第二章 2-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。
表2-21 钻头尺寸与钻柱尺寸配合从上表可以看出，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
02 第二章钻井工程
第二章溢流的检测尽早发现溢流显示是井控技术的关键环节。
从打开油气层到完井，要注重观察井口和钻井液罐液面的变化.”因此，准确、有效地进行溢流的检测是实施井控的首要前提。
在现场施工中，溢流的检测通常分三步进行。
第一，在钻井设计时进行的溢流检测，即对邻近井的资料进行分析对比，表明可能遇到的异常压力地层、含酸性气体（H2S）地层、地质情况复杂的地层或漏失层。
第二，钻井过程中根据井上的直接或间接显示，判断井内地层压力增加或者钻井液静液压力减少，可能发生溢流。
第三，钻井过程中通过观察或判断溢流的显示，表明地层流体侵入井内，已发生溢流。
溢流的发生、发展是有一个过程的，对于潜在的或即将发生的溢流。
钻井人员应密切监控井下的情况，并且考虑和预测可能出现井控问题。
有准备的钻井人员应能够迅速发现井内异常情况，有效地把溢流、地面压力及井控的各种困难减到最小程度。
地层压力的增加或静液压力的减少，必然导致地层压力大于钻井液静液压力，这是溢流的最直接的警告信号，地层流体向井内流动及各种显示也就是溢流的具体显示。
认识与判断这些显示通常需要用关井或把流体从井场分流排出的办法。
若溢流预兆或显示没有及时发现和有效的控制，就可能出现溢流和井喷事故。
因此，钻井人员应做到以下几点：①熟悉各种溢流的原因；②认识溢流的发生、发展过程；③使用适当的设备和技术来检测意外的液柱压力减少；④使用适当的设备和技术来检测可能出现的地层压力增加；⑤能够正确识别静液压力与地层压力之间失衡的各种显示；⑥能够对溢流采取有效控制措施。
第一节溢流的迹象地层流体进入井内，在地面上会从各个方面显示出来。
认真观察和监视这些显示，就能及时的发现溢流。
一、钻井液量的增加地层流体侵入井内，而且变成钻井液循环系统中的一部分时，钻井液量就会增加。
这是发现井内侵入流体的一个可靠、确切的信号，通常需用钻井液罐液面指示器或流量检查来加以确认。
对于不同地层，地层流体进入井内的情况有所不同，钻井液量的增加速度也有所不同。
海洋钻井海上钻井工艺技术
海洋钻井工程
第二节 海洋钻井过程升沉补偿装置
一、钻柱升沉运动的补偿措施
1、增加伸缩钻杆 这种办法是在钻柱的钻铤上方加一根可伸缩的钻杆。
伸缩钻杆由内、外管组成，沿轴向可作相对运动，行程一 般为 2m 。当平台上下升沉运动时，伸缩钻杆的内管随伸 缩钻杆以上的钻柱作轴向运动，而与伸缩钻杆外管相连的 钻艇则基本不作升沉运动．因而可保持钻压恒定，同时还 可避免平台上升时提起钻艇，平台下沉时压弯钻柱。
31
海洋钻井工程 一般当工作水深超过 3l m 时，应有张紧器使其承受
拉力，还可以在管外加浮室以增加浮力。对于工作水深超 过 250m 的隔水管柱必须另外进行设计。一般隔水管的临 界压弯长度可按下式计算：
32
海洋钻井工程
海水越深，隔水管越重，则需要的张紧力越 大。此张紧力最终要施加到浮动钻井平台上，增 大平台的吃水量。为了减小张紧力，可在隔水管 管外面贴上一层厚厚的泡沫塑料，或隔水管外系 以铝制浮筒（筒内充以高压气体），以便增大在 海水中的浮力，减轻隔水管系统的重量。
6
海洋钻井工程
第二章 海上钻井工艺技术
泥线支撑器与泥线悬挂器区别 1.泥线支撑器用于固定式钻井平台，泥线悬挂 器用于移动式钻井平台； 2.泥线支撑器的内层套管悬挂于外层套管的座 环上。两层套管之间的密封在平台上套管头处。而 泥线悬挂器的套管挂之间不仅存在悬挂关系，而且 两层套管之间的密封在悬挂器处。
7
海洋钻井工程
第二章 海上钻井工艺技术 二、水下井口装置
1、水下井口装置的使用背景及特点 2、水下井口装置的系统组成 3、本节重点
8
海洋钻井工程
第二章 海上钻井工艺技术
1、水下井口装置的使用背景及特点
井口装置具有补偿浮动钻井平台随海水运动产生的6 个自由度的运动。补偿升沉运动的伸缩部件，补偿平移和 摇摆运动的弯曲部件（挠性接头或球接头）。
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)。
返回
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。
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。
石油工程概论复习重点--钻井部分
石油工程概论复习重点—钻井部分题型：名词解释(20分)；判断题(20分) ；简答题(60分)绪论1、 石油的定义：一种以液态形式存在于地下岩石孔隙中的可燃性有机矿产，是以碳-氢化合物为主体的复杂混合物。
没有确定的化学成分和物理常数。
又称原油。
2、 天然气的定义：与石油有相似产状的、通常以烃类为主的气体，指油田气、气田气、凝析气和煤层气。
甲烷成分CH4>80%3、 石油工程的定义：石油工程是根据油气和储层特性建立适宜的流动通道并优选举升方法，经济有效地将深埋于地下油气从油气藏中开采到地面所实施的一系列工程和工艺技术的总称。
包括油藏、钻井、采油和石油地面工程等4、 石油工程的任务：勘探发现具有工业油气流的含油气构造；制定合理的开发方案；进行合理的钻井设计和科学的钻井施工；制定采油工程方案，确定采油工艺技术；开发的动态监测与开发调整；采取有效措施，提高原油采收率5、 石油工程的目标：经济有效地提高油田产量和原油采收率第一章 岩石的工程力学性质1、 岩石的类型：根据成因分为三类：岩浆岩、沉积岩、变质岩。
钻井中常遇到的是沉积岩2、 岩石各向异性的概念：如果物体的某一性质随方向的不同而不同,则称物体具有各向异性岩石一般具有各向异性的性质。
如在垂直于或平行于层理面的方向上，岩石的力学性质（弹性、强度等）有较大的差异。
岩石的各向异性性质是由岩石的构造特点所决定的。
结晶矿物的定向排列、层理、片理、节理等使得岩石具有各向异性的特点。
3、 不均质性: 如果物体中不同部分的物理、化学性质不同，称该物体是不均质的。
4、 强度：岩石在外力作用下发生破坏时所承受的最大应力5、 抗压强度—岩石单纯受压缩应力破坏时的强度6、 岩石的硬度是岩石抵抗其它物体表面压入或侵入的能力7、 硬度与抗压强度区别：前者只是固体表面的局部对另一物体压入或侵入时的阻力，而后者则是固体抵抗固体整体破坏时的阻力。
％地质储量采出的油气总量油气采收率＝100前者反映岩石颗粒的硬度，其对钻进过程中工具的磨损起重大影响；后者反映岩石的组合硬度，其对钻进时岩石破碎速度起重大影响8、 塑性系数：岩石破碎前耗费的总功AF 与岩石破碎前弹性变形功AE 的比值9、 应力应变曲线：主要掌握塑脆性10、 影响岩石力学性质的因素：岩石结构；井底各种压力；载荷性质的影响11、 岩石可钻性：指岩石破碎的难易程度，可以理解为在一定的钻头规格、类型及钻井工艺条件下岩石抵抗钻头破碎的能力。
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
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。
第二章---定向井的设计
第二章定向井的设计2.1 定向井设计的准备2.1.1 定向井基本技术术语钻井工程师首先必须熟练定向井中的一些术语。
(1) 造斜点，Kick-Off Point 或 K.Ｏ.P，即井眼开始从垂直井段倾斜的起点。
(2) 井斜角，Inclination或INC，即井眼某一点的轴线的切线与铅直线之间的夹角。
(3) 方位角是表示井眼偏斜的方向，它是指井眼轴线在水平面的投影的方向与正北方向之间的夹角。
(4) 井斜变化率，指单位长度（100英尺或30米）内井斜角的变化值，而单位长度内方位角变化值则称为方位变化率。
(5) 垂深(True Vertical Depth)，TVD，深度零点到测点水平面的距离。
(6) 闭合距和闭合方位，闭合距指水平面上测点到井口的距离；闭合方位即在水平投影图上，测点与井口联线与正北方向的夹角(7) Lead Angle，导角或方位提前角，预计造斜时的方向线与靶点方向线(目标方向)的夹角。
2.1.2 作业者应提供的设计资料(1) 井名、数量、地区；(2) 井的垂深；(3) 水平位移与方位；(4) 靶区描述与限制；(5) 井眼尺寸与套管程序；(6) 泥浆程序；(7) 邻井位置及可能的测斜数据；(8) 邻井的钻井资料；(9) 钻井承包商的名称及钻机号；(10) 钻杆描述(11) 钻铤及加重钻杆的资料；(12) 泵型号、马力、缸套尺寸、冲程及额定泵压等；(13) 工具运输和人员计划；(14) 能提供的通讯；(15) 承包商及作业者代表的名字与电话；(16) 钻井工具的最小井径；(17) 定向钻井人员的食宿；(18) 狗腿严重度限制；(19) 轨迹测量方式；(20) 任何其他有关情况。
2.1.3 服务公司应提供的设计资料(1) 一份(或几份)定向井设计图；(2) 服务公司计划提供的工具及设备清单；(3) 非磁钻铤的要求；(4) 磁偏角；(5) 推荐的测量方式；(6) 总体定向钻井方案；(7) 责任定向井工程师的名字、地址及电话；(8) 准备使用的测量计算方法；(9) 人员、设备的运输计划。
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；
第二章 石油钻机总论
一、钻机的组成
石油钻机由多种机器设备组成，是具有多种功能的联 合工作机组，陆地上主要使用转盘旋转钻机，也称常 规钻机，主要包括以下八大系统： 1. 地面旋转送进设备 2. 循环系统设备 3. 起升系统设备 4. 动力驱动设备 5. 传动系统设备 6. 控制系统和监测显示仪表 7. 钻机底座 8. 辅助设备
电动机等）多台的特点，而且特性单一。 2. 钻井操作不连续，其中辅助生产的起下操作耗费了巨大
的能量。 3. 工作地区广阔，自然条件恶劣，野外流动作业，要求钻
机有很强的适应能力和很高的移运性能。 4. 机械化自动化程度低，手工操作繁重，工业卫生条件差。 ➢ 这就对石油产品设计、制造的现代化水平提出了要求：
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一、钻机分类
➢石油钻机：用来钻油、 气井的一整套钻井设备。 •钻机随着某种钻井方法、 钻井工艺的出现而产生， 又随着钻井技术的不断发 展而发生相应的变化。
1. 按钻井深度：浅井 钻机、中深井钻机、深 井钻机、超深井钻机
2. 主传动副类型：胶带并车传动（皮带钻 机）、链条并车传动（链条钻机）、锥齿轮－ 万向轴并车传动（齿轮钻机）
除泥器
除砂器
3. 起升系统设备
• 起升系统设备由钻井绞车、 辅助绞车、游动系统（钢 丝绳、天车、游动滑车及 大钩）和井架组成；以起 下钻具、下套管，辅助完 成钻井生产。
• 此外，还有用于起下钻操 作的井口工具及机械化设 备（吊卡、卡瓦、动力大 钳、立根移运机构等）。
➢钻井绞车的功用：
• 1）起下钻具、下套 管；
速度，悬持钻具； • 2）正常钻进时，控制滚筒转动，以调节钻压，送
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。
钻井钻柱
整个钻柱都受有扭矩作用，因此在钻柱每个横截面上都 产生剪应力。正常钻进时，钻柱所受的扭矩取决于转盘 传给钻柱的功率。
N = Ns + Nb
9549 N 9549( N s + N b ) M = = , N⋅m n n
Wn =
M 9549( N s + N b ) τ= = , MPa Wn n ⋅ Wn
6
3.1钻柱的工作状态及受力分析
3.1.1钻柱的工作状态 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。
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3.1钻柱的工作状态及受力分析
3.1.2钻柱的受力分析 钻柱的受力分析
3.1钻柱的工作状态及受力分析
3.1.2钻柱的受力分析 钻柱的受力分析
（1）轴向拉力和压力 ② 在钻柱最下部端面上还受到静液柱压力的作用，向上的 浮力
0 压 拉 (-) (+) 压 (-) (+) 2 3 1 Z 4 0 拉
N （A）
N （B）
图3-2 钻柱的轴向拉力和压力
9
（A）井内无流体（B）井内有流体 1. 轴向拉应力线；2. 轴向应力线；3. 静液柱压力线；4. 假定减去浮重的拉应力线
1）钻柱上部拉应力的计算 （5）在井下动力钻井时 钻柱所受拉力负荷主要由钻柱自重、井底动力机重量加上 循环液体时的水力载荷所形成
4 1 n−1 σt = Kd q∑Li Ki + (qc Lc + Qi )Ka K f + Qh ×10 F i=1
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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。
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
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)，
(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)。
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。
（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。
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。
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。
(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。
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
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。
（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