钻探工作中钻柱的工作状态及受力分析

1.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(要是钻)的重作为钻施加在钻头上，使得上部钻柱受拉伸而下部钻柱受压缩。在钻压小和直并条件下，钻柱也是直的，但当压力达到钻柱的临界压力值时，下部钻柱将失去直线稳定状态而发生弯曲并与井警接触于某个点(称为“切点”)，这是钻的第一次弯曲。如果继续增大钻压，则会出现钻柱的第二次弯曲或更多次弯曲(见下图)。

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，也可能早现弯曲状态。在钻进过程中，通过钻将转扭传递给钻头。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有如下四种:    

(1)自转。钻柱像一根柔性轴，围绕自身轴线转。

(2)公转。钻柱像一个刚体，围绕井眼轴线旋转并沿着井壁滑动。

(3)公转与自转的结合。

(4)整个钻柱或部分钻柱作无规则的旋转摆动。

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，可用水力载荷给钻头加压，这就使得钻柱受力情况变得比较简单。

2.钻柱的受力分析

钻柱在井下受到多种载荷的作用。在不同的工作状态下，不同部位的钻柱受力的情况是不同的。

1轴向拉力和压力

钻柱受到的轴向载荷主要有由自重产生的拉力、由钻井液产生的浮力和加钻而产生的压力。

钻柱在垂直井眼中悬挂时，在井眼内没有钻井液的情况下，钻柱任一截面处(假定在钻杆上)的拉力可计算。

2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或加剧钻柱的弯曲变形。

3外挤压力

钻杆测试(DST)时，钻杆将承受很大的外挤压力。进行钻杆测试时，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，地层流体才流人钻柱内。    

此外，使用卡瓦进行起下钻时，钻柱将受到卡瓦很大的箍紧力。卡瓦的挤压作用，将使钻柱的抗拉强度降低，特别在钻深井时应予考虑。

4纵向振动

钻进时，钻头转动(特别是牙轮钻头)会引起钻柱的纵向振动，在钻柱中性点附近产生交变的轴向应力。纵向振动和钻头结构、所钻地层性质、泵量不均匀、钻压及转速等因索有关。

5扭转振动

当井底对钻头旋转的阻力不断变化时，会引起钻柱的扭转振动，因而产生交变剪应力，降低钻柱的寿命。扭转振动和钻头结构、岩石性质均匀程度、钻压及转速等因素有关。

6横向摆动

在某一临界转速下，钻柱将出现摆振，其结果是使钻柱产生公转，引起钻柱严重偏磨。

由以上分析不难看出，钻柱受力严重的部位是:

(1)钻进时，钻下部受最为严重。

(2)起下钻时，处受到大拉力。

(3)于地层岩性变化、钻头的冲击和纵向震动等因素的存在，使得钻压大小不均匀，因而使中性点附近的钻柱受拉压交变载荷的作用，容易产生疲劳破坏。