文档介绍：石油工程钻井钻柱力学第三章BHA弯曲受力与稳定器位置制作者二00四年六月—八月12前面对钻柱的受力进行了计算与分析。为防止钻进过程中钻柱所承受的载荷达到或超过钻杆的理论负荷后可能发生的某种变形,如弹性、弹塑性变形。在钻柱设计中,要在钻柱(钻铤、钻杆)理论负荷上乘以不同的系数。第一节下部钻柱的弯曲与受力计算下面首先介绍在钻柱设计中可能遇到的几个基本概念。一:钻柱发生弯曲形式与条件1、钻柱呈直线状态——保持这种状态所需条件。1)、第没有钻压,2)、泥浆密度小于钢材密度。如图(2-1a)所示。2)、钻铤变弯,但没有出现弯曲(屈曲弯曲),钻杆呈直线状态——钻压小于钻铤的弯曲临界钻压。如图(2-1b)所示。3abcdef钻铤图3-1:钻柱的弯曲位置示意图钻杆3)、钻铤产生弯曲,钻杆呈直线,N位于钻铤顶部——钻压超过钻铤的(一次或二次)临界弯曲钻压。如图(2-1c)所示。4)、钻铤、钻杆下部都发生弯曲,N位于钻杆上——钻压继续增大,钻铤发生一次或多次弯曲。如图(2-1d)所示。45)、钻铤弯曲,钻杆下部弯曲,中和点N位于钻杆——如图(2-1e)所示。6)、钻铤很短,钻铤略有弯曲变形、但不弯曲,钻杆发生严重弯曲——如图(2-1f)所示。二:斜井内下部钻柱受力分析由井斜原因分析知道:在垂直井中产生井斜的原因包括:主要因素:下部钻曲等技术条件和客观因素:地层、地质条件。在斜井中,除了上述原因外,更主要的原因就是下部钻柱的受力、钻头受力情况。假设条件:1)、钻头做自转(象球窝节一样)(横向运动受约束);2)、钻铤稳定的靠在井眼低侧(下井壁);3)、钻头可自由的偏向任何一个方向切削井壁岩石。5图3-2a:斜井内钻柱和钻头上的作用力T切点切点以下重量W横向力FH降井斜力Fd地层造斜力Ff增井斜力Fi井眼轴线钻柱轴线钻压W0图3-2b:下部钻柱弯曲与切点T1N1一次弯曲OMc1Lc1、qmc1Mc2Lc2、qmc21、钻压(BitWeight):由于钻铤弯曲,钻压不沿井眼轴线方向施加给钻头,而是偏离一个角度(钻头倾角)。在这种情况下,钻压可一分解成两个力:即:一个沿原来井眼轴线方向的钻压分力W0。一个垂直于井眼轴线的分力(增井斜力)Fi。大小为W0=WCos;Fi=WSin————————(3-1)式中:Fi——钻头偏离原井眼轴线造成井斜的增井斜力。62、钟摆力(pendulumForce):井斜后,斜井内钻柱与下井壁形成切点,以下的钻柱的重量W势必在垂直于井壁的方向上产生一个横向分力FH。该横向力与钟摆作用相似,它使钻头破碎井眼低侧岩石,73、地层造斜力(DeflectingForceoftheFormation):地层造斜力取决于地层倾角、地层的各向异性。在大多数情况下它起增斜作用。也有可能起降斜作用(当钻水平地层时)。综合上述各力的作用,在钻头上作用有一对相互矛盾的力,即:增井斜力和降井斜力,Fi=WSin+Ff;FdWSin/2。使井眼恢复垂直状态。按几何重心概念,重心应落在切点以下钻铤长度的1/3处。为简便计算,Fd的大小为FdWSin/2——————————(3-2)4、平衡井斜角概念(在上述两种力的作用下)1)、当Fi=Fd时,保持原井斜角方向钻进;2)、当FiFd时,井斜角增大,同时,钟摆力也增大。所以井眼将达到一个大于原井斜角()的新的平衡角。3)、当FiFd时,井斜角减小,井眼将达到一个小于原井斜角()的新的平衡角。5、影响井斜平衡角的因素在各向同性地层中,井斜平衡角的数值主要取决于钻压、钻铤尺寸和井眼尺寸。因为钻压增加,钻铤弯曲程度加大(即钻头倾角加大),切点下移;结果增井斜力变大,切点以下钻铤重量减小,减井斜力变小。因此为增大减斜力,往往在切点位置以上适当位置加稳定器,需用钻头侧向力理论模型进行计算分析,以实现防斜作用。(例如:1962、霍奇公式;四川管局杨勋尧的满眼钻具),8式中:C——井眼和稳定器(外径)之差,(mm);qm——单位钻铤长度重量,(kg/m);a——钻头到中稳定器的距离与至下稳定器距离的比;三:斜井内钻压和中和点的计算与举例1、斜、直井钻杆不弯曲的最大可用钻压W0=(1-)kwLcgCos———(3-3)式中:W0——钻杆不发生弯曲的最大可用钻压(N);——钻柱与井壁之间的摩擦系数;k——泥浆浮力系数;w——钻铤的质量(kg/m);Lc——钻铤的长度(m)92、应用举例:例一:已知某井钻进时的钻压为:222400(N),井眼直径为:362(),垂直段井深为:3048m1),钻铤内外径为:(8in)(3in),钻铤的单位长度重量为:(kg/m),钻杆外径为:127mm(5in),钻杆的单位长度重量为