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。在不同的工作条件下，钻柱具有不同的工作状态，受到

不同的作用力。为了讨论钻柱的受力及强度设计，必须首先

了解钻柱在整个钻井过程中的工作状态。下面主要对转盘钻

井时钻柱的受力情况加以分析。

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，钻柱不接触井底，整个钻柱处于

悬持状态，在自重作用下，钻柱处于受拉伸的直线稳定状

态。在正常钻进时，由于部分钻柱的重量作为钻压施加在钻

头上，使得下部钻柱受压缩，在钻压小和直井条件下，钻柱

也是直的，而当压力达到某一临界值时，下部钻柱将失去直

线稳定状态，而发持弯曲，并且在某个点（称为“切点”）

和井壁接触，这是钻柱第一次弯曲（Buckling of the

first order）（图3-1中曲线Ⅰ）。如果继续加大钻压，

则弯曲形状改变，切点逐渐下移（图3-1中曲线Ⅱ）。当钻压增大到新的临界值时，钻柱的弯曲轴线呈现出第二个半波，这是钻柱第二次弯曲（Buckling of the Second order）（图3-1中曲线Ⅲ）。如果再继续加大钻压，则会出现钻柱的第三次弯曲或更多次弯曲，目前旋转钻井所用的钻压一般都超过常用钻铤的一次弯曲临界钻压，如果不采取其他措施，下部钻柱将不可避免地发生轴向弯曲。

在正常钻进时，整个钻柱是处于不停旋转的状态下。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，使弯曲半波长度缩短。在钻柱上部受拉部分，由于离心力力作用也可能呈现弯曲状态。很明显，由于钻柱上部有拉力作用，其弯曲半波长度大，而往下，由于压力不断增大，再加上离心力的作用，其弯曲半波长度变小。以上所讲的钻柱弯曲状态仅仅是发生在平面内。我们知道，在钻进对要通过钻柱传递扭矩。这样，在扭矩作用下，钻柱不可能保持平面的弯曲状态，而是呈螺旋形弯曲状态。总的来说，在压力、离心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（在井底螺距最小，往上逐渐加大）。

这样一个螺旋弯曲钻柱在井眼内是怎样旋转呢？这是一个比较复杂的伺题，至今还未研究透彻。我们分析，钻柱在井眼里的旋转运动可能有四种形式[1]。

（1）钻柱围绕自身弯曲轴线旋动（自转）；

（2）钻柱围绕井眼轴线旋转并沿着井壁滑动（公转）；

（3）钻柱围绕井眼轴线旋转，但不是沿着井壁滑动而是沿着井壁反向滚动（公转与自转的结合）；

（4）整个钻柱或部分钻柱作无规则的旋转摆动。

第一种形式，钻柱自转进在整个圆周上与井壁接触，产生均匀的磨损，但受到交变弯曲应力的作用。在软岩石弯曲井段，由于自转容易在井筒内形成键槽，成为起钻时钻柱受阻的原因。

第二种形式，钻柱公转时不受交变弯

曲应力的作用，但产生不均匀的单向磨损

（偏磨），从而加快了钻柱的磨损和破

坏。

第三种形式，钻柱同时参与两种旋转

运动，即同时围绕自身轴线和井眼轴线旋

转，其磨损均匀，也受到交变弯曲应力的

作用，但循环次数比第一种形式低得多。

第四种形式，钻柱处于旋转形式转变

的过渡状态，最不稳定，常常造成钻柱的

强烈振动。

从理论上讲，如果钻柱的刚度在各个

方向是均匀一致的，井眼是铅直的，那么

钻柱采取何种形式运动就取决于外界阻力

（如泥浆阻力，井壁摩擦等）的大小，一

般都采取消耗能量最小的运动形式。实际

上，钻柱的旋转形式还受到其他许多因素

的影响，如钻柱内刚度是否均匀，井眼的

斜度和方位变化，井眼是否规则以及所用

的钻井技术参数等。根据井下钻柱磨损的

实际观察，一般认为弯曲钻柱旋转形式以