某井钻柱强度校核毕业论文.doc

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1、某井钻柱强度校核摘 要：由于某井是一口5110米的深井水平井，水平位移680米，水平段距离380米。在钻井过程中不可避免地要遇到卡钻、弊钻、处理事故等过扭矩操作。因此钻杆的抗扭强度是关键参数。钻杆接头的抗扭强度是一个多变量函数，这些变量包括钢材强度、接头尺寸、螺纹形式、导程、锥度以及配合面螺纹或台肩的预紧力及摩擦系数等。钻杆接头的外径和内径，在一定程度上决定了接头的抗扭强度，对钻杆的抗扭强度进行校核，保证管体的抗扭屈服强度。钻杆的结构设计决定了钻杆的性能，在同样材料，同样工况，钻杆外径相同的情况下，不同结构尺寸的钻杆所表现出的性能也不一样，因此，通过对钻杆结构设计进行强度计算和校核不仅仅有着实

2、际应用的意义，更可以从另一种角度，例如结合钻杆失效等问题，来探索研究更合理的钻杆结构设计，本文依据API给出的标准，在前人研究结果的基础上，对某厂的S135钻杆进行理化性能分析和结构设计的强度计算与校核。 目前在钻杆的使用中,失效问题是钻杆研究中的重要课题,基于钻杆的失效分析,从失效的角度来分析优化钻杆在结构设计上应注意的问题,为今后的钻杆结构设计提出一些理论依据。具体内容如下：1. 油田钻具失效现状调研； 2. 某公司 S135 钻杆材料理化性能分析； 3. 某公司 S135 钻杆强度分析计算； 关键词：钻柱；强度计算；设计；校核；钻具失效A well drilling column str

3、ength checkAbstract: Due to a well of 5110 is an one mouthful of horizontal Wells rice. Horizontal displacement is 680 meters. Horizontal distance is 3.8 meters. In drilling process, accident treatment and disadvantages will be inevitably stucked, such as torque operation. Therefore pipe wrest resis

4、tant strength is the key parameters. Drill pipe joints wrest resistant intensity is a multivariate function. These variables include steel strength, connector size, thread form, palpitation, taper and surface thread or pre-tightening force and friction coefficient, etc. Drill pipe diameter and inner

5、 fittings, in certain extent determine the joints of drill pipe wrest resistant intensity. The intensity checking wrest resistant ensure the hose body wrest resistant yield strength. Pipe structure design decision was designed. Simulated performance, in the same materials , conditions ,and pipe diam

6、eter in the same case, different structure size of drill pipe showed what performance is not the same. Therefore, through the structure design of drill pipe calculated and checked the strength that is not just the meaning of practical application. For example, with the pipe failure to explore more r

7、easonable drill pipe research, which is based on the structure design are given in the standard API, based on the results of previous studies. The S135 of a factory for drill physical-chemical properties of the analysis and structural design strength calculation and checking. To drill pipe structure

8、 design, currently has a decisive impact performance in use of pipe. Failure is an important subject in the research of drill pipe, which is based on the drill pipe failure analysis that from the perspective of failure in the structural design optimization drill problems that should be paid attentio

9、n to on the drill pipe structure, in order to put forward some theoretical basis for design . Specific content as follows :1. Oilfield drilling tools failure situation investigation; 2. A company S135 pipe materials; chemical performance analysis; 3. A company S135 pipe strength calculation and anal

10、ysis ;keyword: drill column, Strength calculation, Design, Check, Drilling tools, failure目 录绪论11. 课题的意义12. 国内外研究现状21 钻柱51.1 钻柱的工作状态51.2 钻柱的受力分析81.3 钻井过程中各种应力的计算111.3.1 钻柱轴向应力的计算111.3.2 钻柱下部压力（Compressive stress）的计算141.3.3 钻柱剪应力（Shear stress）的计算151.3.4 钻柱弯曲应力（Bending stress）的计算171.3.5 钻柱抗挤（collapse R

11、esistance）计算192 钻具失效现状及分析232.1 钻具主要失效类型232.2.1 过量变形232.2.2 断裂232.2.3 表面损伤242.2 钻具失效的原因252.3 预防钻具失效的措施探讨263 某公司S135钻杆理化性能分析283.1 管体化学成分283.2 接头化学成分283.3 管体、加厚对焊区的机械性能283.4 工具接头的机械性能294 某公司 S135 钻杆强度分析计算304.1 钻杆抗拉强度计算304.2 钻杆抗扭屈服强度计算314.2.1 钻杆管体的抗扭强度关314.2.2 旋接接头扭矩计算334.3 钻杆抗挤强度计算344.3.1 屈服强度挤毁压力计算公式3

12、44.3.2 塑性挤毁压力公式354.3.3 过渡挤毁压力公式374.3.4 弹性挤毁压力公式384.4 钻杆抗内压强度计算404.5 对焊区的强度计算404.5.1 对焊区抗拉强度的计算404.5.2 对焊区抗扭强度的计算414.5.3 对焊区抗挤毁强度的计算414.5.4 对焊区抗内压强度计算414.6 某水平井钻柱设计424.6.1 一开钻具组合424.6.2 二开钻具组合424.6.3 三开钻具组合424.6.4 四开钻具组合434.7 钻具强度校核434.7.1 抗拉强度校核434.7.2 抗扭强度校核434.8 校核结果455 总结46参考文献47致 谢49绪论1. 课题的意义我的

13、毕业设计题目是某井钻柱的强度校核，研究此题目的意义在于阐述保证钻柱使用前满足某井对其的性能的要求，在钻井时，能保证安全生产的前提下能顺利完成钻井作业，并能适应某井所处的特殊的地况，并能帮助工作人员完成其他各种井下作业。石油勘探是一个高风险、高投入、高难度的行业。一口井的成本一般高达数十万至上千万元人民币。钻柱是钻井过程中，主要的钻井工具之一，它是连通地下与地面的枢纽，转盘钻井时，靠它来传递破碎岩石所需的能量，给井底施加钻压，以及循环钻井液等。在井下动力钻井时，井下动力钻具是用钻柱送到井底并靠它来承受反扭矩，同时钻头和动力钻具所需的液体能量也是通过钻柱输送到井底的，在钻井过程中，钻头的工作，甚至

14、井下地层的各种变化，往往是通过钻柱及各种仪表才能反映到地面上来。合理的钻井技术参数及其他措施，也只能在正确使用钻柱的条件下才能实现。除了正常钻井以外，钻井过程中的其他各种作业，如取心，处理井下各种复杂情况，地层测试，挤水泥，打捞落物等都是依靠钻柱进行的。随着钻井深度的增加和钻井工程技术的不断发展，人们对钻柱的结构和性能要求越来越高。几千米甚至上万米的钻柱，在井下的工作条件十分恶劣，它往往是钻井设备与工具中的薄弱环节。钻柱的脱扣，刺漏及扭断事故是常见的钻井事故，并常导致复杂的井下情况。因此，根据钻柱在井下的工作条件及工艺要求，合理的设计钻柱和使用钻柱，对于预防钻具事故和一口井施工的成败，实现快速

15、优质钻井及顺利完成各种井下作业等，都具有十分重要的意义。在深井、 超深井及复杂地质环境条件下钻井 ,经常发生钻具失效事故 ,仅四川川东地区在 19961997 年间就发生了 303 次钻具井下断裂事故 ,其中螺纹断裂占 36 % ,钻具本体断裂占 11 % ,螺纹刺漏和钻具刺漏占了 53 %。20012003 年 ,塔里木有21 口井钻杆失效共 89 次 ,造成了严重的经济损失。因此针对钻杆失效原因进行的研究很多 ,有报道认为失效原因是氯离子浓度高 ,加速氧腐蚀 ,造成纯腐蚀穿孔。也有报道 S135 钻杆失效是由于内壁发生严重 H2S 腐蚀和氧腐蚀 ,外壁是由氧腐蚀造成的。还有研究表明钻杆失效

16、原因为高温条件下酸性地层盐水的电化学腐蚀和地层砂子撞击钻具使氧化膜脱落造成的冲蚀。怎样避免类似情况的发生？这就引出了失效分析及预防的问题！如果正确应用已有的技术进行失效预防，相信肯定能够避免大量损失。由钻柱的受力分析可知，不论是在起下钻还是在正常钻进时，经常作用于钻杆且数值较大的力是拉力。而且，井越深，钻杆柱越长，钻杆柱上部受到的拉力越大。但对某种尺寸和钢级的钻杆，其抗拉强度是一定的，因此都有一定的可下深度。所以，钻杆柱的设计主要是抗拉强度的设计，即按抗拉强度确定其可下深度，考虑钻柱自身重量的拉伸载荷以及遇到卡钻、处理事故时的提拉力。由于某井是一口5110米的深井水平井，水平位移680米，水平

17、段距离380米。在钻井过程中不可避免地要遇到卡钻、弊钻、处理事故等过扭矩操作。因此钻杆的抗扭强度是关键参数。钻杆接头的抗扭强度是一个多变量函数，这些变量包括钢材强度、接头尺寸、螺纹形式、导程、锥度以及配合面螺纹或台肩的预紧力及摩擦系数等。钻杆接头的外径和内径，在一定程度上决定了接头的抗扭强度，对钻杆的抗扭强度进行校核，保证管体的抗扭屈服强度。 另外，钻杆接头旋接扭矩推荐值的计算是以所有的螺纹和台肩端面均涂满螺纹脂为前提，以材料最小屈服强度的50为基础进行计算的。保证钻杆肩台连接屈服的旋转扭矩。还有钻杆抗塑性挤毁，挤毁压力，抗内压强度等都要保证满足要求，因为，这些都是钻柱能正常生产的前提。钻杆的

18、结构设计决定了钻杆的性能，在同样材料，同样工况，钻杆外径相同的情况下，不同结构尺寸的钻杆所表现出的性能也不一样，因此，通过对钻杆结构设计进行强度计算和校核不仅仅有着实际应用的意义，更可以从另一种角度，例如结合钻杆失效等问题，来探索研究更合理的钻杆结构设计，本文依据API给出的标准，在前人研究结果的基础上，对某厂的S135钻杆进行理化性能分析和结构设计的强度计算与校核。钻杆结构设计对钻杆性能有着决定性影响,目前在钻杆的使用中,失效问题是钻杆研究中的重要课题,基于钻杆的失效分析,从失效的角度来分析优化钻杆在结构设计上应注意的问题,为今后的钻杆结构设计提出一些理论依据。2. 国内外研究现状1985年

19、美国的Frank Carlin提出了一种新的螺纹接头结构设计.在一定程度上增加了钻杆的疲劳寿命.美国的G.E.wilson1990年提出了一种新的内加厚过渡区结构,在理论上分析了内加厚过渡区的应力集中状况.美国石油学会一直以来推出的钻柱设计和操作限度的推荐作法以及API SPEC 5D, API SPEC C7给出了钻杆结构设计的依据，步骤。并提出了钻杆接头的选用及其具体的尺寸规格，钻杆和管线管性能计算，旋转钻井钻柱构件规范。目前，我国的石油钻具常用部分都是国内生产，但也有部分还是由国外进口的。建国以来，大致经过两个阶段。50年代至60年代初，进口的钻具多属标准系列，主要从苏联，罗马尼亚等国进

20、口；60年代后期开始进口API标准系列的钻具。目前，各油田使用的钻具，系列的已经基本淘汰，多是由日本、美国、德国、法国等国进口的按API标准制造的。国产钻具仍处于发展阶段。60年代后期，曾先后颁布过YB52865石油钻探管和YB69170石油对焊钻杆、钻铤、方钻杆管材，并按这些标准试生产过国产钻杆、钻铤、方钻杆，因为质量不够稳定，在石油钻井上没能推广使用。80年代以来，参照和等效采用API标准，先后制订并颁布了国标GB477584钻杆接头、GB479784石油钻杆接头螺纹量规和GB92531石油钻杆接头螺纹和部标SY514486钻铤、SY514586无磁钻铤、SY514686整体加重钻杆、SY

21、520087转损接头等。按照这些标准，国内几个军工厂和钢厂与油田现场相结合，经过几年的努力，开发制造的国产钻铤、加重钻杆和螺旋钻铤已进行批量生产，在浅井或中深井上使用。尽管在钢种选用上还比较单一，某些性能指标还赶不上国外优良产品，但已基本上达到API标准。国内有些钻铤生产厂从国外购进AISI4145H钢坯料制造的钻铤，其性能和国外优良产品类似；用国产40CrNiMo钢制造的钻杆拼凑和转换接头，性能也能达到国外产品水平；方钻杆也已开发、试制完成，并已投入下井试验；钻杆现正由上海宝山钢铁总厂按API钻杆标准进行试制，现已生产出成品，并已下井试验。应该说明的是，国际标准（ISO）关于钻具的标准都是以

22、API并准为基础的，世界上很多国建只在的石油钻具都是按API便准进行生产，标准也逐渐与API标准接近，所以我国的石油钻具标准都是参照或等效采用API标准而制定的，按这些标准生产的国产钻具和按API标准造的进口产品是可以互换的。国内出版的钻井手册（甲方）中给出了钻杆结构设计的规定；王治国、张毅研究了宝钢S-135钻杆NC-50工具接头内径选择的应力分析；李鹤林研究了钻杆的失效分析以及解决方法；张毅赵鹏等研究了钻杆内加厚过渡区的应力分析；浙江大学的傅建钦、程耀东、张汝忻进行了基于应力集中分析的钻杆内加厚过渡结构设计的研究；大庆石油学院的赵洪激、彭高华建立了钻柱内力及应力的计算新方法，使钻柱的强度校

23、核计算更加方便。另外国内各大油田及钻探公司都对钻具失效进行分析和计算，并取得了一定的经验和成果，其中以川庆钻探的研究成果尤为突出。另外在钻柱强度校核方面，值得一提的是中国石油大学的韩志勇教授，它提出了水平井钻柱的优化设计，并在垂直井眼内钻柱轴向力的计算及强度校核问题研究，倾斜井眼内钻柱轴向力的计算及强度校核问题研究，弯曲井眼内钻柱轴向力的计算及强度校核问题研究，循环条件下钻柱轴向力的计算及强度校核问题研究等都提出了新的见解。综合以上的研究它提出了一种钻柱强度计算的新方法，可用于钻柱的强度设计和强度校核，新方法与传统方法相比，有以下五个特点：（1）对钻柱每一个断面都进行强度校核；（2）对管的内壁

24、和外壁分别进行强度校核；（3）利用计算机进行断面上有关内力的计算；（4）用“液压系数”处理液压环境对钻柱轴向力的影响；（5）考虑液压环境引起的附加剪应力的影响。新的钻柱强度校核的计算方法是在老方法的基础上添加了新的计算方法和更多方面的校核。使得钻柱强度校核更加全面、具体。目前国外对钻柱强度校核的研究现状优先于国内的研究，尤其在钻柱各个构件的设计水平上明显领先国内，但国内各大油田、钻探局、石油院校等也一直致力于钻柱的优化设计，并取得不错的成果。并且国内研究在国外研究成果的基础上进行更深远的探究，使得钻具的结构设计更加优化，更能满足实际生产的要求！1 钻柱 钻柱是快速优质钻井的重要工具，它是连通地

25、面与地下的枢纽。在转盘钻井时是靠它来传递破碎岩石所需的能量，给井底施加钻压，以及向井内输送洗井液等。在井下动力钻井时，井底动力机是用钻柱送到井底并靠它承受反扭矩，同时涡轮钻具和螺杆钻具所需的液体能量也是通过钻柱输送到井底的。在钻井过程中，钻头的工作、井限的状况、甚至井下地层的各种变化，往往是通过钻柱及各种仪表才能反映到地面上来。合理的钻井技术参数及其他技术措施， 也只能在正确使用钻柱的条件下才能实现。 除正常钻进外，钻井过程中的其他各种作业，如取心、处理井下复杂情况、地层测试、挤水泥、打捞落物等都是依靠钻柱选取的。 钻柱由不同的部件组成，它的组成随着钻井条件和方法的不同而有所区别。其基本组成部

26、分是：方钻杆、钻杆、钻艇、稳定器及接头。方钻轩的作用是将地面转盘的功率传递给钻杆，以带动钻头旋转。钻杆的作用是将地面所发出的功率传递给钻头，并靠钻杆的逐渐加长使井眼不断加深。钻链位于钻杆的下面，直接与钻头（或井底动力机）连接，依靠其本身的重量进行加压，靠它和稳定器的各种组合来控制井眼的斜皮。钻柱的各个不同组成部分的相互连接，是借助钻杆接头或配合接头来实现的。 随着近代钻井深度的不断增加，钻井工艺的不断发展，对钻柱的结构和性能要求越来越高。实践证明，几千米甚至近万米长的钻柱在井下的工作条件是比较复杂的，它往往是钻井设备和工具中比较薄弱的环节。为了快速优质安全地钻达预定深度，必须选用可靠的钻柱。这

27、不仅要求从尺寸配合上选择合适的钻柱，而且应该根据钻柱在井下的工作条件，正确分析钻柱耐受力情况，进行强度计算，合理地设计钻柱。特别值得注意的是，钻柱的破坏大多是疲劳破坏所引起的，所以有必要探讨疲劳破坏产生的机理和影响因素，采取各种减少疲劳破坏的技术措施，以便延长钻柱的使用寿命。1.1 钻柱的工作状态 钻柱在井下的工作条件随钻井方式（转盘钻井或井下动力钻井）、钻井工序（如正常钻进、起下钻等）的不同而异。在不同的工作条件下，钻柱具有不同的工作状态，受到不同的作用力。为了讨论钻柱的受力及强度设计，必须首先了解钻柱在整个钻井过程中的工作状态。下面主要对转盘钻井时钻柱的受力情况加以分析。 在钻井过程中，钻

28、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，钻柱不接触井底，整个钻柱处于悬持状态，在自重作用下，钻柱处于受拉伸的直线稳定状态。在正常钻进肘，由于部分钻柱的重量作为钻压施加在钻头上，使得下部钝柱受压缩。在钻压小和直井条件下，钻柱也是直的，而当压力达到某一临界值时，下部钻柱将失去直线稳定状态，而发生弯曲，并且在某个点（称为“切点” ）和井壁接触，这是钻柱第一次弯曲（Buck1ing of the first order）（图 1-1 中曲线）。如果继续加大钻压，则弯曲形状改变，切点逐渐下移（图1-1 中曲线）。当钻压增大到新的临界值时，钻柱的弯曲轴线呈现出第二个半波，这是钻柱第二次弯曲

29、（Buckling of the order）（图1-1中曲线）。如果再继续加大钻压，则会出现钻柱的第三次弯曲或更多次弯曲。目前旋转钻井所用的钻压一般都超过常用钻链的一次弯曲临界钻压，如果不采取其他措施，下部钻柱将不可避免地发生轴向弯曲。 在正常钻进时，整个钻柱是处于不停旋转的状态下。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，使弯曲半波长度缩短。在钻柱上部受拉部分，由于离心力的作用也可能呈现弯曲状态。很明显，由于钻柱上都有拉力作用，其弯曲半波长度大，而往下，由于压力不断增大，再加上离心力的作用， 其弯曲半波长度变小。 以上所讲的钻柱弯曲状

30、态仅仅是发生在平面内。我们知道，在钻进时要通过钻柱传递扭矩。这样，在扭矩作用下，钻柱不可能保持平面的弯曲状态，而是呈螺旋形弯曲状态。总的来说，在压力、离心力和扭矩的联合作用下，钻柱轴线一般呈变节距的空间螺旋弯曲曲线形状（在井底螺距最小，往上逐渐加大）。 这样一个螺旋弯曲钻柱在井眼内是怎样旋转呢？这是一个比较复杂的问题，至今还未研究透彻。我们分析，钻柱在井眼里的旋转运动可能有四种形式。 （1）钻柱围绕自身弯曲轴线旋动（自转）； （2）钻柱围绕井眼轴线旋转并沿着井壁滑动（公转）； （3）钻柱围绕井眼轴线旋转，但不是沿着井壁滑动而是沿着井壁反向滚动（公转与自转的结合）； （4）整个钻柱或部分钻柱作无

31、规则的旋转摆动。 图11钻柱弯曲受压示意图 第一种形式，钻柱自转时在整个圆周上与井壁接触，产生均匀的磨损，但受到交变弯曲应力的作用。在软岩石弯曲井段，由于自转容易在井筒内形成键槽，成为起钻时钻柱受阻的原因。 第二种形式，钻柱公转时不受交变弯曲应力的作用，但产生不均匀的单向磨损（偏磨），从而加快了钻柱的磨损和破坏。 第三种形式，钻柱同时参与两种旋转运动，即同时围绕自身轴线和井眼轴线旋转，其磨损均匀，也受到交变弯曲应力的作用，但循环次数比第一种形式低得多。 第四种形式，钻柱处于旋转形式转变的过渡状态，最不稳定，常常造成钻柱的强烈振动。从理论上讲，如果钻柱的刚度在各个方向是均匀一致的，井眼是铅直的，

32、那么钻柱采取何种形式运动就取决于外界阻力（如泥浆阻力，井壁摩擦等）的大小，一般都采取消耗能量最小的运动形式。实际上，钻柱的旋转形式还受到其他许多因素的影响，如钻柱的刚度是否均匀， 井眼的斜度和方位变化， 井眼是否规则以及所用的钻井技术参数等。根据井下钻柱磨损的实际观察，一般认为弯曲钻柱旋转形式以自转居多。许多学者正是从这个基点出发，研究了钻柱弯曲和井斜的问题。由于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，于是将钻柱弯曲简化成不旋转钻柱弯曲的问题。 在涡轮钻井或用螺杆钻具钻井时，由于破碎岩石所需能量来自井下动力机，其上面的钻柱在一般情况下是不转动的。同时，可用水力载荷对钻头加压

33、，这就使得钻柱受力情况比较简单。1.2 钻柱的受力分析 在不同的工作条件下，在不同的部位，钻柱所受载荷不同。 （1）轴向拉力和压力（Axial tension and compression）钻柱在井下受到的主要作用力是由钻柱自重引起的轴向拉力。图1-2（A）表明，在无流体的井中，钻柱上任意点的拉力由该点以下钻柱在空气中的重量产生，井口处拉力最大，向下逐渐减小。由于钻柱是在充满洗井液的井眼中工作，所以在钻柱最下部端面上还受到静液柱压力的作用，产生一个向上的浮力（此处仅讨论单一尺寸钻柱在铅直井内的情况），使得下部钻柱有相当长一段受到轴向压力。图1-2（B）表明，当钻柱处于液柱静压中时，任意深度的

34、辅向应力等于该深度以下钻柱在空气中的重量减去柱底的静压。在钻进时，部分钻柱重量下放到井底作为钻压，钻柱轴向应力都减少一个相应数值，即轴向应力线向左平移一个相当于钻压的距离 （图1-2（D）。 此时，轴向应力线与静液柱压力线的交点称为 “中和点”。 此点的静液柱压力等于钻柱中的压缩应力。 一般情况下， 中和点并不在轴向应力零点处。 图12钻柱的轴向拉力和压力 只有在空井中，中和点位置才与轴向应力零点相重合，如图1-2（C）所示。可以证明（2），中和点的位置可以由施加的钻压除以钻柱单位长度的浮重来确定。 中和点位置 /（）m （11） 式中 N中和点距离，米； P钻压，牛； 单位长度钻柱在空气中的

35、重量，牛/米； 单位长度钻柱所排开的液体重量，牛/米。 很明显，由于把部分钻柱的重量施加给钻头，因此下部钻柱受压力，上部钻柱受拉力，而且愈靠近井口，拉力愈大，愈靠近井底，压力愈大。 此外，在起下钻时，钻柱与井壁之间和钻柱与泥浆之间有摩擦力。这种摩擦力在起钻时会增加上部钻柱的载荷，下钻时会减轻上部钻柱的载荷。 （2）弯曲力矩（Bending moment） 在正常钻进时，下部钻柱受压弯曲而受到弯曲力矩的作用。此外，在井眼偏斜段，钻柱也受到弯曲力矩的作用。弯曲钻柱的旋转（特别是在绕钻柱自转的情况下），使钻柱内产生交变弯曲应力。 （3）离心力（Centrifugal force）当钻柱绕井眼轴线公转

36、时产生离心力，促使钻柱发生弯曲。 （4）扭矩（Moment of torsion） 在正常钻进时（转盘钻井时），必须通过转盘把一定的能量传递给钻柱，用于旋转钻柱和带动钻头破碎岩石。这样，钻柱受到扭矩的作用扭矩在井口处最大，向下随着能量的消耗，在井底处钻柱所受的扭矩最小。 （5）纵向振动（Axjal vibration） 钻进时，钻头的转动（特别是牙轮钻头）会引起钻柱的纵向振动，因而产生纵向交变应力。纵向振动和钻头结构、所钻岩石特性、泵量不均度、钻压以及转速等因素有关。当这种纵向振动的周期和钻柱本身固有的振动周期相同或成倍数时，就产生共振现象，振幅急剧加大，通常称为“跳钻” 。严重的跳钻常常造成

37、钻杆弯曲，磨损加剧以及迅速疲劳破坏。通常可以通过改变转速和钻压的方法来消除这种跳钻现象。 （6）扭转振动（Torsionl vibration） 当井底对钻头旋转的阻力不断变化时，会引起钻柱的扭转振动，因而产生交变剪应力。扭转振动和钻头结构、所钻岩石性质是否均匀一致、钻压及转速等等许多因素有关。特别是使用刮刀钻头钻软硬交错地层时，钻柱的扭转振动最为严重。 （7）动载（Dynamic loads） 起下钻作业中，由于钻柱运动速度的变化会引起纵向动载，因而在钻柱中产生间歇的纵向应力变化。这主要和操作状况有关。 综上所述，转盘钻井时，钻柱的受力是比较复杂的。但所有这些载荷就性质来讲可分为不变的和交变

38、的两大类。属于不变应力的有拉应力、压应力和剪应力，而属于交变应力的有弯曲应力，扭转振动所引起的剪应力以及纵向振动作用所产生的拉应力和压应力。在整个钻柱长度内，载荷作用的特点是在井口处主要是不变载荷的影响，而靠进井底处主要是交变负荷的影响。这种交变载荷的作用正是钻柱疲劳破坏的主要原因。 从上述分析也不难看出，钻柱受力严重部位是： （1）钻进时钻柱的下部受力最为严重。因为钻柱同时受到轴向压力、扭矩和弯曲力矩的作用， 更为严重的是自转时存在着剧烈的交变应力循环， 以及钻头突然遇阻遇卡，会使钻柱受到的扭矩大大增加。 （2）钻进时和起下钻时，井口处钻柱受力复杂。起下钻时井口处钻柱受到最大拉力，如果起下钻

39、时猛提、猛刹，会使井口处钻柱受到的轴向拉力大大增加。钻进时，井口处钻柱所受拉力和扭力都最大，受力情况也比较严重。 （3）由于地层岩性变化、钻头的冲击和纵向振动等因素的存在，使得钻压不均匀，因而使中和点位置上下移动。这样，在中和点附近的钻柱就受到交变载荷作用。 总的来说，为了完成正常钻进、起下钻及其他工艺操作，根据上述的受力状况，钻柱所有部分都必须有足够强度，以承受各种可能的载荷。同时，要保证建立所需的钻压，钻柱的循环阻力要小，密封性要好，并且钻柱的重量应尽可能轻，以实现经济的合理性。1.3 钻井过程中各种应力的计算 为了使钻柱在不同的工作条件下能安全地工作，在钻柱受力分析的基础上，还需计算钻柱

40、内部的各种应力，作为合理设计和校核强度的依据。应该指出，现有的应力计算方法还不能全面地反映钻柱在井下的实际受力情况，特别是引起疲劳破坏的交变应力，至今还没有完善的计算方法。 1.3.1 钻柱轴向应力的计算 （一）钻拉上部拉应力（Tensi1e Stress）的计算 1、钻柱在泥浆中空悬时 作用在钻柱上部某一截面上的轴向拉力，应该等于该截面以下的钻柱自重减去所受的泥浆浮力。根据阿基米德原理，泥浆浮力等于钻柱同体积的泥浆重量。 在井口处钻柱横截面所受泥浆浮力B等于 B=LF （12） 式中 B泥浆浮力，牛； 泥浆重度，牛/； L井口以下的钻柱长度，米； F考虑钻杆接头和加厚影响的重量修正系数，等于

41、1.051.10。 而井口断面以下钻柱在空气中的重量Q等于 Q=LF N （13） 式中 钻柱材料的重度，牛/。 于是，井口横截面所受拉力负荷Q。应等于钻柱在空气中的重量与泥浆浮力之差。 （14） 式中 浮力减轻系数， 这就是说，钻柱在液体中的重量等于钻柱空气中的重量乘以浮力减轻系数，这种计算浮力的方法称为“浮力系数法” 。 于是井口钻柱截面的拉应力应为 pa （15） 如果要计算井口以下某一横截面（a-a）的拉伸负荷，就不能使用浮力系数法（见图13）。因为此横截面（a-a）以下管柱的重量已变小了，面所受泥浆浮力仍然是整个L 米长钻柱的总泥浆浮力。这是由于在管柱下端作用有 L 米高的泥浆柱压力

42、 p，在钻柱下端横截面上产生一个向上浮力 pF。这种计算浮力的方法称为“压力面积法” ，其浮力等于液柱静压力与面积乘积之和。如果对钻柱（a-a）断面用浮力系数法进行计算，其所得数值正好是（a-a）断面处于井口位置所受的拉力载荷，是不正确的。 随着钻柱下入井内，浸在液体中的钻柱长度增加，也就是说作用在钻柱下端的泥浆液柱压力加大，浮力也增加，该断面的拉伸载荷也随之减小。所以，在井口以下某一截面所受拉力载荷应为,其拉应力等于 = （16）式中 井口以下某一截面的拉应力，帕； 该截面以下钻柱在空气中的重量，牛； B整个钻柱所受的泥浆总浮力，牛； F钻柱横截面积，。 对于非单一尺寸的钻柱（如钻铤加钻杆）

43、，其浮力是液柱静压垂直作用在管柱裸露肩部及端面上的作用力的合力。图1-4中，浮力B=。 图13井下钻柱某点的拉力计算图 图14钻柱浮力计算示意图 2、钻进时 由于一部分重量用作钻压，且在底端受到泥浆浮力的作用，因此拉应力为 （17） 式中 P钻压，牛； Q钻柱在空气中的重量，牛。 3、起钻时 起钻时作用在钻柱上部的力，除了钻柱自重和泥浆浮力之外，还有井壁对钻柱的摩擦力和开始提升时加速阶段所引起的动载，这时拉应力为 s （18） 的大小同井斜角和方位角的大小与变化率、井深、井眼与钻柱的间隙、泥浆性能、井壁岩石性质以及钻柱刚度等因素有关，难于准确计算，应结合现场具体情况来定。 和起下钻操作状况及起

44、升加速情况有关。 N （19） 式中 v大钩起升速度，米/秒； t动力机加速所延续的时间，秒； g重力加速度，米/。 4、在斜井中 如果井斜角较大，钻柱与井壁的摩擦力大为增加。井口处所受拉应力的公式为 spa （110） 式中 F钻柱横截面积，； 考虑起下钻时的动载和可能的阻力的系数，=1.201.25； 每米钻杆和钻铤在空气中的重量，牛/米； 斜井中第i段钻柱的长度，米； 钻铤长度，米； 和，和分别为斜井内第i段和第n 段的井斜角和摩擦系数。 和的大小取决于岩石类型，可从 0.15 变化到 0.30。在以上公式中，起钻时取正号，而下钻时则取负号。在直井中，=1.0。 5、在井下动力钻井时 钻柱所受拉力负荷主要由钻柱自重、井底动力机重量加上循环液体时的水力载荷所形成，其计算公式为（1） pa （111）式中 井底动力机重量，牛； 循环液体时的水力载荷，牛； 相应为涡轮和钻头内的压力降，帕； 钻柱的流道截面积，。 1.3.2 钻柱下部压力（Compressive stress）的计算 轴向压应力是由泥浆浮力和钻压引起的，可按以下两种情况考