钻柱 - 图文

第三章

钻柱（Drill String）

钻柱是快速优质钻井的重要工具，它是连通地面与地下的枢纽。在转盘钻井时是靠它来传递破碎岩石所需的能量，给井底施加钻压，以及向井内输送洗井液等。在井下动力钻井时，井底动力机是用钻柱送到井底并靠它承受反扭矩，同时涡轮钻具和螺杆钻具所需的液体能量也是通过钻柱输送到井底的。在钻井过程中，钻头的工作、井眼的状况、甚至井下地层的各种变化，往往是通过钻柱及各种仪表才能反映到地面上来。合理的钻井技术参数及其他技术措施，也只能在正确使用钻柱的条件下才能实现。除正常钻进外，钻井过程中的其他各种作业，如取心、处理井下复杂情况、地层测试、挤水泥、打捞落物等都是依靠钻柱进行的。

钻柱由不同的部件组成，它的组成随着钻井条件和方法的不同而有所区别。其基本组成部分是：方钻杆、钻杆、钻铤、稳定器及接头。方钻杆的作用是将地面转盘的功率传递给钻杆，以带动钻头旋转。钻杆的作用是将地面所发出的功率传递给钻头，并靠钻杆的逐渐加长使井眼不断加深，钻铤位于钻杆的下面，直接与钻头（或井底动力机）连接，依靠其本身的重量进行加压，靠它和稳定器的各种组合来控制井眼的斜度，钻柱的各个不同组成部分的相互连接）是借助钻杆接头或配合接头来实现的。

随着近代钻井深度的不断增加，钻井工艺的不断发展，对钻柱的结构和性能要求越来越高。实践证明，几千米甚至近万米长的钻柱在井下的工作条件是比较复杂的，它往往是钻井设备和工具中比较薄弱的环节。为了快速优质安全地钻达预定深度，必须选用可靠的钻柱。这不仅要求从尺寸配合上选择合适的钻柱，而且应该根据钻柱在井下的工作条件，正确分析钻柱的受力情况，进行强度计算，合理地设计钻柱。特别值得注意的是，钻柱的破坏大多是疲劳破坏所引起的，所以有必要探讨疲劳破坏产生的机理和影响因素，采取各种减少疲劳破坏的技术措施，以便延长钻柱的使用寿命。

第一节 钻柱的工作状态及受力分析

一、钻柱的工作状态

钻柱在井下的工作条件随钻井方式（转盘钻井或井下动力钻井）、钻井工序（如正常钻进、起下钻等）的不同而异。在不同的工作条件下，钻柱具有不同的工作状态，受到不同的作用力。为了讨论钻柱的受力及强度设计，必须首先了解钻柱在整个钻井过程中的工作状态。下面主要对转盘钻井时钻柱的受力情况加以分析。

在钻井过程中，钻柱主要是在起下钻和正常钻进这两种条件下工作，在起下钻时，钻柱不接触井底，整个钻柱处于悬持状态，在自重作用下，钻柱处于受拉伸的直线稳定状态。在正常钻进时，由于部分钻柱的重量作为钻压施加在钻头上，使得下部钻柱受压缩，在钻压小和直井条件下，钻柱也是直的，而当压力达到某一临界值时，下部钻柱将失去直线稳定状态，而发持弯曲，并且在某个点（称为“切点”）和井壁接触，这是钻柱第一次弯曲（Buckling of the

first order）（图3-1中曲线Ⅰ）。如果继续加大钻压，

则弯曲形状改变，切点逐渐下移（图3-1中曲线Ⅱ）。当钻压增大到新的临界值时，钻柱的弯曲轴线呈现出第二个半波，这是钻柱第二次弯曲（Buckling of the Second order）（图3-1中曲线Ⅲ）。如果再继续加大钻压，则会出现钻柱的第三次弯曲或更多次弯曲，目前旋转钻井所用的钻压一般都超过常用钻铤的一次弯曲临界钻压，如果不采取其他措施，下部钻柱将不可避免地发生轴向弯曲。

在正常钻进时，整个钻柱是处于不停旋转的状态下。作用在钻柱上的力，除拉力和压力外，还有由于旋转产生的离心力。离心力的作用有可能加剧下部钻柱的弯曲，使弯曲半波长度缩短。在钻柱上部受拉部分，由于离心力力作用也可能呈现弯曲状态。很明显，由于钻柱上部有拉力作用，其弯曲半波长度大，而往下，由于压力不断增大，再加上离心力

的作用，其弯曲半波长度变小。以上所讲的钻柱弯曲状态仅仅是发生在平面内。我们知 道，在钻进对要通过钻柱传递扭矩。这样，在扭矩作用下，钻柱不可能保持平面的弯曲状态，而是呈螺旋形弯曲状态。总的来说，在压力、离心力和扭矩的联合作用下，钻柱轴线一般呈变节距的空间螺旋弯曲曲线形状（在井底螺距最小，往上逐渐加大）。

这样一个螺旋弯曲钻柱在井眼内是怎样旋转呢？这是一个比较复杂的伺题，至今还未

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研究透彻。我们分析，钻柱在井眼里的旋转运动可能有四种形式。

（1）钻柱围绕自身弯曲轴线旋动（自转）；

（2）钻柱围绕井眼轴线旋转并沿着井壁滑动（公转）；

（3）钻柱围绕井眼轴线旋转，但不是沿着井壁滑动而是沿着井壁反向滚动（公转与自转的结合）；

（4）整个钻柱或部分钻柱作无规则的旋转摆动。

第一种形式，钻柱自转进在整个圆周上与井壁接触，产生均匀的磨损，但受到交变弯曲应力的作用。在软岩石弯曲井段，由于自转容易在井筒内形成键槽，成为起钻时钻柱受阻的原因。

第二种形式，钻柱公转时不受交变弯曲应力的作用，但产生不均匀的单向磨损（偏磨），从而加快了钻柱的磨损和破坏。

第三种形式，钻柱同时参与两种旋转运动，即同时围绕自身轴线和井眼轴线旋转，其磨损均匀，也受到交变弯曲应力的作用，但循环次数比第一种形式低得多。

第四种形式，钻柱处于旋转形式转变的过渡状态，最不稳定，常常造成钻柱的强烈振动。

从理论上讲，如果钻柱的刚度在各个方向是均匀一致的，井眼是铅直的，那么钻柱采取何种形式运动就取决于外界阻力（如泥浆阻力，井壁摩擦等）的大小，一般都采取消耗能量最小的运动形式。实际上，钻柱的旋转形式还受到其他许多因素的影响，如钻柱内刚度是否均匀，井眼的斜度和方位变化，井眼是否规则以及所用的钻井技术参数等。根据井下钻柱磨损的实际观察，一般认为弯曲钻柱旋转形式以

自转居多。许多学者正是从这个基点出发，研究了钻柱弯曲和井斜的问题。由于在钻柱自转的情况下，离心力的总和等于零，对钻柱弯曲没有影响。于是将钻柱弯曲简化成不旋转钻柱弯曲的问题。

在涡轮钻井或用螺杆钻具钻井时，由于破碎岩石所需能量来自井下动力机，其上面的钻柱在一般情况下是不转动的。同时，可用水力载荷对钻头加压，这就使得钻柱受力情况比较简单。

二、钻柱的受力分析

从上述钻柱的工作状态可以看出，在不同的工作条件下，在不同的部位，钻柱所受载荷不同。

（1）轴向拉力和压力（Axial tension and compression）钻柱在井下受到的主要作

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用力是由钻柱自重引起的轴向拉力。图3-2（a）表明，在无流体的井中，钻柱上任意点的拉力由该点以下钻柱在空气中的重量产生，井口处拉力最大，向下逐渐减小。由于钻柱是在充满洗井液的井眼中工作，所以在钻柱最下部端面上还受到静液柱压力的作用。产主一个向上的浮力（此处仅讨论单一尺寸钻柱在铅直井内的情况），使得下部钻柱有相当长一段受到轴向压力。图-2（B）表明钻柱处于液柱静压中时，任意深度的轴向应力等于该深度以下钻柱在空气中的重量减去柱底的静压。在钻进时，部分钻柱重量下放到井底作为钻压，钻柱轴向应力都减少一个相应数值，即轴向应力线向左平移一个相当于钻压的距离（图3-2（D））。此时，轴向应力线与静液柱压力线的交点称为“中和点”。此点的静液柱压力等于钻柱中的压缩应力。?般情况下，中和点并不在轴向应力零点处。只有在空井

[2]

中，中和点位置才与轴向应力零点相重合，如图3-2（c）所示。可以证明，中和点的位置可以由施加的钻压除以钻柱单位长度的浮重来确定。

中和点位置 N=P/(qs-qf)米 （3-1）

式中N——中和点距离，米； P——钻压，牛；

qs——单位长度钻柱在空气中的重量，牛/米； qf——单位长度钻柱所排开的液体重量，牛/米。

很明显，由于把部分钻柱的重量施加给钻头，因此下部钻柱受压力，上部钻柱受拉力，而且愈靠近井口，拉力愈大，愈靠近井底，压力愈大。

此外，在起下钻时，钻柱与井壁之间和钻柱与泥浆之间有摩擦力。这种摩擦力在起钻时会增加上部钻柱的载荷，下钻时会减轻上部钻柱的载荷。

（2）弯曲力矩（Bending moment） 在正常钻进时，下部钻柱受压弯曲而受到弯曲力矩的作用。此外，在井眼偏斜段，钻柱也受到弯曲力矩的作用。弯曲钻柱的旋转（特别是在绕钻柱自转的情况下），使钻柱内产生交变弯曲应力。

（3）离心力（Centrifugal force） 当钻柱绕井眼轴线公转时产生离心力，促使钻柱发生弯曲。

（4）扭矩（Moment of torsion） 在正常钻进时（转盘钻井时），必须通过转盘把一定的能量传递给钻柱，用于旋转钻柱和带动钻头破碎岩石。这样，钻柱受到扭矩的作用。扭矩在井口处最大，向下随着能量的消耗,在井底处钻柱所受的扭矩最小。

（5）纵向振动（Axia1 vibration） 钻进时，钻头的转动（特别是牙轮钻头）会引起钻柱的纵向振动，固而产生纵向交变应力。纵向振动和钻头结构、所钻岩石特性、泵量不均度、钻压以及转速等因素有关。当这种纵向振动的周期和钻柱本身固有的振动周期相同或成倍数时，就产生共振现象，振幅急剧加大，通常称为”跳钻”。严重的跳钻常常造成钻杆弯曲，磨损加剧以及迅速疲劳破坏。通常可以通过改变转速和钻压的方法来消除这种跳钻现象。

（6）扭转振动（Torsiona1 vibration） 当井底对钻头旋转的阻力不断变化时，会引起钻柱的扭转振动，因而产生交变剪应力。扭转振动和钻头结构、所钻岩石性质是否均匀一致、钻压及转速等等许多因素有关。特别是使用刮刀钻头钻软硬交错地层时，钻柱的扭转振动最为严重。

（7）动载（Dynamic 1oads） 起下钻作业中，由于钻柱运动速度的变化会引起纵向动载，因而在钻柱中产生间歇的纵向应力变化。这主要和操作状况有关。

综上所述，转盘钻井时，钻柱的受力是比较复杂的。但所有这些载荷就性质来讲可分为不变的和交变的两大类。属于不变应力的有拉应力、压应力和剪应力；而属于交变应力的有弯曲应力，扭转振动所引起的剪应力以及纵向振动作用所产生的拉应力和压应力。在整个钻柱长度内，载荷作用的特点是在井口处主要是不变载荷的影响，而靠近井底处主要是交变负荷的影响。这种交变载荷的作用正是钻柱疲劳破坏的主要原因。

从上述分析也不难看出，钻柱受力严重部位是：

（1）钻进时钻柱的下部受力最为严重。固为钻柱同时受到轴向压力、扭矩和弯曲力矩的作用，更为严重的是自转时存在着剧烈的交变应力循环，以及钻头突然遇阻遇卡，会使钻柱受到的扭矩大大增加。

（2）钻进时和起下钻时，井口处钻柱受力复杂。起下钻时井口处钻柱受到最大拉力，如果起下钻时猛提、猛刹，会使井口处钻柱受到的轴向拉力大大增加。钻进时，井口处钻柱所受拉力和扭力都最大，受力情况也比较严重。

（3）由于地层岩性变化、钻头的冲击和纵向振动等因素的存在，使得钻压不均匀，因而使中和点位置上下移动。这样，在中和点附近的钻柱就受到交变载荷作用。

总的来说，为了完成正常钻进、起下钻及其他工艺操作，根据上述的受力状况，钻柱所有部分都必须有足够强度，以承受各种可能的载荷，同时，要保证建立所需的钻压，钻柱的循环阻力要小，密封性要好，并且钻柱的重量应尽可能轻，以实现经济的合理性。

第二节

钻井过程中各种应力的计算

为了使钻柱在不同的工作条件下能安全地工作，在钻柱受力分析的基础上，还需计算钻柱内部的各种应力，作为合理设计和校核强度的依据。应该指出，现有的应力计算方法还不能全面地反映钻柱在井下的实际受力情况，特别是引起疲劳破坏的交变应力，至今还没有完善的计算方法。

一、钻柱轴向应力的计算

（一）钻柱上部拉应力（Tensi1e Stress）的计算

1．钻柱在泥浆中空悬时

作用在钻柱上部某一截面上的轴向拉力，应该等于该截面以下的钻柱自重减去所受的泥浆浮力。根据阿基米德原理，泥浆浮力等于钻柱同体积的泥浆重量。

于是，井口横截面所受拉力负荷Q0应等于钻柱在空气中的重量与泥浆浮力之差。

这就是说，钻柱在液体中的重量等于钻柱在空气中的重量乘以浮力减轻系数，这种计算浮力的方法称为”浮力系数法”。

于是井口钻柱截面的拉应力应为

如果要计算井口以下某一横截面（a-a）的拉伸负荷，就不能使用浮力系数法（见图3-3）。因为此时横截面（a-a）以下管柱的重量已变小了，而所受泥浆浮力仍然是整个L米长钻柱的总泥浆浮力。这是由于在管柱下端作用有L米高的泥浆柱压力p，在钻柱下端横截面上产生一个向上浮力p×F。这种计算浮力的方法称为“压力面积法”，其浮力等于液柱静压力与面积乘积之和。如果对钻柱（a-a）断面用浮力系数法进行计算，其所得数值正好是（a-a）断面处于井口位置所受的拉力载荷，是不正确的。

随着钻柱下入井内，浸在液体中的钻柱长度增加，也就是说作用在钻柱下端的泥浆液柱压力加大，浮力也增加，该断面的拉伸载荷也随之减小。所以，在井口以下某一截面所受拉力载荷应为Qa-B，其拉应力σt’等于

?t'?Qa?B?104 F (3-6)

式中σt’——井口以下某一截面的拉应力，帕； Qa——该截面以下钻柱在空气中的重量，牛； B——整个钻柱所受的泥浆总浮力，牛；

2

F——钻柱截面积，厘米。

对于非单一尺寸的钻柱（如钻铤加钻杆），其浮力是液柱静压垂直作用在管柱裸露肩部及端面上的作用力的合力。图3-4中，浮力B=F1- F2- F3。

轴向拉力作用下的抗挤强度pc的百分比。

例：设测试时钻杆内空2500米，管外泥浆重度17×l0牛／米，卸封时上提拉力超过钻柱重量222.69千牛，求127毫米、284.78牛/米、E级钻杆的实际抗挤强度。

2

从钻井测试手册中可查出127毫米、284.78牛/米钻杆的管体截面积为34.03厘米, 则钻柱最下端所受的轴向拉应力为

33

E级钻杆的平均屈服强度为586.25兆帕, 则轴向拉应力相对于平均屈服强度的百分比为

在图3-6的横坐标上找出11.2%，垂直下画与椭圆曲线相交，在纵坐标上可读出94%。 再从表3-1中可查出127毫米、284.73牛/米、E级钻杆的抗挤强度pcc为

pcc = pc×94% =68.96×94%=64.82兆帕

（三）安全系数的确定

为了保证下部钻柱的工作安全，钻柱所受外挤压力poc只能小于钻柱杭挤强度pcc，一般其安全系数no不能小于1.125。

Pccno?1.125 Pocno=64.82=1.53

42.5

（3-34）

例：从以上两例计算所得的poc为42.5兆帕，pcc为64.82兆帕，其安全系数为

第三节 深井钻柱的设计

从上面已知，作用于钻柱上的力，有拉力、压力、弯曲力矩、扭矩等，但其中经常作用（不论是起下钻或正常钻进时）且数值较大的力是拉力。因此，钻柱设计一般以拉伸计算为主，再考虑一些钻柱实际工作条件的需要。其方法和步骤如下述。

（一）钻柱设计的强度条件

一般以钻柱在泥浆中空悬时的情况为计算条件，钻柱上部拉伸负荷应满足以下条件：

Pt≤Pa (3-35)

式中Pt——钻柱上部拉伸负荷，千牛；

Pa——钻柱的最大允许静拉负荷，千牛。

钻柱最大允许静拉负荷的大小取决于钻柱材料的屈服强度以及钻柱的工作使用条件。 1．钻柱在屈服强度下的抗拉负荷Py

先考虑钻柱材料的屈服强度，很明显，钻柱所受拉伸负荷必须小于屈服强度下的抗拉负荷，它等于

Py =0.1σs·F千牛 （3-36）

式中σs——材料的最小屈服强度，兆帕；

2

F——钻柱的横截面积，厘米。

2．钻柱的最大工作负荷Pw。

如果拉力负荷达到Py时，材料发生屈服而不能继续使用，因此，一般把它的90%作为

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最大工作负荷。

Pw=0.9 Py千牛 （3-37）

式中Pw——钻柱最大工作负荷，千牛；

Py——最小屈服强度下的抗拉负荷，千牛。

3．钻柱的最大允许静拉负荷Pa

此静拉负荷是当钻柱自由悬挂时允许的大钩负荷。考虑到钻柱的实际工作条件，如动载、上提解卡和卡瓦挤毁等，它必须小于钻柱的最大工作负荷Pw。

目前有三种方法可用于确定钻柱的最大允许静拉负荷Pa。 （1）安全系数法

采用安全系数法的理由是保证钻柱的工作安全，通过它来考虑起下钻的动载及其他力的作用，大致取为1.30。

安全系数=

Pw Pa （3-38）

式中Pw——最大允许静拉负荷，千牛；

Pa——最大工作负荷，千牛。

（2）考虑卡瓦挤毁钻杆的设计系数法

对于深井钻柱来说，由于钻柱重量大，当它坐于卡瓦中时，将受到很大的箍紧力。当合成应力接近或达到材料的最小屈服强度时，就会导致卡瓦挤毁钻杆。为了防止钻杆被卡瓦挤毁，要求钻柱的屈服强度与拉伸应力的比值不能小于一定数值。此值是根据钻柱抗挤

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毁条件得出，由下式确定

现将K值和σs/σt，比值的计算结果列入表3-2中，设计时可直接查表。

这就是说，为了防止卡瓦挤毁钻杆，钻杆拉伸负荷应受到限制，即屈服强度与拉伸应力的比值不能小于表3-2中的数值，并以此值作为设计系数。

（3）拉力余量法

所谓拉力余量法就是在设计中选择的最大允许静拉负荷P, 应小于最大工作负荷Pw一个合适的数值，以它作为余量，以便于当钻柱被卡时上提解卡。此拉力余量的选择应从实际钻井条件出发，井下情况危险程度越大，则所取拉力余量应越高。

在采用拉力余量法设计钻柱时，必须使最大工作负荷氏Pw与钻柱每个断面上最大允许静拉负荷Pa之差值相同，这样当提拉钻柱时就不会有某个薄弱断面来限制和影响总的提拉负荷量。

若将（3-37）式代人（3-38）、（3-40）和（3-41）式，即用Py代替Pw，则采用上述三种方法所确定的Pa值如下：

问题讨论：

为什么在确定最大允许静拉负荷时，不仅要选择安全系数和设计系数，而且要选择一定的拉力余量呢？我们可以通过下例加以说明。

例：如果所设计钻柱的下段为88.9毫米、194.14牛/米、D级钻杆，上段为127.0毫米、284.78牛/米、S-135钻杆，已选拉力余量为445千牛，安全系数为1.30，求钻杆的最大允许静拉负荷。

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