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超深井条件下钻柱使用深度极限的研究

张冰冰  
【摘要】:科学超深井钻探技术是配合地球深部探测科学研究而形成并发展起来的一门新兴技术领域。而钻柱是超深井钻井中的关键因素,其不仅为钻头传递钻压和扭矩,同时也是传递钻井液的通道。 钻柱在超深井中主要承受轴向拉压力、剪切应力及外挤压力,其中对钻柱使用深度极限起决定性作用的是轴向拉力。本文正是以轴向拉力为基础建立了超深井条件下钻柱的强度条件,并由此推导出钻柱的使用深度极限计算公式。借助该公式,计算出了超深井中常用钻杆的使用深度极限。并对其他影响钻柱使用深度极限的因素(钻井液、地层和温度)进行了分析研究。 采用ANSYS软件对127mm钻杆及177.8mm钻铤的钻柱组合进行建模,并对该模型进行静力学分析,得出了以下结论:1、在超深井中,由于钻柱自重远远大于钻压要求,所以通常进行减压钻进,从而造成钻柱上部受拉,下部受压,导致中间存在一中性点。由于孔底钻压处于不断变化中,所以中性点附近相应处于不断的拉压变化中,产生很大的交变应力,为了保证该段钻柱安全,中性点必须处于钻铤上;2、超深井钻柱复合应力在井口处最大,沿钻杆向下逐渐减小,而在钻铤处急剧减小。3、在超深井条件下,扭矩对钻柱复合应力的影响,尤其是钻杆段的影响非常小。4、钻铤由于其自重大、刚性大,其复合应力比钻杆小的多,为孔底安全提供了重要保障,同时也有利于控制井斜。 最后,对新型钻杆进行了研究,并对其在超深井中的应用前景进行了探索。本文的研究所取得的一系列结论对增加钻柱的使用深度极限及其使用安全性具有重要意义,并为相关领域的后续研究奠定了基础。


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