第5章钻柱
钻井工程：第五章 井眼轨道设计与轨迹控制
第五章井眼轨道设计与轨迹控制1．井眼轨迹的基本参数有哪些？为什么将它们称为基本参数？08答：井眼轨迹基本参数包括：井深、井斜角、井斜方位角。
这三个参数足够表明井眼中一个测点的具体位置，所以将他们称为基本参数。
2．方位与方向的区别何在?请举例说明。
井斜方位角有哪两种表示方法?二者之间如何换算?答：方位都在某个水平面上，而方向则是在三维空间内(当然也可能在水平面上）.方位角表示方法:真方位角、象限角.3．水平投影长度与水平位移有何区别？视平移与水平位移有何区别?答：水平投影长度是指井眼轨迹上某点至井口的长度在水平面上的投影，即井深在水平面上的投影长度。
水平位移是指轨迹上某点至井口所在铅垂线的距离，或指轨迹上某点至井口的距离在水平面上的投影。
在实钻井眼轨迹上，二者有明显区别,水平长度一般为曲线段，而水平位移为直线段.视平移是水平位移在设计方位上的投影长度.4．狗腿角、狗腿度、狗腿严重度三者的概念有何不同？答：狗腿角是指测段上、下二测点处的井眼方向线之间的夹角（注意是在空间的夹角）。
狗腿严重度是指井眼曲率,是井眼轨迹曲线的曲率.5．垂直投影图与垂直剖面图有何区别？答：垂直投影图相当于机械制造图中的侧视图，即将井眼轨迹投影到铅垂平面上；垂直剖面图是经过井眼轨迹上的每一点做铅垂线所组成的曲面,将此曲面展开就是垂直剖面图。
6．为什么要规定一个测段内方位角变化的绝对值不得超过180 ？实际资料中如果超过了怎么办?答：7．测斜计算，对一个测段来说,要计算那些参数？对一个测点来说，需要计算哪些参数?测段计算与测点计算有什么关系?答：测斜时，对一个测段来说，需要计算的参数有五个：垂增、平增、N坐标增量、E坐标增量和井眼曲率；对一个测点来说，需要计算的参数有七个：五个直角坐标值（垂深、水平长度、N坐标、E坐标、视平移）和两个极坐标（水平位移、平移方位角）。
轨迹计算时，必须首先算出每个测段的坐标增量,然后才能求得测点的坐标值。
钻柱
Fw = 0.9 Fy
Fw ：钻柱工作时允许受到的最大轴向载荷
Fy ：材料最小屈服强度下的抗拉力
2. 钻柱允许的最大静拉载荷 Fa
Fa ：钻柱在钻井液中重量产生的轴向载荷。
Fa < Fw
钻柱设计
2. 钻柱允许的最大静拉载荷 Fa 1）安全系数法 Fw Fa = Sp
S p ：设计安全系数 S p = 1.3 ~ 1.6
钻柱设计
1. 钻具尺寸的选择： 钻具组合书写表示方法： 215毫米钻头（钻头高度，m）+420×520（长度，m）+178毫 米钻铤（长度，m） +521×410 （长度，m） +159毫米钻铤 （长度，m） +127毫米钻杆（长度，m） +411×520 （长度 ，m） +133毫米方钻杆（方入，m）+水龙头（631反）
钻柱设计
2.钻铤长度的确定： 原则： 钻铤在泥浆中的重量为所需最大钻压的1.2～1.3倍。
S n ⋅ Wmax 计算公式为： Lc = qc ⋅ K b ⋅ cos α
Lc ——钻铤长度，米；
α ——井斜角,度
Wmax ——最大钻压，牛；
qc
Kb
Sn
——钻铤的每米重量，牛/米 ——浮力系数 ——设计安全系数
钻柱设计
1. 钻具尺寸的选择： 常用钻具组合： 12 ¼” 以上井眼： 钻头+9”钻铤+8”钻铤+7”钻铤+5”钻杆+5 ¼”方钻杆 8 1/2” 井眼： 钻头+ 6 1/2”钻铤+6 1/4”钻铤+5”钻杆+5 ¼”方钻杆 6” 井眼： 钻头+ 4 3/4”钻铤+3 1/2”钻杆+ 3 1/2”方钻杆
5钻杆地层测试
第五章 钻杆地层测试
在石油及天然气的勘探过程中， 在石油及天然气的勘探过程中，为了对钻井过程 勘探过程中 中遇到的油气显示层段能尽量做出准确评价， 中遇到的油气显示层段能尽量做出准确评价， 目前除了采用地质综合录井、地球物理测井、 目前除了采用地质综合录井、地球物理测井、 地质综合录井 岩心分析等基本方法外，还采用了 岩心分析等基本方法外，还采用了电缆地层测 等基本方法外 试技术和钻杆地层测试技术。 试技术和钻杆地层测试技术。后者是一种最终 确定油气层性质的方法。 确定油气层性质的方法。
第五章 钻杆地层测试
与传统的试油方式相比， 与传统的试油方式相比，钻杆地层测试具有以 下特点： 下特点：
第五章：井斜及其控制
(2)井斜角(α)： 井斜角( )
指井眼方向线与重力线之间的夹角。单位为度( 指井眼方向线与重力线之间的夹角。单位为度(°)。 井眼方向线： 井眼方向线： 过井眼轴线上某测点作 过井眼轴线上某测点作 轴线上 井眼轴线的切线， 井眼轴线的切线，该切线向 井眼前进方向延伸的部分称 为井眼方向线。 为井眼方向线。 井斜角增量( ∆α )： 井斜角增量( 下测点井斜角与上测点 井斜角之差。 井斜角之差。
1磁铁定向法双罗盘定向法双罗盘测斜仪定向磁铁安装在无磁钻铤上上罗盘处在定向磁铁位置指针标志工具面方位下罗盘远离定向磁铁指针指向正北方位
钻井工程
井斜及其控制
——钻井工程
重庆科技学院石油工程学院制作
第五章 井斜及其控制
本节主要内容： 本节主要内容：
第一节 第二节 井斜及其控制标准 井斜原因
第三节 控制井斜的措施 第四节 虹吸测斜仪
二、衡量井斜的参数
目的：掌握有关参数的概念及这些参数之间的关系。 目的：掌握有关参数的概念及这些参数之间的关系。
1．轨迹的基本参数
测量方法：非连续测量，间断测量。 测段” 测点” 测量方法：非连续测量，间断测量。“测段”，“测点”。 井深、井斜角和井斜方位角----轨迹的三个基本参数。 轨迹的三个基本参数。 井深、井斜角和井斜方位角 轨迹的三个基本参数 (1)井深（或称为斜深、测深） 井深（或称为斜深、测深） 井口(通常以转盘面为基准)至测点的井眼长度。 井口(通常以转盘面为基准)至测点的井眼长度。 以字母D 表示，单位为米(m) (m)。 以字母Dm表示，单位为米(m)。 井深增量（井段） 下测点井深与上测点井深之差。 井深增量（井段）：下测点井深与上测点井深之差。 表示。 以ΔDm表示。
(a) 井斜曲率对比图 (b)
5钻井工程理论与技术_第5章井眼轨道设计与轨迹控制
4．校正平均角法
校正平均角法假设测段形状为一条圆柱螺线。 如图5—11所示，圆柱螺线在水平投影图上是圆
弧。圆柱螺线在圆柱面展平平面上也是圆弧， 即垂直剖面图是圆弧。根据这个假设推导的计 算方法，称为“圆柱螺线法”。这是我国著名 学者郑基英教授首先提出的。这种方法与美国 人提出的“曲率半径法”的公式表达不同，但 计算结果是完全相同的。
(7)在一个测段内，井斜方位角的变化的绝 对值不得超过180 °。在具体计算时，还
要特别注意平均井斜方位角Φc的计算方 法。
三、轨迹计算的方法
1．轨迹计算的顺序 轨迹计算的最终要求是算出每个测点的坐标值。
D1＝Do+∆D1 Lp1＝Lpo+∆Lp1 N1＝No+∆N1 E1＝Eo+∆E1 第0测点已知，即：Do＝Dmo，Lpo＝0，No＝0， Eo＝0。
（三）随钻随测
二、对测斜计算数据的规定
我国钻井行业标准对测斜计算数据有以下规定。
(1)测点编号：测斜时虽然是自下而上进行的，测点编
号却是规定自上而下进行，第一个井斜角不等于零的测 点作为第一测点，向下类推编号。每个测点的参数皆以 该点编号作为下标符号。
(2)测段编号：也是自上而下编号。且规定第i一1点与
多点测斜仪：即一次下井可记录井眼轨迹上多个井深处的井斜参 数：井斜角和井斜方位角。多点测斜仪的下入，在裸眼井中用 电缆送入到井底，然后在上提过程中每隔一定长度进行静止测 量，并将数据用照相的办法记录在胶片上，提出后进行冲洗阅 读。多点测斜仪也可在起钻前从钻柱内投入到靠近钻头处，然 后在起钻过程中利用每起一个立柱静止卸扣的时间进行测量和 记录。
石油工程 第5章优选参数钻井
Lv 2
di (3.2) (3.2)
2 A
0.2 pv
(3.2 d i v)
0. 2
Lv 2
di
0. 2
0. 8
Lv1.8 d 1.2 i LQ 1. 2 1 2 1.8 d i ( d i ) 4
1.8
0.2 pv
0. 2
0. 8
B
第五章
0. 2 pv
第五章 第一节 钻井参数作用机理
2. 钻压、转速对钻头磨损的影响
（1） 钻压、转速对牙齿磨损速度的影响
第五章
第一节
钻井参数作用机理
Q1，Q2——由钻头类型决定的系数； D1，D2——钻压影响系数，其值与牙轮 钻头尺寸有关； C1——牙齿磨损系数； Af——地层研磨性系数，其含义是当钻 压、转速和牙齿的磨损状况一定时，牙 轮钻头牙齿的磨损速度与地层的研磨性 成正比。
2. 循环系统压力损耗的计算 (1) 管内层流 (2) 环空内层流 (3) 流动状 态的判别(4) 紊流流态下压力损耗的计算
Lv 2 管内紊流： Pi 2 f di
Lv 2 环空内紊流： Pa 2 f dh d p
第五章
第二节
水力参数的优选
f——管路的水力摩阻系数； di，dp，dh——分别为圆管内径、钻柱 外径和井眼直径，m； v——平均流速，m/s。
3. 喷射钻井工作方式及最 优条件
第五章
第二节
水力参数的优选
(1) 最大钻头水功率工作方式Pbmax
当泵处在额定泵功率工作状态时，Ps=Pr,ps=Pr/Q， 则有
可见，随着排量Q的增大，钻头水功率Pb将不断降低； Q减小，Pb总是增大。但由于在Ps=Pr工作状态下，排量 最小只能等于Qr。所以，在Ps=Pr工作状态下，实际获得 Pbmax的条件为：Q=Qr。 当泵处于额定泵压工作状态时，ps=pr,则钻头水功 率可表示为
第五章钻井参数优选介绍
第二节 水力参数的优选
喷射钻井中从钻头喷嘴中喷出的钻井液射流，速度高、水功率大，不仅能使 岩屑及时迅速离开井底，始终保持静底清洁，而且在一定条件下能直接破碎岩石。 这就是喷射钻井能大幅度提高钻速的主要原因。因此，如何选择泵型、泵的工作 方式，优选泵压、排量、喷嘴组合是合理利用地面泵功率、他，提高钻井效率的 关键，也是水力参数优化钻井的中心内容。
令
射流动压力：射流具有一定的密度，又有一定的速度。在射流前进方向上遇到 障碍物时，射流将给障碍物一个压力，着个压力就是射流具有的动压力。 射流任一点的动压力与该点射流速度和射流液体密度有关：
其分布规律与速度分布分布规律相近： （1）在射流的任一截面上，中心动压力最大，自中心向外，动压力急剧衰减，在 射流边界上动压力为零。 （2）射流等速核内各处的动压力相等，都等于射流刚出口时的动压力。 （3）在射流中心轴线上，超过等速核以后，动压力急剧下降：
提高冲击压力对井底的净化作用，必须提高冲击压力梯度，需 增大射流出口动压力和射流压力减低系数，或缩小喷嘴直径。
漫流的横推作用： 漫流是射流冲到井底后形成的沿井底的横向流动。 漫流是紧贴并平行于井底很薄的对井底遮盖较好的一层横向流动的液流，具 有相当高的流速。其对井底岩屑产生横向推动力或牵引力，从而使岩屑离开原破 碎点。 作用特点： 在射流冲击面积以内，射流冲击中心的漫流 速度为零；离开中心，漫流速度逐渐增大；在射 流冲击面积边缘漫流速度达到最大。
2. 泵的工作状态
3. 喷射钻井工作方式及最优条件
肯达尔和戈因斯分别从射流对井 底作用能量和压力等不同观点， 以井西能获得某一水力参数的最 大为目标，提出了： 最大钻头水功率工作方式 最大射流冲击力工作方式
最大喷射速度工作方式
(1) 最大钻头水功率工作方式Pbmax
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内容简介 本书全方面简介了石油钻井主要装 备和常用工具旳构成、原理、技术 参数和部分设备和工具旳使用措施。 读者对象 石油工程及有关专业旳本科学生
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读者对象
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目录
第一篇 晶体光学 第一章 晶体光学基础 第二章 偏光显微镜 第三章 单偏光系统下晶体旳光学性质 第四章 正交偏光系统下晶体旳光学性质 第五章 聚敛偏光系统下晶体旳光学性质 附录A 试验课 第二篇 光性矿物各论 第一章 均质矿物 第二章 一轴晶矿物 第三章 二轴晶矿物 附录B 矿物英文索引
读者对象
勘查技术与工程、资源勘查工程等专业本科 师生，地球探测与信息技术、矿产普查与勘 探及地址工程专业硕士硕士教学使用。
目录 第一章 绪论 第二章 测井资料预处理 第三章 碎屑岩储层评价 第四章 碳酸盐岩储层评价 第五章 火山岩储层测井评价 第六章 水淹层和剩余油测井评价 第七章 油藏描述技术简介
目录 绪论 第一章 地震资料采集仪器概论 第二章 地震资料采集技术 第三章 地震资料采集旳施工措施 第四章 多变量分类分析 第五章 地震勘探生产实习报告旳编写
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内容简介
本书遵照地质约束测井、测井服务于地质及 开发旳原则而编写，主要内容涉及绪论、测 井资料预处理、碎屑岩储层评价、碳酸盐岩 储层评价、火山岩储层测井评价、剩余油和 水淹层测井评价、油藏描述技术简介等七大 部分。
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第五章 钻柱
第一节 钻柱的工作状态及受力分析
一、工作状态
起下钻时：
钻柱处于悬持状态－－受拉伸(自重)，直线稳定状态
正常钻进：
Ｐ＜Ｐ1 直线稳定
Ｐ1≤Ｐ＜Ｐ2 一次弯曲
Ｐ2≤Ｐ＜Ｐ3 二次弯曲
钻柱旋转→扭矩
离心力→下部弯曲半波缩短
上部弯曲半波增长（上部受拉）
结论：变节距的空间螺旋弯曲曲线形状
钻柱在井内可能有4种旋转形式：(P96)
a.自转：
b.公转：沿井壁滑动。
c.自转和公转的结合：沿井壁滚动。
d.整个钻柱作无规则的摆动：
二、钻柱在井下的受力分析
(1) 轴向拉应力与压应力
拉应力：由钻柱自重产生，井口最大，起钻和卡钻时产生附加拉力。
压应力：由钻压产生，井底最大。
应力分布(P97，图3-2) 轴向力零点：钻柱上即不受拉也不受压的一点。
中和点：该点以下钻柱在液体中的重量等于钻压。
(2) 剪应力(扭矩)：旋转钻柱和钻头所需的力，井口最大。
(3) 弯曲应力：钻柱弯曲并自转时产生交变的拉压应力。
井眼弯曲→钻柱弯曲 1
32
(4) 纵向、横向、扭转振动
(5) 其他外力：起下钻动载（惯性）,井壁磨擦力，钻柱旋转时因离心力引起的弯曲。
综合以上分析：工况不同，应力作用不同，需根据实际工况确定应力状态。
(1) 钻进时钻柱下部：轴向压力、扭矩、弯曲力矩、交变应力；
(2) 钻进和起下钻时井口钻柱：拉力、扭力最大＋动载
(3) 钻压、地层岩性变化引起中和点位移产生交变载荷。
第二节 钻井过程中各种应力的计算
一、轴向应力计算
（一）上部拉应力计算
1、钻柱在泥浆中空悬
浮力：αρ⋅⋅⋅⋅=F L g B m
α——考虑钻杆接头和加厚影响的重量修正系数，1.05～1.10 钻柱在空气中的重力：αρ⋅⋅⋅⋅=F L g Q s a
井口拉力：B Q Q a -=
a f Q K Q ⋅=
浮力系数：)1(s m f K ρρ-=
ρs －－钢的密度，7.85 g/cm 3
拉应力：F
Q t =σ 注意计算井口以下任一截面上的拉力不能直接用浮力系数法计算。
2、钻进时
F
P B Q a t --=σ
3、中和点位置的确定
f
s n q q P L -= 中和点截面上的轴向力：
)()(n m n m n L L q L L F g Q -⋅=-⋅⋅⋅⋅=αρ
（二）钻柱下部压应力的计算
垂直状态：F
B P c +=σ 下部钻柱弯曲：F
P c =σ
二、钻柱剪应力计算
1、扭矩： n
N N M s b )(9549+⋅= N b ,N s ——分别为旋转钻头破碎岩石和钻柱空转所需的功率，Kw
n ——转速，rpm
剪应力：n
W M =τ MPa 抗扭截面系数：⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛
-⋅=443116c i c n d d d W π dc ，di ——钻柱的内径和外径，cm 。
2、钻柱最大扭矩：
动能：p s o J L J T ⋅⋅=⋅=ρω22
变形位能：p
GJ L M M U 2212==ϕ
最大扭矩：8max 10-⨯⋅=G J M s p ρω
极惯性矩：⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛-=444132c i c p d d d J π 三、钻柱弯曲应力计算P105 式（3-30），（3-31）
四、钻柱抗挤计算
1、外挤压力的确定
钻柱内空：g H P m oc ⋅⋅=ρ
钻柱内有部分液体：)(L H g g H P f m oc -⋅⋅-⋅⋅=ρρ
2、钻柱抗挤强度的确定
特点：在轴向拉力作用下，抗挤强度降低。
双轴应力曲线确定（P107）例题：P107
3、安全系数确定
要求安全系数大于1.125。
第三节 钻柱设计
以拉伸计算为主，再考虑钻柱的实际情况给予较核。
一、 钻柱设计的强度条件
以钻柱在泥浆中悬空作为计算条件，要求：
（上部轴向拉力）a t P P ≤（最大允许静拉载荷）
最大允许静拉载荷取决于(1)钻柱材料的屈服强度；(2)钻柱工作的使用条件。
1、钻柱在屈服强度下的抗拉负荷P y
F P s y ⋅⋅=σ1.0 (KN)
F ——钻柱的横截面积，cm 2；
σs ——材料的最小屈服强度，MPa ；
2、钻柱最大工作负荷 P w
y w P P ⋅=9.0
3、最大允许静拉载荷Pa
(1) 安全系数法
考虑起下钻的动载及其他力的影响，大致为1.30。
a
w P P =安全系数 (2) 考虑卡瓦挤毁钻杆的设计系数法
钻杆的挤毁条件：
用式（3-39）计算；可以查表3-2（P111）
以屈服强度和拉伸应力的临界比值作为设计系数，要求： a
w P P =设计系数 (3) 拉力余量法
a w P P -=拉力余量
选取原则： 取三个拉力中最低的值作为最大允许静拉载荷。
二、 设计方法和步骤
1、钻铤柱长度的确定
原则：中和点位于钻铤上。
直井： f c sf
c K q c P L ⋅=
斜井：αcos ⋅⋅=f c sf
c K q C P L
2、钻杆柱长度的确定
(1) 单一钻杆
s
c c f a q q L K P L 1)(⋅-= (2) 复合钻柱
单一钻杆的下入深度有限，为了加深钻柱，采用复合钻柱。
钻铤上第一段钻杆：1
111)(q q L K P L c c f a ⋅-= 第二段：)(1112
222c c f a L q L q q K q P L +-= 第二段：)(111223333c c f a L q L q L q q K q P L ++-=
第四节 钻柱的疲劳破坏
资料调查→→钻柱的破坏为非强度破坏
一、纯疲劳破坏（交变应力引起，事先没任何明显的原因）
交变应力→→晶格滑移或晶体产生微观屈服造成微裂纹
1、钻杆在弯曲井眼中产生周期性的弯曲应力；
100转/分，24小时旋转次数144000转。
2、靠近钻铤（刚度较大）的钻杆容易弯曲。
应力循环次数N
帕兆，力应100350
1010
10468 软钢的σ-Ｎ曲线 拉压拉
压
二、伤痕疲劳破坏(机械伤痕引起）
缺陷→应力集中＋交变应力→缺陷扩大→破坏
伤痕的产生：钻杆钢印，电弧烧伤，大钳、卡瓦伤痕等
三、腐蚀疲劳破坏
腐蚀→腐蚀斑痕→应力集中＋交变应力→强度↓
腐蚀类型：
化学腐蚀（金属与介质产生化学作用）；
电化学腐蚀（金属与电解质溶液产生…）；
氢脆破坏：硫化氢；
四、疲劳破坏的预防措施
（1）钻柱受力较大的部位（上、下）采用厚壁高强度钻杆；
（2）使钻杆常处受拉状态；
（3）装减震器；
（4）检查井口工具（防止造成机械伤痕）；
（5）倒换钻具；
（6）控制腐蚀、涂防腐层；
（7）探伤、修复
五、钻铤疲劳破坏
原因：接头的应力集中。
第五章作业：
1、已知：钻进时需钻压196KN，８"钻铤每米重2.2KN，泥浆密度1.2g/cm3，按钻压占钻铤在泥浆中总重量2／3设计，需使用８"钻铤多少米？
2、一口井钻至4000m时，井内钻柱在空气中的总重量为1200KN，井内泥浆密度为1.32g/cm3，钻进时的钻压为100KN，求钻进时的悬重。
3、已知：井深5000m，井径215.9 mm ,泥浆密度1.2 g/cm3,钻压180 KN ,
拉力余量为200KN,推荐：钻铤用外径158.75mm,内径57.15mm,段重1.35KN/m,根据拉力余量确定的静拉载荷，根据表3-1设计安全的钻柱。
4、钻柱的作用是什么？分析钻柱破坏形式。