第三章 钻进工艺(6).ppt

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资源描述:
第六节钻具,钻井时下入井内的钻头、钻柱、井下动力钻具、取心工具以及一些辅助钻井工具(如事故处理工具)等简称为钻具。一、钻柱钻柱是从钻头到地面全部管柱的总称。由于钻柱使用贯穿钻井作业的全过程,作用有(1)起下钻头;(2)施加钻压;(3)传递动力;(4)输送钻井液。,第三章钻进工艺,一般组成钻柱的基本钻具1、方钻杆2、钻杆3、钻铤4、配合接头,第六节钻具,第三章钻进工艺,第六节钻具,第三章钻进工艺,方钻杆12.19m)方钻杆的驱动部分断面为中空的四边形或六边形,采用高强度合金钢制造,其壁厚比钻杆壁厚大三倍左右,具有高抗拉和抗扭强度。目前规范尺寸有21/2",3",31/2",41/2",51/2"。,抗扭、抗拉、抗内压强度,第六节钻具,第三章钻进工艺,钻杆两端带加焊接头,并且有公母扣的空心园管。公称尺寸指本体外径。目前规范尺寸有27/8”,31/2”,41/2“,5”,51/2”,65/8”。长度一般7-10m,采用高强度钢,如API钻杆的钢级有D,E,95X,105G,135S。,钻杆,其中X级、G级和S级钻杆为高强度钻杆。,抗扭、抗拉、抗挤、抗内压强度,第六节钻具,第三章钻进工艺,钻铤,一端车有公扣,另一端是母扣的等径空心园柱管。主要用于给钻头施加钻压及控制井斜,刚度大、质量大。公称尺寸指外径,目前规范尺寸有31/2“,41/8”,43/8“,61/4”,7“,8”,9“,10”,长度4m-10m,采用高级合金钢制造。,第六节钻具,第三章钻进工艺,关于配合接头丝扣连接尺寸和扣型相同,公母配合(三个条件)由于钻杆、钻铤、方钻杆有多种不同尺寸的外径,其丝扣扣型也各不相同。配合接头即指将钻杆、方钻杆、钻铤、钻头连接成一管串的联接件。配合接头即连接不同直径、不同扣型钻具的短接。,第六节钻具,第三章钻进工艺,NC50在这组数字中,NC50表示接头螺纹代号,其中NC是数字型接头的英文缩写;两位数字50表示丝扣基面节圆直径的大小(取前两位数字,in),,,,公扣/母扣,扣型接头类型),公称直径,,,,旧的表示方法,GB4775-84,第六节钻具,第三章钻进工艺,接头外径大,上卸扣,外加厚dgdj,内加厚dg1dg2dj,内加厚dg1dg2dj,第六节钻具,第三章钻进工艺,其它可选组件(下部钻具组合)稳定器加在钻铤上、防斜、轨迹控制)振击器(防卡)减振器(吸收纵向和扭转震动)悬浮器消除钻头的跳动。,二、其他钻具1、井下动力钻具井下动力钻具是指接在钻柱下部,随钻柱一起下到井底的动力机。使用井下动力钻具的一般优点是钻井时钻柱不转动,可以减少钻柱的疲劳与磨损,减少钻杆折断事故。再由于钻柱不转动,钻井时钻柱与井壁间的摩擦功率损失很少,传递到井底的功率就较高。,第六节钻具,第三章钻进工艺,(1)涡轮钻具涡轮钻具是一种特殊结构的水涡轮,它靠液流的力量冲击叶片或叶轮,从而带动轮轴转动进行工作。,第六节钻具,第三章钻进工艺,(2)螺杆钻具螺杆钻具是一种由高压钻井液驱动的容积式井下动力钻具。螺杆钻具由外壳、定子、转子、万向轴、主轴等主要部件组成。,第六节钻具,第三章钻进工艺,(3)冲击钻具近年来,国外试验在普通转盘钻井中增加高频冲击的钻井方法,即冲击旋转法。产生这种冲击的井下工具是冲击钻具。(4)电动钻具利用特制的井底电动机作为动力的钻井工具称为电动钻具(电钻)。,第六节钻具,第三章钻进工艺,2、取心工具取心钻进的工艺过程包括形成岩心,保护岩心和取出岩心三个主要环节。它与普通钻井方法有所不同,井下钻具也不一样。取心工具的种类很多,结构各异,但一般都由取心钻头,岩心筒,岩心爪,单流凡尔,悬挂轴承以及稳定器等部件组成。,第六节钻具,第三章钻进工艺,除了上述需用钻井工具外,在钻井中还有许多用于处理复杂事故的专用工具,如公锥、母锥、卡瓦打捞筒、套铣筒、磨鞋、随钻打捞杯、磁铁打捞器等等,另外,在中途测试等作业中,需要使用一些专用工具设备,这里就不一一叙述了。,,公锥,母锥,第六节钻具,第三章钻进工艺,三、深井钻柱的设计作用于钻柱上的力有拉力、压力、弯曲力矩、扭矩等,大多可以利用力学分析方法根据实际工况确定。,,第六节钻具,第三章钻进工艺,钻柱的受力分析轴向拉力和压力起下钻拉力自重(井口最大),浮力使下部有一段受压;摩擦力起钻增加拉力、下钻减小。钻进部分重量作为钻压,存在一个“中性截面”,之下在泥浆中的重量为钻压,之上泥浆中的重量等于大钩负荷。“中和点”轴向力为零的点(不易确定)。,第六节钻具,第三章钻进工艺,弯曲力矩下部受压弯曲,弯曲钻柱的旋转(自转)交变应力离心力公转弯曲扭矩井口大,井底小。,钻柱的转动(自转-均匀磨损,公转-偏磨)自转公转,第六节钻具,第三章钻进工艺,纵向振动牙轮钻头纵向的交变应力跳钻(共振)扭转振动岩石的不均匀性交变剪切力动力载与钻柱的运动速度有关。,第六节钻具,第三章钻进工艺,钻柱受力严重部位钻柱下部同时受轴向压力、扭矩、弯曲力矩和各种交变应力等。井口拉力和扭矩。中和点上下交变应力。,第六节钻具,第三章钻进工艺,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。1.钻柱设计的强度条件一般以钻柱在钻井液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。,,第六节钻具,第三章钻进工艺,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式中s材料的最小屈服强度,兆帕;F钻柱的横截面积,厘米2。Py最小屈服强度下的抗拉负荷,千牛。,第六节钻具,第三章钻进工艺,(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作为最大工作负荷。式中Pw钻柱最大工作负荷,千牛;,第六节钻具,第三章钻进工艺,(3)钻柱的最大允许静拉负荷Pa1)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,大致取为安全系数n1.30。式中Pa最大允许静拉负荷,千牛;,,第六节钻具,第三章钻进工艺,2)考虑卡瓦挤毁钻杆的设计系数法,第六节钻具,第三章钻进工艺,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毁条件得出式中s材料的屈服强度;t悬挂在吊卡下面的钻柱拉伸应力;de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(以平均值计算,K4)卡瓦锥角,一般为92745;摩擦角。,第六节钻具,第三章钻进工艺,,,第六节钻具,第三章钻进工艺,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21中的数值,并以此值作为设计系数。设计系数,第六节钻具,第三章钻进工艺,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Pa应小于最大工作负荷Pw一个合适的数值,以它作为余量。,第六节钻具,第三章钻进工艺,采用上述三种方法所确定的Pa值如下在钻柱设计中,可分别计算,然后从三者中取最低者作为最大的允许静拉负荷。,第六节钻具,第三章钻进工艺,2.钻柱设计的方法和步骤在确定各段钻杆柱的长度之前,要先确定钻铤柱的长度,其原则是钻铤柱长度85受压式中L0钻铤的长度,米;P钻压,牛;q0钻铤单位长度在空气中的重量,牛/米;Kf浮力系数。,第六节钻具,第三章钻进工艺,(1)单一钻柱的设计因为所以最大设计长度式中Pa1单一钻杆的最大允许静拉负荷,牛;L1单一钻杆柱的最大设计深度,米;q1单一钻杆柱单位长度在空气中的重量,牛/米。,第六节钻具,第三章钻进工艺,(2)复合钻柱的设计单一尺寸钻柱的许下深度是有限的,往往不能满足深井和超深井的要求。可以采取不同尺寸(上大下小)、不同壁厚(上厚下薄)、不同钢级(上高下低)的钻杆组成复合钻柱。采用复合钻柱可以允许在现有钻杆条件下提高钻柱的许下深度,在现有钻机负荷能力下钻达更大的井深。,第六节钻具,第三章钻进工艺,1)第i段钻杆的长度确定用n种钻杆组合,如果已知第i段钻杆的尺寸、壁厚、钢级,就可以得到第i段钻杆的最大允许静拉负荷Pai,而受到最大拉力的地方是第i段钻杆的顶部截面,根据钻柱的强度条件公式立得,第六节钻具,第三章钻进工艺,第六节钻具,第三章钻进工艺,变形得到就是复合钻柱第i段钻杆长度计算公式。当n1,即为单一钻柱的长度计算公式。当n≠1时,各段钻杆长度之和应满足如下条件,2)钻柱设计举例设计条件设计深度7925米;钻井液浮力系数0.7861;钻压195.767千牛;177.8毫米钻铤每米重量1601牛/米;卡瓦长度406.4毫米;钻杆尺寸114.3和127.0毫米。设计数据拉力余量445千牛;安全系数1.30;卡瓦挤毁比值s/t,查表,114.3毫米1.37;127.0毫米1.42。,第六节钻具,第三章钻进工艺,a.钻铤长度计算问题如果采用复合钻铤又该怎样计算,第六节钻具,第三章钻进工艺,b.钻铤上面第一段钻杆受力较小,可选用强度较低的114.3毫米E级钢钻杆,q1242.3牛/米,py11470.9千牛。由卡瓦挤毁比值计算的最大允许静拉负荷为千牛由拉力余量计算的最大允许静拉负荷为千牛,第六节钻具,第三章钻进工艺,拉力余量445千牛;安全系数1.30;,安全系数小于卡瓦挤毁比值,而卡瓦挤毁比值计算的Pa1大于拉力余量计算的Pa1,故选用三者中最小的最大允许静拉负荷,那么第一段钻杆的长度可用公式计算,第六节钻具,第三章钻进工艺,c.第二段选用强度略高的114.3毫米G105钻杆,q2242.3牛/米,py22059.24千牛。由卡瓦挤毁比值计算的最大允许静拉负荷为千牛由拉力余量计算的最大允许静拉负荷为千牛,,,,,,,第六节钻具,第三章钻进工艺,按卡瓦挤毁比值计算的Pa2小于按拉力余量的计算值,第二段钻杆长度L2可按公式如下计算。,,,,,,,第六节钻具,第三章钻进工艺,d.第三段选用强度更高的127.0毫米G105钻杆,q3284.78牛/米,py32464.387千牛。由卡瓦挤毁比值计算的最大允许静拉负荷为千牛由拉力余量计算的最大允许静拉负荷为千牛,,,,,,,第六节钻具,第四三钻进工艺,按卡瓦挤毁比值计算的最大允许静拉负荷小于按拉力余量计算的,则第三段长度L3可按公式计算。,,,,,,,第六节钻具,第三章钻进工艺,以上计算的结果为177.8毫米钻铤183米114.3毫米、242.3牛/米、E级钻杆3405米114.3毫米、242.3牛/米、G105钻杆2488米127.0毫米、284.78牛/米、G105钻杆934米合计7010米因设计深度为7925米,尚缺915米。,第六节钻具,第三章钻进工艺,第四段选用强度更高的127.0毫米G105钻杆,q4373.66牛/米,py43302.581千牛。由卡瓦挤毁比值计算的最大允许静拉负荷为千牛由拉力余量计算的最大允许静拉负荷为千牛,,,,,,第六节钻具,第三章钻进工艺,计算第四段的长度L4。,,,,,,第六节钻具,第三章钻进工艺,
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