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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 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 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 井口拉力 浮力系数 ρs－－钢的密度，7.85 g/cm3 拉应力 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 3、中和点位置的确定 中和点截面上的轴向力 （二）钻柱下部压应力的计算 垂直状态 下部钻柱弯曲 二、钻柱剪应力计算 1、扭矩 Nb,Ns 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 MPa 抗扭截面系数 dc，di钻柱的内径和外径，cm。 2、钻柱最大扭矩 动能 变形位能 最大扭矩 极惯性矩 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 钻柱内有部分液体 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）（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Py KN F 钻柱的横截面积，cm2； σs材料的最小屈服强度，MPa； 2、钻柱最大工作负荷 Pw 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。 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 3 拉力余量法 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 斜井 2、钻杆柱长度的确定 1 单一钻杆 2 复合钻柱 单一钻杆的下入深度有限，为了加深钻柱，采用复合钻柱。 钻铤上第一段钻杆 第二段 第二段 第四节 钻柱的疲劳破坏 资料调查→→钻柱的破坏为非强度破坏 一、纯疲劳破坏（交变应力引起，事先没任何明显的原因） 交变应力→→晶格滑移或晶体产生微观屈服造成微裂纹 1、钻杆在弯曲井眼中产生周期性的弯曲应力； 100转/分，24小时旋转次数144000转。 2、靠近钻铤（刚度较大）的钻杆容易弯曲。 二、伤痕疲劳破坏机械伤痕引起） 缺陷→应力集中＋交变应力→缺陷扩大→破坏 伤痕的产生钻杆钢印，电弧烧伤，大钳、卡瓦伤痕等 三、腐蚀疲劳破坏 腐蚀→腐蚀斑痕→应力集中＋交变应力→强度↓ 腐蚀类型 化学腐蚀（金属与介质产生化学作用）； 电化学腐蚀（金属与电解质溶液产生）； 氢脆破坏硫化氢； 四、疲劳破坏的预防措施 （1）钻柱受力较大的部位（上、下）采用厚壁高强度钻杆； （2）使钻杆常处受拉状态； （3）装减震器； （4）检查井口工具（防止造成机械伤痕）； （5）倒换钻具； （6）控制腐蚀、涂防腐层； （7）探伤、修复 五、钻铤疲劳破坏 原因接头的应力集中。 第五章作业 1、已知钻进时需钻压196KN，８“钻铤每米重2.2KN，泥浆密度1.2g/cm3，按钻压占钻铤在泥浆中总重量2／3设计，需使用８“钻铤多少米 2、一口井钻至4000m时，井内钻柱在空气中的总重量为1200KN，井内泥浆密度为1.32g/cm3，钻进时的钻压为100KN，求钻进时的悬重。 3、已知井深5000m，井径215.9 mm ,泥浆密度1.2 g/cm3 ,钻压180 KN ,拉力余量为200KN,推荐钻铤用外径158.75mm,内径57.15mm,段重1.35KN/m,根据拉力余量确定的静拉载荷，根据表3-1设计安全的钻柱。 4、钻柱的作用是什么分析钻柱破坏形式。 38