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1、第三章鉆受力分析3.1作用在鉆柱上的基本載荷鉆柱的受力狀態(tài)與所選用的鉆井方式有關，不同的位置上作用不同的載荷。概括起來，作用在鉆柱上的基本載荷有以下幾種：（1）軸向力。處于懸掛狀態(tài)下的鉆柱，在自重作用下，由上到下均受拉力。最下端的拉力為零，井口處的拉力最大。在鉆井液中鉆柱將受到浮力的作用，浮力使鉆柱受拉減小。起鉆過程中，鉆柱與井壁之間的摩擦力以及遇阻、遇卡，均會增大鉆柱上的拉伸載荷。下鉆時鉆柱的承載情況與起鉆時相反。循環(huán)系統(tǒng)在鉆柱內及鉆頭水眼上所耗損的壓力，也將使鉆柱承受的拉力增大。鉆鋌以自重給鉆頭加鉆壓，造成鉆柱下部處于壓縮狀態(tài)。（2）徑向擠壓力。應用卡瓦進行起下鉆作業(yè)時，由
2、于卡瓦有一定的錐角，在鉆柱上引起一定的擠壓力。中途測試時，鉆柱上也要承受管外液柱的擠壓力。（3）彎曲力矩。彎曲力矩的產生是因鉆柱上有彎曲變形存在；引起鉆校彎曲變形的主要因素是給定的鉆壓值超過了鉆柱的臨界值。在轉盤鉆井中，鉆柱在離心力的作用下，亦會造成彎曲。由于鉆柱在彎曲井眼內工作，也將產生彎曲。在彎曲狀態(tài)，鉆柱如繞自身軸線旋轉，則會產生交變的彎曲應力。（4）離心力。鉆柱在鉆壓的作用下會產生彎曲，在一定的條件下，彎曲鉆柱會圍繞井眼中心線旋轉而產生離心力，促使鉆柱更加彎曲。（5）扭矩。鉆頭破碎巖石的功率是由轉盤通過方鉆桿傳遞給鉆柱的。出于鉆柱與井壁和鉆井液有摩擦阻力，因而鉆柱所承受
3、的扭矩井口比井底大。但在使用井底動力鉆具（渦輪鉆具、迪納鉆具等）時，作用在鉆柱上的反扭矩，井底大于井口。（6）振動載荷。使鉆柱產生振動的干擾力也是作用在鉆柱的重要載荷（圖2-1）。在鉆井過程中，用鉆柱將鉆頭送至井眼底部并向鉆頭傳遞動力，靠鉆頭的牙齒、切削刃和射流破碎巖石形成井筒；通過鉆柱中心的圓管向井下傳遞高壓鉆井液，靠鉆井液的流動把巖石碎屑攜至地面并從鉆井液中除掉巖屑。為了控制井眼鉆進的方向，靠近鉆頭的一段鉆柱外徑和抗彎剛度較大，并在一定位置上安放一定規(guī)格的穩(wěn)定器，下部鉆柱只有穩(wěn)定器和鉆頭接觸井壁，鉆柱本體則不與井壁接觸。由于鉆頭牙齒間斷地與地層接觸或巖石的間歇破碎，導致鉆頭
4、并帶動鉆柱振動。鉆柱振動按形式分為縱向振動、扭轉振動和橫向振動三類[13]。（1）縱向振動。縱向振動指的是鉆柱沿其軸向的伸縮運動。該種振動產生的原因是井底不平、鉆頭牙齒間歇壓入巖石和巖石間歇破碎。鉆頭的振動以彈性波的形式通過鉆柱向地面?zhèn)鞑?，到達地面后再沿鉆柱向鉆頭回傳。由于鉆井液的阻尼作用，在傳播的過程中，振動波形逐步變化，振幅逐步減小但是，當鉆頭振動的頻率為鉆柱固有頻率的整數(shù)倍時，鉆柱將處于共振狀態(tài)。鉆柱內的交變應力和振幅相當大，導致鉆柱斷裂或粘扣。研究鉆柱的縱向振動對設計鉆柱、設計減振器和選擇合適的轉速有重要的指導意義。（2）扭轉振動。扭轉振動指的是鉆柱繞其中心線的旋轉運動
5、。該種振動產生的原因是鉆頭間歇破碎巖石時所產生的變化轉速。扭矩波動使鉆柱產生繞自身軸線的旋轉波動，以彈性波的形式通過鉆柱向地面?zhèn)鞑?，到達地面后再沿鉆柱向鉆頭回傳。由于鉆井液的阻尼作用，在傳播的過程中，振動波形逐步變化，振幅逐步減小。但當鉆頭振動的頻率為鉆柱固有頻率的整數(shù)倍時，鉆柱將處于共振狀態(tài)。鉆柱內的剪切交變應力也達到較大的數(shù)值。（3）橫向振動。橫向振動指的是鉆柱中心偏離井眼中心的振動。產生該種振動的原因一是鉆頭間歇破碎巖石所產生的軸向交變力和位移，二是鉆柱繞井眼中心的渦動。在大斜度定向井中，以前一原因為主，橫向振動主要發(fā)生在靠近鉆頭的一段具有穩(wěn)定器的鉆柱上。在垂直井中，則可
6、能以第二原因為主，橫向振動主要發(fā)生在受壓段上。上述三種振動在鉆井過程中始終存在，相互作用，相互影響，并以縱向振動為主。圖2-1鉆柱的振動2.3.1鉆柱摩阻／扭矩分析在斜井、大位移井、水平井中，鉆柱作用于井壁的正壓力將產生摩擦阻力（摩阻）。鉆柱、套管的合理選擇及井眼軌跡設計等都與鉆柱摩阻預測有關，因此準確預測摩阻在鉆井、固井和完井中都極為重要。其計算模型因假設條件、井眼軌跡情況不同，分為剛桿和軟桿模型2種。本文應用剛桿模型，計算鉆柱起鉆、下鉆、滑動鉆進、轉動鉆進等不同工況下的摩阻／扭矩。（1）剛桿模型的建立與微元段上的軸向載荷及扭矩求解剛桿模型基本假設：鉆柱與井壁接觸，鉆柱軸線與
7、井眼軸線一致；井壁為剛性；鉆柱微元體所受重力、正壓力、摩阻力均勻分布；微元體為空間斜平面上的一段圓弧。其中式中：K式中:K為井眼曲率，rad/m;K為井斜變化率，rad/m;K為方位變化率，rad/m;q為鉆柱單位長度重量，N/m;N為正壓力，N;N為主法向上的接觸力，N;N為副法向上的接觸力，N;D為鉆柱外徑，m;M為鉆柱微段上的彎矩，Nm;為井斜角，rad;為方位角，rad;為滾動摩阻系數(shù);為滑動摩阻系數(shù);M為鉆柱所受扭矩，Nm;dT為鉆柱軸向力增量，N;T為微元段上的軸向力，N;為鉆井
