钻井工程 复习旧课：1、钻头的类型 2、金刚石钻头与 PDC钻头的 组成及区别； 3、 钻头的工作原理。 导入新课：钻头是破碎岩石的主要工具，需 要一定的钻压和转速，钻压和转速是由谁 产生和传递的呢？ 第二章 钻柱 一、钻柱的作用与组成 二、钻柱的工作 状态与受力分析 三、钻柱设计 四、本章需要10学时 一、钻柱的作用 概念：钻柱是钻头以上，水龙头以下各部分的管柱 的总称。它包括方钻杆、钻杆、钻挺、 各种接头、及 稳定器等井下工具。 （一）、钻柱在钻井过程中的主要作用 1、为钻井液由井口流向钻头提供通道； 2、给钻头施加适当的压力(钻压)，使钻头的工作刃 不断吃入岩石； 3、把地面动力(扭矩等)传递给钻头，使钻头不断旋 转破碎岩石； 4、起下钻头； 5、根据钻柱的长度计算井深。 第二章 钻 柱 2-1 钻柱的作用与组成 （二）钻柱的特殊作用 v 1、通过钻柱可以观察和了解钻头的工 作情况、井眼状况及地层情况等； v 2、进行取心、挤水泥、打捞井下落物 、处理井下事故等特殊作业； v 3、对地层流体及压力状况进行测试与 评价，即钻杆测试，又称中途测试 二、钻柱组成 v方钻杆 v钻杆 v钻铤 v稳定器 v配合接头和保护接头 v其它井下工具： 减震器、震击器、 扩眼器、键槽破坏器 第二章 钻 柱 2-1 钻柱的作用与组成 （一）钻杆 1、作用：传递扭矩和输送钻井液，延长钻柱。 2、结构：管体+接头 第二章 钻 柱 2-1 钻柱的作用与组成 有效长度 3、规范： （1）壁厚：9 11mm （2）外径：73.0，88.9（3），101.6， 114、（4），127.0（5英寸），139.7 （3）长度： 1822ft ，2730ft， 3845ft 第二章 钻 柱 2-1 钻柱的作用与组成 4、接头及丝扣 （1）丝扣连接： 2）钻杆接头点 （3）钻杆接头类型： 尺寸相等，丝扣类型 相同，公母扣相匹配。 壁厚较大，外径较大， 强度较高。 内平、贯眼、正规。 内平式：主要用于外加厚钻 杆。其特点是钻杆通体内径相同， 钻井液流动阻力小；但外径较大， 容易磨损。 v贯眼式：主要用于内加厚钻 杆。其特点是钻杆有两个内径， 钻井液流动阻力大于内平式，但 其外径小于内平式。 v正规式：主要用于内加厚钻 杆及钻头、打捞工具。其特点是 接头内径加厚处内径管体内径， 钻井液流动阻力大，但外径最小， 强度较大。 三种类型接头均采用V型螺纹， 但扣型、扣距、锥度及尺寸等都 有很大的差别。 第二章 钻 柱 2-1 钻柱的作用与组成 v5、钻杆的通称尺寸：指钻杆本体外径 v6加重钻杆 v 加重钻杆是用厚壁钢管制造的新型钻柱构件，管体 两端和中部有超长的外加厚接头或外加厚段，兼有钻 铤和钻杆的功能。它具有以下几个特点： v (1)超长的整体接头可以提供较大的耐磨表面和重 量，接头螺纹可以多次修复； v (2)比同尺寸的钻杆重，管体和接头外径与普通钻 杆一致，内孔是内平的，内孔直径至少等于钻铤的内 径。 v (3)中部外加厚段起小型稳定器作用。受压时管体 可以挠曲，只有两端和中部加厚段接触井壁，管体本 身不受磨损。 v 第二章 钻 柱 2-1 钻 柱的作用与组成 v (4)耐磨表面是用硬质合金加固的接头，寿命可以 延长4倍。 v 钻柱疲劳失效常发生在钻铤以上数根钻杆上，因 为从钻铤过渡到钻杆时断面急剧变化，弯曲应力集中 在这部分钻杆上。如果在钻铤和钻杆之间加入加重钻 杆，则可以缓和断面的变化，减少应力集中，从而减 少钻具事故。另外，与钻铤相比，加重钻杆还有打捞 容易、可缩短起下钻时间、搬运方便等优点，并能保 持定向井的方位，起到稳斜作用。在大钩负荷和钻压 相同的情况下，使用加重钻杆，还可提高钻机的钻深 能力。国外加重钻杆已广泛用于直井和斜井，据统计 已超过数百万根，但我国很少使用。现就国外使用情 况分述如下： v 第二章 钻 柱 2-1 钻柱的作用与组成 v (1)用于直井：在钻铤和普通钻杆之间连接1530 根加重钻杆，就可防止与钻铤连接的钻杆发生疲劳破 坏； v (2)用于定向井：定向井钻柱中接上加重钻杆后， 可使钻铤和加重钻杆不紧贴在井壁上，从而减少发生 泥饼卡钻的可能性，减少卸扣扭矩，在起钻时上提拉 力也不会超过井内重量太多。此外，还能更好地控制 井斜角和方位角，减少定向工作的次数，从而缩短定 向井的建井周期。 v 在定向井中，为了保证足够的钻压，所需的加重 钻杆长度比直井在同样钻压下所需长度大，一般在 30井眼中需加长度15，在45井眼中需增加长度 40，在60井眼中需增加长度100%。 第二章 钻 柱 2-1 钻柱的作用与组成 （二）钻铤 v1、结构特点：管体两端直接车制丝扣，无专门接头；壁厚大(38-53毫米 ），重量大，是钻杆质量的46倍刚度大。 v2、主要作用：(1)给钻头施加钻压; (2)减轻钻头的振动、摆动和跳动等，使钻头工作平稳； (3)控制井斜。 v 3、类 型：光钻铤、螺旋钻铤、扁钻铤。 v常用尺寸：6-1/4，6-1/2 ，7，8，9 英寸 第二章 钻 柱 2-1 钻柱的作用与组成 有效长度 （三）方钻杆 1、类 型：四方形、六方形 2、特 点：壁厚较大，强度较高 3、主要作用：传递扭矩和承受钻柱的全部重量。 4、常用尺寸：89mm(3-1/2英寸)，108mm (4-1/2英寸)， 133.4mm (5-1/2英寸)。 v v 5、方钻杆统称尺寸：方钻杆统称尺寸指方部截面边宽 v 6、方钻杆技术规范 v 方钻杆位于钻柱的最上端，有四方形和六方形两 种。钻进时，方钻杆与方补心、转盘补心配合，将地 面转盘扭矩传递给钻杆，以带动钻头旋转。 v 标准方钻杆全长1219 m，驱动部分长1125 m。为了适应 钻柱配合的需要，方钻杆也有多种尺寸和接头类型。方钻杆的 壁厚一般比钻杆大三倍左右，并用高强度合金钢制造，故具有 较大的抗拉强度及抗扭强度可以承受整个钻柱的重量和旋转钻 柱及钻头所需要的矩。 第二章 钻 柱 2-1 钻柱的作用与组成 上方保接头 下方保接头 v 方钻杆旋转时，上端始终处于转盘面以上 ，下部则处在转盘面以下。方钻杆上端至水龙 头的连接部位的丝扣均为左旋丝扣(反扣)，以 防止方钻杆转动时卸扣。方钻杆下端至钻头的 所有连接丝扣均为右旋转扣(正扣)，在方钻杆 带动钻柱旋转时，丝扣越上越紧。为减轻方钻 杆下部接头丝扣(经常拆卸部位)的磨损，常在 该部位装保护接头。加上两端方保接头，全长 1415米。 第二章 钻 柱 2-1 钻柱的作用与组成 5、方钻杆技术规范 （四）稳定器 1、作用：防止井斜； 控制井眼轨迹 2、类型：刚性稳定器、不转动橡胶套稳定器、 滚轮稳定器 其中：刚性稳定器：螺旋棱（长棱、短棱）； 直棱（长棱、短棱） 第二章 钻 柱 2-1 钻柱的作用与组成 第二章 钻 柱 2-1 钻柱的作用与组成 v（五）配合接头 v1、作用：把两端不符合连接条件的钻柱 连接在一起。 v2、接头的类型 有效长度 有效长度 有效长度有效长度 （1） （4） （3）（2） 注：（1）公母扣接头； （2）双公扣接头 ; （3）双母扣接头 （4）特殊接头 v小结： v1、钻柱的作用： 第二章 钻 柱 2-1 钻柱的作用与组成 钻柱在钻井过程中的主要作用 钻柱的特殊作用 2、钻柱组成： 钻杆、钻铤、方钻杆、稳定器、 配合接头 作业：1、钻柱的概念？ 2、钻柱的作用有哪些？ 3、钻柱的组成？ 一、钻柱的工作状态 1. 起下钻工况下： （1）直井：直的拉伸、滑动 （2）斜井：随井眼倾斜和弯曲，滑动。 2. 正常钻进工况下 上部受拉伸，下部受压弯曲；在扭矩作用下旋转运动 。 下部钻柱弯曲的原因： 钻压的作用使下部钻柱受压缩，当压力达到钻柱的临 界 压力，钻柱将失去直线稳定状态而发生弯曲并与井触 。 压力较大时可能发生多次弯曲。 第二章 钻 柱 2-2 钻柱的工作状态及受力分析 3. 钻柱的旋转运动形式： (1)自转。钻柱像一根柔性轴，围绕自身轴线旋转。钻柱自 转时，在整个圆周上与井壁接触，产生均匀磨损。弯曲钻柱 在自转时，受到交变弯曲应力的作用，容易发生疲劳破坏。 在软地层弯曲井段，钻柱自转容易形成键槽，起钻时可能造 成卡钻事故。 v (2)公转。 v钻柱像一个刚体，围绕着井眼轴线旋转并沿着井壁滑动。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。 第二章 钻 柱 2-1 钻柱工作状态及受力分析 第二章 钻 柱 2-1 钻柱工作状态及受力分析 （3）公转与自转的结合 钻柱围绕井眼轴线旋转，同时围绕自身轴线转动，即 不是沿着井壁滑动而是滚动。在这种情况下，钻柱磨损均匀 ，但受交变应力的作用，循环次数比自转时低得多。 比较简单。 （4） 纵向振动钻头振动引起，产生交变应力。 (5）扭转振动由井底对钻头旋转阻力的变化引起，产生 交变扭剪应力。 （6）横向摆振达到某一临界转速，可能产生无规则摆动 ，产生交变弯曲应力。 一般认为弯曲钻柱旋转的主要形式是自转，但也可能产 生公转或两种运动形式的结合，既有自转，也有公转。 二、钻柱的受力分析 1. 概述 （1）自重产生的拉力 （2）钻压产生的压力 （3）钻井液的浮力 （4）摩擦阻力 （5） 循环压降产生的附加拉力 （7）起下钻时产生的动载荷 （8）扭距 （9）弯曲应力 （10）离心力 （11）外挤力 （12）振动产生的交变应力 钻柱受力最严重的部位： 1）井口断面拉力最大，扭距最大； 2）下部受压弯曲部分交变轴向应力、弯曲应力、扭剪应力 3）中性点拉压交变载荷。 轴向力 第二章 钻 柱 2-2 钻柱工作状态及受力分析 （二） .钻柱的受力分析 1、轴向拉力和压力 （1）自重产生的轴向拉力（井内掏空时）： （2）浮重产生的轴向力： 式中： 称为“浮力减轻系数” （3）正常钻进时的轴向力： W F 第二章 钻 柱 2-2 钻柱工作状态及受力分析 （4）其它轴向力的计算 v循环压降引起的附加轴向拉力： v滑动摩擦阻力： v动载荷： （5）起下钻时钻柱轴向力： 第二章 钻 柱 2-2 钻柱工作状态及受力分析 （5）中性点 钻柱上轴向力等于零的点(点) (亦称中和点，Neutral Point )。 垂直井眼中钻柱的中性点高度： 式中： 中性点距井底的高度，m。 重要意义： 1）设计钻柱时要确保中性点始终落在钻铤 上。为什么？ 2）指导松扣、造扣等特殊作业。 3）中性点附近钻柱受交变应力作用，易疲 劳破坏。 钻柱轴向力分布与中性点 第二章 钻 柱 2-2 钻柱工作状态及受力分析 第二章 钻 柱 2-2 钻柱工作状态及受力分析 2扭矩 3弯曲力矩 4离心力 v（1）转盘钻井时，转盘扭矩 是由钻柱传递给钻头。井口最 大。 （2）在井下动力钻井中，钻 柱承受的扭矩为动力钻具的反 扭矩，在井底处最大，往上逐 渐减小。 在转盘钻井中，钻柱弯 曲。产生弯曲力矩的作用 v当钻柱绕井眼轴线公转时， 将产生离心力。离心力将引起 钻柱弯曲或加剧钻柱的弯曲变 形。 v5外挤压力 v 钻杆测试(DST)时，钻 杆将承受很大的外挤压力 。进行钻杆测试时，一般 都在钻柱底部装一封隔器 ，用以封隔下部地层和管 外环空。钻杆下入井内控 制阀是关闭的，因此钻井 液不能进入钻杆内，封隔 器压紧后打开控制阀，地 层流体才流入钻柱内。 v 第二章 钻 柱 2-2 钻柱工作状态及受力分析 v7扭转振动 v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，降低 钻柱的寿命。扭转振动 和钻头结构、岩石性质 均匀程度、钻压及转速 等因素有关。特别是使 用刮刀钻头钻软硬交错 地层时，钻柱可能产生 剧烈的扭振，