钻柱介绍
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
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
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。
钻具知识
六、石油钻杆接头螺纹
石油钻杆接头螺纹是牙形为60°三角形、大螺距、 大锥度、带密封台肩面的特殊螺纹。适用于石油钻杆接 头、水龙头、方钻杆、钻铤、钻头及其它钻柱部件的连 接。
石油钻杆接头牙型共有V-0.038R（2种）、V-0.040 （1种）、V-0.050（2种）、V-0.065（1种）6种牙 型。V-0.038R牙型，即牙底圆弧半径为0.038in的牙 型；V-0.040、V-0.050、V-0.065牙型，即牙顶宽分 别为0.040in、0.050in、0.065in的牙型
1.3 钻具的组合使用
优质、快速是对钻井工作的基本要求。所谓优质主 要是对井身质量而言。衡量井身质量的标准很多，但井斜 问题始终是衡量井身质量的一项重要内容。在实际工作中， 要想打一口直井是很难的。所以，根据钻柱在井下受力情 况，合理地设计钻柱与下部钻具组合，提高下部钻柱的稳 定性，对于提高钻头工作指标和有效地克服井斜具有十分 重要的意义。
有关术语及定义
螺纹锥度：任意两截面直径差与两截面之间的距离之比。对 圆锥螺纹来说一般是指螺纹中径锥度。 圆锥螺纹基面及基面距：垂直于螺纹轴线，距螺纹台肩密封 面为一定距离的一个截面为圆锥螺纹基面，该距离为基面距。 石油钻杆接头螺纹中距螺纹大端面为15.875mm处的垂直于螺 纹轴线的截面为接头螺纹基面，其基面距为15.875mm。
贯眼型螺纹（FH）：贯眼型钻杆接头采用的螺纹。 该型钻杆接头连接内外加厚钻杆，形成钻杆接头内径和 钻杆加厚端内径相等而均小于钻杆管体内径的通经。
正规型螺纹（REG）：正规型钻杆接头采用的螺纹。 该型钻杆接头曾用于连接内加厚钻杆，形成钻杆接头内 径小于钻杆加厚端内径而钻杆加厚端内径又小于钻杆管 体内径的通经。
1.423
钻柱分析——精选推荐
钻柱分析钻柱⼀、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)、钻挺(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：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丝扣连接条件：尺⼨相等，丝扣类型相同，公母扣相匹配。
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。
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。
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
关于钻具组合，你必须知道这些…
关于钻具组合，你必须知道这些…钻柱的概念钻柱是方钻杆到钻头全部井下钻具的总称，由方钻杆、钻杆、钻铤、稳定器接头及其他各种附件组成。
作用是起下钻头，向钻头传递破碎岩石所需的机械能量，给井底施加钻压，向井内输送洗井液及进行其他井下作业。
钻柱一旦出现事故，会带来一定的经济损失。
因此管理好、使用好、选择合理的钻具组合在钻井过程中尤为重要。
钻柱的功能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。
钻柱工作状态在钻井过程中，钻柱是在起下钻和正常钻进两种工序中交替工作的。
在起下钻时，钻柱处于受拉状态；而在钻进时状态比较复杂，处于受拉、压、扭等状态。
在转盘钻进时，钻柱的工作状态和受力尤其复杂，钻柱好似一根细长的旋转轴。
在部分自重产生的轴向压力作用下，下部钻柱不稳定而呈弯曲状态，由于受到井眼的限制，可产生多次弯曲；上部钻柱由于旋转产生的离心力作用也不保持直线状态，再加上扭距的作用，整个钻柱呈一个近似螺旋曲线的形式进行着复杂的旋转运动。
常用钻具1、方钻杆(kelly)方钻杆位于钻柱的最上端，其主要作用是传递扭距和承受钻柱的总量。
方钻杆的驱动部分端面分为正方形和正六边形，石油钻井中用的最多的是正方形，水眼为正六边形，由于壁厚比钻杆大三倍左右，并用高强度的合金钢制造,因此具有较高的抗拉强度与抗扭强度。
2、钻杆(drill pipe)钻杆是钻柱的基本组成部分，它主要用于传递扭距和输送钻井液。
现用钻杆的管体与接头是采用对焊方法连接在一起的。
为了增大接头处的强度，管体两端对焊部分是加厚的，加厚形式有内加厚、外加厚、内外加厚三种。
内加厚的缩小管体两端的内径以增加管壁厚度，这种钻杆外径是一致的，接头外径也不太大，在井中旋转时，接头与井壁接触较小，磨损也较小，但因其加厚部分内径较管体内径小,增加了钻井液循环时的流动阻力。
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。
钻井常用钻杆尺寸表
钻井常用钻杆尺寸表一、钻杆的定义和分类钻杆是钻井作业中的一种工具，用于连接钻头和钻机，传递钻井液和提供钻进力。
根据不同的需求和作业条件，钻杆可分为钻柱、钻铤和钻杆接头三种类型。
下面介绍钻井常用钻杆尺寸表。
二、钻柱的尺寸表钻柱是钻杆中的主要部分，一般由多根钻杆组合而成。
根据国际标准，钻柱的尺寸一般以英寸为单位，常见的尺寸有2 3/8、2 7/8、3 1/2、4、4 1/2、5、5 1/2、6 5/8、7、8 5/8、9 5/8、10 3/4等。
其中，数字表示钻柱的外径，分之表示钻柱的内径。
三、钻铤的尺寸表钻铤是连接钻柱和钻头的部分，也称为转桩。
根据国际标准，钻铤的尺寸也以英寸为单位，常见的尺寸有3 1/2、4、4 1/2、5、5 1/2、6 5/8、7、8 5/8、9 5/8、10 3/4等。
与钻柱相比，钻铤的直径一般要稍大一些，以提供足够的空间来容纳钻头。
四、钻杆接头的尺寸表钻杆接头是连接钻柱和钻铤的部分，常用于组装和拆卸钻柱。
根据国际标准，钻杆接头的尺寸也以英寸为单位，常见的尺寸有2 3/8、2 7/8、3 1/2、4、4 1/2、5、5 1/2、6 5/8、7、8 5/8、9 5/8、10 3/4等。
钻杆接头的外径和内径与钻柱的尺寸相对应。
五、钻杆尺寸的选择和应用在钻井作业中，选择合适的钻杆尺寸是非常重要的。
一般来说，钻杆的尺寸应根据井眼尺寸、井深、地层性质、作业条件等因素来确定。
对于浅井和较小直径的井眼，可以选择较小尺寸的钻杆，而对于深井和较大直径的井眼，则需要选择较大尺寸的钻杆，以提供足够的强度和刚度来应对高强度的钻进作业。
六、钻杆尺寸的限制和注意事项在选择钻杆尺寸时，还需要考虑到一些限制因素和注意事项。
首先，钻杆的尺寸应符合钻机的要求，以确保钻杆能够顺利连接和使用。
其次，钻杆的尺寸应考虑到井口设备、井口防喷器和井口防火器的尺寸限制，以便顺利进行作业。
此外，还需要考虑到井深、钻井液性质、钻头类型等因素对钻杆的要求，以确保钻杆能够满足作业需求。
简述钻柱的作用
简述钻柱的作用
嘿，朋友们！咱今儿来聊聊钻柱，这玩意儿可太重要啦！你想啊，要是没有钻柱，那石油开采啥的不就抓瞎啦！
钻柱啊，就好比是石油开采大军里的先锋官！它一头扎进地下，勇往直前。
它就像是孙悟空的金箍棒，那可是有着大能耐呢！它要把钻头送到深深的地下，让钻头能在岩石里尽情地“大闹天宫”，钻出我们需要的通道。
你说它得有多结实呀！要承受地下那么复杂的环境，那么大的压力。
这要是不禁折腾，那不就散架啦？那可不行，它得像个坚强的战士，不管遇到啥困难都不退缩。
钻柱还得把那些从地下钻出来的东西，比如岩石碎屑啥的，给运上来。
这就像个勤劳的搬运工，一趟一趟地来回跑，把有用的带上来，把没用的清理掉。
要是它不干活儿，那地下不就堵住啦？
而且啊，钻柱还得和其他设备紧密配合。
这就跟咱人在团队里一样，得和大家齐心协力才能把事情办好。
它要是和其他部分闹别扭，那整个开采工作不就乱套啦？
咱再想想，要是钻柱质量不好，一会儿这儿出问题，一会儿那儿出毛病，那得多耽误事儿啊！工人们不得急得跳脚呀！这可关系到石油能不能顺利开采出来呢，可不是小事儿呀！
它就这么默默在地下工作着，我们平时可能都注意不到它，但它的作用可真是太大啦！没有它，那些深埋地下的宝藏怎么能被我们发现和利用呢？所以啊，可别小瞧了这钻柱，它可是石油开采中不可或缺的重要角色呢！它就是那个在幕后默默付出，却让一切变得可能的大功臣！大家说是不是这个理儿呢？。
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；
钻井钻柱
2）钻柱下部压应力的计算 （2）当钻压已超过弯曲临界值钻柱发生弯曲 近似地认为泥浆浮力是沿着该部分钻柱长度均匀分布的， 其作用将是使下部钻柱单位长度的重量减少。这样，钻 柱最下端的压应力仅与钻压有关。
P σ c = × 10 4 F
26
3.2钻井过程中各种应力的计算
1 σt = F n −1 K d q ∑ Li K i + q c Lc K c K f + Qd × 10 4 i =1
在以上公式中，起钻时取正号，而下钻时则取负号。 在直井中，Ki =Kn =1.0。
23
3.2钻井过程中各种应力的计算
3.2.1钻柱轴向应力的计算 钻柱轴向应力的计算
钻柱
1
第三章 钻柱
（1）钻柱由不同的部件组成：方钻杆、钻杆、钻铤、稳定 器及接头。 （2）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； （3）钻杆的作用是将地面功率传递给钻头； （4）钻铤位于钻杆与钻头之间，用于施加钻压； （5）钻柱的各个不同组成部分的连接，借助钻杆接头或配 合接头。
（4）扭矩 扭矩在井口处最大，向下随着能量的消耗，在井底处钻柱 所受的扭矩最小。 （5）纵向振动 当纵向振动的周期和钻柱本身固有的振动周期相同或成倍 数时，就产生共振现象，振幅急剧加大，通常称为“跳 钻”。
14
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
（6）扭转振动 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。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。
3.2.2钻柱剪应力的计算 钻柱剪应力的计算
钻头及钻柱
二、 牙轮钻头 牙轮钻头是近代石油钻井中使用很广的一种钻头。 这是由于牙轮钻头具有冲击、压碎和剪切破碎岩石 的作用，牙轮钻头与井底的接触面积小、比压高， 工作扭矩小，工作刃总长度大等特点。从1909年出 现的第一只牙轮钻头，经过了近一个世纪，牙轮钻 头无论是钻头的材质、切削部分、钻头轴承、清洗 装置等都有很大的改进。喷嘴的改进，解决了钻头 的清洁问题，出现了喷射牙轮钻头；使用了硬质合 金齿，提高了牙轮的抗磨性；使用密封滑动轴承使 钻头的工作寿命大大提高。
三、金刚石钻头 在坚硬而研磨性高的地层钻进,金刚石钻 头比其它类型钻头的钻速和总进尺高,能减 少起下钻次数,降低钻井成本。近年来大庆 油田中深井钻井口数在不断增加，随着钻 井技术的不断改进，追求更高的钻井经济 效益，金刚石钻头的使用非常普遍。
钻 柱
在钻井过程中,将方钻杆、钻杆、钻铤等用各种接头连接 起来组成入井的管串称为钻柱。钻柱有如下基本作用： （1）通过它把钻头下到井底和提升到地面。钻井过程中, 无论钻头能钻多深,都必须通过钻柱来实现。 （2）钻柱的钻挺部分是加钻压用的,使钻头能更有效地吃 人地层（禁止用钻杆部分来加压,否则钻杆磨损快、断 裂快），并能防斜。 （3）把旋转运动传给钻头，钻杆可以看作是一根由转盘 驱动的传动轴。 （4）钻柱将钻井液从地面传送到钻头处,因而,钻柱也是 一根竖直的导管。 （5）进行特殊作业,如挤水泥、处理井下事故等。钻柱是 联通地面和地下的枢纽,工作条件十分复杂,正确的管理、 使用钻柱是非常重要的。
钻 杆
钻 铤稳定器 钻 铤 来自定器钻铤钻头
一、钻铤 钻挺接在钻头上面,主要是给钻头施加钻压和防止井斜，因此它壁厚而粗大，单 位长度重量大。壁厚一般是38~53毫米,相当于同尺寸钻杆的4~6倍。它的直 径一般与钻杆接头直径相等。这样可以增强刚度，受压时不易弯曲，因而有 利于钻直井眼。 二、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。 三、方钻杆 方钻杆位于钻柱的最上端,有四方形和六方形两种。钻进时,方钻杆与方补心、 转盘补心配合,将地面转盘扭矩传递给钻杆，以带动钻头旋转。 四、稳定器 在钻铤柱的适当位置安装一定数量的稳定器，组成各种类型的下部钻具组合， 可以满足钻直井时防止井斜的要求，钻定向井时可起到控制井眼轨迹的作用。 此外,稳定器的使用还可以提高钻头工作的稳定性,从而延长使用寿命，这对 金刚石钻头尤为重要。
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。
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第二节 钻 柱—工作状态与受力
3. 钻柱的旋转运动形式：
（1）自转—钻柱象一根柔性轴，围绕自身轴线旋转。均匀磨损，易发生疲劳破坏。 （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。产生偏磨。 （3）公转与自转的结合
弯曲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。钻柱磨损均匀，但受交变应力的作用，循环次数比自转时低得多。 （4） 纵向振动—钻头振动引起，产生交变应力。 （5）扭转振动—由井底对钻头旋转阻力的变化引起，产生交变扭剪应力。 （6）横向摆振—达到某一临界转速，可能产生无规则摆动，产生交变弯曲应力。
（一）钻柱的作用
(1)提供钻井液流动通道； (2)给钻头提供钻压； (3)传递扭距； (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。
第二节 钻 柱—工作状态与受力
2 . 轴向力和中性点
（1）自重产生的轴向拉力（井内掏空时）：
F
F0 = q p L p + q c L c
（2）浮重产生的轴向力：
Fm = K B (q p L p + qc Lc ) = K B F0
称为“浮力减轻系数”
式中：
K B = 1− ρd ρ s
（3）正常钻进时的轴向力：
第二节 钻 柱—作用和组成
NC型系列接头 NC23，NC26，NC31，NC35，NC38，NC40，NC44， NC46，NC50，NC56，NC61，NC70，NC77
NC—National Coarse Thread，（美国）国家标准粗牙螺纹。 xx—表示基面丝扣节圆直径，用英寸表示的前两位数字乘以10。 如：NC26表示的节圆直径为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V0.038R表示扣型,可与V-0.065 型螺纹连接。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。 表2-17 可以互换使用的接头
第二节 钻 柱—作用和组成
（二）钻柱组成
方钻杆 钻杆 钻铤 稳定器 配合接头和保护接头 其它井下工具： 减震器、震击器、 扩眼器、键槽破坏器
第二节 钻 柱—作用和组成
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 外径：60.3，73.0，88.9，101.6，114.3，127.0，139.7 长度： 18～22ft ，27～30ft， 38～45ft
⎛σ y Fa = F p ⎜ ⎜σ ⎝ t
③ 拉力余量法
⎞ ⎟ ⎟ ⎠
−1
Fa = Fp − MOP
式中：MOP—拉力余量，一般取200～500KN。
第二节 钻 柱—设计
2. 钻杆柱强度设计
按最大安全静拉力F a设计钻杆柱的最大允许下深（长度）。。 （1）单一钻杆柱设计 强度条件：
Fa = ( Lq p + Lc qc ) K B
移
SN
qc 动较弱的钻杆上，一般取
K αB
—浮力系数；
=1.15 ～1.25；
—每米钻铤在空气中的重力，kN/m；
α
第二节 钻 柱—设计
（三）钻杆柱强度设计 1.强度条件
Ft ≤Fa
Fti = ( Li q pi + ∑ L j q pj + ∑ Lck qck ) K B
j =1 k =1
i −1
第二节 钻 柱—作用和组成
（4）钢级与强度
物 理 性 能 最小屈 服强度 最大屈 服强度 最小抗 拉强度 钻 杆 钢 级
MPa lb/in2 MPa lb/in2 MPa lb/in2
D 379.21 55000 586.05 85000 655.00 95000
E 517.11 75000 723.95 105000 689.48 100000
第二节 钻 柱—工作状态与受力
二、钻柱的工作状态及受力
（一）钻柱的工作状态
1. 起下钻工况下：
（1）直井：直的拉伸、滑动 （2）斜井：随井眼倾斜和弯曲，滑动。
2. 正常钻进工况下
上部受拉伸，下部受压弯曲；在扭矩作用下旋转运动。 下部钻柱弯曲的原因： 钻压的作用使下部钻柱受压缩，当压力达到钻柱的临界 压力，钻柱将失去直线稳定状态而发生弯曲并与井壁接触。 压力较大时可能发生多次弯曲。
L = Fqc
qp
（2）复合钻杆柱设计（深井） 思路：由下而上，所受拉伸载荷逐渐增大，强度应逐渐增大。故由钻 铤上面第一段钻杆开始，先选择强度较低的钻杆，确定其许用长度；再逐段 向上选择强度更高的钻杆进行设计。这样设计出来的钻杆柱，由下而上强度 逐级增大以满足抗拉强度的要求。 每段钻杆满足强度条件：Fa = ( Li q pi + ∑ L j q pj + ∑ Lck qck ) K B i
丝扣连接条件：尺寸相等，丝扣类型相同，公母扣相匹配。 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
第二节 钻 柱—作用和组成
内平式：主要用于外加厚钻 杆。其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。 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。
第二节 钻 柱—设计
（2）钻杆的最大允许拉伸力Fp：
F
p
= 0 .9 F
y
式中： p —钻杆的最大允许拉伸载荷，kN。 F （3）钻杆的最大安全静拉力Fa： ① 安全系数法（考虑起下钻时的动载及摩擦力）
Fa = Fp / S t
S 式中： t —安全系数，一般取1.30。
② 设计系数法（考虑卡瓦挤压）
设计内容：
（1）尺寸选择 （2）钻铤柱长度计算 （3）钻杆柱强度设计及较核。
设计原则：
（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。
第二节 钻 柱—设计
（一）、钻柱尺寸选择 1. 依据：
（1）钻机的提升能力； （2）井眼尺寸； （3）地质条件； （4）工艺要求； （5）供货情况。
m
式中：Ft —钻杆柱任一截面上的静拉伸载荷，kN； Fa—钻杆柱的最大安全静拉力，kN。 （1）钻杆在屈服强度下的抗拉载荷： 钻杆材料的屈服强度所允许的最大抗拉载荷。
Fy = 0.1σ y Ap
式中： y —钻杆钢材的最小屈服强度，MPa； σ Ap —钻杆的横截面积，cm2； Fy —最小屈服强度下的抗拉载荷，kN。 可以计算,也可以从表2－14中查出。
j =1 k =1 i −1 m
第二节 钻 柱—设计
L1 = F a1 q p1 K −
B
qcLc q p1
L2 =
Fa 2 q p2K
Fa3 q p3K
−
B
q c L C + q p1 L p1 q p2
qc Lc + q
p1
L3 =
−
B
L1 + q
p3
p2
L2
q
L4
Fa4 = q p4K
−
B
qcLc + q
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
第二节 钻 柱—作用和组成
一、钻柱的作用与组成
概念：钻柱(Drill Stem)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)、钻挺(Drill Collar)、 各种接头 (Joint)及稳定器(Stabilizer)等井下工具。
Δpi = ps − pb
Δpb = pb − pbot
（5）起下钻时钻柱轴向力：
Ft = K B (q p L p + qc Lc ) ± F f + Fd
pbot
pb
第二节 钻 柱—工作状态与受力
（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：
p1
L1 + q q
p3
p2
L2 + q
p3
L3
L1， L 2， L 3， L 4
钻铤上面第一、二、三、四段钻杆的长度 相应各段钻杆的最大安全静拉力 相应各段钻杆在空气中的单位长度重力
压力
0
拉力
FW
(-)
(+)
LN =
W qcK
B
L 式中：N —中性点距井底的高度，m。
N
重要意义： 1）设计钻柱时要确保中性点始终落在钻铤 上。为什么？ 2）指导松扣、造扣等特殊作业。 3）中性点附近钻柱受交变应力作用，易疲 劳破坏。
LN
w
w
钻柱轴向力分布与中性点
第二节 钻 柱—设计
三、 钻柱设计
95（X） 655.00 95000 861.85 125000 723.95 105000
105（G） 723.95 105000 930.79 135000 792.90 115000
135（S） 930.70 135000 1137.64 165000 999.74 145000