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。
循环钻井液时，钻柱任一截面断面处产生的拉力负 荷可按下式计算：
(四)稳定器
图2-33是稳定器的三种基本类型：刚性稳定器、不转 动橡胶套稳定器和滚轮稳定器。
图2-33 稳定器的基本类型
(五）减震器
减震器种类很多，有弹簧减震器、橡胶减震器、钢丝减 震器、液体减震器及气垫式减震器等。
在下部组合或钻杆柱中还可安装随钻震击器，随钻测量 （ＭＷＤ）工具，钻柱测试工具和打捞篮、扩眼器等特殊工 具进行随钻测量、地层测试、打捞、扩眼等特殊作业。
钻柱在钻井液的重力称为浮重（Buoyant Weight）。
这种计算钻柱轴向力的方法，称为“浮力系数法” （Buoyancy Fact Method）。
（2）正常钻进时 正常钻进时，把部分钻柱的重力
（钻铤）加到钻头上作为钻压。下部钻 柱受压缩应力的作用。
钻柱任一截面上的轴向拉力为：
Fw K q p Lp qc Lc W
一、 钻柱的作用与组成
（一）钻柱的作用
(1) 提供由井口至井下的钻井液流动通道； (2) 给钻头施加适当的压力(钻压)，使钻头的工作刃不 断吃入岩石； (3) 把地面动力(扭矩等)传递给钻头,使钻头不断旋转 破碎岩石；
(4)起下钻头； (5)根据钻柱的长度计算井深。 (6)通过钻柱工况观察和了解钻头的工况、井眼状况及 地层情况等； (7)进行取芯、挤水泥、打捞井下落物、处理井下事故 等特殊作业； (8)对地层流体及压力状况进行测试与评价，即钻杆测 试 ( Drill-Stem Testing),又称中途测试。
钻铤的主要作用： (1)给钻头施加钻压； (2)保证压缩条件下的必要强度； (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。
最常用的是圆形(平滑的)钻铤和螺旋形钻铤两种。 钻铤的连接丝扣(公扣、母扣)是在钻铤两端管体上直接 车制而成。 钻铤类型代号由两部分组成,第一部分为NC型螺纹代号， 第二部分的数字（取外径的前两位数字）表示钻铤外径,中 间用短线分开。 如：NC70-97表示数字型接头，基面丝扣节圆直径为7 英寸，钻铤外径为9.75英寸。
MPa lb/in2
MPa lb/in2
MPa lb/in2
表2-13 钻杆钢级
D 379.21 55000 586.05 85000 655.00 95000
E 517.11 75000 723.95 105000 689.48 100000
钻杆钢
95（X） 655.00 95000 861.85 125000 723.95 105000
高的合金钢。 丝扣的连接必须满足：尺寸相等，丝扣类型相同，公母
扣相匹配。
API钻杆接头有新、旧两种标准 旧标准：内平式(IF)、贯眼式(FH)和正规式(REG)三种 类型。 内平式接头主要用于外加厚钻杆，钻杆通体内径相同。 贯眼式接头适用于内加厚钻杆，钻杆有两个内径。 正规式接头适用于内外加厚钻杆，正规接头连接的钻杆 有三种不同的内径。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。
（4）整个钻柱或部分钻柱作无规则的旋转摆动。常常 造成钻柱的强烈振动。
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。
（二）钻柱的受力分析
1. 轴向拉力和压力(Axial Tension and Compression) 钻柱受到的轴向载荷主要有由自重产生的拉力、由钻井液 产生的浮力和因加钻压而产生的压力，另外还有摩擦力、加速 力等。 （1）钻柱在垂直井眼中悬挂 井口处拉力最大。
钻柱任一截面处（假定在钻杆上）的拉力可按下式计算：
F0 q p Lp qc Lc
式中：F0 —空井中的钻柱任一截面处的拉力，它等于该截面以下钻
柱在空气中的重力，kN；
qp，qc —分别为钻杆、钻铤单位长度的重力，kN/m， 称为 “线重（Linear Weight）。
—为钻铤的长度，m；
Lp —截面以下钻杆长度，m。若计算截面落在钻铤上， Lp 为零。
7、扭转振动（Torsion 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。 8、横向摆振（Cross Vibration) 在某一临界转速下，钻柱将出现摆振，其结果是使钻柱进行 公转，引起钻柱严重偏磨。
钻柱受力严重的部位是： （1）钻进时，钻柱下部受力最为严重。 （2）起下钻时，井口处钻柱受到最大拉力。 （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，使得钻压大小不均匀，因而使中性点附近的钻 柱受拉压交变载荷的作用，容易产生疲劳破坏。
Fh pi pb Ai 104
式中：Fh —循环压降引起的轴向拉力，kN；
pi —截面以下钻柱内压力降，kPa；
pb —钻头水眼处的压力降，kPa； Ai —钻柱流道截面积，cm2。
（3）起下钻时
起下钻时，钻柱除受到浮重外，还受到来自钻柱与井壁
的摩擦力Ff 和提升或下放速度变化所产生的动载Fd
第二节 钻柱
一、钻柱的作用与组成 二、钻柱的工作状态及受力 三、钻柱设计
第二节 钻 柱
钻柱(Drill Stem)是钻头以上，水龙头以下部分的管柱总 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。
图2-31 旧API钻杆接头
新标准：NC型系列接头，又称数字型接头。 NC型接头以字母NC和两位数字表示， 如NC50， NC26，NC31等。例如：NC26表示接头为NC型，基面丝 扣节圆直径为2.668英寸。 NC螺纹也为V型螺纹，具有0.065 英寸平螺纹顶和 0.038英寸圆螺纹底，用V-0.038R表示扣型，可与V-0.065 型螺纹连接。
Lc
钻井液浮力减轻系数表示：
K 1 d
式中： K—称为“浮力减轻系数”； d —钻井液密度，g/cm3 ；
—钻柱钢材密度，g/cm3。
考虑钻井液浮力和静液压力的横向挤压作用后，钻柱任一
截面处的轴向拉力可按下式计算：
Fm K qp Lp qc Lc KF0
Fm —悬挂在钻井液中的钻柱任一截面上的轴向拉力，kN。 它等于该截面以下钻柱在钻井液中的重力。
图2-34 钻柱受压弯曲示意图
钻柱在井眼内的旋转运动形式可能有如下四种： （1）自转—钻柱象一根柔性轴，围绕自身轴线旋 转。现象是易产生均匀磨损，发生疲劳破坏。 （2）公转—钻柱象一个刚体，围绕着井眼轴线旋 转并沿着井壁滑动。 现象是易产生偏磨。
（3）公转与自转的结合—钻柱围绕井眼轴线旋转，同 时围绕自身轴线转动，即不是沿着井壁滑动而是滚动。交 变应力的作用，循环次数比自转时低得多。
（2）钻杆的钢级与强度 钻杆的钢级是指钻杆钢材的等级，它由钻杆钢材的最小屈服
强 度 决 定 。 API 规 定 钻 杆 的 钢 级 有 D 、 E 、 95(X) 、 105(G) 、 135(S)级共五种，见表2-13。其中，X、G、S级为高强度钻杆。
物理性能
最小屈 服强度
最大屈 服强度
最小抗 拉强度
Ff 0.2 ~ 0.3Fm
Fd
v gt
F0
式中：Fd -提升加速或下钻减速阶段产生的动载,N；
v -大钩提升或下放速度,m/s；
t -加速或减速所延续的时间,s;
g -重力加速度,m/s2。
考虑摩擦力和动载的作用后,钻柱任一截面处轴向力为:
Ft K qp Lp qc Lc Ff Fd
(三)方钻杆
位于钻柱的最上端，有四方形和六方形两种，标准方钻 杆全长12.19米，驱动部分长11.25米。壁厚比钻杆大3倍左右。 主要作用是传递扭矩和承受钻柱的全部重量。
方钻杆两端的丝扣为：上反，下正。下端一般接一保护 接头。
常用的方钻杆尺寸：89mm(3.5英寸)，108mm (4.5 英寸)，133.4mm (5.5英寸)。
三、 钻柱设计
钻柱设计包括钻柱尺寸选择和强度设计两方面内容。 设计中，一般遵循以下两个原则： （1）满足强度（抗拉、抗挤强度等）要求，保证钻柱 安全工作； （2）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。