钱江,专注地质钻杆33年

180-5840-3385

钻井装备手册-钻柱构件的合理选择

2017-10-07 09:32:43 qjjx

合理的钻柱选择是确保优质、快速、安全钻井的重要条件。尤其是对深井钻井,钻柱在井下的工作条件十分复杂与恶劣,钻柱选择就显得尤为重要。钻柱选择一般遵循以下两个原则:

第一:满足强度(抗拉强度、抗扭强度等)要求,保证钻柱安全工作;

第二:尽量减轻整个钻杆的重量,以便在现有的抗负荷能力下钻更深的井。

(一)、钻柱尺寸的选择

具体对一口井而言,钻柱的尺寸选择首先取决于钻头尺寸和钻机的提升能力。同时,还要考虑每个地区的特点,如地质条件、井身结构、钻具供应及防斜措施等。常用的钻头尺寸和钻柱尺寸配合列于表1-1供参考。

1-1 钻头尺寸与钻柱尺寸配合

钻头直径/mm(in)

钻铤外径/mm

钻杆外径/mm

方钻杆方宽/mm

299(11)

203

168

152

248  ~299(9~11)

178 ~  203

140

133,152

197  ~248(7~9)

152~178

114,127

108,133

146  ~216(5~8)

146

89

89,108

从上表可以看出,一种尺寸的钻头可以使用两种尺寸的钻具,具体选择就要依据实际条件。选择的基本原则是:

1.方钻杆由于受到扭矩和拉力最大,在供应可能的情况下,应尽量选用大尺寸钻杆。

2.钻机提升能力允许的情况下,选择大尺寸钻杆是有利的。因为大尺寸钻杆强度大,水眼大,钻井液流动阻力小,且由于环空较小,钻井液上返速度高,有利于携带岩屑。国内各油田目前大都用127mm5in)钻杆。

3.钻铤尺寸决定着井眼的有效直径,为了保证所钻井眼能使套管或套铣筒的顺利下入,钻铤中最下部一段(一般应不少于一立柱)的外径应不小于允许最小外径,其允许最小钻铤外径为

       允许最小钻铤外径=2×套管接箍外径—钻头直径

在大于241.3mm的井眼中,应采用复合钻铤结构。但相邻两端钻铤的外径差一般以不超过25.4mm为宜。

4.钻铤尺寸一般选用与钻杆接头外径相等或相近的尺寸,有时根据防斜措施来选用钻铤的直径。近些年来,在下部钻具组合中更多的使用大直径钻铤,因为使用大直径钻铤具有下列优点:

1)用较少的钻铤满足所需钻压的要求,减少钻铤,也可以减少起下钻时连续钻铤的时间;

2)提高了钻头附近钻柱的刚度,有利于改善钻头工矿;

3)钻铤和井壁的间隙较小,可减少连接部分的疲劳破坏;

4)有利于防斜。

(二)、钻铤长度的确定

钻铤长度取决于钻压与钻铤尺寸,其确定原则是:保证在最大钻压时钻杆不承受压缩载荷,即保持中性点始终处在钻铤上。由下面公式可得钻铤长度计算公式:

式中:—钻铤长度,m

      —设计的最大钻压,KN

      —安全系数,防止遇到意外附加力(动载、井壁摩擦力等)时,中性点移到较弱的钻杆上,一般取SN=1.15~1.25 

      —每米钻铤在空气中的重力,KN/m

      KB—浮力系数;

      α—井斜角度数,直井时,α=0°。

10-1.webp.jpg


(三)、钻杆柱强度选择

由钻柱的受力分析可知,不论是在起下钻还是在正常钻进时,经常作用于钻杆且数值较大的力是拉力。而且,井越深,钻杆柱越长,钻杆柱上部受到的拉力越大。但对某种尺寸和钢级的钻杆,其抗拉强度是一定的,既按抗拉强度确定其可下深度。在一些特殊作业(如钻杆测试等)中,也需要对抗挤及抗内压强度进行校核。

在以抗拉伸计算为主的钻杆柱强度设计中,主要考虑由钻杆重力(浮重)引起的静拉载荷,其它一些载荷(如动载、摩擦力、卡瓦挤压力的影响及解卡上提力等)通过一定的设计系数考虑。

1、钻杆柱选择的强度条件

钻杆柱任一截面上的静拉载荷应满足一下条件:

FtFa

式中:Ft—钻杆柱任一截面上的静拉载荷,kN

      Fa—钻杆柱的最大安全静拉力,kN

钻杆柱所能承受的最大安全静拉力的大小取决于钻杆材料的屈服强度、钻杆尺寸以及钻杆柱的实际工作条件。

钻杆柱的最大安全静拉力是指允许钻杆所承受的由钻柱重力(浮重)引起的最大载荷。考虑到其它一些拉伸载荷,如起下钻时的动载及摩擦力、解卡上提力及卡瓦挤压的作用等。目前,用于确定钻杆的最大安全静拉力的方法有三种:

一是安全系数法。考虑起下钻时的动载及摩擦力,一般取一个安全系数St,以确保钻柱的工作安全,即

Fa=0.9Fy/St

式中:Fy—钻杆在最小屈服强度下的抗拉力,kN,可以计算,也可以从表中查出;

      St—安全系数,一般取1.30

二是设计系数法(考虑卡瓦挤压)。对于深井钻柱来说,由于钻柱重力大,当它坐于卡瓦中时,将受到很大的紧箍力,当合成应力接近或达到材料的最小屈服强度时,就会导致卡瓦挤毁钻杆。为了防止钻杆被卡瓦挤毁,要求钻杆的屈服强度与拉伸应力的比值不能小于一定的数值,此值可根据钻杆抗挤毁条件得出,即钻杆的安全静拉力为:

Fa=0.9Fy-1

式中:Fy—钻杆在最小屈服强度下的抗拉力,kN可以计算,也可以从表中查出;

      σy—钻杆材料的屈服强度,MPa

      σt—有悬挂在吊卡下面钻柱重力引起的拉应力,MPa

注:防止卡瓦挤毁钻杆的σy/σt比值见表1-2

1-2 防止卡瓦挤毁钻杆的σy/σt比值

卡瓦长度(mm

摩擦系数(μ)

钻杆尺寸

60.3

73.0

88.9

114.3

127.0

139.7

最小比值(σy/σt

304.8

0.06

1.27

1.34

1.43

1.58

1.66

1.73

0.08

1.25

1.31

1.39

1.52

1.59

1.66

0.10

1.22

1.28

1.35

1.47

1.54

1.60

0.12

1.21

1.26

1.32

1.43

1.49

1.55

0.14

1.19

1.24

1.30

1.40

1.45

1.50

406.4

0.06

1.20

1.24

1.30

1.41

1.47

1.52

0.08

1.18

1.22

1.28

1.37

1.42

1.47

0.10

1.16

1.20

1.25

1.34

1.38

1.43

0.12

1.15

1.18

1.23

1.31

1.35

1.39

0.14

1.14

1.17

1.21

1.28

1.32

1.35

注:卡瓦锥角为9°2745″;摩擦系数0.08用于正常润滑。

三是拉力余量法。考虑钻柱被卡时的上体解卡力,钻杆柱的最大安全静拉力应小于其最大安全拉伸力一个合适的数值,并以它作为余量,称为“拉力余量”(记为MOP),以确保钻柱不被拉断。即:

Fa=0.9FyMOP

式中:Fy—钻杆在最小屈服强度下的抗拉力,kN,可以计算,也可以从表中查出;

      MOP—拉力余量,一般取200~500kN

在采用拉力余量法选择钻柱时,必须是钻柱每个断面上的拉力余量相同,这样在提拉钻柱时就不会因某个薄弱面影响和限制总的提拉载荷的大小。

一般地,在钻杆设计中,钻杆的最大安全静拉力取决于安全系数、σy/σt比值和拉力雨量三个因素,然后从三者中取最低者作为最大安全静拉力,据此计算钻杆柱的最大长度。

2、钻杆柱的选择

1)单一钻杆柱长度选择。对同一尺寸、壁厚和钢级的钻杆柱,通过以上方式可以计算出它的最大安全静拉力Fa,从而计算出该钻杆柱的最大允许长度L,即:

Fa=L×qp+Lc×qc)×KB

所以,最大允许长度:

L=Fa/KBLc×qc/qp

式中:Fa—钻杆柱的最大安全静拉力,kN

      L—钻杆柱的最大允许长度,m

      qp—单位长度钻杆在空气中的重力,kN/m

      Lc—钻铤柱长度,m

      qc—单位长度钻铤在空气中的重力,kN/m

      KB—浮力系数;

如果最大允许长度满足不了设计井深的要求,则重新选择更高一级的钻杆进行计算,直达满足要求为止。

2)复合钻杆柱长度选择。在深井和超深井中,经常采用复合钻柱,即采用不同尺寸(上大下小),或不同壁厚(上厚下薄)、或不用钢级(上高下低)的钻杆组成的钻杆柱。这种复合钻杆柱和单一钻杆柱相比具有很多优点,它既能满足强度要求,又能减轻钻柱的重力,允许在一定钻机负荷能力下钻达更大的井深,如果再采用刚强度钻杆,还可以进一步提高钻柱的下井深度和钻机的钻井深度。

计算复合钻杆柱长度时,应自下而上逐段确定各段钻杆柱的最大允许长度,承载能力最低的钻杆应置于钻铤之上,承载能力较强的钻杆置于较弱的钻杆之上,各段的钻杆最大长度可按照单一钻柱长度公式计算。

3)抗扭强度。在钻斜井、深井、扩眼和处理卡钻事故时,钻杆受到的扭矩很大,抗扭强度计算也就显得极其重要,各种尺寸、钢级及不用级别钻杆的抗扭强度数据见表。

在钻井过程中,钻杆承受的实际扭矩很难精确计算,可用下式近似估算:

M=9.67P/n

式中:M—钻杆所承受的扭矩,kN·m

      P—使钻柱旋转所需的功率,kw

      n—转速,r/min

应特别注意的是,一般情况下加于钻杆上扭矩不允许超过钻杆接头的紧扣扭矩,推荐的钻杆接头紧扣扭矩见表,钻杆接头的紧扣扭矩是防止钻杆接头损坏的唯一主要因素。要求施加于钻杆上的扭矩不应超过规定值,若施加扭矩过大,则会在接头丝扣处产生很高的轴向载荷,会造成丝扣变形、折断,公接头伸长、剪断,母接头胀大、胀裂等钻具事故。

10-2.webp.jpg