鉆具小知識(shí)
發(fā)布時(shí)間：
2017-01-05
來(lái)源：
鉆柱(Drilling String)是鉆頭以上，水龍頭以下部分的鋼管柱的總稱. 它包括方鉆桿(Square Kelly)、鉆桿(Drill Pipe)、鉆(DrillCollar)、 各種接頭(Joint)及穩(wěn)定器(Stabilizer)等井下工具。
一、鉆柱的組成與功用
(一)鉆柱的組成
鉆柱(Drilling String)是鉆頭以上，水龍頭以下部分的鋼管柱的總稱. 它包括方鉆桿(Square Kelly)、鉆桿(Drill Pipe)、鉆(DrillCollar)、 各種接頭(Joint)及穩(wěn)定器(Stabilizer)等井下工具。
(二)鉆柱的功用
(1)提供鉆井液流動(dòng)通道
(2)給鉆頭提供鉆壓
(3)傳遞扭矩
(4)起下鉆頭
(5)計(jì)量井深
(6)觀察和了解井下情況(鉆頭工作情況、井眼狀況、地層情況)
(7)進(jìn)行其它特殊作業(yè)(取芯、擠水泥、打撈等)
(8)鉆桿測(cè)試 ( Drill-Stem Testing),又稱中途測(cè)試。
1、鉆桿
(1)作用：傳遞扭矩和輸送鉆井液，延長(zhǎng)鉆柱。
(2)結(jié)構(gòu)：管體+接頭
(3)規(guī)范 ：
壁厚：9 ～ 11mm，一般是9.19mm。
外徑：根據(jù)各種鉆桿情況而定，如常用的127，140等。 長(zhǎng)度：一般在9.5 m左右。
常用鉆桿規(guī)范(內(nèi)徑、外徑、壁厚、線密度等)
接頭及螺紋
螺紋連接條件：尺寸相等，絲扣類型相同，公母螺紋相匹配。
鉆桿接頭特點(diǎn)：壁厚較大，外徑較大，強(qiáng)度較高。
鉆桿接頭類型：
內(nèi)平(IF)、貫眼(FH)、正規(guī)(REG); NC系列 ?
●內(nèi)平式：主要用于外加厚鉆桿。特點(diǎn)是鉆桿通體內(nèi)徑相同，鉆井液流動(dòng)阻力小;但外徑較大，容易磨損。 ?
● 貫眼式：主要用于內(nèi)加厚鉆桿。其特點(diǎn)是鉆桿有兩個(gè)內(nèi)徑，鉆井液流動(dòng)阻力大于內(nèi)平式，但其外徑小于內(nèi)平式。 ?
●正規(guī)式：主要用于內(nèi)加厚鉆桿及鉆頭、打撈工具。其特點(diǎn)是接頭內(nèi)徑<加厚處內(nèi)徑<管體內(nèi)徑，鉆井液流動(dòng)阻力大，但外徑最小，強(qiáng)度較大。
這種類型接頭均采用V型螺紋，但扣型、扣距、錐度及尺寸等都有很大的差別。
●NC型系列接頭
NC23，NC26，NC31，NC35，NC38，NC40，NC44，NC46，NC50，NC56，NC61，NC70，NC77等。
NC—National Coarse Thread，(美國(guó))國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)粗牙螺紋。
xx—表示基面絲扣節(jié)圓直徑，用英寸表示的前兩位數(shù)字乘以10。
如：NC26表示的節(jié)圓直徑為2.668英寸。
NC螺紋也為V型螺紋, 表2-17所列的幾種NC型接頭與舊API標(biāo)準(zhǔn)接頭有相同的節(jié)圓直徑、
錐度、螺距和螺紋長(zhǎng)度，可以互換使用。
數(shù)字型接頭與舊API接頭的區(qū)別
2、鉆鋌
結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：管體兩端直接車制絲扣，無(wú)專門接頭;壁厚大(38-53毫米)， 重量大，剛度大。
主要作用：
(1)給鉆頭施加鉆壓;
(2)保證壓縮應(yīng)力條件下的必要強(qiáng)度;
(3)減輕鉆頭的振動(dòng)、擺動(dòng)和跳動(dòng)等，使鉆頭工作平穩(wěn);
(4)控制井斜。
類 型：光鉆鋌、螺旋鉆鋌、扁鉆鋌。
常用尺寸：6-1/4〃，7 〃 ，8 〃 ，9 〃。
3.方鉆桿
類 型：四方形、六方形
特 點(diǎn)：壁厚較大，強(qiáng)度較高
主要作用：傳遞扭矩和承受鉆柱的全部重量。
常用尺寸：89mm(3.5英寸)，108mm (4.5英寸)，133.4mm (5.5英寸)。
4.穩(wěn)定器
類型：剛性穩(wěn)定器、不轉(zhuǎn)動(dòng)橡膠套穩(wěn)定器、滾輪穩(wěn)定器。
作用： 1)防斜;
2)控制井眼軌跡。
二、鉆柱的工作狀態(tài)及受力分析
(一)鉆柱的工作狀態(tài)
1.起下鉆工況下
直井：直的拉伸、滑動(dòng)。
斜井：隨井眼傾斜和彎曲，滑動(dòng)。
2.正常鉆進(jìn)工況下
上部受拉伸，下部受壓彎曲;在扭矩作用下旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
3. 鉆柱的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)形式
(1)自轉(zhuǎn) 鉆柱象一根柔性軸，圍繞自身軸線旋轉(zhuǎn)。 均勻磨損，易發(fā)生疲勞破壞。
(2)公轉(zhuǎn) 鉆柱象一個(gè)剛體，圍繞著井眼軸線旋轉(zhuǎn)并沿著井壁滑動(dòng)。 產(chǎn)生偏磨。
(3)公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)的結(jié)合 彎曲鉆柱圍繞井眼軸線旋轉(zhuǎn)，同時(shí)圍繞自身軸線運(yùn)動(dòng)。
(4)縱向振動(dòng) 鉆頭振動(dòng)引起，產(chǎn)生交變應(yīng)力。
(5)扭轉(zhuǎn)振動(dòng) 由井底對(duì)鉆頭旋轉(zhuǎn)阻力的變化引起，產(chǎn)生交變扭剪應(yīng)力.
(6)橫向擺振 達(dá)到某一臨界轉(zhuǎn)速，可能產(chǎn)生無(wú)規(guī)則擺動(dòng)， 產(chǎn)生交變彎曲應(yīng)力。
一般認(rèn)為，彎曲鉆柱旋轉(zhuǎn)的主要形式是自轉(zhuǎn)，但也可能產(chǎn)生公轉(zhuǎn)或兩種運(yùn)動(dòng)形式的結(jié)合。
由于在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中受到阻力的作用，鉆具的轉(zhuǎn)動(dòng)是不平穩(wěn)的。
(二)鉆柱的受力分析
1. 概述
(1) 自重產(chǎn)生的拉力
(2) 鉆壓產(chǎn)生的壓力
(3) 鉆井液的浮力
(4) 摩擦阻力
(5) 循環(huán)壓降產(chǎn)生的附加拉力
(6) 起下鉆時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)載荷
(7) 扭矩
(8) 彎曲應(yīng)力
(9)離心力
(10)外擠力
(11)振動(dòng)產(chǎn)生的交變應(yīng)力。
2、鉆柱受力最嚴(yán)重的部位：
1)井口斷面： 拉力最大，扭矩最大;
2)下部受壓彎曲部分 ： 交變軸向應(yīng)力、彎曲應(yīng)力、扭剪應(yīng)力
3)中性點(diǎn)：(鉆柱上軸向力等于零的點(diǎn)(N點(diǎn)，亦稱中和點(diǎn)，Neutral Point )
拉壓交變載荷。
下部鉆柱彎曲的原因：
鉆壓的作用使下部鉆柱受壓縮，當(dāng)壓力達(dá)到鉆柱的臨界壓力，鉆柱將失去直線穩(wěn)定狀態(tài)而發(fā)生彎曲并與井壁接觸。
壓力較大時(shí)可能發(fā)生多次彎曲。
鉆柱設(shè)計(jì)
1、 設(shè)計(jì)內(nèi)容：
(1)尺寸選擇
(2)鉆鋌柱長(zhǎng)度計(jì)算
(3)鉆桿柱強(qiáng)度設(shè)計(jì)及較核。
2、設(shè)計(jì)原則
(1)滿足強(qiáng)度(抗拉、抗擠強(qiáng)度等)要求，保證鉆柱安全工作;
(2)盡量減輕整個(gè)鉆柱的重力，以便在現(xiàn)有的抗負(fù)荷能力下鉆更深的井。
(一)鉆柱尺寸選擇
1.依據(jù)：
(1)鉆機(jī)的提升能力;
(2)井眼尺寸;
(3)地質(zhì)條件;
(4)工藝要求;
(5)供貨情況;
2、經(jīng)驗(yàn)配合關(guān)系
選擇的基本原則：
1.鉆桿由于受到扭矩和拉力最大，在供應(yīng)可能的情況下，應(yīng)盡量選用大尺寸方鉆桿,應(yīng)比鉆桿尺寸大一級(jí);
2.鉆機(jī)提升能力允許的情況下，選擇大尺寸鉆桿是有利的。因?yàn)榇蟪叽玢@桿強(qiáng)度大，水眼大，鉆井液
流動(dòng)阻力小，且由于環(huán)空較小，鉆井液上返速度高，有利于攜帶巖屑。入井的鉆柱結(jié)構(gòu)力求簡(jiǎn)單，以便
于起下鉆操作。國(guó)內(nèi)各油田目前大都用127mm(5 in)鉆桿。
3.鉆鋌尺寸決定著井眼的有效直徑，為了保證所鉆井眼能使套管或套銑筒的順利下入，鉆鋌中最下部
一段(一般應(yīng)不少一立柱)的外徑應(yīng)不小于允許最小外徑，其允許最小鉆鋌外徑為：
允許最小鉆鋌外徑=2×套管接箍外徑-鉆頭直徑
當(dāng)鉆鋌柱中采用了穩(wěn)定器，可以選用稍小外徑的鉆鋌。鉆鋌柱中選用的最大外徑鉆鋌應(yīng)以保證在可能發(fā)生的打撈作業(yè)中能夠被套銑為前提。
在大于241.3mm的井眼中，應(yīng)采用復(fù)合鉆鋌結(jié)構(gòu)。但相鄰兩段鉆鋌的外徑一般以不超過25.4mm為宜。
4.鉆鋌尺寸一般選用與鉆桿接頭外徑相等或相近的尺寸 ，有時(shí)根據(jù)防斜措施來(lái)選用鉆鋌的直徑。近些年來(lái)，在下部鉆具組合中更多的使用大直徑鉆鋌，因?yàn)槭褂么笾睆姐@鋌具有下列優(yōu)點(diǎn)： ( (1)用較少的鉆鋌滿足所需鉆壓的要求，減少鉆鋌，也可減少起下鉆時(shí)連接鉆鋌的時(shí)間;
(2)提高了鉆頭附近鉆柱的剛度，有利于改善鉆頭工況;
(3)鉆鋌和井壁的間隙較小，可減少連接部分的疲勞破壞;
(4) 有利于防斜
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