1、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(jì)一、鉆柱的組成與作用一、鉆柱的組成與作用（一）鉆柱的組成 鉆柱(Drilling String)是鉆頭以上，水龍頭以下部分的鋼管柱的總稱. 包括：方鉆桿(Square Kelly)、鉆桿(Drill Pipe)、鉆鋌(Drill Collar)、 各種接頭(Joint)及穩(wěn)定器(Stabilizer)等井下工具。（一）鉆柱的作用（一）鉆柱的作用提供鉆井液流動(dòng)通道； 給鉆頭提供鉆壓； 傳遞扭距； 起下鉆頭； 計(jì)量井深； 觀察和了解井下情況（鉆頭工況、井眼狀況、地層情況）進(jìn)行其它特殊作業(yè)（取芯、擠水泥、打撈等）鉆桿測(cè)試(Drill-St

2、em Testing)，又稱中途測(cè)試。 1. 1. 鉆鉆 桿桿 （1）作用：傳遞扭矩和輸送鉆井液，延長(zhǎng)鉆柱。 （2）結(jié)構(gòu)：管體+接頭 常用的加厚形式有內(nèi)加厚(a)、外加厚(b)、 內(nèi)外加厚(c)三種. (a) (b) (c)（3 3）規(guī)范）規(guī)范： 壁厚：9 11mm 外徑： 長(zhǎng)度： 根據(jù)美國(guó)石油學(xué)會(huì)(American Petroleum Institute,簡(jiǎn)稱API)的規(guī)定，鉆桿按長(zhǎng)度分為三類： 第一類 5.486 6.706米(1822英尺)； 第二類 8.230 9.144米(2730英尺); 第三類 11.58213.716米(3845英尺)。 常用鉆桿規(guī)范（內(nèi)徑、外徑、壁厚、線密度等

3、）見(jiàn)表2-12 21,21 ,21,87 ,835139.70 ,500.127 430.1144101.60390.88 273.00 230.60 （4 4）鋼級(jí)與強(qiáng)度）鋼級(jí)與強(qiáng)度（5）接頭及絲扣 絲扣連接條件：尺寸相等，絲扣類型相同，公母扣相匹配。 鉆桿接頭特點(diǎn)：壁厚較大，外徑較大，強(qiáng)度較高。 鉆桿接頭類型：內(nèi)平（IF）、貫眼（FH）、正規(guī)（REG）； NC系列 鉆 桿 鋼 級(jí)物 理 性 能DE95（X）105（G）135（S）MPa379.21517.11655.00723.95930.70最小屈服強(qiáng)度lb/in2550007500095000105000135000MPa586.05

4、723.95861.85930.791137.64最大屈服強(qiáng)度lb/in285000105000125000135000165000MPa655.00689.48723.95792.90999.74最小抗拉強(qiáng)度lb/in295000100000105000115000145000接頭的三種方式接頭的三種方式n內(nèi)平式(IF)：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(dòng)阻力小；但外徑較大，容易磨損。 n貫眼式(FH)：主要用于內(nèi)加厚鉆桿。其特點(diǎn)是鉆桿有兩個(gè)內(nèi)徑，鉆井液流動(dòng)阻力大于內(nèi)平式，但其外徑小于內(nèi)平式。 n正規(guī)式(REG)：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

5、處內(nèi)徑管體內(nèi)徑，鉆井液流動(dòng)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。NCNC型系列接頭型系列接頭NC23，NC26，NC31，NC35，NC38，NC40，NC44，NC46，NC50，NC56，NC61，NC70，NC77 NCNational Coarse Thread，（美國(guó)）國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)粗牙螺紋。 xx表示基面絲扣節(jié)圓直徑，用英寸表示的前兩位數(shù)字乘以10。 如：NC26表示的節(jié)圓直徑為2.668英寸。 NC螺紋也為V型螺紋, 表2-17所列的幾種NC型接頭與舊API標(biāo)準(zhǔn)接頭有相同的節(jié)圓直徑、錐度、螺距和螺紋長(zhǎng)度，可以互換使用。表2

6、-17 可以互換使用的接頭2. 鉆鋌鉆鋌 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：管體兩端直接車制絲扣，無(wú)專門接頭；壁厚大(38-53毫米）， 重量大，剛度大。 主要作用：(1)給鉆頭施加鉆壓; (2)保證壓縮應(yīng)力條件下的必要強(qiáng)度; (3)減輕鉆頭的振動(dòng)、擺動(dòng)和跳動(dòng)等，使鉆頭工作平穩(wěn)； (4)控制井斜。 類 型：光鉆鋌、螺旋鉆鋌、扁鉆鋌。 常用尺寸：6-1/4，7 ，8 ，9 3. 方鉆桿 類 型：四方形、六方形 特 點(diǎn)：壁厚較大，強(qiáng)度較高 主要作用：傳遞扭矩和承受鉆柱的全部重量。 常用尺寸：89mm(3.5英寸)，108mm (4.5英寸)，133.4mm (5.5英寸)。 12.19m（長(zhǎng)度）4.4.穩(wěn)定器穩(wěn)定器類型：

7、剛性穩(wěn)定器、不轉(zhuǎn)動(dòng)橡膠套穩(wěn)定器、滾輪穩(wěn)定器。 作用：1）防斜； 2）控制井眼軌跡。 （一）鉆柱的工作狀態(tài)（一）鉆柱的工作狀態(tài)1. 起下鉆工況下： 直井：直的拉伸、滑動(dòng) 斜井：隨井眼傾斜和彎曲，滑動(dòng)。 2. 正常鉆進(jìn)工況下 上部受拉伸，下部受壓彎曲；在扭矩作用下旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 n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)生彎曲并與井壁接觸。壓力較大時(shí)可能發(fā)生多次彎曲。3. 3. 鉆柱的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)形式鉆柱的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)形式 （1）自轉(zhuǎn)鉆柱象一根柔性軸，圍繞自身軸線旋轉(zhuǎn)。 均勻磨損，易發(fā)生疲勞破壞。 （2）公轉(zhuǎn)鉆柱象一個(gè)剛體，圍繞著井眼軸線旋轉(zhuǎn)并沿著

8、井壁 滑動(dòng)。 產(chǎn)生偏磨。 （3）公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)的結(jié)合 彎曲鉆柱圍繞井眼軸線旋轉(zhuǎn)，同時(shí)圍繞自身軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。3. 3. 鉆柱的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)形式鉆柱的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)形式（4） 縱向振動(dòng)鉆頭振動(dòng)引起，產(chǎn)生交變應(yīng)力。 （5）扭轉(zhuǎn)振動(dòng)由井底對(duì)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(wú)規(guī)則擺動(dòng)，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(dòng)形式的結(jié)合。由于在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中受到阻力的作用，鉆具的轉(zhuǎn)動(dòng)是不平穩(wěn)的。（二）鉆柱的受力分析（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）

9、循環(huán)壓降產(chǎn)生的附加拉力 （7）起下鉆時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)載荷 （8）扭距 （9）彎曲應(yīng)力 （10）離心力 （11）外擠力 （12）振動(dòng)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，對(duì)于轉(zhuǎn)盤鉆井井口扭距最大，對(duì)于井下 動(dòng)力鉆具鉆井，鉆頭處扭矩最大； 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2.2.軸向力和中性點(diǎn)軸向力和中性點(diǎn) （1）自重產(chǎn)生的軸向拉力（井內(nèi)掏空時(shí)）： （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(shí)的軸向力： WFccppLqLqF00FKLqLqKFBccppBmsdBK 1WLqLqKFccppwB（4

10、4）其它軸向力的計(jì)算）其它軸向力的計(jì)算循環(huán)壓降引起的附加軸向拉力： 滑動(dòng)摩擦阻力： 動(dòng)載荷： （5）起下鉆時(shí)鉆柱軸向力：410ibihAppFmfFF3 .02 .00FgtvFddfccppBtFFLqLqKF)(spbpbotpbsipppbotbbpppipbp（5 5）中性點(diǎn)）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：LN 中性點(diǎn)距井底的高度，m。 重要意義： 1）設(shè)計(jì)鉆柱時(shí)要確保中性點(diǎn)始終落在鉆 鋌上？ 2）指導(dǎo)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。BcNKqWL 鉆柱軸向

11、力分布與中性點(diǎn)w w 0 ( (+ +) ) ( (- -) ) 拉拉力力 壓壓力力 FW w w N N L LN 三、鉆柱設(shè)計(jì)三、鉆柱設(shè)計(jì)n 設(shè)計(jì)內(nèi)容： （1）尺寸選擇 （2）鉆鋌柱長(zhǎng)度計(jì)算 （3）鉆桿柱強(qiáng)度設(shè)計(jì)及校核。 n下部鉆具組合設(shè)計(jì)的原則: （1）滿足強(qiáng)度（抗拉、抗擠強(qiáng)度等）要求，保證鉆柱安全工作； （2）盡量減輕整個(gè)鉆柱的重力，以便在現(xiàn)有的抗負(fù)荷能力下鉆 更深的井。 （3） 有效地鉆出設(shè)計(jì)的井眼軌道； （4） 鉆頭、馬達(dá)和測(cè)量系統(tǒng)工作穩(wěn)定性高，能加較大鉆壓，有 利于提高鉆速； （5） 具有較高的強(qiáng)度和壽命； （6） 便于安裝和起下。鉆柱組合設(shè)計(jì)鉆柱組合設(shè)計(jì)鉆鋌的確定內(nèi)、外徑，內(nèi)小

12、、外大，受井徑限制、鉆井 液流動(dòng)限制，長(zhǎng)度滿足鉆壓要求。強(qiáng)度足夠，鉆進(jìn)不斷，盡量保證鉆井液正常循環(huán)減少能量損耗。井斜小：提供鉆壓的鉆鋌安放在鉆具下部，鉆具上部采用鐘擺、塔式、滿眼結(jié)構(gòu)。鉆井斜大或水平井：鉆鋌放在井斜較小的井段，大斜度井段或水平井段則在承壓鉆桿與下部鉆具連接。鉆桿的確定鉆鋌的安放位置鉆鋌的確定內(nèi)、外徑，內(nèi)小、外大，受井徑限制、鉆井 液流動(dòng)限制，長(zhǎng)度滿足鉆壓要求。強(qiáng)度足夠，鉆進(jìn)不斷，盡量保證鉆井液正常循環(huán)減少能量損耗。井斜小：提供鉆壓的鉆鋌安放在鉆具下部，鉆具上部采用鐘擺、塔式、滿眼結(jié)構(gòu)。鉆井斜大或水平井：鉆鋌放在井斜較小的井段，大斜度井段或水平井段則用承壓鉆桿與下部鉆具連接。鉆桿

13、的確定鉆鋌的安放位置（一）鉆柱尺寸選擇（一）鉆柱尺寸選擇1. 依據(jù)： （1）鉆機(jī)的提升能力； （2）井眼尺寸； （3）地質(zhì)條件； （4）工藝要求； （5）供貨情況。 2. 經(jīng)驗(yàn)配合關(guān)系選擇的基本原則選擇的基本原則（1）方鉆桿由于受到扭矩和拉力最大，在供應(yīng)可能的情況下，應(yīng) 盡量選用大尺寸方鉆桿。 （2）在鉆機(jī)提升能力允許的情況下，選擇大尺寸鉆桿是有利的。？ （3）鉆鋌尺寸一般選用與鉆桿接頭外徑相等或相近的尺寸，有時(shí) 根據(jù)防斜措施來(lái)選擇鉆鋌的直徑。 使用大直徑鉆鋌具有下列優(yōu)點(diǎn)： （1）可用較少的鉆鋌滿足所需鉆壓的要求，可減少鉆鋌，從 而減少起下鉆時(shí)連接鉆鋌的時(shí)間； （2）提高了鉆頭附近鉆柱的剛度，

14、有利于改善鉆頭工況； （3）鉆鋌和井壁的間隙較小，可減少連接部分的疲勞破壞； （4）有利于防斜。 （一）鉆柱尺寸選擇（二）鉆鋌長(zhǎng)度的確定（二）鉆鋌長(zhǎng)度的確定 浮重原則：保證在最大鉆壓時(shí)鉆桿不承受壓縮載荷， 即保持中性點(diǎn)始終處在鉆鋌上。 計(jì)算公式： 式中： 鉆鋌長(zhǎng)度，m； 設(shè)計(jì)的最大鉆壓，kN； 安全系數(shù)，考慮附加力（動(dòng)載、井壁摩擦力等）， 防止中性點(diǎn)移動(dòng)較弱的鉆桿上，一般取 =1.15 1.25； 每米鉆鋌在空氣中的重力，kN/m； KB 浮力系數(shù)； 井斜角，直井時(shí)， =0。cosmaxBcNcKqWSLcLmaxWNScqNS？復(fù)合鉆鋌怎么設(shè)計(jì)？（三）鉆桿柱強(qiáng)度設(shè)計(jì)（三）鉆桿柱強(qiáng)度設(shè)計(jì)1.強(qiáng)

15、度條件 Ft Fa 式中：Ft 鉆桿柱任一截面上的靜拉伸載荷，kN； Fa鉆桿柱的最大安全靜拉力，kN。 （1）鉆桿在屈服強(qiáng)度下的抗拉載荷： 鉆桿材料的屈服強(qiáng)度所允許的最大抗拉載荷。 式中： 鉆桿鋼材的最小屈服強(qiáng)度，MPa； 鉆桿的橫截面積，cm2； 最小屈服強(qiáng)度下的抗拉載荷，kN。 可以計(jì)算,也可以從表214中查出。pyyAF1 . 0ypAyFBmkckckpjijjpiitiKqLqLqLF)(111（2 2）鉆桿的最大允許拉伸力）鉆桿的最大允許拉伸力FpFp式中： 鉆桿的最大允許拉伸載荷，kN。 （3）鉆桿的最大安全靜拉力Fa 安全系數(shù)法（考慮起下鉆時(shí)的動(dòng)載及摩擦力） 式中： 安全系數(shù)

16、，一般取1.30。 設(shè)計(jì)系數(shù)法（考慮卡瓦擠壓） 拉力余量法 式中：MOP拉力余量，一般取200500KN。ypFF9.0pFtpaSFF/tS1typaFFMOPFFpa三者取最小值作為Fa2. 2. 鉆桿柱強(qiáng)度設(shè)計(jì)鉆桿柱強(qiáng)度設(shè)計(jì) 按最大安全靜拉力Fa設(shè)計(jì)鉆桿柱的最大允許下深（長(zhǎng)度）。（1）單一鉆桿柱設(shè)計(jì) 強(qiáng)度條件： 最大允許下深： BccpaKqLLqF)(pccBaqqLKFL（2 2）復(fù)合鉆桿柱設(shè)計(jì)（深井）復(fù)合鉆桿柱設(shè)計(jì)（深井）每段鉆桿滿足強(qiáng)度條件：BmkckckpjijjpiiiaKqLqLqLF)(111 思路：由下而上，所受拉伸載荷逐漸增大，強(qiáng)度應(yīng)逐漸增大。故由鉆鋌上面第一段鉆桿開(kāi)

17、始，先選擇強(qiáng)度較低的鉆桿，確定其許用長(zhǎng)度；再逐段向上選擇強(qiáng)度更高的鉆桿進(jìn)行設(shè)計(jì)。這樣設(shè)計(jì)出來(lái)的鉆桿柱，由下而上強(qiáng)度逐級(jí)增大以滿足抗拉強(qiáng)度的要求。（2 2）復(fù)合鉆桿柱設(shè)計(jì)（深井）復(fù)合鉆桿柱設(shè)計(jì)（深井）鉆鋌上面第一、二、三、四段鉆桿的長(zhǎng)度; 相應(yīng)各段鉆桿的最大安全靜拉力;相應(yīng)各段鉆桿在空氣中的單位長(zhǎng)度重力; 1111pccBpaqLqKqFL211222pppCcBpaqLqLqKqFL32211333pppccBpaqLqLqLqKqFL3332211444ppppccBpaqLqLqLqLqKqFL4321LLLL，4321aaaaFFFF，4321ppppqqqq，3. 3. 強(qiáng)度較核強(qiáng)度較

18、核（1）抗外擠強(qiáng)度較核： 式中: 最大安全外擠載荷,MPa； 鉆桿的最小抗擠壓力，MPa； 安全系數(shù)，一般應(yīng)不小于1.125。 （2）抗扭強(qiáng)度較核： 式中： M - 鉆桿承受的扭矩,kNm； P - 使鉆柱旋轉(zhuǎn)所需的功率，kW； n - 轉(zhuǎn)速，rpm。 （3）抗內(nèi)壓強(qiáng)度較核： 不同尺寸、鋼級(jí)和級(jí)別的鉆桿的最小抗內(nèi)壓力可在API RP 7G標(biāo)準(zhǔn)中查得，用適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù)去除它，即得其許用凈內(nèi)壓力.ccacSPP acPcPcSnPM67. 94 4典型鉆柱的設(shè)計(jì)舉例典型鉆柱的設(shè)計(jì)舉例（1）設(shè)計(jì)參數(shù) 井深:5000m; 井徑:215.9mm(8-1/2in); 鉆井液密度:1.2g/cm3 ; 鉆壓

19、:180kN; 井斜角:3; 拉力余量:200kN(本例假設(shè)); 卡瓦長(zhǎng)度:406.4mm; 安全系數(shù)：1.30(本例假設(shè))。 （2）鉆鋌選擇： 選用外徑158.75mm(6-1/4in)、內(nèi)徑57.15mm(2-1/4in)鉆鋌，每米重力qc=1.35kN/m。 計(jì)算鉆鋌長(zhǎng)度: 式中: 最大鉆壓,180 kN; 安全系數(shù),取 =1.18; 每米鉆鋌在空氣中的重力,1.35 kN/m； 浮力系數(shù),計(jì)算得 =0.85; 井斜角, =3。 計(jì)算得： =1801.18/1.350.85cos3=185(m) 按每米鉆鋌10m計(jì)，需用19根鉆鋌,總長(zhǎng)190m。 （3）選擇第一段鉆桿（接鉆鋌） 選用外徑

20、127mm、內(nèi)徑108.6mm，每米重284.69N/m，E級(jí)新鉆桿， 最小抗拉載荷=1760KN。 最大長(zhǎng)度計(jì)算: 最大安全靜拉載荷為: Fa1=0.9Fy /St=0.91760/1.30=1218.46(kN) Fa1=0.9Fy /(y /t) =0.91760/1.42=1115.49(kN) Fa1=0.9Fy -MOP =0.91760-200=1384(kN) maxWNScqcL)cos(maxBcNcKqSWL BKBK 由上面的計(jì)算可以看出,按卡瓦擠毀比值計(jì)算的最小，則第一段鉆桿的許用長(zhǎng)度為： =1115.49/284.6910-30.85-1901.35/284.691

21、0-3=3675(m) （4）選擇第二段鉆桿 選用外徑127mm,內(nèi)徑108.6mm，每米重284.69N/m，X-95級(jí)新鉆桿，最小抗拉載荷為=2229.71 kN。 最大長(zhǎng)度計(jì)算: 最大安全靜拉載荷計(jì)算如下: Fa2 =0.92229.71/1.30=1543.645(kN) Fa2 =0.92229.71/1.42=1413.196(kN) Fa2 =0.92229.71-200=1806.739(kN) 1111pccBpaqLqKqFL那么，第二段鉆桿的最大允許長(zhǎng)度為： =1413.196/287.6910-30.856-1.35190 +284.6910-33675/284.6910-3 =1221(m) 鉆柱總長(zhǎng)已超過(guò)設(shè)計(jì)井深。211222pppccBpaqLqLqKqFLn最后設(shè)計(jì)的鉆柱組合見(jiàn)下表。 鉆柱組合設(shè)計(jì)結(jié)果表規(guī) 范 長(zhǎng)度(m) 在空氣中重(kN) 在鉆井液中重(kN) 鉆鋌：外徑 158.75mm，內(nèi)徑 57.15mm,線重1.35kN.m 190 256.50 218 第一段鉆桿 外徑127mm