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。
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, 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。
数字型接头与旧API接头的区别
2、钻铤
结构特点：管体两端直接车制丝扣，无专门接头；壁厚大(38-53毫米），重量大，刚度大。
主要作用：
(1)给钻头施加钻压;
(2)保证压缩应力条件下的必要强度;
(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。
类型：光钻铤、螺旋钻铤、扁钻铤。
常用尺寸：6-1/4〃，7 〃，8 〃，9 〃。
3.方钻杆
类型：四方形、六方形
特点：壁厚较大，强度较高
主要作用：传递扭矩和承受钻柱的全部重量。
常用尺寸：89mm(3.5英寸)，108mm (4.5英寸)，133.4mm (5.5英寸)。
4.稳定器
类型：刚性稳定器、不转动橡胶套稳定器、滚轮稳定器。
作用：
1）防斜；
2）控制井眼轨迹。
二、钻柱的工作状态及受力分析
（一）钻柱的工作状态
1. 起下钻工况下
直井：直的拉伸、滑动。
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。
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，同时围绕自身轴线运动。
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。
由于在转动过程中受到阻力的作用，钻具的转动是不平稳的。
三、钻柱的受力分析
1. 概述
（1）自重产生的拉力
（2）钻压产生的压力
（3）钻井液的浮力
（4）摩擦阻力
（5）循环压降产生的附加拉力
（7）起下钻时产生的动载荷
（8）扭矩
（9）弯曲应力
（10）离心力
（11）外挤力
（12）振动产生的交变应力。
2、钻柱受力最严重的部位：
1）井口断面：拉力最大，扭矩最大；
2）下部受压弯曲部分：交变轴向应力、弯曲应力、扭剪应力
3）中性点：（钻柱上轴向力等于零的点(Ｎ点，亦称中和点，Neutral Point )
拉压交变载荷。
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。
四、钻柱设计
1、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。
2、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。
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
2. 经验配合关系
选择的基本原则：
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,应比钻杆尺寸大一级；
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。
入井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）提高了钻头附近钻柱的刚度，有利于改善钻头工况；
（3）钻铤和井壁的间隙较小，可减少连接部分的疲劳破坏；
（4）有利于防斜。
