钻井连续循环系统卡瓦极限卡紧力分析

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1、2010年1月西安石油大学学报(自然科学版)Jan．2010第25卷第1期JournalofXianShiyouUniversity(NaturalScienceEdition)Vo1．25No．1文章编号：1673-064X(2010)01-0084-03钻井连续循环系统卡瓦极限卡紧力分析缪建，朱海燕，刘清友(I．中国石化集团石油工程西南公司油田建设工程公司，四川德阳618000；2．江汉石油钻头股份有限公司，湖北武汉430223；3．西南石油大学“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室，四川成都610500)摘要：从钻井连续循环系统卡瓦的37_作原理入手，分析了横向载荷与方瓦摩擦力的

2、关系，揭示了卡在卡瓦中的钻杆的受力状态．将钻杆看作厚壁筒，采用弹性力学中的拉关公式求解钻杆内外受压的应力问题．钻杆外表面承受的摩擦力矩，看作圆筒扭转问题进行求解．考虑钻柱轴向拉力的影响，解决了钻井连续循环系统卡瓦极限卡紧力的计算难题，给出了卡瓦极限卡紧力的计算公式．以5时和5．5时钻杆作为算例，分析了钻井连续循环系统的使用范围，提出了钻井连续循环系统对钻杆钢级的要求．该方法可以用于指导钻井连续循环系统卡瓦的设计．关键词：钻井连续循环系统；卡瓦；卡紧力中图分类号：TE921．2文献标识码：A钻杆上卸扣时，钻井连续循环系统的卡瓦卡紧转换装置的部分重力由卡瓦支座作用在卡瓦上．并悬挂井下钻柱，

3、同时承受钻杆上卸扣时的反向扭矩⋯．卡瓦的卡紧力小，卡瓦与钻杆会发生相互滑上卸扣卡瓦动，无法悬挂钻柱并提供足够大的反向扭矩；卡瓦的卡紧力大，卡瓦可能咬坏钻杆，甚至将钻杆挤爆．合泥浆转理确定卡瓦的卡紧力，分析钻杆的应力分布意义重换装大．本文在分析钻井连续循环系统的卡瓦与钻杆工置作时应力状态的基础上，提出了一种较为合理的计卡瓦算钻井连续循环系统卡瓦极限卡紧力的计算方法．1钻井连续循环系统卡瓦的工作原理图1钻井连续循环系统上卸扣原理图钻井连续循环系统由泥浆转换装置、上卸扣系统和控制系统组成，如图1所示j．泥浆转换装置2横向载荷与方瓦摩擦力的关系使钻井系统在上卸钻杆时保持泥浆循环压力．上卸扣系统

4、包括上卸扣卡瓦和卡瓦两部分：上卸扣卡瓦假设卡瓦和方瓦之间发生相对运动，分析卡瓦主要用来提供钻杆的上卸扣扭矩，卡瓦悬挂井下钻纵截面上的受力情况引，如图2所示．柱，并承受上卸扣时的反向扭矩．上卸扣卡瓦和泥浆下列2个方程满足卡瓦受力平衡条件：收稿日期：2009．12-01基金项目：中国石油化工集团公司先导性项目“钻柱连续循环系统技术研究”(编号：P07044)作者简介：缪建(1973．)，男，主要从事钻井设备方面的研究．E—mail：miaojian612@yahoo．tom．cn缪建等：钻井连续循环系统卡瓦极限卡紧力分析一85一杆和套管的几何尺寸不允许将其列入薄壳这一类进行计算，将管柱简化

5、成薄壳计算误差较大．本文以弹性力学厚壁筒理论为基础，忽略钻杆母线上实际存在着的纵向弯矩对钻杆内应力的影响，假定卡瓦夹紧力均匀分布，将轴向载荷F产生的应力与径向载荷产生的应力分开计算，考虑钻杆上卸扣时的反向扭矩对钻杆应力的影响，提出了一种较为合理的可计算钻井连续循环系统卡瓦极限卡紧力的解析方法．图3为钻杆的力学模型图．卡瓦卡紧段钻杆，内表面受到循环泥浆压力q的作用，外表面受到卡瓦卡紧力的作用，属于圆筒的压力0即fRc。sa一si旧一_I-．(1)隧洞问题，此时钻杆的机械性能反而得到提高，钻杆IF=0LRsin0+bcRcos0一Q—F=0不会出现危险截面由图3可知，在卡瓦卡紧段下部的钻杆

6、，受到钻柱的轴向拉力，、循环泥浆压力q和W：t：K(F+Q)，(2)卡瓦卡紧力的共同作用，此处(图3中B截面)为an0+／．t钻杆的危险截面；在卡瓦卡紧段上部的钻杆，受到内K：t．(3)an0+压q、卡瓦卡紧力和上卸扣时的反向扭矩的共同作用，此处(图3中A截面)钻杆的外表面为危险当／z=0和tan0=÷(API标准锥度)时，截面．：：6(V+Q)；(4)LaIIa当／z=0．06(润滑表面的最低摩擦系数)时，—雪W=4．37×(F+Q)．(5)垂至；上述计算表明，在忽略摩擦力的情况下，横向载¨IIfI⋯荷是大钩载荷的6倍．计算表明，摩擦力越小横向载习I荷系数越大，因此在计算横向载荷时，

7、必须考虑摩擦J一力．通常摩擦系数在0．06～0．50之间．图3钻杆的力学模型3卡在卡瓦中的钻杆的受力分析(1)钻杆卡紧段下部截面应力分析由拉美方程可知，钻杆内壁的环向应力为3．1卡在卡瓦内钻杆的力学模型关于卡瓦卡紧管柱力学问题，其计算方法基本O"o==———g一——ao·．㈤oD—aD一盯L上分为两类：一类是美国API算法]，将钻杆视为厚钻杆由于自重产生的轴向拉应力为壁筒，并认为卡瓦段管体的变形不受两边管体的影：响；另一类是苏联及国内研究比较多