【7A文】石油工程钻井钻柱力学-第二章 钻柱设计与负荷计算1-3节.ppt

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1、石油工程钻井钻柱力学第二章钻柱设计与负荷计算12钻井时，要想顺利钻达设计目的层位，使钻井成本最低，合理的钻柱设计与强度效核是非常必要的。一般在进行钻柱设计时应考虑下列因素：垂直井深、井眼直径、井身质量（包括井斜角、方位角、井斜和方位变化率、井眼曲率等）、泥浆密度、安全系数、抗外挤安全系数、拉力余量、钻铤、钻杆的内、外径；长度、尺寸、和刚级，以及单位长度的重量（或质量）等。第一节钻柱设计中常用负荷计算一、基本概念前面对钻柱的受力进行了计算与分析。为防止钻进时钻柱所受载荷达到或超过理论负荷值可能发生变形（如弹性、弹塑性）变形。在大多数钻柱设

2、计中，都要在理论（拉力）负荷上乘以不同系数。31、钻柱的最大允许静拉负荷Pamax由受力分析与计算知道：因为计算条件一般是以钻柱在泥浆中空悬状态为依据的。而且最大静拉负荷取决于钻柱材料的屈服强度，以及与工作状态相应的使用条件。所以钻柱上部所受拉伸负荷应满足的条件是：QaPamax（钻柱的最大允许静拉负荷）。2）、钻柱的最大工作负荷Pw根据强度条件，当钻柱实际承受的轴向拉力达到Py值时，1）、钻柱在屈服强度下的抗拉负荷Py由强度理论知道：钻柱所受拉力Qa须小于屈服抗拉负荷Py，其大小应等于：43、钻柱的最大允许静拉负荷Pamax最大允许

3、的静拉负荷指的是钻柱空悬在井口时允许的大钩负荷。当考虑了现场实际钻进条件（例如动载荷、上提解卡和卡瓦挤毁等条件）时，它必须小于最大工作负荷。钻柱（钻杆）将发生屈服而不能继续使用。因此一般将其90%的值作为最大的工作负荷。即：Pw=0.9Py（kN）——————（2-2）式中：s——钻柱材料的最小屈服强度，兆帕；Pw——钻柱的最大工作负荷，kN；Pamax——钻柱的最大允许静拉负荷，kN；nn——安全系数，无因次。Py——钻柱在屈服强度下的抗拉负荷，kN。（大小可由钻井测试手册中的钻杆承受扭力、拉力、挤压力、内压力数据表查获）；5制（

4、钻柱组合）强度较弱、负荷较轻的那部分钻柱的。拉力余量大小的选择应根据实际的钻井条件加以确定。井下危险程度越大，所取的拉力余量应该越大。其大小可由：Mop=Pw–Pamax（N）——————（2-4）目前确定钻柱最大允许静拉负荷的方法主要有下述三种。1）、安全系数法：目的是保证钻柱工作安全。由它考虑起下钻动载及其它附加力作用。安全系数的范围大致可取1.25-1.30。即：nn=PW/Pamax———————————（2-3）2）、拉力余量法是指最大允许的工作负荷与计算最大静拉负荷（整个钻柱的重力）的差。作用是一旦遇阻卡时（上提解卡），好用

5、来控6Mop=Pw–Pamax（N）—————（2-4）3）、设计系数法（卡瓦挤毁）：对于深井、超深井、大位移水平井，由于钻柱重量大，当钻柱做于卡瓦中时，钻杆会受到很大的横（径）向挤压力（或称其为箍紧力）和轴向拉力作用。当合应力接近或大于钻杆材料的最小屈服强度时，就会导致被卡瓦挤毁钻杆。式中：s——钻杆的屈服强度；t——钻杆悬挂在吊卡下面的钻柱拉应力；d0——钻柱外径；Ls——卡瓦与钻杆的接触长度；K——卡瓦的横向负荷系数，K=1/tg()；7——卡瓦锥角，一般取92745。——卡瓦与钻杆之间的摩擦系数。4、允许静拉

6、负荷Pamax的确定方法及实例将式（2-2）代入（2-3、4、5）式后，可用Py代替Pw。那么，三种确定Pamax分别为：Pamax=0.9Py/nn——————————（2-6a）Pamax=0.9Py-Mop—————————（2-6b）Pamax=0.9Py/（s/t）——————（2-6c）关于问题的讨论：为什么在确定最大允许静拉负荷时，既要选择安全系数、设计系数，又要考虑一定的拉力余量呢？下面通过实例加以说明。若已知下段钻杆为D级g钢、d01=88.9mm、q01=194.14N/m；58d01=88.9mm、q01

7、=194.14N/m；上段钻杆的钢级为S-135、d02=127.0mm、q02=284.78N/m；已选择的拉力余量Mop=445kN；安全系数nn=1.3。由钻井手册查到的两种钻杆钢级的Py值分别为：D级钢的Py1=886.025kN，S-135钢级的Py2=3168.51kN。试问：钻杆的最大允许静拉负荷？由（2-6a、b）式得上段钻杆的：Pamax=0.9Py1/nn=0.9886.025/1.3=613.46（kN）Mop=0.9Py1-Pamax=0.9886.025–613.46=183.96445（kN）说明用

8、式（2-6b）确定的拉力余量不符合设计前预选拉力余量要求。再看下段钻杆受力情况：先用拉力余量来计算Pamax，即：9Pamax=0.9Py2-Mop=0.93168.51–445=2406.66（kN）