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1、單擊此處編輯母版標題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,鉆井工程,復習舊課：,1,、鉆頭的類型,2,、金剛石鉆頭與,PDC,鉆頭的,組成及區別；,3,、鉆頭的工作原理。,導入新課,：鉆頭是破碎巖石的主要工具，需要一定的鉆壓和轉速，鉆壓和轉速是由誰產生和傳遞的呢,？,第二章 鉆柱,一、鉆柱的作用與組成,二、鉆柱的工作 狀態與受力分析,三、鉆柱設計,四、本章需要,10,學時,一、鉆柱的作用,概念,：,鉆柱是鉆頭以上，水龍頭以下各部分的管柱的總稱。它包括方鉆桿、鉆桿、鉆挺、各種接頭、及穩定器等井下工具。,（一）、鉆柱在鉆井過程中的主要作用,1,、為鉆井液由井口流向鉆頭
2、提供通道；,2,、給鉆頭施加適當的壓力,(,鉆壓,),，使鉆頭的工作刃不斷吃入巖石；,3,、把地面動力,(,扭矩等,),傳遞給鉆頭，使鉆頭不斷旋轉破碎巖石；,4,、起下鉆頭；,5,、根據鉆柱的長度計算井深。,第二章 鉆 柱,2-1,鉆柱的作用與組成,（二）鉆柱的特殊作用,1,、通過鉆柱可以觀察和了解鉆頭的工作情況、井眼狀況及地層情況等；,2,、進行取心、擠水泥、打撈井下落物、處理井下事故等特殊作業；,3,、對地層流體及壓力狀況進行測試與評價，即鉆桿測試，又稱中途測試,二、鉆柱組成,方鉆桿,鉆桿,鉆鋌,穩定器,配合接頭和保護接頭,其它井下工具：,減震器、震擊器、,擴眼器、鍵槽破壞器,第二章 鉆
3、柱,2-1,鉆柱的作用與組成,（一）鉆桿,1,、作用：傳遞扭矩和輸送鉆井液，延長鉆柱。,2,、結構：管體,+,接頭,第二章 鉆 柱,2-1,鉆柱的作用與組成,有效長度,3,、規范,：,（,1,）壁厚：,9,11mm,（,2,）外徑：,73.0,，,88.9,（,3,）,，,101.6,，,114,、（,4,）,，,127.0,（,5,英寸）,，,139.7,（,3,）長度：,18,22ft,，,27,30ft,，,38,45ft,第二章 鉆 柱,2-1,鉆柱的作用與組成,4,、接頭及絲扣,（,1,）絲扣連接,：,2,）,鉆桿接頭點,（,3,）鉆桿接頭類型：,尺寸相等，絲扣類型,相同，公母扣相匹
4、配。,壁厚較大，外徑較大，強度較高。,內平、貫眼、正規。,內平式：,主要用于外加厚鉆,桿。其特點是鉆桿通體內徑相同，,鉆井液流動阻力?。坏鈴捷^大，,容易磨損。,貫眼式：,主要用于內加厚鉆,桿。其特點是鉆桿有兩個內徑，,鉆井液流動阻力大于內平式，但,其外徑小于內平式。,正規式：,主要用于內加厚鉆,桿及鉆頭、打撈工具。其特點是,接頭內徑,加厚處,內徑,管體內徑，,鉆井液流動阻力大，但外徑最小，,強度較大。,三種類型接頭均采用,V,型螺紋，,但扣型、扣距、錐度及尺寸等都,有很大的差別。,第二章 鉆 柱,2-1,鉆柱的作用與組成,5,、鉆桿的通稱尺寸：,指鉆桿本體外徑,6,加重鉆桿,加重鉆桿是用厚壁
5、鋼管制造的新型鉆柱構件，管體兩端和中部有超長的外加厚接頭或外加厚段，兼有鉆鋌和鉆桿的功能。它具有以下幾個特點：,(1),超長的整體接頭可以提供較大的耐磨表面和重量，接頭螺紋可以多次修復；,(2),比同尺寸的鉆桿重，管體和接頭外徑與普通鉆桿一致，內孔是內平的，內孔直徑至少等于鉆鋌的內徑。,(3),中部外加厚段起小型穩定器作用。受壓時管體可以撓曲，只有兩端和中部加厚段接觸井壁，管體本身不受磨損。,第二章 鉆 柱,2-1,鉆柱的作用與組成,(4),耐磨表面是用硬質合金加固的接頭，壽命可以延長,4,倍。,鉆柱疲勞失效常發生在鉆鋌以上數根鉆桿上，因為從鉆鋌過渡到鉆桿時斷面急劇變化，彎曲應力集中在這部分鉆
6、桿上。如果在鉆鋌和鉆桿之間加入加重鉆桿，則可以緩和斷面的變化，減少應力集中，從而減少鉆具事故。另外，與鉆鋌相比，加重鉆桿還有打撈容易、可縮短起下鉆時間、搬運方便等優點，并能保持定向井的方位，起到穩斜作用。在大鉤負荷和鉆壓相同的情況下，使用加重鉆桿，還可提高鉆機的鉆深能力。國外加重鉆桿已廣泛用于直井和斜井，據統計已超過數百萬根，但我國很少使用?，F就國外使用情況分述如下：,第二章 鉆 柱,2-1,鉆柱的作用與組成,(1),用于直井：在鉆鋌和普通鉆桿之間連接,15,30,根加重鉆桿，就可防止與鉆鋌連接的鉆桿發生疲勞破壞；,(2),用于定向井：定向井鉆柱中接上加重鉆桿后，可使鉆鋌和加重鉆桿不緊貼在井壁
7、上，從而減少發生泥餅卡鉆的可能性，減少卸扣扭矩，在起鉆時上提拉力也不會超過井內重量太多。此外，還能更好地控制井斜角和方位角，減少定向工作的次數，從而縮短定向井的建井周期。,在定向井中，為了保證足夠的鉆壓，所需的加重鉆桿長度比直井在同樣鉆壓下所需長度大，一般在,30,井眼中需加長度,15,，在,45,井眼中需增加長度,40,，在,60,井眼中需增加長度,100%,。,第二章 鉆 柱,2-1,鉆柱的作用與組成,（二）鉆鋌,1,、,結構特點：管體兩端直接車制絲扣，無專門接頭；壁厚大,(38-53,毫米），重量大，是鉆桿質量的,4,6,倍,剛度大。,2,、,主要作用：,(1),給鉆頭施加鉆壓,;,(2
8、),減輕鉆頭的振動、擺動和跳動等，使鉆頭工作平穩；,(3),控制井斜。,3,、,類 型：光鉆鋌、螺旋鉆鋌、扁鉆鋌。,常用尺寸：,6-1/4,，,6-1/2,，,7,，,8,，,9,英寸,第二章 鉆 柱,2-1,鉆柱的作用與組成,有效長度,（三）方鉆桿,1,、類 型：四方形、六方形,2,、,特 點：壁厚較大，強度較高,3,、主要作用：傳遞扭矩和承受鉆柱的全部重量。,4,、常用尺寸：,89mm(3-1/2,英寸,),，,108mm(4-1/2,英寸,),，,133.4mm (5-1/2,英寸,),。,5,、,方鉆桿統稱尺寸：,方鉆桿統稱尺寸指方部截面邊寬,6,、,方鉆桿技術規范,方鉆桿位于鉆柱的最
9、上端，有四方形和六方形兩種。鉆進時，方鉆桿與方補心、轉盤補心配合，將地面轉盤扭矩傳遞給鉆桿，以帶動鉆頭旋轉。,標準方鉆桿全長,12,19 m,，驅動部分長,11,25 m,。為了適應鉆柱配合的需要，方鉆桿也有多種尺寸和接頭類型。方鉆桿的壁厚一般比鉆桿大三倍左右，并用高強度合金鋼制造，故具有較大的抗拉強度及抗扭強度可以承受整個鉆柱的重量和旋轉鉆柱及鉆頭所需要的矩。,第二章 鉆 柱,2-1,鉆柱的作用與組成,上方保接頭,下方保接頭,方鉆桿旋轉時，上端始終處于轉盤面以上，下部則處在轉盤面以下。方鉆桿上端至水龍頭的連接部位的絲扣均為左旋絲扣,(,反扣,),，以防止方鉆桿轉動時卸扣。方鉆桿下端至鉆頭的所
10、有連接絲扣均為右旋轉扣,(,正扣,),，在方鉆桿帶動鉆柱旋轉時，絲扣越上越緊。為減輕方鉆桿下部接頭絲扣,(,經常拆卸部位,),的磨損，常在該部位裝保護接頭。加上兩端方保接頭，全長,14,15,米。,第二章 鉆 柱,2-1,鉆柱的作用與組成,5,、方鉆桿技術規范,（四）穩定器,1,、作用：防止井斜；控制井眼軌跡,2,、類型：剛性穩定器、不轉動橡膠套穩定器、,滾輪穩定器,其中：剛性穩定器：螺旋棱（長棱、短棱）；,直棱（長棱、短棱）,第二章 鉆 柱,2-1,鉆柱的作用與組成,第二章 鉆 柱,2-1,鉆柱的作用與組成,（五）配合接頭,1,、作用：把兩端不符合連接條件的鉆柱連接在一起。,2,、接頭的類型
11、,有效長度,有效長度,有效長度,有效長度,（,1,）,（4）,（3）,（2）,注：,（,1,）公母扣接頭；,（,2,）雙公扣接頭,;,（,3,）雙母扣接頭,（,4,）特殊接頭,小結：,1,、鉆柱的作用：,第二章 鉆 柱,2-1,鉆柱的作用與組成,鉆柱在鉆井過程中的主要作用,鉆柱的特殊作用,2,、鉆柱組成：,鉆桿、鉆鋌、方鉆桿、穩定器、,配合接頭,作業：,1,、,鉆柱的概念？,2,、鉆柱的作用有哪些？,3,、鉆柱的組成？,一、鉆柱的工作狀態,1.,起下鉆工況下：,（,1,）直井：直的拉伸、滑動,（,2,）斜井：隨井眼傾斜和彎曲，滑動。,2.,正常鉆進工況下,上部受拉伸，下部受壓彎曲；在扭矩作用下
12、旋轉運動。,下部鉆柱彎曲的原因：,鉆壓的作用使下部鉆柱受壓縮，當壓力達到鉆柱的臨界,壓力，鉆柱將失去直線穩定狀態而發生彎曲并與井觸。,壓力較大時可能發生多次彎曲。,第二章 鉆 柱,2-2,鉆柱的,工作狀態及受力分析,3.,鉆柱的旋轉運動形式,：,(1),自轉。鉆柱像一根柔性軸，圍繞自身軸線旋轉。鉆柱自轉時，在整個圓周上與井壁接觸，產生均勻磨損。彎曲鉆柱在自轉時，受到交變彎曲應力的作用，容易發生疲勞破壞。在軟地層彎曲井段，鉆柱自轉容易形成鍵槽，起鉆時可能造成卡鉆事故。,(2),公轉。,鉆柱像一個剛體，圍繞著井眼軸線旋轉并沿著井壁滑動。鉆柱公轉時，不受交變彎曲應力的作用，但產生不均勻的單向磨損,(
13、,偏磨,),，從而加快了鉆柱的磨損和破壞。,第二章 鉆 柱,2-1,鉆柱,工作狀態及受力分析,第二章 鉆 柱,2-1,鉆柱,工作狀態及受力分析,（,3,）公轉與自轉的結合,鉆柱圍繞井眼軸線旋轉，同時圍繞自身軸線轉動，即不是沿著井壁滑動而是滾動。在這種情況下，鉆柱磨損均勻，但受交變應力的作用，循環次數比自轉時低得多。,比較簡單。,（,4,）縱向振動,鉆頭振動引起，產生交變應力。,(5,）扭轉振動,由井底對鉆頭旋轉阻力的變化引起，產生交變扭剪應力。,（,6,）橫向擺振,達到某一臨界轉速，可能產生無規則擺動，產生交變彎曲應力。,一般認為彎曲鉆柱旋轉的主要形式是自轉，但也可能產生公轉或兩種運動形式的結
14、合，既有自轉，也有公轉。,二、鉆柱的受力分析,1.,概述,（,1,）自重產生的拉力,（,2,）鉆壓產生的壓力,（,3,）鉆井液的浮力,（,4,）摩擦阻力,（,5,）循環壓降產生的附加拉力,（,7,）起下鉆時產生的動載荷,（,8,）扭距,（,9,）彎曲應力,（,10,）離心力,（,11,）外擠力,（,12,）振動產生的交變應力,鉆柱受力最嚴重的部位：,1,）井口斷面,拉力最大，扭距最大；,2,）下部受壓彎曲部分,交變軸向應力、彎曲應力、扭剪應力,3,）中性點,拉壓交變載荷。,軸向力,第二章 鉆 柱,2-2,鉆柱,工作狀態及受力分析,（二）,.,鉆柱的受力分析,1,、,軸向拉力和壓力,（,1,）自
15、重產生的軸向拉力（井內掏空時）：,（,2,）浮重產生的軸向力：,式中：,稱為“浮力減輕系數”,（,3,）正常鉆進時的軸向力：,W,F,第二章 鉆 柱,2-2,鉆柱,工作狀態及受力分析,（,4,）其它軸向力的計算,循環壓降引起的附加軸向拉力：,滑動摩擦阻力：,動載荷：,（,5,）起下鉆時鉆柱軸向力：,第二章 鉆 柱,2-2,鉆柱,工作狀態及受力分析,（,5,）中性點,鉆柱上軸向力等于零的點,(,點,),(,亦稱中和點，,Neutral Point),。,垂直井眼中鉆柱的中性點高度：,式中：,中性點距井底的高度，,m,。,重要意義：,1,）設計鉆柱時要確保中性點始終落在鉆鋌上。為什么？,2,）指導
16、松扣、造扣等特殊作業。,3,）中性點附近鉆柱受交變應力作用，易疲勞破壞。,鉆柱軸向力分布與中性點,第二章 鉆 柱,2-2,鉆柱,工作狀態及受力分析,第二章 鉆 柱,2-2,鉆柱,工作狀態及受力分析,2,扭矩,3,彎曲力矩,4,離心力,（,1,）轉盤鉆井時，轉盤扭矩是由鉆柱傳遞給鉆頭。井口最大。,（,2,）在井下動力鉆井中，鉆柱承受的扭矩為動力鉆具的反扭矩，在井底處最大，往上逐漸減小。,在轉盤鉆井中，鉆柱彎曲。產生彎曲力矩的作用,當鉆柱繞井眼軸線公轉時，將產生離心力。離心力將引起鉆柱彎曲或加劇鉆柱的彎曲變形。,5,外擠壓力,鉆桿測試,(DST),時，鉆桿將承受很大的外擠壓力。進行鉆桿測試時，一般都在鉆柱底部裝一封隔器，用以封隔下部地層和管外環空。鉆桿下入井內控制閥是關閉的，因此鉆井液不能進入鉆桿內，封隔器壓緊后打開控制閥，地層流體才流入鉆柱內。,第二章 鉆 柱,2-2,鉆柱,工作狀態及受力分析,7,扭轉振動,當井底對鉆頭旋轉的阻力不斷變化時，會引起鉆柱的扭轉振動，因而產生交變剪應力，降低鉆柱的壽命。扭轉振動和鉆頭結構、巖石性質均勻程度、鉆壓及轉速等因素有關。特別是使用刮刀鉆頭鉆軟硬交錯地
鉆柱受力分析
