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。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。