钻杆受力分析篇
钻杆头受力分析报告
钻杆头受力分析报告一、引言钻杆头是钻井设备中的关键部件之一，其受力分析对于提高钻井效率、确保井下安全具有重要意义。
本报告针对钻杆头在钻井过程中受到的各种力的作用进行详细分析，以期为钻井工程提供科学依据。
二、钻杆头结构与力学特性钻杆头通常由高强度合金钢制成，具备足够的硬度和韧性。
它主要包括螺纹部分和圆柱部分，螺纹部分用于与其他管材连接，圆柱部分用于支撑井下下部重力。
三、钻杆头受力情况分析1. 静载荷静载荷是指钻杆头在井下自身重力作用下所承受的力。
它是重力与钻杆头所受摩擦力之间的平衡状态。
静载荷的大小与钻杆头的重量、钻井深度以及井下环境都有关系。
2. 冲击载荷冲击载荷是指钻杆头在钻井过程中所受到的冲击力。
冲击加载荷主要由以下几个方面导致：钻头与岩石接触时的冲击力、钻杆与钻铤之间碰撞产生的冲击力、液压冲击力等。
3. 弯曲载荷弯曲载荷是指钻杆头在钻井过程中承受的弯曲力。
这种载荷主要由井下地层的阻力、钻头与井壁之间的摩擦力、钻杆本身的重力等因素共同作用导致。
4. 扭转载荷扭转载荷是指钻杆头在旋转钻进过程中所承受的扭转力。
扭转载荷的产生主要是由于钻杆和钻头之间的扭矩传递产生的。
四、钻杆头受力分析方法1. 数值模拟通过建立钻杆头的数值模型，可以模拟不同工况下的受力情况。
利用有限元分析等数值方法，可以得到钻杆头在各个方向上的应力分布，从而评估其受力状况。
2. 试验方法通过设计和进行一系列物理试验，可以直接测量钻杆头在不同工况下的受力情况。
通过测量应力和应变等参数，可以准确评估钻杆头的承载能力和安全性能。
五、结论钻杆头在钻井过程中受到的各种力的作用对钻井效率和井下作业安全都至关重要。
钻杆头的受力分析可以通过数值模拟和试验方法进行，以评估其在不同工况下的应力分布和强度状况。
通过对钻杆头受力情况的深入研究，可以为钻井工程的设计和施工提供有力的科学依据。
最终目标是提高钻井效率、确保井下安全综上所述，钻杆头在钻井过程中承受着多种载荷，包括拉伸载荷、压缩载荷、弯曲载荷和扭转载荷。
钻杆失效分析
地质钴杆工作环境恶劣，工作环境差易磨损、易腐蚀、易疲劳综合力学要求高。
钻杆失效形式主要是钻杆的断裂。
钻杆在导向、定向钻进过程中一但断裂, 将会对工程造成严重影响，不仅是经济上的巨大损失，而且影响工期，失去信誉, 后果不堪设想。
因此，作为施工个人或企业，一定要学会如何正确地选择和使用钻杆；而作为钻杆生产厂家，要知道各种开挖或非开挖工程对钻杆的特殊要求, 生产出高强度、高韧性和高可靠性的钻杆。
地址钻杆失效原因我们可从两方面来分析，人为因素和钻杆本身存在的缺陷，钻杆本身的缺陷又分设计缺陷和材料本身存在的缺陷。
钻杆在导向、定向钻进时往往在受到较大拉力和扭力作用的同时，还受到弯曲力的作用。
钻杆通过曲线段时，钻杆被迫弯曲，弧线内侧受压应力作用，弧线外侧受拉应力作用。
当钻杆在曲线段旋转时，杆体就受到拉压交变应力的作力，而钻孔曲率半径越小交变应力就越大。
研究表明这个交变应力达到一定值后，就极容易使钻杆产生疲劳裂纹。
钻杆刚开始产生的疲劳裂纹疲劳裂纹非常微小，肉眼很难发现，但疲劳裂纹发展速度极快，最后表现为突然的脆性断裂。
试验证明，钻杆受交变应力作用而疲劳断裂是钻杆断裂失效的主要原因。
施工队伍有很多是经验丰富素质高的专业公司，也有临时拼凑起来的没有任何施工经验和技术的队伍，他们往往连钻杆（或钻孔）的曲率半径都没听说过，不太了解地址钻杆的特性是造成钻杆断裂的人为方面的主要原因。
这要通过学习和培训加规范施工来解决。
下表中列出来地质钻杆失效的部位和表现形式及原因。
表一三、避免钻杆非正常失效的措施钻杆的基本力学工况钻杆在内外充满钻井液的狹长井眼里工作，通常承受压、弯、扭、液力等载荷。
如果钻杆所受应力小于每平方米206.8牛顿时，钻杆虽经过无数次的弯曲，也不会产生疲劳裂纹。
钻井时钻杆承受弯曲、扭转和拉伸应力组成的复合应力很大，特别是在大位移定向井及水平井中扭矩极大，钻杆在100万次弯曲次数时便产生疲劳微裂纹；微裂纹产生后便不断扩大延伸，此时如果具有腐蚀作用的高压钻井液进入微裂纹中，就会加速裂纹扩展，最终导致钻井液刺穿钻杆的失效事故。
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。
直连式绳索取心钻杆轴向拉力分析
直连式绳索取心钻杆轴向拉力分析摘要：钻杆轴向拉力是设计钻杆的重要因素之一。
本文通过分析直连式绳索钻杆的轴向拉力情况，为直连式钻杆的研制提供重要的指导依据。
关键词：直连式钻杆；不全丝扣；轴向拉力计算；破坏拉力试验绳索取心钻进技术在我国应运已经非常普遍，由于绳索取心钻进往往要钻进几天、十几天甚至几十天才能提钻一次，所以对绳索取心钻具的要求也越来越高。
目前，国内绳索钻具普遍采用的是螺纹连接公母接头式钻杆，这种钻杆螺纹端数量多，容易造成失效，在钻进过程中经常出现事故，因此结构更加合理、材质更好的直连式绳索钻杆越来越受到市场的欢迎。
1. 概述直连式绳索钻杆与螺纹连接公母接头式钻杆在相同的工作条件下，其综合机械性能应与螺纹连接公母接头式钻杆相当甚至更高，否则就很难满足当前绳索钻进条件下的使用要求。
在钻进过程中，钻杆是整个钻杆柱的关键和主要组成部分，受到多种力的影响，包括：轴向拉压力、弯曲力、离心力等等，其中轴向拉压力对钻进影响极大，钻具拥有足够的轴向拉力，对科学钻进具有重要的意义。
因此，对直连式绳索钻杆进行轴向拉力分析就显得非常重要，这也是决定直连式钻杆能否被市场接受的一个重要因素。
2. 钻具轴向拉力理论分析钻具有多大的轴向抗拉力，对钻进深度有直接的影响，准确掌握钻具的轴向拉力，是科学钻进的重要前提。
对直连式钻杆进行轴向拉力分析，首先要确定钻杆在钻进过程中轴向拉力会受到哪几种因素的影响。
一般说来，钻杆在钻进过程中，轴向拉力主要受两方面的影响：一是重力作用的影响，钻杆柱最下面的拉力为零，井口处的拉力最大；二是钻柱与井壁之间的摩擦力。
基于这两种因素的影响，设计钻杆时，轴向拉力必须要考虑一定的安全系数。
目前，国内常用的直连式绳索钻杆多为NQ、HQ两种，设计孔深大约在1000-1500米之间，下面我们将着重以NQ钻杆为例，通过理论计算和实际拉力试验分析其轴向拉力情况。
现阶段，国内直连式绳索钻杆材料一般选为XJY850，这种材质的管材综合性能好，具有较高的强度和良好的工艺性能，甚至可与国外同类产品相媲美。
钻具现场使用与管理及受力分析
大港油田集团钻井工程公司
Drilling Engineering Company Of DaGang Oilfield Group CO.,LTD
前
言
因此，本次讲课的目的是： 一是让各位技术人员对钻具使用和现场管理有一个 更详实的认识，指导正确合理使用钻具，尽可能减 少钻具现场失效问题，保证钻井生产正常进行； 二是提请各位技术人员要爱惜工程公司的钻具资源。 钻具是属于工程公司的，任何人都应当爱惜公司的 资产。 下面，受工程公司的委托，做简要的介绍，供现 场使用人员参考，不当之处，请予以批评指正！
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钻具基础知识
常用钻杆规范（内径、外径、壁厚、线密度等） 常用钻杆规范（内径、外径、壁厚、线密度等）
物理性能 最小屈 服强度 最大屈 服强度 最小抗 拉强度 钻 杆 钢 级
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钻具基础知识
3.方钻杆 类 型：四方形、六方形 特 点：壁厚较大，强度较高 主要作用：传递扭矩和承受钻柱的全 部重量。 常用尺寸：89mm(3.5英寸)，108mm (4.5英寸)，133.4mm (5.5英寸)。
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钻具基础知识
NC型系列接头 型系列接头
NC23，NC26，NC31，NC35，NC38，NC40，NC44， NC46，NC50，NC56，NC61，NC70，NC77等。 NC—National Coarse Thread，（美国）国家标准粗 牙螺纹。 xx—表示基面丝扣节圆直径，用英寸表示的前两位数字 乘以10。 如：NC26表示的节圆直径为2.668英寸。 NC螺纹也为V型螺纹, 表2-17所列的几种NC型接头与旧 API标准接头有相同的节圆直径、锥度、螺距和螺纹长 度，可以互换使用。
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。
基于ANSYS的钻杆的有限元静力分析
摘
要: 建立了基于 A N SYS 的钻杆参数化有限元仿真模型， 对钻柱的整体受力情况进行了有限元仿
真分析，运用 A N SYS 软件中结构静力学分析模块， 对 钻柱在减 压和加 压两种 回转钻 进过程中 的整 体受力情况进行了分析， 说明了钻柱的整体受力过程及特点， 并总结 了浅井和深 井两种情况 下钻杆 柱应力分布的一般规律� 关键词: 钻柱; 有限元; 仿真; 受力分析; 参数化模型; A N SYS 中图分类号: T E 921. 2 ; O 242. 21 文献标识码: A 671 - 654X ( 20 10 ) 03- 0 061-04 文章编号 : 1
2］ 解［ �
及温度影响等�
2
有限元模型的约束及加载
2.1 建立模型 选取从井口到 钻头的整体钻 柱结构作为研 究对 象， 利用 A NSYS 来进行有限元分析� 首先要建立合适 的几何模型来模拟钻柱的实际工况 �由于谐响应分析
［ 4］ 是一种线性分析， 所以忽略所有非线性特性 �钻柱 为弹性直杆， 将钻柱系统离散化， 并将井架 � 吊绳和大
收稿日期 : 200 9- 1 1- 1 1 修订日期 : 2010- 03- 05
图1
钻柱离散单元系统
2.1. 1 选择单元 根据单元特性， 选取弹性直管梁单元 PIPE 59 来模 拟钻杆� 钻铤� 转换接头以及扶正器 �各单元的特性可 通过 K E YO PT 选项的设置来确定，PI PE 59 单元的各 个 K E YOPT 选项采用默认设置�
钩看做一弹簧， 钻柱系统被简化为一弹簧 - 质量 - 阻 尼系统， 如图 1 所示 :
1 基本假设
钻杆柱的实际工作状态是非常复杂的， 很难对钻 杆柱的实际状态进行精确的模拟和分析 �因此， 在分 析时有必要引入了一些基本假设， 对钻杆柱状态进行 简化模拟 � 对于钻杆的受力情况分析， 主要是了解钻杆柱的 整体受力情况， 并确定受力点最大处的位置 � 所以， 在 A N SYS 中， 可以采用结构静力学的分析模块来进行分 析� 为此， 除了在有限元建模时所作的几点基本假设 外， 还需引入以下基本假设: 1) 不考虑钻杆柱弯曲变形的影响� 2 ) 不考虑孔壁和钻井液对钻杆柱的磨擦阻力 � 3) 将钻杆柱底部钻头所受的力简化为轴向阻力及 阻力矩� 4 ) 忽略钻杆柱的动态因素 � 钻井液的动力效应以
石油钻杆的应力失效分析
石油钻杆的应力失效分析摘要：石油钻杆在钻井中是传递动力的主要工具，在摩擦碰橦的下，易出现钻柱裂纹成核、扩展、刺漏以致穿孔和断裂。
文章根据工程常出现的问题，分析了石油钻杆的应力失效断裂分析。
关键词：石油钻杆；应力失效；断裂；分析0引言石油钻杆是钻井过程中主要起传递扭矩和输送泥浆的作用，承受着拉、压、扭、弯曲等交叉作用的复杂应力载荷，要想提高钻杆的工作寿命，加工材料必须具有良好的抗扭、抗冲击、抗弯曲等力学性能，必须采用良好的加工工艺和表面处理措施，提高表面质量，最大限度的消除表面应力集中。
钻杆的材料一般为抗硫材料、铝合金材料、钛合金材料、超高强度钢及新型碳纤维复合材料、凯夫拉材料等等。
国内常用的有95SS、105SS、S135、G105、26CrMoNbTiB、UD—165等等。
这些材料才抗腐蚀、刚磨损、抗疲劳等方面各有所不同，使用的油田也不相同，文章主要针对国内常用的S135材料应用中出现的应力失效断裂情况进行探讨分析。
1.钻杆失效分析的作用失效分析是判断钻杆失效形式、分析失效原因、研究失效处理方法，从而达到改善钻干设计原理和完善加工工艺，减少和预防钻杆因同一原因引起的重复失效断裂的不良现象，降低石油钻采的经济成本。
钻杆是石油钻井设备中必不可少的工具，一般都在恶劣的环境下应用，是，应用频率高，时间长，影响使用寿命的因素多，是石油钻采中最薄弱的环节。
分析钻杆的失效原因，有针对性的加以不断的改进，是防止钻杆断裂，保证在钻井中安全运行的重要措施。
2.钻杆断裂分析文章以某钻井队的两次断裂情况进行着手分析：一是钻杆尺寸为 5 1/2”X9.17mm，钢级是S135在某井下2864.3m时发生了5 1/2“的钻杆断裂事故，该井在2863.2m处遇到了4.5吨的阻力，划眼到2864m，悬重由152吨降到110吨，泵压由20MPa降到14.6MPa，起钻时发生断裂，断口离距离公接头0.62m，断口平齐，断口外径140mm，基本无扭曲塑性变形，断口有140mm长的水泥刺痕。
绳索取心钻杆的受力与失效分析
最有代表性 。在减压钻进 中， 钻杆柱上部钻杆受拉 力、 扭矩 最大 ， 随着 孔深 增加 ， 拉力 逐 渐变小 ， 到零 再
至受 压状 态 ， 矩 则 越 变越 小 ， 扭 至孔 底 时 ， 矩 满 足 扭 钻 头克 服岩石 即可 。钻 具 级 配 合理 时 ， 曲应 力 较 弯
２１ 年 ２ ００ 月
地 质 装备
ｌ ３
பைடு நூலகம்
绳 索取 心钻 杆 的受 力 与失效 分 析
姜光忍 李忠 王献斌 徐新绿
０６０） ５ ０ １
（ 河北省 地矿 局第 一地 质大队 摘
河北邯郸
要 ： 文通过 分析 不 同钻具级配条件及不 同深度 时绳 索取 心钻 杆 的受力情况 、 本 状态 、 性质 ， 剖析钻 杆失效 的原
分 析 。钻 杆 的 推 荐 许 用 疲 劳 强 度 为 ０１ 一 ＂许 － １４ ａ疲 劳极 限强度 ０ＭＰ ， 一３６ ａ许 用剪 切 应 ０ＭＰ ，
式中： Ｄ ）２ｌ ｆ 一（ —ｄ ／ ，为半波长 计算半波长的萨尔基索夫公式
ｌ １０ ｗ（ ０ ５ （ ． ５ ２ ２× １ 。 ｗ 一 ０ ／ ± ． Ｚ４ ０ ２ Ｚ － － ４ ０Ｊ ／
所示 。
１ ７ 管 ２套
绳索取心钻进技术在我 国应用已非常广泛 ， 其 钻进效率高、 劳动强度低、 钻进成本低 的优势已被广 大施工单位所接受 。绳索取心钻进工艺和普通金刚
石 岩心 钻进 有所不 同 ， 具有 钻 杆 柱 内捞 取 岩 心并 具
有钻杆壁薄 ， 钻头唇部壁厚、 钻杆与孔壁间隙小等特 点。施工单位应该根据绳索取心钻进的特点和具体 的施工条件， 设计合理的钻孔结构 ， 确定合理的钻进
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。
钻杆的失效分析
钻杆的失效分析石油钻杆是用于传递动力、输送泥浆的主要工具。
钻杆常处于交变应力并且在与井壁摩擦碰撞的恶劣条件下工作，往往成为整个钻井设备与工具中最薄弱的环节，由裂纹发展致穿孔或完全断裂时有发生。
钻柱裂纹成核、扩展、刺漏等事故及断裂的控制是确保钻杆在钻井中运行安全的重要措施。
为此，本文在前人研究的基础上，结合有限元分析，以实验数据为依据，对钻杆材质进行了宏观和微观分析，具体内容如下： (1)在典型钻杆断口分析方面：研究了钻杆断裂断口的形貌，根据其形貌特征得出了钻杆断裂机制，并为下一步的力学分析和微观分析做前期工作。
(2)在钻杆疲劳和断裂分析方面：主要对钻杆上带有的缺陷进行有限元模拟，得到带裂纹的钻杆的应力集中系数，算出了钻杆的疲劳寿命，对钻杆各部分的裂纹敏感性进行比较，得出了钻杆裂纹出现的危险区域，并根据断裂力学理论和有限元分析获得了微裂纹处的应力强度因子。
(3)在钻杆微观分析方面：首先对钻杆进行金相分析比较，找出钻杆性能差异的根本原因，然后用扫描电镜对钻杆进行微观分析，对裂纹和刺孔进行研究，并进行局部化学成分测量，接着研究了钻杆加厚过渡区内表面喷丸处理工艺对钻杆性能的影响，同时对钻杆进行了显微硬度的测量。
本文的创新点： (1)提出了钻杆失效的过程和概念模型，即内表面缺陷-解理断裂-裂纹疲劳扩展-过载断裂，为解决钻杆失效分析中存在的困惑(各项基本检测参数基本合格，刺穿和断裂仍有发生)提出了分析方法和手段。
提出了加厚过渡带断裂和刺穿的原因之一是墩粗加工时，终止变形温度过低，这一认识为工厂墩粗过程的质量控制提供了依据。
(2)将断裂力学的方法与常规的σ-N疲劳试验相结合，为钻杆疲劳分析提供了方法，即以断裂理论为基础计算出裂纹尖端应力分布，并由此算出相应的应力集中系数。
用应力集中系数法与σ-N曲线相结合，计算带裂纹钻杆的疲劳寿命。
(3)探索了钻杆失效的微观分析方法，用大量的实测找出钻杆的内部微观缺陷。
这对钻杆使用方和制造方都有重要价值。
钻杆和接头的使用可不是你想的那么简单哦(一)
一.振动、弯曲磨损
钻杆柱达到临界转速时，会时钻杆发生振动，这个振动往往会造成钻杆弯曲、过度磨损、迅速损伤和疲劳破坏。特别是钻杆发生两种类型振动（波节振动与弹簧摆型振动）重合时最为不利。临界转速随钻具的长度、钻具尺寸、钻铤尺寸和井眼大小而变化。
二.拉伸破坏
拉伸破坏常发生在提拉被卡的钻杆过程中。当上提拉力超过屈服点时，在钻杆壁的最弱部分或最小断面处，会发生“细脖子”变形。如果上提拉力超过刚才的极限强度，则钻杆将被拉断。拉伸破坏一般发生在钻柱的上部。因为上部钻具既要承受压力，又要承受钻柱的重量。
决定疲劳破坏的数值有：在钻杆弯曲处，钻杆承受的拉力负荷；钻孔弯曲的严重程度；每段钻杆在钻孔弯曲处的重复应力次数；钻杆的尺寸及钢材性能。由于钻杆所承受的额拉力大小是疲劳破坏的关键，所以在深井中，上部的钻孔弯曲往往成为疲劳破坏的因素。应该指出，只要钻杆通过了钻孔弯曲处，即使拉力被消除了，积累疲劳损坏还是存在的，因此如果重复几次通过钻孔弯曲处，就有可能会使钻杆发生疲劳破坏。同样要看到，一根钻杆在某一井内即使没有发生事故，但有可能已经受到损伤。因此。当它再用于同一口井或其他井时，虽然把它接在钻柱顶部，即使作用于钻杆上的弯曲应力是在额定数值内，也可能使它无法承受，以致造成事故。
（5）卡瓦伤痕 转盘卡瓦一般不会在钻杆上留有损坏性的伤痕。但是如果卡瓦牙的加工不良，或操作不善，卡瓦牙会咬伤钻杆。
（6）地层和井内破碎金属对钻具表面的切割凹口 钻具在井内旋转，表面会与坚硬的井壁地层相擦，以至留下圆周刻痕。这种刻痕往往呈三角形，在钻杆和钻铤上均为常见。
3、腐蚀疲劳破坏
这种破坏是目前使钻杆早起破坏的普遍原因。腐蚀可能以各种或数种综合的破坏形式（侵蚀、磨坏、疲劳）造成极为严重的破坏。有时，几种腐蚀形式会同时发生，但是一般说来，总是有一种腐蚀形式成为主要破坏原因。
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。
定向井中钻杆的稳定性分析
式中： 一 钻柱偏离原直线平衡位置最 大总挠度 ，
ｍ取 微元 段 进行 分 析 ， 根 据材 料力 学 知识
将式（ ４ ） 、 （ ５ ） 、 （ ６ ） 、 （ ７ ） 、 （ ８ ） 代入 式 （ ９ ） 中， 经
过 整理 可得
ｑ Ｔ２
可 知其 弯 曲变 形 能为
Ｍ ： ＥＩ ｄ ｘ 。
（ ３ ） 钻柱 均匀 等截 面 ， 且 质量 均 匀 分布 ， 钻 柱 因
自重 引起 的横 向载荷为 横 向均 布 载荷 ；
曲， 不 能保 持 井壁 的稳 定性 ， 影 响 井身 轨 迹 ， 使 钻柱
产 生疲劳 破坏 等 。 由于井 眼和扶 正器 的几何 约束 ，井 眼 中 的钻柱
（ ４ ） 钻柱 扶正 器简化 为 弹性 铰 支点 ； （ ５ ） 不考 虑接 触摩擦 力 和钻井 液 （ 除 了浮 力 ） 等
影响。
会 呈现初 弯 曲状态 。在研 究 钻柱 的纵 横 弯 曲时 ， 这 种初 始存 在 的弯 曲对管柱 的变形 和 弯 曲应力 有 很 大
影响 ， 一般情 况 下不可 忽 略 。国 内研 究 较多 的是运 用 能量法 推 导 出具 有 初 弯 曲管 柱 稳 定 性 的判 别 公
式 。本文 在前 人研 究 的基 础 上 ， 补 充扭 矩 对 其 稳定
（ 口 ２ 一口） （ Ｅ Ｉ ＇ ｒ ｒ ２
一
Ｆ ）＝
（ 。 ２一。 ）一
ｄ ：
ｄ —
， ｄ２ ｙ ＥＩ ２
：
收稿 日期 ： ２ ０ １ ３— ０ ８—２ ０ 图 １ 斜 弯 井 眼 中钻 柱 的 受 力 分 析
作者 简介 ： 濮兰天（ １ ９ ８ ９一） ， 女， 云南永 胜人 ， 重庆科技学院在读硕士研 究生 ， 研究方 向为油气井工程 。
定向井钻井钻柱受力分析
［ ］ 万林， ２鲁 宋德 文． 析路 桥施 工 中上 部结 构 的加 固技术 与工 艺 要求 探
【 】 湖北桥 梁工程 ． ０ ， １ ） Ｊ． ２ （ ． ０６ ０
（） ４ 保护张锚体系。 当采用无粘结 刚绞线作为体外预应力索时， 通常
外裹油脂及其塑料护套能对预应力索起到一定的保护作用 ， 并且经久耐用 ， 而张锚体系的两端锚具和防松套—般要用玻璃丝布缠包油脂。 ３ 、 总 结
［】 辉． 如何 解决 路桥 工程施 工预 应力应用 中存在 的 问题 ［】 科 技成 ３赵 Ｊ． 果纵 横． ７ （ ． ２ ０ ， ２） ０ ［】 ４ 胡蜂， 伟利． 浅谈 路桥施 工 中体外 预应力 加 固法 的工程应用 【】 刘 Ｊ．
吉林建 筑． ０ ， ３． ２ ８（ ） ０ 【］ ５ 赵丽敏 ， 马成 学． 公路 路桥 过渡段 设计 与施工 技术 的创 新 与科学发 展
［ ］ ｏ － ． ｎ ｉ ｒ ｖ ｄ ｏ ｅ１ ｎ ｐ ｏ ａ ｆ ｒ ｏ ｕ ｎ ｔ ｅ ４ Ｈ Ｈ Ｓ Ａ ｍｐ ｏ ｅ ｍ ｄ ｇ ｒ ｇ ｍ ｏ ｃ ｍｐ ｔｉ ｇ ｈ ｉ ｒ
ｔ ｒ ｕ ａ ｄ ｄ ａ ｉ ｄｉ ｅ ｔ ｏ ａ ａ ｄ ｅ Ｐ ｅ１ ， Ｐ １ ４ ， ８ ． ０ ｑｅ ｎ ｒ ｇ ｎ ｃ ｉ ｎ Ｉ ｎ ｄ ｅ ｗ １ Ｓ Ｅ ０ １ ８ ｒ Ｓ ８ ７ ９
【】 中国桥 梁建设 ． ０， １ ． Ｊ． ２ ９ （ １） ０
２１ ０ ００・６
中国电 子商务． ２ ３ ． ７
［】 ５ 张建群 ， 孙学增 ， 俊平． 赵 定向井 中摩擦 阻力模 式及 应用 的初步研 究．
￡
南 嘛 ５ （ ）
气密钻杆接头受力分析与紧扣圈数优选
伸 载荷 作用 下螺 纹牙 轴 向载荷 增 长 幅值 ，延 长接 头 的使 用 寿 命 。研 究 结果 可 为 带金 属 密封 结 构 的
双 台肩钻杆 接 头的 受力分析 及 紧扣 圈数 的优 选提 供参 考 。
关 键词 ：钻 杆接 头 ；锥 面 密封 ；气 密封 ；紧扣 圈数 ；拉伸 载荷 ；受力分析 ；有 限元 法
石 油
机
械
Ｃ Ｈ Ｉ Ｎ Ａ Ｐ Ｅ Ｔ Ｒ Ｏ Ｌ Ｅ Ｕ Ｍ Ｍ Ａ Ｃ Ｈ Ｉ Ｎ Ｅ Ｒ Ｙ
●钻 井 技 术 与装 备
２ ０ １ ５年 第 ４ ３卷
第 ７期
气 密 钻 杆 接 头 受 力 分 析 与 紧 扣 圈 数 优 选
庄 泳 鲁 喜 宁 高 连 新 袁 鹏 斌
（ １ ．华东理 工大学机械 与动 力工程 学院 ２ ．上 海海隆石 油管材研 究所 ）
摘 要 ：对于 带金属 锥面 密封 结构 的双 台肩钻 杆 接 头 受力 分 析 的报 道 较少 ，为 此 分析 了接 头在 不 同紧扣 圈数及拉 伸 载荷作 用下 的受力 情况 ，同 时建 立 了相 应 的力 学模 型 ，并通 过 有 限元 仿 真验 证 了模 型 的可 靠性。 计算结 果表 明，合 理 的紧扣 圈数 显著 提 高 了接 头 的 密封性 能 ，能 有效 降低 拉
ｌ ｏ ａ ｄ ｓ ．Ｒｅ ｌ ａ ｔ ｅ ｄ ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ｓ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｈａ ｓ ｂｅ ｅ ｎ ｅ ｓ ｔ ａ ｂ ｌ ｉ ｓ ｈｅ ｄ ａ ｎ ｄ ｉ ｆ ｎｉ ｔ ｅ ｅ ｌ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｈ ａ ｓ ｂ ｅ ｅ ｎ ｃ ｏ ｎｄ ｕ ｃ ｔ ｅ ｄ ｔ ｏ ｖ ｅ ｒ ｉ ｆ ｙ ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｌ ｉ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｍｏ ｄ ｅ １ ． Ｔｈ ｅ ｒ ｅ ｓ ｕｌ ｔ ｓ ｓ ｈ ｏ ｗ ｔ ｈ ａ ｔ ａ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ ｎ ｕ ｍｂ ｅ ｒ ｏ ｆ ｆ ａ ｓ ｔ ｅ ｎ ｉ ｎ ｇ ｔ ｕ ｒ ｎ ｓ ｃ ｏ ｕ ｌ ｄ ｓ ｉ ｇ ｎ ｉ ｉ ｆ ｃ ａ ｎ ｔ ｌ ｙ ｉ ｍｐ ｒ ｏ ｖ ｅ ｔ ｈ ｅ
211219806_超短半径水平井柔性钻具受力分析
125超短半径水平井近年来受到行业广泛关注，由于其超高的造斜率，可实现高效经济挖潜井间剩余油，提高储量控制程度和采出程度，大幅改善油田开发效果[1]。
实现超短半径侧钻的核心工具是柔性钻杆，其工作环境恶劣，受力特性复杂，可借鉴的经验和算法很少，对其开展相关的受力分析、强度校核和动力学分析，对工具设计研发具有重要意义。
1 柔性钻杆力学模型的建立在超短半径水平井造斜段钻进中，以柔性钻杆和井壁为研究对象，由于柔性钻杆主要承受扭矩作用，故其边界条件为：柔性钻杆顶端施加扭矩，考虑自重载荷，以及井壁和柔性钻杆的接触摩擦边界，井壁全约束，其受力情况如图1所示。
图1 柔性钻杆受力示意图在水平段钻进中，柔性钻杆主要传递扭矩载荷、轴向载荷，还承受一定的弯矩作用[2]。
在水平段钻进中，柔性钻具主要承受自重、轴向力、扭矩载荷[3]。
在水平段，取柔性钻杆和井壁为研究对象，其边界条件为：柔性钻杆顶端施加轴向力和扭矩，开窗点轴向力设为25kN，考虑柔性钻杆的自重，井壁全约束，柔性钻杆与井壁的接触摩擦，简化受力模型如图2所示。
图2 简化力学模型2 柔性单元局部模型受力分析柔性钻具柔性单元主要由上接头、外套、扭矩销、球头、弹性挡圈和下接头组成，主要结构如图3所示。
由于柔性钻杆的扭矩销与球头凹槽、连接头与球头在扭矩及轴向力的作用下紧紧接触在一起，因此采用接触非线性的方法模拟两者之间的连接关系[4]。
这样可以真实地反映扭矩销与球头凹槽、连接头与球头附近的应力分布情况。
在钻井过程中柔性钻具受到的主要载荷包括轴向压力、轴向拉力、径向扭矩和径向弯矩[5]。
通过力学模拟软件，对柔性单元施加边界条件和载荷，可以得到柔性单元局部模型受力情况。
超短半径水平井柔性钻具受力分析张勇1 曲跃2 陈治中21. 中海石油（中国）有限公司深圳分公司 广东 深圳 518067 2. 中海油田服务股份有限公司 天津 300459摘要：超短半径水平井近年来成为边际油藏高效开发的重要措施。
钻杆的维护与使用
钻杆的维护与使用摘要：钻杆的损坏形式主要表现为接头台肩面出现沟痕、硬伤和管体腐蚀与冲蚀。
本文分析了在钻探施工过程中，钻杆损坏的原因以及使用维护方法，以便对钻探施工工作能有指导意义，延长钻杆的使用寿命，预防钻杆事故的发生。
关键词：钻杆；维护；使用；预防一，引言钻杆是钻井机械的重要组成部分，由钻杆组成的钻杆柱是用来传递扭矩和钻压的，并是输送钻井液的通道，也是更换钻头、处理事故所必不可少的，同时也是最容易损坏的部分。
二，钻杆的受力及工作状况钻杆柱是一个弹性系统，在钻进中承受着大小和方向都在变化的载荷，而且在钻杆柱各个部分所承受的载荷是不等的，加之钻杆柱和孔壁摩擦，有时遇卡，使受力情况更为复杂。
在钻进各工序中，钻杆柱由各种载荷而引起的应力，其组合情况极不一致，作用在钻杆柱内的应力有：拉应力、压应力、扭应力及弯曲应力。
钻杆柱在弯曲和扭曲变形经常改变的情况下，发生纵向和横向振动，钻杆柱的振动使钻杆柱及地面设备受到振动载荷。
三，钻杆损坏状况及机理分析据中原项目项2018年的回收检验纪录资料统计，钻杆粘扣占钻杆更换总数的66%；管体弯曲占钻杆更换总数的2.3%；沿台肩面有弧形沟痕占钻杆更换总数的35.2%；螺纹磨损严重占钻杆更换总数的13.2%；内外螺纹、接头台肩有硬伤占钻杆更换总数的9.6%；内外螺纹台肩有刺伤占钻杆更换总数的5.7%；接头外径偏磨和外径小于标准尺寸占钻杆更换总数的9.8%；管体冲蚀壁厚不足或刺漏占钻杆更换总数的17.6%。
针对上述钻杄损坏情况，对现场钻杄损坏进行跟踪分析研究，认为钻杆损坏主要有以下几个方面：（一）造成接头先期损坏的原因1.钻杆接头螺纹在加工过程中紧密距、光洁度、表面硬度等指标不符合标准，造成螺纹粘扣。
2.螺纹脂不合格，不能很好的吸附在螺纹上形成保护膜，螺纹在扭压作用下磨损或粘扣。
3.内外螺纹及台肩面擦洗不干净、螺纹脂涂抹不足或不均，造成接头台肩擦伤形成沟痕、螺纹磨损，缩短螺纹使用寿命甚至造成螺纹粘扣。
定向钻施工中钻杆受力及断裂原因分析
４ ６
非 开挖 技 术
Ｃｈｉ ｎ ａ Ｔｒ ｅ ｎｃ ｈｌ ｅ ｓ ｓ Ｔｅ ｃ ｈｎｏｌ ｏ ｇｙ
Ｎｏ． ２ Ａｐ ｒ ． ， ２ ０１ ４
２ ０ １ ４年 ４月
定 向钻 施工 中钻杆 受力及 断裂原 因分析
李 彦 王坤坤
（ 湖 北地球 物理 勘 查技 术研 究院 ， 武汉 ４ ３ ０ ０ ５ ６ ）
给进 力 ： ３ ０ ０ ０ Ｋ Ｎ； 给进 行程 ： １ １ ０ ０ ０ ｍｍ； 钻杆 规格 （ ｍｍ） ： １ ４ ０ （ 直径 ） ＊ ９ ６ ０ ０ ； 入土 角 ： ７ — １ ８ 。；
重量 ： ４ ７ ０ ０ ０ ｋ ｇ ；
经 施 工 设 计 ，我 公 司安 排 Ｚ Ｔ 一 ３ ０ ０ ｔ机 组 于
．
ｇ ／ ＂ ×（ Ｏ ． １ ３ ９ ７ 一０ ． １ ２ １ ３ ６ ） （ ２ ） 扭矩
促使钻杆也处于弯曲状 态 ， 在钻机旋转钻进 、 回扩
孔 和 回拖 管 线 时 ， 钻 杆 在 自转 的 同时 ， 又 围绕 着 导
正 常 钻 进 和 回扩 时钻 头 破 碎 地 层 所 需 要 的 能
２ ０ １ １ 年 进 场施 工 ， 项 目组 也 是 初 次 涉 足岩 石 钻 进 ， 无 施 工 经验 连续 断 钻 杆 （ １ ４ ０ ｍｍ） 两次 ， 施 工参 数
如下 ：
钻杆性能参数 ：
规格 ： ５ — １ ／ ２×２ １ ． ９×５ — １ ／ ２ Ｆ Ｈ Ｓ １ ３ ５ ／ Ｉ Ｅ Ｕ；
主机 外 型尺 寸 ： １ ７ ０ ０ ０ ＊ ３ １ ０ ０ ＂ ３ ４ ５ ０ （ ｉ ｆ ｌ ｍ） ；
事故前施工参数 ：
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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。
由于钻头牙齿间断地与地层接触或岩石的间歇破碎，导致钻头并带动钻柱振动。
钻柱振动按形式分为纵向振动、扭转振动和横向振动三类[13]。
（1）纵向振动。
纵向振动指的是钻柱沿其轴向的伸缩运动。
该种振动产生的原因是井底不平、钻头牙齿间歇压入岩石和岩石间歇破碎。
钻头的振动以弹性波的形式通过钻柱向地面传播，到达地面后再沿钻柱向钻头回传。
由于钻井液的阻尼作用，在传播的过程中，振动波形逐步变化，振幅逐步减小但是，当钻头振动的频率为钻柱固有频率的整数倍时，钻柱将处于共振状态。
钻柱内的交变应力和振幅相当大，导致钻柱断裂或粘扣。
研究钻柱的纵向振动对设计钻柱、设计减振器和选择合适的转速有重要的指导意义。
（2）扭转振动。
扭转振动指的是钻柱绕其中心线的旋转运动。
该
种振动产生的原因是钻头间歇破碎岩石时所产生的变化转速。
扭矩波动使钻柱产生绕自身轴线的旋转波动，以弹性波的形式通过钻柱向地面传播，到达地面后再沿钻柱向钻头回传。
由于钻井液的阻尼作用，在传播的过程中，振动波形逐步变化，振幅逐步减小。
但当钻头振动的频率为钻柱固有频率的整数倍时，钻柱将处于共振状态。
钻柱内的剪切交变应力也达到较大的数值。
（3）横向振动。
横向振动指的是钻柱中心偏离井眼中心的振动。
产生该种振动的原因一是钻头间歇破碎岩石所产生的轴向交变力和位移，二是钻柱绕井眼中心的涡动。
在大斜度定向井中，以前一原因为主，横向振动主要发生在靠近钻头的一段具有稳定器的钻柱上。
在垂直井中，则可能以第二原因为主，横向振动主要发生在受压段上。
上述三种振动在钻井过程中始终存在，相互作用，相互影响，并以纵向振动为主。
图 2-1 钻柱的振动
2.3.1钻柱摩阻／扭矩分析
在斜井、大位移井、水平井中，钻柱作用于井壁的正压力将产生摩擦阻力（摩阻）。
钻柱、套管的合理选择及井眼轨迹设计等都与钻柱摩阻预测有关，因此准确预测摩阻在钻井、固井和完井中都极为重要。
其计算模型因假设条件、井眼轨迹情况不同，分为刚杆和软杆模型2种。
本文应用刚杆模型，计算钻柱起钻、下钻、滑动钻进、转动钻进等不同工况下的摩阻／扭矩。
（1）刚杆模型的建立与微元段上的轴向载荷及扭矩求解
刚杆模型基本假设：钻柱与井壁接触，钻柱轴线与井眼轴线一致；井
壁为刚性；钻柱微元体所受重力、正压力、摩阻力均匀分布；微元体为空间斜平面上的一段圆弧。
其中式中：
K 式中:K 为井眼曲率，rad/m ;K a 为井斜变化率，rad/m;K Φ为方位变化率，rad/m; q m 为钻柱单位长度重量，N/m; N 为正压力，N;N a 为主法向上的接触力，N;N a 为副法向上的接触力，N; D 为钻柱外径，m; M b 为钻柱微段上的弯矩，N ∙⋅m; α为井斜角，rad ;φ为方位角，rad; t μ为滚动摩阻系数;a μ为滑动摩阻系数;M t 为钻柱所受扭矩，N ∙m; dT 为
钻柱轴向力增量，N; T 为微元段上的轴向力，N; m γ为钻井液密度 g/m 3,s γ为刚材密度，g/m 3。
（2）轴向应力和扭转剪应力
式中:Z σ为轴向应力，MPa;max τ为最大扭转剪应力，MPa ; d 为
钻柱内径 m;T 为微元段上的轴向力，N; M t 为扭矩，N ∙m;T 和M t 由前述钻柱摩阻计算提供。