第二章2钻柱资料
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。
钻具基础知识
钻具基础知识一、钻柱的组成与功用（一）钻柱的组成钻柱(Drilling String)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(Square Kelly)、钻杆(Drill Pipe)、钻铤(Drill Collar)、各种接头(Joint)及稳定器(Stabilizer)等井下工具。
（二）钻柱的功用(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（3）规范：壁厚：9 ～11mm，一般是9.19mm。
外径：根据各种钻杆情况而定，如常用的127，140等。
长度：一般在9.5m左右。
常用钻杆规范（内径、外径、壁厚、线密度等（2）接头及螺纹螺纹连接条件：尺寸相等，丝扣类型相同，公母螺纹相匹配。
钻杆接头特点：壁厚较大，外径较大，强度较高。
钻杆接头类型：内平（IF）、贯眼（FH）、正规（REG）；NC系列●内平式：主要用于外加厚钻杆。
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。
这种类型接头均采用V型螺纹，但扣型、扣距、锥度及尺寸等都有很大的差别。
NC型系列接头NC23，NC26，NC31，NC35，NC38，NC40，NC44，NC46，NC50，NC56，NC61，NC70，NC77等。
NC—National Coarse Thread，（美国）国家标准粗牙螺纹。
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。
第二章 2-钻柱
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
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。
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
表2-17所列的几种NC型接头与旧API标准接头有相同的 节圆直径、锥度、螺距和螺纹长度，可以互换使用。
数字型接 头
旧 API 接 头
表2-17 可以互换使用的接头
NC26
NC31
NC38
NC40
NC46
238 IF
27 8 IF
312 IF
4IF
4FH
国家精品课程：岩土钻掘工程学第2章——钻具与钻塔
第二章
钻具与钻塔
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岩土钻掘工程学
§3. 套管柱（通常自下而上设计钻孔结构）
钻孔由开孔至终孔，各孔段的深度和口径的变化情况。 开孔前根据以下资料来设计钻孔结构：
(1) 所钻岩石的物理-力学性质，硬度、稳定性和水敏性等；
(2) (3) 拟用的钻进方法，钻探工具和孔内测量仪器的外径尺寸；
2019/1/27
中国地质大学(武汉)勘察与基础工程系
第二章
钻具与钻塔
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§2.钻杆柱的工况
钻进时，由于钻杆柱自身的偏心和自重失稳而产生的某 些弯曲，造成钻杆柱有一定的质量偏离回转中心。产生 的离心力，更促使钻杆柱弯曲。 钻柱上还有由自重、钻机给进力及摩擦力合成的纵向压 力。在离心力、纵向压力和扭矩的联合作用下，钻柱轴 线一般呈变节距的空间螺旋弯曲曲线形状。 弯曲程度取决于这三种力的大小。弯曲的钻杆柱轴线在 孔底螺距最小 ，往上逐渐加大。
第二章
钻具与钻塔
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钻具一般是指钻头以上，水接头以下的全部钢管 柱，由岩心管、异径接头、取粉管、扶正器、钻 铤、钻杆和主动钻杆等组成。 钻杆是钻具组成中的主要成员，多根钻杆借助接 头连接成相当于孔深长度的钻杆柱。 钻塔的主要任务是升降钻具和套管。钻塔的高度 应与钻杆立根的长度相匹配。
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钻具与钻塔
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我们把钻杆柱中心线和钻孔的轴线相交两点间的一段纵向 长度称为半波长，可根据萨尔基索夫的理论计算。 （1）钻杆柱围绕自身弯曲轴线旋转（自转）。钻杆在整个圆 （2）钻杆柱围绕钻孔轴线旋转并沿着孔壁滑动（公转）。钻 （3）钻杆柱围绕钻孔轴线旋转，但不是沿着孔壁滑动而是沿 着孔壁反向滚动（公转与自转的结合），钻杆柱同时围绕 自身轴线和钻孔轴线旋转。其磨损均匀，也受到交变弯曲 应力作用，但循环次数比第一种形式低得多。
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。
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
第三章钻柱（Drill String）钻柱是快速优质钻井的重要工具，它是连通地面与地下的枢纽。
在转盘钻井时是靠它来传递破碎岩石所需的能量，给井底施加钻压，以及向井内输送洗井液等。
在井下动力钻井时，井底动力机是用钻柱送到井底并靠它承受反扭矩，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。
在钻井过程中，钻头的工作、井眼的状况、甚至井下地层的各种变化，往往是通过钻柱及各种仪表才能反映到地面上来。
合理的钻井技术参数及其他技术措施，也只能在正确使用钻柱的条件下才能实现。
除正常钻进外，钻井过程中的其他各种作业，如取心、处理井下复杂情况、地层测试、挤水泥、打捞落物等都是依靠钻柱进行的。
钻柱由不同的部件组成，它的组成随着钻井条件和方法的不同而有所区别。
其基本组成部分是：方钻杆、钻杆、钻铤、稳定器及接头。
方钻杆的作用是将地面转盘的功率传递给钻杆，以带动钻头旋转。
钻杆的作用是将地面所发出的功率传递给钻头，并靠钻杆的逐渐加长使井眼不断加深，钻铤位于钻杆的下面，直接与钻头（或井底动力机）连接，依靠其本身的重量进行加压，靠它和稳定器的各种组合来控制井眼的斜度，钻柱的各个不同组成部分的相互连接）是借助钻杆接头或配合接头来实现的。
随着近代钻井深度的不断增加，钻井工艺的不断发展，对钻柱的结构和性能要求越来越高。
实践证明，几千米甚至近万米长的钻柱在井下的工作条件是比较复杂的，它往往是钻井设备和工具中比较薄弱的环节。
为了快速优质安全地钻达预定深度，必须选用可靠的钻柱。
这不仅要求从尺寸配合上选择合适的钻柱，而且应该根据钻柱在井下的工作条件，正确分析钻柱的受力情况，进行强度计算，合理地设计钻柱。
特别值得注意的是，钻柱的破坏大多是疲劳破坏所引起的，所以有必要探讨疲劳破坏产生的机理和影响因素，采取各种减少疲劳破坏的技术措施，以便延长钻柱的使用寿命。
第一节钻柱的工作状态及受力分析一、钻柱的工作状态钻柱在井下的工作条件随钻井方式（转盘钻井或井下动力钻井）、钻井工序（如正常钻进、起下钻等）的不同而异。
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
钻柱设计2
第3章钻柱设计3.1钻铤的设计根据五兹和鲁宾斯基理论得出，允许最小钻铤的最小外径为：允许最小钻铤外径=2倍套管接箍外径-钻头直径。
钻铤长度取决于选定的钻铤尺寸与所需钻铤重量。
3.1.1所需钻铤重量的计算公式m=b fm K SW⨯（3-1）m ——所需钻铤的重量，kN ;Wm——所需钻压，Sf ——安全系数, 此取Sf=1.18 ；Kb——浮力系数，Lc——所需钻铤的长度, m ；Ldp——所需钻杆的长度，m ；qc——每次开钻所需钻铤单位长度重量, kg/m ；N ——每次开钻所需钻铤的根数；每根钻铤的长度 9.15 m 。
3.1.2计算钻柱所受拉力的公式1．钻柱所受拉力P=[（Ldp⨯ q dp+ L c⨯ q dp）]g S f（3-2）P ——钻柱所受拉力，kN ；P外挤 =dρg L（3-3）P外挤——钻杆所受外挤压力,MPa 。
3.2钻铤长度的计算3.2.1二次开钻钻具组合1 钻铤长度的确定 由公式 3-1 W m =240(kN) q c2=117.8(kg/m) m=864.018.1240⨯m=327.78(kN) L c =31081.98.11778.327-⨯⨯L c =283.64(m) 根数N 2 =15.9c L =15.964.283=30.99 ，实际取N 2 =31 根 。
2 钻杆长度的确定L 2dp =1210-9.15 N 2=1210-9.15⨯31L 2dp =926.35(m)3.2.2 三次开钻钻具组合1．钻铤长度的确定 W m =260 kNq 3c =117.8 kg/m m=804.018.1260⨯L c3=331081.9-⨯⨯c q m=31081.98.11759.381-⨯⨯L c3=330.2(m) 根数N 3=15.9c3L =15.92.330=36.08，实际取N 3=37根 。
2 钻杆长度的确定L dp3=1510-9.15N 3=1510-9.1537⨯ L dp3=1171.45(m)3.2.3 四次开钻钻具组合1．钻铤长度的确定 W m =180 kNq 4c =117.8 kg/m m=792.018.1180⨯L c4=341081.9-⨯⨯c q m=31081.98.11718.268-⨯⨯L c4=232.1(m) 根数N 3=15.9c3L =15.91.232=25.36，实际取N 3=26根 。
钻柱
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。 4 、 常 用 尺 寸 ： 89mm(3-1/2 英 寸 ) ， 108mm (4-1/4 英 寸 ) ， 133.4mm (5-1/4英寸)。
v Fd F0 gt
pi
pb
pi ps pb
pb pb pbot
（5）起下钻时钻柱轴向力：
Ft KB (q p Lp qc Lc ) Ff Fd
pbot
pb
第二章 钻 柱 §2-2 钻柱工作状态及受力分析 （5）中性点
钻柱上轴向力等于零的点(Ｎ点) (亦称中和点，Neutral Point )。 垂直井眼中钻柱的中性点高度：
第二章 钻 柱 §2-1 钻 柱的作用与组成 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，管 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： (1)超长的整体接头可以提供较大的耐磨表面和重 量，接头螺纹可以多次修复； (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，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。受压时管体 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。
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， 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)，以防 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)，在方钻杆带 动钻柱旋转时，丝扣越上越紧。为减轻方钻杆 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，全长 13～16米。
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；
中国石油大学《钻井工程》课件第二章
（四） 牙轮钻头的正确使用 1、根据地层性质合理选择钻头类型，标准是每米钻 进成本最低， 地层较软时：选用牙齿高度大并带有超顶或移轴的钻头； 地层较硬时：选用牙齿高度小，无超顶或移轴的钻头； 2、优选钻头参数：钻压、钻速、水力参数等。
（五）钻头常见故障及其识别
钻头故障是钻进过程中常见故障之一，其故障形式主 要有：因钻头轴承严重磨损产生剧烈振动、牙轮卡死、掉牙 轮、钻头泥包、喷嘴堵、掉喷嘴和牙齿脱落等。
引起滑动的原因： 超顶和复锥引起切向（周向）滑动 移轴引起径向（轴向）滑动 •纵向振动：牙轮在滚动过程，其中心上下波动，使钻头做上下往复运动。 引起纵向振动的原因： 单、双齿交替接触井底，使牙轮中心上下波动； 井底凹凸不平
牙轮滑动对破岩的作用：
牙轮的超顶和复锥引起的切向滑动剪切掉牙齿之间的岩石。 超顶引起的轴向滑动剪切掉齿圈之间的岩石。
1-7表示钻头轴承及保径特征。 附加结构特征代号—用英文字母表示钻头附加特征。
祥见书P66-67 例如：34IS—表示适用于中等研磨性或研磨性4的硬地层非
密封滚动轴承的标准铣齿钻头。
537C—表示适用于低抗压强度的软到中硬地层的3级
地层的滑动密封轴承保径带中心喷嘴的钻头。
•国产三牙轮钻头分类、型号表示法
钻头直径类型代号系列代号
例: 用于中硬地层、直径为81 /2 in (215.9mm)的 铣齿滑动密封轴承喷射式三牙轮钻头的型号为： 81 /2 *HP5或215.9*HP5
•目前常用的牙轮钻头型号
P2, P3, HP2, HP3 ——铣齿 XHP2, XHP3, XHP4——镶齿 J1, J2, J3——铣齿 J11, J22, J33 ,J44 ,J55——镶齿
三、牙轮钻头
钻柱力学二
w R 2
a
P F钻杆表面积
——————（6）
式中：w——单位面积上的横向力， w / F（钻杆表面积），F = DpoLs （4）、由第四强度理论得内外表面轴向拉力（A、B点）
a）、由强度条件
( a r ) 2 ( a ) 2 ( r ) 2 2[ s ] 2 ——（g）
2）、拉力余量法
是指最大允许的工作负荷与计算最大静拉负荷（整个钻柱的 重力）的差。作用是一旦遇阻卡时（上提解卡），好用来控
制（钻柱组合）强度较弱、负荷较轻的那部分钻柱的。拉力 余量大小的选择应根据实际的钻井条件加以确定。井下危险 程度越大，所取的拉力余量应该越大。其大小可由： Mop = Pw – Pamax （N）——————（2-4） 5
3、钻柱的最大允许静拉负荷 Pamax
最大允许的静拉负荷指的是钻柱空悬在井口时允许的大钩负荷 。当考虑了现场实际钻进条件（例如动载荷、上提解卡和卡瓦 挤毁等条件）时，它必须小于最大工作负荷。 4
目前确定钻柱最大允许静拉负荷的方法主要有下述三种。
1）、安全系数法：
目的是保证钻柱工作安全。由它考虑起下钻动载及其它附加 力作用。安全系数的范围大致可取 1.25-1.30。即： nn = PW / Pamax————————点）时，轴向拉应力 tA大小为：
tA
2 p S 2 2 2 （ （ F A （ A） 1 A B） A C） 1
1 2
——（h）
c）、当r = Ri（内表面B点）时，轴向拉应力 tB大小为：
d01 = 88.9mm、q01 = 194.14N/m； 上段钻杆的钢级为S-135、 d02 =127.0mm、q02 = 284.78N/m；
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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
（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
(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。
第二节 钻柱
一、钻柱的作用与组成 二、钻柱的ill 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。
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。
（二）钻柱的组成
钻柱由方钻杆、钻杆段和下部钻具组合三大部分组成。 钻杆段包括钻杆和接头，有时也装有扩眼器。 下部钻具组合主要是钻挺，也可能安装稳定器、减震器 (Shock Absorber)、震击器(Jar Bumber) 与扩眼器及其它 特殊工具。
图2-28 典型的钻具组合
1、钻杆 其主要作用是传递扭矩和输送钻井液，并靠钻杆的逐渐 加长使井眼不断加深。壁厚一般为9～11mm。 （1）钻杆结构与规范 钻杆由钻杆管体与钻杆接头两部分组成。 有细扣钻杆：管体两端都车有细公扣，与接头一端的母 细扣相连接 对焊钻杆：管体与接头用摩擦焊对焊在一起。
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
(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)。
表2-17所列的几种NC型接头与旧API标准接头有相同的 节圆直径、锥度、螺距和螺纹长度，可以互换使用。
数字型接 头
旧 API 接 头
表2-17 可以互换使用的接头
NC26
NC31
NC38
NC40
NC46
238 IF
27 8 IF
312 IF
4IF
4FH
NC50
142 IF
(二)钻铤
其主要特点是壁厚大(一般为38-53毫米，相当于钻杆壁 厚的4-6倍)，
图2-29 钻杆结构示意图
常用的加厚形式有内加厚、外加厚、 内外加厚三种： 图2－30 钻杆加厚形式
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：
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)。 常用的钻杆尺寸有88.9,114.3,127.0毫米(3.5,4.5,5英寸)三种。 常用钻杆规范（内径、外径、壁厚、线密度等）见表2-12。
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。
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。