钻压与扭矩联合作用下的钻柱稳定性

在旋转垂直钻进中，钻柱下部同时承受着轴向压力和扭矩。钻压超过临界值将产生纵向弯曲，即丧失稳定性。通过理论分析和实验证实，扭矩也能使钻杆丧失扭曲稳定性。轴向钻压和扭矩同时作用下的钻柱变形是个复杂问题。它既不是轴向压力下作用下的纵向弯曲，也不是扭矩作用下的柱面母线的扭转。

在铰支条件下，单支钻杆的钻压和扭矩有下列关系：

M k 2EI 2

+P C

=π

由上式可知，钻柱传递的扭矩M k将使钻柱弯曲的临界钻压P C 减小。当M k=0时，就变成著名的欧拉公式：

P C=π2

钻柱L越长，轴向钻压就越小。

(2)使用大钻杆的直径，钻杆直径愈大，其受压的稳定性越好，根据以往的经验，5in钻杆最大能承受的推力为40t左右，如果成孔比较好的话，穿越1000m不成问题，根据压杆稳定计算公式：p IJ=n2π2EI／L2推力与杆件的截面的惯性距成正比，壁厚相同的钻杆6，625in钻杆的所能承受的推力为5in钻杆的2．5倍，其中扣除因为采用大钻杆，钻柱自身重量增大，摩擦阻力也随之增大的因素影响，使用6．625in钻杆，其可钻距离是原来的两倍有余，这样就可以有效完成西气东输大江河穿越的导向孔的施工。

(4)在长距离导向孔的钻进过程中，使用泥浆61/2in泥浆马达和12in的铣齿岩石大钻头。使用泥浆马达可以有效地减小钻头前进所需的推力，大钻头可以造成更大的孔壁与钻杆之间的环形空间，可以有效地减少孔壁收缩卡住钻杆的可能性，岩石钻头耐磨，可以防止长距离穿越造成钻头磨坏，致使导向孔无法完成。

(7)钻导向孔的钻具组合为：12in铣齿钻头+61/2in泥浆马达+7in无磁钻铤+5in钻杆+6．625in 钻杆。控向工具安置在7in无磁钻铤中。12in钻头可以钻出更大的孔，钻杆于孔壁之间环形空间也更大，有利于钻杆在其间穿行，泥浆流动也更平稳，减少泥浆对孔壁的冲刷，对孔壁的稳定特别有利。

钻杆受力分析篇

第三章钻受力分析 3.1 作用在钻柱上的基本载荷钻柱的受力状态与所选用的钻井方式有关，不同的位置上作用不同的载荷。概括起来，作用在钻柱上的基本载荷有以下几种：（1）轴向力。处于悬挂状态下的钻柱，在自重作用下，由上到下均受拉力。最下端的拉力为零，井口处的拉力最大。在钻井液中钻柱将受到浮力的作用，浮力使钻柱受拉减小。起钻过程中，钻柱与井壁之间的摩擦力以及遇阻、遇卡，均会增大钻柱上的拉伸载荷。下钻时钻柱的承载情况与起钻时相反。循环系统在钻柱内及钻头水眼上所耗损的压力，也将使钻柱承受的拉力增大。钻铤以自重给钻头加钻压，造成钻柱下部处于压缩状态。（2）径向挤压力。应用卡瓦进行起下钻作业时，由于卡瓦有一定的锥角，在钻柱上引起一定的挤压力。中途测试时，钻柱上也要承受管外液柱的挤压力。（3）弯曲力矩。弯曲力矩的产生是因钻柱上有弯曲变形存在；引起钻校弯曲变形的主要因素是给定的钻压值超过了钻柱的临界值。在转盘钻井中，钻柱在离心力的作用下，亦会造成弯曲。由于钻柱在弯曲井眼内工作，也将产生弯曲。在弯曲状态，钻柱如绕自身轴线旋转，则会产生交变的弯曲应力。（4）离心力。钻柱在钻压的作用下会产生弯曲，在一定的条件下，弯曲钻柱会围绕井眼中心线旋转而产生离心力，促使钻柱更加弯曲。（5）扭矩。钻头破碎岩石的功率是由转盘通过方钻杆传递给钻柱

的。出于钻柱与井壁和钻井液有摩擦阻力，因而钻柱所承受的扭矩井口比井底大。但在使用井底动力钻具（涡轮钻具、迪纳钻具等）时，作用在钻柱上的反扭矩，井底大于井口。（6）振动载荷。使钻柱产生振动的干扰力也是作用在钻柱的重要载荷（图 2-1）。在钻井过程中，用钻柱将钻头送至井眼底部并向钻头传递动力，靠钻头的牙齿、切削刃和射流破碎岩石形成井筒；通过钻柱中心的圆管向井下传递高压钻井液，靠钻井液的流动把岩石碎屑携至地面并从钻井液中除掉岩屑。为了控制井眼钻进的方向，靠近钻头的一段钻柱外径和抗弯刚度较大，并在一定位置上安放一定规格的稳定器，下部钻柱只有稳定器和钻头接触井壁，钻柱本体则不与井壁接触。由于钻头牙齿间断地与地层接触或岩石的间歇破碎，导致钻头并带动钻柱振动。钻柱振动按形式分为纵向振动、扭转振动和横向振动三类[13]。（1）纵向振动。纵向振动指的是钻柱沿其轴向的伸缩运动。该种振动产生的原因是井底不平、钻头牙齿间歇压入岩石和岩石间歇破碎。钻头的振动以弹性波的形式通过钻柱向地面传播，到达地面后再沿钻柱向钻头回传。由于钻井液的阻尼作用，在传播的过程中，振动波形逐步变化，振幅逐步减小但是，当钻头振动的频率为钻柱固有频率的整数倍时，钻柱将处于共振状态。钻柱内的交变应力和振幅相当大，导致钻柱断裂或粘扣。研究钻柱的纵向振动对设计钻柱、设计减振器和选择合适的转速有重要的指导意义。（2）扭转振动。扭转振动指的是钻柱绕其中心线的旋转运动。该

紧固扭矩的检测方法

紧固扭矩的检测方法 2011-12-16 对紧固扭矩的检测是整机或部件组装后可靠性检查的极为重要的一道工序。检测的目的是为了避免螺纹连接件在紧固过程和紧固后发生超拧、漏拧和拧不足的现象，确保每个螺栓紧固后能正常工作对紧固扭矩的检测工序可分为二大类：即在拧紧过程中的控制法和拧紧后的检测。拧紧后的检测方法—简称事后法：大致可分为四种：拧紧法—也称增拧法。适用于重要紧固后的栓验。检验方法：用扭力扳手平稳用力逐渐增加力矩（切忌冲击），当螺母或螺栓刚开始产生微小转动时它的瞬时扭矩值最大（因要克服静摩擦力），继续转动，扭矩值就会回落到短暂的稳定状态，这时的扭矩值即为检查所得的扭矩。特点：操作简单，但必须熟练有经验。 b) 标记法—也称复位法、划线法、转角法。检查方法：检验前先在被检螺栓或螺母头部与被连接体上划一道线，确认相互的原始位置。然后将螺栓或螺母松开些，在用扭矩扳手将螺栓或螺母拧紧到原始位置（划线处要线对准），这时的最大扭矩值再乘以0.9-1.1所得的值即为检查所得的扭矩。特点：技术水平不高，操作较繁琐，不适宜有防松功能的紧固件。 c) 直觉法—拧紧后凭直觉判断检验方法：对有弹性垫圈类则观察是否压平来判断；对无弹性垫圈类或有弹性垫圈但观察困难，则可采用扭力扳手进行拧紧凭直觉来判断拧紧程度：若到扭矩值，扳手不转动或微小转动，判为已拧紧；若转动超过半圈为没有拧紧、不合格。特点：适宜于一般紧固检查。 d)松开法—也称拧松法检查方法：用扭矩扳手慢慢地向被检螺栓或螺母施加扭矩，便其松开，读取开始转动时的瞬时扭矩值，并根据试验和经验乘以一个系数：1.1-1.2即为检验扭矩值。

扭矩传感器的测量方法

采用应变片电测技术，在弹性轴上组成应变桥，向应变桥提供电源即可测得该弹性轴受扭的电信号。将该应变信号放大后，经过压/频转换，变成与扭应变成正比的频率信号扭矩传感器是对各种旋转或非旋转机械部件上对扭转力矩感知的检测。扭矩传感器将扭力的物理变化转换成精确的电信号。扭矩传感器可以应用在制造粘度计，电动（气动，液力）扭力扳手，它具有精度高，频响快，可靠性好，寿命长等优点。将专用的测扭应变片用应变胶粘贴在被测弹性轴上，并组成应变桥，若向应变桥提供工作电源即可测试该弹性轴受扭的电信号。这就是基本的扭矩传感器模式。但是在旋转动力传递系统中，最棘手的问题是旋转体上的应变桥的桥压输入及检测到的应变信号输出如何可靠地在旋转部分与静止部分之间传递，通常的做法是用导电滑环来完成。由于导电滑环属于磨擦接触，因此不可避免地存在着磨损并发热，因而限制了旋转轴的转速及导电滑环的使用寿命。及由于接触不可靠引起信号波动，因而造成测量误差大甚至测量不成功。为了克服导电滑环的缺陷，另一个办法就是采用无线电遥测的方法：将扭矩应变信号在旋转轴上放大并进行v/f转换成频率信号，通过载波调制用无线电发射的方法从旋转轴上发射至轴外，再用无线电接收的方法，就可以得到旋转轴受扭的信号。艾驰商城是国内最专业的MRO工业品网购平台，正品现货、优势价格、迅捷配送，是一站式采购的工业品商城！具有10年工业用品电子商务领域研究，以强大的信息通道建设的优势，以及依托线下贸易交易市场在工业用品行业上游供应链的整合能力，为广大的用户提供了传感器、图尔克传感器、变频器、断路器、继电器、PLC、工控机、仪器仪表、气缸、五金工具、伺服电机、劳保用品等一系列自动化的工控产品。如需进一步了解图尔克、奥托尼克斯、科瑞、山武、倍加福、邦纳、亚德客、施克等各类传感器的选型，报价，采购，参数，图片，批发信息，请关注艾驰商城https://www.360docs.net/doc/753928215.html,/

钻柱分析

钻柱一、钻柱的作用与组成二、钻柱的工作状态与受力分析三、钻柱设计一、钻柱的组成与功用（一）钻柱的组成钻柱(Drilling String)是钻头以上，水龙头以下部分的钢管柱的总称. 它包括方钻杆(Square Kelly)、钻杆(Drill Pipe)、钻挺(Drill Collar)、各种接头(Joint)及稳定器(Stabilizer)等井下工具。（二）钻柱的功用 (1)提供钻井液流动通道； (2)给钻头提供钻压； (3)传递扭矩； (4)起下钻头； (5)计量井深。 (6)观察和了解井下情况（钻头工作情况、井眼状况、地层情况）； (7)进行其它特殊作业（取芯、挤水泥、打捞等）； (8)钻杆测试 ( Drill-Stem Testing),又称中途测试。 1. 钻杆（1）作用：传递扭矩和输送钻井液，延长钻柱。（2）结构：管体+接头（3）规范：壁厚：9 ～ 11mm 外径：长度：根据美国石油学会(American Petroleum Institute,简称API)的规定，钻杆按长度分为三类：第一类 5.486～ 6.706米(18～22英尺)；第二类 8.230～ 9.144米(27～30英尺); 第三类 11.582～13.716米(38～45英尺)。常用钻杆规范（内径、外径、壁厚、线密度等）见表2-12 ?丝扣连接条件：尺寸相等，丝扣类型相同，公母扣相匹配。 ?钻杆接头特点：壁厚较大，外径较大，强度较高。 ?钻杆接头类型：内平（IF）、贯眼（FH）、正规（REG）； NC系列 ?

内平式：主要用于外加厚钻杆。特点是钻杆通体内径相同，钻井液流动阻力小；但外径较大，容易磨损。贯眼式：主要用于内加厚钻杆。其特点是钻杆有两个内径，钻井液流动阻力大于内平式，但其外径小于内平式。正规式：主要用于内加厚钻杆及钻头、打捞工具。其特点是接头内径<加厚处内径<管体内径，钻井液流动阻力大，但外径最小，强度较大。三种类型接头均采用V型螺纹，但扣型、扣距、锥度及尺寸等都有很大的差别。 NC型系列接头NC23，NC26，NC31，NC35，NC38，NC40，NC44，NC46，NC50，NC56，NC61，NC70，NC77 NC—National Coarse Thread，（美国）国家标准粗牙螺纹。 xx—表示基面丝扣节圆直径，用英寸表示的前两位数字乘以10。如：NC26表示的节圆直径为2.668英寸。 NC螺纹也为V型螺纹, 表2-17所列的几种NC型接头与旧API标准接头有相同的节圆直 2. 钻铤结构特点：管体两端直接车制丝扣，无专门接头；壁厚大(38-53毫米），重量大，刚度大。主要作用：(1)给钻头施加钻压; (2)保证压缩应力条件下的必要强度; (3)减轻钻头的振动、摆动和跳动等，使钻头工作平稳； (4)控制井斜。类型：光钻铤、螺旋钻铤、扁钻铤。常用尺寸：6-1/4〃，7 〃，8 〃，9 〃 3.方钻杆类型：四方形、六方形特点：壁厚较大，强度较高主要作用：传递扭矩和承受钻柱的全部重量。常用尺寸：89mm(3.5英寸)，108mm (4.5英寸)，133.4mm (5.5英寸)。 4.稳定器类型：刚性稳定器、不转动橡胶套稳定器、滚轮稳定器。

扭矩测量方法

扭矩测量的方法原理引言：扭矩是工厂场地上大多数设备的重要被测量对象之一。测量扭矩常常被误解，这就可能导致对测量系统的过度设计或设计不足。本文介绍多种用于扭矩测量的技术和折衷方法。扭矩可以分为两大类，静态扭矩或动态扭矩。用于测量扭矩的方法可以被进一步分为两类，反扭矩和联机扭矩测量。被测扭矩的类型以及现有各类传感器，对所测的数据精度及测量的成本有重要影响。在讨论静态和动态扭矩的比较中，最容易入手的是首先了解静力和动力的差异。简而言之，动力包括加速度，而静力则没有。动力和加速度之间的联系被描述为牛顿第二定律：F=ma(力等于物质质量乘以加速度)。以汽车自身物质(质量)把车停下所需要的力就是动力，因为汽车必须被减速。由刹车卡钳施加以停止汽车的力就是静力，因为所涉及的刹车垫没有加速度。扭矩只是旋转力或通过一定距离产生的力。根据前面的讨论，它被认为是静力，如果它没有角加速度的话。时钟弹簧施加的扭矩就是静态扭矩，因为没有旋转，因而也就没有角加速度。当汽车以匀速在高速公路上巡航的时候，通过汽车传动轴传输的扭矩就是一个旋转静态扭矩的例子，因为即使存在旋转，以匀速行驶也没有加速度。汽车引擎产生的扭矩有静态和动态扭矩，取决于测量的部位。如果在机轴中测量扭矩，当汽缸每一次燃烧且活塞旋转机轴的时候，就有大的动态扭矩波动。如果在传动轴测量扭矩，那几乎就是静态扭矩，因为调速轮和传动系统要阻尼引擎产生的动态扭矩。用曲柄提升车窗所需要的扭矩就是静态扭矩的例子，尽管涉及到旋转加速度，因为曲柄的加速和旋转惯性很小，与车窗运动有关的摩擦力相比，所产生的动态扭矩(扭矩=旋转惯性*旋转加速度)可以忽略不计。最后一个例子描述了一个事实，大多测量应用都在某种程度上涉及静态和动态扭矩。如果动态扭矩是整个扭矩的主要组成部分或是感兴趣的扭矩，那么，要特别考虑何时对其作出最佳的测量。反扭矩与联机扭矩的比较通过在扭矩支撑零件之间插入一种扭矩传感器，可以做联机扭矩测量，非常类似于在套筒和套筒扳手之间插入延长杆。旋转套筒所需要的扭矩直接由套筒延长杆支撑。该方法容许扭矩传感器被放置在尽可能与感兴趣的扭矩靠近的地方，并避免可能出现的测量误差，如寄生扭矩(轴承等等)、无关负载和具有大的旋转惯性的零件(会阻尼动态扭矩)。

钻柱设计

第二节钻柱与下部钻具组合设计一、钻柱设计与计算合理的钻柱设计是确保优质、快速、安全钻井的重要条件。尤其是对深井钻井，钻柱在井下的工作条件十分复杂与恶劣，钻柱设计就显得更加重要。钻柱设计包括钻柱尺寸选择和强度设计两方面内容。在设计中，一般遵循以下两个原则：第一，满足强度（抗拉强度、抗击强度等）要求，保证钻柱安全工作；第二，尽量减轻整个钻柱的重力，以便在现有的抗负荷能力下钻更深的井。（一）钻柱尺寸选择具体对一口井而言，钻柱尺寸的选择首先取决于钻头尺寸和钻机的提升能力。同时，还要考虑每个地区的特点，如地质条件、井身结构、钻具供应及防斜措施等。常用的钻头尺寸和钻柱尺寸配合列于表2-21供参考。表2-21 钻头尺寸与钻柱尺寸配合从上表可以看出，一种尺寸的钻头可以使用两种尺寸的钻具，具体选择就要依据实际条件。选择的基本原则是： 1．钻杆由于受到扭矩和拉力最大，在供应可能的情况下，应尽量选用大尺寸方钻杆。 2．钻机提升能力允许的情况下，选择大尺寸钻杆是有利的。因为大尺寸钻杆强度大，水眼大，钻井液流动阻力小，且由于环空较小，钻井液上返速度高，有利于携带岩屑。入境的钻柱结构力求简单，以便于起下钻操作。国内各油田目前大都用127mm(5 in)钻杆。 3．钻铤尺寸决定着井眼的有效直径，为了保证所钻井眼能使套管或套铣筒的顺利下入，钻铤中最下部一段（一般应不少一立柱）的外径应不小于允许最小外径，其允许最小钻铤外径为允许最小钻铤外径＝2×套管接箍外径－钻头直径当钻铤柱中采用了稳定器，可以选用稍小外径的钻铤。钻铤柱中选用的最大外径钻铤应以保证在可能发生的打捞作业中能够被套铣为前提。在大于241.3mm的井眼中，应采用复合钻铤结构。但相邻两段钻铤的外径一般以不超过25.4mm为宜。 4．钻铤尺寸一般选用与钻杆接头外径相等或相近的尺寸，有时根据防斜措施来选用钻铤的直径。近些年来，在下部钻具组合中更多的使用大直径钻铤，因为使用大直径钻铤具有下列优点： 1）用较少的钻铤满足所需钻压的要求，减少钻铤，也可减少起下钻时连接钻铤的时间； 2）高了钻头附近钻柱的刚度，有利于改善钻头工况； 3）铤和井壁的间隙较小，可减少连接部分的疲劳破坏； 4）利于放斜。（二）钻铤长度的确定钻铤长度取决于钻压与钻铤尺寸，其确定原则是：保证在最大钻压时钻杆不承受压缩载

盘点电机扭矩的测量方法有哪些

盘点电机扭矩的测量方法有哪些扭矩是电机试验中一个重要的参数，尤其是在电机效率评测中扭矩更是一个不可或缺的被测量，扭矩测量的准确性直接关系到电机效率的评测的正确性。目前使用的扭矩测量方法按照测量原理可分为平衡力法、传递法和能量转换法。一、平衡力法处于匀速工作状态的传动机械构件，其主轴和机体上一定同时存在一对扭矩T 和T，并且二者大小相等、方向相反。通过测量机体上的T来测量主轴上T 的方法称为平衡力法。设F 为力臂上的作用力，L 为力臂长度，则T=LF。通过测量作用力F和力臂L即可得出T和T。平衡力法的优点是不存在传递扭矩信号的问题，力臂上的作用力F容易测得；缺点是测量范围仅局限为匀速工作状态，无法完成动态扭矩的测量。二、传递法传递法利用传递扭矩时弹性元件的物理参数会发生某种程度的变化。利用这种变化与扭矩的对应关系来测量扭矩。按照不同的物理参数，可将传递法进一步划分为磁弹性式、应变式、振弦式、光电式等，目前传递法在扭矩测量领域应用最为广泛。图1 传递法分类 1.光电式扭矩测量法将开孔数完全相同的两片圆盘形光栅固定在转轴上，并将光电元件和固定光源分别固定在光栅两侧，转轴无扭矩作用时两片光栅的明暗条纹错开，完全遮挡光路，无光线照到光敏元件上不输出电信号;有扭矩作用时两个圆盘形光栅的截面产生相对转角，明暗条纹部分重合，部分光线透过光栅照到光敏元件上，输出电信号。扭矩值越大扭转角越大，照到光敏元件上的光线强度越大，输出电信号也就越大，通过测量输出的电信号能够测得外加扭矩的大小。图2 光电式扭矩测量原理该方法的优点是响应速度快，能实现扭矩的实时监测;其缺点是结构复杂、静标困难、可靠性较差、抗干扰能力差，测量精度受温度变化的影响较大。该方法不适用于刚启动和低

扭矩的测量方法和原理

扭矩的测量方法和原理目前测量扭矩值主要采用非电量电测法，将应变片直接粘贴在传动轴的表面上，组成测量电桥，见图1。用相应的测量系统测量由于扭矩作用所产生的剪应变或剪应力，从而计算出扭矩值。其优点是可直接测量传动轴的扭转变形，减少了由主电机功率和转速推算的间接影响因素。图 1 传动轴扭矩测量的布片和组桥图 Fig.1 Strain gage distribution and builing bridge by torque measuring on a driving axis 由材料力学可知，扭矩的计算公式为 M＝τW(1) 式中M——传动轴承受的扭矩； τ——传动轴承受的剪切力； W——抗扭断面系数(对实心圆轴)。式中D——传动轴直径。则M＝0.2τD3 (3) 因扭转作用在与轴体轴线成±45°方向的轴体表面上产生最大主应力σ 1和最小主应力σ 3 ，其绝对值均等于最大剪应力τ，即

根据虎克定律，剪应力为式中E——传动轴材料的弹性模量； μ——传动轴材料的泊桑比； ε——传动轴的应变。由式(3)可知，扭矩与应变呈线性关系。扭矩测量的关键是解决信号的传输问题。目前常用的扭矩信号传输方式包括有线传输和无线传输两种。有线传输是使用滑环和电刷等将传动轴上的电信号引出给测量仪器。冶金测量车所配置的是无线传输，该系统见图2。传动轴上的机械应变引起贴在轴上的应变片的电阻发生变化，使其电桥失衡，产生与扭矩值成正比的电压。该电压通过振荡器(运用频率调制的原理)转换成与扭矩值成正比的输出频率，其信号从发送线圈送到接收线圈，经鉴别器把信号解调并转换成电压信号进行记录和显示。测量电桥、振荡器和发送线圈均安装在被测轴上随轴旋转，避免了旋转轴引线困难和接触滑环的接触电阻的影响。图 2 扭矩测量框图 Fig.2 Block draft of the torgue measurement 1—应变电桥；2—振荡器；3—发送线圈；4—接收线圈； 5—鉴别器；6—计算机；7—传动轴

动态扭矩传感器转矩的几种测量方法

动态扭矩传感器转矩的几种测量方法转矩的几种测量方法：其中传递法涉及的转矩测量仪器种类最多，应用也最广泛。 1、平衡力类转矩测量装置及平衡力法以均匀速度运转的动力机械或者是制动的机械，是在机体上同时作用着与转矩大小相等，方向相反的平衡力矩。扭矩测量是传动线路中的重要内容之一,高精度、高稳定性的扭矩测量方法是当今各国机械测量研究的热点之一,为此,提出了一种基于压电式扭矩传感器的研究.系统介绍该测量方法的原理与结构,并对新研制的传感器进行了加载试验.从实验曲线中得出的拟合方程证实了该测量原理的可行性,设计的扭矩传感器具有较好的线性度和一致性,重复精度≤0.5％.扭矩测量是传动线路中的重要内容之一,高精度、高稳定性的扭矩测量方法是当今各国机械测量研究的热点之一,为此,提出了一种基于压动态扭矩传感器的研究.系统介绍该测量方法的原理与结构,并对新研制的传感器进行了加载试验.从实验曲线中得出的拟合方程证实了该测量原理的可行性,设计的扭矩传感器具有较好的线性度和一致性,重复精度≤0.5％. （通过测量机体上的力和力臂来确任动力机械主轴上工作转矩的方法称为平衡力法。）平衡力法转矩测量装置又称作测功器，按照安装在平衡支承上的机器种类，可分为电力测功器、水力测功器等。平衡力测量机构有砝码、游码、摆锤、力传感器等。一般由旋转机、平衡支承和平衡力测量机构组成。平衡支承有滚动支承、双滚动支承、扇形支承、液压支承及气压支承等。平衡力法直接从机体上测转矩，不存在从旋转件到静止件的转矩传递问题。但它仅适合测量匀速工作情况下的转

矩，不能测动态转矩。 2、传递法传递法是指利用弹性元件在传递转矩时物理参数的变化与转矩的对应关系来测量转矩的一类方法。常用弹性元件为扭轴，故传递法又称扭轴法。根据被测物理参数不同，动态扭矩传感器基于传递法的转矩测量仪器有多种类型。在现代测量中，这类转矩测量仪的应用最为广泛。 3、转换法依据能量守恒定律，通过测量其他形式能量如电能、热能参数来测量旋转机械的机械能，进而求得转矩的方法即能量转换法。从方法上讲，能量转换法实际上就是对功率和转速进行测量的方法。能量转换法测转矩一般只在电机和液机方面有较多的应用。

第5章钻柱

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

扭矩测量说明及应变片使用详解

扭矩测量说明一、测量原理：由材料力学知，当受扭矩作用时，轴表面有最大剪应力T max。轴表面的单元体为纯剪应力状态，在与轴线成45度的方向上有最大正应力〇1和〇2，其值为|〇1 I= |〇2 I= T max。相应的变形为e1和e2，当测得应变后，便可算出T max及扭矩。测量时应变片沿与轴线成45°的方向粘贴 (可以使用扭矩测量45度角专用应变片）。由于采用无线传输技术，测量节点跟随轴旋转，不再需要拆轴安装扭矩传感器。二、粘贴应变片：正确粘贴应变片是保证扭矩准确测量的关键步骤，不合适的粘贴将引起零飘，蠕变等问题。为了减小电流消耗，推荐使用350欧姆或更大阻值应变片。 1.组桥方式：推荐使用专用扭矩测量应变片(45度角)组成全桥进行扭矩测量。可以使用单片半桥应变片（比如BE350-5HA)，上下对称沿轴向贴片，组成全桥，该贴法具有消除弯曲影响的优点。也可以使用单片全桥应变片，该贴法具有粘贴方便的优点，但是应变片成本较高，不能消除弯曲影响。图1上下半桥贴法

应变测量中心点旋转轴轴向图2-2应变片定位示意图图2-3应变片粘贴示意图 2. 粘贴应变片 2.1电阻应变片的选择：在应变片灵敏数K 相同的一批应变片中，剔除电阻丝栅有形状缺陷，片内有气泡、霉斑、锈点等缺陷的应变片。用数字万用表的电阻档测量应变片的电阻值R ,将电阻值在350 ±2 □范围内的应变片选出待用（应变片灵敏系数由厂家标定，一般为2.00左右)。 2.2轴表面的处理：用锉刀和粗砂纸等工具将试件在轴上的贴片位置的油污、漆层、锈迹、电镀层除去，再用细砂纸打磨成45°交叉纹，之后用镊子夹起丙酮棉球将贴片处擦洗干净，至棉球洁白为止。见图 2-1。测点定位：应变片必须准确地粘贴在试件的应变测点上，而且粘贴方向必须是要测量的应变方向 (如果使用专用45度角应变片，应变片沿轴向粘贴）。为达到上述要求，要在试件上用钢板尺和划针画一个十字线(一根长，一根短)，十字线的交叉点对准测点位置，较长的一根线要与轴向一致。见图2-2。 2.3应变片粘贴： (1)应变片的粘贴：注意分清应变片的正、反面(有引出线引出的一面为正面)，用左手捏住应变片的引线，右手上胶，在应变片的粘贴面(反面)上匀而遵地涂上一层粘结剂(502瞬间粘结剂)。稍微等待一段时间，当胶水发粘时，校正方向(应变片的定位线与十字线交叉线对准)，再垫上塑料薄膜，用手沿一个方向滚压1?2分钟即可。见图2-3。

钻具的受力分析

五、水平井钻具的受力分析水平井钻具的受力分析是一个比较复杂的力学问题，在水平井摩阻与扭矩分析和计算的基础上，我们可以定性的分析在一定井眼条件和一定钻井参数情况下，不同钻具组合对井眼轨迹控制的能力。钻柱与井壁产生的摩阻和扭矩, 用滑动摩擦理论计算如下: Ｆ＝μ×ＮＴr ＝μ×Ｎ×Ｒ式中:Ｆ一摩擦力 μ 一摩擦系数Ｎ一钻柱和井壁间的正压力Ｒ一钻柱的半径Ｔr 一摩擦扭矩从上式可以看出，μ 和 N 是未知数，通过大量现场数据的回归计算求出：μ＝0.21（钻柱与套管） μ＝0.28～0.3（钻柱与裸眼）同时我们对正压力也进行了分析和计算。 1、正压力大小的计算 (1) 弯曲井眼内钻具重量和井眼曲率引起的正压力Ｎ1 现有的摩阻和扭矩计算模式是根据"软绳"假设建立起来的，即钻具的刚度相对于井眼曲率可忽略不计．设一弯曲井眼上钻柱单位长度的重量为Ｗ，两端的平均井斜角为Ｉ，两端的平均方位角为 A 。如果假定Ｙ轴在垂直平面内,?Ｘ轴在侧向平面内,把Ｎ1沿Ｘ和Ｙ轴分解,则: Ｎ1y=Ｔ×sin Ｉ + Ｗ×sin ＩＮ1x=Ｔ×sin Ａ×sin Ｉ (2) 钻柱弯曲产生的弯曲正压力Ｎ2 钻柱通过弯曲井段时,由于钻柱的刚性和钻柱的弯曲,便产生了一种附加的正压力Ｎ2。如图所示: Ｒ＝ 18000/Ｋ/pi (m) Ｌ＝Ｒ×2×Φ Φ ＝ 2×Ｌ/ＲＬ1 ＝ 2×Ｒ×sin Φ (m) 根据力学原理: Ｍ＝Ｅ×Ｉm ×Ｋ/18000*pi Ｍ＝Ｎ2×(Ｌ1/2)-Ｔ×Ｌ1×sin Φ 则有: Ｎ2 ＝ 2×Ｔ×sin Φ +2×Ｅ×Ｉm ×Ｋ/1719×Ｌ1 这里: Ｋ－井眼曲率 (°/100米) Ｌ－井段长度 (米) Ｌ1 －Ｌ的直线长度 (米) I A T SINi w I T N sin sin )sin (1??+?+?=

钻柱

第三章钻柱（Drill String）钻柱是快速优质钻井的重要工具，它是连通地面与地下的枢纽。在转盘钻井时是靠它来传递破碎岩石所需的能量，给井底施加钻压，以及向井内输送洗井液等。在井下动力钻井时，井底动力机是用钻柱送到井底并靠它承受反扭矩，同时涡轮钻具和螺杆钻具所需的液体能量也是通过钻柱输送到井底的。在钻井过程中，钻头的工作、井眼的状况、甚至井下地层的各种变化，往往是通过钻柱及各种仪表才能反映到地面上来。合理的钻井技术参数及其他技术措施，也只能在正确使用钻柱的条件下才能实现。除正常钻进外，钻井过程中的其他各种作业，如取心、处理井下复杂情况、地层测试、挤水泥、打捞落物等都是依靠钻柱进行的。钻柱由不同的部件组成，它的组成随着钻井条件和方法的不同而有所区别。其基本组成部分是：方钻杆、钻杆、钻铤、稳定器及接头。方钻杆的作用是将地面转盘的功率传递给钻杆，以带动钻头旋转。钻杆的作用是将地面所发出的功率传递给钻头，并靠钻杆的逐渐加长使井眼不断加深，钻铤位于钻杆的下面，直接与钻头（或井底动力机）连接，依靠其本身的重量进行加压，靠它和稳定器的各种组合来控制井眼的斜度，钻柱的各个不同组成部分的相互连接）是借助钻杆接头或配合接头来实现的。随着近代钻井深度的不断增加，钻井工艺的不断发展，对钻柱的结构和性能要求越来越高。实践证明，几千米甚至近万米长的钻柱在井下的工作条件是比较复杂的，它往往是钻井设备和工具中比较薄弱的环节。为了快速优质安全地钻达预定深度，必须选用可靠的钻柱。这不仅要求从尺寸配合上选择合适的钻柱，而且应该根据钻柱在井下的工作条件，正确分析钻柱的受力情况，进行强度计算，合理地设计钻柱。特别值得注意的是，钻柱的破坏大多是疲劳破坏所引起的，所以有必要探讨疲劳破坏产生的机理和影响因素，采取各种减少疲劳破坏的技术措施，以便延长钻柱的使用寿命。第一节钻柱的工作状态及受力分析一、钻柱的工作状态钻柱在井下的工作条件随钻井方式（转盘钻井或井下动力钻井）、钻井工序（如正常钻进、起下钻等）的不同而异。在不同的工作条件下，钻柱具有不同的工作状态，受到不同的作用力。为了讨论钻柱的受力及强度设计，必须首先了解钻柱在整个钻井过程中的工作状态。下面主要对转盘钻井时钻柱的受力情况加以分析。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，钻柱不接触井底，整个钻柱处于悬持状态，在自重作用下，钻柱处于受拉伸的直线稳定状态。在正常钻进时，由于部分钻柱的重量作为钻压施加在钻头上，使得下部钻柱受压缩，在钻压小和直井条件下，钻柱也是直的，而当压力达到某一临界值时，下部钻柱将失去直线稳定状态，而发持弯曲，并且在某个点（称为“切点”）和井壁接触，这是钻柱第一次弯曲（Buckling of the first order）（图3-1中曲线Ⅰ）。如果继续加大钻压，

第二章钻柱

第二章钻柱（Drill String）钻柱是快速优质钻井的重要工具，它是连通地面与地下的枢纽。在转盘钻井时是靠它来传递破碎岩石所需的能量，给井底施加钻压，以及向井内输送洗井液等。在井下动力钻井时，井底动力机是用钻柱送到井底并靠它承受反扭矩，同时涡轮钻具和螺杆钻具所需的液体能量也是通过钻柱输送到井底的。在钻井过程中，钻头的工作、井限的状况、甚至井下地层的各种变化，往往是通过钻柱及各种仪表才能反映到地面上来。合理的钻井技术参数及其他技术措施，也只能在正确使用钻柱的条件下才能实现。除正常钻进外，钻井过程中的其他各种作业，如取心、处理井下复杂情况、地层测试、挤水泥、打捞落物等都是依靠钻柱选行的。钻柱由不同的部件组成，它的组成随着钻井条件和方法的不同而有所区别。其基本组成部分是：方钻杆、钻杆、钻艇、稳定器及接头。方钻轩的作用是将地面转盘的功率传递给钻杆，以带动钻头旋转。钻杆的作用是将地面所发出的功率传递给钻头，并靠钻杆的逐渐加长使井眼不断加深。钻链位于钻杆的下面，直接与钻头（或井底动力机）连接，依靠其本身的重量进行加压，靠它和稳定器的各种组合来控制井眼的斜皮。钻柱的各个不同组成部分的相互连接，是借助钻杆接头或配合接头来实现的。随着近代钻井深度的不断增加，钻井工艺的不断发展，对钻柱的结构和性能要求越来越高。实践证明，几千米甚至近万米长的钻柱在井下的工作条件是比较复杂的，它往往是钻井设备和工具中比较薄弱的环节。为了快速优质安全地钻达预定深度，必须选用可靠的钻柱。这不仅要求从尺寸配合上选择合适的钻柱，而且应该根据钻柱在井下的工作条件，正确分析钻柱耐受力情况，进行强度计算，合理地设计钻柱。特别值得注意的是，钻柱的破坏大多是疲劳破坏所引起的，所以有必要探讨疲劳破坏产生的机理和影响因素，采取各种减少疲劳破坏的技术措施，以便延长钻柱的使用寿命。第一节钻柱的工作状态及受力分析一、钻柱的工作状态钻柱在井下的工作条件随钻井方式（转盘钻井或井下动力钻井）、钻井工序（如正

扭矩传感器

简介扭矩传感器在旋转动力系统中最频繁涉及到的参数，旋转扭矩,为了检测旋转扭矩传统使用较多的是扭转角相位差式传感器，该方法是在弹性轴的两端安装着两组齿数、形状及安装角度完全相同的齿轮，在齿轮的外侧各安装着一只接近(磁或光)传感器。当弹性轴旋转时，这两组传感器就可以测量出两组脉冲波，比较这两组脉冲波的前后沿的相位差就可以计算出弹性轴所承受的扭矩量。该方法的优点：实现了转矩信号的非接触传递，检测信号为数字信号；缺点：体积较大，不易安装，低转速时由于脉冲波的前后沿较缓不易比较，因此低速性能不理想。扭矩测试比较成熟的检测手段为应变电测技术，它具有精度高，频响快，可靠性好，寿命长等优点。将专用的测扭应变片用应变胶粘贴在被测弹性轴上，并组成应变桥，若向应变桥提供工作电源即可测试该弹性轴受扭的电信号。这就是基本的扭矩传感器模式。但是在旋转动力传递系统中，最棘手的问题是旋转体上的应变桥的桥压输入及检测到的应变信号输出如何可靠地在旋转部分与静止部分之间传递，通常的做法是用导电滑环来完成。由于导电滑环属于磨擦接触，因此不可避免地存在着磨损并发热，因而限制了旋转轴的转速及导电滑环的使用寿命。及由于接触不可靠引起信号波动，因而造成测量误差大甚至测量不成功。为了克服导电滑环的缺陷，另一个办法就是采用无线电遥测的方法:将扭矩应变信号在旋转轴上放大并进行V/F转换成频率信号，通过载波调制用无线电发射的方法从旋转轴上发射至轴外，再用无线电接收的方法，就可以得到旋转轴受扭的信号。旋转轴上的能源供应是固定在旋转轴上的电池。该方法即为遥测扭矩仪。遥测扭矩仪成功之处在于克服了电滑环的两项缺陷，但也存在着三个不足之处，其一：易受使用现场电磁波的干扰；其二：由于是电池供电，所以只能短期使用。其三：由于在旋转轴上附加了结构，易引起高转速时的动平衡问题。在小量程及小直径轴时更突出。数字式扭矩传感器吸取了上述各种方法的优点并克服了其缺陷，在应变传感器的基础上设计了两组旋转变压器，实现了能源及信号的非接触传递。并做到了扭矩信号的传递与是否旋转无关，与转速大小无关，与旋转方向无关。应用范围扭矩传感器是一种测量各种扭矩、转速及机械功率的精密测量仪器。应用范围十分广泛，主要用于： 1、电动机、发动机、内燃机等旋转动力设备输出扭矩及功率的检测； 2、风机、水泵、齿轮箱、扭力板手的扭矩及功率的检测； 3、铁路机车、汽车、拖拉机、飞机、船舶、矿山机械中的扭矩及功率的检测； 4、可用于污水处理系统中的扭矩及功率的检测； 5、可用于制造粘度计； 6、可用于过程工业和流程工业中。

钻柱力学

钻柱力学是指应用数学、力学等基础理论和方法,结合实验以及井场资料等数据综合研究受井眼约束的钻柱的力学行为的工程科学。开展钻柱力学研究, 对钻柱进行系统、全面、准确的力学分析,在井眼轨道设计与控制、钻柱强度校核、钻柱结构和钻井参数优化等都具有重要意义。钻柱力学研究已经有五十多年的发展历史, 许多研究成果已经应用到生产实践并产生了巨大的经济效益, 但由于钻柱在充满流体的狭长井筒内处于十分复的受力、变形和运动状态,直到今天仍然无法做到对钻柱力学特性的准确描述和和精确的定计算。近年来, 着欠平衡井、深井、超深井、水平井、大斜度井和大位移井在油气勘探开发中所占的比重越来越大, 井眼轨道控制、钻具疲劳失效、钻井成本等问题逐年突出,对钻柱力研究提出了更高的要求。与现代钻井技术发展相适应,钻柱力学必然朝着更贴近井眼。实际工况、控制和计算精度更高的方向快速发展。文中首先介绍钻柱力学问题的提出、研究目标、研究方法、钻柱的运动状态和钻柱动力学基本方程。然后将钻柱力学分为钻柱力学和动力学2个部分;介绍钻柱拉力扭矩、钻柱的弹性稳定性、底部钻具组合受力、钻柱与涡动等几个主要方面,并对未来发展趋势做出初步的预测。在20世纪20- 30年代, 人们就发现了井斜,同时发现井斜与钻柱的力学问题有Lubinski是钻柱力学的创始人。1950年,他从定量分析直井中钻柱的屈曲问题入手, 开创了钻柱力学研究的新局面,该研究成果得到了公认。 (1)钻柱的运动状态; (2)钻柱的应力、应变和强度; (3)钻柱与井底、井壁和钻井液相互作用及效果。这是钻柱力学研究的3个主要方面, 互相联系、互相影响、不可分开。在钻柱力学长期发展中,经过不断的优化和比较,形成了几种比较典型的研究方法,即经典微分方程法、能量法、有限差分法、纵横弯曲连续梁法、有限元法和加权余量法。经典微分方程法是钻柱力学中应用最早的研究方法。该方法要求在满足经典材料力学的基本假设的前提下,建立钻柱线弹性的经典微分方程并求解。这种方法在考虑因素较多时,建立分方程很复杂,用经典微分方程法求解比较困难。能量法是一种求解简单的弹性力学问题的方法。它要求势能函数不仅要满足弹性力学的控制方程,而且要满足边界条件, 通过解的形式设及有关参数的确定, 可得到问题的解答。由于满足以上2个条件是一件非常困难的事情。因此, 这一方法的应用受到了限制。有限差分法是一种近似方法。是通过对钻柱进行力学分析得到钻柱微分方程式, 再通过适当的差分转换将位移控制方程转化为差分的形式求解。由于差分方程的系数是可变的,因此可以很容易考虑非线性的影响;同时,由于差分区间可以减小, 可以比较容易考虑井眼的约束。但是要得到精确的解。答, 差分区间必须取得很小, 这样就使矩阵的维数增加, 降低了计算速度。对于钻柱力学来说,有限差分法是一种有效的近似计算方法。纵横弯曲连续梁法是一种精确解法, 这种方法是将钻柱视为相互联系的纵横弯曲的连续梁, 应用材料力学中的三弯矩方程建立一组非线性代数方程, 该方程物理概念清楚, 计简单, 且速度较快。由于这种方法是将三维空间问题分解成2个独立的二维问题求解,力学型简化得太多,忽略了扭矩及可能的力和变形的耦合问题。这种方法在国内得到了推广和应用。有限元法也是一种近似数值计算方法,这种方法是通过将钻柱分解为有限的离散梁单元, 再通过适当的合成方法将这些单元组合成一个整体, 用以代表原来的钻柱状态,并最终得到组以节点位移为未知量的代数方程组。有限元法的物理概念清楚、简单, 实用性强。不限制柱的材料和几何形状, 且对单元尺寸也无严格的要求;又可以较容易地考虑非线性的影响。目前发展的接触有限元法, 考虑了钻柱、稳定器与井壁之间的初始接触摩擦力,力学模型比较准确,考虑因素较多, 解题的速度虽然是这几种方法中最慢的,但也可满足需要。加权余量法是一个求解微分方程定解问题的强有力的数值方法, 具有简便、准确、工作量小、残差可知等优点,已成功地用于下部钻具组合的大小挠度力学分析中;当然,要进一步提高度就得增加试函数项数,也会增加一些运算量。油气井杆管柱的稳态拉力和扭矩意义拉力和扭矩模型, 尤其在地面扭矩、大钩载荷、井底扭矩和钻压的测可达到如下目的: