钻柱受力与疲劳强度校核研究.pdf

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1、科学论坛ISCIENCEFORUM钻柱受力与疲劳强度校核研究韩家强蔺刚中石化中原工程服务公司管具公司河南清丰457331【摘要】本文主要介绍钻柱所受轴向力、剪切应力和弯曲应力的计算方法，井运用经典强度理论将钻柱受力进行当量合成，引入机械学疲劳强度计算方法，对钻具实现疲劳强度校核。I【关键词】受／9；强度；计算；当量应力；疲劳强度I1．前言钻柱在井下工作时，同时受到轴向力、弯曲力、扭矩作用等。钻柱某位置受力是这些力的合力作用，本文运用力学经典理论对这些力进行计算并采用强度理论进行合成及做强度校核，其精度能满足工程需要。对钻柱的受力状态进行分析研究。然后利用分析结果，采用经

2、典强度}理论将各力合成为等效当量力，再采用修正的材料力学疲劳强度校核办l法，得出钻柱疲劳强度系数。2．钻柱轴向力的计算}2．1判断轴向应力零点位置通过判断零轴力点，在其上下段分别采用不同的计算办法。零轴力点非常重要，是组配钻具、加装消震器等井下工具时的主要参考。可通过1(1)式计算。+O．98lp~(H—h)At一(一qt)^+0．981P泥浆⋯r一——一一一’式中：L一轴向应力零点距钻柱底部的位置，m，Pb-钻压，N；p一泥浆密度，g／cmlH一井深，mlh一钻铤长度，m；A1-钻杆截面积，cmzIA一钻铤截面积，cm，qa一钻铤单位长度在空气中的重量，N／m，‘)手

3、册或标准上可查线密度，单位为kg／m，因此需乘以9．8tap为所用，q：ql-钻杆单位长度在空气中的重量，N／m，手册或标准上可查线密度，单√位为kg／m，因此需乘以9．81即为所用。2．2轴向力计算JlrD(1一)：d(9)—钻柱在使用中，受到大钩载荷，泥浆浮力，钻压的反作用力作用，其一32Dc它影响忽略，根据受力特点可知，钻柱上任意一点(计算点)的轴向力计算方法如下：有套管或尾管则是实际井眼直径加套尾管壁厚)，m。为钻柱贴井壁或任意一点轴向力=计算点以下钻具总重量一(所有钻具的浮力+钻压)，即：为钻柱的自转角速度，rad／s，为钻柱的直径与双面环隙的比值；为=(10

4、#T吼一一等∑‘·4)／A#(2)I=11ui=I式中：o一计算点轴向应力，Pa,L"#_F一计算点以下各段钻柱长度，mlqi—对应的钻具线密度，kg／m,Pb-钻压，NlP一泥浆密度，g／cmILi-整体钻具各段长度，m}A—对应钻具截面积，m；*#一计算点钻具截面积，m。3．钻柱剪切应力的计算在钻进过程中，扭矩由转盘传给整体钻柱及钻头，因此，钻柱的每一部分都受到剪切应力，剪切应力是因扭转产生的，因此先要计算钻柱。_捌一=√一+3r眦(1o)所受扭矩，使用不同类型钻头受力也不同。3．1扭矩计算方法O'eq=√+3正常钻进时，整个钻柱都要受到扭矩值可由下列公式(3)求得

5、，它所以平均应力O"m及应力幅o分别为：又取决于转盘传给钻柱的功率，这个功率N等于钻柱空转所需功率Ns1，、(11)和旋转钻头破岩所需功率Nb之和。M=9549N／n(3)式中：M一钻柱所受扭矩，Nm；当转速n<250rpm时，采用钻井力学教材推荐的公式是比较准确的：6．钻柱疲劳强度校核Ⅳ

6、=0．46Cp~DLn／lO(4)式中：c一与井斜角有关的系数，直井时，C=18．8／105lp一泥浆密度，kg／m，D一钻柱外径，如不同外径组成，应分别计算累加，CTL1，L一钻柱长度，m，n一转速，rpm。82决策与信息科学论坛ISCIENCEFORUM纯钻30．3h。正常钻进井

7、段(5936-6008m)平均机械钻速为4．1m／h，整(>->上接第82页)个旋冲钻进井段平均机械钻速3．12m／h，与上部相邻井段(2．28m／h)柱进行疲劳强度校核。同时考虑钻具的表面加工质量、形状与尺寸、集相比机械钻速提高36．8％，与最近的邻井TPI9X(2．31m／h)相比机械中应力等的影响，求出钻柱疲劳安全系数。钻速提高35．1％，PDC钻头出井仍然完好，新度为90％。再次证明了射流6．1对称循环弯扭交变应力作用下的强度条件冲击器配合PDC钻头的可行性与安全性。近期将在塔河油田继续推广浙江大学和郑州机械研究所曾对几种钢样进行了弯扭复合疲劳试应用。旋冲钻进井

8、段钻速与上部井段、下部井段，邻井相应井段对比情验研究，结果表明：在对称循环和非对称循环下钢样均符合椭圆方程况见表2。。结合国内外所做的钻杆疲劳持久极限实验【6】，得出钻杆在井下腐蚀PDC钻头首次配合YSC一178射流冲击器的成功使用，拓宽了射流条件下单—对称循环持久极限的近似计算式，见公式12。冲击器的应用范围，为塔河工区深井、超深井提高机械钻速提供了一个口一，：0．1275~+10．5(12)新的技术手段。式中：为钻柱的抗拉强度，MPa。4．结论正常钻进时钻柱的最大弯曲正应力为最大剪应力为。如若把这两(1)YSC-178射流冲击器在塔河