鉆柱受力分析

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1、單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,鉆井工程,復(fù)習(xí)舊課：,1,、鉆頭的類型,2,、金剛石鉆頭與,PDC,鉆頭的,組成及區(qū)別；,3,、鉆頭的工作原理。,導(dǎo)入新課,：鉆頭是破碎巖石的主要工具，需要一定的鉆壓和轉(zhuǎn)速，鉆壓和轉(zhuǎn)速是由誰產(chǎn)生和傳遞的呢,？,第二章 鉆柱,一、鉆柱的作用與組成,二、鉆柱的工作 狀態(tài)與受力分析,三、鉆柱設(shè)計,四、本章需要,10,學(xué)時,一、鉆柱的作用,概念,：,鉆柱是鉆頭以上，水龍頭以下各部分的管柱的總稱。它包括方鉆桿、鉆桿、鉆挺、各種接頭、及穩(wěn)定器等井下工具。,（一）、鉆柱在鉆井過程中的主要作用,1,、為鉆井液由井口流向鉆頭

2、提供通道；,2,、給鉆頭施加適當(dāng)?shù)膲毫?(,鉆壓,),，使鉆頭的工作刃不斷吃入巖石；,3,、把地面動力,(,扭矩等,),傳遞給鉆頭，使鉆頭不斷旋轉(zhuǎn)破碎巖石；,4,、起下鉆頭；,5,、根據(jù)鉆柱的長度計算井深。,第二章 鉆 柱,2-1,鉆柱的作用與組成,（二）鉆柱的特殊作用,1,、通過鉆柱可以觀察和了解鉆頭的工作情況、井眼狀況及地層情況等；,2,、進(jìn)行取心、擠水泥、打撈井下落物、處理井下事故等特殊作業(yè)；,3,、對地層流體及壓力狀況進(jìn)行測試與評價，即鉆桿測試，又稱中途測試,二、鉆柱組成,方鉆桿,鉆桿,鉆鋌,穩(wěn)定器,配合接頭和保護(hù)接頭,其它井下工具：,減震器、震擊器、,擴(kuò)眼器、鍵槽破壞器,第二章 鉆

3、柱,2-1,鉆柱的作用與組成,（一）鉆桿,1,、作用：傳遞扭矩和輸送鉆井液，延長鉆柱。,2,、結(jié)構(gòu)：管體,+,接頭,第二章 鉆 柱,2-1,鉆柱的作用與組成,有效長度,3,、規(guī)范,：,（,1,）壁厚：,9,11mm,（,2,）外徑：,73.0,，,88.9,（,3,）,，,101.6,，,114,、（,4,）,，,127.0,（,5,英寸）,，,139.7,（,3,）長度：,18,22ft,，,27,30ft,，,38,45ft,第二章 鉆 柱,2-1,鉆柱的作用與組成,4,、接頭及絲扣,（,1,）絲扣連接,：,2,）,鉆桿接頭點(diǎn),（,3,）鉆桿接頭類型：,尺寸相等，絲扣類型,相同，公母扣相匹

4、配。,壁厚較大，外徑較大，強(qiáng)度較高。,內(nèi)平、貫眼、正規(guī)。,內(nèi)平式：,主要用于外加厚鉆,桿。其特點(diǎn)是鉆桿通體內(nèi)徑相同，,鉆井液流動阻力?。坏鈴捷^大，,容易磨損。,貫眼式：,主要用于內(nèi)加厚鉆,桿。其特點(diǎn)是鉆桿有兩個內(nèi)徑，,鉆井液流動阻力大于內(nèi)平式，但,其外徑小于內(nèi)平式。,正規(guī)式：,主要用于內(nèi)加厚鉆,桿及鉆頭、打撈工具。其特點(diǎn)是,接頭內(nèi)徑,加厚處,內(nèi)徑,管體內(nèi)徑，,鉆井液流動阻力大，但外徑最小，,強(qiáng)度較大。,三種類型接頭均采用,V,型螺紋，,但扣型、扣距、錐度及尺寸等都,有很大的差別。,第二章 鉆 柱,2-1,鉆柱的作用與組成,5,、鉆桿的通稱尺寸：,指鉆桿本體外徑,6,加重鉆桿,加重鉆桿是用厚壁

5、鋼管制造的新型鉆柱構(gòu)件，管體兩端和中部有超長的外加厚接頭或外加厚段，兼有鉆鋌和鉆桿的功能。它具有以下幾個特點(diǎn)：,(1),超長的整體接頭可以提供較大的耐磨表面和重量，接頭螺紋可以多次修復(fù)；,(2),比同尺寸的鉆桿重，管體和接頭外徑與普通鉆桿一致，內(nèi)孔是內(nèi)平的，內(nèi)孔直徑至少等于鉆鋌的內(nèi)徑。,(3),中部外加厚段起小型穩(wěn)定器作用。受壓時管體可以撓曲，只有兩端和中部加厚段接觸井壁，管體本身不受磨損。,第二章 鉆 柱,2-1,鉆柱的作用與組成,(4),耐磨表面是用硬質(zhì)合金加固的接頭，壽命可以延長,4,倍。,鉆柱疲勞失效常發(fā)生在鉆鋌以上數(shù)根鉆桿上，因為從鉆鋌過渡到鉆桿時斷面急劇變化，彎曲應(yīng)力集中在這部分鉆

6、桿上。如果在鉆鋌和鉆桿之間加入加重鉆桿，則可以緩和斷面的變化，減少應(yīng)力集中，從而減少鉆具事故。另外，與鉆鋌相比，加重鉆桿還有打撈容易、可縮短起下鉆時間、搬運(yùn)方便等優(yōu)點(diǎn)，并能保持定向井的方位，起到穩(wěn)斜作用。在大鉤負(fù)荷和鉆壓相同的情況下，使用加重鉆桿，還可提高鉆機(jī)的鉆深能力。國外加重鉆桿已廣泛用于直井和斜井，據(jù)統(tǒng)計已超過數(shù)百萬根，但我國很少使用?，F(xiàn)就國外使用情況分述如下：,第二章 鉆 柱,2-1,鉆柱的作用與組成,(1),用于直井：在鉆鋌和普通鉆桿之間連接,15,30,根加重鉆桿，就可防止與鉆鋌連接的鉆桿發(fā)生疲勞破壞；,(2),用于定向井：定向井鉆柱中接上加重鉆桿后，可使鉆鋌和加重鉆桿不緊貼在井壁

7、上，從而減少發(fā)生泥餅卡鉆的可能性，減少卸扣扭矩，在起鉆時上提拉力也不會超過井內(nèi)重量太多。此外，還能更好地控制井斜角和方位角，減少定向工作的次數(shù)，從而縮短定向井的建井周期。,在定向井中，為了保證足夠的鉆壓，所需的加重鉆桿長度比直井在同樣鉆壓下所需長度大，一般在,30,井眼中需加長度,15,，在,45,井眼中需增加長度,40,，在,60,井眼中需增加長度,100%,。,第二章 鉆 柱,2-1,鉆柱的作用與組成,（二）鉆鋌,1,、,結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：管體兩端直接車制絲扣，無專門接頭；壁厚大,(38-53,毫米），重量大，是鉆桿質(zhì)量的,4,6,倍,剛度大。,2,、,主要作用：,(1),給鉆頭施加鉆壓,;,(2

8、),減輕鉆頭的振動、擺動和跳動等，使鉆頭工作平穩(wěn)；,(3),控制井斜。,3,、,類 型：光鉆鋌、螺旋鉆鋌、扁鉆鋌。,常用尺寸：,6-1/4,，,6-1/2,，,7,，,8,，,9,英寸,第二章 鉆 柱,2-1,鉆柱的作用與組成,有效長度,（三）方鉆桿,1,、類 型：四方形、六方形,2,、,特 點(diǎn)：壁厚較大，強(qiáng)度較高,3,、主要作用：傳遞扭矩和承受鉆柱的全部重量。,4,、常用尺寸：,89mm(3-1/2,英寸,),，,108mm(4-1/2,英寸,),，,133.4mm (5-1/2,英寸,),。,5,、,方鉆桿統(tǒng)稱尺寸：,方鉆桿統(tǒng)稱尺寸指方部截面邊寬,6,、,方鉆桿技術(shù)規(guī)范,方鉆桿位于鉆柱的最

9、上端，有四方形和六方形兩種。鉆進(jìn)時，方鉆桿與方補(bǔ)心、轉(zhuǎn)盤補(bǔ)心配合，將地面轉(zhuǎn)盤扭矩傳遞給鉆桿，以帶動鉆頭旋轉(zhuǎn)。,標(biāo)準(zhǔn)方鉆桿全長,12,19 m,，驅(qū)動部分長,11,25 m,。為了適應(yīng)鉆柱配合的需要，方鉆桿也有多種尺寸和接頭類型。方鉆桿的壁厚一般比鉆桿大三倍左右，并用高強(qiáng)度合金鋼制造，故具有較大的抗拉強(qiáng)度及抗扭強(qiáng)度可以承受整個鉆柱的重量和旋轉(zhuǎn)鉆柱及鉆頭所需要的矩。,第二章 鉆 柱,2-1,鉆柱的作用與組成,上方保接頭,下方保接頭,方鉆桿旋轉(zhuǎn)時，上端始終處于轉(zhuǎn)盤面以上，下部則處在轉(zhuǎn)盤面以下。方鉆桿上端至水龍頭的連接部位的絲扣均為左旋絲扣,(,反扣,),，以防止方鉆桿轉(zhuǎn)動時卸扣。方鉆桿下端至鉆頭的所

10、有連接絲扣均為右旋轉(zhuǎn)扣,(,正扣,),，在方鉆桿帶動鉆柱旋轉(zhuǎn)時，絲扣越上越緊。為減輕方鉆桿下部接頭絲扣,(,經(jīng)常拆卸部位,),的磨損，常在該部位裝保護(hù)接頭。加上兩端方保接頭，全長,14,15,米。,第二章 鉆 柱,2-1,鉆柱的作用與組成,5,、方鉆桿技術(shù)規(guī)范,（四）穩(wěn)定器,1,、作用：防止井斜；控制井眼軌跡,2,、類型：剛性穩(wěn)定器、不轉(zhuǎn)動橡膠套穩(wěn)定器、,滾輪穩(wěn)定器,其中：剛性穩(wěn)定器：螺旋棱（長棱、短棱）；,直棱（長棱、短棱）,第二章 鉆 柱,2-1,鉆柱的作用與組成,第二章 鉆 柱,2-1,鉆柱的作用與組成,（五）配合接頭,1,、作用：把兩端不符合連接條件的鉆柱連接在一起。,2,、接頭的類型

11、,有效長度,有效長度,有效長度,有效長度,（,1,）,（4）,（3）,（2）,注：,（,1,）公母扣接頭；,（,2,）雙公扣接頭,;,（,3,）雙母扣接頭,（,4,）特殊接頭,小結(jié)：,1,、鉆柱的作用：,第二章 鉆 柱,2-1,鉆柱的作用與組成,鉆柱在鉆井過程中的主要作用,鉆柱的特殊作用,2,、鉆柱組成：,鉆桿、鉆鋌、方鉆桿、穩(wěn)定器、,配合接頭,作業(yè)：,1,、,鉆柱的概念？,2,、鉆柱的作用有哪些？,3,、鉆柱的組成？,一、鉆柱的工作狀態(tài),1.,起下鉆工況下：,（,1,）直井：直的拉伸、滑動,（,2,）斜井：隨井眼傾斜和彎曲，滑動。,2.,正常鉆進(jìn)工況下,上部受拉伸，下部受壓彎曲；在扭矩作用下

12、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。,下部鉆柱彎曲的原因：,鉆壓的作用使下部鉆柱受壓縮，當(dāng)壓力達(dá)到鉆柱的臨界,壓力，鉆柱將失去直線穩(wěn)定狀態(tài)而發(fā)生彎曲并與井觸。,壓力較大時可能發(fā)生多次彎曲。,第二章 鉆 柱,2-2,鉆柱的,工作狀態(tài)及受力分析,3.,鉆柱的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動形式,：,(1),自轉(zhuǎn)。鉆柱像一根柔性軸，圍繞自身軸線旋轉(zhuǎn)。鉆柱自轉(zhuǎn)時，在整個圓周上與井壁接觸，產(chǎn)生均勻磨損。彎曲鉆柱在自轉(zhuǎn)時，受到交變彎曲應(yīng)力的作用，容易發(fā)生疲勞破壞。在軟地層彎曲井段，鉆柱自轉(zhuǎn)容易形成鍵槽，起鉆時可能造成卡鉆事故。,(2),公轉(zhuǎn)。,鉆柱像一個剛體，圍繞著井眼軸線旋轉(zhuǎn)并沿著井壁滑動。鉆柱公轉(zhuǎn)時，不受交變彎曲應(yīng)力的作用，但產(chǎn)生不均勻的單向磨損,(

13、,偏磨,),，從而加快了鉆柱的磨損和破壞。,第二章 鉆 柱,2-1,鉆柱,工作狀態(tài)及受力分析,第二章 鉆 柱,2-1,鉆柱,工作狀態(tài)及受力分析,（,3,）公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)的結(jié)合,鉆柱圍繞井眼軸線旋轉(zhuǎn)，同時圍繞自身軸線轉(zhuǎn)動，即不是沿著井壁滑動而是滾動。在這種情況下，鉆柱磨損均勻，但受交變應(yīng)力的作用，循環(huán)次數(shù)比自轉(zhuǎn)時低得多。,比較簡單。,（,4,）縱向振動,鉆頭振動引起，產(chǎn)生交變應(yīng)力。,(5,）扭轉(zhuǎn)振動,由井底對鉆頭旋轉(zhuǎn)阻力的變化引起，產(chǎn)生交變扭剪應(yīng)力。,（,6,）橫向擺振,達(dá)到某一臨界轉(zhuǎn)速，可能產(chǎn)生無規(guī)則擺動，產(chǎn)生交變彎曲應(yīng)力。,一般認(rèn)為彎曲鉆柱旋轉(zhuǎn)的主要形式是自轉(zhuǎn)，但也可能產(chǎn)生公轉(zhuǎn)或兩種運(yùn)動形式的結(jié)

14、合，既有自轉(zhuǎn)，也有公轉(zhuǎn)。,二、鉆柱的受力分析,1.,概述,（,1,）自重產(chǎn)生的拉力,（,2,）鉆壓產(chǎn)生的壓力,（,3,）鉆井液的浮力,（,4,）摩擦阻力,（,5,）循環(huán)壓降產(chǎn)生的附加拉力,（,7,）起下鉆時產(chǎn)生的動載荷,（,8,）扭距,（,9,）彎曲應(yīng)力,（,10,）離心力,（,11,）外擠力,（,12,）振動產(chǎn)生的交變應(yīng)力,鉆柱受力最嚴(yán)重的部位：,1,）井口斷面,拉力最大，扭距最大；,2,）下部受壓彎曲部分,交變軸向應(yīng)力、彎曲應(yīng)力、扭剪應(yīng)力,3,）中性點(diǎn),拉壓交變載荷。,軸向力,第二章 鉆 柱,2-2,鉆柱,工作狀態(tài)及受力分析,（二）,.,鉆柱的受力分析,1,、,軸向拉力和壓力,（,1,）自

15、重產(chǎn)生的軸向拉力（井內(nèi)掏空時）：,（,2,）浮重產(chǎn)生的軸向力：,式中：,稱為“浮力減輕系數(shù)”,（,3,）正常鉆進(jìn)時的軸向力：,W,F,第二章 鉆 柱,2-2,鉆柱,工作狀態(tài)及受力分析,（,4,）其它軸向力的計算,循環(huán)壓降引起的附加軸向拉力：,滑動摩擦阻力：,動載荷：,（,5,）起下鉆時鉆柱軸向力：,第二章 鉆 柱,2-2,鉆柱,工作狀態(tài)及受力分析,（,5,）中性點(diǎn),鉆柱上軸向力等于零的點(diǎn),(,點(diǎn),),(,亦稱中和點(diǎn)，,Neutral Point),。,垂直井眼中鉆柱的中性點(diǎn)高度：,式中：,中性點(diǎn)距井底的高度，,m,。,重要意義：,1,）設(shè)計鉆柱時要確保中性點(diǎn)始終落在鉆鋌上。為什么？,2,）指導(dǎo)

16、松扣、造扣等特殊作業(yè)。,3,）中性點(diǎn)附近鉆柱受交變應(yīng)力作用，易疲勞破壞。,鉆柱軸向力分布與中性點(diǎn),第二章 鉆 柱,2-2,鉆柱,工作狀態(tài)及受力分析,第二章 鉆 柱,2-2,鉆柱,工作狀態(tài)及受力分析,2,扭矩,3,彎曲力矩,4,離心力,（,1,）轉(zhuǎn)盤鉆井時，轉(zhuǎn)盤扭矩是由鉆柱傳遞給鉆頭。井口最大。,（,2,）在井下動力鉆井中，鉆柱承受的扭矩為動力鉆具的反扭矩，在井底處最大，往上逐漸減小。,在轉(zhuǎn)盤鉆井中，鉆柱彎曲。產(chǎn)生彎曲力矩的作用,當(dāng)鉆柱繞井眼軸線公轉(zhuǎn)時，將產(chǎn)生離心力。離心力將引起鉆柱彎曲或加劇鉆柱的彎曲變形。,5,外擠壓力,鉆桿測試,(DST),時，鉆桿將承受很大的外擠壓力。進(jìn)行鉆桿測試時，一般都在鉆柱底部裝一封隔器，用以封隔下部地層和管外環(huán)空。鉆桿下入井內(nèi)控制閥是關(guān)閉的，因此鉆井液不能進(jìn)入鉆桿內(nèi)，封隔器壓緊后打開控制閥，地層流體才流入鉆柱內(nèi)。,第二章 鉆 柱,2-2,鉆柱,工作狀態(tài)及受力分析,7,扭轉(zhuǎn)振動,當(dāng)井底對鉆頭旋轉(zhuǎn)的阻力不斷變化時，會引起鉆柱的扭轉(zhuǎn)振動，因而產(chǎn)生交變剪應(yīng)力，降低鉆柱的壽命。扭轉(zhuǎn)振動和鉆頭結(jié)構(gòu)、巖石性質(zhì)均勻程度、鉆壓及轉(zhuǎn)速等因素有關(guān)。特別是使用刮刀鉆頭鉆軟硬交錯地