岩土钻掘工程学02

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'岩土钻掘工程学02'
国家精品课程 第二章 钻具与钻塔 一、钻杆柱的功能与组成 二、钻杆柱的工况 三、套管柱 四、钻塔 国家精品课程 第二章 钻具与钻塔 u 钻具一般是指钻头以上,水接头以下的全部钢管 柱,由岩心管、异径接头、取粉管、扶正器、钻 铤、钻杆和主动钻杆等组成。u 钻杆是钻具组成中的主要成员,多根钻杆借助接 头连接成相当于孔深长度的钻杆柱。u 钻塔的主要任务是升降钻具和套管。钻塔的高度 应与钻杆立根的长度相匹配。 2019-10-29 中国地质大学(武汉)勘察与基础工程系 国家精品课程第二章 钻具与钻塔 一、钻杆柱的功用u 把钻压和扭矩传递给钻头,实现连续给进;u 为清洁孔底和冷却钻头提供输送冲洗介质的通道;u 更换钻头、 提取岩心管和进行事故打捞的工作载体。u 在绳索取心和水力反循环连续取心钻进中是岩心的通道;u 用孔底动力机钻进时,钻杆柱承担孔底动力机的反扭矩。二、钻杆柱的材质 (自习)三、钻杆柱的结构 (自习) 2019-10-29 中国地质大学(武汉)勘察与基础工程系 国家精品课程第二章 钻具与钻塔 一、钻杆柱的工作状态u 钻进时,由于钻杆柱自身的偏心和自重失稳而产生的某 些弯曲,造成钻杆柱有一定的质量偏离回转中心。产生 的离心力,更促使钻杆柱弯曲。u 钻柱上还有由自重、钻机给进力及摩擦力合成的纵向压 力。在离心力、纵向压力和扭矩的联合作用下,钻柱轴 线一般呈变节距的空间螺旋弯曲曲线形状。u 弯曲程度取决于这三种力的大小。弯曲的钻杆柱轴线在 孔底螺距最小 ,往上逐渐加大。2019-10-29 中国地质大学(武汉)勘察与基础工程系 国家精品课程 第二章 钻具与钻塔 u 我们把钻杆柱中心线和钻孔的轴线相交两点间的一段纵向 长度称为半波长,可根据萨尔基索夫的理论计算。u 钻杆柱在孔内的旋转运动可能有三种形式。(1)钻杆柱围绕自身弯曲轴线旋转(自转)。钻杆在整个圆 周上与孔壁接触产生均匀磨损,但受交变弯曲应力。(2)钻杆柱围绕钻孔轴线旋转并沿着孔壁滑动(公转)。钻 杆不受交变弯曲应力的作用,但产生偏磨。(3)钻杆柱围绕钻孔轴线旋转,但不是沿着孔壁滑动而是沿 着孔壁反向滚动(公转与自转的结合),钻杆柱同时围绕 自身轴线和钻孔轴线旋转。其磨损均匀,也受到交变弯曲 应力作用,但循环次数比第一种形式低得多。 2019-10-29 中国地质大学(武汉)勘察与基础工程系 国家精品课程 第二章 钻具与钻塔 u 一般认为 呈半波弯曲的钻杆柱的主要形式是自转,也可能 产生:以自转为主+公转,以公转为主+自转。 二、钻杆柱的受力1. 轴向压力和拉力u 减压钻进时,上部钻杆柱受拉,其中孔口处拉力最大,向 下逐渐减小;下部钻杆柱受压,孔底压力最大。u 轴向力等于零处称为零断面或中和点。应使其落在刚度大、 抗弯强的钻铤上。2. 扭矩u 钻杆柱受扭矩作用在各个截面上都产生剪应力。 钻杆柱 在孔口处承受的扭矩最大,在孔底最小。 2019-10-29 中国地质大学(武汉)勘察与基础工程系 国家精品课程 第二章 钻具与钻塔 3. 弯矩与离心力u 已弯曲的钻杆柱在轴向力作用下,受到弯矩作用,如绕自身 轴旋转则会产生交变的弯曲应力。u 如钻杆柱公转,则产生离心力。离心力又将加剧钻杆柱的弯 曲变形。4. 纵振、扭振与摆振u 孔底跳跃式碎岩引起钻柱纵振,共振钻杆柱容易疲劳破坏。u 破岩回转阻力不断变化引起钻柱扭振,产生交变剪应力。u 在某一临界转速下,钻杆柱会出现摆振,其结果是迫使钻杆 柱公转,引起钻杆柱严重的偏磨。不难看出,钻杆柱受力严重部位是下部、孔口处和零断面附近。 2019-10-29 中国地质大学(武汉)勘察与基础工程系 国家精品课程 第二章 钻具与钻塔 §3. 套管柱(通常自下而上设计钻孔结构)一、钻孔结构u 钻孔由开孔至终孔,各孔段的深度和口径的变化情况。u 开孔前根据以下资料来设计钻孔结构: (1) 所钻岩石的物理-力学性质,硬度、稳定性和水敏性等;(2) 钻孔的设计深度和倾角;(3) 拟用的钻进方法,钻探工具和孔内测量仪器的外径尺寸;(4) 与钻孔目的有关的终孔直径。 二、套管柱(自习) §4.钻塔(自习) 2019-10-29 中国地质大学(武汉)勘察与基础工程系国家精品课程 第二章 钻具与钻塔 一、钻杆柱的功能与组成 二、钻杆柱的工况 三、套管柱 四、钻塔 国家精品课程 第二章 钻具与钻塔 u 钻具一般是指钻头以上,水接头以下的全部钢管 柱,由岩心管、异径接头、取粉管、扶正器、钻 铤、钻杆和主动钻杆等组成。u 钻杆是钻具组成中的主要成员,多根钻杆借助接 头连接成相当于孔深长度的钻杆柱。u 钻塔的主要任务是升降钻具和套管。钻塔的高度 应与钻杆立根的长度相匹配。 2019-10-29 中国地质大学(武汉)勘察与基础工程系 国家精品课程第二章 钻具与钻塔 一、钻杆柱的功用u 把钻压和扭矩传递给钻头,实现连续给进;u 为清洁孔底和冷却钻头提供输送冲洗介质的通道;u 更换钻头、 提取岩心管和进行事故打捞的工作载体。u 在绳索取心和水力反循环连续取心钻进中是岩心的通道;u 用孔底动力机钻进时,钻杆柱承担孔底动力机的反扭矩。二、钻杆柱的材质 (自习)三、钻杆柱的结构 (自习) 2019-10-29 中国地质大学(武汉)勘察与基础工程系 国家精品课程第二章 钻具与钻塔 一、钻杆柱的工作状态u 钻进时,由于钻杆柱自身的偏心和自重失稳而产生的某 些弯曲,造成钻杆柱有一定的质量偏离回转中心。产生 的离心力,更促使钻杆柱弯曲。u 钻柱上还有由自重、钻机给进力及摩擦力合成的纵向压 力。在离心力、纵向压力和扭矩的联合作用下,钻柱轴 线一般呈变节距的空间螺旋弯曲曲线形状。u 弯曲程度取决于这三种力的大小。弯曲的钻杆柱轴线在 孔底螺距最小 ,往上逐渐加大。2019-10-29 中国地质大学(武汉)勘察与基础工程系 国家精品课程 第二章 钻具与钻塔 u 我们把钻杆柱中心线和钻孔的轴线相交两点间的一段纵向 长度称为半波长,可根据萨尔基索夫的理论计算。u 钻杆柱在孔内的旋转运动可能有三种形式。(1)钻杆柱围绕自身弯曲轴线旋转(自转)。钻杆在整个圆 周上与孔壁接触产生均匀磨损,但受交变弯曲应力。(2)钻杆柱围绕钻孔轴线旋转并沿着孔壁滑动(公转)。钻 杆不受交变弯曲应力的作用,但产生偏磨。(3)钻杆柱围绕钻孔轴线旋转,但不是沿着孔壁滑动而是沿 着孔壁反向滚动(公转与自转的结合),钻杆柱同时围绕 自身轴线和钻孔轴线旋转。其磨损均匀,也受到交变弯曲 应力作用,但循环次数比第一种形式低得多。 2019-10-29 中国地质大学(武汉)勘察与基础工程系 国家精品课程 第二章 钻具与钻塔 u 一般认为 呈半波弯曲的钻杆柱的主要形式是自转,也可能 产生:以自转为主+公转,以公转为主+自转。 二、钻杆柱的受力1. 轴向压力和拉力u 减压钻进时,上部钻杆柱受拉,其中孔口处拉力最大,向 下逐渐减小;下部钻杆柱受压,孔底压力最大。u 轴向力等于零处称为零断面或中和点。应使其落在刚度大、 抗弯强的钻铤上。2. 扭矩u 钻杆柱受扭矩作用在各个截面上都产生剪应力。 钻杆柱 在孔口处承受的扭矩最大,在孔底最小。 2019-10-29 中国地质大学(武汉)勘察与基础工程系 国家精品课程 第二章 钻具与钻塔 3. 弯矩与离心力u 已弯曲的钻杆柱在轴向力作用下,受到弯矩作用,如绕自身 轴旋转则会产生交变的弯曲应力。u 如钻杆柱公转,则产生离心力。离心力又将加剧钻杆柱的弯 曲变形。4. 纵振、扭振与摆振u 孔底跳跃式碎岩引起钻柱纵振,共振钻杆柱容易疲劳破坏。u 破岩回转阻力不断变化引起钻柱扭振,产生交变剪应力。u 在某一临界转速下,钻杆柱会出现摆振,其结果是迫使钻杆 柱公转,引起钻杆柱严重的偏磨。不难看出,钻杆柱受力严重部位是下部、孔口处和零断面附近。 2019-10-29 中国地质大学(武汉)勘察与基础工程系 国家精品课程 第二章 钻具与钻塔 §3. 套管柱(通常自下而上设计钻孔结构)一、钻孔结构u 钻孔由开孔至终孔,各孔段的深度和口径的变化情况。u 开孔前根据以下资料来设计钻孔结构: (1) 所钻岩石的物理-力学性质,硬度、稳定性和水敏性等;(2) 钻孔的设计深度和倾角;(3) 拟用的钻进方法,钻探工具和孔内测量仪器的外径尺寸;(4) 与钻孔目的有关的终孔直径。 二、套管柱(自习) §4.钻塔(自习) 2019-10-29 中国
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