钻柱的工作状态及受力分析图(钻柱的工作状态及受力分析方法)

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。

图1

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，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。

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