钻柱工作状态及受力分析

钻柱工作状态及受力分析
一、钻柱的工作状态
在钻井过程中，钻柱主要是在起下钻和正常钻进这两种条件下工作。

在起下钻时，整个钻柱被悬挂起来，在自重力的作用下，钻柱处于受拉伸的直线稳定状态。

实际上，井眼并非是完全竖直的，钻柱将随井眼倾斜和弯曲。

在正常钻进时，部分钻柱（主要是钻铤）的重力作为钻压施加在钻头上，使得上部钻柱受拉伸而下部钻柱受压缩。

在钻压小和直井条大钻压，则会出现钻柱的第一次弯曲或更多次弯曲（图1）。

目前，旋转钻井所用钻压一般都超过了常用钻铤的临界压力值，如果不采取措施，下部钻柱将不可避免地发生弯曲。

在转盘钻井中，整个钻柱处于不停旋转的状态，作用在钻柱上的力，除拉力和压力外，还有由于旋转产生的离心力。

离心力的作用有可能加剧下部钻柱的弯曲变形。

钻柱上部的受拉伸部分，由于离心力的作用也可能呈现弯曲状态。

在钻进过程中，通过钻柱将转盘扭矩传送给钻头。

在扭矩的作用下，钻柱不可能呈平面弯曲状态，而是呈空间螺旋形弯曲状态。

根据井下钻柱的实际磨损情况和工作情况来分析，钻柱在井眼内的旋转运动形式可能是自转，钻柱像一根柔性轴，围绕自身轴线旋转；也可能是公转，钻柱像一个刚体，围绕着井眼轴线旋转并沿着井壁滑动；或
者是公转与自转的结合及整个钻柱或部分钻柱做无规则的旋转摆动。

从理论上讲，如果钻柱的刚度在各个方向上是均匀一致的，那么钻柱是哪种运动形式取决于外界阻力（如钻井液阻力、井壁摩擦力等）的大小，但总以消耗能量最小的运动形式出现。

因此，一般认为弯曲钻柱旋转的主要形式是自转，但也可能产生公转或两种运动形式的结合，既有自转，也有公转。

在钻柱自转的情况下，离心力的总和等于零，对钻柱弯曲没有影响。

这样，钻柱弯曲就可以简化成不旋转钻柱弯曲的问题。

在井下动力钻井时，钻头破碎岩石的旋转扭矩来自井下动力钻具，其上部钻柱一般是不旋转的，故不存在离心力的作用。

另外，可用水力荷载给钻头加压，这就使得钻柱受力情况变得比较简单。

二、钻柱的受力分析
钻柱在井下受到多种荷载（轴向拉力及压力、扭矩、弯曲力矩）作用，在不同的工作状态下，不同部位的钻柱的受力的情况是不同的。

1、轴向拉力和压力
钻柱受到的轴向荷载有自重产生的拉力、钻井液生产的浮力和施加钻压产生的压力。

(1)钻柱在垂直井眼中悬挂时，在井眼内没有钻井液的情况下，处于悬挂状态的钻柱仅受到自重力的作用，处于受拉伸状态。

最下端拉力为零，井口处拉力最大。

当井眼内充满钻井液时，钻柱除了受自重力的作用外，还受到钻井液的浮力作用，使钻柱的轴向拉力减小。

(2)正常钻进时，下放钻柱，把部分钻柱的重力加到钻头上，使钻柱的轴向拉力减小相应数值，而且下部钻柱受到压应力的作用。

上部钻柱受拉应力作用，井口处最大，向下逐渐减小。

下部钻柱受压力作用，井底处最大。

在某一深度，既不受拉，也不受压，轴向力等于零。

该点称为中和点。

中和点是钻柱受拉与受压的分界点，在钻柱设计中，希望中和点始终落在刚度大、抗弯能力强的钻挺上，而不是落在强度较弱的钻杆上，使钻杆一直处于受拉伸的直线稳定状态，以免钻杆受压弯曲和受交变应力的作用。

因此，设计的钻铤长度不能小于中和点高度。

应当指出，由于钻头和钻柱的运动很复杂，加之地层和操作等因素，钻柱的中和点的位置是在不断变化的。

(3)起下钻时，作用在钻柱上部的轴向力，除了钻柱的重力(浮重)外，还有钻井液对钻柱的摩擦力和提升或下放速度变化所产生的动载。

以上对钻柱轴向力的分析前提是假设井眼是垂直的，但在倾斜或弯曲的井眼中，钻柱的自重力、钻井液液柱压力的影响以及摩擦阻力等都比
较复杂，这部分内容可参阅有关文献。

2.扭矩
在钻井过程中，转盘通过钻柱带动钻头旋转，破碎岩石，并克服钻柱与井壁和钻井液的摩擦阻力，使钻柱承受扭矩作用。

钻柱承受的扭矩在井口处最大，向下随着能量的消耗逐渐减小，在井底处最小。

在井下动力钻井中，钻柱承受的扭矩为动力钻具的反扭矩，在井底处最大，向上逐渐减小。

3.弯曲力矩
在正常钻进中，由于下部钻柱受压或由于离心力、井眼弯曲等影响，都会使钻柱发生弯曲，于是产生弯曲力矩，在钻柱内产生弯曲应力。

在弯曲状态下，钻柱绕自身轴线旋转，则会产生交变弯曲应力。

最大弯曲应力发生在挠度最大处。

4、离心力
当钻柱绕井眼轴线公转时，将产生离心力。

离心力将引起钻柱弯曲，使弯曲应力增加。

5.纵向振动钻进时，由于地层软硬不均、井底不平，特别是牙轮钻头转动时会引起钻柱的纵向振动，使中和点上下移动，产生交变的轴向应力。

纵向振动与钻头结构、所钻地层性质、泵排量不均匀、钻压及转速等因素有关。

当纵向振动的周期和钻柱本身固有的振动周期相同时（或成倍数），就会产生共振现象，振幅急剧增大，称为“跳钻”，跳钻会引起钻柱的疲劳破坏和钻头事故。

6、扭转振动和横向摆振
钻柱的旋转还会使钻具产生扭转振动和横向摆振。

这种由于钻头结构、地层岩性、钻压和转速等因素的影响使钻头受力不均引起的扭转振动称为“蹩钻”，表现为转盘转速忽快忽慢、声响时高时低、钻柱扭转剧烈振动。

使用刮刀钻头钻进软硬交错地层时就容易引起蹩钻。

在某一临界转速下，钻柱将出现横向摆振，引起钻柱严重偏磨和弯曲疲劳损坏。

7.动荷载
起下钻过程中，由于钻柱运动速度的突然变化会引起钻柱的纵向动载，在钻柱中产生纵向瞬时交变应力。

纵向动载的大小与操作有关。

8、外挤压力进行钻杆测试（DST）时，一般都在钻柱底部装一封隔器，用以封隔下部地层和管外环空。

钻杆下入井内时控制阀是关闭的，因此钻井液不能进入钻杆内，封隔器压紧后打开控制阀，地层流体才能进入钻柱内。

打开控制阀之前，钻柱承受来自于钻井液的静液压力作用。

由以上分析可知，转盘钻井时钻柱的受力情况是比较复杂的。

这些荷载就性质来讲，可分为不变的和交变的两大类。

在整个钻柱长度内，荷载作用的特点是在井口处主要受不变荷载（拉应力）的作用，而靠近井底则主要是交变荷载（拉、压、弯曲应力等），这种交变荷载的作用正是钻柱疲劳破损的主要原因。

钻柱在井下受力严重的部位，一是钻进时，下部钻柱同时受到轴向压力、扭矩和弯曲力矩的联合作用，弯曲钻柱存在着剧烈的交变应力循环，常常导致钻柱的疲劳破坏。

钻头突然遇阻、遇卡会使钻柱受到的转矩大大
增加。

钻进时，井口处钻柱所受到拉力、扭矩都最大。

二是起下钻时，井口处钻柱受到最大轴向拉力。

如果猛提猛刹，会因动载使井口处钻柱承受更大的轴向拉力。

三是由于地层岩性变化、钻头的冲击和纵向振动等因素的存在，使得钻压大小不均匀，因而使中和点附近的钻柱受拉压交变荷载的作用，容易产生疲劳破坏。