鉆柱工作狀態(tài)及受力分析

鉆柱工作狀態(tài)及受力分析一、鉆柱的工作狀態(tài)在鉆井過程中，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，整個鉆柱被懸掛起來，在自重力的作用下，鉆柱處于受拉伸的直線穩(wěn)定狀態(tài)。實際上，井眼并非是完全豎直的，鉆柱將隨井眼傾斜和彎曲。在正常鉆進時，部分鉆柱（主要是鉆鋌）的重力作為鉆壓施加在鉆頭上，使得上部鉆柱受拉伸而下部鉆柱受壓縮。在鉆壓小和直井條大鉆壓，則會出現(xiàn)鉆柱的第一次彎曲或更多次彎曲（圖1）。目前，旋轉(zhuǎn)鉆井所用鉆壓一般都超過了常用鉆鋌的臨界壓力值，如果不采取措施，下部鉆柱將不可避免地發(fā)生彎曲。在轉(zhuǎn)盤鉆井中，整個鉆柱處于不停旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)，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變形。鉆柱上部的受拉伸部分，由于離心力的作用也可能呈現(xiàn)彎曲狀態(tài)。在鉆進過程中，通過鉆柱將轉(zhuǎn)盤扭矩傳送給鉆頭。在扭矩的作用下，鉆柱不可能呈平面彎曲狀態(tài)，而是呈空間螺旋形彎曲狀態(tài)。根據(jù)井下鉆柱的實際磨損情況和工作情況來分析，鉆柱在井眼內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運動形式可能是自轉(zhuǎn)，鉆柱像一根柔性軸，圍繞自身軸線旋轉(zhuǎn)；也可能是公轉(zhuǎn)，鉆柱像一個剛體，圍繞著井眼軸線旋轉(zhuǎn)并沿著井壁滑動；或者是公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)的結(jié)合及整個鉆柱或部分鉆柱做無規(guī)則的旋轉(zhuǎn)擺動。從理論上講，如果鉆柱的剛度在各個方向上是均勻一致的，那么鉆柱是哪種運動形式取決于外界阻力（如鉆井液阻力、井壁摩擦力等）的大小，但總以消耗能量最小的運動形式出現(xiàn)。因此，一般認為彎曲鉆柱旋轉(zhuǎn)的主要形式是自轉(zhuǎn)，但也可能產(chǎn)生公轉(zhuǎn)或兩種運動形式的結(jié)合，既有自轉(zhuǎn)，也有公轉(zhuǎn)。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。這樣，鉆柱彎曲就可以簡化成不旋轉(zhuǎn)鉆柱彎曲的問題。在井下動力鉆井時，鉆頭破碎巖石的旋轉(zhuǎn)扭矩來自井下動力鉆具，其上部鉆柱一般是不旋轉(zhuǎn)的，故不存在離心力的作用。另外，可用水力荷載給鉆頭加壓，這就使得鉆柱受力情況變得比較簡單。二、鉆柱的受力分析鉆柱在井下受到多種荷載（軸向拉力及壓力、扭矩、彎曲力矩）作用，在不同的工作狀態(tài)下，不同部位的鉆柱的受力的情況是不同的。1、軸向拉力和壓力鉆柱受到的軸向荷載有自重產(chǎn)生的拉力、鉆井液生產(chǎn)的浮力和施加鉆壓產(chǎn)生的壓力。（1）鉆柱在垂直井眼中懸掛時，在井眼內(nèi)沒有鉆井液的情況下，處于懸掛狀態(tài)的鉆柱僅受到自重力的作用，處于受拉伸狀態(tài)。最下端拉力為零，井口處拉力最大。當井眼內(nèi)充滿鉆井液時，鉆柱除了受自重力的作用外，還受到鉆井液的浮力作用，使鉆柱的軸向拉力減小。（2）正常鉆進時，下放鉆柱，把部分鉆柱的重力加到鉆頭上，使鉆柱的軸向拉力減小相應(yīng)數(shù)值，而且下部鉆柱受到壓應(yīng)力的作用。上部鉆柱受拉應(yīng)力作用，井口處最大，向下逐漸減小。下部鉆柱受壓力作用，井底處最大。在某一深度，既不受拉，也不受壓，軸向力等于零。該點稱為中和點。中和點是鉆柱受拉與受壓的分界點，在鉆柱設(shè)計中，希望中和點始終落在剛度大、抗彎能力強的鉆挺上，而不是落在強度較弱的鉆桿上，使鉆桿一直處于受拉伸的直線穩(wěn)定狀態(tài)，以免鉆桿受壓彎曲和受交變應(yīng)力的作用。因此，設(shè)計的鉆鋌長度不能小于中和點高度。應(yīng)當指出，由于鉆頭和鉆柱的運動很復(fù)雜，加之地層和操作等因素，鉆柱的中和點的位置是在不斷變化的。（3）起下鉆時，作用在鉆柱上部的軸向力，除了鉆柱的重力（浮重）外，還有鉆井液對鉆柱的摩擦力和提升或下放速度變化所產(chǎn)生的動載。以上對鉆柱軸向力的分析前提是假設(shè)井眼是垂直的，但在傾斜或彎曲的井眼中，鉆柱的自重力、鉆井液液柱壓力的影響以及摩擦阻力等都比較復(fù)雜，這部分內(nèi)容可參閱有關(guān)文獻。2、扭矩在鉆井過程中，轉(zhuǎn)盤通過鉆柱帶動鉆頭旋轉(zhuǎn)，破碎巖石，并克服鉆柱與井壁和鉆井液的摩擦阻力，使鉆柱承受扭矩作用。鉆柱承受的扭矩在井口處最大，向下隨著能量的消耗逐漸減小，在井底處最小。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，向上逐漸減小。3、彎曲力矩在正常鉆進中，由于下部鉆柱受壓或由于離心力、井眼彎曲等影響，都會使鉆柱發(fā)生彎曲，于是產(chǎn)生彎曲力矩，在鉆柱內(nèi)產(chǎn)生彎曲應(yīng)力。在彎曲狀態(tài)下，鉆柱繞自身軸線旋轉(zhuǎn)，則會產(chǎn)生交變彎曲應(yīng)力。最大彎曲應(yīng)力發(fā)生在撓度最大處。4、離心力當鉆柱繞井眼軸線公轉(zhuǎn)時，將產(chǎn)生離心力。離心力將引起鉆柱彎曲，使彎曲應(yīng)力增加。5、縱向振動鉆進時，由于地層軟硬不均、井底不平，特別是牙輪鉆頭轉(zhuǎn)動時會引起鉆柱的縱向振動，使中和點上下移動，產(chǎn)生交變的軸向應(yīng)力?？v向振動與鉆頭結(jié)構(gòu)、所鉆地層性質(zhì)、泵排量不均勻、鉆壓及轉(zhuǎn)速等因素有關(guān)。當縱向振動的周期和鉆柱本身固有的振動周期相同時（或成倍數(shù)），就會產(chǎn)生共振現(xiàn)象，振幅急劇增大，稱為"跳鉆"，跳鉆會引起鉆柱的疲勞破壞和鉆頭事故。6、扭轉(zhuǎn)振動和橫向擺振鉆柱的旋轉(zhuǎn)還會使鉆具產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動和橫向擺振。這種由于鉆頭結(jié)構(gòu)、地層巖性、鉆壓和轉(zhuǎn)速等因素的影響使鉆頭受力不均引起的扭轉(zhuǎn)振動稱為"蹩鉆"，表現(xiàn)為轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速忽快忽慢、聲響時高時低、鉆柱扭轉(zhuǎn)劇烈振動。使用刮刀鉆頭鉆進軟硬交錯地層時就容易引起蹩鉆。在某一臨界轉(zhuǎn)速下，鉆柱將出現(xiàn)橫向擺振，引起鉆柱嚴重偏磨和彎曲疲勞損壞。7、動荷載起下鉆過程中，由于鉆柱運動速度的突然變化會引起鉆柱的縱向動載，在鉆柱中產(chǎn)生縱向瞬時交變應(yīng)力。縱向動載的大小與操作有關(guān)。8、外擠壓力進行鉆桿測試（DST）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(huán)空。鉆桿下入井內(nèi)時控制閥是關(guān)閉的，因此鉆井液不能進入鉆桿內(nèi)，封隔器壓緊后打開控制閥，地層流體才能進入鉆柱內(nèi)。打開控制閥之前，鉆柱承受來自于鉆井液的靜液壓力作用。由以上分析可知，轉(zhuǎn)盤鉆井時鉆柱的受力情況是比較復(fù)雜的。這些荷載就性質(zhì)來講，可分為不變的和交變的兩大類。在整個鉆柱長度內(nèi)，荷載作用的特點是在井口處主要受不變荷載（拉應(yīng)力）的作用，而靠近井底則主要是交變荷載（拉、壓、彎曲應(yīng)力等），這種交變荷載的作用正是鉆柱疲勞破損的主要原因。鉆柱在井下受力嚴重的部位，一是鉆進時，下部鉆柱同時受到軸向壓力、扭矩和彎曲力矩的聯(lián)合作用，彎曲鉆柱存在著劇烈的交變應(yīng)力循環(huán)，常常導(dǎo)致鉆柱的疲勞破壞。鉆頭突然遇阻、遇卡會使鉆柱受到的轉(zhuǎn)矩大大增加。鉆進時，井口