导致 钻杆内无液体,若井深为H，外挤压力为：
Poc m gH
钻杆内液体深度为L时:
Poc m gH f g(H L)
深井钻柱强度设计
Q0 Q B
井内静止
Q0 Q B P
正常钻进
Q0 Q B Qg
起钻
Q0 Q B Qg
下钻
Q0：井口拉力 Q：钻柱的自重
B：浮力 P：钻压 Qg：起下钻动载
B m gLF
钻柱浮力的计算：
B: 浮力（N） m: 泥浆密度（kg/m3） L: 钻柱长度(m) F:钻具的横截面积（M2) :钻具截面系数 对于非单一钻柱，浮力事实上是钻柱所排开 的钻井液的重量。
Lc2、qc2 、Fc2 Lc1、qc1 、Fc1
B
Lp
/Kf qp
Pa
Pc
(L p q p Pc )K f Pa
nc
Pc Lciqci
i 1
复合钻柱设计
设有nc段钻铤，则钻铤在 Lp、qp、Fp 空气中的总重量为：
Lpi、qpi、Fpi
Lp1、qp1、Fp1
Lci、qci 、Fci 第一段钻杆的最大许下长度
动载
离心力（质量偏心、钻柱不直）主要造 成钻柱的横向振动 钻头与地层之间的相互作用力，主要造 成钻柱的纵向振动 钻具与井壁之间的间隙接触产生的摩擦 力，导致钻柱的运动形态发生改变 泥浆排量不均产生的脉动力。
轴向力（起下钻）
Q0
B
轴向力（正常钻进）
Q0
B＋WOB
井口拉力的计算
钻具的受力分析
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。
【钻井精品】10. 钻具准备(钻柱受力与损坏)
※ 钻柱受力较大的部位：
（1）在正常钻进时，下部钻柱同时受到轴向压力、 扭矩和弯曲力矩的作用，若发生异常情况，则受力 更大。 （2）正常钻进时，上部钻柱靠近井口外，同时受 到拉力和扭矩的作用；起、下钻时受拉力最大。 （3）钻柱中和点附近，受拉、压交变应力和扭矩 的作用。
四、钻柱的疲劳破坏与腐蚀
（一）钻杆疲劳破坏的类型 1．纯疲劳破坏 钻杆在交变应力的作用下，易产生纯疲劳破坏。 2．伤痕疲劳破坏 钻杆伤痕处的应力集中易引起伤痕疲劳破坏。 3．腐蚀疲劳破坏 钻杆长期与具有腐蚀性的介质接触，被腐蚀处产生应 力集中易引起腐蚀疲劳破坏。 腐蚀可分为化学腐蚀和电化学腐蚀。
2. 扭矩
在钻进时，转盘带动钻柱和钻头旋 转破碎井底岩石，使钻柱受到扭矩 作用，井口处最大。
3．弯曲力矩 在压力作用下的下部钻柱易产生弯 曲，另外，钻柱旋转或在井斜井段， 也可能发生弯曲。
4. 离心力 当钻柱旋转时受到离心力作用。离 心力会增加钻柱的弯曲程度。
正常钻进时上部钻柱 和下部钻柱的受力情况
（二）钻柱的受力分析
1. 轴向拉力和压力
通常钻柱在重力作用下，受到轴向拉力的作用， 越靠近井口处，拉力越大，起下钻时最大。在 钻进时，部分钻柱的重量作为钻压作用在钻头 上，使下部钻柱受到轴向压力作用。 在钻柱受拉与受压之间，存在着既不受压力作 用也不受拉力作用的点，称为中和点，该点在 一定范围内是动态变化的。 在钻柱设计和使用过程中，应使中和点位于强 度较大的钻铤上。
为减少钻柱的疲劳破坏，可采取10项预防措施：
1）如果已知或怀疑井下存在有严重狗腿井段，应尽量把 狗腿破坏掉，以减少钻柱的弯曲。 2）应根据预计最大钻压合理确定钻铤长度，使钻铤在泥 浆中的重量大于最大钻压，保证钻杆始终处于拉伸状态。 3）尽可能降低钻杆工作的应力，并采用减震器以降低交 变应力的最大值。 4）在钻柱的繁重工作段和弯曲井段采用厚壁钻杆以延长 整个钻柱的使用寿命。 5）控制钻井液对钻杆的腐蚀性，可在钻杆内壁涂以塑料 树脂等保护层。
深井钻柱疲劳强度计算与分析
纹旋转 到受 拉一 侧 时 ，裂 纹张 开 ；而旋转 到受 压一 侧 时 ，裂 纹 闭合 。 当 裂 纹 底 部 应 力 达 到 一 定 数 值
在钻 井过 程 中 ，钻柱 由于 受到来 自不 同激振 源 的影 响 ，不可 能只存 在一 种振 动形式 ，当激振频 率
底部钻具在使用扶正是基于静应力条件下进行的而实践表明钻柱在低器后受轴压钻铤质量偏心两扶正器之间扶正于屈服极限的交变应力作用下也会出现裂纹刺器与钻头之间顶扶正器之上钻铤质量偏心等都漏断裂等失效形式因此有必要在进行钻柱强度加剧了钻柱质量的不平衡程度
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石
油
机
时 ，裂纹就会以一定的速率不断扩张，直至最后余 下 的断面不 足 以承受 载荷 而断裂 。在 深井 、超 深井
钻井过 程 中 ，钻 柱 的主要 运动是 旋转 向下 ，同时还 伴 随着 各种振 动 ，尤其 是底 部钻 具 的运 动 形式对 于
钻 柱疲 劳失效 影 响很大 。 １ ．钻 柱振 动
１
（） １
鲁 （
Ａｉ
＝
＋
（） ７
（ Ｇ） （。 Ｐ） Ｇ — 。］＋ Ｐ 一 ｝
ｒ
式中
ｆ —— 危 险截 面距 井底 的长度 ，ｍ；
— —
钻柱 材料 的密度 ，ｋ／ ｇｍ ；
（ 一 ）＋
Ｊ—— 浮力 系数 ； ｉ ｝ ，
ｐ —— 钻压 ，Ｎ；
是基 于静应 力条 件下进 行 的 ，而实践 表 明钻 柱 在低
于屈服 极 限 的交 变 应 力 作 用 下 也 会 出现 裂 纹 、刺 漏 、断 裂等失 效形 式 ，因此 有必 要在进 行钻 柱强 度
钻柱的浮力分析及轴力计算
钻柱的浮力分析及轴力计算
陈永明;阎振来
【期刊名称】《中国海上油气（工程）》
【年(卷),期】1997(009)003
【摘要】本文将钻柱真实轴力分解成两部分，一部分为压力，它与作用于钻柱截面同等深度的液柱压力相等；另一部分为有效轴，它等于钻柱的有效弯曲轴力。
【总页数】4页(P32-35)
【作者】陈永明;阎振来
【作者单位】胜利石油管理局钻井工艺研究所;胜利石油管理局钻井工艺研究所【正文语种】中文
【中图分类】TE22
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