某井鉆柱強度校核畢業(yè)論文

1、<p><b>　　某井鉆柱強度校核</b></p><p>　　摘 要：由于某井是一口5110米的深井水平井，水平位移680米，水平段距離380米。在鉆井過程中不可避免地要遇到卡鉆、弊鉆、處理事故等過扭矩操作。因此鉆桿的抗扭強度是關鍵參數(shù)。鉆桿接頭的抗扭強度是一個多變量函數(shù)，這些變量包括鋼材強度、接頭尺寸、螺紋形式、導程、錐度以及配合面螺紋或臺肩的預緊力及摩擦系數(shù)等。鉆桿接頭的外

2、徑和內(nèi)徑，在一定程度上決定了接頭的抗扭強度，對鉆桿的抗扭強度進行校核，保證管體的抗扭屈服強度。</p><p>　　鉆桿的結(jié)構設計決定了鉆桿的性能，在同樣材料，同樣工況，鉆桿外徑相同的情況下，不同結(jié)構尺寸的鉆桿所表現(xiàn)出的性能也不一樣，因此，通過對鉆桿結(jié)構設計進行強度計算和校核不僅僅有著實際應用的意義，更可以從另一種角度，例如結(jié)合鉆桿失效等問題，來探索研究更合理的鉆桿結(jié)構設計，本文依據(jù)API給出的標準，在前人研究結(jié)

3、果的基礎上，對某廠的S135鉆桿進行理化性能分析和結(jié)構設計的強度計算與校核。</p><p>　　目前在鉆桿的使用中,失效問題是鉆桿研究中的重要課題,基于鉆桿的失效分析,從失效的角度來分析優(yōu)化鉆桿在結(jié)構設計上應注意的問題,為今后的鉆桿結(jié)構設計提出一些理論依據(jù)。具體內(nèi)容如下：</p><p>　　1. 油田鉆具失效現(xiàn)狀調(diào)研； </p><p>　　2. 某公司 S

4、135 鉆桿材料理化性能分析； </p><p>　　3. 某公司 S135 鉆桿強度分析計算； </p><p>　　關鍵詞：鉆柱；強度計算；設計；校核；鉆具失效</p><p>　　A well drilling column strength check</p><p>　　Abstract: Due to a well of 511

5、0 is an one mouthful of horizontal Wells rice. Horizontal displacement is 680 meters. Horizontal distance is 3.8 meters. In drilling process, accident treatment and disadvantages will be inevitably stucked, such as torqu

6、e operation. Therefore pipe wrest resistant strength is the key parameters. Drill pipe joints wrest resistant intensity is a multivariate function. These variables include steel strength, connector size, thread form, pal

7、pitation, taper and surface th</p><p>　　Pipe structure design decision was designed. Simulated performance, in the same materials , conditions ,and pipe diameter in the same case, different structure size of

8、 drill pipe showed what performance is not the same. Therefore, through the structure design of drill pipe calculated and checked the strength that is not just the meaning of practical application. For example, with the

9、pipe failure to explore more reasonable drill pipe research, which is based on the structure design are given in </p><p>　　Failure is an important subject in the research of drill pipe, which is based on the

10、 drill pipe failure analysis that from the perspective of failure in the structural design optimization drill problems that should be paid attention to on the drill pipe structure, in order to put forward some theoretica

11、l basis for design . Specific content as follows :</p><p>　　1. Oilfield drilling tools failure situation investigation; </p><p>　　2. A company S135 pipe materials; chemical performance analysis;

12、 </p><p>　　3. A company S135 pipe strength calculation and analysis ;</p><p>　　keyword: drill column, Strength calculation, Design, Check, Drilling tools, failure</p><p><b>　　

13、目 錄</b></p><p><b>　　緒論1</b></p><p>　　1. 課題的意義1</p><p>　　2. 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀2</p><p><b>　　1 鉆柱5</b></p><p>　　1.1 鉆柱的工作狀態(tài)5<

14、/p><p>　　1.2 鉆柱的受力分析8</p><p>　　1.3 鉆井過程中各種應力的計算11</p><p>　　1.3.1 鉆柱軸向應力的計算11</p><p>　　1.3.2 鉆柱下部壓力（Compressive stress）的計算14</p><p>　　1.3.3 鉆柱剪應力（Shea

15、r stress）的計算15</p><p>　　1.3.4 鉆柱彎曲應力（Bending stress）的計算17</p><p>　　1.3.5 鉆柱抗擠（collapse Resistance）計算19</p><p>　　2 鉆具失效現(xiàn)狀及分析23</p><p>　　2.1 鉆具主要失效類型23</p>

16、<p>　　2.2.1 過量變形23</p><p>　　2.2.2 斷裂23</p><p>　　2.2.3 表面損傷24</p><p>　　2.2 鉆具失效的原因25</p><p>　　2.3 預防鉆具失效的措施探討26</p><p>　　3 某公司S135鉆桿理化性能分析

17、28</p><p>　　3.1 管體化學成分28</p><p>　　3.2 接頭化學成分28</p><p>　　3.3 管體、加厚對焊區(qū)的機械性能28</p><p>　　3.4 工具接頭的機械性能29</p><p>　　4 某公司 S135 鉆桿強度分析計算30</p>&l

18、t;p>　　4.1 鉆桿抗拉強度計算30</p><p>　　4.2 鉆桿抗扭屈服強度計算31</p><p>　　4.2.1 鉆桿管體的抗扭強度關31</p><p>　　4.2.2 旋接接頭扭矩計算33</p><p>　　4.3 鉆桿抗擠強度計算34</p><p>　　4.3.1 屈

19、服強度擠毀壓力計算公式34</p><p>　　4.3.2 塑性擠毀壓力公式35</p><p>　　4.3.3 過渡擠毀壓力公式37</p><p>　　4.3.4 彈性擠毀壓力公式38</p><p>　　4.4 鉆桿抗內(nèi)壓強度計算40</p><p>　　4.5 對焊區(qū)的強度計算40<

20、/p><p>　　4.5.1 對焊區(qū)抗拉強度的計算40</p><p>　　4.5.2 對焊區(qū)抗扭強度的計算41</p><p>　　4.5.3 對焊區(qū)抗擠毀強度的計算41</p><p>　　4.5.4 對焊區(qū)抗內(nèi)壓強度計算41</p><p>　　4.6 某水平井鉆柱設計42</p>

21、<p>　　4.6.1 一開鉆具組合42</p><p>　　4.6.2 二開鉆具組合42</p><p>　　4.6.3 三開鉆具組合42</p><p>　　4.6.4 四開鉆具組合43</p><p>　　4.7 鉆具強度校核43</p><p>　　4.7.1 抗拉強度校核43

22、</p><p>　　4.7.2 抗扭強度校核43</p><p>　　4.8 校核結(jié)果45</p><p><b>　　5 總結(jié)46</b></p><p><b>　　參考文獻47</b></p><p><b>　　致 謝49</b>

23、;</p><p><b>　　緒論</b></p><p><b>　　1. 課題的意義</b></p><p>　　我的畢業(yè)設計題目是《某井鉆柱的強度校核》，研究此題目的意義在于闡述保證鉆柱使用前滿足某井對其的性能的要求，在鉆井時，能保證安全生產(chǎn)的前提下能順利完成鉆井作業(yè)，并能適應某井所處的特殊的地況，并能幫助工作人

24、員完成其他各種井下作業(yè)。</p><p>　　石油勘探是一個高風險、高投入、高難度的行業(yè)。一口井的成本一般高達數(shù)十萬至上千萬元人民幣。鉆柱是鉆井過程中，主要的鉆井工具之一，它是連通地下與地面的樞紐，轉(zhuǎn)盤鉆井時，靠它來傳遞破碎巖石所需的能量，給井底施加鉆壓，以及循環(huán)鉆井液等。在井下動力鉆井時，井下動力鉆具是用鉆柱送到井底并靠它來承受反扭矩，同時鉆頭和動力鉆具所需的液體能量也是通過鉆柱輸送到井底的，在鉆井過程中，鉆頭

25、的工作，甚至井下地層的各種變化，往往是通過鉆柱及各種儀表才能反映到地面上來。合理的鉆井技術參數(shù)及其他措施，也只能在正確使用鉆柱的條件下才能實現(xiàn)。除了正常鉆井以外，鉆井過程中的其他各種作業(yè)，如取心，處理井下各種復雜情況，地層測試，擠水泥，打撈落物等都是依靠鉆柱進行的。隨著鉆井深度的增加和鉆井工程技術的不斷發(fā)展，人們對鉆柱的結(jié)構和性能要求越來越高。幾千米甚至上萬米的鉆柱，在井下的工作條件十分惡劣，它往往是鉆井設備與工具中的薄弱環(huán)節(jié)。鉆柱的脫

26、扣，刺漏及扭斷事故是常見的鉆井事故，并常導致復雜的井下情況。因此，根據(jù)鉆柱在井下的工作條件及工藝要求，合理的設計鉆柱和使用鉆柱，對于預防鉆具事故和一口井施工的成敗，實現(xiàn)快速優(yōu)質(zhì)鉆井及順利完成</p><p>　　在深井、 超深井及復雜地質(zhì)環(huán)境條件下鉆井 ,經(jīng)常發(fā)生鉆具失效事故 ,僅四川川東地區(qū)在 1996～1997 年間就發(fā)生了 303 次鉆具井下斷裂事故 ,其中螺紋斷裂占 36 % ,鉆具本體斷裂占 11 %

27、,螺紋刺漏和鉆具刺漏占了 53 %。2001～2003 年 ,塔里木有21 口井鉆桿失效共 89 次 ,造成了嚴重的經(jīng)濟損失。因此針對鉆桿失效原因進行的研究很多 ,有報道認為失效原因是氯離子濃度高 ,加速氧腐蝕 ,造成純腐蝕穿孔。也有報道 S135 鉆桿失效是由于內(nèi)壁發(fā)生嚴重 H2S 腐蝕和氧腐蝕 ,外壁是由氧腐蝕造成的。還有研究表明鉆桿失效原因為高溫條件下酸性地層鹽水的電化學腐蝕和地層砂子撞擊鉆具使氧化膜脫落造成的沖蝕。</p&

28、gt;<p>　　怎樣避免類似情況的發(fā)生？這就引出了失效分析及預防的問題！如果正確應用已有的技術進行失效預防，相信肯定能夠避免大量損失。</p><p>　　由鉆柱的受力分析可知，不論是在起下鉆還是在正常鉆進時，經(jīng)常作用于鉆桿且數(shù)值較大的力是拉力。而且，井越深，鉆桿柱越長，鉆桿柱上部受到的拉力越大。但對某種尺寸和鋼級的鉆桿，其抗拉強度是一定的，因此都有一定的可下深度。所以，鉆桿柱的設計主要是抗拉強度

29、的設計，即按抗拉強度確定其可下深度，考慮鉆柱自身重量的拉伸載荷以及遇到卡鉆、處理事故時的提拉力。</p><p>　　由于某井是一口5110米的深井水平井，水平位移680米，水平段距離380米。在鉆井過程中不可避免地要遇到卡鉆、弊鉆、處理事故等過扭矩操作。因此鉆桿的抗扭強度是關鍵參數(shù)。鉆桿接頭的抗扭強度是一個多變量函數(shù)，這些變量包括鋼材強度、接頭尺寸、螺紋形式、導程、錐度以及配合面螺紋或臺肩的預緊力及摩擦系數(shù)等。

30、鉆桿接頭的外徑和內(nèi)徑，在一定程度上決定了接頭的抗扭強度，對鉆桿的抗扭強度進行校核，保證管體的抗扭屈服強度。</p><p>　　另外，鉆桿接頭旋接扭矩推薦值的計算是以所有的螺紋和臺肩端面均涂滿螺紋脂為前提，以材料最小屈服強度的50％為基礎進行計算的。保證鉆桿肩臺連接屈服的旋轉(zhuǎn)扭矩。還有鉆桿抗塑性擠毀，擠毀壓力，抗內(nèi)壓強度等都要保證滿足要求，因為，這些都是鉆柱能正常生產(chǎn)的前提。</p><p&g

31、t;　　鉆桿的結(jié)構設計決定了鉆桿的性能，在同樣材料，同樣工況，鉆桿外徑相同的情況下，不同結(jié)構尺寸的鉆桿所表現(xiàn)出的性能也不一樣，因此，通過對鉆桿結(jié)構設計進行強度計算和校核不僅僅有著實際應用的意義，更可以從另一種角度，例如結(jié)合鉆桿失效等問題，來探索研究更合理的鉆桿結(jié)構設計，本文依據(jù)API給出的標準，在前人研究結(jié)果的基礎上，對某廠的S135鉆桿進行理化性能分析和結(jié)構設計的強度計算與校核。</p><p>　　鉆桿結(jié)構設

32、計對鉆桿性能有著決定性影響,目前在鉆桿的使用中,失效問題是鉆桿研究中的重要課題,基于鉆桿的失效分析,從失效的角度來分析優(yōu)化鉆桿在結(jié)構設計上應注意的問題,為今后的鉆桿結(jié)構設計提出一些理論依據(jù)。</p><p>　　2. 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　1985年美國的Frank Carlin提出了一種新的螺紋接頭結(jié)構設計.在一定程度上增加了鉆桿的疲勞壽命.美國的G.E.wilson19

33、90年提出了一種新的內(nèi)加厚過渡區(qū)結(jié)構,在理論上分析了內(nèi)加厚過渡區(qū)的應力集中狀況.美國石油學會一直以來推出的鉆柱設計和操作限度的推薦作法以及API SPEC 5D, API SPEC C7給出了鉆桿結(jié)構設計的依據(jù)，步驟。并提出了鉆桿接頭的選用及其具體的尺寸規(guī)格，鉆桿和管線管性能計算，旋轉(zhuǎn)鉆井鉆柱構件規(guī)范。</p><p>　　目前，我國的石油鉆具常用部分都是國內(nèi)生產(chǎn)，但也有部分還是由國外進口的。建國以來，大致經(jīng)過兩

34、個階段。50年代至60年代初，進口的鉆具多屬ГОСТ標準系列，主要從蘇聯(lián)，羅馬尼亞等國進口；60年代后期開始進口API標準系列的鉆具。目前，各油田使用的鉆具，ГОСТ系列的已經(jīng)基本淘汰，多是由日本、美國、德國、法國等國進口的按API標準制造的。</p><p>　　國產(chǎn)鉆具仍處于發(fā)展階段。60年代后期，曾先后頒布過YB528—65《石油鉆探管》和YB691—70《石油對焊鉆桿、鉆鋌、方鉆桿管材》，并按這些標準試生

35、產(chǎn)過國產(chǎn)鉆桿、鉆鋌、方鉆桿，因為質(zhì)量不夠穩(wěn)定，在石油鉆井上沒能推廣使用。80年代以來，參照和等效采用API標準，先后制訂并頒布了國標GB4775—84《鉆桿接頭》、GB4797—84《石油鉆桿接頭螺紋量規(guī)》和GB9253—1《石油鉆桿接頭螺紋》和部標SY5144—86《鉆鋌》、SY5145—86《無磁鉆鋌》、SY5146—86《整體加重鉆桿》、SY5200—87《轉(zhuǎn)損接頭》等。按照這些標準，國內(nèi)幾個軍工廠和鋼廠與油田現(xiàn)場相結(jié)合，經(jīng)過幾年

36、的努力，開發(fā)制造的國產(chǎn)鉆鋌、加重鉆桿和螺旋鉆鋌已進行批量生產(chǎn)，在淺井或中深井上使用。盡管在鋼種選用上還比較單一，某些性能指標還趕不上國外優(yōu)良產(chǎn)品，但已基本上達到API標準。國內(nèi)有些鉆鋌生產(chǎn)廠從國外購進AISI4145H鋼坯料制造的鉆鋌，其性能和國外優(yōu)良產(chǎn)品類似；用國產(chǎn)40CrNiMo鋼制造的鉆桿拼湊和轉(zhuǎn)換接頭，性能也能達到國外產(chǎn)品水平；方鉆桿也已開發(fā)、試制完成，并已投入下井試驗；鉆桿現(xiàn)正由上海寶山鋼鐵總廠按</p><

37、;p>　　應該說明的是，國際標準（ISO）關于鉆具的標準都是以API并準為基礎的，世界上很多國建只在的石油鉆具都是按API便準進行生產(chǎn)，ГОСТ標準也逐漸與API標準接近，所以我國的石油鉆具標準都是參照或等效采用API標準而制定的，按這些標準生產(chǎn)的國產(chǎn)鉆具和按API標準造的進口產(chǎn)品是可以互換的。</p><p>　　國內(nèi)出版的鉆井手冊（甲方）中給出了鉆桿結(jié)構設計的規(guī)定；王治國、張毅研究了寶鋼S-135鉆桿N

38、C-50工具接頭內(nèi)徑選擇的應力分析；李鶴林研究了鉆桿的失效分析以及解決方法；張毅趙鵬等研究了鉆桿內(nèi)加厚過渡區(qū)的應力分析；浙江大學的傅建欽、程耀東、張汝忻進行了基于應力集中分析的鉆桿內(nèi)加厚過渡結(jié)構設計的研究；大慶石油學院的趙洪激、彭高華建立了鉆柱內(nèi)力及應力的計算新方法，使鉆柱的強度校核計算更加方便。另外國內(nèi)各大油田及鉆探公司都對鉆具失效進行分析和計算，并取得了一定的經(jīng)驗和成果，其中以川慶鉆探的研究成果尤為突出。</p>&l

39、t;p>　　另外在鉆柱強度校核方面，值得一提的是中國石油大學的韓志勇教授，它提出了水平井鉆柱的優(yōu)化設計，并在垂直井眼內(nèi)鉆柱軸向力的計算及強度校核問題研究，傾斜井眼內(nèi)鉆柱軸向力的計算及強度校核問題研究，彎曲井眼內(nèi)鉆柱軸向力的計算及強度校核問題研究，循環(huán)條件下鉆柱軸向力的計算及強度校核問題研究等都提出了新的見解。綜合以上的研究它提出了一種鉆柱強度計算的新方法，可用于鉆柱的強度設計和強度校核，新方法與傳統(tǒng)方法相比，有以下五個特點：<

40、;/p><p>　?。?）對鉆柱每一個斷面都進行強度校核；</p><p>　?。?）對管的內(nèi)壁和外壁分別進行強度校核；</p><p>　?。?）利用計算機進行斷面上有關內(nèi)力的計算；</p><p>　　（4）用“液壓系數(shù)”處理液壓環(huán)境對鉆柱軸向力的影響；</p><p>　　（5）考慮液壓環(huán)境引起的附加剪應力的影響。&

41、lt;/p><p>　　新的鉆柱強度校核的計算方法是在老方法的基礎上添加了新的計算方法和更多方面的校核。使得鉆柱強度校核更加全面、具體。</p><p>　　目前國外對鉆柱強度校核的研究現(xiàn)狀優(yōu)先于國內(nèi)的研究，尤其在鉆柱各個構件的設計水平上明顯領先國內(nèi)，但國內(nèi)各大油田、鉆探局、石油院校等也一直致力于鉆柱的優(yōu)化設計，并取得不錯的成果。并且國內(nèi)研究在國外研究成果的基礎上進行更深遠的探究，使得鉆具的結(jié)

42、構設計更加優(yōu)化，更能滿足實際生產(chǎn)的要求！</p><p><b>　　1 鉆柱</b></p><p>　　鉆柱是快速優(yōu)質(zhì)鉆井的重要工具，它是連通地面與地下的樞紐。在轉(zhuǎn)盤鉆井時是靠它來傳遞破碎巖石所需的能量，給井底施加鉆壓，以及向井內(nèi)輸送洗井液等。在井下動力鉆井時，井底動力機是用鉆柱送到井底并靠它承受反扭矩，同時渦輪鉆具和螺桿鉆具所需的液體能量也是通過鉆柱輸送到井底

43、的。在鉆井過程中，鉆頭的工作、井限的狀況、甚至井下地層的各種變化，往往是通過鉆柱及各種儀表才能反映到地面上來。合理的鉆井技術參數(shù)及其他技術措施， 也只能在正確使用鉆柱的條件下才能實現(xiàn)。 除正常鉆進外，鉆井過程中的其他各種作業(yè)，如取心、處理井下復雜情況、地層測試、擠水泥、打撈落物等都是依靠鉆柱選取的。 </p><p>　　鉆柱由不同的部件組成，它的組成隨著鉆井條件和方法的不同而有所區(qū)別。其基本組成部分是：方鉆桿、

44、鉆桿、鉆艇、穩(wěn)定器及接頭。方鉆軒的作用是將地面轉(zhuǎn)盤的功率傳遞給鉆桿，以帶動鉆頭旋轉(zhuǎn)。鉆桿的作用是將地面所發(fā)出的功率傳遞給鉆頭，并靠鉆桿的逐漸加長使井眼不斷加深。鉆鏈位于鉆桿的下面，直接與鉆頭（或井底動力機）連接，依靠其本身的重量進行加壓，靠它和穩(wěn)定器的各種組合來控制井眼的斜皮。鉆柱的各個不同組成部分的相互連接，是借助鉆桿接頭或配合接頭來實現(xiàn)的。 隨著近代鉆井深度的不斷增加，鉆井工藝的不斷發(fā)展，對鉆柱的結(jié)構和性能要求越來越高。實踐證明，幾

45、千米甚至近萬米長的鉆柱在井下的工作條件是比較復雜的，它往往是鉆井設備和工具中比較薄弱的環(huán)節(jié)。為了快速優(yōu)質(zhì)安全地鉆達預定深度，必須選用可靠的鉆柱。這不僅要求從尺寸配合上選擇合適的鉆柱，而且應該根據(jù)鉆柱在井下的工作條件，正確分析鉆柱耐受力情況，進行強度計算，合理地設計鉆柱。特別值得注意的是，鉆柱的破壞大多是疲勞破壞所引起的，所以有必要探討疲勞破壞產(chǎn)生的機理和影響因素，采取各種減少疲勞破壞的技術措施，以便延長鉆柱的使用壽命。</p>

46、;<p>　　1.1 鉆柱的工作狀態(tài) </p><p>　　鉆柱在井下的工作條件隨鉆井方式（轉(zhuǎn)盤鉆井或井下動力鉆井）、鉆井工序（如正常鉆進、起下鉆等）的不同而異。在不同的工作條件下，鉆柱具有不同的工作狀態(tài)，受到不同的作用力。為了討論鉆柱的受力及強度設計，必須首先了解鉆柱在整個鉆井過程中的工作狀態(tài)。下面主要對轉(zhuǎn)盤鉆井時鉆柱的受力情況加以分析。 </p><p>　　在鉆井過程

47、中，鉆柱主要是在起下鉆和正常鉆進這兩種條件下工作。在起下鉆時，鉆柱不接觸井底，整個鉆柱處于懸持狀態(tài)，在自重作用下，鉆柱處于受拉伸的直線穩(wěn)定狀態(tài)。在正常鉆進肘，由于部分鉆柱的重量作為鉆壓施加在鉆頭上，使得下部鈍柱受壓縮。在鉆壓小和直井條件下，鉆柱也是直的，而當壓力達到某一臨界值時，下部鉆柱將失去直線穩(wěn)定狀態(tài)，而發(fā)生彎曲，并且在某個點（稱為“切點” ）和井壁接觸，這是鉆柱第一次彎曲（Buck1ing of the first order）（

48、圖 1-1 中曲線Ⅰ）。如果繼續(xù)加大鉆壓，則彎曲形狀改變，切點逐漸下移（圖1-1 中曲線Ⅱ）。當鉆壓增大到新的臨界值時，鉆柱的彎曲軸線呈現(xiàn)出第二個半波，這是鉆柱第二次彎曲（Buckling of the order）（圖1-1中曲線Ⅲ）。如果再繼續(xù)加大鉆壓，則會出現(xiàn)鉆柱的第三次彎曲或更多次彎曲。目前旋轉(zhuǎn)鉆井所用的鉆壓一般都超過常用鉆鏈的一次彎曲臨界鉆壓，如果不采取其他措施，下部鉆柱將不可避免地發(fā)生軸向彎曲。 </p>&l

49、t;p>　　在正常鉆進時，整個鉆柱是處于不停旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)下。作用在鉆柱上的力，除拉力和壓力外，還有由于旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力。離心力的作用有可能加劇下部鉆柱的彎曲，使彎曲半波長度縮短。在鉆柱上部受拉部分，由于離心力的作用也可能呈現(xiàn)彎曲狀態(tài)。很明顯，由于鉆柱上都有拉力作用，其彎曲半波長度大，而往下，由于壓力不斷增大，再加上離心力的作用， 其彎曲半波長度變小。 以上所講的鉆柱彎曲狀態(tài)僅僅是發(fā)生在平面內(nèi)。</p><p>

50、;　　我們知道，在鉆進時要通過鉆柱傳遞扭矩。這樣，在扭矩作用下，鉆柱不可能保持平面的彎曲狀態(tài)，而是呈螺旋形彎曲狀態(tài)?？偟膩碚f，在壓力、離心力和扭矩的聯(lián)合作用下，鉆柱軸線一般呈變節(jié)距的空間螺旋彎曲曲線形狀（在井底螺距最小，往上逐漸加大）。 這樣一個螺旋彎曲鉆柱在井眼內(nèi)是怎樣旋轉(zhuǎn)呢？這是一個比較復雜的問題，至今還未研究透徹。我們分析，鉆柱在井眼里的旋轉(zhuǎn)運動可能有四種形式。 </p><p>　?。?）鉆柱圍繞自身彎曲

51、軸線旋動（自轉(zhuǎn)）； </p><p>　?。?）鉆柱圍繞井眼軸線旋轉(zhuǎn)并沿著井壁滑動（公轉(zhuǎn)）； </p><p>　?。?）鉆柱圍繞井眼軸線旋轉(zhuǎn)，但不是沿著井壁滑動而是沿著井壁反向滾動（公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)的結(jié)合）； </p><p>　　（4）整個鉆柱或部分鉆柱作無規(guī)則的旋轉(zhuǎn)擺動。 </p><p>　　圖1—1鉆柱彎曲受壓示意圖</p>

52、<p>　　第一種形式，鉆柱自轉(zhuǎn)時在整個圓周上與井壁接觸，產(chǎn)生均勻的磨損，但受到交變彎曲應力的作用。在軟巖石彎曲井段，由于自轉(zhuǎn)容易在井筒內(nèi)形成鍵槽，成為起鉆時鉆柱受阻的原因。 </p><p>　　第二種形式，鉆柱公轉(zhuǎn)時不受交變彎曲應力的作用，但產(chǎn)生不均勻的單向磨損（偏磨），從而加快了鉆柱的磨損和破壞。 </p><p>　　第三種形式，鉆柱同時參與兩種旋轉(zhuǎn)運動，即同時圍繞自身

53、軸線和井眼軸線旋轉(zhuǎn)，其磨損均勻，也受到交變彎曲應力的作用，但循環(huán)次數(shù)比第一種形式低得多。 </p><p>　　第四種形式，鉆柱處于旋轉(zhuǎn)形式轉(zhuǎn)變的過渡狀態(tài)，最不穩(wěn)定，常常造成鉆柱的強烈振動。</p><p>　　從理論上講，如果鉆柱的剛度在各個方向是均勻一致的，井眼是鉛直的，那么鉆柱采取何種形式運動就取決于外界阻力（如泥漿阻力，井壁摩擦等）的大小，一般都采取消耗能量最小的運動形式。實際上，

54、鉆柱的旋轉(zhuǎn)形式還受到其他許多因素的影響，如鉆柱的剛度是否均勻， 井眼的斜度和方位變化， 井眼是否規(guī)則以及所用的鉆井技術參數(shù)等。</p><p>　　根據(jù)井下鉆柱磨損的實際觀察，一般認為彎曲鉆柱旋轉(zhuǎn)形式以自轉(zhuǎn)居多。許多學者正是從這個基點出發(fā)，研究了鉆柱彎曲和井斜的問題。由于在鉆柱自轉(zhuǎn)的情況下，離心力的總和等于零，對鉆柱彎曲沒有影響，于是將鉆柱彎曲簡化成不旋轉(zhuǎn)鉆柱彎曲的問題。 </p><p>

55、;　　在渦輪鉆井或用螺桿鉆具鉆井時，由于破碎巖石所需能量來自井下動力機，其上面的鉆柱在一般情況下是不轉(zhuǎn)動的。同時，可用水力載荷對鉆頭加壓，這就使得鉆柱受力情況比較簡單。</p><p>　　1.2 鉆柱的受力分析 </p><p>　　在不同的工作條件下，在不同的部位，鉆柱所受載荷不同。 </p><p>　?。?）軸向拉力和壓力（Axial tension an

56、d compression）鉆柱在井下受到的主要作用力是由鉆柱自重引起的軸向拉力。圖1-2（A）表明，在無流體的井中，鉆柱上任意點的拉力由該點以下鉆柱在空氣中的重量產(chǎn)生，井口處拉力最大，向下逐漸減小。由于鉆柱是在充滿洗井液的井眼中工作，所以在鉆柱最下部端面上還受到靜液柱壓力的作用，產(chǎn)生一個向上的浮力（此處僅討論單一尺寸鉆柱在鉛直井內(nèi)的情況），使得下部鉆柱有相當長一段受到軸向壓力。圖1-2（B）表明，當鉆柱處于液柱靜壓中時，任意深度的輔向

57、應力等于該深度以下鉆柱在空氣中的重量減去柱底的靜壓。在鉆進時，部分鉆柱重量下放到井底作為鉆壓，鉆柱軸向應力都減少一個相應數(shù)值，即軸向應力線向左平移一個相當于鉆壓的距離 （圖1-2（D）。 此時，軸向應力線與靜液柱壓力線的交點稱為 “中和點”。</p><p>　　此點的靜液柱壓力等于鉆柱中的壓縮應力。 一般情況下， 中和點并不在軸向應力零點處。</p><p>　　圖1—2鉆柱的軸向拉力和

58、壓力</p><p>　　只有在空井中，中和點位置才與軸向應力零點相重合，如圖1-2（C）所示。可以證明（2），中和點的位置可以由施加的鉆壓除以鉆柱單位長度的浮重來確定。 </p><p>　　中和點位置 </p><p>　　/（）m （1—1） </p><p>　　式中 N

59、——中和點距離，米；</p><p><b>　　P——鉆壓，牛； </b></p><p>　　——單位長度鉆柱在空氣中的重量，牛/米； </p><p>　　——單位長度鉆柱所排開的液體重量，牛/米。 </p><p>　　很明顯，由于把部分鉆柱的重量施加給鉆頭，因此下部鉆柱受壓力，上部鉆柱受拉力，而且愈靠近井口，拉

60、力愈大，愈靠近井底，壓力愈大。 此外，在起下鉆時，鉆柱與井壁之間和鉆柱與泥漿之間有摩擦力。這種摩擦力在起鉆時會增加上部鉆柱的載荷，下鉆時會減輕上部鉆柱的載荷。 </p><p>　?。?）彎曲力矩（Bending moment） 在正常鉆進時，下部鉆柱受壓彎曲而受到彎曲力矩的作用。此外，在井眼偏斜段，鉆柱也受到彎曲力矩的作用。彎曲鉆柱的旋轉(zhuǎn)（特別是在繞鉆柱自轉(zhuǎn)的情況下），使鉆柱內(nèi)產(chǎn)生交變彎曲應力。 </p

61、><p>　　（3）離心力（Centrifugal force）當鉆柱繞井眼軸線公轉(zhuǎn)時產(chǎn)生離心力，促使鉆柱發(fā)生彎曲。 </p><p>　?。?）扭矩（Moment of torsion） 在正常鉆進時（轉(zhuǎn)盤鉆井時），必須通過轉(zhuǎn)盤把一定的能量傳遞給鉆柱，用于旋轉(zhuǎn)鉆柱和帶動鉆頭破碎巖石。這樣，鉆柱受到扭矩的作用扭矩在井口處最大，向下隨著能量的消耗，在井底處鉆柱所受的扭矩最小。 </p&g

62、t;<p>　?。?）縱向振動（Axjal vibration） 鉆進時，鉆頭的轉(zhuǎn)動（特別是牙輪鉆頭）會引起鉆柱的縱向振動，因而產(chǎn)生縱向交變應力?？v向振動和鉆頭結(jié)構、所鉆巖石特性、泵量不均度、鉆壓以及轉(zhuǎn)速等因素有關。當這種縱向振動的周期和鉆柱本身固有的振動周期相同或成倍數(shù)時，就產(chǎn)生共振現(xiàn)象，振幅急劇加大，通常稱為“跳鉆” 。嚴重的跳鉆常常造成鉆桿彎曲，磨損加劇以及迅速疲勞破壞。通?？梢酝ㄟ^改變轉(zhuǎn)速和鉆壓的方法來消除這種跳

63、鉆現(xiàn)象。 </p><p>　?。?）扭轉(zhuǎn)振動（Torsionl vibration） 當井底對鉆頭旋轉(zhuǎn)的阻力不斷變化時，會引起鉆柱的扭轉(zhuǎn)振動，因而產(chǎn)生交變剪應力。扭轉(zhuǎn)振動和鉆頭結(jié)構、所鉆巖石性質(zhì)是否均勻一致、鉆壓及轉(zhuǎn)速等等許多因素有關。特別是使用刮刀鉆頭鉆軟硬交錯地層時，鉆柱的扭轉(zhuǎn)振動最為嚴重。 </p><p>　?。?）動載（Dynamic loads） 起下鉆作業(yè)中，由于鉆柱運

64、動速度的變化會引起縱向動載，因而在鉆柱中產(chǎn)生間歇的縱向應力變化。這主要和操作狀況有關。 </p><p>　　綜上所述，轉(zhuǎn)盤鉆井時，鉆柱的受力是比較復雜的。但所有這些載荷就性質(zhì)來講可分為不變的和交變的兩大類。屬于不變應力的有拉應力、壓應力和剪應力，而屬于交變應力的有彎曲應力，扭轉(zhuǎn)振動所引起的剪應力以及縱向振動作用所產(chǎn)生的拉應力和壓應力。在整個鉆柱長度內(nèi)，載荷作用的特點是在井口處主要是不變載荷的影響，而靠進井底處主

65、要是交變負荷的影響。這種交變載荷的作用正是鉆柱疲勞破壞的主要原因。 </p><p>　　從上述分析也不難看出，鉆柱受力嚴重部位是： </p><p>　?。?）鉆進時鉆柱的下部受力最為嚴重。因為鉆柱同時受到軸向壓力、扭矩和彎曲力矩的作用， 更為嚴重的是自轉(zhuǎn)時存在著劇烈的交變應力循環(huán)， 以及鉆頭突然遇阻遇卡，會使鉆柱受到的扭矩大大增加。 </p><p>　?。?）

66、鉆進時和起下鉆時，井口處鉆柱受力復雜。起下鉆時井口處鉆柱受到最大拉力，如果起下鉆時猛提、猛剎，會使井口處鉆柱受到的軸向拉力大大增加。鉆進時，井口處鉆柱所受拉力和扭力都最大，受力情況也比較嚴重。 </p><p>　?。?）由于地層巖性變化、鉆頭的沖擊和縱向振動等因素的存在，使得鉆壓不均勻，因而使中和點位置上下移動。這樣，在中和點附近的鉆柱就受到交變載荷作用。 </p><p>　　總的來說

67、，為了完成正常鉆進、起下鉆及其他工藝操作，根據(jù)上述的受力狀況，鉆柱所有部分都必須有足夠強度，以承受各種可能的載荷。同時，要保證建立所需的鉆壓，鉆柱的循環(huán)阻力要小，密封性要好，并且鉆柱的重量應盡可能輕，以實現(xiàn)經(jīng)濟的合理性。</p><p>　　1.3 鉆井過程中各種應力的計算</p><p>　　為了使鉆柱在不同的工作條件下能安全地工作，在鉆柱受力分析的基礎上，還需計算鉆柱內(nèi)部的各種應力，

68、作為合理設計和校核強度的依據(jù)。應該指出，現(xiàn)有的應力計算方法還不能全面地反映鉆柱在井下的實際受力情況，特別是引起疲勞破壞的交變應力，至今還沒有完善的計算方法。 </p><p>　　1.3.1 鉆柱軸向應力的計算 </p><p>　　（一）鉆拉上部拉應力（Tensi1e Stress）的計算 </p><p>　　1、鉆柱在泥漿中空懸時 </p>&

69、lt;p>　　作用在鉆柱上部某一截面上的軸向拉力，應該等于該截面以下的鉆柱自重減去所受的泥漿浮力。根據(jù)阿基米德原理，泥漿浮力等于鉆柱同體積的泥漿重量。 </p><p>　　在井口處鉆柱橫截面所受泥漿浮力B等于 </p><p>　　B=LFα× （1—2） </p><p>　　式中 B—

70、—泥漿浮力，牛； </p><p>　　——泥漿重度，牛/； </p><p>　　L——井口以下的鉆柱長度，米；</p><p>　　Fα——考慮鉆桿接頭和加厚影響的重量修正系數(shù)，等于1.05—1.10。 </p><p>　　而井口斷面以下鉆柱在空氣中的重量Q等于 </p><p>　　Q=LFα× N

71、 （1—3） </p><p>　　式中 ——鉆柱材料的重度，牛/。 </p><p>　　于是，井口橫截面所受拉力負荷Q。應等于鉆柱在空氣中的重量與泥漿浮力之差。 </p><p><b>　　（1—4） </b></p><p>　　式中 ——浮力減輕系數(shù)，&l

72、t;/p><p>　　這就是說，鉆柱在液體中的重量等于鉆柱空氣中的重量乘以浮力減輕系數(shù)，這種</p><p>　　計算浮力的方法稱為“浮力系數(shù)法” 。 </p><p>　　于是井口鉆柱截面的拉應力應為 </p><p>　　pa （1—5）</p><p>　　如果要計算井口

73、以下某一橫截面（a-a）的拉伸負荷，就不能使用浮力系數(shù)法（見圖1—3）。因為此橫截面（a-a）以下管柱的重量已變小了，面所受泥漿浮力仍然是整個L 米長鉆柱的總泥漿浮力。這是由于在管柱下端作用有 L 米高的泥漿柱壓力 p，在鉆柱下端橫截面上產(chǎn)生一個向上浮力 p×F。這種計算浮力的方法稱為“壓力面積法” ，其浮力等于液柱靜壓力與面積乘積之和。如果對鉆柱（a-a）斷面用浮力系數(shù)法進行計算，其所得數(shù)值正好是（a-a）斷面處于井口位置所

74、受的拉力載荷，是不正確的。 </p><p>　　隨著鉆柱下入井內(nèi)，浸在液體中的鉆柱長度增加，也就是說作用在鉆柱下端的泥漿液柱壓力加大，浮力也增加，該斷面的拉伸載荷也隨之減小。所以，在井口以下某一截面所受拉力載荷應為,其拉應力等于</p><p>　　= （1—6）</p><p>　　式中 ——井

75、口以下某一截面的拉應力，帕；</p><p>　　——該截面以下鉆柱在空氣中的重量，牛；</p><p>　　B——整個鉆柱所受的泥漿總浮力，牛； </p><p>　　F——鉆柱橫截面積，。</p><p>　　對于非單一尺寸的鉆柱（如鉆鋌加鉆桿），其浮力是液柱靜壓垂直作用在管柱裸露肩部及端面上的作用力的合力。圖1-4中，浮力B=。 <

76、;/p><p>　　圖1—3井下鉆柱某點的拉力計算圖 圖1—4鉆柱浮力計算示意圖</p><p><b>　　2、鉆進時</b></p><p>　　由于一部分重量用作鉆壓，且在底端受到泥漿浮力的作用，因此拉應力為 </p><p><b>　?。?—7） </b></p>

77、;<p>　　式中 P——鉆壓，牛； </p><p>　　Q——鉆柱在空氣中的重量，牛。 </p><p><b>　　3、起鉆時 </b></p><p>　　起鉆時作用在鉆柱上部的力，除了鉆柱自重和泥漿浮力之外，還有井壁對鉆柱的摩擦力和開始提升時加速階段所引起的動載，這時拉應力為 </p><p>

78、　　? （1—8） </p><p>　　的大小同井斜角和方位角的大小與變化率、井深、井眼與鉆柱的間隙、泥漿性能、井壁巖石性質(zhì)以及鉆柱剛度等因素有關，難于準確計算，應結(jié)合現(xiàn)場具體情況來定。 </p><p>　　和起下鉆操作狀況及起升加速情況有關。 </p><p>　　N

79、 （1—9） </p><p>　　式中 v——大鉤起升速度，米/秒； </p><p>　　t——動力機加速所延續(xù)的時間，秒； </p><p>　　g——重力加速度，米/。 </p><p><b>　　4、在斜井中 </b></p><p>　　如果井

80、斜角較大，鉆柱與井壁的摩擦力大為增加。井口處所受拉應力的公式為</p><p>　　?pa （1—10） </p><p>　　式中 F——鉆柱橫截面積，； </p><p>　　——考慮起下鉆時的動載和可能的阻力的系數(shù)，=1.20—1.25； </p><p>　　——每米鉆桿和鉆鋌在空氣中的重量，牛/米； <

81、/p><p>　　——斜井中第i段鉆柱的長度，米； </p><p>　　——鉆鋌長度，米； </p><p>　　和，和分別為斜井內(nèi)第i段和第n 段的井斜角和摩擦系數(shù)。 </p><p>　　和的大小取決于巖石類型，可從 0.15 變化到 0.30。在以上公式中，起鉆時取正號，而下鉆時則取負號。在直井中，==1.0。 </p>&

82、lt;p>　　5、在井下動力鉆井時 </p><p>　　鉆柱所受拉力負荷主要由鉆柱自重、井底動力機重量加上循環(huán)液體時的水力載荷所形成，其計算公式為（1） </p><p>　　pa （1—11）</p><p>　　式中 ——井底動力機重量，牛； </p><p>　　——循環(huán)液體時的水力載荷，牛； </p

83、><p>　　△——相應為渦輪和鉆頭內(nèi)的壓力降，帕； </p><p>　　——鉆柱的流道截面積，。 </p><p>　　1.3.2 鉆柱下部壓力（Compressive stress）的計算 </p><p>　　軸向壓應力是由泥漿浮力和鉆壓引起的，可按以下兩種情況考慮。 </p><p>　　（1）在鉆柱空懸或鉆壓

84、小鉆柱仍能保持直線狀態(tài)的情況下，泥漿浮力是集中作用在鉆柱最下端上，此時鉆柱最下端所受的壓應力為 </p><p>　　pa (1—12)</p><p>　　式中 P——鉆壓，牛； </p><p>　　B——泥漿總浮力，牛； </p><p>　　（2）當鉆壓已超過彎曲臨界值鉆柱發(fā)生彎曲

85、時，泥漿浮力的分布情況將改變。對于仍保持直線形狀的上部鉆柱來說，泥漿浮力將由下向上集中作用在該部分鉆柱的最下端（也就是開始彎曲的地方），其大小取決于這個最下端的井深。而對于發(fā)生彎曲而偏離井眼軸線的下部鉆柱來說，浮力分布的實際情況是比較復雜的，它取決于彎曲曲線的形狀。為了簡化，可以近似地認為泥漿浮力是沿著該部分鉆柱長度均勻分布的，其作用將是使下部鉆柱單位長度的重量減少。這樣，鉆柱最下端的壓應力僅與鉆壓有關。 </p><

86、;p>　　pa （1—13）</p><p>　　1.3.3 鉆柱剪應力（Shear stress）的計算 </p><p>　　在鉆進過程中， 整個鉆柱都受有扭矩作用， 因此在鉆柱各個橫截面上都產(chǎn)生剪應力。正常鉆進時，鉆柱所受的扭矩取決于轉(zhuǎn)盤傳給鉆柱的功率。</p><p>　　千瓦

87、 （1—14）</p><p>　　式中 N——轉(zhuǎn)盤傳給鉆柱的功率，千瓦； </p><p>　　——鉆柱空轉(zhuǎn)所需功率，千瓦； </p><p>　　——旋轉(zhuǎn)鉆頭破碎巖石所需功率，千瓦。 </p><p><b>　　鉆柱所受扭矩為 </b></p><p>　　N

88、3;m （1—15） </p><p><b>　　剪應力為</b></p><p>　　MPa （1—16） </p><p>　　式中 n——鉆柱轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)/分； </p><p>　　——所考慮鉆柱橫截面的抗扭截面系數(shù)，。 &

89、lt;/p><p><b>　?。?—17） </b></p><p>　　式中 ——分別為鉆柱的外徑和內(nèi)徑，厘米。 </p><p>　　正常鉆進時，功率N的大小與鉆頭類型及直徑、巖石性質(zhì)、鉆柱尺寸、鉆壓、轉(zhuǎn)速、泥漿性能以及井眼質(zhì)量等因素有關，可以使用以下根據(jù)試驗結(jié)果修正的經(jīng)驗公式進行確定。 </p><p>

90、　　鉆柱空轉(zhuǎn)所需功率推薦使用以下公式(轉(zhuǎn)速n＜230轉(zhuǎn)/分)。 </p><p>　　KW （1—18）</p><p>　　式中 ——泥漿重度，； </p><p>　　——鉆柱外徑，厘米； </p><p>　　L——鉆柱長度，米； </p><p>　　n

91、——轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)/分； </p><p>　　C——與井斜角有關的系數(shù)。 </p><p><b>　　直井時 </b></p><p><b>　　井斜角25°時 </b></p><p><b>　　15°時 </b></p><p>

92、;<b>　　6°時 </b></p><p>　　鉆頭破碎巖石所需功率： </p><p>　?。?）牙輪鉆頭鉆進時 </p><p>　　KW （1—19）</p><p>　　式中 p——鉆壓，千牛； </p><p>　　D——鉆頭直徑

93、，厘米； </p><p>　　n——轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)/分。 </p><p>　?。?）刮刀鉆頭鉆進時</p><p>　　KW （1—20） </p><p>　　式中 p——鉆壓，牛； </p><p>　　D——鉆頭直徑，厘米； &l

94、t;/p><p>　　φ——經(jīng)驗系數(shù)，與巖石性質(zhì)、泥漿性能、洗井液清潔程度、鉆頭磨損程度等因素有關，一般按0.36—0.6選取。 </p><p>　　在鉆進時，如果鉆頭（或鉆柱）突然被卡，旋轉(zhuǎn)鉆柱的功能可能全部轉(zhuǎn)奕為變形位能，引起鉆柱的瞬時扭轉(zhuǎn)，產(chǎn)生很大的扭矩和剪應力。 </p><p>　　鉆柱旋轉(zhuǎn)時的功能可用以下通式確定：</p><p>

95、<b>　?。?—21）</b></p><p>　　式中 T——鉆柱旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的動能； </p><p>　　ω——鉆柱旋轉(zhuǎn)的角速度； </p><p>　　——鉆柱的轉(zhuǎn)動慣量； </p><p>　　——鉆柱材料的重度； </p><p>　　L——鉆柱的長度； </p>&

96、lt;p>　　g——重力加速度； </p><p>　　——鉆柱截面的極慣性矩。 </p><p>　　銷柱的變形位能可用以下通式確定 </p><p><b>　?。?—22）</b></p><p>　　式中 U——鉆柱的變形位能； </p><p>　　M——鉆柱傳給鉆頭的有效轉(zhuǎn)矩

97、； </p><p><b>　　G——剛性系數(shù)。 </b></p><p>　　鉆柱卡住時，功能在短時間內(nèi)轉(zhuǎn)化為變形勢能，即 </p><p>　　最大扭矩 N·m （1—23）</p><p>　　式中 ——最大扭矩，牛·米； </p><

98、p>　　ω——角加速度，弧度/秒； </p><p>　　——鉆柱截面的極慣性矩，； </p><p>　　——鉆柱材料的重度，牛/； </p><p>　　G——剛性系數(shù)，牛/； </p><p>　　g——重力加速度，米/。 </p><p>　　最大扭矩力 Pa （1—

99、24）</p><p>　　式中 ——最大扭應力，帕； </p><p>　　——鉆柱外徑，厘米。 </p><p>　　1.3.4 鉆柱彎曲應力（Bending stress）的計算 </p><p>　　鉆柱的彎曲應力在鉆柱上部是由離心力引起的（不考慮井斜和定向井），在鉆柱的下部則由鉆柱受壓彎曲和離心力共同作用引起的，因此一般鉆柱下

100、部的彎曲應力較大。 </p><p>　　在計算彎曲應力時作如下假設： </p><p>　　（1）鉆柱是圍繞井眼軸線公轉(zhuǎn)； </p><p>　　（2）將鉆柱彎曲的變節(jié)距空間螺旋，看成是變節(jié)距的平面螺旋； </p><p>　?。?）將每一個彎曲半波看成是一個兩端為鉸鏈的壓桿穩(wěn)定問題。 </p><p>　　則此壓桿

101、所能承受的最大臨界壓力可按歐拉公式得出： </p><p>　　N （1—25）</p><p>　　式中 ——備界壓力，牛； </p><p>　　E——鉆柱材料的彈性模量，鋼材的E=205940 兆帕； </p><p>　　——鉆柱本體斷面的軸慣性矩； </p><

102、;p>　　——鉆柱的外、內(nèi)徑，厘米； </p><p>　　——彎曲的半波長度，米。 </p><p>　　根據(jù)壓桿穩(wěn)定理論，在臨界壓力下，管柱發(fā)生微撓度 f,由于 比 f 大得多，所以管柱近似于隨遇平衡狀態(tài)，此時桿內(nèi)產(chǎn)生的彎矩與外力所形成的外力矩應相互平衡。 </p><p>　　N·m （1—26）&l

103、t;/p><p>　　式中 ——因管柱彎曲變形所產(chǎn)生的內(nèi)彎矩，牛·米； </p><p>　　——半波最大撓度，厘米；</p><p>　　D——井眼直徑，厘米； </p><p>　　1.2——井限擴大系數(shù)； </p><p>　　——鉆柱外徑，厘米。 </p><p>　　將（1

104、-25）式代入（1-26）式可得： </p><p>　　N·m （1—27）</p><p>　　在該半波內(nèi)最大彎曲應力為 </p><p>　　N·m （1—28）</p><p>　　式中 ——鉆柱斷面的抗彎截面系數(shù) </p>

105、;<p><b>　　（1—29）</b></p><p>　　若將E=205940兆帕及（3-29）式代入（3-28）式，則得彎曲應力 </p><p>　　MPa （1—30）</p><p>　　半波長可采用薩爾基索夫公式計算 </p><p>&l

106、t;b>　?。?—31）</b></p><p>　　式中 ——半波長度，米； </p><p>　　z——中和點到校核斷面的距離，中和點以下 z 取負值，中和點以上 z 取正值，米； </p><p>　　n——鉆柱轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)/分； </p><p>　　——鉆柱在泥漿中單位長度的重量，牛/米； </p>

107、<p>　　——鉆柱本體截面的軸慣性矩，。 </p><p>　　1.3.5 鉆柱抗擠（collapse Resistance）計算</p><p>　　在中途測試過程中，由于鉆柱內(nèi)空，而管外有泥漿液柱的壓力，如圖1-5（a）所示；或鉆桿內(nèi)有比重較低的油氣水（所測試出的流體），而管外仍有泥漿液柱的壓力，如圖1-5(b)所示。這樣勢必在管內(nèi)外壓差作用下對鉆柱產(chǎn)生一個外擠力（這與套

108、管受外擠的情況一樣）。同時，在測試完畢時還需上提鉆柱，以松動下部的封隔器。因此，下部鉆柱就同時受到外擠和拉伸的聯(lián)合作用。為了保證鉆柱的工作安全，就需要對鉆柱抗擠強度進行校核。 </p><p>　　圖1—5鉆柱受外擠壓力情況</p><p>　　1—泥漿；2—地層液體；3—最大擠壓力處</p><p>　　（一）外擠壓力的確定 </p><p&g

109、t;　　從圖1-5可看出，在鉆柱最下端所受外擠壓力最大。在鉆柱內(nèi)空情況下，其外擠壓力可由下式確定。 </p><p>　　pa （1—32）</p><p>　　式中 ——計算點的外擠壓力，帕；</p><p>　　H——計算點深度，米； </p><p>　　——管外泥漿的重度，牛/。 &l

110、t;/p><p>　　如果鉆柱內(nèi)有地層流體，且其液面距井口的距離為L（管外泥漿液面到井口處），外擠壓力應為 </p><p>　　pa （1—33）</p><p>　　式中 L——管內(nèi)液體距井口的距離，米； </p><p>　　——管外泥漿的重度，牛/。 </p><p>　　很

111、明顯，受力最嚴重的情況是管外泥漿液面在井口外，而管內(nèi)無液體，即鉆柱內(nèi)為空的情況。 </p><p>　　例：設鉆桿內(nèi)空，管外泥漿重度為，試求鉆桿在2500米井深所受的外擠壓力。 </p><p><b>　　MPa</b></p><p>　　（二）鉆柱抗擠強度的確定 </p><p>　　與套管抗擠強度一樣， 鉆桿抗擠

112、強度可從表1-1中直接查出。當上提鉆柱松動封隔器時，在拉力作用下，鉆桿的抗擠強度與套管柱一樣，也應進行修正。這可用雙軸應力圖求解(見圖 1-6)。圖上橫坐標是軸向拉應力 與管材平均屈服強度 的百分比，而縱坐標是修正后的鉆桿抗擠強度</p><p>　　與無軸向拉力作用下的抗擠強度的百分比。 </p><p>　　例：設測試時鉆桿內(nèi)空2500米，管外泥漿重度17×牛/，卸封時上提拉

113、力超過鉆柱重量222.69千牛，求127毫米、284.78牛/米、E級鉆桿的實際抗擠強度。 從鉆井測試手冊中可查出 127 毫米、284.78 牛/米鉆桿的管體截面積為 34.03 ，則鉆柱最下端所受的軸向拉應力為</p><p><b>　　MPa</b></p><p>　　E級鉆桿的平均屈服強度為586.25兆帕，則軸向拉應力相對</p><