【7A文】石油工程钻井钻柱力学-第二章 钻柱设计与负荷计算1-2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钻柱的合理设计与强度效核是非常必要的。设计时应考虑的因素：垂深、井径、井身质量（包括、、K、KK等）、泥浆密度、安全系数、抗外挤安全系数、拉力余量、Dc、Dci；Dp、Dpi；Lc、Lp和刚级，以及单位长度的重量（或质量）等。第一节常用钻柱设计中负荷计算前面对钻柱的受力进行了计算与分析。为防止钻柱所承受载荷超过理论负荷值后可能发生的弹性、塑性（弹塑性）变形，在大多数钻柱设计中，都要在钻柱的理论负荷上乘以不同的系数。下面首先介绍钻柱设计中可能遇到的几个基本概念。一、

2、钻柱的最大允许静拉负荷Pamax由受力分析与计算知道：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）。因为计算条件一般是以钻柱在泥浆中空悬状态为依据的。32、钻柱的最大工作负荷Pw根据强度条件，当钻柱实际承受的拉力达到Py值时，钻柱将发生屈服而不能继续使用。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：Py——钻柱在屈服强度下的抗拉负荷，kN。（Py——可由钻井测试手册或钻井工艺原理、或海洋钻井手册中的钻杆承受扭力、拉力、挤压力、内压力数

3、据表查获）；s——钻柱的最小屈服强度，兆帕；Pw——最大工作负荷，kN；Pamax——最大允许静拉负荷，kN；nn——安全系数，无因次。而且钻柱的最大静拉负荷的大小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。3、钻柱的最大允许静拉负荷Pamax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。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）、安全系数法通过它来考虑起下钻的动载荷、以及其它附加力的作用。安全系数的范围可取1.25—1.30。即：nn=PW/Pa

4、max———————————（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，用来控制钻柱组合中强度较弱、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。其大小可由下式计算：Mop=Pw–Pamax（N）————（2-4）43）、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，当钻柱坐于卡瓦中时，钻杆会受到很大的横（径）向挤压力和轴向拉力作用。当合应力接近或大于钻杆的最

5、小屈服强度时，就会导致卡瓦挤毁钻杆。为了防止钻杆挤毁，要求钻柱的屈服强度与拉伸应力的比值不小于某一确定的值。其抗挤毁条件可由下式计算：式中：s——钻杆的屈服强度；d0——钻柱外径；t——钻杆悬挂在吊卡下面的钻柱拉应力；Ls——卡瓦与钻杆的接触长度；K——卡瓦的横向负荷系数，K=1/tg()；——卡瓦锥角，取92745。——卡瓦与钻杆之间的摩擦角。55、Pamax的确定方法及实例说明将式（2-2）代入（2-3-4、5）式，用Py代替Pw。确定的Pamax为：Pamax=0.9Py/nn——————（

6、2-6a）Pamax=0.9Py-Mop———————（2-6b）Pamax=0.9Py/（s/t）————（2-6c）问题的讨论：也就是说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，又要考虑拉力余量呢？下面通过实例加以说明。若已知下段钻杆的钢级为D级、d01=88.9mm、q01=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=8

7、86.025kN，S-135钢级的Py2=3168.51kN。试问：钻杆的最大允许静拉负荷？61）、由（2-6a、b）式得下段钻杆的：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）这说明用式（2-6b）确定的拉力余量不符合设计前预选拉力余量的要求。再看下段钻杆的受力情况：首先用拉力余量445kN来计算Pamax，即：Pamax=0.9Py2-Mop==0.93168.51–

8、445=2406.66（kN）2）、再由（2-6a）式计算安全系数nn=0.9Py2/Pamax=0.93168.51/2406.66=1.181.30可见，对于d02=127.0mm的钻杆，拉力余量足够；但它不能满足安全系数的要求，7因此难以防止由于动载的影响而超过其抗拉强度或卡瓦挤毁钻杆的要求。结论是：合理的钻柱设计，既