5第二章 钻进工具——钻柱
钻进工具 - 金刚石钻头
（3)水力结构和切削刃的分布 刮刀式、单齿式、组合式 刮刀式：将切削齿沿着从钻头中心附近到保径部位的直线 布置在胎体刮刀上，在适当的位置布置水眼。 整体度高、抗冲击能力强、易于清洗和冷却、排泄好、抗 泥包能力强。适合粘性和软地层
三、金刚石钻头和刮刀钻头
3、PDC钻头的结构
（3)水力结构和切削刃的分布 单齿式：将切削刃单个布置在钻头工作面上，适当位置布 置水眼，钻井液流出，切削刃受到清洗和冷却。 布齿区域大、布齿密度高，可提高钻头使用寿命，水力控 制能力低。 组合式：直线刮刀和单齿相结合的方式，适当位置布置水 眼。具有较好的清洗、冷却和排屑能力，布齿密度高。中 硬地层。
硬地层
软地层
坚硬地层
三、金刚石钻头和刮刀钻头
3、PDC钻头的结构
(1) 胎体PDC钻头与钢体PDC钻头 胎体PDC钻头：碳化钨烧制而成，在窝槽上焊接复合片
钢体PDC钻头：与钻头体一致，复合片焊接在切削齿上，再 将切削齿镶嵌在钻头体上
三、金刚石钻头和刮刀钻头
3、PDC钻头的结构
(1) 胎体PDC钻头与钢体PDC钻头
三、金刚石钻头和刮刀钻头
2、天然金刚石钻头和TSP钻头的结构
（2）水力结构（水孔-水槽式）
三、金刚石钻头和刮刀钻头
2、天然金刚石钻头和TSP钻头的结构
（3）金刚石的粒度和排列方式
切入地层深度：软 1/10,硬1/100 最大出刀不超过1/3
粒度： 软-中软 0.5-2粒/克拉 中硬 3-6粒/克拉 硬地层 12粒/克拉 坚硬 小于 12粒/克拉
钻头水力结构 切削齿的大小和
特点
切削齿的密度
1-9，R、X、 O
1-9，0
R-放射式流道
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。
第2章 钻进工具
普通轴承
转动灵活，轴承不旷
转动灵活但旷，径1~2mm，轴<1mm
明显旷动，径向>3mm，轴向>2mm
牙轮卡死，轴承完全不能用
30
5
二、牙轮钻头（Roller Bit）
（四）牙轮钻头类型及选择
IADC编码
系列代号：用数字1~8表示钻头牙齿特征及适钻地层；
地层等级代号：用数字1~4表示所钻地层再分为4个等级； 钻头结构特征代号：用数字1~9表示钻头结构特征，其 中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。
19
二、牙轮钻头（Roller Bit）
（二）牙轮钻头工作原理
1. 牙轮钻头在井底的运动
（1）钻头公转（顺时针，转速Nb—rpm）:
（2）牙轮自转（逆时针，转速nc—rpm）:
（3）滑动——轴向滑动、切向滑动
（4）纵向振动
振动频率：
m
nc z
nb Db 60Dc
z
振动周期： T 1 m
Vbx
Dbx Nb 60
a
b
c
a—单锥； b、c—复锥； 1—主锥； 2—副锥； 3—背锥
13
二、牙轮钻头（Roller Bit）
（一）牙轮钻头结构
2. 轴 承（Bearing of Bit）
16
二、牙轮钻头（Roller Bit）
（一）牙轮钻头结构
1．牙轮及牙齿（Cone & tooth ）
铣齿——在牙轮锥面上直接铣出，楔形。 镶齿——镶装在牙轮锥面上的硬质合金齿，有多种齿形。
刃前角φ：φ＝90°－α。
6
1
一、刮刀钻头（Drag Bit）
（2）刀翼背部形状 刀翼的厚度随距刀刃的距离增加而增厚，呈抛物线形，以确保刀翼
钻头及钻柱
一、钻铤 钻挺接在钻头上面,主要是给钻头施加钻压和防止井斜，因此它壁厚而粗大，单 位长度重量大。壁厚一般是38~53毫米,相当于同尺寸钻杆的4~6倍。它的直 径一般与钻杆接头直径相等。这样可以增强刚度，受压时不易弯曲，因而有 利于钻直井眼。 二、钻杆 钻杆是钻柱的基本组成部分。它是用无逢钢管制成，壁厚一般为9~11mm。其主 要作用是传递扭矩和输送钻井液,并靠钻杆的逐渐加长使井眼不断加深。因 此,钻杆在石油钻井中占有十分重要的地位。 三、方钻杆 方钻杆位于钻柱的最上端,有四方形和六方形两种。钻进时,方钻杆与方补心、 转盘补心配合,将地面转盘扭矩传递给钻杆，以带动钻头旋转。 四、稳定器 在钻铤柱的适当位置安装一定数量的稳定器，组成各种类型的下部钻具组合， 可以满足钻直井时防止井斜的要求，钻定向井时可起到控制井眼轨迹的作用。 此外,稳定器的使用还可以提高钻头工作的稳定性,从而延长使用寿命，这对 金刚石钻头尤为重要。
钻 杆Biblioteka 钻 铤稳定器 钻 铤 稳定器
钻
铤
钻头
三、金刚石钻头 在坚硬而研磨性高的地层钻进,金刚石钻 头比其它类型钻头的钻速和总进尺高,能减 少起下钻次数,降低钻井成本。近年来大庆 油田中深井钻井口数在不断增加，随着钻 井技术的不断改进，追求更高的钻井经济 效益，金刚石钻头的使用非常普遍。
钻 柱
在钻井过程中,将方钻杆、钻杆、钻铤等用各种接头连接 起来组成入井的管串称为钻柱。钻柱有如下基本作用： （1）通过它把钻头下到井底和提升到地面。钻井过程中, 无论钻头能钻多深,都必须通过钻柱来实现。 （2）钻柱的钻挺部分是加钻压用的,使钻头能更有效地吃 人地层（禁止用钻杆部分来加压,否则钻杆磨损快、断 裂快），并能防斜。 （3）把旋转运动传给钻头，钻杆可以看作是一根由转盘 驱动的传动轴。 （4）钻柱将钻井液从地面传送到钻头处,因而,钻柱也是 一根竖直的导管。 （5）进行特殊作业,如挤水泥、处理井下事故等。钻柱是 联通地面和地下的枢纽,工作条件十分复杂,正确的管理、 使用钻柱是非常重要的。
第二章 钻柱
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。
第二章 钻 柱 §2-2 钻柱工作状态及受力分析
5．外挤压力
钻杆测试(DST)时，钻 杆将承受很大的外挤压 力。进行钻杆测试时， 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 体才流入钻柱内。
第二章 钻 柱 §2-1 钻柱的作用与组成
（二）钻铤
1、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，是钻杆质量的4～6倍刚度大。
有效长度
2、主要作用：(1)给钻头施加钻压; (2)减轻钻头的振动、摆动和跳动等，使钻头工作平稳； (3)控制井斜。
3、类
型：光钻铤、螺旋钻铤、扁钻铤。
第二章 钻 柱 §2-2 钻柱工作状态及受力分析 （二） .钻柱的受力分析
1、轴向拉力和压力
（1）自重产生的轴向拉力（井内掏空时）：
F
F0 q p L p qc Lc
（2）浮重产生的轴向力：
Fm KB q p Lp qc Lc KB F0
陈庭根、管志川主编,钻井工程理论与技术,石油大学出版社,2000
工程硕士入学考试?石油工程综合测试?大纲〔油气井局部〕主要内容：第一章钻井的工程地质条件地下各种压力的概念、地层压力与地层破裂压力、岩石的工程力学性质第二章钻进工具常用钻头钻头类型、构造、工作原理、使用方法钻柱的组成、功用、钻柱的受力分析、设计方法第三章钻井液钻井液的作用、组成与分类；钻井液的主要性能、主要固控制方法与设备第四章钻进参数优选钻井过程中各参数间的关系、钻速方程、机械破岩钻进参数优选方法、水力参数优化设计方法第五章井眼轨道设计与轨迹控制井眼轨迹的根本概念、轨迹测量及计算、直井防斜技术、定向井眼轨道设计、定向井造斜工具及轨迹控制第六章油气井压力控制与井控井眼与地层压力系统、平衡与欠平衡钻井、地层流体侵入控制第七章固井与完井井身构造的概念与设计方法、套管柱载荷分析与设计方法、注水泥技术、常用完井方法第八章井下复杂情况与事故处理常见的井下复杂情况类型、相应事故处理方法参考书：主要考察学生对油气田开发过程中的各研究对象及工艺流程、设备等内容的理解和掌握程度，主要内容包括油气藏及流体的物理性质、采油〔气〕工程和油气田开发过程中各工艺环节的根本概念、根本技术原理、设备及其功用、主要工艺流程等，进步油气开采技术的根本方法和原理等。
主要考试内容绪论油气田开发的根本概念、任务、目的、根本方法和系统组成。
第1章油层物理根底油藏流体的物理性质；储层岩石的物理性质；含多相流体的储层岩石的渗流机理。
第2章油藏工程根底油气田开发概论；油气田开发动态分析；油气田开发调整。
第3章完井与试油油气井完井方式；试油；油气层保护。
第4章油气井的流入动态、井筒多相流及气体井筒流动油气井的流入动态及其应用；井筒多相流的流动构造；滑脱损失；气体井筒流动。
第5章自喷与气举采油自喷井的流动过程；自喷的条件和产量；自喷井的管理；气举原理、分类。
第6章有杆泵与无杆泵采油有杆泵的根本装置和原理；泵的分类及根本原理、泵效的计算、影响因素及进步泵效的措施；无杆泵采油的分类、根本装置和原理。
钻柱(Drill String)
（6）扭转振动（Torsiona1 vibration） 当井底对钻头旋转的阻力不断变化时，会引 起钻柱的扭转振动，因而产生交变剪应力。扭转振动和钻头结构、所钻岩石性质是否均匀 一致、钻压及转速等等许多因素有关。特别是使用刮刀钻头钻软硬交错地层时，钻柱的扭 转振动最为严重。 （7）动载（Dynamic 1oads） 起下钻作业中，由于钻柱运动速度的变化会引起纵 向动载，因而在钻柱中产生间歇的纵向应力变化。这主要和操作状况有关。 综上所述，转盘钻井时，钻柱的受力是比较复杂的。但所有这些载荷就性质来讲可分 为不变的和交变的两大类。属于不变应力的有拉应力、压应力和剪应力；而属于交变应力 的有弯曲应力，扭转振动所引起的剪应力以及纵向振动作用所产生的拉应力和压应力。在 整个钻柱长度内，载荷作用的特点是在井口处主要是不变载荷的影响，而靠近井底处主要 是交变负荷的影响。这种交变载荷的作用正是钻柱疲劳破坏的主要原因。 从上述分析也不难看出，钻柱受力严重部位是： （1）钻进时钻柱的下部受力最为严重。固为钻柱同时受到轴向压力、扭矩和弯曲力矩 的作用，更为严重的是自转时存在着剧烈的交变应力循环，以及钻头突然遇阻遇卡，会使 钻柱受到的扭矩大大增加。 （2）钻进时和起下钻时，井口处钻柱受力复杂。起下钻时井口处钻柱受到最大拉力， 如果起下钻时猛提、猛刹，会使井口处钻柱受到的轴向拉力大大增加。钻进时，井口处钻 柱所受拉力和扭力都最大，受力情况也比较严重。 （3）由于地层岩性变化、钻头的冲击和纵向振动等因素的存在，使得钻压不均匀，因 而使中和点位置上下移动。这样，在中和点附近的钻柱就受到交变载荷作用。 总的来说，为了完成正常钻进、起下钻及其他工艺操作，根据上述的受力状况，钻柱 所有部分都必须有足够强度，以承受各种可能的载荷，同时，要保证建立所需的钻压，钻 柱的循环阻力要小，密封性要好，并且钻柱的重量应尽可能轻，以实现经济的合理性。
钻井课后题汇总
第 1 页 共 45 页第一章 钻井的工程地质条件1. 岩石的塑性系数是怎样定义的？答：岩石的塑性系数是用来定量表征岩石塑性及脆性大小的参数。
塑性系数为岩石破碎前耗费的总功与岩石破碎前弹性变形功的比值。
2. 什么是岩石的可钻性？答：岩石的可钻性是岩石抗破碎的能力。
即一定钻头规格、类型及钻井工艺条件下岩石抵抗钻头破碎的能力。
3. 什么叫有效应力、有效上覆岩层压力、各向压缩效应？答：在“各向压缩效应”试验中，如果岩石孔隙中含有流体且具有一定的孔隙压力，这种孔隙压力的作用降低了岩石的各向压缩效应，这样，把岩石所受外压与内压之差称为有效应力。
上覆岩层压力和岩石内孔隙流体压力的差称为有效上覆岩层压力。
在三轴应力试验中，如果岩石是干的或者不渗透的，或孔隙度小且孔隙中不存在液体或者气体时，增大围压则一方面增大岩石的强度，另一方面也增大岩石的塑性，这两方面的作用统称为“各向压缩效应”。
4. 简述地下各种压力的基本概念答：地下压力包括静液压力h P 、上覆岩层压力Po 、地层压力p P 和基岩应力σ等。
静液压力是由液柱自身的重力所引起的压力，它的大小与液体的密度、液柱的垂直高度或深度有关。
地层某处的上覆岩层压力是指该处以上地层岩石基质和空隙中流体的总重力所产生的压力。
基岩应力是指由岩石颗粒之间相互接触来支撑的那部分上覆岩层压力，也称有效上覆岩层压力或颗粒间压力，这部分压力是不被孔隙水所承担的。
1． 简述地下各种压力的基本概念及上覆岩层压力、地层孔隙压力和基岩应力三者之间的关系。
答： 地下压力包括静液压力h P 、上覆岩层压力Po 、地层压力p P 和基岩应力σ等。
静液压力是由液柱自身的重力所引起的压力，它的大小与液体的密度、液柱的垂直高度或深度有关。
地层某处的上覆岩层压力是指该处以上地层岩石基质和空隙中流体的总重力所产生的压力。
基岩应力是指由岩石颗粒之间相互接触来支撑的那部分上覆岩层压力，也称有效上覆岩层压力或颗粒间压力，这部分压力是不被孔隙水所承担的。
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。
钻井工程复习(除名词解释)
第二章钻进工具1.何谓钻柱的中性点？答：中性点的概念是由鲁宾斯基提出来的。
他认为中性点时钻柱受拉和受压的分界点。
2. 什么叫复合钻柱？答：即采用不同尺寸（上打下小）、或不同壁厚（上后下薄）、不同钢号（上高下低）的钻杆组成的钻杆柱。
3.评价钻头性能的指标有那几项？答：钻头进尺，钻头工作寿命，钻头平均机械钻速，钻头单位进尺成本。
4.简述刮刀钻头破岩原理。
答：刮刀钻头刀翼在钻压W和扭转力T的作用下，一方面作向下的运动，一方面围绕钻头轴线旋转，刀翼以正螺旋面吃入并切削岩层，井底平面与水平面成Ø 角。
刮刀钻头主要以切削和挤压方式破碎地层，具体方式主要取决于钻头的切削结构及所钻地层的岩性。
由于这几种破岩方式主要要克服岩石的抗剪强度，所以它比克服岩石的抗压强度的破岩方式要容易得多。
5. 牙轮的超顶、移轴和复锥各产生哪个方向的滑动？答：由于牙轮的超顶、移轴、复锥，使牙轮在滚动的同时在井底产生滑动。
超顶和复锥引起沿切线方向滑动，这种作用除了冲击、压碎作用破碎岩石外，还可以剪切掉同一齿圈相邻牙齿破碎坑之间的岩脊；移轴产生轴向方向的滑动，可以剪切掉齿圈之间的岩脊。
6. 金刚石钻头有哪些突出优点？答：（1）是一体性钻头，没有结构薄弱的环节，因而可以使用较高的转速，可以承载较大的侧向载荷而不发生井下事故，（2）金刚石钻头在正确使用的情况下，耐磨且寿命长，适合于深井及研磨性地层。
（3）在高温下，牙轮密封易失效，金刚石钻头则不会出现此问题。
（4）金刚石钻头不受空间尺寸的限制，适合于小井岩钻井。
（5）在钻牙受限的情况下可以使用金刚石钻头。
（6）结构设计制造比较灵活，生产设备简单，能满足非标的需要。
（7）PDC 钻头是一种切削型钻头，实践表明在适应地层可以取得很高的经济效益。
（8）由于热稳定性的限制，必须保证充分的冲洗和冷却。
（9）金刚石钻头抗载荷、抗冲击能力较差，使用时必须岩严格的规程。
7. 金刚石钻头的工作原理？答：由于岩石性能技工条件的复杂性至今没有统一结论，但是可以归纳以下几点：（1）在钻遇硬地层时，在钻压的作用下压入岩石，使接触岩石呈现极高的应力状态而使岩石呈现塑性。
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L3
p1
方钻杆方宽 mm(in) 152(6) 133,152(5 1 4 ,6) 108,133(4 1 4 ,5 1 4 ) 89,108(3 1 2 ,4 1 4 )
203(8) ) ) ) 178~203(7~8) 152~178(6~7) 146(5
3 4
~11 ~9 ~8
)
第二节 钻 柱—设计
LN W qc K
B
压力
0
拉力
FW
( -)
( +)
L 式中：N —中性点距井底的高度，m。
N
重要意义： 1）设计钻柱时要确保中性点始终落在钻铤 上。为什么？ 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。
LN
w
w
钻柱轴向力分布与中性点
第二节 钻 柱—设计
三、 钻柱设计
动载荷：
Fd
v gt
F0
pb
pi p s pb
pi
（5）起下钻时钻柱轴向力：
p b p b p bot
Ft K B ( q p L p q c L c ) F f F d
p bot
pb
第二节 钻 柱—工作状态与受力
（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：
第二节 钻 柱—工作状态与受力
2 . 轴向力和中性点
（1）自重产生的轴向拉力（井内掏空时）：
F
F0 q p L p q c L c
（2）浮重产生的轴向力：
F m K B q p L p q c L c K B F 0
式中：
K B 1 d s 称为“浮力减轻系数”
2. 经验配合关系
钻头直径 mm(in) >299(11 248~299(9 197~248(7 146~216(5
3 4 3 4 3 4 3 4
钻铤外径 mm(in) )
3 4 3 4 1 2
钻杆外径 mm（ in） 168(6 5 8 ) 140(5 1 2 ) 114,127(4 1 2 ,5) 89(3 1 2 )
第二节 钻 柱—作用和组成
（二）钻柱组成
方钻杆 钻杆 钻铤 稳定器 配合接头和保护接头 其它井下工具： 减震器、震击器、 扩眼器、键槽破坏器
第二节 钻 柱—作用和组成
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：60.3，73.0，88.9，101.6，114.3，127.0，139.7 长度： 18～22ft ，27～30ft， 38～45ft
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
第二节 钻 柱—作用和组成
内平式：主要用于外加厚钻 杆。其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。
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。
第二节 钻 柱—工作状态与受力
二、钻柱的工作状态及受力
（一）钻柱的工作状态
1. 起下钻工况下： （1）直井：直的拉伸、滑动
（2）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。 下部钻柱弯曲的原因： 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。
1 0 5 （ G） 723.95 105000 930.79 135000 792.90 115000
1 3 5 （ S） 930.70 135000 1 1 3 7 . 64 165000 999.74 145000
MPa lb/in2 MPa lb/in2 MPa lb/in2
（6）接头及丝扣
数字型接 头 旧 API 接 头 2
3 8
NC26
IF
NC31
2 7 8 IF
NC38
3 1 2 IF
NC40
4IF
NC46
4FH
NC50
4 1 2 IF
第二节 钻 柱—作用和组成
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；
（二）钻铤长度的确定
浮重原则：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：
Lc
S N W max qc K
B
cos
式中： c —钻铤长度，m； L
W max —设计的最大钻压，kN；
SN
—安全系数，考虑附加力（动载、井壁摩擦力等），防止中性点
=1.15 ～1.25；
第二节 钻 柱—作用和组成
（4）钢级与强度
物 理 性 能 最小屈 服强度 最大屈 服强度 最小抗 拉强度 钻 杆 钢 级
D 379.21 55000 586.05 85000 655.00 95000
E 517.11 75000 723.95 105000 689.48 100000
9 5 （ X） 655.00 95000 861.85 125000 723.95 105000
ai
( L i q pi L j q pj L ck q ck ) K B
j 1 k 1
i 1
m
第二节 钻 柱—设计
L1 Fa1 q
p1
B
q c Lc q
p1
K
L2
Fa 2 q p2K
Fa 3 q K p3
B
B
q c LC q p1 L p1 q p2
q c Lc q L1 q
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
第二节 钻 柱—作用和组成
一、钻柱的作用与组成
概念：钻柱(Drill Stem)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。
移动较弱的钻杆上，一般取
q c —每米钻铤在空气中的重力，kN/m； SN
KB —浮力系数；
—井斜角度数，直井时， =0°。
第二节 钻 柱—设计
（三）钻杆柱强度设计 1.强度条件
F t ≤F a
F ti ( L i q pi L j q pj L ck q ck ) K B
第二节 钻 柱—工作状态与受力
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，同时围绕自身轴线转动，即不是沿着井壁滑动而 是滚动。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。 （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。
第二节 钻 柱—设计
（2）钻杆的最大允许拉伸力Fp：
F p 0 .9 F y
式中： p —钻杆的最大允许拉伸载荷，kN。 F （3）钻杆的最大安全静拉力Fa： ① 安全系数法（考虑起下钻时的动载及摩擦力）
Fa F p / S t
S 式中： t —安全系数，一般取1.30。 ② 设计系数法（考虑卡瓦挤压）
第二节 钻 柱—作用和组成
NC型系列接头 NC23，NC26，NC31，NC35，NC38，NC40，NC44，NC46， NC50，NC56，NC61，NC70，NC77
NC—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,具有0.065 英寸平螺纹顶和0.038英寸圆螺纹底, 用V0.038R表示扣型,可与V-0.065 型螺纹连接。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。 表2-17 可以互换使用的接头
（3）正常钻进时的轴向力：
Fw K q p L p q c Lc W
W
第二节 钻 柱—工作状态与受力
（4）其它轴向力的计算
循环压降引起的附加轴向拉力：
ps
4
F h p i p b A i 10
滑动摩擦阻力：
F f 0 . 2 ~ 0 . 3 F m