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、钻柱的组成与作用（一）钻柱的组成钻柱(Drilling String)是水龙头以下、钻头以上钢管柱的总称。
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。
(一)钻柱组成(一）钻柱的组成钻柱是钻头以上，水龙头以下部分的钢管柱的总称.它包括方钻杆、钻杆、钻挺、各种接头(Joint)及稳定器等井下工具。
（二）钻柱的作用(见动画)(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，由无缝钢管制成。
1. 钻杆(3)连接方式及现状：a.细丝扣连接，对应钻杆为有细扣钻杆。
b.对焊连接，对应钻杆为对焊钻杆。
1. 钻杆(4)管体两端加厚方式：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)（5）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："21,"21 ,"21,"87 ,835139.70 ,500.127 430.1144101.60390.88 273.00 230.60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（6）钢级与强度钻 杆 钢 级物 理 性 能D E95（X）105（G）135（S）MPa379.21517.11655.00723.95930.70最小屈服强度lb/in2550007500095000105000135000 MPa586.05723.95861.85930.791137.64最大屈服强度lb/in285000105000125000135000165000 MPa655.00689.48723.95792.90999.74最小抗拉强度lb/in295000100000105000115000145000钢级：钻杆钢材等级，由钻杆最小屈服强度决定。
API钢级：D、E、95(X)、105(G)、135（S）级(7)钻杆接头及丝扣a.接头类型：公接头、母接头；b.钻杆接头特点：壁厚较大，外径较大，强度较高，30CrMo。
c.丝扣连接条件：尺寸相等，丝扣类型相同，公母扣相匹配。
d.钻杆接头类型：内平（IF）、贯眼（FH）、正规（REG）；e.标准：新旧两种标准。
有细扣钻杆、NC系列(8)接头的三种方式⏹内平式(IF)：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(FH)：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(REG)：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。
接头的三种方式内平式(IF)：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。
接头的三种方式贯眼式(FH)：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。
接头的三种方式正规式(REG)：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。
(9)NC型系列接头a.举例NC23，NC26，NC31，NC35，NC38，NC40，NC44，NC46，NC50，NC56，NC61，NC70，NC77b.表示：NC＋两位数字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型系列接头c.使用现状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数字型接头NC26NC31NC38NC40NC46NC50旧API接头283IF287IF321IF4IF4FH421IF(10)其它接头a.配合接头b.保护接头2. 钻铤(1)位置：最下端，下部钻具组合主要组成部分。
(2)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。
(3)主要作用：(a)给钻头施加钻压;(b)保证压缩应力条件下的必要强度;(c)减轻钻头的振动、摆动和跳动等，使钻头工作平稳；(d)控制井斜。
2. 钻铤(4)类型：光钻铤、螺旋钻铤、方钻铤、三角形钻铤。
(5)常用尺寸：6-1/4〃，7 〃，8 〃，9 〃158.8\177.8\203.2\228.6\2543.方钻杆(1)类型：四方形、六方形(2)特点：壁厚较大，由合金钢制造，抗拉强度及抗扭强度较高；(3)主要作用：传递扭矩和承受钻柱的全部重量。
(4)常用尺寸：89mm(3.5英寸)，108mm (4.5英寸)，133.4mm (5.5英寸)。
(5)长度：全长12.19，驱动部分长：11.25m(6)扣：上反下正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）直井防斜；2）定向井控制井眼轨迹；3）提高钻头工作稳定性。
扶正器二、钻柱的工作状态和受力分析⏹(一)工况及钻井方式（边界条件）⏹不同的钻井工况和钻井方式下，钻柱的受力、变形和运动不同。
1.正常钻进、起下钻是钻柱受力最具代表性的工况。
2.转盘钻(顶驱钻、井底动力钻)是钻柱受力最具代表性的钻井方式。
1.起下钻工况直井：拉伸的直的稳定状态。
斜井：随井眼倾斜和弯曲，滑动。
2.正常钻进工况上部受拉伸，下部受压弯曲；在扭矩作用下旋转运动。
3.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。
离心力的作用加剧下部钻柱的弯曲变形，上部受拉伸部分，也可能会弯曲。
扭矩使之呈现螺旋形弯曲状态。
在钻压、离心力及扭矩的作用下，钻柱轴线一般呈变节距螺旋弯曲曲线形状。
（三）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。
滚动、均匀磨损、交变应力次数要小些钻柱的旋转运动形式（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。
钻柱的旋转运动形式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。
弯曲钻柱自转离心力为零，对钻柱弯曲没影响。
（四）钻柱的受力分析1. 受力类型（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，对于转盘钻井井口扭距最大，对于井下动力钻具钻井，钻头处扭矩最大；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。
1.轴向静载荷计算：1)钻柱在垂直无钻井液井眼中悬挂：式中：F—钻杆任一截面处的拉力，kN；q p ,qc—钻杆、钻铤单位长度的重力(线重)，kN/m；Lc—钻铤的长度，m；L p —截面以下钻杆长度，m。
ccppLqLqF2)钻柱在垂直有钻井液井眼中悬挂：井眼内通常是充满钻井液的，钻柱要受到其向上浮力的作用(图2-35)，使钻柱的轴向拉力减小。
减小程度可用浮力系数K B （buoyanc 或floatage ）表示：线浮重(q m)：单位长度钻柱在钻井液中的重力。
q m = q c ×K Bsd B K /1式中：—钻井液密度，g/cm3；—钻柱钢材密度，取7.85g/cm3。
考虑ＫB ，钻柱任一截面处的轴向拉力Ｆm可按下式计算：Ｆm :浮重。
ds)(FKLqLqKFBccppBm。