文档介绍：第五章:钻柱一般设计方法与螺弯受力
制作者孙学增
大庆石油学院石油工程院
二零零五年六月二十八日
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1、强度计算基本概念
2、钻柱设计模型
3、大位移井钻柱设计方法步骤
§1:大位移井钻柱设计基本概念
研究内容
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1、直井钻柱的轴向拉伸载荷 Fza
顺利完成钻井任务,同时使成本最低,钻柱设计一般应考虑的因素有:Dv、Dh、d、n(安全系数) 、钻柱强度(抗拉、抗外挤、抗内压和卡瓦挤毁) ,拉力余量、摩擦力、弯曲状态(正弦和螺旋弯曲)、钻柱极限载荷、几何尺寸(Lp、、Dp、Di、We、刚级)等。
Fza = (Lp Wp + Lc Wc)Kf - Wzy - PhAp ————(1)
式中: Lp ——钻杆长度,m; Lc ——钻铤长度,m;
Wp ——钻杆单位长度重量,Kg/m;
Wc——钻铤单位长度重量,Kg/m;
Kf ——-浮力系数,无因次;
一、强度计算基本概念与轴载 Fa
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Wzy——钻压,N;Ph——静液柱压力,Pa;Ap——钻柱的截面面积,M2,
注意的问题是:
(1)、Fza——为理论值;它是根据钻柱的最小截面面积(Apmin)的值和材料的屈服强度(s)的大小确定的。(2)、如果计算值 F > Fza,钻柱有可能发生塑性变形。所以在大多数钻柱设计中,Fzamax = Fza。
2、斜井钻柱轴向载荷微分方程 F(x)
式中: We ——单位长度钻杆有效重量;
We Sin——钻柱与井壁的均匀接触力。
——(2)
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1)、钻柱的抗外挤强度 FC
钻柱强度指得是:抗拉、抗外挤、抗内压强度。
( 1)、考虑双轴应力作用的钻柱抗外挤强度DC
——(3)
式中:wcd——钻柱所受轴向载荷,KN。
(2)、钻柱的抗外挤强度 PyPC和抗破裂强度
2、钻柱强度基本计算
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(a)、考虑双轴应力作用的钻柱抗外挤强度DC
PyPC = 2 S(D /t - 1)/(D /t)2 ———(a)
(b)、考虑双轴应力作用的钻柱抗外挤强度DC
PPC = 2 S(At /D - B)- C —————(b)
该式是由实验方程(根据 K55、N80、P110、等不同刚级的钻杆,2488个掏管的批列实验数据得出的经验公式; 用它可以求出关注的塑性抗挤毁强度)。
(c)、考虑双轴应力作用的钻柱抗外挤强度DC
PtC = 2 S( Ft /D - G)——————————(c)
此式是一个岁极机方程,它须由塑性挤毁和弹性方程连立求解。用它可求出管柱的过渡区的抗外挤强度。
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钻柱的抗内压力主要来源于地层流体(油、气和水)压力以及特殊作业(如酸化、压裂、挤水泥)。目前计算内压力的方法主要有以下三种:
( 1)、以井口设备(防喷器)的承压能力为依据;(2)、以掏管内完全充满天然气为依据;(3)、以井口压力、陶管内外压差之和计算的有效应力为依据。其中:由压力平衡方程条件建立的平衡方程为:
DD0 DW = PCINL + DDd DW + GDg(DW - DWL)
即: PCIN= DD0 DW - GDg(DW-DW1)- d g DW1×10-6—(4)
式中: PCIN——井深为 DW1处套管的内压力,MPa; D D0——上覆岩层压力剃度,MPa/m; DW-——井深,m; DW1——-计算点井深处的压力剃度, MPa/m ;GDg——天然气的压力剃度, MPa/m ;
2)、钻柱的抗内压强度 Fi
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1、额定极限试验——如图 1A、B所示。
二、钻柱设计的一般试验内容(条件)
2、钻柱的抗外挤压力试验
Pc与工作包络线相交的值为 Fc1、 Fc2。如果F1、F2满足下述条件, t 就通过抗外挤压试验。相反重新选择 t 。
Fc1 F1 Fc2 ; Fc1 F2 Fc2 ——(6)
设微元段钻柱壁厚为 t ,单元体上下端受轴向力 F1、F2 如图 1A 。图 1B 是给定钻柱壁厚的工作包络线(它以直线形式画出了钻柱抗内压 Pb 的额定值。大小与工作包络线相交的值为 Fb1、Fb2)。如果F1、F2 满足下述条件,所选择的壁厚 t 就通过抗内压试验。相反应重选壁厚 t 。
Fb1 F1 Fb2 ; Fb1 F2 Fb2 ——(5)
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Fig 1: String Ratings test。
(A)—钻柱单元轴向力; (B)—钻柱工作包络线
(A)
钻柱的受力示意图
Pb
满足抗内压强度极限轴向力范围
满足抗外挤强度极限轴向力范围
Pc
Fc1
Fc2
Fb1
Fb2
压力
Fmw
(B)
工作极限包络线
F1