某井鉆柱強(qiáng)度校核畢業(yè)論文

1、<p><b>　　某井鉆柱強(qiáng)度校核</b></p><p>　　摘 要：由于某井是一口5110米的深井水平井，水平位移680米，水平段距離380米。在鉆井過(guò)程中不可避免地要遇到卡鉆、弊鉆、處理事故等過(guò)扭矩操作。因此鉆桿的抗扭強(qiáng)度是關(guān)鍵參數(shù)。鉆桿接頭的抗扭強(qiáng)度是一個(gè)多變量函數(shù)，這些變量包括鋼材強(qiáng)度、接頭尺寸、螺紋形式、導(dǎo)程、錐度以及配合面螺紋或臺(tái)肩的預(yù)緊力及摩擦系數(shù)等。鉆桿接頭的外

2、徑和內(nèi)徑，在一定程度上決定了接頭的抗扭強(qiáng)度，對(duì)鉆桿的抗扭強(qiáng)度進(jìn)行校核，保證管體的抗扭屈服強(qiáng)度。</p><p>　　鉆桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)決定了鉆桿的性能，在同樣材料，同樣工況，鉆桿外徑相同的情況下，不同結(jié)構(gòu)尺寸的鉆桿所表現(xiàn)出的性能也不一樣，因此，通過(guò)對(duì)鉆桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算和校核不僅僅有著實(shí)際應(yīng)用的意義，更可以從另一種角度，例如結(jié)合鉆桿失效等問(wèn)題，來(lái)探索研究更合理的鉆桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，本文依據(jù)API給出的標(biāo)準(zhǔn)，在前人研究結(jié)

3、果的基礎(chǔ)上，對(duì)某廠的S135鉆桿進(jìn)行理化性能分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的強(qiáng)度計(jì)算與校核。</p><p>　　目前在鉆桿的使用中,失效問(wèn)題是鉆桿研究中的重要課題,基于鉆桿的失效分析,從失效的角度來(lái)分析優(yōu)化鉆桿在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上應(yīng)注意的問(wèn)題,為今后的鉆桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出一些理論依據(jù)。具體內(nèi)容如下：</p><p>　　1. 油田鉆具失效現(xiàn)狀調(diào)研； </p><p>　　2. 某公司 S

4、135 鉆桿材料理化性能分析； </p><p>　　3. 某公司 S135 鉆桿強(qiáng)度分析計(jì)算； </p><p>　　關(guān)鍵詞：鉆柱；強(qiáng)度計(jì)算；設(shè)計(jì)；校核；鉆具失效</p><p>　　A well drilling column strength check</p><p>　　Abstract: Due to a well of 511

5、0 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 torqu

6、e operation. Therefore pipe wrest resistant strength is the key parameters. Drill pipe joints wrest resistant intensity is a multivariate function. These variables include steel strength, connector size, thread form, pal

7、pitation, taper and surface th</p><p>　　Pipe structure design decision was designed. Simulated performance, in the same materials , conditions ,and pipe diameter in the same case, different structure size of

8、 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

9、pipe failure to explore more reasonable drill pipe research, which is based on the structure design are given in </p><p>　　Failure is an important subject in the research of drill pipe, which is based on the

10、 drill pipe failure analysis that from the perspective of failure in the structural design optimization drill problems that should be paid attention to on the drill pipe structure, in order to put forward some theoretica

11、l basis for design . Specific content as follows :</p><p>　　1. Oilfield drilling tools failure situation investigation; </p><p>　　2. A company S135 pipe materials; chemical performance analysis;

12、 </p><p>　　3. A company S135 pipe strength calculation and analysis ;</p><p>　　keyword: drill column, Strength calculation, Design, Check, Drilling tools, failure</p><p><b>　　

13、目 錄</b></p><p><b>　　緒論1</b></p><p>　　1. 課題的意義1</p><p>　　2. 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀2</p><p><b>　　1 鉆柱5</b></p><p>　　1.1 鉆柱的工作狀態(tài)5<

14、/p><p>　　1.2 鉆柱的受力分析8</p><p>　　1.3 鉆井過(guò)程中各種應(yīng)力的計(jì)算11</p><p>　　1.3.1 鉆柱軸向應(yīng)力的計(jì)算11</p><p>　　1.3.2 鉆柱下部壓力（Compressive stress）的計(jì)算14</p><p>　　1.3.3 鉆柱剪應(yīng)力（Shea

15、r stress）的計(jì)算15</p><p>　　1.3.4 鉆柱彎曲應(yīng)力（Bending stress）的計(jì)算17</p><p>　　1.3.5 鉆柱抗擠（collapse Resistance）計(jì)算19</p><p>　　2 鉆具失效現(xiàn)狀及分析23</p><p>　　2.1 鉆具主要失效類(lèi)型23</p>

16、<p>　　2.2.1 過(guò)量變形23</p><p>　　2.2.2 斷裂23</p><p>　　2.2.3 表面損傷24</p><p>　　2.2 鉆具失效的原因25</p><p>　　2.3 預(yù)防鉆具失效的措施探討26</p><p>　　3 某公司S135鉆桿理化性能分析

17、28</p><p>　　3.1 管體化學(xué)成分28</p><p>　　3.2 接頭化學(xué)成分28</p><p>　　3.3 管體、加厚對(duì)焊區(qū)的機(jī)械性能28</p><p>　　3.4 工具接頭的機(jī)械性能29</p><p>　　4 某公司 S135 鉆桿強(qiáng)度分析計(jì)算30</p>&l

18、t;p>　　4.1 鉆桿抗拉強(qiáng)度計(jì)算30</p><p>　　4.2 鉆桿抗扭屈服強(qiáng)度計(jì)算31</p><p>　　4.2.1 鉆桿管體的抗扭強(qiáng)度關(guān)31</p><p>　　4.2.2 旋接接頭扭矩計(jì)算33</p><p>　　4.3 鉆桿抗擠強(qiáng)度計(jì)算34</p><p>　　4.3.1 屈

19、服強(qiáng)度擠毀壓力計(jì)算公式34</p><p>　　4.3.2 塑性擠毀壓力公式35</p><p>　　4.3.3 過(guò)渡擠毀壓力公式37</p><p>　　4.3.4 彈性擠毀壓力公式38</p><p>　　4.4 鉆桿抗內(nèi)壓強(qiáng)度計(jì)算40</p><p>　　4.5 對(duì)焊區(qū)的強(qiáng)度計(jì)算40<

20、/p><p>　　4.5.1 對(duì)焊區(qū)抗拉強(qiáng)度的計(jì)算40</p><p>　　4.5.2 對(duì)焊區(qū)抗扭強(qiáng)度的計(jì)算41</p><p>　　4.5.3 對(duì)焊區(qū)抗擠毀強(qiáng)度的計(jì)算41</p><p>　　4.5.4 對(duì)焊區(qū)抗內(nèi)壓強(qiáng)度計(jì)算41</p><p>　　4.6 某水平井鉆柱設(shè)計(jì)42</p>

21、<p>　　4.6.1 一開(kāi)鉆具組合42</p><p>　　4.6.2 二開(kāi)鉆具組合42</p><p>　　4.6.3 三開(kāi)鉆具組合42</p><p>　　4.6.4 四開(kāi)鉆具組合43</p><p>　　4.7 鉆具強(qiáng)度校核43</p><p>　　4.7.1 抗拉強(qiáng)度校核43

22、</p><p>　　4.7.2 抗扭強(qiáng)度校核43</p><p>　　4.8 校核結(jié)果45</p><p><b>　　5 總結(jié)46</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)47</b></p><p><b>　　致 謝49</b>

23、;</p><p><b>　　緒論</b></p><p><b>　　1. 課題的意義</b></p><p>　　我的畢業(yè)設(shè)計(jì)題目是《某井鉆柱的強(qiáng)度校核》，研究此題目的意義在于闡述保證鉆柱使用前滿足某井對(duì)其的性能的要求，在鉆井時(shí)，能保證安全生產(chǎn)的前提下能順利完成鉆井作業(yè)，并能適應(yīng)某井所處的特殊的地況，并能幫助工作人

24、員完成其他各種井下作業(yè)。</p><p>　　石油勘探是一個(gè)高風(fēng)險(xiǎn)、高投入、高難度的行業(yè)。一口井的成本一般高達(dá)數(shù)十萬(wàn)至上千萬(wàn)元人民幣。鉆柱是鉆井過(guò)程中，主要的鉆井工具之一，它是連通地下與地面的樞紐，轉(zhuǎn)盤(pán)鉆井時(shí)，靠它來(lái)傳遞破碎巖石所需的能量，給井底施加鉆壓，以及循環(huán)鉆井液等。在井下動(dòng)力鉆井時(shí)，井下動(dòng)力鉆具是用鉆柱送到井底并靠它來(lái)承受反扭矩，同時(shí)鉆頭和動(dòng)力鉆具所需的液體能量也是通過(guò)鉆柱輸送到井底的，在鉆井過(guò)程中，鉆頭

25、的工作，甚至井下地層的各種變化，往往是通過(guò)鉆柱及各種儀表才能反映到地面上來(lái)。合理的鉆井技術(shù)參數(shù)及其他措施，也只能在正確使用鉆柱的條件下才能實(shí)現(xiàn)。除了正常鉆井以外，鉆井過(guò)程中的其他各種作業(yè)，如取心，處理井下各種復(fù)雜情況，地層測(cè)試，擠水泥，打撈落物等都是依靠鉆柱進(jìn)行的。隨著鉆井深度的增加和鉆井工程技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)鉆柱的結(jié)構(gòu)和性能要求越來(lái)越高。幾千米甚至上萬(wàn)米的鉆柱，在井下的工作條件十分惡劣，它往往是鉆井設(shè)備與工具中的薄弱環(huán)節(jié)。鉆柱的脫

26、扣，刺漏及扭斷事故是常見(jiàn)的鉆井事故，并常導(dǎo)致復(fù)雜的井下情況。因此，根據(jù)鉆柱在井下的工作條件及工藝要求，合理的設(shè)計(jì)鉆柱和使用鉆柱，對(duì)于預(yù)防鉆具事故和一口井施工的成敗，實(shí)現(xiàn)快速優(yōu)質(zhì)鉆井及順利完成</p><p>　　在深井、 超深井及復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境條件下鉆井 ,經(jīng)常發(fā)生鉆具失效事故 ,僅四川川東地區(qū)在 1996～1997 年間就發(fā)生了 303 次鉆具井下斷裂事故 ,其中螺紋斷裂占 36 % ,鉆具本體斷裂占 11 %

27、,螺紋刺漏和鉆具刺漏占了 53 %。2001～2003 年 ,塔里木有21 口井鉆桿失效共 89 次 ,造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。因此針對(duì)鉆桿失效原因進(jìn)行的研究很多 ,有報(bào)道認(rèn)為失效原因是氯離子濃度高 ,加速氧腐蝕 ,造成純腐蝕穿孔。也有報(bào)道 S135 鉆桿失效是由于內(nèi)壁發(fā)生嚴(yán)重 H2S 腐蝕和氧腐蝕 ,外壁是由氧腐蝕造成的。還有研究表明鉆桿失效原因?yàn)楦邷貤l件下酸性地層鹽水的電化學(xué)腐蝕和地層砂子撞擊鉆具使氧化膜脫落造成的沖蝕。</p&

28、gt;<p>　　怎樣避免類(lèi)似情況的發(fā)生？這就引出了失效分析及預(yù)防的問(wèn)題！如果正確應(yīng)用已有的技術(shù)進(jìn)行失效預(yù)防，相信肯定能夠避免大量損失。</p><p>　　由鉆柱的受力分析可知，不論是在起下鉆還是在正常鉆進(jìn)時(shí)，經(jīng)常作用于鉆桿且數(shù)值較大的力是拉力。而且，井越深，鉆桿柱越長(zhǎng)，鉆桿柱上部受到的拉力越大。但對(duì)某種尺寸和鋼級(jí)的鉆桿，其抗拉強(qiáng)度是一定的，因此都有一定的可下深度。所以，鉆桿柱的設(shè)計(jì)主要是抗拉強(qiáng)度

29、的設(shè)計(jì)，即按抗拉強(qiáng)度確定其可下深度，考慮鉆柱自身重量的拉伸載荷以及遇到卡鉆、處理事故時(shí)的提拉力。</p><p>　　由于某井是一口5110米的深井水平井，水平位移680米，水平段距離380米。在鉆井過(guò)程中不可避免地要遇到卡鉆、弊鉆、處理事故等過(guò)扭矩操作。因此鉆桿的抗扭強(qiáng)度是關(guān)鍵參數(shù)。鉆桿接頭的抗扭強(qiáng)度是一個(gè)多變量函數(shù)，這些變量包括鋼材強(qiáng)度、接頭尺寸、螺紋形式、導(dǎo)程、錐度以及配合面螺紋或臺(tái)肩的預(yù)緊力及摩擦系數(shù)等。

30、鉆桿接頭的外徑和內(nèi)徑，在一定程度上決定了接頭的抗扭強(qiáng)度，對(duì)鉆桿的抗扭強(qiáng)度進(jìn)行校核，保證管體的抗扭屈服強(qiáng)度。</p><p>　　另外，鉆桿接頭旋接扭矩推薦值的計(jì)算是以所有的螺紋和臺(tái)肩端面均涂滿螺紋脂為前提，以材料最小屈服強(qiáng)度的50％為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算的。保證鉆桿肩臺(tái)連接屈服的旋轉(zhuǎn)扭矩。還有鉆桿抗塑性擠毀，擠毀壓力，抗內(nèi)壓強(qiáng)度等都要保證滿足要求，因?yàn)椋@些都是鉆柱能正常生產(chǎn)的前提。</p><p&g

31、t;　　鉆桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)決定了鉆桿的性能，在同樣材料，同樣工況，鉆桿外徑相同的情況下，不同結(jié)構(gòu)尺寸的鉆桿所表現(xiàn)出的性能也不一樣，因此，通過(guò)對(duì)鉆桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算和校核不僅僅有著實(shí)際應(yīng)用的意義，更可以從另一種角度，例如結(jié)合鉆桿失效等問(wèn)題，來(lái)探索研究更合理的鉆桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，本文依據(jù)API給出的標(biāo)準(zhǔn)，在前人研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，對(duì)某廠的S135鉆桿進(jìn)行理化性能分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的強(qiáng)度計(jì)算與校核。</p><p>　　鉆桿結(jié)構(gòu)設(shè)

32、計(jì)對(duì)鉆桿性能有著決定性影響,目前在鉆桿的使用中,失效問(wèn)題是鉆桿研究中的重要課題,基于鉆桿的失效分析,從失效的角度來(lái)分析優(yōu)化鉆桿在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上應(yīng)注意的問(wèn)題,為今后的鉆桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出一些理論依據(jù)。</p><p>　　2. 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　1985年美國(guó)的Frank Carlin提出了一種新的螺紋接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).在一定程度上增加了鉆桿的疲勞壽命.美國(guó)的G.E.wilson19

33、90年提出了一種新的內(nèi)加厚過(guò)渡區(qū)結(jié)構(gòu),在理論上分析了內(nèi)加厚過(guò)渡區(qū)的應(yīng)力集中狀況.美國(guó)石油學(xué)會(huì)一直以來(lái)推出的鉆柱設(shè)計(jì)和操作限度的推薦作法以及API SPEC 5D, API SPEC C7給出了鉆桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的依據(jù)，步驟。并提出了鉆桿接頭的選用及其具體的尺寸規(guī)格，鉆桿和管線管性能計(jì)算，旋轉(zhuǎn)鉆井鉆柱構(gòu)件規(guī)范。</p><p>　　目前，我國(guó)的石油鉆具常用部分都是國(guó)內(nèi)生產(chǎn)，但也有部分還是由國(guó)外進(jìn)口的。建國(guó)以來(lái)，大致經(jīng)過(guò)兩

34、個(gè)階段。50年代至60年代初，進(jìn)口的鉆具多屬ГОСТ標(biāo)準(zhǔn)系列，主要從蘇聯(lián)，羅馬尼亞等國(guó)進(jìn)口；60年代后期開(kāi)始進(jìn)口API標(biāo)準(zhǔn)系列的鉆具。目前，各油田使用的鉆具，ГОСТ系列的已經(jīng)基本淘汰，多是由日本、美國(guó)、德國(guó)、法國(guó)等國(guó)進(jìn)口的按API標(biāo)準(zhǔn)制造的。</p><p>　　國(guó)產(chǎn)鉆具仍處于發(fā)展階段。60年代后期，曾先后頒布過(guò)YB528—65《石油鉆探管》和YB691—70《石油對(duì)焊鉆桿、鉆鋌、方鉆桿管材》，并按這些標(biāo)準(zhǔn)試生

35、產(chǎn)過(guò)國(guó)產(chǎn)鉆桿、鉆鋌、方鉆桿，因?yàn)橘|(zhì)量不夠穩(wěn)定，在石油鉆井上沒(méi)能推廣使用。80年代以來(lái)，參照和等效采用API標(biāo)準(zhǔn)，先后制訂并頒布了國(guó)標(biāo)GB4775—84《鉆桿接頭》、GB4797—84《石油鉆桿接頭螺紋量規(guī)》和GB9253—1《石油鉆桿接頭螺紋》和部標(biāo)SY5144—86《鉆鋌》、SY5145—86《無(wú)磁鉆鋌》、SY5146—86《整體加重鉆桿》、SY5200—87《轉(zhuǎn)損接頭》等。按照這些標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)幾個(gè)軍工廠和鋼廠與油田現(xiàn)場(chǎng)相結(jié)合，經(jīng)過(guò)幾年

36、的努力，開(kāi)發(fā)制造的國(guó)產(chǎn)鉆鋌、加重鉆桿和螺旋鉆鋌已進(jìn)行批量生產(chǎn)，在淺井或中深井上使用。盡管在鋼種選用上還比較單一，某些性能指標(biāo)還趕不上國(guó)外優(yōu)良產(chǎn)品，但已基本上達(dá)到API標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)內(nèi)有些鉆鋌生產(chǎn)廠從國(guó)外購(gòu)進(jìn)AISI4145H鋼坯料制造的鉆鋌，其性能和國(guó)外優(yōu)良產(chǎn)品類(lèi)似；用國(guó)產(chǎn)40CrNiMo鋼制造的鉆桿拼湊和轉(zhuǎn)換接頭，性能也能達(dá)到國(guó)外產(chǎn)品水平；方鉆桿也已開(kāi)發(fā)、試制完成，并已投入下井試驗(yàn)；鉆桿現(xiàn)正由上海寶山鋼鐵總廠按</p><

37、;p>　　應(yīng)該說(shuō)明的是，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（ISO）關(guān)于鉆具的標(biāo)準(zhǔn)都是以API并準(zhǔn)為基礎(chǔ)的，世界上很多國(guó)建只在的石油鉆具都是按API便準(zhǔn)進(jìn)行生產(chǎn)，ГОСТ標(biāo)準(zhǔn)也逐漸與API標(biāo)準(zhǔn)接近，所以我國(guó)的石油鉆具標(biāo)準(zhǔn)都是參照或等效采用API標(biāo)準(zhǔn)而制定的，按這些標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的國(guó)產(chǎn)鉆具和按API標(biāo)準(zhǔn)造的進(jìn)口產(chǎn)品是可以互換的。</p><p>　　國(guó)內(nèi)出版的鉆井手冊(cè)（甲方）中給出了鉆桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的規(guī)定；王治國(guó)、張毅研究了寶鋼S-135鉆桿N

38、C-50工具接頭內(nèi)徑選擇的應(yīng)力分析；李鶴林研究了鉆桿的失效分析以及解決方法；張毅趙鵬等研究了鉆桿內(nèi)加厚過(guò)渡區(qū)的應(yīng)力分析；浙江大學(xué)的傅建欽、程耀東、張汝忻進(jìn)行了基于應(yīng)力集中分析的鉆桿內(nèi)加厚過(guò)渡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究；大慶石油學(xué)院的趙洪激、彭高華建立了鉆柱內(nèi)力及應(yīng)力的計(jì)算新方法，使鉆柱的強(qiáng)度校核計(jì)算更加方便。另外國(guó)內(nèi)各大油田及鉆探公司都對(duì)鉆具失效進(jìn)行分析和計(jì)算，并取得了一定的經(jīng)驗(yàn)和成果，其中以川慶鉆探的研究成果尤為突出。</p>&l

39、t;p>　　另外在鉆柱強(qiáng)度校核方面，值得一提的是中國(guó)石油大學(xué)的韓志勇教授，它提出了水平井鉆柱的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并在垂直井眼內(nèi)鉆柱軸向力的計(jì)算及強(qiáng)度校核問(wèn)題研究，傾斜井眼內(nèi)鉆柱軸向力的計(jì)算及強(qiáng)度校核問(wèn)題研究，彎曲井眼內(nèi)鉆柱軸向力的計(jì)算及強(qiáng)度校核問(wèn)題研究，循環(huán)條件下鉆柱軸向力的計(jì)算及強(qiáng)度校核問(wèn)題研究等都提出了新的見(jiàn)解。綜合以上的研究它提出了一種鉆柱強(qiáng)度計(jì)算的新方法，可用于鉆柱的強(qiáng)度設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核，新方法與傳統(tǒng)方法相比，有以下五個(gè)特點(diǎn)：<

40、;/p><p>　?。?）對(duì)鉆柱每一個(gè)斷面都進(jìn)行強(qiáng)度校核；</p><p>　?。?）對(duì)管的內(nèi)壁和外壁分別進(jìn)行強(qiáng)度校核；</p><p>　?。?）利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行斷面上有關(guān)內(nèi)力的計(jì)算；</p><p>　?。?）用“液壓系數(shù)”處理液壓環(huán)境對(duì)鉆柱軸向力的影響；</p><p>　?。?）考慮液壓環(huán)境引起的附加剪應(yīng)力的影響。&

41、lt;/p><p>　　新的鉆柱強(qiáng)度校核的計(jì)算方法是在老方法的基礎(chǔ)上添加了新的計(jì)算方法和更多方面的校核。使得鉆柱強(qiáng)度校核更加全面、具體。</p><p>　　目前國(guó)外對(duì)鉆柱強(qiáng)度校核的研究現(xiàn)狀優(yōu)先于國(guó)內(nèi)的研究，尤其在鉆柱各個(gè)構(gòu)件的設(shè)計(jì)水平上明顯領(lǐng)先國(guó)內(nèi)，但國(guó)內(nèi)各大油田、鉆探局、石油院校等也一直致力于鉆柱的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并取得不錯(cuò)的成果。并且國(guó)內(nèi)研究在國(guó)外研究成果的基礎(chǔ)上進(jìn)行更深遠(yuǎn)的探究，使得鉆具的結(jié)

42、構(gòu)設(shè)計(jì)更加優(yōu)化，更能滿足實(shí)際生產(chǎn)的要求！</p><p><b>　　1 鉆柱</b></p><p>　　鉆柱是快速優(yōu)質(zhì)鉆井的重要工具，它是連通地面與地下的樞紐。在轉(zhuǎn)盤(pán)鉆井時(shí)是靠它來(lái)傳遞破碎巖石所需的能量，給井底施加鉆壓，以及向井內(nèi)輸送洗井液等。在井下動(dòng)力鉆井時(shí)，井底動(dòng)力機(jī)是用鉆柱送到井底并靠它承受反扭矩，同時(shí)渦輪鉆具和螺桿鉆具所需的液體能量也是通過(guò)鉆柱輸送到井底

43、的。在鉆井過(guò)程中，鉆頭的工作、井限的狀況、甚至井下地層的各種變化，往往是通過(guò)鉆柱及各種儀表才能反映到地面上來(lái)。合理的鉆井技術(shù)參數(shù)及其他技術(shù)措施， 也只能在正確使用鉆柱的條件下才能實(shí)現(xiàn)。 除正常鉆進(jìn)外，鉆井過(guò)程中的其他各種作業(yè)，如取心、處理井下復(fù)雜情況、地層測(cè)試、擠水泥、打撈落物等都是依靠鉆柱選取的。 </p><p>　　鉆柱由不同的部件組成，它的組成隨著鉆井條件和方法的不同而有所區(qū)別。其基本組成部分是：方鉆桿、

44、鉆桿、鉆艇、穩(wěn)定器及接頭。方鉆軒的作用是將地面轉(zhuǎn)盤(pán)的功率傳遞給鉆桿，以帶動(dòng)鉆頭旋轉(zhuǎn)。鉆桿的作用是將地面所發(fā)出的功率傳遞給鉆頭，并靠鉆桿的逐漸加長(zhǎng)使井眼不斷加深。鉆鏈位于鉆桿的下面，直接與鉆頭（或井底動(dòng)力機(jī)）連接，依靠其本身的重量進(jìn)行加壓，靠它和穩(wěn)定器的各種組合來(lái)控制井眼的斜皮。鉆柱的各個(gè)不同組成部分的相互連接，是借助鉆桿接頭或配合接頭來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 隨著近代鉆井深度的不斷增加，鉆井工藝的不斷發(fā)展，對(duì)鉆柱的結(jié)構(gòu)和性能要求越來(lái)越高。實(shí)踐證明，幾

45、千米甚至近萬(wàn)米長(zhǎng)的鉆柱在井下的工作條件是比較復(fù)雜的，它往往是鉆井設(shè)備和工具中比較薄弱的環(huán)節(jié)。為了快速優(yōu)質(zhì)安全地鉆達(dá)預(yù)定深度，必須選用可靠的鉆柱。這不僅要求從尺寸配合上選擇合適的鉆柱，而且應(yīng)該根據(jù)鉆柱在井下的工作條件，正確分析鉆柱耐受力情況，進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，合理地設(shè)計(jì)鉆柱。特別值得注意的是，鉆柱的破壞大多是疲勞破壞所引起的，所以有必要探討疲勞破壞產(chǎn)生的機(jī)理和影響因素，采取各種減少疲勞破壞的技術(shù)措施，以便延長(zhǎng)鉆柱的使用壽命。</p>

46、;<p>　　1.1 鉆柱的工作狀態(tài) </p><p>　　鉆柱在井下的工作條件隨鉆井方式（轉(zhuǎn)盤(pán)鉆井或井下動(dòng)力鉆井）、鉆井工序（如正常鉆進(jìn)、起下鉆等）的不同而異。在不同的工作條件下，鉆柱具有不同的工作狀態(tài)，受到不同的作用力。為了討論鉆柱的受力及強(qiáng)度設(shè)計(jì)，必須首先了解鉆柱在整個(gè)鉆井過(guò)程中的工作狀態(tài)。下面主要對(duì)轉(zhuǎn)盤(pán)鉆井時(shí)鉆柱的受力情況加以分析。 </p><p>　　在鉆井過(guò)程

47、中，鉆柱主要是在起下鉆和正常鉆進(jìn)這兩種條件下工作。在起下鉆時(shí)，鉆柱不接觸井底，整個(gè)鉆柱處于懸持狀態(tài)，在自重作用下，鉆柱處于受拉伸的直線穩(wěn)定狀態(tài)。在正常鉆進(jìn)肘，由于部分鉆柱的重量作為鉆壓施加在鉆頭上，使得下部鈍柱受壓縮。在鉆壓小和直井條件下，鉆柱也是直的，而當(dāng)壓力達(dá)到某一臨界值時(shí)，下部鉆柱將失去直線穩(wěn)定狀態(tài)，而發(fā)生彎曲，并且在某個(gè)點(diǎn)（稱(chēng)為“切點(diǎn)” ）和井壁接觸，這是鉆柱第一次彎曲（Buck1ing of the first order）（

48、圖 1-1 中曲線Ⅰ）。如果繼續(xù)加大鉆壓，則彎曲形狀改變，切點(diǎn)逐漸下移（圖1-1 中曲線Ⅱ）。當(dāng)鉆壓增大到新的臨界值時(shí)，鉆柱的彎曲軸線呈現(xiàn)出第二個(gè)半波，這是鉆柱第二次彎曲（Buckling of the order）（圖1-1中曲線Ⅲ）。如果再繼續(xù)加大鉆壓，則會(huì)出現(xiàn)鉆柱的第三次彎曲或更多次彎曲。目前旋轉(zhuǎn)鉆井所用的鉆壓一般都超過(guò)常用鉆鏈的一次彎曲臨界鉆壓，如果不采取其他措施，下部鉆柱將不可避免地發(fā)生軸向彎曲。 </p>&l

49、t;p>　　在正常鉆進(jìn)時(shí)，整個(gè)鉆柱是處于不停旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)下。作用在鉆柱上的力，除拉力和壓力外，還有由于旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力。離心力的作用有可能加劇下部鉆柱的彎曲，使彎曲半波長(zhǎng)度縮短。在鉆柱上部受拉部分，由于離心力的作用也可能呈現(xiàn)彎曲狀態(tài)。很明顯，由于鉆柱上都有拉力作用，其彎曲半波長(zhǎng)度大，而往下，由于壓力不斷增大，再加上離心力的作用， 其彎曲半波長(zhǎng)度變小。 以上所講的鉆柱彎曲狀態(tài)僅僅是發(fā)生在平面內(nèi)。</p><p>

50、;　　我們知道，在鉆進(jìn)時(shí)要通過(guò)鉆柱傳遞扭矩。這樣，在扭矩作用下，鉆柱不可能保持平面的彎曲狀態(tài)，而是呈螺旋形彎曲狀態(tài)?？偟膩?lái)說(shuō)，在壓力、離心力和扭矩的聯(lián)合作用下，鉆柱軸線一般呈變節(jié)距的空間螺旋彎曲曲線形狀（在井底螺距最小，往上逐漸加大）。 這樣一個(gè)螺旋彎曲鉆柱在井眼內(nèi)是怎樣旋轉(zhuǎn)呢？這是一個(gè)比較復(fù)雜的問(wèn)題，至今還未研究透徹。我們分析，鉆柱在井眼里的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)可能有四種形式。 </p><p>　　（1）鉆柱圍繞自身彎曲

51、軸線旋動(dòng)（自轉(zhuǎn)）； </p><p>　?。?）鉆柱圍繞井眼軸線旋轉(zhuǎn)并沿著井壁滑動(dòng)（公轉(zhuǎn)）； </p><p>　?。?）鉆柱圍繞井眼軸線旋轉(zhuǎn)，但不是沿著井壁滑動(dòng)而是沿著井壁反向滾動(dòng)（公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)的結(jié)合）； </p><p>　?。?）整個(gè)鉆柱或部分鉆柱作無(wú)規(guī)則的旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)。 </p><p>　　圖1—1鉆柱彎曲受壓示意圖</p>

52、<p>　　第一種形式，鉆柱自轉(zhuǎn)時(shí)在整個(gè)圓周上與井壁接觸，產(chǎn)生均勻的磨損，但受到交變彎曲應(yīng)力的作用。在軟巖石彎曲井段，由于自轉(zhuǎn)容易在井筒內(nèi)形成鍵槽，成為起鉆時(shí)鉆柱受阻的原因。 </p><p>　　第二種形式，鉆柱公轉(zhuǎn)時(shí)不受交變彎曲應(yīng)力的作用，但產(chǎn)生不均勻的單向磨損（偏磨），從而加快了鉆柱的磨損和破壞。 </p><p>　　第三種形式，鉆柱同時(shí)參與兩種旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即同時(shí)圍繞自身

53、軸線和井眼軸線旋轉(zhuǎn)，其磨損均勻，也受到交變彎曲應(yīng)力的作用，但循環(huán)次數(shù)比第一種形式低得多。 </p><p>　　第四種形式，鉆柱處于旋轉(zhuǎn)形式轉(zhuǎn)變的過(guò)渡狀態(tài)，最不穩(wěn)定，常常造成鉆柱的強(qiáng)烈振動(dòng)。</p><p>　　從理論上講，如果鉆柱的剛度在各個(gè)方向是均勻一致的，井眼是鉛直的，那么鉆柱采取何種形式運(yùn)動(dòng)就取決于外界阻力（如泥漿阻力，井壁摩擦等）的大小，一般都采取消耗能量最小的運(yùn)動(dòng)形式。實(shí)際上，

54、鉆柱的旋轉(zhuǎn)形式還受到其他許多因素的影響，如鉆柱的剛度是否均勻， 井眼的斜度和方位變化， 井眼是否規(guī)則以及所用的鉆井技術(shù)參數(shù)等。</p><p>　　根據(jù)井下鉆柱磨損的實(shí)際觀察，一般認(rèn)為彎曲鉆柱旋轉(zhuǎn)形式以自轉(zhuǎn)居多。許多學(xué)者正是從這個(gè)基點(diǎn)出發(fā)，研究了鉆柱彎曲和井斜的問(wèn)題。由于在鉆柱自轉(zhuǎn)的情況下，離心力的總和等于零，對(duì)鉆柱彎曲沒(méi)有影響，于是將鉆柱彎曲簡(jiǎn)化成不旋轉(zhuǎn)鉆柱彎曲的問(wèn)題。 </p><p>

55、;　　在渦輪鉆井或用螺桿鉆具鉆井時(shí)，由于破碎巖石所需能量來(lái)自井下動(dòng)力機(jī)，其上面的鉆柱在一般情況下是不轉(zhuǎn)動(dòng)的。同時(shí)，可用水力載荷對(duì)鉆頭加壓，這就使得鉆柱受力情況比較簡(jiǎn)單。</p><p>　　1.2 鉆柱的受力分析 </p><p>　　在不同的工作條件下，在不同的部位，鉆柱所受載荷不同。 </p><p>　?。?）軸向拉力和壓力（Axial tension an

56、d compression）鉆柱在井下受到的主要作用力是由鉆柱自重引起的軸向拉力。圖1-2（A）表明，在無(wú)流體的井中，鉆柱上任意點(diǎn)的拉力由該點(diǎn)以下鉆柱在空氣中的重量產(chǎn)生，井口處拉力最大，向下逐漸減小。由于鉆柱是在充滿洗井液的井眼中工作，所以在鉆柱最下部端面上還受到靜液柱壓力的作用，產(chǎn)生一個(gè)向上的浮力（此處僅討論單一尺寸鉆柱在鉛直井內(nèi)的情況），使得下部鉆柱有相當(dāng)長(zhǎng)一段受到軸向壓力。圖1-2（B）表明，當(dāng)鉆柱處于液柱靜壓中時(shí)，任意深度的輔向

57、應(yīng)力等于該深度以下鉆柱在空氣中的重量減去柱底的靜壓。在鉆進(jìn)時(shí)，部分鉆柱重量下放到井底作為鉆壓，鉆柱軸向應(yīng)力都減少一個(gè)相應(yīng)數(shù)值，即軸向應(yīng)力線向左平移一個(gè)相當(dāng)于鉆壓的距離 （圖1-2（D）。 此時(shí)，軸向應(yīng)力線與靜液柱壓力線的交點(diǎn)稱(chēng)為 “中和點(diǎn)”。</p><p>　　此點(diǎn)的靜液柱壓力等于鉆柱中的壓縮應(yīng)力。 一般情況下， 中和點(diǎn)并不在軸向應(yīng)力零點(diǎn)處。</p><p>　　圖1—2鉆柱的軸向拉力和

58、壓力</p><p>　　只有在空井中，中和點(diǎn)位置才與軸向應(yīng)力零點(diǎn)相重合，如圖1-2（C）所示?？梢宰C明（2），中和點(diǎn)的位置可以由施加的鉆壓除以鉆柱單位長(zhǎng)度的浮重來(lái)確定。 </p><p>　　中和點(diǎn)位置 </p><p>　　/（）m （1—1） </p><p>　　式中 N

59、——中和點(diǎn)距離，米；</p><p><b>　　P——鉆壓，牛； </b></p><p>　　——單位長(zhǎng)度鉆柱在空氣中的重量，牛/米； </p><p>　　——單位長(zhǎng)度鉆柱所排開(kāi)的液體重量，牛/米。 </p><p>　　很明顯，由于把部分鉆柱的重量施加給鉆頭，因此下部鉆柱受壓力，上部鉆柱受拉力，而且愈靠近井口，拉

60、力愈大，愈靠近井底，壓力愈大。 此外，在起下鉆時(shí)，鉆柱與井壁之間和鉆柱與泥漿之間有摩擦力。這種摩擦力在起鉆時(shí)會(huì)增加上部鉆柱的載荷，下鉆時(shí)會(huì)減輕上部鉆柱的載荷。 </p><p>　?。?）彎曲力矩（Bending moment） 在正常鉆進(jìn)時(shí)，下部鉆柱受壓彎曲而受到彎曲力矩的作用。此外，在井眼偏斜段，鉆柱也受到彎曲力矩的作用。彎曲鉆柱的旋轉(zhuǎn)（特別是在繞鉆柱自轉(zhuǎn)的情況下），使鉆柱內(nèi)產(chǎn)生交變彎曲應(yīng)力。 </p

61、><p>　?。?）離心力（Centrifugal force）當(dāng)鉆柱繞井眼軸線公轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生離心力，促使鉆柱發(fā)生彎曲。 </p><p>　?。?）扭矩（Moment of torsion） 在正常鉆進(jìn)時(shí)（轉(zhuǎn)盤(pán)鉆井時(shí)），必須通過(guò)轉(zhuǎn)盤(pán)把一定的能量傳遞給鉆柱，用于旋轉(zhuǎn)鉆柱和帶動(dòng)鉆頭破碎巖石。這樣，鉆柱受到扭矩的作用扭矩在井口處最大，向下隨著能量的消耗，在井底處鉆柱所受的扭矩最小。 </p&g

62、t;<p>　?。?）縱向振動(dòng)（Axjal vibration） 鉆進(jìn)時(shí)，鉆頭的轉(zhuǎn)動(dòng)（特別是牙輪鉆頭）會(huì)引起鉆柱的縱向振動(dòng)，因而產(chǎn)生縱向交變應(yīng)力。縱向振動(dòng)和鉆頭結(jié)構(gòu)、所鉆巖石特性、泵量不均度、鉆壓以及轉(zhuǎn)速等因素有關(guān)。當(dāng)這種縱向振動(dòng)的周期和鉆柱本身固有的振動(dòng)周期相同或成倍數(shù)時(shí)，就產(chǎn)生共振現(xiàn)象，振幅急劇加大，通常稱(chēng)為“跳鉆” 。嚴(yán)重的跳鉆常常造成鉆桿彎曲，磨損加劇以及迅速疲勞破壞。通?？梢酝ㄟ^(guò)改變轉(zhuǎn)速和鉆壓的方法來(lái)消除這種跳

63、鉆現(xiàn)象。 </p><p>　?。?）扭轉(zhuǎn)振動(dòng)（Torsionl vibration） 當(dāng)井底對(duì)鉆頭旋轉(zhuǎn)的阻力不斷變化時(shí)，會(huì)引起鉆柱的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，因而產(chǎn)生交變剪應(yīng)力。扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和鉆頭結(jié)構(gòu)、所鉆巖石性質(zhì)是否均勻一致、鉆壓及轉(zhuǎn)速等等許多因素有關(guān)。特別是使用刮刀鉆頭鉆軟硬交錯(cuò)地層時(shí)，鉆柱的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)最為嚴(yán)重。 </p><p>　?。?）動(dòng)載（Dynamic loads） 起下鉆作業(yè)中，由于鉆柱運(yùn)

64、動(dòng)速度的變化會(huì)引起縱向動(dòng)載，因而在鉆柱中產(chǎn)生間歇的縱向應(yīng)力變化。這主要和操作狀況有關(guān)。 </p><p>　　綜上所述，轉(zhuǎn)盤(pán)鉆井時(shí)，鉆柱的受力是比較復(fù)雜的。但所有這些載荷就性質(zhì)來(lái)講可分為不變的和交變的兩大類(lèi)。屬于不變應(yīng)力的有拉應(yīng)力、壓應(yīng)力和剪應(yīng)力，而屬于交變應(yīng)力的有彎曲應(yīng)力，扭轉(zhuǎn)振動(dòng)所引起的剪應(yīng)力以及縱向振動(dòng)作用所產(chǎn)生的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力。在整個(gè)鉆柱長(zhǎng)度內(nèi)，載荷作用的特點(diǎn)是在井口處主要是不變載荷的影響，而靠進(jìn)井底處主

65、要是交變負(fù)荷的影響。這種交變載荷的作用正是鉆柱疲勞破壞的主要原因。 </p><p>　　從上述分析也不難看出，鉆柱受力嚴(yán)重部位是： </p><p>　　（1）鉆進(jìn)時(shí)鉆柱的下部受力最為嚴(yán)重。因?yàn)殂@柱同時(shí)受到軸向壓力、扭矩和彎曲力矩的作用， 更為嚴(yán)重的是自轉(zhuǎn)時(shí)存在著劇烈的交變應(yīng)力循環(huán)， 以及鉆頭突然遇阻遇卡，會(huì)使鉆柱受到的扭矩大大增加。 </p><p>　?。?）

66、鉆進(jìn)時(shí)和起下鉆時(shí)，井口處鉆柱受力復(fù)雜。起下鉆時(shí)井口處鉆柱受到最大拉力，如果起下鉆時(shí)猛提、猛剎，會(huì)使井口處鉆柱受到的軸向拉力大大增加。鉆進(jìn)時(shí)，井口處鉆柱所受拉力和扭力都最大，受力情況也比較嚴(yán)重。 </p><p>　?。?）由于地層巖性變化、鉆頭的沖擊和縱向振動(dòng)等因素的存在，使得鉆壓不均勻，因而使中和點(diǎn)位置上下移動(dòng)。這樣，在中和點(diǎn)附近的鉆柱就受到交變載荷作用。 </p><p>　　總的來(lái)說(shuō)

67、，為了完成正常鉆進(jìn)、起下鉆及其他工藝操作，根據(jù)上述的受力狀況，鉆柱所有部分都必須有足夠強(qiáng)度，以承受各種可能的載荷。同時(shí)，要保證建立所需的鉆壓，鉆柱的循環(huán)阻力要小，密封性要好，并且鉆柱的重量應(yīng)盡可能輕，以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的合理性。</p><p>　　1.3 鉆井過(guò)程中各種應(yīng)力的計(jì)算</p><p>　　為了使鉆柱在不同的工作條件下能安全地工作，在鉆柱受力分析的基礎(chǔ)上，還需計(jì)算鉆柱內(nèi)部的各種應(yīng)力，

68、作為合理設(shè)計(jì)和校核強(qiáng)度的依據(jù)。應(yīng)該指出，現(xiàn)有的應(yīng)力計(jì)算方法還不能全面地反映鉆柱在井下的實(shí)際受力情況，特別是引起疲勞破壞的交變應(yīng)力，至今還沒(méi)有完善的計(jì)算方法。 </p><p>　　1.3.1 鉆柱軸向應(yīng)力的計(jì)算 </p><p>　?。ㄒ唬┿@拉上部拉應(yīng)力（Tensi1e Stress）的計(jì)算 </p><p>　　1、鉆柱在泥漿中空懸時(shí) </p>&

69、lt;p>　　作用在鉆柱上部某一截面上的軸向拉力，應(yīng)該等于該截面以下的鉆柱自重減去所受的泥漿浮力。根據(jù)阿基米德原理，泥漿浮力等于鉆柱同體積的泥漿重量。 </p><p>　　在井口處鉆柱橫截面所受泥漿浮力B等于 </p><p>　　B=LFα× （1—2） </p><p>　　式中 B—

70、—泥漿浮力，牛； </p><p>　　——泥漿重度，牛/； </p><p>　　L——井口以下的鉆柱長(zhǎng)度，米；</p><p>　　Fα——考慮鉆桿接頭和加厚影響的重量修正系數(shù)，等于1.05—1.10。 </p><p>　　而井口斷面以下鉆柱在空氣中的重量Q等于 </p><p>　　Q=LFα× N

71、 （1—3） </p><p>　　式中 ——鉆柱材料的重度，牛/。 </p><p>　　于是，井口橫截面所受拉力負(fù)荷Q。應(yīng)等于鉆柱在空氣中的重量與泥漿浮力之差。 </p><p><b>　　（1—4） </b></p><p>　　式中 ——浮力減輕系數(shù)，&l

72、t;/p><p>　　這就是說(shuō)，鉆柱在液體中的重量等于鉆柱空氣中的重量乘以浮力減輕系數(shù)，這種</p><p>　　計(jì)算浮力的方法稱(chēng)為“浮力系數(shù)法” 。 </p><p>　　于是井口鉆柱截面的拉應(yīng)力應(yīng)為 </p><p>　　pa （1—5）</p><p>　　如果要計(jì)算井口

73、以下某一橫截面（a-a）的拉伸負(fù)荷，就不能使用浮力系數(shù)法（見(jiàn)圖1—3）。因?yàn)榇藱M截面（a-a）以下管柱的重量已變小了，面所受泥漿浮力仍然是整個(gè)L 米長(zhǎng)鉆柱的總泥漿浮力。這是由于在管柱下端作用有 L 米高的泥漿柱壓力 p，在鉆柱下端橫截面上產(chǎn)生一個(gè)向上浮力 p×F。這種計(jì)算浮力的方法稱(chēng)為“壓力面積法” ，其浮力等于液柱靜壓力與面積乘積之和。如果對(duì)鉆柱（a-a）斷面用浮力系數(shù)法進(jìn)行計(jì)算，其所得數(shù)值正好是（a-a）斷面處于井口位置所

74、受的拉力載荷，是不正確的。 </p><p>　　隨著鉆柱下入井內(nèi)，浸在液體中的鉆柱長(zhǎng)度增加，也就是說(shuō)作用在鉆柱下端的泥漿液柱壓力加大，浮力也增加，該斷面的拉伸載荷也隨之減小。所以，在井口以下某一截面所受拉力載荷應(yīng)為,其拉應(yīng)力等于</p><p>　　= （1—6）</p><p>　　式中 ——井

75、口以下某一截面的拉應(yīng)力，帕；</p><p>　　——該截面以下鉆柱在空氣中的重量，牛；</p><p>　　B——整個(gè)鉆柱所受的泥漿總浮力，牛； </p><p>　　F——鉆柱橫截面積，。</p><p>　　對(duì)于非單一尺寸的鉆柱（如鉆鋌加鉆桿），其浮力是液柱靜壓垂直作用在管柱裸露肩部及端面上的作用力的合力。圖1-4中，浮力B=。 <

76、;/p><p>　　圖1—3井下鉆柱某點(diǎn)的拉力計(jì)算圖 圖1—4鉆柱浮力計(jì)算示意圖</p><p><b>　　2、鉆進(jìn)時(shí)</b></p><p>　　由于一部分重量用作鉆壓，且在底端受到泥漿浮力的作用，因此拉應(yīng)力為 </p><p><b>　　（1—7） </b></p>

77、;<p>　　式中 P——鉆壓，牛； </p><p>　　Q——鉆柱在空氣中的重量，牛。 </p><p><b>　　3、起鉆時(shí) </b></p><p>　　起鉆時(shí)作用在鉆柱上部的力，除了鉆柱自重和泥漿浮力之外，還有井壁對(duì)鉆柱的摩擦力和開(kāi)始提升時(shí)加速階段所引起的動(dòng)載，這時(shí)拉應(yīng)力為 </p><p>

78、　　? （1—8） </p><p>　　的大小同井斜角和方位角的大小與變化率、井深、井眼與鉆柱的間隙、泥漿性能、井壁巖石性質(zhì)以及鉆柱剛度等因素有關(guān)，難于準(zhǔn)確計(jì)算，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)具體情況來(lái)定。 </p><p>　　和起下鉆操作狀況及起升加速情況有關(guān)。 </p><p>　　N

79、 （1—9） </p><p>　　式中 v——大鉤起升速度，米/秒； </p><p>　　t——?jiǎng)恿C(jī)加速所延續(xù)的時(shí)間，秒； </p><p>　　g——重力加速度，米/。 </p><p><b>　　4、在斜井中 </b></p><p>　　如果井

80、斜角較大，鉆柱與井壁的摩擦力大為增加。井口處所受拉應(yīng)力的公式為</p><p>　　?pa （1—10） </p><p>　　式中 F——鉆柱橫截面積，； </p><p>　　——考慮起下鉆時(shí)的動(dòng)載和可能的阻力的系數(shù)，=1.20—1.25； </p><p>　　——每米鉆桿和鉆鋌在空氣中的重量，牛/米； <

81、/p><p>　　——斜井中第i段鉆柱的長(zhǎng)度，米； </p><p>　　——鉆鋌長(zhǎng)度，米； </p><p>　　和，和分別為斜井內(nèi)第i段和第n 段的井斜角和摩擦系數(shù)。 </p><p>　　和的大小取決于巖石類(lèi)型，可從 0.15 變化到 0.30。在以上公式中，起鉆時(shí)取正號(hào)，而下鉆時(shí)則取負(fù)號(hào)。在直井中，==1.0。 </p>&

82、lt;p>　　5、在井下動(dòng)力鉆井時(shí) </p><p>　　鉆柱所受拉力負(fù)荷主要由鉆柱自重、井底動(dòng)力機(jī)重量加上循環(huán)液體時(shí)的水力載荷所形成，其計(jì)算公式為（1） </p><p>　　pa （1—11）</p><p>　　式中 ——井底動(dòng)力機(jī)重量，牛； </p><p>　　——循環(huán)液體時(shí)的水力載荷，牛； </p

83、><p>　　△——相應(yīng)為渦輪和鉆頭內(nèi)的壓力降，帕； </p><p>　　——鉆柱的流道截面積，。 </p><p>　　1.3.2 鉆柱下部壓力（Compressive stress）的計(jì)算 </p><p>　　軸向壓應(yīng)力是由泥漿浮力和鉆壓引起的，可按以下兩種情況考慮。 </p><p>　?。?）在鉆柱空懸或鉆壓

84、小鉆柱仍能保持直線狀態(tài)的情況下，泥漿浮力是集中作用在鉆柱最下端上，此時(shí)鉆柱最下端所受的壓應(yīng)力為 </p><p>　　pa (1—12)</p><p>　　式中 P——鉆壓，牛； </p><p>　　B——泥漿總浮力，牛； </p><p>　?。?）當(dāng)鉆壓已超過(guò)彎曲臨界值鉆柱發(fā)生彎曲

85、時(shí)，泥漿浮力的分布情況將改變。對(duì)于仍保持直線形狀的上部鉆柱來(lái)說(shuō)，泥漿浮力將由下向上集中作用在該部分鉆柱的最下端（也就是開(kāi)始彎曲的地方），其大小取決于這個(gè)最下端的井深。而對(duì)于發(fā)生彎曲而偏離井眼軸線的下部鉆柱來(lái)說(shuō)，浮力分布的實(shí)際情況是比較復(fù)雜的，它取決于彎曲曲線的形狀。為了簡(jiǎn)化，可以近似地認(rèn)為泥漿浮力是沿著該部分鉆柱長(zhǎng)度均勻分布的，其作用將是使下部鉆柱單位長(zhǎng)度的重量減少。這樣，鉆柱最下端的壓應(yīng)力僅與鉆壓有關(guān)。 </p><

86、;p>　　pa （1—13）</p><p>　　1.3.3 鉆柱剪應(yīng)力（Shear stress）的計(jì)算 </p><p>　　在鉆進(jìn)過(guò)程中， 整個(gè)鉆柱都受有扭矩作用， 因此在鉆柱各個(gè)橫截面上都產(chǎn)生剪應(yīng)力。正常鉆進(jìn)時(shí)，鉆柱所受的扭矩取決于轉(zhuǎn)盤(pán)傳給鉆柱的功率。</p><p>　　千瓦

87、 （1—14）</p><p>　　式中 N——轉(zhuǎn)盤(pán)傳給鉆柱的功率，千瓦； </p><p>　　——鉆柱空轉(zhuǎn)所需功率，千瓦； </p><p>　　——旋轉(zhuǎn)鉆頭破碎巖石所需功率，千瓦。 </p><p><b>　　鉆柱所受扭矩為 </b></p><p>　　N

88、3;m （1—15） </p><p><b>　　剪應(yīng)力為</b></p><p>　　MPa （1—16） </p><p>　　式中 n——鉆柱轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)/分； </p><p>　　——所考慮鉆柱橫截面的抗扭截面系數(shù)，。 &

89、lt;/p><p><b>　　（1—17） </b></p><p>　　式中 ——分別為鉆柱的外徑和內(nèi)徑，厘米。 </p><p>　　正常鉆進(jìn)時(shí)，功率N的大小與鉆頭類(lèi)型及直徑、巖石性質(zhì)、鉆柱尺寸、鉆壓、轉(zhuǎn)速、泥漿性能以及井眼質(zhì)量等因素有關(guān)，可以使用以下根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果修正的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行確定。 </p><p>

90、　　鉆柱空轉(zhuǎn)所需功率推薦使用以下公式(轉(zhuǎn)速n＜230轉(zhuǎn)/分)。 </p><p>　　KW （1—18）</p><p>　　式中 ——泥漿重度，； </p><p>　　——鉆柱外徑，厘米； </p><p>　　L——鉆柱長(zhǎng)度，米； </p><p>　　n

91、——轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)/分； </p><p>　　C——與井斜角有關(guān)的系數(shù)。 </p><p><b>　　直井時(shí) </b></p><p><b>　　井斜角25°時(shí) </b></p><p><b>　　15°時(shí) </b></p><p>

92、;<b>　　6°時(shí) </b></p><p>　　鉆頭破碎巖石所需功率： </p><p>　?。?）牙輪鉆頭鉆進(jìn)時(shí) </p><p>　　KW （1—19）</p><p>　　式中 p——鉆壓，千牛； </p><p>　　D——鉆頭直徑

93、，厘米； </p><p>　　n——轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)/分。 </p><p>　?。?）刮刀鉆頭鉆進(jìn)時(shí)</p><p>　　KW （1—20） </p><p>　　式中 p——鉆壓，牛； </p><p>　　D——鉆頭直徑，厘米； &l

94、t;/p><p>　　φ——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，與巖石性質(zhì)、泥漿性能、洗井液清潔程度、鉆頭磨損程度等因素有關(guān)，一般按0.36—0.6選取。 </p><p>　　在鉆進(jìn)時(shí)，如果鉆頭（或鉆柱）突然被卡，旋轉(zhuǎn)鉆柱的功能可能全部轉(zhuǎn)奕為變形位能，引起鉆柱的瞬時(shí)扭轉(zhuǎn)，產(chǎn)生很大的扭矩和剪應(yīng)力。 </p><p>　　鉆柱旋轉(zhuǎn)時(shí)的功能可用以下通式確定：</p><p>

95、<b>　　（1—21）</b></p><p>　　式中 T——鉆柱旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)能； </p><p>　　ω——鉆柱旋轉(zhuǎn)的角速度； </p><p>　　——鉆柱的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； </p><p>　　——鉆柱材料的重度； </p><p>　　L——鉆柱的長(zhǎng)度； </p>&

96、lt;p>　　g——重力加速度； </p><p>　　——鉆柱截面的極慣性矩。 </p><p>　　銷(xiāo)柱的變形位能可用以下通式確定 </p><p><b>　?。?—22）</b></p><p>　　式中 U——鉆柱的變形位能； </p><p>　　M——鉆柱傳給鉆頭的有效轉(zhuǎn)矩

97、； </p><p><b>　　G——?jiǎng)傂韵禂?shù)。 </b></p><p>　　鉆柱卡住時(shí)，功能在短時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)化為變形勢(shì)能，即 </p><p>　　最大扭矩 N·m （1—23）</p><p>　　式中 ——最大扭矩，牛·米； </p><

98、p>　　ω——角加速度，弧度/秒； </p><p>　　——鉆柱截面的極慣性矩，； </p><p>　　——鉆柱材料的重度，牛/； </p><p>　　G——?jiǎng)傂韵禂?shù)，牛/； </p><p>　　g——重力加速度，米/。 </p><p>　　最大扭矩力 Pa （1—

99、24）</p><p>　　式中 ——最大扭應(yīng)力，帕； </p><p>　　——鉆柱外徑，厘米。 </p><p>　　1.3.4 鉆柱彎曲應(yīng)力（Bending stress）的計(jì)算 </p><p>　　鉆柱的彎曲應(yīng)力在鉆柱上部是由離心力引起的（不考慮井斜和定向井），在鉆柱的下部則由鉆柱受壓彎曲和離心力共同作用引起的，因此一般鉆柱下

100、部的彎曲應(yīng)力較大。 </p><p>　　在計(jì)算彎曲應(yīng)力時(shí)作如下假設(shè)： </p><p>　?。?）鉆柱是圍繞井眼軸線公轉(zhuǎn)； </p><p>　?。?）將鉆柱彎曲的變節(jié)距空間螺旋，看成是變節(jié)距的平面螺旋； </p><p>　?。?）將每一個(gè)彎曲半波看成是一個(gè)兩端為鉸鏈的壓桿穩(wěn)定問(wèn)題。 </p><p>　　則此壓桿

101、所能承受的最大臨界壓力可按歐拉公式得出： </p><p>　　N （1—25）</p><p>　　式中 ——備界壓力，牛； </p><p>　　E——鉆柱材料的彈性模量，鋼材的E=205940 兆帕； </p><p>　　——鉆柱本體斷面的軸慣性矩； </p><

102、;p>　　——鉆柱的外、內(nèi)徑，厘米； </p><p>　　——彎曲的半波長(zhǎng)度，米。 </p><p>　　根據(jù)壓桿穩(wěn)定理論，在臨界壓力下，管柱發(fā)生微撓度 f,由于 比 f 大得多，所以管柱近似于隨遇平衡狀態(tài)，此時(shí)桿內(nèi)產(chǎn)生的彎矩與外力所形成的外力矩應(yīng)相互平衡。 </p><p>　　N·m （1—26）&l

103、t;/p><p>　　式中 ——因管柱彎曲變形所產(chǎn)生的內(nèi)彎矩，牛·米； </p><p>　　——半波最大撓度，厘米；</p><p>　　D——井眼直徑，厘米； </p><p>　　1.2——井限擴(kuò)大系數(shù)； </p><p>　　——鉆柱外徑，厘米。 </p><p>　　將（1

104、-25）式代入（1-26）式可得： </p><p>　　N·m （1—27）</p><p>　　在該半波內(nèi)最大彎曲應(yīng)力為 </p><p>　　N·m （1—28）</p><p>　　式中 ——鉆柱斷面的抗彎截面系數(shù) </p>

105、;<p><b>　?。?—29）</b></p><p>　　若將E=205940兆帕及（3-29）式代入（3-28）式，則得彎曲應(yīng)力 </p><p>　　MPa （1—30）</p><p>　　半波長(zhǎng)可采用薩爾基索夫公式計(jì)算 </p><p>&l

106、t;b>　?。?—31）</b></p><p>　　式中 ——半波長(zhǎng)度，米； </p><p>　　z——中和點(diǎn)到校核斷面的距離，中和點(diǎn)以下 z 取負(fù)值，中和點(diǎn)以上 z 取正值，米； </p><p>　　n——鉆柱轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)/分； </p><p>　　——鉆柱在泥漿中單位長(zhǎng)度的重量，牛/米； </p>

107、<p>　　——鉆柱本體截面的軸慣性矩，。 </p><p>　　1.3.5 鉆柱抗擠（collapse Resistance）計(jì)算</p><p>　　在中途測(cè)試過(guò)程中，由于鉆柱內(nèi)空，而管外有泥漿液柱的壓力，如圖1-5（a）所示；或鉆桿內(nèi)有比重較低的油氣水（所測(cè)試出的流體），而管外仍有泥漿液柱的壓力，如圖1-5(b)所示。這樣勢(shì)必在管內(nèi)外壓差作用下對(duì)鉆柱產(chǎn)生一個(gè)外擠力（這與套

108、管受外擠的情況一樣）。同時(shí)，在測(cè)試完畢時(shí)還需上提鉆柱，以松動(dòng)下部的封隔器。因此，下部鉆柱就同時(shí)受到外擠和拉伸的聯(lián)合作用。為了保證鉆柱的工作安全，就需要對(duì)鉆柱抗擠強(qiáng)度進(jìn)行校核。 </p><p>　　圖1—5鉆柱受外擠壓力情況</p><p>　　1—泥漿；2—地層液體；3—最大擠壓力處</p><p>　?。ㄒ唬┩鈹D壓力的確定 </p><p&g

109、t;　　從圖1-5可看出，在鉆柱最下端所受外擠壓力最大。在鉆柱內(nèi)空情況下，其外擠壓力可由下式確定。 </p><p>　　pa （1—32）</p><p>　　式中 ——計(jì)算點(diǎn)的外擠壓力，帕；</p><p>　　H——計(jì)算點(diǎn)深度，米； </p><p>　　——管外泥漿的重度，牛/。 &l

110、t;/p><p>　　如果鉆柱內(nèi)有地層流體，且其液面距井口的距離為L(zhǎng)（管外泥漿液面到井口處），外擠壓力應(yīng)為 </p><p>　　pa （1—33）</p><p>　　式中 L——管內(nèi)液體距井口的距離，米； </p><p>　　——管外泥漿的重度，牛/。 </p><p>　　很

111、明顯，受力最嚴(yán)重的情況是管外泥漿液面在井口外，而管內(nèi)無(wú)液體，即鉆柱內(nèi)為空的情況。 </p><p>　　例：設(shè)鉆桿內(nèi)空，管外泥漿重度為，試求鉆桿在2500米井深所受的外擠壓力。 </p><p><b>　　MPa</b></p><p>　?。ǘ┿@柱抗擠強(qiáng)度的確定 </p><p>　　與套管抗擠強(qiáng)度一樣， 鉆桿抗擠

112、強(qiáng)度可從表1-1中直接查出。當(dāng)上提鉆柱松動(dòng)封隔器時(shí)，在拉力作用下，鉆桿的抗擠強(qiáng)度與套管柱一樣，也應(yīng)進(jìn)行修正。這可用雙軸應(yīng)力圖求解(見(jiàn)圖 1-6)。圖上橫坐標(biāo)是軸向拉應(yīng)力 與管材平均屈服強(qiáng)度 的百分比，而縱坐標(biāo)是修正后的鉆桿抗擠強(qiáng)度</p><p>　　與無(wú)軸向拉力作用下的抗擠強(qiáng)度的百分比。 </p><p>　　例：設(shè)測(cè)試時(shí)鉆桿內(nèi)空2500米，管外泥漿重度17×牛/，卸封時(shí)上提拉

113、力超過(guò)鉆柱重量222.69千牛，求127毫米、284.78牛/米、E級(jí)鉆桿的實(shí)際抗擠強(qiáng)度。 從鉆井測(cè)試手冊(cè)中可查出 127 毫米、284.78 牛/米鉆桿的管體截面積為 34.03 ，則鉆柱最下端所受的軸向拉應(yīng)力為</p><p><b>　　MPa</b></p><p>　　E級(jí)鉆桿的平均屈服強(qiáng)度為586.25兆帕，則軸向拉應(yīng)力相對(duì)</p><