钻柱分析

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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。

钻柱失效分析及与预防措施

04
钻柱失效预防技术发展
新材料应用
总结词
新材料的应用为钻柱失效的预防提供了新的解决方案，能够有效提高钻柱的强度、耐腐蚀性和耐磨性。
详细描述
随着科技的不断发展，新型材料如高强度合金钢、钛合金、陶瓷等逐渐应用于钻柱的制造中。这些新材料具有更高的强度、耐腐蚀性和耐磨性，能够显著提高钻柱的使用寿命，
详细描述
通过改进钻柱的结构设计，提高其承载能力和耐久性，可以降低失效风险。例如，优化钻柱的壁厚、直径和材料选择，以及采用更先进的连接方式等。
制造质量控制
总结词
严格控制制造质量是防止钻柱失效的关键环节。
详细描述
确保钻柱在制造过程中符合相关标准和规范，对每个生产环节进行质量检查和控制，以消除潜在的缺陷和隐患。同时，可以采用无损检测技术对钻柱进行全面检测，确保其质量和可靠性。
磨损
钻柱与井壁、钻头等之间的摩擦会导致钻柱磨损，影响其使用寿命。
失效原因
01
02
03
设计不合理
钻柱结构设计不合理，如壁厚不均、连接方式不当等，可能导致钻柱失效。
制造缺陷
钻柱制造过程中可能存在的材料缺陷、加工误差等，也是导致钻柱失效的重要原因。
操作不当
钻井过程中操作不当，如过载、转速过高、钻压过大等，可能加速钻柱的磨损和疲劳。
使用维护保养
总结词
合理使用和维护保养可以有效延长钻柱的使用寿命。
详细描述
在使用过程中，应遵循操作规程，避免超载和过载情况的发生。同时，定期对钻柱进行检查和维护，及时发现并处理潜在问题，以保持其良好的工作状态。此外，对于使用环境恶劣的钻柱，应采取相应的保护措施，以减缓其老化过程。
03
钻柱失效案例分析

钻杆受力分析篇

第三章钻受力分析3.1 作用在钻柱上的根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，作用在钻柱上的根本载荷有以下几种：〔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。

应用卡瓦进展起下钻作业时，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，那么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，因此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，钻柱本体那么不与井壁接触。

钻井液中钻柱振动分析

第３９卷第１期
２０１７年１月
能源与环保
ＣｈｉｎａＥｎｅｒｇｙａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎ
Ｖ０ｌ＿３９Ｎｏ．１
Ｊａｎ．
２０１７
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｒｉｌｌｉｎｇｓｔｉｒｎｇｖｉｂｒａｔｉｏｎｉｎｄｉｒｌｌｉｎｇｌｆｕｉｄｈａｓｂｅｅｎａｐｒｏｂｌｅｍｔｈａｔｃａｎｎｏｔｂｅｉｇｎｏｒｅｄｉｎｄｉｌｒｌｉｎｇ，ｉｔｗｉｌｌｃａｕｓｅｔｈｅｄｉｒｌｌｓｔｉｒｎｇｆａ — ｔｉｇｕｅｄａｍａｇｅ，ｒｅｄｕｃｅｅｑｕｉｐｍｅｎｔｌｉｆｅ，ｂｕｔｌｓａｏｗｉｌｌｂｉｎｒｇｕｎｅｘｐｅｃｔｅｄｂｅｎｅｉｆｔｓｔｏｄｒｉｌｌｉｎｇｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．Ｉｎｎａｋｅｄｗｅｌｌｓ，ｃｏｌｌｉｓｉｏｎｄｕｅｔｏｖｉ — ｂｒａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｄｉｒｌｌｓｔｉｎｒｇａｎｄｗｅｌｌｂｏｒｅｗｉｌｌｅｎｌａｒｇｅｂｏｒｅｈｏｌｅｄｉａｍｅｔｅｒ，ｏｒｃａｎｆｏｒｍｅｌｌｉｐｔｉｃａｌｈｏｌｅ，ｗｈｉｃｈｃａｎｂｒｉｎｇｇｒｅａｔｉｎｌｆｕｅｎｃｅｓｏｎｌａｔｅｃｏｎｓｔｕｃｒｔｉｏｎ．Ｂｕｔｉｎｔｈｅｈｏｉｒｚｏｎｔａｌｓｅｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｈｏｉｒｚｏｎｔａｌｗｅｌｌｃｏｎｓｔｕｃｒｔｉｏｎｏｒｌａｒｇｅｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｗｅｌｌｓａｎｄｗｅｌｌｓｗｉｔｈｌａｒｇｅｉｎ — ｃｌｉｎｅｄａｎｇｌｅ，ｔｈｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｏｆｄｉｌｒｌｉｎｇｓｔｉｎｒｇｃａｎｐｒｏｐｅｒｌｙｒｅｄｕｃｅｔｈｅｂｏｔｔｏｍｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｅｆｆｅｃｔｏｎｔｈｅｄｉｒｌｌｉｎｇｐｒｅｓｓｕｒｅ，ａｌｓｏｃａｎｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｈｏｌｅｃｌｅａｎｉｎｇ，ｒｅｄｕｃｅｔｈｅｇｒｉｔａｎｄａｖｏｉｄａｌｏｔｏｆｃｏｍｐｌｅｘａｃｃｉｄｅｎｔｓ．Ｔｈｅｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｆａｃｔｏｒｓｏｆｔｈｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｏｆｄｉｒｌｌｓｔｉｎｒｇｉｎｔｈｅｗｅｌｌｉｎｃｌｕｄｅｔｈｅａｄｄｉｔｉｏｎａｌｍａｓｓｃｏｅｉｃｆｉｅｎｔ，ｔｈｅｖｉｓｃｏｕｓｄａｍｐｉｎｇｃｏｅｉｃｆｉｅｎｔａｎｄｔｈｅｎａｔｕｒｌａｒｅｆｑｕｅｎｃｙｏｆｔｈｅｖｉｂｒａｔｉｏｎ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｈｅｅｘ — ｐｅｒｉｍｅｎｔａｌａｎａｌｙｓｉｓｗｅｒｅｃａ￣ｉｅｄｏｕｔｏｎｔｈｅｉｎｌｆｕｅｎｃｅｏｆｖｉｂｒａｔｉｏｎｆａｃｔｏｒｓ，ｏｐｔｉｍｉｚｅｄｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎｓｗｅｒｅａｌｓｏｐｕｔｆｏｒｗａｒｄ，ａｎｄａｌｓｏｈａｓａｇｕｉｄｉｎｇｓｉｇｎｉｉｆｃａｎｃｅｆｏｒｆｕｔｕｒｅｃｏｎｓｔｕｃｒｔｉｏｎ．

水平井钻柱摩阻、摩扭分析

水平井钻柱摩阻、摩扭分析张宗仁一、文献调研与综述在水平井中，由于重力的作用，钻具总是靠着井壁（或套管）的，其接触面积就比直井大很多所产生的摩擦力和扭矩将会大大的增加。

对管柱的摩擦阻力和轴向拉力研究计算，保证钻井管柱（钻柱或则套管，油管）的顺利上提和下放。

如今，国内外已经有很多关于磨阻计算的力学模型，主要分为两大类：一类为柔杆模型，另一类为柔杆加刚性模型。

1．1约翰西克柔杆模型：约翰西克(Johansick)在1983年首次对全井钻柱受力进行了研究，为了研究的方便，在研究过程中.他作了以下几点假设: (1)钻柱与井眼中心线一致； (2)钻柱与井壁连续接触:(3)假设钻柱为一条只有重量而无刚性的柔索； (4)忽略钻柱中剪力的存在:(5)除考虑钻井液的浮力外忽略其他与钻井液有关的因素。

在此假设条件下，建立了微单元力学模型，根据单元的力学平衡，推导出如下的拉力、扭矩计算公式:1222cos [(sin )(sin )]t T W NM NrN T T W αμμθααα∆=±∆==∆+∆+式中：T:钻柱单元下端的轴向拉力，N ； Mt:钻柱扭矩，N.m ；N:钻柱与井壁的接触正压力，N ； W:钻柱在钻井液中的重量，N ； u:钻柱与井壁的摩擦系数； r:钻柱单元半径；a,△a,△θ:平均井斜角，井斜角增量，方位角增量;起钻时取“+”，下钻时取“-”。

1．2二维模型:Maida 等人对拉力、扭矩进行了平面和空间的分析，建立了应用于现场的二维和三维的数学模型。

他建立的二维模型和三维模型如下:111211111**[(1)(sin sin )2(cos cos )]1exp[()](exp[()](Ai Ai B i i B i i BB i i B i i i i i qRF A F C a A a C a A a A a a A a a l l a a μμμμμ-------=+--+-+=-=---i 起钻)下钻)R=式中B μ为摩擦系数，li 计算点井深，FAi 为计算点轴向载荷，C1、C2为符号变量，其取值由表1-1给出：1111()()()()[()][()*()()*()()*()arccos[cos()*sin *sin cos *cos ]24()()(1)1Au B s N N b u b p i i i i i i i i s F q l C l q l dlq l q l q l q l q l q b l q l q p l l l R a a a a C l l μμθθγππ----=±=+===-=-+=-+式中u(l) , b(1) , p(1)分别为计算单元井段切线、副法线和主法线方向向量。

下部钻柱振动分析及计算

用ＥＪ］．石油矿场机械，２０１０，３９（１１）：６０ — ６３．
３结论
１）封隔器胶筒的应力松弛现象和蠕变效应直
Ｅ５］张宝岭，王西录，徐兴平．高压封隔器密封胶筒的改进［Ｊ］．石油矿场机械，２００９，３８（１）：８５－８７．Ｆ６］刘文喜，张鹏，韩侠．井下工具可靠性设计［Ｊ］．石
大井眼钟摆钻具由于头开始沿钻柱向上划分单元每单元长度为6m同一钻铤跨距长井眼间隙大过大的不平衡力导致单元内材料特性和几何性质保持一致接头和稳定强烈的横向弯曲振动在横向位移较小的地方对器作为节点
２Ｏ１３年第４２卷第３期第５Ｏ页
石油矿场机械
ＯＩＬＦＩＥＬＤＥＱＵＩＰＭＥＮＴ
接影响封隔器胶简元件的尺寸稳定性和密封性能。
２）封隔器胶筒的应力松弛和蠕变曲线呈指数
油矿场机械，２００９，３８（７）：５６ — ５９．
［７］陈爱平．压差式封隔器胶筒耐温耐压浅析［Ｊ］．石油机
’ 十十。十 ”十 “ 十 ”十 ”十十＋ “＋ “＋ ”十 ” 十 ” ＋。＋ “＋ ”十 “十 ” ＋ “ ＋ ”＋ ”十 “＋ ”
… １ “— “十 “ — 。 “ — ”— ‘ ｒ ”十ｎ十一十一十十一十 “十 ”十 ” 十 “ —＋－ ”十一十一十一十一 — 一十一十・
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｕｒｉｎｇｐｒａｃｔｉｃａｌｄｒｉｌｌｉｎｇｏｐｅｒａｔｉｏｎ，ｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｄｒｉｌｌｉｎｇｓｔｅｍｎｏｔｏｎｌｙａｆ — ｆｅｃｔｓｂｉｔｔｒａｃｋｂｕｔｓｅｖｅｒｅｖｉｂｒａｔｉｏｎ，ｐｒｏｂａｂｌｙ，ｃａｕｓｅｓｄｒｉｌｌｉｎｇａｃｃｉｄｅｎｔ．Ｔａｋｉｎｇｔｈｅｂｏｔｔｏｍｈｏｌｅａｓ — ｓａｍｂｌｙａｓｅｘａｍｐｌｅ，ｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｓａｎａｌｙｓｉｓｓｔｕｄｙｗａｓｍａｄｅｆｏｒｔｈｅｄｒｉｌｌｉｎｇｓｔｅｍｔｈｒｏｕｇｈｄｙｎａｍｉｃ

钻柱受力分析

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 14～15米。
钻井工程
复习旧课：1、钻头的类型 2、金刚石钻头与 PDC钻头的组成及区别； 3、钻头的工作原理。
导入新课：钻头是破碎岩石的主要工具，需要一定的钻压和转速，钻压和转速是由谁产生和传递的呢？
第二章钻柱
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
四、本章需要10学时
第二章钻柱 §2-1 钻柱的作用与组成
❖ (2)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。钻柱公转时，不受交变弯曲应力的作用，但产生不均匀的单向磨损(偏磨)，从而加快了钻柱的磨损和破坏。
第二章钻柱 §2-1 钻柱工作状态及受力分析
（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。在这种情况下，钻柱磨损均匀，但受交变应力的作用，循环次数比自转时低得多。比较简单。（4）纵向振动—钻头振动引起，产生交变应力。
一、钻柱的作用
概念：钻柱是钻头以上，水龙头以下各部分的管柱的总称。它包括方钻杆、钻杆、钻挺、各种接头、及稳定器等井下工具。（一）、钻柱在钻井过程中的主要作用
1、为钻井液由井口流向钻头提供通道； 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。

钻柱力学分析

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。

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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。

NC型系列接头NC23，NC26，NC31，NC35，NC38，NC40，NC44，NC46，NC50，NC56，NC61，NC70，NC77NC—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。

下部钻柱弯曲的原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。

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）中性点拉压交变载荷。

2 . 轴向力和中性点（1）自重产生的轴向拉力（井内掏空时）：式中：称为“浮力减轻系数”（3）正常钻进时的轴向力：（4）其它轴向力的计算•循环压降引起的附加轴向拉力：•滑动摩擦阻力：•动载荷：•（5）起下钻时钻柱轴向力：（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：•式中：L N—中性点距井底的高度，m。

重要意义：1）设计钻柱时要确保中性点始终落在钻铤上？2）指导松扣、造扣等特殊作业。

3）中性点附近钻柱受交变应力作用，易疲劳破坏。

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. 经验配合关系量选用大尺寸方钻杆。

2.在钻机提升能力允许的情况下，选择大尺寸钻杆是有利的。

3.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择钻铤的直径。

使用大直径钻铤具有下列优点（1）可用较少的钻铤满足所需钻压的要求，可减少钻铤，从而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。

（二）钻铤长度的确定原则保证在最大钻压时钻杆不承受压缩载荷，即保持中性点始终处在钻铤上。

计算公式•式中 L C—钻铤长度，m;W max—设计的最大钻压，kN；S N—安全系数，一般取 S N =1.15 ～1.25；q c—每米钻铤在空气中的重力，kN/m；K B—浮力系数；α—井斜角，0°。

三、钻杆柱强度设计1.强度条件F t≤F a（2-13）式中：F t—钻杆柱任一截面上的静拉伸载荷，kN；F a —钻杆柱的最大安全静拉力，kN。

（1）钻杆在屈服强度下的抗拉载荷：钻杆材料的屈服强度所允许的最大抗拉载荷。

（2-14）式中：—钻杆的横截面积，cm2；—钻杆钢材的最小屈服强度，MPa；—最小屈服强度下的抗拉载荷，kN。

可以计算,也可以从表2－14中查出。

（2）钻杆的最大允许拉伸力F p：式中：—钻杆的最大允许拉伸载荷，kN。

（3）钻杆的最大安全静拉力F a：①安全系数法（考虑起下钻时的动载及摩擦力）式中：—安全系数，一般取1.30。

②设计系数法（考虑卡瓦挤压）③拉力余量法式中：MOP—拉力余量，一般取200～500KN。

以上三者取最小者作为Fa。

2. 钻杆柱强度设计按最大安全静拉力F a设计钻杆柱的最大允许下深（长度）。

（1）单一钻杆柱设计强度条件：最大允许下深：2）复合钻杆柱设计（深井）思路：由下而上，所受拉伸载荷逐渐增大，强度应逐渐增大。

故由钻铤上面第一段钻杆开始，先选择强度较低的钻杆，确定其许用长度；再逐段向上选择强度更高的钻杆进行设计。

这样设计出来的钻杆柱，由下而上强度逐级增大以满足抗拉强度的要求。

每段钻杆满足强度条件钻铤上面第一、二、三、四段钻杆的长度; 相应各段钻杆的最大安全静拉力; 相应各段钻杆在空气中的单位长度重力;3. 强度较核（1）抗外挤强度较核：式中: ──最大安全外挤载荷,MPa；──钻杆的最小抗挤压力，MPa；──安全系数，一般应不小于1.125。

（2）抗扭强度较核：式中：M - 钻杆承受的扭矩,kN·m；P - 使钻柱旋转所需的功率，kW；n - 转速，rpm。

（3）抗内压强度较核：不同尺寸、钢级和级别的钻杆的最小抗内压力可在API RP 7G标准中查得，用适当的安全系数去除它，即得其许用净内压力.4．典型钻柱的设计举例（1）设计参数①井深:5000m;②井径:215.9mm(8-1/2in);③钻井液密度:1.2g/cm3;④钻压:180kN;⑤井斜角:3°;⑥拉力余量:200kN(本例假设);⑦卡瓦长度:406.4mm;⑧安全系数：1.30(本例假设)。

（2）钻铤选择：①选用外径158.75mm(6-1/4in)、内径57.15mm(2-1/4in)钻铤，每米重力q c=1.35kN/m。

②计算钻铤长度:式中: ─最大钻压,180 kN;─安全系数,取 =1.18;─每米钻铤在空气中的重力,1.35 kN/m；─浮力系数,计算得 =0.85;─井斜角, =3°。

计算得：=180×1.18/1.35×0.85×cos3°=185(m)按每米钻铤10m计，需用19根钻铤,总长190m。

（3）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:F a1=0.9F y /S t=0.9×1760/1.30=1218.46(kN)F a1=0.9F y /(σy /σt) =0.9×1760/1.42=1115.49(kN)F a1=0.9F y -MOP=0.9×1760-200=1384(kN)•=1115.49/284.69×10-3×0.856-190×1.35/284.69×10-3=3675(m)（4）选择第二段钻杆①选用外径127mm,内径108.6mm，每米重284.69N/m，X-95级新钻杆，最小抗拉载荷为=2229.71 kN。

②最大长度计算:最大安全静拉载荷计算如下:F a2=0.9×2229.71/1.30=1543.645(kN)F a2=0.9×2229.71/1.42=1413.196(kN)F a2=0.9×2229.71-200=1806.739(kN)那么，第二段钻杆的最大允许长度为：=1413.196/287.69×10-3×0.856-.35×190+284.69×10-3×3675/284.69×10-3 =1221(m)钻柱总长已超过设计井深。