钻柱受力分析及强度校核

钻柱受力分析及强度校核 周帆-11-23
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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。
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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
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1 2
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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
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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；
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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
当钻遇软硬度交错的地层时，钻柱可能会产生剧烈的扭振，出现 所谓的“蹩跳”现象。 8、横向摆振 在某一临界转速下会出现横向摆振。 总之，载荷可分为：
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钻柱的受力分析
4、分析：重力、浮力、拉力、摩擦力、由加速度引起的动载 荷 ① 摩擦力的经验公式：
② 动载荷的大小（Fd）
任一截面处的轴向力Ft为：
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钻柱的受力分析
5、扭矩（剪应力计算）
式中：Nb——钻头破岩功率，kw； Ns——钻柱空转功率，kw； n——钻柱转速；
di、dc——钻柱的内、外径，cm； τ ——剪切应力：mpa；
式中：MOP——拉力余量
一般的，在钻杆柱设计中，钻杆的最大安全静拉力取决于 安全系数、 比值和拉力余量三个因素。可用三种方法共同计 算Fa取其中最低者为最大安全静拉力，据此计算钻杆柱的最大 允许长度
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以上便是全部内容，学生能力有限， 不足之处还请老师批评指正。 谢谢！
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钻柱的受力分析
2、 在钻井液中悬空时（浮力系数法）（图b） 分析：受重力、拉力、钻井液浮力
……………………（2）
为浮力系数 ρ d——钻井液密度：ρ S——钻柱钢材密度：
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钻柱的受力分析
3、 正常钻进时 分析：受重力、拉力、浮力、压力、循环附加拉力
为循环后耗引起的附加轴向拉力，kn； ——截面以下钻柱内压耗，kpa； ——钻头水眼处的压耗，kpa； ——流道截面积，cm2； W——钻压，kn；
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钻柱的受力分析
中性点分钻柱为两段，上面一段钻柱在钻井液中的重力等 于于大钩悬重，下面一段钻柱在钻井液中的重力等于钻压 起下钻时，除了钻柱轴向力与重力外，还有井壁及钻 井液对钻柱的摩擦力和起下钻时速度带来的动载。 （ 2 ）离心力：正常钻进时，弯曲的钻柱绕井眼公转并产生 离心力。 （ 3 ）弯曲力：正常钻进过程中，下部钻柱因受到自身的压 力而弯曲，或是在离心力的作用下出现弯曲，使钻柱受到 弯曲力矩的作用。 （ 4 ）扭矩：钻柱在转盘的带动下旋转，钻柱与井壁、钻井 液产生摩擦，使钻柱承受一定的扭矩，（井口处最大，底 部最小）。
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钻柱的强度校核
1、钻杆柱任一截面上的静拉伸载荷应满足以下条件：
Ft Fa
式中：Ft ——钻杆柱任一截面上的静拉伸载荷 Fa ——钻杆柱的最大安全静拉力 2、钻杆的最大允许拉伸力Fp=0.9FY 式中：Fp——钻杆的最大允许拉伸力
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钻柱的强度校核
3、钻杆的最大安全静拉力Fa: 是指允许钻杆所承受的由钻柱重力（浮重）引起的最大载荷， 目前用于校核Fa的方法有三种： 一是安全系数法。考虑起下钻时的动载及摩擦力，一般取一个 安全系数St，以保证钻柱的工作安全：Fa=Fp/St 二是设计系数法。为防止钻杆被卡瓦挤毁，要求钻杆的屈服强 度与拉伸应力的壁纸不小于一定数值。由下式确定