第二章 钻柱
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。
钻柱
Fw = 0.9 Fy
Fw ：钻柱工作时允许受到的最大轴向载荷
Fy ：材料最小屈服强度下的抗拉力
2. 钻柱允许的最大静拉载荷 Fa
Fa ：钻柱在钻井液中重量产生的轴向载荷。
Fa < Fw
钻柱设计
2. 钻柱允许的最大静拉载荷 Fa 1）安全系数法 Fw Fa = Sp
S p ：设计安全系数 S p = 1.3 ~ 1.6
钻柱设计
1. 钻具尺寸的选择： 钻具组合书写表示方法： 215毫米钻头（钻头高度，m）+420×520（长度，m）+178毫 米钻铤（长度，m） +521×410 （长度，m） +159毫米钻铤 （长度，m） +127毫米钻杆（长度，m） +411×520 （长度 ，m） +133毫米方钻杆（方入，m）+水龙头（631反）
钻柱设计
2.钻铤长度的确定： 原则： 钻铤在泥浆中的重量为所需最大钻压的1.2～1.3倍。
S n ⋅ Wmax 计算公式为： Lc = qc ⋅ K b ⋅ cos α
Lc ——钻铤长度，米；
α ——井斜角,度
Wmax ——最大钻压，牛；
qc
Kb
Sn
——钻铤的每米重量，牛/米 ——浮力系数 ——设计安全系数
钻柱设计
1. 钻具尺寸的选择： 常用钻具组合： 12 ¼” 以上井眼： 钻头+9”钻铤+8”钻铤+7”钻铤+5”钻杆+5 ¼”方钻杆 8 1/2” 井眼： 钻头+ 6 1/2”钻铤+6 1/4”钻铤+5”钻杆+5 ¼”方钻杆 6” 井眼： 钻头+ 4 3/4”钻铤+3 1/2”钻杆+ 3 1/2”方钻杆
司钻应知应会培训教材
第二章 钻头及钻柱
•3）、PDC钻头的正确使用
•⑴由于金刚石抗冲击性能差（脆性大），因此上下钻台 不能碰撞硬物，井下不得有落物，严禁顿钻和溜钻。 •⑵下钻遇阻严禁强行下压，应接方钻杆开泵冲划，但不 超过30米大段划眼。在下钻到最后两单根时，接方钻杆冲
机组及控制机组等组成。
第一章
钻井设备
钻井按其工作性质又可分为八个部分
1.提升系统设备，它是一套大功率的起重设备。
主要由钻井绞车、游动系（钢丝绳、天车、游
动滑车及大钩）、悬挂游动系统的井架及起升
操作用的工具（如：吊钳、 吊环、吊卡、卡
瓦及上扣器等）组成（图1-1）。它的主要作
用是起下钻、换钻头、均匀送钻、下套管及进
个世纪，牙轮钻头无论是钻头的材质、切削部分、钻头轴承、
清洗装置等都有很大的改进。喷嘴的改进，解决了钻头的清 洁问题，出现了喷射牙轮钻头；使用了硬质合金齿，提高了
牙轮的抗磨性；使用密封滑动轴承使钻头的工作寿命大大提
高。
第二章 钻头及钻柱
•1、牙轮钻头的组成 •三牙轮钻头的结构可分为五个部分，即钻头体、巴掌、牙 轮、轴承和水眼。密封喷射式钻头还有储油补偿系统。 •2、牙轮钻头的产品系列
泥浆管线、立管、水龙带、水龙头、钻柱,经钻
头水眼冲向井底,然后由钻柱与井壁的环形空间
返出井口,再经泥浆净化设备流回泥浆池。
第一章
钻井设备
泥浆净化装置
泥浆中的固相含量高时,降低钻速、加剧钻头磨损、污染 泥浆性能、污染油气层、影响固井质量等。钻井时要及时清除 泥浆中的固相含量，泥浆中固相含量的清除常用机械清除法和 化学清除法。 机械清除法是利用重力沉淀、筛滤和离心旋流等机械方 法清除泥浆中的固相含量。此法在现场上普遍采用（采用震动 筛、除砂器等固控设备）,以清除大于l0微米的钻屑。
石油工程钻井钻柱力学-第二章 钻柱设计与负荷计算1-2节
1）、由（2-6a、b）式得下段钻杆的：
Pamax = 0.9Py1/nn = 0.9886.025/1.3 = 613.46（kN） Mop = 0.9Py1- Pamax = 0.9886.025–613.46 = = 183.96445（kN） 这说明用式（2-6b）确定的拉力余量不符合设计前预选拉 力余量的要求。再看下段钻杆的受力情况：首先用拉力余 量445kN来计算Pamax，即： Pamax = 0.9Py2- Mop = = 0.93168.51– 445 = 2406.66（kN）
问题的讨论：也就是说为什么在确定最大允许静拉负荷时 ，既要选择安全系数、设计系数，又要考虑拉力余量呢？
下面通过实例加以说明。
若已知下段钻杆的钢级为D级、d01 = 88.9mm、q01 =194.14 N/m；上段钻杆的钢级为S-135、d02 =127.0mm、q02=284.78 N/m；已选择的拉力余量 Mop = 445 kN；安全nn = 1.3。 由钻井手册查到的两种钻杆钢级的Py值分别为：D级钢的 Py1 = 886.025 kN，S-135钢级的 Py2 = 3168.51 kN。试问 ：钻杆的最大允许静拉负荷？ 6
二、钻柱（钻杆、钻铤长度）设计与计算
钻柱的主要组成有方钻杆、钻杆、钻铤、稳定器位置和其 它井下工具。
1、钻柱下部钻铤的选择与用量计算
1）、钻铤的选择原则： 钻铤尺寸的选择取决于有效井径，大小一般为： Dhe = (Db+ Dc = ——（2-5） 1 0 0 t 2 Ls 2 Ls Pa max
1 2 2
式中：s——钻杆的屈服强度；
d0——钻柱外径； t——钻杆悬挂在吊卡下面的钻柱拉应力； Ls——卡瓦与钻杆的接触长度； K——卡瓦的横向负荷系数，K = 1/tg( )； ——卡瓦锥角，取92745。 ——卡瓦与钻杆之间的摩擦角。
油田化学-钻井液化学(第二章)
(qFL AL) SM AL SC
达西定律
dqFL k Ap dt L
q FL A
SC 2 k P 1t SM
式中： A----渗滤面积
k----泥饼渗透率 ΔP----渗滤压差
SC
SM
静滤失方程
----泥饼中固相体积分数 ----钻井液中固相体积分数 t----渗滤时间 μ----滤液粘度
第二章
第二节 钻井液密度及其调整
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一、钻井液密度 钻井液工艺原理电子教案
1、定义：单位体积钻井液的质量。 g/cm3, kg/m3, lbm/bbl
1 g/cm3 = 8.33 lbm/bbl 2、对钻井的影响
第二章
（1）影响井下安全（井喷、井漏、井塌和卡钻等）
（2）影响钻井速度 （3）与油气层损害有关
碱性来源 :OH-、CO3
2-、
第二章
HCO3pH值
(2)钻井液酸碱性表示方法
碱度 pH值法缺点：pH值不能反映维持钻井液碱性的
离子种类和类型。
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一、钻井液酸碱性表示法 钻井液工艺原理电子教案 （3）碱度表示法
第二章
碱度:用[0.01M]的标准硫酸中和1mL样品(滤 液)至指示剂变色时所需的体积(单位：mL)。
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二、钻井液酸碱性调整 钻井液工艺原理电子教案
3、纯碱（Na2CO3)
第二章
Na2CO3 2 Na CO32 CO32 H 2O HCO3 OH HCO3 H 2O H 2CO3 OH
◑间接产生OH◑作除钙剂或除镁剂—CaCO3，Mg(OH)2
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。
第二章海洋钻完工艺系统
41
完井技术
● 完井：从钻开生产层、下油层套管、注水泥固井、射
孔到试采等一系列生产过程的总称。
● 完井工程包括的内容：
（1）钻开生产层：钻井完井液设计、平衡压力钻井 （2）完井井底结构设计和完井方法选择 （3）安装井底：包括下套管固井或下入筛管、割缝衬管 （4） 连通井眼与产层（射孔、裸眼等） （5）防砂措施 （6）安装井口，完井测试
26
自升式钻井平台导管架方式钻井 涠洲12-1油田B平台
27
自升式钻井平台导管架方式钻井 东方1-1气田
28
复位到采油井钻井
NH4 & W121A
NH4 & W121B
NH4 & W114B
29
半潜式钻井平台预钻井
安 装 钻 井 基 盘
30
修井机+支持船井 钻井
31
第二章 海洋钻完井工艺系统
钻穿油、气层之后， 下油层套管至油、气 层底部固井。然后再 用专门的射孔器在油 、气层部位射孔，射 穿套管和水泥环并进 入地层一定深度，油 、气通过这些孔道进 入井内。
或下入尾管后射孔。
49
射孔完井法示意图
尾管射孔完井法示意图
完井技术
三、完井井底结构和完井方法
（二）射孔完井法
● 主要优点：
（1）能有效地封隔不同压力的油、气、水层，消除互相干扰。可以进行分层测试、 分层开采、分层注水等作业。
优点：
可以确保油层套管下在油、气层顶部。
缺点：
（1）泥浆对油气层的浸泡时间长，易损害 油气层；
（2）同时也会受到水泥浆对油气层的损害 ，如油气层压力大时固井质量也不易保证。 这种完井法一般是在地层情况掌握不够的探 区采用。
钻柱(Drill String)
（6）扭转振动（Torsiona1 vibration） 当井底对钻头旋转的阻力不断变化时，会引 起钻柱的扭转振动，因而产生交变剪应力。扭转振动和钻头结构、所钻岩石性质是否均匀 一致、钻压及转速等等许多因素有关。特别是使用刮刀钻头钻软硬交错地层时，钻柱的扭 转振动最为严重。 （7）动载（Dynamic 1oads） 起下钻作业中，由于钻柱运动速度的变化会引起纵 向动载，因而在钻柱中产生间歇的纵向应力变化。这主要和操作状况有关。 综上所述，转盘钻井时，钻柱的受力是比较复杂的。但所有这些载荷就性质来讲可分 为不变的和交变的两大类。属于不变应力的有拉应力、压应力和剪应力；而属于交变应力 的有弯曲应力，扭转振动所引起的剪应力以及纵向振动作用所产生的拉应力和压应力。在 整个钻柱长度内，载荷作用的特点是在井口处主要是不变载荷的影响，而靠近井底处主要 是交变负荷的影响。这种交变载荷的作用正是钻柱疲劳破坏的主要原因。 从上述分析也不难看出，钻柱受力严重部位是： （1）钻进时钻柱的下部受力最为严重。固为钻柱同时受到轴向压力、扭矩和弯曲力矩 的作用，更为严重的是自转时存在着剧烈的交变应力循环，以及钻头突然遇阻遇卡，会使 钻柱受到的扭矩大大增加。 （2）钻进时和起下钻时，井口处钻柱受力复杂。起下钻时井口处钻柱受到最大拉力， 如果起下钻时猛提、猛刹，会使井口处钻柱受到的轴向拉力大大增加。钻进时，井口处钻 柱所受拉力和扭力都最大，受力情况也比较严重。 （3）由于地层岩性变化、钻头的冲击和纵向振动等因素的存在，使得钻压不均匀，因 而使中和点位置上下移动。这样，在中和点附近的钻柱就受到交变载荷作用。 总的来说，为了完成正常钻进、起下钻及其他工艺操作，根据上述的受力状况，钻柱 所有部分都必须有足够强度，以承受各种可能的载荷，同时，要保证建立所需的钻压，钻 柱的循环阻力要小，密封性要好，并且钻柱的重量应尽可能轻，以实现经济的合理性。
钻井问题
教学重点：石油钻井的概念、钻井的种类、钻井的方法、钻井的工艺工序教学难点：钻井的工艺工序教学方法：采用讲解法、参观法、对比法、举例法介绍本课程性质：通过学习认识各种常见井下钻具以及合理组合与使用；掌握提高钻进效率、有效的控制井斜及钻井的方法；要了解钻井过程中常见的事故，会作出正确的分析和预防措施；了解整个钻井的工艺环节。
导入新课：钻井是石油、天然气勘探与开发的重要手段。
要直接了解地下的地质情况，证实以探明的构造含油气情况极其储量，要把地下的石油、天然气开采出来，都是要通过钻井来实现。
钻井工程就是利用机械设备和一定的工具将地层钻成孔眼的工程。
钻井工程质量的好坏和钻井速度的快慢，直接关系到钻井的成本的高低、油气勘探开发的综合经济效益及石油工业发展的速度。
石油钻井的概念→所谓石油钻井指为了勘探和开发地下石油和天然气而在地表钻凿一个通往地下油气层直径很小的井眼的工作。
二、石油钻井的种类A．把钻井按钻井的目的进行分类区域普查井：基准井、剖面井、参数井、构造井探井：预探井、详探井、边探井开发井：生产井（油井、气井）、注入井（注水井、注气井）特殊用途井：检查井、观察井、调整井、救援井等。
基准井：在区域普查阶段，为了了解地层的沉积特征和含油气情况、验证物探成果而钻的井。
剖面井：是为了研究地层岩性、岩相变化，为寻找含油气构造而钻的井。
参数井：为了解区域构造，提供岩石物性参数而钻的井。
构造井：为了了解地质构造特征、验证物探成果，并编制地下某一标准层的构造图。
探井：为了确定油气藏是否存在及其埋藏位置（预探井），对油气藏进行工业评价及取得油气开发所需的地质资料（详探井），圈定油气藏边界及其储量（边探井）。
生产井：在进行油田开发时，为开采石油和天然气而钻的井。
注入井：开发后期为了提高采收率及开发速度，而对油田进行注水注气以补充和合理利用地层能量所钻的井。
检查井：油田开发到某一含水阶段，为了搞清各油层的压力和油、气、水分布状况，剩余油饱和度的分布和变化情况，观察井：油田开发过程中专门用来了解地下动态的井调整井：油田开发中后期，为进一步提高开发效果和最终采收率，而调整原有开发井网所钻的井。
2 第二节 钻柱
第二节钻柱♦钻柱：是指钻头以上，水龙头以下部分的钢管柱的总称，它包括方钻杆、钻杆、钻铤、各种接头及稳定器等井下工具。
它是连通地面与地下的枢纽。
♦在用转盘钻井时，是靠钻柱传递破碎岩石所需能量，给钻头加压，以及井内输送洗井液。
♦在井下动力钻井时，其承受井底动力机的反扭矩，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。
♦其是钻井工具与装备的薄弱环节。
（特别是对于深井钻具井下情况又是比较复杂。
如卡、堵、蹦等）从以下几个方面我们可以看出，合理的设计钻柱与下部的钻井组合，对于实现优质快速的钻进具有十分重要的意义。
那么组成钻柱的主要钻井工具有哪些呢？①方钻杆②钻杆③加重钻杆④钻铤⑤井下马达（涡轮钻具与螺杆钻具）⑥⎪⎩⎪⎨⎧随钻减震器减震器稳定器其它的钻井工具一、钻柱的组成与作用（《甲方手册》，上册）（一）钻柱的作用1、输送钻井液 为钻井液由井口流向钻头提供通道；2、传递能量与压力 把地面的动力（扭矩）传递给钻头，同时给钻头施压，使钻头在钻压的作用下吃入岩石，在扭矩的作用下，钻头不断的破碎岩石；3、起下钻头钻柱除了以上在正常钻进中作用外，还具有其它一些重要作用：1）检测 观察钻头的情况、井眼情况、地层情况；2）特殊作业 取心、挤水泥、打捞井下落物及处理井下其它事故；3）对地层流体及压力状况等进行测试与评价（中途测试）（二）钻柱的组成⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧→⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎩⎪⎨⎧特殊的钻具组合打捞工具测试工具随钻监测工具扩眼器震击器减震器稳定器钻铤下部钻具组合扩眼器（有时）加重钻杆普通钻杆钻杆段不同的目的而不同）具体的组成则随着钻柱( 见教材P 74，图2—28，典型的钻具组合二、组成钻柱的主要钻井工具的规范与特性（一）方钻杆定义：方钻杆位于钻柱的最上端，其主要的作用是传递扭矩。
其位于钻柱的最上方，与水龙头相连。
方钻杆的驱动部分断面为中空的四边形与六方形。
由于方钻杆在工作时要承受整个钻柱的重量和旋转柱及钻头所需的扭矩，所以方钻杆的壁厚一般比钻杆大3倍左右，同时使用高强度的合金钢制造。
钻柱
钻柱的振动分析（轴向、横向、扭转振动） 钻柱在井内的运动轨迹 动应力分析是一个正在研究的问题。
钻柱抗挤计算
中途测试、井漏、带单向阀未灌泥浆等导致 钻杆内无液体,若井深为H，外挤压力为：
Poc m gH
钻杆内液体深度为L时:
Poc m gH f g(H L)
深井钻柱强度设计
Q0 Q B
井内静止
Q0 Q B P
正常钻进
Q0 Q B Qg
起钻
Q0 Q B Qg
下钻
Q0：井口拉力 Q：钻柱的自重
B：浮力 P：钻压 Qg：起下钻动载
B m gLF
钻柱浮力的计算：
B: 浮力（N） m: 泥浆密度（kg/m3） L: 钻柱长度(m) F:钻具的横截面积（M2) :钻具截面系数 对于非单一钻柱，浮力事实上是钻柱所排开 的钻井液的重量。
Lc2、qc2 、Fc2 Lc1、qc1 、Fc1
B
Lp
/Kf qp
Pa
Pc
(L p q p Pc )K f Pa
nc
Pc Lciqci
i 1
复合钻柱设计
设有nc段钻铤，则钻铤在 Lp、qp、Fp 空气中的总重量为：
Lpi、qpi、Fpi
Lp1、qp1、Fp1
Lci、qci 、Fci 第一段钻杆的最大许下长度
动载
离心力（质量偏心、钻柱不直）主要造 成钻柱的横向振动 钻头与地层之间的相互作用力，主要造 成钻柱的纵向振动 钻具与井壁之间的间隙接触产生的摩擦 力，导致钻柱的运动形态发生改变 泥浆排量不均产生的脉动力。
轴向力（起下钻）
Q0
B
轴向力（正常钻进）
Q0
B＋WOB
井口拉力的计算
钻井工程课后题答案
P87、式（2-3）
（2）中性点位置： L N
P88、式（2-7）
（3）中性点所在井深： Dv LN 1500 124.86 1375.14(m)
34、某井用 121/4in 钻头钻至 3500m，试进行钻柱设计。
1 3 已知：钻头直径 d b 12 / 4 in ，井深 D 3500m ；钻井液密度 d 1.23 g / cm ；
d 1.23 1 0.842 7.8 s
P87、式（2-3） P92、式（2-12）
取安全系数 S N 1.20 则钻铤长度： Lc
S N W 1.20 200 100.21(m) 27(m) q c k B cos 2.860 0.842 cos 6
则井深 2000m 处，地层压力 35.0MPa，对应的钻井液密度为：
h p
பைடு நூலகம்
pp 0.00981D
35.0 1.784( g / cm 3 ) 0.00981 2000
③钻开油层时，1000m 处的静液柱压力：
p h 0.00981 h D 0.0091 1.784 1000 17.50( MPa)
钻压 W 200kN ；拉力余量 MOP 450kN ；安全系数 S t 1.30 ； 卡瓦长度 Ls 406.4mm ；正常润滑；井斜角 6 。 库存钻具： 9in 钻铤（ q c 2860 N / m ）27m；7in 钻铤（ q c 1632 N / m ）81m；
8、 某井钻至 2500m， 钻头 D＝215mm， 钻压 W＝160KN， 钻速 n＝110r/min， 机械钻速 7.3m/h， 钻井液密度 1.28 g/cm3，正常条件下钻井液密度 1.07 g/cm3，求 d 和 dc 指数。 解：据 P15、式（1-16） 、式（1-17）
石油钻井钻进工具—钻头和钻柱详解
二、刮刀钻头（Drag Bit）
（一）刮刀钻头的结构
上钻头体、下钻头体（分水帽）、 刀翼、水眼。
刀翼
•三刀翼的称作三刮刀钻头
•两刀翼的称作两刮刀钻头或鱼 尾刮刀钻头
•四刀翼的称作四刮刀钻头
图2-1 刮刀钻头结构
刀翼结构：
（1） 刀翼结构角 刃尖角β —刀翼尖端前后刃之间的夹角。 它
反映了刀翼的尖锐程度。 β 越小，刃部越尖锐，
牙轮布置方案
（1）非自洗无滑动布置：
各牙轮牙齿齿圈不嵌合，单锥、不超顶，不移轴，用于硬地层；
（2）自洗不移轴布置：
各牙轮牙齿齿圈相互嵌合，副锥、超顶，不移轴，用于中硬地层；
（3）自洗移轴布置：
各牙轮牙齿齿圈相互嵌合，副锥、超顶，移轴，用于软地层；
非自洗
自洗无移轴
自洗移轴
牙轮及牙齿的布置
非自洗
自洗无移轴
及牙轮轴、牙轮及牙齿、轴承、储油润 滑密封系统金钢锥体，锥面铣齿或镶装硬质合金齿，内腔有轴承跑道。 • 单锥牙轮：主锥+背锥，硬地层 • 复锥牙轮：主锥+副锥+背锥，软到中硬
a
b
c
a—单锥； b、c—复锥； 1—主锥； 2—副锥； 3—背锥
越容易吃入地层，但强度越低。 一般: 软地层 β =8 ～ 10°；
硬地层 β =12°～ 15°
切削角α — 刀翼前刃和水平面之间的夹角。 在相同钻压下， α 越大，刀刃越容易吃入地层， 但旋转扭矩大，剪切刃 前岩石困难。 一般: 松软地层 α ＝70° 软地层 α ＝70～80°； 中硬地层 α ＝80～85°。 刃后角ψ ＝α -β 刃后角必须大于井底角θ 。
（三）刮刀钻头的应用 • 刮刀钻头制造工艺简单，成本低；
简述钻柱的主要功用
钻柱的主要功用1. 引导和支撑钻井作业钻柱是一种用于引导和支撑钻井作业的工具。
在油气勘探和开发过程中，通过钻井作业将钻头沿着井孔逐渐向地下深入，以获取地质信息、采集样品或开采油气资源。
钻柱作为连接钻头和地面设备的重要组成部分，具有以下几个主要功用：a. 传递扭矩和推力钻柱能够传递地面设备所提供的旋转扭矩和推力到钻头，实现对地层的切削和进给。
在旋转时，通过旋转传动装置将旋转动力传递给钻柱，使其带动钻头进行切削；而在进给时，则通过推进装置将推力传递给钻柱，使其向下推进。
b. 支撑井壁钻柱与井壁之间形成一定的间隙，并通过润滑剂来减小与井壁的摩擦。
这种设计可以使得钻柱在旋转和进给过程中能够顺利地穿过井壁，并支撑起井壁，防止井壁塌陷。
c. 传递泥浆和工具钻柱内部通道可以传递泥浆和各种工具。
泥浆是钻井过程中的重要介质，它通过钻柱的内部通道进入钻头，冲刷并带走切削产物，同时冷却和润滑钻头。
钻柱还可以传递各种工具，如测井仪器、录井仪器等，用于获取地质信息或进行其他相关操作。
d. 承受地层压力在钻井作业过程中，地层会对钻柱施加一定的压力。
这些压力包括地层自身的重力、地层岩石的应力以及地层流体的压力等。
钻柱需要具备足够的强度和刚度来承受这些压力，并保证作业的安全进行。
2. 分类和结构根据用途和结构特点的不同，钻柱可以分为不同类型：a. 钢丝绳钻柱钢丝绳钻柱由多股金属丝绳编织而成，其特点是轻便、柔软。
它主要用于浅层钻井作业，如水井钻探、地质勘探等。
由于其柔软性，钢丝绳钻柱在深井作业中的承载能力较低。
b. 钻杆钻柱钻杆钻柱由多节钻杆连接而成，其特点是刚性好、承载能力大。
它主要用于深井油气勘探和开发作业。
在实际应用中，通常会根据作业需求选择合适的材料和连接方式，以提高钻柱的强度和耐腐蚀性能。
c. 钢管钻柱钢管钻柱由多段无缝或焊接的钢管组成，其特点是刚性好、承载能力大、耐腐蚀性能好。
它主要用于特殊环境下的油气勘探和开发作业，如海洋油气勘探、高温高压井等。
钻柱工作状态及受力分析
钻柱工作状态及受力分析一、钻柱的工作状态在钻井过程中，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，整个钻柱被悬挂起来，在自重力的作用下，钻柱处于受拉伸的直线稳定状态。
实际上，井眼并非是完全竖直的，钻柱将随井眼倾斜和弯曲。
在正常钻进时，部分钻柱（主要是钻铤）的重力作为钻压施加在钻头上，使得上部钻柱受拉伸而下部钻柱受压缩。
在钻压小和直井条大钻压，则会出现钻柱的第一次弯曲或更多次弯曲（图1）。
目前，旋转钻井所用钻压一般都超过了常用钻铤的临界压力值，如果不采取措施，下部钻柱将不可避免地发生弯曲。
在转盘钻井中，整个钻柱处于不停旋转的状态，作用在钻柱上的力，除拉力和压力外，还有由于旋转产生的离心力。
离心力的作用有可能加剧下部钻柱的弯曲变形。
钻柱上部的受拉伸部分，由于离心力的作用也可能呈现弯曲状态。
在钻进过程中，通过钻柱将转盘扭矩传送给钻头。
在扭矩的作用下，钻柱不可能呈平面弯曲状态，而是呈空间螺旋形弯曲状态。
根据井下钻柱的实际磨损情况和工作情况来分析，钻柱在井眼内的旋转运动形式可能是自转，钻柱像一根柔性轴，围绕自身轴线旋转；也可能是公转，钻柱像一个刚体，围绕着井眼轴线旋转并沿着井壁滑动；或者是公转与自转的结合及整个钻柱或部分钻柱做无规则的旋转摆动。
从理论上讲，如果钻柱的刚度在各个方向上是均匀一致的，那么钻柱是哪种运动形式取决于外界阻力（如钻井液阻力、井壁摩擦力等）的大小，但总以消耗能量最小的运动形式出现。
因此，一般认为弯曲钻柱旋转的主要形式是自转，但也可能产生公转或两种运动形式的结合，既有自转，也有公转。
在钻柱自转的情况下，离心力的总和等于零，对钻柱弯曲没有影响。
这样，钻柱弯曲就可以简化成不旋转钻柱弯曲的问题。
在井下动力钻井时，钻头破碎岩石的旋转扭矩来自井下动力钻具，其上部钻柱一般是不旋转的，故不存在离心力的作用。
另外，可用水力荷载给钻头加压，这就使得钻柱受力情况变得比较简单。
二、钻柱的受力分析钻柱在井下受到多种荷载（轴向拉力及压力、扭矩、弯曲力矩）作用，在不同的工作状态下，不同部位的钻柱的受力的情况是不同的。
钻井工程钻柱
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第二章 钻 柱 §2-1 钻柱的作用与组成
有效长度
❖ 2、主要作用：(1)给钻头施加钻压; (2)减轻钻头的振动、摆动和跳动等，使钻头工作平稳； (3)控制井斜。
❖ 3、类 型：光钻铤、螺旋钻铤、扁钻铤。 ❖ 常用尺寸：6-1/4，6-1/2 ，7，8，9 英寸
（三）方钻杆
1、类
型：四方形、六方形
2、特
点：壁厚较大，强度较高
3、主要作用：传递扭矩和承受钻柱的全部重量。
第二章 钻 柱
3. 钻柱的旋转运动形式：
§2-1 钻柱工作状态及受力分析
(1)自转。钻柱像一根柔性轴，围绕自身轴线旋转。钻柱自
转时，在整个圆周上与井壁接触，产生均匀磨损。弯曲钻柱 在自转时，受到交变弯曲应力的作用，容易发生疲劳破坏。 在软地层弯曲井段，钻柱自转容易形成键槽，起钻时可能造 成卡钻事故。
114、（4½），127.0（5英寸），139.7
（3）长度： 18～22ft ，27～30ft， 38～45ft
4、接头及丝扣
（1）丝扣连接：
尺寸相等，丝扣类型 相同，公母扣相匹配。
2）钻杆接头点
壁厚较大，外径较大， 强度较高。
（3）钻杆接头类型： 内平、贯眼、正规。
❖
9、要学生做的事，教职员躬亲共做； 要学生 学的知 识，教 职员躬 亲共学 ；要学 生守的 规则， 教职员 躬亲共 守。21 .7.2121 .7.21W ednesd ay , July 21, 2021
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。
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。
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5、方钻杆统称尺寸：方钻杆统称尺寸指方部截面边宽 方钻杆统称尺寸：
第二章 钻 柱
§2-1 钻柱的作用与组成
6、方钻杆技术规范 方钻杆位于钻柱的最上端， 方钻杆位于钻柱的最上端，有四方形和六方形两 钻进时，方钻杆与方补心、转盘补心配合， 种。钻进时，方钻杆与方补心、转盘补心配合，将 地面转盘扭矩传递给钻杆，以带动钻头旋转。 地面转盘扭矩传递给钻杆，以带动钻头旋转。
钻杆的使用
(1)丈量:
工具:
撬杠、棉纱、毛笔、白漆、钻具记录本、20米钢卷尺
操作方法:
一人将钢卷尺的”0”刻度线对准公扣密封端面 0” 另一人将钢卷尺拉直紧贴于钻杆表面 在母扣端面读出长度数据 用白漆编号(入井顺序) 将丈量数据填入钻具记录本
钻杆的使用
技术要求
1.测量次数不少于两次(若两次结果不一致, 须第三次测量) 2.精确到0.01米(毫米数四舍五入) 3.钻具记录本与钻杆编号一一对应 注意事项
（四）稳定器
第二章 钻 柱 §2-1 钻柱的作用与组成
§2-1 钻柱的作用与组成
（二）钻铤
1、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 、结构特点：管体两端直接车制丝扣，无专门接头；壁厚大 毫 ），重量大 是钻杆质量的4～ 倍刚度大。 重量大， 米），重量大，是钻杆质量的 ～6倍刚度大。
有效长度 2、主要作用：(1)给钻头施加钻压; 主要作用： 给钻头施加钻压; (2)减轻钻头的振动、摆动和跳动等，使钻头工作平稳； 减轻钻头的振动、摆动和跳动等，使钻头工作平稳； (3)控制井斜。 控制井斜。 3、类 、 型：光钻铤、螺旋钻铤、扁钻铤。 光钻铤、螺旋钻铤、扁钻铤。 常用尺寸： 常用尺寸：6-1/4，6-1/2 ，7，8，9 英寸 ， ， ，
上方保接头
下方保接头
第二章 钻 柱 §2-1 钻柱的作用与组成 5、方钻杆技术规范 、
方钻杆旋转时，上端始终处于转盘面以上， 方钻杆旋转时，上端始终处于转盘面以上， 下部则处在转盘面以下。 下部则处在转盘面以下。方钻杆上端至水龙头 的连接部位的丝扣均为左旋丝扣(反扣) 的连接部位的丝扣均为左旋丝扣(反扣)，以防 止方钻杆转动时卸扣。 止方钻杆转动时卸扣。方钻杆下端至钻头的所 有连接丝扣均为右旋转扣(正扣) 有连接丝扣均为右旋转扣(正扣)，在方钻杆带 动钻柱旋转时，丝扣越上越紧。为减轻方钻杆 动钻柱旋转时，丝扣越上越紧。 下部接头丝扣(经常拆卸部位)的磨损， 下部接头丝扣(经常拆卸部位)的磨损，常在该 部位装保护接头。加上两端方保接头， 部位装保护接头。加上两端方保接头，全长 14～ 米 14～15米。
标准方钻杆全长12． m，驱动部分长11 11． m。 标准方钻杆全长12．19 m，驱动部分长11．25 m。为了适应 12 钻柱配合的需要，方钻杆也有多种尺寸和接头类型。 钻柱配合的需要，方钻杆也有多种尺寸和接头类型。方钻杆的 壁厚一般比钻杆大三倍左右，并用高强度合金钢制造， 壁厚一般比钻杆大三倍左右，并用高强度合金钢制造，故具有 较大的抗拉强度及抗扭强度可以承受整个钻柱的重量和旋转钻 柱及钻头所需要的矩。 柱及钻头所需要的矩。
钻杆的使用
技术要求
1.测量次数不少于两次(若两次结果不一致, 须第三次测量) 2.精确到0.01米(毫米数四舍五入) 3.钻具记录本与钻杆编号一一对应 注意事项
1.撬动钻具时注意人身安全 撬动钻具时注意人身安全 2.防止钢卷尺损坏 防止钢卷尺损坏 3.记录本保持清洁 记录本保持清洁
第二章 钻 柱
1.撬动钻具时注意人身安全 撬动钻具时注意人身安全 2.防止钢卷尺损坏 防止钢卷尺损坏 3.记录本保持清洁 记录本保持清洁
钻杆的使用
入井前的检查
1.弯曲度 弯曲度 2.表面伤痕 腐蚀斑痕、裂纹、伤痕 表面伤痕(腐蚀斑痕 表面伤痕 腐蚀斑痕、裂纹、伤痕) 3.螺纹的完好情况 螺纹的完好情况 4.水眼 水眼 5.公、母扣密封端面 公
4、接头及丝扣
（1）丝扣连接： ）丝扣连接： 2）钻杆接头点 ）
（3）钻杆接头类型： ）钻杆接头类型：
尺寸相等， 尺寸相等，丝扣类型 相同，公母扣相匹配。 相同，公母扣相匹配。 壁厚较大，外径较大， 壁厚较大，外径较大， 强度较高。 强度较高。 内平、贯眼、正规。 内平、贯眼、正规。
第二章 钻 柱 §2-1 钻柱的作用与组成 内平式：主要用于外加厚钻 杆。其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。
钻铤
（三）方钻杆 1、 类
四方形、 型：四方形、六方形 壁厚较大， 2、 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。 3、主要作用：传递扭矩和承受钻柱的全部重量。 89mm( mm(3 108mm 4 、 常 用 尺 寸 ： 89mm(3-1/2 英 寸 ) ， 108mm (4-1/2 英 寸 ) ， 133. 英寸) 133.4mm (5-1/2英寸)。
技术要求
1. 2. 3. 4. 5.
严重弯曲禁止入井(每米大于 毫米 严重弯曲禁止入井 每米大于8毫米 每米大于 毫米) 伤痕深度大于标准壁厚12.5%禁止入井 伤痕深度大于标准壁厚 禁止入井 螺纹严重锈蚀、磨损、断丝禁止入井 螺纹严重锈蚀、磨损、断丝禁止入井 水眼应畅通无阻、 水眼应畅通无阻、无杂物 密封端面光滑平整
第二章 钻 柱 §2-1 钻柱的作用与组成
二、钻柱组成 方钻杆 钻杆 钻铤 稳定器 配合接头和保护接头 其它井下工具： 其它井下工具： 减震器、震击器、 减震器、震击器、 扩眼器、 扩眼器、键槽破坏器
第二章 钻 柱 §2-1 钻柱的作用与组成
（一）钻杆
1、作用：传递扭矩和输送钻井液，延长钻柱。 、作用：传递扭矩和输送钻井液，延长钻柱。 结构：管体+ 2、结构：管体+接头
第二章 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
四、本章需要10学时 本章需要10学时 10
第二章 钻 柱 §2-1 钻柱的作用与组成
一、钻柱的作用 概念：钻柱是钻头以上， 概念 钻柱是钻头以上，水龙头以下各部分的管柱 的总称。它包括方钻杆、钻杆、钻铤、 各种接头、 的总称。它包括方钻杆、钻杆、钻铤、 各种接头、及 稳定器等井下工具。 稳定器等井下工具。 ）、钻柱在钻井过程中的主要作用 （一）、钻柱在钻井过程中的主要作用 1、为钻井液由井口流向钻头提供通道； 、为钻井液由井口流向钻头提供通道； 2、给钻头施加适当的压力 钻压 ，使钻头的工作刃 钻压)， 、给钻头施加适当的压力(钻压 不断吃入岩石； 不断吃入岩石； 3、把地面动力 扭矩等 传递给钻头，使钻头不断旋 扭矩等)传递给钻头 、把地面动力(扭矩等 传递给钻头， 转破碎岩石； 转破碎岩石； 4、起下钻头； 、起下钻头； 5、根据钻柱的长度计算井深。 、根据钻柱的长度计算井深。
钻井工程
复习旧课： 复习旧课：1、钻头的类型 PDC钻头的 2、金刚石钻头与 PDC钻头的 组成及区别； 组成及区别； 3、 钻头的工作原理。 钻头的工作原理。 导入新课：钻头是破碎岩石的主要工具， 导入新课：钻头是破碎岩石的主要工具，需 要一定的钻压和转速， 要一定的钻压和转速，钻压和转速是由谁 产生和传递的呢？
第二章 钻 柱 §2-1 钻 柱的作用与组成 钻杆的通称尺寸： 5、钻杆的通称尺寸：指钻杆本体外径 6．加重钻杆 加重钻杆是用厚壁钢管制造的新型钻柱构件， 加重钻杆是用厚壁钢管制造的新型钻柱构件，管 体两端和中部有超长的外加厚接头或外加厚段， 体两端和中部有超长的外加厚接头或外加厚段，兼有 钻铤和钻杆的功能。它具有以下几个特点： 钻铤和钻杆的功能。它具有以下几个特点： (1)超长的整体接头可以提供较大的耐磨表面和重 (1)超长的整体接头可以提供较大的耐磨表面和重 接头螺纹可以多次修复； 量，接头螺纹可以多次修复； (2)比同尺寸的钻杆重 比同尺寸的钻杆重， (2)比同尺寸的钻杆重，管体和接头外径与普通钻 杆一致，内孔是内平的， 杆一致，内孔是内平的，内孔直径至少等于钻铤的内 径。 (3)中部外加厚段起小型稳定器作用 中部外加厚段起小型稳定器作用。 (3)中部外加厚段起小型稳定器作用。受压时管体 可以挠曲，只有两端和中部加厚段接触井壁， 可以挠曲，只有两端和中部加厚段接触井壁，管体本 身不受磨损。 身不受磨损。
（二）ห้องสมุดไป่ตู้柱的特殊作用
1、通过钻柱可以观察和了解钻头的工 作情况、井眼状况及地层情况等； 作情况、井眼状况及地层情况等； 进行取心、挤水泥、打捞井下落物、 2、进行取心、挤水泥、打捞井下落物、 处理井下事故等特殊作业； 处理井下事故等特殊作业； 3、对地层流体及压力状况进行测试与 评价，即钻杆测试， 评价，即钻杆测试，又称中途测试
第二章 钻 柱 §2-1 钻柱的作用与组成 (1)用于直井 在钻铤和普通钻杆之间连接15 用于直井： 15～ (1)用于直井：在钻铤和普通钻杆之间连接15～30 根加重钻杆， 根加重钻杆，就可防止与钻铤连接的钻杆发生疲劳破 坏； (2)用于定向井 定向井钻柱中接上加重钻杆后， 用于定向井： (2)用于定向井：定向井钻柱中接上加重钻杆后， 可使钻铤和加重钻杆不紧贴在井壁上， 可使钻铤和加重钻杆不紧贴在井壁上，从而减少发生 泥饼卡钻的可能性，减少卸扣扭矩， 泥饼卡钻的可能性，减少卸扣扭矩，在起钻时上提拉 力也不会超过井内重量太多。此外， 力也不会超过井内重量太多。此外，还能更好地控制 井斜角和方位角，减少定向工作的次数， 井斜角和方位角，减少定向工作的次数，从而缩短定 向井的建井周期。 向井的建井周期。 在定向井中，为了保证足够的钻压， 在定向井中，为了保证足够的钻压，所需的加重 钻杆长度比直井在同样钻压下所需长度大， 钻杆长度比直井在同样钻压下所需长度大，一般在 30°井眼中需加长度15％，在45° 15％， 30°井眼中需加长度15％，在45°井眼中需增加长度 40％， 60°井眼中需增加长度100% ％，在 100%。 40％，在60°井眼中需增加长度100%。