石油钻井钻进工具-钻头和钻柱详解课件

1、石油钻进工具钻头和钻柱本章主要内容：第一节 钻头 钻头的类型及工作原理 钻头的选型及分类方法 钻头的合理使用第一节 钻柱 钻柱的组成及功用 钻柱的工作状态及受力分析 钻柱设计 一、概述1. 钻头类型(1)按结构及工作原理分类: 刮刀钻头 牙轮钻头 金刚石钻头（包括PDC钻头） (2)按功用分类 全面钻进钻头 取心钻头 扩眼钻头2. 钻头尺寸系列 3-3/4 - 36 第一节 钻头（Drill Bit)常用尺寸：26 “ 、171/2 ” 、121/4 “、 81/2 ”等3. 钻头的工作指标 钻头进尺（米） 钻头工作寿命（小时） 机械钻速（米/小时） 单位进尺成本（元/米）：二、刮刀钻头（Dr

2、ag Bit） （一）刮刀钻头的结构上钻头体、下钻头体（分水帽）、 刀翼、水眼。图2-1 刮刀钻头结构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 刀翼结构：（1） 刀翼结构角 刃尖角刀翼尖端前后刃之间的夹角。 它反映了刀翼的尖锐程度。 越小，刃部越尖锐，越容易吃入地层，但强度越低。一般: 软地层 =8 10； 硬地层 =12 15 切削角 刀翼前刃和水平面之间的夹角。在相同钻压下， 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 70 软地层 7080； 中硬地层 8085。 刃后角- 刃后角必须大于井底角。 刃前角9

3、0。 (4)提高刀翼的耐磨性刀翼一般采35CrMo或35MnSiMoV高强度合金钢锻制而成，以保证有足够的强度。一般在刀翼表面平铺一层YG8硬质合金块，在外侧面镶装YG8硬质合金块。刀翼表面和外侧面镶焊人造金刚石聚晶块。（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，以确保刀翼强度足以承受弯矩。（3）刀翼底部形状： 平底、正阶梯、反阶梯、反锥 （二）刮刀钻头的工作原理 刮刀钻头主要以切削作用破碎地层。破碎塑性岩石过程： 在钻压W作用下，刀翼容易吃入地层；刃前岩石在扭转力T 的作用下不 断产生塑性流动。这和车刀切削软金属的过程类似。 破碎脆性岩石过程刮刀钻头破碎脆性岩石的过程

4、为： 碰撞 压碎及小剪切大剪切。（1）碰 撞：刃前岩石发生剪切破碎后，刀刃在旋转扭矩作用下向前推进， 碰撞刃前岩石。（2）压碎及小剪切：扭转力增大，压碎刃前岩石，产生小剪切破坏。（3）大剪切：扭转力继续增大到某一极限值，刃前岩石沿剪切面破碎，而后扭转力突然减小。刮刀钻头制造工艺简单，成本低；刮刀钻头适用于软地层，钻速快，每米钻进成本低；刮刀钻头容易磨损成锥形，造成缩径和井斜；刮刀钻头产生剧烈的扭转振动，破坏钻具和设备；刮刀钻头目前已被PDC钻头取代。（三）刮刀钻头的应用 三、牙轮钻头（Roller Bit）（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

5、封系统、喷嘴等部分组成。1牙轮及牙齿（1）牙轮20CrMo合金钢锥体，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单锥； b、c复锥； 1主锥； 2副锥； 3背锥abc （2）牙齿铣齿在牙轮锥面上直接铣出，楔形。 硬质合金镶齿镶装在牙轮锥面上，有多种齿形适应不同地层。铣齿牙轮钻头镶齿牙轮钻头 2轴承 牙轮钻头轴承有大、中、小和止推四副。根据轴承的密封与否，可分为密封和非密封两类。根据轴承副的结构，可分为滚动轴承和滑动轴承两大类。 滚动轴承结构：滚柱滚珠滚柱止推 滚柱滚珠滑动一止推 滑动轴承结构：滑动滚珠滑动止推 滑动滑动（卡簧）滑

6、动止推密封圈密封圈滚柱止推台阶滑动摩擦衬套滑动摩擦副 为什么滑动轴承比滚动轴承寿命长？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。4喷嘴 钻井液流出钻头射向井底的流道。高压钻井液流经喷嘴后产生高速流动的水射流，清除井底岩屑，辅助破碎岩石。 三牙轮钻头一般安装 3 个喷嘴，直径713mm。用卡簧固定在水眼内，并用o形圈密封。5牙轮及牙齿的布置方

7、式布齿原则：（1）转一周牙齿全部破碎井底，不留下未被破碎的凸起；（2）牙轮在重复滚动时应使牙齿不落入别的牙齿的破碎坑内； （3）牙齿磨损均匀。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齿间相互齿合产生自洗作用非自洗自洗无移轴自洗移轴（二）牙轮钻头工作原理1牙轮钻头在井底的运动公转：牙轮随钻头一起旋转。自转：牙齿绕牙轮轴线作逆时针方向旋转称自转。滑

8、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： 超顶和复锥引起切向（周向）滑动. 移轴引起径向（轴向）滑动.纵向振动：牙轮在滚动过程，其中心上下波动，使钻头做上下往 复运动。 引起纵向振动的原因： 单、双齿交替接触井底，使牙轮中心上下波动； 井底凹凸不平。 2、牙轮在井底产生滑动的原因 （1）牙轮超顶引起的滑动 超 顶 牙轮锥顶超过钻头中心线称为 超顶。 超顶距 锥顶超过钻头中心的距离ob 称为超顶距， 用 C表示， Ob = C。 A）由钻头公转速度b引起的牙轮母线上的线速度vb vb在牙轮母线上的分布为一条直线。 在oa段，vb向前 在ob段，vb向后

9、 在O点，vb = 0 B）由牙轮自转c引起的牙轮母线上的线速度vc vc 分布为一条直线，在锥顶b处，vcb = 0 C）vb 和vC合成 vb 和vC合成后的合速度与ab线交于M点，bM段滑动是向后的，aM段是向前的，M点为纯滚动点，相对于地层无滑动。M点和钻头中心O点不重合，所以牙轮相对于地层产生切向滑动。aOaa （2）牙轮复锥引起滑动 复锥牙轮由主锥和副锥组成，主锥的锥顶和钻头中心重合，而副锥母线延长后其锥顶超过了钻头中心，副锥实质上为超顶牙轮，超顶牙轮产生切向滑动。 （3）移轴引起的滑动 移轴 牙轮轴线相对于钻头中心线的偏移。（如图2-15） 移轴距 牙轮轴线相对于钻头中心线偏移的

10、距离。 移轴距 soo 由于牙轮的移轴，牙轮在井底转动时其母线上的任何一点都不是纯滚动。母线上任一点的速度可分解为垂直于牙轮轴线的分速度和沿牙轮轴线的轴向分速度，即轴向滑动。副锥产生超顶效果图2-15 牙轮钻头的牙轮移轴2牙轮钻头的破岩作用 （1）冲击、压碎作用 纵向振动产生的冲击力和静压力（钻压）一起使牙齿对地层产生冲击、压碎作用，形成体积破碎坑。 （2）滑动剪切作用 牙轮牙齿的径向滑动和切向滑动对井底地层产生剪切作用， 破碎齿间岩石。牙轮滑动对破岩的作用: 牙轮的超顶和复锥引起的切向滑动剪切掉牙齿之间的岩石。移轴引起的轴向滑动剪切掉齿圈之间的岩石。（三）牙轮钻头类型1. 国产牙轮钻头分类方

11、法（1）按结构分类：Y，P，MP，MPB，HP，HPB，XMP，XH共8个系列（2）按地层分类：JR，R，ZR，Z，ZY，Y，JY 1 ，2 ， 3 ， 4， 5 ， 6， 7 国产三牙轮钻头类型及适应地层 类型代号：数字17，表明所适应的地层 系列代号：字母Y,P,MP,MPB,HP,HPB,XMP,XH ，表明结构特征 钻头直径：用英寸或毫米表示直径大小例：用于中硬地层、直径为8in(215.9mm)的镶齿滑动密封轴承喷射式三牙轮钻头的型号为：8XHP5或215.9XHP5。（3）型号表示方法 2. IADC分类法系列代号用数字18表示钻头牙齿特征及适钻地层； 1-3为铣齿，5-8为镶齿。

12、地层等级代号用数字14表示所钻地层再分为4个等级；钻头结构特征代号用数字19表示钻头结构特征，其中17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。祥见书P66-67.例如：341S表示适用于中等研磨性或研磨性4级硬地层非密封 滚动轴承的标准铣齿钻头。 537C表示适用于底抗压强度的软到中硬的3级地层滑动 密封轴承保径带中心喷嘴钻头。国产三牙轮钻头分类、型号表示法 钻头直径类型代号系列代号例：用于中硬地层、直径为81/2”(215.9mm)的镶齿滑动密封轴承喷射式三牙轮钻头的型号为： 81/2” HP5或215.9HP5。目前常用的牙轮钻头型号 P2, P3, HP2,

13、HP3 铣齿 XHP2, XHP3 ,XHP4镶齿 J1, J2, J3 铣齿 J11, J22, J33,J44，J55 镶齿 （四）牙轮钻头的使用1. 根据地层性质合理选择钻头类型，标准是每米钻进成本最低。 地层较软时：选用牙齿高度大并带有超顶或移轴的钻头； 地层较硬时：选用牙齿高度小，无超顶或移轴的钻头；2. 优选钻进参数：钻压、转速、水力参数等。（五）钻头常见故障及其识别 钻头故障是钻进过程中常见故障之一，其故障形式主要有：因钻头轴承严重磨损产生剧烈旷动、牙轮卡死、掉牙轮、钻头泥包、喷嘴堵、掉喷嘴和牙齿脱落等。1、 钻头轴承磨损的识别 反映钻头轴承工作状态最敏感的信号是扭矩信号。为了消

14、除因钻压变化对扭矩产生的影响，采用比扭矩，比扭矩表示为： Mt 钻头发生磨损后的扭矩信号特征轻度磨损中度磨损严重磨损2、 牙轮钻头泥包的识别 钻头发生泥包后的特征： 钻时 Zt 迅速增大， 立压 StP 有所上升 扭矩 M 逐渐增大， 波幅Vr(M)减小 转速 Rpm 有所下降。tM牙轮钻头泥包时扭矩变化特征坨762井，井深至2239米时，立管压力由1515.6MPa，其它参数无变化，立管压力增至18.1MPa最高峰，此时泵负载很大，泵转速明显的下降，最高峰后立即缓慢下降至175bar后，23时40分突然下降到14.2MPa，水眼冲开，后恢复钻进。3、钻头水眼堵、掉的识别四、金刚石钻头（Dia

15、mond Bit) 金刚石是迄今为止人类在地球上发现的最硬、抗磨能力最强的材料。金刚石的产地主要集中在西非、南非、刚果等非洲国家。 金刚石的特性 金刚石为碳在高温高压下形成的结晶体，正四面体晶体结构。在单位晶胞中，碳原子位于四面体的顶角及中心。每个碳原子与邻近的四个碳原子形成四个共价键。 因共价键结合力强，故金刚石具有极高的硬度（莫氏硬度10)、抗压强度（8800MPa）和耐磨性钢的9000倍）。 缺点： 脆性大，受冲击载荷易碎裂； 具有热敏性，高温下（450以上）石墨化。 金刚石以重量单位计算，国际上通用“克拉”，1克拉= 0.2g。 金刚石颗粒的大小一般用“粒度”来衡量，即每克拉重量所含金

16、刚石的粒数，单位为“粒/克拉”。金刚石钻头所用的金刚石的粒度一般在0.5粒/克拉15粒/克拉。软到中软地层，用0.5粒/克拉2粒/克拉的金刚石；中硬地层用3粒/克拉6粒/克拉的；硬地层用8粒/克拉12粒/克拉；坚硬地层用12粒/克拉15粒/克拉的金刚石。 钻头用金刚石必须质地坚固，形状规则，如十二面体、八面体、立方体或其它接近球体的形状。金刚石材料有两类 天然金刚石：卡邦(Carnon)、包尔兹(Boarz)、巴拉(Ballas)。 人造金刚石：单晶和聚晶：石墨500010000MPa10002000金刚石单晶金刚石单晶金刚石聚晶高温高压下（一）金刚石钻头的结构 金刚石钻头为无活动部件的整体式

17、钻头。由钢体、胎体（冠部和保径部分）、水眼及水槽、金刚石切削刃等部分组成。1. 钢体 钢体是金刚石钻头的骨架。上部柱体车制丝扣和钻柱连接，下部铣成爪形和胎体烧结在一起。2. 胎体 胎体是镶嵌金刚石的基体，为硬质合金材料，用粉末冶金技术烧结在钻头钢体上。 常用剖面形状： a双锥阶梯形； b双锥形； c“B”形； d脊圈式“B”形3. 水眼和水槽 钻井液由水眼流出，经过水槽流过钻头表面，清洗井底，冷却和润滑金刚石。常用水力结构：（4）金刚石颗粒在胎体上的镶装方式 有表镶式和孕镶式。表镶式金刚石钻头所用的金刚石颗粒一般0.51.5粒/克拉。 孕镶式金刚石钻头是把金刚石颗粒与钻头胎体烧结在一起。适合于

18、对付极硬地层，而且成本比表镶式低得多。一般孕镶层的厚度212mm，金刚石颗粒棱角越尖越好。（5）金刚石粒度、出刃和排列方式 粒度： 0.5 15粒/克拉（0.2g) 出刃： 最大出刃量为直径的1/3 排列方式：a 钻头外形；b交错排列；c圆周排列；d脊圈排列 （二）金刚石钻头的破岩机理 概括地讲，金刚石钻头以磨削（研磨）方式破碎岩石，类似于砂轮磨削金属的过程。在钻进某些硬地层时，在钻压作用下压入岩石，使与金刚石接触的岩石 处于极高的应力状态而使岩石呈现塑性；(2)在塑性地层(或岩石在应力作用下呈塑性的地层)， 使前方的岩石内部发生破碎或塑性流动， 脱离岩石基体，形成岩屑，称作犁削。(3)在脆性

19、较大的岩石中，在钻压和扭矩作用下所产生的应力使岩石表现为脆性破碎，即属于以剪力和张力形式破碎岩石。(4)在坚硬岩石(如隧石、硅质白云岩、硅质石灰岩等)中，是要靠金刚石的棱角实现微切削、刻划等方式来破碎岩石。 （三）金刚石钻头的正确使用 1. 适用于硬、研磨性地层，涡轮钻井，深井钻井， 取心作业。寿命长，进尺高。 2. 钻头下井前，井底打捞干净，确保没有金属落物。 3. 先用小钻压、低转速跑合，然后用合适钻压和高 转速钻进。 4. 采用低钻压（30-50kN）、高转速、大排量钻进。五、PDC钻头（Polycrystalline Diamond Compact Bit）胎体PDC钻头钢体PDC钻头

20、两类PDC切削元件（一）PDC钻头的结构特点1. 切削元件聚晶金刚石复合片（PDC） PDC既具有金刚石的硬度和耐磨性。弱点是热稳定性差，350以上加速磨损。抗冲击能力较差。热稳定聚晶金刚石复合片（TSP） TSP的制造工艺有别于PDC，热稳定性、耐磨性和抗冲击能力都高于PDC。13.4， 192. 工作剖面形状特点 内外锥有利于钻头稳定； 外锥较长，可多布齿,使磨损均匀; 钻硬夹层，冠部齿易早期损坏。 适合中等均质地层。特点 钻头表面积较小，水力集中，清洗效果好； 载荷分布较均匀;用于钻石灰岩、白云岩等较硬地层。特点 侧向推力指向钻头中心，有利于防斜; 钻头外部表面积大，可布置较多切削齿，利

21、于提高寿命。 用于软地层。特点 冠顶较宽且较平缓，载荷分布较均匀。 外侧采用圆弧，布齿面积较大。用于硬地层。双锥形浅锥形抛物线形B 形3. 切削齿布置刮刀式布齿方式：特点是整体强度高、抗冲击能力强、易于清洗和冷却、排屑好、抗泥包能力强。适用于粘性或软地层。单齿式布齿方式：布齿区域大、布齿密度高，可以提高钻头的使用寿命，但水力清洗能力低，容易在粘性地层泥包。适用于硬地层。组合式切削齿的布置，具有较好的清洗、冷却和排屑能力，布齿密度较高。这种布齿方式的钻头多用于中等硬度地层。布齿原则：等切削体积等磨损等功率4. 切削齿工作角后倾角（负前角）：起到保护切削齿，延长寿命的作用。取值0-20, 软地层小

22、一些，硬地层大一些。侧倾角（旁锋刀面角）：钻头旋转时，切削刃面对切屑产生向外侧的推力，有利于向外排除岩屑。 =15左右。 5.喷嘴流道系统 冷却和清洗效果严重影响PDC钻头的钻速和寿命。 喷嘴数量一般比三牙轮钻头多。喷嘴位置和流道结构根据切削齿位置确定。（二）PDC钻头破岩机理 PDC钻头主要以切削方式破碎岩石。 切削刃在钻压作用下吃入地层，刃前岩石在旋转力作用下 发生剪切破坏。 切削塑性岩石和脆性岩石的过程类似于刮刀钻头。由于多个 切削齿同时工作，井底岩石自由面多，因此破岩效率高。金刚石切削刃耐磨性高，钻头寿命长，单只钻头进尺高。（三）PDC钻头的正确使用PDC钻头适用于软到中硬的大段均质地

23、层，不适合钻软硬交错 地层和砾石层。2. 与牙轮钻头相比，PDC钻头宜采用低钻压、高转速钻进。3. 钻头下井前，井底要清洁，无金属落物。新钻头钻进时， 先用小钻压和低转速磨合井底。4. PDC钻头属于整体式钻头，无任何活动部件，适合高转速的涡轮钻井。金刚石材料钻头的IADC分类法(P70)切削齿种类和钻头体材料 钻头冠部形状 水力结构特点切削齿大小和切削齿密度D，M，S，T，O1919R，X，O19第一位字码第二位字码第三位字码第四位字码第二节 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、钻柱的组成与功用（一）钻柱的组成 钻柱(Drilling String)是钻

24、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

25、 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) （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(1822英尺)； 第二类 8.230 9.144米(2730英尺); 第三类 11.58213.716米(3845英尺)。 常用钻杆规范（内径、外径、壁厚、线密度等）见表2-12（4）钢级与强度 （6）接头及丝扣丝扣连接条件：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

26、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，NC6

27、1，NC70，NC77 NCNational 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

28、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

29、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

30、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。轴向力 2 . 轴向力和中性点（1）自重产生的轴向拉力（井内掏空时）：（2）浮重产生的轴向力： 式中： 称为“浮力

31、减轻系数”（3）正常钻进时的轴向力：WFB（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(点) (亦称中和点，Neutral Point )。垂直井眼中钻柱的中性点高度：式中：LN 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。 钻柱轴向力分布与中性点三、 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

32、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 选择的基本原则1.方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.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

33、）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 LC 钻铤长度，m; Wmax 设计的最大钻压，kN； SN 安全系数，一般取 SN =1.15 1.25； qc 每米钻铤在空气中的重力，kN/m； KB 浮力系数； 井斜角，0。三、钻杆柱强度设计1.强度条件 Ft Fa （2-13）式中：Ft 钻杆柱任一截面上的静拉伸载荷，kN； Fa 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

34、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214中查出。 （2）钻杆的最大允许拉伸力Fp： 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Fa： 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。 设计系数法（考虑卡瓦挤压）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： 拉力余量法 式中：MOP拉力余量，一般取200500KN。以上三者取最小者作为Fa。每段钻杆满足强度条件：（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。 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