井下钻具分类及组合

钻具的分类及组合

单位：长庆钻井管局公司宁定服务部

姓名：丛成

目录

前言 (5)

1.钻具的分类 (5)

1.1钻杆 (5)

1.1.1钻杆的作用 (5)

1.1.2钻杆的结构 (5)

1.1.3钻杆的钢级 (6)

1.1.4钻杆的规范 (6)

1.2钻铤 (7)

1.2.1钻铤的作用 (7)

1.2.2钻铤的结构 (7)

1.2.3钻铤的规范 (8)

1.2.4钻铤的型号 (9)

1.3方钻杆 (9)

1.3.1方钻杆的作用及结构 (9)

1.3.2方钻杆的规范 (10)

二、钻具组合 (10)

2.1导向钻井技术的钻具组合选择 (12)

2.1.1单弯螺杆角度的选择 (12)

2.1.2稳定器尺寸的选择 (12)

2.1.3钻具结构的选择 (12)

2.1.4钻头类型的选择 (13)

2.1.5泥浆参数的选择 (13)

2.2刚性满眼钻具 (13)

2.2.1工作原理 (13)

2.2.2满眼钻具组合设计 (15)

2.2.3提高钻柱的弯曲刚度 (16)

2.2.4扶正器与井壁之间的间隙控制 (16)

2.3塔式钻具 (16)

2.4钟摆钻具 (17)

2.4.1工作原理 (18)

2.4.2扶正器的安放位置 (18)

结束语 (19)

摘要钻具是下井工具的总称。包括：方钻杆、钻杆、加重钻杆、钻铤（无磁钻铤）、转换接头、钻具稳定器、井下动力钻具、减震器、钻头等。而将这些下井工具连接起来组成的管串称为钻柱。

钻柱是连通地面与地下的枢纽。钻井过程中，地面动力的传递和钻井液的输送，依靠钻柱来实现;地层的变化、井下的复杂情况，也可以通过钻柱反映到地面上来;此外钻井过程中的其他作业，如取心、处理井下事故、中途测试等都必须依靠钻柱来实现。钻柱一旦出现事故，会带来一定的经济损失。因此管理好、使用好、选择合理的钻具组合在钻井过程中尤为重要。

关键词：钻具井下工具钻具组合

Adsteact Downhole drilling tool is the general teem. Include:Kelly,drill pipe ,heavy weight drill pipe,drill collar(non-magnetic drill collars),adapters,drill stabilizer,downhole drill motor,shock absorbers,drill and so on.And tools to link these to go down the string as consisting of drill pipe.

Drill string is connectedon the ground and underground hub.Drilling process,the ground power transmission and fluid delivery,reling on the drill string to achieve;formation changes,the complexity of the situation underground,also reflected by the drill string to the ground;addition drilling and other operations,such as coring to deal with mine accident,and so must rely on the middle of the best drill string to achieve.Once the drill accident will bring some economic loss.Therefore,to manage,use a good,reasonable choice of bottom hole assembly buring drilling is particularly important.

Keywords: drill downhole tolls BHA

前言

钻具是下井工具的总称。包括：方钻杆、钻杆、加重钻杆、钻铤（无磁钻铤）、转换接头、钻具稳定器、井下动力钻具、减震器、钻头等。而将这些下井工具连接起来组成的管串称为钻柱。

钻柱是连通地面与地下的枢纽。钻井过程中，地面动力的传递和钻井液的输送，依靠钻柱来实现;地层的变化、井下的复杂情况，也可以通过钻柱反映到地面上来;此外钻井过程中的其他作业，如取心、处理井下事故、中途测试等都必须依靠钻柱来实现。钻柱一旦出现事故，会带来一定的经济损失。因此管理好、使用好、选择合理的钻具组合在钻井过程中尤为重要

1.钻具的分类

1.1钻杆

1.1.1钻杆的作用

钻杆是钻柱的主要和最基本组成部分，它的主要作用是传递扭矩、输送钻井液和在钻井过程中不断连接加长钻柱以达到不断加深井眼的目的。

1.1.2钻杆的结构

钻杆由管体和接头两部分构成。如下图所示

钻杆按制造方法分为有细扣钻杆和对焊钻杆两种。前者已被淘汰，后者在加工过程中，为增加管体与接头连接处的强度，管体两端对焊部分是加厚的，加厚形式分内加厚、外加厚、内外加厚三种，分别用英文字母IU、EU、IEU表示。内加厚钻杆在钻井过程中钻井液循环时流动阻力大，但接头磨损较小;外加厚钻杆在工作中钻井液循环时流动阻力小，但接头磨损较大;而内外加厚钻杆综合以上两种特点，故多使用该类加厚形式的钻杆。

1.1.3钻杆的钢级

钻杆的管体是由高级无缝钢管轧制而成的，常用钢级有E-75、X-95、G-105、S-135等四个级别，分别用代号E、X、G、S表示，其中X级、G级、S级为高强度钻杆。钢级代号后的数字表示该钢级钻杆所承受最小抗拉屈服强度的千分之一，单位是磅力/平方英寸。

1.1.4钻杆的规范

通常所说钻杆的规范是指管体外径尺寸，常用的有60.3 mm、73.0mm，88.9mm、127.0mm、139.7mm等五种

钻杆管体长度范围分三类，一类是 5.49～6.71m，二类是8.23～9.14m，三类是1l.58～13.72m。

1.2钻铤

1.2.1钻铤的作用

钻铤在钻具组合中位于钻头与钻杆或加重钻杆之间，主要作用是给钻头提供钻压及控制井斜。

钻铤一般用高级合金钢精锻而成，现国产钻铤也有轧制钢棒经热处理、机加工而成的。钻铤是在管体上直接加工连接螺纹，中间有较小水眼，壁厚相当于钻杆的4～6倍，单位长度的重量比同尺寸的钻杆大4～5倍，刚性大。

1.2.2钻铤的结构

钻铤根据外形与材料分A型(圆柱式)、B型(螺旋式)、C型(无磁式)三种型式，分别用代号ZT，LT、WT表示。

圆柱式钻铤结构示意图如下图所示：

螺旋式钻铤与圆柱式钻铤不同之处就是在外圆柱表面加工有螺旋槽，因此在钻井过程中与井壁接触面积减小，这样可减少粘附卡钻的发生；无磁钻铤用导磁率很低的不锈合金钢制成，主要

用于钻井过程中在钻柱内的测斜。

1.2.3钻铤的规范

通常所说钻铤的规范是用新钻铤管体外径尺寸来表示的。常用的有88.9mm、104.8mm、158.8mm、165.1mm、177.8mm、203.2mm、228.6mm等几种。

钻铤由于刚性大，在钻井过程中，由于弯曲应力作用容易在内螺纹接头根部最末啮合处及外螺纹接头根部发生疲劳破坏，所以购货时往往要求在这两处加工有应力减轻槽。应力减轻槽如下图所示：

Box Stress-Relief Feature

Boreback Box Stress-Relief Feature

1.2.4钻铤的型号

钻铤的型号按下列原则标记：

1.3方钻杆

1.3.1方钻杆的作用及结构

方钻杆位于钻柱的最上部，主要作用是将转盘的旋转运动和扭矩传递给钻柱，使钻柱旋转起来，以带动钻头破碎岩石，由于它在钻柱的最上部，所以承受钻柱的全部重量。

方钻杆根据外形分为以下两种形式:

四方方钻杆:管体横截面内为圆形，外为正四方形的方钻杆，代号为FZGS。

六方方钻杆:管体横截面内为圆形，外为正六方形的方钻杆，代号为FZGL。

方钻杆由中间驱动部分、上部接头、下部接头构成。上部接头为内螺纹，连接水龙头，由于在钻井过程中转盘为顺时针旋转，所以上部接头加工成左旋螺纹(LH)，下部接头加工成右旋外螺纹，用于连接钻杆。

方钻杆结构示意图

1.3.2方钻杆的规范

通常所说方钻杆的规范是指驱动部分的对边宽度尺寸，长度要根据钻井用的钻杆长度来定。一般方钻杆的长度应比钻杆单根长2～3m。API方钻杆有12.2m和16.5m两种长度，驱动部分长分别为11.3m和15.5m。（常用方钻杆尺寸见管子修理工上册59页表2-1-3）

二、钻具组合

BHA井底钻具组合（Bottom hole assembly）钻头以上30-50米的钻具，用于控制井斜和方位。

不同地层、不同工况下，根据设计目的或作用不同，常规定向井的最基本井下钻具组合也不同。

下图为最常用钻具组合：

2.1导向钻井技术的钻具组合选择

2.1.1单弯螺杆角度的选择

根据井眼曲率，最大井斜参数确定单弯螺杆的度数，根据经验，一般在0.75°~1.25°之间。单弯螺杆是在两种工况下使用，造斜段滑动钻进单弯螺杆不仅提供井下动力，同时其单弯部分相当于原造斜段使用的单弯接头，其单弯角度决定了造斜率的大小。复合钻进阶段单弯螺杆不仅提供井下动力和转盘一起工作提高钻头的转速，同时，其单弯部分相当于直井使用的偏轴接头，具有一定的防斜作用。单弯角度过大，会使钻具承受较大的交变应力，而遭受疲劳破坏。

2.1.2稳定器尺寸的选择

常规钻井中，216mm井眼稳定器外径一般要大于等于210mm；在导向钻井中单弯螺杆，上下两个稳定器如果同常规井一样大小，，会使钻具承受过大的弯曲应力，通过室内分析与实践，使用范围为208~210mm。

2.1.3钻具结构的选择

常规定向井，在不同的工况段，是通过多次改变钻具而实现的，每改变一次钻具结构，就要起下一趟钻。而导向钻井是造斜、增斜、稳斜、降斜几个工序使用一套钻具组合，而不用起下钻改变钻具结构。因此，导向钻进的钻具结构要满足定向井不同工序的要求，不仅提高钻井速度，减少起下钻次数，在控制井身质量方面，更要优于常规钻井的井身质量。“双稳定器稳斜型”：

216mmPDC钻头+单弯螺杆（自带208~210mm上下扶正器）+159mm 无磁钻铤+159mm钻铤15根+127mm钻杆

2.1.4钻头类型的选择

一般使用PDC钻头。不仅速度快，在复合钻进中，也不存在掉牙轮的风险。

2.1.5泥浆参数的选择

在滑动钻进阶段，要求摩擦阻力系数小于0.15。防止粘钻具，造成钻压加不到钻头上，影响钻进速度。使用到向钻进技术后，钻井速度明显提高，整个节奏加快，要求泥浆性能的调整满足快速钻井的需求。泥浆密度、粘度、失水要优适当的超前性，防止井下复杂，保证施工顺利。

2.2刚性满眼钻具

刚性满眼钻具是一种安装在钻柱下部的刚度较大而且井径与钻柱外径之间间隙较小的钻具组合。

2.2.1工作原理

刚性满眼钻具一般是由几个外径与钻头直径相近的扶正器与一定长度外径较大的钻铤所组成。它的防斜原理是在钻头以上的下部钻柱上安装一定数量的扶正器，以扶正合钻铤；提高下部钻柱的刚度，减少其弯曲程度，以消除钻头的严重倾斜，使其能减小和限制由于钻柱弯曲而产生的增斜力，同时扶正器能支撑在井壁上，抗衡地层自然造斜力，以达到控制井斜在最小范围内变化的目的。

为了发挥满眼钻具的防斜作用，在钻具上至少要有三个稳定点，除在靠近钻头处有一个扶正器外，其上面应再安放两个扶正器才能保持有三点接触井壁。如果只有两点接触，钻柱就能循沿一条曲线，不能保证井眼的直线性。如果有三点接触，就能保证井眼的直线性和限制钻头的横向移动。

(1)在垂直或接近垂直的井眼中钻具的防斜作用：当钻具在垂直或接近垂直的井眼中工作时，它的作用是保持井眼沿直线方向加深。上扶正器能抵消由于上扶正器以上的钻柱弯曲所产生的横向力，使上扶正器以下的钻柱居中，同时也帮助下扶正器抵消地层横向力。下扶正器的作用抵消地层横向力，限制钻头的横向移动，当地层造斜力不大时，满眼钻具能保持刚直居中状态，使钻头沿铅直方向钻进。

(2)增斜时钻具的防斜作用：当钻进时井斜较大的地层时，满眼钻具能有力地抵抗地层横向力，减小井斜的变化。在地层横向力的作用下，下扶正器和钻头靠向井壁高的一侧，抵抗地层横向力，限制钻头横向移动。同时地层横向力势必要扭弯下扶正器上的短钻铤，由于钻铤刚度大，能有力地抵抗此地层的横向力。中扶正器也帮助中扶正器以下的钻柱抵抗地层横向力。因此，限制了钻头的横向移动和侧斜。在已斜井眼内，钻具还有一个纠斜作用，这是由于上扶正器以上的钻铤因自重的作用靠在井壁低侧，并以上扶正器为支点将力下传，作用于上扶正器下的一根钻铤上有一个弯矩，此弯矩使中扶正器靠井壁高的一侧，再以中扶正器

为支点将力下传使钻头趋向于井壁低的一侧，产生一个纠斜力。所以满眼钻具在增斜地层中，能限制井斜角的增大速度，可防止狗腿、键槽等现象的发生。

(3)降斜时钻具的作用：如果井眼已发生了偏斜，而地层横向力又使其趋向恢复垂直状态，满眼钻具的作用是防止井斜角过快地减小。下、中扶正器将抵抗地层横向力，限制钻头向井壁下侧移动。短钻铤也抵抗其弯曲趋势，保持下扶正器趋向壁高的一侧。同时中扶正器以上的钻铤所产生的弯矩也将使中扶正器趋向井眼高的一侧，迫使下扶正器抵抗地层横向力，以减小钻头倾角。所以钻具在降斜时能有力地抗衡地层降斜力，减少井眼的降斜率，使其不致于产生狗腿、键槽等不良现象。

2.2.2满眼钻具组合设计

（1）近钻头扶正器

近钻头扶正器应采用井底型扶正器并紧接钻头，其间不应加装配合接头或其它工具。

为了增强近钻头扶正器抗衡横向偏斜力及限制钻头横向切削的作用，在中等易斜地层应采用有效扶正长度较长的扶正器，也可以在有效扶正长度较短的近钻头扶正器上直接接一只钻柱型扶正器，在严重易斜地层则应采用有效扶正长度更长的近钻头扶正器。

（2）中扶正器与上扶正器的安放高度确定：

中扶正器和上扶正器的安放高度与满眼钻具组合的使用效果有重

要的关系。确定中扶正器与上扶正器理想安放高度的原则使尽量减小下部钻柱弯曲变形，从而使钻头偏斜角和作用在钻头上的弯曲偏斜力为最小值。

中扶正器的理想安放高度主要取决于钻铤尺寸，扶正器与井壁间隙值，井斜角及钻井液密度等因素。

上扶正器安放在中扶正器的上部，一般相距一根钻铤的长度约9米左右。

2.2.3提高钻柱的弯曲刚度

为了提高钻柱组合的弯曲刚度，在上扶正器上适当位置根据需要可以再加扶正器。满眼组合部分呢的钻铤，特别是短钻铤，应采用最大外径厚壁钻铤。

2.2.4扶正器与井壁之间的间隙控制

扶正器与径壁之间的间隙与满眼钻具组合的使用效果关系甚为重要，应当严重控制（特别是在井斜较严重的层段），一般这一间隙越小越好，尤其是近钻头扶正器和中扶正器，与井壁间的实际间隙过大往往导致满眼钻具组合失效。

控制扶正器与井壁间的间隙的措施有两条：

（1）证扶正器有足够大的直径。

（2）保证井眼稳定，避免井径在钻进的短时间内明显扩大。一般情况下，近钻头扶正器和中扶正器直径与钻头直径的差值不大于3mm；上扶正器直径与钻头直径的差值不大于6mm。

2.3塔式钻具

塔式钻具就是在钻头之上，使用几段直径自下而上逐渐减小，形如塔状的钻铤组合。钻铤应不少于12根；这种防斜钻具的特点就是底部钻铤重量大，刚度大，整个钻铤柱的重心低，稳定性好。能产生较大的钟摆减斜力。在松软地层，井径易扩大，对于扶正器满眼钻具或扶正器钟摆钻具，由于其井径与扶正器间隙值大，防斜效果差。使用塔式钻具则能得到满意的效果。此外，塔式钻具还有结构简单，使用方便，不需要进行扶正器位置计算的优点，也不存在扶正器、方钻铤的磨损及修复等问题，但塔式钻具也存在底部间隙小，易卡钻，钻铤尺寸多，操作部方便等不足。

塔式钻具防斜效果的好坏，取决于钻具的塔式组合。要求组合的重心低、底部钻铤直径大、整个钻铤重量大、每一级钻铤尺寸差值小。如美国白湖油田，在胶结性差的松软地层中使用塔式钻具，成功地钻了一口3939米的井，该井无狗腿井段，最大井斜角2度，井径12-1/4英寸。该井使用的塔式钻具由18根不同尺寸麻花钻铤组成，每根9米左右。最下一根钻铤为10-1/2英寸，其上依次为10-1/4、10、……6-1/4英寸，每根钻铤尺寸依次递减1/4英寸。所有钻铤的重量为420千牛，其重心低于全部钻铤长度的1/3，最大钻压为钻铤重量的75%。底部钻铤的尺寸，相当于欲下的9-5/8英寸套管的接箍尺寸，以保证套管的顺利下入。

2.4钟摆钻具

钟摆钻具是为了减少井斜角而设计的一种钻具组合，利用增大钟摆力的原理。

2.4.1工作原理

利用斜井内切点以下钻铤重量的横向分力把钻头推向井壁低的一侧，以达到逐渐减小井斜的效果。这个横向分力如钟摆一样，所以称之为“钟摆力”，运用这个原理组合的钻具称为钟摆钻具。对于一定斜度的井眼来说，井斜角是一定的，因此增大降斜力的主要方法是增大切点以下的钻铤重量，其办法有二：一是使用大尺寸钻铤或加重钻铤。显然在同一钻压下，大尺寸钻铤不易被压弯，并且切点位置高，因而切点以下钻铤长度L大，有利于增大降斜力。二是在比切点略高的位置上，安装一个扶正器，以提高切点位置，增大其下部钻铤重量，使降斜力增大。除此之外，扶正器对其下部钻铤还起到扶正作用，因而可减少钻头倾斜角，限制增斜力的增大。当然最理想的办法是采用大尺寸钻铤加扶正器，这样组成的钻具不仅钟摆的长度大，而且重量也大，其降斜效果更好。

2.4.2扶正器的安放位置

光钻铤钟摆钻具虽具有防斜作用，但其能力是有限的，主要原因是切点低，钟摆力较小。在井斜较严重的地区，如果要使井斜角保持较小值，只有采用较低的钻压。所以在现场多采用单扶正器钟摆钻具，这种钻具组合就是在适当的高度上安装一个扶正器作为支点，以增大有效的钟摆长度，提高钟摆力。由此可见，它的技术关键就是扶正器的安放位置要适当。如果安放位置偏低，则降斜力小，效果差。如果安放位置偏高，则扶正器以下钻铤可

能与井壁形成新的切点，使钟摆钻具失效。扶正器的理想安装位置应是在保证扶正器以下的钻铤不与井壁接触的条件下尽量提高些。

结束语

合适的钻具组合会得到合适的斜度、提高钻进速度、减缓钻具的磨损。而选择适合的钻具组合一直是钻井工程技术人员需要面对、需要解决的问题，这需要大量的现场实践和经验积累。希望各钻井工程技术人员再接再厉研发出新的更完善的钻具组合，达到提高钻进速度、降低钻井成本，为祖国石油事业贡献力量。

参考文献

[1] 《石油钻井工具手册》。石油工业出版社。

[2] 《石油大学学报（自然科学版）》。 2004年05版

[3] 《异向双弯防斜钻具组合研究应用》。西部钻探吐哈钻井公司。

[4]《西部探矿工程》。2006年B06期

[5] https://www.360docs.net/doc/6414397704.html,/。中国石油网。

[6] 《Air and Gas Drilling》。（美）尼欧伯蒂。