20101029-第三章 钻柱

¾钻柱(Drill String)：钻头以上，水龙头以下的钢管柱的总称。

¾组成：方钻杆(Kelly)、钻杆(Drill Pipe)、钻铤(Drill Collar)、各种接头(Joint)及稳定器(Stabilizer)等井下工具。

如图所示。

¾主要功用：
①构成钻井液井内循环通道。

②转盘钻进中，旋转传递扭矩。

③钻铤部分给钻头施加钻压。

④进行其它作业：取心、打捞、处理事故、钻杆中测等。

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第一节钻柱的各部分结构、规范
对边宽图示
二、钻杆
主要作用：传递扭矩，输送钻井液，延伸钻柱
钻杆单根：接头，管体，对焊处。

1.为了加强对焊处的强度，常要在管体两端进行加厚。

加厚形式有：①内加厚，②外加厚，③内外加厚。

2.根据接头与管体连接特点，把接头分为三种类型：
（1）内平接头----字母代号→NP，API代号→IF，习惯用数字代号→1。

（2）贯眼接头----字母代号→GY，API代号→FH，习惯用数字代号→2。

（3）正规接头----字母代号→ZG，API代号→REG，习惯用数字代号→3。

提示：IF—internal flush，FH—full hole，REG—regular。

3.钻杆通称尺寸：指钻杆管体外径（毫米或英寸）。

常用钻杆有：88.9mm(3 1/2 ″) 11
4.3mm(4 1/2 ″) ，127mm(5″) 。

4.钻杆壁厚一般为9～11毫米，杆单根长度8～12米。

5.钻杆钢级：D、E、X(95)、G(105)、S(135)。

三、钻铤
1、主要作用：①靠其重量给钻头施加钻压；②控制井斜。

2、通称尺寸：指钻铤外径（毫米或英寸）。

常用的有：
158.8mm（6 1/4〃），177.8mm（7〃），203.2mm（8〃），228.6mm（9〃）。

3、钻铤壁厚一般为38～53毫米，相当于钻杆壁厚的4～6倍，其长度一般为8～12米。

4、钻铤形状：圆形、螺旋形、方形、三角形。

——上图摘自李佳明主编《最新钻井工具技术手册》
四、稳定器/扶正器
2.丝扣连接：
丝扣连接原则：①尺寸相等；②扣型相同；③公母扣相配。

接头螺纹代号：
（a）API采用NC[][] ：
两位数字表示公扣基面丝扣节圆直径约为[][]×0.1英寸。

（b）直接表达：如“114内平公扣”表示114mm或127mm钻杆内平公扣，4 ½REG 表示4 ½〃正规扣。

（c）我国现场习惯用三位数字表达：[][][]
个位→表示公母扣：公扣--记“1”，母扣--记“0”；
十位→接头类型：内平--记“1”，贯眼--记“2”，正规--记“3”；
百位→反映接头通称尺寸大小（与之对焊的钻杆外径）。

百位：用2、3、4、5、6分别表示73mm(2 7/8〃) 、88.9mm(3 1/2〃)、114.3mm(4 1/2〃)、139.7mm(5 1/2〃)、168.3mm(6 5/8〃) 。

特殊情况：127mm钻杆上对焊的接头通称尺寸与114mm钻杆相同。

（参见郝瑞主编《钻井工程》第81页表2-4和表2-5）
[例]：代号“410”表示什么样的接头？
表示114mm或127mm钻杆上对焊的内平式母接头。

3.钻具组合书写形式
[例] 某钻柱为：φ215.9mm钻头0.35m ＋接头（430×520）0.4m ＋
φ177.8mm钻铤186m ＋接头（521×410）0.4m＋φ127mm钻杆2160m ＋
接头（411×520）0.4m ＋φ133mm方钻杆（521×630反）方入4.5m
问题：1、钻头、钻铤、钻杆的接头螺纹代号？2、此时井深=？
答：
钻头接头：431
钻铤下端接头521，钻铤上端接头520
钻杆下端接头411，钻杆上端接头410
此时井深=0.35+0.4+186+0.4+2160+0.4+4.5=2352.05 米
书写形式：φ215.9mm钻头（431）0.35m ＋接头（430×520）0.4m ＋φ177.8mm钻铤（521×520）186m ＋接头（521×410）0.4m＋φ127mm 钻杆（411×410）2160m ＋接头（411×520）0.4m ＋φ133mm方钻杆（521×630反）
本节小结
1、掌握：
钻柱的定义及组成，钻杆两端的加厚形式，钻杆接头代号的表示符号及含义，丝扣连接的原则，钻柱的组配及书写形式。

2、熟悉：
方钻杆、钻杆、钻铤的结构、长度、壁厚、公称尺寸、作用以及常用规范。

接头代号意义：如114NP公扣、4 ½REG公扣，411。

3、了解：
减震器、震击器、扶正器的作用。

作业：教材第80页第3、4题。

第二节钻柱的工作状态及受力分析
z钻柱轴线实际形状：变节距的空间螺旋弯曲曲线。

z五种运动形式：
①自转：钻柱绕自身轴线旋转；
②公转：钻柱绕井眼轴线旋转；
③公转与自转的结合；
④无规则的旋转摆动。

⑤无规则的纵向振动。

从理论上讲：钻柱应采取消耗能量最小的运动形式，即自转。

z一般认为弯曲钻柱旋转的主要形式是“自转”，并以此为基出来研究钻柱的弯曲和井斜问题。

（4）钻柱在垂直井眼中的钻进过程
W
B qL T p −−=11W 为钻头工作钻压大小，N 。

由轴向力的分布规律可知：
z 上部钻柱主要受轴向拉力作用，井口处受轴向拉力最大，向下逐渐减小；下部部份钻柱受轴向压力作用，井底处受轴向压力最大。

z 在某一深度处，轴向力等于零。

我们把钻柱上轴向力等于零的点定义为“中性点”，亦称“中和点”。

z 确保中性点位于钻铤上，以此确定钻铤串长度。

2、常规钻柱的轴向力计算
钻铤段任意截面：W L q k T c b −=11钻杆段任意截面：W L L q k L q k T c b c c b −−+=)(11循环钻井液产生拉力：i
h h A p F Δ=起下钻时，井壁及钻井液对钻柱的摩擦力：
1
1)3.02.0(T ～L F p =T 1为钻柱在井眼中处于悬挂状态时，钻柱任意截面1-1上的轴向力。

3、钻柱的其它荷载分析
（1）扭矩
（2）弯曲力矩
（3）离心力
（4）纵向振动：严重时称“跳钻”。

（5）扭转振动：严重时称“蹩钻”。

（6）特殊工况下的受力：如钻杆中测时外挤力。

第三节钻柱强度设计
二、钻柱设计举例（重点）
1、设计思路：
先确定钻铤串长度，再从下往上逐段选用并校核钻杆，从下往上钻杆强度应逐段提高。

2、例3-1：阅读教材第78页至79页，15分钟。

3、例3-1中印刷错误纠正。

o3
cos→
3
cos
课堂小结
1、掌握：
钻柱的受力分析，钻杆柱设计的强度条件，钻柱的强度设计方法。

2、熟悉：
钻柱的工作状态。

作业：教材第80页第2、5题。