第二节 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。

钻头、钻柱及井口工具第一节刮刀钻头 (1)第二节牙轮钻头 (2)第三节金刚石钻头 (9)第四节 PDC 钻头 (12)第五节钻柱及其受力情况 (16)第六节钻柱的损坏及合理使用 (17)第七节井口工具 (19)钻头是破碎岩石形成井眼的主要工具，可根据其结构、功用及原理进行分类，现场常用的钻头有刮刀钻头、牙轮钻头、金刚石钻头、PDC钻头等。

第一节刮刀钻头刮刀钻头是旋转钻井法中最早使用的钻头，它的结构简单，制造方便，在泥岩、疏松的砂岩、泥质砂岩、页岩等低硬度、高塑性地层中钻进，可得到较高的机械钻速和钻头进尺，并且各油田均能自己设计和制造。

刮刀钻头按刀片的数量不同可分为两翼刮刀钻头、三翼刮刀钻头、四翼刮刀钻头等。

最常用的是三翼刮刀钻头。

由于刮刀钻头需要扭拒大，容易扭断钻具目前已经很少使用。

2、 巴掌第二节牙轮钻头牙轮钻头是石油钻井中使用最广泛的钻头。

这是由于牙轮钻头旋转时具有冲 击、压碎和剪切破碎岩石的作用，牙齿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。

因而使牙轮钻头能适用于多种性质的岩石，成为使用最 广泛的钻头。

牙轮钻头可按牙轮数目的多少分为单牙轮钻头， 双牙轮钻头、三牙轮钻头和 多牙轮钻头等。

目前普遍使用的是三牙轮钻头。

、三牙轮钻头的结构三牙轮钻头可分为五个部分，即钻头体、巴掌、牙轮、轴承和水眼。

密封喷 射式钻头除上述基本部分外，还有储油补偿系统。

1、钻头体钻头体上部车有丝扣用于连接钻柱，下部带有巴掌。

钻头体上镶装喷嘴。

牙 轮钻头可分为有体式和无体式两类。

钻头体与巴掌分别制造，然后将巴掌焊接在 钻头体下侧的叫做有体式钻头，这种钻头的上部丝扣均为母扣；巴掌与三分之一 钻头体做为一体，然后将三部分合焊在一起的叫做无体式钻头， 无体式钻头均为 公扣。

巴掌与牙轮轴相连，上面有轴颈，用于支承牙轮。

3•牙轮牙轮是一个外面带有牙齿，内腔加工成与轴颈相对应的滚动体跑道 （或滑动 磨擦面）的锥体，分单锥与复锥两种结构，如图 5-5所示。

¾钻柱(Drill String)：钻头以上，水龙头以下的钢管柱的总称。

¾组成：方钻杆(Kelly)、钻杆(Drill Pipe)、钻铤(Drill Collar)、各种接头(Joint)及稳定器(Stabilizer)等井下工具。

如图所示。

¾主要功用：①构成钻井液井内循环通道。

②转盘钻进中，旋转传递扭矩。

③钻铤部分给钻头施加钻压。

④进行其它作业：取心、打捞、处理事故、钻杆中测等。

返回第一节钻柱的各部分结构、规范对边宽图示二、钻杆主要作用：传递扭矩，输送钻井液，延伸钻柱钻杆单根：接头，管体，对焊处。

1.为了加强对焊处的强度，常要在管体两端进行加厚。

加厚形式有：①内加厚，②外加厚，③内外加厚。

2.根据接头与管体连接特点，把接头分为三种类型：（1）内平接头----字母代号→NP，API代号→IF，习惯用数字代号→1。

（2）贯眼接头----字母代号→GY，API代号→FH，习惯用数字代号→2。

（3）正规接头----字母代号→ZG，API代号→REG，习惯用数字代号→3。

提示：IF—internal flush，FH—full hole，REG—regular。

3.钻杆通称尺寸：指钻杆管体外径（毫米或英寸）。

常用钻杆有：88.9mm(3 1/2 ″) 114.3mm(4 1/2 ″) ，127mm(5″) 。

4.钻杆壁厚一般为9～11毫米，杆单根长度8～12米。

5.钻杆钢级：D、E、X(95)、G(105)、S(135)。

三、钻铤1、主要作用：①靠其重量给钻头施加钻压；②控制井斜。

2、通称尺寸：指钻铤外径（毫米或英寸）。

常用的有：158.8mm（6 1/4〃），177.8mm（7〃），203.2mm（8〃），228.6mm（9〃）。

3、钻铤壁厚一般为38～53毫米，相当于钻杆壁厚的4～6倍，其长度一般为8～12米。

4、钻铤形状：圆形、螺旋形、方形、三角形。

——上图摘自李佳明主编《最新钻井工具技术手册》四、稳定器/扶正器2.丝扣连接：丝扣连接原则：①尺寸相等；②扣型相同；③公母扣相配。

（2）旋转运动形式
自转——钻柱磨损均匀；在弯曲井段受交变弯曲应力 公转——钻柱偏磨；受离心力作用 自转+公转 振动——纵振、扭振、横振，产生交变应力
二、钻柱的工作状态及受力
（二）钻柱受力分析
1. 轴向力
（1）自重：
F
F0 q p L p qc Lc
qp,Lp
（2）浮力： FB d (q p Lp qc Lc ) / s
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
三、钻柱设计
◆ 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，以便在有限的钻机承载能力下 钻更深的井。
（1）选择第一段钻杆（接钻铤）
① 选用外径127mm、内径108.6mm，每米重284.69N/m，E级新钻
杆，最小抗拉载荷=1760KN。 ② 最大长度计算: 最大安全静拉载荷为:
Fa1 0.9 Fy St
=0.9×1760/1.30=1218.46(kN)
Fa1 0.9 Fy y t =0.9×1760/1.42=1115.49(kN)
三、钻柱设计
（四）典型钻柱的设计举例
2. 钻铤柱设计：
① 选用外径158.75mm(6-1/4in)、内径57.15mm、 qc=1.35kN/m的钻铤 ② 计算钻铤长度:
Lc Wmax S N (qc K B cos )
式中: Wmax ─最大钻压,180 kN; S N ─安全系数,取 =1.18;
三、钻柱设计

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

S国产牙轮钻头按其结构特征分为
#八个系列，分别用代号Y、P、MP、MPB、HP、HPB、XMP、XH表示，各代号的意义如下：
SY-普通齿牙轮钻头；
SP-喷射式齿钻头；
SMP-滚动密封轴承喷射式齿钻头；
SMPB-滚动密封轴承喷射式保径钻头；
SHP-滑动密封轴承喷射式铣齿钻头；
SHPB-滑动密封轴承喷射式保径钻头；
S刮刀片又称刀翼，是刮刀钻头主要工作部件。
S钻进时依靠刀片破碎岩石。刮刀片是用35Cr Mo或35Si CrMoV合金钢锻制成形的。在刀片上刨
#槽和钻孔，槽和孔内镶 焊硬质合金或人造聚晶金刚石，以增加刀片的耐磨性。刮刀片有一定
#的几何形状，常用切削角、刃尖角、刃前角和刃后角等参数来描述刀片结构。
S第一位数字表示牙齿类型及适钻地层：
S1- 铣齿，软地层；
S2- 铣齿，中到中硬地层；
S3- 铣齿，硬、研磨性或半研磨性地层；
S4- 备用；
S5- 镶齿，软到中等地层；
S6- 镶齿，中硬地层；
S7- 镶齿，硬、研磨性或半研磨性地层；
S8- 镶齿，极硬、高研磨性地层
S第二位数字表示所钻地层再细分为1，2，3，4四个硬度等级。
#软到中硬地层。牙轮内腔由三条轴承跑道，与牙爪上的牙轮轴配合组成轴承腔室。牙轮
#钻头主要靠牙轮上的牙齿来破碎岩石。牙轮上的牙齿分为钢齿和硬质合金齿两种。钢齿
#是由牙轮毛胚经铣削加工而成，多为楔形齿，主要用于软地层。硬质合金齿由钨钴合金
#材料烧结而成，其头部有多种形状（如楔形、锥形、球形等），体部均为圆柱形，经紧
#钻头旋转破碎岩石和循环钻井液洗井形成了整个钻进过程。

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。

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。

2、钻杆长度的计算：
17
钻杆设计所必须的参数包括设计下入深度、井眼尺寸、泥浆
密度、抗拉安全系数、钻铤长度、外径和钻杆规范等级。
1）、单一钻杆尺寸的长度：由： Pa max Lp qp Lc qc k f
得：
Lp
Pa m ax kf
Lc
qc
qp
——————（2-10）
2）、按拉力余量法计算钻杆长度时，其最大长度为：
9
二、钻柱悬挂时（卡瓦）的受力分析与计算
1、卡瓦分类：
它是减轻操作劳动强度，加快起下钻作业的重要工具之一。
（1）、根据卡瓦长度大小分：普通卡瓦、加长卡瓦和特殊卡 瓦几种。普通卡瓦用于2500（米）以上的井深，加长卡瓦用 于2500—4500（米）井深的井，而特殊卡瓦用于语4500— 900（米）的超深井。 （2）、按卡瓦片数可分：三片、多片卡瓦。 （3）、按包角划分可分：为连续大包角和不连续小包角卡瓦 。按用途又分：钻杆、钻铤和套管和油管卡瓦。
可见对于 d02 = 127.0mm的钻杆拉力余量是足够的；但它不 能满足足够的安全系数的要求， 因此难以防止由于动载的影 响而超过其抗拉强度或卡瓦挤毁钻杆的要求。得出结论：
合理的钻柱设计，既要满足最基本的（卡瓦挤毁）设计系数 和安全系数，又要给出足够的拉力余量的值。一般来讲，钻 柱设计受力计算中，钻柱的最大允许静拉负荷取决于安全系 数、最小的设计系数（即：s/t的比值）和拉力余量三个因 素。然后从三者中取最低的值作为最大允许静拉负荷。
4、允许静拉负荷 Pamax的确定方法及实例
将式（2-2）代入（2-3、4、5）式后，可用Py代替Pw。那 么，三种确定Pamax分别为：
Pamax = 0.9Py/nn——————————（2-6a）

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。

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。

第五章 钻柱第一节 钻柱的工作状态及受力分析一、工作状态起下钻时：钻柱处于悬持状态－－受拉伸(自重)，直线稳定状态正常钻进：Ｐ＜Ｐ1 直线稳定Ｐ1≤Ｐ＜Ｐ2 一次弯曲Ｐ2≤Ｐ＜Ｐ3 二次弯曲钻柱旋转→扭矩离心力→下部弯曲半波缩短上部弯曲半波增长（上部受拉）结论：变节距的空间螺旋弯曲曲线形状钻柱在井内可能有4种旋转形式：(P96)a.自转：b.公转：沿井壁滑动。

c.自转和公转的结合：沿井壁滚动。

d.整个钻柱作无规则的摆动：二、钻柱在井下的受力分析(1) 轴向拉应力与压应力拉应力：由钻柱自重产生，井口最大，起钻和卡钻时产生附加拉力。

压应力：由钻压产生，井底最大。

应力分布(P97，图3-2) 轴向力零点：钻柱上即不受拉也不受压的一点。

中和点：该点以下钻柱在液体中的重量等于钻压。

(2) 剪应力(扭矩)：旋转钻柱和钻头所需的力，井口最大。

(3) 弯曲应力：钻柱弯曲并自转时产生交变的拉压应力。

井眼弯曲→钻柱弯曲 132(4) 纵向、横向、扭转振动(5) 其他外力：起下钻动载（惯性）,井壁磨擦力，钻柱旋转时因离心力引起的弯曲。

综合以上分析：工况不同，应力作用不同，需根据实际工况确定应力状态。

(1) 钻进时钻柱下部：轴向压力、扭矩、弯曲力矩、交变应力；(2) 钻进和起下钻时井口钻柱：拉力、扭力最大＋动载(3) 钻压、地层岩性变化引起中和点位移产生交变载荷。

第二节 钻井过程中各种应力的计算一、轴向应力计算（一）上部拉应力计算1、钻柱在泥浆中空悬浮力：αρ⋅⋅⋅⋅=F L g B mα——考虑钻杆接头和加厚影响的重量修正系数，1.05～1.10 钻柱在空气中的重力：αρ⋅⋅⋅⋅=F L g Q s a井口拉力：B Q Q a -=a f Q K Q ⋅=浮力系数：)1(s m f K ρρ-=ρs －－钢的密度，7.85 g/cm 3拉应力：FQ t =σ 注意计算井口以下任一截面上的拉力不能直接用浮力系数法计算。

2.结构（图4.2.1）： 方钻杆由上下接头和管体部分组成。管体部分为四方或六方两种结构 （石油钻井大多为四方结构）；上接头为上接头为左旋母螺纹（反扣）， 与水龙头连接，在旋转过程中左旋母螺纹防止倒扣；下接头为右旋公螺 纹，与钻杆连接。 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。
外加厚 内加厚或外加厚 内加厚或外加厚 内加厚或外加厚 内加厚或外加厚 外加厚或内外加厚 内加厚或外加厚 内加厚或外加厚 外加厚或内外加厚 外加厚或内外加厚 内加厚 内外加厚 外加厚或内外加厚 内外加厚 外加厚或内外加厚
加厚形式
③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（美国石油学会）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。
IF
IF
IF
石油钻杆接头大多采用外加厚 或内外加厚形式，钻杆接头外径大 于管体外径，在钻井过程中与井壁 或套管不断的接触摩擦，产生磨 损，为避免接头磨损造成断钻杆、 脱扣等钻井事故，必须在钻杆母接 头上设有钻杆接头防磨带（图 4.2.7）。
接头防磨带的堆焊
接头防磨带 图4.2.7 钻杆接头防磨带
②钻杆的规格 根据美国石油学会（American Petroleum Institute）（简称API） 的规定，钻杆按长度（L）分为三类： 第一类:5.486一6.706m(18一22ft); 第二类（常用）:8.230-9.144m(27-30ft); 第三类:11.582一13.716m(38一45ft)。 钻杆也可按外径尺寸分类。常用钻杆的尺寸（D）：88.9，114.3， 127mm（习惯上用英制尺寸表示：3 1/2″4 ½″ 5″）三种。

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。

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第二节 钻井工具
井下工具 井口工具
一、井下工具
水龙头以下至钻头的管柱和工具的总称。 主要包括钻头和钻柱。
1、钻头
直接破碎岩石形成井眼的工具。
影响钻井速度最直接的因素之一
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衡量钻头破岩效率高低的主要指标有钻头进尺和机械钻速。
钻头寿命： 在整个使用过程中，钻头在井下的纯钻时间 (包括划眼——在已钻出的井眼内旋转送钻、 修整井壁的过程)，单位为h；
四翼刮刀钻头
平底式刮刀钻头 刀冀底刃的形状
阶梯式刮刀钻头
优点： 机械钻速较高 缺点： 扭矩较大，控制不当易造成井斜
刮刀钻头的寿命取决于刀翼的寿命
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刮刀钻头的应用
• 刮刀钻头制造工艺简单，成本低； • 刮刀钻头适用于松软－软地层，钻速快 • 刮刀钻头容易磨损成锥形，造成缩径和井斜； • 刮刀钻头产生剧烈的扭转振动，破坏钻具和设备； • 刮刀钻头目前逐渐被PDC钻头取代。
钻柱横振
钻 柱 纵 振
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3、循环系统
泥浆池 泥浆泵 立管 水龙带 分离装置
加重装置
功能：
①从井底清除岩屑； ②冷却钻头和润滑钻具。
废水池
泥浆泵号称钻机的“心脏”
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泥浆泵
水龙带 水龙头
立管 地面管汇
方钻杆
泥浆振动筛 泥浆池
钻杆 环空
钻屑下滑
钻铤 井眼
钻头
3、循环系统
→循环介质
泥浆功能：
1、悬浮和携带钻 屑
➢ PDC钻头适应于软到中硬的大段均质地层，不适合钻软 硬交错的地层和砾石层。
➢ 与牙轮钻头相比，PDC钻头宜采用低钻压、高转速钻进。 ➢ 钻头下井前，井底要清洁，无金属落物，新钻头钻进时，

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1、建立钻柱弯曲微分方程的假设条件
假设条件：
1）、下部钻柱为等直径、光滑管柱，两端为绞链连接；
2）、钻柱呈平面弯曲，为柔性体，绕自身轴线自转。
3）、下部钻柱弯曲主要是由自重造成的；不考虑钻柱内外压差、井壁摩擦力等因素的 影响；
4）、不考虑扭矩对钻柱的影响，离心力的合力为零。图3-3给出了受力计算图。作用 在钻柱上的力有：
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5、影响井斜平衡角的因素 在各向同性地层中，井斜平衡角的数值主要取决于钻压、钻铤尺寸和井眼尺寸。因为钻 压增加，钻铤弯曲程度加大（即钻头倾角加大），切点下移；结果增井斜力变大，切点 以下钻铤重量减小，减井斜力变小。因此为增大减斜力，往往在切点位置以上适当位置 加稳定器，需用钻头侧向力理论模型进行计算分析,以实现防斜作用。（例如：1962、 霍奇公式；四川管局杨勋尧的满眼钻具），
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Jz——钻柱的截面轴惯性矩，cm4； qm——单位长度钻柱在泥浆中的重量，（N/cm）； m——无因次单位长度(Lubinski)，（cm） ——狗腿严重度。度/100Ft。
3、钻柱弯曲微分方程的近似解
该弯曲微分方程的求解方法是：可运用幂级数和贝塞耳函数求出该方程的近似解，或用 计算机进行求解。但是由于求解过程比较复杂，因此，下面仅给出求解结果。即钻柱发 生弯曲的临界钻压、切点位————（3-5）
4）、钻柱发生弯曲时的临界钻压、钻头倾角
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（1）、发生弯曲的第一、二次临界钻压分别为： W1 = L1qm = 2.04mqm；W2 = L2qm = 4.05mqm———（3-6）
（2）、发生第一、二次弯曲的钻住头倾角分别为： tg1 = 1.02r/m； tg2 = 0.44r/m；tg1-2= 1.5 r/m——（3-7）

（四） 牙轮钻头的正确使用 1、根据地层性质合理选择钻头类型，标准是每米钻 进成本最低， 地层较软时：选用牙齿高度大并带有超顶或移轴的钻头； 地层较硬时：选用牙齿高度小，无超顶或移轴的钻头； 2、优选钻头参数：钻压、钻速、水力参数等。
（五）钻头常见故障及其识别
钻头故障是钻进过程中常见故障之一，其故障形式主 要有：因钻头轴承严重磨损产生剧烈振动、牙轮卡死、掉牙 轮、钻头泥包、喷嘴堵、掉喷嘴和牙齿脱落等。
引起滑动的原因： 超顶和复锥引起切向（周向）滑动 移轴引起径向（轴向）滑动 •纵向振动：牙轮在滚动过程，其中心上下波动，使钻头做上下往复运动。 引起纵向振动的原因： 单、双齿交替接触井底，使牙轮中心上下波动； 井底凹凸不平
牙轮滑动对破岩的作用：
牙轮的超顶和复锥引起的切向滑动剪切掉牙齿之间的岩石。 超顶引起的轴向滑动剪切掉齿圈之间的岩石。
1-7表示钻头轴承及保径特征。 附加结构特征代号—用英文字母表示钻头附加特征。
祥见书P66-67 例如：34IS—表示适用于中等研磨性或研磨性4的硬地层非
密封滚动轴承的标准铣齿钻头。
537C—表示适用于低抗压强度的软到中硬地层的3级
地层的滑动密封轴承保径带中心喷嘴的钻头。
•国产三牙轮钻头分类、型号表示法
钻头直径类型代号系列代号
例: 用于中硬地层、直径为81 /2 in (215.9mm)的 铣齿滑动密封轴承喷射式三牙轮钻头的型号为： 81 /2 *HP5或215.9*HP5
•目前常用的牙轮钻头型号
P2, P3, HP2, HP3 ——铣齿 XHP2, XHP3, XHP4——镶齿 J1, J2, J3——铣齿 J11, J22, J33 ,J44 ,J55——镶齿
三、牙轮钻头