钻井工程 本科教材

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。
（3）正常钻进时的轴向力：
Fw K q p Lp qc Lc W


W
第二章 钻 柱 §2-2 钻柱工作状态及受力分析
（4）其它轴向力的计算

循环压降引起的附加轴向拉力：
ps
Fh pi pb Ai 104

滑动摩擦阻力：
Ff 0.2 ~ 0.3Fm

动载荷：
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。
界 压力，钻柱将失去直线稳定状态而发生弯曲并与井触。 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。钻柱像一根柔性轴，围绕自身轴线旋转。钻柱自 转时，在整个圆周上与井壁接触，产生均匀磨损。弯曲钻柱 在自转时，受到交变弯曲应力的作用，容易发生疲劳破坏。 在软地层弯曲井段，钻柱自转容易形成键槽，起钻时可能造 成卡钻事故。 (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 §2-2 钻柱工作状态及受力分析
6．纵向振动 钻进时，钻头转动(特别是牙轮 钻头)会引起钻柱的纵向振动， 在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或加剧钻 柱的弯曲变形。 数)，就会产生共振现象，振幅 急剧增大。

第二章 钻 柱 §2-1 钻柱的作用与组成


(4)耐磨表面是用硬质合金加固的接头，寿命可以 延长4倍。 钻柱疲劳失效常发生在钻铤以上数根钻杆上，因 为从钻铤过渡到钻杆时断面急剧变化，弯曲应力集中 在这部分钻杆上。如果在钻铤和钻杆之间加入加重钻 杆，则可以缓和断面的变化，减少应力集中，从而减 少钻具事故。另外，与钻铤相比，加重钻杆还有打捞 容易、可缩短起下钻时间、搬运方便等优点，并能保 持定向井的方位，起到稳斜作用。在大钩负荷和钻压 相同的情况下，使用加重钻杆，还可提高钻机的钻深 能力。国外加重钻杆已广泛用于直井和斜井，据统计 已超过数百万根，但我国很少使用。现就国外使用情 况分述如下：




第二章 钻 柱 §2-1 钻柱的作用与组成 (1)用于直井：在钻铤和普通钻杆之间连接15～30 根加重钻杆，就可防止与钻铤连接的钻杆发生疲劳破 坏； (2)用于定向井：定向井钻柱中接上加重钻杆后， 可使钻铤和加重钻杆不紧贴在井壁上，从而减少发生 泥饼卡钻的可能性，减少卸扣扭矩，在起钻时上提拉 力也不会超过井内重量太多。此外，还能更好地控制 井斜角和方位角，减少定向工作的次数，从而缩短定 向井的建井周期。 在定向井中，为了保证足够的钻压，所需的加重 钻杆长度比直井在同样钻压下所需长度大，一般在 30°井眼中需加长度15％，在45°井眼中需增加长度 40％，在60°井眼中需增加长度100%。
（二）钻柱的特殊作用
1、通过钻柱可以观察和了解钻头的工 作情况、井眼状况及地层情况等； 2、进行取心、挤水泥、打捞井下落物、 处理井下事故等特殊作业； 3、对地层流体及压力状况进行测试与 评价，即钻杆测试，又称中途测试

第二章 钻 柱 §2-1 钻柱的作用与组成
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
（四）稳定器
第二章 钻 柱 §2-1 钻柱的作用与组成
1、作用：防止井斜； 控制井眼轨迹
2、类型：刚性稳定器、不转动橡胶套稳定器、 滚轮稳定器 其中：刚性稳定器：螺旋棱（长棱、短棱）； 直棱（长棱、短棱）
第二章 钻 柱 §2-1 钻柱的作用与组成
（五）配合接头 1、作用：把两端不符合连接条件的钻柱 连接在一起。 2、接头的类型

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 14～15米。
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。
4、接头及丝扣
（1）丝扣连接：
尺寸相等，丝扣类型 相同，公母扣相匹配。 壁厚较大，外径较大， 强度较高。 内平、贯眼、正规。
2）钻杆接头点
（3）钻杆接头类型：
第二章 钻 柱 §2-1 钻柱的作用与组成 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。
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
称为“浮力减轻系数”
式中：
K B 1 d s

5、方钻杆统称尺寸：方钻杆统称尺寸指方部截面边宽
第二章 钻 柱

§2-1 钻柱的作用与组成
6、方钻杆技术规范 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。
标准方钻杆全长12．19 m，驱动部分长11．25 m。为了适应 钻柱配合的需要，方钻杆也有多种尺寸和接头类型。方钻杆的 壁厚一般比钻杆大三倍左右，并用高强度合金钢制造，故具有 较大的抗拉强度及抗扭强度可以承受整个钻柱的重量和旋转钻 柱及钻头所需要的矩。

有效长度 （1 ）
有效长度
（2）
有效长度 （3）
注：（1）公母扣接头；
有效长度 （4）
（2）双公扣接头 ;
（3）双母扣接头 （4）特殊接头
第二章 钻 柱 §2-1 钻柱的作用与组成 小结： 钻柱在钻井过程中的主要作用 1、钻柱的作用：

钻柱的特殊作用
2、钻柱组成： 钻杆、钻铤、方钻杆、稳定器、
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. 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 轴向力 （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）扭距 （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，扭距最大； 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。
第二章 钻 柱 §2-1 钻柱的扭矩和输送钻井液，延长钻柱。 2、结构：管体+接头
有效长度
第二章 钻 柱
§2-1 钻柱的作用与组成
3、规范：
（1）壁厚：9 ～ 11mm （2）外径：73.0，88.9（3½），101.6， 114、（4½），127.0（5英寸），139.7 （3）长度： 18～22ft ，27～30ft， 38～45ft
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 钻柱工作状态及受力分析
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。 (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，既有自转，也有公转。