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第二章 2-钻柱总结

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第二章 2-钻柱

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。

钻具基础知识

钻具基础知识

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。

钻井工程理论与技术第二章

钻井工程理论与技术第二章

钻头工作寿命（小时）
机械钻速（米/小时） 单位进尺成本（元/米）：
C pm
Cb C r (t t t ) H
二、牙轮钻头（Roller Bit）
单牙轮钻头
双牙轮钻头
三牙轮钻头
（一）牙轮钻头结构
牙轮钻头由钻头体、牙抓（巴掌）
及牙轮轴、牙轮及牙齿、轴承、储油润 滑密封系统、喷嘴等部分组成。
•滑动轴承结构： 滑动—滑动（卡簧）—滑动—止推
密封圈 滚柱 密封圈 滑动摩擦衬套 止推台阶 滑动摩擦副
3．储油润滑密封系统
储油润滑补偿系统 密封系统： 橡胶密封圈、金属密封圈 工作原理：
储油压力补偿系统（传压孔、 压力补偿膜、油杯等）保持轴 承腔内的油压与井内钻井液柱 压力相平衡。当轴承腔内油压 降低，储油杯中的润滑油在钻 井液柱压力作用下补充到轴承 腔内；当轴承腔内的油压升高， 则流入储油杯。其中，有效密 封是关键。
2. 轴承磨损
轴承磨损以钻头使用时间与轴承寿命（小时）之比分级。 轴承寿命用使用过的同类钻头的资料统计得到。
轴承磨损代号 B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 磨损情况 轴承寿命已用掉1/8 轴承寿命已用掉2/8（轻度磨损） 轴承寿命已用掉3/8 轴承寿命已用掉4/8（中等磨损） 轴承寿命已用掉5/8 轴承寿命已用掉6/8（轴承晃动） 轴承寿命已用掉7/8 轴承寿命已用完（轴承卡死或担子掉落）
•滑动：牙轮齿相对于井底的滑移，包括径向（轴向）和切向(周向)滑动。
引起滑动的原因： ① 超顶和复锥引起切向（周向）滑动 ② 移轴引起径向（轴向）滑动

纵向振动
单、双齿交替接触井底 引起纵向振动
（二）牙轮钻头工作原理
1．牙轮钻头在井底的运动

石油工程钻井钻柱力学-第二章 钻柱设计与负荷计算1节-遇阻卡受力与卡点深度计算

石油工程钻井钻柱力学-第二章 钻柱设计与负荷计算1节-遇阻卡受力与卡点深度计算

L 1 s

（3）、由静水压力作用引起的伸长良 L2 ：
L1
L2

0
2 2 L L g 101 dx 积分后得：L2 0.981 L 1 Es Ap Es
5
2 2 2 0.981 W s L1 0.981 Ws L1 L 0.981 2 L L1 L 2E s 2E s s 2E s
7
钻杆在井壁上的投影宽度w和钻柱发生卡钻的压差Ph（已 知上提拉力时），由于：
Sin = w/dp； Sin = w/Dhm； F T = F H = A p P h； Ap = Lp w—————————（2-15）
所以： Cos
2 ( Dh 2 ) 2 d p (D d p ) 2
（2）、砸用Q = 10 - 20 （吨）的拉力上提，记下标记 2、3、。。。； F2 F3 （3）、由两次测量拉力差可确定 1 F1 上提力 F 。
T
2）、卡点深度计算方法
（1）、由虎克定律
FT Lp L Ap Es
1
1 2 L
2
3
L1
L
或 Lp
5
Lp
A p E s L FT
2( D d p ) d p
（2-16c）
2 ( D h 2 ) 2 d p ( Dh d p ) 2 （2-16d） 或 ArcCos 2( D h d p ) d p
8

1

FT
b D
Lh
Lm
Rhm
o
a
FH
Ph Lj

钻柱设计

钻柱设计

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。

钻井工程理论与技术 第二章 钻进工具——钻柱(3学时)

钻井工程理论与技术 第二章 钻进工具——钻柱(3学时)

（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

钻柱

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

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

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。

钻孔桩施工技术总结

钻孔桩施工技术总结

钻孔桩施工技术随着建筑行业的不断发展，现在越来越多的建筑采用了钻孔桩作为基础，特别是在土质较差的地区，钻孔桩的使用更为普遍。

但是在进行钻孔桩施工时，有很多需要注意的问题，只有严格按照规范进行施工，才能保证钻孔桩的质量和安全，下面就来一下钻孔桩施工技术的相关问题。

钻孔桩施工前的准备工作在开始施工前，需要先对施工现场进行布置。

首先要选好合适的施工地点，保证施工车辆和设备能够顺畅进出；其次就是要对施工现场进行平整，把杂物、碎石等清除干净，确保施工现场安全整洁；最后要核对好客户提供的施工图纸和计算书，确保施工方案的正确性和可行性。

钻孔桩施工时的技术要点1. 钻孔桩的钻孔钻孔桩的钻孔是整个施工过程中最为关键的一环，在钻孔过程中要注意以下几点：•钻孔桩的位置应根据设计图确认，不得任意更改，以避免出现不必要的问题。

•在进行钻孔时，应根据地质情况选择合适的钻头，确保钻孔顺利进行，并且要注意采用冷却液冷却，以延长钻头的使用寿命。

•钻孔时的进度应随时记录，便于后期验收和统计。

2. 立杆的就位钻孔完成后，需要立起支撑的钢杆，以保证桩身的垂直度和水平度。

在竖立钢杆时，需要确保以下几点：•要选择合适的杆子进行支撑，不能使用质量不良的产品。

•理应按照设计要求确定钢杆的长度和数量，且保证钢杆与桩身之间具有良好的连接性。

•在竖立钢杆时要确保其垂直度和水平度，防止出现偏差，影响桩的承载力。

3. 混凝土的浇注混凝土浇注也是钻孔桩施工的重要环节，在浇注过程中需要注意以下几点：•要选择优质的混凝土材料，按照设计规定进行配比，保证混凝土的强度和稳定性。

•在混凝土浇注前，要对钻孔内进行清洁处理，防止冲坑现象发生。

•在浇注混凝土时要使用专用的抽气杆和振动棒，以充分排出混凝土中的气孔，保证混凝土的紧密性和牢固性。

钻孔桩施工后的验收工作在完成钻孔桩施工后，需要对所得到的桩体进行验收，以确保其安全性和稳定性，常用的检测方法有：•静载荷试验：通过加载一定重量进行试验，检测桩的抗压能力。

第二章 2-钻柱

第二章 2-钻柱

MPa lb/in2
MPa lb/in2
MPa lb/in2
表2-13 钻杆钢级
D 379.21 55000 586.05 85000 655.00 95000
E 517.11 75000 723.95 105000 689.48 100000
钻杆钢
95（X） 655.00 95000 861.85 125000 723.95 105000
Lc
钻井液浮力减轻系数表示：
K 1 d
式中： K—称为“浮力减轻系数”； d —钻井液密度，g/cm3 ；
—钻柱钢材密度，g/cm3。
考虑钻井液浮力和静液压力的横向挤压作用后，钻柱任一
截面处的轴向拉力可按下式计算：
Fm K qp Lp qc Lc KF0
Fm —悬挂在钻井液中的钻柱任一截面上的轴向拉力，kN。 它等于该截面以下钻柱在钻井液中的重力。
钻柱在钻井液的重力称为浮重（Buoyant Weight）。
这种计算钻柱轴向力的方法，称为“浮力系数法” （Buoyancy Fact Method）。
（2）正常钻进时 正常钻进时，把部分钻柱的重力
（钻铤）加到钻头上作为钻压。下部钻 柱受压缩应力的作用。
钻柱任一截面上的轴向拉力为：
Fw K q p Lp qc Lc W
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
旧 API 接 头
表2-17 可以互换使用的接头
NC26
NC31
NC38
NC40
NC46
238 IF
27 8 IF
312 IF
4IF
4FH

钻柱设计

钻柱设计

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。

钻柱分析——精选推荐

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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

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

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。

石油钻井钻进工具—钻头和钻柱详解

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；

钻柱力学二

钻柱力学二
12
w R 2
a
P F钻杆表面积
——————（6）
式中：w——单位面积上的横向力， w / F（钻杆表面积），F = DpoLs （4）、由第四强度理论得内外表面轴向拉力（A、B点）
a）、由强度条件
( a r ) 2 ( a ) 2 ( r ) 2 2[ s ] 2 ——（g）
2）、拉力余量法
是指最大允许的工作负荷与计算最大静拉负荷（整个钻柱的 重力）的差。作用是一旦遇阻卡时（上提解卡），好用来控
制（钻柱组合）强度较弱、负荷较轻的那部分钻柱的。拉力 余量大小的选择应根据实际的钻井条件加以确定。井下危险 程度越大，所取的拉力余量应该越大。其大小可由： Mop = Pw – Pamax （N）——————（2-4） 5
3、钻柱的最大允许静拉负荷 Pamax
最大允许的静拉负荷指的是钻柱空悬在井口时允许的大钩负荷 。当考虑了现场实际钻进条件（例如动载荷、上提解卡和卡瓦 挤毁等条件）时，它必须小于最大工作负荷。 4
目前确定钻柱最大允许静拉负荷的方法主要有下述三种。
1）、安全系数法：
目的是保证钻柱工作安全。由它考虑起下钻动载及其它附加 力作用。安全系数的范围大致可取 1.25-1.30。即： nn = PW / Pamax————————点）时，轴向拉应力 tA大小为：
tA
2 p S 2 2 2 （ （ F A （ A） 1 A B） A C） 1
1 2
——（h）
c）、当r = Ri（内表面B点）时，轴向拉应力 tB大小为：
d01 = 88.9mm、q01 = 194.14N/m； 上段钻杆的钢级为S-135、 d02 =127.0mm、q02 = 284.78N/m；
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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
一、 钻柱的作用与组成
（一）钻柱的作用
(1) 提供由井口至井下的钻井液流动通道； (2) 给钻头施加适当的压力(钻压)，使钻头的工作刃不 断吃入岩石； (3) 把地面动力(扭矩等)传递给钻头,使钻头不断旋转 破碎岩石；
(4)起下钻头； (5)根据钻柱的长度计算井深。 (6)通过钻柱工况观察和了解钻头的工况、井眼状况及 地层情况等； (7)进行取芯、挤水泥、打捞井下落物、处理井下事故 等特殊作业； (8)对地层流体及压力状况进行测试与评价，即钻杆测 试 ( Drill-Stem Testing),又称中途测试。
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。
循环钻井液时，钻柱任一截面断面处产生的拉力负 荷可按下式计算：
图2-31 旧API钻杆接头
新标准：NC型系列接头，又称数字型接头。 NC型接头以字母NC和两位数字表示， 如NC50， NC26，NC31等。例如：NC26表示接头为NC型，基面丝 扣节圆直径为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V-0.038R表示扣型，可与V-0.065 型螺纹连接。
第二节 钻柱
一、钻柱的作用与组成 二、钻柱的工作状态及受力 三、钻柱设计
第二节 钻 柱
钻柱(Drill Stem)是钻头以上，水龙头以下部分的管柱总 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。
Ff 0.2 ~ 0.3Fm
Fd

v gt
F0
式中：Fd -提升加速或下钻减速阶段产生的动载,N；
v -大钩提升或下放速度,m/s；
t -加速或减速所延续的时间,s;
g -重力加速度,m/s2。
考虑摩擦力和动载的作用后,钻柱任一截面处轴向力为:
Ft K qp Lp qc Lc Ff Fd
MPa lb/in2
MPa lb/in2
MPa lb/in2
表2-13 钻杆钢级
D 379.21 55000 586.05 85000 655.00 95000
E 517.11 75000 723.95 105000 689.48 100000
钻杆钢
95（X） 655.00 95000 861.85 125000 723.95 105000
式中,起钻时取正号,下钻时取负号。
2、扭矩(Tortional moment) 钻柱所受扭矩和剪应力的大小与钻柱尺寸、钻头类型及直径、 岩石性质、钻压和转速、 钻井液性质井眼质量等因素有关，很难 准确地计算。 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，往上逐渐减小。
高的合金钢。 丝扣的连接必须满足：尺寸相等，丝扣类型相同，公母
扣相匹配。
API钻杆接头有新、旧两种标准 旧标准：内平式(IF)、贯眼式(FH)和正规式(REG)三种 类型。 内平式接头主要用于外加厚钻杆，钻杆通体内径相同。 贯眼式接头适用于内加厚钻杆，钻杆有两个内径。 正规式接头适用于内外加厚钻杆，正规接头连接的钻杆 有三种不同的内径。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。
钻柱任一截面处（假定在钻杆上）的拉力可按下式计算：
F0 q p Lp qc Lc
式中：F0 —空井中的钻柱任一截面处的拉力，它等于该截面以下钻
柱在空气中的重力，kN；
qp，qc —分别为钻杆、钻铤单位长度的重力，kN/m， 称为 “线重（Linear Weight）。
—为钻铤的长度，m；
Lp —截面以下钻杆长度，m。若计算截面落在钻铤上， Lp 为零。
(四)稳定器
图2-33是稳定器的三种基本类型：刚性稳定器、不转 动橡胶套稳定器和滚轮稳定器。
图2-33 稳定器的基本类型
(五）减震器
减震器种类很多，有弹簧减震器、橡胶减震器、钢丝减 震器、液体减震器及气垫式减震器等。
在下部组合或钻杆柱中还可安装随钻震击器，随钻测量 （ＭＷＤ）工具，钻柱测试工具和打捞篮、扩眼器等特殊工 具进行随钻测量、地层测试、打捞、扩眼等特殊作业。
(三)方钻杆
位于钻柱的最上端，有四方形和六方形两种，标准方钻 杆全长12.19米，驱动部分长11.25米。壁厚比钻杆大3倍左右。 主要作用是传递扭矩和承受钻柱的全部重量。
方钻杆两端的丝扣为：上反，下正。下端一般接一保护 接头。
常用的方钻杆尺寸：89mm(3.5英寸)，108mm (4.5 英寸)，133.4mm (5.5英寸)。
（4）整个钻柱或部分钻柱作无规则的旋转摆动。常常 造成钻柱的强烈振动。
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。
（二）钻柱的受力分析
1. 轴向拉力和压力(Axial Tension and Compression) 钻柱受到的轴向载荷主要有由自重产生的拉力、由钻井液 产生的浮力和因加钻压而产生的压力，另外还有摩擦力、加速 力等。 （1）钻柱在垂直井眼中悬挂 井口处拉力最大。
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。
三、 钻柱设计
钻柱设计包括钻柱尺寸选择和强度设计两方面内容。 设计中，一般遵循以下两个原则： （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。
（2）钻杆的钢级与强度 钻杆的钢级是指钻杆钢材的等级，它由钻杆钢材的最小屈服
强 度 决 定 。 API 规 定 钻 杆 的 钢 级 有 D 、 E 、 95(X) 、 105(G) 、 135(S)级共五种，见表2-13。其中，X、G、S级为高强度钻杆。
物理性能
最小屈 服强度
最大屈 服强度
最小抗 拉强度
钻铤的主要作用： (1)给钻头施加钻压； (2)保证压缩条件下的必要强度； (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。
最常用的是圆形(平滑的)钻铤和螺旋形钻铤两种。 钻铤的连接丝扣(公扣、母扣)是在钻铤两端管体上直接 车制而成。 钻铤类型代号由两部分组成,第一部分为NC型螺纹代号， 第二部分的数字（取外径的前两位数字）表示钻铤外径,中 间用短线分开。 如：NC70-97表示数字型接头，基面丝扣节圆直径为7 英寸，钻铤外径为9.75英寸。
Lc
钻井液浮力减轻系数表示：
K 1 d
式中： K—称为“浮力减轻系数”； d —钻井液密度，g/cm3 ；
—钻柱钢材密度，g/cm3。

考虑钻井液浮力和静液压力的横向挤压作用后，钻柱任一
截面处的轴向拉力可按下式计算：

Fm K qp Lp qc Lc KF0
Fm —悬挂在钻井液中的钻柱任一截面上的轴向拉力，kN。 它等于该截面以下钻柱在钻井液中的重力。
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
旧 API 接 头
表2-17 可以互换使用的接头
NC26
NC31
NC38
NC40
NC46
238 IF
27 8 IF
312 IF
4IF
4FH
NC50
142 IF
(二)钻铤
其主要特点是壁厚大(一般为38-53毫米，相当于钻杆壁 厚的4-6倍)，
图2-34 钻柱受压弯曲示意图
钻柱在井眼内的旋转运动形式可能有如下四种： （1）自转—钻柱象一根柔性轴，围绕自身轴线旋 转。现象是易产生均匀磨损，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。 现象是易产生偏磨。
（3）公转与自转的结合—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。交 变应力的作用，循环次数比自转时低得多。
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。
（二）钻柱的组成
钻柱由方钻杆、钻杆段和下部钻具组合三大部分组成。 钻杆段包括钻杆和接头，有时也装有扩眼器。 下部钻具组合主要是钻挺，也可能安装稳定器、减震器 (Shock Absorber)、震击器(Jar Bumber) 与扩眼器及其它 特殊工具。