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5ADP钻柱设计的考虑和极限

YminX10° 9.81X(ppm)

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工程规范表6推荐的钻头和钻杆尺寸组合

5.2铝合金钻柱组合设计的通则

5.2.1推荐使用下部动力钻具配合ADP实现高效钻进。为了使刚度平稳过渡并降低弯曲应力水平 井下钻具组合在从钻链到ADP的过渡中应配置适当长度的HWADP或SDP（200m～250m）。 5.2.2为确保在强制解卡时钻井人员的安全，上部钻柱应用强度级别比所用ADP更高的300m 100mSDP 5.2.3钻柱组合中所用ADP的材料组和标准尺寸，宜根据预计的载荷和使用温度进行选择。 5.2.4本标准中给出的钻杆各项性能数值不包括安全系数。实际应用钻柱设计时，宜考虑安全系数。 5.2.5在直井或定向井（井斜角小于45°)钻进时，在井眼中的钻柱组合处于受拉状态。BHA的重量参 数由设计轴向WOB确定，该WOB应为下部钻柱组合在钻井泥浆中的浮重及井斜部分重量损失的 0.75～0.8倍。不推荐利用ADP的重量来产生轴向WOB。 示例： 带ADP的用于垂直和定向井钻探的钻柱的标准设计包括以下部分： BHA，它的组成和长度由钻进方法确定； HWADP：200m～250m，保证钻柱刚性平滑过渡； ADP，它的设计参数、尺寸类型和材料组由钻柱的长度确定； SDP：300m～400m，确保在处理井下复杂时的钻井安全。 5.2.6当钻探水平井，特别是长水平段的水平井时，大部分钻柱受到压缩载荷，产生轴向WOB时要克 服水平段的拖拽阻力。钻进此类井眼主要采用的钻进方法是组合法，即下部动力钻具带动钻头旋转和 钻柱旋转以稳定角度并减少拖拽阻力。 5.2.7对于水平井，除了传统拉伸、扭转和疲劳强度的计算，应进行钻柱屈曲计算，评估其正弦和螺旋 届曲的可能性。 5.2.8在水平井段，特别是长水平段，建议使用带加厚保护段或带专门设计的扶正器的ADP来保护钻

用于水平井钻井的ADP钻柱的标准设计包括以下部分： BHA，它的组成和长度由钻进条件和井下MWD遥感测量系统确定； HWADP：200m250m，用于从BHA到ADP的平滑刚性转换（可能使用带外螺旋结构的钻杆代替平直 HWDP以提高并底携岩能力）； ADP，它的设计参数、尺寸类型和材料组合与分段长度由井身结构设计确定； HWADP或SDP:200m～250m，用于从ADP到HWDP的平滑刚性转换； HWDP或钻链：用于对钻柱施加轴向载荷； SDP.用干钻样增斜

用于水平井钻井的ADP钻柱的标准设计包括以下部分： BHA，它的组成和长度由钻进条件和井下MWD遥感测量系统确定； HWADP：200m250m，用于从BHA到ADP的平滑刚性转换（可能使用带外螺旋结构的钻杆代替平直 HWDP以提高并底携岩能力）； ADP，它的设计参数、尺寸类型和材料组合与分段长度由井身结构设计确定； HWADP或SDP:200m～250m，用于从ADP到HWDP的平滑刚性转换； HWDP或钻链：用于对钻柱施加轴向载荷； SDP.用干钻样增斜

5.3温度对钻杆材料选择的影响

对于第Ⅱ材料组：120℃； 对于第Ⅲ材料组：220℃； 对于第IV材料组：160℃。 5.3.2对于在高温范围工作的ADP，钻柱组合设计和材料组选择时，所选材料组的使用温度宜小于规 定的临界使用温度。 5.3.3根据实验数据，图1给出了铝合金屈服强度极限与钻柱段使用温度的近似经验关系图。相比于 实际应用材料的高温性能，给出的这些数据趋于保守。保守的方法排除了暴露于某温度下影响材料强 度的时间因素。上述经验关系适用于热暴露时间小于500h时。若所取材料组有更多实际关系图表 可参考相应关系曲线（见参考文献[6]、[17]和[18]）。 以兆帕（MPa)为单位的合金最小屈服强度Ymin按式（1）～式（8）计算，其中t。是使用温度，单位为 摄氏度（℃）。

宜考虑到ADP材料的强度在高温下降低后，不会恢复强度的特性。 5.3.4温度会影响到ADP的强度性能。由于ADP的屈服点很大程度取决于材料温度，ADP的其他主 要强度参数也受同样受温度的影响，

要强度参数也受同样受温度的影响 图2、图3、图4和图5为曲线图例，给出了147mm11mm新ADP的强度性能受使用 的变化规律

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下同材料组147mm×11mm新ADP的拉伸屈服

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1）原文为式（B.6)，有误

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图4不同材料组147mm×11mm新ADP的内屈服压力与温度的关

2）原文为式（B.6).有误

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图5不同材料组147mm×11mm新ADP的外挤压力与温度的关系

5.4抗液体冲蚀和腐蚀损伤

5.4.1由于ADP是低硬度的材料，其内外表面的耐磨性比较低。ADP的表面硬度为120HB到 40HB，比同强度SDP低1.5～2.0倍。在旋转钻并时钻柱外表面磨损更加明显，并随着钻柱转速的提 高而加剧。磨损程度在钻杆轴向和周向上分布不均匀，钻杆管体的中间部分受到更大的磨损，并且这种 替损通常是偏心的。 钻井液中的颗粒会导致ADP内表面的冲蚀，这种作用在与接头和内部加厚端附近的区域最集中 这种冲蚀作用是由钻并液素流造成的。如果使用添加固体加重材料的钻并液，水力冲蚀是非常严重的。 含约1%1.5%固相颗粒的常规密度泥浆在1000h内对ADP形成的冲蚀磨损量相对较小，通常不超 过1mm。 5.4.2ADP在钻井液中服役推荐的pH值推荐范围为4≤pH≤11，在推荐pH值外的钻井液中服役会 曾加腐蚀破坏。因此，为了减少钻杆的腐蚀，应在钻井泥浆中增加合适的缓蚀剂来保持pH值在上述推 范围内

钻柱的屈曲可导致严重的疲劳损坏、潜在冲蚀或脱扣。当进行钻柱组合设计时，要求预测和定位 屈曲，即正弦屈曲

3）原文为式（B.6).有误

B.11中给出了评估临界屈曲载荷的方法和公式。 正弦屈曲的临界载荷值的大小很大程度上取决于相关井段（井斜角、增斜率）、钻杆刚度和浸入的重 量，和钻柱与井壁之间的环形空隙。施加于不同钻柱段的压缩载荷不宜超过正弦屈曲的临界载荷。 图6和图7给出了用于井斜部分和井眼弯曲部分的钻杆正弦屈曲的临界载荷的算例。计算公式为 式（B.12)～式（B.14），用于第一组规格147mmX11mmADP的计算

说明： 井眼直径，单位为毫米（mm） 轴向载荷，单位为千牛（kN)； 井斜角，单位为度（）。 注：本曲线是根据式(B.12)绘制

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图7ADP147mm×11mm在90井斜295.3mm井眼，密度1200kg/m钻井泥浆中 并眼增斜或降斜段的临界屈曲载荷与狗腿度的关系图

示例1： 目的：147mmX11mmADP在密度1200kg/m的钻井泥浆中钻进，计算在井斜40°和井眼直径295.3mm斜井段 正弦屈曲临界载荷。 解答：基于图6，此正弦屈曲的临界载荷为45.2kN 示例2： 目的：147mmX11mmADP在泥浆密度为1200kg/m的井斜增斜段，计算在弯曲井眼段增斜率0.95°/30m和平 勾井斜角90°的正弦屈曲临界载荷。 解答：基于图7.此正弦弯曲的临界载荷为88.0kN

示例1： 目的：147mmX11mmADP在密度1200kg/m的钻井泥浆中钻进，计算在井斜40°和井眼直径295.3mm斜井段 正弦屈曲临界载荷。 解答：基于图6，此正弦屈曲的临界载荷为45.2kN 示例2： 目的：147mmX11mmADP在泥浆密度为1200kg/m的井斜增斜段，计算在弯曲井眼段增斜率0.95°/30m和平 勾井斜角90°的正弦屈曲临界载荷。 解答：基于图7.此正弦弯曲的临界载荷为88.0kN

6含ADP钻柱计算的基本要求

三维井眼结构； 沿钻柱长度分布的指定密度泥浆中的钻杆重量； 裸眼段和下套管段井壁对钻柱纵向和旋转运动的阻力； 根据指定钻井区域的地热温度变化梯度随井深变化对钻杆材料机械性能的影响； 因钻柱受压段屈曲导致钻柱和并眼间接触力增加： 所要计算钻柱组合中所有钻杆的性能规范； 下部钻具组合部件，尺寸和重量； 钻井过程中的技术参数数据，包括使用不同钻进方法，岩石切割工具和底部马达的特点，钻柱转速 钻机技术描述：最大许可大钩载荷和转盘的扭矩等。 除了钻柱的强度计算，还应合理地评估泥浆在循环系统中的压力损失

钻杆的使用管理应该由准备使用这些钻杆的钻井队来执行，同时建立恰当的预防措施来延长销 使用寿命并说明这些措施的执行频率

7.2普通钻杆使用推荐做法

.2.1为了保证ADP的高效使用，公司的技术服务应建立一个预防措施清单，并给出措施的完成日 期。表7给出了一个推荐的清单。 .2.2在钻机上使用钻杆时不应出现以下情况： 钻杆上扣时外螺纹“坠”入内螺纹； 螺纹未完全啮合后转动钻杆（柱），未完全卸开前从内螺纹上取出外螺纹： 急刹下人钻柱； 用动力大钳加持钻杆管体； 安装螺纹护丝前提放钻杆； 钻杆端部撞击转盘； 使用与钻杆尺寸不匹配的卡瓦； 管柱活动时安装卡瓦； 在加厚端以外区域放置卡瓦

为了保证ADP的高效使用，公司的 个预防措施清单，并给出措施的完成 表7给出了一个推荐的清单

钻杆上扣时外螺纹“坠”入内螺 螺纹未完全啮合后转动钻杆（柱 急刹下人钻柱； 用动力大钳加持钻杆管体； 安装螺纹护丝前提放钻杆； 钻杆端部撞击转盘； 使用与钻杆尺寸不匹配的卡瓦； 管柱活动时安装卡瓦； 在加厚端以外区域放置卡瓦

表7钻杆操作的推荐清单

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注：卡瓦与方补心之间的摩擦系数为0.08，结合式(B.17)计算卡瓦的抗拉强度。粗体数字指新ADP 度值。

7.2.13如果ADP管体破裂，推荐使用最大排量磨铣钻杆管体，以便返出钻杆碎片，并磨铣到钻杆接头 位置，再尝试在钻柱接头处进行打捞。 7.2.14在钻柱下部起、下钻时，如果钻杆在井中的重量不足以防止钻柱在卡瓦中打滑，应使用具有固 定内螺纹接头的钻杆钳或具有下钳牙的液压钳（或机动钳）对钻杆接头上卸扣 7.2.15并架和井口位置应当定期对中校直，因为不直会导致额外弯矩，此弯矩会增加上、卸扣时内外 螺纹间的接触载荷。 7.2.16每个钻柱下钻之前，应仔细检查内、外螺纹接头承重面的状态。如果有坑、划痕等，应使用专门 工具去除。如果不能当场进行，这些接头应该在专门工厂进行维修。 7.2.17当钻柱来不及通过下部动力钻具充满泥浆时（重量指示器不显示钻柱重量增加，钻柱是浮动 的”），或当使用了加重泥浆时，为防止下钻钻柱在深井中挤毁，应在下钻过程中往钻柱内加注钻井液。 钻井液添加到钻柱的最小高度h应根据式（B.18)计算得到。 7.2.18在注水泥时如果存在钻柱卡钻风险，在可能卡钻段推荐使用整体接头ADP。钻杆不带钢接头： 票纹直接在加厚端上加工而成。由整体接头ADP组成的钻柱部分长度宜比危险段（通常是50m 100m)长。如果卡钻，在卡钻部位分开整个管柱后，整体接头ADP容易被铣掉（推荐使用下部动力钻 具）。 附录A中给出了整体接头ADP的信息。 7.2.19为了更精确地确定钻柱长度，宜考虑热膨胀导致的额外伸长。钻柱在并中的总伸长由式 (B.19)计算

652018/1S020312.20

7.3.1疲劳极限决定了钻柱构件抵抗周期弯曲应力的抗力。ISO15546规定了50MPaADP的最小可 接受疲劳极限。该数值是在20℃，周期2×10°的条件下的疲劳试验确定的弯曲应力。 当钻杆在弯曲井眼中旋转和运动时，就会产生疲劳应力。允许的井眼形状变化取决于井眼和钻杆 几何尺寸、钻杆浮重、机械特性和不同钻柱构件的疲劳抗力。 考虑到ADP的低刚度，ADP允许的弯曲曲率高于相同尺寸的SDP。如果使用的是ADP，允许的 最大狗腿度按照式（B.20）计算。 7.3.2图8给出了按照式（B.20)计算得出的使用钻柱时最大狗腿度[（°）/30m]且钻柱中性点位于狗腿 以下（考虑在钻井泥浆中钻柱的失重)的例子。图8适用于整体上腐蚀性一般的环境。如果实际钻杆的 计算结果在相应钻杆尺寸曲线图的上方区域时，不会发生疲劳失效，反之亦然

当销任友生卡销或遇阻时 解卡。这时，宇 屋可同时施加的载荷的大小非常重要。同时施加于不同材料组的钻杆的拉力极限值和扭矩极限值及其 损程度应按照式（B.21）选择。 图9、图10、图11和图12给出了4组不同材料新ADP147mm×11mm在不同使用温度下拉伸和 纽矩组合图。该图是按照式（B.21）并考5.3.3绘制

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说明： X—扭矩，单位为千牛米(kN·m)； ? 轴向载荷，单位为千牛（kN)。

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X——扭矩，单位为千牛米(kN·m)： 轴向载荷，单位为千牛(kN)。

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说明： X 扭矩，单位为千牛米(kN·m)； Y 轴向载荷，单位为千牛(kN)。

图12指定温度下第V材料组的147mm×11mm新ADP许可拉力和扭矩组合载荷图

DP基于磨损的检测、识另

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表10推荐的现场检测周期

注1：检测间隔是大概的，因为他们还取决于具体钻并条件变化， 注2：钻杆的无损检测是对最可能探测到疲劳裂纹区域进行，如TT型螺纹接头、加厚过渡区和稳定台

.1.7使用中的ADP应进行以下描述的无损检有

g）钻杆和接头连接质量控制，应包含以下： 用宽度约12mm和厚度约0.3mm的钢探针检查接头后侧外锥面处和钻杆稳定台肩外 径之间在整个周围的径向间隙；如果探针可以伸人间隙5mm或更深，则认为此连接有缺 陷并且拒绝使用这个钻杆； 一应使用同样的探针检查管体鼻端和接头内台肩面之间的间隙。间隙检查应覆盖整个连 接圆周；如果探针可以穿透端部间隙5mm或更深，则认为此钻杆/接头有缺陷并且拒绝 使用这个钻杆。 3.1.8每根钻杆分级之前应按要求的检测程序和检测项目对每根钻杆进行全部检测。尽管如此，也存 在检测程序完成之前发生裂纹、腐蚀坑或不可修复等情况。所有的检测程序应在工作启动前由各方讨 轮并同意。 3.1.9检测结束后，应清除所有连接器和ADP表面的所有磁粉液体、润湿剂、液体渗透剂、擦拭材料 等。干净的钻杆接头应覆上API螺纹脂或接头拥有者或使用者规定的替代物。在这之后，接头的内螺 文和外螺纹应安装螺纹保护器，防止机械碰幢和螺纹损伤

8.2钻杆和接头基于磨损进行标识和识别

和表11说明了钻杆和接头基于磨损的标识和识另

8.3对钻杆磨损的分级

根据目测、机械、无损检查和厚度测量结果，对钻杆进行分级：（新钻杆到一级，一级到二级）或钻 全报废（见表12）

8.4基于磨损的接头分级

钻杆的分级是根据接头的可视检测和其外径的测量结果决定。接头外径不同的磨损级别的确定 居接头外径磨损和壁厚减少后剩余的抗扭强度。对于一级ADP，剩下的抗扭强度应不小于新接头 强度的80%；对于二级ADP，应不小于70%。如果接头外径小于二级的最小限度，此ADP应报废

图13钻杆和接头识别的颜色编码

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表11钻杆和接头识别的颜色编码

表12根据外径磨损和壁厚对钻杆的分级

项目管理和论文8.5钻杆的维修和报废

8.5.1如果ADP端部由螺纹磨损造成的间隙低于二级接头规定的低限，但是钻杆和接头外径的磨损 还可继续使用，应对钻杆接头的螺纹进行修理， 8.5.2如果要修复钻杆接头，在钻杆维修/使用之前应确定最小大钳夹持空间。大钳夹持空间长度应 够大，确保整个大钳板牙夹住接头的整个长度；另外，应保留适当的自由间距，方便钻工观察检验接头的 连接台肩及接头在上、卸扣过程中不损伤， 可根据需要注意其他小于以上所需最小长度大钳夹持空间的情况。这种情况下，使用者应按照相 关的标准并确保符合指南的规定。选择的最小大钳夹持空间应经过各方的同意， 8.5.3钻杆应根据其性能变化，按照表12和表13中的数据确定最终报废时间

265—2018/ISO20312.

9.1.1ADP可以成捆运输。根据钻杆的尺寸和数量，每捆应包含6～25根钻杆， 9.1.2为了增加牢固度并保护钻杆不受机械性破坏，在钻杆的横排和竖排中间应有木质衬垫，整捆应 使用四或五节塑料或钢制带子沿捆长度方向捆绑。带子的宽度不应小于15mm。 9.1.3每捆之间，应放置不少于5个木质衬垫，用来防止损坏并方便装卸。钻杆捆从货车的装卸应使 用机械化的起重工具，按照长度较大货物的装卸要求进行。 9.1.4钻杆捆的装卸货应使用电动的起重工具，严格按照长度较大货物的装卸安全要求进行

9.2.1单个或多个包装的钻杆应储存在架子上。钻杆不应直接堆放在地面、导轨或混泥土地板上。 9.2.2与钻杆（基础面)接触的支架表面应足够水平，防止钻杆滚动， 9.2.3支架基础面的高度离地面不应少于499mm，放置的钻杆的高度不应超过2500mm。 9.2.4支架上每排或每捆钻杆之间，应放置不少于3个木质衬垫。在支架基础面与第一排钻杆之间 应有绝缘衬垫并且衬垫能够支撑钻杆的重量而不变形。 9.2.5钻杆接头应涂覆保护油，并且螺纹应安装保护帽。 9.2.6每个支架应放置同一标准尺寸、材料和磨损级别的钻杆。支架上应带标记显示放置的钻杆的 特征。 9.2.7准备使用存储的钻杆时，它的内表面和外表面应用清水冲洗，接头应涂覆保护油。 9.2.8开口器皿中的酸、碱或其他化学材料应放置在离存储钻杆的支架足够远的地方，防止钻杆和接 头被腐蚀

T372652018/ISO203

整体接头ADP和HWADP的钻杆设计、范围和技术性能

A.1本附录包含多个图片和表格绿化标准规范范本，给出了ISO15546没有覆盖的新整体接头钻杆的尺寸、机械性能和 使用性能。 用分开的表格给出钻杆抗扭强度、抗拉强度和抗内和外压的数据。 A.2整体接头ADP的设计见图A.1。 整体接头ADP的显著特征是接头螺纹直接在钻杆的加厚端加工而成。不带钢接头的特点使它具 备特殊性能（完全抗磁性、在紧急状况下可快速钻出）。 A.3表A.1给出了整体接头ADP的尺寸和重量。 A.4表A.1、表A.2和表A.3给出了整体接头ADP的强度特点。 A.5HWADP(见图A.2)是用作钻柱底部抗磁钻杆的构件、用作BHA中震动吸收构件和从钢钻链到 ADP的温和刚性过渡连接所用的钻杆。 A.6表A.4给出了HWADP的尺寸和重量 A.7表A.5和表A.6给出了HWADP的强度特点。 A.8HWADP以钢制接头连接形式提供

A.1本附录包含多个图片和表格，给出了1SO15546没有覆盖的新整体接头钻杆的尺寸、机械性能和 使用性能。 用分开的表格给出钻杆抗扭强度、抗拉强度和抗内和外压的数据。 A.2整体接头ADP的设计见图A.1。 整体接头ADP的显著特征是接头螺纹直接在钻杆的加厚端加工而成。不带钢接头的特点使它具 备特殊性能（完全抗磁性、在紧急状况下可快速钻出）。 A.3表A.1给出了整体接头ADP的尺寸和重量。 A.4表A.1、表A.2和表A.3给出了整体接头ADP的强度特点。 A.5HWADP(见图A.2)是用作钻柱底部抗磁钻杆的构件、用作BHA中震动吸收构件和从钢钻链到 ADP的温和刚性过渡连接所用的钻杆。 A.6表A.4给出了HWADP的尺寸和重量 A.7表A.5和表A.6给出了HWADP的强度特点。 A.8HWADP以钢制接头连接形式提供