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 1

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(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 m

α——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：F

Q 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。

2、钻进时

F

P B Q a t --=σ

3、中和点位置的确定

f

s n q q P L -= 中和点截面上的轴向力：

)()(n m n m n L L q L L F g Q -⋅=-⋅⋅⋅⋅=αρ

（二）钻柱下部压应力的计算

垂直状态：F

B P c +=σ 下部钻柱弯曲：F

P c =σ

二、钻柱剪应力计算

1、扭矩： n

N N M s b )(9549+⋅= N b ,N s ——分别为旋转钻头破碎岩石和钻柱空转所需的功率，Kw

n ——转速，rpm

剪应力：n

W M =τ MPa 抗扭截面系数：⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛

-⋅=443116c i c n d d d W π dc ，di ——钻柱的内径和外径，cm 。

2、钻柱最大扭矩：

动能：p s o J L J T ⋅⋅=⋅=ρω22

变形位能：p

GJ L M M U 2212==ϕ

最大扭矩：8max 10-⨯⋅=G J M s p ρω

极惯性矩：⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛-=444132c i c p d d d J π 三、钻柱弯曲应力计算P105 式（3-30），（3-31）

四、钻柱抗挤计算

1、外挤压力的确定

钻柱内空：g H P m oc ⋅⋅=ρ

钻柱内有部分液体：)(L H g g H P f m oc -⋅⋅-⋅⋅=ρρ

2、钻柱抗挤强度的确定

特点：在轴向拉力作用下，抗挤强度降低。

双轴应力曲线确定（P107）例题：P107

3、安全系数确定

要求安全系数大于1.125。

第三节 钻柱设计

以拉伸计算为主，再考虑钻柱的实际情况给予较核。

一、 钻柱设计的强度条件

以钻柱在泥浆中悬空作为计算条件，要求：

（上部轴向拉力）a t P P ≤（最大允许静拉载荷）

最大允许静拉载荷取决于(1)钻柱材料的屈服强度；(2)钻柱工作的使用条件。

1、钻柱在屈服强度下的抗拉负荷P y

F P s y ⋅⋅=σ1.0 (KN)

F ——钻柱的横截面积，cm 2；

σs ——材料的最小屈服强度，MPa ；

2、钻柱最大工作负荷 P w

y w P P ⋅=9.0

3、最大允许静拉载荷Pa

(1) 安全系数法

考虑起下钻的动载及其他力的影响，大致为1.30。 a

w P P =安全系数 (2) 考虑卡瓦挤毁钻杆的设计系数法

钻杆的挤毁条件：

用式（3-39）计算；可以查表3-2（P111）

以屈服强度和拉伸应力的临界比值作为设计系数，要求： a

w P P =设计系数 (3) 拉力余量法

a w P P -=拉力余量

选取原则： 取三个拉力中最低的值作为最大允许静拉载荷。

二、 设计方法和步骤

1、钻铤柱长度的确定

原则：中和点位于钻铤上。

直井： f c sf

c K q c P L ⋅=

斜井：αcos ⋅⋅=f c sf

c K q C P L

2、钻杆柱长度的确定

(1) 单一钻杆