钻井工程.ppt

钻井工程,复习旧课1、钻头的类型2、金刚石钻头与PDC钻头的组成及区别；3、钻头的工作原理。导入新课钻头是破碎岩石的主要工具，需要一定的钻压和转速，钻压和转速是由谁产生和传递的呢,第二章钻柱,一、钻柱的作用与组成二、钻柱的工作状态与受力分析三、钻柱设计四、本章需要10学时,一、钻柱的作用概念钻柱是钻头以上，水龙头以下各部分的管柱的总称。它包括方钻杆、钻杆、钻挺、各种接头、及稳定器等井下工具。（一）、钻柱在钻井过程中的主要作用1、为钻井液由井口流向钻头提供通道；2、给钻头施加适当的压力钻压，使钻头的工作刃不断吃入岩石；3、把地面动力扭矩等传递给钻头，使钻头不断旋转破碎岩石；4、起下钻头；5、根据钻柱的长度计算井深。,第二章钻柱2-1钻柱的作用与组成,（二）钻柱的特殊作用,1、通过钻柱可以观察和了解钻头的工作情况、井眼状况及地层情况等；2、进行取心、挤水泥、打捞井下落物、处理井下事故等特殊作业；3、对地层流体及压力状况进行测试与评价，即钻杆测试，又称中途测试,二、钻柱组成方钻杆钻杆钻铤稳定器配合接头和保护接头其它井下工具减震器、震击器、扩眼器、键槽破坏器,第二章钻柱2-1钻柱的作用与组成,,（一）钻杆1、作用传递扭矩和输送钻井液，延长钻柱。2、结构管体接头,第二章钻柱2-1钻柱的作用与组成,,,,有效长度,3、规范（1）壁厚9～11mm（2）外径73.0，88.9（3），101.6，114、（4），127.0（5英寸），139.7（3）长度18～22ft，27～30ft，38～45ft,第二章钻柱2-1钻柱的作用与组成,4、接头及丝扣（1）丝扣连接2）钻杆接头点（3）钻杆接头类型,尺寸相等，丝扣类型相同，公母扣相匹配。,壁厚较大，外径较大，强度较高。,内平、贯眼、正规。,,,,,内平式主要用于外加厚钻杆。其特点是钻杆通体内径相同，钻井液流动阻力小；但外径较大，容易磨损。贯眼式主要用于内加厚钻杆。其特点是钻杆有两个内径，钻井液流动阻力大于内平式，但其外径小于内平式。正规式主要用于内加厚钻杆及钻头、打捞工具。其特点是接头内径加厚处内径管体内径，钻井液流动阻力大，但外径最小，强度较大。三种类型接头均采用V型螺纹，但扣型、扣距、锥度及尺寸等都有很大的差别。,第二章钻柱2-1钻柱的作用与组成,5、钻杆的通称尺寸指钻杆本体外径6．加重钻杆加重钻杆是用厚壁钢管制造的新型钻柱构件，管体两端和中部有超长的外加厚接头或外加厚段，兼有钻铤和钻杆的功能。它具有以下几个特点1超长的整体接头可以提供较大的耐磨表面和重量，接头螺纹可以多次修复；2比同尺寸的钻杆重，管体和接头外径与普通钻杆一致，内孔是内平的，内孔直径至少等于钻铤的内径。3中部外加厚段起小型稳定器作用。受压时管体可以挠曲，只有两端和中部加厚段接触井壁，管体本身不受磨损。,第二章钻柱2-1钻柱的作用与组成,4耐磨表面是用硬质合金加固的接头，寿命可以延长4倍。钻柱疲劳失效常发生在钻铤以上数根钻杆上，因为从钻铤过渡到钻杆时断面急剧变化，弯曲应力集中在这部分钻杆上。如果在钻铤和钻杆之间加入加重钻杆，则可以缓和断面的变化，减少应力集中，从而减少钻具事故。另外，与钻铤相比，加重钻杆还有打捞容易、可缩短起下钻时间、搬运方便等优点，并能保持定向井的方位，起到稳斜作用。在大钩负荷和钻压相同的情况下，使用加重钻杆，还可提高钻机的钻深能力。国外加重钻杆已广泛用于直井和斜井，据统计已超过数百万根，但我国很少使用。现就国外使用情况分述如下,第二章钻柱2-1钻柱的作用与组成,1用于直井在钻铤和普通钻杆之间连接15～30根加重钻杆，就可防止与钻铤连接的钻杆发生疲劳破坏；2用于定向井定向井钻柱中接上加重钻杆后，可使钻铤和加重钻杆不紧贴在井壁上，从而减少发生泥饼卡钻的可能性，减少卸扣扭矩，在起钻时上提拉力也不会超过井内重量太多。此外，还能更好地控制井斜角和方位角，减少定向工作的次数，从而缩短定向井的建井周期。在定向井中，为了保证足够的钻压，所需的加重钻杆长度比直井在同样钻压下所需长度大，一般在30井眼中需加长度15％，在45井眼中需增加长度40％，在60井眼中需增加长度100。,第二章钻柱2-1钻柱的作用与组成,（二）钻铤1、结构特点管体两端直接车制丝扣，无专门接头；壁厚大38-53毫米），重量大，是钻杆质量的4～6倍刚度大。2、主要作用1给钻头施加钻压;2减轻钻头的振动、摆动和跳动等，使钻头工作平稳；3控制井斜。3、类型光钻铤、螺旋钻铤、扁钻铤。常用尺寸6-1/4，6-1/2，7，8，9英寸,第二章钻柱2-1钻柱的作用与组成,,,,,,,,,,,,,,,有效长度,（三）方钻杆1、类型四方形、六方形2、特点壁厚较大，强度较高3、主要作用传递扭矩和承受钻柱的全部重量。4、常用尺寸89mm3-1/2英寸，108mm4-1/2英寸，133.4mm5-1/2英寸。5、方钻杆统称尺寸方钻杆统称尺寸指方部截面边宽,,6、方钻杆技术规范方钻杆位于钻柱的最上端，有四方形和六方形两种。钻进时，方钻杆与方补心、转盘补心配合，将地面转盘扭矩传递给钻杆，以带动钻头旋转。标准方钻杆全长12．19m，驱动部分长11．25m。为了适应钻柱配合的需要，方钻杆也有多种尺寸和接头类型。方钻杆的壁厚一般比钻杆大三倍左右，并用高强度合金钢制造，故具有较大的抗拉强度及抗扭强度可以承受整个钻柱的重量和旋转钻柱及钻头所需要的矩。,第二章钻柱2-1钻柱的作用与组成,,,,,,,,,,,,,,,上方保接头,下方保接头,,,,,,,方钻杆旋转时，上端始终处于转盘面以上，下部则处在转盘面以下。方钻杆上端至水龙头的连接部位的丝扣均为左旋丝扣反扣，以防止方钻杆转动时卸扣。方钻杆下端至钻头的所有连接丝扣均为右旋转扣正扣，在方钻杆带动钻柱旋转时，丝扣越上越紧。为减轻方钻杆下部接头丝扣经常拆卸部位的磨损，常在该部位装保护接头。加上两端方保接头，全长14～15米。,第二章钻柱2-1钻柱的作用与组成,5、方钻杆技术规范,（四）稳定器,1、作用防止井斜；控制井眼轨迹,2、类型刚性稳定器、不转动橡胶套稳定器、滚轮稳定器,其中刚性稳定器螺旋棱（长棱、短棱）；直棱（长棱、短棱）,,第二章钻柱2-1钻柱的作用与组成,,第二章钻柱2-1钻柱的作用与组成,（五）配合接头1、作用把两端不符合连接条件的钻柱连接在一起。2、接头的类型,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,有效长度,有效长度,有效长度,有效长度,（1）,（4）,（3）,（2）,注（1）公母扣接头；（2）双公扣接头;（3）双母扣接头（4）特殊接头,小结1、钻柱的作用,第二章钻柱2-1钻柱的作用与组成,钻柱在钻井过程中的主要作用,钻柱的特殊作用,2、钻柱组成,钻杆、钻铤、方钻杆、稳定器、配合接头,作业1、钻柱的概念2、钻柱的作用有哪些3、钻柱的组成,,一、钻柱的工作状态1.起下钻工况下（1）直井直的拉伸、滑动（2）斜井随井眼倾斜和弯曲，滑动。2.正常钻进工况下上部受拉伸，下部受压弯曲；在扭矩作用下旋转运动。下部钻柱弯曲的原因钻压的作用使下部钻柱受压缩，当压力达到钻柱的临界压力，钻柱将失去直线稳定状态而发生弯曲并与井触。压力较大时可能发生多次弯曲。,第二章钻柱2-2钻柱的工作状态及受力分析,3.钻柱的旋转运动形式1自转。钻柱像一根柔性轴，围绕自身轴线旋转。钻柱自转时，在整个圆周上与井壁接触，产生均匀磨损。弯曲钻柱在自转时，受到交变弯曲应力的作用，容易发生疲劳破坏。在软地层弯曲井段，钻柱自转容易形成键槽，起钻时可能造成卡钻事故。2公转。钻柱像一个刚体，围绕着井眼轴线旋转并沿着井壁滑动。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。,第二章钻柱2-1钻柱工作状态及受力分析,第二章钻柱2-1钻柱工作状态及受力分析,（3）公转与自转的结合钻柱围绕井眼轴线旋转，同时围绕自身轴线转动，即不是沿着井壁滑动而是滚动。在这种情况下，钻柱磨损均匀，但受交变应力的作用，循环次数比自转时低得多。比较简单。（4）纵向振动钻头振动引起，产生交变应力。5）扭转振动由井底对钻头旋转阻力的变化引起，产生交变扭剪应力。（6）横向摆振达到某一临界转速，可能产生无规则摆动，产生交变弯曲应力。一般认为弯曲钻柱旋转的主要形式是自转，但也可能产生公转或两种运动形式的结合，既有自转，也有公转。,二、钻柱的受力分析1.概述（1）自重产生的拉力（2）钻压产生的压力（3）钻井液的浮力（4）摩擦阻力（5）循环压降产生的附加拉力（7）起下钻时产生的动载荷（8）扭距（9）弯曲应力（10）离心力（11）外挤力（12）振动产生的交变应力钻柱受力最严重的部位1）井口断面拉力最大，扭距最大；2）下部受压弯曲部分交变轴向应力、弯曲应力、扭剪应力3）中性点拉压交变载荷。,,轴向力,第二章钻柱2-2钻柱工作状态及受力分析,,（二）.钻柱的受力分析1、轴向拉力和压力（1）自重产生的轴向拉力（井内掏空时）（2）浮重产生的轴向力式中称为“浮力减轻系数”（3）正常钻进时的轴向力,第二章钻柱2-2钻柱工作状态及受力分析,（4）其它轴向力的计算循环压降引起的附加轴向拉力滑动摩擦阻力动载荷（5）起下钻时钻柱轴向力,第二章钻柱2-2钻柱工作状态及受力分析,（5）中性点钻柱上轴向力等于零的点Ｎ点亦称中和点，NeutralPoint。垂直井眼中钻柱的中性点高度式中中性点距井底的高度，m。重要意义1）设计钻柱时要确保中性点始终落在钻铤上。为什么2）指导松扣、造扣等特殊作业。3）中性点附近钻柱受交变应力作用，易疲劳破坏。,钻柱轴向力分布与中性点,,第二章钻柱2-2钻柱工作状态及受力分析,第二章钻柱2-2钻柱工作状态及受力分析,2．扭矩,3．弯曲力矩,4．离心力,,,,（1）转盘钻井时，转盘扭矩是由钻柱传递给钻头。井口最大。（2）在井下动力钻井中，钻柱承受的扭矩为动力钻具的反扭矩，在井底处最大，往上逐渐减小。,在转盘钻井中，钻柱弯曲。产生弯曲力矩的作用,,当钻柱绕井眼轴线公转时，将产生离心力。离心力将引起钻柱弯曲或加剧钻柱的弯曲变形。,5．外挤压力钻杆测试DST时，钻杆将承受很大的外挤压力。进行钻杆测试时，一般都在钻柱底部装一封隔器，用以封隔下部地层和管外环空。钻杆下入井内控制阀是关闭的，因此钻井液不能进入钻杆内，封隔器压紧后打开控制阀，地层流体才流入钻柱内。,第二章钻柱2-2钻柱工作状态及受力分析,7．扭转振动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，降低钻柱的寿命。扭转振动和钻头结构、岩石性质均匀程度、钻压及转速等因素有关。特别是使用刮刀钻头钻软硬交错地层时，钻柱可能产生剧烈的扭振，出现所谓“蹩跳”现象。,第二章钻柱2-2钻柱工作状态及受力分析,6．纵向振动钻进时，钻头转动特别是牙轮钻头会引起钻柱的纵向振动，在钻柱中性点附近产生交变的轴向应力。纵向振动和钻头结构、所钻地层性质、泵量不均匀、钻压及转速等因素有关。当纵向振动的周期和钻柱本身固有的振动周期相同时或成倍当钻柱绕井眼轴线公转时，将产生离心力。离心力将引起钻柱弯曲或加剧钻柱的弯曲变形。数，就会产生共振现象，振幅急剧增大。,8．横向摆振在某一临界转速下，钻柱将出现摆振，其结果是使钻柱产生公转，引起钻柱严重偏磨。由以上分析可知，转盘钻井时钻柱的受力情况是比较复杂的。这些载荷就性质来讲，可分为不变的和交变的两大类。由轴向载荷和扭矩产生的拉应力、压应力和剪应力属于不变应力；属于交变应力的有弯曲应力、扭转振动引起的剪应力。,第二章钻柱2-2钻柱工作状态及受力分析,三、钻柱的损坏钻柱的损坏形式疲劳破坏（纯疲劳破坏；伤痕疲劳破坏；腐蚀疲劳破坏）1、疲劳破坏指钻柱在长期交变应力的作用下发生的破坏。（1）纯疲劳破坏指钻柱在没有任何其他原因发生的破坏。（2）伤痕疲劳破坏（钻柱本身缺陷；电弧烧伤；大钳咬伤；卡瓦伤痕等）（3）腐蚀疲劳破坏（化学腐蚀；电化学腐蚀）2、氢脆破坏就是钻柱在硫化氢介质中发生的突然断裂和裂缝。即氢原子渗入到金属中产生的破坏。3、减少疲劳破坏采取的措施（1）钻杆始终处于拉伸状态，保证钻铤在钻井液中的重力大于最大钻压。（2）使用减震器（3）弯曲井段使用加重钻杆（4）使用好起下钻工具（5）控制好钻井掖性能（6）定期检查钻杆,第二章钻柱2-2钻柱工作状态及受力分析,一、设计内容1、尺寸选择2、钻铤柱长度计算3、钻杆柱强度设计及校核。二、设计原则1、满足强度（抗拉、抗挤强度等）要求，保证钻柱安全工作；2、尽量减轻整个钻柱的重力，以便在现有的抗负荷能力下钻更深的井。三、钻柱尺寸选择1.依据（1）钻机的提升能力；（2）井眼尺寸；（3）地质条件；（4）工艺要求；（5）供货情况。,第二章钻柱2-3钻柱设计,3.经验配合关系,第二章钻柱2-3钻柱设计,（6）井身结构（7）防斜措施2、原则（1）尽量选用大尺寸的方钻杆（2）在钻机提升能力允许的条件下选用大尺寸的钻杆（3）钻铤一般选用与钻杆接头相等或相近的尺寸,4、使用大直径钻铤具有下列优点1、可用较少的钻铤满足所需钻压的要求，减少钻铤，也可减少起下钻时连接钻铤的时间；2、提高了钻头附近钻柱的刚度，有利于改善钻头工况；3、钻铤和井壁的间隙较小，可减少连接部分的疲劳破坏；4、有利于防斜。,第二章钻柱2-3钻柱设计,四、钻铤长度的确定浮重原则保证在最大钻压时钻杆不承受压缩载荷，即保持中性点始终处在钻铤上。计算公式式中钻铤长度，m；设计的最大钻压，kN；安全系数，考虑附加力（动载、井壁摩擦力等），防止中性点移动较弱的钻杆上，一般取1.15～1.25；每米钻铤在空气中的重力，kN/m；KB浮力系数；井斜角度数，直井时，0。,第二章钻柱2-3钻柱设计,,五、钻杆柱强度设计1.强度条件Ft≤Fa式中Ft钻杆柱任一截面上的静拉伸载荷，kN；Fa钻杆柱的最大安全静拉力，kN。（1）钻杆在屈服强度下的抗拉载荷钻杆材料的屈服强度所允许的最大抗拉载荷。式中钻杆钢材的最小屈服强度，MPa；钻杆的横截面积，cm2；最小屈服强度下的抗拉载荷，kN。可以计算,也可以从表2－14中查出。,第二章钻柱2-3钻柱设计,,（2）钻杆的最大允许拉伸力Fp式中钻杆的最大允许拉伸载荷，kN。（3）钻杆的最大安全静拉力Fa①安全系数法（考虑起下钻时的动载及摩擦力）式中安全系数，一般取1.30。②设计系数法（考虑卡瓦挤压）③拉力余量法式中MOP拉力余量，一般取200～500KN。,第二章钻柱2-3钻柱设计,2.钻杆柱强度设计按最大安全静拉力Fa设计钻杆柱的最大允许下深（长度）。。（1）单一钻杆柱设计强度条件最大允许下深（2）复合钻杆柱设计（深井）思路由下而上，所受拉伸载荷逐渐增大，强度应逐渐增大。故由钻铤上面第一段钻杆开始，先选择强度较低的钻杆，确定其许用长度；再逐段向上选择强度更高的钻杆进行设计。这样设计出来的钻杆柱，由下而上强度逐级增大以满足抗拉强度的要求。每段钻杆满足强度条件,第二章钻柱2-3钻柱设计,钻铤上面第一、二、三、四段钻杆的长度相应各段钻杆的最大安全静拉力相应各段钻杆在空气中的单位长度重力,第二章钻柱2-3钻柱设计,3.强度较核（1）抗外挤强度较核式中──最大安全外挤载荷,MPa；──钻杆的最小抗挤压力，MPa；──安全系数，一般应不小于1.125。（2）抗扭强度较核式中M-钻杆承受的扭矩,kNm；P-使钻柱旋转所需的功率，kW；n-转速，rpm。（3）抗内压强度较核不同尺寸、钢级和级别的钻杆的最小抗内压力可在APIRP7G标准中查得，用适当的安全系数去除它，即得其许用净内压力,第二章钻柱2-3钻柱设计,例题1,某井用Φ127mm钻杆372.4N/m2200m，Φ158.8mm钻铤1328N/m150m及Φ212mm钻头，钻井液密度1.2kg/l。钻进时加钻压180kN，求中性点位置。[解]①0.846②164千牛180千牛，故中性点落在钻杆上③设中性点高度（距井底距离）为米200.786米,,,,例题2（1）设计参数①井深5000m;②井径215.9mm8-1/2in;③钻井液密度1.2g/cm3;④钻压180kN;⑤井斜角3;⑥拉力余量200kN本例假设;⑦卡瓦长度406.4mm;⑧安全系数1.30本例假设。（2）钻铤选择①选用外径158.75mm6-1/4in、内径57.15mm2-1/4in钻铤，每米重力qc1.35kN/m。②计算钻铤长度,六、钻柱设计,,式中─最大钻压,180kN;─安全系数,取1.18;─每米钻铤在空气中的重力,1.35kN/m；─浮力系数,计算得0.85;─井斜角,3。计算得1801.18/1.350.85cos3185m按每米钻铤10m计，需用19根钻铤,总长190m。（3）选择第一段钻杆（接钻铤）①选用外径127mm、内径108.6mm，每米重284.69N/m，E级新钻杆，最小抗拉载荷1760KN。②最大长度计算最大安全静拉载荷为0.91760/1.301218.46kN0.91760/1.421115.49kN0.91760-2001384kN,,由上面的计算可以看出,按卡瓦挤毁比值计算的最小，则第一段钻杆的许用长度为1115.49/284.6910-30.856-1901.35/284.6910-33675m（4）选择第二段钻杆①选用外径127mm,内径108.6mm，每米重284.69N/m，X-95级新钻杆，最小抗拉载荷为2229.71kN。②最大长度计算最大安全静拉载荷计算如下0.92229.71/1.301543.645kN0.92229.71/1.421413.196kN0.92229.71-2001806.739kN那么，第二段钻杆的最大允许长度为1413.196/287.6910-30.856-1.35190284.6910-33675/284.6910-31221m钻柱总长已超过设计井深。,,最后设计的钻柱组合见表2-23。表2-23钻柱组合设计结果,复习思考题1、钻柱的概念2、钻柱主要由哪几部分组成其主要功用有哪些3、钻柱的旋转运动形式4、钻柱工作状态5、钻柱在井内受哪些力的作用6、钻柱设计内容7、设计原则8、钻柱尺寸选择依据9、使用大直径钻铤具有下列优点10、何谓钻柱的中性点为什么要保证中性点落在钻挺上11、钻柱的哪些部位受力最严重都受到什么载荷的作用12、钻杆柱设计主要考虑哪种力的作用强度条件是什么13、什么叫最大安全静拉载荷如何确定钻柱的最大安全静拉载荷14、必须会计算钻柱的中性点位置以及钻铤使用长度。,