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第三章钻受力分析3.1 作用在钻柱上的基本载荷钻柱的受力状态与所选用的钻井方式有关，不同的位置上作用不同的载荷。
概括起来，作用在钻柱上的基本载荷有以下几种：（1）轴向力。
处于悬挂状态下的钻柱，在自重作用下，由上到下均受拉力。
最下端的拉力为零，井口处的拉力最大。
在钻井液中钻柱将受到浮力的作用，浮力使钻柱受拉减小。
起钻过程中，钻柱与井壁之间的摩擦力以及遇阻、遇卡，均会增大钻柱上的拉伸载荷。
下钻时钻柱的承载情况与起钻时相反。
循环系统在钻柱内及钻头水眼上所耗损的压力，也将使钻柱承受的拉力增大。
钻铤以自重给钻头加钻压，造成钻柱下部处于压缩状态。
（2）径向挤压力。
应用卡瓦进行起下钻作业时，由于卡瓦有一定的锥角，在钻柱上引起一定的挤压力。
中途测试时，钻柱上也要承受管外液柱的挤压力。
（3）弯曲力矩。
弯曲力矩的产生是因钻柱上有弯曲变形存在；引起钻校弯曲变形的主要因素是给定的钻压值超过了钻柱的临界值。
在转盘钻井中，钻柱在离心力的作用下，亦会造成弯曲。
由于钻柱在弯曲井眼内工作，也将产生弯曲。
在弯曲状态，钻柱如绕自身轴线旋转，则会产生交变的弯曲应力。
（4）离心力。
钻柱在钻压的作用下会产生弯曲，在一定的条件下，弯曲钻柱会围绕井眼中心线旋转而产生离心力，促使钻柱更加弯曲。
（5）扭矩。
钻头破碎岩石的功率是由转盘通过方钻杆传递给钻柱的。
出于钻柱与井壁和钻井液有摩擦阻力，因而钻柱所承受的扭矩井口比井底大。
但在使用井底动力钻具（涡轮钻具、迪纳钻具等）时，作用在钻柱上的反扭矩，井底大于井口。
（6）振动载荷。
使钻柱产生振动的干扰力也是作用在钻柱的重要载荷（图 2-1）。
在钻井过程中，用钻柱将钻头送至井眼底部并向钻头传递动力，靠钻头的牙齿、切削刃和射流破碎岩石形成井筒；通过钻柱中心的圆管向井下传递高压钻井液，靠钻井液的流动把岩石碎屑携至地面并从钻井液中除掉岩屑。
为了控制井眼钻进的方向，靠近钻头的一段钻柱外径和抗弯刚度较大，并在一定位置上安放一定规格的稳定器，下部钻柱只有稳定器和钻头接触井壁，钻柱本体则不与井壁接触。
钻柱力学分析读者朋友，欢迎你来到这篇文章，这篇文章将为你提供一个深入的分析，关于叫做钻柱力学（Drilling Column Mechanics）的话题。
本文将概述钻柱力学的基本原理和它的在石油钻探中的应用，还将分析钻柱力学的可行性以及它在钻探方面的发展前景。
一、钻柱力学的基本原理钻柱力学的主要原理来自于两个优秀的物理原理：力的平衡和圆柱曲线力学。
力的平衡是指钻柱的各种力，如系统重力、钻柱扭矩、钻柱圆柱曲线力学及系统抗拉力，需要相互抵消，以维持力学稳定。
而圆柱曲线力学是指圆柱形轴向力的力学行为，可以用来计算钻柱的截面变形情况。
二、钻柱力学在石油钻探中的应用现代石油钻探技术中，钻柱力学是一个重要的因素，可以帮助工程师理解钻探过程中钻柱受力和变形的情况，以及如何确定在钻探过程中采取正确的措施。
此外，钻柱力学还可以用来估计井壁收敛变形，以及确定最佳钻柱尺寸，以减少钻井时间和成本。
三、钻柱力学的可行性在钻探过程中，钻柱受到各种不同的力，这些力会促使钻柱产生微小的变形，并在时间的推移中不断影响钻探过程的进展。
因此，利用钻柱力学可以有效地控制钻柱的受力状态，从而帮助钻探工程师在短时间内完成钻井。
此外，钻柱力学可以帮助建立仿真模型，以便工程师可以在实际钻探之前模拟出不同情况下的钻井受力和变形状况。
四、钻柱力学的发展前景由于石油钻探技术不断进步，钻柱力学在钻井过程中也将变得越来越重要。
目前，钻柱力学已经被广泛应用于石油钻探，但未来仍有很多空间可以改进和优化，如研发新型工具和材料，以及提高力学分析技术。
此外，研究人员正在尝试用钻柱力学来优化钻探布线，以减少钻探过程中的受力和变形。
总结以上是关于钻柱力学的详细介绍。
从上面可以看出，钻柱力学是一个非常重要的概念，它可以帮助工程师在短时间内完成钻井，而且在未来也会越来越受重视。
因此，为了提高石油钻探的效率，应该加强对钻柱力学的研究，以提升钻探技术水平。
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。
第三章钻受力分析3.1 作用在钻柱上的基本载荷钻柱的受力状态与所选用的钻井方式有关，不同的位置上作用不同的载荷。
概括起来，作用在钻柱上的基本载荷有以下几种：（1）轴向力。
处于悬挂状态下的钻柱，在自重作用下，由上到下均受拉力。
最下端的拉力为零，井口处的拉力最大。
在钻井液中钻柱将受到浮力的作用，浮力使钻柱受拉减小。
起钻过程中，钻柱与井壁之间的摩擦力以及遇阻、遇卡，均会增大钻柱上的拉伸载荷。
下钻时钻柱的承载情况与起钻时相反。
循环系统在钻柱内及钻头水眼上所耗损的压力，也将使钻柱承受的拉力增大。
钻铤以自重给钻头加钻压，造成钻柱下部处于压缩状态。
（2）径向挤压力。
应用卡瓦进行起下钻作业时，由于卡瓦有一定的锥角，在钻柱上引起一定的挤压力。
中途测试时，钻柱上也要承受管外液柱的挤压力。
（3）弯曲力矩。
弯曲力矩的产生是因钻柱上有弯曲变形存在；引起钻校弯曲变形的主要因素是给定的钻压值超过了钻柱的临界值。
在转盘钻井中，钻柱在离心力的作用下，亦会造成弯曲。
由于钻柱在弯曲井眼内工作，也将产生弯曲。
在弯曲状态，钻柱如绕自身轴线旋转，则会产生交变的弯曲应力。
（4）离心力。
钻柱在钻压的作用下会产生弯曲，在一定的条件下，弯曲钻柱会围绕井眼中心线旋转而产生离心力，促使钻柱更加弯曲。
（5）扭矩。
钻头破碎岩石的功率是由转盘通过方钻杆传递给钻柱的。
出于钻柱与井壁和钻井液有摩擦阻力，因而钻柱所承受的扭矩井口比井底大。
但在使用井底动力钻具（涡轮钻具、迪纳钻具等）时，作用在钻柱上的反扭矩，井底大于井口。
（6）振动载荷。
使钻柱产生振动的干扰力也是作用在钻柱的重要载荷（图 2-1）。
在钻井过程中，用钻柱将钻头送至井眼底部并向钻头传递动力，靠钻头的牙齿、切削刃和射流破碎岩石形成井筒；通过钻柱中心的圆管向井下传递高压钻井液，靠钻井液的流动把岩石碎屑携至地面并从钻井液中除掉岩屑。
为了控制井眼钻进的方向，靠近钻头的一段钻柱外径和抗弯刚度较大，并在一定位置上安放一定规格的稳定器，下部钻柱只有稳定器和钻头接触井壁，钻柱本体则不与井壁接触。
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。
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。
1、轴向拉力和压力
钻柱受到的轴向荷载有自重产生的拉力、钻井液生产的浮力和施加钻压产生的压力。
(1)钻柱在垂直井眼中悬挂时，在井眼内没有钻井液的情况下，处于悬挂状态的钻柱仅受到自重力的作用，处于受拉伸状态。
最下端拉力为零，井口处拉力最大。
当井眼内充满钻井液时，钻柱除了受自重力的作用外，还受到钻井液的浮力作用，使钻柱的轴向拉力减小。
(2)正常钻进时，下放钻柱，把部分钻柱的重力加到钻头上，使钻柱的轴向拉力减小相应数值，而且下部钻柱受到压应力的作用。
上部钻柱受拉应力作用，井口处最大，向下逐渐减小。
下部钻柱受压力作用，井底处最大。
在某一深度，既不受拉，也不受压，轴向力等于零。
该点称为中和点。
中和点是钻柱受拉与受压的分界点，在钻柱设计中，希望中和点始终落在刚度大、抗弯能力强的钻挺上，而不是落在强度较弱的钻杆上，使钻杆一直处于受拉伸的直线稳定状态，以免钻杆受压弯曲和受交变应力的作用。
因此，设计的钻铤长度不能小于中和点高度。
应当指出，由于钻头和钻柱的运动很复杂，加之地层和操作等因素，钻柱的中和点的位置是在不断变化的。
(3)起下钻时，作用在钻柱上部的轴向力，除了钻柱的重力(浮重)外，还有钻井液对钻柱的摩擦力和提升或下放速度变化所产生的动载。
以上对钻柱轴向力的分析前提是假设井眼是垂直的，但在倾斜或弯曲的井眼中，钻柱的自重力、钻井液液柱压力的影响以及摩擦阻力等都比
较复杂，这部分内容可参阅有关文献。
2.扭矩
在钻井过程中，转盘通过钻柱带动钻头旋转，破碎岩石，并克服钻柱与井壁和钻井液的摩擦阻力，使钻柱承受扭矩作用。
钻柱承受的扭矩在井口处最大，向下随着能量的消耗逐渐减小，在井底处最小。
在井下动力钻井中，钻柱承受的扭矩为动力钻具的反扭矩，在井底处最大，向上逐渐减小。
3.弯曲力矩
在正常钻进中，由于下部钻柱受压或由于离心力、井眼弯曲等影响，都会使钻柱发生弯曲，于是产生弯曲力矩，在钻柱内产生弯曲应力。
在弯曲状态下，钻柱绕自身轴线旋转，则会产生交变弯曲应力。
最大弯曲应力发生在挠度最大处。
4、离心力
当钻柱绕井眼轴线公转时，将产生离心力。
离心力将引起钻柱弯曲，使弯曲应力增加。
5.纵向振动钻进时，由于地层软硬不均、井底不平，特别是牙轮钻头转动时会引起钻柱的纵向振动，使中和点上下移动，产生交变的轴向应力。
纵向振动与钻头结构、所钻地层性质、泵排量不均匀、钻压及转速等因素有关。
当纵向振动的周期和钻柱本身固有的振动周期相同时（或成倍数），就会产生共振现象，振幅急剧增大，称为“跳钻”，跳钻会引起钻柱的疲劳破坏和钻头事故。
6、扭转振动和横向摆振
钻柱的旋转还会使钻具产生扭转振动和横向摆振。
这种由于钻头结构、地层岩性、钻压和转速等因素的影响使钻头受力不均引起的扭转振动称为“蹩钻”，表现为转盘转速忽快忽慢、声响时高时低、钻柱扭转剧烈振动。
使用刮刀钻头钻进软硬交错地层时就容易引起蹩钻。
在某一临界转速下，钻柱将出现横向摆振，引起钻柱严重偏磨和弯曲疲劳损坏。
7.动荷载
起下钻过程中，由于钻柱运动速度的突然变化会引起钻柱的纵向动载，在钻柱中产生纵向瞬时交变应力。
纵向动载的大小与操作有关。
8、外挤压力进行钻杆测试（DST）时，一般都在钻柱底部装一封隔器，用以封隔下部地层和管外环空。
钻杆下入井内时控制阀是关闭的，因此钻井液不能进入钻杆内，封隔器压紧后打开控制阀，地层流体才能进入钻柱内。
打开控制阀之前，钻柱承受来自于钻井液的静液压力作用。
由以上分析可知，转盘钻井时钻柱的受力情况是比较复杂的。
这些荷载就性质来讲，可分为不变的和交变的两大类。
在整个钻柱长度内，荷载作用的特点是在井口处主要受不变荷载（拉应力）的作用，而靠近井底则主要是交变荷载（拉、压、弯曲应力等），这种交变荷载的作用正是钻柱疲劳破损的主要原因。
钻柱在井下受力严重的部位，一是钻进时，下部钻柱同时受到轴向压力、扭矩和弯曲力矩的联合作用，弯曲钻柱存在着剧烈的交变应力循环，常常导致钻柱的疲劳破坏。
钻头突然遇阻、遇卡会使钻柱受到的转矩大大
增加。
钻进时，井口处钻柱所受到拉力、扭矩都最大。
二是起下钻时，井口处钻柱受到最大轴向拉力。
如果猛提猛刹，会因动载使井口处钻柱承受更大的轴向拉力。
三是由于地层岩性变化、钻头的冲击和纵向振动等因素的存在，使得钻压大小不均匀，因而使中和点附近的钻柱受拉压交变荷载的作用，容易产生疲劳破坏。
