石油钻井设备与工具-王镇全第一节钻柱

第四章 钻具系统
前言
钻具系统是钻头以上、水龙头以下部 分一系列钻井工具组合的总称。包括：钻 柱、井下动力钻具以及其它一些辅助钻井 工具。
典型的钻具组合如下:
(Φ215.9mmPDC钻头)＋（0.75º）172 mm 螺杆＋Φ158.8mm(无磁钻铤)NDC×1根＋ Φ215mm稳定器＋158.8mm(钻铤)DC×11 根＋Φ127mm(加重钻杆)HWDP×20根＋ Φ127mm(钻杆)DP+方钻杆
作用： 防止井斜； 控制井眼轨迹； 提高钻头稳定性。
5、其它钻具
除上述钻具外，根据需要在钻柱中还会有其它钻具，常见的钻具有： ①减振器
作用：减震器是利用工具内部的减震元件或可压缩液体吸收或减小钻井 过程中对钻头和钻具的冲击和振动负荷。一般安装在靠近钻头的部位。
原理：液压减震器的作用是通过具有可压缩的硅油实现的。钻井作业中 钻头和钻具受到冲击和震动时，其作用力使工具以极快的速度向上运动，此 时油腔内的液压油受到压缩，一部分将以极高的流速经阻尼孔流入缸套腔内， 从而起到吸能及缓冲的作用。钻头头的冲击和震动负荷减小或消失时液体膨 胀，下接头以下钻具在自身重力的作用下向下运动。
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随着钻井深度的增加，几千米甚至上万米的 钻柱，在井下的工作条件十分恶劣，它往往是钻 井设备与工具中的薄弱环节。时常导致井下复杂 情况甚至导致井下事故。为避免或便于处理井下 复杂情况，在钻具组合中还需要其它一些辅助钻 井工具，以实现快速优质钻井及顺利完成各种井 下作业。
第一节 钻柱
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 铤、各种接头及稳定器等井下工具
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。
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，下部钻具组合主要
是钻铤，也可能安装稳定器、减震器、震击器、 扩眼器及其他特殊工具。钻柱的具体组成随不同 的目的、要求而不同。
井段
钻具组合
直井 Ф165PDC钻头+Ф120钻铤(14根)+
2、钻铤 钻铤处在钻柱的最下部，是下部钻具组合的主要组成部分。 特点： 壁厚大（一般为38-53mm，为钻杆的4-6倍），具有较大的重力和
刚度。钻铤两端管体上直接车接头，不另加接头。 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，使钻头工作平稳； ④ 控制井斜。
为了增强管体与接头的连接强度，管体两端加厚。常用的加厚形式 有内加厚、外加厚、内外加厚三种。
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:5.486一6.706m(18一22ft); 第二类:8.230-9.144m(27-30ft); 第三类:11.582一13.716m(38一45ft)。
三种形式接头螺纹形状皆为“V”型，但扣型、扣距、 锥度不同。
NC型接头标准(新标准）：
随着对焊钻杆代替有细扣钻杆，API制订了新的钻杆 接头NC型接头标准，也称数字型接头。NC型接头以字母NC 和两位数字表示，如NC50，NC26，NC31。
NC—美国标准粗牙螺纹； 两位数字—丝扣基面节圆直径大小（英制单位）×10 例如：NC26表示接头为NC型，基面丝扣节圆直径为 2.668in。 新旧标准的对应关系见下表：
（3）钻杆接头及丝扣
钻杆接头是钻杆的组成邪分，分公接头和母接头， 连接在钻杆管体的两瑞。
接头上车有丝扣（粗扣），用以连接各单根钻杆。在 钻井过程中，接头处要经常拆卸，按头表面受到相当大的 大钳咬合力的作用，所以钻杆接头壁后较大，接头外径大 于管体外径，并采用强度更高的合金钢。
丝扣的连接必须满足的三个条件：
钻柱是钻井的重要工具，它是连通地下与地 面的枢纽。在转盘钻井时，靠它来传递破碎岩石 所需要的能量，给井底施加钻压，以及循环钻井 液等。在井下动力钻井时，井下动力钻具是用钻 柱送到井底并靠它来承受反扭矩，同时钻头和动 力钻具所需的液体能量也是通过钻柱输送到井底 的。
井下动力钻具为井底发动机，可在井 底驱动钻头旋转,是井身轨迹的定向控制的 必备工具，同时可与转盘复合，实现复合 钻井，不仅可以实现旋转或滑动钻井，还 可提高钻头转速，提高钻井速度。
段
Ф88.9钻杆
造斜 段
Ф165钻头+单弯螺杆+Ф120无磁钻 铤(1根)+ Ф120钻铤(13根)+ Ф88.9钻
杆
增斜 段
Ф165钻头+ Ф120短钻铤(1根)+ Ф161螺旋扶正器(+ Ф120无磁钻铤(1 根)＋Ф120钻铤(15根)+ Ф88.9钻杆
Ф165钻头+ Ф120钻铤(14根)+ Ф88.9
钻杆
缓降 斜段
或者： Ф165钻头++Ф161螺旋扶正器＋ Ф120钻铤(1根)+ Ф161螺旋扶正器+
Ф120无磁钻铤(1根)＋Ф120钻铤(15
根)+ Ф88.9钻杆
1、钻杆
钻杆是钻柱的基本组成部分。它是用无逢钢 管制成，壁厚一般为9~11mm。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。因此，钻杆在石油钻井中占有十分重 要的地位。
(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。钻杆管体与接头的连接有 两种方式：一种是用细丝扣连接，即管体两端都车有细公扣，与接头一 端的母细扣相连接，称这种钻杆为有细扣钻杆；另一种是管体与接头用 摩擦焊对焊在一起，称这种钻杆为对焊钻杆。
有细扣钻杆目前已基本淘汰，我国现在生产或进口的钻杆全部为对 焊钻杆(无细扣钻杆)。
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②震击器
作用： 在钻井作业中，下落的钻屑、地层的膨胀缩径、井下落物、压差或其他 原因都可能引起钻柱被卡，为卡钻时解卡，常在钻柱中安放震击器。 种类： 震击器的结构类型很多，既有液力向上震击和机械向下震击特性的，又 有机械锁紧，以进行长期的随钻作业的。 原理： 震击器内有液力震击系统，其震击力通过超拉钻柱悬重而储存在钻柱中， 经一定时间，超拉达到一定值时，震击器释放能量迅速作用在被卡钻柱上而 发生震击。
常用钻杆的尺寸：88.9，114.3，127mm（3 1/2″4 ½ ″ 5″）三 种。
(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 屈服强度决定。
API将钻杆钢材等级分为五级： D、E、95(X)、105(G)、135(S)。 钻杆钢级越高，管材的屈服强度越大，钻杆的各种强 度也就越大。 在钻柱的强度设计中，推荐采用提高钢级的方法来提 高钻柱的强度，而不采用增加璧厚的方法。
3、方钻杆
方钻杆位于钻柱的最上端，有四方和六方两 种。钻进时，方钻杆与补心、转盘补心配合，将 地面旋转扭炬传递给钻杆，以带动钻头旋转。
工作时，方钻杆上端始终处于转盘面以上， 下部则处于转盘面以下。
4、稳定器
稳定器又称扶正器，是满眼、钟摆和造斜钻具组合 的比备工具，在钻具组合中通过调整稳定器的位置、数量 和直径达到不同使用要求。
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①尺寸相等； ②丝扣类型相同； ③公母扣相匹配。
为便于接头选用，API制订了接头类型的标准 （石油工业普遍采用）：
APl钻杆接头有新、旧两种标准，旧标准是针对早期的 有细扣钻杆接头，分为三种形式：
①内平式(IF)； ②贯眼式(FH)； ③正规式(REG）。
内平式接头适用于外加厚钻杆，贯眼式接头适用于内 加厚钻杆，正规式接头适用于内加厚钻杆。
钻铤形状及特点： 钻铤形状有多种，如圆形、方形、三角形和螺旋形。
常用的有圆形和螺旋形两种。螺旋形钻铤上有浅而宽的螺 旋槽，可减少与井壁的接触面积，减少发生压差卡钻的可 能性。 API钻铤标准：
API钻铤规范见表，钻铤类型代号由两部分组成，第 一部分为NC型螺纹代号，第二部分数字为钻铤外径大小 （英制单位）×10，中间用短线分开。
一、钻柱的作用 1、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； (2)给钻头施加适当的压力(钻压)； (3)把地面动力(扭矩等)传递给钻头； (4)起下钻头； (5)根据钻柱的长度计算井深。
2、钻柱的特殊作用 (1)通过钻柱可以观察和了解钻头的工作情况、