钻柱与下部钻具组合设计
第二章 2-钻柱
二、钻柱的工作状态及受力
（一）钻柱的工作状态
钻柱主要是在起下钻和正常钻进这两种条件下工作的。 起下钻时，钻柱处于受拉伸的直线稳定状态。 正常钻进时，上部钻柱受拉伸而下部钻柱受压缩。
小钻压且井眼直时，钻柱是直的； 压力达到钻柱的临界压力值，下 部钻柱将失去直线稳定状态而发生弯 曲并与井壁接触于某个点(称为“切 点”)，这是钻柱的第一次弯曲 （Bulkling of the first oder)； 增大钻压，则会出现钻柱的第二 次弯曲或更多次弯曲。
级
105（G） 723.95 105000 930.79 135000 792.90 115000
135（S） 930.70 135000 1137.64 165000 999.74 145000
（3）钻杆接头及丝扣 钻杆接头是钻杆的组成部分，分公接头和母接头 钻杆接头壁厚较大，接头外径大于管体外径，用强度更
3、弯曲力矩(Bending Moment) 其大小与钻柱的刚度、 弯曲变形部分的长度及最大挠度等因 素有关。 4、离心力（Centrifugal force） 5、外挤压力(Collapsing Pressure)：中途测试和卡瓦悬持。 6、纵向振动(Axial Vibration)：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 压及转速当等因素有关。
式中： Fw —钻进时（有钻压）钻柱任一
截面上的轴向拉力，kN；
w —钻压，kN。
图2-36 钻柱轴向力分布
中性点：钻柱上轴向力为零的点(Ｎ点)(亦称中和点， Neutral Point )。
垂直井眼中钻柱的中性点高度可按下式确定：
LN
W qc K
式中： LN —中性点距井底的高度，m。
下部钻具组合
5．2下部钻具组合下部钻具组合是指用于施加钻压的那部分钻柱的结构组成。
一般是由钻铤和扶正器组成。
通过调节扶正器的按放位置、距离和扶正器的数量，下部钻具组合可以是增斜组合、降斜组合及稳斜组合三种。
但是无论哪一种组合，其实质是施加钻压后，钻柱发生弯曲变形，在钻头上产生侧向力，由于侧向力的作用，使钻头合力方向不再与井眼轴线重合，造成井斜。
为了防止井斜，应当使钻柱组合在施加钻压后，产生的钻头侧向力为零，使钻头合力与井眼轴线重合。
5．3钻井参数组合钻井参数主要是钻压和转速。
在一定的钻柱组合时，通过调节钻压和转速，可改变钻头侧向力的大小和方向，从而改变井斜的大小和方向。
5．4钻头结构引起井斜牙轮钻头的移轴、复锥和超顶，都要引起钻头轴线偏离井眼中心线，产生侧向切削。
6井斜控制原理及方法控制井斜实质就是控制钻头造斜力，使其为降斜力。
要达到这个目的，地层造斜力是不可改变的，唯一可控制的是下部钻柱组合和钻井参数，通过改变下部组合和调节钻井参数可使钻头侧向力为降斜力，抵抗地层造斜力的作用强度，使井斜控制在一定范围内。
目前使用的钟摆钻具、塔式钻具、偏心钻铤等是以增大降斜力为目的的钻柱。
他们可以起在直井中防斜，在斜井中纠斜的作用。
刚性满眼钻柱、方钻铤、螺旋钻铤等是以强大的刚度反抗地层造斜的作用。
在直井中防斜，在斜井中稳斜，井斜了不能使用刚性满眼钻柱。
但是通过调节扶正器安放间距和钻井参数，刚性满眼钻柱也可以是增斜或降斜钻柱。
6．1、钟摆钻具这种钻具是在钻头的上方一定距离处，一般是18—27米左右按装一个扶正器。
当其发生井斜时，扶正起靠下井壁上，扶正器下面的钻柱重量在钻头上产生一个指向下井壁的力，这个力就是钟摆力，是降斜力，使井斜减少。
钟摆钻具使用关键是扶正器的安放距离，太大在扶正器下面产生新切点，钟摆失效；太小钟摆力也小，效果也不好。
另外，钻压不能太大，过大的钻压使钟摆失效。
是一种既能防斜又能纠斜的钻具。
在现场得到广泛使用。
定向井下部钻具组合设计方法
SY/T5619—1999定向井下部钻具组合设计方法代替SY/T5619—93 Method of bottom hole assembly design in directional wells1范围本标准规定了井斜角小于60°的定向井下部钻具组合的设计方法。
本标准适用于陆上石油、天然气及地质勘探钻定向井钻具组合设计，侧钻井及大斜度井的下部钻具组合设计也可参照使用。
2引用标准下列标准所包含的条文，通过在本标准中引用而构成为本标准的条文。
本标准出版时。
所有标准都会被修订，使用本标准的各方应探讨使用下列标准最新版本的可能性。
SY/T5051—91 钻具稳定器SY/T5172—1996 直井下部钻具组合设计方法3钻铤尺寸及重量的确定3.1钻铤尺寸的确定3.1.1在斜井段使用的最下一段（应大于27m）钻铤的刚度应适用于设计的井眼曲率。
3.1.2入井的下部钻具组合中，钻铤的外径应能满足打捞作业。
3.1.3钻头直径与相应钻铤尺寸范围的要求见表1。
表1 钻头直径与相应的钻铤尺寸 mm（in）钻头直径钻铤直径钻头直径钻铤直径120.7(4 3/4) 79.4(3 1/8) 241.3(9 1/2) 158.8(6 1/4) 177.8(7) 152.4(6) 104.8(4 1/8) 311.2(12 1/4) 203.2(8) 228.6(9)215.9(8 1/2) 158.8(6 1/4) 444.5(17 1/2) 228.6(9)3.2无磁钻铤安放位置及长度的确定3.2.1无磁钻铤安放位置无磁钻铤的安放位置应根据钻具组合的特性（造斜、增斜、稳斜或降斜）、具体尺寸和连接螺纹类型，使之尽可能接近钻头。
3.2.2无磁钻铤长度的确定3.2.2.1根据图1确定施工井所在区域。
3.2.2.2施工井在1区时，无磁钻铤长度根据图2进行确定。
图2（a）为光钻铤组合。
在曲线A以下：无磁钻铤长度为9.1m；仪器位置距无磁钻铤底部3.3m。
钻井工程设计(石油、煤层气)
地质条件
7）孔隙、裂隙发育地层：孔隙或裂隙大小，是确定堵漏
方法及施工工艺的重要依据。 8）地层温度梯度：高温地层，泥浆应具有良好的抗温性
能。冻土层或寒冷地区，采用抗低温泥浆，或采取必要的
保温措施。 9）地质年代、地层埋藏深度也是判断复杂情况、进行钻 井液设计的重要依据。如泥页岩地层，年代古老且埋藏较 深可能已失去水敏特性；石膏地层，200米以浅的石膏含 结晶水的几率很高，200米已深的石膏多不含结晶水。
（8）成本及材料预算；
（9）技术经济指标及时效分析。
钻井工程设计的基本方法
2、钻井工程设计前的基础资料 （设计资料收集）
1．地质资料
地质资料是钻井工程设计的第一手资料，在收集
地质资料时主要收集设计井的地质分层、地层岩
性、可钻性、研磨性、故障提示、地层倾角、地 层压力、破裂压力等。
钻井工程设计的基础资料
常用参数：
密度
流变参数：漏斗粘度、表观粘度、塑性粘度、
动切力、静切力 滤失量、泥饼厚度 pH值 含砂量、固相含量
（1）密度的确定
钻井液密度是确保安全、快速钻进和保护油
气层的一个十分重要的参数。
利用密度的作用，调节钻井液孔内静液柱压
套管尺寸与井眼尺寸选择及配合
2．套管和井眼尺寸的选择和确定方法
确定井身结构尺寸一般由内向外依次进行，首先确定生产 套管尺寸，再确定下入生产套管的井眼尺寸，然后确定中 层套管尺寸等，依此类推，直到表层套管的井眼尺寸，最 后确定导管尺寸。 生产套管根据采油方面要求来定。勘探井则按照勘探方要 求来定。 套管与井眼之间有一定间隙，间隙过大则不经济，过小会 导致下套管困难及注水泥后水泥过早脱水形成水泥桥。间 隙 值 一 般 最 小 在 9.5~12.7mm(3/8~1/2in) 范 围 ， 最 好 为 19mm（3/4in）。
石油钻井钻具组合类型及选用
钻具组合一、钻柱组合1、钻具组合(钻具配合)：指组成一口井钻柱的各钻井工具的选择和连接。
2、下部钻具组合：指最下部一段钻柱的组成。
3、钻柱：是指自水龙头以下钻头以上钻具管串的总称。
由方钻杆、钻杆、钻铤、接头、扶正器等钻具所组成。
4、倒换钻具：下钻时，改变部分立根原先的下入顺序，以改变钻具的受力情况。
5、井下三器：指扶正器、减振器和震击器。
6、钻柱中和点：钻柱的总重量减去给钻头加压所用的那部分钻柱的重量，而形成一个即不受拉又不受压的位置，就叫钻柱的中和点。
二、主要钻具组合类型钻柱是联通地面与井下的枢纽。
不同的钻柱结构及在井下的受力状态，决定了钻头所受钻压的大小和方向。
如定向钻进或井斜较大时，钻头所受实际钻压比钻压表显示的数据要小，若钻柱组合中带有扶正器，实际钻压更小。
同时，由于扶正器与井壁的磨擦作用，使得钻头工作平稳性增强，有利于钻头的使用。
①(刚性)满眼钻具：由外径接近于钻头直径的多个稳定器和大尺寸钻铤组成的下部钻具组合。
用于防斜稳斜。
②塔式钻具：由直径不同的几种钻铤组成的上小下大的下部钻具组合。
用于防止井斜。
③钟摆钻具：在已斜井眼中，钻头以上，切点以下的一段钻铤犹如一个“钟摆”，钻头在这段钻铤的重力的横向分力——即钟摆力作用下，靠向并切削下侧井壁，从而起到减小井斜角的作用。
运用这个原理组合的下部钻具组合称钟摆钻具。
用于防斜和纠斜。
三、增、降、稳斜钻具组合1、降斜组合:类型L1 L2 强降斜组合9-27 /弱降斜组合0.8 18-272、增斜组合：类型L1 L2 L3 强增斜组合 1.0-1.8 / /中增斜组合 1.0-1.8 18-27 /弱增斜组合 1.0-1.8 9-18 93、稳斜组合:类型L1 L2 L3 L4 L5强稳斜组合0.8-1.2 4.5-6.0 9 9 9中稳斜组合 1.0-1.8 3-6 9-18 9-27 /弱稳斜组合 1.0-1.8 4.5 9 / /稳定器在钻具组合中的安放位置不同，钻具组合所表现的性质就不同，一般地将，近钻头稳定器离钻头越近，钻头的增斜力就越大，反之钻头的增斜力则越小。
钻柱和井身结构的设计及应用
徐荣强
中海石油基地集团监督监理技术公司
2006年12月5日
主要内容 钻柱设计及强度校核 海洋常用钻具组合 井身结构设计及强度校核 海洋常用井身结构
2
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钻柱组成
钻杆：普通钻杆和加 重钻杆； 钻铤、稳定器、随钻 震击器、减震器、扩 眼器等； 马达、 MWD、LWD 等。
3
12
12
打捞技术的操作极限与计算
震击 求被卡钻杆柱的扭转和拉伸组合下的最大扭矩：
13
13
钻杆的双轴载荷
在深井、超深井应考虑钻杆要承受双轴载荷一一拉伸载荷和挤压 力的作用。 钻杆的抗挤强度与套管一样应进行修正，利用双轴应力椭圆圈可 求出在拉伸载荷作用下钻杆的抗挤强度与无拉伸载荷时抗挤强度 （名义抗挤强度）的比值。
超拉余量法 安全系数法
考虑卡瓦挤毁钻杆的设计系数法
7
7
钻杆柱的设计与计算
抗挤强度：钻杆测试或被迫用钻杆完井，当钻杆内被掏空，而管外 是钻井液柱，或钻杆内有密度较低的地层流体，管内外的压差必然 对钻杆造成一个外挤力。为防止钻杆管体被挤扁，钻杆柱受最大挤 压力处的挤压力应小于该处钻杆的最小抗挤压力，确定允许外挤压 力应除以适当的安全系数：
22
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井身结构设计的主要原则
能有效的保护油气层，使不同压力梯 度的油气层不受钻井液损害。 能避免漏、喷、卡等复杂情况发生， 为全井顺利钻进创造条件，缩短钻井 周期。 钻下部高压地层时所用的较高密度钻 井液产生的液柱压力，不致压漏上一 层套管鞋处薄弱的裸漏地层。 下套管过程中，井内钻井液液柱压力 与地层压力之差，不致产生卡套管事 故。 满足采油气工艺和增产措施的要求。
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井斜的限制
第二节 钻柱
第二节钻柱一、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、钻柱的组成与作用（一）钻柱的组成钻柱(Drilling String)是水龙头以下、钻头以上钢管柱的总称。
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。
(一)钻柱组成(一）钻柱的组成钻柱是钻头以上，水龙头以下部分的钢管柱的总称.它包括方钻杆、钻杆、钻挺、各种接头(Joint)及稳定器等井下工具。
（二）钻柱的作用(见动画)(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，由无缝钢管制成。
1. 钻杆(3)连接方式及现状：a.细丝扣连接，对应钻杆为有细扣钻杆。
b.对焊连接，对应钻杆为对焊钻杆。
1. 钻杆(4)管体两端加厚方式：常用的加厚形式有内加厚(a)、外加厚(b)、内外加厚(c)三种.(a) (b) (c)（5）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："21,"21 ,"21,"87 ,835139.70 ,500.127 430.1144101.60390.88 273.00 230.60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（6）钢级与强度钻 杆 钢 级物 理 性 能D E95（X）105（G）135（S）MPa379.21517.11655.00723.95930.70最小屈服强度lb/in2550007500095000105000135000 MPa586.05723.95861.85930.791137.64最大屈服强度lb/in285000105000125000135000165000 MPa655.00689.48723.95792.90999.74最小抗拉强度lb/in295000100000105000115000145000钢级：钻杆钢材等级，由钻杆最小屈服强度决定。
定向井下部钻具组合设计方法
定向井下部钻具组合设计方法-CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIANSY/T5619—1999定向井下部钻具组合设计方法代替SY/T5619—93Method of bottom hole assembly design in directional wells1范围本标准规定了井斜角小于60°的定向井下部钻具组合的设计方法。
本标准适用于陆上石油、天然气及地质勘探钻定向井钻具组合设计，侧钻井及大斜度井的下部钻具组合设计也可参照使用。
2引用标准下列标准所包含的条文，通过在本标准中引用而构成为本标准的条文。
本标准出版时。
所有标准都会被修订，使用本标准的各方应探讨使用下列标准最新版本的可能性。
SY/T5051—91 钻具稳定器SY/T5172—1996 直井下部钻具组合设计方法3钻铤尺寸及重量的确定钻铤尺寸的确定在斜井段使用的最下一段（应大于27m）钻铤的刚度应适用于设计的井眼曲率。
入井的下部钻具组合中，钻铤的外径应能满足打捞作业。
钻头直径与相应钻铤尺寸范围的要求见表1。
表1 钻头直径与相应的钻铤尺寸 mm（in）钻头直径钻铤直径钻头直径钻铤直径(4 3/4) (3 1/8) (9 1/2) (6 1/4)(7)(6) (4 1/8) (12 1/4) (8)(9)(8 1/2) (6 1/4) (17 1/2) (9)无磁钻铤安放位置及长度的确定无磁钻铤安放位置无磁钻铤的安放位置应根据钻具组合的特性（造斜、增斜、稳斜或降斜）、具体尺寸和连接螺纹类型，使之尽可能接近钻头。
无磁钻铤长度的确定根据图1确定施工井所在区域。
施工井在1区时，无磁钻铤长度根据图2进行确定。
图2（a）为光钻铤组合。
在曲线A以下：无磁钻铤长度为；仪器位置距无磁钻铤底部。
在曲线A以上：无磁钻铤长度为；仪器位置距无磁钻铤底部；图2(b)为满眼或螺杆钻具组合在曲线B以下：无磁钻铤长度为；仪器位置距无磁钻铤底部；在曲线B和C之间：无磁钻铤长度为；仪器位置距无磁钻铤底部；在曲线C以上：无磁钻铤长度为；仪器位置距无磁钻铤底部；3．2．2．3施工井在2区时，无磁钻铤长度根据图3进行确定。
【钻井工程】第五章 钻柱及钻具组合设计
（3）钻柱由于旋转产生的离心力。
① 离心力的作用加剧下部钻柱的弯曲，使弯曲半波长度缩 短。
② 钻柱轴线呈变节距的空间螺旋弯曲曲线形状。
6
5.1钻柱的工作状态及受力分析
5.1.1钻柱的工作状态
（4）钻柱旋转运动4种形式 ① 钻柱围绕自身弯曲轴线旋动； ② 钻柱围绕井眼轴线旋转并沿着井壁滑动； ③ 钻柱围绕井眼轴线旋转，沿着井壁反向滚动； ④ 整个钻柱或部分钻柱作无规则的旋转摆动。
1258.82 267.39 266.42
165
0.4
1214.30
0.49
36.91
165
71.4
165
71.4
214
71.4
165
71.4
214
71.4
165
71.4
165
83.0
214
71.4
215. 9
9.0
1214.30
5.2
1214.30
1.5
1214.30
9.0
1214.30
1.5
1214.30
循环液体时的水力载荷所形成
t
1 F
K
d
q
n1 i1
Li
K
i
qc Lc
Qi
K
a
K
f
Qh
10
4
Qh Pt Pb F0 104
24
5.2钻井过程中各种应力的计算
5.2.1钻柱轴向应力的计算
2）钻柱下部压应力的计算
（1）在钻柱空悬或小钻压钻柱仍能保持直线状态的情况下， 泥浆浮力是集中作用在钻柱最下部端面上，此时钻柱最 下端所受的压应力为
井下钻具分类及组合
钻具的分类及组合单位：长庆钻井管局公司宁定服务部姓名：丛成目录前言 (5)1.钻具的分类 (5)1.1钻杆 (5)1.1.1钻杆的作用 (5)1.1.2钻杆的结构 (5)1.1.3钻杆的钢级 (6)1.1.4钻杆的规范 (6)1.2钻铤 (7)1.2.1钻铤的作用 (7)1.2.2钻铤的结构 (7)1.2.3钻铤的规范 (8)1.2.4钻铤的型号 (9)1.3方钻杆 (9)1.3.1方钻杆的作用及结构 (9)1.3.2方钻杆的规范 (10)二、钻具组合 (10)2.1导向钻井技术的钻具组合选择 (12)2.1.1单弯螺杆角度的选择 (12)2.1.2稳定器尺寸的选择 (12)2.1.3钻具结构的选择 (12)2.1.4钻头类型的选择 (13)2.1.5泥浆参数的选择 (13)2.2刚性满眼钻具 (13)2.2.1工作原理 (13)2.2.2满眼钻具组合设计 (15)2.2.3提高钻柱的弯曲刚度 (16)2.2.4扶正器与井壁之间的间隙控制 (16)2.3塔式钻具 (16)2.4钟摆钻具 (17)2.4.1工作原理 (18)2.4.2扶正器的安放位置 (18)结束语 (19)摘要钻具是下井工具的总称。
包括：方钻杆、钻杆、加重钻杆、钻铤（无磁钻铤）、转换接头、钻具稳定器、井下动力钻具、减震器、钻头等。
而将这些下井工具连接起来组成的管串称为钻柱。
钻柱是连通地面与地下的枢纽。
钻井过程中，地面动力的传递和钻井液的输送，依靠钻柱来实现;地层的变化、井下的复杂情况，也可以通过钻柱反映到地面上来;此外钻井过程中的其他作业，如取心、处理井下事故、中途测试等都必须依靠钻柱来实现。
钻柱一旦出现事故，会带来一定的经济损失。
因此管理好、使用好、选择合理的钻具组合在钻井过程中尤为重要。
关键词：钻具井下工具钻具组合Adsteact Downhole drilling tool is the general teem. Include:Kelly,drill pipe ,heavy weight drill pipe,drill collar(non-magnetic drill collars),adapters,drill stabilizer,downhole drill motor,shock absorbers,drill and so on.And tools to link these to go down the string as consisting of drill pipe.Drill string is connectedon the ground and underground hub.Drilling process,the ground power transmission and fluid delivery,reling on the drill string to achieve;formation changes,the complexity of the situation underground,also reflected by the drill string to the ground;addition drilling and other operations,such as coring to deal with mine accident,and so must rely on the middle of the best drill string to achieve.Once the drill accident will bring some economic loss.Therefore,to manage,use a good,reasonable choice of bottom hole assembly buring drilling is particularly important.Keywords: drill downhole tolls BHA前言钻具是下井工具的总称。
钻井工程设计钻具组合部分已完成直井
《钻井工程》课程设计乌39井姓名专业班级油工61302学号3班级序号18指导教师张俊1 井身结构井身结构示意图一开钻具组合设计本井一开钻井液密度为ρd=cm3，最大钻压Wmax=100KN，钻井深度D1=500m，井斜角为0°，钢材密度取cm3，安全系数取S N=。
选择尺寸配合一开井眼直径381mm，钻头尺寸选用直径，根据钻头与钻柱尺寸配合关系，钻铤选用直径为的钻铤，钻杆选用直径为127mm的钻杆。
钻铤长度设计（1）计算浮力系数K b=1-（ρd/ρs）=1-（）=（2）计算第一段钻铤长度本井选用NC61-90线密度q c=m，单根长度为的钻铤，根据中心点原则该钻铤需用长度为：L c=S N Wmax/(q c K b）=（×100）/（××1）=n==根据库存和防斜要求NC61-90钻铤实取6根，上接直径为的钻铤9根，直径为的钻铤12根，组成塔式钻具组合。
（3）钻铤参数计算钻铤总长度为：Lc= L c1+ L c2+ L c3=（6+9+12）×=钻铤总浮重为：F mc=K b cosα（L c1q c1+ L c21q c2+ L c31q c3）=×1×（6×+9×+12×）×=本井钻杆选用外径127mm，壁厚为，D级新钻杆，其线密度=m，最小抗拉挤力F y=，最小抗挤力为p c=。
（1）计算最大安全静拉力本井抗拉安全系数取S t=F a=SS t=×=（2）计算最大许用井深L p=F a/（q p K b）-F mc/（q p K b）=（×）=则：L p+L c=+=≥D1该钻杆满足本井强度要求。
（3）抗外挤强度校核计算最大外挤力P cmax=ρd (D1-L c)=××（）=抗外挤系数S c=，则所需抗挤强度为：P= P cmax S c=×= Mpa<p c则该钻杆满足抗挤要求。
钻具组合
钻具组合一、13-3/8″井眼钻具组合:1、导管:钻具组合:Ф660mm钻头+Ф203.2mm钻铤*2根+Ф127mm钻杆2、一开直井段:钻具组合: Ф444.5mm钻头+Ф203.2mm无磁钻铤*1根+Ф203.2mm钻铤*5根+Ф127mm 钻杆钻进参数: 20~50kN, 65r/min, 60~70L/S, 吊打钻进.3、二开直井段:钻具组合:Ф311.15mm钻头+Ф203.2mm无磁钻铤*1根+Ф203.2mm钻铤*8根+Ф177.8mm 钻铤*3根+127.0mm钻杆钻进参数: 160~180kN, 65r/min, 48L/S, 控制井斜,否则吊打钻进.4、二开造斜段:0-50度钻具组合:Ф311.15mm钻头+Ф196.9mm1°30′单弯动力钻具+定向接头+Ф177.8mm无磁钻铤*1根Ф177.8mm钻铤*2根+φ127.0mm加重钻杆*30根+φ127.0mm钻杆钻进参数：38L/S 泵压10~12Mpa 压差1~1.5Mpa ,造斜率: 25度/100米., (Ф196.9mm1°45′单弯造斜率35度/100米. )5、二开稳斜段:(井斜小于50度)钻具组合:Ф311.15mm钻头+Ф311mm近钻头扶正器*1只+Ф203.2mm短钻铤*1根+φ310 mm 钻柱扶正器*1只+Ф203.2mm无磁钻铤*1根+Ф310mm钻柱扶正器*1只+φ196mm随钻震击器+φ127.0mm加重钻杆*30根+φ127.0mm钻杆钻进参数：160~180kN, 65r/min, 48L/S,说明: 该组合可连接第四只扶正器.6、二开第二造斜段:钻具组合:Ф311.15mm钻头+Ф197mm1°45′单弯动力钻具+定向接头+Ф127mm无磁乘压钻杆*2根+φ127.0mm斜坡钻杆*30根+φ127.0mm加重钻杆*30根+φ127.0mm钻杆钻进参数：36L/S 泵压10~12Mpa 压差1~1.5Mpa ,注释: 1、斜坡钻杆要根据斜井段长度加入.2、该组合造斜率为35度/100米.3、该组合可用于单增剖面.7、二开水平段(稳斜段):钻具组合:Ф311.15mm钻头+Ф311mm近钻头扶正器*1只+Ф203.2mm短钻铤*1根+φ311 mm 钻柱扶正器*1只+Ф127mm无磁乘压钻杆*2根+Ф127mm斜坡钻杆*15根+φ127.0mm加重钻杆*10根+φ196mm随钻震击器+φ127.0mm加重钻杆*20根+φ127.0mm钻杆钻进参数：160~180kN, 65r/min, 48L/S,特别说明: 以上组合适用于胜利油田2000米以内井深.1、一开直井段:钻具组合: Ф444.5mm钻头+Ф203.2mm无磁钻铤*1根+Ф203.2mm钻铤*5根+Ф127mm 钻杆钻进参数: 20~50kN, 65r/min, 60~70L/S, 吊打钻进.2、二开直井段:钻具组合:Ф244.5mm钻头+Ф177.8mm无磁钻铤*1根+Ф177.8mm钻铤*8根+Ф127.0mm 钻杆.钻进参数: 140~160kN, 65r/min, 45L/S, 控制井斜,否则吊打钻进.3、二开第一造斜段:0-45度钻具组合:Ф244.5mm钻头+Ф171.5mm1°30′单弯动力钻具+定向接头+Ф158.8mm无磁钻铤*1根Ф158.8mm钻铤*2根+φ127.0mm加重钻杆*30根+φ127.0mm钻杆钻进参数：30L/S 泵压10~12Mpa 压差1~1.5Mpa ,造斜率: 30度/100米., (Ф171.5mm1°45′单弯造斜率33度/100米. )4、二开第二造(增)斜段:(井斜小于90度)钻具组合:Ф244.5mm钻头+Ф244mm近钻头扶正器*1只+Ф158.8mm无磁钻铤*1根+φ177.8mm无磁钻铤*1根+Ф244mm钻柱扶正器*1只+φ127.0mm斜坡钻杆*20根+φ127.0mm加重钻杆*10根+φ165mm随钻震击器+φ127.0mm加重钻杆*20根+φ127.0mm钻杆钻进参数：160~180kN, 65r/min, 40L/S,注释: 1、斜坡钻杆要根据斜井段长度加入.2、该组合造斜率为12度/100米.5、二开第三造斜段:钻具组合:Ф244.5mm钻头+Ф171.5mm1°45′单弯动力钻具+定向接头+Ф127mm无磁乘压钻杆*2根+φ127.0mm斜坡钻杆*30根+φ127.0mm加重钻杆*30根+φ127.0mm钻杆钻进参数：30L/S 泵压10~12Mpa 压差1~1.5Mpa ,注释: 1、斜坡钻杆要根据斜井段长度加入.2、该组合造斜率为33度/100米.3、该组合可用于单增剖面.6、二开井段通井:钻具组合:Ф244.5mm钻头+钻头扶正器*1只+φ127.mm无磁乘压钻杆*2根+φ127.0mm斜坡钻杆*20根+φ127.0mm加重钻杆*10根+φ165mm随钻震击器+φ127.0mm加重钻杆*20根+φ127.0mm钻杆6、水平段:钻具组合:Ф244.5mm钻头+Ф244mm近钻头扶正器*1只+Ф177.8mm无磁钻铤*1根+Ф244mm钻柱扶正器*1只+φ127.mm无磁乘压钻杆*2根φ127.0mm斜坡钻杆*20根+φ127.0mm加重钻杆*10根+φ165mm随钻震击器+φ127.0mm加重钻杆*20根+φ127.0mm钻杆钻进参数：120~140kN, 65r/min, 40L/S,注释: 斜坡钻杆要根据斜井段和水平段长度加入.特别说明: 以上组合适用于胜利油田2000米以内井深.1、一开直井段:钻具组合: Ф444.5mm钻头+Ф203.2mm无磁钻铤*1根+Ф203.2mm钻铤*5根+Ф127mm 钻杆钻进参数: 20~50kN, 65r/min, 60~70L/S, 吊打钻进.2、二开直井段:钻具组合:Ф311.15mm钻头+Ф203.2mm无磁钻铤*1根+Ф203.2mm钻铤*8根+Ф177.8mm 钻铤*3根+127.0mm钻杆钻进参数: 140~160kN, 65r/min, 48L/S, 控制井斜,否则吊打钻进.3、三开直井段:钻具组合:Ф215.9mm钻头+Ф177.8mm无磁钻铤*1根+Ф177.8mm钻铤*2根+Ф158.8mm 钻铤*9根+127.0mm钻杆钻进参数: 140~160kN, 65r/min, 32L/S, 控制井斜,否则吊打钻进.<40kn,4、三开第一造斜段:0-45度钻具组合:Ф2159mm钻头+Ф165mm1°30′单弯动力钻具+定向接头+Ф158.8mm无磁钻铤*1根Ф158.8mm钻铤*2根+φ127.0mm加重钻杆*30根+φ127.0mm钻杆钻进参数：32L/S 泵压10~12Mpa 压差1~1.5Mpa ,造斜率: 30度/100米.,5、三开第二造(增)斜段:(井斜小于90度)钻具组合:Ф215.9mm钻头+Ф215.0mm近钻头扶正器*1只+Ф158.8mm无磁钻铤*1根+φ158.8mm无磁钻铤*1根+Ф214mm钻柱扶正器*1只+φ127.0mm斜坡钻杆*20根+φ127.0mm加重钻杆*10根+φ165mm随钻震击器+φ127.0mm加重钻杆*20根+φ127.0mm钻杆钻进参数：140~180kN, 65r/min, 35L/S,注释: 1、斜坡钻杆要根据斜井段长度加入.2、该组合造斜率为12度/100米.(在井斜45度的基础上)6、三开第三造斜段:钻具组合:Ф215.9mm钻头+Ф165.mm1°45′单弯动力钻具+定向接头+Ф159mm无磁钻铤*2根+φ127.0mm斜坡钻杆*20根+φ127.0mm加重钻杆*30根+φ127.0mm钻杆钻进参数：30L/S 泵压10~12Mpa 压差1~1.5Mpa ,注释: 1、斜坡钻杆要根据斜井段长度加入.2、该组合造斜率为33度/100米.3、该组合可用于单增剖面.7、三开稳斜段:井斜大于80度钻具组合:Ф215.9mm钻头+Ф215mm近钻头扶正器*1只+Ф159mm无磁钻铤*1根+Ф214mm 钻柱扶正器*1只+φ127.0mm斜坡钻杆*20根+φ127.0mm加重钻杆*10根+φ165mm随钻震击器+φ127.0mm加重钻杆*20根+φ127.0mm钻杆钻进参数：140~180kN, 65r/min, 35L/S,注释: 斜坡钻杆要根据斜井段和水平段长度加入.8、三开降斜段:钻具组合:Ф215.9mm钻头+Ф165mm1°单弯动力钻具+定向接头+Ф127mm无磁乘压钻杆*2根+φ127.0mm斜坡钻杆*30根+φ127.0mm加重钻杆*30根+φ127.0mm钻杆钻进参数：32L/S 泵压10~13Mpa 压差1~1.5Mpa ,注释: 1、斜坡钻杆要根据斜井段长度加入.2、该组合造斜率为19度/100米.9、三开井段通井:钻具组合:Ф215.9mm钻头+φ127.mm无磁承压钻杆*2根+φ127.0mm斜坡钻杆*20根+φ127.0mm加重钻杆*10根+φ165mm随钻震击器+φ127.0mm加重钻杆*20根+φ127.0mm钻杆10、水平段:钻具组合:Ф215.9mm钻头+Ф215mm近钻头扶正器*1只+Ф159mm无磁钻铤*6m+Ф214mm钻柱扶正器*1只+φ127.mm无磁乘压钻杆*2根φ127.0mm斜坡钻杆*40根+φ127.0mm加重钻杆*10根+φ165mm随钻震击器+φ127.0mm加重钻杆*20根+φ127.0mm钻杆钻进参数：100~120kN, 45r/min, 35L/S,注释: 斜坡钻杆要根据斜井段和水平段长度加入.特别说明: 以上组合适用于胜利油田3000米水平井阶梯剖面.。
钻具组合设计
第四章轨迹控制钻具组合设计4．1 下部钻具组合设计原则（1）虔诚水平机下部钻具组合设计的首要原则是造斜率原则，保证所有设计组合的造斜率到要求是井眼控制轨迹控制的关键。
为了使所设计的钻具组合能够对付在实钻过程中造斜能力又是难以发挥的意外情况，往往有意识在设计时使BHA得造斜能力比井深设计造斜率搞20％~30％。
（2）在设计水平井下部钻具组合时，要考虑和确定测量方法、仪器类别及型号。
水平井用最普遍的是MWD，即无线传输的随钻测斜仪，它允许工作在定向钻进和转盘钻进两种情况，但是由于信号靠泥浆脉冲来进行运输，工程参数传输慢，而浅层水平井由于地层软进尺快；为了提高定向精度，实验之初的1~2口井可在定向钻进的起始井段所用的钻具组合中，考虑采用有线随钻测斜仪，形成经验后全部推广MWD。
（3）在设计水平井钻具组合时，考虑到井底温度较低，一般选用常温型螺杆钻具；而在常规水平井中有时井底温度高于125℃，此时应考虑选用高温型螺杆钻具。
（4）在设计水平井下部钻具组合时，也要考虑工作排量和螺杆钻具许用最大排量之间的关系。
如果排量明显大于螺杆钻具的额定排量和最大排量时，应考虑选用中空转子螺杆钻具。
（5）在设计水平井下部钻具组合时，为了安全生产，组合必须保证足够的强度、工作可靠性，并满足井下事故处理作业队钻具组合的结构要求。
图4-1为螺杆钻具基本形式。
/由于浅层水平井井眼长度太短，一旦预测的井眼轨迹与设计不一致，几乎没有纠正的余地，而且还无法填井重钻，因此，运用科学合理的方法，准确地计算造斜能力、按设计要求完成完成轨迹是浅层大位移水平井成功的关键。
4·2 钻具组合造斜率预测4·2·1现有的方法评价三点定圆法的优点在于计算简单，强调了结构弯曲对工具造斜率的影响，并在一定程度反映了稳定器位置的影响。
但该方法的缺点也十分突出，如；（1）未考虑钻具的受力与变形对造斜率的影响，即把造斜率计算建立在绝对刚性的条件下的几何关系基础上；（2）未考虑钻具刚度对造斜率所得结果的影响，用该式计算γ、L 1、L2相同的两种直径，不同刚度的钻具的造斜率所得结果相同；（3）未考虑近钻头稳定器位置（L1）对造斜率的影响。
底部钻具组合设计
底部钻具组合设计
二、定向井底部钻具组合设计
增斜钻具实例-长庆小井眼
5LZ120-7.0螺杆 钻具外径 钻头水眼压降 适合井眼尺寸 马达流量 钻头转速 马达压降 额定工作扭矩 最大扭矩 推荐钻压 最大钻压 钻具全长 120 1.4-7.0 150-200 5.78-15.8 70-200 2.5 1300 2275 55 72 4.8 mm MPa mm L/S r/min MPa N· m N· m kN kN m
+ 121DC*125.44 + 311*310*0.35 + 88.9DP
钻压80 kN，转速90rpm
单弯螺杆增斜:
165bit*0.18+311*310*0.36+ 121 单弯螺杆 *• 4.8 +• 121NDC+121DC*18+88.9DP 钻压80 kN，转速90rpm
底部钻具组合设计
二、定向井底部钻具组合设计
底部钻具组合设计
二、定向井底部钻具组合设计
增斜钻具
底部钻具组合设计
二、定向井底部钻具组合设计
增斜钻具
底部钻具组合设计
二、定向井底部钻具组合设计
增斜钻具
钻具增斜能力与井斜角的关系 单位：°/25m 2° 1# 2# 5.20 11.8 10° 5.3122 11.921 40° 5.6478 10.76 90° 6.0266 11.68
底部钻具组合设计
井斜原因
小台肩
井 眼
底部钻具组合设计
井斜原因
M
钻具因素 钻柱弯曲 钻柱运动状态 W Fp Fm P φ Fz
α
底部钻具组合设计
防斜钻具
•刚性满眼钻具组合防斜技术 •钟摆力纠斜技术 •离心力防斜、纠斜技术 •导向钻井防斜、纠斜技术 •井下专用工具防斜、纠斜技术 •动力学防斜技术
教学媒体-底部钻具组合分析
教学媒体-底部钻具组合分析底部钻具组合分析是地质工程领域中非常重要的一个课题。
底部钻具是一种用于地下钻探的工具，它起到了穿越地层、取得地下样本和获取地质数据的关键作用。
在进行地质勘探、地下资源开发和地下工程施工时，对底部钻具的组合进行分析是必不可少的。
底部钻具的组合分析主要涉及以下几个方面：1. 钻头选型：底部钻具的钻头是与地层直接接触的部分，因此选取合适的钻头对于底部钻具的工作效率和成本控制至关重要。
钻头的选取需要考虑地层的类型、硬度、厚度等因素，以及钻井工艺要求。
2. 钻杆组合：底部钻具一般由多根钻杆组成，钻杆的组合需要满足一定的要求。
首先，钻杆的长度要能够满足钻井深度的要求；其次，钻杆的材质和规格要符合钻井工艺要求；最后，钻杆之间的接口要牢固可靠，以确保钻井过程的安全稳定。
3. 钻井液设计：钻井液是底部钻具工作的重要辅助材料，主要用于冷却、润滑和清洁钻头、传递钻井动力以及保持钻井井壁稳定。
钻井液的设计需要根据地层特点和钻井施工要求，选择合适的材料、粘度和密度等参数。
4. 钻井参数控制：底部钻具的工作稳定性和效率与钻井参数的控制密切相关。
钻井参数包括钻进压力、转速、进给速度、冲击频率等。
将这些参数进行合理调整，可以提高底部钻具的工作效率和钻井质量。
底部钻具组合分析需要将上述几个方面进行综合考虑，根据具体的工程需求和地质条件，确定最优的钻具组合方案。
这个过程需要相关领域的专业知识和经验，并且需要借助于现代科技手段，如计算机模拟和仿真技术。
总之，底部钻具组合分析是一门复杂而重要的学科。
通过对底部钻具的钻头、钻杆、钻井液和钻井参数等方面进行综合分析，可以为地质工程提供可靠的钻井方案，提高钻井效率和质量，并为地下资源开发和地下工程施工提供有力支持。
底部钻具组合分析是地质工程中一个非常重要且复杂的任务。
底部钻具是钻井工程中的核心工具，它能够穿越地层，取得地下样本并获得地质数据。
因此，正确选择和组合底部钻具对于地质勘探、地下资源开发和地下工程施工具有重要意义。
钻柱与下部钻具组合设计
2．钻杆柱设计
1）单一钻杆柱长度设计。对同一尺寸、 壁厚和钢级的钻杆柱，我们可以计算出它 的最大安全静拉力Fa，从而算出该钻杆柱 的最大允许长度L。因为
Fa = （Lqp+Lcqc）KB
所以，最大允许长度为：
L =( Fa/ KB-Lcqc）/qp
式中: Fa——钻杆柱的最大安全静拉力，kN； L——钻杆柱的最大允许长度，m；
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：
• 满足强度（抗拉强度、抗击强度等）要求，保证 钻柱安全工作；
• 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1供 参考。
0.14 3.18 1.14 1.17 1.21 1.25 1.28 1.32 1.365
注：摩擦系数用于正常润滑的情况。
三是拉力余量法。考虑钻柱被卡时的上体解 卡力，钻杆住的最大允许静拉力应小于其 最大安全拉伸力一个合适的数值，并以它 作为余量，称为“拉力余量”（记为 MOP），以确保钻柱不被拉断。 Fa = Fp－MOP
设计复合钻杆柱时，应自下而上逐段确定各段 钻杆的最大长度。承载能力最低的钻杆应置于钻 铤之上，承载能力较强的钻杆置于较弱钻杆之上。 自钻铤上面第一段钻杆起，各段钻杆的最大长度
注意：如果各段钻杆的实际长度不等于理论计 算长度，应进行修正。
3）抗外挤强度计算。有钻柱受力分析知，钻杆 在钻杆测试作业中承受很大的外挤力。此外，下 入带回压凡尔的钻柱或下入喷嘴被堵塞的钻头时， 若为向钻柱内灌钻井液，也会产生较大的外挤压 力，由于这些原因把钻杆击毁的情况并不少见。 因此，为了避免钻杆管体被击毁，要求钻杆柱某 部位所受最大外挤压力应小于该处钻杆的最小抗 挤强度。为安全起见，一般以一个适当的安全系 数去除钻杆的最小抗挤强度作为其允许外挤压力， 即：
直井下部钻具组合设计方法
SY/T5172-1996代替SY5172-87 直井下部钻具组合设计方法1范围本标准规定了石油与天然气钻井工程钻直井用下部钻具组合的设计原理及方法。
本标准适用于石油与天然气地层倾角小的常规直井钻井的下部钻具组合设计。
2钻铤尺寸及重力的确定2.1钻铤尺寸的确定2.1.1为保证套管能顺利下入井内，钻柱中最下段（一般不应少于一立柱）钻铤应有足够大的外径，推荐按表1选配。
表1 与钻头直径对应的推荐钻铤外径钻头直径钻铤外径142.9～152.4 104.7，120.6158.8～171.4 120.6，127.0190.5～200.0 127.0～158.8212.7～222.2 158.8～171.4241.3～250.8 177.8～203.2269.9 177.8～228.6311.2 228.6～254.0374.6 228.6～254.0444.5 228.6～279.4508.0～660.4 254.0～279.42.1.2钻铤柱中最大钻铤外径应保证在打捞作业中能够套铣。
2.1.3在大于190.5mm的井眼中,应采用复合(塔式)钻铤结构(包括加重钻杆)，相邻两段钻铤的外径差一般不应大于25.4mm。
最上一段钻铤的外径不应小于所连接的钻杆接头外径。
每段长度不应少于一立柱。
2.1.4钻具组合的刚度应大于所下套管的刚度。
2.2钻铤重力的确定根据设计的最大钻压计算确定所需钻铤的总重力,然后确定各种尺寸钻铤的长度,以确保中性点始终处于钻铤柱上，所需钻铤的总重力可按式(1)计算：PmaxKsWc= (1)K f其中：ρmK f=1－ρs式中：Wc——所需钻铤的总重力，kN；Pmax——设计的最大钻压，kN；Ks——安全系数，一般条件下取1.25，当钻铤柱中加钻具减振器时，取1.15；K f——钻井液浮力减轻系数；ρm——钻井液密度，g/cm3；ρs——钻铤钢材密度，g/cm3。
3钟摆钻具组合设计3.1无稳定器钟摆钻具组合设计为了获得较大的钟摆降斜力,最下端1～2柱钻铤应尽可能采用大尺寸厚壁钻铤。